城市用地緊湊變化對(duì)河岸帶生境的影響
——以漢江小流域武漢段為例

張楠楠

吳雪飛*

城市擴(kuò)張帶來(lái)的交通擁堵[1]、環(huán)境污染[2]、土地資源浪費(fèi)[3]等問(wèn)題日益顯現(xiàn)。在新型城鎮(zhèn)化建設(shè)背景下，以土地混合發(fā)展、高密度開(kāi)發(fā)和改善公共交通為基本思想[4]的緊湊城市理念逐步被中國(guó)學(xué)者重視，并運(yùn)用到城市的規(guī)劃和建設(shè)之中。城市用地緊湊發(fā)展是緊湊城市的重要內(nèi)涵，是二維視角下城市土地利用集聚程度的表征，能在一定程度上反映城市形態(tài)和交通的緊湊程度[5]。用地緊湊發(fā)展能夠有效克服城市擴(kuò)張的一些負(fù)面影響，如保護(hù)耕地[6]、減少城鎮(zhèn)碳排放[7]等。但另一方面，過(guò)于緊湊的城市空間會(huì)導(dǎo)致噪聲[8]、熱島效應(yīng)[9]的加劇。也有研究表明，緊湊度與空氣污染指數(shù)呈倒“U”型關(guān)系[10]。由此可見(jiàn)，緊湊城市的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)是多面的，且同一環(huán)境因子在不同緊湊度水平下也有可能呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)。

河岸帶生境位于水陸生態(tài)系統(tǒng)相互作用的交錯(cuò)帶上[11]，包含了地形、土壤、氣候、植被等因子[12]，是河岸生物及部分河流生物的棲息地[13]。由于復(fù)雜的邊緣效應(yīng)，河岸帶生境往往是城市中的生物多樣性熱點(diǎn)區(qū)域，對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)健康具有重要意義。河岸帶生境同樣能創(chuàng)造豐富的綠色基礎(chǔ)設(shè)施類(lèi)型，如濱河綠道、公園、濕地等，為人類(lèi)休閑活動(dòng)和親近自然提供機(jī)會(huì)。但由于城市河流良好的經(jīng)濟(jì)、景觀價(jià)值，河岸帶通常也因過(guò)度開(kāi)發(fā)而發(fā)生劇烈改變，成為生物多樣性喪失的熱點(diǎn)區(qū)域。

已有許多研究證實(shí)了流域尺度上城市用地建設(shè)對(duì)河岸帶生境的負(fù)面影響[14-16]。城市化將大量的林地、草地、湖泊等生態(tài)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，阻隔了河岸帶生境與其他自然生態(tài)系統(tǒng)的連通。廣泛的雨水排水網(wǎng)絡(luò)繞過(guò)河岸帶，將地表徑流直接排入河流，致使河岸帶地下水位降低，從而改變了河岸帶土壤、植物群落等關(guān)鍵生境特征[17]。然而以往研究多將城市化特征簡(jiǎn)化為建設(shè)用地或不透水地表面積占比，忽略了城市用地的空間結(jié)構(gòu)與形態(tài)等特征產(chǎn)生的生態(tài)影響，更鮮有人討論何種用地模式能更有效地支持河岸帶生物多樣性。基于此，本文以武漢境內(nèi)漢江小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，從用地強(qiáng)度、形態(tài)和布局3個(gè)維度構(gòu)建城市用地緊湊度評(píng)價(jià)體系，分析不同用地緊湊度水平下的河岸帶生境質(zhì)量變化規(guī)律。研究結(jié)果將作為緊湊城市理念的有益補(bǔ)充，為今后協(xié)調(diào)城市建設(shè)與河岸帶生態(tài)系統(tǒng)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

選取漢江小流域武漢段(113°57′25″～114°17′10″E、30°41′17″～33°33′58″N)為研究對(duì)象。小流域地處江漢平原中部，地勢(shì)平坦，水流緩慢，占地134.28km2。漢江是長(zhǎng)江最大的一級(jí)支流，其中武漢段長(zhǎng)約62km，平水期江面寬度為150～400m，豐水期為300～550m，枯水期為100～350m。該區(qū)域由東至西呈現(xiàn)出明顯的城市建設(shè)梯度變化，東部位于高度集中的城市化區(qū)域，向西至武漢市遠(yuǎn)城區(qū)，蔡甸城關(guān)、工業(yè)園區(qū)和建設(shè)中的中法生態(tài)新城等不連續(xù)地在小流域內(nèi)分布，呈分散的城市發(fā)展模式。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

