城市景觀格局演變的水環境效應研究綜述

黃 碩, 郭青海

(1.中國科學院城市環境研究所，城市環境與健康重點實驗室， 廈門 361021； 2.中國科學院大學， 北京 100049)

城市景觀格局演變的水環境效應研究綜述

黃 碩1,2, 郭青海1,*

(1.中國科學院城市環境研究所，城市環境與健康重點實驗室， 廈門 361021； 2.中國科學院大學， 北京 100049)

人類活動導致的城市土地利用覆被變化在景觀生態學上表現為城市景觀類型的更替和城市景觀格局的演變。我國城市景觀格局中自然植被景觀基質大幅被人工硬化地面所取代，自然景觀斑塊破碎化，城市道路和排水管網等人工廊道大量增加，造成“源”“匯”景觀的比例失衡和格局失調，從而產生城市景觀格局演變的水環境負效應，如非點源污染、水生生態系統失衡和城市內澇等，且水環境負效應存在時間尺度差異和空間尺度響應多樣性。對城市景觀類型及其格局演變產生的城市水環境效應相關研究進行總結，針對現有研究中存在的城市景觀格局演變帶來的生態過程變化研究較少、影響城市水環境的景觀格局變化閾值不明確、研究結果推廣難和重復性較差、人工廊道與城市水環境效應關系關注度較低和水環境負效應綜合度研究欠缺等不足之處，提出未來研究的著力點，對實現可持續城市具有一定意義。

景觀格局；水環境效應；城市規劃

城市水環境以城市自然和人工水體為中心，包括流域尺度內與水體密切相關的自然要素和城市景觀，是城市生態系統的重要組成部分[1]。據統計，1991年七大水系流經城市的支流污染較重，2011年部分城市河段為重度污染，且城市內湖水質都低于Ⅲ類水質標準，我國城市水環境存在嚴重污染問題[2- 3]。城市水體質量下降與城市化帶來的城市景觀格局演變具有一定的關聯性[4]。近年來我國城市發展勢頭迅猛，城市自然生態系統轉為人工生態系統，自然景觀斑塊趨于破碎化，城市景觀格局演變主要表現為城市建成區等大面積不透水面對自然植被景觀基質的侵蝕[5]、城市排水管網和城市道路等人工廊道的大量增長[6- 7]和景觀類型的演替[6]。自然景觀與人工景觀此消彼長的景觀格局對水環境產生城市內澇、非點源污染和水生生態系統失衡等生態負效應[8- 10]。開展城市景觀格局演變的水環境效應研究，總結不同城市景觀類型及其格局對城市水環境的影響和城市水環境對景觀格局演變的響應機制，可以為城市景觀格局規劃提供參考依據，避免城市水環境對城市規劃滯后響應的負面生態效果，從城市生態規劃入手保護城市水環境，對城市可持續發展具有重大意義。

1 研究現狀

健康的城市水環境在保水蓄水、污染凈化、物質輸送、能量流動、保持生物多樣性等方面可以產生生態正效應[11- 12]。而城市水環境負效應體現在城市水體形態改變或面積縮減對生態廊道效應的削弱、城市水體污染對居民飲用水安全的威脅、水體富營養化對水生生態系統平衡的破壞和水體環境容量減小對城市內澇發生率的增加等方面[13- 14]。近年來城市水環境負效應嚴重性和并發性特征顯著，國外學者將城市水環境負效應總結為“城市水體綜合癥(urban stream syndrome)”并展開相關研究[15]。

城市水體作為一種景觀類型，是城市景觀整體的重要組成部分，城市景觀格局演變對城市水體有一定影響，從而產生城市水環境負效應。國際上對城市景觀格局演變的水環境效應研究集中于非點源污染和水生生物多樣性，從城市景觀格局、城市水質和水生生物量三者關系入手，通過土地利用轉移矩陣[16]、移動窗口法[17]和元胞自動機模型[18]和景觀圖論[19]等方法量化城市景觀組分及格局變化，采用單一指標評價法、灰色關聯評價、BP神經網絡評價、模糊數學評價等方法[20- 22]評價水體質量，以表層沉積物組分分析、水體棲息地質量、生物多樣性等指標衡量水生生態系統健康程度[23- 24]，然后采用因子分析FA、判別分析DA、回歸分析RA、聚類分析CA、主成分分析PCA、普通多元線性回歸模型OLS和地理加權回歸模型GWR(Geographical Weighted Regression)等方法[25- 26]，得出各個研究區內水質指標、水生生物指標與景觀類型特征及其格局演變的相關關系，并對相關性進行檢驗，確定對城市水環境具有顯著影響的景觀類型。相關研究一般流程總結如圖1。

