上海城市水網(wǎng)景觀連接度對生物多樣性的影響研究*

丁宇新 干 靚

水是城鎮(zhèn)及其經(jīng)濟發(fā)展的決定性要素之一，城市化的快速發(fā)展導致了水與水相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)的退化[1]，引發(fā)了河流干涸、水災頻發(fā)、氣候變化、污染嚴重與生物多樣性喪失等諸多生態(tài)環(huán)境問題。水網(wǎng)具有重要的生態(tài)水文功能[2]，多項研究表明，水生態(tài)系統(tǒng)對維持生物多樣性和生命支持功能有著極其重要的作用[3]，水體邊緣地帶的動植物種類存在較高的多樣性，河流不僅是許多動植物的獨特棲息地，也是許多動物生息、繁衍、遷徙、洄游等生命活動中不可缺少的生境和廊道[4]，濕地作為城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，在形成水陸動物、植物和微生物完整的生物群落、提高生態(tài)系統(tǒng)整體抗風險能力等方面也發(fā)揮著重大作用[5]。

城市水網(wǎng)作為城市各類水生態(tài)廊道相互交叉形成的網(wǎng)絡，具有自然水網(wǎng)保持生態(tài)環(huán)境平衡、調(diào)節(jié)微氣候、支持生物多樣性等多種生態(tài)系統(tǒng)服務功能[6]。尤其在陸地生態(tài)用地破碎化的大都市地區(qū)，殘余的河道水網(wǎng)成為相對天然的生態(tài)廊道，且河岸與陸地交接處形成的景觀交錯帶通常被認為是生物最豐富的群落交匯地帶區(qū)（Ecotone），也是魚類、兩棲類、爬行類、鳥類等水岸生物移動交流的最佳途徑。根據(jù)景觀生態(tài)學原理，城市水網(wǎng)是由點、線按照一定城市地理空間秩序組合成的城市河流廊道及城市濕地的景觀生態(tài)體系[7]。與其他生態(tài)網(wǎng)絡一樣，水生態(tài)網(wǎng)絡景觀格局可由網(wǎng)絡連接度（Network connectivity），即廊道相互之間的連接程度來衡量[8]。已有研究主要聚焦于城市水網(wǎng)景觀的形態(tài)特征刻畫以及網(wǎng)絡連接度的對比與評價[7,9-10]，很少有研究關(guān)注城市水網(wǎng)景觀格局對動植物棲息地的影響?；诖耍疚囊陨虾８鲄^(qū)縣作為統(tǒng)計單元，分析城市水網(wǎng)景觀連接度對生物多樣性的影響和作用機制，提出面向生物多樣性保護和提升的城市水生態(tài)景觀系統(tǒng)規(guī)劃的相關(guān)策略建議。

1 研究區(qū)域

上海位于我國南北海岸線的中點，長江三角洲的東緣，黃金通道長江的入海口，長江和錢塘江入海口交匯處，地勢低洼，水網(wǎng)縱橫，水域面積較大。根據(jù)2013年公布的《上海市第一次水利普查暨第二次水資源普查公報》，全市共有大小河道26 603條，河道總長度約25 348.48 km，總面積527.84 km2，河道密度約為4 km/km2，湖泊692個，總面積91.36 km2[11]。城市水系網(wǎng)絡形成了以黃浦江、蘇州河為主體的格局，包括大治河、金匯港、淀浦河、油墩港、川楊河等5條景觀走廊，以及淀山湖、滴水湖、明珠湖、北湖、東灘湖、金山湖等6個湖泊體系，構(gòu)建了“一縱、一橫、四環(huán)、五廊、六湖”相互溝通又各具特色的景觀水系網(wǎng)絡[12]。

