长江流域生物多样性和生态环境优化的基础与应用研究

长江流域生物多样性和生态环境优化的基础与应用研究

（国家重点基础研究发展规划项目建议书之二）

一、立项依据

1．国家重大需求

生物多样性对地球演化和生命维持系统具有极为重要的作用，是人类赖以生存与发展的基础。近年来，有关生物多样性及生态环境的研究已在全球范围内受到科学界、政府和社会公众的重视，主要基于3个方面的原因：

（1）生物多样性与经济发展密切相关。据估计，全球生物多样性（主要以生态系统功能估算）的价值约为33万亿美元/年（Costanza et al．，1997）。中国约为1万亿美元/年（陈仲新、张新时，2000）至4．6万亿美元/年（据《中国生物多样性国情研究报告》，1998）。生物多样性所蕴藏的巨大价值尤其为众多发展中国家的经济腾飞奠定了基础。

（2）生物多样性有关国家安全。鉴于国家间生物多样性与经济实力的不平衡性，发达国家通过种种手段攫取发展中国家的生物多样性资源（特别是基因资源）的现象已极为普遍。WIR、IUCN、UNEP等3个国际权威机构共同制定出《全球生物多样性策略——拯救、研究和持续、公平地利用地球生物资源的行动纲领》（1992），告诫各国政府“重视生物多样性的国家具有最强的国家安全”。因而，从国家安全的角度来有效地保护本国生物多样性资源已经成为世界各国的紧迫任务。

（3）生物多样性锐减与生态环境恶化是人类面临的难题。据Wilson（1985，1988）估计，人类干扰造成的物种灭绝速度比自然灭绝快一百倍至几百倍。同时，一个物种的灭绝还可能影响约50个物种的生存，而造成物种濒危的主要原因是生态环境的破坏。在某些地区，这一状况因人类活动频繁和经济高速发展而愈加突出。

中国是世界上少数几个拥有巨大生物多样性（mega－biodiversity）的国家之一。中国生物物种占全球物种总数的10%～14%，而且由于环境复杂、历史悠久、民族众多，已培育了丰富的栽培植物和家养动物地方品种。作为人口最多的发展中国家和农业大国，中国的经济发展与民族兴衰比其他国家更依赖于生物多样性。然而，中国也是一个生物多样性面临极大威胁和生态环境不断恶化的国家。由于巨大的人口压力和资源利用不当，已造成61%的野生生境丧失，40%的生态系统严重退化，15%～20%的物种处于濒危状态等严重局面（据《中国二十一世纪议程》，1994）。有鉴于此，中央政府在《国家生态环境建设纲要》中已明确指出：生物多样性保护与生态环境优化是我国未来20年重要的基本国策之一。近来，中央做出“西部开发”的战略部署，强调经济发展必须与生态环境建设同步进行。因此，解决好我国重要地区的经济高速发展与生物多样性保护及生态环境优化之间的突出矛盾，协调经济欠发达的西部地区与经济较为发达的东部地区在生物多样性保护和生态环境优化方面相互依存、相互补充的关系，已成为21世纪摆在我们面前的最为紧迫的任务。

在我国急需进行生物多样性保护与生态环境优化的地区中，长江流域是一个最为典型的区域。这是因为：

（1）由于地理位置、地质历史和人类活动等原因，长江流域孕育的生物多样性在全国乃至全球范围内独具特色。在世界自然基金会（WWF）确定的200个生态区（“Ecoregion 200”）中，中国共有7个，其中6个位于长江流域。长江流域从源头到入海口，完整体现了我国三级阶梯的地形特征和各种生态系统类型。该区域关键生物类群及遗传多样性资源均十分丰富。例如，位于长江中下游的神农架及邻近地区是世界上主要农作物八大起源中心之一（应俊生，1979；吴征镒、王荷生，1985）。

（2）长江流域贯穿我国东西部，是著名的“黄金水道”和经济发展“重心”，其中下游是我国目前经济规模最大、最为发达的地区，在整个国民经济的发展中具有举足轻重的地位；而在国家近期提出的西部开发大战略所涉及的10个省、自治区和直辖市中，8个位于长江上游地区。可见，西部生态环境整治和开发在很大程度上可以认为是长江流域上游的问题。应当注意的是，长江中下游地区（中部和东部）与上游地区（西部）无论在生物多样性资源和生态环境，还是在经济发展上都具有相互依赖、相互影响的关系。

（3）长江流域的生物多样性与生态环境受到严重威胁，其生物多样性的生态系统功能已显著削弱甚至丧失。例如，长江上中游地区退化的森林、草地、草甸、农田和水生的生态系统已占土地总面积的62%，而中下游的湖泊的数量和面积锐减。近年来，长江流域的生物多样性与生态环境状况已引起国际社会的广泛关注。

