河流濕地緩沖帶邊界不確定性探析

李少華

(北京市北運(yùn)河管理處， 北京101100)

河流濕地是水陸生態(tài)系統(tǒng)交匯作用形成的過渡地帶與交錯(cuò)區(qū)域，具有典型的生態(tài)脆弱性和反應(yīng)敏感性特征[1]。同時(shí)，作為重要的濕地景觀類型之一，河流濕地可以起到調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、蓄洪防旱、持水保土、凈化水體、生境提升和生物資源保護(hù)等多項(xiàng)功能效應(yīng)，其外觀形態(tài)上主要由一定寬度的河水、河岸土壤(沉積物)和植物群落構(gòu)成，可在流域物質(zhì)循環(huán)中起到媒介作用和增強(qiáng)沿河生態(tài)斑塊的景觀異質(zhì)性[2]。

基于生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的理論，河流濕地需要包含適當(dāng)寬度的緩沖帶，才能保證其功能有效性的發(fā)揮，進(jìn)而為各類生物提供適生環(huán)境和立地條件。近年來，隨著沿河周邊的常住人口急劇增加和建設(shè)工程規(guī)模不斷擴(kuò)大，人類不合理的干擾強(qiáng)度也隨之增加，河流逐漸演變?yōu)槌鞘谢M(jìn)程中的附屬設(shè)施，渠化河道成了城市規(guī)劃中的標(biāo)配。經(jīng)過最大限度的縮減緩沖帶寬度，造成河流濕地結(jié)構(gòu)單一、功能喪失和生態(tài)退化，嚴(yán)重威脅著流域生態(tài)安全與區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展[3]。目前，中國(guó)還沒有科學(xué)劃定河流濕地緩沖帶邊界的統(tǒng)一方法，導(dǎo)致緩沖帶的寬度無法得到基本保障，進(jìn)而不能充分發(fā)揮其全部功能屬性。因此，為了更好地恢復(fù)和保護(hù)河流濕地，有效支撐河道管護(hù)范圍劃定和落實(shí)空間監(jiān)管邊界等重要工作，打好河湖清理整治攻堅(jiān)戰(zhàn)，必須首先摸清河流濕地緩沖帶的邊界范圍。

作為保護(hù)河流水質(zhì)、提供動(dòng)植物棲息地和滿足人類福祉需求的重要景觀區(qū)域，國(guó)際上對(duì)河流濕地緩沖帶的研究始于20世紀(jì)70年代，主要集中在緩沖帶物種組成、植物群落結(jié)構(gòu)、生態(tài)廊道動(dòng)態(tài)變化、緩沖帶生態(tài)保護(hù)、退化緩沖帶的生態(tài)恢復(fù)和管理等方面[4]。如張建春和彭補(bǔ)拙[5]通過以生態(tài)恢復(fù)6 a的退化河岸帶灘地為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)恢復(fù)后的河岸帶中生物多樣性和群落穩(wěn)定性均顯著增加，土壤質(zhì)量得到改良。Thibault等[6]經(jīng)過長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)河岸帶的地下水位，分析了退化緩沖帶的生態(tài)恢復(fù)可能性，建議在管理上有效運(yùn)用法律和經(jīng)濟(jì)手段。王超等[7]在梳理緩沖帶對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)影響機(jī)制的基礎(chǔ)上，對(duì)水文、水質(zhì)、植物群落等要素進(jìn)行耦合分析，模擬預(yù)測(cè)了緩沖帶對(duì)河流水環(huán)境及生物多樣性的影響效應(yīng)。以上研究結(jié)果可以看出，目前缺乏流域尺度系統(tǒng)性的定量分析，并且國(guó)內(nèi)的理論和實(shí)踐還比較薄弱，無法滿足河流岸線的規(guī)劃設(shè)計(jì)、管理調(diào)控和劃界確權(quán)的需求。鑒于此，本文在闡述河流濕地緩沖帶內(nèi)涵和邊界確定方法的基礎(chǔ)上，初步分析了河流濕地緩沖帶邊界不確定性的因素，討論了河流濕地生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵問題與重建策略，以期能促進(jìn)完善緩沖帶的理論研究體系，為實(shí)施河流濕地的生態(tài)管理措施提供技術(shù)支撐。

