土地利用与生物多样性绩效研究及对风景园林规划的借鉴

2018-09-05戴伟孙一民

风景园林 2018年4期

戴伟孙一民

1 引言

生物多样性体现基因、物种和生态系统的异质程度[1]。土地变化是生物多样性变化的主要诱发因素，均质、蔓延、无序的土地利用加剧了生物多样性削弱的趋势。2010年以来，土地利用与生物多样性的研究成为生物多样性保护、土地资源管理、土地利用规划的核心内容。以生物多样性为主导的生态绩效成为衡量城乡用地可持续与韧性发展的重要标准，在促进土地利用与生物多样性的整合与协调发展方面起到了积极的作用[2]。

目前，对土地利用与生物多样性的研究主要从生境管理与生物多样性保护[3]、格局破碎化与生物多样性保护[4]、土地变化梯度与生物多样性[5]、土地利用政策与生物多样性[6]、各类环境变化与生物多样性[7]、生态服务系统与生物多样性保护[8]、生物多样性保护风险[9]等方面开展。另有文献也从特定的土地类型出发，阐述其与生物多样性之间的关系，并对农地[10]、森林[11]、水域[12]等常见用地类型展开探讨。在法规层面，《中国生物多样性保护战略与行动计划》作为中国多样性保护的一个重要的里程碑文件，明确了今后20年生物多样性保护的战略目标、战略任务、基本原则及技术支撑等关键内容[13]。

因此，本文从土地利用的关键性因子出发，在分析土地利用对生物多样性作用机理的基础上，总结了土地类型组成、土地利用连接度、土地利用强度与土地利用聚合度4个因子对生物多样性绩效目标影响的研究现状，阐述了进一步完善土地利用与生物多样性研究的若干方面，重点提出了生物多样性绩效分析在风景园林规划中可资借鉴的几点思考。

2 土地利用与生物多样性

2.1 土地利用

土地利用是指人类通过各种使用活动对土地长期或周期性的经营，是一种动态的过程[14]。土地利用与特定时空下的经济、政治、社会、文化、自然条件等因素有关。其中，土地利用的空间结构及其扩张模式是对现状土地利用研判的核心。从系统的角度说，其涵盖多维性、尺度效应、动态与不确定性等综合问题。通常，土地利用的空间结构可用形态指标、类型指标和强度指标表达。土地利用的扩张模式可用单中心发展模式、多中心发展模式、线性发展模式、网状发展模式、圈层式发展模式阐述[15-16]。

2.2 生物多样性

生物多样性变化是土地利用变化所产生环境价值得失的重要评价要素之一，是衡量生态系统服务是否正常运作的直观表征[17]。生物多样性的改变涉及能量流动、物质循环和生物过程3个层面。

通常，对生物多样性绩效的评估主要有2类。第1类为物种数量评估法，通常观测并统计各种生物总量、野生动植物非正常死亡数量、生物栖息地数量变化等，一般适用于小尺度研究范围。第2类为指标评估法，测算不同类型的土地（总面积、长度、数量比例等）对样本区域生境种类丰富程度、生境健康程度的影响。指标评估法中又以多样性指数应用最为广泛，包括对斑块丰度PR、香农多样性指数SHDI、辛普森（Simpson）多样性指数SIDI、香农均匀度指数SHEI、辛普森（Simpson）均匀度指数SIEI、景观优势度DOMI等[18]。比较这2种评价方法，物种量评估法的准确性受布点位置选取的影响较大，指标评估法则需要大量数据与图纸作为支撑，其准确性与样本区域数据取样的粒度与幅度有关①。

