邊坡生態(tài)工程效果評價方法探究

吳 華 史永強(qiáng)

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038；2.中國電建集團(tuán)貴州工程有限公司，貴州 貴陽 550009)

0 前言

眾所周知，生態(tài)恢復(fù)與治理工程正隨著我國生態(tài)文明建設(shè)的大舉推進(jìn)如火如荼地開展。工程順利竣工后的生態(tài)恢復(fù)效果評價更是必不可少的重要環(huán)節(jié)。邊坡生態(tài)工程作為當(dāng)下生態(tài)恢復(fù)工程的一個熱門分支，近些年來在生態(tài)技術(shù)措施、工藝工法及植被群落恢復(fù)等方面的研究與實(shí)踐中均取得了豐碩成果[1]。然而，目前邊坡生態(tài)恢復(fù)效果評估方法的發(fā)展尚不成熟，暫未形成一個較完整的體系，多以環(huán)境影響評價的方式進(jìn)行，且多是在開展邊坡生態(tài)恢復(fù)前進(jìn)行的本底環(huán)境調(diào)查與評估，針對邊坡生態(tài)恢復(fù)后(特別是植被恢復(fù)后)的長效評估則少之又少[2]。開展邊坡生態(tài)恢復(fù)與治理后，植被的恢復(fù)效果如何、形成的群落是否按照預(yù)期構(gòu)建發(fā)展、導(dǎo)入的人工物種與自然物種能否和諧共存、人工干預(yù)建設(shè)的工程措施對植被是否有影響以及不同環(huán)境條件下經(jīng)治理邊坡的恢復(fù)效果如何等問題的研究都將為邊坡生態(tài)工程的后續(xù)管理以及同類型工程的設(shè)計(jì)與管理提供科學(xué)支撐。

因不同邊坡所處的地理位置、功能、文化及生活需求不同，邊坡生態(tài)工程所制定的恢復(fù)目標(biāo)也存在差異。但基本的恢復(fù)目標(biāo)應(yīng)圍繞以下方面展開，如實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)地表和基底的穩(wěn)定性、保證一定的植被覆蓋率與土壤肥力、減少地質(zhì)災(zāi)害與污染、增強(qiáng)區(qū)域生物多樣性、提高生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力與自我維持能力以及提高景觀美學(xué)價值與文化內(nèi)涵等。

因此，構(gòu)建邊坡生態(tài)工程效果評價系統(tǒng)，探究科學(xué)合理高效精準(zhǔn)的邊坡生態(tài)工程效果評價方法，將對后續(xù)相關(guān)工程的開展具有重要的意義。基于目前邊坡生態(tài)工程效果評價存在的問題，本文建立了邊坡生態(tài)恢復(fù)效果評價系統(tǒng)構(gòu)架，探究了定性評價法、定量與定性相結(jié)合評價法和數(shù)量生態(tài)學(xué)評價法等三類邊坡生態(tài)恢復(fù)效果評價方法。

1 邊坡生態(tài)恢復(fù)效果評價系統(tǒng)

邊坡生態(tài)工程是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，因其恢復(fù)效果的評價涵蓋面廣泛，除了加強(qiáng)有關(guān)生態(tài)退化、重建機(jī)理與生態(tài)恢復(fù)過程的研究外，還應(yīng)加強(qiáng)學(xué)科之間的合作，從工程、生態(tài)、景觀美學(xué)、項(xiàng)目管理等多個層面上認(rèn)識工程的恢復(fù)效果。特別是，工程層面應(yīng)包含巖土力學(xué)、巖土工程學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、礦冶采選等學(xué)科對邊坡加固防護(hù)與地質(zhì)災(zāi)害防治的理論指導(dǎo)；在生態(tài)層面，應(yīng)用植物學(xué)、群落生態(tài)學(xué)、恢復(fù)生態(tài)學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)、生態(tài)工程學(xué)、土壤學(xué)、園林學(xué)、園藝學(xué)等學(xué)科理論，促使邊坡形成具有自我調(diào)節(jié)能力和修復(fù)功能的穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)。通過多學(xué)科的協(xié)同合作，建立系統(tǒng)的生態(tài)恢復(fù)效果評價的理論框架，拓展評價思路，并結(jié)合邊坡生態(tài)工程的特點(diǎn)建立并完善評價體系；同時要注重邊坡生態(tài)工程恢復(fù)效果評價與后續(xù)監(jiān)測的緊密結(jié)合，從而構(gòu)建起一套長期、持續(xù)的監(jiān)測與評價機(jī)制。

