工程生态学“四性”原则及典型应用

工程生态学“四性”原则及典型应用

The “four principles” of engineering ecology and typical application

徐梦珍，王光谦，王兆印

（清华大学水利水电工程系 水圈科学与水利工程全国重点实验室，100084，北京）

摘要：各流域自然本底不同，生态环境问题复杂，在气候变化和人类活动影响加剧背景下，河流生态系统面临严峻挑战，流域生态保护和高质量发展亟须适应人与自然和谐发展需求的理论遵循。从工程的角度来理解工程生态学应该遵循的原则，促进工程师建立工程生态学的概念和学科体系，促进工程-生态系统的和谐发展，提出工程生态学“四性”原则，即本底性、适应性、系统性、整体性，将人作为生态系统中的关键要素，探讨自然-工程复合生态系统的科学原理，阐述了“四性”原则的内涵和科学评价。基于工程生态学“四性”原则在青藏高原河流中的典型应用，分析了高原河流的本底性和适应性，探讨了高原河流梯级化促进系统性和整体性提升的基于自然的解决方案，为西南山区流域生态保护和高质量发展提供了能源-生态-社会经济协同发展的理论依据。

关键词：工程生态学；本底性；适应性；系统性；整体性；流域生态保护和高质量发展

作者简介：徐梦珍，副教授，主要研究方向为河流演变与生态响应、生物入侵及污损防治、工程生态学。

基金项目：国家自然科学基金联合基金重点项目（U2243222、U2240207）。

DOI：0.3969/j.issn.1000-1123.2025.15.004

概述

气候变化与人类活动影响下，全球一半以上大型河流生态功能退化，自然演替过程受阻，生境连通性降低，生态承载力衰减。自20世纪30年代以来，世界各国开展了大量生态修复研究与实践，从最初的以改变河道形态、改善鱼类栖息地或河流外观为重点，发展到以改善河流的动力过程、恢复自然的物理化学和生物过程为目标。尽管如此，目前对河流系统多尺度多过程及相互作用机制仍缺乏清晰的认知，以至于河流修复实践常难以有效恢复河流生态系统结构与功能完整性。部分生态修复工程甚至违背河流自然演变规律，营造了难以自然维持的地貌或生态条件，导致修复效果不佳甚至酿成灾难。

我国各流域自然本底不同，生态环境问题复杂，特别是在极端气候频发和人类活动加剧背景下，流域水沙关系失调，旱涝灾害频发，生态系统承载能力退化，生物多样性降低，河流生态系统面临严峻挑战。党的十八大以来，围绕生态文明建设谋划了一系列根本性、开创性、长远性工作，致力解决水资源短缺、水环境污染、水空间萎缩、水生态破坏等问题，以实现流域生态保护和高质量发展。但实践中仍然存在诸多挑战与不确定性：一方面，不同流域本底差异、生态压力复杂多样，不同生态压力引起的生态响应缺乏理论支撑，难以科学指导河流开发与保护；另一方面，河流生态修复需以其自然本底为参考基准，而我国河流地形复杂、本底生态状况缺乏系统观测，难以有效支撑生态修复与评价。

近年，生态水利工程学、生态水工学、生态工程学、恢复生态学等学科方向应运而生，期望通过自然科学、工程技术、人文与社会科学等多学科交叉融合，探讨构建水循环-社会经济-生态环境-水利工程复合系统。例如，水资源规划与管理、河湖连通与湿地水系网络构建等实践中，强调水利工程在满足人类社会需求的同时，兼顾水生态系统健康和可持续性。针对工程对生态环境的潜在影响，积极开展河流生态修复规划方法、生态需水量估算方法，以及河流健康评估、洄游鱼类保护技术、水库调度技术等研发，提出防止和减少不利影响的对策和措施。

然而，大量研究与实践并未根本解决大型工程与生态保护的矛盾，如长江小南海水库，黄河的羊曲水库等，甚至鄱阳湖通江建闸，大型工程建设都容易引起激烈争论。在关于工程与生态的长期激烈争论中也达成了一定共识，即自然生态系统已经存在，工程是新增加的，工程师的使命是改造自然，同时使自然变得更好，可以基于这些共识思考基本原则。