由于地處陸地生態(tài)系統(tǒng)、河流生態(tài)系統(tǒng)與海洋生態(tài)系統(tǒng)的交錯地帶，上海的生境類型多樣，尤其是近32萬hm2的沿江沿海灘涂濕地和內(nèi)陸湖泊濕地提供了豐富的棲息環(huán)境和食物資源。根據(jù)2013年公布的《上海市生物多樣性保護戰(zhàn)略與行動計劃（2012—2030年）》，上海全市共有淡水魚類300多種，陸生脊椎動物530多種（包括兩棲動物14種，爬行動物36種，鳥類445種，哺乳動物42種）；野生維管束植物780種，隸屬于2門6綱125科，其中蕨類植物4綱17科25屬35種，被子植物共2綱108科415屬745種[13]。野生動物主要物種中除了數(shù)量繁多的野生鳥類之外，還有刺猬、貉、黃鼬、狗獾、華南兔等哺乳動物，蟾蜍、黑斑蛙、澤蛙、金線蛙等兩棲動物，壁虎、北草蜥、王錦蛇、烏龜?shù)扰佬袆游?，蜻蜓、蝴蝶等昆蟲和生活在濕地環(huán)境中的螃蜞、河蜆等無脊椎動物，以及生活在水中的刀魚、鰣魚等魚類[14]。

自1990年代浦東開發(fā)以來，上海進入了城市空間跨越式發(fā)展階段，土地利用強度不斷提高，人口密度不斷攀升，有限的市域自然生態(tài)空間被逐步蠶食，僅2006—2008年，全市濕地面積減少5.5%[15]，尤其是沿海灘涂濕地面積持續(xù)減少，不斷蠶食野生動物的棲息空間。環(huán)境污染，特別是水體污染對水生和河岸生物多樣性及物種棲息地造成一定影響。野生動植物賴以生存的生境數(shù)量減少，質(zhì)量下降，破碎化趨勢明顯，導致陸域野生動物與水生動物種群普遍偏小且分布較為孤立，基因交流較少，遺傳多樣性未得到有效保護。在多重因素影響下，部分生態(tài)系統(tǒng)功能退化，物種瀕危程度一直未得到根本緩解。

2 數(shù)據(jù)來源

2.1 生物多樣性統(tǒng)計數(shù)據(jù)及其空間分布

本文采用上海市環(huán)境科學院2011年所承擔的國家環(huán)保部《基于野生動植物物種豐富度的生物多樣性評價研究報告》[16]中的各區(qū)縣生物多樣性統(tǒng)計數(shù)據(jù)，該研究以區(qū)、縣級行政區(qū)為研究單元，將中心城區(qū)（楊浦區(qū)、虹口區(qū)、黃浦區(qū)、閘北區(qū)、盧灣區(qū)、靜安區(qū)、長寧區(qū)、徐匯區(qū)、普陀區(qū)①時黃浦區(qū)與盧灣區(qū)尚未合并，閘北區(qū)和靜安區(qū)尚未合并。本文所采用的2011年數(shù)據(jù)為目前城區(qū)尺度公開發(fā)布的最新生物多樣性數(shù)據(jù)。）作為一個統(tǒng)計單元，寶山區(qū)、青浦區(qū)、閔行區(qū)、嘉定區(qū)、松江區(qū)、金山區(qū)、奉賢區(qū)、浦東新區(qū)以及崇明縣等郊區(qū)區(qū)縣則分別作為統(tǒng)計單元，基于可獲取的文獻資料數(shù)據(jù)梳理匯總，并根據(jù)《區(qū)域生物多樣性評價標準》（HJ623—2011）計算生物多樣性指數(shù)。該項研究成果所提供的各區(qū)縣生物多樣性指數(shù)和各類物種的物種豐富度數(shù)據(jù)如圖1-圖9所示。

