張 贇,張銀龍,2①,吳永波,2,李海東

(1.南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210037;2.南京林業(yè)大學(xué)江蘇省南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210037;3.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042 )

在地質(zhì)年代尺度中，生物群落的分布、演替與環(huán)境變化保持同步[1]。但隨著社會發(fā)展和科技進步，人類活動對環(huán)境的影響愈加明顯，導(dǎo)致生物群落可能偏離自然演替的方向。持續(xù)且高強度的人為干擾會造成棲息地的嚴重退化和破碎化，由此產(chǎn)生的破碎效應(yīng)、面積效應(yīng)和邊緣效應(yīng)，將導(dǎo)致生物群落結(jié)構(gòu)簡單化，使生態(tài)系統(tǒng)偏離自然狀態(tài)，降低群落物種多樣性。生物多樣性既是人類賴以生存的條件，也是社會可持續(xù)發(fā)展的根基。為了保護生物多樣性，基本前提是恢復(fù)和提升生態(tài)系統(tǒng)的自然度(naturalness)[2]。1991年，ANDERSON[3]首先提出了評估和量化自然度的概念框架，用于確定優(yōu)先保護措施和評估替代性管理方案的潛在影響。MACHADO[4]進一步豐富和發(fā)展了此框架，提出了由自然與人為干擾、系統(tǒng)物質(zhì)和能量的輸入與輸出、景觀破碎化以及生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)過程等因素組成的生態(tài)系統(tǒng)自然度評價體系。自然度作為重要的評價準則，已被廣泛應(yīng)用于自然資源保護、土地利用動態(tài)監(jiān)測、景觀生態(tài)恢復(fù)和生態(tài)系統(tǒng)管理方案的制定[5-7]。

我國的快速城市化和工業(yè)化導(dǎo)致城市及其周邊區(qū)域的自然生境被大量開發(fā)利用，本地物種生存環(huán)境受到威脅，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)喪失，人類福祉受到負面影響。在此背景下，城市如何與自然融合已成為重要的科學(xué)議題。生態(tài)可持續(xù)性與生物多樣性保護理念已被納入現(xiàn)代城市空間規(guī)劃管理中，以自然度評價指導(dǎo)城市生物多樣性保護和規(guī)劃管理工作，包括加強保護動植物棲息地、識別城市自然保護地、建設(shè)和保留生物廊道，促進城市生物多樣性保護和可持續(xù)發(fā)展[8-9]。該文在闡述自然度概念的基礎(chǔ)上，歸納自然度評價指標(biāo)和方法，系統(tǒng)梳理基于空間尺度的自然度評價在城市生物多樣性保護領(lǐng)域的應(yīng)用研究進展，為城市生態(tài)系統(tǒng)管理和生物多樣性保護政策的制定及方案實施提供理論依據(jù)和方法手段。

1 自然度的概念

德國學(xué)者HORNSTEIN[9]于1950年首次提出自然度這一術(shù)語，源于德語“naturn?he”，意為生態(tài)系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)與其自然狀態(tài)之間的差異程度，并用于評價歐洲森林的自然度。其后不同學(xué)者因?qū)@種差異特征以及生態(tài)系統(tǒng)的參照系理解不同，對自然度概念有著不同理解。趙常明等[10]表示自然度是生態(tài)系統(tǒng)保持自身原生狀態(tài)的程度，強調(diào)以從未受到干擾破壞的系統(tǒng)為參照系。STIENEN等[11]將自然度定義為一個地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀與原始狀態(tài)的差異，并認為本土物種是衡量這種差異的重要特征。WINTER[2]認為自然度是生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)實狀態(tài)和潛在自然狀態(tài)之間的距離，并強調(diào)植被狀況和物種數(shù)量是關(guān)鍵的度量指標(biāo)?，F(xiàn)實生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)是當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)在人類干擾作用下偏離自然狀態(tài)的結(jié)果，因而可以將生態(tài)干擾度(包括干擾強度、持續(xù)時間和涉及范圍等)作為生態(tài)系統(tǒng)自然度的度量標(biāo)準。生態(tài)干擾度(hemeroby)最初由JALAS[12]于1955年提出，當(dāng)時主要反映人類對植物區(qū)系和植被的影響，用于量化當(dāng)前植被狀態(tài)與無人類干擾情況下的植被自我演替所形成的最終狀態(tài)(即潛在自然植被)之間的距離。直到1999年，生態(tài)干擾度(也稱為人為干擾度)被用于各種生態(tài)系統(tǒng)中，衡量人為干擾對生態(tài)組分或生態(tài)系統(tǒng)的綜合影響程度[13-14]。廣義的人為干擾包括了對生態(tài)環(huán)境起積極作用的正面干擾，如基于“近自然”理念的森林經(jīng)營、生態(tài)修復(fù)、生物工程等措施，使得退化生境得以恢復(fù)與重建，并有可能提高生態(tài)系統(tǒng)的自然度。