2．科学意义

依据长江流域的生物多样性与生态环境特点，开展生命科学、环境科学、地学、信息科学和管理科学相结合的综合性基础与应用研究。力争在生物多样性资源形成与分布格局、人类强干扰下生物多样性丧失过程与机制、退化生态系统恢复与重建的生物多样性途径、生物多样性的生态系统服务与经济价值评估、流域内生物多样性区划与系统管理等重大科学问题上取得突破性进展。同时，为“生物多样性科学”（biodiversity science）这门新型交叉学科及相关学科的发展作出应有的贡献。

3．可能的突破点

●应用生物多样性科学和进化生物学原理，在长江上游的高寒、干旱区等特殊生境中寻找新的重要生物资源。

●通过对长江河口湾洄游鱼类的生活史与生态过程的研究，建立下游生态环境的破坏对中上游生物多样性影响的实例与模型。

●根据生态系统发生与演替的理论和方法，结合生物多样性维持研究的最新成果，提出长江流域退化生态系统恢复与重建的生物多样性途径。

●建立适合长江流域生物多样性经济价值的定性、定量评价体系与计算方法，进而完成各区域的分类与排序。

●建立长江流域东部与西部之间资源与资金共同利用并实现可持续协调发展的模式，为西部大开发战略提供社会、经济和科学的依据及应用方案，同时为国际同类研究提供可资借鉴的范例。

4．可能的重大贡献

●为中国政府履行《生物多样性公约》提供重要的基础。

●通过对长江流域生物多样性战略资源的研究，为维护国家主权和安全提供科学依据。

●作出长江流域生物多样性区划和生态功能的经济评估以及生物多样性保护与利用的管理方案，为中央政府制定东西部发展的政策提供科学依据。

●建立恢复生态学的生物多样性途径，加速“三退三还”（退耕还林、退耕还草、退耕还湖）生态建设。

●建立并应用新理论、新技术和新方法，发现特殊生境中的新生物资源。

二、国内外研究现状和发展趋势

国际生物多样性研究大致可划分为3个阶段：

（1）调查编目：对一个国家或特定地区的生物物种进行全面调查，划分受威胁等级，编制红皮书，禁止濒危物种贸易，建立自然保护区等。

（2）濒危物种保护：开展濒危物种的种群、生殖和遗传学等方面的研究，并初步提出保护措施。

（3）生物多样性科学：通过对生物多样性组分与不同层次的研究，建立保护生物学（Conservation Biology）及相关学科的理论与方法，阐明生物多样性起源、维持与丧失的过程与机制。

1997年以来，Nature、Science等刊物上发表的生物多样性论文剧增，反映了如下几个方面的特征：

（1）对生物多样性服务功能的估算与传统看法不一致。例如，湿地的价值仅次于海岸和海洋，但大于热带森林和其他森林之和（Costanza et al．，1997）。因而，生物多样性的生态系统服务功能及其评价模型成为一个研究热点。

（2）生物多样性的生态系统功能研究在1998年后将成为国际学术界的热点之一，而研究重点也将从单纯的量（物种多少）转移到量与质（即功能群和功能多样性）两方面的综合研究上来。

（3）并非每一个物种都必须受到的人类保护。人们应当从单纯的自然保护主义的立场，转移到寻求自然保护与人类发展的平衡点上来。

（4）遗传（基因）多样性和天然药物资源已成为发达国家与发展中国家之间冲突的一个重要领域，有效保护生物多样性资源则是发展中国家的当务之急。

（5）生物多样性空间格局与生态区的划分极为重要，而极端环境中的生物多样性问题应当引起高度重视。

（6）大量的新方法与新技术（例如分子系统发育分析与分子进化研究）逐渐应用于生物多样性领域，并已获得新的成果（Karl ＆Bowen，1999；Smith et al．，1997；Shrader－Frechette ＆McCoy，1999；Raven，2000）。

我国生物多样性研究虽起步较晚，但已获得长足的发展。“九五”期间，国家科委、国家环保总局、基金委、林业部、教育部和中科院等有关部门均投入较多人力和财力开展生物多样性研究。其中，基金委“八五”重大项目“中国主要濒危植物保护生物学研究”、“九五”重大项目“中国关键地区生物多样性保育的研究”，教育部“长江流域（源头川西高山峡谷地区、三峡库区和两湖平原湿地）生物多样性保护生物学的若干重大问题研究”等已取得重要成果；国家环保总局主持编写的《中国生物多样性保护行动计划》、《中国生物多样性国情研究报告》和《中国履行“生物多样性公约”国家报告》已在国际上产生较大影响。自“七五”开始，我国实施了一系列生态环境恢复与优化工程，其中“林业十大生态工程”和“生态农业工程”已初具成效。然而，我们应当看到，我国生物多样性研究无论在经费投入还是在研究成果方面都与国际水平存在相当差距，与我国生物多样性的丰富程度及受威胁程度也很不相称。