圖1 城市景觀格局與水環境效應研究一般流程Fig.1 The general process of urban landscape pattern and water environment effects researchFA: 因子分析Factor Analysis；DA: 判別分析Discriminant Analysis；RA: 回歸分析Regression Analysis；CA: 聚類分析Cluster Analysis； PCA: 主成分分析Principal Component Analysis；OLS: 普通多元線性回歸模型Ordinary Least Square；GWR: 地理加權回歸模型Geographical Weighted Regression

國外學者開發出多個非點源污染模型[27]，如HSPF(Hydrologic Simulation Program Fortran)、SWAT(Soil and Water Assessment Tool)、L-THIA(the Long-Term Hydrologic Impact Assessment)等模型適合模擬長時間序列的非點源污染量，可用于研究城市景觀格局時空變化產生的非點源污染效應，而SWMM(Storm Water Management Model)、MOUSE(Model of Urban Sewers)、P8-UCM(P8-Urban Catchment Model)、GWLF(Generalized Watershed Loading Function)等模型適合模擬單次暴雨事件，可用于研究城市景觀格局與城市內澇的關系。針對外國模型所需數據精度較高和國內外城市水文過程特征差異等問題，我國學者建立出一系列符合單個城市實際的非點源污染模型[28]，但存在模型結構較為簡單、模型適用性不高的問題。

2 研究熱點

2.1 城市景觀格局與“源-匯”理論

陳利頂等在景觀格局與生態過程的研究中提出“源-匯”理論[29]，即同個特定的生態過程中，對該生態過程發展有促進作用的景觀類型為“源”景觀，而起阻止或延緩作用的景觀類型則為“匯”景觀。根據“源-匯”理論，國內外學者對非點源污染過程的相關研究在“源-匯”景觀類型劃分方面共識較多，一般認為城鎮建設用地、耕地等景觀類型為“源”景觀，而林地、草地、園地和綠地等透水性好的自然植被或人工植被斑塊為“匯”景觀[29- 31]。城鎮建設用地是城市水環境非點源污染過程中最主要的“源”景觀，其景觀類型包括居住用地、交通用地、工業用地等生活污染、生產污染較為嚴重的景觀斑塊類型。城市建筑屋頂產生的腐蝕剝落物經由屋面徑流匯入地表徑流[27]；交通尾氣和工業排放氣體中所含的大量不完全燃燒產物，懸浮于大氣中或沉降于城市道路表面，雨水沖刷后成為地表徑流污染物的主要來源[32]。耕地在城市景觀格局中所占面積比例不大，但耕地中大量應用化肥、農藥，產生的有機物污染經雨水沖刷和灌溉淋溶之后通過地表徑流和地下水進入城市水體，造成水體富營養化[33]。林地和高覆蓋度草地透水性好，可以減少降水對土壤的侵蝕沖刷作用，且對地表徑流有一定的截流作用，可減少城市徑流污染物遷移過程，或通過植物、土壤和微生物等中介在一定程度上吸收地表徑流污染物，如氨氮等，在減少非點源污染物總量、減輕城市水體富營養化方面功不可沒[34- 35]，甚至有學者認為提高自然植被斑塊的生產力比重塑城市景觀格局更能凈化城市水環境[36]。而關于裸地的“源-匯”劃分，則存在不同看法，有學者認為裸地由于自然植被退化和土壤侵蝕產生大量固體懸浮顆粒物等城市浮塵，為“源”景觀[37]；也有相反的觀點認為裸地與城市水體水質指標相關性不明顯[38]。

“源”景觀類型的斑塊面積、數量、聚集度和優勢度等格局特征與城市水體質量呈現正相關關系，“匯”景觀則相反[39]。如果“源”“匯”景觀斑塊形狀破碎化，則對城市水環境的影響“源”景觀大于“匯”景觀，例如城市存在的小面積耕地斑塊產生的農業非點源污染對城市水體的污染貢獻不可忽視，而城市綠地呈現零散分布，則對減輕非點源污染作用不大[40]。此外，景觀多樣性與城市水環境質量一般呈正相關關系[38]。

