河势特征分界下的黄河滩区周边城镇生境质量与景观格局演变

冯君明,冯一凡,李 翅,*,吕 硕,马俊杰

1 北京林业大学园林学院, 北京 100083 2 哈尔滨工业大学建筑学院,哈尔滨 150006

随着人类活动的加剧以及土地覆被的变化,流域景观格局发生快速改变,并威胁当地生境质量[1]。生境质量是生物多样性维持能力的重要表征,体现了区域生态环境为生物提供生存条件的能力[2]。加强生境质量评估可以在一定程度上掌握流域生态系统的优劣情况,为区域可持续发展提供支撑。

长久以来,国内外学者积极探索自然环境[3]、社会经济[4]、城市建设[5]等因素对生境质量的影响。其中,自然因素对城市空间发展的约束力较强[3],使不同自然特征梯度之间的生境质量存在较大差异。然而已有成果主要聚焦自然梯度等级与生境质量的关系,对不同梯度分界下生境质量与景观格局的相关性研究较少。此外,目前常用的自然因子梯度划分方式主要包括地形梯度和圈层梯度两类[6],前者适合于地形起伏较大的丘陵山区,对平原生境质量解释力较弱,后者聚焦个体城市或有中心聚集效应的城市组团,难以作为流域城市/镇带梯度的划分途径。随着河流生态系统理论体系的逐步完善,越来越多的学者认识到河势对流域研究的重要性[7]。河势指河道水流的平面形式及变化趋势,受地质与气候特征、来水来沙条件等自然因素和河床边界等人为因素影响[8]。在河势传递效应影响下,上下游、左右岸、河段与流域之间存在互动关联[7]。在河势特征与生物多样性的关系中,已有研究表明河床形态[9]、河岸类型[10]等均对河流生物多样性产生影响。在河流生态系统与流域生态系统关系上,流域生态学[11]、生态水文学[12]等理念都将二者视为具有互动作用的整体。作为由水统一起来的水文单元[13],流域河流是支撑其生物多样性的重要自然因素,河流的河势特征也在一定程度上影响着两岸流域地带的生境状况。立足河势梯度视角梳理生境质量与景观格局耦合关系有助于进一步探索流域生境质量的驱动机制及内在差异。

基于上述研究,本文将河势特征作为流域生境质量与景观格局互动关系研究的空间梯度划分依据,并选择黄河滩区周边城镇作为实证区域。黄河滩区指黄河下游宽河道段主河槽至两侧河堤之间的地带[14],是全球候鸟迁徙通道的中心区域和生物多样性分布的重要地段[15],但生态流量偏低、河口湿地萎缩等现状也导致黄河滩区生态基址十分脆弱。2019年9月,黄河流域生态保护和高质量发展战略的提出[16],对黄河滩区周边城镇生态环境与城乡空间治理提出了新要求。然而在较长时间内,聚焦黄河滩区城镇开展的生境质量相关研究较少,已有成果主要围绕黄河流域[17]、省域[18]或城市[19]尺度展开,并且在景观格局与生境质量关联上,不同河段或城市/镇也有不同的结论得出[19—20]。本文对2000—2020年黄河滩区周边城镇生境质量与景观格局演变进行分析,重点探讨不同河势特征分界下景观格局与生境质量的相关性。研究过程可以为流域生物多样性研究提供新思路,研究结论也能为黄河下游地区土地资源的可持续利用与韧性发展提供科学依据。

1 研究区概况

黄河滩区位于河南省北部和山东省西北部,河道长786 km[8],沿河地貌包括黄淮海平原、鲁中丘陵与河口三角洲三种类型,整体地势较为平坦,大部分属温带大陆性季风性气候,年平均气温12—15℃,年平均降雨量630—700 mm[21]。本文选择河南省和山东省15个地级市内共62个黄河滩区沿河城区、县与县级市作为研究区,具体包括10个中心城市城区、14个一级城镇空间和38个二级城镇空间,总面积约52052 km2,筛选过程与分类依据详见课题组研究成果[22]。根据河道特性、河床边界条件与小流域特点[23],将研究区划分为4条总段、7条分段以及14个子研究区,各区构成及河势、流域信息如图1、表1所示。