以30m精度DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用ArcGIS 10.6水文分析模塊[18]提取漢江小流域武漢境內(nèi)的邊界。借助BIGEMAP平臺(tái)中高分辨率衛(wèi)星影像識(shí)別實(shí)際河網(wǎng)，并比較多種DEM精度下的子流域劃分結(jié)果，最終以18m精度為依據(jù)，將研究區(qū)域劃分為18個(gè)子流域單元(圖1)。在BIGEMAP平臺(tái)中獲取高精度衛(wèi)星影像和交通設(shè)施POI點(diǎn)，在ArcGIS 10.6中建立矢量圖層，以《第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查地類(lèi)分類(lèi)體系》為依據(jù)進(jìn)行用地類(lèi)型識(shí)別，以此為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)分別計(jì)算18個(gè)子流域的用地緊湊度。

圖1 研究區(qū)域及調(diào)查樣點(diǎn)分布

2.2 城市用地緊湊度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

城市用地緊湊變化是指各個(gè)子流域在不同城市建設(shè)強(qiáng)度下所呈現(xiàn)的土地利用集聚變化，主要體現(xiàn)在土地高效利用、混合發(fā)展[19]、中心集聚[20]、形態(tài)布局合理[21]、交通聯(lián)系便利[22]等多個(gè)方面?；谏鲜稣J(rèn)識(shí)，本文構(gòu)建了由用地強(qiáng)度、形態(tài)和布局3個(gè)維度11個(gè)指標(biāo)組成的城市用地緊湊度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。其中，用地強(qiáng)度緊湊性維度下的開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度和居住用地占比用以表征子流域內(nèi)土地開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度，公共管理與服務(wù)用地占比和公園綠地占比反映出公共空間在城市緊湊發(fā)展過(guò)程中的重要性。用地形態(tài)緊湊性評(píng)價(jià)從空間地理學(xué)出發(fā)，選取分形維度指數(shù)[23]、幾何形狀指數(shù)[24]、土地整合度[20]表征城市用地形態(tài)在二維空間上的緊湊程度。用地布局緊湊性評(píng)價(jià)由土地中心聚集度、土地利用混合度、路網(wǎng)密度和公共交通站點(diǎn)密度4個(gè)指標(biāo)構(gòu)成，以體現(xiàn)城市用地開(kāi)發(fā)的連續(xù)程度、不同地塊間的有機(jī)組織、功能混合程度與公共交通導(dǎo)向。所有指標(biāo)均為正向指標(biāo)，其值越大，用地緊湊性就越高。運(yùn)用極值法對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，采取熵值法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重。綜上所述，構(gòu)建城市用地緊湊度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如表1所示。

表1 城市用地緊湊度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.3 城市河岸帶生境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)及方法

2.3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

土壤、地形、地貌與水文等要素組成了孕育生命的基本條件，為河岸帶生物提供必需的光照、水分和養(yǎng)分，本文將它們的有機(jī)結(jié)合概括為本底生境。選取土壤質(zhì)地[25]、微地形起伏度[26]、河岸彎曲度[27]作為河岸帶土壤、地形、地貌特征的評(píng)價(jià)因子，將潮濕生境面積作為水文特征評(píng)價(jià)因子。足夠的寬度與平緩的坡度也是河岸帶生境發(fā)揮正常生態(tài)功能的必要條件，也納入本底生境質(zhì)量評(píng)價(jià)中。

