工程生態(tài)學(xué)“四性”原則及典型應(yīng)用

The “four principles” of engineering ecology and typical application

徐夢(mèng)珍，王光謙，王兆印

（清華大學(xué)水利水電工程系 水圈科學(xué)與水利工程全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100084，北京）

摘要：各流域自然本底不同，生態(tài)環(huán)境問題復(fù)雜，在氣候變化和人類活動(dòng)影響加劇背景下，河流生態(tài)系統(tǒng)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展亟須適應(yīng)人與自然和諧發(fā)展需求的理論遵循。從工程的角度來理解工程生態(tài)學(xué)應(yīng)該遵循的原則，促進(jìn)工程師建立工程生態(tài)學(xué)的概念和學(xué)科體系，促進(jìn)工程-生態(tài)系統(tǒng)的和諧發(fā)展，提出工程生態(tài)學(xué)“四性”原則，即本底性、適應(yīng)性、系統(tǒng)性、整體性，將人作為生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵要素，探討自然-工程復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)原理，闡述了“四性”原則的內(nèi)涵和科學(xué)評(píng)價(jià)?；诠こ躺鷳B(tài)學(xué)“四性”原則在青藏高原河流中的典型應(yīng)用，分析了高原河流的本底性和適應(yīng)性，探討了高原河流梯級(jí)化促進(jìn)系統(tǒng)性和整體性提升的基于自然的解決方案，為西南山區(qū)流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供了能源-生態(tài)-社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)同發(fā)展的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：工程生態(tài)學(xué)；本底性；適應(yīng)性；系統(tǒng)性；整體性；流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展

作者簡(jiǎn)介：徐夢(mèng)珍，副教授，主要研究方向?yàn)楹恿餮葑兣c生態(tài)響應(yīng)、生物入侵及污損防治、工程生態(tài)學(xué)。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目（U2243222、U2240207）。

DOI：0.3969/j.issn.1000-1123.2025.15.004

概述

氣候變化與人類活動(dòng)影響下，全球一半以上大型河流生態(tài)功能退化，自然演替過程受阻，生境連通性降低，生態(tài)承載力衰減。自20世紀(jì)30年代以來，世界各國開展了大量生態(tài)修復(fù)研究與實(shí)踐，從最初的以改變河道形態(tài)、改善魚類棲息地或河流外觀為重點(diǎn)，發(fā)展到以改善河流的動(dòng)力過程、恢復(fù)自然的物理化學(xué)和生物過程為目標(biāo)。盡管如此，目前對(duì)河流系統(tǒng)多尺度多過程及相互作用機(jī)制仍缺乏清晰的認(rèn)知，以至于河流修復(fù)實(shí)踐常難以有效恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能完整性。部分生態(tài)修復(fù)工程甚至違背河流自然演變規(guī)律，營造了難以自然維持的地貌或生態(tài)條件，導(dǎo)致修復(fù)效果不佳甚至釀成災(zāi)難。

我國各流域自然本底不同，生態(tài)環(huán)境問題復(fù)雜，特別是在極端氣候頻發(fā)和人類活動(dòng)加劇背景下，流域水沙關(guān)系失調(diào)，旱澇災(zāi)害頻發(fā)，生態(tài)系統(tǒng)承載能力退化，生物多樣性降低，河流生態(tài)系統(tǒng)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。黨的十八大以來，圍繞生態(tài)文明建設(shè)謀劃了一系列根本性、開創(chuàng)性、長遠(yuǎn)性工作，致力解決水資源短缺、水環(huán)境污染、水空間萎縮、水生態(tài)破壞等問題，以實(shí)現(xiàn)流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展。但實(shí)踐中仍然存在諸多挑戰(zhàn)與不確定性：一方面，不同流域本底差異、生態(tài)壓力復(fù)雜多樣，不同生態(tài)壓力引起的生態(tài)響應(yīng)缺乏理論支撐，難以科學(xué)指導(dǎo)河流開發(fā)與保護(hù)；另一方面，河流生態(tài)修復(fù)需以其自然本底為參考基準(zhǔn)，而我國河流地形復(fù)雜、本底生態(tài)狀況缺乏系統(tǒng)觀測(cè)，難以有效支撐生態(tài)修復(fù)與評(píng)價(jià)。