表1 研究区信息表

图1 研究区概况Fig.1 Overview of the research areaTU-1: 白鹤镇-京广铁路大桥段左岸; TU-2: 白鹤镇-京广铁路大桥段右岸; TU-3: 京广铁路大桥-东坝头段左岸; TU-4: 京广铁路大桥-东坝头段右岸; TU-5: 东坝头-高村段左岸; TU-6: 东坝头-高村段右岸; TR-1: 高村-陶城铺段左岸; TR-2: 高村-陶城铺段右岸; ME-1: 陶城铺-玉符河黄河交叉口段左岸; ME-2: 陶城铺-玉符河黄河交叉口段右岸; ME-3: 玉符河黄河交叉口-德大铁路大桥段左岸; ME-4: 玉符河黄河交叉口-德大铁路大桥段右岸; DE-1: 德大铁路大桥-黄河口段左岸; DE-2: 德大铁路大桥-黄河口段右岸

2 研究数据和方法

2.1 数据来源

以中国科学院资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn/)提供的河南省和山东省2000、2005、2010、2015、2020年30 m精度土地覆盖数据为主要信息源(图2)。在研究过程中,生境质量评价采用国土资源部发布的《土地利用现状分类》(GB/T 21010-2017)二级分类系统开展相关分析,景观格局指数分析则将研究区域土地覆被类型按一级分类系统重分类为耕地、林地、草地、水域、已建成区和未利用地进行分析。此外,为便于数据统计与表达,本文以6 km×6 km为格网单元对研究区进行划分,共获得1673个格网,以此为基础开展相关分析过程。

图2 2000—2020年黄河滩区周边城镇土地覆盖图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模型生境质量评估

InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)模型是由美国斯坦福大学自然资本项目平台开发,用于评估生态系统服务功能量、支持生态系统管理决策的模型系统,在国内外使用频繁,方法也相对成熟[3]。InVEST模型中的生境质量模块主要根据土地利用/覆盖类型的敏感度,威胁因子的位置、威胁距离等计算生境质量,分析原理及公式如文献[24]所示。为使模型参数符合黄河滩区实际情况,本文依据黄河下游地区相关文献[17, 19, 25]、现状调查、专家意见与InVEST模型用户手册等,选择威胁源因子并设定其影响距离、权重、敏感度等信息如表2—3所示。在分析过程中,将生境质量按指数平均值大小划分为4个等级(0.00—0.25、0.25—0.50、0.50—0.75、0.75—1.00)进行表达,分别对应低等、中低等、中高等和高等生境质量区。

表2 威胁因子参数信息

表3 各类型景观对威胁因子的敏感度

2.2.2生境质量空间分布特征

使用全局莫兰指数(Moran′sI)描述研究区生境质量是否有集聚效应,该指数可以探究相邻网格属性值在全局空间上的关联度,其原理及公式详见文献[26]。全局莫兰指数值域为[-1,1],若大于0为正相关,反之则为负相关,其绝对值趋近于1表示集聚性较强,等于0则代表随机分布。

2.2.3景观格局指数

参考已有研究成果[27],选择3类共9项景观格局指数,包括:(1)空间破碎度:斑块个数(NP)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI);(2)空间连接度:连通度(COHESION)、散步与并列指数(IJI)、聚合度(AI);(3)空间复杂度:边缘密度(ED)、边缘长度(TE)、景观形状(LSI)。各指标公式详见参考文献[28],计算过程通过FRAGSTATS 4.2软件进行,并以2 km为粒度单元进行移动窗口法(Moving Window)分析。此外,为更加显著地表达研究区景观格局指数的时空分异,研究过程将对景观格局指数分析结果进行线性归一化处理并按类型等权叠加[29],以此为基础开展相关分析过程。

2.2.4生境质量与景观格局指数的相关性分析

选择皮尔森相关系数(Pearson correlation coefficient)计算研究区生境质量与景观格局指数之间相关性。皮尔森相关系数是一种线性相关系数,用来反映两个变量相关程度,绝对值越大代表相关性越强,在本文用于计算研究区生境质量与景观格局指数的基础回归关系,相关原理及公式如文献[30]所示。

3 研究结果

3.1 黄河滩区周边城镇土地覆被总体演变

本文基于土地生态功能和空间结构讨论生境质量与景观格局的关系,这就需要对研究区土地构成与演进形成总体认知。如图3—4所示,研究区主要土地覆盖类型为耕地,面积占比均达到66%以上,其次为建设用地,面积占比也均高于15%。研究期间,黄河滩区城镇建设用地、水域面积持续增加,其他地类与之相反,其中耕地在对外转化方面占比最高,2005—2010年达到研究区总面积的5.64%,建设用地、耕地是各时段土地转换比例较高地类,水域虽然在整体土地转化程度上弱于前两者,但强于林地、草地等重要生态要素,并占有更大比重,进一步突显水文要素在黄河滩区生态环境演变中所扮演的角色。