1 河流濕地緩沖帶的內(nèi)涵概述

1.1 河流濕地緩沖帶的基本定義

河流濕地緩沖帶是指河岸兩邊向高臺(tái)地爬升過程中位于水陸過渡范圍內(nèi)同河水發(fā)生作用的植被覆蓋區(qū)，其將會(huì)伴隨著河道形態(tài)的波蕩而不斷發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致緩沖帶的邊界具有不確定性[5]。河流濕地緩沖帶有2條邊界，即河水與緩沖帶的內(nèi)邊界和緩沖帶與高臺(tái)地的外邊界，當(dāng)無特別說明時(shí)，緩沖帶邊界專指后者，本文研究的對(duì)象也為外邊界。由于處于特殊的位置，河流濕地緩沖帶具有獨(dú)特的空間結(jié)構(gòu)、生態(tài)功能和資源價(jià)值，其范圍的定義主要有以下3種：一是指以河水與陸地交界處的兩條邊線為起點(diǎn)，直至河水影響消失為止的地帶；二是指靠近河邊，植物群落多樣性、植被組成及土壤含水量等生態(tài)指標(biāo)明顯不同于高地區(qū)域的地帶；三是指位于水陸交界線兩側(cè)，能夠影響河流水文規(guī)律、水質(zhì)、小氣候等環(huán)境因素的地帶[4]。綜上可知，河流濕地緩沖帶的定義還未統(tǒng)一，但都強(qiáng)調(diào)了生態(tài)水文功能、線狀邊界和邊緣效應(yīng)等特點(diǎn)，其既是獨(dú)立地貌單元，又是完整的生態(tài)系統(tǒng)。

1.2 河流濕地緩沖帶的結(jié)構(gòu)特征

河流濕地緩沖帶是具有典型四維結(jié)構(gòu)邊緣的地貌單元，位于河流左右岸，呈現(xiàn)狹長(zhǎng)條帶狀梯度分布的特征，見圖1。在縱向上，自上游至下游由多個(gè)功能區(qū)蜿蜒交錯(cuò)分布；在橫向上，自河床至洪泛灘地由水陸生態(tài)系統(tǒng)鑲嵌組合；在垂向上，由地表水、土壤水和地下水不斷交換處于動(dòng)態(tài)平衡；在時(shí)間上，河流岸線形態(tài)波蕩與緩沖帶植物群落演替同步進(jìn)行。緩沖帶植被結(jié)構(gòu)包括植物種類、空間分布和相應(yīng)寬度，主要受到氣候因子、立地條件、水文地質(zhì)和人類活動(dòng)等方面的影響，具有景觀復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)演變性的特點(diǎn)，外來物種入侵、土壤水分及洪水漫溢等因素均是緩沖帶植被結(jié)構(gòu)演替的重要驅(qū)動(dòng)力[3]。緩沖帶與周邊相鄰區(qū)域相比，其在生態(tài)環(huán)境、水文循環(huán)和植物群落等多方面具有明顯的變化梯度，并且極易受到外界因素的擾動(dòng)，導(dǎo)致其范圍邊界不穩(wěn)定，頻繁發(fā)生變化。