不同的本底生境條件發(fā)展出多樣的動(dòng)植物及微生物群落，這些生物因子是促進(jìn)生境內(nèi)部物質(zhì)與能量流動(dòng)及維持穩(wěn)定食物鏈結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。因此，河岸帶動(dòng)植物的生長(zhǎng)狀況、豐富度、多樣性等因素既能在一定程度上客觀反映河岸帶生境條件的優(yōu)劣，又是河岸帶生境結(jié)構(gòu)的重要組成，筆者將其總結(jié)為表征生境。選取本土草本植物豐富度[28]、喬木覆蓋率[29-30]、木本植物自然更新?tīng)顩r、沿岸水生植被茂盛程度、鳥(niǎo)類(lèi)出現(xiàn)數(shù)量對(duì)河岸帶動(dòng)植物表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)?？葜β淙~、倒木、巨石等微生境類(lèi)型能夠?yàn)椴煌锷嫣峁撛诘淖钸m宜環(huán)境[31]，因此將調(diào)查河段內(nèi)的微生境類(lèi)型數(shù)量總結(jié)為生境復(fù)雜度。

河岸帶生境廊道與外部自然生態(tài)系統(tǒng)的有效連通能夠降低城市化造成的生境破碎化影響[32]。將河岸帶與外部生態(tài)系統(tǒng)相互作用而產(chǎn)生的此類(lèi)正向聯(lián)系概括為潛在生境質(zhì)量。評(píng)價(jià)指標(biāo)包括河岸帶橫向結(jié)構(gòu)、河岸帶外側(cè)土地利用現(xiàn)狀和河岸帶外生境單元面積。其中，河岸帶外生境單元面積指標(biāo)的選取是以武漢河岸地區(qū)的常見(jiàn)鳥(niǎo)類(lèi)白鷺為目標(biāo)物種，以其活動(dòng)范圍、主要棲息與覓食環(huán)境偏好為依據(jù)[33]進(jìn)行衡量。

最后，結(jié)合田野調(diào)查發(fā)現(xiàn)，外來(lái)植物入侵、人類(lèi)活動(dòng)干擾與土壤侵蝕是研究區(qū)域面臨的主要生境威脅，會(huì)造成河岸帶生境質(zhì)量的明顯波動(dòng)，因此將其總結(jié)為生境威脅進(jìn)行評(píng)價(jià)。綜上所述，構(gòu)建城市河岸帶生境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如表2所示。

表2 城市河岸帶生境質(zhì)量評(píng)價(jià)體系

2.3.2 生境質(zhì)量調(diào)查方法

分別于2020年9月上旬、下旬和2021年2月上旬對(duì)漢江武漢段進(jìn)行河岸帶生境質(zhì)量評(píng)估。根據(jù)子流域面積大小，在其河流兩岸隨機(jī)設(shè)置1～3個(gè)樣點(diǎn)，共37個(gè)樣點(diǎn)(圖1)。以選定樣點(diǎn)附近沿河流方向100m處為縱向調(diào)查范圍，以河岸水緣至防洪堤、城市道路或土地利用類(lèi)型發(fā)生明顯變化處為橫向范圍。依照表2，綜合運(yùn)用樣方法、目視估算與無(wú)人機(jī)拍攝手段在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)河岸帶生境質(zhì)量進(jìn)行人工打分。土壤質(zhì)地通過(guò)干測(cè)法與濕測(cè)法結(jié)合的手段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)判斷。最后采取累計(jì)求和的方式計(jì)算河岸帶綜合生境質(zhì)量。

2.4 數(shù)據(jù)處理

利用自然斷點(diǎn)法在ArcGIS中對(duì)子流域緊湊度水平進(jìn)行聚類(lèi)，分析子流域的用地緊湊度變化特征。運(yùn)用SPSS 24.0分析用地緊湊變化與河岸帶生境質(zhì)量間的相關(guān)性。根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果，建立環(huán)境變量矩陣X(用地緊湊測(cè)度)和響應(yīng)變量矩陣Y(河岸帶生境質(zhì)量)，在Canoco 4.5中進(jìn)行RDA排序分析以確定影響河岸帶生境的主要用地緊湊測(cè)度。

3 結(jié)果與分析

3.1 小流域用地緊湊度評(píng)價(jià)結(jié)果與空間分布特征

子流域用地緊湊度評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖2。研究區(qū)域內(nèi)處于緊湊與高度緊湊水平的子流域數(shù)量最多，且用地緊湊性呈現(xiàn)西部低、東部高的趨勢(shì)，這一結(jié)果主要與小流域城市用地建設(shè)強(qiáng)度向西逐漸減弱有關(guān)。位于武漢市主城區(qū)域的W1～W10子流域的用地緊湊度呈現(xiàn)從中度緊湊到高度緊湊的空間分異，體現(xiàn)了用地布局與形態(tài)緊湊性對(duì)高強(qiáng)度城市建成區(qū)用地緊湊性的貢獻(xiàn)。

