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关于海洋人工生态系统理论范式的思考

丁德文 索安宁

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关于海洋人工生态系统理论范式的思考

    作者简介: 丁德文(1941-),中国工程院院士,主要从事海洋生态环境基础应用研究,E-mail:dingdewen@scsio.ac.cn;
    通讯作者: 索安宁(1977-),研究员,博士研究生导师,主要从事海岸生态环境应用基础研究,E-mail:suoanning@scsio.ac.cn
  • 基金项目: 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项项目(GML2019ZD0402);中国科学院战略性先导科技专项(A类)项目(XDA13020401)
  • 中图分类号: X171.4

On the theoretical paradigm of marine artificial ecosystem

  • 摘要: 本文针对新时期我国海洋资源养护与生态环境整治修复的理论缺失问题,在分析人工生态系统概念内涵的基础上,提出海洋人工生态系统概念,剖析了海洋人工生态系统组成结构与理论内涵,建立了包括海洋人工生态系统方案规划、海洋人工生态系统生态工程建设和海洋人工生态系统适应性管理在内的海洋人工生态系统构筑范式,并分析了这种海洋人工生态系统理论范式在海洋环境生态修复、海洋牧场建设和人工海岛生态系统营造方面的应用价值,以期为新时期我国海洋生态文明建设探索生态系统生态学理论引导模式。
  • 图 1  海洋人工生态系统结构示意图

    Figure 1.  Structure diagram of marine artificial ecosystem

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出版历程
  • 收稿日期:  2021-01-26
  • 录用日期:  2021-06-11
  • 刊出日期:  2021-10-20

关于海洋人工生态系统理论范式的思考

    作者简介:丁德文(1941-),中国工程院院士,主要从事海洋生态环境基础应用研究,E-mail:dingdewen@scsio.ac.cn
    通讯作者: 索安宁(1977-),研究员,博士研究生导师,主要从事海岸生态环境应用基础研究,E-mail:suoanning@scsio.ac.cn
  • 1. 中国科学院南海海洋研究所,广东 广州,510301
  • 2. 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州),广东 广州,511458
  • 3. 国家海洋环境监测中心,辽宁 大连,116023
基金项目: 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项项目(GML2019ZD0402);中国科学院战略性先导科技专项(A类)项目(XDA13020401)

摘要: 本文针对新时期我国海洋资源养护与生态环境整治修复的理论缺失问题,在分析人工生态系统概念内涵的基础上,提出海洋人工生态系统概念,剖析了海洋人工生态系统组成结构与理论内涵,建立了包括海洋人工生态系统方案规划、海洋人工生态系统生态工程建设和海洋人工生态系统适应性管理在内的海洋人工生态系统构筑范式,并分析了这种海洋人工生态系统理论范式在海洋环境生态修复、海洋牧场建设和人工海岛生态系统营造方面的应用价值,以期为新时期我国海洋生态文明建设探索生态系统生态学理论引导模式。

English Abstract

  • 自从出现在地球上,为了自己的生存,人类就在不断地改造地球生存环境。随着人类社会的发展进步,人类对地球生存环境的改造能力愈发强大,能够创造出一种不同于地球自然生态系统的人工系统,也就是人工生态系统。最早的人工生态系统就是农业生态系统,后来随着城镇的兴起,出现了城市生态系统[1-2]。海洋覆盖了地球表面70%以上的区域,是地表生态系统的重要组成部分,也是人类社会经济发展的资源宝库。近一百年来,人类对海洋资源的开发能力越来越强,对海洋自然环境的改造和影响也越来越深刻,海洋环境污染、渔业资源枯竭、近岸生态系统退化等问题愈发凸显,海洋生态系统需要在人类的主导下恢复和重建,海洋人工生态系统概念应运而生。

    • 所谓人工生态系统,是指经过人类干预和改造形成的由人类主导或控制的生态系统。人工生态系统很早就受到生态学家的关注[3-5]。20世纪80年代,我国学者就开始探讨珠江三角洲的“桑基鱼塘”、林农间作等农业人工生态系统[6-7]。随着环境问题的凸显,环境治理人工生态系统受到专家学者的关注[8]。毕东海详细分析了人工生态系统存在的社会性、易变性、综合性、选择性等特点,提出了建立和评价人工生态系统的三个基本原则[9]