1.3 河流濕地緩沖帶的功能屬性

河流濕地緩沖帶的功能屬性主要包括生態(tài)屏障功能、生物廊道功能和社會(huì)服務(wù)價(jià)值功能，具體表現(xiàn)在保護(hù)河岸、改善小氣候、水文調(diào)節(jié)、凈化水質(zhì)、化學(xué)元素調(diào)控、維持生物多樣性和景觀美學(xué)等方面[8]。其中，保護(hù)河岸主要通過降低土壤侵蝕模數(shù)和增加邊坡抗拉強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)，改善小氣候主要通過降溫增濕、凈氣除塵等效應(yīng)以提高空氣質(zhì)量和改善氣象要素，水文調(diào)節(jié)主要通過緩沖帶的植被冠層、枯枝落葉及根系改變降雨再分配和水分入滲等產(chǎn)匯流過程來實(shí)現(xiàn)，凈化水質(zhì)主要是指地表水資源經(jīng)過緩沖帶過濾、吸附、沉積、分解等物理、化學(xué)和生物作用使其污染指數(shù)顯著降低，化學(xué)元素調(diào)控是指緩沖帶既為河流生態(tài)系統(tǒng)提供豐富的物質(zhì)和元素，又能夠避免過量的營(yíng)養(yǎng)鹽和有機(jī)物輸入。維持生物多樣性主要是緩沖帶可以形成多種生物的適宜生境，進(jìn)而為生物提供良好的棲息地。景觀美學(xué)主要通過優(yōu)化流域的視覺效果，挖掘生態(tài)元素、實(shí)用美學(xué)和人文價(jià)值，創(chuàng)造愜意的游憩條件和休閑場(chǎng)所[6]。

2 河流濕地緩沖帶邊界不確定性的影響因素分析

2.1 河流本質(zhì)屬性

對(duì)于河流濕地生態(tài)系統(tǒng)，緩沖帶邊界距河道中心線越遠(yuǎn)，越能更好地發(fā)揮其各項(xiàng)功能。任何一條河流的緩沖帶都具有相對(duì)獨(dú)特性，從理論角度分析，其邊界應(yīng)當(dāng)是河流本質(zhì)屬性的復(fù)合函數(shù)，具體指標(biāo)主要包括河流類型、河岸形態(tài)、河岸侵蝕、水文特征、水面寬度、水位、水溫和河水側(cè)向影響距離[7]。河流本質(zhì)屬性的構(gòu)成要素中，水體流量和流速代表了河流的強(qiáng)度屬性，洪水和洪峰體現(xiàn)了河流的能量屬性，并且洪水重現(xiàn)期和等級(jí)對(duì)河流濕地的邊界影響較大，徑流和河床構(gòu)成了河流的基本形態(tài)，水沙條件和調(diào)蓄排澇控制了河流的游蕩范圍。另外，河流的完整性、功能性和敏感性也是劃定緩沖帶邊界所需考慮的因素。

2.2 緩沖帶生態(tài)指標(biāo)

緩沖帶生態(tài)指標(biāo)由植被結(jié)構(gòu)指標(biāo)和土壤理化指標(biāo)兩大類別構(gòu)成，其中，植被結(jié)構(gòu)指標(biāo)主要包括物種多樣性指數(shù)、配置模式、植物多度和優(yōu)勢(shì)種高度，側(cè)重于在較長(zhǎng)的時(shí)間尺度研究動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。緩沖帶植被可以劃分為同一物種類型和多物種類型，前者多為人工林緩沖帶，主要采用胸徑、高度、冠幅和郁閉度等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)；根據(jù)緩沖帶下墊面的特點(diǎn)，后者多為喬木、灌木、藤本和草本相伴生的植被緩沖帶，垂向結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，多采用覆蓋度、優(yōu)勢(shì)度、豐富度、均勻度和多樣性等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。不同土壤類型緩沖帶其邊界要求也不相同，黏性土壤滲透性較差，易產(chǎn)生地表徑流，同時(shí)其匯流時(shí)間短，進(jìn)而導(dǎo)致邊界離河較遠(yuǎn)，才能滿足緩沖帶的基本功能要求，沙質(zhì)土正好與之相反；土壤理化指標(biāo)主要由土壤質(zhì)地、土壤含水量、田間持水量、滲透系數(shù)、有機(jī)質(zhì)、總氮和土壤微生物區(qū)系組成[9]。

