河勢特征分界下的黃河灘區周邊城鎮生境質量與景觀格局演變

馮君明,馮一凡,李 翅,*,呂 碩,馬俊杰

1 北京林業大學園林學院, 北京 100083 2 哈爾濱工業大學建筑學院,哈爾濱 150006

隨著人類活動的加劇以及土地覆被的變化,流域景觀格局發生快速改變,并威脅當地生境質量[1]。生境質量是生物多樣性維持能力的重要表征,體現了區域生態環境為生物提供生存條件的能力[2]。加強生境質量評估可以在一定程度上掌握流域生態系統的優劣情況,為區域可持續發展提供支撐。

長久以來,國內外學者積極探索自然環境[3]、社會經濟[4]、城市建設[5]等因素對生境質量的影響。其中,自然因素對城市空間發展的約束力較強[3],使不同自然特征梯度之間的生境質量存在較大差異。然而已有成果主要聚焦自然梯度等級與生境質量的關系,對不同梯度分界下生境質量與景觀格局的相關性研究較少。此外,目前常用的自然因子梯度劃分方式主要包括地形梯度和圈層梯度兩類[6],前者適合于地形起伏較大的丘陵山區,對平原生境質量解釋力較弱,后者聚焦個體城市或有中心聚集效應的城市組團,難以作為流域城市/鎮帶梯度的劃分途徑。隨著河流生態系統理論體系的逐步完善,越來越多的學者認識到河勢對流域研究的重要性[7]。河勢指河道水流的平面形式及變化趨勢,受地質與氣候特征、來水來沙條件等自然因素和河床邊界等人為因素影響[8]。在河勢傳遞效應影響下,上下游、左右岸、河段與流域之間存在互動關聯[7]。在河勢特征與生物多樣性的關系中,已有研究表明河床形態[9]、河岸類型[10]等均對河流生物多樣性產生影響。在河流生態系統與流域生態系統關系上,流域生態學[11]、生態水文學[12]等理念都將二者視為具有互動作用的整體。作為由水統一起來的水文單元[13],流域河流是支撐其生物多樣性的重要自然因素,河流的河勢特征也在一定程度上影響著兩岸流域地帶的生境狀況。立足河勢梯度視角梳理生境質量與景觀格局耦合關系有助于進一步探索流域生境質量的驅動機制及內在差異。

基于上述研究,本文將河勢特征作為流域生境質量與景觀格局互動關系研究的空間梯度劃分依據,并選擇黃河灘區周邊城鎮作為實證區域。黃河灘區指黃河下游寬河道段主河槽至兩側河堤之間的地帶[14],是全球候鳥遷徙通道的中心區域和生物多樣性分布的重要地段[15],但生態流量偏低、河口濕地萎縮等現狀也導致黃河灘區生態基址十分脆弱。2019年9月,黃河流域生態保護和高質量發展戰略的提出[16],對黃河灘區周邊城鎮生態環境與城鄉空間治理提出了新要求。然而在較長時間內,聚焦黃河灘區城鎮開展的生境質量相關研究較少,已有成果主要圍繞黃河流域[17]、省域[18]或城市[19]尺度展開,并且在景觀格局與生境質量關聯上,不同河段或城市/鎮也有不同的結論得出[19—20]。本文對2000—2020年黃河灘區周邊城鎮生境質量與景觀格局演變進行分析,重點探討不同河勢特征分界下景觀格局與生境質量的相關性。研究過程可以為流域生物多樣性研究提供新思路,研究結論也能為黃河下游地區土地資源的可持續利用與韌性發展提供科學依據。

1 研究區概況

黃河灘區位于河南省北部和山東省西北部,河道長786 km[8],沿河地貌包括黃淮海平原、魯中丘陵與河口三角洲三種類型,整體地勢較為平坦,大部分屬溫帶大陸性季風性氣候,年平均氣溫12—15℃,年平均降雨量630—700 mm[21]。本文選擇河南省和山東省15個地級市內共62個黃河灘區沿河城區、縣與縣級市作為研究區,具體包括10個中心城市城區、14個一級城鎮空間和38個二級城鎮空間,總面積約52052 km2,篩選過程與分類依據詳見課題組研究成果[22]。根據河道特性、河床邊界條件與小流域特點[23],將研究區劃分為4條總段、7條分段以及14個子研究區,各區構成及河勢、流域信息如圖1、表1所示。

