余 波

(昆明市晉寧區(qū)林草局，云南 昆明 650224)

1 引言

濕地因具有環(huán)境調(diào)節(jié)功能和生態(tài)效益被稱(chēng)之為“地球之腎”。湖泊型濕地作為濕地生態(tài)系統(tǒng)中重要的類(lèi)型及組成部分之一，占全國(guó)濕地總面積的16%，是重要的生態(tài)資本，具有涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、為候鳥(niǎo)提供棲息地、提供人居生活環(huán)境、維持生態(tài)平衡等生態(tài)功能[1,2]。同時(shí)，湖泊作為特殊的濕地，還具有防洪蓄水、降低災(zāi)害發(fā)生等重要作用。濕地生態(tài)特征是指濕地物理組分、濕地生物及濕地化學(xué)變化之間的結(jié)構(gòu)及相互關(guān)系。濕地生態(tài)特征的變化大多由自然原因和人為干擾兩個(gè)原因引起的。目前，由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口增加帶來(lái)的與濕地爭(zhēng)地現(xiàn)象，導(dǎo)致人類(lèi)對(duì)濕地的不合理開(kāi)發(fā)日趨嚴(yán)重，濕地資源受到嚴(yán)重破壞，生態(tài)功能遭受?chē)?yán)重?fù)p失。對(duì)于濕地修復(fù)，國(guó)家同樣做出了巨大努力，國(guó)務(wù)院為加強(qiáng)濕地修復(fù)和保護(hù)，在2004年6月下發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)濕地保護(hù)管理工作的通知》(國(guó)辦發(fā)〔2004〕50號(hào))，2016年11月也出臺(tái)了濕地保護(hù)相關(guān)文件，為濕地的保護(hù)、管理及修復(fù)提供了法律保障，這兩個(gè)文件中明確提出加強(qiáng)濕地保護(hù)、推進(jìn)濕地修復(fù)、建立濕地公園等重要的濕地保護(hù)新要求[3～5]。湖泊型濕地因具有水流靜止、自?xún)裟芰θ醯奶攸c(diǎn)，因此比河流和沼澤濕地的治理更加困難[6]，但湖泊濕地提供的涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)局部地區(qū)氣候及為候鳥(niǎo)提供棲息地等生態(tài)學(xué)功能卻不容忽視，因此對(duì)湖泊型濕地的保護(hù)必不可少的。

系統(tǒng)論、控制論及信息論共稱(chēng)為“三論”，是現(xiàn)代科學(xué)方法論的代表，對(duì)科學(xué)技術(shù)和思維發(fā)展起到巨大推動(dòng)作用，由此作為諸多新興學(xué)科的理論基礎(chǔ)?？刂普撌茄芯可锖蜋C(jī)器內(nèi)部的控制與通信的一般規(guī)律學(xué)科，著重于研究過(guò)程中的數(shù)學(xué)關(guān)系。生態(tài)系統(tǒng)中的控制論過(guò)程是維持生態(tài)平衡的重要過(guò)程，其中的控制、信息交換、反饋調(diào)節(jié)等科學(xué)理論對(duì)于濕地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和管理具有重要意義。滇池是長(zhǎng)江上游生態(tài)安全格局的重要組成部分，作為高原湖泊，其生態(tài)地位極其重要。但由于人們對(duì)滇池的過(guò)度開(kāi)發(fā)和利用，導(dǎo)致滇池出現(xiàn)水體營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重、水生態(tài)系統(tǒng)脆弱及流域生態(tài)環(huán)境治理困難等多種生態(tài)問(wèn)題。曾經(jīng)具有“高原上的明珠”之稱(chēng)的滇池，其保護(hù)治理成為我國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水污染治理的標(biāo)志性工程。如何將濕地生態(tài)系統(tǒng)中的控制論過(guò)程運(yùn)用到滇池治理和保護(hù)中去，這個(gè)問(wèn)題仍有待研究。本文就湖泊型濕地生態(tài)系統(tǒng)特征方面展開(kāi)，討論湖泊型濕地生態(tài)系統(tǒng)中的主要控制論過(guò)程，并基于該理論基礎(chǔ)，以滇池為例，設(shè)計(jì)滇池治理方案，從而為湖泊型濕地的控制論治理過(guò)程提供科學(xué)參考。

