廖迎娣, 張 歡, 侯利軍, 陳 達(dá),*

1 河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院, 南京 210098

2 長江保護(hù)與綠色發(fā)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(jié)合帶,是國內(nèi)經(jīng)濟(jì)布局、水運(yùn)發(fā)展、生態(tài)保護(hù)等領(lǐng)域關(guān)注的重點區(qū)域[1],目前世界最大規(guī)模的內(nèi)河產(chǎn)業(yè)帶已在長江沿岸地區(qū)建成[2- 4]。長江江蘇段擁有優(yōu)越的水運(yùn)和區(qū)位條件,岸線利用強(qiáng)度高,生態(tài)環(huán)境風(fēng)險也較大。

岸線長時間的動態(tài)演變及不合理開發(fā)利用,使得部分長江岸線產(chǎn)生了生態(tài)污染、用地環(huán)境污染、林木及濕地資源破壞、硬質(zhì)駁岸影響水生態(tài)環(huán)境等問題[5]。2020年,習(xí)近平總書記在江蘇考察時強(qiáng)調(diào)“要把保護(hù)生態(tài)環(huán)境擺在更加突出的位置” “要使長江經(jīng)濟(jì)帶成為我國生態(tài)優(yōu)先綠色發(fā)展的主戰(zhàn)場”。長江岸線保護(hù)和生態(tài)修復(fù)是保障長江流域生態(tài)系統(tǒng)安全與完整的必由之路,是長江大保護(hù)的核心問題之一。

近年來,江蘇省以改善長江生態(tài)質(zhì)量為核心,大力推進(jìn)長江岸線保護(hù)和生態(tài)修復(fù),采取江堤改造、種植土覆土、綠化種植等措施構(gòu)建生態(tài)濕地和綠色廊道,取得了顯著成效。但是,在長江岸線生態(tài)修復(fù)過程中也存在一些修復(fù)工程未達(dá)到預(yù)期效果或過度園林化導(dǎo)致投資浪費(fèi)等問題。究其原因,主要是缺少科學(xué)評價標(biāo)準(zhǔn),具體如何修復(fù)、修到何種程度,大多靠各自摸索,修復(fù)后的效果也沒有標(biāo)尺來衡量。查閱相關(guān)文獻(xiàn),目前關(guān)于長江岸線生態(tài)修復(fù)的研究,主要圍繞生態(tài)環(huán)境修復(fù)的技術(shù)手段、生態(tài)功能布局等[6-9],鮮有針對生態(tài)修復(fù)評價標(biāo)準(zhǔn)的研究。標(biāo)準(zhǔn)的缺失導(dǎo)致不能以客觀自然狀況為依據(jù)進(jìn)行定量評估及考核,對于已完成的岸線修復(fù)工程的實際效果無法進(jìn)行清晰界定,大量后續(xù)岸線生態(tài)修復(fù)工作也缺少有力的支撐。

基于此,本文借鑒前人相關(guān)研究成果及濕地、水生態(tài)等領(lǐng)域有關(guān)生態(tài)評價的規(guī)范,在充分研究江蘇長江岸線生態(tài)修復(fù)中存在的植物存活率低、原生動物恢復(fù)緩慢、水土流失、過度園林化等問題的基礎(chǔ)上,提出以植物覆蓋度、水土保持度、原生植物恢復(fù)度、植物物種多樣性、護(hù)岸型式多樣性和岸線曲折度6項指標(biāo),建立江蘇長江岸線生態(tài)修復(fù)評價指標(biāo)體系,以推動江蘇長江岸線生態(tài)修復(fù)向系統(tǒng)化、高質(zhì)量邁進(jìn)。

1 生態(tài)修復(fù)主要評價指標(biāo)

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(tǒng)計區(qū)域總面積的百分比[10],是反映一個區(qū)域綠化程度的指標(biāo)?！稘竦毓珗@生態(tài)管理技術(shù)規(guī)范》(DB33/T 2032—2018)和《水生態(tài)健康評價技術(shù)規(guī)范》(DB11/T 1722—2020)等規(guī)范分別采用植被覆蓋率、河岸帶植被覆蓋率等類似指標(biāo),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(shù)(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(qiáng)指數(shù)數(shù)據(jù)(Enhanced Vegetation Index, EVI)在近些年被用來開展植被覆蓋監(jiān)測,以期為生態(tài)環(huán)境恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)[11]。