因此，自然度可從當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)所處的狀態(tài)或人為干擾2種角度來定義。MCROBERTS等[15]提出生態(tài)系統(tǒng)的自然度是生態(tài)過程和人為干擾共同作用的結(jié)果。KOWARIK[16]強調(diào)自然度是受干擾的生態(tài)系統(tǒng)進行自我調(diào)節(jié)的能力。因此，筆者認為自然度是當(dāng)前受人類干擾的生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)與其自然狀態(tài)之間的距離，自然度評價就是對它們之間的差異程度的綜合度量。

2 自然度評價方法

自然度評價是基于生態(tài)過程的評估，評估重點是生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài);而生態(tài)干擾度評價是基于人類影響強度，將人為干擾作為生態(tài)系統(tǒng)擾動變化的驅(qū)動力[15]。綜合生態(tài)過程和人為干擾評估，依據(jù)不同的研究對象和目的，可將生態(tài)系統(tǒng)自然度評價方法分為3類：(1)指示生物法;(2)自然距離法;(3)多指標(biāo)綜合評價法。

2.1 指示生物法

指示生物法是指依據(jù)單一物種或群落的生態(tài)特征對人類干擾作出的反應(yīng)，指示生態(tài)系統(tǒng)的自然屬性或受干擾程度，依此評估生物多樣性狀態(tài)和變化。維管束植物是反映人為壓力的重要指示生物，有些物種傾向于人為管理或處于退化狀態(tài)的生境，而另一些物種則在自然或接近自然的生境條件下更為豐富[13]。通常以群落組成或群落中某一特定物種的豐度、生物量等生物指標(biāo)的變化，反映物種對不同干擾水平的敏感性或耐壓力。依據(jù)物種對不同人為干擾強度的敏感性，將生態(tài)干擾度或自然度值分配給單個植物物種或群落，并以加權(quán)平均或者簡單算術(shù)平均值表征生境的自然度或退化水平。但自然度指數(shù)用于監(jiān)測和評價生境質(zhì)量時也存在一定的不確定性，如自然度值低的植物物種會偶然出現(xiàn)在接近自然狀態(tài)的生境，但物種數(shù)量大多較低；同時，受地理區(qū)域的限制，某個物種處于一個地區(qū)的自然和近自然生境中，但在其他地區(qū)可能會處于退化狀態(tài)或受人為干擾嚴重的生境。除了維管束植物之外，鳥類、昆蟲、附生植物的分布和數(shù)量等也是反映生境自然度的關(guān)鍵指示因子。BATTISTI等[17]研究表明，鳥類在不同干擾程度的棲息地出現(xiàn)頻率是反映棲息地受人為干擾程度的良好指標(biāo)；JACOBSEN 等[18]發(fā)現(xiàn)，與人為管理的森林相比，近自然森林擁有更豐富的甲蟲群落；CZEREPKO等[19]提出，地衣豐富度是森林自然度的重要生物指標(biāo)。

