边坡生态工程效果评价方法探究

吴 华 史永强

(1.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038；2.中国电建集团贵州工程有限公司，贵州 贵阳 550009)

0 前言

众所周知，生态恢复与治理工程正随着我国生态文明建设的大举推进如火如荼地开展。工程顺利竣工后的生态恢复效果评价更是必不可少的重要环节。边坡生态工程作为当下生态恢复工程的一个热门分支，近些年来在生态技术措施、工艺工法及植被群落恢复等方面的研究与实践中均取得了丰硕成果[1]。然而，目前边坡生态恢复效果评估方法的发展尚不成熟，暂未形成一个较完整的体系，多以环境影响评价的方式进行，且多是在开展边坡生态恢复前进行的本底环境调查与评估，针对边坡生态恢复后(特别是植被恢复后)的长效评估则少之又少[2]。开展边坡生态恢复与治理后，植被的恢复效果如何、形成的群落是否按照预期构建发展、导入的人工物种与自然物种能否和谐共存、人工干预建设的工程措施对植被是否有影响以及不同环境条件下经治理边坡的恢复效果如何等问题的研究都将为边坡生态工程的后续管理以及同类型工程的设计与管理提供科学支撑。

因不同边坡所处的地理位置、功能、文化及生活需求不同，边坡生态工程所制定的恢复目标也存在差异。但基本的恢复目标应围绕以下方面展开，如实现区域生态系统地表和基底的稳定性、保证一定的植被覆盖率与土壤肥力、减少地质灾害与污染、增强区域生物多样性、提高生态系统生产力与自我维持能力以及提高景观美学价值与文化内涵等。

因此，构建边坡生态工程效果评价系统，探究科学合理高效精准的边坡生态工程效果评价方法，将对后续相关工程的开展具有重要的意义。基于目前边坡生态工程效果评价存在的问题，本文建立了边坡生态恢复效果评价系统构架，探究了定性评价法、定量与定性相结合评价法和数量生态学评价法等三类边坡生态恢复效果评价方法。

1 边坡生态恢复效果评价系统

边坡生态工程是一项系统性工程，因其恢复效果的评价涵盖面广泛，除了加强有关生态退化、重建机理与生态恢复过程的研究外，还应加强学科之间的合作，从工程、生态、景观美学、项目管理等多个层面上认识工程的恢复效果。特别是，工程层面应包含岩土力学、岩土工程学、水文地质学、矿冶采选等学科对边坡加固防护与地质灾害防治的理论指导；在生态层面，应用植物学、群落生态学、恢复生态学、景观生态学、环境学、生态工程学、土壤学、园林学、园艺学等学科理论，促使边坡形成具有自我调节能力和修复功能的稳定生态系统。通过多学科的协同合作，建立系统的生态恢复效果评价的理论框架，拓展评价思路，并结合边坡生态工程的特点建立并完善评价体系；同时要注重边坡生态工程恢复效果评价与后续监测的紧密结合，从而构建起一套长期、持续的监测与评价机制。

1.1 生态系统植被恢复评价的原则

国际生态恢复协会曾提出生态系统植被恢复应基于以下九大基本原则:1)具有与参考点相似的物种多样性和群落多样性；2)具有本地种；3) 具有对生态系统长期稳定起重要作用的功能群体；4) 具有能够为生态系统种群繁殖提供生境的能力；5) 具有生态系统功能维持能力；6)生态系统景观具有整体性；7)能够消除生态系统的潜在威胁；8) 对自然干扰具有恢复力；9) 具有自我维持能力，能为生态系统恢复评价指标选择提供方向[3]。

