河流湿地缓冲带边界不确定性探析

李少华

(北京市北运河管理处， 北京101100)

河流湿地是水陆生态系统交汇作用形成的过渡地带与交错区域，具有典型的生态脆弱性和反应敏感性特征[1]。同时，作为重要的湿地景观类型之一，河流湿地可以起到调节气候、涵养水源、蓄洪防旱、持水保土、净化水体、生境提升和生物资源保护等多项功能效应，其外观形态上主要由一定宽度的河水、河岸土壤(沉积物)和植物群落构成，可在流域物质循环中起到媒介作用和增强沿河生态斑块的景观异质性[2]。

基于生态系统生态学的理论，河流湿地需要包含适当宽度的缓冲带，才能保证其功能有效性的发挥，进而为各类生物提供适生环境和立地条件。近年来，随着沿河周边的常住人口急剧增加和建设工程规模不断扩大，人类不合理的干扰强度也随之增加，河流逐渐演变为城市化进程中的附属设施，渠化河道成了城市规划中的标配。经过最大限度的缩减缓冲带宽度，造成河流湿地结构单一、功能丧失和生态退化，严重威胁着流域生态安全与区域经济可持续发展[3]。目前，中国还没有科学划定河流湿地缓冲带边界的统一方法，导致缓冲带的宽度无法得到基本保障，进而不能充分发挥其全部功能属性。因此，为了更好地恢复和保护河流湿地，有效支撑河道管护范围划定和落实空间监管边界等重要工作，打好河湖清理整治攻坚战，必须首先摸清河流湿地缓冲带的边界范围。

作为保护河流水质、提供动植物栖息地和满足人类福祉需求的重要景观区域，国际上对河流湿地缓冲带的研究始于20世纪70年代，主要集中在缓冲带物种组成、植物群落结构、生态廊道动态变化、缓冲带生态保护、退化缓冲带的生态恢复和管理等方面[4]。如张建春和彭补拙[5]通过以生态恢复6 a的退化河岸带滩地为研究对象，发现恢复后的河岸带中生物多样性和群落稳定性均显著增加，土壤质量得到改良。Thibault等[6]经过长期监测河岸带的地下水位，分析了退化缓冲带的生态恢复可能性，建议在管理上有效运用法律和经济手段。王超等[7]在梳理缓冲带对河流生态系统影响机制的基础上，对水文、水质、植物群落等要素进行耦合分析，模拟预测了缓冲带对河流水环境及生物多样性的影响效应。以上研究结果可以看出，目前缺乏流域尺度系统性的定量分析，并且国内的理论和实践还比较薄弱，无法满足河流岸线的规划设计、管理调控和划界确权的需求。鉴于此，本文在阐述河流湿地缓冲带内涵和边界确定方法的基础上，初步分析了河流湿地缓冲带边界不确定性的因素，讨论了河流湿地生态恢复的关键问题与重建策略，以期能促进完善缓冲带的理论研究体系，为实施河流湿地的生态管理措施提供技术支撑。

1 河流湿地缓冲带的内涵概述

1.1 河流湿地缓冲带的基本定义

河流湿地缓冲带是指河岸两边向高台地爬升过程中位于水陆过渡范围内同河水发生作用的植被覆盖区，其将会伴随着河道形态的波荡而不断发生变化，进而导致缓冲带的边界具有不确定性[5]。河流湿地缓冲带有2条边界，即河水与缓冲带的内边界和缓冲带与高台地的外边界，当无特别说明时，缓冲带边界专指后者，本文研究的对象也为外边界。由于处于特殊的位置，河流湿地缓冲带具有独特的空间结构、生态功能和资源价值，其范围的定义主要有以下3种：一是指以河水与陆地交界处的两条边线为起点，直至河水影响消失为止的地带；二是指靠近河边，植物群落多样性、植被组成及土壤含水量等生态指标明显不同于高地区域的地带；三是指位于水陆交界线两侧，能够影响河流水文规律、水质、小气候等环境因素的地带[4]。综上可知，河流湿地缓冲带的定义还未统一，但都强调了生态水文功能、线状边界和边缘效应等特点，其既是独立地貌单元，又是完整的生态系统。