圖2 子流域的用地緊湊度等級(jí)分布

3.2 用地緊湊變化與河岸帶生境質(zhì)量的相關(guān)性分析

總體上，隨子流域用地緊湊度提升，河岸帶綜合生境質(zhì)量顯著降低(表3)，但不同維度的生境質(zhì)量對(duì)用地緊湊變化的響應(yīng)不同。表征生境質(zhì)量的受影響程度最顯著，二者為強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系。本底生境質(zhì)量、潛在生境質(zhì)量與生境威脅均與用地緊湊度變化呈中度負(fù)相關(guān)關(guān)系。本底生境評(píng)價(jià)中，城市用地緊湊發(fā)展主要影響河岸彎曲度與河岸帶潮濕生境面積。表征生境評(píng)價(jià)中，除喬木覆蓋率與鳥(niǎo)類(lèi)出現(xiàn)數(shù)量外，其余指標(biāo)與用地緊湊度的負(fù)相關(guān)性均較顯著。這是由于受公園、防洪林建設(shè)等人類(lèi)活動(dòng)影響，不同河段河岸帶喬木覆蓋程度均較高，而鳥(niǎo)類(lèi)的活動(dòng)范圍廣泛，且河岸帶植被縱向連續(xù)性較好，因此不同子流域的用地緊湊發(fā)展對(duì)其分布無(wú)明顯影響。潛在生境質(zhì)量變化主要表現(xiàn)在隨緊湊度升高，河岸帶外側(cè)土地利用強(qiáng)度增強(qiáng)。生境威脅方面，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)外來(lái)入侵植物和土壤侵蝕與用地緊湊發(fā)展的相關(guān)性，河岸帶受人類(lèi)活動(dòng)干擾程度則隨用地緊湊度升高而顯著加劇。

表3 用地緊湊度與河岸帶生境質(zhì)量的Spearman相關(guān)性分析

3.3 河岸帶生境質(zhì)量與用地緊湊測(cè)度的RDA分析

為進(jìn)一步明確不同用地緊湊測(cè)度對(duì)河岸帶生境質(zhì)量變化的影響程度，將河岸帶生境質(zhì)量與用地緊湊測(cè)度進(jìn)行直接梯度分析。去趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析(DCA)表明，最長(zhǎng)軸的梯度均小于3，因此選用RDA分析。結(jié)果表明，開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度(X1)、居住用地占比(X2)、公共管理用地占比(X3)、分形維度指數(shù)(Y1)與土地利用混合度(Z2)是解釋河岸帶生境質(zhì)量變化的最小變量組合(圖3)，且開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度、居住用地占比和土地利用混合度的影響達(dá)到極顯著水平，表明傳統(tǒng)的高強(qiáng)度城市建設(shè)、高密度人口聚集及高混合土地利用的緊湊用地模式對(duì)河岸帶生境的壓力十分顯著。RDA排序圖顯示，分形維度指數(shù)(Y1)與河岸帶生境質(zhì)量呈正相關(guān)關(guān)系(圖3)。另外，用地形態(tài)緊湊維度下的幾何形狀指數(shù)(Y2)、土地整合度(Y3)與用地布局緊湊維度下的土地中心聚集度(Z1)、路網(wǎng)密度(Z3)與公共交通站點(diǎn)密度(Z4)指標(biāo)對(duì)河岸帶生境質(zhì)量變化的解釋程度均不顯著。

