基于生態(tài)單元制圖的寶雞市城區(qū)生物多樣性保護規(guī)劃研究

邱 玲,朱 玲,王家磊,高 天

西北農(nóng)林科技大學(xué)風(fēng)景園林藝術(shù)學(xué)院, 楊凌 712100

隨著人口增加和城市化進程的加速,生物多樣性的急劇下降已經(jīng)成為全球最嚴峻的生態(tài)環(huán)境問題之一[1]。許多國家和地區(qū)開始實施關(guān)于維持和提高生物多樣性的相應(yīng)舉措,特別是聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會在1992年通過的《生物多樣性公約》,在全球范圍內(nèi)揭開了保護生物多樣性新的篇章。然而,對于利用城市綠地規(guī)劃與管理方式來保護生物多樣性的研究目前還處在初級階段,其原因主要是缺乏生物多樣性保護措施的實施細則和相關(guān)依據(jù),對各部門的職責(zé)也沒有做出明確界定,導(dǎo)致其不能有效的保護城市生物多樣性[2]。同時,城市現(xiàn)狀基礎(chǔ)資料(如植被、動物分布現(xiàn)狀)和歷史資料(如土地利用變化、覆蓋記錄)的缺失或不完善,也是導(dǎo)致當(dāng)前城市生物多樣性保護失敗的根本原因[3]。

因此,當(dāng)今城市綠地規(guī)劃迫切需要一套與時俱進的新方法,基于個體生境以及城市全局生境詳盡的生物多樣性信息制定相應(yīng)的規(guī)劃方案,從而平衡土地保護與土地開發(fā)之間的矛盾。生態(tài)單元制圖作為景觀生態(tài)學(xué)研究的重要方法之一,是依據(jù)特定動植物集合識別、劃分和記錄不同土地使用/覆蓋類型的過程[4]。一套劃分詳細的土地利用或覆蓋類型分類系統(tǒng)是實施生態(tài)單元制圖工作的基礎(chǔ)[5]。傳統(tǒng)城市生態(tài)單元制圖所用的分類系統(tǒng)都是基于植被地貌學(xué)和植物群落學(xué),按照土地利用類型或者生境類別進行劃分,很少將植被結(jié)構(gòu)元素融入分類系統(tǒng)中,尤其在研究城市生物多樣性方面[6]。大量研究表明植被結(jié)構(gòu)在時間和空間維度上的變化往往影響著動植物的分布與豐富度[7- 9]。利用植被結(jié)構(gòu)作為衡量生物多樣性的標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)勢明顯,它不僅可以作為調(diào)查生物多樣性的指示因子[10- 11],還能夠揭示綠地生態(tài)系統(tǒng)中生物多樣性的來源[12]。在一個生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)中,植被結(jié)構(gòu)因子的類型或復(fù)雜程度與生物多樣性之間存在著緊密的聯(lián)系[13]。

因此,本研究以寶雞地區(qū)為研究對象,通過實地調(diào)研和室內(nèi)制圖相結(jié)合的研究方法,創(chuàng)建一套融入植被結(jié)構(gòu)因子(植被水平結(jié)構(gòu)因子、植被優(yōu)勢種的年齡因子、植被垂直結(jié)構(gòu)因子、林木類型因子)的生態(tài)單元分類系統(tǒng),將研究區(qū)域內(nèi)的城市綠地現(xiàn)狀以圖譜形式表示。通過對不同植被結(jié)構(gòu)綠地中的維管束植物物種豐富度對比,以檢驗此分類系統(tǒng)在城鄉(xiāng)生物多樣性信息采集中的有效性。最后基于制圖信息和檢驗結(jié)果,分析研究區(qū)域內(nèi)綠地空間結(jié)構(gòu)存在的問題并針對寶雞市城鄉(xiāng)生物多樣性保護提出相應(yīng)策略,以期為今后我國城鄉(xiāng)生物多樣性保護提供理論依據(jù)和實踐方法。

