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(zhǎng)江保護(hù)與綠色發(fā)展研究院, 南京 210098

長(zhǎng)江岸線(xiàn)是長(zhǎng)江沿線(xiàn)一定范圍的水域和陸域空間結(jié)合帶,是國(guó)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(diǎn)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(zhǎng)江沿岸地區(qū)建成[2- 4]。長(zhǎng)江江蘇段擁有優(yōu)越的水運(yùn)和區(qū)位條件,岸線(xiàn)利用強(qiáng)度高,生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)也較大。

岸線(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的動(dòng)態(tài)演變及不合理開(kāi)發(fā)利用,使得部分長(zhǎng)江岸線(xiàn)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(wèn)題[5]。2020年,習(xí)近平總書(shū)記在江蘇考察時(shí)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(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶成為我國(guó)生態(tài)優(yōu)先綠色發(fā)展的主戰(zhàn)場(chǎng)”。長(zhǎng)江岸線(xiàn)保護(hù)和生態(tài)修復(fù)是保障長(zhǎng)江流域生態(tài)系統(tǒng)安全與完整的必由之路,是長(zhǎng)江大保護(hù)的核心問(wèn)題之一。

近年來(lái),江蘇省以改善長(zhǎng)江生態(tài)質(zhì)量為核心,大力推進(jìn)長(zhǎng)江岸線(xiàn)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(zhǎng)江岸線(xiàn)生態(tài)修復(fù)過(guò)程中也存在一些修復(fù)工程未達(dá)到預(yù)期效果或過(guò)度園林化導(dǎo)致投資浪費(fèi)等問(wèn)題。究其原因,主要是缺少科學(xué)評(píng)價(jià)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(méi)有標(biāo)尺來(lái)衡量。查閱相關(guān)文獻(xiàn),目前關(guān)于長(zhǎng)江岸線(xiàn)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(duì)生態(tài)修復(fù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的研究。標(biāo)準(zhǔn)的缺失導(dǎo)致不能以客觀(guān)自然狀況為依據(jù)進(jìn)行定量評(píng)估及考核,對(duì)于已完成的岸線(xiàn)修復(fù)工程的實(shí)際效果無(wú)法進(jìn)行清晰界定,大量后續(xù)岸線(xiàn)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(píng)價(jià)的規(guī)范,在充分研究江蘇長(zhǎng)江岸線(xiàn)生態(tài)修復(fù)中存在的植物存活率低、原生動(dòng)物恢復(fù)緩慢、水土流失、過(guò)度園林化等問(wèn)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(xiàn)曲折度6項(xiàng)指標(biāo),建立江蘇長(zhǎng)江岸線(xiàn)生態(tài)修復(fù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,以推動(dòng)江蘇長(zhǎng)江岸線(xiàn)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(píng)價(jià)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(jì)區(qū)域總面積的百分比[10],是反映一個(gè)區(qū)域綠化程度的指標(biāo)。《濕地公園生態(tài)管理技術(shù)規(guī)范》(DB33/T 2032—2018)和《水生態(tài)健康評(píng)價(jià)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(lèi)似指標(biāo),物理意義明確且較為直觀(guān)。

1982—1999年間,植物覆蓋的變化特征研究主要依賴(lài)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(zhǎng)時(shí)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(lái)開(kāi)展植被覆蓋監(jiān)測(cè),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(wèn)題,同時(shí)對(duì)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(duì)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(shù)冠背景土壤變化對(duì)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(lái)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(duì)獲取的不同時(shí)段EVI影像進(jìn)行分級(jí),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(shì)[13]。像元值大于0時(shí),EVI上升,說(shuō)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(shuō)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(shí)序曲線(xiàn)的波動(dòng)幅度(年內(nèi)變化標(biāo)準(zhǔn)差)剔除這些“干擾”像元[14]。通過(guò)與中高空間分辨率影像和土地利用數(shù)據(jù)的對(duì)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(shí)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(hào)；EVIi為第i幅影像EVI值,EVIm為時(shí)序影像EVI的平均值。

