GIS支持下北京市海淀区生境服务制图研究

刘文平, 宇振荣



GIS支持下北京市海淀区生境服务制图研究

刘文平1, 宇振荣2,*

1. 华中农业大学园艺林学学院, 武汉 430070 2. 中国农业大学资源与环境学院, 北京100193

定量化识别生境服务的空间分布是城市生物多样性保护的前提。论文从生境斑块质量和生境格局两方面构建了生境服务的量化指标及其方法框架, 并基于遥感影像解译和实地调研数据利用GIS工具对北京市海淀区进行了生境服务制图研究。结果显示,生境服务供给能力最高值主要分布于海淀区西部山区和中部圆明园、颐和园一带以及北部翠湖湿地附近的零星区域, 占全区总面积的16.54%。海淀区北部农村地区的绿色基础设施区域生境服务供给能力次之, 分散分布于西部山前地带及北部农村村庄外围的人工林地和园地区域, 占全区总面积的32.44%。海淀区南部城区及中部城乡交错区的生境服务供给能力最低, 占全区总面积的24.68%。海淀区大部分农村居民点所提供的生境服务也较弱, 占全区总面积的26.34%。生境服务制图结果可以为城市生物多样性保护决策制定提供一个定量化且直观形象的参考依据。

城市生境; 生境服务; 空间制图; 海淀区

1 前言

城市生物与大气、水、土壤等自然要素一起共同构成了城市居民赖以生存的生态环境基础[1, 2], 因而城市生态环境的结构和功能与城市生物多样性与密切相关[3]。城市生物多样性是指城市范围内除人以外的各种有机体所体现出来的基因、物种和生态系统的分异程度[2]。生物资源的分异决定了城市生物多样性具有多种利用价值, 如提供食物、燃料等直接利用价值[4], 授粉、分解土壤有机物等生态价值[5], 以及供人类观赏与研究的科研价值和美学价值[6]等。保护城市生物多样性对满足城市日益增长的人口对粮食、卫生、气候调节、病虫害防治等多方面需求均有至关重要的作用[7]。

随着城市化进程的快速推进, 人类剧烈频繁的活动造成了城市生境的不断丧失和破碎化, 进而引起城市生物多样性的下降[1, 8-9]。以北京市海淀区为例, 在过去的30年内, 海淀区为满足日益增长的人口和社会经济发展需求而进行了一系列集约化甚至是颠覆性的土地利用活动, 大量自然斑块和乡土植物从城市中被铲除[10], 造成了严重的生境破碎化与生物多样性下降, 进而影响了城市生态系统所提供的水体净化、作物授粉调节等多项人类福祉的提供。城市如何合理保护生物多样性以提供可持续的生态系统服务, 已成为当前备受国内外各界关注的一个新难题。

传统的生物多样性保护, 或者是针对某单一物种的保护(如珍稀、濒危物种的保护)[11], 或者是盲目强调物种类型的多样化[12], 忽略了物种优势度和均匀度, 从而引起同一保护区内多样物种之间的不正常竞争, 不仅没有达到保护生物多样性的目的, 还降低了生物生存所依赖的生境质量。从城市尺度上来讲, 生境的多样化是生物多样性的前提和基础, 生境的稳定是生物多样性保护的前提和基础[13]。就城市而言, 生境是由植被、土壤等因素共同形成的景观生态单元[14], 生境服务就是这些生态单元所提供的生物赖以生存的生态功能。城市生境服务空间化制图对地域空间具有很强的解释性, 这种解释能力可以显示出生境结构与功能状况的优劣及其空间分布水平[15], 从而为城市生物多样性保护决策制定者提供一个定量化且直观形象的参考依据。因而, 探讨生境服务定量化空间制图对城市生物多样性保护具有重要意义。

生境服务的提供与由人类主导的土地利用的时间和空间变化有关[15]。有时, 生境服务并不是由一种土地利用或土地管理所提供或产生的, 而是由多种土地利用或多个系统共同管理得到的结果[16,17], 这使得生境服务非常难以定量化。已有的生境服务定量化制图方法, 如价值化方法[18]、能值评估[19]、当量量化[20]以及土地覆被链接矩阵[21]等方法, 多以物种丰富度或土地覆被的生境适宜性来表征生境服务, 指标单一且常常忽略了生态系统中重要的空间格局关系。因而, 寻求合适的定量化方法来准确、全面反映生境服务是非常必要的。本研究即是在此背景下, 以北京市海淀区为研究区, 试图通过综合考虑植物物种类型及其空间格局关系来定量化绘制城市生境服务, 为城市生物多样性保护提供科学的定量化参考。

