原 文 刊 于 2004 年 5 月 28 日 《Science》304 卷 1251-1252 页 , www.sciencemag.org视 绿 色 廊 道 、 河 岸 保 护 区 、 泄 洪 设 施 等 可 以 减 缓 生 态 退 化 的 基 础 设 施 建 设 。 强 化 对 生 态 系统 服 务 功 能 的 公 众 评 估 将 有 利 于 促 进 科 学 和 管 理 的 结 合 。 在 德 国 的 很 多 城 市 , 屋 顶 花 园 和其 它 有 关 降 低 硬 化 地 表 的 环 境 影 响 的 技 术 正 在 得 到 广 泛 的 支 持 。没 有 全 社 会 对 生 态 系 统 和 人 类 福 祉 关 系 的 广 泛 了 解 , 科 学 是 没 有 用 的 。 比 如 , 美 国 东部 切 沙 匹 克 海 湾 集 水 区 的 居 民 们 都 懂 得 保 护 湾 区 水 质 和 渴 望 恢 复 美 国 牡 蛎 的 退 化 生 境 。 他们 懂 得 干 净 的 海 水 和 适 宜 的 牡 蛎 生 境 为 他 们 提 供 了 多 大 的 物 质 、 文 化 和 精 神 价 值 。 他 们 希望 改 进 水 处 理 设 施 , 引 进 外 地 牡 蛎 种 以 替 代 本 地 的 贝 类 。 但 是 , 他 们 应 该 明 白 , 在 引 进 外来 种 的 同 时 , 也 引 进 了 风 险 , 科 学 证 据 表 明 , 不 改 变 现 行 的 土 地 利 用 方 式 , 要 恢 复 原 来 的贝 类 是 不 可 能 的 。要 确 定 自 然 系 统 是 怎 样 提 供 生 态 服 务 的 , 必 须 有 一 测 度 方 法 并 研 究 其 相 应 生 态 系 统 尺度 的 动 力 学 机 制 。 要 弄 清 生 态 响 应 是 如 何 依 赖 于 时 间 和 空 间 的 , 需 要 探 讨 空 间 的 、 解 析 的和 其 它 定 量 分 析 的 新 方 法 (11) 。 开 展 集 多 变 量 的 因 果 关 系 分 析 , 非 线 性 的 反 馈 机 理 和 基 于 个体 行 为 的 决 策 为 一 体 的 交 叉 学 科 研 究 , 是 将 人 类 组 分 纳 入 生 态 系 统 研 究 的 关 键 。人 工 生 态 设 计生 态 系 统 恢 复 已 成 为 美 国 社 会 的 一 个 热 门 事 务 , 每 年 有 数 十 亿 美 元 用 于 污 染 水 体 的 修复 , 以 及 退 化 、 破 碎 或 表 层 铺 装 土 地 的 植 被 重 建 ( 见 附 图 1)。 然 而 , 人 工 设 计 的 生 态 系 统已 经 超 越 了 将 生 态 系 统 修 复 到 过 去 状 态 的 传 统 理 念 , 有 些 是 可 能 或 有 些 是 不 可 能 的 。 它 要求 创 造 一 个 功 能 完 善 的 生 物 群 落 , 并 与 人 类 耦 合 成 自 然 - 社 会 复 合 生 态 系 统 , 使 其 为 人 类提 供 最 优 的 生 态 服 务 。人 工 设 计 的 生 态 系 统 可 以 包 括 从 对 原 生 生 态 系 统 的 轻 微 改 造 到 重 新 设 计 的 不 可 替 代 的生 态 系 统 。 后 者 是 一 类 为 满 足 人 类 的 生 态 、 社 会 和 经 济 目 标 而 刻 意 创 造 的 综 合 型 系 统 。 比如 在 荷 兰 , 一 些 人 口 密 集 的 城 市 多 年 来 一 直 在 抽 取 海 滩 沙 丘 底 下 的 淡 水 作 为 饮 用 水 , 为 减缓 对 地 下 水 的 过 度 抽 取 , 建 了 一 些 人 工 湖 泊 , 并 向 沙 丘 底 层 回 灌 内 河 淡 水 。 尽 管 还 不 能 完全 杜 绝 环 境 问 题 , 这 些 生 态 举 措 确 实 展 现 了 很 大 的 潜 力 (12) 。