青藏高原重大建設工程生態修復綜合效益評估指標體系

胡一帆,王 浩,焦 磊,張立偉,南維鴿,董治寶

陜西師范大學地理科學與旅游學院, 西安 710119

青藏高原由于其在地形地貌、氣候、水文和植被等方面的復雜性和特殊性,既是生態保護區也是生態脆弱區,更是我國重要的生態屏障區[1—4]。自新中國成立以來,為推進當地的經濟建設和社會發展,國家先后開展了以道路工程、水電工程以及礦產開發工程為主的多項重大建設工程項目,例如青藏鐵路、川藏鐵路等的建設,龍羊峽、李家峽水電站等的建設和玉龍銅礦、甲瑪銅多金屬礦等的開發[5—7]。隨著工程項目的建設和投入使用,在提高當地資源利用效率、推動經濟發展的同時,也產生了一系列的生態環境問題。其中,以工程建設時大量的挖方填土、土地占用、廢棄物堆放、引水開渠和大壩建設等活動所造成的地表植被和表土破壞、地形地貌改變、地表塌陷/崩塌、水土流失/侵蝕加劇、生態系統退化、生物多樣性銳減、生境完整性被破壞、形成生態阻隔和環境污染等一系列問題最具代表性[8—15]。為解決或改善工程建設所帶來的生態環境壓力,近十幾年來,國家根據生態環境受損和被破壞的現狀,結合當地社會發展情況,采取了一系列諸如地貌重塑、植被重建和邊坡護理等有針對性的修復措施[16—18]。同時,以國土空間修復規劃為著手點,國家發改委對未來青藏高原地區經濟、社會、生態發展提出需求,以全面提升青藏高原自然生態系統穩定性和服務功能、著力解決重點生態問題為目標,站在保障中華民族永續發展的戰略高度,加強青藏高原生態保護和修復工作[19]。因此,以第二次青藏科考的逐步開展為契機[20],有必要對該區生態修復所產生的綜合生態效益進行全面評估,這不僅能直觀體現實施生態修復工程的效果,同時也可以為未來生態修復工程的制定、建設工程的布局及其他生態系統的管理提供科學參考和理論指導,促進區域生態質量和服務功能的穩步提升,助力青藏高原生態安全屏障的全面構筑。

生態系統具有復雜性和多樣性,易受到環境變化和人類活動的影響[21]。生態修復效益的影響絕不僅僅局限于某一個流域或者區域,也不會限定于某一個特定生態系統,所以有必要從青藏高原全局的角度來評估能源利用、環境安全及工程布局優化對區域生態修復工程效果的影響,從而為區域規劃和管理提供參考。現有的針對重大建設工程生態修復評估的研究還比較薄弱,研究多集中于選定某個特定的典型區域,如瀾滄江流域、青藏鐵路沿線、長江源區等,或者多限定于對特定生態修復措施的效應評估方面,如對生態修復建植技術的對比分析、對恢復治理模式的評估等[8,22—24]。這些研究的評估結果,有利于在實踐中總結各類建設工程面臨的生態問題,有助于進一步優化針對單一工程類型的生態修復措施。然而,目前針對青藏高原重大建設工程,從多工程類型修復效益融合和宏觀空間布局尺度上對生態修復成效進行評估的研究還相對較少。

建立基于區域尺度的評估指標體系,是實現青藏高原重大建設工程生態修復綜合效益評估的基礎。現有研究中評估指標的應用,多為對單一指標時空變化的分析或利用多指標對單一工程的評價,主要用于評估一些典型地區礦產、水電資源開發和道路建設等過程對當地生態環境的影響[25—27],呈現出評估工程目標單一、評估指標對象單一、對區域布局優化或整體效益評估研究較為缺乏等問題。同時,出于自身研究需求的不同考量,研究中所涉及的評估指標往往僅側重于某一領域,且因側重點不同,各建設工程間相同修復措施的實施效果缺乏統一的評價標準。這些因素限制了對青藏高原區域內重大建設工程生態修復效益的總體認知和長期監測,不利于未來青藏高原區域內各建設工程的合理空間布局與生態風險管理。因此,針對青藏高原重大建設工程的生態修復綜合效益,亟需構建科學、合理和系統的評估指標體系。

