山西沁河上游河岸植被緩沖帶評價與恢復重建研究

王勁修，齊 實，Yaoqi Zhang，王 惠，李林英，王 棣，余曉燕，劉 勁

（1.北京林業大學水土保持學院，北京 100083；2.奧本大學林業和野生動物科學學院，美國 亞拉巴馬州；3.山西省林業科學研究院，山西 太原 030012）

河岸帶生態系統具有明顯的邊緣效應，是地球生物圈中最復雜的生態系統之一。河岸帶植被對水陸生態系統間的物流、能流、信息流和生物流能發揮廊道、過濾器、和屏障作用功能[1]。河岸帶生態系統對增加動植物物種種源、提高生物多樣性和生態系統生產力、進行水土污染治理和保護、穩定河岸、調節微氣候和美化環境、開展旅游活動均有重要的現實意義和潛在利用價值[2]。

隨著社會生產力的迅速發展，人類對自然的影響越來越大，河岸帶及其植被也不能幸免，給河岸帶的生態狀況和人類的生產、生活造成許多危害，如河流防洪能力減弱、水質下降、河岸帶生境惡化等。因此，河岸帶生態系統恢復與重建的方式方法也成為近年來的研究熱點。

相對于河岸帶而言，河岸植被緩沖帶是管理方面的一個概念[3]。大量的研究與實踐表明，利用植物體系構建的河岸植被緩沖帶，是截留陸域面源污染物、改善自然河道水質的有效手段。近年來，國外在河岸植被緩沖帶結構與功能、規劃設計、樹種選擇及其管理等方面開展了許多研究。同歐美國家相比，目前我國在這方面的研究較少，沒有充分認識到該項技術在保護水質、減少養分流失等方面的重要性。本研究選在沁河支流進行河岸植被緩沖帶植被現狀評價和恢復重建模式研究，建立適合我國不同類型區的植物緩沖帶設計和建設技術，保護生物多樣性和水質，提高我國在這方面的技術水平，實現人與自然協調發展。

作為河岸帶生態恢復的重要組成部分，河岸植被緩沖帶綜合評價體系的建立，能夠為河岸帶生態恢復配置模式的構建和管理措施的提出提供科學參考依據。隨著河岸帶的近乎自然恢復治理逐步成為河流生態系統領域研究的重點，用各種角度和方法體系對河流及河岸帶生態系統進行評價的研究也越來越多。尤其是西方國家在這方面的研究起步較早，針對各國的實際情況形成了一系列經過實踐檢驗的各具特色的指標體系和評價方法。比如美國環境保護署（EPA）流域評價與保護部分于1989年提出的快速生物監測協議（RBP）、澳大利亞的維多利亞州制定的通過現狀與原始狀況比較進行評估的河流狀況指數法（ISC）、澳大利亞Brierley于1994年提出的旨在提供不同河段河流特征的基礎調查以及河流形態結構控制的河流形態結構框架（GRS）和瑞典岸邊與河道環境細則（RCE）等等[4]。目前國內對于河岸帶評價的研究也較多[5-10]，但對植被帶本身的研究還較少。作為河岸帶重建的基礎部分，本研究參考國內外有關評價方法，構建適合沁河上游河岸帶實際的評價指標體系。

關于河岸緩沖帶恢復重建的合理設計國內外都有研究，美國農業部林務局（USDA—FS）早在1991年就制定了“河岸植被緩沖帶區劃標準”。其中比較關鍵的兩個因素，一是緩沖帶寬度的確定，二是緩沖帶植物種類的合理選取與群落構建[11]。

一般而言，緩沖帶的寬度越寬其凈化水質的效果越好。例如Dillaha等研究發現4.6 m的草本緩沖帶能夠滯留70%～80%的污染物，而寬度達到9.1 m時，滯留效益為84%～91%[12]。但緩沖帶也并不一定越寬越好。有研究發現，緩沖帶最初的3～6 m的滯留效益最為顯著[13]。而由于各種因素的限制，緩沖帶的寬度只能控制在一定范圍內。因此，為保證緩沖帶能夠發揮作用，緩沖帶的寬度有一個最小值，即“能接受的最小寬度”，是指滿足需求的緩沖帶寬度中最少花費的那種。緩沖帶的寬度由很多因素共同決定，在緩沖帶建設中，應根據實際特點，制定不同的、最經濟的解決辦法。

