河岸缓冲带划定及影响因素研究进展*

2020-08-24周丽丽殷培红耿润哲

环境污染与防治 2020年8期

周丽丽殷培红耿润哲王萌

(生态环境部环境与经济政策研究中心，战略规划与区域发展研究中心，北京 100029)

2018年6月，国家审计署发布的《长江经济带生态环境保护审计结果》显示，近20年来，长江两岸1 km河岸缓冲带内城镇面积增长约52%，下游干流岸线开发利用比例高达40%，导致干支流生态缓冲带面积减少、生态系统破碎化趋势加重[1]。由此可见，科学合理地划定河岸缓冲带，维持河岸缓冲带生态水文功能稳定发挥，对实现经济社会可持续发展，维持人与自然和谐稳定具有重要意义。

研究表明，河岸缓冲带划定由于受到流域自然地理条件、河流生态水文功能、流域空间尺度等因素的多重影响，需要因地制宜，采取合理的方法来划定[2-4]。国外河岸缓冲带划定研究始于20世纪70年代，在定义、功能、结构、生态管理框架等理论知识方面取得了一定成果[5-8]，并在河岸缓冲带宽度定量化、生态修复与重建等实践研究中取得了积极进展[9]。近来年，国外众多学者将地理信息系统(GIS)、无人机遥感、卫星遥感等技术应用到了河岸缓冲带规划与监管中[10-11],[12]43-53。夏继红等[13]在梳理了国外河岸缓冲带宽度参照值的基础上，提出我国在河道建设和管理中河岸缓冲带划定的总体思路和方法。荣冰凌等[14]综合考虑了生态环境、社会安全、经济发展等因素，又延伸探讨了流域水环境管理保护线和控制线的确定方法。饶良懿等[15]综述了河岸缓冲带生态水文功能的研究进展，提出了不同河岸缓冲带发挥功能所需要的宽度。综上所述，国内学者也围绕河岸缓冲带生态水文功能发挥、划定思路与方法等开展了一些理论研究。

本研究主要围绕以下3个问题展开综述：一是对国内外主要的河岸缓冲带宽度划定方法进行综述，分析其优缺点；二是分析河岸缓冲带生态水文功能对划定的影响；三是分析不流域空间尺度对河岸缓冲带划定的影响。

1 河岸缓冲带宽度划定方法

河岸缓冲带介于陆地植被区域和水域之间，属于生态过渡区域，是一个具有动态性特征的独特而又完整的生态系统。

划定适宜宽度的河岸缓冲带是河岸缓冲带管理和建设工作的基础，流域空间尺度、生态水文功能等对河岸缓冲带宽度划定均有重要影响[16-17]。国内外学者从不同角度提出了多种河岸缓冲带宽度划定方法[18]259-269,[19]。

经验值法(固定宽度法)是较早界定河岸缓冲带宽度的方法。DOSSKEY等[20]336-343在美国内布拉斯加州某小尺度河流中，以保护水质为目的，采用经验值法划定了9～35 m的河岸缓冲带。QUINN等[21]在新西兰科罗曼德为保护小尺度河流河岸缓冲带无脊椎动物，采用经验值法划定了9～35 m的河岸缓冲带。该方法可以广泛应用于数据资料较少的流域，但由于缺乏宽度与河岸生态功能内在联系的考虑，其划定结果准确度欠佳[22],[23]259-269。

简单数学模型法是最常用的一种数学模型法。不同学者建立了多种简单数学模型法，诸如单因子、多因子回归模型法等。NIESWAND等[24]将坡度作为影响河岸侵蚀、截留泥沙的最主要影响因子建立了单因子回归模型。LEOPOLD等[25]建立了流域集水面积与河岸缓冲带宽度的幂函数单因子回归模型。MANDER等[26]299-324综合考虑地表径流强度、流域坡降、坡度及土壤吸附能力等因素，建立了多因子回归模型。由于不同流域的自然地理条件、生态水文功能等存在诸多差异，该方法在不同流域应用时需要进行修正。

复杂机理模型法也是一种数学模型法，有河岸生态系统管理模型(REMM)，农田管理系统化合物、径流及侵蚀模型(CREAMS)，植被过滤带模型(VFSMOD)等。REMM是综合考虑影响河流生态系统健康多种因素的河岸缓冲带划定模型[27]，已在美国佐治亚蒂弗顿地区河岸缓冲带划定中得到了较好应用[28]。范小华等[29]研究指出，REMM适用于自然坡面缓冲径流条件下的河流，需要较多基础资料，应用具有一定困难。CREAMS适用于田块尺度的河岸缓冲带划定，可模拟田块径流、侵蚀和农用化合物流失过程，可确定河岸缓冲带宽度与沉积物、污染物去除率的关系，但该模型不能在大尺度范围内应用[30]。VFSMOD是能够计算河岸缓冲带对坡面地表径流中泥沙净化效果的数学模型，能够计算缓冲带的出流水量、下渗水量和泥沙截留效率，但该模型不能模拟泥沙吸附态污染物削减情况[31]。

基于GIS的数学模型法是在综合考虑流域自然地理条件、生态水文功能等影响因素的基础上建立的带空间数据库的河岸缓冲带划定模型，被广泛用于大尺度流域河岸缓冲带划定及管理中[32]。LAURA等[33]在英国北威尔士康威流域综合考虑了流域的土壤属性、植被覆盖率、土地利用类型、河网结构、气象条件、海拔高度及50年一遇的洪水位高度等因素，建立了基于GIS的数学模型，精确划定了河岸缓冲带。GHODEIF等[12]43-53在埃及伊斯梅利亚运河流域为固岸防洪、控制泥沙、保护河流水质运用了该方法，划出了3级缓冲区。ABOOD[23]259-269将该方法在美国明尼苏达州及密西根州的多个大尺度流域推广，有效发挥了河岸缓冲带固岸防洪、控制泥沙等生态水文功能。