表1 研究區信息表

圖1 研究區概況Fig.1 Overview of the research areaTU-1: 白鶴鎮-京廣鐵路大橋段左岸; TU-2: 白鶴鎮-京廣鐵路大橋段右岸; TU-3: 京廣鐵路大橋-東壩頭段左岸; TU-4: 京廣鐵路大橋-東壩頭段右岸; TU-5: 東壩頭-高村段左岸; TU-6: 東壩頭-高村段右岸; TR-1: 高村-陶城鋪段左岸; TR-2: 高村-陶城鋪段右岸; ME-1: 陶城鋪-玉符河黃河交叉口段左岸; ME-2: 陶城鋪-玉符河黃河交叉口段右岸; ME-3: 玉符河黃河交叉口-德大鐵路大橋段左岸; ME-4: 玉符河黃河交叉口-德大鐵路大橋段右岸; DE-1: 德大鐵路大橋-黃河口段左岸; DE-2: 德大鐵路大橋-黃河口段右岸

2 研究數據和方法

2.1 數據來源

以中國科學院資源環境科學與數據中心(http://www.resdc.cn/)提供的河南省和山東省2000、2005、2010、2015、2020年30 m精度土地覆蓋數據為主要信息源(圖2)。在研究過程中,生境質量評價采用國土資源部發布的《土地利用現狀分類》(GB/T 21010-2017)二級分類系統開展相關分析,景觀格局指數分析則將研究區域土地覆被類型按一級分類系統重分類為耕地、林地、草地、水域、已建成區和未利用地進行分析。此外,為便于數據統計與表達,本文以6 km×6 km為格網單元對研究區進行劃分,共獲得1673個格網,以此為基礎開展相關分析過程。

圖2 2000—2020年黃河灘區周邊城鎮土地覆蓋圖Fig.2 The map of land cover in the towns along the Yellow River floodplain from 2000 to 2020

2.2 研究方法

2.2.1InVEST模型生境質量評估

InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)模型是由美國斯坦福大學自然資本項目平臺開發,用于評估生態系統服務功能量、支持生態系統管理決策的模型系統,在國內外使用頻繁,方法也相對成熟[3]。InVEST模型中的生境質量模塊主要根據土地利用/覆蓋類型的敏感度,威脅因子的位置、威脅距離等計算生境質量,分析原理及公式如文獻[24]所示。為使模型參數符合黃河灘區實際情況,本文依據黃河下游地區相關文獻[17, 19, 25]、現狀調查、專家意見與InVEST模型用戶手冊等,選擇威脅源因子并設定其影響距離、權重、敏感度等信息如表2—3所示。在分析過程中,將生境質量按指數平均值大小劃分為4個等級(0.00—0.25、0.25—0.50、0.50—0.75、0.75—1.00)進行表達,分別對應低等、中低等、中高等和高等生境質量區。

表2 威脅因子參數信息

表3 各類型景觀對威脅因子的敏感度

2.2.2生境質量空間分布特征

使用全局莫蘭指數(Moran′sI)描述研究區生境質量是否有集聚效應,該指數可以探究相鄰網格屬性值在全局空間上的關聯度,其原理及公式詳見文獻[26]。全局莫蘭指數值域為[-1,1],若大于0為正相關,反之則為負相關,其絕對值趨近于1表示集聚性較強,等于0則代表隨機分布。