      在系统总结国内外人工生态系统定义的基础上,本文认为人工生态系统是人类在自然生态系统的基础上,根据社会经济发展需求,通过工程措施改造和建造的以人类为核心、受人类活动强力调控的生态系统。人工生态系统的特点包括:(1)社会性,人工生态系统是人类社会经济发展的产物,为人类社会经济发展服务,受人类社会的强烈干预和影响;(2)脆弱性,人工生态系统是人类主导下的生态系统,自我调节能力差,具有极高的脆弱性,容易受各种环境因素的影响和干扰[10];(3)开放性,人工生态系统本身不能自给自足,需要系统外的物质、能量、信息的输入,并受外部力量的调控[11];(4)目的性,人工生态系统主要是满足人类社会的需要,为满足人类社会经济发展的某种目的而建设。

      人工生态系统由受人类主导或改造的生物组分(生产者、消费者和分解者)、非生物组分(基质、原材料和能源等)以及发挥主导与实施改造活动的人类组成。其中,人类是人工生态系统的主导者和调控者,是人工生态系统不可或缺的重要组成部分。人工生态系统的建设和维护必须注重以下几个方面:一是生态平衡,人工生态系统的生态平衡是相对的、暂时的、有条件的,合理的人类活动可以使人工生态系统朝着健康稳定方向演变,不合理的人为措施将会导致人工生态系统朝着失衡、崩溃方向演变[12];二是生态系统生产力,人工生态系统的生产力是人类对社会资源和自然资源的利用效率,不仅决定于资源输入的数量,还必须考虑资源的转化效率,只有人工生态系统各组成结构合理,密切配合,形成合理的运转体系,才能达到人工生态系统的最大转化率[13];三是生态系统调控,人工生态系统调控是维持人工生态系统稳定的必要措施,只有根据人工生态系统的问题和特点,有针对性地制定调控措施,才能维护人工生态系统的高效运转。

    • 海洋人工生态系统是基于生态系统生态学原理,在自然海域中通过生态工程技术,构造的以海洋生物关键功能群及其生境为核心,以满足人类社会发展某种需求(例如海洋生物资源持续高效产出)的人工控制生态系统。海洋人工生态系统是以人类为主导,以自然资源和自然环境为基础,以社会资源和社会环境为背景的复杂系统。海洋人工生态系统在狭义上指人工建设、修复与构筑形成的海洋生态系统,在广义上指海洋生态系统与人类社会共同组成的复合生态系统。在海洋人工生态系统中,一方面,人类是系统的建设者,通过物种放流、群落构造、生境营造、环境适应等工程技术构造海洋生态系统,并通过生态监测、适应性管理等技术信息手段控制海洋生态系统的演进过程;另一方面,人类也处于海洋人工生态系统食物链的最顶端,是海洋人工生态系统的最终消费者,也是海洋人工生态系统物质流、能量流的最终归宿[14]。自然资源和自然环境是海洋人工生态系统构建的基本依托,包括资源因素和环境因素,资源因素为海洋生态系统中由食物链/食物网联系的各营养级生物类群,它们是海洋人工生态系统物质与能量的最直接来源;环境因素是海洋人工生态系统建设海域具有的最基本生存环境条件,包括底质类型、水深地形状况、水文环境等。社会环境是海洋人工生态系统构建和维持的思想、技术、制度等基本社会条件,包括技术环境、经济环境、法规制度环境等。技术环境是海洋人工生态系统建设的技术支撑来源;经济环境是海洋人工生态系统建设的产业需求和利益诉求;法规制度环境是海洋人工生态系统建设的制度保障。社会资源是海洋人工生态系统构建和维持的基本资源保障,包括资金、人力、能源等。