因此，本文提出工程生态学本底性、适应性、系统性、整体性原则，即“四性”原则，从工程的角度来理解工程生态学应该遵循的原则，促进工程师建立工程生态学的概念和学科体系，促进工程-生态系统的和谐发展。

工程生态学的“四性”原则

1.“四性”原则的内涵

生态学的核心任务是探寻自然生态系统中的模式，揭示其背后的运行机制和规律，从而预测生态过程、格局和动态。研究方法从早期观测数据的归纳总结，发展到归纳与演绎相结合；核心议题包括生物多样性的形成和维持机制，具体包括物种共存和群落构建、物种相互作用、生态-进化动态等。生态学基本理论的研究为解析生态系统的复杂性提供了重要途径，积极探索在统一理论框架下研究生物多样性的形成和维持机制，评估不同尺度的生态过程在群落构建中的相对重要性；希望基于核心过程整合种群遗传学和群落构建理论，形成生物多样性的多时空尺度理论。特别是全球变化背景下加强生物多样性响应研究，包括环境变化对物种相互作用和共存的影响，快速进化过程对物种-环境变化响应的影响，环境变化和生态-进化反馈对生物多样性与生态系统功能的影响等，可为理解和应对全球变化提供科学基础。

工程生态学是在生态学基本理论基础上扩展和重新定位，将人作为生态系统中的关键要素。一方面，通过生态学的方法体系分析生物群落与其环境中的各种生物、非生物要素的关系，以及食物链、食物网等各类关系塑造的生态系统的结构与功能完整性，以科学指导生物多样性保护、濒危物种管理以及受损生态系统的修复和重建。另一方面，关注生态系统服务、生态平衡、生态阈值、生态恢复力，即生态系统为人类提供的直接或间接利益、在一定时间内保持相对稳定的状态、受到干扰后发生不可逆变化的临界点、受到干扰后恢复原状的能力等。工程生态学强调“四性”原则，在此基础上探讨自然-工程复合生态系统的科学原理、技术方法、工程措施，协调人、工程与自然的和谐关系，助力国家生态文明建设和可持续发展战略目标实现。

“四性”原则中本底性和适应性可解释为生态系统有着一定的自组织能力和反馈机制，以维持生态平衡，当自然或人工干扰（生态压力）超过自组织能力时生态平衡会被打破，生态系统逐渐调整直至形成新的生态平衡。原有的生态平衡态特性即为“本底性”，生态系统调整至新生态平衡态的过程和特性即为“适应性”。系统性是关注整个生态系统的状态和特性，而不是仅仅关注某种或者某些生物、非生物因素。整体性则强调人、工程与自然的相互和谐与协同发展。

基于“四性”原则，本底性较差的生态系统，经历人类活动调整后的新平衡态下的结构和功能，可能优于本底水平，实现整体性优化。以本底性差的干旱区为例，长期以来人们普遍认为干旱和放牧等环境压力下，仅少数能够耐受恶劣环境的物种得以生存，会导致植物特征多样性降低。然而，近年来的研究逐渐挑战这一传统观点，有研究发现：干旱区的植物可能通过多种不同的生理和形态策略来适应环境压力，表现出极高的功能多样性，即在干旱和放牧压力共同作用下，植物特征多样性不仅未减少，反而显著增加，表型多样性呈现极强的适应能力，这也意味着气候变化和土地利用方式的互动可共同促进全球干旱区植物的表型多样性提升。

2.“四性”原则的科学评价

本底性和适应性评价可延用生态学基本原理和方法，涵盖从个体、种群、群落到生态系统多个层级。个体层级的核心是耐受性、生态位、适应性，即每个物种对环境有一定的耐受范围，在生态系统中占据一定的功能角色和空间位置，通过进化适应环境变化等。种群层级的核心是种群增长、种群调节、种内竞争，包括资源无限时呈现的指数增长模式或资源受限时呈现的逻辑增长模式、种群密度依赖或密度无关的调节、同一物种个体之间对资源的竞争等。群落层级的核心是物种多样性、种间关系、群落演替，包括群落中物种的丰富度和均匀度，资源有限时物种间的相互竞争、捕食者与猎物之间的相互作用，如互利共生、偏利共生、寄生模式，以及群落随时间从简单到复杂的动态变化过程等。生态系统层级的核心是能量流动、物质循环、生态效率，包括基于食物链和食物网实现能量在生物间的传递、化学元素在生物圈和非生物圈之间转移的物质循环过程（如水循环、碳循环、氮循环等）。