1.2 生态恢复评价指标选取标准

生态恢复评价指标应包括物种多样性指标、植被结构指标以及生态过程指标。在评价的过程中，评价指标应多样化且指标之间应相互关联，只有这样才能开展全面且准确的综合分析。其中，物种多样性指数反映群落种类组成、群落结构水平及群落的稳定性与复杂性，既能体现生物之间以及生物与环境之间的复杂关系，又能表征生物资源的丰富程度。边坡生态工程前期以人工植被导入为主，因此在评价恢复效果时，要特别注重植被与土壤、植被与环境因子之间的相互作用，探讨其生态效应。

1.3 边坡生态恢复效果评价系统架构

根据植被恢复的九大基本原则与生态恢复指标的选取标准，边坡生态恢复效果评价系统的建立主要包括以下8 个过程(图1):1)生态环境回顾分析，全面审视受损生态环境的影响；2)选择生态恢复效果评价的参照系；3)筛选生态恢复效果评价的主要影响指标，指标要能同时表征评价对象和参照生态系统；4)确定参数的分析方法，采用野外采样结合实验室分析的方法得到数据的时间序列；5)筛选并整合生态恢复效果评价方法；6)获得生态恢复效果评价结果，利用生态评价综合指标参数判断边坡生态恢复程度；7)紧密关联评价指数与生境因子；8)后续恢复建议，根据评价认知，制定未来预防措施、生态恢复措施、建议及发展战略。

2 边坡生态恢复效果评价方法

边坡生态工程恢复效果的评价方法包含定性评价法、定性与定量相结合评价法及数量生态学评价法。

2.1 定性评价法

边坡生态恢复效果评价非常复杂，评价因子多且不容易量化。在工程效果评价的过程中，各方因认知差异难于就评价标准形成共识，因而出现了许多删繁就简的定性评价方法。目前，边坡生态工程中常用的定性评价法主要包括植物多度分级法、植物盖度等级法、综合定性评价法等。

2.1.1 植物多度分级法

植物多度分级法主要是对建植群落中植物的多度指标进行分级评价，是一种典型的定性评价方法。植物多度分级评价见表1。2012 年，许小娟等[4]在舟山某矿山开展边坡生态环境治理植物恢复状态评价时即采用该方法分析统计所调查边坡16 个样方内的植物多度。

图1 边坡生态恢复效果评价系统构架

表1 植物多度分级

2.1.2 植物盖度等级法

植物盖度等级法是从空间分布上评价建植群落中植物的生长恢复情况，虽采用数据度量，但不深入本质，故归类为定性评价法。植被盖度等级划分见表2。2005 年，潘树林等[5]在成南高速岩石边坡植被恢复效果评价时即采用了植物盖度等级法。

表2 植被盖度等级划分

2.1.3 综合定性评价法

综合定性评价法是从多个方面，如边坡植物个体与环境的相互关系、边坡植物种群水平、边坡植被群落水平、边坡生态系统功能与服务，以及边坡景观尺度等，对边坡植被的恢复状况进行综合定性评价后，通过人为确定权重贡献的方式进行指标权重赋值，将各个方面的评分整合后得到边坡恢复植被的综合生态得分，然后对边坡生态恢复效果进行评价(表3)。

表3 综合生态得分评价

2.2 定性与定量相结合评价法

定性与定量相结合评价法是一个针对评价对象的复杂判断过程，由评价者根据评价标准对评价对象的各个方面进行量化与非量化的综合评价，从而最终得出一个严谨可靠的结论。评价过程中会不可避免地遇到多个方面及多个层次的指标，故需要建立能够表征评价对象各方面特性及联系的指标体系。由于边坡生态工程涉及工程范围广泛、综合性强，且不确定因素较多，研究学者与工程实践人员经过多年探索，筛选出了具有代表性的评价指标，并结合模糊系统理论与灰色系统理论，采用层次分析法(AHP 法)提出了多种评价指标体系。