2.2 水網(wǎng)景觀連接度測度指標選擇及計算方法

網(wǎng)絡景觀連接度是景觀中各元素在功能上和生態(tài)過程上的聯(lián)系，是測定景觀生態(tài)過程的一種重要指標，通過這種生態(tài)過程，景觀中一些生物亞群體相互影響，相互作用形成一個有機整體[10]。本研究參考景觀生態(tài)學中基于圖論、將景觀簡化為抽象“點—線”圖形的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)指數(shù)[17-18]，選擇水網(wǎng)閉合度（α指數(shù)）、線點率（β指數(shù)）、網(wǎng)絡連接度（γ指數(shù)）作為水網(wǎng)景觀連接度的指標，以上海市ArcGIS底圖計算各區(qū)縣統(tǒng)計單元的河流廊道數(shù)量和節(jié)點數(shù)，分別計算和測度水生態(tài)廊道網(wǎng)絡的閉合和連接水平。

α指數(shù)：測度水網(wǎng)的閉合度，即網(wǎng)絡中實際回路數(shù)與網(wǎng)絡中存在的最大可能回路數(shù)之比，是連接網(wǎng)絡中景觀節(jié)點環(huán)路的程度，公式為：α=（L-V+1）/（2V-5），L代表廊道數(shù)，V為節(jié)點數(shù)，L-V+1為實際環(huán)路數(shù)，2V-5為最大可能環(huán)路數(shù)。

β指數(shù)：測度水網(wǎng)中每個節(jié)點的平均連線數(shù)，是度量一個景觀節(jié)點與其他景觀節(jié)點聯(lián)系難易程度的指標，公式為：β=2L / V。

γ指數(shù)：測度網(wǎng)絡的連接度，描述一個網(wǎng)絡中所有景觀節(jié)點被連接的程度，公式為：γ=L / 3（V-2）。

3 分析與討論

3.1 水網(wǎng)景觀連接度與生物多樣性的相關(guān)分析

本文采用IBM SPSS Statistics 19軟件，對各區(qū)縣的水域生態(tài)格局指標和生態(tài)多樣性指標進行Pearson相關(guān)分析，采用雙側(cè)檢驗法進行顯著性檢驗，從而揭示水網(wǎng)景觀連接度對上海市生物多樣性的影響。

圖1 上海各區(qū)縣生物多樣性指數(shù)（2011）

圖2 上海各區(qū)縣高等植物物種豐富度（2011）

圖3 上海各區(qū)縣高等動物物種豐富度（2011）

表1 上海市各區(qū)縣水網(wǎng)景觀連接度指標與生物多樣性指標的相關(guān)分析（Pearson相關(guān)）

結(jié)果顯示，α指數(shù)、β指數(shù)、γ指數(shù)均與高等動物物種豐富度在0.05水平上呈顯著正相關(guān)，與鳥類、兩棲動物、爬行動物、魚類的物種豐富度也呈現(xiàn)一定正相關(guān)性，與外來入侵種和哺乳動物呈現(xiàn)一定負相關(guān)性。這表明閉合度更好、回路更多、節(jié)點間的連接性和網(wǎng)絡連通性也較好的城市水網(wǎng)，能對某些生物的物種豐富度起到一定的正面作用（表1）。

3.2 水網(wǎng)景觀連接度對生物多樣性的影響機制

城市水網(wǎng)是城市重要的生態(tài)廊道之一，能夠為城市水環(huán)境內(nèi)部及其周邊的動、植物提供多種多樣的棲息地，城市生態(tài)系統(tǒng)中的能量流、物質(zhì)流和生物物種常常沿著水網(wǎng)進行遷移和運動。研究結(jié)果表明：網(wǎng)絡回路較多、連通性較好、連線數(shù)量較多、水網(wǎng)景觀節(jié)點之間的連接性也較強的水網(wǎng)系統(tǒng)對鳥類、兩棲類、爬行類和魚類的物種豐富度具有一定的正面效應，對哺乳動物物種豐富度具有負面效應，表明連接度較好的水網(wǎng)對鳥類、兩棲類、爬行類和魚類具有生境和廊道的作用，而對哺乳動物和外來入侵種具有一定的阻隔作用?？紤]到城市生物營養(yǎng)級類群中的哺乳動物并不多，因此提高水網(wǎng)的景觀連接度仍然是對大部分物種有利的舉措。提高城市水網(wǎng)回路的比例，增加水網(wǎng)中的回路數(shù)量和規(guī)模，改善水網(wǎng)的環(huán)通連接系統(tǒng)，重點增加網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)量和規(guī)模，提高城市水網(wǎng)的通達性和節(jié)點密度，將更有利于發(fā)揮河流的帶狀廊道生境功能，使生物物種等可以更順利地運動和遷移，提高城市整體的生物多樣性。