2.3 外界因子干擾

外界因子干擾由自然干擾和人為干擾2種類型組成，其中，外界干擾將會(huì)使原有河流濕地生態(tài)系統(tǒng)失衡，造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能屬性發(fā)生變化，從而導(dǎo)致緩沖帶的邊界產(chǎn)生相應(yīng)波動(dòng)。自然干擾情形主要是由于全球氣候變化、自然災(zāi)害和降水量年際波動(dòng)，導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)的水源補(bǔ)給量發(fā)生變化，屬于造成河流濕地緩沖帶邊界變化的內(nèi)營(yíng)力[10]。人為干擾情形主要分為墾殖河流濕地緩沖帶、沿河城市化擴(kuò)張和非生態(tài)水利工程建設(shè)，具體包括河道渠化、引水筑渠、相鄰?fù)恋刭Y源開發(fā)利用、土地墾殖、娛樂設(shè)施侵占以及修建大壩、涉河道路和提防等。過度不可逆的擾動(dòng)給河流濕地緩沖帶造成極大破壞，比如天然河道被填埋或渠化、水系廊道的流動(dòng)和傳輸功能喪失、高價(jià)值的線性元素逐漸消失、河流水環(huán)境持續(xù)惡化、生物的天然棲息地萎縮和歷史文化遺產(chǎn)失去場(chǎng)地印記[11]。因此，目前河流整治工作的核心是將河道重新自然化，通過生態(tài)措施修復(fù)到人工擾動(dòng)前的水平。

3 河流濕地緩沖帶邊界確定的常用方法

3.1 數(shù)學(xué)建模法

精準(zhǔn)確定河流濕地緩沖帶邊界是河道科學(xué)管理和工程合法建設(shè)的基礎(chǔ)性工作，目前基于數(shù)學(xué)建模手段，主要有單因子回歸模型、多因子回歸模型等方法[12]，具體方法的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。其中，單因子回歸模型法是指建立單一因子(水文、地貌等)與不同寬度緩沖帶功能發(fā)揮效果之間的關(guān)系模型，也被稱為簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型法，主要包括針對(duì)去除懸浮污染物的Phillips水文模型及時(shí)間模型、依據(jù)水文與地貌特征的Mander模型和基于曼寧粗糙系數(shù)的Nieswand模型。在定性劃定河流濕地緩沖帶效應(yīng)的研究中，簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型法得到了廣泛的運(yùn)用，如Cao等[13]根據(jù)Phillips模型計(jì)算出進(jìn)入巢湖的面源污染物和離子狀污染物去除率的變化曲線，構(gòu)建了巢湖流域河岸緩沖帶的最佳寬度。Riley等[14]在英國(guó)和愛爾蘭中小河流近自然修復(fù)研究中應(yīng)用Mander模型，得出河岸緩沖帶所必需的最小生態(tài)寬度。Hain等[15]在美國(guó)北卡羅來納州的生態(tài)流域運(yùn)用Nieswand模型，分析魚群最易攻擊區(qū)域水環(huán)境達(dá)標(biāo)情況的變化過程，基于此，劃定滿足需求的河岸緩沖帶寬度。

表1 常用河流濕地緩沖帶邊界確定方法的優(yōu)缺點(diǎn)

多因子回歸模型法是指綜合考慮坡度、水流、降雨強(qiáng)度、入滲率、植被、緩沖帶外土地利用、污染源等多因子共同作用下，滿足緩沖帶功能要求的計(jì)算模型，也被稱為復(fù)雜數(shù)學(xué)模型法和經(jīng)典數(shù)學(xué)模型法[16]，主要包括河岸緩沖帶生態(tài)系統(tǒng)管理模型(REMM，Riparian Ecosystem Management Model)、農(nóng)田管理系統(tǒng)的化合物、徑流與侵蝕模型(CREAMS，The Chemicals，Runoff，and Erosion from Agricultural Management Systems)和河岸緩沖帶植被過濾泥沙效果模型(VFSMOD，The Vegetative Filter Strip Model)。在定量表征河流濕地緩沖帶效應(yīng)的研究中，復(fù)雜數(shù)學(xué)模型法得到了全面的二次開發(fā)和應(yīng)用，如Feld等[17]應(yīng)用 REMM模型模擬了不同植被結(jié)構(gòu)、植株密度和寬度下的緩沖帶污染物凈化率，確定了能夠增強(qiáng)生態(tài)服務(wù)功能和減小集水區(qū)壓力源的河岸緩沖帶邊界。Nava-Lopez等[18]通過運(yùn)用CREAMS 模型的徑流模塊，探究河岸緩沖帶寬度與河流水質(zhì)的關(guān)系，推進(jìn)了對(duì)人類活動(dòng)和自然過程對(duì)水環(huán)境影響的認(rèn)識(shí)。Monteiro等[19]通過基于VFSMOD模型開發(fā)出緩沖帶的設(shè)計(jì)程序，模擬出河岸植被不同恢復(fù)寬度的具體情形，研究受人類影響的流域產(chǎn)水量和泥沙輸移的變化規(guī)律，最終確定河流濕地緩沖帶邊界。