綜上所述,本文基于對青藏高原區域內較為典型的重大建設工程的實地調查,結合區域及工程特點,通過文獻調查分析、業界專家咨詢等方法手段,以生態修復后的生態系統結構、質量和服務為核心構架,篩選出能夠綜合、客觀反應該地區生態修復效益的具體指標,梳理構建青藏高原區域重大建設工程生態修復綜合效益評估指標體系。

1 研究區概況

青藏高原位于我國西南部(26°00′—39°47′N,73°19′—104°47′E),包含西藏和青海全部、新疆、甘肅、四川、云南的部分,總計6省216個縣,總面積約為250萬km2,平均海拔4000m以上,有“世界屋脊”之稱。青藏高原高山密集,落差極大,是我國眾多大江大河的發源地,被譽為“亞洲水塔”[28—29]。高原地區輻射強,日照多,氣溫日較差大,受西南季風影響,干濕分明,夏季多雨,冬季干冷,從西北到東南依次出現高寒荒漠、高寒草原、高寒草甸和森林等植被類型[30]。

青藏高原作為亞洲水塔和我國重要的戰略資源儲備基地[5],基于其特殊的地質條件,其水能資源和銅、金、鉛、鋅等重要礦產資源儲量十分豐富[31]。礦產開發工程主要分布在青藏高原的東北部和西南部(圖1),集中分布在青海省和西藏自治區,開采礦種多集中在金礦、鐵礦、銅礦、鉛礦、煤礦和鹽礦等,較為典型的有千萬噸級的玉龍銅礦、都蘭縣躍進山鐵礦等[32]； 水電工程主要分布在青藏高原的東北部和東南部,集中位于雅魯藏布江、怒江、瀾滄江、黃河上游等主要的大江大河上,較為典型的有龍羊峽水電站、李家峽水電站等。為提高青藏高原地區與外界的溝通,促進自身發展,道路建設也是青藏地區工程建設的重中之重,自新中國成立以來,青藏高原地區陸續建設開通了青藏線、川藏線、滇藏線等多條重要的鐵路公路,初步實現了青藏高原連接南北、貫通東西的目標。多項重大的建設工程,充分發揮和利用了青藏高原的自然優勢,促進青藏高原地區的經濟、社會發展及文化交流,但同時也對地區生態環境變化產生了深遠的影響。因此,本文選擇青藏高原的礦產、水電開發和道路建設工程作為重大建設工程的典型代表,建立評估工程建設過程中生態修復綜合效益的指標體系。

圖1 研究區概況圖(基于2015年土地利用數據)Fig.1 Overview map of the study area(Based on 2015 land use data)

2 指標體系的構建原則與方法

2.1 生態修復概念的界定

目前有關生態修復的相關研究較為豐富,針對不同的研究區域、目標和主題,對生態修復的概念有著不同的界定,在生態修復概念中強調的方面也不盡相同。本研究基于文獻調研,對涉及生態修復概念的主要文獻進行了梳理,具體結果見表1。有關生態修復的定義存在以下兩方面的共同點,涵蓋生態修復的方式和目標兩部分。生態修復方式主要分為自然措施和人工措施兩種：自然措施主要依靠生態系統的自組織和自調節能力；人工措施包含以生物修復為基礎,結合物理修復、化學修復以及工程技術措施,進行適當的人為引導等方法。生態修復目標主要涵蓋實現生態系統受干擾前的穩定狀態、遏制生態系統進一步的退化或者促使生態系統向有利于人類可持續利用的方向發展等方面[33—45]。

總的來說,生態修復的核心思想是通過采取人工和自然相結合的措施來幫助退化、受損或被毀壞的生態系統恢復正常功能的過程。圍繞本研究中青藏高原重大建設工程的生態修復特點,結合以上生態修復的相關理論,本研究對青藏高原重大建設工程中生態修復的概念進行了針對性的解釋,即本研究中涉及的生態修復是指遵循生態學規律,結合生態系統自身的組織調節能力,通過生態工程和措施的實施,逐步阻止生態系統退化,并促使生態系統恢復到接近于它受干擾前的自然狀態,達成生態系統良性發展和生態資源可持續利用的目標。具體來說,針對建設工程的生態修復,其目的是克服工程建設對生態系統的負面影響,優化生態系統結構,提高生態系統質量,并最終調節生態系統各項服務,從環境、社會和經濟效益三方面實現生態修復效果的最大化。