1.2 水土保持度

《中國(guó)水利百科全書(shū)》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(huì)效益,建立良好生態(tài)環(huán)境的事業(yè)?！痹陂L(zhǎng)江沿岸區(qū)域,水土流失會(huì)造成岸坡失穩(wěn)及河床淤積,若不及時(shí)處理,將影響岸線(xiàn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境且影響生物多樣性,使得岸線(xiàn)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(mǎn)足植物和動(dòng)物生存需要的重要條件,應(yīng)作為長(zhǎng)江岸線(xiàn)生態(tài)評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)[16-17],可定量評(píng)價(jià)長(zhǎng)江岸線(xiàn)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(wú)量綱值,計(jì)算公式[16-17]如下：

(3)

式中,αi為第i個(gè)因子的權(quán)重,因子可包括工程面積、影響時(shí)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(gè)因子數(shù)據(jù)歸一后的值,通過(guò)獲取xi的原始值xi0后對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[16],按式(4)計(jì)算。

(4)

SWII值越小,工程影響時(shí)間越短、水土流失量越小,水土保持度越好；SWII值越大,對(duì)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(zhǎng)期生長(zhǎng)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(zhǎng)于當(dāng)?shù)氐闹参锓N類(lèi)[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(zhǎng)狀態(tài)。同時(shí),有利于原生動(dòng)物的覓食、棲息和繁殖,對(duì)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(xiàn)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(shí)現(xiàn)由人工修復(fù)向自然修復(fù)過(guò)渡。

在進(jìn)行長(zhǎng)江岸線(xiàn)生態(tài)修復(fù)時(shí),應(yīng)通過(guò)實(shí)地調(diào)查、走訪(fǎng)、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(zhǎng)狀態(tài)、物候期等特點(diǎn),從植物在岸線(xiàn)范圍生境中水土保持、固碳、污染物吸附、景觀(guān)營(yíng)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(lèi)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(lèi)型總數(shù)；βi為第i類(lèi)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(lèi)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(dòng)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(zhǎng)江流域植物物種豐富,在選擇原生植物進(jìn)行修復(fù)時(shí),應(yīng)采用盡可能多的種類(lèi),避免過(guò)于單一?！稘竦厣鷳B(tài)質(zhì)量評(píng)估規(guī)范》(DB11/T 1503—2017)等規(guī)范采用植被類(lèi)型多樣性、濕地植物相對(duì)豐度等類(lèi)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(guò)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(gè)物種的重要值,是該物種相對(duì)頻度、相對(duì)蓋度、相對(duì)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(zhǎng)江岸線(xiàn)生態(tài)修復(fù)時(shí),應(yīng)首先考慮原生植物恢復(fù)度,盡可能選擇更多種類(lèi)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(píng)價(jià)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(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。在長(zhǎng)江岸線(xiàn)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(diǎn)不同,對(duì)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(chǎng)所[24]。石籠凈水復(fù)合護(hù)岸通過(guò)在石籠上部固定纖維墊作為植物生長(zhǎng)床來(lái)種植水生植物,河水在其內(nèi)部的礫石與植物根系間流動(dòng),使水中污染物得到去除[25],對(duì)改善水生動(dòng)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(guān)效益和生態(tài)效果[26]。連鎖式生態(tài)護(hù)岸開(kāi)孔率高,滲透性、排水性好,有利于水生植物生根以及水生動(dòng)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(lì)采用更多類(lèi)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(xiàn)范圍內(nèi)的護(hù)岸種類(lèi)。

RTI越大,護(hù)岸型式越豐富,能滿(mǎn)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(xiàn)曲折度

自然因素及人類(lèi)活動(dòng)的干擾使岸線(xiàn)處于不斷變化過(guò)程中,曲折是岸線(xiàn)的一個(gè)基本屬性,水流沖刷、岸坡侵蝕等自然因素及岸線(xiàn)資源開(kāi)發(fā)利用、人類(lèi)活動(dòng)等社會(huì)因素均會(huì)引起岸線(xiàn)曲折度的變化[28]。

