河流濕地緩沖帶邊界不確定性探析

李少華

(北京市北運河管理處， 北京101100)

河流濕地是水陸生態系統交匯作用形成的過渡地帶與交錯區域，具有典型的生態脆弱性和反應敏感性特征[1]。同時，作為重要的濕地景觀類型之一，河流濕地可以起到調節氣候、涵養水源、蓄洪防旱、持水保土、凈化水體、生境提升和生物資源保護等多項功能效應，其外觀形態上主要由一定寬度的河水、河岸土壤(沉積物)和植物群落構成，可在流域物質循環中起到媒介作用和增強沿河生態斑塊的景觀異質性[2]。

基于生態系統生態學的理論，河流濕地需要包含適當寬度的緩沖帶，才能保證其功能有效性的發揮，進而為各類生物提供適生環境和立地條件。近年來，隨著沿河周邊的常住人口急劇增加和建設工程規模不斷擴大，人類不合理的干擾強度也隨之增加，河流逐漸演變為城市化進程中的附屬設施，渠化河道成了城市規劃中的標配。經過最大限度的縮減緩沖帶寬度，造成河流濕地結構單一、功能喪失和生態退化，嚴重威脅著流域生態安全與區域經濟可持續發展[3]。目前，中國還沒有科學劃定河流濕地緩沖帶邊界的統一方法，導致緩沖帶的寬度無法得到基本保障，進而不能充分發揮其全部功能屬性。因此，為了更好地恢復和保護河流濕地，有效支撐河道管護范圍劃定和落實空間監管邊界等重要工作，打好河湖清理整治攻堅戰，必須首先摸清河流濕地緩沖帶的邊界范圍。

作為保護河流水質、提供動植物棲息地和滿足人類福祉需求的重要景觀區域，國際上對河流濕地緩沖帶的研究始于20世紀70年代，主要集中在緩沖帶物種組成、植物群落結構、生態廊道動態變化、緩沖帶生態保護、退化緩沖帶的生態恢復和管理等方面[4]。如張建春和彭補拙[5]通過以生態恢復6 a的退化河岸帶灘地為研究對象，發現恢復后的河岸帶中生物多樣性和群落穩定性均顯著增加，土壤質量得到改良。Thibault等[6]經過長期監測河岸帶的地下水位，分析了退化緩沖帶的生態恢復可能性，建議在管理上有效運用法律和經濟手段。王超等[7]在梳理緩沖帶對河流生態系統影響機制的基礎上，對水文、水質、植物群落等要素進行耦合分析，模擬預測了緩沖帶對河流水環境及生物多樣性的影響效應。以上研究結果可以看出，目前缺乏流域尺度系統性的定量分析，并且國內的理論和實踐還比較薄弱，無法滿足河流岸線的規劃設計、管理調控和劃界確權的需求。鑒于此，本文在闡述河流濕地緩沖帶內涵和邊界確定方法的基礎上，初步分析了河流濕地緩沖帶邊界不確定性的因素，討論了河流濕地生態恢復的關鍵問題與重建策略，以期能促進完善緩沖帶的理論研究體系，為實施河流濕地的生態管理措施提供技術支撐。

1 河流濕地緩沖帶的內涵概述

1.1 河流濕地緩沖帶的基本定義

河流濕地緩沖帶是指河岸兩邊向高臺地爬升過程中位于水陸過渡范圍內同河水發生作用的植被覆蓋區，其將會伴隨著河道形態的波蕩而不斷發生變化，進而導致緩沖帶的邊界具有不確定性[5]。河流濕地緩沖帶有2條邊界，即河水與緩沖帶的內邊界和緩沖帶與高臺地的外邊界，當無特別說明時，緩沖帶邊界專指后者，本文研究的對象也為外邊界。由于處于特殊的位置，河流濕地緩沖帶具有獨特的空間結構、生態功能和資源價值，其范圍的定義主要有以下3種：一是指以河水與陸地交界處的兩條邊線為起點，直至河水影響消失為止的地帶；二是指靠近河邊，植物群落多樣性、植被組成及土壤含水量等生態指標明顯不同于高地區域的地帶；三是指位于水陸交界線兩側，能夠影響河流水文規律、水質、小氣候等環境因素的地帶[4]。綜上可知，河流濕地緩沖帶的定義還未統一，但都強調了生態水文功能、線狀邊界和邊緣效應等特點，其既是獨立地貌單元，又是完整的生態系統。