    • 狭义的海洋人工生态系统是由若干海洋生物关键功能群及其生境构成的。这里的海洋生物关键功能群是指在海洋人工生态系统中,发挥着关键生态功能的海洋生物类群,它们是由食物链/食物网链接的各营养级生物类群。生境指海洋生物关键功能群赖以生存、生长、繁衍的各种生境条件。在自然海洋生态系统中,不同海洋生物关键功能群在长期的竞争、适应、进化等生态作用下形成各自不同的生态位。在海洋人工生态系统中,不同海洋生物资源关键功能群利用不同的生态位,具有不同的产卵场、孵幼场、索饵场等生境场所。在垂直方向上,有些海洋生物关键功能群利用海洋水体表层生态空间,有些海洋生物关键功能群利用海洋水体底层生态空间,还有些海洋生物关键功能群利用海洋水体中层生态空间;在水平方向上,有些海洋生物关键功能群喜好河口咸、淡水混合区域,有些海洋生物关键功能群喜好海湾浅水区域,有些海洋生物关键功能群喜好深水海域。多种海洋生物关键功能群通过各种信息流分区分层集约利用海洋人工生态系统空间,并在人为控制下在各自的生境场所繁殖生长,实现海洋人工生态系统稳定运行与生物资源高效产出(图1)。

      图  1  海洋人工生态系统结构示意图

      Figure 1.  Structure diagram of marine artificial ecosystem

    • 海洋人工生态系统方案规划是海洋人工生态系统建设的前提和基础,包括海洋人工生态系统构筑区域优选、构筑区域海洋生态系统调查分析与研究、海洋生物关键功能群的遴选、生境营造规划及海洋人工生态系统整体设计等。

      (1)海洋人工生态系统构筑区域优选。海洋人工生态系统构筑区域应优先选取那些自然环境优越、营养丰富、适宜海洋生物关键功能群生存与繁育的海域,这些区域一般建设成本低,建设成效好。

      (2)构筑区域海洋生态系统调查分析与研究。海洋人工生态系统方案规划首先要由海洋专业机构对海洋人工生态系统构筑区域的自然海洋生态系统开展全面调查,必要时搜集本区域相关历史海洋调查资料,全面分析构筑区域海洋生物种类组成结构、生物量与群落结构,并剖析海洋生物种类组成、食物链和食物网特点以及生境条件。

      (3)海洋生物关键功能群遴选。海洋生物关键功能群遴选要根据海洋人工生态系统构筑目的,由专业人员遴选海洋生物关键功能群顶级生物种类,并进一步研究它们的食物链营养级其他生物类群,设计具有不同生态位特点的4~6个海洋生物关键功能群,作为海洋人工生态系统构筑的目标生物类群[15]

      (4)生境营造规划。生境营造规划要根据不同海洋生物关键功能群对生境环境喜好的差异性,由专业人员编制主要海洋生物关键功能群各类生境场所详细参数表,结合海洋人工生态系统构筑区域的实际生境环境条件,设计主要海洋生物关键功能群生境营造详细方案。

      (5)海洋人工生态系统整体设计。专业技术人员在整体设计海洋人工生态系统的平面结构、垂直结构、群落及营养结构、景观结构等基础上,谋划海洋人工生态系统的物质流、能量流、信息流、技术控制过程,以及物质生产功能、资源养护功能、生态调控功能、社会文化功能的呈现次序与方式,编制海洋人工生态系统规划设计方案。

    • 海洋人工生态系统生态工程建设要以海洋人工生态系统规划设计方案为依据,采用生态工程和系统工程方法营造海洋人工生态系统。生态工程建设主要包括关键功能群构造工程、生境营造工程、监测评价工程、病害防御工程、风险防范工程。

      (1)关键功能群构造工程。海洋人工生态系统关键功能群构造工程主要包括关键功能群海洋物种的人工繁殖、幼苗培育、环境适应等生物工程技术。一些关键功能群海洋物种目前已有成熟的人工繁殖、幼苗培育技术;还有一些关键功能群海洋物种的人工繁殖、幼苗培育技术不是很成熟,需要不断地研发改进。环境适应主要是让人工培育的生物幼苗从人工培育环境向半人工生存环境再向自然海域生存环境逐渐适应的过程。