近年，生態(tài)水利工程學(xué)、生態(tài)水工學(xué)、生態(tài)工程學(xué)、恢復(fù)生態(tài)學(xué)等學(xué)科方向應(yīng)運(yùn)而生，期望通過自然科學(xué)、工程技術(shù)、人文與社會(huì)科學(xué)等多學(xué)科交叉融合，探討構(gòu)建水循環(huán)-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境-水利工程復(fù)合系統(tǒng)。例如，水資源規(guī)劃與管理、河湖連通與濕地水系網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等實(shí)踐中，強(qiáng)調(diào)水利工程在滿足人類社會(huì)需求的同時(shí)，兼顧水生態(tài)系統(tǒng)健康和可持續(xù)性。針對(duì)工程對(duì)生態(tài)環(huán)境的潛在影響，積極開展河流生態(tài)修復(fù)規(guī)劃方法、生態(tài)需水量估算方法，以及河流健康評(píng)估、洄游魚類保護(hù)技術(shù)、水庫調(diào)度技術(shù)等研發(fā)，提出防止和減少不利影響的對(duì)策和措施。

然而，大量研究與實(shí)踐并未根本解決大型工程與生態(tài)保護(hù)的矛盾，如長江小南海水庫，黃河的羊曲水庫等，甚至鄱陽湖通江建閘，大型工程建設(shè)都容易引起激烈爭(zhēng)論。在關(guān)于工程與生態(tài)的長期激烈爭(zhēng)論中也達(dá)成了一定共識(shí)，即自然生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)存在，工程是新增加的，工程師的使命是改造自然，同時(shí)使自然變得更好，可以基于這些共識(shí)思考基本原則。

因此，本文提出工程生態(tài)學(xué)本底性、適應(yīng)性、系統(tǒng)性、整體性原則，即“四性”原則，從工程的角度來理解工程生態(tài)學(xué)應(yīng)該遵循的原則，促進(jìn)工程師建立工程生態(tài)學(xué)的概念和學(xué)科體系，促進(jìn)工程-生態(tài)系統(tǒng)的和諧發(fā)展。

工程生態(tài)學(xué)的“四性”原則

1.“四性”原則的內(nèi)涵

生態(tài)學(xué)的核心任務(wù)是探尋自然生態(tài)系統(tǒng)中的模式，揭示其背后的運(yùn)行機(jī)制和規(guī)律，從而預(yù)測(cè)生態(tài)過程、格局和動(dòng)態(tài)。研究方法從早期觀測(cè)數(shù)據(jù)的歸納總結(jié)，發(fā)展到歸納與演繹相結(jié)合；核心議題包括生物多樣性的形成和維持機(jī)制，具體包括物種共存和群落構(gòu)建、物種相互作用、生態(tài)-進(jìn)化動(dòng)態(tài)等。生態(tài)學(xué)基本理論的研究為解析生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性提供了重要途徑，積極探索在統(tǒng)一理論框架下研究生物多樣性的形成和維持機(jī)制，評(píng)估不同尺度的生態(tài)過程在群落構(gòu)建中的相對(duì)重要性；希望基于核心過程整合種群遺傳學(xué)和群落構(gòu)建理論，形成生物多樣性的多時(shí)空尺度理論。特別是全球變化背景下加強(qiáng)生物多樣性響應(yīng)研究，包括環(huán)境變化對(duì)物種相互作用和共存的影響，快速進(jìn)化過程對(duì)物種-環(huán)境變化響應(yīng)的影響，環(huán)境變化和生態(tài)-進(jìn)化反饋對(duì)生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能的影響等，可為理解和應(yīng)對(duì)全球變化提供科學(xué)基礎(chǔ)。

工程生態(tài)學(xué)是在生態(tài)學(xué)基本理論基礎(chǔ)上擴(kuò)展和重新定位，將人作為生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵要素。一方面，通過生態(tài)學(xué)的方法體系分析生物群落與其環(huán)境中的各種生物、非生物要素的關(guān)系，以及食物鏈、食物網(wǎng)等各類關(guān)系塑造的生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能完整性，以科學(xué)指導(dǎo)生物多樣性保護(hù)、瀕危物種管理以及受損生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)和重建。另一方面，關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、生態(tài)平衡、生態(tài)閾值、生態(tài)恢復(fù)力，即生態(tài)系統(tǒng)為人類提供的直接或間接利益、在一定時(shí)間內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)、受到干擾后發(fā)生不可逆變化的臨界點(diǎn)、受到干擾后恢復(fù)原狀的能力等。工程生態(tài)學(xué)強(qiáng)調(diào)“四性”原則，在此基礎(chǔ)上探討自然-工程復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)原理、技術(shù)方法、工程措施，協(xié)調(diào)人、工程與自然的和諧關(guān)系，助力國家生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