2 湖泊型濕地生態(tài)系統(tǒng)中的控制論過(guò)程

濕地是水陸交互的過(guò)渡地帶，具有生態(tài)系統(tǒng)的“邊緣效應(yīng)”，這造就了濕地生物多樣性豐富的特征[6～8]。生物多樣性豐富的濕地生態(tài)系統(tǒng)，包含有以植物為代表的生產(chǎn)者、以濕地動(dòng)物為代表的消費(fèi)者和以微生物為代表的分解者等多種組分，因此構(gòu)成了復(fù)雜的食物網(wǎng)絡(luò)，各組分之間相互作用、互惠共生，使得濕地生態(tài)系統(tǒng)具有了更復(fù)雜的特征[9～12]。湖泊濕地的基本結(jié)構(gòu)單元包括湖泊匯水面山、湖泊水體、湖泊濕地植物、湖泊濕地動(dòng)物和湖泊濕地微生物，在這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中蘊(yùn)含著諸多生態(tài)系統(tǒng)的控制論過(guò)程。為深入探索控制論過(guò)程在湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用，下面將從反饋理論、“黑箱”理論、通信和控制理論、自組織理論四個(gè)方面展開(kāi)。

2.1 基于反饋理論

自然生態(tài)系統(tǒng)屬于一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)，必需依賴(lài)外界環(huán)境的輸入維持平衡，如果輸入停止，系統(tǒng)則失去平衡同時(shí)也就失去了它的功能。而自然系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)功能的反饋機(jī)制，通過(guò)系統(tǒng)的輸出決定系統(tǒng)未來(lái)功能的輸入，從而使系統(tǒng)成為控制系統(tǒng)，起到控制作用，圍繞某一個(gè)點(diǎn)，進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而保證系統(tǒng)平衡。反饋機(jī)制包括正反饋和負(fù)反饋，正反饋導(dǎo)致系統(tǒng)的偏離加劇，但負(fù)反饋則使系統(tǒng)保持穩(wěn)定。生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)自我的負(fù)反饋調(diào)節(jié)，通過(guò)發(fā)育和調(diào)節(jié)使生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到結(jié)構(gòu)上、功能上和能量輸入及輸出上的穩(wěn)定，保持一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡，從而達(dá)到維持自身的生態(tài)平衡的效果。湖泊濕地雖然具有涵養(yǎng)水源的能力，但若氣候干旱導(dǎo)致湖泊濕地蓄水量不能達(dá)到其生態(tài)系統(tǒng)的最小需水量，則會(huì)導(dǎo)致湖泊濕地萎縮，湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)失去平衡，從而失去涵養(yǎng)水源的能力，高原湖泊羅布泊的消失的原因之一正是氣候干旱影響下生態(tài)系統(tǒng)的正反饋?zhàn)饔茫@便是生態(tài)系統(tǒng)的正反饋機(jī)制作用的結(jié)果。當(dāng)然，湖泊濕地中也同樣有負(fù)反饋?zhàn)饔玫拇嬖?，?dāng)暴雨來(lái)臨，湖泊濕地進(jìn)行儲(chǔ)蓄洪水的水量輸入，降低河流堤壩的蓄水壓力，當(dāng)暴雨結(jié)束后，湖泊濕地又通過(guò)河流水量輸出和地下水補(bǔ)給的水量輸出，從而保持湖泊濕地水量的動(dòng)態(tài)平衡。

2.2 基于“黑箱”理論

黑箱理論多用于數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型，例如概率統(tǒng)計(jì)中的摸球模型。將未知的區(qū)域或系統(tǒng)看為“黑箱”，而“白箱”則是已知區(qū)域或系統(tǒng)，介于二者之間或偶爾可察的黑箱部分稱(chēng)為“灰箱”。在生態(tài)學(xué)中，我們常常將一個(gè)未知內(nèi)部結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)看成一個(gè)黑箱來(lái)研究，例如，詹林[13]在城市景觀(guān)生態(tài)規(guī)劃中對(duì)“黑箱”研究思路的應(yīng)用，他以重慶奧林匹克花園住宅景觀(guān)濕地湖景公園的案例分析，通過(guò)對(duì)該濕地景觀(guān)生態(tài)系統(tǒng)中水因子的輸入與輸出關(guān)系的定量研究，提出該景觀(guān)工程設(shè)計(jì)的改造措施。

