刘志爽,田 丰,,丁 会,程 跃,彭书传

(1.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009; 2.安徽长之源环境工程有限公司,安徽 合肥 230088)

生态环境是人类赖以生存的基础,人类社会的生存和发展离不开良好的生态环境的支持。快速的城镇化进程和不合理的土地利用激化了人地矛盾和生态环境的负效应[1],1978—2016年中国年均城镇化增长率为1.01%,一些不合理的土地利用引发了植被覆盖度降低、生物多样性减少、景观破碎度加剧生态环境恶化等问题[2]。

景观生态系统是在自然状态下受外来干扰和自身调节的双重作用下演替发展的具有特定结构、功能与特征的土地镶嵌体,其随着系统自身稳定和受干扰程度的影响而变化[3]。景观生态质量反映了景观生态系统维持自身结构与功能稳定性和抗外来干扰的能力,是衡量生态系统生态环境及其稳定性的重要因素[4]。生态完整性指生态系统在结构和功能上都具有完整性,是一种自然特性,可以使生态系统维持各生态因子相互关系并使状态达到最佳,生态完整性在一定程度上也反映了生态系统的健康程度[5]。

本文根据景观生态学原理,考虑景观结构和稳定性因素,采用景观优势度、生态系统生产力和景观多样性3个景观格局指数,综合评价某抽水蓄能电站的生态完整性,为同类水电站建设工程项目的生态完整性评价提供参考。

1 评价区概况与评价方法

1.1 评价区概况

某抽水蓄能电站区域属亚热带湿润季风性气候,气候温和,雨量丰沛,四季分明,光照适宜,梅雨显著。据气象站历年实测资料统计,多年平均气温16 ℃,平均相对湿度76%,年平均风速为1.9 m/s。工程总装机容量1 800 MW;电站上水库正常蓄水位961 m,总库容1 110×104m3,有效库容867×104m3,集水面积1.8 km2;电站下水库正常蓄水位340 m,总库容1 260×104m3,有效库容903×104m3,集水面积7.8 km2(含上水库1.8 km2)。

1.2 评价方法

生态系统完整性评价需要使用多个生态指标,并通过数学方法形成综合指数来描述生态系统的组成和功能性质[6]。本文对该电站的生态完整性进行综合评价,生态系统的结构合理性以景观优势度值表示,恢复稳定性以生态系统生产力表示,阻抗稳定性用景观多样性指数表示。这3个景观格局指数不仅能够体现生态系统的自组织能力,而且能体现景观内部异质性和多样性,从多方面反映水电工程建设对区域生态系统完整性的影响。

(1) 景观优势度。景观斑块优势度(Do)由景观密度(Rd)、频率(Rf)和景观比例(Lp)3个参数计算得出,其数学表达式如下:

Rd=(k/nk)×100%,

Rf=(Yk/NY)×100%,

Lp=(Sk/NS)×100%,

Do=0.5[0.5(Rd+Rf)+Lp]×100%,

其中:k为第i种斑块的数目;nk为斑块总数;Yk为斑块出现的样方数;NY为总样方数;Sk为斑块的面积;NS为样地总面积。

(2) 生态系统生产力。生态系统生产力主要通过植被平均生产力、现存生物量和植被覆盖度3个方面综合反映。陆地生态系统植被生产力反映了植物通过光合作用吸收大气中的CO2,转化光能为化学能,同时累积有机干物质的过程,体现了陆地生态系统在自然条件下的生产能力,是估算地球支持能力和评价生态系统可持续发展的重要指标[7]。某一特定时刻的生物量是一种现存量,对评价区植被生物量的分析研究有助于了解植被的生长状况以及评价区域自然环境的变化情况,掌握区域自然植被的恢复规律[8]。植被覆盖度采用绿色植被所占面积与评价区总面积之比进行计算。

(3) 景观多样性。景观的种类、分布情况及种间数量都影响多样性指数的高低。景观多样性采用Shannon-Winer多样性指数(H)表征,计算公式为:

其中:Pi为第i种景观的个体数ni占个体总数N的比例,即Pi=ni/N;n为景观类型数。当Pi=1/n时,Shannon-Winer多样性指数具有最大值Hmax,此时各个景观类型的面积比例相同,各景观类型在景观体系中分布的均匀度也达到最大。

2 生态完整性评价

2.1 水电工程对生态系统景观优势度的影响

通过地理信息系统(geographic information system, GIS)和遥感(remote sensing,RS)技术等方法,获得区域景观类型图,得到评价区范围内各类斑块情况,见表1所列。由表1计算得出工程建设前后评价区内景观优势度的大小,见表2所列。

表1 某抽水蓄能电站工程评价区内各斑块情况

表2 工程建设前后评价区内景观优势度

由表1、表2可知:建设后林地、灌丛草地、农田和山地的优势度值均下降,林地的下降幅度较大(下降4.77%),农田和山地下降幅度较小(下降2.38%),灌丛草地下降幅度最小(下降1.28%);水域、建筑用地和其他用地的优势度值均有不同程度的上升,其中水域在建设后优势度为6.60%(增加4.73%),建筑用地及其他用地为6.94%(增加3.77%)。将景观类型按建设后景观优势度从大到小进行排序,依次为林地、灌丛草地、建筑用地和其他用地、水域、农田和山地,其优势度值的排序与建设前相比发生改变,但是林地优势度值仍为最大,其次为灌丛草地,由此可见工程建设后优势景观地形仍为林地和灌丛草地。从变化的幅度来看,各类型优势度值变化均不超过7%。上述结果表明,工程项目的建设对评价区内景观系统的结构影响较小。