这 类 系 统 并 不 一 定 要 象 恢 复 自 然 生 态 系 统 那 样 恪 守 特 定 地 点 的 生 态 系 统 结 构 与 功 能 的传 统 理 念 。 相 反 , 一 个 人 工 生 态 系 统 可 以 设 计 成 通 过 各 种 组 合 的 技 术 手 段 并 配 以 当 地 物 种的 新 型 组 合 来 减 缓 不 利 的 生 态 影 响 , 并 有 利 于 特 定 生 态 服 务 功 能 的 培 育 。 这 种 公 然 倡 导 人工 设 计 生 态 系 统 的 作 法 可 能 会 引 起 一 些 自 然 保 护 主 义 者 和 一 些 自 然 生 态 学 家 的 反 感 。 我 们当 然 不 提 倡 用 这 种 人 工 设 计 系 统 去 替 代 自 然 生 态 系 统 , 但 毫 无 疑 问 , 他 们 将 成 为 未 来 可 持续 世 界 的 一 部 分 。为 满 足 日 益 增 长 的 人 类 需 求 , 我 们 需 要 建 立 人 工 生 态 设 计 科 学 。 为 此 , 研 究 工 作 者 必须 与 实 施 恢 复 工 作 的 机 构 、 公 司 和 相 关 团 体 紧 密 结 合 , 帮 助 他 们 在 在 下 列 问 题 上 掌 握 分 寸 ,建 立 指 导 原 则 : 要 将 某 一 地 点 维 持 或 恢 复 到 某 一 可 接 受 的 基 线 , 需 要 多 大 的 人 工 干 预 ? 何时 恢 复 努 力 不 起 作 用 或 没 有 好 处 ?生 态 设 计 方 法 需 要 将 生 态 学 原 则 与 其 他 学 科 的 方 法 和 技 术 相 结 合 。 比 如 , 污 水 处 理 工程 师 与 生 态 学 家 享 有 共 同 的 科 学 兴 趣 , 但 很 少 彼 此 对 话 。 工 艺 过 程 设 计 可 以 从 生 态 学 基 于新 的 分 子 技 术 的 营 养 传 输 方 法 中 受 益 , 而 生 态 学 家 可 以 引 进 生 物 系 统 工 程 作 为 研 究 工 具11
原 文 刊 于 2004 年 5 月 28 日 《Science》304 卷 1251-1252 页 , www.sciencemag.org(13) 。当 前 , 在 城 市 化 、 淡 水 生 态 退 化 和 不 同 生 态 系 统 间 的 物 质 迁 移 等 领 域 迫 切 需 要 研 究 生态 方 案 的 人 工 设 计 。 洁 净 地 表 水 的 短 缺 、 地 下 水 的 过 度 抽 取 以 及 跨 流 域 的 调 水 等 问 题 正 以不 寻 常 的 速 度 发 展 (9) 。 研 究 的 优 先 领 域 应 包 括 对 怎 样 恢 复 水 体 的 自 然 服 务 功 能 , 怎 样 恢 复和 设 计 人 工 调 控 河 流 的 自 然 水 流 , 以 及 怎 样 降 低 淡 水 生 态 系 统 中 物 种 的 快 速 灭 绝 速 率 的 研究 。 河 流 上 游 的 水 源 保 护 对 下 游 河 口 及 海 岸 带 水 质 和 鱼 类 生 境 的 保 护 至 关 重 要 。 迄 今 在 有关 怎 样 最 好 地 恢 复 上 游 集 水 区 生 态 和 设 计 最 小 化 下 游 和 海 岸 带 生 态 影 响 的 生 态 方 案 的 基 础研 究 中 , 自 然 资 源 管 理 者 、 执 法 部 门 以 及 基 础 研 究 工 作 者 间 的 交 流 太 少 。到 2030 年 , 世 界 一 半 以 上 人 口 将 生 活 在 城 市 里 , 这 些 城 市 多 数 位 于 沿 海 地 区 。 城 市 化 ,包 括 那 些 建 成 区 面 积 不 构 成 土 地 利 用 主 导 成 分 的 城 市 , 将 对 区 域 和 全 球 环 境 产 生 重 大 影 响(14) 。 