摘要：冠中生态的首部学术专著《生态修复工程学》，在全面梳理生态系统内外各要素之间相互关系的基础上，总结出了新的多层次物质循环模型，提出了四大全新的生态修复工程学理论：物质循环的人为调节理论、环境非生物要素的平衡关系理论、生物要素间的竞争促进理论、群落演替的人为加速理
冠中生态的首部学术专著《生态修复工程学》，在全面梳理生态系统内外各要素之间相互关系的基础上，总结出了新的多层次物质循环模型，提出了四大全新的生态修复工程学理论：物质循环的人为调节理论、环境非生物要素的平衡关系理论、生物要素间的竞争促进理论、群落演替的人为加速理论。
今天，希望通过对这四大新理论的介绍与剖析，促进交流分享，共同推动未来生态修复工程建设的高质量发展。
一、物质循环的人为调节理论
物质循环是生态系统的基本功能之一，指物质在生物与环境的不同要素之间不断运移和转化。在生态修复工作中，应通过干预物质循环，达到物质积累或降低的目的，并调整物质循环速度。“四大圈层模型”（图1）是最常见的物质循环模型。除此以外，传统模型中还有土壤学用于解释土壤形成的“地质大循环和生物小循环模型”（图2），这个模型更是揭示了在生态系统中积累物质的方法——增加小循环结构以延长物质在系统内的存在周期。
为了更为准确的介绍物质在生态系统之间和生态系统之中的循环，我们提出了“物质的跨生态系统循环模型”（图3）和“生态系统内部的物质循环模型”（图4）。前者强调生态系统的物质循环是开放的，存在不同系统之间的物质交换，后者指出了一个具体生态系统存在的7个物质循环步骤。
图1 四大圈层模型
图2 地质大循环与生物小循环模型
图3 物质的跨生态系统循环模型
图4 生态系统内部的物质循环模型
①物活体及共生体内部物质循环。②生物活体与生物残体之间的循环。③生长环境和生物活体之间的循环。④生长环境不同要素之间的物质循环。⑤生物残体通过淋溶、直接燃烧氧化等途径转化为生长环境物质的单向过程。⑥生态系统与外部系统之间的物质循环。⑦外部系统中不同要素之间的循环。
总之，一个生态系统的物质循环途径是开放的，由内部循环系统和外部循环系统构成。内部循环的增加能够使物质在生态系统内部积累，而外部循环是生态系统物质增加和减少的最终来源和去向。通过人工调节生态系统物质循环的局部环节，可以在生态系统内控制物质的增加或减少。
二、环境非生物要素的平衡关系理论
环境非生物要素之间维持适当的平衡关系是实施生态修复工程的环境基础。例如，水与土之间的关系，过多的降雨会导致土壤结构破坏和水土流失，而适度的水分能促进植物和土壤生物生长，提高土壤质量。此外，温度、湿度和光照也存在一种平衡的关系。总之，环境的非生物要素是环境生物的生存、生长不可或缺的基础条件，而且这些非生物要素之间必须维持一种恰当的平衡关系，才能保证生态系统的健康发展。因此，环境非生物要素的具体情况是生态修复工程所要采取的技术、手段、材料的重要依据。在进行生态修复工程设计时，应充分考虑环境非生物要素之间的矛盾关系，并通过整体设计，使不同环境非生物要素之间维持相对平衡的关系，从而使修复的生态系统更加结构稳定。
三、生物要素的竞争促进理论
环境系统中生物之间保持必要的竞争、共生和捕食等互作关系，是人为干预条件下环境系统能够快速稳定的内在机理。研究表明，生物之间的竞争、促进和营养层级互作等生物相互作用，能直接或间接驱动或改变生态系统在不同尺度上的变化模式、方向和速率。应用这些理论来管理生态系统，有望大幅提升生态系统保护和修复的成效。因此，通过人工干预来增加生物互作的频率和强度，可以加速实现稳定生态系统的形成。然而，传统的生物技术往往仅利用共生关系来促进特定物种的生长，或者利用捕食和竞争关系来控制害虫或杂草，而少有利用生物之间的竞争关系来塑造物种个体和整体形态的技术。
例如，在受损边坡生态修复工程实践中，出现了一种“土壤喷播+密集播种木本植物”的修复方式，这种方式能快速形成密集生长的木本植被。由于生长密集，个体之间互相竞争激烈，通过对有限资源（养分、水分、阳光等）的竞争，仅有极少数量的个体生存下来，成为优势种。这个竞争过程不但保证了工程实施后快速实现修复效果（土壤层+密集播种+水热条件=高植被盖度），又体现了自然环境下的优胜劣汰与互作循环，有效增加了植被和土壤的稳定性。这种修复方式充分利用了植物个体之间的竞争作用和群体密集竞争产生的整体效应。通过此方式，人工干预了生物之间的竞争关系，实现了对物种个体和整体形态的限制和塑造，达到了有效控制和设计种群的目的。
此外，竞争作用对群落的景观效果也有塑造作用。密集的生物互作是高级生态系统的特征之一，是保持生态系统稳定的关键因素。传统的生态修复方法，如造林和封育，无法快速恢复成熟生态系统中应有的密集生物互作，因此生态系统在很长一段时间内难以稳定。因此，生态修复工程应采取必要的人为干预措施来快速恢复所需的密集生物互作。
四、群落演替的人为加速理论
非生物环境与生物群落的时空变化规律是生态修复方案设计的重要依据，良好生态功能的实现需要将非生物环境与生物群落这两个部分之间功能进行有机衔接。比如在自然土壤中，植物的遮盖作用、凋落物的覆盖作用、腐殖质的胶黏作用、根系的加筋作用共同维持了土壤的稳定，这些作用在不同时间、不同季节彼此消长、互为补充。在生态修复过程中，设计者和施工者也必须考虑工程措施和植物群落之间的功能衔接。生态修复工程的前期是依靠工程材料来实现系统的稳定，而生态修复的中后期，应主要依靠生物的力量来实现其稳定。显然，如何通过人为干预提高植物的生长速度、加快群落的演替，是实现植物作用与工程措施作用及时衔接的关键问题。
在实施生态修复工程时，通过人工干预来提供良好的非生物环境，则可以使植物群落的演替不受环境的制约，从而加速演替的速度（图5）。从限制因子的角度来看，陆地生态系统中的气候和地形等因素在相当长的时间内不会发生明显变化，因此在未达到顶级群落的陆地生态系统中，土壤可视为制约群落演替的单一限制因子。据此可以得出以下推论：①当土壤条件改善时，植物群落会向正向演替趋势发展。②当土壤条件优于当前植物群落所依赖的土壤发育阶段时，在种子库或植物侵入的情况下，群落演替会更快地进行。③当土壤条件低于当前植物群落演替水平所依赖的土壤发育阶段时，群落演替会减缓甚至趋向退化。
图5 消除人工痕迹的生态修复工程
因此，在裸地上人工建立能正常生长的植被群落和对应的土壤，可以跳过原生演替的初期阶段，实现群落演替的加速。
在受损生态系统修复过程中，恢复并重启物质循环是实现生态系统健康的基础和核心。构建土壤种子库和先锋植物群落，恢复生物群落的正向演替能力是决定生态修复效果的关键因素。《生态修复工程学》四大理论的提出，全面梳理了生态系统内外各要素之间的相互关系，结合了冠中生态20余年生态修复实践经验，探讨了如何在人为干预条件下，利用新型材料和技术建立营养丰富且结构稳定的环境基础以恢复物质循环，并快速构建具有正向演替能力的植物群落，希望能为日后新的生态学理论抛砖引玉。
来源：景宸教育
