GIS支持下北京市海淀區生境服務制圖研究

劉文平, 宇振榮

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GIS支持下北京市海淀區生境服務制圖研究

劉文平1, 宇振榮2,*

1. 華中農業大學園藝林學學院, 武漢 430070 2. 中國農業大學資源與環境學院, 北京100193

定量化識別生境服務的空間分布是城市生物多樣性保護的前提。論文從生境斑塊質量和生境格局兩方面構建了生境服務的量化指標及其方法框架, 并基于遙感影像解譯和實地調研數據利用GIS工具對北京市海淀區進行了生境服務制圖研究。結果顯示,生境服務供給能力最高值主要分布于海淀區西部山區和中部圓明園、頤和園一帶以及北部翠湖濕地附近的零星區域, 占全區總面積的16.54%。海淀區北部農村地區的綠色基礎設施區域生境服務供給能力次之, 分散分布于西部山前地帶及北部農村村莊外圍的人工林地和園地區域, 占全區總面積的32.44%。海淀區南部城區及中部城鄉交錯區的生境服務供給能力最低, 占全區總面積的24.68%。海淀區大部分農村居民點所提供的生境服務也較弱, 占全區總面積的26.34%。生境服務制圖結果可以為城市生物多樣性保護決策制定提供一個定量化且直觀形象的參考依據。

城市生境; 生境服務; 空間制圖; 海淀區

1 前言

城市生物與大氣、水、土壤等自然要素一起共同構成了城市居民賴以生存的生態環境基礎[1, 2], 因而城市生態環境的結構和功能與城市生物多樣性與密切相關[3]。城市生物多樣性是指城市范圍內除人以外的各種有機體所體現出來的基因、物種和生態系統的分異程度[2]。生物資源的分異決定了城市生物多樣性具有多種利用價值, 如提供食物、燃料等直接利用價值[4], 授粉、分解土壤有機物等生態價值[5], 以及供人類觀賞與研究的科研價值和美學價值[6]等。保護城市生物多樣性對滿足城市日益增長的人口對糧食、衛生、氣候調節、病蟲害防治等多方面需求均有至關重要的作用[7]。

隨著城市化進程的快速推進, 人類劇烈頻繁的活動造成了城市生境的不斷喪失和破碎化, 進而引起城市生物多樣性的下降[1, 8-9]。以北京市海淀區為例, 在過去的30年內, 海淀區為滿足日益增長的人口和社會經濟發展需求而進行了一系列集約化甚至是顛覆性的土地利用活動, 大量自然斑塊和鄉土植物從城市中被鏟除[10], 造成了嚴重的生境破碎化與生物多樣性下降, 進而影響了城市生態系統所提供的水體凈化、作物授粉調節等多項人類福祉的提供。城市如何合理保護生物多樣性以提供可持續的生態系統服務, 已成為當前備受國內外各界關注的一個新難題。

傳統的生物多樣性保護, 或者是針對某單一物種的保護(如珍稀、瀕危物種的保護)[11], 或者是盲目強調物種類型的多樣化[12], 忽略了物種優勢度和均勻度, 從而引起同一保護區內多樣物種之間的不正常競爭, 不僅沒有達到保護生物多樣性的目的, 還降低了生物生存所依賴的生境質量。從城市尺度上來講, 生境的多樣化是生物多樣性的前提和基礎, 生境的穩定是生物多樣性保護的前提和基礎[13]。就城市而言, 生境是由植被、土壤等因素共同形成的景觀生態單元[14], 生境服務就是這些生態單元所提供的生物賴以生存的生態功能。城市生境服務空間化制圖對地域空間具有很強的解釋性, 這種解釋能力可以顯示出生境結構與功能狀況的優劣及其空間分布水平[15], 從而為城市生物多樣性保護決策制定者提供一個定量化且直觀形象的參考依據。因而, 探討生境服務定量化空間制圖對城市生物多樣性保護具有重要意義。

