基于GIS的長嶺村景觀格局生態修復

王 嘉 孫喬昀 李 帥

1 太原理工大學建筑學院 太原 030024

2 北京林業大學園林學院 北京 100083

3 笛東規劃設計(北京)股份有限公司 北京 100029

目前,國內外針對景觀格局的研究已十分普遍,但我國在村落級別的景觀格局研究相對較少[1-2]。本研究通過對長嶺村景觀格局的分析,歸納出長嶺村景觀格局的特點及存在的問題,并針對這些問題提出優化建議,以期尋求一套我國鄉村特有的景觀生態安全問題的解決策略。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

長嶺村位于山西省晉中市昔陽縣的北部,太行山脈的中部,地處東經113°53′,北緯37°35′,屬溫帶大陸氣候,四季分明,年平均降水量570毫米,夏季雨水集中,7—8月降水量占全年60%左右。村莊地形東高西低,北高南低,南有河溝,北有嶺后底溝,村東有天然井水,供給村民日常飲水,村西有200米深井,多用于灌溉農田。長嶺村東西寬約2 km,南北長約2.2 km,總面積約為192 hm2,村落山體結構基本完整,農田約為1 000畝(66.67 hm2),但喬木較少,多為灌木和草本植物,村落建筑群落與山體走勢相協調,整體布局呈階梯狀,院落群屬于山地四合院型制。整體建筑群主要分布在一個向陽的山坡上,呈東西向走勢,高低錯落與山體有機結合在一起。

1.2 數據來源及預處理

本研究選取2017年4月17日Landsat 8影像,結合GoogleEarth衛星圖,以ArcGIS10.4為平臺對長嶺村景觀進行分類,得到長嶺村景觀類型柵格圖,再利用Fragstats技術對景觀格局指數進行計算,并運用生態學意義分析長嶺村景觀格局情況。

1.3 景觀分類體系的確定

鄉村很多景觀元素都是以斑塊形式呈現的[3],根據《土地利用現狀分類標準》[4]及相關資料整理,結合長嶺村實際情況,將長嶺村現狀斑塊類型劃分為:林地、草地、耕地和建設用地共四種。

1.4 景觀格局指數的選擇

景觀指數是景觀生態學常用的分析方法[5],通常能夠有效地反映景觀格局信息[6]。本文通過充分分析各景觀指數生態學意義,借鑒國內外學者研究成果[7-10],選取了10個指標(表1),并運用Fragstats 4.2計算得出數據。

表1 長嶺村景觀格局指數及其描述

2 結果與分析

2.1 村落景觀斑塊構成分析

通過對研究區斑塊數(NP)、斑塊類型面積(CA)及斑塊占總面積比例(PLAND)等指標的分析,可以得知某類型斑塊的面積和其占整個研究區面積的相對比例,由此可得出研究區內各組關系為:農業＞林地＞草地＞建設用地(表2),其中林地面積為39.24 hm2,占村域總面積20.35%,包括有林地、灌木林地等；草地面積為39.42 hm2,占村域總面積20.43%,主要指灌草叢；耕地面積為98.73 hm2,占村域面積51.19%；村莊建設用地面積為15.48 hm2,占村域面積的8.03%。

2.2 村落斑塊結構特征分析

斑塊個數(NP)、斑塊密度(PD)及斑塊凝聚度(COHESION)反映的是各景觀類型斑塊的數量、斑塊間的關系和研究區域內的斑塊聚集程度[11-12],這3種指標與斑塊破碎度有很大的關聯[13],而景觀破碎化經常導致許多種群的適合度下降或種群滅絕[14]。由表2可知,長嶺村斑塊總數為21個,其中林地景觀斑塊和草地景觀斑塊較多,這2類景觀斑塊分布較為分散,斑塊破碎度較高；林地、草地的斑塊凝聚度指數低于其余景觀類型,說明這兩類景觀斑塊的離散度較高。

表2 長嶺村斑塊景觀格局指標

2.3 村落斑塊形狀復雜程度分析

斑塊形狀指數(LSI)越高則斑塊形狀越不規則,斑塊越復雜越有利于物種多樣性保護[15]。由表2可知,長嶺村LSI由大到小依次為林地(5.095 2)、草地(4.595 2)、農田(4.059 7)、居住用地(2.111 1),其中林地LSI值最大,為5.095 2,居住用地LSI值最小,為2.111 1。這說明研究區居住用地和農田受人為活動影響較大,斑塊形狀較規整,不利于其與周圍環境景觀交流和改善[16]。

2.4 村落主導景觀分析

最大斑塊指數(LPI)是指某類型斑塊中最大面積斑塊占研究區總面積的比重[17],該指數能有效識別研究區優勢景觀。表2顯示,農田斑塊在長嶺村中占明顯優勢,LPI值最大,為0.001 1；其余幾個斑塊類型數值相近(0.000 2),林地、草地和居住用地的LPI較小,主要是由于林地斑塊和草地斑塊較分散,而居住用地面積較小。

2.5 村落景觀多樣性分析

長嶺村景觀的香農多樣性指數(SHDI)為0.000 4,說明景觀類型低,不利于自然生態環境保護。香農均勻度指數(SHEI)為0.000 1,說明研究區斑塊較少,多樣性較小。景觀豐度(PR)與物種豐度之間有很大的關聯,PR越高,物種豐富度越高[18]。長嶺村景觀豐度(PR)為5,反映研究區景觀豐富度較小,生境比較單一。

