渠堤化城鎮河岸帶的植被特征及其用地影響

張 昶，王子研，趙德先，邊 琦，張 弛，趙 嬌，趙依琳，王 成*

(1.中國林業科學研究院 林業研究所，北京 100091；2.國家林業和草原局 林木培育重點實驗室，北京 100091；3.國家林業和草原局 城市森林研究中心，北京 100091)

河岸帶是陸地區域與水生區域之間的生境和廊道，并且也是能量、物質以及生物通過的重要通道，從空間位置上具體是指河流河水與陸地交界直至河水影響消失為止的地帶[1]。河岸植被是河岸空間的基礎元素，對于保護流域土地、水資源以及自然棲息地等發揮著重要作用[2]，基于河岸帶的位置特殊性以及由此而產生的功能復雜性，河岸植被帶必須得到合理的保護、開發和利用[3]。世界各地的河流受不同程度的人類活動影響[4-5]，土木工程(渠堤化)被廣泛用于防洪、加固城鎮地區河岸，或獲得更多的城市建設用地，是城鎮河流沿線的普遍處理方式，目前已有較多研究表明城鎮化地區河岸植被帶受到了土地利用的影響[6-8]，河岸植被帶物種組成梯度和空間組合是城鎮化干擾的具體體現[9-10]，但這些研究并未專門針對全線渠化的城鎮化河流。河岸渠堤化后可能會導致河岸空間的異質性降低，且河岸周邊緩沖區的空間相似性還可能會隨著渠堤化河岸線蔓延，而目前對于全線渠堤化河岸緩沖區土地利用是否仍舊對河岸植被產生影響還沒有研究得出明確結論。城鎮河流的土木工程在某種意義上是城市建設的必然過程，渠堤化河岸(特別是堤路成為交通要道或休閑步道的河岸)提供的服務逐步成為城市發展和居民生活所需要的，從經濟節約以及減少二次污染的角度考慮，移除和挪動這些硬質用地可能會付出更多的代價，在這種情況下，基于城鎮河流的渠堤化，探討應該如何進行周邊河岸空間優化以維持河岸植被帶的多樣穩定具有重要意義。因此，本研究選取全線渠化的潮白河(北京段)為對象，研究全線渠化城鎮河流的植被特征及其周邊緩沖區土地利用的影響，以期為渠堤化河岸帶植被保護和恢復提供有效參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

潮白河流域位于華北平原北部，115°25′-117°45′E，39°10′-41°40′N，潮白河上游有2支，分別為潮河、白河，2河同時流入密云水庫(密云水庫是北京地區的飲用水來源之一)，經過密云水庫后，兩河在密云區河槽村匯合后為潮白河。該河流是流經北京市北部、東部的重要河流，有“北京萊茵河”之稱。白河穿過了北京密云區建成區，其與潮河匯合后的潮白河流經北京順義區建成區，在北京市行政轄區內，貫穿了建成區與非建成區。密云水庫下游北京段潮白河的渠堤化程度較高，目前基本已經全線渠化或堤化。

1.2 樣段與樣方設置

本研究針對白河-潮白河，順河流方向選擇建成區和非建成區(建成區上游、建成區下游)研究河段，保證建成區上游樣段、建成區樣段、建成區下游樣段之間具有大致相等的距離，沿河流岸線基本呈等距分布(具體樣地在設置過程中依據現場可達性做適應性調整)，最終分別選取設置了密云建成區及進入和流出密云建成區的3個1 000 m長的樣段，順義建成區及進入和流出順義建成區3個1 000 m的樣段。

依據河岸帶發揮各項生態功能的最小寬度[11]，結合渠堤化河流的結構特點[12]，100 m寬度能夠包含所有河岸帶發揮功能所需的最小尺度，以及白河-潮白河沿線渠堤化后的河岸空間連續植物群落，因此，以100 m作為樣段寬度。

