長沙市邊緣區(qū)城市森林景觀格局梯度分析

邢元軍，徐金鐸

(1．國家林業(yè)局中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，長沙410014;2．海南省三亞林場，海南三亞572000)

長沙市邊緣區(qū)城市森林景觀格局梯度分析

邢元軍1，徐金鐸2

(1．國家林業(yè)局中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，長沙410014;2．海南省三亞林場，海南三亞572000)

本文以2003年長沙市森林資源二類清查數(shù)據(jù)和2003年TM遙感數(shù)據(jù)為主要信息源，借助3S技術(shù)平臺，運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)原理和方法對長沙市邊緣區(qū)城市森林進(jìn)行了景觀格局梯度分析，結(jié)果表明:在斑塊類型水平上，城市森林景觀類型在樣帶梯度上表現(xiàn)出明顯的“梯度特征”，城市森林在沿樣帶移動過程中，大致呈“V”型分布，其景觀比例在城市外邊緣處最大;在景觀水平上，城市森林在中心城區(qū)分布最少，但較為集中，破碎化程度不高，形狀比較規(guī)則，在向邊緣區(qū)移動的過程中，其分布趨于零碎化，形狀趨于自然。

景觀格局;梯度分析;城市森林;邊緣區(qū);TM影像

隨著城市化進(jìn)程的逐漸加快，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人口、環(huán)境的矛盾日益突出，城市生態(tài)與環(huán)境問題、城市的生態(tài)建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展成為人類社會關(guān)注的焦點(diǎn)。城市化進(jìn)程的加快不僅刺激著城市建設(shè)，同時(shí)也推動了城市環(huán)境的建設(shè)，近年來，全國各地在城市建設(shè)和城區(qū)改造中強(qiáng)調(diào)城市森林的發(fā)展就是一個(gè)具體表現(xiàn)。城市森林至今沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義，在國外通常把其定義為城市內(nèi)及人口密集的聚居區(qū)域周圍所有木本植物及與其相伴的植物，是從城市街區(qū)延續(xù)到郊區(qū)的所有林分的總和［1－3］。而本研究對城市森林的界定更傾向于國內(nèi)學(xué)者劉長富的觀點(diǎn)，城市森林是以喬木為主體，達(dá)到一定規(guī)模和覆蓋度，能對周圍的環(huán)境產(chǎn)生重要影響并具有明顯的生態(tài)價(jià)值和人文景觀價(jià)值的各種生物和非生物的綜合體，是城市生態(tài)景觀的重要元素之一，在改善城市環(huán)境和提高城市居住質(zhì)量等方面發(fā)揮著不可替代的作用［4－5］。因此，對城市森林景觀的組成、結(jié)構(gòu)和空間格局進(jìn)行定量描述及梯度分析，無論是更好的發(fā)揮城市森林的生態(tài)功能還是在指導(dǎo)城市森林的規(guī)劃建設(shè)方面都具有重要的意義。

當(dāng)前，國內(nèi)對城市森林的研究主要基于植被和群落生態(tài)學(xué)的方法體系，在群落和種群尺度上對森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，不利于從宏觀的角度了解和量化城市森林的空間分布特征，缺少整體性［6］。隨著3S技術(shù)的快速發(fā)展及在生態(tài)環(huán)境研究中的廣泛應(yīng)用，使得多角度、多層次地進(jìn)行城市森林景觀空間結(jié)構(gòu)分析成為可能，為城市森林的功能和動態(tài)分析奠定了基礎(chǔ)。

本研究以長沙市2003年森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)及與其配套的2003年TM遙感數(shù)據(jù)為主要信息源，綜合景觀生態(tài)學(xué)、森林經(jīng)理學(xué)及城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)等學(xué)科理論和方法，并借助3S技術(shù)對長沙市城市森林景觀進(jìn)行定量描述和梯度分析，旨在揭示長沙市城市森林類型空間結(jié)構(gòu)及其空間變化的規(guī)律性和梯度效應(yīng)，為城市森林資源空間格局的優(yōu)化配置和結(jié)構(gòu)調(diào)整提供科學(xué)的理論參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1．1 研究區(qū)概況

長沙市地處湖南省東部，湘江與瀏陽河交匯的河谷階地，位于 111°53'—114°15'E，27°51'—28°41'N，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，冬寒夏熱，年平均氣溫17.8℃，年平均降水量為1 390 mm，是湖南省的政治、經(jīng)濟(jì)、文化、科學(xué)、宗教中心。全市土地面積為11 819．5 km2，其中城區(qū)面積為 556．33 km2，林地面積為62 066．27 km2，森林覆蓋率為 49．98%。