      (2)生境营造工程。生境营造工程主要是营造海洋生物关键功能群所需的各种生境条件。针对不同海洋生物关键功能群对各种生境的喜好特点及相关参数,研究不同材质、不同结构、不同规格的海洋生物关键功能群生境构筑技术,并将其置于不同位置的海洋人工生态系统空间,作为海洋生物关键功能群的不同生境场,并疏通各个生境场之间的迁移通道,便于海洋生物在不同生长发育阶段往来迁移。

      (3)监测评价工程。监测评价工程主要是建设海洋人工生态系统监测工程体系,包括海洋环境监测工程,如水质、水流、水色、温盐等环境指标远程自动监测装置;海洋生物监测工程,实现对海洋生物关键功能群顶级物种及其各级饵料生物的生长发育、饵料供给全过程的监测、评价与问题预警;生态过程监测工程,建立海洋生物关键功能群索饵、育肥、产卵、育幼、越冬等生命周期全过程的监控体系,系统评价海洋生物关键功能群繁育状况及其生命周期各阶段对各生境场所的利用情况。

      (4)病害防御工程。病害防御工程包括病害生态防御工程、病害生物防御工程、病害药物防御工程等多种措施。病害生态防御工程是在生态系统中增添患病生物的捕食者,从而快速消灭患病生物以防止疾病传播的方法;病害生物防御工程是通过投放病害生物疫苗等,提高海洋生物关键功能群的病害抵抗能力;病害药物防御工程是通过投放病害防御药物,治疗病害海洋生物。

      (5)风险防范工程。海洋人工生态系统风险来自各个方面,有台风、风暴潮等水动力摧毁风险,极端低温、极端高温等环境损害风险,溢油、危化品泄漏等污染风险等,需要针对各类风险损害特点,制定针对性的海洋人工生态系统风险防范工程。

    • 适应性管理是通过对管理实践结果的不断学习总结,并反馈到管理工作中,持续提高管理实践技术水平的一种新型管理理论模式。适应性管理理论的核心是在管理实践工作中不断学习改进,并反馈到管理实践中持续提高管理技术水平的循环过程[16]。海洋人工生态系统是在自然海域中营造一种新生生态系统,其演进过程具有高度的不确定性、不稳定性。只有运用适应性管理理论,通过动态监测分析评价海洋人工生态系统演进过程,及时发现问题,学习管理经验,及时调整管理技术措施,并反馈到管理实践工作中,形成生态适应性管理模式,才能促进人工生态系统的稳态演进。

      海洋人工生态系统适应性管理的目标是不断优化海洋人工生态系统结构,控制海洋人工生态系统演进方向及速度,为社会经济发展提供源源不断的生态服务功能。海洋人工生态系统适应性管理包括管理方案制定、管理方案实施、管理效果监测分析、管理效果评估与学习、管理技术措施反馈及改进五个主要环节。

      (1)管理方案制定。制定阶段性海洋人工生态系统管理目标,并根据该目标分解确定海洋人工生态系统各海洋生物关键功能群培育及其生境营造的具体衡量标准与参数,深入剖析管理目标与各关键功能群及其生境参数之间的响应关系,构建海洋人工生态系统适应性管理模型与适应性管理方案。

      (2)管理方案实施。根据海洋人工生态系统构筑方案及其构筑进展,制定管理细则,实施海洋人工生态系统构筑全过程全天候管理,包括海洋人工生态系统规划设计方案实施管理、海洋生物关键功能群构造工程管理、生境营造工程管理、系统运维工程管理以及海洋人工生态系统综合管理。

      (3)管理效果监测分析。采用水环境自动监测设施、海洋生物关键功能群水下远程监控设施、人员潜水查看等多种手段,动态监测海洋人工生态系统结构功能状态参数,分析海洋人工生态系统演进方向、速度、态势及其存在的主要问题。

      (4)管理成效评估与学习。比较分析海洋人工生态系统结构功能参数与阶段性目标衡量标准之间的偏差,采用海洋人工生态系统适应性管理模型,评估海洋人工生态系统建设实际效果,分析阶段性构筑目标的达标程度,深入研究学习管理实践成效及其存在问题的原因。

