江蘇長江岸線生態修復評價指標體系研究

廖迎娣, 張 歡, 侯利軍, 陳 達,*

1 河海大學港口海岸與近海工程學院, 南京 210098

2 長江保護與綠色發展研究院, 南京 210098

長江岸線是長江沿線一定范圍的水域和陸域空間結合帶,是國內經濟布局、水運發展、生態保護等領域關注的重點區域[1],目前世界最大規模的內河產業帶已在長江沿岸地區建成[2- 4]。長江江蘇段擁有優越的水運和區位條件,岸線利用強度高,生態環境風險也較大。

岸線長時間的動態演變及不合理開發利用,使得部分長江岸線產生了生態污染、用地環境污染、林木及濕地資源破壞、硬質駁岸影響水生態環境等問題[5]。2020年,習近平總書記在江蘇考察時強調“要把保護生態環境擺在更加突出的位置” “要使長江經濟帶成為我國生態優先綠色發展的主戰場”。長江岸線保護和生態修復是保障長江流域生態系統安全與完整的必由之路,是長江大保護的核心問題之一。

近年來,江蘇省以改善長江生態質量為核心,大力推進長江岸線保護和生態修復,采取江堤改造、種植土覆土、綠化種植等措施構建生態濕地和綠色廊道,取得了顯著成效。但是,在長江岸線生態修復過程中也存在一些修復工程未達到預期效果或過度園林化導致投資浪費等問題。究其原因,主要是缺少科學評價標準,具體如何修復、修到何種程度,大多靠各自摸索,修復后的效果也沒有標尺來衡量。查閱相關文獻,目前關于長江岸線生態修復的研究,主要圍繞生態環境修復的技術手段、生態功能布局等[6-9],鮮有針對生態修復評價標準的研究。標準的缺失導致不能以客觀自然狀況為依據進行定量評估及考核,對于已完成的岸線修復工程的實際效果無法進行清晰界定,大量后續岸線生態修復工作也缺少有力的支撐。

基于此,本文借鑒前人相關研究成果及濕地、水生態等領域有關生態評價的規范,在充分研究江蘇長江岸線生態修復中存在的植物存活率低、原生動物恢復緩慢、水土流失、過度園林化等問題的基礎上,提出以植物覆蓋度、水土保持度、原生植物恢復度、植物物種多樣性、護岸型式多樣性和岸線曲折度6項指標,建立江蘇長江岸線生態修復評價指標體系,以推動江蘇長江岸線生態修復向系統化、高質量邁進。

1 生態修復主要評價指標

1.1 植物覆蓋度

植物覆蓋度是指植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統計區域總面積的百分比[10],是反映一個區域綠化程度的指標。《濕地公園生態管理技術規范》(DB33/T 2032—2018)和《水生態健康評價技術規范》(DB11/T 1722—2020)等規范分別采用植被覆蓋率、河岸帶植被覆蓋率等類似指標,物理意義明確且較為直觀。

1982—1999年間,植物覆蓋的變化特征研究主要依賴于歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)。自1999年中高分辨率成像光譜儀(MODIS)升空后,因具有較高分辨率,其長時間序列的增強指數數據(Enhanced Vegetation Index, EVI)在近些年被用來開展植被覆蓋監測,以期為生態環境恢復提供科學依據[11]。

NDVI在植物覆蓋度高的地區紅光通道容易飽和,而MODIS EVI避免了基于比值的植被指數飽和問題,同時對基礎數據進行了包括大氣分子、氣溶膠、薄云、水汽和臭氧等的全面校正。采用大氣抵抗植被指數(Atmospheric Resistant Vegetation Index, ARVI)對殘留氣溶膠做進一步處理,采用土壤調節植被指數(Soil Adjusted Vegetation Index, SAVI)減弱樹冠背景土壤變化對植被的影響[12]。

EVI的公式[13]如下：

(1)

式中,ρNIR、ρred、ρblue分別為近紅外光、紅光、藍光的反射率；G為增益調整因子；C1和C2為大氣調節參數；L為植被冠層背景調整因子。

因此,可以用EVI來量化植物覆蓋度。從Level- 1 and Atmosphere Archive and Distribution System Distributed Active Archive Center(LAADS DAAC)網站下載MODIS C6版本,空間分辨率為1km的數據,對獲取的不同時段EVI影像進行分級,利用影像差值法獲得它們之間的差值影像,并根據差值影像中像元與0的關系判斷EVI的變化趨勢[13]。像元值大于0時,EVI上升,說明植物覆蓋度上升,生態修復效果向著預期方向行進；反之,說明生態修復效果向著預期的反方向行進。

若修復區域的城市建設用地、村莊居民用地、水體等全年EVI變化較小,要利用EVI時序曲線的波動幅度(年內變化標準差)剔除這些“干擾”像元[14]。通過與中高空間分辨率影像和土地利用數據的對比,設定標準差閾值,提取常綠植被、建設用地和水體等非水稻種植區,并將它們掩模[14]。EVI時序標準差δ[14]為：