由于生物多样性发生与维持机制的高度复杂性和生态环境优化工程的艰巨性，任何一个大国都不可能在短期内对全国范围内的生物多样性进行全面研究并取得重大成果，尤其是像在中国这样一个拥有巨大生物多样性的国家更难实现。因而，我们必须坚持“有所为，有所不为”的原则，集中有限的研究资源，选择典型区域，开展深入而细致地研究工作。本项目根据我国国民经济与生态环境协调发展的实际需求，结合中央“西部开发”的战略思想，以长江流域作为典型区域，着重探讨其生物多样性发生、维持、丧失和恢复的机制，以及生态环境优化中的重大理论问题与应用方法，旨在建立长江流域东部与西部之间资源与资金共同利用并实现可持续协调发展的新模式，并为国际同类研究提供可资借鉴的范例。

三、总体目标及五年目标

1．总体目标

依据长江流域生物多样性、生态环境和经济发展的特点与相互关系，特别是东西部之间在资源和环境方面的互补性与关联性，通过多学科综合研究，为长江流域生物多样性的保护与可持续利用、生态环境的优化以及全流域的系统管理提供新的理论与方法，在生物多样性科学的若干前沿领域取得重大突破，同时为中央政府在实施“西部开发”战略和制定有关东西部关系的重大政策提供科学的依据。

2．五年目标

●揭示不同生物类群在特殊生境中的适应过程与进化机制，探索特殊生物活性成分的分布规律，为发掘新的生物资源提供新理论和新方法。

●在研究长江流域生物多样性的生态系统功能基础上，提出中上游地区退化生态系统恢复与重建的新途径。

●研究人类干扰对物种生活史和生态过程的影响，为制定受威胁物种的保护措施提供依据。

●建立生物多样性生态服务的分类与价值评估体系，估算长江流域及不同地区生物多样性的经济价值。

●完成长江流域生物多样性自然区划和功能区划，建立系统管理和信息服务网络。

四、拟解决的关键科学问题和主要研究内容

1．关键科学问题

●特殊生境下生物进化的过程、形成机制与空间分布规律。

●生物多样性不同质与量的生态系统功能。

●退化生态系统恢复与重建的生物多样性途径。

●不同区域间生物多样性与生态环境的相互影响。

●生物多样性价值的定量评价模型与指标体系。

●长江流域生物多样性的自然区划依据与功能区划的模型与方法。

2．主要研究内容

该项目紧紧围绕生物多样性起源、维持和丧失的过程与机制以及生态系统功能和生态系统服务等基本问题，研究长江上游生物多样性丰富地区和特殊生境下生物资源的形成与分布规律；比较自然扰动和人类干扰下生物多样性的维持与丧失过程，提出生物多样性保护的预警方法和应对策略；探索退化生态系统恢复与重建的生物多样性途径；提出适合长江流域的生物多样性价值评价模型与指标体系；建立与完善长江流域生物多样性的自然区划依据与功能区划的模型与方法。

五、总体研究方案

1．学术思路

根据生物多样性、生态环境和社会经济体系间的相互关系（见图1），结合国家重大需求和关键科学问题，选择长江流域中的典型研究区域，应用国内外生物多样性科学和相关学科领域的最新成果，开展分区和流域综合性研究；在实际应用中，建立和发展新的理论与方法。