“四性”原則中本底性和適應(yīng)性可解釋為生態(tài)系統(tǒng)有著一定的自組織能力和反饋機(jī)制，以維持生態(tài)平衡，當(dāng)自然或人工干擾（生態(tài)壓力）超過自組織能力時(shí)生態(tài)平衡會(huì)被打破，生態(tài)系統(tǒng)逐漸調(diào)整直至形成新的生態(tài)平衡。原有的生態(tài)平衡態(tài)特性即為“本底性”，生態(tài)系統(tǒng)調(diào)整至新生態(tài)平衡態(tài)的過程和特性即為“適應(yīng)性”。系統(tǒng)性是關(guān)注整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)和特性，而不是僅僅關(guān)注某種或者某些生物、非生物因素。整體性則強(qiáng)調(diào)人、工程與自然的相互和諧與協(xié)同發(fā)展。

基于“四性”原則，本底性較差的生態(tài)系統(tǒng)，經(jīng)歷人類活動(dòng)調(diào)整后的新平衡態(tài)下的結(jié)構(gòu)和功能，可能優(yōu)于本底水平，實(shí)現(xiàn)整體性優(yōu)化。以本底性差的干旱區(qū)為例，長期以來人們普遍認(rèn)為干旱和放牧等環(huán)境壓力下，僅少數(shù)能夠耐受惡劣環(huán)境的物種得以生存，會(huì)導(dǎo)致植物特征多樣性降低。然而，近年來的研究逐漸挑戰(zhàn)這一傳統(tǒng)觀點(diǎn)，有研究發(fā)現(xiàn)：干旱區(qū)的植物可能通過多種不同的生理和形態(tài)策略來適應(yīng)環(huán)境壓力，表現(xiàn)出極高的功能多樣性，即在干旱和放牧壓力共同作用下，植物特征多樣性不僅未減少，反而顯著增加，表型多樣性呈現(xiàn)極強(qiáng)的適應(yīng)能力，這也意味著氣候變化和土地利用方式的互動(dòng)可共同促進(jìn)全球干旱區(qū)植物的表型多樣性提升。

2.“四性”原則的科學(xué)評(píng)價(jià)

本底性和適應(yīng)性評(píng)價(jià)可延用生態(tài)學(xué)基本原理和方法，涵蓋從個(gè)體、種群、群落到生態(tài)系統(tǒng)多個(gè)層級(jí)。個(gè)體層級(jí)的核心是耐受性、生態(tài)位、適應(yīng)性，即每個(gè)物種對(duì)環(huán)境有一定的耐受范圍，在生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)一定的功能角色和空間位置，通過進(jìn)化適應(yīng)環(huán)境變化等。種群層級(jí)的核心是種群增長、種群調(diào)節(jié)、種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)，包括資源無限時(shí)呈現(xiàn)的指數(shù)增長模式或資源受限時(shí)呈現(xiàn)的邏輯增長模式、種群密度依賴或密度無關(guān)的調(diào)節(jié)、同一物種個(gè)體之間對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)等。群落層級(jí)的核心是物種多樣性、種間關(guān)系、群落演替，包括群落中物種的豐富度和均勻度，資源有限時(shí)物種間的相互競(jìng)爭(zhēng)、捕食者與獵物之間的相互作用，如互利共生、偏利共生、寄生模式，以及群落隨時(shí)間從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化過程等。生態(tài)系統(tǒng)層級(jí)的核心是能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)、生態(tài)效率，包括基于食物鏈和食物網(wǎng)實(shí)現(xiàn)能量在生物間的傳遞、化學(xué)元素在生物圈和非生物圈之間轉(zhuǎn)移的物質(zhì)循環(huán)過程（如水循環(huán)、碳循環(huán)、氮循環(huán)等）。