为 减 缓 伴 随 城 市 化 过 程 而 急 遽 增 长 的 进 出 城 市 和 沿 海 地 区 的 人 流 、 物 流 和 能 流 的 环 境影 响 , 需 要 设 计 生 态 解 决 方 案 。 需 要 增 加 对 城 市 生 物 多 样 性 和 进 化 过 程 的 设 计 , 以 恢 复 和增 强 城 市 生 态 服 务 功 能 。 人 工 设 计 的 生 态 解 决 方 案 对 减 缓 城 市 化 、 气 候 变 化 和 人 体 健 康 间的 相 互 作 用 风 险 至 关 重 要 。 比 如 , 水 火 灾 害 对 于 恢 复 和 维 持 人 类 赖 以 支 持 的 自 然 服 务 功 能有 着 重 要 作 用 , 但 在 人 口 密 集 地 区 这 些 自 然 干 扰 可 能 造 成 生 命 财 产 的 损 失 , 因 此 社 会 - 生态 研 究 必 须 处 理 好 人 类 需 求 和 生 态 系 统 需 求 间 的 矛 盾 。生 命 有 机 体 和 非 生 命 物 质 的 流 动 会 影 响 生 态 系 统 和 生 态 过 程 , 这 种 生 态 流 的 变 化 并 不只 在 城 市 地 区 。 由 于 人 类 活 动 排 放 的 氮 氧 化 合 物 合 二 氧 化 硫 以 及 旅 游 活 动 的 增 加 , 使 得 全球 流 行 病 和 入 侵 物 种 的 加 剧 扩 散 , 这 是 一 类 非 人 们 所 期 望 的 生 态 流 。 人 们 期 望 的 生 态 流 包括 候 鸟 的 迁 徙 以 及 洪 水 , 如 果 没 有 这 类 生 物 和 水 的 流 动 , 渔 业 、 农 业 和 生 物 多 样 性 将 受 到负 面 影 响 (15) 。 我 们 需 要 研 究 生 态 流 的 路 径 和 由 于 路 径 和 物 质 交 换 速 率 的 变 化 造 成 的 影 响 ;需 要 研 究 利 用 调 节 生 态 流 来 解 决 环 境 问 题 的 方 案 ; 以 及 找 出 用 于 消 除 负 面 影 响 的 生 态 学 原理 和 方 法 。面 向 应 用 的 生 态 科 学人 类 未 来 的 环 境 很 大 一 部 分 将 由 人 工 不 同 程 度 影 响 的 生 态 系 统 所 组 成 , 其 中 人 类 赖 以生 存 的 自 然 服 务 功 能 将 越 来 越 难 维 持 。 一 个 更 可 持 续 的 未 来 要 求 科 学 在 设 计 生 态 解 决 方 案中 取 得 更 大 的 进 展 , 这 种 方 案 不 光 是 通 过 自 然 保 护 和 恢 复 , 更 需 要 通 过 人 类 对 生 态 系 统 有目 的 的 干 涉 去 提 供 生 机 勃 勃 的 服 务 。 从 原 生 的 、 现 存 的 、 未 被 扰 动 的 生 态 系 统 研 究 向 以 人类 为 重 要 组 分 、 聚 焦 生 态 系 统 服 务 和 人 工 生 态 设 计 的 生 态 系 统 新 研 究 的 转 型 , 将 为 维 持 地球 生 命 的 质 量 和 多 样 性 奠 定 科 学 基 础 (16) 。( 王 如 松 译 )参 考 文 献 与 备 注1. J. Lubchenco et al., <strong>Ecology</strong> 72, 371 (1991).2. A. J. McMichael, C. D. Butler, C. Folke, Science 302, 1919 (2003).3. P. M.Vitousek et al., Ecol. Appl. 7, 737 (1997).4. W. F. Font, Bioscience 53, 1061 (2003).5. 生 态 科 学 在 解 决 关 键 问 题 中 的 作 用 的 例 子 可 在 科 学 杂 志 的 在 线 参 考 材 料 中 得 到 。12
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