張楠楠

吳雪飛*

城市擴張帶來的交通擁堵[1]、環(huán)境污染[2]、土地資源浪費[3]等問題日益顯現(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學者重視，并運用到城市的規(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張的一些負面影響，如保護耕地[6]、減少城鎮(zhèn)碳排放[7]等。但另一方面，過于緊湊的城市空間會導致噪聲[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，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。

河岸帶生境位于水陸生態(tài)系統(tǒng)相互作用的交錯帶上[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區(qū)域，對河流生態(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)施類型，如濱河綠道、公園、濕地等，為人類休閑活動和親近自然提供機會。但由于城市河流良好的經(jīng)濟、景觀價值，河岸帶通常也因過度開發(fā)而發(fā)生劇烈改變，成為生物多樣性喪失的熱點區(qū)域。

已有許多研究證實了流域尺度上城市用地建設(shè)對河岸帶生境的負面影響[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?；诖耍疚囊晕錆h境內(nèi)漢江小流域為研究對象，從用地強度、形態(tài)和布局3個維度構(gòu)建城市用地緊湊度評價體系，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)為研究對象。小流域地處江漢平原中部，地勢平坦，水流緩慢，占地134.28km2。漢江是長江最大的一級支流，其中武漢段長約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)來源與預處理

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平臺中高分辨率衛(wèi)星影像識別實際河網(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個子流域單元(圖1)。在BIGEMAP平臺中獲取高精度衛(wèi)星影像和交通設(shè)施POI點，在ArcGIS 10.6中建立矢量圖層，以《第三次全國國土調(diào)查地類分類體系》為依據(jù)進行用地類型識別，以此為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)分別計算18個子流域的用地緊湊度。

圖1 研究區(qū)域及調(diào)查樣點分布

2.2 城市用地緊湊度評價指標體系構(gòu)建

城市用地緊湊變化是指各個子流域在不同城市建設(shè)強度下所呈現(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]等多個方面?；谏鲜稣J識，本文構(gòu)建了由用地強度、形態(tài)和布局3個維度11個指標組成的城市用地緊湊度評價指標體系(表1)。其中，用地強度緊湊性維度下的開發(fā)利用強度和居住用地占比用以表征子流域內(nèi)土地開發(fā)利用強度，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)展過程中的重要性。用地形態(tài)緊湊性評價從空間地理學出發(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。用地布局緊湊性評價由土地中心聚集度、土地利用混合度、路網(wǎng)密度和公共交通站點密度4個指標構(gòu)成，以體現(xiàn)城市用地開發(fā)的連續(xù)程度、不同地塊間的有機組織、功能混合程度與公共交通導向。所有指標均為正向指標，其值越大，用地緊湊性就越高。運用極值法對各項指標進行標準化處理，采取熵值法計算各指標權(quán)重。綜上所述，構(gòu)建城市用地緊湊度評價指標體系如表1所示。

表1 城市用地緊湊度評價指標體系

2.3 城市河岸帶生境質(zhì)量評價指標及方法

2.3.1 評價指標體系的構(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、地貌特征的評價因子，將潮濕生境面積作為水文特征評價因子。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)量評價中。

不同的本底生境條件發(fā)展出多樣的動植物及微生物群落，這些生物因子是促進生境內(nèi)部物質(zhì)與能量流動及維持穩(wěn)定食物鏈結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。因此，河岸帶動植物的生長狀況、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]、木本植物自然更新狀況、沿岸水生植被茂盛程度、鳥類出現(xiàn)數(shù)量對河岸帶動植物表現(xiàn)進行評價?？葜β淙~、倒木、巨石等微生境類型能夠為不同生物生存提供潛在的最適宜環(huán)境[31]，因此將調(diào)查河段內(nèi)的微生境類型數(shù)量總結(jié)為生境復雜度。

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)生的此類正向聯(lián)系概括為潛在生境質(zhì)量。評價指標包括河岸帶橫向結(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的選取是以武漢河岸地區(qū)的常見鳥類白鷺為目標物種，以其活動范圍、主要棲息與覓食環(huán)境偏好為依據(jù)[33]進行衡量。

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

表2 城市河岸帶生境質(zhì)量評價體系

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月上旬對漢江武漢段進行河岸帶生境質(zhì)量評估。根據(jù)子流域面積大小，在其河流兩岸隨機設(shè)置1～3個樣點，共37個樣點(圖1)。以選定樣點附近沿河流方向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型發(fā)生明顯變化處為橫向范圍。依照表2，綜合運用樣方法、目視估算與無人機拍攝手段在現(xiàn)場對河岸帶生境質(zhì)量進行人工打分。土壤質(zhì)地通過干測法與濕測法結(jié)合的手段進行現(xiàn)場判斷。最后采取累計求和的方式計算河岸帶綜合生境質(zhì)量。

