基于GIS技術(shù)的梅嶺國家森林公園景觀生態(tài)敏感度評價

余 磊，劉 牧，張綠水

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園林與藝術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330045 )

1 引言

隨著現(xiàn)代社會的進(jìn)步以及文化的發(fā)展，城市類型的人工環(huán)境和狹小空間已經(jīng)不能滿足城市居民的生活需求。森林公園具有觀光旅游、休閑娛樂、生態(tài)康養(yǎng)等獨(dú)具特色的服務(wù)功能，是現(xiàn)代城市居民所喜愛的靜謐之所，能夠放松身心，放空自我。

自1982年設(shè)立張家界國家森林公園開始，到2021年底，我國已經(jīng)擁有了881個國家森林公園。森林公園的開發(fā)與利用，必然給森林公園的生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展帶來嚴(yán)峻考驗(yàn)。對于森林公園景觀生態(tài)敏感性體系的出現(xiàn)，既是體現(xiàn)了人類活動的生態(tài)敏感度在自然生態(tài)資源中的重要性評價，也是對森林公園中生態(tài)單元的恢復(fù)能力進(jìn)行了評價。歐陽志云指出：生態(tài)環(huán)境敏感性中有關(guān)于環(huán)境問題難易程度的大小以及其研究區(qū)域呈現(xiàn)問題的可能性，都從側(cè)面反映出人類的干擾程度會導(dǎo)致自然環(huán)境的變化程度[1]。薛紀(jì)渝提出，脆弱生態(tài)環(huán)境的特征中包括了景觀生態(tài)敏感度，如果敏感度越強(qiáng)，則表示環(huán)境越脆弱[2]。

1967年Mc Harg教授撰寫的《DesignWith Nature》中首次提出將區(qū)域生態(tài)適宜性分析與生態(tài)敏感性評價的模型建立相結(jié)合，并且此書被視為國外生態(tài)敏感性研究的開端[3]，而國內(nèi)有關(guān)于生態(tài)敏感性研究主要從20世紀(jì)末開始。首先在生態(tài)敏感性評價方法方面：尹海偉等(2006)利用GIS結(jié)合因子等權(quán)疊加法對生態(tài)敏感性進(jìn)行分析[4]；胡磊等利用5個因子結(jié)合因子疊加法和層次分析法去對生態(tài)敏感性進(jìn)行空間分析[5]。其次在生態(tài)敏感性研究的尺度方面：Goyal RK以印度區(qū)域干旱的蒸發(fā)程度分析出全球氣候變化會改變其敏感性[6]；李霞等空間生態(tài)敏感性評價方法對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的演化趨勢進(jìn)行探究[7]。最后在生態(tài)敏感性評價的應(yīng)用方面：許維卿等對村級土地資源所能承載的能力利用生態(tài)敏感性評價的應(yīng)用進(jìn)行研究[8, 9]；祝玲等將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值以及生態(tài)敏感性的研究構(gòu)建生態(tài)安全格局以及優(yōu)化體系[10]；易丹等借助CA-MarKov模型和生態(tài)敏感性評價應(yīng)用對平原型城市開發(fā)邊界進(jìn)行模擬[9]。

本文旨在對梅嶺森林公園生態(tài)敏感區(qū)進(jìn)行等級分類，從而找出其中最自然、最脆弱的區(qū)域作分析評價，并且在保護(hù)高敏感區(qū)的同時，也要對低敏感區(qū)進(jìn)行合理的開發(fā)與利用。建立科學(xué)有效的森林公園景觀評價體系，能夠正確、客觀地了解景觀的本質(zhì)特征，從而更好的反映出景觀資源開發(fā)利用的適宜程度，成為使森林公園合理開發(fā)和可持續(xù)利用的基礎(chǔ)。而景觀敏感度的分析與評價是作為森林公園自然資源能否合理開發(fā)與利用的重要依據(jù)，通過分析景觀視覺敏感度去改善森林公園，在森林公園規(guī)劃設(shè)計過程中，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)模式向科學(xué)化、生態(tài)化模式的轉(zhuǎn)變。

本研究以梅嶺國家森林公園為研究對象，在對森林公園的高程、坡度、坡向和水文四大因子單獨(dú)評價的基礎(chǔ)上，將四大因子疊加形成綜合評價，以此為基礎(chǔ)提出了森林公園景觀規(guī)劃與開發(fā)利用策略，以實(shí)現(xiàn)梅嶺國家森林公園的科學(xué)布局和可持續(xù)發(fā)展。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

