平原造林對北京森林景觀格局的影響

李 利

北京首都綠色文化碑林管理處 北京 100094

北京平原區約占北京市總面積的38%,是北京城市發展的核心區。北京平原區承載著全市70%的人口數量,但受到城市發展、地理條件等社會經濟與自然條件的影響,北京平原區以森林、濕地為主的生態土地資源十分有限[1-4]。為增加北京市平原區的森林生態資源數量,發揮城市森林的多種生態服務功能,從而為市民提供更直接可持續的生態服務,北京市政府于2012年實施了百萬畝平原造林工程,其主要目的是提高人口密集的平原區森林資源總量和生態服務供給能力[5-8]。北京平原百萬畝造林工程無論對北京滿足現實的生態需求,還是對保障未來的可持續發展,以及引領全國城市和城市群的健康發展都具有重要意義[9-11]。本研究以北京平原百萬畝造林工程為大背景,從北京市域及平原區兩個尺度入手,對造林前后北京城市森林景觀格局進行對比研究,全面分析平原造林工程對北京城市森林景觀格局的影響,總結其數量、結構及空間分布上的變化特征,以便更好地指導今后北京的平原森林建設。

1 研究區概況

北京市市域面積16 410.54 km2,地處中國北部、華北平原北部,中心位置E116°20′、N39°56′,地勢西北高、東南低,西部、北部和東北部三面環山,東南部是一片緩緩向渤海傾斜的平原。北京具有典型的北暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥,春、秋短促,為華北地區降雨最多的地區之一,降水季節分配不均勻,全年降水的80%集中在6、7、8月,7、8月有大雨。

2 研究方法

提取北京市2009年森林資源二類調查矢量數據、2014年平原造林工程分布矢量數據以及行政區劃等基礎數據,利用ArcGIS10.2平臺,對其空間數據進行了預處理。首先,依據2009年森林資源二類調查報告中的土地分類表提取出林地；其次,利用GIS中analysis tools的功能將2014年平原造林工程分布數據融合到2009年的林地數據中,以得到造林工程實施后的北京市林地分布圖；最后,按照林地面積的大小,以公頃為單位劃分不同等級的林地,并將2009年數據與2014年數據進行對比。

2.1 數據來源及其預處理

本研究以北京市2009年森林資源二類小班圖、平原造林工程分布圖、2009年綠地數據和平原區界限圖為基礎,利用ArcGIS平臺,將平原區的2009年森林資源二類小班和2009平原區的城市綠地提取出來,而后將北京市平原造林工程分布圖融合至平原區2009年的小班圖中,從而得到造林后平原區的森林資源圖。

參照國家林業局《森林資源規劃設計調查主要技術規定》,結合北京市第七次森林資源調查報告和2009年第七次園林綠地普查報告中的土地分類系統,將平原造林區的景觀斑塊劃分為4類,分別為林業生態用地、城市園林生態用地、濕地生態用地和非生態用地。需要特別指出的是,在平原造林工程圖中將“建設類型”中的濕地保護、濕地建設與恢復歸類到濕地生態用地中,其余的劃分到林業生態用地中。

2.2 景觀格局指數分析

本研究引入景觀生態學中常用的景觀格局指數分析平原造林后北京森林景觀格局的變化特征,利用GIS的空間分析功能以及景觀指數擴張模塊Patch Analyst4.0計算不同景觀類型的格局指數。Patch Analyst可以計算矢量數據源的景觀結構指數,這樣可以減少矢量數據轉為柵格數據后再計算景觀格局指數的誤差,此外,Patch Analyst所提供的景觀格局指數在景觀層面上有15項,在類區層面上有13項,數據比較簡潔,不需要再過多得進行篩選和剔除。