1 研究材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

寶雞市位于陜西省關(guān)中平原西部,106°18′—108°03′E和33°35′—35°06′N之間,是我國首批國家生態(tài)園林城市之一。寶雞地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,東、西、南、北、中的地貌差異大,具有南、西、北三面環(huán)山,以渭河為中軸向東拓展,呈尖角開口槽形的特點。寶雞境內(nèi)植物區(qū)系以華北區(qū)系成分為主,華中、中國喜馬拉雅區(qū)系成分也占重要地位[14]。本研究區(qū)域是從寶雞市3個市轄區(qū)的建成區(qū)范圍內(nèi),選擇沿渭河兩岸的一個帶狀空間,總面積為35.39 km2,西起寶雞市植物園,東至寶雞渭河生態(tài)公園,長約16 km,寬約2 km,約占總建成區(qū)面積的40%,該區(qū)域內(nèi)含有多種不同的城市生境類型(圖1)。

圖1 研究區(qū)位分析圖Fig.1 Location of study area

1.2 研究方法

1.2.1建立融入植被結(jié)構(gòu)因子的生態(tài)單元制圖分類系統(tǒng)

本研究通過對寶雞建成區(qū)全彩色亞米級遙感數(shù)據(jù)(高分二號衛(wèi)星數(shù)據(jù),接收時間為2015年5月至2016年6月)進行初步處理并結(jié)合寶雞實地綠地特征,以及Qiu等劃分城市綠地類型的標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)建一套融入植被結(jié)構(gòu)因子,包括植被水平結(jié)構(gòu)因子、植被優(yōu)勢種的年齡因子、植被垂直結(jié)構(gòu)因子的5級生態(tài)單元分類系統(tǒng)[6](表1)。

首先,按照土地覆蓋類型將研究區(qū)域劃分為灰色空間、綠色空間及藍色空間。灰色空間主要基于硬質(zhì)覆蓋面積劃分。綠色空間按照植被結(jié)構(gòu)特征劃分為4個等級。第一級基于植被的水平結(jié)構(gòu)。第二級基于植被的年齡因子,包含草地(包括高度小于1.2 m的矮灌)的類型和林地的類型。林地則按照建群種的實際年齡,借助生長錐(Haglof CO600)取樣測量,鉆取高度為距離地面1.5 m處,同時量取樹木胸徑(樹高1.5 m),將優(yōu)勢喬木年齡結(jié)構(gòu)劃分為3個等級,分別為幼齡組(0—25 a)、中齡組(25—60 a)、老齡組(> 60 a)。第三級依照林地垂直結(jié)構(gòu)特征進行劃分,其中林地的單層結(jié)構(gòu)是指僅含有喬木層,多雙層結(jié)構(gòu)是指雙層喬木層(林冠層與亞林冠層)或喬木層與灌木層的組合,草地則分為不修剪草和修剪短草；最后一級主要集中于林木類型的劃分。藍色空間按照水域類別進行劃分。

表1 融入植被結(jié)構(gòu)因子的生態(tài)單元制圖分類系統(tǒng)

1.2.2基于分類系統(tǒng),開展野外調(diào)研與室內(nèi)制圖

按照上述構(gòu)建的生態(tài)單元分類系統(tǒng),對研究區(qū)域內(nèi)的所有生態(tài)單元進行野外實地調(diào)研,記錄每一個生態(tài)單元的位置、尺寸、土地利用類型、植被空間結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢喬木年齡結(jié)構(gòu)、種類及管理程度等信息。最后,將實地調(diào)研所得數(shù)據(jù)和航片信息結(jié)合,對初步劃分的生態(tài)單元進行修正和完善,利用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS 10.2版將數(shù)據(jù)進行存貯、編輯和分析,進而繪制融入植被結(jié)構(gòu)因子的生態(tài)單元圖譜。

同時,運用ArcGIS 10.2軟件對研究區(qū)域內(nèi)的景觀格局進行分析,計算斑塊面積(NA)、斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)和生態(tài)單元覆蓋百分比(PBC)。相關(guān)公式如下：

PD=Ni/Ai

(1)

PBC=Ai/A

(2)