2.3 基于通信和控制理論

能值分析是以能值為基準(zhǔn)，將生態(tài)系統(tǒng)中不同種類(lèi)和不可比較的能量轉(zhuǎn)換成同樣標(biāo)準(zhǔn)的能值來(lái)衡量和分析，從中評(píng)價(jià)該能值在系統(tǒng)中的作用和地位；綜合分析系統(tǒng)中的各種生態(tài)流，得到能值的綜合指標(biāo)(Energy Indices)，定量分析系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)功能特征與生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益。生態(tài)系統(tǒng)是一種自組織(Self-organization)的能量等級(jí)(Energy hierarchy)系統(tǒng)。能量在食物鏈中傳遞、轉(zhuǎn)化的每一過(guò)程中，根據(jù)熱力學(xué)第二定律均有許多能量耗散流失。

2.4 基于自組織理論

自組織即自我設(shè)計(jì)理論，是由vander Valk和Mitsch等提出并進(jìn)行完善的，他們認(rèn)為，在足夠的時(shí)間內(nèi)，濕地可通過(guò)環(huán)境條件合理的組織內(nèi)在結(jié)構(gòu)，最終改變濕地組分，達(dá)到濕地恢復(fù)的自組織效果。自組織的另一重要體現(xiàn)在于分形理論。分形包括自相似性與標(biāo)度不變性，是非線(xiàn)性系統(tǒng)中通過(guò)自組織形成的時(shí)空有序結(jié)構(gòu)，在生態(tài)系統(tǒng)中，也同樣存在分形理論的具體案例。例如，輸入的生長(zhǎng)都呈現(xiàn)著自相似的形體特征，苔蘚的生長(zhǎng)規(guī)律也同樣遵循自相似的分形特征。為驗(yàn)證自組織理論在湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)中的運(yùn)用，美國(guó)科學(xué)家利用“雙腎形”湖泊濕地，開(kāi)展了長(zhǎng)達(dá)幾年的濕地恢復(fù)，在恢復(fù)的過(guò)程中，科學(xué)家在一側(cè)湖泊采用人工重建，而另一側(cè)的湖泊采用自然恢復(fù)，多年后發(fā)現(xiàn)，兩側(cè)的湖泊發(fā)展成為了同樣的群落模式，這便驗(yàn)證了湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)中的自組織理論。

3 湖泊型濕地治理案例—以滇池為例

3.1 滇池流域概況

滇池位于昆明市西南部，屬于低緯度高原山地季風(fēng)氣候，年平均氣溫15.1 ℃，年均降雨量1075 mm，滇池湖面海拔1886 m，平均水深5 m，最深處達(dá)到8 m，滇池湖面面積330 km2，但流域總面積約為2920 km2(圖1)[14]，是云南省最大的淡水湖。

圖1 滇池流域水系

滇池流域涉及昆明市五區(qū)兩縣，53個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道辦事處)，2015年流域內(nèi)常駐總?cè)丝诩s為406.86萬(wàn)人。歷史上，滇池流域常因排水不暢造成洪災(zāi)，對(duì)人們的生存和生活到帶來(lái)了巨大隱患。20世紀(jì)50年代，人們?cè)谌牒嫌魏恿餍藿ǖ乃畮?kù)，一方面解決了滇池歷史上的洪澇災(zāi)害，另一方面，為人類(lèi)生活提供了農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活用水。但與此同時(shí)，也加深了滇池水污染狀況。滇池流域水污染源主要包括陸域點(diǎn)源、農(nóng)業(yè)農(nóng)村面源、城市面源和水土流失。2015年，滇池流域污水排放量3.6億m3，陸域主要污染物入湖量分別為化學(xué)需氧量3.97萬(wàn)t、氨氮5205 t、總氮7321 t、總磷614 t。2015年，滇池外海處于中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，水質(zhì)為劣Ⅴ類(lèi)，主要超標(biāo)指標(biāo)為化學(xué)需氧量、總氮和總磷；滇池主要35條入湖河流中(含納入考核的16條河流)：3條河流水質(zhì)為Ⅱ類(lèi)，2條河流水質(zhì)為Ⅲ類(lèi)，16條河流水質(zhì)為Ⅳ類(lèi)，3條河流水質(zhì)為Ⅴ類(lèi)，4條河流水質(zhì)為劣Ⅴ類(lèi)。

