基于森林资源调查数据的上海城市森林景观格局动态变化研究

薛春燕

(上海市林业总站,上海 200072)

城市森林是具有明显生态价值和人文景观价值的生物和非生物综合体，城市森林景观研究既是从景观角度认识和研究城市森林，同时也是景观生态学应用研究领域的拓展[1]。受到基础研究方法、研究模型的局限性，城市森林景观相关研究仍然处于探索阶段，在开展城市森林景观格局研究中，景观指数法和3S技术分析法作为森林景观格局的重要手段极大地丰富了森林景观方面的研究[2-4]。在城市森林格局演变研究中,多关注缀块和景观镶嵌体水平，利用长时空尺度的资料反映大规模的历史变迁过程[5-6]，而这些过程无不与城市发展、木材需求、住宅用地和交通建设用地等土地利用方式有着极大的关联，利用“3S”能够将城市森林的分析与度量等定性指标定量化，更直观地对城市绿地景观的空间格局进行分析和评价[7-10]。

作为典型的高密度人类集聚区，上海市森林植被长期以来经受着人类活动的频繁扰动，森林植被类型较为复杂，斑块破碎，长远看森林景观空间格局变化复杂, 快速城市化过程中生态绿地资源不足与城市居民的生态需求存在着明显的落差。近年来，已有不少学者对上海快速城市化过程及由此带来的城镇用地扩展、景观格局演变等问题进行研究[11-15]，然而目前对于上海市快速城市化背景下的森林景观格局空间演变研究仍有待加强。本文以上海为例，利用2004-2014年森林资源调查数据开展典型城市森林景观研究，采用生态学的景观格局方法分析上海各类森林景观在城乡梯度区域内的时空变化特征，揭示上海市森林景观时空动态格局，为认识上海市城市发展历程和解决森林资源、环境与城市的可持续发展问题提供重要的理论依据，促进城市居民人居环境的改善和城市生态系统的可持续发展。

1 材料和方法

1.1 研究区和数据来源

上海市位于北纬30°40′～31°53′，东经120°52′～122°12′，属亚热带季风性气候，四季分明，日照充分，雨量充沛。上海河网大多属黄浦江水系，主要有黄浦江及其支流苏州河、川杨河、淀浦河等。上海境内除西南部有少数丘陵、山脉外，整体地势为坦荡低平的平原，境内天然植被残剩不多，绝大部分是人工栽培作物和林木。上海森林区划可分为隶属于北亚热带常绿阔叶林带的河口沙洲森林区，碟缘高地森林区和东北淀柳低地森林区，以及隶属于中亚热带常绿阔叶森林带的西南丘陵、低地森林区等。上海地带性植被为含有落叶成分的常绿阔叶林[16]。

研究数据主要以上海市2004年森林资源二类调查数据和2014年森林资源年度监测为主，此外还应用了来自国家地球科学数据平台——长三角科学数据中心的上海市土地利用数据(1980-2010年)、来源于上海市测绘院的上海市行政区划、上海市基础地理数据资料等。

1.2 研究方法

1.2.1 森林景观类型划分 森林景观要素类型的划分是开展森林景观生态研究、分析景观格局结构、进行景观规划设计的基础。景观要素类型划分是按一定特征把研究区域划分为几种相对均质的土地生态要素或单元，是一个多级细化的结构体系，类型划分的详细程度不仅取决于研究区资料限制，也取决于研究目的和内容[17]。根据上海市森林资源调查数据和土地利用分类数据，考虑森林景观内外部结构差异，选择地类和优势树种因子进行划分，形成两级景观类型体系，通过聚类分析分为针叶林景观(包括针叶纯林和针叶混交林)、阔叶林景观(包括阔叶纯林、阔叶混交林)、针阔混交林景观、果树林景观(主要为特殊灌木林)、其他灌木林景观(主要为一般灌木林及苗圃等其他林地)五类城市森林景观和一类非森林景观(迹地、建筑用地、水域、耕地、未利用地等)(图1)。