2.2.3景觀格局指數

參考已有研究成果[27],選擇3類共9項景觀格局指數,包括:(1)空間破碎度:斑塊個數(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI);(2)空間連接度:連通度(COHESION)、散步與并列指數(IJI)、聚合度(AI);(3)空間復雜度:邊緣密度(ED)、邊緣長度(TE)、景觀形狀(LSI)。各指標公式詳見參考文獻[28],計算過程通過FRAGSTATS 4.2軟件進行,并以2 km為粒度單元進行移動窗口法(Moving Window)分析。此外,為更加顯著地表達研究區景觀格局指數的時空分異,研究過程將對景觀格局指數分析結果進行線性歸一化處理并按類型等權疊加[29],以此為基礎開展相關分析過程。

2.2.4生境質量與景觀格局指數的相關性分析

選擇皮爾森相關系數(Pearson correlation coefficient)計算研究區生境質量與景觀格局指數之間相關性。皮爾森相關系數是一種線性相關系數,用來反映兩個變量相關程度,絕對值越大代表相關性越強,在本文用于計算研究區生境質量與景觀格局指數的基礎回歸關系,相關原理及公式如文獻[30]所示。

3 研究結果

3.1 黃河灘區周邊城鎮土地覆被總體演變

本文基于土地生態功能和空間結構討論生境質量與景觀格局的關系,這就需要對研究區土地構成與演進形成總體認知。如圖3—4所示,研究區主要土地覆蓋類型為耕地,面積占比均達到66%以上,其次為建設用地,面積占比也均高于15%。研究期間,黃河灘區城鎮建設用地、水域面積持續增加,其他地類與之相反,其中耕地在對外轉化方面占比最高,2005—2010年達到研究區總面積的5.64%,建設用地、耕地是各時段土地轉換比例較高地類,水域雖然在整體土地轉化程度上弱于前兩者,但強于林地、草地等重要生態要素,并占有更大比重,進一步突顯水文要素在黃河灘區生態環境演變中所扮演的角色。

圖3 2000—2020年黃河灘區周邊城鎮土地覆蓋面積統計 Fig.3 Statistics of land cover area in the towns along the Yellow River Floodplain from 2000 to 2020

圖4 2000—2020年黃河灘區周邊城鎮土地覆蓋轉換統計Fig.4 Statistics of land cover conversion in the towns along the Yellow River Floodplain from 2000 to 2020

3.2 黃河灘區周邊城鎮生境質量時空演變特征

3.2.1黃河灘區周邊城鎮生境質量空間分布特征

2000—2020年間,研究區生境質量指數級別以中低等為主(圖5—6),與已有成果基本一致[17,25]。少數高等質量區于黃河入海口、東平湖、濟南南部或鄭州西部山地等呈斑塊狀分布,中高等和中低等質量區廣泛分布于黃河兩側平原,低等生境質量區則以點狀或小型斑塊的形式分布在各級城鎮建成區域。從空間集聚性看,研究區生境質量指數集聚效應顯著(全局莫蘭指數P=0,Z>0)。在河段對比上(圖6),各河段生境質量平均值由高到低依次為河口段>彎曲段>游蕩段>過渡段,除河口、彎曲段內分布有一定比例的高等級生境質量區外,游蕩、過渡段內中高、高等級生境質量區比例均不足1%。

圖5 2000—2020年黃河灘區周邊城鎮生境質量指數等級分布Fig.5 Distribution of the grade of habitat quality index in the towns along the Yellow River Floodplain from 2000 to 2020

圖6 2000—2020年黃河灘區周邊城鎮生境質量平均值及各等級生境面積比例Fig.6 Average of habitat quality and proportion of each grade of habitat quality area in the towns along the Yellow River Floodplain from 2000 to 2020

圖7 2000—2020年黃河灘區各河段城鎮生境質量平均值演變Fig.7 Evolution of the average of habitat quality index of each river region in the towns along the Yellow River Floodplain from 2000 to 2020