系统性和整体性的评价应按照生态系统的整体性、系统性及其内在规律，统筹考虑生态系统各要素，重视包括人在内的整个生态系统的结构和功能的优化和提升，强调利用自然过程和生态系统功能，通过保护、恢复和可持续管理自然-工程融合的生态系统，来应对所面临的主要挑战（如气候变化、自然灾害防治、消除贫困，以及粮食安全、水安全、能源安全等），实现生态、经济和社会效益的协同提升和可持续发展。《中共中央 国务院关于全面推进美丽中国建设的意见》提出实施山水林田湖草沙一体化保护和系统治理。山水林田湖草沙是一个生命共同体，人作为系统治理措施的实施主体，也是自然-工程生态系统中的重要要素。整体性有利于推动实现人与自然和谐共生，其评价可参考联合国可持续发展目标（SDGs）和世界自然保护联盟（IUCN）基于自然的解决方案（NbS）等提供的相关评价指标和方法，包括可持续发展目标（SDGs）指标（如SDG6清洁饮水和卫生设施、SDG13气候行动、SDG14和15水生及陆地生物等）、NbS指标（如生态效益、经济效益、社会效益、治理与实施等4个维度的指标）、生态系统服务评估工具（如InVEST模型、TEEB）、碳核算工具（如IPCC方法学）等。

综上，工程生态学有利于实现生态学理论与工程技术实践的有机融合，工程生态学“四性”原则及其科学应用，能够更客观理性地回答工程与自然系统的相互作用、工程的长期生态效应、工程安全与生态安全保障、受损生态系统的恢复等自然科学与社会科学深度交叉的难题，能够有力促进流域生态保护和高质量发展战略的实施。下文结合典型应用场景，基于工程生态学“四性”原则，分析探讨流域生态保护和高质量发展实践。

“四性”原则在高原流域生态保护和高质量发展中的典型应用

青藏高原是全球海拔最高、面积最大的高原，从高原腹地到边缘海拔落差大，发育了黄河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江和雅鲁藏布江六大河。青藏高原抬升、河网水系发育与生物多样性演化之间的相互作用是一个复杂、动态的过程，塑造了区域生态环境和生物多样性格局。在气候变化和人类活动加剧背景下，高原河流生态系统面临严峻挑战。特别是近年气候变化显著，加之高原地区公路铁路、城市机场及大型工程等基础设施建设，打破了几万年来高原形成的人与自然共处的本底状态，生态系统能否适应这些变化，新的自然-工程生态系统能否实现系统性和整体性的优化，都是可持续发展亟须回答的问题。

1.青藏高原河流生态系统的本底性

青藏高原东南边缘区地形急变，在沿河长数百公里内海拔由4000m以上降至1000m以下，河流水能巨大，河谷深切，两岸边坡高陡，崩滑势能巨大。地震和暴雨等诱发了大量崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害，造成大量泥沙物源堵江，随着堰塞体逐渐稳定，形成了堰塞坝-堰塞湖群系统，从河道纵剖面看就像是把河道天然阶梯化了。而北部高原腹地地势平缓，河流水能较低，河流在宽阔平坦的高原草甸上自由蜿蜒，裁弯形成的牛轭湖群在主河两侧密集分布，如黄河源区典型的弯曲河流——牛轭湖系统。