植被搭配類型不同的緩沖帶在污染物滯留效率方面的差異十分顯著，因此在植被品種的選擇對于緩沖帶的構建極為關鍵。一般考慮選取水土保持效果好、氮磷吸收能力強的常見植物。在污染物去除效果相近的情況下，優先考慮本地物種或已本地化的外來物種，這樣有利于提高緩沖帶植被與野生動物之間的和諧性，提高緩沖帶的生態功能。另外，對本地生態系統影響不明確的外來物種要謹慎種植，盡量排除對本地生態系統有危害的外來入侵物種。

1 研究地區概況

研究選擇在山西省沁河的一級支流赤石橋河和紫紅河。赤石橋河發源于平遙縣東南部五子溝，流域面積為415.63 km2，河長為39 km，河道縱坡14‰，河床糙率為0.024，河床多為礫石和砂，較為穩定。流域內地貌以土石山區、林區為主，也有少量為土山區和丘陵階地。流域內氣候屬暖溫帶大陸性氣候，多年平均降雨量為657.7 mm，年平均氣溫8.6℃，多年平均徑流量4 500萬m3。紫紅河發源于沁源縣東北部景鳳鄉的楊家嶺，流域面積為394 km2，河長為50 km，河道縱坡14‰，河床糙率為0.026，河型為順直型，河床多為礫石和砂，較為穩定。流域內地貌以土石山區，海拔在1 100～1 642 m之間。流域內氣候屬暖溫帶大陸性氣候，多年平均降雨量為680.7 mm，年平均氣溫8.6℃，多年平均徑流量4 300萬m3。

2 研究方法

2.1 河岸帶特性調查

按照全面普查和重點調查、已有資料收集和實地勘測相結合的方法調查獲取評價指標的數據資料。資料包括河流周邊的地圖資料（行政區劃圖、植被分布圖、地形地貌圖、水利樞紐分布圖、氣象云圖等）以及統計數據資料（水文、氣象、自然地理、自然災害等）。此外，還需對河岸帶進行實地調查測量以獲得實地數據。調查內容包括：（1）河岸特性調查：岸坡巖土類型、岸坡結構、岸坡坡度、岸坡高度等；（2）河岸植被調查：河岸植物種類、植被密度、植被層次、植被種類豐富度、植被搭配形式、覆蓋率、岸邊植被間斷長度、當地鄉土物種覆蓋比例等；（3）人類活動調查：河岸周邊土地利用類型（林地、農田、居住地等）、河岸周邊水土流失情況等。

選定赤石橋河源頭和紫紅河源頭其中一段河岸作為對象，于2007年3月至4月進行河岸帶調查。以橫斷面為調查尺度，在所要調查的河段內以一定的間距隨機布置一定數量的橫斷面，寬度取30～50 m，調查方法主要為取樣方法和目測估計法。赤石橋河每2 km、紫紅河每3 km作為一個調查斷面，最終收集赤石橋河源頭的9個斷面（1～9號）、紫紅河源頭的4個斷面（1～4號）的調查數據。

2.2 河岸植被緩沖帶綜合評價原理

在有關河流和河岸帶評價的研究中，多指標評價法是其中主要的一種評估方法。多指標評價法的評估原理是，首先根據對河岸帶的調查結果，制定能夠反映評價目標的水文、生物、化學、物理形態等方面的評估指數，從眾多反映河岸帶特性的因子中根據一定的原則為每個指數選取適當的指標，為這些指標制定適當的評分標準，然后計算各項指標值的大小，根據評分標準為各項指標打分，將各指標得分進行加權處理后得到每一項指數的分值，再將各項指數得分求和，以累計總分數作為評估依據。本研究采用多指標評價法和層次分析法研究河岸緩沖帶的評估問題。

2.3 不同恢復措施下緩沖帶恢復重建試驗

在沁河上游受損河岸帶進行試驗，研究不同恢復措施下河岸帶植被結構和功能的恢復效果。依植被類型選擇三種典型地塊于2007年4月進行植被恢復措施，建設灌草搭配的緩沖帶，小區尺寸為5 m×10 m，地塊類型和試驗設計如下：

（1）純草地塊：植被類型主要以多年生草本白草、羊胡子草為主，覆蓋率>80%。設2個小區，1號小區補植灌木8株（河柳）、設置1.5 m圍欄，防止牲畜及人為進入；2號小區作為空白對照。

（2）亂石灘地塊：草本及灌木覆蓋率在5%左右，是在沁河流域分布最廣，植被最難恢復的地塊類型。首先挑出較大的石塊，設3個小區，措施分別為覆土15 cm+草皮（白草、羊胡子草）+1.5 m圍欄（1號）、覆土15 cm（2號）以及空白對照（3號），草皮移植時進行大量灑水并踩實，保證草皮與土層的接觸良好保證草皮成活。