3 結果與分析

3.1 北京市域百萬畝林地分布

3.1.1 林地分布數量與面積變化

總體來看,2009年林地與2014年平原造林后林地相比,林地斑塊在平原區有明顯的增加,但增加的林地斑塊面積較小。從表1可以看出,在北京市百萬畝造林工程實施前后,6.67 hm2以下林地數量增加居首位,較2009年全市共增加了14 406處；6.67～66.67 hm2(100～1 000畝)林地數量增加1931處；66.67～666.67 hm2(1 000～10 000畝)林地數量增加67處；而666.67 hm2(10 000畝)及其以上林地增加1處,位于延慶縣。根據北京市第七次森林資源調查報告與2009年森林資源二類調查數據可得,2009年全市有林地面積1 046 096.37 hm2,加上百萬畝平原造林面積67 447.59 hm2,2014年全市有林地面積至少增加至1 113 543.96 hm2。在增加的林地面積中,百畝至千畝林地貢獻率最大,占增加林地面積的61.08%；百畝以下林地貢獻率次之,占了增加林地面積的21.92%。

表1 北京市市域林地面積分布情況

3.1.2不同面積林地的比重

2009年北京市共有林地斑塊數量32 201個,以百畝以下林地與百畝至千畝林地居多。其中,百畝以下林地斑塊占了總林地斑塊數的56.41%,但是面積僅占所有林地面積的3.89%；百畝至千畝林地斑塊數占36.77%,面積占所有林地面積的24.93%；千畝至萬畝林地與萬畝以上林地雖然為數不多,但分別占了全市林地面積的32.96%,38.22%。百萬畝造林工程后,2014年北京市共有林地斑塊數量48 606個,林地斑塊數量仍以百畝以下林地與百畝至千畝林地居多。從表1中可以看出,與2009年相比,2014年百畝以下林地數量占林地斑塊總數的67%,較2009年增加了79.32%,增幅最為顯著,其林地面積占總林地面積的4.79%,面積所占比例略有提升；百畝至千畝林地斑塊數占28.33%,其數量在林地斑塊中的比重有所下降,但其面積比例卻有所上升,占所有林地面積的26.72%；千畝至萬畝林地與萬畝以上林地仍然占了林地總面積的大部分,分別為32%,36.49%,比例較2009年有所下降。

綜上所述,2014年與2009年相比,北京市市域森林生態資源顯著增加,林地數量與面積不斷增加,態勢良好。值得指出的是,在北京市域林地生態資源中,百畝以下林地占了林地總量的大多數,其生態功能相對薄弱,生態平衡能力較差。隨著城市的不斷發展,城市建設用地不斷向外擴張,城市林業生態用地與城市發展用地之間的矛盾日益突出,城市能夠用于林業生態發展的用地更加細碎化,這些都為今后北京市森林資源增加與森林資源保護帶來難題。

3.2 平原區造林面積與空間分布變化

2012—2014年北京平原造林各區縣造林面積如圖1所示。2012年北京市平原造林工程涉及除東城區和西城區以外的14個區。通州區、大興區、順義區、昌平區、房山區為重點區域,其造林面積分別為3 333.33 hm2、2 537.53 hm2、2 484.67 hm2、2 333.33 hm2和1 669.4 hm2,共占2012年總造林面積的72.56%,其中通州區造林面積最大,占2012年造林面積的19.57%；石景山區造林面積最小,為18.73 hm2,占2012年造林面積的0.1%。

2013年北京市平原造林工程涉及除東城區、西城區及石景山區以外的13個區域。通州區、大興區、房山區、昌平區、順義區為重點區域,造林面積分別為4 466.67 hm2、3 885.35 hm2、3 353.89 hm2、3 290.87 hm2和3 225.68 hm2,共占2013年造林面積的74.43%,其中通州區造林面積仍為最大,占2013年造林面積的18.24%；門頭溝區造林面積最小,為13.33 hm2,占2013年造林面積的0.05%。

2014年北京市平原造林工程涉及除東城區、西城區及石景山區以外的13個區域。順義區、大興區、房山區、通州區、延慶區為重點區域,造林面積分別為4 984.65 hm2、4 360.67 hm2、4 243.33 hm2、4 197.33 hm2和2 405.53 hm2,共占2014年造林面積的77.86%,其中順義區造林面積最大,占2014年造林面積的19.22%；門頭溝區造林面積最小,為114.53 hm2,占2014年造林面積的0.44%。