南昌梅嶺國家森林公園作為本次研究對象，地處南昌市的西北郊區(qū)域，距離南昌市中心為15 km，因地處南昌城區(qū)之西，歷史上也被稱為西山。森林公園東接南昌市區(qū)，南臨新建區(qū)，西接鄱陽湖，北依廬山，地理坐標(biāo)為115°37′～115°49′E，28° 40′～28 °50′N[11]，總面積達(dá)36134.6 hm2，而森林覆蓋率甚至高達(dá)73.94%[12]。森林公園中的植被類型主要由針葉林、闊葉林、竹林、灌叢以及灌草叢組成，并且2018年梅嶺曾獲“江西省示范森林公園”榮譽(yù)稱號，同時也是中國古典音樂和道教智慧的發(fā)源地。梅嶺國家森林公園地勢大多以平原為主，平均海拔約48.5 m，相對而言東南較為平坦而西北卻山脈連綿。公園內(nèi)年平均氣溫保持在14.5～17.6 ℃左右，普遍低于南昌城區(qū)1.0～2.5 ℃；年平均氣溫為17 ℃、平均相對濕度約70%～80%、年降水量為1730～1950 mm，氣溫四季分明，冬寒夏涼，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。

2.2 研究方法

首先，對梅嶺森林公園衛(wèi)星圖像的數(shù)據(jù)利用遙感圖像處理的方法去進(jìn)行分析和處理，以獲取研究區(qū)域的地貌、植物和其他有關(guān)特征的信息；其次，利用ArcGIS 10.6進(jìn)行空間數(shù)據(jù)測量與空間內(nèi)插、三維空間分析、空間統(tǒng)計分析和空間數(shù)據(jù)關(guān)系分析，并建立相應(yīng)的模型；最后，通過運(yùn)用GIS技術(shù)、因子疊加的方法，分別對森林公園從高程、坡度、坡向和水文四大因子方面進(jìn)行生態(tài)評價，并建立合理有效的森林公園景觀生態(tài)評價體系。

3 單因子景觀生態(tài)敏感度分析

3.1 高程

高程包括2個方面：絕對高程和相對高程，其代表著高于海平面以上的海拔高度。隨著高程的變化，森林公園中的降水、溫度和濕度均會發(fā)生顯著變化，同時植物的垂直分布特征也會更加明顯。因此，高程在景觀生態(tài)評價中具有非常重要的作用。隨著海拔的升高，氣溫會逐漸降低，從而導(dǎo)致生態(tài)多樣性的降低，加深生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性，降低適應(yīng)度?；诿穾X森林公園高程模型，可以得出公園最高海拔為837 m，最低海拔為-51 m，最高值與最低值之間相差888 m，相對來說高差較大?；诤０我蜃拥木坝^適宜性等級分布，以150、200 m高差為間隔等分可分為5個等級：即低適宜區(qū)(-51～150 m)、較低適宜區(qū)(150～300 m)、中適宜區(qū) (300～500 m)、較高適宜區(qū)(500～650 m)和高適宜區(qū)( 650～837 m)，從而可以得出基于高程因子的生態(tài)敏感度分級分布圖(圖1和表1)。

由表1可知，梅嶺國家森林公園相對高差較大，最高處海拔達(dá)837 m，而最低海拔僅為-51 m，兩者相差為888 m。從表1中可以看出較高敏感區(qū)和高敏感區(qū)面積分別占總比例的8 %和3%；較低敏感區(qū)、中敏感區(qū)面積所占為36%、30%，比例較大；而低敏感區(qū)比例居中為23%。同時圖中較低敏感區(qū)與低敏感區(qū)高程較低，主要分布公園東北方向，這些區(qū)域地勢平坦，易于開發(fā)，可作為入口區(qū)、森林游憩體驗(yàn)活動中心以及森林活動項(xiàng)目場所等[13]。

圖1 生態(tài)敏感度基于高程因子的分布

表1 基于高程因子的分級

3.2 坡度

坡度用于表示傾斜程度，即斜率。最常用的顯示坡度的方法是用2點(diǎn)的高差與2點(diǎn)的水平距離之比來表示。坡度越大，地表徑流的速度就會越大，水土保持的能力相對越弱，植被更容易遭到破壞。相反坡度如果越小，地表徑流的速度就會越低，水土就不會輕易的流失。此外，坡度越大地形越陡峭，施工活動更加困難，景觀的適用性相對來說就會越差[14]。

根據(jù)梅嶺森林公園的坡度柵格數(shù)據(jù)文件，可以按照森林公園的實(shí)地情況將坡度分為5個等級：即低敏感區(qū)(0°～10°)、較低敏感區(qū)(10°～20°)、中敏感區(qū)(20°～30°)、較高敏感區(qū)(30°～40°)、高敏感區(qū)(>40°)，從而得出基于坡度因子生態(tài)敏感度分級分布圖(圖2)。