3.2.2黃河灘區周邊城鎮生境質量時序演變特征

從時間演變來看,研究區生境質量整體處于逐年下降狀態(圖6),20年內由0.4850降到了0.4658, 2000—2010年間下降最為嚴重。在空間集聚特征上,研究期內生境質量全局莫蘭指數于0.6154至0.6321之間小規模變動,表明各級生境質量區集聚性相對穩定。在河段對比上(圖6—7),除河口段外各河段生境質量平均值處逐年下降狀態,游蕩、彎曲段在2005—2010年下降速率較高,主要原因在于該時段黃河灘區城鎮化速度較快[22],大量林地、耕地等土地轉為建設用地,加劇了威脅源對區域生境斑塊的限制作用。比較特別的是,同處黃河入海口的墾利區(DE-2)和河口區(DE-1)呈相反趨勢,并且上升/下降幅度均極高,主要原因在于2010年前后DE-1區黃河三角洲洲體蝕退幅度較大[31],逐年擴增的水體為河岸地帶提供了良好的生境條件,這方面與DE-2區相反,導致后者近20年生境質量平均值每5年下降2.0%。

3.3 黃河灘區周邊城鎮景觀格局演變特征

3.3.1黃河灘區周邊城鎮景觀格局指數空間分布特征

在景觀格局指數上,各子研究區與所屬河段也表現出一定的空間分異(圖8)。2000—2020年,研究區景觀破碎度與復雜度分布規律大體相近,連接度與之相反。在變化幅度上,三類景觀格局指數波動情況由大到小依次為復雜度>連接度>破碎度,可以解釋為黃河灘區周邊區域城鎮化與區域一體化發展程度均較強,廣袤的農業景觀基底與相近的城鎮發展布局減小了土地空間在斑塊破碎化方面的差距。與之不同的是,各河段景觀連接度與復雜度差異明顯,其中連接度指數河口段>游蕩段>過渡段>彎曲段,復雜度則與之相反,主要原因在于河口段濱海灘涂以及游蕩段“二級懸河”特性極大降低了黃河兩岸城鎮空間發展的自由程度,使建設用地的擴張以 “填充式”或“蔓延式”為主[32],同時相比其他河段表現出與黃河不同的關系模式,例如鄭州市中心城區以平行或遠離黃河為發展主向[32],濟南市則于2016年提出“攜河發展”目標,可見河勢特征對黃河沿岸城鎮空間的發展可以起到制約、開放或聯動的復雜影響。

3.3.2黃河灘區周邊城鎮景觀格局指數時序演變特征

在時間尺度上,2000—2020年黃河灘區周邊城鎮景觀破碎度呈微弱下降趨勢(圖8),下降幅度由大到小依次為游蕩段>河口段>過渡段>彎曲段,可以解釋為快速城鎮化發展與建成區的擴張使城鄉結合地帶的過渡性斑塊得以整合,但河勢特征對游蕩段和河口段城鎮空間發展限制更加明顯。連接度方面,游蕩段連接性指數逐年增加,以鄭州市、開封市中心城區所在的TU-4區段最為顯著,這與濟南市中心城區所在的ME-4區段(彎曲段)相反,進一步印證了游蕩段河勢對黃河沿岸城鎮發展的限制作用;過渡段與彎曲段連接性指數較為穩定;而河口段則有較大程度提升,主要歸因于大面積水庫坑塘、灘地被建設用地侵占,同時在海岸蝕退作用下,河岸散布的草地斑塊在研究時段內平均每年減少4.85%。復雜度與連接度指數規律相反,但變化幅度較弱。

3.4 黃河灘區周邊城鎮生境質量與景觀格局的相關性

圖9展示了研究期內黃河灘區周邊城鎮生境質量與景觀格局的Pearson相關性分析結果。整體尺度上,以2020年為例,大部分地類景觀格局指數(86.7%)與生境質量顯著相關(P<0.01)。林地、草地破碎度與復雜度指數與生境質量呈顯著正向關系;水域在連接性方面也對生境質量具有一定影響力;建設用地連接性指數與生境質量表現出極強的負相關性;耕地的破碎化與連接性下降表明生境質量將會有所提升。在演變過程中,46.7%的景觀格局指數Pearson相關系數值呈持續降低狀態,40.0%為先減后增,可以解釋為2000—2010年研究區土地動態度相對較高[22],降低了土地空間格局的內在差異性,導致相關景觀格局指數與生境質量的關聯逐漸減弱。