2.4 數(shù)據(jù)處理

利用自然斷點法在ArcGIS中對子流域緊湊度水平進行聚類，分析子流域的用地緊湊度變化特征。運用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(用地緊湊測度)和響應(yīng)變量矩陣Y(河岸帶生境質(zhì)量)，在Canoco 4.5中進行RDA排序分析以確定影響河岸帶生境的主要用地緊湊測度。

3 結(jié)果與分析

3.1 小流域用地緊湊度評價結(jié)果與空間分布特征

子流域用地緊湊度評價結(jié)果見圖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，這一結(jié)果主要與小流域城市用地建設(shè)強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)緊湊性對高強度城市建成區(qū)用地緊湊性的貢獻。

圖2 子流域的用地緊湊度等級分布

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，二者為強負相關(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相關(guān)關(guān)系。本底生境評價中，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。表征生境評價中，除喬木覆蓋率與鳥類出現(xiàn)數(shù)量外，其余指標與用地緊湊度的負相關(guān)性均較顯著。這是由于受公園、防洪林建設(shè)等人類活動影響，不同河段河岸帶喬木覆蓋程度均較高，而鳥類的活動范圍廣泛，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)展對其分布無明顯影響。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)土地利用強度增強。生境威脅方面，沒有發(fā)現(xiàn)外來入侵植物和土壤侵蝕與用地緊湊發(fā)展的相關(guān)性，河岸帶受人類活動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)量與用地緊湊測度的RDA分析

為進一步明確不同用地緊湊測度對河岸帶生境質(zhì)量變化的影響程度，將河岸帶生境質(zhì)量與用地緊湊測度進行直接梯度分析。去趨勢對應(yīng)分析(DCA)表明，最長軸的梯度均小于3，因此選用RDA分析。結(jié)果表明，開發(fā)利用強度(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)，且開發(fā)利用強度、居住用地占比和土地利用混合度的影響達到極顯著水平，表明傳統(tǒng)的高強度城市建設(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)與公共交通站點密度(Z4)指標對河岸帶生境質(zhì)量變化的解釋程度均不顯著。

圖3 不同用地緊湊測度對河岸帶生境質(zhì)量影響的RDA排序圖

4 討論

本文從用地強度、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?，受密集的土壤壓實與不透水地表蔓延影響，流域內(nèi)的水文過程已經(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散。生境威脅方面，隨用地緊湊發(fā)展而來的較嚴重的人類活動干擾，反映出當前河岸帶規(guī)劃與建設(shè)主要以城市美化、居民休閑娛樂、防洪、航運等為導向，對生物多樣性保護的關(guān)注遠遠不足。當前城市河岸帶生境亟須在人工干預下，以生物多樣性保護為目的，恢復其完整的生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成與食物鏈結(jié)構(gòu)。結(jié)合上文對用地緊湊度與生境質(zhì)量相關(guān)性的分析，關(guān)鍵修復措施應(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，恢復河岸帶與河流之間的水文交換，營造潮濕的生境與水生植被生長環(huán)境；合理增加對本土草本植物的運用，以提升河岸帶本土景觀特色，并為無脊椎動物提供良好的棲息環(huán)境與食物來源。

不同用地緊湊測度對河岸帶生境變化的影響趨勢不同。RDA分析結(jié)果表明，開發(fā)利用強度、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因子。而用地形態(tài)緊湊性對河岸帶生境質(zhì)量變化的貢獻率不高，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，這意味著在同等強度的土地開發(fā)利用下，斑塊形狀較為復雜且連續(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密度指標對河岸帶生境質(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)并以公共交通為導向的緊湊城市布局策略不僅是提升城市運行效率的有效措施，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。針對緊湊程度較高、用地開發(fā)較飽和的子流域，應(yīng)在現(xiàn)有土地利用強度上，優(yōu)化整合區(qū)域內(nèi)綠色空間布局，以促進其與河岸帶生境廊道的連通，并通過增加透水性下墊面面積改善流域內(nèi)的水文過程。而針對緊湊度較低，或正處于新城開發(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)大學園藝林學學院李業(yè)涵、趙駿、王玉霞、周媛、任雨菲、李子健、汪博、洪歌等同學的大力協(xié)助，在此表示由衷感謝！