1.1 生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)評價的原則

國際生態(tài)恢復(fù)協(xié)會曾提出生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)應(yīng)基于以下九大基本原則:1)具有與參考點(diǎn)相似的物種多樣性和群落多樣性；2)具有本地種；3) 具有對生態(tài)系統(tǒng)長期穩(wěn)定起重要作用的功能群體；4) 具有能夠?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)種群繁殖提供生境的能力；5) 具有生態(tài)系統(tǒng)功能維持能力；6)生態(tài)系統(tǒng)景觀具有整體性；7)能夠消除生態(tài)系統(tǒng)的潛在威脅；8) 對自然干擾具有恢復(fù)力；9) 具有自我維持能力，能為生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)評價指標(biāo)選擇提供方向[3]。

1.2 生態(tài)恢復(fù)評價指標(biāo)選取標(biāo)準(zhǔn)

生態(tài)恢復(fù)評價指標(biāo)應(yīng)包括物種多樣性指標(biāo)、植被結(jié)構(gòu)指標(biāo)以及生態(tài)過程指標(biāo)。在評價的過程中，評價指標(biāo)應(yīng)多樣化且指標(biāo)之間應(yīng)相互關(guān)聯(lián)，只有這樣才能開展全面且準(zhǔn)確的綜合分析。其中，物種多樣性指數(shù)反映群落種類組成、群落結(jié)構(gòu)水平及群落的穩(wěn)定性與復(fù)雜性，既能體現(xiàn)生物之間以及生物與環(huán)境之間的復(fù)雜關(guān)系，又能表征生物資源的豐富程度。邊坡生態(tài)工程前期以人工植被導(dǎo)入為主，因此在評價恢復(fù)效果時，要特別注重植被與土壤、植被與環(huán)境因子之間的相互作用，探討其生態(tài)效應(yīng)。

1.3 邊坡生態(tài)恢復(fù)效果評價系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)植被恢復(fù)的九大基本原則與生態(tài)恢復(fù)指標(biāo)的選取標(biāo)準(zhǔn)，邊坡生態(tài)恢復(fù)效果評價系統(tǒng)的建立主要包括以下8 個過程(圖1):1)生態(tài)環(huán)境回顧分析，全面審視受損生態(tài)環(huán)境的影響；2)選擇生態(tài)恢復(fù)效果評價的參照系；3)篩選生態(tài)恢復(fù)效果評價的主要影響指標(biāo)，指標(biāo)要能同時表征評價對象和參照生態(tài)系統(tǒng)；4)確定參數(shù)的分析方法，采用野外采樣結(jié)合實(shí)驗(yàn)室分析的方法得到數(shù)據(jù)的時間序列；5)篩選并整合生態(tài)恢復(fù)效果評價方法；6)獲得生態(tài)恢復(fù)效果評價結(jié)果，利用生態(tài)評價綜合指標(biāo)參數(shù)判斷邊坡生態(tài)恢復(fù)程度；7)緊密關(guān)聯(lián)評價指數(shù)與生境因子；8)后續(xù)恢復(fù)建議，根據(jù)評價認(rèn)知，制定未來預(yù)防措施、生態(tài)恢復(fù)措施、建議及發(fā)展戰(zhàn)略。

2 邊坡生態(tài)恢復(fù)效果評價方法

邊坡生態(tài)工程恢復(fù)效果的評價方法包含定性評價法、定性與定量相結(jié)合評價法及數(shù)量生態(tài)學(xué)評價法。

2.1 定性評價法

邊坡生態(tài)恢復(fù)效果評價非常復(fù)雜，評價因子多且不容易量化。在工程效果評價的過程中，各方因認(rèn)知差異難于就評價標(biāo)準(zhǔn)形成共識，因而出現(xiàn)了許多刪繁就簡的定性評價方法。目前，邊坡生態(tài)工程中常用的定性評價法主要包括植物多度分級法、植物蓋度等級法、綜合定性評價法等。

2.1.1 植物多度分級法

植物多度分級法主要是對建植群落中植物的多度指標(biāo)進(jìn)行分級評價，是一種典型的定性評價方法。植物多度分級評價見表1。2012 年，許小娟等[4]在舟山某礦山開展邊坡生態(tài)環(huán)境治理植物恢復(fù)狀態(tài)評價時即采用該方法分析統(tǒng)計(jì)所調(diào)查邊坡16 個樣方內(nèi)的植物多度。