(2)

式中,N為影像期數；i為影像期號；EVIi為第i幅影像EVI值,EVIm為時序影像EVI的平均值。

1.2 水土保持度

《中國水利百科全書》將水土保持定義為“防治水土流失、保護、改良與合理利用水土資源,維護和提高土地生產力,以利于充分發揮水土資源的生態效益、經濟效益和社會效益,建立良好生態環境的事業?！痹陂L江沿岸區域,水土流失會造成岸坡失穩及河床淤積,若不及時處理,將影響岸線區域生態環境且影響生物多樣性,使得岸線變得脆弱[15]。因此,水土保持既是避免土壤流失,保持岸坡穩定,減少河床淤積,維持生態系統穩定的需要,又是改良土壤,滿足植物和動物生存需要的重要條件,應作為長江岸線生態評價的重要指標。

水土流失影響指數(Soil Water Impact Index, SWII)常被用于水土保持方案的評價[16-17],可定量評價長江岸線生態修復工程的水土保持度。將水土保持損益分析中的關鍵性影響指標進行加權求和,得到反映水土流失影響程度的無量綱值,計算公式[16-17]如下：

(3)

式中,αi為第i個因子的權重,因子可包括工程面積、影響時限、流失水土量和恢復度等,i的取值范圍為1到n；xi為第i個因子數據歸一后的值,通過獲取xi的原始值xi0后對其進行標準化處理[16],按式(4)計算。

(4)

SWII值越小,工程影響時間越短、水土流失量越小,水土保持度越好；SWII值越大,對土壤侵蝕的影響越大,水土流失量越大[16-17]。

1.3 原生植物恢復度

原生植物是指自然存在且長期生長于該區域的各種植物。作為歷經流域氣候變遷、生物物種侵害等自然災害后仍能蓬勃生長于當地的植物種類[18],原生植物適應能力強,能最大程度減少人工維護,并保持良好的生長狀態。同時,有利于原生動物的覓食、棲息和繁殖,對維持當地原有生態系統穩定具有重要意義。因此,在岸線生態修復工程中,應提倡恢復原生植物的占比,從而實現由人工修復向自然修復過渡。

在進行長江岸線生態修復時,應通過實地調查、走訪、查閱歷史資料等,首先形成該區域的原生植物名錄,然后根據物種特性、生長狀態、物候期等特點,從植物在岸線范圍生境中水土保持、固碳、污染物吸附、景觀營造、繁殖培育及養護管理等[18]方面進行篩選,確定用于修復的原生植物類型。采用原生植物恢復指數(Native Plant Remediation Index, NPRI)表征原生植物恢復度：

(5)

式中,n為篩選的原生植物類型總數；βi為第i類原生植物權重；S0為修復區域總面積；Si為修復后第i類原生植物覆蓋面積。

NPRI越大,修復區域內原生植物的覆蓋范圍越大,生態修復效果越好。

1.4 植物物種多樣性

植物物種多樣性是保證動物多樣性的基礎,是維持良好生態系統的重要條件。長江流域植物物種豐富,在選擇原生植物進行修復時,應采用盡可能多的種類,避免過于單一?！稘竦厣鷳B質量評估規范》(DB11/T 1503—2017)等規范采用植被類型多樣性、濕地植物相對豐度等類似指標。因此,本文選用植物物種多樣性指標反映修復區域內植物物種的豐富度、均勻度[19-20]。

采用植物物種多樣性指數(Plant Species Diversity Index, PSDI)用于定量化表征植物物種多樣性。通過Patrick豐富度指數(R)、Shannon-Wiener多樣性指數(H)和Pielou均勻度指數(E)進行分析,其公式[20-21]分別為：

R=M

(6)

(7)

(8)

PSDI=k1R+k2E

(9)

式中,M為調查區域內植物物種總數；Pi為第i個物種的重要值,是該物種相對頻度、相對蓋度、相對密度的平均值[22]；k1和k2分別為Patrick豐富度指數和Pielou均勻度指數的權重。

PSDI越大,區域內植物物種越豐富、分布越均勻,越有利于恢復生態系統原本的面貌,最終達到自然修復的目的。在進行長江岸線生態修復時,應首先考慮原生植物恢復度,盡可能選擇更多種類的原生植物,兼顧植物物種多樣性的需要。

2 生態修復附加評價指標

2.1 護岸型式多樣性

護岸的主要作用是保持岸坡穩定,維持河道形態。但是傳統的硬質護岸阻礙了坡面上下、陸域水域間的物質、能量和生物的交換與聯系,對生態系統造成嚴重影響。在長江岸線生態修復工程中,應盡可能多采用生態護岸,在確保護岸結構穩定和安全的前提下兼顧生態效應[23]。