（3）純灌地塊：主要植被為河柳（30%）及白草、羊胡子草、蒿類（10%）。設2個小區，1號小區補植灌木15株（河柳）、設置1.5 m圍欄，防止牲畜及人為進入；2號小區作為空白對照。

3 結果與分析

3.1 河岸植被緩沖帶綜合評價體系

3.1.1 指標體系層次的構建 河岸帶生態系統有復雜的結構層次體系。指標體系構建所選取的指標應力求能夠從不同側面反映評價目標的自然性程度。

指標的選擇應遵循如下原則：（1）主成分與獨立性。河岸帶生態系統作為典型的生態過渡區，內部各生態因子的組成結構與層次十分復雜。在選取指標過程中就要考慮到各因子的重要性和對系統行為貢獻率的大小，同時兼顧評價體系的實際操作和最終結果的區分度，篩選出數目足夠少的、但卻能表征該系統本質行為的最主要成分變量。（2）定性與定量結合。盡量將復雜的生態現象簡單化并定量化，不能定量化的指標采用征求專家意見定性地確定指標，將兩者有機結合起來有利于更好地確定其評價的客觀性及準確性。（3）可操作性。結合生態恢復的目標，從眾多的生態因子中提取易于比較的，既能客觀反映生態系統狀況，又便于度量的綜合參數。

根據以上原則，從調查中獲得的涉及河岸帶生態系統的多種特征因子中選定14個指標，并歸納為河岸結構穩定性和植被結構完整性兩個指數，運用層次分析法構建河岸植被緩沖帶綜合評價指標體系層次結構（表1）。

表1 河岸植被緩沖帶評價指標體系

3.1.2 評價等級的劃分 多指標評價法需要為每個指標設定評估等級和分級標準。根據對評價指標的調查結果將植被結構完整性分為完整、基本完整、次不完整、不完整四個等級，將河岸結構穩定性分為穩定、基本穩定、次不穩定、不穩定四個等級（表2）。將每個指標轉化為滿分為10分的得分，評價的滿分為140分。定義140～112.5分表示河岸帶處于“理想狀態”，112.5～75分表示“良好狀態”，75～37.5分表示“一般狀態”，小于37.5分表示“較差狀態”。

表2 河岸植被緩沖帶評價指標標準

3.1.3 評價結果 結果顯示，赤石橋河河岸植被帶狀況等級為良好狀態；紫紅河河岸植被帶等級狀況為一般狀態，主要問題是：河流植被帶植物種類豐富度較低、植被搭配形式比較單調、植被覆蓋度不高。評價結果見表3。

表3 河岸植被帶調查結果

3.2 不同恢復措施下緩沖帶植被恢復效果

于2007年8月對試驗地塊植被進行調查，植被帶恢復情況見表4。結果表明：

（1）純草地塊：河柳補植后半個月成活，1號小區內植被高度和密度均高于2號小區。

（2）亂石灘地塊：1號小區內植被生長狀況最佳，表明移植草皮和設置圍欄均是較有效的促進植被恢復的措施；而1號和2號小區內植被高度和密度均優于空白對照組，表明單純覆土也能一定程度提高植被成活率。

表4 不同恢復措施下河岸植被帶恢復情況

（3）純灌地塊：河柳補植后半個月成活，1號小區內植被高度和密度明顯高于2號小區。

4 討論與結論

（1）本文參考國內外有關河岸帶評價指標體系的研究，在對河岸帶現狀進行調查的基礎上，提出了從植被結構完整性和河岸結構穩定性兩方面的14個指標組成的河岸帶植被結構和功能評價體系，對山西省沁河的一級支流赤石橋河和紫紅河的河岸帶植被進行評價。河岸帶植被結構和功能評價體系的建立對河岸植被緩沖帶的恢復重建設計具有指導意義。限于資料、認識及研究積累不足等方面因素，以及河岸帶自身的復雜性與特殊性，本文中提出的評價體系還有待于進一步補充完善。

（2）構建植被緩沖帶已成為修復受損河岸帶、控制非點源污染的有效手段。典型地塊上進行的恢復試驗表明，設置圍欄、補植草種和當地灌木、覆土等都是有效的恢復河岸帶植被結構和功能的恢復管理措施。河岸植被緩沖帶規劃與重建研究是一個復雜的課題，涉及的因素很多，本文僅作了初步的探討，還有待進一步深入研究。

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