圖1 邊坡生態(tài)恢復(fù)效果評價系統(tǒng)構(gòu)架

表1 植物多度分級

2.1.2 植物蓋度等級法

植物蓋度等級法是從空間分布上評價建植群落中植物的生長恢復(fù)情況，雖采用數(shù)據(jù)度量，但不深入本質(zhì)，故歸類為定性評價法。植被蓋度等級劃分見表2。2005 年，潘樹林等[5]在成南高速巖石邊坡植被恢復(fù)效果評價時即采用了植物蓋度等級法。

表2 植被蓋度等級劃分

2.1.3 綜合定性評價法

綜合定性評價法是從多個方面，如邊坡植物個體與環(huán)境的相互關(guān)系、邊坡植物種群水平、邊坡植被群落水平、邊坡生態(tài)系統(tǒng)功能與服務(wù)，以及邊坡景觀尺度等，對邊坡植被的恢復(fù)狀況進(jìn)行綜合定性評價后，通過人為確定權(quán)重貢獻(xiàn)的方式進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重賦值，將各個方面的評分整合后得到邊坡恢復(fù)植被的綜合生態(tài)得分，然后對邊坡生態(tài)恢復(fù)效果進(jìn)行評價(表3)。

表3 綜合生態(tài)得分評價

2.2 定性與定量相結(jié)合評價法

定性與定量相結(jié)合評價法是一個針對評價對象的復(fù)雜判斷過程，由評價者根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)對評價對象的各個方面進(jìn)行量化與非量化的綜合評價，從而最終得出一個嚴(yán)謹(jǐn)可靠的結(jié)論。評價過程中會不可避免地遇到多個方面及多個層次的指標(biāo)，故需要建立能夠表征評價對象各方面特性及聯(lián)系的指標(biāo)體系。由于邊坡生態(tài)工程涉及工程范圍廣泛、綜合性強(qiáng)，且不確定因素較多，研究學(xué)者與工程實(shí)踐人員經(jīng)過多年探索，篩選出了具有代表性的評價指標(biāo)，并結(jié)合模糊系統(tǒng)理論與灰色系統(tǒng)理論，采用層次分析法(AHP 法)提出了多種評價指標(biāo)體系。

2.2.1 指標(biāo)體系評價法

指標(biāo)體系評價法首先要建立指標(biāo)體系的層次模型，如圖2 所示。從層次模型中可以看到，邊坡生態(tài)工程效果評價(A 層)為層次模型的最高層，即目標(biāo)層，以下各層都是為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)層而服務(wù)的。目標(biāo)層的評價主要從三個方面來實(shí)現(xiàn)，這三個方面即構(gòu)成了層次模型的B 層。B 層的各個要素(B1、B2、B3)則由再次細(xì)化的指標(biāo)構(gòu)集C1、C2、C3……C6 支撐，它們形成了層次模型的C 層。

圖2 邊坡生態(tài)工程效果評價指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)模型

依照邊坡生態(tài)工程的特點(diǎn)，邊坡生態(tài)工程效果評級體系共選取19 個評價指標(biāo)，具體統(tǒng)計(jì)指標(biāo)名稱、指標(biāo)構(gòu)成、指標(biāo)說明、代碼及統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法見表4。

表4 邊坡生態(tài)工程效果評價指標(biāo)體系與指標(biāo)構(gòu)成

2.2.2 指標(biāo)體系的評價方法

指標(biāo)體系中涉及模糊標(biāo)準(zhǔn)，故采用模糊綜合評價法，按如下過程計(jì)算評價值:

1)取因素集U={工程效果指標(biāo)U1，生態(tài)效果指標(biāo)U2，景觀效果指標(biāo)U3}。

2)取評語集V={很好V1，好V2，一般V3，較差V4，很差V5}。

3)確定各因素對應(yīng)的權(quán)重，如A=(0.515 7，0.371 2，0.113 1)，基層E 層權(quán)重見表5。

4)確定模糊綜合評判矩陣，從下層單因素開始評價。

5)模糊綜合評價，進(jìn)行矩陣合成運(yùn)算。可以根據(jù)不同需要，按照最大隸屬原則、加權(quán)平均原則和模糊向量單值化三種方法得出最終評價結(jié)論。