图3 2000—2020年黄河滩区周边城镇土地覆盖面积统计 Fig.3 Statistics of land cover area in the towns along the Yellow River Floodplain from 2000 to 2020

图4 2000—2020年黄河滩区周边城镇土地覆盖转换统计Fig.4 Statistics of land cover conversion in the towns along the Yellow River Floodplain from 2000 to 2020

3.2 黄河滩区周边城镇生境质量时空演变特征

3.2.1黄河滩区周边城镇生境质量空间分布特征

2000—2020年间,研究区生境质量指数级别以中低等为主(图5—6),与已有成果基本一致[17,25]。少数高等质量区于黄河入海口、东平湖、济南南部或郑州西部山地等呈斑块状分布,中高等和中低等质量区广泛分布于黄河两侧平原,低等生境质量区则以点状或小型斑块的形式分布在各级城镇建成区域。从空间集聚性看,研究区生境质量指数集聚效应显著(全局莫兰指数P=0,Z>0)。在河段对比上(图6),各河段生境质量平均值由高到低依次为河口段>弯曲段>游荡段>过渡段,除河口、弯曲段内分布有一定比例的高等级生境质量区外,游荡、过渡段内中高、高等级生境质量区比例均不足1%。

图5 2000—2020年黄河滩区周边城镇生境质量指数等级分布Fig.5 Distribution of the grade of habitat quality index in the towns along the Yellow River Floodplain from 2000 to 2020

图6 2000—2020年黄河滩区周边城镇生境质量平均值及各等级生境面积比例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

图7 2000—2020年黄河滩区各河段城镇生境质量平均值演变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黄河滩区周边城镇生境质量时序演变特征

从时间演变来看,研究区生境质量整体处于逐年下降状态(图6),20年内由0.4850降到了0.4658, 2000—2010年间下降最为严重。在空间集聚特征上,研究期内生境质量全局莫兰指数于0.6154至0.6321之间小规模变动,表明各级生境质量区集聚性相对稳定。在河段对比上(图6—7),除河口段外各河段生境质量平均值处逐年下降状态,游荡、弯曲段在2005—2010年下降速率较高,主要原因在于该时段黄河滩区城镇化速度较快[22],大量林地、耕地等土地转为建设用地,加剧了威胁源对区域生境斑块的限制作用。比较特别的是,同处黄河入海口的垦利区(DE-2)和河口区(DE-1)呈相反趋势,并且上升/下降幅度均极高,主要原因在于2010年前后DE-1区黄河三角洲洲体蚀退幅度较大[31],逐年扩增的水体为河岸地带提供了良好的生境条件,这方面与DE-2区相反,导致后者近20年生境质量平均值每5年下降2.0%。

3.3 黄河滩区周边城镇景观格局演变特征

3.3.1黄河滩区周边城镇景观格局指数空间分布特征

在景观格局指数上,各子研究区与所属河段也表现出一定的空间分异(图8)。2000—2020年,研究区景观破碎度与复杂度分布规律大体相近,连接度与之相反。在变化幅度上,三类景观格局指数波动情况由大到小依次为复杂度>连接度>破碎度,可以解释为黄河滩区周边区域城镇化与区域一体化发展程度均较强,广袤的农业景观基底与相近的城镇发展布局减小了土地空间在斑块破碎化方面的差距。与之不同的是,各河段景观连接度与复杂度差异明显,其中连接度指数河口段>游荡段>过渡段>弯曲段,复杂度则与之相反,主要原因在于河口段滨海滩涂以及游荡段“二级悬河”特性极大降低了黄河两岸城镇空间发展的自由程度,使建设用地的扩张以 “填充式”或“蔓延式”为主[32],同时相比其他河段表现出与黄河不同的关系模式,例如郑州市中心城区以平行或远离黄河为发展主向[32],济南市则于2016年提出“携河发展”目标,可见河势特征对黄河沿岸城镇空间的发展可以起到制约、开放或联动的复杂影响。