3.2 滇池污染原因初探

當(dāng)今湖泊型濕地的發(fā)展面臨著巨大的威脅。主要包括自然和人為兩個(gè)因子的影響，自然因子主要包括地質(zhì)構(gòu)造力，風(fēng)沙侵襲和河流水系對(duì)湖區(qū)的淹沒(méi)及不平衡沖淤，氣候變化對(duì)湖泊空間形態(tài)、物理性狀、生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境狀況等的影響；人類(lèi)活動(dòng)在現(xiàn)階段是濕地景觀(guān)環(huán)境演變的極為重要的驅(qū)動(dòng)力之一[15]，例如，大量養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)性漂浮水生作物，導(dǎo)致湖水渾濁，底泥厚度增加；生活污水未經(jīng)處理排入湖內(nèi)，導(dǎo)致湖水污染；湖泊匯水面山的植被破壞導(dǎo)致湖泊水質(zhì)下降等。人為活動(dòng)的影響，導(dǎo)致湖泊生態(tài)系統(tǒng)破壞，濕地功能退化，制約著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[16]。此時(shí)就需要采取相應(yīng)的濕地生態(tài)恢復(fù)措施來(lái)進(jìn)行治理，以維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

滇池屬云貴高原第一大淡水湖泊，被譽(yù)為“高原明珠”，其戰(zhàn)略性地位顯著[17]。但滇池位于昆明主城下游，是昆明主城人類(lèi)污染物的唯一受納體，且其寬淺型半封閉高原湖泊的特征導(dǎo)致其換水周期長(zhǎng)自?xún)裟芰Σ?，易發(fā)生水體污染。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，每年的4～11月，滇池湖面必出現(xiàn)大面積的藍(lán)藻水華。水體富營(yíng)養(yǎng)化已經(jīng)使得這顆“高原明珠”不再有那樣閃亮的光芒[18]。湖泊發(fā)育都會(huì)經(jīng)歷從貧營(yíng)養(yǎng)到富營(yíng)養(yǎng)的演變過(guò)程，但人類(lèi)的干預(yù)加速了滇池的富營(yíng)養(yǎng)進(jìn)程，使得其湖泊生態(tài)系統(tǒng)的迅速退化[19]，這與生態(tài)系統(tǒng)的正反饋機(jī)制控制理論不謀而合。李根保等[17]選取生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成成份，浮游植物、底棲動(dòng)物、水生植物的歷史演變和現(xiàn)在分布狀況數(shù)據(jù)，結(jié)合滇池的水質(zhì)變化情況，揭示了滇池生態(tài)系統(tǒng)退化原因?yàn)椋涸谕庖蛏?，污染物持續(xù)輸入以及圍湖造田、直立堤岸和水量交換緩慢等外力干擾加劇系統(tǒng)組分失衡是直接原因；在內(nèi)因上，由于滇池所處的地理位置、氣候等原因，藍(lán)藻生物量對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽增加的響應(yīng)遠(yuǎn)高于其他湖泊(太湖、巢湖)，草型向藻型湖泊的轉(zhuǎn)換進(jìn)程更快。與長(zhǎng)江中下游湖泊濕地不同，高原湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)來(lái)說(shuō)更為脆弱，如物種的生態(tài)位窄、物種的同域分化等均造成系統(tǒng)的穩(wěn)定性差、自我修復(fù)能力弱[17]，這就要加入自組織理論中相對(duì)設(shè)計(jì)理論進(jìn)行指導(dǎo)，即通過(guò)適當(dāng)?shù)墓こ檀胧┖椭参锶郝渲亟?，加速濕地的恢?fù)和重建過(guò)程，因而需要進(jìn)行人工修復(fù)技術(shù)的參與，使滇池恢復(fù)到原有的生態(tài)環(huán)境，維持其生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.3 滇池恢復(fù)的總體目標(biāo)

濕地生態(tài)恢復(fù)是指通過(guò)生態(tài)工程和生態(tài)技術(shù)，對(duì)退化濕地進(jìn)行修復(fù)或重建，使其發(fā)揮原有的生態(tài)服務(wù)功能[20～22]。其總體目標(biāo)應(yīng)為采用適當(dāng)?shù)纳?、生態(tài)及工程技術(shù)，逐步恢復(fù)退化濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，最終達(dá)到濕地生態(tài)系統(tǒng)的自我持續(xù)狀態(tài)。恢復(fù)的最終目標(biāo)應(yīng)是使?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，各功能之間也應(yīng)保持平衡，濕地生態(tài)系統(tǒng)的代謝過(guò)程和系統(tǒng)與外部環(huán)境的物質(zhì)交換與能量流動(dòng)關(guān)系保持正常運(yùn)行。由此，提出滇池的恢復(fù)總目標(biāo)如下。