系統(tǒng)性和整體性的評(píng)價(jià)應(yīng)按照生態(tài)系統(tǒng)的整體性、系統(tǒng)性及其內(nèi)在規(guī)律，統(tǒng)籌考慮生態(tài)系統(tǒng)各要素，重視包括人在內(nèi)的整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的優(yōu)化和提升，強(qiáng)調(diào)利用自然過程和生態(tài)系統(tǒng)功能，通過保護(hù)、恢復(fù)和可持續(xù)管理自然-工程融合的生態(tài)系統(tǒng)，來應(yīng)對(duì)所面臨的主要挑戰(zhàn)（如氣候變化、自然災(zāi)害防治、消除貧困，以及糧食安全、水安全、能源安全等），實(shí)現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的協(xié)同提升和可持續(xù)發(fā)展?！吨泄仓醒?國務(wù)院關(guān)于全面推進(jìn)美麗中國建設(shè)的意見》提出實(shí)施山水林田湖草沙一體化保護(hù)和系統(tǒng)治理。山水林田湖草沙是一個(gè)生命共同體，人作為系統(tǒng)治理措施的實(shí)施主體，也是自然-工程生態(tài)系統(tǒng)中的重要要素。整體性有利于推動(dòng)實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生，其評(píng)價(jià)可參考聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（SDGs）和世界自然保護(hù)聯(lián)盟（IUCN）基于自然的解決方案（NbS）等提供的相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法，包括可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（SDGs）指標(biāo)（如SDG6清潔飲水和衛(wèi)生設(shè)施、SDG13氣候行動(dòng)、SDG14和15水生及陸地生物等）、NbS指標(biāo)（如生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、治理與實(shí)施等4個(gè)維度的指標(biāo)）、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估工具（如InVEST模型、TEEB）、碳核算工具（如IPCC方法學(xué)）等。

綜上，工程生態(tài)學(xué)有利于實(shí)現(xiàn)生態(tài)學(xué)理論與工程技術(shù)實(shí)踐的有機(jī)融合，工程生態(tài)學(xué)“四性”原則及其科學(xué)應(yīng)用，能夠更客觀理性地回答工程與自然系統(tǒng)的相互作用、工程的長期生態(tài)效應(yīng)、工程安全與生態(tài)安全保障、受損生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)等自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)深度交叉的難題，能夠有力促進(jìn)流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施。下文結(jié)合典型應(yīng)用場(chǎng)景，基于工程生態(tài)學(xué)“四性”原則，分析探討流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展實(shí)踐。

“四性”原則在高原流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展中的典型應(yīng)用

青藏高原是全球海拔最高、面積最大的高原，從高原腹地到邊緣海拔落差大，發(fā)育了黃河、雅礱江、金沙江、瀾滄江、怒江和雅魯藏布江六大河。青藏高原抬升、河網(wǎng)水系發(fā)育與生物多樣性演化之間的相互作用是一個(gè)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)的過程，塑造了區(qū)域生態(tài)環(huán)境和生物多樣性格局。在氣候變化和人類活動(dòng)加劇背景下，高原河流生態(tài)系統(tǒng)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。特別是近年氣候變化顯著，加之高原地區(qū)公路鐵路、城市機(jī)場(chǎng)及大型工程等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，打破了幾萬年來高原形成的人與自然共處的本底狀態(tài)，生態(tài)系統(tǒng)能否適應(yīng)這些變化，新的自然-工程生態(tài)系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性和整體性的優(yōu)化，都是可持續(xù)發(fā)展亟須回答的問題。

1.青藏高原河流生態(tài)系統(tǒng)的本底性

青藏高原東南邊緣區(qū)地形急變，在沿河長數(shù)百公里內(nèi)海拔由4000m以上降至1000m以下，河流水能巨大，河谷深切，兩岸邊坡高陡，崩滑勢(shì)能巨大。地震和暴雨等誘發(fā)了大量崩塌、滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，造成大量泥沙物源堵江，隨著堰塞體逐漸穩(wěn)定，形成了堰塞壩-堰塞湖群系統(tǒng)，從河道縱剖面看就像是把河道天然階梯化了。而北部高原腹地地勢(shì)平緩，河流水能較低，河流在寬闊平坦的高原草甸上自由蜿蜒，裁彎形成的牛軛湖群在主河兩側(cè)密集分布，如黃河源區(qū)典型的彎曲河流——牛軛湖系統(tǒng)。