2.2 城市景觀格局與水生生態系統

國外在城市景觀格局對水生生態系統影響方面的研究起步較早，認為城市土地利用強度、城市景觀類型及其格局、不透水面比例與城市水生生態系統退化有關[41]。國內涉及城市景觀格局對水生生態系統影響的文獻相對較少，主要關注魚類、底棲無脊椎動物等水生生物對流域景觀格局產污量的敏感性[42]。

城市水生生態系統包括底棲動物、魚類和浮游藻類等水生生物群落。季節變化和水環境質量變化是影響水生生態系統的兩個主要因素，其中季節變化又會影響非點源污染入水量，間接影響水環境質量[43]。城市景觀格局演變通常存在地表硬化趨勢，通過改變地表覆被的蒸散發與下滲等水文過程，間接影響城市水文循環，減少了大氣降水和地下水對城市水體的補給[44]，進一步縮減城市水環境容量。城市景觀格局演變帶來的非點源污染增強和水體環境容量減小促使城市水體自凈能力下降，進而惡化水生生物棲息環境。有研究表明，底棲動物生物量與森林景觀面積呈現正相關關系，而對城市建設用地和牧場等景觀類型面積存在負響應[42]；水生浮游藻類是水生生態系統的基礎，是水生生物食物鏈中的重要一環，藻類對水體營養負荷的敏感性最高，城市景觀格局造成的水體富營養化效應引起有毒藻類生物量的大幅增長，改變藻類群落的多樣性和優勢種群，促使浮游藻類的群落結構和功能受損，危害水生生態系統和人類健康[45- 46]；水體內溶氧下降更導致魚類等水生生物的死亡，降低水生生物多樣性，進而對水生態系統平衡產生負面影響[47]。

2.3 水環境效應的時空尺度性

城市景觀格局的水環境效應存在時間尺度性，即夏季豐水期、春秋季平水期和冬季枯水期的水體污染程度存在差異。豐水期時總氮(TN)、總磷(TP)、化學需氧量(COD)、葉綠素在珠江、太湖和南京28處濕地等水體中濃度最高，水環境污染程度最高[48- 50]。九龍江枯水期城市水體的污染物濃度最高、水質最差，平水期水質最好[51]。漢水枯水期水質最好[37]。個別水體的水質狀況甚至發生巨大轉變，由枯水期最好轉變為枯水期最差[52]。盡管未有一致的結論，但城市水環境變化的季節差異是客觀存在的，其原因在于城市水體污染是受點源污染和非點源污染共同作用[53]。枯水期城市地表徑流量最小、水體自凈能力最差，受工業污水和生活污水等點源污染影響較多，水體中TN、TP、重金屬濃度比豐水期、平水期高[51]。豐水期時，水體可以最大程度發揮過濾、沉降功能，但地表徑流沖刷會使大量的固體懸浮物、氮磷等營養物質和重金屬進入水體，水體收納污染物量超過水體自凈能力，造成豐水期水體水質下降[52]；平水期水體水量與地表徑流量都較為適中，水環境污染程度居于中下，存在部分水質指標超標可能性[49,51]。

城市景觀格局的水環境效應還存在空間尺度性，即城市水體對不同空間尺度內的城市景觀格局演變的敏感性存在差異。一些研究認為城市水體流域尺度上的城市景觀格局決定了非點源污染總量，從源頭影響水環境，其景觀指數能更好地解釋城市水體水質變化[54]。而另有研究指出水質指標對水體岸邊帶尺度上景觀類型的敏感性更大[37,55]，若岸邊帶區域分布大量綠地等“匯”景觀，則自然植被和土壤的過濾與吸附作用可以減少非點源污染物進入水體[56]。眾多文獻中對水體緩沖區研究尺度的劃分也不盡相同，部分水質指標對相同尺度內的景觀格局存在截然相反的響應，造成景觀格局水環境效應空間尺度的多樣性，例如我國漢水流域上游水體水質與100 m河岸帶內土地利用類型的相關性比流域范圍內的景觀格局更好[37]，紐約州29條河流周邊200 m緩沖區內的城市用地格局對水質有明顯負面影響[55]，香港主要飲用水源東江的氨氮(NH3-N)和硝氮(NO3-N)與500 m匯水單元內的城市景觀面積比例呈現正相關，但溶氧(DO)卻與之呈現負相關[57]。