1.2 河流湿地缓冲带的结构特征

河流湿地缓冲带是具有典型四维结构边缘的地貌单元，位于河流左右岸，呈现狭长条带状梯度分布的特征，见图1。在纵向上，自上游至下游由多个功能区蜿蜒交错分布；在横向上，自河床至洪泛滩地由水陆生态系统镶嵌组合；在垂向上，由地表水、土壤水和地下水不断交换处于动态平衡；在时间上，河流岸线形态波荡与缓冲带植物群落演替同步进行。缓冲带植被结构包括植物种类、空间分布和相应宽度，主要受到气候因子、立地条件、水文地质和人类活动等方面的影响，具有景观复杂性和动态演变性的特点，外来物种入侵、土壤水分及洪水漫溢等因素均是缓冲带植被结构演替的重要驱动力[3]。缓冲带与周边相邻区域相比，其在生态环境、水文循环和植物群落等多方面具有明显的变化梯度，并且极易受到外界因素的扰动，导致其范围边界不稳定，频繁发生变化。

1.3 河流湿地缓冲带的功能属性

河流湿地缓冲带的功能属性主要包括生态屏障功能、生物廊道功能和社会服务价值功能，具体表现在保护河岸、改善小气候、水文调节、净化水质、化学元素调控、维持生物多样性和景观美学等方面[8]。其中，保护河岸主要通过降低土壤侵蚀模数和增加边坡抗拉强度来实现，改善小气候主要通过降温增湿、净气除尘等效应以提高空气质量和改善气象要素，水文调节主要通过缓冲带的植被冠层、枯枝落叶及根系改变降雨再分配和水分入渗等产汇流过程来实现，净化水质主要是指地表水资源经过缓冲带过滤、吸附、沉积、分解等物理、化学和生物作用使其污染指数显著降低，化学元素调控是指缓冲带既为河流生态系统提供丰富的物质和元素，又能够避免过量的营养盐和有机物输入。维持生物多样性主要是缓冲带可以形成多种生物的适宜生境，进而为生物提供良好的栖息地。景观美学主要通过优化流域的视觉效果，挖掘生态元素、实用美学和人文价值，创造惬意的游憩条件和休闲场所[6]。

2 河流湿地缓冲带边界不确定性的影响因素分析

2.1 河流本质属性

对于河流湿地生态系统，缓冲带边界距河道中心线越远，越能更好地发挥其各项功能。任何一条河流的缓冲带都具有相对独特性，从理论角度分析，其边界应当是河流本质属性的复合函数，具体指标主要包括河流类型、河岸形态、河岸侵蚀、水文特征、水面宽度、水位、水温和河水侧向影响距离[7]。河流本质属性的构成要素中，水体流量和流速代表了河流的强度属性，洪水和洪峰体现了河流的能量属性，并且洪水重现期和等级对河流湿地的边界影响较大，径流和河床构成了河流的基本形态，水沙条件和调蓄排涝控制了河流的游荡范围。另外，河流的完整性、功能性和敏感性也是划定缓冲带边界所需考虑的因素。

2.2 缓冲带生态指标

缓冲带生态指标由植被结构指标和土壤理化指标两大类别构成，其中，植被结构指标主要包括物种多样性指数、配置模式、植物多度和优势种高度，侧重于在较长的时间尺度研究动态变化规律。缓冲带植被可以划分为同一物种类型和多物种类型，前者多为人工林缓冲带，主要采用胸径、高度、冠幅和郁闭度等指标进行评价；根据缓冲带下垫面的特点，后者多为乔木、灌木、藤本和草本相伴生的植被缓冲带，垂向结构比较复杂，多采用覆盖度、优势度、丰富度、均匀度和多样性等指标进行评价。不同土壤类型缓冲带其边界要求也不相同，黏性土壤渗透性较差，易产生地表径流，同时其汇流时间短，进而导致边界离河较远，才能满足缓冲带的基本功能要求，沙质土正好与之相反；土壤理化指标主要由土壤质地、土壤含水量、田间持水量、渗透系数、有机质、总氮和土壤微生物区系组成[9]。

