江苏长江岸线生态修复评价指标体系研究

廖迎娣, 张 欢, 侯利军, 陈 达,*

1 河海大学港口海岸与近海工程学院, 南京 210098

2 长江保护与绿色发展研究院, 南京 210098

长江岸线是长江沿线一定范围的水域和陆域空间结合带,是国内经济布局、水运发展、生态保护等领域关注的重点区域[1],目前世界最大规模的内河产业带已在长江沿岸地区建成[2- 4]。长江江苏段拥有优越的水运和区位条件,岸线利用强度高,生态环境风险也较大。

岸线长时间的动态演变及不合理开发利用,使得部分长江岸线产生了生态污染、用地环境污染、林木及湿地资源破坏、硬质驳岸影响水生态环境等问题[5]。2020年,习近平总书记在江苏考察时强调“要把保护生态环境摆在更加突出的位置” “要使长江经济带成为我国生态优先绿色发展的主战场”。长江岸线保护和生态修复是保障长江流域生态系统安全与完整的必由之路,是长江大保护的核心问题之一。

近年来,江苏省以改善长江生态质量为核心,大力推进长江岸线保护和生态修复,采取江堤改造、种植土覆土、绿化种植等措施构建生态湿地和绿色廊道,取得了显著成效。但是,在长江岸线生态修复过程中也存在一些修复工程未达到预期效果或过度园林化导致投资浪费等问题。究其原因,主要是缺少科学评价标准,具体如何修复、修到何种程度,大多靠各自摸索,修复后的效果也没有标尺来衡量。查阅相关文献,目前关于长江岸线生态修复的研究,主要围绕生态环境修复的技术手段、生态功能布局等[6-9],鲜有针对生态修复评价标准的研究。标准的缺失导致不能以客观自然状况为依据进行定量评估及考核,对于已完成的岸线修复工程的实际效果无法进行清晰界定,大量后续岸线生态修复工作也缺少有力的支撑。

基于此,本文借鉴前人相关研究成果及湿地、水生态等领域有关生态评价的规范,在充分研究江苏长江岸线生态修复中存在的植物存活率低、原生动物恢复缓慢、水土流失、过度园林化等问题的基础上,提出以植物覆盖度、水土保持度、原生植物恢复度、植物物种多样性、护岸型式多样性和岸线曲折度6项指标,建立江苏长江岸线生态修复评价指标体系,以推动江苏长江岸线生态修复向系统化、高质量迈进。

1 生态修复主要评价指标

1.1 植物覆盖度

植物覆盖度是指植被(包括叶、茎、枝)在地面的垂直投影面积占统计区域总面积的百分比[10],是反映一个区域绿化程度的指标。《湿地公园生态管理技术规范》(DB33/T 2032—2018)和《水生态健康评价技术规范》(DB11/T 1722—2020)等规范分别采用植被覆盖率、河岸带植被覆盖率等类似指标,物理意义明确且较为直观。

1982—1999年间,植物覆盖的变化特征研究主要依赖于归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)。自1999年中高分辨率成像光谱仪(MODIS)升空后,因具有较高分辨率,其长时间序列的增强指数数据(Enhanced Vegetation Index, EVI)在近些年被用来开展植被覆盖监测,以期为生态环境恢复提供科学依据[11]。

NDVI在植物覆盖度高的地区红光通道容易饱和,而MODIS EVI避免了基于比值的植被指数饱和问题,同时对基础数据进行了包括大气分子、气溶胶、薄云、水汽和臭氧等的全面校正。采用大气抵抗植被指数(Atmospheric Resistant Vegetation Index, ARVI)对残留气溶胶做进一步处理,采用土壤调节植被指数(Soil Adjusted Vegetation Index, SAVI)减弱树冠背景土壤变化对植被的影响[12]。

EVI的公式[13]如下：

(1)

式中,ρNIR、ρred、ρblue分别为近红外光、红光、蓝光的反射率；G为增益调整因子；C1和C2为大气调节参数；L为植被冠层背景调整因子。

因此,可以用EVI来量化植物覆盖度。从Level- 1 and Atmosphere Archive and Distribution System Distributed Active Archive Center(LAADS DAAC)网站下载MODIS C6版本,空间分辨率为1km的数据,对获取的不同时段EVI影像进行分级,利用影像差值法获得它们之间的差值影像,并根据差值影像中像元与0的关系判断EVI的变化趋势[13]。像元值大于0时,EVI上升,说明植物覆盖度上升,生态修复效果向着预期方向行进；反之,说明生态修复效果向着预期的反方向行进。

若修复区域的城市建设用地、村庄居民用地、水体等全年EVI变化较小,要利用EVI时序曲线的波动幅度(年内变化标准差)剔除这些“干扰”像元[14]。通过与中高空间分辨率影像和土地利用数据的对比,设定标准差阈值,提取常绿植被、建设用地和水体等非水稻种植区,并将它们掩模[14]。EVI时序标准差δ[14]为：