1.2.2 城乡梯度划分 考虑城市发展与城市环形道路建设具有一致性，同时结合其他学者对上海市城乡梯度划分的成果[18-20]，本文将城乡梯度划分为中心城区、近郊、远郊三个区域。各个区域分别包括不同的行政区：中心城区(C)，包括静安区、普陀区、虹口区、黄浦区、杨浦区、长宁区、徐汇区；近郊(S)，包括宝山区、嘉定区、闵行区、浦东新区；远郊(R)，包括崇明区、奉贤区、青浦区、松江区、金山区。

图1 2004-2014年上海城市森林景观各类型分布

1.2.3 景观指数法 景观格局是景观异质性在空间上的综合表现，是人类活动和环境干扰共同作用的结果，反映了一定社会形态下人类活动和经济发展状况，包括景观组成单元的类型、数目以及空间分布与配置，景观格局的复杂程度与社会发展阶段紧密相连，人口增加、社会重大变革、国家政策变化都会在景观格局上得以体现[21]。通过景观格局分析可以有效地分析森林资源变化及破碎化、连通性、异质性，因此被广泛应用于研究自然保护区、森林演变、城市扩张等，采用景观格局数量研究方法可有效建立景观结构与功能过程的相互关系，并预测景观变化。本文以分析上海市城市森林景观空间格局及人类对城市森林景观的影响程度为目标，选择相互独立又能相对全面地反映研究区景观格局的指标，从斑块类型层次选择面积、形状、聚集性指标，从整体景观层次选择面积、形状、聚集性、多样性指标来分析上海市森林景观格局演变情况(表1)[50]。

表1 选择的各类景观指数

2 结果与分析

2.1 上海城市整体森林景观格局演变

基于FRAGSTATS v4.2软件进行空间分析与计算，得到上海市2004年和2014年斑块类型和景观尺度16个指标计算结果(图2)。从景观层次上，可以看出：面积边缘指标中，2004-2014年十年间上海市森林景观面积(TA)呈现显著增长趋势，斑块数量(NP)同样增长显著，呈倍数增长，而最大斑块占比(LPI)和平均斑块面积(AREA_MN)则呈现逐渐下降的趋势，反映人类活动作用明显，大型斑块逐渐减少，区域内森林景观破碎化加剧；形状指标中，周长面积分维(PAFRAC)呈现逐年增加的趋势，斑块形状较为复杂，反应了景观斑块形状的复杂性在增加，而临近指数(CONTIG_MN)逐渐减小，表明研究区内景观的空间连续性减小；聚集性指标方面，相比2004年，2014年斑块密度(PD)明显增加，散布与并列指数(IJI)降低，可反映出周边其他类型景观减小，整体性斑块聚集度(COHESION)呈现下降趋势，也说明区域内景观斑块被分割，连续性减小；多样性指标方面，Simpson均匀度指数(SIEI)和香农多样性指数(SHDI)均呈逐年下降的趋势，反映出区域内景观类型由2004年较为均匀逐渐向景观类型增加演变，景观类型占比差异增大，景观多样性指数下降。

图2 2004-2014年上海城市森林景观格局指数变化

2.2 上海市城市森林类型格局演变

从城市森林类型尺度分析2004-2014年上海市景观格局指标(表2)，可以看出：不同森林类型的面积边缘指标中，斑块类型面积(CA)和景观百分比(PLAND)均显示2004-2014年间，阔叶林一直在上海城市森林中占优势，其次为果树林；从类型面积看针叶林、阔叶林和针阔混交林面积在十年间均有不同幅度的增加，但果树林呈明显减少的趋势，其他灌木面积有所下降。这与上海市积极开展公益林建设密不可分，而大批果农受经济效益影响自发调整种植结构，也导致果林面积下降。

从斑块平均面积(AREA_MN)看，2004年森林类型面积呈现针阔混交林>果树林>阔叶林>其他灌木林>针叶林的特征，而2014年各类型的平均面积均呈显著下降，平均面积大小呈现特征为果树林>阔叶林>针阔混交林>针叶林>其他灌木林；2004年最大斑块指数(LPI)则呈现果树林>阔叶林>针叶林>针阔混交林>其他灌木林的特征，从2004到2014年有明显的下降趋势，2014年果树林的平均面积已远高于其他森林类型，也说明了上海市各森林类型破碎化程度的不断提高，反映上海市人类活动强度增强,对森林的干扰逐渐加剧。