綜上所述,2012—2014年北京市平原造林工程中,通州區共造林11 997.33 hm2,面積最大,占總造林面積的17.79%；大興區共造林面積10 783.55 hm2,位居第二,占總造林面積的16%；順義區共造林10 694.99 hm2,占總造林面積的15.86%；而石景山區造林面積最小,僅18.73 hm2,占總造林面積的0.03%。

圖1 北京市各區縣2012—2014年平原造林工程面積(單位：hm2)

3.3 平原區造林前后景觀格局變化

3.3.1 平原區生態景觀的要素組成結構

由表2可以看出,在4類景觀斑塊面積上,北京平原區非生態用地比重較大,占據了大部分的平原區土地,其面積比重遠遠超過了3類生態用地的總比重；林業生態用地面積比雖排在第二,但兩者懸殊很大。在實施百萬畝平原造林工程后,林業生態用地與濕地生態用地面積與斑塊數均有明顯提高,其中,林業生態用地面積在2009—2014年5年增長了49.61%,濕地生態用地面積增長了0.90%；而非生態用地則減少了10.26%；城市園林生態用地也有小幅度的減少,這是由于少部分城市園林綠地在工程實施期間,為配合項目需要,轉化為部分林業生態用地,其生態功能并不受影響。由此可見,在實施平原百萬畝造林工程后,北京平原區的林業生態用地有明顯的增加,效果顯著。然而,雖然林業生態用地的面積有顯著增加,若將3類生態用地斑塊數比例與其面積比例進行對比可以發現,3類生態用地斑塊數量均超過非生態用地,表明目前生態用地數量多,但分布較分散,面積較小,在未來的生態用地發展中,需要注意為已有生態斑塊之間構建生態廊道,以提高其生態防御的功能。

表2 北京平原區生態景觀要素組成結構統計

3.3.2 平原區生態景觀的斑塊特征

從表3和表4中的分析可知,從景觀破碎度看,2009年與2014年斑塊數(NumP)較大的景觀類型分別為林業生態用地、城市園林生態用地；平均斑塊面積(MPS)較小的景觀類型分別為城市園林生態用地、林業生態用地；斑塊數量與景觀破碎度呈正相關,平均斑塊面積較小的斑塊景觀比平均斑塊面積較大的斑塊景觀更破碎,因此,2009年與2014年林業生態用地與城市園林生態用地景觀破碎化程度較高。從斑塊的變異程度看,2009年非生態用地和濕地生態用地的斑塊變異系數(PSCoV)較高,兩者的變動程度最大,說明非生態用地和濕地生態用地的斑塊大小不一,變動劇烈；而2014年則不同,非生態用地和林業生態用地的斑塊變異系數(PSCoV)較高,說明非生態用地和林業生態用地變動劇烈。從斑塊的空間形狀復雜性看,平均斑塊形狀指數(MSI)、面積加權平均斑塊形狀指數(AWMSI)以及平均斑塊分維數(MPFD)均可以用來度量斑塊形狀的復雜程度,值越大代表斑塊形狀越復雜；綜合3個指標可得,2009年與2014年城市園林生態用地和林業生態用地的平均斑塊形狀指數和平均斑塊分維數均為最大,說明其景觀內部的形狀較為復雜,而非生態用地雖然其斑塊密度很小,但其斑塊形狀指數很高,因此,受形狀指數的影響,造成其較高的邊緣密度。從人為干擾程度看,2009年平原景觀格局與2014年平原景觀格局相似,非生態用地面積加權平均斑塊分維數(AWMPFD)最高,而城市園林生態用地、林業生態用地、濕地生態用地面積加權平均斑塊分維數(AWMPFD)較低,說明3類生態用地受人類活動干擾較大。從平原景觀的異質性看,2014年景觀格局基本與2009年一致,濕地生態用地的斑塊密度(PD)和邊緣密度(ED)均為最小,表明其異質性不高,景觀破碎度不大；而林業生態用地的斑塊密度(PD)和邊緣密度(ED)均較高,說明林業生態用地與其他景觀要素之間、林業生態用地內部都在進行豐富、活躍的物質交換。