青藏高原河流地形急變示意

青藏高原典型泥石流、滑坡堵江形成的不同穩(wěn)定狀態(tài)的堰塞體

青藏高原氣候?yàn)榈湫透咴降貧夂蚝蛠啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，冰川融水和西南季風(fēng)帶來的印度洋暖濕氣流為高原腹地提供了源源不斷的水量補(bǔ)給，從邊緣向腹地，河流地形特征、氣象水文特征、侵蝕-沉積動(dòng)態(tài)和生境多樣，塑造了極大的生物和非生物環(huán)境梯度，支撐了極高的區(qū)域多樣性水平。由于高原環(huán)境的隔離作用和極端氣候條件，高原河流生態(tài)系統(tǒng)通常表現(xiàn)為局部較低的物種多樣性、較高的特有種比例，但區(qū)域之間物種差異性大、異質(zhì)性高等特征。青藏高原多次科學(xué)考察發(fā)現(xiàn)：整個(gè)青藏高原包括喜馬拉雅山和橫斷山脈側(cè)坡有維管植物1500屬12000種以上，占全國維管植物總數(shù)的40%；陸棲脊椎動(dòng)物343屬1047種，占全國該類動(dòng)物總數(shù)的43.7%；水生生物中，青藏高原有魚類3目5科45屬152種，約占全國純淡水魚類物種的19%。

結(jié)合生物多樣性信息數(shù)據(jù)收集，下圖給出了6條高原河流主要生態(tài)要素的比較以及多樣性水平對(duì)河流動(dòng)力條件和營養(yǎng)水平的響應(yīng)格局。水生生物多樣性方面，雅魯藏布江魚類多樣性在6條河流中最低，與其河流演變劇烈、地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)、河道頻繁堰塞—潰決、水生棲息地穩(wěn)定性差有關(guān)。除了河流演變干擾外，高原河流生態(tài)系統(tǒng)也受到低溫、寡營養(yǎng)的制約。如高原腹地的黃河源區(qū)在寡營養(yǎng)制約下，魚類多樣性顯著低于瀾滄江和金沙江。因此，魚類多樣性總體表現(xiàn)為：黃河<雅魯藏布江<怒江、雅礱江<瀾滄江、金沙江?？傮w上，在以動(dòng)力干擾和營養(yǎng)水平為度量的體系中，瀾滄江和金沙江更接近中等最優(yōu)的狀態(tài)（生物多樣性水平最高）；怒江河流能量高于中等最優(yōu)水平，顯示出一定程度的動(dòng)力干擾過強(qiáng)；雅礱江則一定程度受到寡營養(yǎng)制約；雅魯藏布江受到極端強(qiáng)動(dòng)力干擾；黃河受到極端寡營養(yǎng)制約。因此雅魯藏布江、黃河這兩條河流顯著偏離中等最優(yōu)的狀態(tài)。未來高原河流基于自然的解決方案中，可探討基于工程和管理手段調(diào)控動(dòng)力干擾和營養(yǎng)水平，實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的優(yōu)化。

▲青藏高原6條河流水生生物多樣性水平對(duì)河流動(dòng)力干擾和營養(yǎng)水平的響應(yīng)格局

2.青藏高原河流生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)性

由于高原環(huán)境的隔離作用和極端氣候條件影響，高原河流生態(tài)系統(tǒng)通常具有較高的特有種比例，這些特有種往往具有特殊的環(huán)境適應(yīng)性。同時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但能量流動(dòng)效率較高，是對(duì)資源稀缺條件的適應(yīng)。此外，高原河流生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)較強(qiáng)的季節(jié)動(dòng)態(tài)和年際波動(dòng)，是對(duì)高原地區(qū)顯著的氣候季節(jié)性和年際變化的適應(yīng)。這里以高原河流特有物種在長期演化過程中形成的獨(dú)特適應(yīng)機(jī)制為例，闡釋高原河流生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)性。首先，生物群落表現(xiàn)出對(duì)快速地貌變化的耐受性和恢復(fù)力，例如，某些水生昆蟲能夠迅速定殖于新生棲息地，河岸植被能適應(yīng)頻繁的河道遷移和洪水干擾。其次，生態(tài)系統(tǒng)通過生物地球化學(xué)循環(huán)的調(diào)節(jié)來適應(yīng)地質(zhì)地貌變化，例如微生物群落的活動(dòng)可以加速新暴露巖石的風(fēng)化，促進(jìn)土壤形成和養(yǎng)分循環(huán)。此外，生物多樣性的空間分布格局也表現(xiàn)出對(duì)地貌異質(zhì)性的適應(yīng)，不同地貌單元往往支持不同的生物群落，形成了多樣化的生態(tài)位。

