城市用地紧凑变化对河岸带生境的影响——以汉江小流域武汉段为例

张楠楠

吴雪飞*

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[7]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

2.1 数据来源与预处理

以30m精度DEM数据为基础，利用ArcGIS 10.6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ArcGIS 10.6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。

图1 研究区域及调查样点分布

2.2 城市用地紧凑度评价指标体系构建

城市用地紧凑变化是指各个子流域在不同城市建设强度下所呈现的土地利用集聚变化，主要体现在土地高效利用、混合发展[19]、中心集聚[20]、形态布局合理[21]、交通联系便利[22]等多个方面。基于上述认识，本文构建了由用地强度、形态和布局3个维度11个指标组成的城市用地紧凑度评价指标体系(表1)。其中，用地强度紧凑性维度下的开发利用强度和居住用地占比用以表征子流域内土地开发利用强度，公共管理与服务用地占比和公园绿地占比反映出公共空间在城市紧凑发展过程中的重要性。用地形态紧凑性评价从空间地理学出发，选取分形维度指数[23]、几何形状指数[24]、土地整合度[20]表征城市用地形态在二维空间上的紧凑程度。用地布局紧凑性评价由土地中心聚集度、土地利用混合度、路网密度和公共交通站点密度4个指标构成，以体现城市用地开发的连续程度、不同地块间的有机组织、功能混合程度与公共交通导向。所有指标均为正向指标，其值越大，用地紧凑性就越高。运用极值法对各项指标进行标准化处理，采取熵值法计算各指标权重。综上所述，构建城市用地紧凑度评价指标体系如表1所示。

表1 城市用地紧凑度评价指标体系

2.3 城市河岸带生境质量评价指标及方法

2.3.1 评价指标体系的构建

土壤、地形、地貌与水文等要素组成了孕育生命的基本条件，为河岸带生物提供必需的光照、水分和养分，本文将它们的有机结合概括为本底生境。选取土壤质地[25]、微地形起伏度[26]、河岸弯曲度[27]作为河岸带土壤、地形、地貌特征的评价因子，将潮湿生境面积作为水文特征评价因子。足够的宽度与平缓的坡度也是河岸带生境发挥正常生态功能的必要条件，也纳入本底生境质量评价中。

不同的本底生境条件发展出多样的动植物及微生物群落，这些生物因子是促进生境内部物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。

表2 城市河岸带生境质量评价体系

2.3.2 生境质量调查方法

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SPSS 24.0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Canoco 4.5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。

3 结果与分析

3.1 小流域用地紧凑度评价结果与空间分布特征

子流域用地紧凑度评价结果见图2。研究区域内处于紧凑与高度紧凑水平的子流域数量最多，且用地紧凑性呈现西部低、东部高的趋势，这一结果主要与小流域城市用地建设强度向西逐渐减弱有关。位于武汉市主城区域的W1～W10子流域的用地紧凑度呈现从中度紧凑到高度紧凑的空间分异，体现了用地布局与形态紧凑性对高强度城市建成区用地紧凑性的贡献。

图2 子流域的用地紧凑度等级分布

3.2 用地紧凑变化与河岸带生境质量的相关性分析

总体上，随子流域用地紧凑度提升，河岸带综合生境质量显著降低(表3)，但不同维度的生境质量对用地紧凑变化的响应不同。表征生境质量的受影响程度最显著，二者为强负相关关系。本底生境质量、潜在生境质量与生境威胁均与用地紧凑度变化呈中度负相关关系。本底生境评价中，城市用地紧凑发展主要影响河岸弯曲度与河岸带潮湿生境面积。表征生境评价中，除乔木覆盖率与鸟类出现数量外，其余指标与用地紧凑度的负相关性均较显著。这是由于受公园、防洪林建设等人类活动影响，不同河段河岸带乔木覆盖程度均较高，而鸟类的活动范围广泛，且河岸带植被纵向连续性较好，因此不同子流域的用地紧凑发展对其分布无明显影响。潜在生境质量变化主要表现在随紧凑度升高，河岸带外侧土地利用强度增强。生境威胁方面，没有发现外来入侵植物和土壤侵蚀与用地紧凑发展的相关性，河岸带受人类活动干扰程度则随用地紧凑度升高而显著加剧。

