生态恢复

    废弃地之所以不能放任其自然恢复, 其原因在于自然演替极其缓慢, 一般都需要几十年甚至数百年的时间, 自然恢复成一个高度发育的群落往往需要一千年甚至以上的时间(表1)。之所以需要这么长时间, 是有其特定原因的, 如果能找出这个原因, 再人为地改变它, 则可大大缩短自然演替的进程, 恢复生态学着眼点和重要性就在这里。
    基质土壤常常是主要问题, 针对土壤的每一方面的问题, 都有短期和长期的治理措施(表2)。例如, N的缺乏即可通过添加化肥和有机肥来达到即时改善的目的, 也可通过引入豆科植物来进行长期治理。许多草本和木本植物, 每年与固定100kg/ha的N, 可以用于提高土壤N的储备。草本豆科植物如三叶草, Lespedeza等, 在英国和澳大利亚, 被临时用于将煤矿废弃地恢复为草原; 在印度, 在金属矿和煤矿废弃物重建森林的过程中, 木本豆科植物相思和Casuarina 被作为重建植被的顶级群落的一分子。应用固氮植物必须先了解他们的生活特性, 包括根系在土壤中的伸展情况以及种间作用等。尽管土壤的许多结构特征需要很多年才可以恢复, 但生物特征的恢复得很快, 10年就可建成具一定功能的生态系统。
    如果采用表土复原技术, 那么就无需进行基质改良了。目前许多发达国家的露天矿的开采都有此项要求。但因早期没有复垦的要求, 世界上已积累了大量的矿业废弃地。1974年, 美国露天矿开采形成的废弃地在1784000ha以上; 在英国, 政府认定的废弃地面积也超过43000ha。近年的调查显示, 废弃地的面积并没有显著的减少, 因为复垦的面积与新增加的废弃地的面积基本持平。国际粮农组织（FAO）的有关森林转变为耕地的资料也说明了相似的情况: 在热带, 森林面积的减少和废弃地的增加是同步的, 而耕地面积却没有增加。
   群落  一旦土壤的特征被恢复, 并不难去重建一整套的物种, 以形成必需的植被。通常的做法是: (1)选择对生态系统的功能有着重要作用的种类, 以及(2)能形成最终生态系统主要成分的种类, (3)构成生态系统的最终的生物多样性的种类则依赖其自然定居。通过化学废弃物堆和St Helens火山灰地区的研究, 现在发现: 通过自然定居来达到最终的生物多样性是缓慢和不可靠的, 因为许多合适的种类在附近已经灭绝了, 长距离的传播是有限度的。
    一个很有趣的想法是: 采用一些手段来促进种子传播等的自然迁移过程, 如通过加强种子迁移能力, 尤其是鸟类来加强种子的自然传播, 如果这种方法不能奏效, 则可人工引入物种。人工恢复需要更多地了解有关定居特征和各个种类的需求, 就像目前对欧洲石南群落的研究所显示的, 石南植物的定居需要较少的养分, 较多的阳光; 至于Calluna, 则要增加肥料, 并需要草木植物充当育床(nurse). 群落的集合规则(assembly rule)有很多的假说, 生态恢复则为检验这些假说提供了机会。显然, 如果能同时满足各种植物定居的环境条件, 则种类可以同时引入, 而不必循序进行。当然, 这种方法对那些结构很复杂的群落, 像森林, 尤其是生物多样性程度很高的热带森林, 其植被结构中的由年龄决定的成分不可能朝夕间得到恢复。生态恢复目前所面临的挑战是, 必须能驾驭群落的发展, 使得结构和功能的所有精妙之处都能恢复, 让所有的种类都可占据各自的生态位, 否则, 总有可能, 整个演替进程将与我们的意愿大相径庭。最初偶然侵入的种类, 如果定居的个体数量很大的话, 那么它们可能存在于或主宰着生态系统数十年甚至更长时间, 因此, 最初种类组成的调控是必要的。
    究竟让多少最终生态系统的组成者由其自己去侵入生态系统, 这方面的知识还是空白。移动性强的种类当然可以做得到, 并保证了发展中的生态系统有适当的结构, 就同报道中的砾石坑的生态恢复那样。除非将河流引入废弃地, 否则鱼和水生植物无法在废弃地自然定居, 但它们可以单独, 也可以连在土壤或泥浆一起人为地引进去。许多森林种类是不可移动的, 只有人工播入种子或引入植株。对于人工引入的种类, 最好是种, 因为它们能较好地适应当地的环境。植物针对废弃地的特性有可能会演化出相应的适应机制, 这意味着, 退化生境的物种无须完全适应最终恢复的生态系统。适应性的种类在初始阶段很有价值, 但也并不意味着这些种类就不能适应逐步改善的环境。