3.3.2黄河滩区周边城镇景观格局指数时序演变特征

在时间尺度上,2000—2020年黄河滩区周边城镇景观破碎度呈微弱下降趋势(图8),下降幅度由大到小依次为游荡段>河口段>过渡段>弯曲段,可以解释为快速城镇化发展与建成区的扩张使城乡结合地带的过渡性斑块得以整合,但河势特征对游荡段和河口段城镇空间发展限制更加明显。连接度方面,游荡段连接性指数逐年增加,以郑州市、开封市中心城区所在的TU-4区段最为显著,这与济南市中心城区所在的ME-4区段(弯曲段)相反,进一步印证了游荡段河势对黄河沿岸城镇发展的限制作用;过渡段与弯曲段连接性指数较为稳定;而河口段则有较大程度提升,主要归因于大面积水库坑塘、滩地被建设用地侵占,同时在海岸蚀退作用下,河岸散布的草地斑块在研究时段内平均每年减少4.85%。复杂度与连接度指数规律相反,但变化幅度较弱。

3.4 黄河滩区周边城镇生境质量与景观格局的相关性

图9展示了研究期内黄河滩区周边城镇生境质量与景观格局的Pearson相关性分析结果。整体尺度上,以2020年为例,大部分地类景观格局指数(86.7%)与生境质量显著相关(P<0.01)。林地、草地破碎度与复杂度指数与生境质量呈显著正向关系;水域在连接性方面也对生境质量具有一定影响力;建设用地连接性指数与生境质量表现出极强的负相关性;耕地的破碎化与连接性下降表明生境质量将会有所提升。在演变过程中,46.7%的景观格局指数Pearson相关系数值呈持续降低状态,40.0%为先减后增,可以解释为2000—2010年研究区土地动态度相对较高[22],降低了土地空间格局的内在差异性,导致相关景观格局指数与生境质量的关联逐渐减弱。

图9 黄河滩区周边城镇景观格局指数与生境质量Pearson相关性结果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,以最临近状态的2020年为例进行分析(图9)。与整体尺度相比,各河段之间生境质量与景观格局相关性存在较大差异。游荡性河段具有“宽、浅、散、乱”的水文特点[8],水域难以成为支撑区域生境质量的关键因素,使其相比其他河段更加依赖林草生境斑块的优化;过渡段兼具游荡段与弯曲段的河势特征,滩区两岸蓄水能力强[23],这为该地区草地生态系统发育提供了支撑,草地破碎度、连接度、复杂度指数与生境质量的关系最为协同;弯曲段河势稳定,堤距小且对水流的约束作用强,使该河段城镇空间发展与黄河关系最为紧密,但也加剧了建设用地与水域对于生境质量的矛盾关系,甚至后者在破碎度、复杂度指数方面的作用因此受到削弱;土地覆被对河口段生境质量的影响主要体现在耕地、水域与建设用地方面,首先,高破碎度、高复杂度的水域斑块多分布在生境质量较低的城镇地带,因此与生境质量呈负相关关系;其次,由于耕地的生境适宜度小于水域覆被类型,因此高连接性农田区域生境质量虽然优于城镇建成区,但仍小于水域斑块的影响,建设用地格局指数与此同理。

4 讨论与结论

4.1 讨论

(1)黄河下游生态系统是以黄河干流为主体,由山、河、林、田、湖、草、滩等构成的复合生态系统。在《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》启示下,以城镇为基本单元,从流域城镇带入手讨论区域景观格局和生境质量的关系可以更加全面地解释二者之间的关联与空间分异,也是对河流/流域生态学、流域水文学等理论[33]的实践运用与扩展。

“游荡段、过渡段、弯曲段、河口段”是对黄河下游河势特点的定性描述[23],体现了黄河下游河流生态系统在纵向维度上的变化情况[34]。在流域尺度上,国内外学者通常关注水利枢纽等设施对流域景观格局[35]或生物多样性[34]的影响,对河势内在差异所带来的纵向变化关注不足,分析其中的原因,可能由于河势特点受多重因素影响使其难以有效量化,但不可否认的是,在人类干扰水文过程的能力日趋加强背景下,河势特征的不同必然会扩大河流/流域生态系统在格局与功能上的差异,这仍然是河流生态系统序列不连续性(Serial Discontinuity)理念的体现[34]。通过对黄河滩区周边城镇生境质量与景观格局的时空演变研究,可以发现河势特征对区域城镇空间发展和生境质量演变均产生差异化影响,主要表现在:①河势特征直接影响黄河滩区两侧城镇的土地转化与空间格局演变,例如游荡段“二级悬河”与河口段三角洲极大限制了黄河滩区两侧城镇建设用地扩张的自由程度,使其景观连接度指数高于弯曲段和过渡段,土地斑块的破碎化过程也有所减弱;②不同河段内土地景观格局与生境质量相关性存在显著甚至相反的差异,例如河口段水域斑块的破碎化和复杂程度提升与生境质量呈负向关系,在其他河段均正向相关;③面对不同的河势环境条件,地方政府采取了多种针对性措施,包括黄河滩区生态廊道建设、黄河口生态旅游区等,对区域生境质量提升产生一定支持,但在城镇化过程中,城-水矛盾始终是生物多样性维持的关键,作为郑-新一体化发展的重要节点,新乡市平原示范区与黄河距离为10 km左右,而济南市落实“跨河发展”战略的新旧动能转换先行区中心城区与黄河距离不足3 km,东营市也在加快沿海开发建设过程,上述内容既是人类根据河势特点选择的发展模式,也是需要借助多种手段缓和城-水矛盾的空间载体。总体而言,河势特征是黄河滩区景观格局与生境质量的全局性支撑或限制因素,相比水利枢纽直接影响河流的水文过程,河势特征的影响更多映射在周边区域范围内,并对生境质量产生差异性影响,这也是相同地类在不同河段与生境质量关系存在显著差异[19,36]的重要原因之一。