由表2可知，坡度低敏感區(qū)面積、較低敏感區(qū)面積、中敏感區(qū)面積、較高敏感區(qū)面積以及高敏感區(qū)面積分別為8993.9 hm2、3962.5 hm2、9986.7 hm2、2572.5 hm2和230.1 hm2，占公園總面積的25%；39%、28%、7%以及1%。整體分析得出：由于敏感度高和較高的區(qū)域主要分布區(qū)域集中在山體的中上坡，再結(jié)合這些區(qū)域生態(tài)敏感性高并且坡度大的特點(diǎn)綜合考慮，對于這些區(qū)域需要進(jìn)行重點(diǎn)撫育與保護(hù)[15]。梅嶺森林公園較高敏感區(qū)和高敏感區(qū)所占比僅有8 %，因此總體而言森林公園絕大部分區(qū)域地勢較為平緩，方便基礎(chǔ)設(shè)施的布設(shè)和游客的游覽。

圖2 生態(tài)敏感度基于坡度因子的分級分布

表2 基于坡度因子的分級

3.3 坡向

坡向是指斜面，又可稱為坡面的朝向。山坡不同的朝向則會影響到日照的時間以及太陽輻射的強(qiáng)度，而日照的時間等相關(guān)因素也會影響到植物的生長狀況。因中國位于北半球[16]，因此南坡能夠接收到的陽光最多、日照強(qiáng)度也較高、植被生長條件相對較好，其次分別是東南坡和西南坡，而北坡接收到的陽光最少。

依據(jù)梅嶺森林公園的地形，坡向可分為9個方向：平面、正南坡、東南坡、西南坡、正東坡、正西坡、東北坡、西北坡、正北坡。再結(jié)合實(shí)際情況，將坡度按照敏感程度來進(jìn)行分類，可分為5個等級：即高敏感區(qū)(正北坡)、較高敏感區(qū)(東北坡、西北坡)、中敏感區(qū)(正東坡、正西坡)、較低敏感區(qū)(東南坡、西南坡)、低敏感度區(qū)(平地、正南坡)，從而得出基于坡向因子的景觀生態(tài)敏感度分布圖(圖3)。

從表3中可以看出，低敏感區(qū)和高敏感區(qū)比例相差不大，分別占森林公園總面積的12%和11%，而較低敏感區(qū)、中敏感區(qū)、較高敏感區(qū)雖相差不大，分別占總面積的25%、27%、25%，但所占比例卻明顯高于其他兩種類型。

圖3 生態(tài)敏感度基于坡向因子的分級分布

表3 基于坡向因子的分級

3.4 水文

水環(huán)境為動植物的生存提供了空間。水文因子也是森林公園規(guī)劃中最容易受到人為干擾的因素之一，必須對河流和湖泊等水生生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)進(jìn)行充分考慮，既要保護(hù)好系統(tǒng)自身的范圍，也要對周邊水體的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行保護(hù)[17]。梅嶺森林公園的水資源比較豐富，主要有沿山谷的河流和一些山間小溪。而越靠近水源的區(qū)域，會體現(xiàn)出敏感度越高的狀態(tài)，從而越容易遭到破壞。按照與水體距離的大小可以劃分為5個等級：即距水體小于100m為高敏感區(qū)，距離100～200 m的為較高敏感區(qū)，距離200～300 m的為中敏感區(qū)，距離300～400 m的為較低敏感區(qū)，距離超過400 m的為低敏感區(qū)(圖4)[18]。

由表4中可以得出，低敏感區(qū)所占比例最大，占總面積的91.4%，其他4種類型所占比例相差不大，并且所占比例特別小，分別為1.5%、1.6%、1.6%、3.7%。由此可以得出，梅嶺森林公園大部分面積區(qū)域距離水體大于400 m以上，所以不容易受到破壞。

圖4 生態(tài)敏感度基于水文因子的分級分布

表4 基于水文因子的分級

4 景觀生態(tài)敏感度綜合分析

本文中的高程、坡度、坡向和水文這4個指標(biāo)對景觀敏感度都有著不同的影響。研究區(qū)生態(tài)敏感度的不同是由多種單因素綜合影響而形成的[19]，因此在景觀生態(tài)敏感度綜合評價中，不僅需要確定研究中各指標(biāo)的權(quán)重，而且也要研究確定各指標(biāo)的相對重要性以及對景觀敏感度的影響程度?；诖?，本研究采用加權(quán)疊加法對梅嶺森林公園景觀生態(tài)敏感度進(jìn)行綜合分析，這一過程可以通過Arc GIS中的堆疊網(wǎng)格計算工具空間分析來實(shí)現(xiàn)。

通過計算，最終可得出梅嶺森林公園中各空間地塊的綜合得分值，綜合得分值表示為該空間地塊的綜合生態(tài)敏感度，若得分值越高，則生態(tài)敏感性越強(qiáng)(圖5)。