    植物治理(Phytoremediation). 废弃物恢复中最棘手的问题就是土壤中重金属和某些有机复合物的清除。目前清除重金属主要是依靠物理、化学方法, 如酸性淋溶、电渗法或者就地固定。例如通过加热处理, 使金属和土壤中的二氧化硅形成一种惰性玻璃。这些方法需要专门的设备和熟练的操作者, 因此花费较大, 只能适应于小范围的污染清除, 并且只有在那些土地使用的需求压力大或者是升值潜力大的情况下, 才能筹得足够的费用。更为甚者, 这种处理全部消灭了土壤中的生物, 并影响基质的物理结构, 不利于植被重建。
    最近几年, 利用植物吸收来清除土壤污染的研究受到关注。植物提取(Phytoextraction)(植物治理的一种方式)的原理简单, 且理念优美: 逐渐地、有选择性地从基质中“收获”金属, 但不影响基质的其它特征。植物被收割、移走, 按有害废弃物来处置, 或者是低温焚化、浓缩、回收金属。
    一些金属性土壤的特有种能富集异常高的, 具有潜在植物毒性的金属如Zn、Ni、Cd、Cu和Co, 对于这些金属, 目前已发现有400余种超富集植物（hyper accumulator）, 植物地上部分吸收的重金属可占其干重的百分之几。在欧洲, 许多重金属的超富集植物都是十字花科植物。如欧洲南部, 蛇纹石土壤（天然富含Ni, Cr）上的Alyssum属植物, 它们可富集占干重2%的Ni; 菱锌矿（天然富含Zn, Cd和Pb） 土壤上的Thlaspi植物,可以分别积累Zn达 5%, Cd, 0.2%, Pb, 1%（干重）。Zn、Ni、Cu和Co的超富集植物也存在于热带和亚热带地区的的金属型植被中, 它们分属于不同的科, 既有一年生草本植物, 也有灌木和乔木。Baker等曾用几种Zn和Ni 超富集植物密集栽培于因长期施用污水污泥而受重金属污染的土壤中, 希望籍此来清除根际的重金属, 发现超富集植物Thlaspi caerulesens 可以吸收Zn达30kg/ha也有一些研究表明该种植物的 Zn, Cd的吸收量超过100kg/ha和2kg/ha。目前, 美国农业部的农业研究服务中心和英国Rothamsted作物研究所仍在进行这方面的研究。植物提取也有一定的商业前景, 因为1ha的Thlaspi产量可达20吨, 含有1000美金可回收的金属。
    利用超富集植物进行大规模的土壤重金属的清除的难度在于: 它们相对较慢的生长速度和较低的生物量。筛选出来的Indian mustard（Brassica juncea）的生长速度较快的品系已被用于Pb的清除。与Pb的超富集植物相比, 这种植物的地上部分积累Pb的能力相当较低, 但其生物量较高, 且一年内可收获几季, 可以弥补这种不足。
    植物提取, 或者是利用超富集植物这种特殊的生理特性, 或者是利用高生物量的富集植物, 在时间许可的情况下, 为植物根际范围土壤中的污染物清作提供了一条有效的途径。可以通过通常的杂交或基因工程的方法采提高现有的超富集植物物的生物量。 然而, 根所不能延伸到的深层土壤的污染清除, 必须要依靠翻土。由于金属污染物通常是以非溶解状态存在, 有效态含量较低, 这也是植物提取所面临的另一困难。化学改良物, 如络合剂, 则可提高根际金属的生物有效性, 还有许多其它方法可以提高根际的有效态金属含量, 同时也保证不会被淋溶和污染地下水。Phytotech（Monmouth交汇外, New Jersey）成功地利用植物提取技术, 清除于New Jessey的两块因工业污染形成的棕色土地中的重金属, 使Pb的含量达到了国家的工业标准（1000mg kg-1）, 他们就是利用一个夏季多次种植B.juncea。植物提取技术还可用于清除土壤和水体中放射性物质如137Cs和90Cr, 以及盐渍土中过量的Na、Se和B的清除。植物挥发（Phytovolatilization）（利用植物吸收无机污染物, 再通过地上部的挥发将其扩散到大气中去）技术用来清除Se和Hg也有着商业前景。