2.2 自然距離法

自然距離法是指所評估的生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)與參照系狀態(tài)之間的距離[2]。參照系是在極少的人為活動條件下，由反映自然度的指標(biāo)數(shù)值所構(gòu)成的參照系統(tǒng)，其狀態(tài)表明生態(tài)系統(tǒng)變化過程中受到的人類改造痕跡最少[20]。自然距離法最早用于評估植被自然度，通常以潛在自然植被(potential naturalness vegetation，PNV)或受人為干擾小的植被作為參照系[21]。PNV指基于植被演替規(guī)律而推斷出的發(fā)展趨勢，是非現(xiàn)實存在的[22];而實際參照系會直接或間接地受到一定程度的人為干擾，因此可依據(jù)相對量化參考法，以受人類活動影響小的植被作為參照系[23]。通過植被物種組成與結(jié)構(gòu)、指示物種豐度等指標(biāo)的實測值與參照系之間的距離，按照干擾強度從幾乎無干擾(天然)到極度強烈干擾(人工),分別賦予每個指標(biāo)生態(tài)干擾度(自然度)值，依據(jù)重要性程度加權(quán)量化為生態(tài)干擾度(自然度)[22, 24]，生態(tài)干擾度值越大，植被自然度就越低，生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)實狀態(tài)距離其參照系越遠。在景觀層面上，依據(jù)所評價對象的植被狀態(tài)與潛在自然植被狀態(tài)的偏離程度和土地利用方式，為不同土地覆被分配生態(tài)干擾度(或自然度)值，以基于面積權(quán)重的景觀自然度(人為干擾度)指數(shù)模型量化人類干擾對物種生境的影響，從而預(yù)測物種變化的驅(qū)動因素。WALZ等[14]依據(jù)人類活動對動植物生境的影響，將德國土地利用類型的生態(tài)干擾度劃分為7級分類系統(tǒng)，并詳細描述了生態(tài)干擾度值所對應(yīng)的土地覆被特征(表1)。為了更準確地描述城市土地利用強度，ARNOLD等[25]增加了“不透水覆蓋率”和“樹冠覆蓋度”等指標(biāo)，對城市建成區(qū)土地利用進一步分類，將其劃分為10級生態(tài)干擾度分級系統(tǒng)，如第1級“天然”為混交林和沼澤生境，第10級“完全人工”為無植被覆蓋、不透水面覆蓋率達到75%～100%的生境。陳愛蓮等[24]將生態(tài)干擾度用于遼寧雙臺河口濕地景觀監(jiān)測和評價中，將濕地景觀分為(幾乎)無干擾型、半干擾型、全干擾型，并細分出二級景觀類型。自然距離法作為直接評價人類活動對自然棲息地干擾的方法，已在我國浙江西門島濕地[26]、新疆艾比湖自然保護區(qū)[27]、北京密云水庫[28]等地的研究中得到了應(yīng)用。

表1 基于土地利用類型的生態(tài)干擾度(或自然度)閾值及等級分類(改編自WALZ等[14])