生境服務的提供與由人類主導的土地利用的時間和空間變化有關[15]。有時, 生境服務并不是由一種土地利用或土地管理所提供或產生的, 而是由多種土地利用或多個系統共同管理得到的結果[16,17], 這使得生境服務非常難以定量化。已有的生境服務定量化制圖方法, 如價值化方法[18]、能值評估[19]、當量量化[20]以及土地覆被鏈接矩陣[21]等方法, 多以物種豐富度或土地覆被的生境適宜性來表征生境服務, 指標單一且常常忽略了生態系統中重要的空間格局關系。因而, 尋求合適的定量化方法來準確、全面反映生境服務是非常必要的。本研究即是在此背景下, 以北京市海淀區為研究區, 試圖通過綜合考慮植物物種類型及其空間格局關系來定量化繪制城市生境服務, 為城市生物多樣性保護提供科學的定量化參考。

2 研究方法

2.1 數據收集與處理

植物是城市生境的重要組成部分, 生境服務制圖的基礎就是研究區內的自然、半自然植被以及城鄉公共綠地所構成的綠色空間。

2.1.1 綠色空間遙感解譯

采用分辨率為2.5 m的SPOT5全彩色遙感影像(2010年7月), 以人機交互方式對海淀區綠色空間進行解譯, 并建立綠色空間數據庫, 作為生境服務制圖的基礎數據。綠色空間共解譯為公共綠地、農田、林地、園地、水體、其他綠地和城鄉建設用地共7類。

2.1.2 自然、半自然植被調查

海淀區的自然、半自然植被主要是由山區的自然林地、平原區的人工林地和農田景觀組成。采用分層隨機抽樣方法分別對這三類景觀的植被進行調查。首先, 以頤和園萬壽山為中心點, 依次向外劃分1 km寬的緩沖區; 然后, 基于每一緩沖區內的林地和農田景觀現狀, 隨機選擇1—3塊300m′300m大小的樣地進行調查, 最終共選擇了37個林地樣地和17個農田景觀樣地(圖1a)。每一樣地調查, 主要記錄樣地內植被群落的組成結構, 包括喬灌木種類與數量、植被覆蓋度等信息。以上調查于2013年8月完成。

2.1.3 公共綠地植被數據獲取

公共綠地植被相關數據主要來自《北京市城市園林綠化普查資料匯編》(2010年)和海淀區園林植物種質資源調查數據庫(2012)。依據海淀區城區綠地類型及其分布現狀, 共選擇了107塊綠地, 包括37個公園、19個大學、22個觀光采摘園、19個酒店、7個醫院和3個高爾夫俱樂部(圖1b)。每一綠地植被數據獲取內容同自然、半自然植被樣地調查內容。

基于自然、半自然植被樣地和公共綠地植被樣地調查數據, 利用GIS克里金插值工具獲得研究區全區范圍內的植被相關數據。

2.2 生境服務制圖

2.2.2 生境服務指標

生境質量與生境格局是影響生物生存所需的食物以及避難和活動場所的關鍵要素[22]。其中, 生境質量與生境面積、植被覆蓋度和植物多樣性有顯著相關性[23]。生境面積不僅為生物提供了生存的空間, 還在一定程度上增加了生物生存的食物來源。植物多樣性反映了生境的本質屬性, 是決定生物生存的關鍵因素。而植被覆蓋度則是生境植被群落生長態勢的重要指標, 對指示生境健康有重要作用。生境隔離程度是影響生物擴散生存的重要因素。景觀格局指數中斑塊最鄰近距離(ENN)和斑塊結合度(COHESION)是指示生境隔離程度的重要指標。

因此, 本研究選取生境面積、植被覆蓋度、植物多樣性、斑塊最鄰近距離和斑塊結合度作為生境服務的定量化指標。為便于量化計算每一指標, 將研究區統一劃分為300 m?300 m大小的網格進行數據處理。各指標計算公式如表1。

