城市生境研究进展*

吴雪飞 张楠楠

华中农业大学园艺林学学院 武汉 430070

城市扩张对自然生境的负面影响是全球生物多样性面临的最大威胁之一。 剧烈而频繁的人类活动使城市自然生境面积不断缩小， 破碎化程度加剧， 进而导致城市生物多样性降低， 影响城市气候调节、 人类疾病防预等城市生态系统服务的可持续提供。 生境是生物个体、 种群或群落所处的具体环境， 是特定地段上对生物起作用的生态因子的总和[1]， 包含生物生存与繁衍所需要的资源与环境[2]， 因此生境是生物多样性的基础[3]，与气候调节、 人类疾病防预等城市生态系统服务紧密相连， 并通过确保生态系统恢复为人类福祉做出重要贡献[4]。 城市生境亦能创造丰富的城市绿色基础设施类型， 如城市公园、 绿道、 森林等，为人类休闲活动与亲近自然提供机会。 就城市范围而言， 生境这一概念具有广泛的内涵， 既包含城市各类绿色空间、 水体等开放的自然或近自然区域， 也包括建筑、 桥梁、 各种管网等构筑物或基础设施[3]。 由于本文拟基于城市生态环境提升与保护角度明晰城市生境研究热点与动态， 因此主要以自然、 近自然的城市生境作为研究对象。

本文结合Cite space 软件挖掘文献信息， 通过高频关键词总结、 关键词共现网络分析等对“城市生境” 研究特点进行可视化研判， 总结该研究领域的发展态势， 以丰富城市生境规划建设理念和技术手段， 并为后续研究和方向提出展望。

1 城市生境研究总体特征

本研究以Web of Science 核心合集为数据来源， 检索式为: 主题词＝(“urban habitat”AND“urban habitats”)， 设置文章类型为“ARTICLE”，精炼生态学、 环境科学、 区域城市规划、 林学、生物多样性保护等31 个与城市生态环境密切相关的学科类别， 数据分析样本设置为1990—2018 年的7 277 篇文献。 结果表明: 1990—2002 年， 国际学界对城市生境的认识与关注处于萌芽阶段，为研究数量的缓慢增长期； 2003 年起， 文献数量进入快速增长期， 且近10 年来的研究热度持续上升； 2009—2018 年的发文量占研究总量的72.6%(图1)。

图1 文献数量与发表年份的关系

1.1 主要研究国家与主题

检索结果发现， 美国、 澳大利亚、 英国、 加拿大、 德国5 个国家发文数量占研究总量的75% (表1)， 是城市生境研究的主要国家。 由国家(地区) 合作网络知识图谱(图2) 可知，城市生境研究领域已初步形成跨国(区域) 合作研究体系， 但由于不同国家城市化发展进程存在差异， 研究主题也各有侧重。 北美和澳大利亚更注重探讨城市增长过程与生物多样性变化的关系， 比如伴随城市化梯度变化的生境丧失程度、 生物多样性减少程度以及物种组成变化等[5]。 欧洲国家则以城市生物多样性维持[6]、城市核心栖息地的识别与保护[7]， 城市生境网络规划[8]等主题为重点。

图2 国家(地区) 合作网络知识图谱

表1 1990—2018 年文献总数前10 的国家发文情况及研究主题

1.2 我国城市生境研究与国际同类研究的差异

研究表明， 1992—2012 年， 中国城市化速度几乎是全球平均水平的3 倍[9]。 我国特殊的城市化进程带来的生态环境问题日益凸显， 因此城市生境领域的研究重点主要围绕“城市” 关键词(表1)。 我国学者偏向以指导城市建设用地空间布局[10]和控制城市蔓延为目的进行城市生境研究， 而对生境规划、 营造这一领域的关注较少，因此在城市生物多样性保护方面的效果较国际上略逊一筹。

1.3 学科领域分布态势

城市生境的多学科交叉发展主要分为3 个阶段(图3)， 1990—2000 年， 生态学、 环境科学、 生物学等学科开始关注城市生境， 并与之后介入的各个方向产生联系。 2000 年左右， 集中出现城市规划、风景园林等学科的研究， 它们多以景观生态学、 环境科学等理论为背景， 结合城市研究， 为城市生物多样保护和生态空间管护提供科学建议。 2005 年至今， 城市生境领域研究呈多学科交叉与细化发展态势， 涉及土壤学、 鸟类学等多个领域。