1．2 研究方法

1．2．1 數(shù)據(jù)獲取

研究采用研究區(qū)2003年森林資源二類調(diào)查的數(shù)據(jù)，并綜合與其配套的2003年TM遙感數(shù)據(jù)，對研究區(qū)景觀構(gòu)成進(jìn)行分類，根據(jù)研究需要，斑塊屬性內(nèi)容包括土地利用現(xiàn)狀、森林景觀種類、數(shù)量、面積、形狀和位置等。運(yùn)用手持GPS對新增的不同景觀斑塊進(jìn)行實(shí)地抽樣驗(yàn)證，結(jié)果表明正判率為95．8%，精度滿足研究要求。

1．2．2 景觀構(gòu)成分類

根據(jù)研究對象的范圍、利用形式和研究尺度并結(jié)合森林資源調(diào)查的土地利用現(xiàn)狀分類系統(tǒng)，將研究區(qū)內(nèi)的景觀類型劃分為:非林地、城市森林、一般綠地和水域等4大類。其中，非林地包括居民住宅用地、建筑用地和農(nóng)田;城市森林指樹冠覆蓋率30%以上的片狀綠地，主要包括，純林、混交林，疏林地等;一般綠地指樹冠覆蓋率30%以下林地，主要包括，灌木林、經(jīng)濟(jì)林(油茶等)等，而城市中行道樹、綠地廊道一并歸入一般綠地景觀類型;水域包括湖泊、水塘、河流以及面積較大的魚塘。

1．2．3 樣帶設(shè)置及梯度劃分

根據(jù)研究區(qū)的城市建設(shè)現(xiàn)狀，結(jié)合研究區(qū)總體發(fā)展戰(zhàn)略及城市總體規(guī)劃，本研究以五一廣場為中心，按照主要道路框架的走向，東西方向和南北方向各設(shè)置一條長50 km、寬10 km橫貫長沙市的樣帶，對城市森林從中心城區(qū)到城郊的變化規(guī)律進(jìn)行研究。為修勻多個(gè)由于局部變化引起的噪聲，并減少數(shù)據(jù)的離散型，研究采用移動窗口法對樣帶進(jìn)行梯度分析，窗口規(guī)格為10×6 km，移動步長為4 km，將兩條樣帶各劃分為12個(gè)樣方，見圖1。

圖1 梯度樣帶

1．2．4 景觀格局指標(biāo)體系建立

在景觀格局研究中，基于單個(gè)景觀指數(shù)無法全面反映景觀的格局特征，本研究采用多個(gè)景觀指數(shù)組合，在對應(yīng)的三個(gè)水平層次下對研究區(qū)景觀格局進(jìn)行定量化描述，包括:斑塊要素水平、斑塊類型水平和景觀水平。由于三個(gè)水平層次上的眾多景觀格局指數(shù)均存在一定的局限性，且存在信息冗余［7］，因而根據(jù)各指數(shù)其所代表的生態(tài)特征，去除相關(guān)性較大的指數(shù)，并根據(jù)研究需要選取斑塊類型面積(CA)、斑塊平均面積(MPS)、斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、shannon景觀多樣性指數(shù)(SHDI)、shannon景觀均勻度指數(shù)(SHEI)、聚集度指數(shù)(AI)和斑塊邊緣密度(ED)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)和分離度指數(shù)(SPLIT)等10個(gè)指數(shù)作為景觀格局分析指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2．1 研究區(qū)城市森林總體格局分析

2．1．1 景觀組成結(jié)構(gòu)分析

借助Fragstats軟件，利用相關(guān)景觀格局特征指數(shù)對研究區(qū)景觀格局進(jìn)行分析，得到結(jié)果數(shù)據(jù)，見表1。

由表1可知，研究區(qū)的景觀類型中，非林地景觀面積比及其平均斑塊面積均最大，表明該類景觀斑塊分布集中，也是調(diào)控景觀格局的重要組成部分;城市森林的斑塊數(shù)最多，占整個(gè)區(qū)域斑塊數(shù)的45．53%，且其斑塊平均面積只有7．16 hm2，表明城市森林景觀分布比較零散和破碎。