2 研究方法

2.1 数据收集与处理

植物是城市生境的重要组成部分, 生境服务制图的基础就是研究区内的自然、半自然植被以及城乡公共绿地所构成的绿色空间。

2.1.1 绿色空间遥感解译

采用分辨率为2.5 m的SPOT5全彩色遥感影像(2010年7月), 以人机交互方式对海淀区绿色空间进行解译, 并建立绿色空间数据库, 作为生境服务制图的基础数据。绿色空间共解译为公共绿地、农田、林地、园地、水体、其他绿地和城乡建设用地共7类。

2.1.2 自然、半自然植被调查

海淀区的自然、半自然植被主要是由山区的自然林地、平原区的人工林地和农田景观组成。采用分层随机抽样方法分别对这三类景观的植被进行调查。首先, 以颐和园万寿山为中心点, 依次向外划分1 km宽的缓冲区; 然后, 基于每一缓冲区内的林地和农田景观现状, 随机选择1—3块300m´300m大小的样地进行调查, 最终共选择了37个林地样地和17个农田景观样地(图1a)。每一样地调查, 主要记录样地内植被群落的组成结构, 包括乔灌木种类与数量、植被覆盖度等信息。以上调查于2013年8月完成。

2.1.3 公共绿地植被数据获取

公共绿地植被相关数据主要来自《北京市城市园林绿化普查资料汇编》(2010年)和海淀区园林植物种质资源调查数据库(2012)。依据海淀区城区绿地类型及其分布现状, 共选择了107块绿地, 包括37个公园、19个大学、22个观光采摘园、19个酒店、7个医院和3个高尔夫俱乐部(图1b)。每一绿地植被数据获取内容同自然、半自然植被样地调查内容。

基于自然、半自然植被样地和公共绿地植被样地调查数据, 利用GIS克里金插值工具获得研究区全区范围内的植被相关数据。

2.2 生境服务制图

2.2.2 生境服务指标

生境质量与生境格局是影响生物生存所需的食物以及避难和活动场所的关键要素[22]。其中, 生境质量与生境面积、植被覆盖度和植物多样性有显著相关性[23]。生境面积不仅为生物提供了生存的空间, 还在一定程度上增加了生物生存的食物来源。植物多样性反映了生境的本质属性, 是决定生物生存的关键因素。而植被覆盖度则是生境植被群落生长态势的重要指标, 对指示生境健康有重要作用。生境隔离程度是影响生物扩散生存的重要因素。景观格局指数中斑块最邻近距离(ENN)和斑块结合度(COHESION)是指示生境隔离程度的重要指标。

因此, 本研究选取生境面积、植被覆盖度、植物多样性、斑块最邻近距离和斑块结合度作为生境服务的定量化指标。为便于量化计算每一指标, 将研究区统一划分为300 mÏ300 m大小的网格进行数据处理。各指标计算公式如表1。

表1 生境服务评价指标

2.2.2 生境服务制图方法

基于生境服务指标, 构建出生境服务制图方法框架(图2)。首先, 通过生境面积与植被覆盖度指标相乘获得有效生境指数; 然后, 将有效生境与植物多样性指标通过链接矩阵方法获得生境斑块质量指标(图3a); 将景观格局指数ENN与COHESION通过链接矩阵获得生境格局指数(图3b); 最后, 将生境斑块质量和生境格局指数通过链接矩阵方法获得最终的生境服务(图3c)。各指标在使用链接矩阵前, 需要先利用ArcGIS中的Natural break方法划分为5级, 然后根据指标等级确定指标得分, 指标等级对生境服务的积极影响越大, 则其得分越高。其中, 若构成链接矩阵的两指标均对生境服务有正面影响, 则其最高等级(5)相交处的数值赋值为1, 然后沿其水平与垂直方向依次逐级降低0.1赋值, 如植物多样性与有效生境构成的链接矩阵(图3a)和生境格局与生境斑块质量构成的链接矩阵(图3c); 若构成链接矩阵的两指标对生境服务的影响方向不一致, 则负面影响指标最小等级(1)和正面影响指标最大等级(5)相交处赋值为1, 然后沿其水平与垂直方向依次逐级降低0.1赋值, 如景观格局指数ENN与COHESION构成的链接矩阵(图3b)。

根据生境服务供给能力最终得分矩阵(图3c)可知, 当生境服务得分为0.3时, 表明至少有一指标对生境服务的积极影响促进作用或其消极影响的减弱作用开始显现; 当生境服务得分为0.5时, 表明至少有一指标对生境服务的积极影响高于其平均水平或其消极影响低于其平均水平; 当生境服务得分为0.8时, 表明两指标对生境服务的积极影响促进作用或其消极影响减弱作用已占据主导地位。因此, 为方便量化分析研究区生境服务供给能力的区域差异化, 本研究将最终的生境服务供给能力划分为四等级: 弱(0.2—0.3), 较弱(0.3—0.5), 较强(0.5—0.8), 强(0.8—1.0)。