1.3 植物數據調查

植物調查于2019年7月和8月展開，采用全面的方式對樣段進行調查。記錄喬木的名稱、株數、胸徑；灌木的名稱、覆蓋度、高度；草本的名稱、高度、覆蓋度。灌木和草本的覆蓋度為其在樣段中的目測覆蓋面積占總樣方面積的比例。依據文獻及《中國入侵植物名錄》確定每種植物是否屬于入侵植物[13-15]。

1.4 土地利用數據獲取

依據2018年9月5日研究區域影像數據(高分二號，0.8 m分辨率)，按照水域、道路、建筑物及其附屬建設用地、其他不透水地表(包括鋪裝、棄置地不透水地表等)、灌叢、林地、草地、灘涂、其他的類型劃分，并以河流岸線為基礎向兩邊依次作300 m緩沖區，基于ArcGIS10.2(ESRI，Relands,CA,USA)解譯獲取緩沖區各用地類型面積。

1.5 數據分析

采用Patrick指數(R)計算豐富度[16]，對建成區和非建成區河段的總植物及不同生活型植物(喬木植物、灌木植物、草本植物)、入侵植物的豐富度進行ANOVA分析(取P<0.05具有統計學意義)。

對建成區和非建成區河段各類用地數據進行ANOVA分析，并采用Shapiro-Wilk檢驗各類用地數據(小樣本數據Shapiro-Wilk檢驗效果更好)，各類用地數據均顯示P<0.05，不符合正態分布，因此Mantel檢驗采用Spearman秩相關，分析豐富度與土地利用之間的關系。

基于植物種數據Bray-Curtis距離矩陣的NMDS排序分析河岸帶植物種類與分布，并利用ANOSIM檢驗這些組間差異是否顯著大于組內樣點間差異，若ANOSIM分析結果P<0.05則說明分組間差異是顯著的。在NMDS排序基礎上，基于用地數據的非正態性，采用ordisurf()函數實現顯著影響的用地數據與非約束軸的非線性回歸，擬合后通過各類用地的P值、R-sq.(adj)判斷擬合優度。以上分析執行軟件平臺RStudio 3.6.2(Vienna,Austria),主要分析涉及軟件包Vegan，作圖用軟件包ggplot2并輔助photoshop添加元素。

圖1 研究區域與研究樣段位置示意

2 結果與分析

2.1 植物種類構成

研究河段河岸帶植物共計174種，以菊科、薔薇科、禾本科、豆科、楊柳科、木犀科、錦葵科、唇形科植物為主。按不同生活型，草本植物種類為90種，喬木和灌木植物種類分別為52種、29種，植物種類以草本植物為主。豐富度前10的喬木依次為毛白楊(Populustomentosa)、旱柳(Salixmatsudana)、垂柳(Salixbabylonica)、火炬樹(Rhustyphina)、油松(Pinustabuliformis)、國槐(Sophorajaponica)、桑樹(Morusalba)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、黑松(Pinusthunbergii)、榆樹(Ulmuspumila)；灌木依次為榆葉梅(Amygdalustriloba)、荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)、胡枝子(Lespedezabicolor)、黃楊(Buxussinica)、連翹(Forsythiasuspensa)、紫丁香(Syringaoblata)、棣棠花(Kerriajaponica)、鋪地柏(Sabinaprocumbens)、迎春花(Jasminumnudiflorum)、猥實(Kolkwitziaamabilis)，除荊條、胡枝子其余灌木均屬于常用觀賞植物；草本依次為狗尾草(Setariaviridis)、艾蒿(Artemisiaargyi)、虎尾草(Chlorisvirgata)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、牛筋草(Eleusineindica)、蒙古蒿(Artemisiamongolica)、青蒿(Artemisiacarvifolia)、蒼耳(Xanthiumsibiricum)、長芒稗(Echinochloacaudata)、旋覆花(Inulajaponica)。研究河段河岸帶入侵植物共計21種，火炬樹、虎尾草、刺槐、秋英(Cosmosbipinnata)、小飛蓬(Conyzacanadensis)等為主要入侵植物。