表1 生態修復概念總結

2.2 指標體系構建的基本原則及技術路線

青藏高原重大建設工程生態修復評估指標體系構建時的基本原則應包括以下幾個方面(圖2)：(1)科學性和客觀性原則：基于生態學基本原理,充分結合青藏高原的區域特點和重大建設工程的特殊性,尊重客觀事實,選取適合且具有代表性的指標,避免指標涵蓋內容的重復,提高評價的準確性和高效性。(2)整體性和層次性結合原則：根據生態系統中整體大于部分之和的原理[46],結合指標類別中生態系統結構、質量和服務的遞進層次關系來選取評價指標,逐級細化的完成指標體系的構建。(3)全面性與典型性兼顧原則：針對青藏高原重大建設工程的類別和特殊性,在指標選取時,要全面考慮到各項工程所產生的生態環境影響,結合所實施的生態修復工程的共性特點及特殊性,有針對性地選取評價指標。(4)易獲取性和可操作性原則：結合青藏高原地區重大建設工程的特殊性,對于選取的評價指標所涉及到的數據,在保證數據真實性和準確性的前提下,應當滿足易獲取且易計算的條件[47]。

圖2 指標體系構建的基本原則Fig.2 The basic principles of constructing the evaluation index system

基于以上基本原則,本研究對構建指標體系的技術路線總結如下(圖3)。以青藏高原為研究區,結合區域氣候、水文、地形和植被等生態環境特點,聚焦青藏高原地區為實現經濟發展而開展的典型建設工程項目以及為兼顧生態保護所實施的眾多修復措施。通過對已有文獻資料數據以及評估方法模型的系統收集和整理,遵循指標體系構建的基本原則,從中總結出具有代表性、可操作性的指標和方法,建立涵蓋生態系統結構、質量和服務三個層次的生態修復綜合效益評估指標體系,同時結合工程具體的修復措施與實地調研經驗,進一步確定和優化該評估指標體系,以期為針對青藏高原重大建設工程的生態影響和生態修復效益的評估提供參考。

圖3 指標體系構建的技術路線圖Fig.3 Technical roadmap for the construction of the indicator system

2.3 構建指標體系的方法

本文主要采取文獻調查法和專家咨詢法來篩選確定青藏高原重大建設工程生態修復綜合效益的評估指標體系[47]。通過廣泛收集關于道路工程、水電工程和礦產開發工程在內的,以及研究區涉及青藏高原地區,涵蓋生態修復評價、生態恢復評價、生態風險評估、生態安全評估等的國內外文獻資料[16—18,48—50],對重大建設工程的生態修復措施進行了梳理總結(表2)。各工程的修復措施,基本圍繞植被恢復、水土保持和生物多樣性保護等核心展開,包含地貌重塑、植被重建和邊坡護理等方面,不同建設工程所開展的修復措施有所不同,具體的措施會根據不同工程所造成的破壞程度大小,因地制宜的實施可操作性較強的生態修復措施。大多數的研究結果表明,往往多種修復措施的結合施用,可以達到較好的修復效果[42]。因此,結合不同類型的文獻資料,兼顧不同工程、研究范圍以及評價目標的特點,總結其中所使用的具體評價指標,采用頻次分析法篩選出使用頻率較高的指標,最后結合青藏高原的區域特點并征求專家意見,最終確定生態修復評估指標體系。