表1 生境服務評價指標

2.2.2 生境服務制圖方法

基于生境服務指標, 構建出生境服務制圖方法框架(圖2)。首先, 通過生境面積與植被覆蓋度指標相乘獲得有效生境指數; 然后, 將有效生境與植物多樣性指標通過鏈接矩陣方法獲得生境斑塊質量指標(圖3a); 將景觀格局指數ENN與COHESION通過鏈接矩陣獲得生境格局指數(圖3b); 最后, 將生境斑塊質量和生境格局指數通過鏈接矩陣方法獲得最終的生境服務(圖3c)。各指標在使用鏈接矩陣前, 需要先利用ArcGIS中的Natural break方法劃分為5級, 然后根據指標等級確定指標得分, 指標等級對生境服務的積極影響越大, 則其得分越高。其中, 若構成鏈接矩陣的兩指標均對生境服務有正面影響, 則其最高等級(5)相交處的數值賦值為1, 然后沿其水平與垂直方向依次逐級降低0.1賦值, 如植物多樣性與有效生境構成的鏈接矩陣(圖3a)和生境格局與生境斑塊質量構成的鏈接矩陣(圖3c); 若構成鏈接矩陣的兩指標對生境服務的影響方向不一致, 則負面影響指標最小等級(1)和正面影響指標最大等級(5)相交處賦值為1, 然后沿其水平與垂直方向依次逐級降低0.1賦值, 如景觀格局指數ENN與COHESION構成的鏈接矩陣(圖3b)。

根據生境服務供給能力最終得分矩陣(圖3c)可知, 當生境服務得分為0.3時, 表明至少有一指標對生境服務的積極影響促進作用或其消極影響的減弱作用開始顯現; 當生境服務得分為0.5時, 表明至少有一指標對生境服務的積極影響高于其平均水平或其消極影響低于其平均水平; 當生境服務得分為0.8時, 表明兩指標對生境服務的積極影響促進作用或其消極影響減弱作用已占據主導地位。因此, 為方便量化分析研究區生境服務供給能力的區域差異化, 本研究將最終的生境服務供給能力劃分為四等級: 弱(0.2—0.3), 較弱(0.3—0.5), 較強(0.5—0.8), 強(0.8—1.0)。

3 研究結果

3.1 生境服務單項指標評價結果

生境面積評價結果顯示(圖4a), 海淀區大面積生境主要分布于西部山區, 平原區北部地區也有分布; 而越靠近城區, 生境面積越小, 破碎化分布越明顯。面積大的生境可以為生物提供更多的食物資源和生存空間, 可見研究區西部山區和北部平原區部分地區是生物較適宜生存的空間。植被覆蓋度、有效生境與生境面積評價結果相似(圖4b,4c), 越靠近山區和北部平原地區, 植被覆蓋度就越高; 越接近城區, 植被覆蓋度則越低。植物多樣性評價結果呈現出明顯的受人工干擾的空間影響(圖4d), 除西部山區外, 植物多樣性高的區域均為城鄉公共綠地且大部分為公園綠地, 如分布于城區的頤和園、圓明園、紫竹院、玉淵潭等公園以及北部鄉村地區的翠湖濕地公園均具有較高的植物多樣性。相較而言, 北部農村地區的人工林地、園地及農田的植物多樣性則較低, 存在樹種單一、植被搭配簡單等問題。生境質量的綜合評價結果顯示(圖4e), 除海淀西部山區、北部翠湖濕地及其周邊區域以及南部頤和園、圓明園區域生境質量較高外, 其他地區的生境質量均較低。