2.3 多指標(biāo)綜合評價法

多指標(biāo)綜合評價法是將反映生態(tài)系統(tǒng)自然屬性和受干擾程度的各種指標(biāo)用一定的方法和模型，對所評價的生態(tài)系統(tǒng)整體狀態(tài)做出綜合評價的方法。早期的多指標(biāo)綜合評價法主要應(yīng)用于研究森林、河流生態(tài)系統(tǒng)的狀況，評價指標(biāo)不僅包含植物、動物和微生物等生物物種的組成與結(jié)構(gòu)，還涉及指示性物種數(shù)量、比例和分布狀態(tài)，需要大量基于樣方實測的物種數(shù)據(jù)，通常只適合評價單一生態(tài)系統(tǒng)自然度。PAILLET等[29]以原生樹種比例、群落完整性、垂直結(jié)構(gòu)異質(zhì)性、每公頃死亡樹木數(shù)等指標(biāo)，量化分析了法國阿爾卑斯山脈梧桐林和混交林的自然保護價值，用于監(jiān)測人為干擾下森林生物多樣性的狀態(tài)。王國玉[30]結(jié)合植被群落多樣性、建群種胸徑級、鄉(xiāng)土樹種比例等植被特征和河岸結(jié)構(gòu)、景觀特征指標(biāo)，構(gòu)建了大連河岸帶自然度評價指標(biāo)體系。此類評價主要以生物群落本身的實測數(shù)據(jù)為依據(jù)，后來逐漸將環(huán)境因子(如土壤狀況、水質(zhì)等)納入生態(tài)系統(tǒng)的自然度評價指標(biāo)體系中。顧嵐等[31]增加了水質(zhì)特征指標(biāo)，結(jié)合地貌和植被特征評價北京湯河自然度等級。YAO等[32]在植被群落組成、群落演替特征指標(biāo)的基礎(chǔ)上，進一步納入了土壤肥力方面的指標(biāo)，分析了內(nèi)蒙古準格爾旗煤礦區(qū)的恢復(fù)程度及棲息地質(zhì)量對物種多樣性的影響。在考慮生態(tài)系統(tǒng)自身性狀和特征的同時，外界干擾也是判斷生態(tài)系統(tǒng)自然度的重要因素，如管理強度、基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量、距道路的距離、游客增長量等。與單一生態(tài)系統(tǒng)相比，多個生態(tài)系統(tǒng)類型鑲嵌而成的區(qū)域景觀自然度評價涉及的社會經(jīng)濟因素更多、研究范圍更廣，更加符合社會、經(jīng)濟、自然環(huán)境相互作用的復(fù)合表征理念。在表征生態(tài)質(zhì)量的指標(biāo)基礎(chǔ)上，F(xiàn)AN等[33]增加了經(jīng)濟密度、主干道密度、單位時間內(nèi)的近海捕魚量等指標(biāo)，綜合量化渤海萊州灣小青河口內(nèi)不同生態(tài)系統(tǒng)類型的自然度。在遙感和地理空間信息技術(shù)的支持下，多指標(biāo)綜合評價法得到了進一步發(fā)展。如侯偉等[34]考慮了以人類干擾的疊加效應(yīng)和距離衰減效應(yīng)作為壓力，以景觀自然度作為狀態(tài)，建立了基于GIS格網(wǎng)單元的人為干擾度指數(shù)，加強了人為干擾度(自然度)在空間上的對比性。

3 自然度評價在城市生物多樣性保護領(lǐng)域的應(yīng)用

在以人為本的城市建設(shè)背景下，城市生物多樣性保護尤其要重視人類干擾與生物多樣性之間的關(guān)系。受人為干擾的城市生境或景觀自然度大幅降低，棲息地破碎化嚴重，從根本上改變了生物多樣性狀態(tài)。因此，從自然度評價的視角進行城市生境質(zhì)量評估、城市景觀動態(tài)監(jiān)測、城市生態(tài)空間規(guī)劃，不僅能夠反映城市生態(tài)系統(tǒng)自然度或受人為干擾程度，更揭示了導(dǎo)致生物多樣性變化的驅(qū)動力。