      (5)管理技术措施改进及反馈。根据海洋人工生态系统管理效果评估和学习结果,有针对性地提出海洋人工生态系统管理技术改进途径和方法,并反馈到管理方案修订工作中,改善管理技术方案,再次实施管理工作。如此不断地监测分析→评估学习→技术改进→管理实施循环,形成海洋人工生态系统适应性管理模式。

    • 海洋生态修复是海洋国土空间践行“美丽中国”战略的重要举措。“蓝色海湾”“美丽海湾”“生态岛礁”等海洋生态修复项目都是在人类主导下的海洋生态系统修复和重建工程,是海洋人工生态系统理论范式在自然生态系统恢复方面的重要应用。红树林生态修复要注重构造以红树植物群落为海洋生物关键功能群,营造以淤泥质滩涂为生境,通过红树林人工生态系统方案规划→生态工程实施→生态适应性管理,构筑红树林人工生态系统。珊瑚礁生态修复要注重构造珊瑚-虫黄藻共生功能群,营造适宜珊瑚浮浪幼虫附着生长的礁体生境,运用海洋人工生态系统构筑范式,修复和重建珊瑚礁生态系统。海草床生态修复要注重遴选和构造适宜的海草植物关键功能群,营造适宜海草植物群落生长发育的海洋生境,辅以生态适应性管理模式,构筑海草床人工生态系统。

    • 海洋牧场是实现海洋渔业资源养护与增殖、海洋渔业产业转型升级的一种全新的海洋渔业生产模式,被国内外海洋水产界广泛关注。海洋牧场是在人类的主导下建设的,是以为人类提供源源不断的优质水产蛋白为目的的海洋人工生态系统。海洋牧场人工生态系统由若干个渔业资源关键功能群及其对应的“三场一通道”生境构成,具有渔业资源养护、优质水产品生产、旅游休闲娱乐等多种生态系统服务功能[7]。不同区域不同主导功能的海洋牧场渔业资源关键功能群不尽一致,它们对应的“三场一通道”生境环境也相差甚远,必须高度重视海洋牧场人工生态系统的差异性,不能模仿照搬。海洋牧场建设应运用海洋人工生态系统构筑范式,包括进行深入的海洋牧场选址生态适宜性评价研究,遴选和构造合理的海洋渔场渔业资源关键功能群,营造满足渔业资源关键功能群生命周期全过程的“产卵场”“索饵场”“越冬场”以及洄游通道,实施海洋牧场生态适应性管理等。

    • 人工海岛是通过填海造地建设的全新土地。在这种全新的人工海岛上构筑以人类为主导的自然环境+社会经济复合生态系统,需要考虑多种复杂因素。海洋人工生态系统理论范式对构筑海岛人工生态系统具有重要的指导价值。人类是海岛人工生态系统的最终消费者,处于食物链的最顶层,也是海岛人工生态系统的建设者和维持者。人类要在海岛生态系统中生存,需要粮食、蔬菜以及肉、奶、蛋等蛋白来源,这就需要构造以人类为顶级消费者的食物链。这种食物链落实到海岛空间形成农田、菜地、畜禽饲养场、水塘、住所、道路等功能斑块,这些功能斑块以不同的形状和规模镶嵌构成海岛景观格局。同时,海岛人工生态系统需要根据人类社会经济发展需求,进行食物、淡水、环境等生态系统运营状态动态监测和评价,并不断改进管理方案,推动海岛景观格局的持续调整和优化,创建海岛人工生态系统适应性管理模式。

    • 人工生态系统是生态系统生态学结合人类社会经济发展衍生的重要应用领域,很早就受到国内外生态学家的关注。本文将人工生态系统理念与新时期海洋资源养护和生态环境保护需求相结合,探索性地提出海洋人工生态系统理论及其构筑范式,希望能为我国海洋环境生态修复、海洋牧场建设、岛礁生态营造等海洋生态文明战略实施提供共性理念或理论,实现以生态系统为目标的海洋生态环境综合治理。

参考文献 (16)

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