NDVI在植物覆蓋度高的地區(qū)紅光通道容易飽和,而MODIS EVI避免了基于比值的植被指數(shù)飽和問題,同時對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)(Atmospheric Resistant Vegetation Index, ARVI)對殘留氣溶膠做進(jìn)一步處理,采用土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)(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(lán)光的反射率；G為增益調(diào)整因子；C1和C2為大氣調(diào)節(jié)參數(shù)；L為植被冠層背景調(diào)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(wǎng)站下載MODIS C6版本,空間分辨率為1km的數(shù)據(jù),對獲取的不同時段EVI影像進(jìn)行分級,利用影像差值法獲得它們之間的差值影像,并根據(jù)差值影像中像元與0的關(guān)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(tài)修復(fù)效果向著預(yù)期方向行進(jìn)；反之,說明生態(tài)修復(fù)效果向著預(yù)期的反方向行進(jìn)。

若修復(fù)區(qū)域的城市建設(shè)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(nèi)變化標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)的對比,設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)差閾值,提取常綠植被、建設(shè)用地和水體等非水稻種植區(qū),并將它們掩模[14]。EVI時序標(biāo)準(zhǔn)差δ[14]為：

(2)

式中,N為影像期數(shù)；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(hù)、改良與合理利用水土資源,維護(hù)和提高土地生產(chǎn)力,以利于充分發(fā)揮水土資源的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,建立良好生態(tài)環(huán)境的事業(yè)?！痹陂L江沿岸區(qū)域,水土流失會造成岸坡失穩(wěn)及河床淤積,若不及時處理,將影響岸線區(qū)域生態(tài)環(huán)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(wěn)定,減少河床淤積,維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)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(yīng)作為長江岸線生態(tài)評價的重要指標(biāo)。

水土流失影響指數(shù)(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(tài)修復(fù)工程的水土保持度。將水土保持損益分析中的關(guān)鍵性影響指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)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(quán)重,因子可包括工程面積、影響時限、流失水土量和恢復(fù)度等,i的取值范圍為1到n；xi為第i個因子數(shù)據(jù)歸一后的值,通過獲取xi的原始值xi0后對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(fù)度

原生植物是指自然存在且長期生長于該區(qū)域的各種植物。作為歷經(jīng)流域氣候變遷、生物物種侵害等自然災(zāi)害后仍能蓬勃生長于當(dāng)?shù)氐闹参锓N類[18],原生植物適應(yīng)能力強(qiáng),能最大程度減少人工維護(hù),并保持良好的生長狀態(tài)。同時,有利于原生動物的覓食、棲息和繁殖,對維持當(dāng)?shù)卦猩鷳B(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要意義。因此,在岸線生態(tài)修復(fù)工程中,應(yīng)提倡恢復(fù)原生植物的占比,從而實現(xiàn)由人工修復(fù)向自然修復(fù)過渡。

在進(jìn)行長江岸線生態(tài)修復(fù)時,應(yīng)通過實地調(diào)查、走訪、查閱歷史資料等,首先形成該區(qū)域的原生植物名錄,然后根據(jù)物種特性、生長狀態(tài)、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(yǎng)護(hù)管理等[18]方面進(jìn)行篩選,確定用于修復(fù)的原生植物類型。采用原生植物恢復(fù)指數(shù)(Native Plant Remediation Index, NPRI)表征原生植物恢復(fù)度：

(5)

式中,n為篩選的原生植物類型總數(shù)；βi為第i類原生植物權(quán)重；S0為修復(fù)區(qū)域總面積；Si為修復(fù)后第i類原生植物覆蓋面積。

NPRI越大,修復(fù)區(qū)域內(nèi)原生植物的覆蓋范圍越大,生態(tài)修復(fù)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(chǔ),是維持良好生態(tài)系統(tǒng)的重要條件。長江流域植物物種豐富,在選擇原生植物進(jìn)行修復(fù)時,應(yīng)采用盡可能多的種類,避免過于單一?！稘竦厣鷳B(tài)質(zhì)量評估規(guī)范》(DB11/T 1503—2017)等規(guī)范采用植被類型多樣性、濕地植物相對豐度等類似指標(biāo)。因此,本文選用植物物種多樣性指標(biāo)反映修復(fù)區(qū)域內(nèi)植物物種的豐富度、均勻度[19-20]。

采用植物物種多樣性指數(shù)(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(shù)(R)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)和Pielou均勻度指數(shù)(E)進(jìn)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(diào)查區(qū)域內(nèi)植物物種總數(shù)；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(shù)和Pielou均勻度指數(shù)的權(quán)重。

PSDI越大,區(qū)域內(nèi)植物物種越豐富、分布越均勻,越有利于恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)原本的面貌,最終達(dá)到自然修復(fù)的目的。在進(jìn)行長江岸線生態(tài)修復(fù)時,應(yīng)首先考慮原生植物恢復(fù)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(tài)修復(fù)附加評價指標(biāo)