以怒江大峽谷為例，數(shù)百條支流輸送泥石流堰塞干流河道，形成峽谷中天然階梯化的堰塞壩-堰塞湖群，高效消能、穩(wěn)定河勢(shì)，提升水生棲息地的穩(wěn)定性、異質(zhì)性、適宜性，生物多樣性（以底棲動(dòng)物為指示物種）顯著高于無堰塞的河段，且特有物種占比高。特別地，在堰塞湖的均質(zhì)泥沙沉積段發(fā)現(xiàn)了我國首個(gè)無爪蜉科新物種Behningia Nujiangensis，其稚蟲形態(tài)特化程度極高，全身覆蓋濃密的剛毛和棘刺，擅長掘沙。該物種在怒江干流瀘水市至貢山縣丙中洛鄉(xiāng)段18個(gè)堰塞湖均質(zhì)沙灘中均有分布，但未見于殘余堰塞體的卵礫石底質(zhì)中。這表明，原本不具備均質(zhì)沙灘條件的峽谷河道，由于泥石流堵江形成了穩(wěn)定的堰塞湖群，為新物種的生存與適應(yīng)提供了適宜棲息地，也詮釋了高原河流水生態(tài)系統(tǒng)對(duì)河流地貌階梯化演變的適應(yīng)性。

青藏高原河流水生生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)性（引自：周雄冬，2019）

雅魯藏布大峽谷也發(fā)生了許多崩滑、泥石流堵江事件，但由于地形急變、水流能量超強(qiáng)，目前河道中存續(xù)的堰塞壩-堰塞湖群尚稀疏，階梯化程度相對(duì)較低，尚不足以充分消能，河流棲息地不穩(wěn)定，生物多樣性水平不及怒江。以底棲動(dòng)物為例，雅魯藏布大峽谷和支流尼洋河、金珠藏布江、帕隆藏布江共采集到132種（遠(yuǎn)低于怒江大峽谷的231種），其中大部分物種主要棲息于中、低流量河段（M型、L型），僅10%左右的物種能夠棲息于高流量河段（H型）。這些適應(yīng)強(qiáng)水動(dòng)力干擾的物種也表現(xiàn)出極高的特化適應(yīng)機(jī)制，如魚型體制的四節(jié)蜉科Baetidae通過強(qiáng)游泳能力適應(yīng)強(qiáng)水動(dòng)力，貼生型蜉蝣Rhithrogena演化出扁型體制和膨大吸盤適應(yīng)強(qiáng)水動(dòng)力。

雅魯藏布江中下游棲息地的環(huán)境特征與底棲動(dòng)物特征（引自：周雄冬，2019）

3.高原河流保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展方略

水流能量高、正在經(jīng)歷沖刷下切的河流，其階梯化可促進(jìn)河流棲息地向更加穩(wěn)定和多樣的方向發(fā)展，能夠顯著改善河流生態(tài)。青藏高原、云貴高原、黃土高原上的高能量河流都在經(jīng)歷類似的過程：河流下切，地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)，大量滑坡、崩塌、泥石流堵江形成堰塞壩-堰塞湖系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了下切河流的自然階梯化；當(dāng)堰塞壩群穩(wěn)定后，可持續(xù)消減水流能量，控制河床下切，減少地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，同時(shí)提升水生棲息地質(zhì)量和生物多樣性水平。例如，數(shù)百年前金沙江上的崩塌群產(chǎn)生的虎跳峽堰塞壩（落差>200m），萬年前的滑坡產(chǎn)生的九寨溝堰塞壩群（落差>2000m），經(jīng)過長期的穩(wěn)定，都已成為著名的生態(tài)旅游景觀。參考河流的自然演變規(guī)律，高能量的下切河流經(jīng)合理的人工大壩梯級(jí)化，也可實(shí)現(xiàn)與堰塞壩群相似的減災(zāi)效果和生態(tài)效益。