图1　生物多样性、生态环境和社会经济体系间的相互关系

2．技术途径

本项目的基本技术路线见图2。

3．创新点与特色

与国内外同类研究相比，本项目具有以下几个方面的特色：

●揭示特殊生境下生物趋同与趋异进化过程及其机理，探索适应过程中形成的生物活性成分与分布规律。

图2　技术路线

●对洄游性鱼类的生态过程与生境关系的研究，提供河口湾生境破坏对流域内生物多样性影响的罕见例证。

●提出物种的量（数目）与物种的质（功能）对生态系统功能作用的新理论、实验验证以及优化生态环境的范例。

●利用长江流域特点，研究其生物多样性空间与功能分异，作出生物多样性区划，提出流域系统管理模型。

●提供“经济发达但资源相对贫乏地区”与“经济落后但资源丰富地区”之间共同利用资源和资金的可持续发展的方案。

4．可行性分析

●选择长江流域作为研究区域，有望在5年内取得重大成果并产生较大的国际影响。

●课题间既相互独立，分工明确，又存在密切联系，能协同攻关。

●研究方案和技术途径明确、具体，有很强的可操作性。

●前期研究基础较好，已有大量的资料积累和所需研究设备条件。

●已经组织高校、中国科学院和其他研究单位中具有较高水平的科研工作者参加有关课题，中青年科学家成为研究骨干。

5．项目组织方式

●以上海市为牵头单位，流域内省、市、自治区为依托，著名高校与研究所为骨干，进行分工、合作。

●执行首席科学家负责制、项目学术委员会咨询制与项目管理小组各施其责的运行机制。

●通过年度Workshop、Newsletter和专用网站，加强课题组间的联系和科研人员间的密切合作。

六、课题设置

本项目共设置下列6个课题。

课题1：长江上游特殊生境下生物适应与多样性形成机制及重要资源发现

从物种与生境的相互作用、生物活性分子与基因表达调控等几个方面，探讨物种适应特殊环境的过程、机制和生物多样性形成规律；通过生物资源与特殊地理生态条件和演化历史的相关性，在长江上游特殊生境中发现新的重要生物资源。具体内容包括：

●特殊生境中生物适应过程与机制及生物多样性形成规律；

●特殊生境中（高寒区和干旱区等）生物活性分子作用和筛选；

●重要生物活性分子的进化及其与特殊调控基因的相关性；

●持续利用和种质资源保存的新方法。

课题2：长江中上游退化生态系统恢复与生态环境优化的生物多样性途径

针对该地区“退耕还林”、“退耕还草”、“退耕还湖”以及生态环境优化中存在的紧迫问题，以典型高寒草甸、水域和退化森林生态系统为模式，探索生物多样性的生态系统功能、生态系统发生与恢复以及生态环境优化的理论和方法。

●高寒草甸物种量与质的生态系统功能作用与生态环境优化的设计与实现；

●重要湿地生态系统重建的功能群与食物链配置的理论与实践；

●退化森林生态系统恢复的生态多样性途径。

课题3：长江下游强人类干扰下生物多样性的丧失机制及其调控对策

研究城市化、河道整治、围垦以及其他大型建设工程对河口湾的生物多样性与生态环境的影响，建立强人类干扰下生物多样性保护的协调方案；研究外来种与土著种间的相互关系、种群扩张和生态后果，提出有效控制外来物种的方法；研究受污水体中生物类群的变化，筛选出具有耐污染能力的物种并加以利用。

●城市化过程中生物多样性的丧失、预警和保护；

●河口湾大型工程对迁徙和洄游生物的影响及其保育对策；

●外来种种群扩张对土著生物多样性的影响及其生态后果；

●受污染水体中生物多样性的演变和耐污染资源的保护与利用。

课题4：生物多样性的维持机制及保护措施

应用和发展种群生态学理论和分析模型，研究功能群内物种相互补偿、相互替代、稳定共存以及关键种的作用，阐明生物多样性的维持机理；分析环境随机性和生境破碎化对种群波动的影响，探讨物种多样性在干扰作用下的维持机制及保护措施。

●典型生态系统的生态过程对生物多样性维持过程的作用；

●功能群内物种的稳定共存、相互补偿与相互替代机制；

●环境随机性和生境破碎化对关键物种种群波动的影响；

●干扰作用下的生物多样性维持机制及保护措施。

课题5：长江流域生物多样性的经济价值评价与信息服务

根据系统生态学和生态经济学原理，建立与完善生物多样性的经济价值评价模型和方法；对长江流域各区生物多样性的经济效益进行估算和排序；设计并实现长江流域的生物多样性信息服务网络。

●建立与完善生物多样性经济价值评价模型与方法；

●各区生物多样性的经济效益估算与排序；

●长江流域生物多样性信息服务网络。

课题6：长江流域生物多样性区划及流域系统管理

依据长江流域的生物多样性、生态环境的自然特点、生态服务和生态经济效益等进行生物多样性区划；提出长江流域的系统管理策略；探索上、中、下游之间生态经济的互补机制。

●长江流域生物多样性区划；

●长江流域生物多样性和生态环境系统管理的理论与实践；

●不同区域间的生态经济互补机制。

七、现有工作基础和条件（略）

八、研究队伍（略）

九、经费预算（略）

作者后记

这是一份由我组织撰写的2000年度“资源与环境领域”的“973”项目建议书。2000年初，我与高校的几位专家赴京准备建议书，但由于主客观原因我回上海准备另一文本。令我最难忘的是在我遇到巨大困难时刻，安树青博士义无反顾地随我回上海支持我，等在复旦大学的钟扬也给了我智慧与力量。这一份建议书成稿比较匆忙，但还是集中了国内各大学、研究所一批学者的智慧，至今仍有一定的参考价值，特此收录。