    植物治理的再一个方面就是植物稳定化, 既通过植物使金属污染不能迁移, 或被固定在土壤中, Kansas州立大学的Gray pierzynski和Iowa大学的Jerry Schnoor成功地利用植物来稳定土壤, 减少了kansas, Dearing的Superfund的一个冶炼厂周围的土壤中的重金属向地下水的迁移。由于废物堆的Pb、Zn含量分别高达200000和20000mg kg-1, 所以自1919年废置以来, 连杂草都不能生长。经过土壤改良, 研究者们在2公顷的地方种植3100棵杂交杨树, 存活率比期望的高, 那块地方现已是林木丰茂了。更为重要的是, 附近的人不再受以前那样的灰尘影响了。
    有机物的生物治理技术发展得更快, 因此有理由相信, 针对每一类型的有机污染物, 都可以筛选出合适的微生物或微生物群, 就地将其降解为CO2和H2。虽然, 实验室的成果距野外实践还有相当的距离, 但也有一些商业性的生物治理系统用来清除许多环境危害很高的有机污染物。有机污染物的植物治理也是有可能的, 它们可直接被植物吸收、降解或者是固定在根部。为了更好地了解实验室的植物除污染效果在野外的实际应用情况, 华盛硕大学的研究者在野外建成了一系列的试验小区, 研究不同种类的树木和污染的地下水之间的相互作用。这个小规模的野外试验, 采用了一系列人工砂石含水层, 用来载培植物, 并用定量添加四氮化碳和三氮乙醛, 比较不同树种的积累, 代谢和呼吸作用。这项技术是否会被更多的环保人员使用, 此项研究的数据将是很重要的考虑因素。根据室内和野外实验的结果, 华盛顿大学的研究小组和Oregon环境质量部门合作, 正准备用植物技术去治理10年前受氮仿污染的地下蓄水层, 他们将详尽地研究白杨树在地下蓄水层的污染清除中的作用。

　　展望

    虽然人类生境的转变威胁着大多数物种的生存, 但恢复生态学正开始为扭转这种趋势提供着机会, 并产生新的生境, 以利生物多样性的保护。原生演替很好地展示了生态系统的自然恢复的力量, 如果能辅以人工措施, 解决原生演替中的严重、长期的问题则演替速度可以大为提高。成功的生态恢复的例子很多: 例如, Ontario省的Sudbury的冶炼厂周围10000ha的不毛之地, 目前已成功地恢复植被。生物技术如植物治理技术, 可以治理严重的环境破坏, 不仅可以恢复功能性的生态系统, 还可以回收有益的工业资源。现在仍不很清楚究竟是应该真正地恢复原有的生态系统, 或者是产生某种程度新的系统（替代原有的）, 或者是完全模仿其它类型的生态系统或建立全新的人工系统（图4）。这种创造性的生物多样性保护技术行之有效, 并受到许多生物多样性保护学家的欢迎。尽管保护生物学的主要目标是保护现有的自然保护区和国家公园, 鉴定（调查）和保护那些天然的生物多样性高的非自然保护区, 生态恢复也要作为保护生物学家的常规手段。
    很显然, 无论何处的原始生境都不能遭受环境破坏, 但社会的发展和人口的增长意味着环境破坏是不可避免的, 土地使用的需求如些之大, 许多土地源源不断地变成农田和工业区。更为甚者, 这些“边缘性”的土地的农用期非常短暂。令人可笑的是, 目前贫瘠的土壤要比肥沃的土壤维持更多的生物多样性, 因为肥沃上土壤已早被开发了。那些短期作为农用的土地快速地恢复为自然生态系统, 为可持续发展提供了重要的机会。许多自然资源的持续利用都停留在种群水平, 但我也们也要注意应在景观的水平考虑资源的持续利用。成功的生态恢复将依然依赖于一批可定居的物种资源, 保证这个资源的唯一途径就是保护自然保护区或其它自然生境的生物多样性。
    生态恢复将继续为了解群落的集合方式和生态系统的功能提供了最要的机会。生态恢复与工程学的很类似: 它是组装生态系统(或发动机)的直接实践, 但仅仅了解发动机有多少部件并不能说明其功能, 然而, 在组装过程中, 却能较好地了解各个部件有什么作用。