生態護岸型式多樣,不同護岸型式的特點不同,對改善生態的作用也不一樣。如,木樁植被復合護岸,能有效改善河流生態系統與近岸陸地系統的連通性,為水生生物提供棲息、繁殖場所[24]。石籠凈水復合護岸通過在石籠上部固定纖維墊作為植物生長床來種植水生植物,河水在其內部的礫石與植物根系間流動,使水中污染物得到去除[25],對改善水生動植物的生存環境有很大幫助。自嵌式植生護岸可結合塊體內種植的植物,有良好的景觀效益和生態效果[26]。連鎖式生態護岸開孔率高,滲透性、排水性好,有利于水生植物生根以及水生動物棲息、繁殖等[27]。

因此,本文提出護岸型式多樣性作為附加指標的目的是鼓勵采用更多類型的護岸型式,采用護岸型式指數(Revetment Type Index, RTI)定量表征護岸型式的多樣性。

RTI=t

(10)

式中,t為修復岸線范圍內的護岸種類。

RTI越大,護岸型式越豐富,能滿足的生態需求就越多元,更有利于達到生態修復的目標。

2.2 岸線曲折度

自然因素及人類活動的干擾使岸線處于不斷變化過程中,曲折是岸線的一個基本屬性,水流沖刷、岸坡侵蝕等自然因素及岸線資源開發利用、人類活動等社會因素均會引起岸線曲折度的變化[28]。

岸線形態直接影響近岸水體的水動力條件。當岸壁曲折時,水體會出現局部擾動,在凹凸岸區域甚至產生橫向水流,帶動小顆粒泥沙向不同水深梯度擴散,進而影響底泥中氮、磷和有機碳等的釋放和擴散[29]。與平直岸線相比,凹凸形岸線近岸段不同水深梯度帶的表層底泥中各指標含量差異更顯著,可有效促進氮、磷和有機碳等營養物質再分配[29]。此外,凹形岸線相對平直岸線,水體流動及行船等引起的波動相對較小,有利于底棲動物的寄居。

因此,本文提出岸線曲折度(Shoreline Tortuosity Index, STI)作為附加指標的目的是引導岸線修復設計時盡可能考慮岸線形態的影響,為水生動植物生存提供更多有利環境。岸線曲折度可以采用兩點之間折線距離與直線距離的比值[28]或岸線長度與等面積圓周長的比值[30]計算。但這兩種方法不能體現整段岸線的曲折程度。張云等[28]提出使用SuperMap工具,設置一定的重采樣距離,得到一條岸線的簡化線,即岸線輪廓基線。利用岸線長度與岸線輪廓基線的比值計算岸線曲折度,即：

(11)

式中,L為岸段間的岸線長度；LS為岸段間的岸線輪廓基線長度；n為研究區域內岸段的數量。

STI越大,岸線形態越豐富,越有利于水生動植物的生長,生態修復效果越好。

3 生態修復評價體系

在綜合考慮植物覆蓋度、水土保持度、原生植物恢復度、植物物種多樣性、護岸型式多樣性、岸線曲折度等6項指標的基礎上,本文提出生態修復效果指數(Ecological Remediation Effect Index, EREI)用以定量評價江蘇長江岸線生態修復的效果,計算公式如下：

EREI=X1YEVI+X2YSWII+X3YNPRI+X4YPSDI+X5YRTI+X6YSTI

(12)

式中,YEVI、YSWII、YNPRI、YPSDI、YRTI、YSTI分別是6項指標對應的賦分；X1—X6分別是6項指標的權重,如表1所示。在工程應用中,應首先根據修復項目的特點和要求確定各項指標的權重值并進行計算。其中,4項主要指標的權重總和為100%,2項附加指標的總權重原則上不超過10%。

表1 江蘇長江岸線生態修復評價指標體系

在對各項指標進行賦分時,首先應根據岸線所處功能區的實際情況,確定每一項指標的最佳值范圍,將其作為等級I的賦分區間。然后,設定每個等級之間的區間級差,依次確定等級II、等級III、等級Ⅳ的賦分區間(表2)。

表2 各項指標賦分等級

4 結論與展望

(1)植物覆蓋度、水土保持度、原生植物恢復度、植物物種多樣性、護岸型式多樣性和岸線曲折度6項指標全面系統考慮了長江岸線生態修復對植物生長狀態、動物生存條件和岸坡穩定等方面要求。

(2)江蘇長江岸線生態修復評價指標體系通過主要指標和附加指標相結合的方式,既實現了對生態修復效果的定量化評價,又體現了對生態修復工程設計理念的引導,為長江岸線生態修復的有序推進奠定了基礎。

(3)在對長江岸線生態修復進行評價的過程中,操作層面仍有大量的后續研究工作需要深入開展,如每個指標的權重,各指標在四個等級的取值范圍,植物物種調查方法,開展評價的時間節點等,最終形成可用于長江岸線生態修復評價的操作指南或規范。