青藏高原河流地形急变示意

青藏高原典型泥石流、滑坡堵江形成的不同稳定状态的堰塞体

青藏高原气候为典型高原山地气候和亚热带季风气候，冰川融水和西南季风带来的印度洋暖湿气流为高原腹地提供了源源不断的水量补给，从边缘向腹地，河流地形特征、气象水文特征、侵蚀-沉积动态和生境多样，塑造了极大的生物和非生物环境梯度，支撑了极高的区域多样性水平。由于高原环境的隔离作用和极端气候条件，高原河流生态系统通常表现为局部较低的物种多样性、较高的特有种比例，但区域之间物种差异性大、异质性高等特征。青藏高原多次科学考察发现：整个青藏高原包括喜马拉雅山和横断山脉侧坡有维管植物1500属12000种以上，占全国维管植物总数的40%；陆栖脊椎动物343属1047种，占全国该类动物总数的43.7%；水生生物中，青藏高原有鱼类3目5科45属152种，约占全国纯淡水鱼类物种的19%。

结合生物多样性信息数据收集，下图给出了6条高原河流主要生态要素的比较以及多样性水平对河流动力条件和营养水平的响应格局。水生生物多样性方面，雅鲁藏布江鱼类多样性在6条河流中最低，与其河流演变剧烈、地质灾害多发、河道频繁堰塞—溃决、水生栖息地稳定性差有关。除了河流演变干扰外，高原河流生态系统也受到低温、寡营养的制约。如高原腹地的黄河源区在寡营养制约下，鱼类多样性显著低于澜沧江和金沙江。因此，鱼类多样性总体表现为：黄河<雅鲁藏布江<怒江、雅砻江<澜沧江、金沙江。总体上，在以动力干扰和营养水平为度量的体系中，澜沧江和金沙江更接近中等最优的状态（生物多样性水平最高）；怒江河流能量高于中等最优水平，显示出一定程度的动力干扰过强；雅砻江则一定程度受到寡营养制约；雅鲁藏布江受到极端强动力干扰；黄河受到极端寡营养制约。因此雅鲁藏布江、黄河这两条河流显著偏离中等最优的状态。未来高原河流基于自然的解决方案中，可探讨基于工程和管理手段调控动力干扰和营养水平，实现生态系统结构和功能的优化。

▲青藏高原6条河流水生生物多样性水平对河流动力干扰和营养水平的响应格局

2.青藏高原河流生态系统的适应性

由于高原环境的隔离作用和极端气候条件影响，高原河流生态系统通常具有较高的特有种比例，这些特有种往往具有特殊的环境适应性。同时，生态系统的食物网结构相对简单，但能量流动效率较高，是对资源稀缺条件的适应。此外，高原河流生态系统呈现较强的季节动态和年际波动，是对高原地区显著的气候季节性和年际变化的适应。这里以高原河流特有物种在长期演化过程中形成的独特适应机制为例，阐释高原河流生态系统的适应性。首先，生物群落表现出对快速地貌变化的耐受性和恢复力，例如，某些水生昆虫能够迅速定殖于新生栖息地，河岸植被能适应频繁的河道迁移和洪水干扰。其次，生态系统通过生物地球化学循环的调节来适应地质地貌变化，例如微生物群落的活动可以加速新暴露岩石的风化，促进土壤形成和养分循环。此外，生物多样性的空间分布格局也表现出对地貌异质性的适应，不同地貌单元往往支持不同的生物群落，形成了多样化的生态位。

以怒江大峡谷为例，数百条支流输送泥石流堰塞干流河道，形成峡谷中天然阶梯化的堰塞坝-堰塞湖群，高效消能、稳定河势，提升水生栖息地的稳定性、异质性、适宜性，生物多样性（以底栖动物为指示物种）显著高于无堰塞的河段，且特有物种占比高。特别地，在堰塞湖的均质泥沙沉积段发现了我国首个无爪蜉科新物种Behningia Nujiangensis，其稚虫形态特化程度极高，全身覆盖浓密的刚毛和棘刺，擅长掘沙。该物种在怒江干流泸水市至贡山县丙中洛乡段18个堰塞湖均质沙滩中均有分布，但未见于残余堰塞体的卵砾石底质中。这表明，原本不具备均质沙滩条件的峡谷河道，由于泥石流堵江形成了稳定的堰塞湖群，为新物种的生存与适应提供了适宜栖息地，也诠释了高原河流水生态系统对河流地貌阶梯化演变的适应性。