3.3.3 平原區景觀格局對比

通過對2009—2014年同類景觀類型的縱向比較可知,城市園林生態用地面積增幅較小,城市園林生態用地景觀破碎度、斑塊變異程度、斑塊空間形狀復雜性以及斑塊景觀異質性均有小幅增加,而受人為干擾程度保持不變；林業生態用地面積顯著增加,林業生態用地景觀破碎程度、斑塊變異程度以及景觀異質性均明顯增加,但其斑塊的空間形狀復雜性以及人為干擾程度則基本保持不變；濕地生態用地面積小幅增加,濕地生態用地景觀破碎度和人為干擾程度基本保持不變,而濕地生態用地的斑塊變異程度和景觀異質性則有輕微增加趨勢；非生態用地面積有較明顯的減少,非生態用地的景觀破碎度顯著減少,斑塊變異程度與景觀異質性顯著上升,斑塊空間形狀復雜性小幅增加,人為干擾程度基本保持不變。對比2009年與2014年全部景觀類型的格局指數,平均斑塊面積由2009年的27.10降低至2014年的19.91,景觀破碎度降低；斑塊變異系數略微增加,景觀變異程度也相應有所增加；2014年平均斑塊形狀指數、面積加權平均斑塊形狀指數以及平均斑塊分維數均比2009年有所增加,說明其景觀斑塊的空間形狀趨向于更加復雜化,人為干擾程度基本保持不變,但其景觀異質性卻明顯增加,其景觀多樣性以及景觀均勻度也有一定幅度的增加。

表3 2009年平原區主要景觀指數

表4 2014年平原區主要景觀指數

4 結論與討論

4.1 結論

1)平原百萬畝造林充分挖掘利用了土地空間的潛力,擴大了規模化片林的體量。百畝以下規模的林地斑塊數量增加了14 406個,面積比重增加了1%,但不足5%,而千畝以上林地斑塊數量增加了68個,面積比重雖然減少了2.7%,但仍然超過68%,顯示平原造林一方面充分挖掘了可綠化土地空間潛力,另一方面繼續維持了規模化林地占主體的結構特征。

2)平原百萬畝造林顯著增加了大興、順義、通州、房山、昌平等生態空間薄弱區縣的森林面積,對14個區縣生態空間的增加都有貢獻,有利于生態空間的均衡合理分布。其中,通州區造林面積最大,占總造林面積的17.79%；大興區位居第二,占總造林面積的16%；順義區占總造林面積的15.86%。

3)通過對平原區森林景觀的斑塊變異系數、形狀指數、平均斑塊分維數、邊緣密度以及shannon-多樣性指數等景觀格局指數分析,可以看出:平原百萬畝造林使平原區shannon均勻度指數增加0.07,提高了平原區整體景觀的均勻度,使平原區生態空間分布的均勻性和覆蓋度范圍增加,促進了平原區生產和生活空間與生態空間的融合分布,有利于消減城市的硬度和灰度,增加居民的綠視率,實現就近為居民提供生態服務。此外,平原百萬畝造林使平原區生態空間的形狀指數提高了18.93,森林、濕地等生態空間的形狀由過去相對規則的幾何形狀向更加趨于自然化的形狀發展,有利于增加林地、濕地的邊緣效應,促進生態系統的健康和生物多樣性的保護。

4.2 討論

從2012—2014年的兩年造林成果看,北京市生態資源空間分布還存在兩個主要問題:一是林業、城市園林、濕地等生態資源的空間連通性較差；二是生態資源斑塊邊界較為簡單；生態資源小斑塊居多,對生態系統功能的正常發揮有一定的影響。建議今后利用河流、道路等帶狀景觀要素,加強綠色通道建設,形成重要的生態骨干廊道。此外,在造林中,要按照近自然化經營措施實施和管理,以增加其邊界的復雜性,優化生態功能。最后,保證生態主體空間的大型集聚化,在平原區形成核心的森林—濕地群[12-15]。由于本研究主要是基于北京市2012—2014年的百萬畝造林工程數據展開的,數據在時間上具有一定的局限性。北京市的綠化建設還在繼續推進,今后還會對北京市的造林項目進行跟蹤研究,分析大規模的城市造林背景下北京城市森林景觀格局的動態變化趨勢與軌跡,并深入探究其格局變化驅動因素。