在綜合生態(tài)敏感性的灰色尺度圖中，顏色越深則代表著生態(tài)敏感性越強(qiáng)，需要更多的保護(hù)，發(fā)展和建設(shè)必須受到限制；顏色越淺，則結(jié)果正好相反。從灰色圖像上可以看出，綜合生態(tài)敏感性的最高值為4，最低值為1[20]。

根據(jù)研究需要，通過聚類分析在GIS空間分析模塊的作用，根據(jù)景觀綜合生態(tài)敏感性的不同，將梅嶺國家森林公園可以分為3個敏感區(qū)：即高敏感區(qū)(3 ～ 4)，中敏感區(qū)(2 ～ 3)，低敏感區(qū)(1 ～ 2)，最終獲得綜合景觀生態(tài)敏感度分布圖(圖6)。

圖5 梅嶺國家森林公園生態(tài)敏感度灰度

圖6 梅嶺國家森林公園生態(tài)敏感度分級分布

通過對景觀生態(tài)敏感度分級分布圖的分析，可以看出梅嶺國家森林公園生態(tài)敏感性總體來說較高，且高敏感區(qū)面積為11514.2 hm2，占總面積的32%。該區(qū)域以高海拔、坡度大為主，同時植被類型以喬木為主，伴有灌木和地被植物，因此植被多樣性較高，主要集中分布在各個山峰以及兩側(cè)。同時該區(qū)域?qū)ν饨绲母蓴_非常敏感，一旦受到外界的干擾，不僅會對該區(qū)域產(chǎn)生影響，甚至?xí)?yán)重影響到整個森林公園的生態(tài)系統(tǒng)[21]。因此，它是一個需要高度保護(hù)的區(qū)域，應(yīng)該嚴(yán)格保護(hù)、禁止開發(fā)(表5)。

中敏感區(qū)面積為22634.7 hm2，占整個公園面積的63%，在總面積中占比最大。該區(qū)域郁閉度高、植被多樣性豐富，而生態(tài)敏感性屬于中等。同時該區(qū)域具有一定的抗外界活動干擾的能力，能夠承受溫和的人為干預(yù)，也具有自我調(diào)節(jié)的能力。因此該區(qū)域可以進(jìn)行合理的開發(fā)，但開發(fā)利用時不要超過該區(qū)域的可耐受限制，注意開發(fā)的范圍和強(qiáng)度。

表5 綜合景觀生態(tài)敏感區(qū)分類統(tǒng)計

低敏感區(qū)面積為1985.7 hm2，占整個公園面積的5%。該區(qū)域地勢較為平緩，主要分布在梅嶺山體腳下，生態(tài)敏感度低，并具有一定的自我調(diào)節(jié)能力，能夠承受一定程度的人為干預(yù)[22]。因此，該區(qū)域適合進(jìn)行一定強(qiáng)度的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與旅游開發(fā)活動，充分發(fā)揮梅嶺森林公園作為南昌市后花園的休閑游憩價值。

5 結(jié)語

如前文所述，景觀生態(tài)敏感度越高，其保護(hù)價值越大，即高敏感度區(qū)等同于高級別保護(hù)區(qū)。因此在梅嶺國家森林公園的規(guī)劃與管理過程中，對不同景觀生態(tài)敏感度的區(qū)域，應(yīng)該采用如下不同的保護(hù)與管理措施：

(1)對于高敏感度保護(hù)區(qū)，應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)和生態(tài)修復(fù)，對景觀視域內(nèi)的土石草木均實(shí)行嚴(yán)格保護(hù)。除必要的簡易山道、棧道和便橋涵洞外，嚴(yán)禁建造其他人工建筑與設(shè)施。強(qiáng)調(diào)保護(hù)自然景觀之本色，嚴(yán)格控制人為活動的影響，避免形成對自然生態(tài)環(huán)境的破壞。

(2)對于中敏感度保護(hù)區(qū)，可布設(shè)較寬的游步道，方便游客游覽與欣賞森林美景。同時也可以圍繞森林景觀提升、基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)化開展適度建設(shè)，提升森林公園的吸引力。中敏感度保護(hù)區(qū)宜結(jié)合風(fēng)景環(huán)境適當(dāng)發(fā)展人文景觀，在強(qiáng)調(diào)保護(hù)自然植被的同時，精心設(shè)計和實(shí)施植物造景，適當(dāng)建設(shè)人工生態(tài)環(huán)境。

(3)對于低敏感度保護(hù)區(qū)，可以視條件建立一些綜合性服務(wù)設(shè)施、旅游設(shè)施、公路建設(shè)或開辟休憩娛樂場所。同時也可以進(jìn)一步提升生態(tài)環(huán)境建設(shè)和景觀優(yōu)化，在公路兩側(cè)要大規(guī)模地綠化，鼓勵植樹造林，也可適當(dāng)?shù)亟M織農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)[23]。