2.2 水电工程对生态系统生产力的影响

2.2.1 植被平均生产力

植被的平均生产力能够反映区域整体植被的生长状况,对区域生态系统的稳定性、完整性评价具有重要的参考价值。评价区各植被类型单位面积生产力[9]、总生产力的变化情况见表3所列。

表3 工程建设前后评价区内生产力变化情况

从表3可以看出:工程建设前总生产力为31 366.45 t,工程建设后为29 522.01 t,减少1 844.44 t,下降比例为5.88%;从单一的植被类型看,总生产力最大的为马尾松林,建设前生产力为28 802.14 t,建设后下降为27 048.14 t,生产力损失6.09%;总生产力最小的为经济林,建设前为69.67 t,建设后为50.04 t,减少19.63 t,生产力损失比例为28.17%,为评价区最大值;建设前不同植被总生产力由大到小依次为马尾松林、常绿阔叶林、杉木林、经济林、毛竹林、针阔混交林,建设后总生产力排序没有发生变化;不同植被生产力损失比例从大到小依次为经济林、马尾松林、毛竹林、针阔混交林、常绿阔叶林、杉木林,总生产力的损失比例不超过10%。上述结果表明,自然演变和人类的开发活动对该区域自然系统的生产能力产生一定影响,评价区植被生产力有所降低。

2.2.2 现存生物量

生物量不仅是物质、能量和价值的载体,也是生态系统结构与功能评价的重要指标[10]。工程建设前后评价区内生物量变化情况见表4所列。

表4 工程建设前后评价区内生物量变化情况

由表4可知:该电站工程建设前评价区内总生物量为105 418.94 t,马尾松林为生物量最大的植被类型,其生物量为82 420.49 t，其次为常绿阔叶林(19 143.33 t),针阔混交林与经济林的生物量相对较少,其值分别为460.01、318.76 t;工程建设后评价区内总生物量为99 635.52 t,生物量最大的仍为马尾松林,其值为77 390.25 t,占总生物量的77.67%,为区域的优势种,而经济林的生物量最小,其值为228.97 t,仅占总生物量的0.23%;工程建设后评价区总生物量比建设前减少5 783.48 t,损失比例为5.49%。总体而言,工程建成后各植被类型的生物量均有不同程度的损失,除经济林损失的比例略高,达28.17%,其他类型均未超过10.00%,且平均损失比为4.16%。

2.2.3 植被覆盖度

借助现场调查、GPS定位、资料收集等方法,获得整个评价区森林植被类型有6种、12个群系组、14个群系、19个群丛组。评价区内以针叶林和混交林为主,具有亚热带性质。植被垂直分布为采伐后经济林、针阔混交林、常绿阔叶林、杉木林、毛竹林、马尾松林等,还有部分沼泽。评价区建设前植被覆盖情况如图1所示,建设后植被覆盖情况如图2所示。

通过遥感数据解译,评价区工程建设前林地和灌丛草地的面积分别为873.43、25.06 hm2,2种土地利用类型占整个评价区面积的88.43%,即植被覆盖度为88.43%;工程建设后这2种土地利用类型的总面积为70.60 hm2,占整个评价区的68.90%,即植被覆盖度为68.90%。

图1 评价区建设前植被覆盖情况

图2 评价区建设后植被覆盖情况

2.3 水电工程对生态系统景观多样性的影响

根据遥感解译的结果,计算得出评价区生态系统变化对植被景观多样性的影响情况,见表5所列。

当各类植被景观面积相同时,即景观多样性达到最高,其Hmax为1.79。

由表5数据计算可知:工程建设前景观多样性指数H为0.88,占Hmax的49.16%;建设后H为0.87,占Hmax的48.60%。由此可知,该电站区域景观多样性程度处于适中水平,生态系统具有一定的阻抗干扰能力;同时,这也反映了由于人类干扰强度加大,该电站区域自然生态系统多样性受到一定的影响。

表5 工程建设前后评价区植被景观多样性指数变化

3 结 论

本文根据景观生态学的原理及方法,采用景观优势度、生态系统生产力和景观多样性3个景观格局指数评价某抽水蓄能电站生态完整性,得到以下结论:

(1) 工程项目的建设对评价区内景观系统的结构影响较小。

(2) 通过遥感数据解译,评价区建设前植被覆盖度为88.43%,建设后植被覆盖度为68.90%。这说明自然演变和人类的开发活动对区域自然系统的生产能力产生一定影响,评价区植被生产力有所降低。

(3) 工程建设前景观多样性指数为0.88,占多样性指数最大值Hmax的49.16%;建设后为0.87,占Hmax的48.60%。这表明该电站区域景观多样性程度处于适中水平,生态系统具有一定的阻抗干扰能力;由于人类干扰强度加大,该电站的生态完整性受到一定的影响。