(2)

式中,N为影像期数；i为影像期号；EVIi为第i幅影像EVI值,EVIm为时序影像EVI的平均值。

1.2 水土保持度

《中国水利百科全书》将水土保持定义为“防治水土流失、保护、改良与合理利用水土资源,维护和提高土地生产力,以利于充分发挥水土资源的生态效益、经济效益和社会效益,建立良好生态环境的事业。”在长江沿岸区域,水土流失会造成岸坡失稳及河床淤积,若不及时处理,将影响岸线区域生态环境且影响生物多样性,使得岸线变得脆弱[15]。因此,水土保持既是避免土壤流失,保持岸坡稳定,减少河床淤积,维持生态系统稳定的需要,又是改良土壤,满足植物和动物生存需要的重要条件,应作为长江岸线生态评价的重要指标。

水土流失影响指数(Soil Water Impact Index, SWII)常被用于水土保持方案的评价[16-17],可定量评价长江岸线生态修复工程的水土保持度。将水土保持损益分析中的关键性影响指标进行加权求和,得到反映水土流失影响程度的无量纲值,计算公式[16-17]如下：

(3)

式中,αi为第i个因子的权重,因子可包括工程面积、影响时限、流失水土量和恢复度等,i的取值范围为1到n；xi为第i个因子数据归一后的值,通过获取xi的原始值xi0后对其进行标准化处理[16],按式(4)计算。

(4)

SWII值越小,工程影响时间越短、水土流失量越小,水土保持度越好；SWII值越大,对土壤侵蚀的影响越大,水土流失量越大[16-17]。

1.3 原生植物恢复度

原生植物是指自然存在且长期生长于该区域的各种植物。作为历经流域气候变迁、生物物种侵害等自然灾害后仍能蓬勃生长于当地的植物种类[18],原生植物适应能力强,能最大程度减少人工维护,并保持良好的生长状态。同时,有利于原生动物的觅食、栖息和繁殖,对维持当地原有生态系统稳定具有重要意义。因此,在岸线生态修复工程中,应提倡恢复原生植物的占比,从而实现由人工修复向自然修复过渡。

在进行长江岸线生态修复时,应通过实地调查、走访、查阅历史资料等,首先形成该区域的原生植物名录,然后根据物种特性、生长状态、物候期等特点,从植物在岸线范围生境中水土保持、固碳、污染物吸附、景观营造、繁殖培育及养护管理等[18]方面进行筛选,确定用于修复的原生植物类型。采用原生植物恢复指数(Native Plant Remediation Index, NPRI)表征原生植物恢复度：

(5)

式中,n为筛选的原生植物类型总数；βi为第i类原生植物权重；S0为修复区域总面积；Si为修复后第i类原生植物覆盖面积。

NPRI越大,修复区域内原生植物的覆盖范围越大,生态修复效果越好。

1.4 植物物种多样性

植物物种多样性是保证动物多样性的基础,是维持良好生态系统的重要条件。长江流域植物物种丰富,在选择原生植物进行修复时,应采用尽可能多的种类,避免过于单一。《湿地生态质量评估规范》(DB11/T 1503—2017)等规范采用植被类型多样性、湿地植物相对丰度等类似指标。因此,本文选用植物物种多样性指标反映修复区域内植物物种的丰富度、均匀度[19-20]。

采用植物物种多样性指数(Plant Species Diversity Index, PSDI)用于定量化表征植物物种多样性。通过Patrick丰富度指数(R)、Shannon-Wiener多样性指数(H)和Pielou均匀度指数(E)进行分析,其公式[20-21]分别为：

R=M

(6)

(7)

(8)

PSDI=k1R+k2E

(9)

式中,M为调查区域内植物物种总数；Pi为第i个物种的重要值,是该物种相对频度、相对盖度、相对密度的平均值[22]；k1和k2分别为Patrick丰富度指数和Pielou均匀度指数的权重。

PSDI越大,区域内植物物种越丰富、分布越均匀,越有利于恢复生态系统原本的面貌,最终达到自然修复的目的。在进行长江岸线生态修复时,应首先考虑原生植物恢复度,尽可能选择更多种类的原生植物,兼顾植物物种多样性的需要。

2 生态修复附加评价指标

2.1 护岸型式多样性

护岸的主要作用是保持岸坡稳定,维持河道形态。但是传统的硬质护岸阻碍了坡面上下、陆域水域间的物质、能量和生物的交换与联系,对生态系统造成严重影响。在长江岸线生态修复工程中,应尽可能多采用生态护岸,在确保护岸结构稳定和安全的前提下兼顾生态效应[23]。