表5 E 層評價權(quán)重

2.2.3 大類指標(biāo)體系評價

大類指標(biāo)體系的評價程序分為自評和專家評價。該體系的指標(biāo)和評價方法較為清楚簡單，完全適用于相關(guān)部門或單位開展自評。自評時可以對評價指標(biāo)體系提出的基層指標(biāo)逐一評分，然后用公式計(jì)算出總評分值。如果對基層指標(biāo)中部分技術(shù)性或?qū)I(yè)性較強(qiáng)的指標(biāo)評分有困難，可以脫離基層指標(biāo)，向上尋求概念更為寬廣的高層指標(biāo)，不過此時需要注意權(quán)重的合并。

在實(shí)際實(shí)施過程中，為了快速準(zhǔn)確地得到評價結(jié)論，可采用簡化版評價體系。簡化版評價體系主要是基于恢復(fù)邊坡與周邊自然邊坡、邊坡未破壞時的對照結(jié)果開展評價，旨在利用簡單可行的方法快速了解邊坡生態(tài)恢復(fù)工程效果。進(jìn)行簡易評價時，可選取表6 的指標(biāo)及權(quán)重。

表6 簡化版評價指標(biāo)及權(quán)重

開展簡易評價時，可根據(jù)待評價邊坡的實(shí)際情況，再次細(xì)化每個評價指標(biāo)的權(quán)重。通常，每個評價指標(biāo)可分設(shè)5 個等級(很好、好、一般、較差、很差)，每個等級分別對應(yīng)分?jǐn)?shù)100～90、89～70、69～40、39～10、9～0。這種簡化版的評價權(quán)重靈活，貼近實(shí)際，較好地結(jié)合了定量與定性綜合評價的特點(diǎn)，推廣適用性更強(qiáng)。

2.3 數(shù)量生態(tài)學(xué)評價法

數(shù)量生態(tài)學(xué)評價法的基本原理是通過設(shè)置評估參數(shù)、計(jì)算生態(tài)位寬度與生態(tài)位相似性比例、數(shù)量排序的方式對邊坡生態(tài)工程的恢復(fù)效果開展定量評價。

依照邊坡生態(tài)工程的特點(diǎn)，從生態(tài)工程與生態(tài)恢復(fù)角度出發(fā)，其恢復(fù)效果評價指標(biāo)應(yīng)包含生態(tài)指標(biāo)(生物多樣性、優(yōu)勢種生態(tài)位)、植物結(jié)構(gòu)指標(biāo)(物種分布、物種組成)、土壤指標(biāo)(土壤養(yǎng)分含量、植物與土壤的相互關(guān)系)、景觀指標(biāo)(景觀協(xié)調(diào)性)以及工程指標(biāo)(穩(wěn)固性、有效性)。通過評價這些指標(biāo)，能夠進(jìn)一步從專業(yè)層面提升生態(tài)恢復(fù)評價的系統(tǒng)性與完整性。其中，植物群落物種(特別是優(yōu)勢種)的生態(tài)位和種間關(guān)系在理解種群關(guān)系、群落結(jié)構(gòu)與功能及群落演替方面起著重要作用。

2.3.1 設(shè)置評估參數(shù)

2.3.1.1 物種多樣性指數(shù)

選用Margalef 指數(shù)(R)、Simpson 指數(shù)(D)和Shannon-Wiener 指數(shù)(H)測量植物群落的物種豐富度、均勻度及綜合多樣性，選用Pielou 均勻度指數(shù)(E)測量植物群落物種分布的均勻度。其中，Margalef 指數(shù)(R)為豐富度指數(shù)，表征群落內(nèi)物種種類的豐富程度，R值越高，表明群落內(nèi)物種種類越豐富；Shannon-Wiener 指數(shù)(H)為多樣性指數(shù)，綜合反映群落物種的豐富度和均勻程度，H值越大，表明物種間個體分配越均勻，群落所包含的信息越多；Simpson 指數(shù)為(D)優(yōu)勢度指數(shù)，表征群落內(nèi)物種優(yōu)勢種的離異程度，D值越高，表明群落內(nèi)優(yōu)勢度高的物種越少，群落物種的離異程度越高。各指數(shù)的計(jì)算公式分別如下所示。

Margalef 指數(shù):

Simpson 指數(shù):

Shannon-Wiener 指數(shù):

Pielou 指數(shù):

式中:S——調(diào)查樣方中物種的總數(shù)，個；

N——調(diào)查樣方中個體的總數(shù)，個；

Pi——某個植物數(shù)量占所有植物總數(shù)的百分

比，%。

由于物種多樣性指數(shù)的研究對象各有側(cè)重，如Margalef 指數(shù)以群落中所有物種個體數(shù)為研究對象，因此使用時需結(jié)合實(shí)際情況，采用不同的物種多樣性指數(shù)進(jìn)行綜合分析。

