基于層次分析法的北方河岸植被緩沖帶評價體系

河岸帶生態系統具有明顯的邊緣效應，是地球生物圈最復雜的生態系統之一。河岸帶生態系統對增加動植物物種種源、提高生物多樣性和生態系統生產力、進行水土污染治理和保護、穩定河岸、調節微氣候和美化環境、開展旅游活動等均有重要的現實和潛在價值。作為河岸帶生態恢復的重要組成部分,河岸植被緩沖帶綜合評價指標體系的建立能夠為河岸帶近自然生態恢復配置模式的構建和管理措施的提出提供科學參考依據。目前在國內有關于河岸帶評價的研究報道,但對于植被帶本身的研究還較少。筆者以山西沁河上游作為河岸帶重建基礎部分的植被緩沖帶為對象,運用基于層次分析法(AHP)的評價方法,構建了適合沁河上游河岸帶實際的評價指標體系。1調查方法及數據來源研究地選擇在山西省沁河的赤石橋河和紫紅河,均為沁河的一級支流。其中赤石橋河發源于平遙縣東南部五子溝,流域面積為415.63hm2,河長為39km,河道縱坡14/1000,河床糙率為0.024,河床多為礫石和砂,較為穩定。流域內地貌以土石山區、林區為主,也有少量為土山區和丘陵階地。流域內氣候屬暖溫帶大陸性氣候,多年平均降雨量為657.7mm,平均氣溫8.6℃,多年平均徑流量4500萬m3。紫紅河發源于沁源縣東北部景鳳鄉的楊家嶺,流域面積為394km2,河長為50km,河道縱坡14/1000,河床糙率為0.026,河型為順直型,河床多為礫石和砂,較為穩定。流域內地貌以土石山區,海拔在1100～1642m之間。流域內氣候屬暖溫帶大陸性氣候,多年平均降雨量為680.7mm,平均氣溫8.6℃,多年平均徑流量4300萬m3。按照全面普查和重點調查、已有資料收集和實地勘測相結合的方法調查獲取評價指標的數據資料。已有資料為現有地圖資料(包括河流周邊行政區劃圖、植被分布圖、地形地貌圖、水利樞紐分布圖、氣象云圖等)和已有的統計數據資料(包括水文、氣象、自然地理、自然災害等)。除此之外,進行實地測量以獲得實時數據。調查內容包括:(1)河道特性調查,河流生態狀況(河道形態、水質狀況);(2)河岸特性調查,岸坡特性(岸坡土壤類型、岸坡巖土類型、岸坡結構、岸坡坡度、岸坡高度);(3)河岸植被調查,岸坡生物(植物種類、植被密度、植被層次、植被種類豐富度、植被搭配形式、覆蓋率、岸邊植被間斷長度、當地鄉土物種覆蓋比例);(4)人類活動調查,河岸周邊土地利用類型(林地、農田、居住地等)、河岸周邊水土流失情況。選定赤石橋河源頭和紫紅河源頭其中一段河岸作為對象,于2007年3月至4月進行河岸帶調查。以橫斷面為調查尺度,在所要調查的河段內以一定的間距隨機布置一定數量的橫斷面,寬度取30～50m,調查方法主要為樣方法和目測估計法。赤石橋河每2km、紫紅河每3km作為一個調查斷面,最終收集赤石橋河源頭的9個斷面(1#—9#)、紫紅河源頭的4個斷面(1#—4#)的調查數據。2建立河岸帶綜合評價指標體系2.1河岸植被緩沖帶綜合評價指標體系的構建根據對研究地河岸帶特性調查的情況,并按照科學性、可表征性、可度量性和可操作性的原則,從河流健康狀況、岸坡穩定性、河岸帶土壤條件、河岸帶植被條件等4個方面選取16個因子構建河岸植被緩沖帶綜合評價體系,形成包括目標層、指數層、指標層的層次結構(表1)。2.1.1河流健康(1)河流水文自然過程河道渠化是指對河道進行包括人工裁彎、縮窄河床和固化河岸等人為影響措施,會在一定程度上影響河流流態、生境等。