目前，我國西南山區(qū)下切河流的梯級(jí)化建設(shè)已積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。大渡河長1062km，年平均流量1490m3/s，除海拔4000m以上的河源區(qū)保留自然狀態(tài)外，整個(gè)下切河段已建成31座梯級(jí)水庫，基本形成了穩(wěn)定的壩-庫群。雅礱江全長1571km，落差3830m，多年平均流量1560m3/s，除海拔3000m以上的干流保留幾個(gè)較短的自然河段外，已建成和正在建設(shè)的21座大壩幾乎將雅礱江完全階梯化。雅魯藏布江下游水電工程在引水發(fā)電過程中保留足夠的生態(tài)流量，下游隨著工程引水，水流能量降低，減少了河道下切和地災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，提升了河道棲息地穩(wěn)定性，有利于河流生態(tài)的優(yōu)化。怒江峽谷段的堰塞湖群有效抑制了峽谷的下切，仿自然的梯級(jí)開發(fā)可促進(jìn)生境穩(wěn)定性和異質(zhì)性的提升，滿足關(guān)鍵物種的生存需求，也可兼顧峽谷景觀的保存。特別是干熱河谷段的梯級(jí)開發(fā)和山水林田湖草沙的系統(tǒng)治理，可改善局部氣候水文條件，促進(jìn)植被生長和消落帶濕地演化，有望實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)整體性提升，推動(dòng)人與自然和諧相處和高質(zhì)量發(fā)展。

結(jié)論

流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展應(yīng)遵循工程生態(tài)學(xué)“四性”原則。一是遵循本底性原則，維持流域本底生態(tài)系統(tǒng)食物鏈不斷、特有物種不滅絕、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能不退化；二是遵循適應(yīng)性原則，確保對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的干擾不超出其適應(yīng)能力；三是遵循系統(tǒng)性原則，考慮包括人在內(nèi)的全部生態(tài)要素的相互作用和系統(tǒng)性治理；四是遵循整體性原則，兼顧人類社會(huì)與自然系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展需求，推動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)整體性提升。

基于工程生態(tài)學(xué)“四性”原則，青藏高原邊緣區(qū)高能量河流可通過自然壩-人工壩有機(jī)融合的梯級(jí)化，實(shí)現(xiàn)河道穩(wěn)定、生態(tài)優(yōu)化，促進(jìn)水域和陸域空間優(yōu)化，有效破解依山而居、陡坡耕作的區(qū)域發(fā)展困局和因?yàn)?zāi)致貧、因?yàn)?zāi)返貧的難題，為西南流域高質(zhì)量發(fā)展提供了基于自然的解決方案，也為我國山區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)提供了能源-生態(tài)-社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)同發(fā)展的科學(xué)依據(jù)和理論遵循。

Abstract: Different river basins have different natural backgrounds and complex ecological and environmental issues. Against the changing climate and intensified human activities, river ecosystems are facing severe challenges. The protection and high-quality development of river basins urgently require theories that adapt to the harmonious development of human and nature. To understand ecology from an engineering perspective, help engineers establish the concept and disciplinary framework of engineering ecology, and promote the harmonious development of engineering ecosystems, we proposed the “four principles” of engineering ecology, namely “background, adaptability, systematization, and integrity”. In engineering ecosystem, human is regarded as one of the key ecological elements. Accordingly, we explore the scientific principles of the nature-engineering composite ecosystem, and the connotation and assessment of the “four principles”. Based on the typical application of the “four principles” of engineering ecology in the Qinghai-Tibetan rivers, we analyzed the background and adaptability of the plateau rivers, and proposed the nature-based solutions for enhancing the systematization and integrity of the rivers from the perspectives of hydropower cascade development. This study also provides a scientific basis for the protection and high-quality development of river basins, by coordinating development of energy, ecology, and socioeconomics in the mountainous areas of Southwest China.

Keywordsengineering ecology; background; adaptability; systematization; integrity; protection and high-quality development of river basin

本文引用格式：

徐夢(mèng)珍，王光謙，王兆印.工程生態(tài)學(xué)“四性”原則及典型應(yīng)用[J].中國水利，2025（15）：19-26.

封面供圖徐夢(mèng)珍

責(zé)編呂彩霞

校對(duì)李盧祎

審核王慧

監(jiān)制軒瑋

聲明：本文系轉(zhuǎn)載自互聯(lián)網(wǎng)，請(qǐng)讀者僅作參考，并自行核實(shí)相關(guān)內(nèi)容。若對(duì)該稿件內(nèi)容有任何疑問或質(zhì)疑，請(qǐng)立即與鐵甲網(wǎng)聯(lián)系，本網(wǎng)將迅速給您回應(yīng)并做處理，再次感謝您的閱讀與關(guān)注。