2.3 土地利用对生物多样性的影响

不同的土地形态对环境造成不同的变化，进而影响生物的多样性，三者之间的关系如图1所示。合理的土地类型匹配，合适的生态廊道密度等对环境变化具有正向调控作用，有利于提升生境健康程度，增加生物对环境的适应能力，从而提高生物多样性。相反，不合理的土地类型比例、不透水的下垫面与不连通的蓝—绿网络等具有负向调控作用，使生物对环境的适应能力降低。不合理的土地利用类型将引发径流污染、洪涝、空气污染、热岛、水土流失等问题，直接导致物种数量的下降甚至消失。正是通过调控土地类型、强度、连接性、聚合性等关健性因子，从而改变人工—生态系统结构，激发环境物质、能量和信息流动的变化，对大气循环、水循环、土壤侵蚀等生态过程产生影响，并造成生物对环境适应能力的变化，影响物种繁殖和物种迁徙。

3 土地利用与生物多样性绩效研究现状

基于上述分析，为突出土地利用变化对生物多样性绩效的影响，笔者从土地类型组成、土地利用连接度、土地利用强度与土地利用聚合度4个关键性因子对现有研究状况展开阐述。

3.1 土地类型组成与生物多样性

1 形态—过程—绩效的作用关系图Relationship diagram among pattern, process and performance

这类研究主要通过改变土地类型组成比例，增加土地利用混合度等方式探究不同土地类型比例对生物多样性造成的影响。主要研究结论有：1）不同类型的土地组成方式对生物多样性的影响不同。Fu等[19]对不同组成比例的土地利用类型开展对比研究后发现，林地—草地—耕地的土地组成类型较林地—坡耕地—草地、草地—林地—耕地的土地组成类型具有更好的土壤水分和养分保持能力，有利于促进生物多样性的发展。2）不同子类型的土地能够不同程度地影响生物多样性。以绿地为例，不同子类的绿地因其生物量、绿当量等不同，对生物多样性造成不同程度的影响。例如，Alberti等[20]将森林、灌木、草地、城市绿地的不同绿地形式的组合与鸟类多样性进行相关分析，发现等面积的森林变化对鸟类生物多样性变化的影响程度最大。Strohbach等[21]通过研究测定表明，城市绿地的碳储能力比森林要低，而且公园绿地树木年死亡率的提高大大削弱了城市公园的碳循环能力，导致植被多样性降低。3）增加土地利用混合度有利于提高生物多样性。Ortega等[22]研究了城市地区绿地、居住用地、商业用地与鸟类多样性的空间分布特征，发现增加土地利用混合度与城市鸟类多样性呈正相关。Arno等[23]研究发现在建设用地中加入适量草地与荒地的混合利用模式具有更优的水土保持能力，能够促进生物多样性的发展。

3.2 土地利用连接度与生物多样性

这类研究主要以探索不同交通廊道、生态廊道、土地扩张方式的变化为例，阐述土地利用连接度变化对生物多样性产生的影响主要研究结论有： 1）交通性廊道对生物栖息地的割裂使土地破碎化和岛屿化，给生物穿越带来阻碍。同时，交通行为增加了土壤重金属含量，通过渗入地下水系影响生物健康。交通性廊道的平面宽度和剖面高度是影响生物多样性的主要驱动因素。Freemark等[24]认为穿越林地的道路应减少其平面宽度并增加剖面高度，以供生物穿行。因此具有合适宽度与高度的道路可减缓生物栖息地破碎和岛屿化的现象。2）不透水表面作为割裂土地的重要因素对生物多样性的变化影响很大。Su等[25]研究了不透水表面下的水体蓄洪能力、不透水面积与生物多样性的关系，得出生物多样性与不透水面积呈负相关。Miltner等[26]认为城市不透水面积率超过13.8%时，大型无脊椎动物数量呈明显下降。3）建立绿道、水系等生态廊道可增加蓝—绿网络连接度，合理的宽度与多样化的廊道设置对生物多样性有积极的影响。朱强等[27]研究了生物廊道缓冲宽度与其生物多样性的关系，提出了基于不同道路宽度条件下的多样化绿色廊道。4）规则的土地形状有利于促进土地利用连接度。李峰等[28]应用多边形综合指数法对绿地空间进行了评价与预测，认为规整的绿地空间能够促进生物的多样性。Chen等[29]论证了直线形建设用地比曲线形建设用地更能保持原生态系统的完整性，并提出控制曲线形土地利用形状的策略。5）边缘式扩张能更好地保护土地类型的完整性。例如Su 等[30]指出跳跃式的扩张模式将造成格局破碎化，不利于生物之间的信息交流。