不同河岸缓冲带宽度划定方法适宜的流域自然地理条件、精准性各异，有各自的优缺点和适用范围。经验值法和简单数学模型法所需流域的基础资料少，但未充分考虑划定流域的自然地理条件、生态水文功能等影响因素，导致不同区域应用的普适性较差，准确度欠佳。复杂机理模型法所需数据资料较多，多应用于小尺度流域。基于GIS的数学模型法是当下划定河岸缓冲带的主流方法，但该方法需要的基础数据资料较多。

2 河岸缓冲带生态水文功能对划定的影响

河岸缓冲带的生态水文功能体现在净化河流水质、固岸防洪、调节流域微气候、保护生物多样性、为河流生态系统提供养分和能量等[34-36]。

(1) 净化河流水质。河流两岸一定宽度的缓冲带种植植被，可以通过过滤、渗透、吸收、滞留、沉积等物理、化学和生物功能使进入地表和地下水的污染物减少[37-38]。MANKIN等[39]在美国堪萨斯州东北部研究发现，宽度为8.3～16.1 m的“草+灌木”河岸缓冲带可以有效去除地表径流中97.9%～99.7%(质量分数，下同)的泥沙、42.9%～91.8%的总磷及44.4%～92.2%的总氮。VOUGHT等[40]在瑞典研究发现，8～16 m的草地河岸缓冲带可去除地表径流中66%～95%的总磷。MANDER等[26]299-324在爱沙尼亚研究发现，20～28 m的河岸缓冲带可有效去除地表径流中67%～81%的总磷。FENNESSY等[41]研究表明，20～30 m的河岸缓冲带可去除地表径流中几乎所有的硝态氮。COLLINS等[42]在新西兰研究表明，河岸缓冲带对增加河流溶解氧、降低浊度、改善水质有明显作用。

(2) 固岸防洪作用。河岸缓冲带对于减少河岸侵蚀、控制洪水和维持干旱季节河流流量作用明显。研究表明，岸边植被的消失，将会使更多的地表径流进入河流，在洪水季节，水流对河床的冲刷作用大大增强，容易破坏河流生境[43]。河岸缓冲带主要通过吸收地表径流和降低径流流速来减少水流对河岸和河床的冲刷[44]。ABOOD等[18]259-269在美国多个州的流域研究得出，河岸缓冲带宽度至少大于300 m才能有效发挥固岸防洪生态水文功能。

(3) 调节流域微气候。河岸缓冲带的植被可为河流提供遮荫，同时还会减少流域附近的蒸发和对流，因此可调节流域微气候。DOSSKEY等[20]336-343研究发现，如果清除河岸缓冲带的植被会导致水温上升。MELEASON等[45]在新西兰旺格普阿原始森林研究得出，5～30 m的原始森林河岸缓冲带还能有效降低日最高气温(降幅为3.2～3.4 ℃)。

(4) 保护生物多样性。河岸缓冲带所形成的特定空间是众多植物和动物的栖息地，因此划定适宜宽度的河岸缓冲带对有效保护生物多样性具有重要意义。SPACKMAN等[46]在美国佛蒙特州研究发现，为保护小河流两侧90%的珍稀鸟类，需设置最低宽度为75～150 m的河岸缓冲带。KINLEY等[47]在英属哥伦比亚省某流域研究得出，为保护珍稀鸟类，需设置至少50 m的河岸缓冲带。NEWBOLD等[48]在美国北加利福尼亚州研究表明，为保护无脊椎动物群落，河岸缓冲带宽度至少为30 m。

(5) 为河流生态系统提供养分和能量。PEIJL等[49]研究认为，河岸缓冲带植被的大量枯枝、落叶、果实和溶解性养分等进入河流可为河流生态系统提供养分和能量。曾立雄等[50]认为，当水流经过滞留在河流中的大型树木残骸时，还会因为撞击作用增加水中的溶解氧。

综上，河岸缓冲带具有多种生态水文功能，河岸缓冲带生态水文功能发挥对划定具有很大影响。河岸生态系统保护目标及侧重的功能不同，要求的河岸缓冲带宽度也不同，因此明确不同流域水生态保护目标及功能是划定河岸缓冲带的重要前提。

3 流域空间尺度对河岸缓冲带划定的影响

流域空间尺度不同，其河岸缓冲带划定的适宜方法往往也不同。表1总结了国内外学者划定不同流域空间尺度河岸缓冲带时根据不同的目的所采用的划定方法及划定结果。小尺度和中尺度流域多采用经验值法，大尺度流域通常采用基于GIS的数学模型法。

表1 不同学者划定河岸缓冲带采用的方法及目的

近些年，国外逐渐有将流域空间尺度作为河岸缓冲带划定的重要影响因素的趋势。2008年，美国农业部林业局(USDA-FS)采用ROSGEN[56]的自然河流类型分类法，将自然河流划分为9种类型，并制定出不同空间尺度河流的河岸缓冲带划定规范[57]。LEE等[58]梳理分析了加拿大和美国60部“地区河岸缓冲带划定指南”后指出，流域空间尺度越大，所需的河岸缓冲带越宽，这是因为流域空间尺度大的河流所需发挥的生态水文功能较多，其生态保护目标也更为丰富，因此需划定较宽的河岸缓冲带。