(1)改善水質(zhì)。控制滇池水體富營(yíng)養(yǎng)化水平，減輕藍(lán)藻水華程度，使得滇池外海水質(zhì)達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，從而使滇池生態(tài)系統(tǒng)走向負(fù)反饋機(jī)制控制上去。

(2)改善流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境。改善和重建濕地群落結(jié)構(gòu)，對(duì)入侵魚(yú)類(lèi)進(jìn)行控制，保護(hù)本土魚(yú)類(lèi)的正常繁衍，研究滇池微生物分解機(jī)制，并將其合理利用到滇池恢復(fù)方案中去。

(3)促進(jìn)人與自然和諧相處。對(duì)滇池恢復(fù)理念進(jìn)行合理的推廣和宣傳，將居民所得的恢復(fù)效益進(jìn)行具體化分析，促進(jìn)流域內(nèi)人與自然的和諧相處。

4 結(jié)論與討論

濕地生態(tài)恢復(fù)工程耗資巨大且工程復(fù)雜，因此在確定恢復(fù)方案前，應(yīng)對(duì)功能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、評(píng)價(jià)以及恢復(fù)指標(biāo)體系等進(jìn)行全面的研究和具體規(guī)劃。Henry等對(duì)濕地生態(tài)恢復(fù)工程提出如下3點(diǎn)要求：加強(qiáng)對(duì)生態(tài)恢復(fù)合理性的論證；確定精確適當(dāng)?shù)幕謴?fù)目標(biāo)和恢復(fù)成功與否的判定指標(biāo)；監(jiān)測(cè)恢復(fù)前后生態(tài)系統(tǒng)的變化情況，并與參考生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行比較。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的控制論過(guò)程，提出滇池流域主要恢復(fù)方案設(shè)計(jì)的建議如下。

(1)推進(jìn)滇池流域經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)，優(yōu)化其空間布局。運(yùn)用通信和控制理論，定量分析環(huán)境容量，以環(huán)境容量為基礎(chǔ)，加強(qiáng)總量管控，調(diào)控流域內(nèi)產(chǎn)業(yè)規(guī)模和開(kāi)發(fā)強(qiáng)度。

(2)完善污染物控制體系，削減污染負(fù)荷存量與增量，理順健康水循環(huán)體系，提高水資源利用效率。結(jié)合反饋理論和“黑箱”理論，對(duì)流域內(nèi)的污染物輸入輸出源展開(kāi)研究，并進(jìn)行合理的管控，而流域內(nèi)水循環(huán)體系則應(yīng)合理利用負(fù)反饋理論進(jìn)行指導(dǎo)，促進(jìn)流域內(nèi)水循環(huán)體系的健康發(fā)展，提高水資源的利用效率。

(3)合理規(guī)劃滇池生態(tài)結(jié)構(gòu)，恢復(fù)流域生態(tài)功能。結(jié)合自組織理論來(lái)看，滇池流域生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)，短期內(nèi)無(wú)法利用自我設(shè)計(jì)理論完成，而通過(guò)相對(duì)設(shè)計(jì)理論則可加速其恢復(fù)進(jìn)程。在湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)中，對(duì)湖濱帶的恢復(fù)不容忽視，構(gòu)建合理的湖濱帶植物群落，一方面能夠降低匯水面山及人類(lèi)造成的污染物的降解和控制，另一方面，能夠帶來(lái)豐富的物種多樣性，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境效益的提高。

(4)加強(qiáng)科技成果應(yīng)用，為滇池保護(hù)治理提供科技支撐。從通信和控制理論來(lái)看，通過(guò)高新技術(shù)手段建立生態(tài)模型，運(yùn)用工程技術(shù)、生物技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化控制等各種技術(shù)手段，切實(shí)提高滇池的恢復(fù)治理效益和科學(xué)化水平。

綜上所述，滇池濕地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和治理應(yīng)當(dāng)結(jié)合湖泊濕地控制理論展開(kāi)，在滇池分區(qū)分步治理的新策略和“節(jié)約優(yōu)先，空間均衡，系統(tǒng)治理，兩手發(fā)力”的治水新思路的指導(dǎo)下，深入推進(jìn)滇池環(huán)境質(zhì)量的改善和濕地生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)，逐步改善滇池的生態(tài)環(huán)境，構(gòu)建人與城市、城市與自然和諧發(fā)展的生態(tài)家園。