2.2 植物豐富度

由表1可知，研究區域河岸帶總體植物豐富度在建成區和非建成區河段之間存在顯著差異(P<0.05,ANOVA)，灌木(P<0.05,ANOVA)和喬木(P<0.01,ANOVA)也存在顯著差異，該結果反映出城鎮建設對河岸帶植物特征的影響，在渠堤化城鎮地區河流同樣存在。入侵植物在建成區和非建成區河段沒有表現出顯著差異(P>0.05,ANOVA)，比較入侵植物的豐富度數值，可以發現非建成區大于建成區的豐富度值，該結果反映出渠堤化河岸帶可能為河流入侵植物提供了線性蔓延的空間。

表1 不同河段總體植物及不同生活型植物ANOVA分析結果

2.3 植物豐富度與土地利用的關系

Mantel檢驗結果表明，研究區河岸兩側緩沖區，包括草地、灌叢、林地、濕地灘涂、道路、建筑、其它不透水地表在內的用地因子矩陣與河岸帶植物豐富度之間具有顯著相關關系(r=-0.239，P<0.05)。依據各用地因子單獨的檢驗結果，河岸帶植物的豐富度會隨著周邊緩沖區的道路(r=0.439，P<0.05)及其他不透水地表面積(r=0.503，P<0.05)變化而變化(表2)。

表2 河岸帶豐富度與土地利用的Mantel檢驗結果

2.4 植物構成及土地利用的影響

依據NMDS排序結果(R2分別達到0.986和0.932，應力值為0.118)，結合ANOSIM檢驗(R=0.274，P<0.01，ANOSIM)，表明建成區和非建成區植物群落種類存在顯著差異，從NMDS排序圖中可以看出(圖2a)，喬木和灌木植物的分布大部分更趨向于建成區，草本在建成區和非建成區分布沒有明顯的趨勢差異，但非建成區草本和灌木分布在空間上重合或接近的相對較少。通過非線性回歸添加用地因子到NMDS排序圖中，河岸帶植物構成與種類分布與其周邊緩沖區的道路(R-sq.(adj)=0.789，P<0.01)、其他不透水地表面積(R-sq.(adj)=0.788，P<0.01)表現出顯著相關擬合趨勢，道路和其他不透水地表對河岸植物群落種類分布存在顯著影響(圖2b)。

注：a.植物NMDS排序與顯著用地因子擬合結果；b.各生活型植物及入侵植物主要種類NMDS排序結果(注:灰色和紅色線分別代表了道路和其他不透水因子面積比例的大小梯度，圖中植物種類圓圈的大小代表其數量多少，植物種類拉丁名稱標注省略了屬名)。

依據NMDS排序圖擬合顯著影響因子的結果，具有觀賞性的主要灌木植物，如蝟實、迎春花、棣棠花、黃楊，基本分布在較高道路和其他不透水地表面積比例的建成區河段，而原生灌木植物如荊條則分布在道路和其他不透水地表面積比例較低的非建成區河段。從數量上具有較多株樹的主要喬木植物較多分布在道路和其他不透水地表面積比例較低的河岸帶，如建成區下游地區分布樹種黑松、火炬樹、垂柳、榆樹、桑樹等，建成區上游位置分布毛白楊、旱柳等，毛白楊和旱柳從數量上具有最多株樹。主要草本植物主要分布在周邊緩沖區道路和其他不透水地表面積比例較低的河岸帶，如建成區上游地區分布的主要草本植物種類為一年蓬(Erigeronannuus)、虎尾草、鬼針草(Bidensbipinnata)、莧(Amaranthustricolor)、銀膠菊(Partheniumhysterophorus)、茼麻(Abutilontheophrasti)、秋英、小飛蓬、土荊芥(Chenopodiumambrosioides)、地毯草(Axonopuscompressus)等，草本與灌木植物空間結合分布相對較少。主要入侵植物存在于河岸帶的各個空間位置，莧、牽牛(Pharbitisnil)等入侵草本植物分布相近且與毛白楊和旱柳得分布位置較為接近。