式中,Ni代表第i種生態(tài)單元類型的斑塊數(shù)量,Ai代表第i中生態(tài)單元類型的斑塊面積,A為各個生態(tài)單元類型面積的綜合。

1.2.3融入植被結(jié)構(gòu)因子的生態(tài)單元制圖模型的檢驗

由于生物多樣性涉及不同層級和比例尺度,本研究將通過定義明確的、可量化的且易監(jiān)測的維管束植物數(shù)量來反映城市生物多樣性[15- 16]。因此,對該制圖模型在識別城鄉(xiāng)生物多樣性信息有效性的檢驗將通過對比不同植被結(jié)構(gòu)綠地之間維管束植物的豐富度而實現(xiàn)。根據(jù)實地情況,最終篩選面積相似(均約0.5hm2)且植被結(jié)構(gòu)不同的69個樣地,其中包括開敞綠地16個,半開敞綠地9個,半閉合綠地32個,閉合綠地12個(表2)。

表2 測量樣地類型及個數(shù)

(1) G, 綠色空間 Green space; O, 開敞綠地 Open green space; PO, 半開敞綠地 Partly open g6reen space; PC, 半閉合綠地 Partly closed green space; C, 閉合綠地 Closed space; P, 多年生草本 Successional grass; S, 修剪短草Short-cut grass; Ta, 無修剪草 Tall grass; Sh, 修剪灌木 Short-cut shrub; Y, 幼齡 Young trees; M, 中齡Middle-aged trees ; D, 闊葉 Broad-leaved; Co, 針葉 Coniferous; D&Co, 闊葉針葉混交 Mixed broad-leaved and coniferous; L- 1, 單層結(jié)構(gòu) One-layered; L- 2, 多雙層結(jié)構(gòu) Two or multi-layered;以下生態(tài)單元圖譜中出現(xiàn)的不同植被結(jié)構(gòu)綠地類型均以其字母組合替代,如以修剪灌木為主的開敞綠地表示為 G O Sh

其次,通過樣帶測量法對樣地進行維管束植物物種調(diào)查,記錄出現(xiàn)植物種名、頻度、分布和生長狀況等信息[17]。具體步驟如下：

在每塊樣地中設(shè)置 3 條60 m 長帶有刻度的樣帶,樣帶的位置則根據(jù)不同樣地實地情況確定,一般成“*”形或平行放置,原則是盡可能多的涵蓋不同種植物(樣帶設(shè)置在各樣方除去 5 m 邊緣距離的中心位置)；

對每條樣帶上每間隔4 m處的2 m距離內(nèi)接觸到樣帶的、在樣帶上方和下方垂直投影能夠接觸到樣帶的所有維管束植物進行記錄；

記錄接觸到樣帶的維管束植物種及其在樣地中出現(xiàn)的頻度,每觸碰樣帶一次,記錄頻度數(shù)值為“1”,種的總頻度值為該種在3條樣帶上頻度的總和；

對樣地進行遺漏補缺,即對于出現(xiàn)在 3條樣帶以外的維管束植物種進行補錄,并將該種的頻度值記錄為“1”。

本研究將利用維管束植物物種豐富度(Species Richness, SR)以及運用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(Shannon′s Diversity Index, SHDI)和Simpson多樣性指數(shù)(Simpson′s Diversity Index, SIDI)、Pielou均勻度指數(shù)(Pielou Evenness Index， E)計算各樣地野生地被植物多樣性(α-diversity)。在SAS 9.4軟件中,通過廣義線性模型(GLM)對不同生境類型下的野生地被植物多樣性進行差異顯著性檢驗,相關(guān)公式如下：

SR=樣地內(nèi)出現(xiàn)的維管束植物種數(shù)

(3)

(4)

(5)

E=SHDI/lnm

(6)

式中,Ai代表第i種野生地被植物的頻度值,A代表樣方內(nèi)所有野生地被植物頻度值的總和,m是樣方中所有野生地被植物種的總數(shù)。

1.2.4生物多樣性評價

基于景觀生態(tài)學(xué)研究理論[4]和制圖檢驗結(jié)果[18],并結(jié)合寶雞城區(qū)綠地特征,選用4個國內(nèi)外常用于大尺度且與城市生物多樣性密切相關(guān)的指標(biāo)[19- 20](即維管束植物總數(shù)、本地物種數(shù)占植物總數(shù)百分比、生態(tài)單元稀有度和管理強度)來綜合評價生物多樣性價值(表3)。其中,對每一類指標(biāo)分為三等,分別賦予1分、2分和3分,形成4—12分的生物多樣性綜合評價體系,并將體系劃分為三類。其中,Ⅰ類：生物多樣性價值低(4—6)、Ⅱ類：生物多樣性價值中(7—9)、Ⅲ類：生物多樣性價值高(10—12)。