表1 景觀組成結(jié)構(gòu)分析

2．1．2 景觀斑塊特征分析

景觀類型斑塊特征主要是通過斑塊大小、形狀特征、分維度等指數(shù)來反映。由表2可知，4種景觀類型的斑塊形狀指數(shù)在33．00～98．00之間。由于研究區(qū)構(gòu)成城市森林的馬尾松、濕地松和闊葉樹，大部分在城市外邊緣區(qū)，集中于山地地區(qū)，種植面積較廣，分布不均勻，致使城市森林斑塊形狀極不規(guī)則;而研究區(qū)很多地方大量種植經(jīng)濟(jì)作物，如油茶、果樹等灌木，使一般綠地分布呈大面積發(fā)展趨勢，且分布很不規(guī)則;水域景觀主要是流經(jīng)市區(qū)的湘江以及少量的人工湖泊，形狀相對規(guī)則;非林地斑塊平均面積最大，遠(yuǎn)大于其它景觀類型。四種景觀類型的分維數(shù)相近，非林地斑塊較為規(guī)則，破碎化程度一般。

表2 景觀斑塊特征分析

2．1．3 景觀異質(zhì)性分析

目前關(guān)于景觀異質(zhì)性有很多不同的定義，但較為一致的是“景觀異質(zhì)性是景觀尺度上景觀類型組成和空間結(jié)構(gòu)上的變異性和復(fù)雜性”［8］。本研究采用斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、多樣性指數(shù)(SHDI)和均勻度指數(shù)(SHEI)等指標(biāo)來描述和分析景觀異質(zhì)性。

由表3可知，城市森林景觀斑塊密度(PD)最大達(dá)3．21塊/hm2，表明研究區(qū)內(nèi)城市森林的斑塊分化程度較高，其次為一般綠地景觀;非林地景觀的斑塊邊緣密度(ED)最大，為70．37 km/hm2，說明其景觀的破碎化程度較高，其次為城市森林景觀，而一般綠地與水域景觀則較低。

表3 景觀類型異質(zhì)性分析

景觀多樣性指數(shù) (SHDI)和景觀均勻度指數(shù)(SHEI)是一種基于信息理論的測量性指數(shù)。依據(jù)公式，得出本研究區(qū)域的SHDI為0．86，說明景觀異質(zhì)性一般，多樣性較低;SHEI為0．62，表明景觀類型齊全，但是面積分布不均勻，各景觀類型所占比例差別大。整體景觀斑塊密度、斑塊形狀指數(shù)也較高，表明研究區(qū)城市森林整體上破碎化程度較高，城市森林斑塊形狀較為復(fù)雜。城市森林總體格局分析能夠得到研究區(qū)總體格局的特征，但是很難反映邊緣區(qū)范圍內(nèi)的城市森林空間格局的細(xì)節(jié)特征，而梯度分析可以有效解決這一問題。在長沙市邊緣區(qū)域設(shè)立樣帶，應(yīng)用移動窗口式梯度分析與景觀指數(shù)相結(jié)合的方法，通過對邊緣區(qū)城市森林類型水平和景觀水平上的梯度分析，能夠彌補(bǔ)其中的不足。

2．2 研究區(qū)邊緣區(qū)城市森林景觀梯度分析

由于城市森林總體格局分析只能反映研究區(qū)總體格局，難以反映邊緣區(qū)范圍內(nèi)的城市森林空間格局的細(xì)部特征，本研究采用移動窗口式梯度分析與景觀指數(shù)相結(jié)合的方式，對邊緣區(qū)城市森林類型水平和景觀水平進(jìn)行梯度分析。

2．2．1 景觀要素斑塊特征分析

圖2 景觀指數(shù)隨梯度的變化

本研究采用斑塊類型面積(CA)、平均面積(MPS)、斑塊密度(PD)和景觀形狀指數(shù)(LSI)等4個(gè)指標(biāo)，通過東西方向和南北方向兩條樣帶對研究區(qū)進(jìn)行分析，得到結(jié)果見圖2。