2.3 外界因子干扰

外界因子干扰由自然干扰和人为干扰2种类型组成，其中，外界干扰将会使原有河流湿地生态系统失衡，造成内部结构和功能属性发生变化，从而导致缓冲带的边界产生相应波动。自然干扰情形主要是由于全球气候变化、自然灾害和降水量年际波动，导致河流生态系统的水源补给量发生变化，属于造成河流湿地缓冲带边界变化的内营力[10]。人为干扰情形主要分为垦殖河流湿地缓冲带、沿河城市化扩张和非生态水利工程建设，具体包括河道渠化、引水筑渠、相邻土地资源开发利用、土地垦殖、娱乐设施侵占以及修建大坝、涉河道路和提防等。过度不可逆的扰动给河流湿地缓冲带造成极大破坏，比如天然河道被填埋或渠化、水系廊道的流动和传输功能丧失、高价值的线性元素逐渐消失、河流水环境持续恶化、生物的天然栖息地萎缩和历史文化遗产失去场地印记[11]。因此，目前河流整治工作的核心是将河道重新自然化，通过生态措施修复到人工扰动前的水平。

3 河流湿地缓冲带边界确定的常用方法

3.1 数学建模法

精准确定河流湿地缓冲带边界是河道科学管理和工程合法建设的基础性工作，目前基于数学建模手段，主要有单因子回归模型、多因子回归模型等方法[12]，具体方法的优缺点见表1。其中，单因子回归模型法是指建立单一因子(水文、地貌等)与不同宽度缓冲带功能发挥效果之间的关系模型，也被称为简单数学模型法，主要包括针对去除悬浮污染物的Phillips水文模型及时间模型、依据水文与地貌特征的Mander模型和基于曼宁粗糙系数的Nieswand模型。在定性划定河流湿地缓冲带效应的研究中，简单数学模型法得到了广泛的运用，如Cao等[13]根据Phillips模型计算出进入巢湖的面源污染物和离子状污染物去除率的变化曲线，构建了巢湖流域河岸缓冲带的最佳宽度。Riley等[14]在英国和爱尔兰中小河流近自然修复研究中应用Mander模型，得出河岸缓冲带所必需的最小生态宽度。Hain等[15]在美国北卡罗来纳州的生态流域运用Nieswand模型，分析鱼群最易攻击区域水环境达标情况的变化过程，基于此，划定满足需求的河岸缓冲带宽度。

表1 常用河流湿地缓冲带边界确定方法的优缺点

多因子回归模型法是指综合考虑坡度、水流、降雨强度、入渗率、植被、缓冲带外土地利用、污染源等多因子共同作用下，满足缓冲带功能要求的计算模型，也被称为复杂数学模型法和经典数学模型法[16]，主要包括河岸缓冲带生态系统管理模型(REMM，Riparian Ecosystem Management Model)、农田管理系统的化合物、径流与侵蚀模型(CREAMS，The Chemicals，Runoff，and Erosion from Agricultural Management Systems)和河岸缓冲带植被过滤泥沙效果模型(VFSMOD，The Vegetative Filter Strip Model)。在定量表征河流湿地缓冲带效应的研究中，复杂数学模型法得到了全面的二次开发和应用，如Feld等[17]应用 REMM模型模拟了不同植被结构、植株密度和宽度下的缓冲带污染物净化率，确定了能够增强生态服务功能和减小集水区压力源的河岸缓冲带边界。Nava-Lopez等[18]通过运用CREAMS 模型的径流模块，探究河岸缓冲带宽度与河流水质的关系，推进了对人类活动和自然过程对水环境影响的认识。Monteiro等[19]通过基于VFSMOD模型开发出缓冲带的设计程序，模拟出河岸植被不同恢复宽度的具体情形，研究受人类影响的流域产水量和泥沙输移的变化规律，最终确定河流湿地缓冲带边界。

3.2 地理科学法

地理科学法主要通过坡面地形地貌特征因子提取、地统计分析等方法，模拟地表径流的产汇流过程，有效运用GPS、GIS和RS等地理信息技术手段，结合数字高程模型数据(DEM)，提取沟道、水系的地理位置信息，分析高差、坡度、坡向、海拔、粗糙度等地形因子对水文循环过程的影响，从而实现多因子条件下对河流湿地缓冲带边界范围的划定[20]。常用的方法主要有：下垫面均一稳定区域的沿淹没线等距确定法、地形起伏坡度较缓区域的沿等高线蜿蜒确定法、流域尺度地形起伏较大区域的沿河岸线变宽确定法、基于生态水文模型的多学科综合技术确定法和针对不同功能目标筛选主要影响因素确定法。例如，Scott等[21]应用GIS技术建立了包含流域内水文、地形、土壤质地、土地利用等基础信息的资料数据库，并通过GIS的转化功能和计算功能将矢量数据转化成栅格数据，然后把所需数据叠加至同一图层，最终模拟出河流湿地恢复过程中的动态缓冲带。