表3 生物多樣性指數(shù)的等級標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 含有植被結(jié)構(gòu)信息的生態(tài)單元圖譜

研究區(qū)域內(nèi)共有38類生態(tài)單元類型,其中灰色空間面積最大,為22.28 km2,占總面積的63.0%,斑塊數(shù)量為605塊；其次是藍色空間,面積為8.64 km2,占總面積的24.4%, 斑塊數(shù)量為56塊；綠色空間為4.35 km2,占總面積的12.3%,斑塊數(shù)量為405塊；農(nóng)田面積為0.12 km2,占總面積的0.3%。綠色空間的斑塊密度為0.93/hm2,明顯高于其他類型,表明綠色空間的破碎化程度最高(表4與圖2)。

圖2 融入植被結(jié)構(gòu)的寶雞市城區(qū)生態(tài)單元圖譜Fig.2 Biotope map integrated with vegetation structuresH, 灰色空間 Grey space; H1, 硬質(zhì)覆蓋面積60%—75% Abiotic coverage rate 60%—75%; H2, 硬質(zhì)覆蓋面積75%—90% Abiotic coverage rate 75%—90%; H3, 硬質(zhì)覆蓋面積90%—100% Abiotic coverage rate 90%—100%; T, 以喬灌木為主 Mainly trees and shrubs; He, 以草本為主 Herbaceous; N, 極少或無植被 Little or no vegetation; Y, 幼齡 Young trees; M, 中齡 Middle trees; Ol, 老齡 Old trees; A, 一或二年生草本 Annual or biennial; P, 多年生草本 Succesional grassland; D, 闊葉 Broad leaved; Co, 針葉 Coniferous; D&Co, 闊葉針葉混交 Mixed broad-leaved coniferous; S, 修剪短草 Short-cut grass; Ta, 無修剪草 Tall grass; B, 建筑或鋪裝 Building or pavement; E, 裸露地面、巖石或沙地 Wasteland; F 花園/菜地 Garden or vegetable field; G, 綠色空間 Green space; O, 開敞綠地 Open space; PO, 半開敞綠地 Partly open space; PC, 半閉合綠地 Partly closed green space; C, 閉合綠地 Closed green space; Sh, 修剪灌木 Short-cut shrub; L-1, 單層結(jié)構(gòu) One-layered; L-2, 多雙層結(jié)構(gòu) Two or multi-layered; W, 藍色空間 Blue space; R, 河流/溪流 River; Po：池塘 Pond; Zl，竹林 Groves of bamboo；Ag, 農(nóng)田 Cropland; Ⅰ, 老城區(qū) Old town; Ⅱ, 新城區(qū) New town

圖2可以看出研究區(qū)域內(nèi)的生態(tài)單元分布呈現(xiàn)明顯的帶狀分布現(xiàn)象。藍色空間以渭河為主,而綠色空間主要呈帶狀分布在渭河兩岸。灰色空間中的小型綠地大多是其附屬綠地,植物配置均以幼齡喬灌木為主。綠色空間中以半閉合綠地的面積最大(264.5 hm2,60.9%),其次是開敞綠地(89.4 hm2,20.5%),而閉合綠地和半開敞綠地面積都較小(9.1%與8.7%),竹林作為其他綠地,占總面積的0.8%。同時,半開敞綠地的斑塊密度都在1.0/hm2以上,高于綠色空間的平均斑塊密度,表明半開敞綠地的破碎化程度較高。