3 重大建設工程生態修復綜合效益評估指標體系

3.1 概念框架

圍繞上文所給出的生態修復的概念及評估指標流程的梳理,本研究在文獻調研的基礎上,構建了青藏高原重大建設工程生態修復綜合效益評估指標體系的概念框架(圖4)。該框架主要分為生態系統結構、質量和服務3個方面。其中在生態系統結構方面,圍繞生態系統組分結構豐度、時空結構變化以及宏觀結構格局,探尋工程建設及修復措施開展前后時期內,區域生態系統結構的變化趨勢。同時,利用具有代表性的生態參數,衡量與工程建設和生態修復緊密相關的植被、土壤所反應的生態系統質量。生態系統結構和質量的變化,將最終影響人類直接或間接從生態系統中獲得的各種惠益,即表現為供給、調節和支持等生態系統服務的時空變化[51—52]。評估重大建設工程的生態影響與生態修復工作的成效,是一個涵蓋環境、社會和經濟三方面效益的綜合性問題[39],與人類福祉、社會高質量發展及生態文明建設息息相關,最終影響國家未來的政策決策以及發展規劃,在不同規劃及發展政策的背景下,生態系統的驅動力也會發生相應的變化,從而影響生態系統的結構和質量,構成自然和社會的循環。本框架所描述的指標體系,旨在通過不同類別指標的時空差異,為判斷生態修復措施效果和調整生態修復戰略提供參考依據[30]。

表2 生態修復工程介紹

圖4 生態修復評估指標體系概念框架Fig.4 Conceptual framework of evaluation index system for ecological restoration

3.2 指標體系

圍繞概念框架,綜合考慮指標篩選的各項基本原則,結合研究區的區域特點及工程需求,基于文獻及資料的調研結果,構建青藏高原重大建設工程生態修復綜合效益評估指標體系(表3)。該指標體系包含生態系統結構、質量和服務三大指標類別,包括10個主題指標,21個具體指標,同時將這些具體指標對應到三大建設工程上,便于后續對工程項目評估時的指標選取。其中,在生態系統結構指標類別下,包含宏觀生態狀況、物種豐富度和景觀格局3個主題指標；在生態系統質量的指標類別下,涵蓋土壤狀況、植被狀況、生態系統質量變化指數3個部分；在生態系統服務的指標類別下,選取了碳固存、水源涵養、水土保持和生境提供這四項來反映其供給服務、支持服務和調節服務的大小。

表3 青藏高原重大建設工程生態修復效益綜合評價指標體系

本指標體系充分考慮了青藏高原重大建設工程的項目特征,如道路、水電以及礦產開發工程在施工建設過程中都會產生土地利用改變、景觀切割、植被破壞和土壤侵蝕等變化,故選取土地利用/覆被變化、景觀破碎度、土壤重金屬含量、植被覆蓋度和土壤侵蝕模數等指標,來表征各建設工程實施生態修復工程后的效益。指標的選取在兼顧各類工程之間共有特點的同時,也不能忽略不同工程的獨特性。例如,水電工程對生態環境的突出影響在于引起水環境、水生態的改變,進而造成生態系統所提供的產水服務與生境質量的改變；礦產開發工程對生態環境的突出改變在土地破壞和土壤污染；道路工程對生態環境的影響多集中于道路兩側的一定范圍。故在評估生態修復工程的效益時,不僅要關注工程所造成的普遍影響,更應關注不同工程的特殊影響,進而更全面的衡量其生態修復效益的變化和改善。

3.3 指標說明及獲取方法

在選取指標時,應重點關注指標數據的可獲取性及易操作性。指標獲取方式以遙感解譯和反演、實地觀測和樣方調查、文獻數據整理相結合為主(表4)[30,53]。其中,土地利用/覆被、植被覆蓋度和地形起伏度等指標的數據主要通過遙感解譯和反演的方式獲取；物種多樣性、土壤養分和重金屬含量等數據可通過實地樣方調查和文獻整理的方式來獲取,再結合簡單的計算得到指標結果。

指標之間并不是完全獨立的,有些指標可基于對其它指標的計算和分析得到,也可以成為指標計算結果精度驗證的數據來源。例如,景觀指數、植被覆蓋度和植被凈初級生產力等指標數據,主要是基于對遙感數據的解譯和反演得到,之后再通過特定的模型計算得到指標結果。同時,遙感解譯和反演的結果以及實際樣方調查的數據可互為檢測對象,進一步確保數據的準確性,更加具體、切實的反映青藏高原地區重大建設工程的生態修復效益。