將河道渠化程度分為4個等級:Ⅰ級.無渠化和淤積,河流保持自然狀態;Ⅱ級.存在少量拓寬、挖深河道等現象,無明顯渠化;Ⅲ級.存在部分渠化,兩岸筑有堤壩;Ⅳ級.渠化嚴重,河岸、河床都已渠化。(2)增加水的自我凈化功能河道蜿蜒性作為河流的重要特征,有利于形成多樣的生境,在保護生態資源的同時,也增加了河水的自我凈化功能。彎曲率為河道的長度與其直線距離之比值,一般在1～5之間,順直河道彎曲率為1.0～1.2,而彎曲率1.2～5.0的稱為彎曲河道。(3)基底巖石學和魚類和水生生物主要是指細小的泥沙和淤泥在河流底部物質中所占的比例,也可以理解為河流底部的巖石之間是否被細小的泥沙和淤泥所填滿。河流中的魚類和水生生物大多寄居在巖石之間的空隙中,如果河流基底物質中有大量的細小的泥沙和淤泥將巖石間的空隙填滿,則會使魚類和水生生物失去生存空間?；孜镔|組成的等級劃分為:Ⅰ級.河流底部基本沒有細小泥沙或淤泥包圍巖石;Ⅱ級.巖石部分被細小泥沙或淤泥包裹,但較易分離;Ⅲ級.大部分巖石已被細沙和淤泥包裹,且較難分離;Ⅳ級.巖石已深陷入細沙和淤泥中,基本不可見。(4)浮游植物的類型通常是指浮游藻類,浮游藻類可以看作是否有大量營養物質進入水體的標志。浮游植物的分解需要消耗水中大量的溶解氧,當大量耗氧導致其缺氧發生死亡時,河流水質會迅速惡化變黑,影響河流生態環境。將浮游植物的狀況劃分為:Ⅰ級.基本沒有浮游植物;Ⅱ級.有少量浮游植物且都在水面以下;Ⅲ級.浮游植物很多,且主要在水面以上;Ⅳ級.水面上存在大量浮游植物。2.1.2岸壁穩定性(1)地表徑流的速度控制坡度首先是影響河道對洪水的調蓄能力,岸坡越平緩,經過河岸帶的地表徑流的速度能得到有效減緩,其攜帶的懸浮顆粒物的沉降越明顯,截留效果越好,反之截留效果較差。坡度越陡越容易受地表徑流的沖刷而產生失穩現象(2)岸壁侵蝕以侵蝕區域所占比例表示。侵蝕程度越大,岸坡越容易失穩發生垮塌,從而破壞河岸帶的結構和生態功能的發揮。(3)植被對坡面的影響這里專指位于斜坡上的植被密度。如果岸坡上的植被稀疏甚至沒有植被,岸坡就不能起到減緩水流流速的作用,進而導致侵蝕的發生,影響岸坡的穩定。茂密的岸坡植被不僅能夠有效過濾泥沙和污染物質,而且能夠為河流內的魚類和水生生物輸送營養物質。2.1.3河岸地區的土壤條件(1)粉砂壤顆粒組合表示土壤顆粒的粗糙或細致程度,是指土壤中不同大小直徑的礦物顆粒,如沙土、粉狀土、黏土的組合狀況。分級標準為:Ⅰ級.黏壤土,穩定,有黏性;Ⅱ級.粉砂壤,晶?；静豢梢?有少量黏性;Ⅲ級.粉狀土,晶粒稍可見,易被碾碎,較穩定;Ⅳ級.砂壤,晶?？梢?未成團,不穩定。(2)土壤團聚體分級是指沙土、粉土、黏土在土壤中的膠結形式,即土壤團聚體的狀態。一般認為,團聚體多是土壤肥沃的標志之一。分級標準為:Ⅰ級.土壤團聚體呈顆粒狀,直徑小于1cm,膠結較好;Ⅱ級.團聚體呈片狀;Ⅲ級.團聚體呈塊狀,邊緣呈棱角狀,直徑6～8cm;Ⅳ級.呈柱狀,直徑大于10cm。2.1.4河岸地區的植被條件(1)帶的寬度寬度范圍是從岸坡的最上端直至植被明顯變化的邊界。該指標表征了河岸帶生境橫向聯通的自然性。(2)河岸植被進入水體通道連續性是反映廊道如何連接以及在空間上連續的程度,河岸植被間斷的部分或者河岸上形成的沖溝、小溪等會成為沉積物或污染物質更快速的進入河流水體的通道。用間斷分布面積占河岸帶單位固定面積的比例來表示。