1.2 河流濕地緩沖帶的結構特征

河流濕地緩沖帶是具有典型四維結構邊緣的地貌單元，位于河流左右岸，呈現狹長條帶狀梯度分布的特征，見圖1。在縱向上，自上游至下游由多個功能區蜿蜒交錯分布；在橫向上，自河床至洪泛灘地由水陸生態系統鑲嵌組合；在垂向上，由地表水、土壤水和地下水不斷交換處于動態平衡；在時間上，河流岸線形態波蕩與緩沖帶植物群落演替同步進行。緩沖帶植被結構包括植物種類、空間分布和相應寬度，主要受到氣候因子、立地條件、水文地質和人類活動等方面的影響，具有景觀復雜性和動態演變性的特點，外來物種入侵、土壤水分及洪水漫溢等因素均是緩沖帶植被結構演替的重要驅動力[3]。緩沖帶與周邊相鄰區域相比，其在生態環境、水文循環和植物群落等多方面具有明顯的變化梯度，并且極易受到外界因素的擾動，導致其范圍邊界不穩定，頻繁發生變化。

1.3 河流濕地緩沖帶的功能屬性

河流濕地緩沖帶的功能屬性主要包括生態屏障功能、生物廊道功能和社會服務價值功能，具體表現在保護河岸、改善小氣候、水文調節、凈化水質、化學元素調控、維持生物多樣性和景觀美學等方面[8]。其中，保護河岸主要通過降低土壤侵蝕模數和增加邊坡抗拉強度來實現，改善小氣候主要通過降溫增濕、凈氣除塵等效應以提高空氣質量和改善氣象要素，水文調節主要通過緩沖帶的植被冠層、枯枝落葉及根系改變降雨再分配和水分入滲等產匯流過程來實現，凈化水質主要是指地表水資源經過緩沖帶過濾、吸附、沉積、分解等物理、化學和生物作用使其污染指數顯著降低，化學元素調控是指緩沖帶既為河流生態系統提供豐富的物質和元素，又能夠避免過量的營養鹽和有機物輸入。維持生物多樣性主要是緩沖帶可以形成多種生物的適宜生境，進而為生物提供良好的棲息地。景觀美學主要通過優化流域的視覺效果，挖掘生態元素、實用美學和人文價值，創造愜意的游憩條件和休閑場所[6]。

2 河流濕地緩沖帶邊界不確定性的影響因素分析

2.1 河流本質屬性

對于河流濕地生態系統，緩沖帶邊界距河道中心線越遠，越能更好地發揮其各項功能。任何一條河流的緩沖帶都具有相對獨特性，從理論角度分析，其邊界應當是河流本質屬性的復合函數，具體指標主要包括河流類型、河岸形態、河岸侵蝕、水文特征、水面寬度、水位、水溫和河水側向影響距離[7]。河流本質屬性的構成要素中，水體流量和流速代表了河流的強度屬性，洪水和洪峰體現了河流的能量屬性，并且洪水重現期和等級對河流濕地的邊界影響較大，徑流和河床構成了河流的基本形態，水沙條件和調蓄排澇控制了河流的游蕩范圍。另外，河流的完整性、功能性和敏感性也是劃定緩沖帶邊界所需考慮的因素。

2.2 緩沖帶生態指標

緩沖帶生態指標由植被結構指標和土壤理化指標兩大類別構成，其中，植被結構指標主要包括物種多樣性指數、配置模式、植物多度和優勢種高度，側重于在較長的時間尺度研究動態變化規律。緩沖帶植被可以劃分為同一物種類型和多物種類型，前者多為人工林緩沖帶，主要采用胸徑、高度、冠幅和郁閉度等指標進行評價；根據緩沖帶下墊面的特點，后者多為喬木、灌木、藤本和草本相伴生的植被緩沖帶，垂向結構比較復雜，多采用覆蓋度、優勢度、豐富度、均勻度和多樣性等指標進行評價。不同土壤類型緩沖帶其邊界要求也不相同，黏性土壤滲透性較差，易產生地表徑流，同時其匯流時間短，進而導致邊界離河較遠，才能滿足緩沖帶的基本功能要求，沙質土正好與之相反；土壤理化指標主要由土壤質地、土壤含水量、田間持水量、滲透系數、有機質、總氮和土壤微生物區系組成[9]。