4 討論

4.1 特點和優勢

青藏高原是我國重要的生態保護區和生態脆弱區,重點關注該地區較為典型的三大工程項目(道路工程、水電工程和礦產開發工程),對提升該地區重大建設工程生態修復效益的總體認知、長期監測以及未來生態修復工程措施的制定、合理的空間布局有著重要的科學參考意義。綜合來看,本研究所構建的指標體系有以下特點：首先基于研究區和研究對象的特殊性,結合實地調查和文獻資料的整理,提出了基于青藏高原重大建設工程的生態修復措施特點的生態修復的概念,并據此進一步確定指標體系框架,建立分為生態系統結構、質量和服務三個層次,包含10個主題指標和21個具體指標的生態修復綜合效益評估指標體系。

目前,針對青藏高原地區及其建設工程,進行區域尺度上生態修復成效評估的研究相對較少,現有研究涉及的尺度有限,局限于特定的建設工程或生態修復工程,很少有從整體上綜合反映該地域生態修復效益的評估[8,25—27]。因此,本文根據青藏高原重大建設工程之間的共性和個性特點,總結文獻中涉及到的相關評估指標,結合不同時期多源遙感數據、野外實地調查和監測數據的可獲取性及可操作性,有針對性地選取具體指標,進而確定青藏高原重大建設工程生態修復綜合效益的評估指標體系。基于該指標體系,結合具體研究區的數據進行計算分析,可以系統了解工程建設對生態系統的影響和變化,評估不同生態修復措施對生態系統結構、質量和服務的影響,進而明確生態修復對區域生態系統變化的貢獻,在定量化表征建設工程生態修復效益的同時,也從整體上反映青藏高原的環境變化。

4.2 局限和展望

生態修復措施和工程是針對當前社會經濟活動所產生的生態問題和不良的生態影響而實施開展的生態保護行為,但生態修復措施實施后所產生的影響和效應,卻不僅局限于改善和解決特定的生態問題,同時也會

對整個生態系統產生一定的影響[54]。故生態修復的過程及其所產生的效益和影響涉及生態系統中水源、土壤、植被、生物等多個方面,所以在進行評估時,只從單一的指標出發是不全面的[39],對指標進行權重設置后再進行評估是更加準確的。由于綜合考慮到青藏高原有關數據的代表性、可獲取性以及可操作性,本文并沒有進行相應指標權重的設置,在進一步研究時可根據具體的評估目標和對象,結合相關文獻資料,選用諸如層次分析法、專家打分發法等方法來進行指標權重的設置,開展更全面的評估。

生態修復措施和過程是復雜的,且具有多樣性和綜合性[43],結合青藏高原重大建設工程的特殊性,所涉及到的指標復雜多樣,對于指標體系的實地檢驗和評估,是提升指標體系實踐性和可操作性,進一步完善和改進指標體系的重要依據。結合國內外文獻資料的整理結果,現有的研究多是針對不同研究區和研究對象建立評估指標[55—56],缺乏對相應指標體系的實地驗證研究。故本文建立的指標體系也還需結合實地特征,開展針對不同工程的案例研究,依據實際評估結果進一步對指標體系改進和完善。

當前,系統實施國土空間生態修復成為新時期國家生態文明建設的重大戰略需求,未來生態修復評估研究應與國土空間規劃以及生態文明建設緊密結合,將生態系統的“格局與過程耦合—時空尺度—生態系統服務—可持續性”研究路徑融入生態修復研究,可為國土空間生態修復提供重要的學科理論支撐[57](圖5)。未來生態修復評估的研究可依據格局與過程互饋機理,識別退化和受損的生態系統,基于生態系統結構、質量和服務的評估指標體系,通過構建數據模型,量化生態系統現狀,制定合理的修復措施,減小生態系統服務之間的權衡效應,促進各服務協調發展。同時,關注社會—生態需求確定修復目標,從片面追求生態修復的規模和效果轉向社會—生態目標下的規模、質量和發展并重,提高生態系統穩定性和社會福祉效益[58]。最終為實現社會、經濟和生態等多方面的可持續發展提供理論支撐。

圖5 生態修復評估研究理論框架Fig.5 Theoretical framework for ecological restoration assessment studies