3 研究不足

3.1 城市景觀格局與城市內澇

發生城市洪澇現象的主因在于城市排水系統的不健全[30]、景觀類型格局設置不合理[8]和城市水體容量的減小[14]，城市排水管網可視為人工廊道，目前研究排水管網“雨污分流”設計及設計合理性與城市洪澇關系的研究較多[58]，但針對城市景觀格局與城市洪澇的關系研究較少。

在人為規劃的城市景觀格局中，自然景觀斑塊逐漸被人工景觀斑塊取代，各類建設用地斑塊形狀相對規則，城市道路直線化、網格化[59]，城市表面硬化降低了地表下滲率[44]，自然植被的破碎化、天然水體的面積縮減對城市自有的保水蓄水功能的削弱，這些因素共同改變了城市地表水文過程，為地表徑流的流速加快、匯水量增大、匯水時間縮短和瞬時峰值上升提供了可能，地表沖刷量加大[60]，進而造成城市水體水質下降和城市內澇等問題。為增加城市用地面積和滿足城市規劃美觀需求，城市水體的面積和形狀常被人為改變，例如河流被截彎取直、湖泊濕地被填埋造地等，直接降低了城市水環境容量[61- 63]。城市人工管網為城市中常見的人工廊道，其布局往往根據居住用地、工業用地等產污排廢較多的城市用地斑塊和城市道路格局而設置[7]。在城市暴雨事件中地表徑流量短時間內大量增大，城市水環境容量有限，而城市人工管網蓄雨能力有限、排水能力不足時，極易產生城市洪澇現象,例如2012年北京“7.21”特大城市暴雨事件導致城區內大面積洪澇災害。而由于有護城河和北海調蓄雨水，歷年來故宮周邊未發生內澇現象[64]。我國早在古代就認識到天然水體在調蓄洪水方面的重大作用，但多次嚴重的城市洪澇災害表明，我國現代的城市規劃對天然水體的水環境正效應的重視程度不夠，而現有的城市景觀格局演變所產生的水環境負效應也被城市規劃者所忽視。

研究表明城市景觀基質由自然植被向不透水面的轉變對城市地表徑流增加存在正相關關系[8,44]。城市排水管網和城市道路作為城市中常見的人工廊道，在地表徑流集中產生時所發揮的匯集、輸送、疏浚作用不足，也是城市內澇發生的重要因素之一[64]，但鮮見城市人工廊道格局、生態作用與城市水環境效應的相關性研究，且城市景觀基質、人工廊道和水體景觀斑塊三者變化對城市水環境的綜合作用機理尚不明確。

3.2 水環境響應機制

國內外學者在城市景觀格局演變方面已經開展了大量的景觀指數分析工作，但對城市景觀格局演變背后折射出的生態過程變化及其對人類生活的反作用等方面的研究偏少，城市景觀格局演變研究急需能夠反映一定生態意義的新型生態過程景觀指數。

近年來我國城市景觀格局對水環境的負效應逐漸成為研究關注的重點，但還處初步研究階段，關注點集中于單個城市的景觀格局的水環境效應，而各個城市在流域環境、水文特點、氣象條件等方面存在較大差異，造成城市水環境對景觀格局演變的響應機制不同，研究結果推廣度不高、重復性不好。國外學者研究發現城市景觀格局中不透水面對水環境的水質、水生生態系統產生明顯負面影響的面積比例閾值較小，Stuart認為不透水面比例高于22%—30%時赫爾辛基的水環境惡化明顯[65]，Lee等人認為不透水面比例不超過12%時水環境不受城市景觀格局演變影響[66]，國際上通常認可的閾值為30%—50%[67]。而趙軍等學者研究發現該閾值對我國城市可能不適用，上海城區不透水面面積比例大于60%時，城市水環境質量開始顯著下降[67]。不同城市的景觀類型及其格局演變造成的城市水環境負效應的影響區間存在較大差異，目前還尚未有被認可的系統性結論。此外，流域內土地利用類型、城市水環境質量和水生生物群落三者的相關研究中，并未深入分析水生生物群落對景觀類型及其格局演變的響應機制，也未提出如何調整城市景觀格局以利于維持水生生態系統的生態平衡[68- 69]。