图3 城市生境研究学科时区图

2 研究热点

利用Cite Space 软件绘制高频关键词共现网络时区图。 结果(图4) 表明， 城市生境的研究内容比较集中， 主要为城市化、 生物多样性、 景观、 土地利用等方面， 这些领域大多在2000 年以前就备受关注， 一直持续至今。 2010 年以后出现连通性、生态系统服务等热点词汇， 表明研究重点逐渐从单一生境的保护过渡为不同生境间连通关系的恢复与加强。 通过分析关键词和高被引文献可知， 当前城市生境的研究热点为城市扩张对生境的影响、 城市生境生态服务功能调查与分析、 城市生境质量评估和城市生境规划与营造4 个方面。

图4 高频关键词共现网络时区图

2.1 城市扩张对生境的影响

城市扩张被普遍认为是自然生境丧失及功能衰退的主要驱动力。 研究表明， 城市扩张会通过影响城市生境的面积、 结构、 连通性等进而降低城市生境质量。 一方面， 城市快速发展的土地利用变化会直接减少自然生境面积与类型[11]， 增加生境破碎化程度， 降低其连通性[12]； 另一方面，城市扩张会改变生境结构[13]， 影响生态系统过程， 如不透水表面蔓延， 地下热岛等往往会阻碍复杂生境结构的自然发生[14-17]。 此外， 城市扩张过程也会使本土生境遭受生物入侵， 从而降低区域生物多样性。 Gong 等[18]研究发现人工绿地中外来物种的数量明显高于自然绿地。 ĈEPLOVA、BASNOU 等[19-20]证实外来物种的建立会导致城市生境的生物均质化。

2.2 城市生境生态服务功能

传统的生境保护实践往往强调恢复历史上连续的生态系统[21]， 而忽略对新出现生境的价值评估， 这可能会低估城市环境对生物多样性的支持作用。 研究表明， 自然演替后的废弃地、 城市公园等都可能为生物提供潜在的栖息空间， 甚至支持稀有或濒危物种[22]。 IVES 等[23]发现， 澳大利亚城市地区单位面积支持的国家级濒危动植物比非城市地区更多。 美国自然保护区[24]的一项调查指出， 22%的联邦濒危植物分布在大都会区域。虽然城市环境是否具有支持濒危物种的潜力还取决于物种对城市环境的适应能力与生活习性， 但这些研究扩大了我们对城市中新栖息地潜在价值的认识。 在对城市荒野、 基础设施附属绿地等生境进行改造、 设计时， 生物多样性保护应该被纳入考虑之列。

2.3 城市生境质量评估方法

城市生境质量评估方法可归纳为生物指标法、实地调查与多指标综合评价法、 模型模拟法3 类(表2)。

表2 评估城市生境质量的主要方法

生物指标法是利用某些敏感的动植物种类对城市生境变化做出的反应来表示城市生境质量的高低。 开发可靠的生物标志并进行科学实验是该方法的关键。 JOHNSTONE 等[25]开发了以藻类胁迫反应指示城市池塘生境质量的方法。 比利时的一项研究证实椴树叶片的润湿性、 气孔密度、 气孔面积等特征存在较高的空间分异规律[26-28]， 因此被认为是潜在的生境质量评估指标。

实地调查与多指标综合评价法则基于物种丰富度、 多样性等调研数据来表征研究区域的生境质量。 MCKENZIE 等[29]利用10 年来在多伦多地区监测的50 种指标物种的分布和数量变化制定指标物种得分 (the Indicator Species Score， ISS)，并结合相应生境的自然覆盖面积、 道路密度等数据评估城市生境质量。 MURATET 等[30]选取物种丰富度、 单一性、 典型性和珍稀性4 种指标的加权分值表示物种兴趣指数 (Index of floristic interest， IFI)， 并使用IFI 指代城市生境质量。