由圖2可知，隨著景觀位置逐漸遠(yuǎn)離市中心，其占主導(dǎo)優(yōu)勢的景觀逐漸從非林地景觀向城市森林景觀和一般綠地景觀轉(zhuǎn)移，非林地景觀斑塊平均面積逐漸減少，而其余類型景觀斑塊平均面積則起伏不大，但其破碎化程度逐漸增大，分布零散;非林地景觀形狀指數(shù)與城市森林景觀形狀指數(shù)大體相同，其曲線均呈“M”型，距離城市中心區(qū)域越遠(yuǎn)，其斑塊形狀越復(fù);城市森林斑塊密度曲線變化起伏最大，在城市外邊緣區(qū)與城市內(nèi)邊緣區(qū)結(jié)合部，其破碎化程度最高，而一般綠地景觀類型的分布，兩條樣帶曲線整體趨勢相類似，中間低，兩邊逐漸升高，其分布主要集中于內(nèi)邊緣區(qū)和外邊緣區(qū)結(jié)合部。

續(xù)圖2 景觀指數(shù)隨梯度的變化

2．2．2 景觀異質(zhì)性分析

本研究采用邊緣密度(ED)、聚集度指數(shù)(AI)、斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)和Shannon均勻度指數(shù)(SHEI)等6個(gè)指標(biāo)，通過東西方向和南北方向兩條樣帶在景觀尺度上對研究區(qū)景觀類型的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到結(jié)果見圖3。

圖3 景觀指數(shù)隨梯度的變化

由圖3可知，在城市中心地帶，景觀斑塊破碎化程度不高，類型比較簡單，以非林地景觀斑塊為主，且斑塊面積較大，而城市森林景觀斑塊面積較小，分布少，但受人為因素影響較深，其斑塊形狀較為規(guī)整，斑塊聚集度指數(shù)高;在城市內(nèi)邊緣區(qū)與城市外邊緣區(qū)的結(jié)合部，隨著距離城市中心漸遠(yuǎn)，景觀類型逐漸減少，均勻度開始降低，開始以城市森林和一般綠地斑塊為主斑塊，但其平均面積較小，分布密度大，破碎化程度較大，其形狀受地形等因素影響，逐漸趨于不規(guī)則，斑塊聚集度指數(shù)開始降低。相對而言，南北方向樣帶比東西方向樣帶破碎度低，景觀類型相對較簡單。2．2．3 景觀要素空間互相關(guān)系梯度分析

景觀要素的空間關(guān)系主要包括同質(zhì)景觀類型要素的空間相互關(guān)系和異質(zhì)景觀要素類型的空間互相關(guān)系，本研究綜合研究區(qū)實(shí)際情況才用蔓延度指數(shù)和分離度指數(shù)等指標(biāo)加以描述和分析，得到結(jié)果見圖4。

由圖4(a)可知，兩條樣帶曲線非常相似，且各自的整體變化趨勢不大，呈現(xiàn)“Λ”型。最高值所在區(qū)域，均位于城市中心區(qū)與內(nèi)邊緣區(qū)之間，非林地景觀斑塊分布相對比較集中，連通性較好，城市森林景觀斑塊也成片狀，同類景觀連接度較高。由圖4(b)可知，東西方向樣帶曲線整體起伏較大，呈現(xiàn)兩個(gè)波峰，兩個(gè)波谷，最高值位于城市郊區(qū)與外邊緣區(qū)交接處，而城市森林景觀斑塊分散在整個(gè)區(qū)域內(nèi)，平均面積偏小，分散程度高，且其中夾雜一般綠地景觀與非林地景觀斑塊，同類型不同斑塊分布零散;南北方向樣帶曲線浮動較劇烈，整體趨勢呈“W”型，兩個(gè)峰谷均位于城市郊區(qū)與外邊緣區(qū)交接處，說明同類景觀斑塊在該處相互之間連接度較高，離散度低，即破碎化程度不高，聚集度較好。

續(xù)圖3 景觀指數(shù)隨梯度的變化

3 結(jié)論與討論

本文結(jié)合景觀指數(shù)與梯度分析方法，采用2003年TM影像和2003年森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，借助Fragstats及ARCGIS等數(shù)值分析軟件對長沙市邊緣區(qū)城市森林進(jìn)行了景觀格局的梯度分析。研究結(jié)果表明，人類活動對環(huán)境的干擾程度沿梯度方向整體呈現(xiàn)由強(qiáng)到弱的趨勢，干擾程度越大，景觀斑塊形狀越簡單，形狀指數(shù)和邊緣密度越小。研究區(qū)中心城區(qū)的景觀破碎化程度不高，景觀類型簡單，受人為干擾強(qiáng)導(dǎo)致其形狀指數(shù)較低，聚集度較高，有很好的蔓延度。隨著離城市中心距離的增大，外緣區(qū)的景觀破碎化程度、形狀指數(shù)和分離度等景觀格局指標(biāo)逐漸增大，雖然非林地景觀在面積上占據(jù)絕對的優(yōu)勢，但城市森林景觀與一般綠地景觀斑塊密度逐漸增加。在城市外邊緣區(qū)，城市森林開始成片狀存在，其面積占據(jù)整個(gè)邊緣區(qū)的70%以上，致使能更好的發(fā)揮其生態(tài)功能作用。