3 長嶺村景觀格局生態恢復策略

3.1 核心斑塊保護

通過對長嶺村斑塊進行分類和評價得出需要構建的生態斑塊,并根據不同斑塊面臨的問題和挑戰提出相應的保護和管理方案。由研究區斑塊數(NP)、斑塊類型面積(CA)、斑塊所占景觀面積的比例(PLAND)、斑塊形狀指數(LSI)和最大斑塊指數(LPI)等可知,應把林地和農田作為長嶺村核心斑塊,并構建優化管理方案。根據景觀豐度(PR)、香農均勻度(SHEI)和香農多樣性(SHDI)等數據分析,可知研究區物種多樣性較低,斑塊種類較少,應在核心生態斑塊內建立生態緩沖區域,對斑塊內的物種進行保護并對現有生境和棲息地進行修復和優化。

3.1.1 林地斑塊

由于長嶺村地處山西中部,黃土高原地區長期的水土流失、干旱以及人類對周圍山體無序開發,導致了山體的生態環境急劇惡化,地表缺乏植被覆蓋,大面積黃土地直接裸露于環境中。由研究區斑塊凝聚度指數(COHESION)可知林地斑塊破碎化嚴重,應通過對人類活動的控制減少人為干擾,林地斑塊的保護措施應包括增加植被種類和數量和修復破碎斑塊。

1)增加植被種類和數量。在林地斑塊原有生態功能的基礎上,選取耐旱鄉土植物,如:旱柳、臭椿、酸棗、沙棘等植物,增加鄉土植物的種類和數量,提高植被覆蓋率。

2)修復和保護破碎林地斑塊。建議采取合理的管理措施對研究區的景觀格局進行優化[11],嚴格控制占用林地、損壞林木等行為,并在現有破碎林地斑塊基礎上建立綠廊,將隔離的林地斑塊相互連接,增強各個斑塊的可達性,規劃綠廊寬度為60～100 m,此時綠廊內部具有較大的多樣性且可以保持群落穩定[19]。

3.1.2 農田斑塊

從斑塊形狀指數(LSI)來看,農田斑塊受人為活動影響較大,屬于自然界的干擾斑塊,由上述分析可知,研究區物種多樣性較低,且農田斑塊較為連續使林地斑塊與草地板塊破碎化嚴重,所以農田斑塊的保護措施主要應包括生物棲息地的保護與修復以及農田斑塊的優化。

1)農田生物棲息地的保護與修復:建議在農田的邊界構建30 m生態防護體,不僅可以對農田斑塊提供保護也可以為動物遷移提供生態廊道；在農田斑塊內適當建立人工巢、避難所、喂食站等,為動物提供棲息地。

2)農田斑塊的優化:基于農田干擾最優格局[20],農田斑塊應占總斑塊面積的50%,且空間分布較為離散。長嶺村中農田斑塊占村域總面積51.19%,干擾面積較為均衡,但分布比較集中,建議在谷地中建設淤地壩,可以減少水土流失,擴大耕地面積[21]。原有山坡梯田面積減小,應合理種植鄉土植物,增強林地景觀連通性,同時增強農田斑塊離散性。

3.2 生態廊道的保護與改造提升

由于研究地部分斑塊破碎化嚴重,且多樣性較低,應加強斑塊之間的連通性。廊道作為斑塊間重要的連通性地帶,在構建景觀格局中起著不可或缺的作用,長嶺村景觀中的廊道主要有河流廊道、道路廊道和灌排渠廊道等。

3.2.1 河流廊道

由于黃土高原地區常年面臨干旱和水土流失問題,長嶺村的瓦邱河已逐漸變成季節性河流,除雨季外,該河長時間處于干涸狀態,建議對瓦邱河進行生態修復,以提高景觀豐度和多樣性。實現瓦邱河的生態恢復的主要措施包括以下措施:

1)構建沿河岸防護林。瓦邱河地勢較低,雨季強降雨引發地表徑流對裸露的山體進行沖刷,帶走了大量的泥土。長嶺村沿河岸防護林規劃為30 m,使河流生態系統受人為干擾影響較小,增加鄉土濕生植物,營造豐富穩定的植物群落,為動物提供繁衍棲息地,完善濱水生態系統。

2)優化河流基地。由于黃土高原地區常年水土流失,瓦邱河逐漸變成季節性河流,天然徑流量日漸減少,應采取模擬自然河道措施,恢復河道自然特點[22-23]。核心恢復河道寬度界定為10～20 m,此寬度有利于保護魚類,在核心河道恢復區禁止開墾農田,種植鄉土濕生植物,營造豐富的河流基地,為水生動物提供多樣的棲息環境。

3.2.2 道路廊道

道路廊道是聚落斑塊與自然斑塊聯系的關鍵,應結合防護林和植草溝建設,強化道路的景觀性,并且增強各個生態斑塊間的連通性。長嶺村道路防護林規劃在60 m左右,此為滿足生物保護功能的道路緩沖帶寬度[24],同時可以增強道路廊道觀景效果。

3.2.3 灌排渠廊道

長嶺村的灌排渠系統尚不完善,為緩解洪澇和干旱并為動物遷徙提供生態廊道,需要構建完備的灌排系統來調節農田斑塊的水分情況。現狀村落存在許多硬質渠道,但硬化的渠道不利于動物構建棲息地。建議在渠邊適當種植鄉土濕生植物,同時在渠底設置多條橫向和縱向生態帶,為動物的遷徙提供生態廊道。