青藏高原河流水生生态系统的适应性（引自：周雄冬，2019）

雅鲁藏布大峡谷也发生了许多崩滑、泥石流堵江事件，但由于地形急变、水流能量超强，目前河道中存续的堰塞坝-堰塞湖群尚稀疏，阶梯化程度相对较低，尚不足以充分消能，河流栖息地不稳定，生物多样性水平不及怒江。以底栖动物为例，雅鲁藏布大峡谷和支流尼洋河、金珠藏布江、帕隆藏布江共采集到132种（远低于怒江大峡谷的231种），其中大部分物种主要栖息于中、低流量河段（M型、L型），仅10%左右的物种能够栖息于高流量河段（H型）。这些适应强水动力干扰的物种也表现出极高的特化适应机制，如鱼型体制的四节蜉科Baetidae通过强游泳能力适应强水动力，贴生型蜉蝣Rhithrogena演化出扁型体制和膨大吸盘适应强水动力。

雅鲁藏布江中下游栖息地的环境特征与底栖动物特征（引自：周雄冬，2019）

3.高原河流保护与高质量发展方略

水流能量高、正在经历冲刷下切的河流，其阶梯化可促进河流栖息地向更加稳定和多样的方向发展，能够显著改善河流生态。青藏高原、云贵高原、黄土高原上的高能量河流都在经历类似的过程：河流下切，地质灾害多发，大量滑坡、崩塌、泥石流堵江形成堰塞坝-堰塞湖系统，实现了下切河流的自然阶梯化；当堰塞坝群稳定后，可持续消减水流能量，控制河床下切，减少地质灾害的发生，同时提升水生栖息地质量和生物多样性水平。例如，数百年前金沙江上的崩塌群产生的虎跳峡堰塞坝（落差>200m），万年前的滑坡产生的九寨沟堰塞坝群（落差>2000m），经过长期的稳定，都已成为著名的生态旅游景观。参考河流的自然演变规律，高能量的下切河流经合理的人工大坝梯级化，也可实现与堰塞坝群相似的减灾效果和生态效益。

目前，我国西南山区下切河流的梯级化建设已积累了丰富经验。大渡河长1062km，年平均流量1490m³/s，除海拔4000m以上的河源区保留自然状态外，整个下切河段已建成31座梯级水库，基本形成了稳定的坝-库群。雅砻江全长1571km，落差3830m，多年平均流量1560m³/s，除海拔3000m以上的干流保留几个较短的自然河段外，已建成和正在建设的21座大坝几乎将雅砻江完全阶梯化。雅鲁藏布江下游水电工程在引水发电过程中保留足够的生态流量，下游随着工程引水，水流能量降低，减少了河道下切和地灾风险，提升了河道栖息地稳定性，有利于河流生态的优化。怒江峡谷段的堰塞湖群有效抑制了峡谷的下切，仿自然的梯级开发可促进生境稳定性和异质性的提升，满足关键物种的生存需求，也可兼顾峡谷景观的保存。特别是干热河谷段的梯级开发和山水林田湖草沙的系统治理，可改善局部气候水文条件，促进植被生长和消落带湿地演化，有望实现生态系统整体性提升，推动人与自然和谐相处和高质量发展。

结论

流域生态保护和高质量发展应遵循工程生态学“四性”原则。一是遵循本底性原则，维持流域本底生态系统食物链不断、特有物种不灭绝、生态系统结构与功能不退化；二是遵循适应性原则，确保对生态系统的干扰不超出其适应能力；三是遵循系统性原则，考虑包括人在内的全部生态要素的相互作用和系统性治理；四是遵循整体性原则，兼顾人类社会与自然系统的协同发展需求，推动生态系统整体性提升。

基于工程生态学“四性”原则，青藏高原边缘区高能量河流可通过自然坝-人工坝有机融合的梯级化，实现河道稳定、生态优化，促进水域和陆域空间优化，有效破解依山而居、陡坡耕作的区域发展困局和因灾致贫、因灾返贫的难题，为西南流域高质量发展提供了基于自然的解决方案，也为我国山区现代化建设提供了能源-生态-社会经济协同发展的科学依据和理论遵循。

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：

徐梦珍，王光谦，王兆印.工程生态学“四性”原则及典型应用[J].中国水利，2025（15）：19-26.

封面供图徐梦珍

责编吕彩霞

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