在開敞和半開敞草地中,以多年生修剪短草為主的生態(tài)單元所占面積比例較大,其次是多年生無修剪草地和修剪灌木綠籬,未發(fā)現(xiàn)以一二年生草本為主的草地生態(tài)單元。在林地類型中,半閉合綠地以幼齡林為主,而閉合綠地中齡林多于幼齡林,且半閉合綠地和閉合綠地均未發(fā)現(xiàn)老年林。在林木類型方面,以闊葉林為主,其次是闊葉針葉混交林,針葉林所占面積最小,僅有2.5 hm2。在垂直結(jié)構(gòu)方面,單層結(jié)構(gòu)的林地要多于多雙層結(jié)構(gòu),且幼齡單層闊葉林面積最大,占綠色空間總面積的22.4%,其余類型的林地所占比例均未超過8%(表4)。

2.2 制圖檢驗

2.2.1寶雞城區(qū)綠地維管束植物種類構(gòu)成

研究區(qū)域共調(diào)查維管束植物320種,包含草本168種,藤本14種,灌木62種,喬木76種,且喬灌木以落葉樹種為主。其中鄉(xiāng)土植物198種,占總數(shù)的62%,包括喬木47種(14.7%),灌木35種(10.9%),草本109種(34.0%),藤本7種(2.2%)(表5)。其中外來植物占總物種數(shù)比例較高(38%),這與我國南北方城市外來植物調(diào)查結(jié)果相似,如北京、廈門等[21- 22]。其主要原因由于部分鄉(xiāng)土植物生長在深山老林中,其觀賞價值和園林應(yīng)用價值還不被市民所普遍認知；另一方面,市場上鄉(xiāng)土植物受到價格、品種、生產(chǎn)方式等多種因素影響以及人們往往有“喜洋厭土”的心態(tài),過分追求外來種的觀賞特性,而輕視鄉(xiāng)土植物選育、研究和推廣[23]。因此,今后應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)卦参锶郝渲泻侠磉x擇鄉(xiāng)土植物,進行引種馴化及快繁和栽培技術(shù),豐富我國園林植物多樣性。

表4 研究區(qū)域內(nèi)斑塊和生態(tài)單元各參數(shù)的百分比

(2) NP, 斑塊數(shù)量 Number of patch; NA/hm2, 斑塊面積 Patch area; PD/hm2, 斑塊密度 Patch density; PBC/%, 生態(tài)單元覆蓋百分比 percentage of biotope coverage

表5 寶雞城區(qū)綠地中維管束植物生活型統(tǒng)計表

2.2.2不同植被結(jié)構(gòu)樣地之間維管束物種豐富度對比

廣義線性模型分析表明,不同植被結(jié)構(gòu)類型的維管束植物物種豐富度(SR)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(SHDI)、Simpson多樣性指數(shù)(SIDI)和Pielou均勻度指數(shù)(E)均有顯著性差異,說明植被水平結(jié)構(gòu)因子、優(yōu)勢種的年齡因子、垂直結(jié)構(gòu)因子和林木類型因子的個體和聯(lián)合效應(yīng)對維管束植物多樣性均有顯著性影響。其中,閉合中齡多雙層混交林的SHDI、SIDI、E和SR均較高,表明其含有豐富的維管束植物種類,具有較高的生物多樣性。而半閉合中齡單層針葉林作為城市綠地中人為營造的生境類型,數(shù)量少且管理程度高,致使植物種類單一,景觀結(jié)構(gòu)簡單,優(yōu)勢種明顯,故其SR、SHDI、SIDI以及E均較低(圖3)。

圖3 不同植被結(jié)構(gòu)綠地類型α多樣性差異Fig.3 α-diversity of different sample plots with vegetation structures

2.3 城市生物多樣性價值評價及保護措施

2.3.1生物多樣性價值評價

基于生物多樣性價值評價體系(表3),對生態(tài)單元中各個綠色空間進行賦值,得到生物多樣性價值的綜合圖譜(圖4)。整體來看,寶雞城區(qū)生物多樣性價值最高的Ⅲ類生態(tài)單元呈零星分布,數(shù)量最少,多為半人工閉合林,且管理程度低,野生植物資源豐富,應(yīng)在城市規(guī)劃建設(shè)中對其加強保護。其次,研究區(qū)域內(nèi)生物多樣性價值一般的Ⅱ類生態(tài)單元分布較廣,多為最常見的半閉合綠地(n=230),該類綠地同質(zhì)性強,稀有度低且管理程度普遍較高。另外,生物多樣性價值最低的Ⅰ類區(qū)域空間多集中于開敞綠地(圖4)。