3 研究结果

3.1 生境服务单项指标评价结果

生境面积评价结果显示(图4a), 海淀区大面积生境主要分布于西部山区, 平原区北部地区也有分布; 而越靠近城区, 生境面积越小, 破碎化分布越明显。面积大的生境可以为生物提供更多的食物资源和生存空间, 可见研究区西部山区和北部平原区部分地区是生物较适宜生存的空间。植被覆盖度、有效生境与生境面积评价结果相似(图4b,4c), 越靠近山区和北部平原地区, 植被覆盖度就越高; 越接近城区, 植被覆盖度则越低。植物多样性评价结果呈现出明显的受人工干扰的空间影响(图4d), 除西部山区外, 植物多样性高的区域均为城乡公共绿地且大部分为公园绿地, 如分布于城区的颐和园、圆明园、紫竹院、玉渊潭等公园以及北部乡村地区的翠湖湿地公园均具有较高的植物多样性。相较而言, 北部农村地区的人工林地、园地及农田的植物多样性则较低, 存在树种单一、植被搭配简单等问题。生境质量的综合评价结果显示(图4e), 除海淀西部山区、北部翠湖湿地及其周边区域以及南部颐和园、圆明园区域生境质量较高外, 其他地区的生境质量均较低。

生境隔离程度对低散布能力的植物物种影响明显, 而高的生境连通性则有可能为广布种提供更多的食物资源和生存空间[24]。景观格局指数评价结果显示, 指示景观连接度的斑块结合度(COHESION)指数在海淀区西部山区和南部城区区域的值较高, 其他区域的值则较低(图4f), 说明这两个区域的土地覆被类型连通性较高。结合研究区绿色基础设施分布现状可知, 西部山区的生境连通性较高, 而其余地区的生境连通性则较低。平均邻近距离ENN评价结果显示海淀区北部农村地区ENN值较高, 而西部山区ENN值则较低(图4g)。ENN反映了斑块的隔离程度, 一般ENN值越大, 相同类型斑块之间的离散程度较高。可见, 研究区北部农村地区生境隔离度较大。生境格局综合评价结果表明(图4h), 西部山区与中部颐和园、圆明园区域最有利于生物栖息与活动。

3.2 生境服务综合制图结果

生境服务供给制图结果显示(图5), 生境服务供给能力最高值(0.8—1.0)主要分布于海淀区西部山区和中部圆明园、颐和园一带以及北部翠湖湿地附近的零星区域, 占全区总面积的16.54%。海淀区北部农村地区的绿色基础设施区域生境服务供给能力次之(0.5—0.8), 分散分布于西部山前地带及北部农村村庄外围的人工林地和园地区域, 占全区总面积的32.44%。海淀区南部城区及中部城乡交错区的生境服务供给能力最低(0.2—0.3), 占全区总面积的24.68%。海淀区大部分农村居民点所提供的生境服务也较弱(0.3—0.5), 占全区总面积的26.34%。

总体来看, 海淀区高生境服务供给区域分布不均匀, 特别南部及中部城乡交错区域生境服务质量和数量严重不足, 且破碎化分布的格局更进一步削弱了生境功能。

4 结论与讨论

(1) 城市持续的生物多样性损失窘境迫切要求能够空间定量化大尺度城市生境服务的技术。本研究综合考虑生境斑块质量与生境格局的定量化生境服务制图, 有效反映了研究区生境服务的提供能力及其空间分布情况, 为城市生物多样性保护提供了有意义的参考。总体来看, 北京市海淀区西部山区和中部圆明园、颐和园一带生境服务供给能力最高, 北部后沙涧村及其附近区域生境服务供给能力次之, 而南部城区及中部城乡交错区生境服务供给能力最低。