2.2.1 指标体系评价法

指标体系评价法首先要建立指标体系的层次模型，如图2 所示。从层次模型中可以看到，边坡生态工程效果评价(A 层)为层次模型的最高层，即目标层，以下各层都是为了实现该目标层而服务的。目标层的评价主要从三个方面来实现，这三个方面即构成了层次模型的B 层。B 层的各个要素(B1、B2、B3)则由再次细化的指标构集C1、C2、C3……C6 支撑，它们形成了层次模型的C 层。

图2 边坡生态工程效果评价指标体系层次结构模型

依照边坡生态工程的特点，边坡生态工程效果评级体系共选取19 个评价指标，具体统计指标名称、指标构成、指标说明、代码及统计计算方法见表4。

表4 边坡生态工程效果评价指标体系与指标构成

2.2.2 指标体系的评价方法

指标体系中涉及模糊标准，故采用模糊综合评价法，按如下过程计算评价值:

1)取因素集U={工程效果指标U1，生态效果指标U2，景观效果指标U3}。

2)取评语集V={很好V1，好V2，一般V3，较差V4，很差V5}。

3)确定各因素对应的权重，如A=(0.515 7，0.371 2，0.113 1)，基层E 层权重见表5。

4)确定模糊综合评判矩阵，从下层单因素开始评价。

5)模糊综合评价，进行矩阵合成运算。可以根据不同需要，按照最大隶属原则、加权平均原则和模糊向量单值化三种方法得出最终评价结论。

表5 E 层评价权重

2.2.3 大类指标体系评价

大类指标体系的评价程序分为自评和专家评价。该体系的指标和评价方法较为清楚简单，完全适用于相关部门或单位开展自评。自评时可以对评价指标体系提出的基层指标逐一评分，然后用公式计算出总评分值。如果对基层指标中部分技术性或专业性较强的指标评分有困难，可以脱离基层指标，向上寻求概念更为宽广的高层指标，不过此时需要注意权重的合并。

在实际实施过程中，为了快速准确地得到评价结论，可采用简化版评价体系。简化版评价体系主要是基于恢复边坡与周边自然边坡、边坡未破坏时的对照结果开展评价，旨在利用简单可行的方法快速了解边坡生态恢复工程效果。进行简易评价时，可选取表6 的指标及权重。

表6 简化版评价指标及权重

开展简易评价时，可根据待评价边坡的实际情况，再次细化每个评价指标的权重。通常，每个评价指标可分设5 个等级(很好、好、一般、较差、很差)，每个等级分别对应分数100～90、89～70、69～40、39～10、9～0。这种简化版的评价权重灵活，贴近实际，较好地结合了定量与定性综合评价的特点，推广适用性更强。

2.3 数量生态学评价法

数量生态学评价法的基本原理是通过设置评估参数、计算生态位宽度与生态位相似性比例、数量排序的方式对边坡生态工程的恢复效果开展定量评价。

依照边坡生态工程的特点，从生态工程与生态恢复角度出发，其恢复效果评价指标应包含生态指标(生物多样性、优势种生态位)、植物结构指标(物种分布、物种组成)、土壤指标(土壤养分含量、植物与土壤的相互关系)、景观指标(景观协调性)以及工程指标(稳固性、有效性)。通过评价这些指标，能够进一步从专业层面提升生态恢复评价的系统性与完整性。其中，植物群落物种(特别是优势种)的生态位和种间关系在理解种群关系、群落结构与功能及群落演替方面起着重要作用。

2.3.1 设置评估参数

2.3.1.1 物种多样性指数

选用Margalef 指数(R)、Simpson 指数(D)和Shannon-Wiener 指数(H)测量植物群落的物种丰富度、均匀度及综合多样性，选用Pielou 均匀度指数(E)测量植物群落物种分布的均匀度。其中，Margalef 指数(R)为丰富度指数，表征群落内物种种类的丰富程度，R值越高，表明群落内物种种类越丰富；Shannon-Wiener 指数(H)为多样性指数，综合反映群落物种的丰富度和均匀程度，H值越大，表明物种间个体分配越均匀，群落所包含的信息越多；Simpson 指数为(D)优势度指数，表征群落内物种优势种的离异程度，D值越高，表明群落内优势度高的物种越少，群落物种的离异程度越高。各指数的计算公式分别如下所示。