3.2 地理科學(xué)法

地理科學(xué)法主要通過坡面地形地貌特征因子提取、地統(tǒng)計(jì)分析等方法，模擬地表徑流的產(chǎn)匯流過程，有效運(yùn)用GPS、GIS和RS等地理信息技術(shù)手段，結(jié)合數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM)，提取溝道、水系的地理位置信息，分析高差、坡度、坡向、海拔、粗糙度等地形因子對(duì)水文循環(huán)過程的影響，從而實(shí)現(xiàn)多因子條件下對(duì)河流濕地緩沖帶邊界范圍的劃定[20]。常用的方法主要有：下墊面均一穩(wěn)定區(qū)域的沿淹沒線等距確定法、地形起伏坡度較緩區(qū)域的沿等高線蜿蜒確定法、流域尺度地形起伏較大區(qū)域的沿河岸線變寬確定法、基于生態(tài)水文模型的多學(xué)科綜合技術(shù)確定法和針對(duì)不同功能目標(biāo)篩選主要影響因素確定法。例如，Scott等[21]應(yīng)用GIS技術(shù)建立了包含流域內(nèi)水文、地形、土壤質(zhì)地、土地利用等基礎(chǔ)信息的資料數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過GIS的轉(zhuǎn)化功能和計(jì)算功能將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成柵格數(shù)據(jù)，然后把所需數(shù)據(jù)疊加至同一圖層，最終模擬出河流濕地恢復(fù)過程中的動(dòng)態(tài)緩沖帶。

3.3 經(jīng)驗(yàn)定值法

河流濕地緩沖帶功能的發(fā)揮與其適宜寬度存在非常密切的關(guān)系，在進(jìn)行邊界劃定的實(shí)際工作中，采用的經(jīng)驗(yàn)定值法類別主要有：植被物種組成陡降的植物樣方法，同一土層含水率發(fā)生突變的土壤剖面法，河岸土壤立地條件所能支撐適生喬木的潛在樹高法，50年或100年一遇洪水的淹沒水位線法，涉水條例規(guī)章明確規(guī)定的固定寬度法[22]，見表2。另外，瑞典規(guī)定河岸緩沖帶的寬度為10～30 m，主要依據(jù)具體河段的敏感性選定。

表2 不同國(guó)家河岸帶寬度經(jīng)驗(yàn)推薦值的范圍 單位：m

4 河流濕地緩沖帶生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵問題

4.1 最優(yōu)寬度的劃定依據(jù)