岸線(xiàn)形態(tài)直接影響近岸水體的水動(dòng)力條件。當(dāng)岸壁曲折時(shí),水體會(huì)出現(xiàn)局部擾動(dòng),在凹凸岸區(qū)域甚至產(chǎn)生橫向水流,帶動(dòng)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(xiàn)相比,凹凸形岸線(xiàn)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)再分配[29]。此外,凹形岸線(xiàn)相對(duì)平直岸線(xiàn),水體流動(dòng)及行船等引起的波動(dòng)相對(duì)較小,有利于底棲動(dòng)物的寄居。

因此,本文提出岸線(xiàn)曲折度(Shoreline Tortuosity Index, STI)作為附加指標(biāo)的目的是引導(dǎo)岸線(xiàn)修復(fù)設(shè)計(jì)時(shí)盡可能考慮岸線(xiàn)形態(tài)的影響,為水生動(dòng)植物生存提供更多有利環(huán)境。岸線(xiàn)曲折度可以采用兩點(diǎn)之間折線(xiàn)距離與直線(xiàn)距離的比值[28]或岸線(xiàn)長(zhǎng)度與等面積圓周長(zhǎng)的比值[30]計(jì)算。但這兩種方法不能體現(xiàn)整段岸線(xiàn)的曲折程度。張?jiān)频萚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(xiàn)的簡(jiǎn)化線(xiàn),即岸線(xiàn)輪廓基線(xiàn)。利用岸線(xiàn)長(zhǎng)度與岸線(xiàn)輪廓基線(xiàn)的比值計(jì)算岸線(xiàn)曲折度,即：

(11)

式中,L為岸段間的岸線(xiàn)長(zhǎng)度；LS為岸段間的岸線(xiàn)輪廓基線(xiàn)長(zhǎng)度；n為研究區(qū)域內(nèi)岸段的數(shù)量。

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

3 生態(tài)修復(fù)評(píng)價(jià)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(xiàn)曲折度等6項(xiàng)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(píng)價(jià)江蘇長(zhǎng)江岸線(xiàn)生態(tài)修復(fù)的效果,計(jì)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(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的賦分；X1—X6分別是6項(xiàng)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(xiàng)目的特點(diǎn)和要求確定各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值并進(jìn)行計(jì)算。其中,4項(xiàng)主要指標(biāo)的權(quán)重總和為100%,2項(xiàng)附加指標(biāo)的總權(quán)重原則上不超過(guò)10%。

表1 江蘇長(zhǎng)江岸線(xiàn)生態(tài)修復(fù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

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

表2 各項(xiàng)指標(biāo)賦分等級(jí)

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(xiàn)曲折度6項(xiàng)指標(biāo)全面系統(tǒng)考慮了長(zhǎng)江岸線(xiàn)生態(tài)修復(fù)對(duì)植物生長(zhǎng)狀態(tài)、動(dòng)物生存條件和岸坡穩(wěn)定等方面要求。

(2)江蘇長(zhǎng)江岸線(xiàn)生態(tài)修復(fù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系通過(guò)主要指標(biāo)和附加指標(biāo)相結(jié)合的方式,既實(shí)現(xiàn)了對(duì)生態(tài)修復(fù)效果的定量化評(píng)價(jià),又體現(xiàn)了對(duì)生態(tài)修復(fù)工程設(shè)計(jì)理念的引導(dǎo),為長(zhǎng)江岸線(xiàn)生態(tài)修復(fù)的有序推進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。

(3)在對(duì)長(zhǎng)江岸線(xiàn)生態(tài)修復(fù)進(jìn)行評(píng)價(jià)的過(guò)程中,操作層面仍有大量的后續(xù)研究工作需要深入開(kāi)展,如每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重,各指標(biāo)在四個(gè)等級(jí)的取值范圍,植物物種調(diào)查方法,開(kāi)展評(píng)價(jià)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)等,最終形成可用于長(zhǎng)江岸線(xiàn)生態(tài)修復(fù)評(píng)價(jià)的操作指南或規(guī)范。