3.3 土地利用强度与生物多样性

土地利用强度最直接地反映了人类对自然环境的干扰程度。人类通过占用土地，更改其下垫面的组成，导致环境的变化。对于建设用地类型而言，土地利用强度主要体现在建筑密度与容积率上。主要研究结论有：1）土地利用强度的变化可以作为基本参数预测生物多样性的变化。McKinney 等[31]发现生物多样性梯度从城市边缘到城市中心呈现递减关系。仇江啸等[32]发现建设密度与生物多样性的变化呈负相关关系。Aguilera等[33]通过梯度扩张规律,模拟了城市土地2020年的扩展状况。Braat等[34]发现当土地开发强度大于50%时，会对生物多样性造成严重威胁。Herold等[35]发现城市热岛斑块数随着建设用地的密度增加而增加，并得出多样性指数与热岛斑块数呈正相关。Chirino等[36]发现土壤侵蚀对生物多样性的影响主要与土壤的产流和产沙量相关。Nedkov等[37]利用GIS水文模型研究了土地利用与生物多样性之间的关系，发现人口密集区、人工建设用地集中区的洪水问题最严重，生物多样性最小。Alberti等[38]认为土地利用的连接度和强度改变了土壤水分及养分组成，使得土壤初级生产能力下降，导致生物环境偏好的改变，降低了生物多样性。2）增加城市绿化率有利于提高生物多样性。对于绿地类型而言，土地利用强度主要体现在绿化率、绿地率等指标上。丁宇等[39]发现增加城市绿地率可调节大气污染，有利于提升生物多样性水平。Zhang等[40]运用大数据及元胞自动机模型模拟了城市绿地率的变化，指出用绿地率控制生物多样性的思想。

3.4 土地利用聚合度与生物多样性

“土地利用聚合度通常关注各类用地发展的聚散程度，并表征空间结构的扩张方式（通常边缘式扩张与跳跃式扩张2种状态下的土地利用聚合度不同）。主要研究结论有：1）紧凑型的土地类型能够保证生态过程的稳定性，促进生物多样性发展。Schindler等[41]发现在土地演替过程中，当各类型土地空间分布从极度蔓延到相对集中时，生物多样性呈现增大的趋势。Stone等[42]认为紧凑型城市空间比蔓延型城市空间对生物多样性更加友好。Roschewitz[43]、 Stubblefield等[44]论证了集约化的土地利用与鸟类丰富程度呈现正相关。王勇等[45]发现集约化的绿地能够促进间接影响生物多样性的变化。2）不同的建设用地外部形态对生物多样性的影响不同。建设用地的外部形态包括单中心、多中心、组团型、片状与带状。例如，颜文涛等[46]论证了多中心的建设用地、多中心的绿地能增加生物多样性。吕斌等[47]研究了中国35个城市建成区的边界，采用聚合度等形态量化指标，发现组团型城市生物多样性最好，其次是片状城市，而带状城市较差。

4 完善土地利用与生物多样性研究的思考

上述研究探索了土地利用与生物多样性的关系，得出很多有价值的结论。笔者在这些结论的基础上，认为以下5个方面值得未来进一步研究与突破。

4.1 完善对多样性指标的研究

现有多样性指标作为分析和决策的基础具有重要的作用，但亟需完善。不可否认现有多样性指标主要是从统计学意义上表述了土地类型组成及面积比例，但大多基于宏观尺度给出的数据条件，缺乏对中观与微观尺度生态过程的数据采样。例如，1）边界与指标的关系。现状研究中面积提取以遥感图中的边界为基础，这种计算方法看似合理，却过于粗放，不仅忽略了不同土地利用类型边界在交替时的动态生物过程，也忽略了实际生态系统边界的开放性。2）垂直过程与指标的关系。基于景观生态学原理，土地利用的动态过程包括宏观尺度的水平过程与中微观尺度的垂直过程2类。与水平过程不同，垂直过程通常需要基于三维数据综合研判。由于多样性指标的基本数据与参数设置来源于宏观尺度的二维遥感影像，缺乏三维特征，不能反映垂直过程，导致现有多样性指标的通用程度不高。3）空间结构变化与指标的关系。空间结构具有空间属性，但现有多样性指标难以分析多尺度空间结构变化为主导的土地利用变化过程。因此完善多尺度条件下多样性指标的通用性是未来研究需要突破的难点。