2.3.1.2 物種重要值

物種重要值反映的是某一物種在群落中的地位和作用的綜合指數(shù)。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，可分別計(jì)算木本植物及草本植物的物種重要值。

木本層重要值的計(jì)算公式如下:

草本層的重要值計(jì)算公式如下:

其中:

2.3.2 計(jì)算生態(tài)位寬度和生態(tài)位相似性比例

2.3.2.1 生態(tài)位寬度

生態(tài)位寬度是描述植物利用資源環(huán)境狀況的指標(biāo)。生態(tài)位寬度越大，說明該物種利用資源的能力越強(qiáng)，其分布幅度就越大；反之，則說明該種的特化程度較高。生態(tài)位寬度采用Levins 公式計(jì)算:

其中:

式中:Bi——物種i的生態(tài)位寬度；

Pij——物種i在第j個資源位的資源量占該物

種利用全部資源位的比例，%；

nij——物種i在資源j上的重要值；

r——資源位的數(shù)量，即調(diào)查樣方數(shù)，個；

Ni——物種i利用的全部資源位。

公式的值域?yàn)閇0，1]。

2.3.2.2 生態(tài)位相似性比例

生態(tài)位相似性比例是指同一個資源序列中的兩個物種利用資源的相似程度。參照已有研究成果[6]進(jìn)行計(jì)算:

式中:PSik——物種i與物種k兩物種生態(tài)位的相似性比例，%；

Pij——物種i在資源位j上的重要值；

Pkj——物種k在資源位j上的重要值；

r——資源位的數(shù)量，即調(diào)查樣方數(shù)，個；

公式的值域?yàn)閇0，1]。

2.3.3 數(shù)量排序

數(shù)量排序是研究植被連續(xù)變化的方法，是用數(shù)學(xué)的方法將樣方或植物物種排列在一定的空間中，運(yùn)用排序軸反映生態(tài)梯度，從而解釋植物物種、植物群落的分布與環(huán)境之間的關(guān)系。為了簡化計(jì)算并使定性因素參與計(jì)算，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式建立隸屬函數(shù)，將坡向和坡位轉(zhuǎn)換為編碼尺度，其中坡向和坡位的賦值詳見表7、表8。

表7 坡向轉(zhuǎn)換為編碼尺度賦值表

表8 坡位轉(zhuǎn)換為編碼尺度賦值表

基于以上賦值，采用去趨勢對應(yīng)分析(DCA)、冗余分析(RDA)、典型相關(guān)分析(CCA)的矩陣數(shù)據(jù)和蒙特卡洛檢驗(yàn)(95%置信度)分析物種分布、物種多樣性與環(huán)境因子的關(guān)系。根據(jù)去趨勢對應(yīng)分析結(jié)果，選擇冗余分析對環(huán)境因子和物種多樣性指數(shù)矩陣進(jìn)行排序。計(jì)算物種多樣性及優(yōu)勢種重要值，采用單向方差分析(ANOVA)和Duncan 法的5%顯著性水平的多范圍測試來評價不同坡向、不同坡位的物種多樣性和土壤養(yǎng)分的差異。RDA 和CCA 的分析及繪圖使用CANOCO 4.5 軟件。

3 結(jié)束語

邊坡生態(tài)工程是人工干預(yù)情景下的人為因素與自然過程的結(jié)合。邊坡生態(tài)系統(tǒng)作為一個活的系統(tǒng)，相較于前期較短時間內(nèi)的修復(fù)工程，后續(xù)植被恢復(fù)是一個漫長的過程，既需要長期監(jiān)測又需要定期對生態(tài)恢復(fù)效果開展評價。建立科學(xué)合理的生態(tài)恢復(fù)效果評價系統(tǒng)、選擇合適的生態(tài)恢復(fù)效果評價方法對后續(xù)工程管理工作起到指導(dǎo)性作用。實(shí)踐中，依照邊坡生態(tài)恢復(fù)效果評價結(jié)果，可科學(xué)判定恢復(fù)群落的發(fā)展趨勢及演替方向，對于評價過程中發(fā)現(xiàn)的新問題與新情況也可及時、快速、適當(dāng)?shù)卣{(diào)整生態(tài)恢復(fù)措施，從而更好地服務(wù)于邊坡生態(tài)恢復(fù)、鞏固生態(tài)恢復(fù)成果，助力邊坡生態(tài)恢復(fù)的長期穩(wěn)健發(fā)展。