(2)本文仍存一定局限,在研究方法上,虽然InVEST模型应用较为成熟,在参数设定上也依据了模型指导手册和相关研究成果,但由于黄河滩区较大的区域跨度与复杂的水文环境,如何统筹不同河段城镇特点,实现更加合理的评估参数设定有待进一步推敲。在研究对象上,由于复杂的水文条件,黄河下游地区拥有天然的河势分异现象,因此土地景观格局与生境质量以及二者相关性的差异在不同河段内能够有所表达,而该方法对其他河流的适用性还需进一步探讨。

4.2 结论

本文采用2000—2020年土地覆被数据,基于InVEST 模型测度黄河滩区周边城镇生境质量的空间分布,使用FRAGSTATS软件进行景观空间破碎度、连接度与复杂度指数分析,最后通过SPSS平台计算不同尺度条件下生境质量与景观格局的Pearson相关性。主要结论如下:

(1)生境质量方面, 2000—2020年间,黄河滩区周边城镇生境质量级别以中低等为主,各级生境质量区以集聚性方式稳定分布。在不同河段对比中,各河段生境质量平均值由高到低依次为河口段、弯曲段、游荡段、过渡段。随着时间推移,除河口段外,各河段生境质量平均值处逐年下降状态。

(2)景观格局方面,各河段之间景观格局指数存在一定空间差异,其中破碎度差异最小,复杂度差异大于连接度,但二者表现形式相反。在景观格局指数演变过程中,游荡段、河口段受河势特征影响更加突显,黄河滩区两侧或滨海区域脆弱的生态基址使其难以承载过于复杂的城镇建设功能,而弯曲段城镇空间的发展较少受到水文条件的限制。

(3)生境质量与景观格局的相关性方面,多数土地覆被类型的景观格局指数与生境质量显著相关,但关联程度随城镇化发展有所减弱,这与常玉旸等研究结论一致[37]。林地、草地是游荡段生境质量的关键因素;弯曲段、河口段在其基础上更需关注城-水之间的矛盾关系,过渡段区域内草地对生境质量提供了稳定的支撑作用,但其相对单一的生态系统构成难以在更广程度上为流域生物多样性提供支持。

21世纪初期,黄河滩区城镇发展极大改变了原有土地空间格局,虽然近年土地转换程度有所下降[22],但庞大的耕地与建设用地规模依然限制着生境质量的改善进程。随着小浪底水库的建成使用,各河段水文条件逐渐趋于稳定。在以生境质量提升为主要目的的黄河滩区周边城镇空间优化上,需聚焦河段主要矛盾采用适用的规划策略,首先,调水调沙工程使黄河三角洲洲体重新增长[31],但在本研究中,水域面积的减少不利于河口段生境质量的提升,因此需借助优化岸线结构等方式缓解水生态系统的退化问题;其次,游荡段黄河两岸的生态基址与环境条件将有所提升,但在广阔的游荡性滩区范围内,水域空间格局难以在短时间发生根本性转变,仍需结合生态保育、平原造林、改良农业生产、优化绿色空间布局等方式为区域生物多样性提供支撑;此外,构建多层次林草植物群落,提升高适宜性生境质量斑块的结构多样性是过渡段生物多样性维持的重要抓手,弯曲段则需聚焦城镇建成地带,依托城市河流、道路等要素完善生物迁徙廊道网络,并强化城镇与黄河之间生态缓冲带的近自然性与低干扰程度。