4.2 加深对生态机制的理解

土地利用与生物多样性的深层次研究需要以深刻理解生态机制为基础。从生态学意义上说，土地利用的变化，同时改变了人工系统与生态系统的结构，从而改变物质流、能量流和信息流的空间流动性，影响生物多样性。土地利用变化是改变生态机制的外在条件，生态机制是生物多样性、环境特征发展与演变的内在因素。深刻认知生态机制，确定土地利用与生态过程的行为是否相统一，以增强土地利用与环境过程之间的相容性，为提高生物多样性提供健康的物质条件。因此，要加强以物质流、能量流和信息流为主导的生态机制对生物多样性影响的研究，深刻理解生物多样性与土地利用变化的动态过程关系。例如，1）研究不同类型的下垫面在不同空间位置变化的情况下如何影响物质流、能量流和信息流交互，对比可能产生的影响。2）研究物质流、能量流和信息流与指标之间的传递关系，从传递效益的角度探讨系统阈值。

4.3 加强时空异质性研究

土地利用与生物多样性的关系具有时空异质性，这为制定不同尺度的管理政策带来了难点。一方面，通过遥感影像解译获取的数据消除了时空对生物多样性绩效的影响。因此，不同地区的土地格局即使指标相同，其实际生态过程的多样性含义也不相同。另一方面，土地利用对生物多样性的作用伴随复杂的尺度效应，在一个尺度上直接使用另一个尺度上的研究成果，必然会与实际存在较大偏差。未来需要加强地理时空异质性的研究。例如，1）研究不同尺度下土地利用对生物多样性变化的影响，推演自相关性指标，建立土地利用在不同尺度中的应用规则。2）研究时空特征对生物多样性影响，依据不同区域适当对理论数值进行修正。3）研究宏观尺度的规则如何对中微观尺度产生影响，以及中微观尺度的规则如何对宏观尺度产生影响（反向原理）。

4.4 推动参与式情景模拟

未来环境变化具有不确定性，而对土地利用—生物多样性绩效的关联性分析可以成为预测未来土地利用空间格局及其扩展模式的基础工作。目前，韧性的土地利用已经成为规划领域亟需解决的难题。因此，需要推动利益相关者参与分析，以若干实证案例为先导，协同探讨规划何种土地利用空间格局及其扩展模式可以同时适应各种类型的环境变化，重塑土地利用格局，并合理科学地设置土地扩展的阈值，探讨极端发展情况下生物多样性恢复的可能性。

4.5 深化非线性系统规律的解译

土地利用与生物多样性之间的发展关系非常复杂。一方面，各类土地利用活动不断改变生态系统的结构和功能，改变物质流、能量流与信息流，对生物多样性造成影响。另一方面，生物多样性又是土地利用活动赖以进行的重要生物资源，其自身的功能和空间分布限制着土地利用方式和空间格局。两者之间既互相影响又互相依赖，成为非线性系统。因此，土地利用规划的实践工作需要建立在对土地利用—生物多样性非线性系统规律解译的基础之上，构建相应的系统知识库。深化实证研究中土地利用组成、土地利用连接度、土地利用强度、土地利用聚合度在非线性系统中的发展规律，对于构建不确定性情景起到至关重要的作用，并对构建基于时间维度的分段式规划策略提供科学决策的依据。