生境隔離程度對低散布能力的植物物種影響明顯, 而高的生境連通性則有可能為廣布種提供更多的食物資源和生存空間[24]。景觀格局指數評價結果顯示, 指示景觀連接度的斑塊結合度(COHESION)指數在海淀區西部山區和南部城區區域的值較高, 其他區域的值則較低(圖4f), 說明這兩個區域的土地覆被類型連通性較高。結合研究區綠色基礎設施分布現狀可知, 西部山區的生境連通性較高, 而其余地區的生境連通性則較低。平均鄰近距離ENN評價結果顯示海淀區北部農村地區ENN值較高, 而西部山區ENN值則較低(圖4g)。ENN反映了斑塊的隔離程度, 一般ENN值越大, 相同類型斑塊之間的離散程度較高?？梢? 研究區北部農村地區生境隔離度較大。生境格局綜合評價結果表明(圖4h), 西部山區與中部頤和園、圓明園區域最有利于生物棲息與活動。

3.2 生境服務綜合制圖結果

生境服務供給制圖結果顯示(圖5), 生境服務供給能力最高值(0.8—1.0)主要分布于海淀區西部山區和中部圓明園、頤和園一帶以及北部翠湖濕地附近的零星區域, 占全區總面積的16.54%。海淀區北部農村地區的綠色基礎設施區域生境服務供給能力次之(0.5—0.8), 分散分布于西部山前地帶及北部農村村莊外圍的人工林地和園地區域, 占全區總面積的32.44%。海淀區南部城區及中部城鄉交錯區的生境服務供給能力最低(0.2—0.3), 占全區總面積的24.68%。海淀區大部分農村居民點所提供的生境服務也較弱(0.3—0.5), 占全區總面積的26.34%。

總體來看, 海淀區高生境服務供給區域分布不均勻, 特別南部及中部城鄉交錯區域生境服務質量和數量嚴重不足, 且破碎化分布的格局更進一步削弱了生境功能。

4 結論與討論

(1) 城市持續的生物多樣性損失窘境迫切要求能夠空間定量化大尺度城市生境服務的技術。本研究綜合考慮生境斑塊質量與生境格局的定量化生境服務制圖, 有效反映了研究區生境服務的提供能力及其空間分布情況, 為城市生物多樣性保護提供了有意義的參考?？傮w來看, 北京市海淀區西部山區和中部圓明園、頤和園一帶生境服務供給能力最高, 北部后沙澗村及其附近區域生境服務供給能力次之, 而南部城區及中部城鄉交錯區生境服務供給能力最低。

(2) 大量研究表明, 生境結構、生物過程和生境服務之間的關系是直接相關的[25-26], 如一些生物多樣性保護研究通過建立生態廊道以改善當地物種的生存格局環境, 進而提高生境服務[27-28]。然而, 鑒定景觀格局與生境服務之間的關系仍然是非常困難的[13], 這種關系的鑒定常常與特定的物種有關, 很難應用到不同背景下的實踐中。國內外研究多是通過建立生境適宜性評價指標體系或模型方法來定量化特定生物的生境質量, 尤其是一些珍稀瀕危物種, 如對大熊貓、馬鹿、黑猩猩、普氏原羚等生境服務的評估[29–31], 而一些普通生物的生境特別是城市生境則甚少被關注。英國城市自然保護研究則采用植物種類豐富度、稀有種的出現頻次以及優勢種數量等指標對城市殘存近自然生境進行了評估, 全面考慮了一般生物的生境服務, 但其評估區域則未包括城市公園等休憩型綠地[32-33], 導致這些綠地在城市綠化過程中其生境功能很容易被忽視從而被人工景觀所替代?；诜债斄康纳鷳B系統生境服務評估方法雖然可全覆蓋城市區域, 但忽視了各區域生境質量的差異性[20]。而基于價值量化法得到的生境服務結果則更多反映了人們對生境服務的支付意愿, 并不是生境服務本身的量化[34]。本研究在綜合國內外現有研究的基礎上, 以城市全地類為評估對象, 從空間隔離的角度來考慮一般生物生境的景觀格局影響, 進而反映生物在不同生境斑塊之間活動與棲息的生境服務, 在探索考量空間影響的城市生境服務定量化方面邁出了一小步。未來研究仍需考慮更多、更能反映多數物種生境功能的格局因素, 進一步提高生境服務制圖的準確性。