生态护岸型式多样,不同护岸型式的特点不同,对改善生态的作用也不一样。如,木桩植被复合护岸,能有效改善河流生态系统与近岸陆地系统的连通性,为水生生物提供栖息、繁殖场所[24]。石笼净水复合护岸通过在石笼上部固定纤维垫作为植物生长床来种植水生植物,河水在其内部的砾石与植物根系间流动,使水中污染物得到去除[25],对改善水生动植物的生存环境有很大帮助。自嵌式植生护岸可结合块体内种植的植物,有良好的景观效益和生态效果[26]。连锁式生态护岸开孔率高,渗透性、排水性好,有利于水生植物生根以及水生动物栖息、繁殖等[27]。

因此,本文提出护岸型式多样性作为附加指标的目的是鼓励采用更多类型的护岸型式,采用护岸型式指数(Revetment Type Index, RTI)定量表征护岸型式的多样性。

RTI=t

(10)

式中,t为修复岸线范围内的护岸种类。

RTI越大,护岸型式越丰富,能满足的生态需求就越多元,更有利于达到生态修复的目标。

2.2 岸线曲折度

自然因素及人类活动的干扰使岸线处于不断变化过程中,曲折是岸线的一个基本属性,水流冲刷、岸坡侵蚀等自然因素及岸线资源开发利用、人类活动等社会因素均会引起岸线曲折度的变化[28]。

岸线形态直接影响近岸水体的水动力条件。当岸壁曲折时,水体会出现局部扰动,在凹凸岸区域甚至产生横向水流,带动小颗粒泥沙向不同水深梯度扩散,进而影响底泥中氮、磷和有机碳等的释放和扩散[29]。与平直岸线相比,凹凸形岸线近岸段不同水深梯度带的表层底泥中各指标含量差异更显著,可有效促进氮、磷和有机碳等营养物质再分配[29]。此外,凹形岸线相对平直岸线,水体流动及行船等引起的波动相对较小,有利于底栖动物的寄居。

因此,本文提出岸线曲折度(Shoreline Tortuosity Index, STI)作为附加指标的目的是引导岸线修复设计时尽可能考虑岸线形态的影响,为水生动植物生存提供更多有利环境。岸线曲折度可以采用两点之间折线距离与直线距离的比值[28]或岸线长度与等面积圆周长的比值[30]计算。但这两种方法不能体现整段岸线的曲折程度。张云等[28]提出使用SuperMap工具,设置一定的重采样距离,得到一条岸线的简化线,即岸线轮廓基线。利用岸线长度与岸线轮廓基线的比值计算岸线曲折度,即：

(11)

式中,L为岸段间的岸线长度；LS为岸段间的岸线轮廓基线长度；n为研究区域内岸段的数量。

STI越大,岸线形态越丰富,越有利于水生动植物的生长,生态修复效果越好。

3 生态修复评价体系

在综合考虑植物覆盖度、水土保持度、原生植物恢复度、植物物种多样性、护岸型式多样性、岸线曲折度等6项指标的基础上,本文提出生态修复效果指数(Ecological Remediation Effect Index, EREI)用以定量评价江苏长江岸线生态修复的效果,计算公式如下：

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

(12)

式中,YEVI、YSWII、YNPRI、YPSDI、YRTI、YSTI分别是6项指标对应的赋分；X1—X6分别是6项指标的权重,如表1所示。在工程应用中,应首先根据修复项目的特点和要求确定各项指标的权重值并进行计算。其中,4项主要指标的权重总和为100%,2项附加指标的总权重原则上不超过10%。

表1 江苏长江岸线生态修复评价指标体系

在对各项指标进行赋分时,首先应根据岸线所处功能区的实际情况,确定每一项指标的最佳值范围,将其作为等级I的赋分区间。然后,设定每个等级之间的区间级差,依次确定等级II、等级III、等级Ⅳ的赋分区间(表2)。

表2 各项指标赋分等级

4 结论与展望

(1)植物覆盖度、水土保持度、原生植物恢复度、植物物种多样性、护岸型式多样性和岸线曲折度6项指标全面系统考虑了长江岸线生态修复对植物生长状态、动物生存条件和岸坡稳定等方面要求。

(2)江苏长江岸线生态修复评价指标体系通过主要指标和附加指标相结合的方式,既实现了对生态修复效果的定量化评价,又体现了对生态修复工程设计理念的引导,为长江岸线生态修复的有序推进奠定了基础。

(3)在对长江岸线生态修复进行评价的过程中,操作层面仍有大量的后续研究工作需要深入开展,如每个指标的权重,各指标在四个等级的取值范围,植物物种调查方法,开展评价的时间节点等,最终形成可用于长江岸线生态修复评价的操作指南或规范。