3 結論與討論

3.1 結論

本研究結果共計植物174種，草本植物種類為90種，喬木和灌木植物種類分別為52、29種，包括毛白楊、旱柳等優勢喬木，榆葉梅、荊條等優勢灌木，狗尾草、艾蒿等優勢草本，以及火炬樹、虎尾草等21種入侵植物；渠堤化的城鎮河岸帶總體植物、喬木和灌木植物豐富度在建成區顯著大于非建成區，草本植物和入侵植物沿渠堤化河岸帶不存在空間位置的差異，但非建成區入侵植物豐富度值高于建成區；周邊緩沖區道路、其他不透水地表面積是河岸帶植物豐富度和群落組成的顯著影響因子，對主要觀賞灌木和喬木種類分布存在積極影響，對原生灌木和草本種類分布存在消極影響。

3.2 討論

3.2.1 渠堤化城鎮河岸帶植物種類構成特點 本研究結果顯示，渠堤化城鎮河岸帶草本植物種類為90種，喬木和灌木植物種類分別為52種、29種，以草本植物種類為主。該結果與其他關于城鎮化地區河岸帶植被特征的研究結果一致[17]，說明渠堤化城鎮河岸帶，同樣具有草本植物種類最多的城鎮化河流特點。豐富度前10的喬木依次為毛白楊、旱柳、垂柳、火炬樹、油松、國槐、桑樹、刺槐、黑松、榆樹；灌木依次為榆葉梅、荊條、胡枝子、黃楊、連翹、紫丁香、棣棠花、鋪地柏、迎春花、猥實；草本依次為狗尾草、艾蒿、虎尾草、蘆葦、牛筋草、蒙古蒿、青蒿、蒼耳、長芒稗、旋覆花。對比其他學者相關潮白河流域植被方面的研究結果，本研究區河岸帶的主要喬木與潮白河上游(密云水庫以上)河岸植被緩沖帶主要喬木種類(油松、刺槐、楊樹、柳樹、火炬樹)，具有較高相似性，但是本研究河段調查得到的主要灌木和草本植物種類與潮白河上游(密云水庫以上)出現較大差異[18]，這反映出流域植被的地帶性，同時也表明了除地形與建設強度差異，以及調查時間、調查方式差異外，密云水庫大壩對降低流域生態連通性的不利影響，且大壩對河流植被的這種影響可能對于草本和灌木植物作用更顯著[19]。

3.2.2 人為干擾對不同河段的喬木、灌木及入侵植物豐富度差異的影響 渠堤化的城鎮河岸帶不同生活型植物豐富度在不同河段具有差異。河岸帶喬木和灌木豐富度在建成區與非建成區的顯著差異主要受人為干擾影響。建成區河流的管護治理是重要的市政工程，河岸帶或作為城市的綠色公共生態空間類型，河岸植物和河岸景觀的管理、規劃和工程實施多采用項目制，人為決策決定了河岸植物群落的植物種類，并更多關注于選擇樹木種類和灌木種類[20]，趨向于創造更多樣的樹木和灌木景觀[21]，故建成區的喬木和灌木豐富度顯著高于非建成區。入侵植物豐富度在渠堤化河岸帶沒有顯著差異，從某種角度反應出全線渠化對于入侵植物分布的影響，渠堤化工程對于河流沿線景觀連通性、生態系統割裂、入侵植物蔓延等方面的影響也已被很多研究者探討[22-23]，沿線性單元入侵也被許多證實為常見的植物入侵方式之一。而非建成區入侵植物豐富度數值高于建成區，從河岸帶人為干擾程度來看，非建城區受到的人為干擾強度是介于建成區和非城鎮地區之間的，而中等程度的干擾會導致當地物種原有棲息地的部分喪失，并創造有利于其他物種的新棲息地，中等水平的干擾可能會比高和低的極端干擾創造出入侵物種相對適宜的生存空間[24]。