5 土地利用—生物多样性绩效研究对风景园林规划可资借鉴的几点思考

风景园林规划是科学处理人、建筑、环境关系的学科，涉及地理学、环境学、生态学、社会学等多个学科[48]。人地关系的调控作为风景园林规划的核心内容之一，旨在科学制定以景观结构、功能和动态特征为目标的规划行为。土地利用与生物多样性绩效的研究可为景观格局的形成、生态地理过程关系、景观的功能特征及尺度推演、景观异质性（多样性）的维持和管理等起到借鉴作用[49]。根据上述研究结论可得，土地利用与生物多样性绩效之间的关系非常复杂，具备复杂适应性系统（多要素、多尺度、动态性与不确定性）在风景园林规划中运用的条件。有鉴于此，未来风景园林规划应建立在对土地利用—生物多样性机理基础之上，深入理解形态变化—环境过程—绩效的耦合机制，规避实践中生物多样性不可逆转的风险，明晰多样性在土地规划中的重要引导作用，自觉地将生物多样性融入各级规划流程中。对现有土地利用状态进行科学研判，通过对土地类型组成、土地连接度、土地利用聚合度的探讨，科学搭配各类型土地的组合方式、提高土地的连接特性、控制土地利用强度，以期提高生物多样性。

土地利用—生物多样性绩效关联性分析对风景园林规划中可资借鉴的思考主要体现在以下6点：

1）引导以生物多样性保护为重点目标导向的用地控制策略，协同土地开发与生物多样性保护的关键技术方法，重视土地利用的搭配模式及组成比例在风景园林规划中的作用。2）消除分区管治及行政边界的影响，建立多尺度一体化的生物多样性保护格局，使土地利用效能与生物多样性达到整合协同状态，并以此为规划研究与设计的基本原则。3）构建从“场所空间”到“流动系统空间”的研究设计实践协同的指导思路。绿地系统、水系统是生物多样性保护的重点载体。利用连接度规律，在适当地点增加城市绿地、公园、水系等作为物种的临时栖息地或迁徙通道，作为连接物种物质、能量与基因流动的主要场所。发挥大型蓝绿网络的功能，互补不同类型土地对同一类型生物的包容性，缓解不同种类生物对同一类型土地的压力。异质性与聚合度规律为新增绿地、绿道，水域的选点、形状、功能规划提供借鉴，并可对实践中各个等级的绿道景观规划提供科学依据。4）区域层面，结合土地数据与生物资源、物种分区、物种生态链的空间位置，建立土地规划单元与环境单元融合的空间数据库，科学划分可建区、适建区与禁建区，为生物多样性发展构建区域骨架，合理安排生态廊道、森林公园、生态湿地等大型自然保护区。利用同类用地聚合效应，针对区域单中心、多中心或组团式发展的特殊情况，分别插入不同规模、不同景观类型的物种栖息地斑块。5）城市是生物多样性保护的重点和难点区域，需进一步提高城市大发展环境下生物多样性的控制与引导措施。利用土地利用强度对生物多样性绩效的影响规则，改善城市现有硬质铺地与灰色基础设施的现状，科学推进城市内部生态走廊建设，实施河流廊道的修复、绿色开放空间的网络建设等工作。利用土地利用异质性对生物多样性绩效的影响规则，在城市群中科学插入不同规模、不同景观类型的生物保护公园，构成能够促进生物交互的网络，缓解密集的交通用地对城市生物多样性造成的损失。与城市边界衔接的森林、草地、水域、沼泽、农田，应有针对性的规划策略，通过合理的高差设计、土地转换、植被配置等减缓不同用地对生物的影响。加强对高容高密度场地中边界与生物多样性、垂直过程与生物多样性的导控，加强用地边界处的节点规划，科学增加三维绿量，合理配置多样化的植被。6）未来的生物多样性发展具有不确定性。因此为减小规划的决策风险，利用定量化的系统规则、历史外推法则与情景规划对未来进行预测十分重要。通过情景分析，列举已知的不确定性，减少“未知不确定性”情景的发生概率。系统发展规律可以为生物多样性韧性发展的布局提供依据，作为未来土地利用发展的基本骨架。韧性骨架可以为土地利用发展方向提供指导，并有效规避错误的土地利用转换方式对生物多样性的产生造成不可逆的影响。