2.3 外界因子干擾

外界因子干擾由自然干擾和人為干擾2種類型組成，其中，外界干擾將會使原有河流濕地生態系統失衡，造成內部結構和功能屬性發生變化，從而導致緩沖帶的邊界產生相應波動。自然干擾情形主要是由于全球氣候變化、自然災害和降水量年際波動，導致河流生態系統的水源補給量發生變化，屬于造成河流濕地緩沖帶邊界變化的內營力[10]。人為干擾情形主要分為墾殖河流濕地緩沖帶、沿河城市化擴張和非生態水利工程建設，具體包括河道渠化、引水筑渠、相鄰土地資源開發利用、土地墾殖、娛樂設施侵占以及修建大壩、涉河道路和提防等。過度不可逆的擾動給河流濕地緩沖帶造成極大破壞，比如天然河道被填埋或渠化、水系廊道的流動和傳輸功能喪失、高價值的線性元素逐漸消失、河流水環境持續惡化、生物的天然棲息地萎縮和歷史文化遺產失去場地印記[11]。因此，目前河流整治工作的核心是將河道重新自然化，通過生態措施修復到人工擾動前的水平。

3 河流濕地緩沖帶邊界確定的常用方法

3.1 數學建模法

精準確定河流濕地緩沖帶邊界是河道科學管理和工程合法建設的基礎性工作，目前基于數學建模手段，主要有單因子回歸模型、多因子回歸模型等方法[12]，具體方法的優缺點見表1。其中，單因子回歸模型法是指建立單一因子(水文、地貌等)與不同寬度緩沖帶功能發揮效果之間的關系模型，也被稱為簡單數學模型法，主要包括針對去除懸浮污染物的Phillips水文模型及時間模型、依據水文與地貌特征的Mander模型和基于曼寧粗糙系數的Nieswand模型。在定性劃定河流濕地緩沖帶效應的研究中，簡單數學模型法得到了廣泛的運用，如Cao等[13]根據Phillips模型計算出進入巢湖的面源污染物和離子狀污染物去除率的變化曲線，構建了巢湖流域河岸緩沖帶的最佳寬度。Riley等[14]在英國和愛爾蘭中小河流近自然修復研究中應用Mander模型，得出河岸緩沖帶所必需的最小生態寬度。Hain等[15]在美國北卡羅來納州的生態流域運用Nieswand模型，分析魚群最易攻擊區域水環境達標情況的變化過程，基于此，劃定滿足需求的河岸緩沖帶寬度。

表1 常用河流濕地緩沖帶邊界確定方法的優缺點

多因子回歸模型法是指綜合考慮坡度、水流、降雨強度、入滲率、植被、緩沖帶外土地利用、污染源等多因子共同作用下，滿足緩沖帶功能要求的計算模型，也被稱為復雜數學模型法和經典數學模型法[16]，主要包括河岸緩沖帶生態系統管理模型(REMM，Riparian Ecosystem Management Model)、農田管理系統的化合物、徑流與侵蝕模型(CREAMS，The Chemicals，Runoff，and Erosion from Agricultural Management Systems)和河岸緩沖帶植被過濾泥沙效果模型(VFSMOD，The Vegetative Filter Strip Model)。在定量表征河流濕地緩沖帶效應的研究中，復雜數學模型法得到了全面的二次開發和應用，如Feld等[17]應用 REMM模型模擬了不同植被結構、植株密度和寬度下的緩沖帶污染物凈化率，確定了能夠增強生態服務功能和減小集水區壓力源的河岸緩沖帶邊界。Nava-Lopez等[18]通過運用CREAMS 模型的徑流模塊，探究河岸緩沖帶寬度與河流水質的關系，推進了對人類活動和自然過程對水環境影響的認識。Monteiro等[19]通過基于VFSMOD模型開發出緩沖帶的設計程序，模擬出河岸植被不同恢復寬度的具體情形，研究受人類影響的流域產水量和泥沙輸移的變化規律，最終確定河流濕地緩沖帶邊界。

3.2 地理科學法

地理科學法主要通過坡面地形地貌特征因子提取、地統計分析等方法，模擬地表徑流的產匯流過程，有效運用GPS、GIS和RS等地理信息技術手段，結合數字高程模型數據(DEM)，提取溝道、水系的地理位置信息，分析高差、坡度、坡向、海拔、粗糙度等地形因子對水文循環過程的影響，從而實現多因子條件下對河流濕地緩沖帶邊界范圍的劃定[20]。常用的方法主要有：下墊面均一穩定區域的沿淹沒線等距確定法、地形起伏坡度較緩區域的沿等高線蜿蜒確定法、流域尺度地形起伏較大區域的沿河岸線變寬確定法、基于生態水文模型的多學科綜合技術確定法和針對不同功能目標篩選主要影響因素確定法。例如，Scott等[21]應用GIS技術建立了包含流域內水文、地形、土壤質地、土地利用等基礎信息的資料數據庫，并通過GIS的轉化功能和計算功能將矢量數據轉化成柵格數據，然后把所需數據疊加至同一圖層，最終模擬出河流濕地恢復過程中的動態緩沖帶。