圖9 黃河灘區周邊城鎮景觀格局指數與生境質量Pearson相關性結果Fig.9 Pearson′s correlation between landscape pattern index and habitat quality in the towns along the Yellow River Floodplain*表示P<0.05;**表示P<0.01

河段尺度上,以最臨近狀態的2020年為例進行分析(圖9)。與整體尺度相比,各河段之間生境質量與景觀格局相關性存在較大差異。游蕩性河段具有“寬、淺、散、亂”的水文特點[8],水域難以成為支撐區域生境質量的關鍵因素,使其相比其他河段更加依賴林草生境斑塊的優化;過渡段兼具游蕩段與彎曲段的河勢特征,灘區兩岸蓄水能力強[23],這為該地區草地生態系統發育提供了支撐,草地破碎度、連接度、復雜度指數與生境質量的關系最為協同;彎曲段河勢穩定,堤距小且對水流的約束作用強,使該河段城鎮空間發展與黃河關系最為緊密,但也加劇了建設用地與水域對于生境質量的矛盾關系,甚至后者在破碎度、復雜度指數方面的作用因此受到削弱;土地覆被對河口段生境質量的影響主要體現在耕地、水域與建設用地方面,首先,高破碎度、高復雜度的水域斑塊多分布在生境質量較低的城鎮地帶,因此與生境質量呈負相關關系;其次,由于耕地的生境適宜度小于水域覆被類型,因此高連接性農田區域生境質量雖然優于城鎮建成區,但仍小于水域斑塊的影響,建設用地格局指數與此同理。

4 討論與結論

4.1 討論

(1)黃河下游生態系統是以黃河干流為主體,由山、河、林、田、湖、草、灘等構成的復合生態系統。在《黃河流域生態保護和高質量發展規劃綱要》啟示下,以城鎮為基本單元,從流域城鎮帶入手討論區域景觀格局和生境質量的關系可以更加全面地解釋二者之間的關聯與空間分異,也是對河流/流域生態學、流域水文學等理論[33]的實踐運用與擴展。

“游蕩段、過渡段、彎曲段、河口段”是對黃河下游河勢特點的定性描述[23],體現了黃河下游河流生態系統在縱向維度上的變化情況[34]。在流域尺度上,國內外學者通常關注水利樞紐等設施對流域景觀格局[35]或生物多樣性[34]的影響,對河勢內在差異所帶來的縱向變化關注不足,分析其中的原因,可能由于河勢特點受多重因素影響使其難以有效量化,但不可否認的是,在人類干擾水文過程的能力日趨加強背景下,河勢特征的不同必然會擴大河流/流域生態系統在格局與功能上的差異,這仍然是河流生態系統序列不連續性(Serial Discontinuity)理念的體現[34]。通過對黃河灘區周邊城鎮生境質量與景觀格局的時空演變研究,可以發現河勢特征對區域城鎮空間發展和生境質量演變均產生差異化影響,主要表現在:①河勢特征直接影響黃河灘區兩側城鎮的土地轉化與空間格局演變,例如游蕩段“二級懸河”與河口段三角洲極大限制了黃河灘區兩側城鎮建設用地擴張的自由程度,使其景觀連接度指數高于彎曲段和過渡段,土地斑塊的破碎化過程也有所減弱;②不同河段內土地景觀格局與生境質量相關性存在顯著甚至相反的差異,例如河口段水域斑塊的破碎化和復雜程度提升與生境質量呈負向關系,在其他河段均正向相關;③面對不同的河勢環境條件,地方政府采取了多種針對性措施,包括黃河灘區生態廊道建設、黃河口生態旅游區等,對區域生境質量提升產生一定支持,但在城鎮化過程中,城-水矛盾始終是生物多樣性維持的關鍵,作為鄭-新一體化發展的重要節點,新鄉市平原示范區與黃河距離為10 km左右,而濟南市落實“跨河發展”戰略的新舊動能轉換先行區中心城區與黃河距離不足3 km,東營市也在加快沿海開發建設過程,上述內容既是人類根據河勢特點選擇的發展模式,也是需要借助多種手段緩和城-水矛盾的空間載體。總體而言,河勢特征是黃河灘區景觀格局與生境質量的全局性支撐或限制因素,相比水利樞紐直接影響河流的水文過程,河勢特征的影響更多映射在周邊區域范圍內,并對生境質量產生差異性影響,這也是相同地類在不同河段與生境質量關系存在顯著差異[19,36]的重要原因之一。