圖4 寶雞市城區(qū)綠色空間生物多樣性價值綜合評價Fig.4 Comprehensive evaluation of biodiversity value in green space

2.3.2寶雞市生物多樣性保護措施

基于上述生物多樣性價值評價結(jié)果,主要從以下幾方面提出適合寶雞城鄉(xiāng)生物多樣性保護措施圖4)：

(1)基于生態(tài)單元圖譜,劃定城市綠線

對生物多樣性價值較高的Ⅲ類區(qū)域劃定城市綠線,保持土地使用的連續(xù)性。同時,重視居住區(qū)綠地、工業(yè)綠地等小面積附屬綠地的建設(shè),通過見縫插綠、邊角植綠等方法增加綠量,提高城市整體綠色空間比例。

(2)建立大尺度生態(tài)廊道,構(gòu)建綠色網(wǎng)絡(luò)

由于研究區(qū)域內(nèi)的城市綠地破碎化程度高,連續(xù)性較差(表4),可通過建立生態(tài)廊道的方式將各個生境斑塊連接,促進相互之間的能量流通和物種繁殖傳播。寶雞城市發(fā)展沿渭河兩岸展開,因此應(yīng)加強對于渭河及兩側(cè)濕地的保護,提高兩岸綠地之間的聯(lián)接度,同時實施連接渭河的清姜河、金陵河等支流兩岸林帶和綠地的建設(shè),以及拓寬橫穿寶雞的連霍高速及鐵路沿線的防護林帶,將各個綠地“孤島”連接起來,形成以渭河為中心,其他支流及交通兩側(cè)防護林和綠地為紐帶,建立覆蓋整個城區(qū)的綠色空間網(wǎng)絡(luò)。

(3)降低生境同質(zhì)性,提高景觀豐富度

由于研究區(qū)域內(nèi)生物多樣性價值一般和較低的Ⅰ與Ⅱ區(qū)域同質(zhì)化特征明顯,景觀多樣性較低,導(dǎo)致其食物鏈構(gòu)成簡單,生態(tài)系統(tǒng)脆弱。因此,可基于生態(tài)單元圖譜,通過合理的增植、補植增加現(xiàn)存較少的半開敞綠地和閉合綠地的斑塊數(shù)量和斑塊面積,豐富城市生境類型,平衡各類生態(tài)單元的面積和數(shù)量,避免“千園一景”現(xiàn)象的發(fā)生。

(4)控制外來種比例,豐富植物種類

此外,由于研究區(qū)域內(nèi)的外來物種比例較高(38%),對于鄉(xiāng)土植物的保護和利用不足,應(yīng)加強鄉(xiāng)土植物的保護和引種馴化,尤其針對寶雞城區(qū)豐富的野生地被資源(n=122)應(yīng)著重開發(fā)與利用,打破傳統(tǒng)的單一草坪營建模式和城市園林植物千篇一律應(yīng)用局面,豐富開敞空間物種豐富度,提高生物多樣價值。同時,因地制宜的進行城市綠地管理,根據(jù)綠地屬性、結(jié)構(gòu)差異,合理平衡管理程度。

3 結(jié)論

為了探尋適合我國城鄉(xiāng)生物多樣性保護的有效措施和方法,本研究基于實地調(diào)研和室內(nèi)制圖相結(jié)合的研究方法,構(gòu)建了一套融入植被結(jié)構(gòu)因子的生態(tài)單元分類系統(tǒng),通過檢驗融入植被結(jié)構(gòu)因子的生態(tài)單元制圖模型在城鄉(xiāng)生物多樣性信息采集中的有效性,并結(jié)合制圖信息和檢驗結(jié)果,針對寶雞市城鄉(xiāng)生物多樣性保護提出相應(yīng)措施及建議,探索城市生物多樣性價值評價,以期為今后我國以生物多樣性保護為定向的城市綠地規(guī)劃與設(shè)計提供理論依據(jù)和實踐方法。