(3) 誠如本研究綜合考慮生境格局與生境質量兩方面因素來定量化城市生境服務一樣, 我們不能簡單地將物種多樣性理解為生境服務, 也不能簡單地將物種豐富度理解為生物多樣性[2]。當前已有的城市綠化建設, 常常通過在原有生境基礎上引進大量外來物種來增加物種多樣性[2], 以達到城市生物多樣性保護的目的。雖然這種方法使得整個城市的總體物種豐富度增加了, 但全市尺度上的物種優勢度和均勻度并沒有也隨之改善, 生物生存的生境空間也沒有得以提升, 甚至外來物種對本地生境的侵占還會嚴重影響本地物種的生存[12]。城市生物多樣性保護要以改善生境服務的前提下來增加物種豐富度。

(4) 城市綠色空間是城市中動植物的主要生境棲息地。然而, 由于受城市中高強度的人為干擾影響, 城市綠色空間常常被分割為相互隔離的一塊塊低質量的生境碎片, 對城市生物生存與生境保護造成了極大挑戰, 特別是對動物多樣性的保護。城市生境保護一方面要注意對原有生境的保護, 一方面也要強調對已遭破壞的生境進行恢復, 必要時可以營造一個新的多樣化的生境; 同時, 還需在城市尺度上構建生境網絡, 使破碎化的生境相互之間建立起能量流通、物質流通的聯系。

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Mapping urban habitat service based on GIS in Haidian District, Beijing

LIU Wenping1, YU Zhenrong2,*

1. College of Horticulture & Forestry Sciences, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China 2. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China

It is the premise for urban biodiversity conservation to quantitatively identify the spatial distribution of habitat service. A new method framework of mapping urban habitat service incorporating habitat quality and habitat pattern was proposed as well as habitat service indicators in this study. Habitat service of Haidian District, Beijing, China was mapped using remote images interpreted data and investigated information and GIS tools. The results showed that area in the western mountains of Haidian district and the middle area along the Summer Palace and Yuanmingyuan park provided the highest habitat service as well as several small pockets nearby Cuihu wetland, which occupied 16.54% area in total of Haidian District. Both habitat services in front of western mountains and green area scattered distribution in north villages were lower than western mountains but higher than other study areas, which occupied 32.44% area in total of Haidian District. The southern central district and urban-rural ecotone in the middle provided the lowest habitat service, which occupied 24.68% area in total of the study area. Habitat services in most rural settlements of Haidian were also small but higher than the southern central district, which occupied 26.34% area in total of the study area. Habitat service map could provide a quantitative and direct-viewing reference for decision making of urban biodiversity conservation.

urban habitat; habitat service; spatial mapping; Haidian District

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.02.021

F301.2

A

1008-8873(2017)02-144-08

2015-09-30;

2015-10-16

國家自然科學基金項目(51508218); 中央高?；究蒲袠I務費專項資金(2662015QC025, 2662015BQ010); 國家科技支撐計劃課題資助項目(2012BAJ24B05)

劉文平(1987—), 男, 山西大同人, 博士, 講師, 主要從事景觀服務與地景規劃研究, E-mail: liuwenping@mail.hzau.edu.cn

宇振榮, 男, 博士, 教授, 主要從事景觀生態規劃、3S技術與土地利用規劃研究, E-mail: yuzhr@cau.edu.cn

劉文平, 宇振榮.GIS支持下北京市海淀區生境服務制圖研究[J]. 生態科學, 2017, 36(2): 144-151.

LIU Wenping, YU Zhenrong. Mapping urban habitat service based on GIS in Haidian District, Beijing[J]. Ecological Science, 2017, 36(2): 144-151.