圖3 不同用地緊湊測(cè)度對(duì)河岸帶生境質(zhì)量影響的RDA排序圖

4 討論

本文從用地強(qiáng)度、形態(tài)和布局視角出發(fā)，探究了子流域水平上的城市用地緊湊變化對(duì)河岸帶生境質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，與分散的城市化相比，用地緊湊模式下的河岸帶生境現(xiàn)狀并不理想。本底生境方面，隨用地緊湊度提升，河岸帶趨向于順直，潮濕生境面積也顯著減?。槐碚魃撤矫?，受密集的土壤壓實(shí)與不透水地表蔓延影響，流域內(nèi)的水文過(guò)程已經(jīng)發(fā)生了深刻改變，河岸帶本土草本植物豐富度、木本植物自然更新、沿岸水生植被與生境復(fù)雜度均因此受到了較顯著的抑制。另外，河岸帶外側(cè)土地通常被各類(lèi)建設(shè)用地占據(jù)，與城市中其他自然生態(tài)系統(tǒng)的連通性較弱，這不利于物種的遷移與擴(kuò)散。生境威脅方面，隨用地緊湊發(fā)展而來(lái)的較嚴(yán)重的人類(lèi)活動(dòng)干擾，反映出當(dāng)前河岸帶規(guī)劃與建設(shè)主要以城市美化、居民休閑娛樂(lè)、防洪、航運(yùn)等為導(dǎo)向，對(duì)生物多樣性保護(hù)的關(guān)注遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。當(dāng)前城市河岸帶生境亟須在人工干預(yù)下，以生物多樣性保護(hù)為目的，恢復(fù)其完整的生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成與食物鏈結(jié)構(gòu)。結(jié)合上文對(duì)用地緊湊度與生境質(zhì)量相關(guān)性的分析，關(guān)鍵修復(fù)措施應(yīng)包括改善河岸彎曲性，采用格賓石籠、生態(tài)袋等替代被混凝土硬化的駁岸，恢復(fù)河岸帶與河流之間的水文交換，營(yíng)造潮濕的生境與水生植被生長(zhǎng)環(huán)境；合理增加對(duì)本土草本植物的運(yùn)用，以提升河岸帶本土景觀特色，并為無(wú)脊椎動(dòng)物提供良好的棲息環(huán)境與食物來(lái)源。

不同用地緊湊測(cè)度對(duì)河岸帶生境變化的影響趨勢(shì)不同。RDA分析結(jié)果表明，開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度、居住用地占比和土地利用混合度是影響河岸帶生境的主導(dǎo)因子。而用地形態(tài)緊湊性對(duì)河岸帶生境質(zhì)量變化的貢獻(xiàn)率不高，且分形維度指數(shù)與河岸帶生境質(zhì)量關(guān)系呈正相關(guān)關(guān)系，這意味著在同等強(qiáng)度的土地開(kāi)發(fā)利用下，斑塊形狀較為復(fù)雜且連續(xù)、集中性的用地發(fā)展形態(tài)能夠緩解城市化對(duì)河岸帶生境的壓力。另外，公園綠地占比、土地中心聚集度、路網(wǎng)密度與公共交通站點(diǎn)密度指標(biāo)對(duì)河岸帶生境質(zhì)量變化的影響也極不顯著，表明中心集聚、小街區(qū)、密路網(wǎng)并以公共交通為導(dǎo)向的緊湊城市布局策略不僅是提升城市運(yùn)行效率的有效措施，也能與城市生態(tài)環(huán)境發(fā)展相適應(yīng)。綜上所述，為最大程度協(xié)調(diào)城市用地緊湊發(fā)展與河岸帶生物多樣性維持的關(guān)系，應(yīng)根據(jù)不同用地建設(shè)特征制定差異化的緊湊城市發(fā)展策略。針對(duì)緊湊程度較高、用地開(kāi)發(fā)較飽和的子流域，應(yīng)在現(xiàn)有土地利用強(qiáng)度上，優(yōu)化整合區(qū)域內(nèi)綠色空間布局，以促進(jìn)其與河岸帶生境廊道的連通，并通過(guò)增加透水性下墊面面積改善流域內(nèi)的水文過(guò)程。而針對(duì)緊湊度較低，或正處于新城開(kāi)發(fā)階段的子流域，著力規(guī)劃緊湊的用地形態(tài)與布局是協(xié)同城市建設(shè)與河岸帶生物多樣性保護(hù)的有效策略。

注：文中圖片均由作者繪制。

致謝：本研究涉及的田野調(diào)查工作得到了華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院李業(yè)涵、趙駿、王玉霞、周媛、任雨菲、李子健、汪博、洪歌等同學(xué)的大力協(xié)助，在此表示由衷感謝！