3.2.3 周邊緩沖區道路、其他不透水地表面積對渠堤化城鎮河岸植物群落構成的影響 道路和不透水地表面積比例是顯著的城市化土地利用特征因子，不透水地表面積也是城鎮建設對河岸植被影響的最佳用地預測因子[16,21]。渠堤化河流周邊道路與其他不透水地表(包括了作為步道的鋪裝、空置的硬質地塊等)在建成區河段較高的面積比例，一方面指示了較高的城鎮建設強度，意味著河岸帶喬木植物與灌木植物種類受到更多人為選擇影響，即出于視覺和景觀目的人為選擇趨向于選擇更多觀賞性植物[25]，因此觀賞性喬木植物和灌木植物種類隨道路和其他不透水地表面積比例的增加而增加；另一方面周邊道路面積的較高比例表明了300 m服務半徑范圍(300 m是城市決策者、規劃者和建設者考慮城市綠地服務半徑和空間可達性的常用距離)內的路網和步行系統可能較為密集，周邊區域對和河岸帶具有較高可達性，城鎮居民到達河岸帶的時間成本較低，而周邊較高的步道鋪裝等不透水地表對應了相對較多城鎮河流的濱河休閑步道空間，意味著目前建成區河岸帶具有一定的休閑空間建設基礎。這些區域應充分考慮城鎮居民對河岸帶空間休閑功能具有的較強意愿[26]，有效結合建成區居民使用需求，保留步道鋪裝等不透水地表，提高現有觀賞性植物配置中的鄉土植物比例。優化以河岸帶為環境本底的綠色游憩空間。

道路和其他不透水地表面積比例較低的非建成區河岸帶，雖然喬木豐富度低于建成區河岸帶，卻聚集分布數量上最主要的喬木樹種，說明非建成區形成了種類相對少數量多的河岸大規模片林。潮白河沿線的非建成區包含了北京平原造林工程的實施地塊，造林地塊內受道路和其他鋪裝建設干擾較少，形成的片林是河岸帶最重要的構成部分。特別對于目前潮白河非建成區數量最多的毛白楊和旱柳，已有其他學者研究揭示，溫帶氣候中楊樹和柳樹可以成為典型河岸森林[36],對于河岸生態系統的構和功能至關重要[27]，并且其樹冠是控制河岸帶植物豐富度的重要因素，具有較高開放度的冠層時，林內平均總物種豐富度會增加并更容易受到入侵[28-29]，這樣在本研究中體現入侵草本植物分布與毛白楊和旱柳的分布位置較為接近。故對于現有河岸楊柳林應該以保護和調控林冠密度為主，不必急于更新樹種提高豐富度，并特別重視控制入侵植物[30]，使其逐步形成以自然演替為主的可持續的近岸植被帶。

周邊道路和其他不透水地表這2個因子面積比例相對較低時，雖然非建成區河岸帶草本種類較多且灌木也較多為原生灌木種類，但灌木和草本分布空間上重合或接近較少，河岸帶原生灌草植物組合較缺乏。一方面這將會導致河岸帶阻隔污染生態功能的降低，灌叢和草本構成的河岸帶具有較好的緩沖阻滯污染的效果已經得到許多學者證實，灌草群落河岸帶隔離和凈化污染的適宜模式[31]；另一方面灌草叢提供了許多小型動物的庇護與棲息場所[32]，也是很多鳥類的食物來源，且灌草景觀基質能夠最大程度減少鳥類的遷徙阻力[33]。造成這種情況可能與渠堤化河流的結構改變有關，渠堤化河岸結構受人工建設干擾的影響，已經從自然河岸帶的“河岸階地-洪泛平原(河灘)-河水”變為了“緩沖帶-護岸河堤-河水”的形式[12]，河灘的減少或喪失也使原本在河灘上大量存在的灌草植物群落消失[34]。同時，灘涂的減少也使河流失去了季節性水源和解決上游密云水庫調蓄洪水需求的有效空間，在后期建設中應該重點保留和恢復以原生灌草植物群落為主的河灘景觀。