城市用地紧凑变化对河岸带生境的影响

摘要：流域尺度上的城市扩张会对河岸带生境产生显著的负面影响，目前还不清楚何种用地模式能更有效地支持河岸带生物多样性。以汉江小流域武汉段为研究对象，从用地强度、形态和布局3个维度构建了城市用地紧凑度评价指标体系。

根据河岸带生境结构及其联系构建城市河岸带生境质量评价体系。运用Spearman相关性分析和RDA分析探究子流域水平上的城市用地紧凑变化对河岸带生境的影响。

结果表明：随用地紧凑度提升，河岸带综合生境质量显著降低；开发利用强度、居住用地占比及土地利用混合度是致使河岸带生境变差的主导因子；用地形态与布局的紧凑变化对河岸带生境质量的影响不显著，且分形维度指数与河岸带生境质量呈正相关关系。

 

城市扩张带来的交通拥堵[1]、环境污染[2]、土地资源浪费[3]等问题日益显现。在新型城镇化建设背景下，以土地混合发展、高密度开发和改善公共交通为基本思想[4]的紧凑城市理念逐步被中国学者重视，并运用到城市的规划和建设之中。城市用地紧凑发展是紧凑城市的重要内涵，是二维视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态和交通的紧凑程度[5]。

用地紧凑发展能够有效克服城市扩张的一些负面影响，如保护耕地[6]、减少城镇碳排放等。但另一方面，过于紧凑的城市空间会导致噪声[8]、热岛效应[9]的加剧。也有研究表明，紧凑度与空气污染指数呈倒“U”型关系[10]。由此可见，紧凑城市的生态环境效应是多面的，且同一环境因子在不同紧凑度水平下也有可能呈现相反的变化趋势。

 

河岸带生境位于水陆生态系统相互作用的交错带上[11]，包含了地形、土壤、气候、植被等因子[12]，是河岸生物及部分河流生物的栖息地[13]。由于复杂的边缘效应，河岸带生境往往是城市中的生物多样性热点区域，对河流生态系统健康具有重要意义。河岸带生境同样能创造丰富的绿色基础设施类型，如滨河绿道、公园、湿地等，为人类休闲活动和亲近自然提供机会。但由于城市河流良好的经济、景观价值，河岸带通常也因过度开发而发生剧烈改变，成为生物多样性丧失的热点区域。

 

已有许多研究证实了流域尺度上城市用地建设对河岸带生境的负面影响[14-16]。城市化将大量的林地、草地、湖泊等生态用地转变为建设用地，阻隔了河岸带生境与其他自然生态系统的连通。

广泛的雨水排水网络绕过河岸带，将地表径流直接排入河流，致使河岸带地下水位降低，从而改变了河岸带土壤、植物群落等关键生境特征[17]。然而以往研究多将城市化特征简化为建设用地或不透水地表面积占比，忽略了城市用地的空间结构与形态等特征产生的生态影响，更鲜有人讨论何种用地模式能更有效地支持河岸带生物多样性。

基于此，本文以武汉境内汉江小流域为研究对象，从用地强度、形态和布局3个维度构建城市用地紧凑度评价体系，分析不同用地紧凑度水平下的河岸带生境质量变化规律。研究结果将作为紧凑城市理念的有益补充，为今后协调城市建设与河岸带生态系统管理提供科学依据。

 

1研究区域概况

 

选取汉江小流域武汉段(113°57′25″~114°17′10″E、30°41′17″~33°33′58″N)为研究对象。小流域地处江汉平原中部，地势平坦，水流缓慢，占地134.28km2。汉江是长江最大的一级支流，其中武汉段长约62km，平水期江面宽度为150~400m，丰水期为300~550m，枯水期为100~350m。该区域由东至西呈现出明显的城市建设梯度变化，东部位于高度集中的城市化区域，向西至武汉市远城区，蔡甸城关、工业园区和建设中的中法生态新城等不连续地在小流域内分布，呈分散的城市发展模式。

 

2研究方法

 

 

以30m精度DEM数据为基础，利用ArcGIS10.6水文分析模块[18]提取汉江小流域武汉境内的边界。借助BIGEMAP平台中高分辨率卫星影像识别实际河网，并比较多种DEM精度下的子流域划分结果，最终以18m精度为依据，将研究区域划分为18个子流域单元(图1)。

在BIGEMAP平台中获取高精度卫星影像和交通设施POI点，在ArcGIS10.6中建立矢量图层，以《第三次全国国土调查地类分类体系》为依据进行用地类型识别，以此为数据基础分别计算18个子流域的用地紧凑度。

 

 

城市用地紧凑变化是指各个子流域在不同质与能量流动及维持稳定食物链结构的基础。因此，河岸带动植物的生长状况、丰富度、多样性等因素既能在一定程度上客观反映河岸带生境条件的优劣，又是河岸带生境结构的重要组成，笔者将其总结为表征生境。

选取本土草本植物丰富度[28]、乔木覆盖率[29-30]、木本植物自然更新状况、沿岸水生植被茂盛程度、鸟类出现数量对河岸带动植物表现进行评价。枯枝落叶、倒木、巨石等微生境类型能够为不同生物生存提供潜在的最适宜环境[31]，因此将调查河段内的微生境类型数量总结为生境复杂度。

 

河岸带生境廊道与外部自然生态系统的有效连通能够降低城市化造成的生境破碎化影响[32]。将河岸带与外部生态系统相互作用而产生的此类正向联系概括为潜在生境质量。评价指标包括河岸带横向结构、河岸带外侧土地利用现状和河岸带外生境单元面积。其中，河岸带外生境单元面积指标的选取是以武汉河岸地区的常见鸟类白鹭为目标物种，以其活动范围、主要栖息与觅食环境偏好为依据[33]进行衡量。

 

最后，结合田野调查发现，外来植物入侵、人类活动干扰与土壤侵蚀是研究区域面临的主要生境威胁，会造成河岸带生境质量的明显波动，因此将其总结为生境威胁进行评价。综上所述，构建城市河岸带生境质量评价指标体系如表2所示。

 

 

分别于2020年9月上旬、下旬和2021年2月上旬对汉江武汉段进行河岸带生境质量评估。根据子流域面积大小，在其河流两岸随机设置1~3个样点，共37个样点(图1)。以选定样点附近沿河流方向100m处为纵向调查范围，以河岸水缘至防洪堤、城市道路或土地利用类型发生明显变化处为横向范围。


依照表2，综合运用样方法、目视估算与无人机拍摄手段在现场对河岸带生境质量进行人工打分。土壤质地通过干测法与湿测法结合的手段进行现场判断。最后采取累计求和的方式计算河岸带综合生境质量。

 

2.4数据处理

 

利用自然断点法在ArcGIS中对子流域紧凑度水平进行聚类，分析子流域的用地紧凑度变化特征。运用SPSS24.0分析用地紧凑变化与河岸带生境质量间的相关性。根据相关性分析结果，建立环境变量矩阵X(用地紧凑测度)和响应变量矩阵Y(河岸带生境质量)，在Canoco4.5中进行RDA排序分析以确定影响河岸带生境的主要用地紧凑测度。