2.1 護(hù)岸型式多樣性

護(hù)岸的主要作用是保持岸坡穩(wěn)定,維持河道形態(tài)。但是傳統(tǒng)的硬質(zhì)護(hù)岸阻礙了坡面上下、陸域水域間的物質(zhì)、能量和生物的交換與聯(lián)系,對生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。在長江岸線生態(tài)修復(fù)工程中,應(yīng)盡可能多采用生態(tài)護(hù)岸,在確保護(hù)岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全的前提下兼顧生態(tài)效應(yīng)[23]。

生態(tài)護(hù)岸型式多樣,不同護(hù)岸型式的特點不同,對改善生態(tài)的作用也不一樣。如,木樁植被復(fù)合護(hù)岸,能有效改善河流生態(tài)系統(tǒng)與近岸陸地系統(tǒng)的連通性,為水生生物提供棲息、繁殖場所[24]。石籠凈水復(fù)合護(hù)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(nèi)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(huán)境有很大幫助。自嵌式植生護(hù)岸可結(jié)合塊體內(nèi)種植的植物,有良好的景觀效益和生態(tài)效果[26]。連鎖式生態(tài)護(hù)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(hù)岸型式多樣性作為附加指標(biāo)的目的是鼓勵采用更多類型的護(hù)岸型式,采用護(hù)岸型式指數(shù)(Revetment Type Index, RTI)定量表征護(hù)岸型式的多樣性。

RTI=t

(10)

式中,t為修復(fù)岸線范圍內(nèi)的護(hù)岸種類。

RTI越大,護(hù)岸型式越豐富,能滿足的生態(tài)需求就越多元,更有利于達(dá)到生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)。

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(fā)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(tài)直接影響近岸水體的水動力條件。當(dāng)岸壁曲折時,水體會出現(xiàn)局部擾動,在凹凸岸區(qū)域甚至產(chǎn)生橫向水流,帶動小顆粒泥沙向不同水深梯度擴(kuò)散,進(jìn)而影響底泥中氮、磷和有機(jī)碳等的釋放和擴(kuò)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(biāo)含量差異更顯著,可有效促進(jìn)氮、磷和有機(jī)碳等營養(yǎng)物質(zhì)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(biāo)的目的是引導(dǎo)岸線修復(fù)設(shè)計時盡可能考慮岸線形態(tài)的影響,為水生動植物生存提供更多有利環(huán)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(xiàn)整段岸線的曲折程度。張云等[28]提出使用SuperMap工具,設(shè)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(qū)域內(nèi)岸段的數(shù)量。

STI越大,岸線形態(tài)越豐富,越有利于水生動植物的生長,生態(tài)修復(fù)效果越好。

3 生態(tài)修復(fù)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(fù)度、植物物種多樣性、護(hù)岸型式多樣性、岸線曲折度等6項指標(biāo)的基礎(chǔ)上,本文提出生態(tài)修復(fù)效果指數(shù)(Ecological Remediation Effect Index, EREI)用以定量評價江蘇長江岸線生態(tài)修復(fù)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(biāo)對應(yīng)的賦分；X1—X6分別是6項指標(biāo)的權(quán)重,如表1所示。在工程應(yīng)用中,應(yīng)首先根據(jù)修復(fù)項目的特點和要求確定各項指標(biāo)的權(quán)重值并進(jìn)行計算。其中,4項主要指標(biāo)的權(quán)重總和為100%,2項附加指標(biāo)的總權(quán)重原則上不超過10%。

表1 江蘇長江岸線生態(tài)修復(fù)評價指標(biāo)體系

在對各項指標(biāo)進(jìn)行賦分時,首先應(yīng)根據(jù)岸線所處功能區(qū)的實際情況,確定每一項指標(biāo)的最佳值范圍,將其作為等級I的賦分區(qū)間。然后,設(shè)定每個等級之間的區(qū)間級差,依次確定等級II、等級III、等級Ⅳ的賦分區(qū)間(表2)。

表2 各項指標(biāo)賦分等級

4 結(jié)論與展望

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

(2)江蘇長江岸線生態(tài)修復(fù)評價指標(biāo)體系通過主要指標(biāo)和附加指標(biāo)相結(jié)合的方式,既實現(xiàn)了對生態(tài)修復(fù)效果的定量化評價,又體現(xiàn)了對生態(tài)修復(fù)工程設(shè)計理念的引導(dǎo),為長江岸線生態(tài)修復(fù)的有序推進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。

(3)在對長江岸線生態(tài)修復(fù)進(jìn)行評價的過程中,操作層面仍有大量的后續(xù)研究工作需要深入開展,如每個指標(biāo)的權(quán)重,各指標(biāo)在四個等級的取值范圍,植物物種調(diào)查方法,開展評價的時間節(jié)點等,最終形成可用于長江岸線生態(tài)修復(fù)評價的操作指南或規(guī)范。