(2) 大量研究表明, 生境结构、生物过程和生境服务之间的关系是直接相关的[25-26], 如一些生物多样性保护研究通过建立生态廊道以改善当地物种的生存格局环境, 进而提高生境服务[27-28]。然而, 鉴定景观格局与生境服务之间的关系仍然是非常困难的[13], 这种关系的鉴定常常与特定的物种有关, 很难应用到不同背景下的实践中。国内外研究多是通过建立生境适宜性评价指标体系或模型方法来定量化特定生物的生境质量, 尤其是一些珍稀濒危物种, 如对大熊猫、马鹿、黑猩猩、普氏原羚等生境服务的评估[29–31], 而一些普通生物的生境特别是城市生境则甚少被关注。英国城市自然保护研究则采用植物种类丰富度、稀有种的出现频次以及优势种数量等指标对城市残存近自然生境进行了评估, 全面考虑了一般生物的生境服务, 但其评估区域则未包括城市公园等休憩型绿地[32-33], 导致这些绿地在城市绿化过程中其生境功能很容易被忽视从而被人工景观所替代。基于服务当量的生态系统生境服务评估方法虽然可全覆盖城市区域, 但忽视了各区域生境质量的差异性[20]。而基于价值量化法得到的生境服务结果则更多反映了人们对生境服务的支付意愿, 并不是生境服务本身的量化[34]。本研究在综合国内外现有研究的基础上, 以城市全地类为评估对象, 从空间隔离的角度来考虑一般生物生境的景观格局影响, 进而反映生物在不同生境斑块之间活动与栖息的生境服务, 在探索考量空间影响的城市生境服务定量化方面迈出了一小步。未来研究仍需考虑更多、更能反映多数物种生境功能的格局因素, 进一步提高生境服务制图的准确性。

(3) 诚如本研究综合考虑生境格局与生境质量两方面因素来定量化城市生境服务一样, 我们不能简单地将物种多样性理解为生境服务, 也不能简单地将物种丰富度理解为生物多样性[2]。当前已有的城市绿化建设, 常常通过在原有生境基础上引进大量外来物种来增加物种多样性[2], 以达到城市生物多样性保护的目的。虽然这种方法使得整个城市的总体物种丰富度增加了, 但全市尺度上的物种优势度和均匀度并没有也随之改善, 生物生存的生境空间也没有得以提升, 甚至外来物种对本地生境的侵占还会严重影响本地物种的生存[12]。城市生物多样性保护要以改善生境服务的前提下来增加物种丰富度。

(4) 城市绿色空间是城市中动植物的主要生境栖息地。然而, 由于受城市中高强度的人为干扰影响, 城市绿色空间常常被分割为相互隔离的一块块低质量的生境碎片, 对城市生物生存与生境保护造成了极大挑战, 特别是对动物多样性的保护。城市生境保护一方面要注意对原有生境的保护, 一方面也要强调对已遭破坏的生境进行恢复, 必要时可以营造一个新的多样化的生境; 同时, 还需在城市尺度上构建生境网络, 使破碎化的生境相互之间建立起能量流通、物质流通的联系。

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Mapping urban habitat service based on GIS in Haidian District, Beijing

LIU Wenping1, YU Zhenrong2,*

1. College of Horticulture & Forestry Sciences, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China 2. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China

It is the premise for urban biodiversity conservation to quantitatively identify the spatial distribution of habitat service. A new method framework of mapping urban habitat service incorporating habitat quality and habitat pattern was proposed as well as habitat service indicators in this study. Habitat service of Haidian District, Beijing, China was mapped using remote images interpreted data and investigated information and GIS tools. The results showed that area in the western mountains of Haidian district and the middle area along the Summer Palace and Yuanmingyuan park provided the highest habitat service as well as several small pockets nearby Cuihu wetland, which occupied 16.54% area in total of Haidian District. Both habitat services in front of western mountains and green area scattered distribution in north villages were lower than western mountains but higher than other study areas, which occupied 32.44% area in total of Haidian District. The southern central district and urban-rural ecotone in the middle provided the lowest habitat service, which occupied 24.68% area in total of the study area. Habitat services in most rural settlements of Haidian were also small but higher than the southern central district, which occupied 26.34% area in total of the study area. Habitat service map could provide a quantitative and direct-viewing reference for decision making of urban biodiversity conservation.

urban habitat; habitat service; spatial mapping; Haidian District

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.02.021

F301.2

A

1008-8873(2017)02-144-08

2015-09-30;

2015-10-16

国家自然科学基金项目(51508218); 中央高校基本科研业务费专项资金(2662015QC025, 2662015BQ010); 国家科技支撑计划课题资助项目(2012BAJ24B05)

刘文平(1987—), 男, 山西大同人, 博士, 讲师, 主要从事景观服务与地景规划研究, E-mail: liuwenping@mail.hzau.edu.cn

宇振荣, 男, 博士, 教授, 主要从事景观生态规划、3S技术与土地利用规划研究, E-mail: yuzhr@cau.edu.cn

刘文平, 宇振荣.GIS支持下北京市海淀区生境服务制图研究[J]. 生态科学, 2017, 36(2): 144-151.

LIU Wenping, YU Zhenrong. Mapping urban habitat service based on GIS in Haidian District, Beijing[J]. Ecological Science, 2017, 36(2): 144-151.