3.3 經驗定值法

河流濕地緩沖帶功能的發揮與其適宜寬度存在非常密切的關系，在進行邊界劃定的實際工作中，采用的經驗定值法類別主要有：植被物種組成陡降的植物樣方法，同一土層含水率發生突變的土壤剖面法，河岸土壤立地條件所能支撐適生喬木的潛在樹高法，50年或100年一遇洪水的淹沒水位線法，涉水條例規章明確規定的固定寬度法[22]，見表2。另外，瑞典規定河岸緩沖帶的寬度為10～30 m，主要依據具體河段的敏感性選定。

表2 不同國家河岸帶寬度經驗推薦值的范圍 單位：m

4 河流濕地緩沖帶生態恢復的關鍵問題

4.1 最優寬度的劃定依據

河流濕地緩沖帶寬度的適宜與否直接影響其功能有效性的發揮，最優寬度是指能夠滿足特定條件和功能需求的緩沖帶寬度。只有綜合生態、環境、經濟和社會等多角度對緩沖帶的寬度進行系統分析，才能夠科學合理的確定其最優寬度，進而使緩沖帶的生態屏障、社會經濟及景觀美學等服務價值和綜合效益達到最佳[23]。同時，劃定河流濕地緩沖帶的最優寬度，將有利于維護河流生態系統的健康穩定，既能保證河岸緩沖帶的防洪安全、資源保護、河道穩定和污染防治等基本功能，又能滿足占地經濟成本要求和沿河實際發展規劃需要。研究表明，穩固坡岸、水文調節、污染物凈化、棲息地保護等功能需要的最優寬度依次增加，劃定的主要依據有：具備自我修復能力和維持自身健康管理的生態穩定性、截污凈化效率和保持水土能力的環境有效性、緩沖帶建設管理和后期運維費用的經濟可行性、游憩景觀環境和防洪調蓄效應的社會價值性、人與自然之間和不同利益者之間的矛盾和諧性[24]。

4.2 生態恢復的核心策略

河流濕地緩沖帶生態恢復的主要內容包括生境破碎化恢復、生物群落多樣性恢復和水生態系統結構恢復，關鍵技術是清除逆境脅迫因子、構建植被垂直結構和恢復河流水系連通，基本特征是具有天然性、安全性、親水性和景觀性，核心任務是提升河流廊道的景觀格局、恢復生物棲息地的結構功能和構建藍綠交織的視覺美，總體目標是恢復到原有的自然狀態或更高的河流健康水平[25]。由于城市化建設及不合理的人類干擾，緩沖帶生態系統的服務功能呈現顯著下降趨勢，但是目前無法對渠化河道進行整體的近自然化修復，致使在特定河段進行有針對性的近自然改造顯得尤為實用[26]。另外，城市渠化河道流經的濕地公園和森林綠地是典型的河流近自然化適宜拓展區，將為河流提供可以恢復自然形態、增加雨洪利用區和重塑生態堤岸的機會場地，切實做到生態效能與社會效益兼顧，還具有一定的美學欣賞價值，并可有效杜絕城市河流變為城市化的附屬物。

5 結語

近年來，隨著對河流濕地緩沖帶的功能認識不斷加深，中國愈發注重緩沖帶的生態景觀建設，以確保河勢穩定、行洪安全和水生態健康。但是由于沿河上下游的各行政區域發展不均衡，全流域尺度與局部發達地區的生態修復之間缺乏統籌規劃和頂層設計，至今還無法實現緩沖帶邊界劃定工作的定量化、精細化、可視化和快速化。因此，今后應當綜合多尺度、多因素和多目標以優化緩沖帶寬度的計算方法，并結合中國不同河流濕地的特點和具體條件，因地制宜采取多方法交叉應用和相互驗證，科學有效地進行緩沖帶邊界的規劃設計和尺度拓展，使劃定緩沖帶邊界的方法具有更高精度和可操作性，以達到維護流域生態安全、協調環境與經濟利益沖突和構建水生態文明建設長效機制的管理目標。