(2)本文仍存一定局限,在研究方法上,雖然InVEST模型應用較為成熟,在參數設定上也依據了模型指導手冊和相關研究成果,但由于黃河灘區較大的區域跨度與復雜的水文環境,如何統籌不同河段城鎮特點,實現更加合理的評估參數設定有待進一步推敲。在研究對象上,由于復雜的水文條件,黃河下游地區擁有天然的河勢分異現象,因此土地景觀格局與生境質量以及二者相關性的差異在不同河段內能夠有所表達,而該方法對其他河流的適用性還需進一步探討。

4.2 結論

本文采用2000—2020年土地覆被數據,基于InVEST 模型測度黃河灘區周邊城鎮生境質量的空間分布,使用FRAGSTATS軟件進行景觀空間破碎度、連接度與復雜度指數分析,最后通過SPSS平臺計算不同尺度條件下生境質量與景觀格局的Pearson相關性。主要結論如下:

(1)生境質量方面, 2000—2020年間,黃河灘區周邊城鎮生境質量級別以中低等為主,各級生境質量區以集聚性方式穩定分布。在不同河段對比中,各河段生境質量平均值由高到低依次為河口段、彎曲段、游蕩段、過渡段。隨著時間推移,除河口段外,各河段生境質量平均值處逐年下降狀態。

(2)景觀格局方面,各河段之間景觀格局指數存在一定空間差異,其中破碎度差異最小,復雜度差異大于連接度,但二者表現形式相反。在景觀格局指數演變過程中,游蕩段、河口段受河勢特征影響更加突顯,黃河灘區兩側或濱海區域脆弱的生態基址使其難以承載過于復雜的城鎮建設功能,而彎曲段城鎮空間的發展較少受到水文條件的限制。

(3)生境質量與景觀格局的相關性方面,多數土地覆被類型的景觀格局指數與生境質量顯著相關,但關聯程度隨城鎮化發展有所減弱,這與常玉旸等研究結論一致[37]。林地、草地是游蕩段生境質量的關鍵因素;彎曲段、河口段在其基礎上更需關注城-水之間的矛盾關系,過渡段區域內草地對生境質量提供了穩定的支撐作用,但其相對單一的生態系統構成難以在更廣程度上為流域生物多樣性提供支持。

21世紀初期,黃河灘區城鎮發展極大改變了原有土地空間格局,雖然近年土地轉換程度有所下降[22],但龐大的耕地與建設用地規模依然限制著生境質量的改善進程。隨著小浪底水庫的建成使用,各河段水文條件逐漸趨于穩定。在以生境質量提升為主要目的的黃河灘區周邊城鎮空間優化上,需聚焦河段主要矛盾采用適用的規劃策略,首先,調水調沙工程使黃河三角洲洲體重新增長[31],但在本研究中,水域面積的減少不利于河口段生境質量的提升,因此需借助優化岸線結構等方式緩解水生態系統的退化問題;其次,游蕩段黃河兩岸的生態基址與環境條件將有所提升,但在廣闊的游蕩性灘區范圍內,水域空間格局難以在短時間發生根本性轉變,仍需結合生態保育、平原造林、改良農業生產、優化綠色空間布局等方式為區域生物多樣性提供支撐;此外,構建多層次林草植物群落,提升高適宜性生境質量斑塊的結構多樣性是過渡段生物多樣性維持的重要抓手,彎曲段則需聚焦城鎮建成地帶,依托城市河流、道路等要素完善生物遷徙廊道網絡,并強化城鎮與黃河之間生態緩沖帶的近自然性與低干擾程度。