4 研究展望

未來研究可以立足于以下五個方面：一是城市水環境效應對城市景觀格局演變存在的滯后響應研究，可以嘗試將不同的城市景觀格局演變類型視為自變量、水環境效應視為因變量，分別研究城市水體與城市人工景觀相間混合分布、相鄰分布和包圍分布等不同格局特征下的城市景觀格局演變過程與城市水環境效應關系，建立水環境效應對不同類型城市景觀演變過程的響應機制；二是水環境效應的空間差異性研究，包括景觀格局演變對河流、水庫、湖泊等不同類型水體產生的水環境效應差異性分析，以及因水體分布空間差異所產生的水環境效應差異、上下游間的水環境效應累積現象；三是景觀格局變化對水環境效應影響過程的綜合作用機理，深入挖掘城市景觀格局中因基質、廊道和斑塊的變化所造成的水環境效應差異及綜合作用機理，將城市內澇與城市景觀格局演變相聯系，將人工廊道(排水管網和城市道路)格局納入城市景觀格局的水環境效應研究中；四是開發結構完整的水環境效應模型，綜合考慮城市景觀類型及其格局、城市氣象氣候條件和水文條件，為城市規劃提供模擬預測；五是“城市水體綜合癥”的對癥之藥研究，即城市景觀格局水環境負效應的綜合對策，景觀生態學者可以與城市規劃人員、城市管理部門進行跨學科合作，共同提出一個指標體系，包括不透水面的面積比例閾值、“源”“匯”斑塊比例閾值、城市水體水質閾值、城市水體環境容量閾值和水生生態系統健康度等指標，合理設置“源”“匯”景觀斑塊布局，在城市規劃階段就預先考慮城市景觀格局演變對水環境造成的生態后果，為城市生態規劃提供科學依據，進而達到保護城市水環境的目的。

致謝: 感謝中國科學院城市環境研究所吝濤副研究員對本文寫作的幫助。

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Researchreviewoneffectsofurbanlandscapepatternchangesonwaterenvironment

HUANG Shuo1,2，GUO Qinghai1,*

1KeyLaboratoryofUrbanEnvironmentandHealth,InstituteofUrbanEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Xiamen361021,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Urban water environment is an important part of urban ecosystem including natural and man-made water, and the natural elements and urban landscape which are closely related to water at catchment scale.Healthy urban water environment could product positive ecological effects such as water retention and impoundment, environmental decontamination, material transportation, making energy flow smoothly and conserving biodiversity.However, the change of urban land cover induces the deterioration of urban water environment and leads to negative water environment effects, such as non-point pollution, imbalance of aquatic ecosystem and urban flooding.The replacement of urban landscape types and evolution of urban landscape pattern caused by human activities display at following aspects: widespread vegetation matrix is largely replaced by artificial hardened ground while natural landscape patches are fragmentized and manual corridors including urban roads and drainage network increase sharply, resulting in the disproportion of water pollution “source” and “sink” landscape types and landscape pattern.Through statistical analysis and model simulation, researchers at home and abroad find that: the cultivated land and urban construction land are the main sources of non-point pollution while natural vegetation landscape types contribute to the reduction of non-point source pollution.Urban surface hardening reduces the environmental capacity of urban water environment by influencing urban hydrological cycle, for instance, surface runoff, evaporation and infiltration and so on.Together with environmental capacity reduction, the eutrophication of urban water environment makes negative effects on the balance of aquatic ecosystem.Negative water environment effects responding to urban landscape pattern will change with spatial and temporal scales.This paper summarizes current researches about the effects of urban landscape types and pattern evolution on water environment and points out the deficiencies of recent researches, such as the lack of specific research coupling landscape pattern change and ecological process, the indeterminacy of the landscape pattern threshold influencing urban water environment, the difficulty in popularizing and repeating research results, neglecting the relationship between urban artificial corridor and water environment effects, and the lack of comprehensive research about negative water environment effects.At last, we put forward five key points of future researches: the lagging response of urban water environment to the change of urban landscape pattern; the differences of water environment effects with different types and distributions; the combined influences from the urban landscape pattern, including matrix, corridor and patch; development of new model which concentrates on urban water environmental effects; a set of related index for urban planning and urban water environmental effects.Our study will contribute to better understanding of urban sustainability.

landscape pattern; water environment effects; urban planning

國家自然科學基金項目(30800148)；廈門市科技計劃項目(3502Z20122001)

2013- 06- 07;

2013- 10- 15

10.5846/stxb201306071391

*通訊作者Corresponding author.E-mail: qhguo@iue.ac.cn

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