Margalef 指数:

Simpson 指数:

Shannon-Wiener 指数:

Pielou 指数:

式中:S——调查样方中物种的总数，个；

N——调查样方中个体的总数，个；

Pi——某个植物数量占所有植物总数的百分

比，%。

由于物种多样性指数的研究对象各有侧重，如Margalef 指数以群落中所有物种个体数为研究对象，因此使用时需结合实际情况，采用不同的物种多样性指数进行综合分析。

2.3.1.2 物种重要值

物种重要值反映的是某一物种在群落中的地位和作用的综合指数。根据调查结果，可分别计算木本植物及草本植物的物种重要值。

木本层重要值的计算公式如下:

草本层的重要值计算公式如下:

其中:

2.3.2 计算生态位宽度和生态位相似性比例

2.3.2.1 生态位宽度

生态位宽度是描述植物利用资源环境状况的指标。生态位宽度越大，说明该物种利用资源的能力越强，其分布幅度就越大；反之，则说明该种的特化程度较高。生态位宽度采用Levins 公式计算:

其中:

式中:Bi——物种i的生态位宽度；

Pij——物种i在第j个资源位的资源量占该物

种利用全部资源位的比例，%；

nij——物种i在资源j上的重要值；

r——资源位的数量，即调查样方数，个；

Ni——物种i利用的全部资源位。

公式的值域为[0，1]。

2.3.2.2 生态位相似性比例

生态位相似性比例是指同一个资源序列中的两个物种利用资源的相似程度。参照已有研究成果[6]进行计算:

式中:PSik——物种i与物种k两物种生态位的相似性比例，%；

Pij——物种i在资源位j上的重要值；

Pkj——物种k在资源位j上的重要值；

r——资源位的数量，即调查样方数，个；

公式的值域为[0，1]。

2.3.3 数量排序

数量排序是研究植被连续变化的方法，是用数学的方法将样方或植物物种排列在一定的空间中，运用排序轴反映生态梯度，从而解释植物物种、植物群落的分布与环境之间的关系。为了简化计算并使定性因素参与计算，根据经验公式建立隶属函数，将坡向和坡位转换为编码尺度，其中坡向和坡位的赋值详见表7、表8。

表7 坡向转换为编码尺度赋值表

表8 坡位转换为编码尺度赋值表

基于以上赋值，采用去趋势对应分析(DCA)、冗余分析(RDA)、典型相关分析(CCA)的矩阵数据和蒙特卡洛检验(95%置信度)分析物种分布、物种多样性与环境因子的关系。根据去趋势对应分析结果，选择冗余分析对环境因子和物种多样性指数矩阵进行排序。计算物种多样性及优势种重要值，采用单向方差分析(ANOVA)和Duncan 法的5%显著性水平的多范围测试来评价不同坡向、不同坡位的物种多样性和土壤养分的差异。RDA 和CCA 的分析及绘图使用CANOCO 4.5 软件。

3 结束语

边坡生态工程是人工干预情景下的人为因素与自然过程的结合。边坡生态系统作为一个活的系统，相较于前期较短时间内的修复工程，后续植被恢复是一个漫长的过程，既需要长期监测又需要定期对生态恢复效果开展评价。建立科学合理的生态恢复效果评价系统、选择合适的生态恢复效果评价方法对后续工程管理工作起到指导性作用。实践中，依照边坡生态恢复效果评价结果，可科学判定恢复群落的发展趋势及演替方向，对于评价过程中发现的新问题与新情况也可及时、快速、适当地调整生态恢复措施，从而更好地服务于边坡生态恢复、巩固生态恢复成果，助力边坡生态恢复的长期稳健发展。