3.3 经验定值法

河流湿地缓冲带功能的发挥与其适宜宽度存在非常密切的关系，在进行边界划定的实际工作中，采用的经验定值法类别主要有：植被物种组成陡降的植物样方法，同一土层含水率发生突变的土壤剖面法，河岸土壤立地条件所能支撑适生乔木的潜在树高法，50年或100年一遇洪水的淹没水位线法，涉水条例规章明确规定的固定宽度法[22]，见表2。另外，瑞典规定河岸缓冲带的宽度为10～30 m，主要依据具体河段的敏感性选定。

表2 不同国家河岸带宽度经验推荐值的范围 单位：m

4 河流湿地缓冲带生态恢复的关键问题

4.1 最优宽度的划定依据

河流湿地缓冲带宽度的适宜与否直接影响其功能有效性的发挥，最优宽度是指能够满足特定条件和功能需求的缓冲带宽度。只有综合生态、环境、经济和社会等多角度对缓冲带的宽度进行系统分析，才能够科学合理的确定其最优宽度，进而使缓冲带的生态屏障、社会经济及景观美学等服务价值和综合效益达到最佳[23]。同时，划定河流湿地缓冲带的最优宽度，将有利于维护河流生态系统的健康稳定，既能保证河岸缓冲带的防洪安全、资源保护、河道稳定和污染防治等基本功能，又能满足占地经济成本要求和沿河实际发展规划需要。研究表明，稳固坡岸、水文调节、污染物净化、栖息地保护等功能需要的最优宽度依次增加，划定的主要依据有：具备自我修复能力和维持自身健康管理的生态稳定性、截污净化效率和保持水土能力的环境有效性、缓冲带建设管理和后期运维费用的经济可行性、游憩景观环境和防洪调蓄效应的社会价值性、人与自然之间和不同利益者之间的矛盾和谐性[24]。

4.2 生态恢复的核心策略

河流湿地缓冲带生态恢复的主要内容包括生境破碎化恢复、生物群落多样性恢复和水生态系统结构恢复，关键技术是清除逆境胁迫因子、构建植被垂直结构和恢复河流水系连通，基本特征是具有天然性、安全性、亲水性和景观性，核心任务是提升河流廊道的景观格局、恢复生物栖息地的结构功能和构建蓝绿交织的视觉美，总体目标是恢复到原有的自然状态或更高的河流健康水平[25]。由于城市化建设及不合理的人类干扰，缓冲带生态系统的服务功能呈现显著下降趋势，但是目前无法对渠化河道进行整体的近自然化修复，致使在特定河段进行有针对性的近自然改造显得尤为实用[26]。另外，城市渠化河道流经的湿地公园和森林绿地是典型的河流近自然化适宜拓展区，将为河流提供可以恢复自然形态、增加雨洪利用区和重塑生态堤岸的机会场地，切实做到生态效能与社会效益兼顾，还具有一定的美学欣赏价值，并可有效杜绝城市河流变为城市化的附属物。

5 结语

近年来，随着对河流湿地缓冲带的功能认识不断加深，中国愈发注重缓冲带的生态景观建设，以确保河势稳定、行洪安全和水生态健康。但是由于沿河上下游的各行政区域发展不均衡，全流域尺度与局部发达地区的生态修复之间缺乏统筹规划和顶层设计，至今还无法实现缓冲带边界划定工作的定量化、精细化、可视化和快速化。因此，今后应当综合多尺度、多因素和多目标以优化缓冲带宽度的计算方法，并结合中国不同河流湿地的特点和具体条件，因地制宜采取多方法交叉应用和相互验证，科学有效地进行缓冲带边界的规划设计和尺度拓展，使划定缓冲带边界的方法具有更高精度和可操作性，以达到维护流域生态安全、协调环境与经济利益冲突和构建水生态文明建设长效机制的管理目标。