3.1 城市生境質(zhì)量評估

自然度評價作為判斷生境質(zhì)量的重要途徑，主要是對人類活動引起的城市生境退化程度進行診斷。森林和河流是城市綠地的重要組成部分，也是維持生態(tài)系統(tǒng)健康的關(guān)鍵因素。為了改善人類對城市森林的過度干預(yù)，森林自然度評價已成為近自然林業(yè)經(jīng)營的基礎(chǔ)。崔海山等[35]采用多指標(biāo)綜合評價和GIS空間分析法探討廣州市白云山風(fēng)景區(qū)森林自然度，不合理的人為改造導(dǎo)致馬尾松純林逐漸成為以闊葉樹為主的林分，物種數(shù)量明顯減少且分布不均，導(dǎo)致白云山森林整體自然度較低。TONI等[36]從城市區(qū)域視角進一步擴展了自然度研究范圍，運用自然度評價對受不同人為干擾的城市綠地特征進行分析，發(fā)現(xiàn)城市灰色基礎(chǔ)設(shè)施、過度管理、環(huán)境污染是減少鄉(xiāng)土植物種類和影響動物繁殖的主要原因。HUANG等[37]比較了武漢市不同人為管理下8個典型風(fēng)景區(qū)的馬尾松人工林自然度，經(jīng)多指標(biāo)綜合評估發(fā)現(xiàn)近自然改造后的風(fēng)景區(qū)顯著提高了物種豐富度和鄉(xiāng)土植被物種的比例，有效促進了森林演替?；谏车膶傩蕴卣?，BATTISTI等[38]進一步考慮了物種對不同人為干擾下生境的響應(yīng)，評估了意大利拉齊奧區(qū)(Latium)不同生境類型的鳥類多樣性和優(yōu)勢種群，沿不同自然度梯度發(fā)現(xiàn)歐金翅雀(Carduelischloris)、紫翅椋鳥(Sturnusvulgaris)、黑頭林鶯(Sylviamelanocephala)通常只出現(xiàn)在高度人為干擾的城市森林公園中。隨著自然度評價研究的深入和發(fā)展，城市河流近自然修復(fù)逐漸受到關(guān)注，河流自然度評價成為指導(dǎo)河流生境恢復(fù)和維護的重要手段。PYO等[39]建立了基于生物和非生物因素的河流自然度評價指標(biāo)體系，綜合評估發(fā)現(xiàn)道路和建筑設(shè)施、河流渠道化工程、人類游憩等干擾行為降低了城市河流自然度，動植物物種數(shù)量也隨之相應(yīng)減少。燕琳等[40]以北京市永定河自然度評價為例，進一步提出了加強旅游管理及營造多樣化生境、引入生物物種等生態(tài)措施，為城市河流管理和利用提供目標(biāo)依據(jù)。而美國、澳大利亞、德國等注重河流生物指標(biāo)或者河道的物理形態(tài)和特征，很少從系統(tǒng)綜合的角度結(jié)合生態(tài)因子和社會經(jīng)濟進行自然度評估[41-43]。如TESTI等[44]運用指示生物法研究了意大利阿布魯佐區(qū)(Abruzzo)河流的植物生態(tài)干擾度指數(shù)，表明相較于位于自然林地和濕地周圍的河流，人為干擾強烈的城市河流生境質(zhì)量最低。SCHEBELLA等[45]基于植被和河流生境特征，采用多指標(biāo)綜合評價和線性回歸分析發(fā)現(xiàn)，澳大利亞城市公園自然度是影響植被與鳥類物種豐富度的關(guān)鍵因素。大多數(shù)城市生境自然度研究以指示生物法和多指標(biāo)綜合評價法為主要評估手段，通過自然度評價不僅可以準確評判城市生境的自然屬性或受人為干擾程度，還能夠明確生境質(zhì)量與物種多樣性之間的相互作用關(guān)系，其研究結(jié)果對指導(dǎo)城市生物多樣性保護和生態(tài)恢復(fù)決策具有重要參考價值。