總體來說，研究區(qū)景觀格局整體上缺乏穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性，各類型景觀分布不均勻，受城市化程度的升高，在梯度上各類景觀地位存在著較大的差異。

建議在當(dāng)前城市森林的特點(diǎn)上，在城市內(nèi)緣區(qū)，積極創(chuàng)造條件，適當(dāng)新建或改造公園綠地，以改變內(nèi)緣區(qū)城市森林分布較少的現(xiàn)狀;城市外緣區(qū)，在建設(shè)用地逐漸集中分布的同時(shí)，盡量在建設(shè)用地周邊區(qū)域合理布置林帶，以改善林地質(zhì)量;加大城市邊緣區(qū)中，大中型城市森林斑塊的建設(shè)，使其更能發(fā)揮生態(tài)功能;在城市向外擴(kuò)張的過程中，長時(shí)期的開發(fā)建設(shè)，會導(dǎo)致完整的自然景觀的消失，因此，在城市規(guī)劃中保留一定面積的林地、農(nóng)田、濕地等自然、半自然綠色空間顯得尤為重要，最終實(shí)現(xiàn)由遠(yuǎn)郊森林、近郊森林公園、建設(shè)用地周圍的森林、各種防護(hù)林及花園、苗圃等組合而成的理想城市森林生態(tài)系統(tǒng)。

圖4 景觀指數(shù)隨梯度的變化

［1］吳澤民，吳文友，高健，等．合肥市區(qū)城市森林景觀格局分析［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，14(12):2118．

［2］Miller R W．Urban Forestry［M］．New Jersey:Prentice Hall，1996．

［3］Gobster P H．Urban Savanna:reuniting ecologicalpreference and function ［J］．Res．Mana．Notes，1994，12(1):64 －71．

［4］王原，吳澤民，張磊，等．馬鞍山城市森林景觀鑲嵌與其城郊分布梯度格局研究［J］．林業(yè)科學(xué)，2007，43(3):52．

［5］劉常富，李海梅，等．城市森林概念探析［J］．生態(tài)學(xué)雜志，2003，22(5):146－149．

［6］徐金鐸．長沙市邊緣區(qū)城市森林景觀梯度變化研究［D］．長沙:中南林業(yè)科技大學(xué)，2011．

［7］鄔建國．景觀生態(tài)學(xué)—格局、過程、尺度與等級［M］．北京:高等教育出版社，2000．

［8］郭晉平．森林景觀生態(tài)研究［M］．北京:北京大學(xué)出版社，2001．

Gradient Analysis of Urban Forest Landscape in Urban Fringe Area of Changsha City

XING Yuanjun1，XU Jinduo2
(1．Central South Forest Inventory and Planning Institute of State Forestry Administration，Changsha 410014，Hunan，China;2．Sanya Forest Farm of Hainan Province，Sanya 572000，Hainan，China)

Based on theory and methodology of landscape ecology，in this paper，it used the forest management inventory of Changsha in 2003 and TM image of Changsha which had been get in 2003，gradient analyzed the landscape pattern of urban forest in Changsha fringe areas by using the 3S techniques，and then grasped the situation of urban forest space landscape pattern in Changsha and it’s basic characteristics．Study results show that:At the level of class，urban forest landscape showed respective gradient characteristics along the transect，and was obviously“V”distribution，the proportion of the landscape at the city fringe area was the biggest;At the level of landscape，urban forest landscape distributions in the city center were small，but they were more concentrated，degree of fragmentation was lowly and had comparison rules shape．The more close to the city fringe area，the more degree of fragmentation，and the shape becomes more natural．

landscape pattern;gradient analysis;urban forest;fringe area;TM image

S 771．8

B

1003—6075(2012)04—0022—07

2012—10—11

2012—10—15

邢元軍(1982—)，男，山東煙臺人，工程師，從事林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。