InVEST 模型是目前使用最普遍的城市生境质量模拟软件， 它的Habitat Quality 模块能够基于土地利用覆被数据量化城市生境质量。 由于具备评价精度高、 空间分析性强等特点， 模型模拟法常常与城市增长模型相结合揭示城市生境质量与城市扩张趋势之间的内在联系， 为划定城市增长边界、 分配城市建设用地指标等提供建议[31-33]。

2.4 城市生境规划与营造

工业革命后， 面对工业化的蔓延以及基础设施建设对栖息地的割裂， 国外学者逐渐意识到现代城市规划范式对自然资源与环境的忽视， 并开始探索生态化的城市规划理论与方法。 受岛屿生物地理学的影响， 欧洲国家主要通过对核心区、走廊、 踏脚石的保护与发展， 将城市残余生境与自然保育区相连接[34]， 从而构建区域多功能生境网络。 美国的生境网络规划实践侧重于利用绿道网络(Greenway Network) 将城市与国家公园、 自然遗产地相连接， 在保护生物多样性的同时满足公众对游憩、 环保等的需求[35]。

对于聚焦在场地尺度的城市生境营造， 亦有许多成熟的经验可供借鉴。 对立地条件较好的场地， 乡土植物群落设计与种间关系恢复是生境营造的重点[36-37]。 而如果场地受人工干扰较为剧烈， 则需通过土壤改良、 先锋树种与肥料树种混合种植等手段促进生态系统重构。 除此之外， 基于特定物种的生境营造也是常见策略， 如利用鸟类对城市自然环境变化的高敏感程度， 以鸟类栖息地构建为出发点进行城市生境营造等[38]。

3 研究趋势

通过对1990—2018 年的城市生境研究英文文献的计量分析可知， 近30 年来， 对城市生境的研究具有以下趋势: 1) 研究数量呈指数增长， 表明城市生境受到广泛的关注与重视， 也说明学界对城市生物多样性保护的认识进一步加深； 2)研究热点比较集中， 主要聚焦在城市化压力、 生物多样性保护、 城市生态、 管理等基础层面， 随着全球城市化进程的加深以及对城市可持续发展需求的提升， 城市生境研究的方向并没有进一步的发散与深入； 3) 研究尺度比较多元， 从区域、国家尺度上的生境指令、 规划目标制定， 到区域、城市尺度的生境网络构建， 再至场地尺度的生境调查与营造， 城市生境研究的尺度呈现由大至小、层层深入的态势。

4 研究展望

4.1 强化政策法规对城市生境规划与营造的支撑作用

我国城市生境的各项生态指标与生物多样性保护要求分布于各类城市绿地系统规划、 园林绿化等政策文件中， 缺乏统一生境规划要求， 各地在开展城市生物多样性保护工作中时常面对职责不清， 成效不明等问题。 在以多规融合为基础进行国土空间规划的背景下， 应充分考虑城市生物多样性保护的紧迫性， 尽快制定具有战略意义的生物多样性保护大纲， 指导地方在不同层级上颁布城市生境设计导则或指南， 为城市生物多样性保护提供可靠保障。

4.2 探索不同城市发展模式对生境影响的机制

不同的城市扩张强度、 形态与结构对生境质量的影响各有不同， 与传统的城市扩张相比， 当今多以紧凑、 集约作为城市可持续发展的主要策略， 但其对城市生物多样性的影响还有待证明。应探索不同城市发展模式对生境影响的机制， 为新型城镇化背景下促进城市用地发展与生物多样性保护相协调提供理论支持。

4.3 构建与自然保护地体系相联系的城市生境网络

对城市生物多样性而言， 如果只着眼于城市范围内的生境保护， 最终只是孤岛式的救援。 主要分布于城市建成区外的各类自然保护地作为生物多样性保护最主要的载体， 是国土空间中生境结构最复杂、 生境服务价值最高的核心保育区，应充分利用当前建设以国家公园为主体的自然保护地体系这一契机， 在规划层面加强城市生境网络与自然保护地的联系， 以支持城市残存生境与核心保育区之间的物种、 基因、 能量交流， 降低城市发展对生境破碎化的负面影响。