河流濕地緩沖帶寬度的適宜與否直接影響其功能有效性的發(fā)揮，最優(yōu)寬度是指能夠滿足特定條件和功能需求的緩沖帶寬度。只有綜合生態(tài)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等多角度對(duì)緩沖帶的寬度進(jìn)行系統(tǒng)分析，才能夠科學(xué)合理的確定其最優(yōu)寬度，進(jìn)而使緩沖帶的生態(tài)屏障、社會(huì)經(jīng)濟(jì)及景觀美學(xué)等服務(wù)價(jià)值和綜合效益達(dá)到最佳[23]。同時(shí)，劃定河流濕地緩沖帶的最優(yōu)寬度，將有利于維護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定，既能保證河岸緩沖帶的防洪安全、資源保護(hù)、河道穩(wěn)定和污染防治等基本功能，又能滿足占地經(jīng)濟(jì)成本要求和沿河實(shí)際發(fā)展規(guī)劃需要。研究表明，穩(wěn)固坡岸、水文調(diào)節(jié)、污染物凈化、棲息地保護(hù)等功能需要的最優(yōu)寬度依次增加，劃定的主要依據(jù)有：具備自我修復(fù)能力和維持自身健康管理的生態(tài)穩(wěn)定性、截污凈化效率和保持水土能力的環(huán)境有效性、緩沖帶建設(shè)管理和后期運(yùn)維費(fèi)用的經(jīng)濟(jì)可行性、游憩景觀環(huán)境和防洪調(diào)蓄效應(yīng)的社會(huì)價(jià)值性、人與自然之間和不同利益者之間的矛盾和諧性[24]。

4.2 生態(tài)恢復(fù)的核心策略

河流濕地緩沖帶生態(tài)恢復(fù)的主要內(nèi)容包括生境破碎化恢復(fù)、生物群落多樣性恢復(fù)和水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)恢復(fù)，關(guān)鍵技術(shù)是清除逆境脅迫因子、構(gòu)建植被垂直結(jié)構(gòu)和恢復(fù)河流水系連通，基本特征是具有天然性、安全性、親水性和景觀性，核心任務(wù)是提升河流廊道的景觀格局、恢復(fù)生物棲息地的結(jié)構(gòu)功能和構(gòu)建藍(lán)綠交織的視覺美，總體目標(biāo)是恢復(fù)到原有的自然狀態(tài)或更高的河流健康水平[25]。由于城市化建設(shè)及不合理的人類干擾，緩沖帶生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，但是目前無法對(duì)渠化河道進(jìn)行整體的近自然化修復(fù)，致使在特定河段進(jìn)行有針對(duì)性的近自然改造顯得尤為實(shí)用[26]。另外，城市渠化河道流經(jīng)的濕地公園和森林綠地是典型的河流近自然化適宜拓展區(qū)，將為河流提供可以恢復(fù)自然形態(tài)、增加雨洪利用區(qū)和重塑生態(tài)堤岸的機(jī)會(huì)場(chǎng)地，切實(shí)做到生態(tài)效能與社會(huì)效益兼顧，還具有一定的美學(xué)欣賞價(jià)值，并可有效杜絕城市河流變?yōu)槌鞘谢母綄傥铩?/p>

5 結(jié)語(yǔ)

近年來，隨著對(duì)河流濕地緩沖帶的功能認(rèn)識(shí)不斷加深，中國(guó)愈發(fā)注重緩沖帶的生態(tài)景觀建設(shè)，以確保河勢(shì)穩(wěn)定、行洪安全和水生態(tài)健康。但是由于沿河上下游的各行政區(qū)域發(fā)展不均衡，全流域尺度與局部發(fā)達(dá)地區(qū)的生態(tài)修復(fù)之間缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃和頂層設(shè)計(jì)，至今還無法實(shí)現(xiàn)緩沖帶邊界劃定工作的定量化、精細(xì)化、可視化和快速化。因此，今后應(yīng)當(dāng)綜合多尺度、多因素和多目標(biāo)以優(yōu)化緩沖帶寬度的計(jì)算方法，并結(jié)合中國(guó)不同河流濕地的特點(diǎn)和具體條件，因地制宜采取多方法交叉應(yīng)用和相互驗(yàn)證，科學(xué)有效地進(jìn)行緩沖帶邊界的規(guī)劃設(shè)計(jì)和尺度拓展，使劃定緩沖帶邊界的方法具有更高精度和可操作性，以達(dá)到維護(hù)流域生態(tài)安全、協(xié)調(diào)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)利益沖突和構(gòu)建水生態(tài)文明建設(shè)長(zhǎng)效機(jī)制的管理目標(biāo)。