(3)植被覆蓋率植被覆蓋度高意味著有較多的根系和枯落物來截留和過濾地表徑流中所攜帶的沉積物和污染物,植被越密集,過濾效果越好。(4)生物多樣性用Shannon-Wiener多樣性指數表示物種多樣性。該指標是對群落結構和功能復雜性的一種度量,反映出植被群落所處的組織水平。(5)植被水平植被的層次主要指河岸帶植物中喬木、灌木和草本植物分別所占的比例和搭配形式。(6)當地種子的比例河岸帶植被中土著種越多,河岸帶看上去就越接近天然狀態,其生態功能也就越強。(7)降低河流溫度當陽光直射河流水面時,計算陰影面積占整個水面總面積的比例來表示植被的遮陰率。河岸帶植被的林冠層能夠為河流提供遮蔽,從而降低河流的溫度。保持較低的溫度對河流生態系統十分重要,因為一些魚類無法在溫暖的水環境中生存,過高的水溫還會增加污染物質對水質的負面影響。此外,遮陰率越高,植被的根系越發達,岸坡穩定性就越強。2.2計算權重各指標因子權重的計算是整個評價過程中關鍵的一步,權系數的大小分配是否合理是關系到評價成果是否合理的關鍵。2.2.1相鄰判斷中間級別根據已構建的評價層次結構,對指數層中的各指標的重要性做兩兩比較,以1～9標度法表示重要值,即:1.比較的兩個指標同等重要;3.一個指標比另一指標稍重要;5.一個指標比另一指標明顯重要;7.一個指標比另一指標強烈重要;9.一個指標比另一指標絕對重要;2、4、6、8.前述相鄰判斷的中間級別,需要折中時采用。由此構成判斷矩陣。根據判斷矩陣,求出最大特征根λmax所對應的特征向量,所求的特征向量即為各評價因素重要性排序,也就是權重分配。2.2.2確定綜合評價的指標層一致性檢驗的方法是通過計算判斷矩陣的隨機一致性比率(CR)來檢驗,即:CR=CI/RI,當CR<0.1時即可認為判斷矩陣具有滿意的一致性,說明權重分配是合理的。CI稱為判斷矩陣的一般一致性指標:CI=(λmax-n)/(n-1)。RI稱為判斷矩陣的平均一致性指標,對于1～9階矩陣,RI值分別為1(0.00)、2(0.00)、3(0.58)、4(0.90)、5(1.12)、6(1.24)、7(1.32)、8(1.41)、9(1.45)。指數層的計算如下:F=∑i=1mfi×DiF=∑i=1mfi×Di。式中:F為指數層中某個指數的評價值;fi為指標層中第i個指標的評分值;Di為指標層中第i個指標的權重;m為指標層中指標的個數。將同一層次的各個指標加權平均算得上一層次的某一指標的評價值,逐層計算,最終得到目標層的綜合評價值。4個指數層值加權,即得到河岸帶生態狀況綜合評價的評分值,記為S。S≥3.6表示緩沖帶處于“理想狀態”;2.5≤S<3.6,表示“良好狀態”;1.5≤S<2.5表示“一般狀態”;S<1.5表示“較差狀態”。3指數層指標權重河岸帶土壤條件指數層中的2個二級指標土壤質地和土壤結構的重要性視為相同,權重均為0.5。通過對河流健康狀況、岸坡穩定性、河岸帶植被條件3個指數層下的各個指標構造的判斷矩陣最大特征根的求解,其最大特征根λmax1=4,λmax2=3,λmax3=7,對其對應的特征向量標準化和歸一化,得到指標層各指標的權重。對于各指數層,λmax=n,表明判斷矩陣均具有滿意的一致性。指數層及指標層的權重見表2。根據沁河上游河岸帶調查的結果,赤石橋河9個斷面的綜合評分值的平均值為3.34,所處等級為“良好”,紫紅河4個斷面的綜合評分值的平均值為2.57,僅處于“一般”狀態。4