3.2 城市景觀動態(tài)監(jiān)測

在人類活動干擾下，城市建設(shè)用地逐漸占領(lǐng)了自然生境，改變了自然景觀的生物和非生物環(huán)境，導(dǎo)致生物多樣性也發(fā)生相應(yīng)變化[46-48]。國內(nèi)外學(xué)者從不同人為干擾度下景觀動態(tài)變化視角，監(jiān)測和評估城市化進程中物種的生境條件和豐富度變化。FUSHITA等[49]依據(jù)景觀層面的自然距離法，評估了巴西圣保羅市圣卡洛斯聯(lián)邦大學(xué)人為干擾下的景觀變化后認為，隨著城市化進程的推進，森林和河流斑塊破碎化程度增加，農(nóng)業(yè)、道路和建筑結(jié)構(gòu)等人為景觀占主導(dǎo)地位，使河流濕地植被物種數(shù)量和多樣性大幅下降。YI等[50]基于人為干擾對景觀的影響，利用景觀人為干擾度分析深圳沿海城市化是造成濕地植被、林地、草原等自然和半自然生境減少的主要驅(qū)動因素。RüDISSER等[51]擴展了基于景觀層面的自然距離法，結(jié)合景觀自然度和距自然生境的距離，構(gòu)建了基于GIS的自然距離指數(shù)(distance to nature, D2N)，并評估了奧地利城市景觀和植被空間分布特征，進一步推進了景觀自然度評價向定量化和模型化方向發(fā)展。ALMEIDA等[52]運用D2N研究了巴西伊拉蒂市(Irati)自然保護區(qū)土地利用活動對生物多樣性的影響，找出了人為影響植物種類、數(shù)量以及自然棲息地最為嚴重的區(qū)域，對維持生物多樣性的功能具有重要意義?；谕恋乩玫纳鷳B(tài)效應(yīng)，學(xué)者們深入研究了人為干擾度與景觀指數(shù)之間關(guān)系，刻畫了植被類型分布規(guī)律。WELLMANN等[53]以德國萊比錫市(Leipzig)為例，利用NDVI數(shù)據(jù)，結(jié)合光譜植被香農(nóng)-威納指數(shù)和景觀人為干擾度，進行了植被多樣性布局制圖，并通過共生矩陣(GLCM )分析影響城市植被多樣性的顯著因素是管理強度和土地利用。類似的研究如ZANG等[54]基于鹽城濕地斑塊密度、邊緣密度、形狀等景觀指數(shù)和草本物種分布以及植被面積，評估景觀格局對人為干擾度的響應(yīng)，通過回歸分析發(fā)現(xiàn)人類活動導(dǎo)致的土地利用變化加劇了植被格局破碎化，由濱海濕地植被類型轉(zhuǎn)變?yōu)槁隳酁?。同樣，TIAN等[55]運用皮爾遜相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，黑龍江大慶市人為干擾度的增加使景觀更加復(fù)雜化，中度干擾使?jié)竦?、森林和河流植被呈現(xiàn)較高的異質(zhì)性。在城市景觀監(jiān)測中，最初直接以景觀自然度(人為干擾度)模型量化城市化進程下人為干擾對景觀組成的影響。隨著景觀格局對人為干擾度的響應(yīng)機制研究不斷深入，遙感光譜數(shù)據(jù)和定量分析成為進行城市景觀及生物多樣性監(jiān)測與評價的發(fā)展方向，模擬人為干擾對景觀格局及其演變趨勢的影響，更加有效地揭示了城市生物多樣性的變化趨勢和驅(qū)動力。

3.3 城市生態(tài)空間規(guī)劃

4 展望

自然度評價是當(dāng)前生物多樣性保護與管理需求方面的研究熱點，國內(nèi)外學(xué)者已從自然度評價的視角，對人類活動影響下森林、河流、湖泊、草原、濕地等自然生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)特征進行了較多的研究，而對復(fù)雜的城市生態(tài)系統(tǒng)自然度研究較少。隨著我國城市生態(tài)修復(fù)和生物多樣性保護工作的快速推進，以及為了更全面地認知人為干擾對城市生物多樣性的影響，亟需對城市生態(tài)系統(tǒng)的自然度及其變化作出科學(xué)評估，為城市生態(tài)系統(tǒng)的近自然化治理和生態(tài)空間的維護提供重要指導(dǎo)。

基于單指標(biāo)的指示生物法和自然距離法包括多樣性指示類群、棲息地特征、生態(tài)干擾度等，作為生物多樣性替代指標(biāo)評估方法，難以全面反映生物多樣性狀態(tài)以及影響其變化的因素，況且有些區(qū)域物種資源缺乏。因此，在我國建設(shè)生態(tài)文明城市背景下，應(yīng)進一步從人地關(guān)系角度，從不同時空維度分析人為干擾(包括土地利用和社會經(jīng)濟因子)對城市生物多樣性乃至生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供的影響。通過長期野外定點觀測和遙感數(shù)據(jù)，在3S集成技術(shù)支持下，基于生物多樣性測度指數(shù)，將物種分布、生態(tài)位、入侵物種模型等生物多樣性評估模型整合到自然度評價體系中，深入研究城市生物多樣性和人為干擾之間的關(guān)系，提高人為干擾對城市主要生物類群影響的預(yù)測水平，豐富和發(fā)展城市生態(tài)系統(tǒng)自然度綜合評價體系。