4 結(jié)論與建議

根據(jù)以上研究結(jié)果，水網(wǎng)的回路閉合度、線點率、網(wǎng)絡連接度，對野生動物的棲息和遷移起到了一定的影響。面向生物多樣性保護和提升，在上海市水生態(tài)景觀系統(tǒng)規(guī)劃中建議：

（1）保持和提高城市河網(wǎng)水系的密度。

隨著城市社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市規(guī)模的擴大，上海原有的城市河道、湖泊及水塘，在填湖建房、埋河筑路等建設(shè)活動的影響下，有逐漸減少的趨勢。從保護生物多樣性的視角，為了保證穩(wěn)定的種群，應對具有一定自然和近自然生態(tài)保育功能的水系和近水域用地進行保護和修復，增加河流廊道的密度，可設(shè)定水面率和河湖水系與濕地資源保存率作為城市藍綠基礎(chǔ)設(shè)施控制指標，納入城市水系統(tǒng)綜合規(guī)劃，從而更好地發(fā)揮河流廊道和濕地廊道對多種物種棲息的線性廊道生境功能。

圖4 上海各區(qū)縣鳥類物種豐富度（2011）

圖5 上海各區(qū)縣哺乳動物物種豐富度（2011）

圖6 上海各區(qū)縣爬行動物物種豐富度（2011）

圖7 上海各區(qū)縣兩棲動物物種豐富度（2011）

圖8 上海各區(qū)縣魚類物種豐富度（2011）

圖9 上海各區(qū)縣外來入侵種豐富度（2011）

（2）提高城市河網(wǎng)的連接度，強化“生態(tài)橋接”系統(tǒng)建設(shè)。

在河湖水系中，河道是其中具有合理的生態(tài)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)和良好的運轉(zhuǎn)功能，對長期或突發(fā)的擾動能保持韌性、穩(wěn)定性以及一定自我恢復能力且景觀良好的河道，通常被認為具有生態(tài)廊道（Corridor）的棲息地（Habitat）、通道（Conduit）、過濾（Filter）、源（Source）、匯（Sink）這5大功能[19]，在城市生態(tài)網(wǎng)絡的建設(shè)中具有不可取代的作用，可與道路和綠地形成復合生態(tài)基底，連接重要棲息地節(jié)點，充分發(fā)揮網(wǎng)絡效應。在城市生態(tài)網(wǎng)絡建設(shè)中，應重視河流的生態(tài)化修復和河網(wǎng)水系的連通性，通過建設(shè)具有一定規(guī)模的城市水網(wǎng)節(jié)點和連通性較高的“生態(tài)橋接”系統(tǒng)來提高城市河網(wǎng)生態(tài)景觀節(jié)點之間聯(lián)系的有效性，解決由于廊道分割而導致的不同城市生態(tài)景觀斑塊可達性較低的問題，滿足城市水網(wǎng)中及周邊多種多樣的動、植物棲息地之間的生物棲息、遷移和基因交流的需求，增加城市生物的多樣性。

水生態(tài)系統(tǒng)是城市復合生態(tài)系統(tǒng)中極為重要的組成部分，本文從宏觀尺度上探討了城市水網(wǎng)景觀連接度對生物多樣性的影響及作用機制，并提出了水生態(tài)景觀系統(tǒng)規(guī)劃的相關(guān)策略建議，可為通過空間規(guī)劃提升城市水資源的生態(tài)系統(tǒng)支持服務功能提供參考依據(jù)。