表3 用地紧凑度与河岸带生境质量的Spearman相关性分析

3.3 河岸带生境质量与用地紧凑测度的RDA分析

为进一步明确不同用地紧凑测度对河岸带生境质量变化的影响程度，将河岸带生境质量与用地紧凑测度进行直接梯度分析。去趋势对应分析(DCA)表明，最长轴的梯度均小于3，因此选用RDA分析。结果表明，开发利用强度(X1)、居住用地占比(X2)、公共管理用地占比(X3)、分形维度指数(Y1)与土地利用混合度(Z2)是解释河岸带生境质量变化的最小变量组合(图3)，且开发利用强度、居住用地占比和土地利用混合度的影响达到极显著水平，表明传统的高强度城市建设、高密度人口聚集及高混合土地利用的紧凑用地模式对河岸带生境的压力十分显著。RDA排序图显示，分形维度指数(Y1)与河岸带生境质量呈正相关关系(图3)。另外，用地形态紧凑维度下的几何形状指数(Y2)、土地整合度(Y3)与用地布局紧凑维度下的土地中心聚集度(Z1)、路网密度(Z3)与公共交通站点密度(Z4)指标对河岸带生境质量变化的解释程度均不显著。

图3 不同用地紧凑测度对河岸带生境质量影响的RDA排序图

4 讨论

本文从用地强度、形态和布局视角出发，探究了子流域水平上的城市用地紧凑变化对河岸带生境质量的影响。结果表明，与分散的城市化相比，用地紧凑模式下的河岸带生境现状并不理想。本底生境方面，随用地紧凑度提升，河岸带趋向于顺直，潮湿生境面积也显著减小；表征生境方面，受密集的土壤压实与不透水地表蔓延影响，流域内的水文过程已经发生了深刻改变，河岸带本土草本植物丰富度、木本植物自然更新、沿岸水生植被与生境复杂度均因此受到了较显著的抑制。另外，河岸带外侧土地通常被各类建设用地占据，与城市中其他自然生态系统的连通性较弱，这不利于物种的迁移与扩散。生境威胁方面，随用地紧凑发展而来的较严重的人类活动干扰，反映出当前河岸带规划与建设主要以城市美化、居民休闲娱乐、防洪、航运等为导向，对生物多样性保护的关注远远不足。当前城市河岸带生境亟须在人工干预下，以生物多样性保护为目的，恢复其完整的生态系统构成与食物链结构。结合上文对用地紧凑度与生境质量相关性的分析，关键修复措施应包括改善河岸弯曲性，采用格宾石笼、生态袋等替代被混凝土硬化的驳岸，恢复河岸带与河流之间的水文交换，营造潮湿的生境与水生植被生长环境；合理增加对本土草本植物的运用，以提升河岸带本土景观特色，并为无脊椎动物提供良好的栖息环境与食物来源。

不同用地紧凑测度对河岸带生境变化的影响趋势不同。RDA分析结果表明，开发利用强度、居住用地占比和土地利用混合度是影响河岸带生境的主导因子。而用地形态紧凑性对河岸带生境质量变化的贡献率不高，且分形维度指数与河岸带生境质量关系呈正相关关系，这意味着在同等强度的土地开发利用下，斑块形状较为复杂且连续、集中性的用地发展形态能够缓解城市化对河岸带生境的压力。另外，公园绿地占比、土地中心聚集度、路网密度与公共交通站点密度指标对河岸带生境质量变化的影响也极不显著，表明中心集聚、小街区、密路网并以公共交通为导向的紧凑城市布局策略不仅是提升城市运行效率的有效措施，也能与城市生态环境发展相适应。综上所述，为最大程度协调城市用地紧凑发展与河岸带生物多样性维持的关系，应根据不同用地建设特征制定差异化的紧凑城市发展策略。针对紧凑程度较高、用地开发较饱和的子流域，应在现有土地利用强度上，优化整合区域内绿色空间布局，以促进其与河岸带生境廊道的连通，并通过增加透水性下垫面面积改善流域内的水文过程。而针对紧凑度较低，或正处于新城开发阶段的子流域，着力规划紧凑的用地形态与布局是协同城市建设与河岸带生物多样性保护的有效策略。

注：文中图片均由作者绘制。

致谢：本研究涉及的田野调查工作得到了华中农业大学园艺林学学院李业涵、赵骏、王玉霞、周媛、任雨菲、李子健、汪博、洪歌等同学的大力协助，在此表示由衷感谢！