从周长面积分维(PARFAC)指数来看，2004年PARFAC针叶林>针阔混交林>阔叶林>其他灌木林>果树林,而2014年其他灌木林和阔叶林的该指标增长显著，说明这些类型的斑块形状越来越复杂，受人为干扰程度减小，这与上海制定和落实公益林管理政策，逐步完善公益林保护制度有关。而从聚集度指标中可看到2004年，AI等指标呈现出果树林>阔叶林>针阔混交林>其他灌木林>针叶林的趋势，而到2014年各类型的AI指标都呈下降趋势，说明这些类型的聚合度普遍下降，斑块分布碎片化。

表2 2004-2014年上海各城市森林景观类型景观指数

2.3 上海市城市森林类型景观城乡梯度分析

为进一步了解上海城乡梯度划分区域内城市森林景观类型分布情况，选择可反应区域城市森林类型的覆盖情况、斑块数量及斑块密度来分析(图3)。从城乡梯度分区及各类城市森林类型的斑块统计面积指数来看，上海市中心城区2004年以阔叶林为主，其次为针阔混交林，2014年其他灌木林有明显增长，针叶林和针阔混交林逐渐减少，相比近郊和远郊区域，其各类森林斑块面积均较少；近郊区域内，2004年以阔叶林为主，其次为果树林和其他灌木林，针叶林和针阔混交林比例较小，2014年果树林比例显著减小，阔叶林显著增加，该区域的森林斑块面积较城市中心区域较大，2004年阔叶林和果树林面积大于远郊区域内的同类型树种面积，2014年除其他灌木林基本持平，其他各类型斑块面积均小于远郊区域内各类树种面积；远郊区域范围内，2004年森林类型以阔叶林为主，其次为果树林和其他灌木林，2014年其他灌木林斑块面积显著较小，阔叶林斑块面积显著增加，远郊区域内森林格局以阔叶林为主，果树林次之，针阔混交林及其他树种占比较小。由此可见，上海市城市森林类型景观格局呈现显著的城乡梯度规律。

从各区域斑块数量来看，中心城区的斑块数量最少，果树林主要集中在远郊和近郊区域，果树林斑块数量十年间在近郊呈下降趋势，在远郊呈上升趋势；远郊的阔叶林斑块数量最大，近郊和远郊的阔叶林斑块数量增长明显，其次为远郊的针叶林和近郊的其他灌木林。斑块密度指数显示，除了远郊的果树林，各区域的斑块密度均呈现逐年增长的趋势，其中中心城区的阔叶林、其他灌木林密度显著增长，且大于近郊与远郊地区；除针叶林斑块密度呈现中心城区<近郊<远郊，果树林呈现中心城区<远郊<近郊的趋势，其他各类型斑块密度呈现远郊<近郊<中心城区的趋势。可见中心城区斑块面积小但密度大，聚集程度高，近郊和远郊果树林分布集中，且有从近郊向远郊分布趋势(表3)。

表3 2004-2014年上海各城乡区域内城市森林景观类型面积占比 %

图3 2004～2014年上海城市森林景观城乡梯度变化(a)斑块面积(CA)变化;(b)斑块个数(NP)变化;(c)斑块密度(PD)变化

3 结论与讨论

3.1 结论

城市森林景观及其斑块特征决定了城市森林景观空间信息，基于森林资源调查数据，分析上海城市森林景观空间分布格局，有助于城市森林的合理规划和布局，提高城市森林质量，有效发挥生态系统服务功能。基于2004年和2014年上海市森林资源调查数据，利用景观格局指数法对上海市城市森林景观格局特征及城乡梯度分区内特征分析显示：上海市城市森林景观空间分布与城市地貌格局基本吻合，均以阔叶林为主，但空间分布区域差异明显，景观整体质量不高，斑块破碎。不同城乡梯度分区内城市森林景观格局分析表明，上海市城市森林景观生态系统的形成、分布和类型分异与自然环境的地域分异密切相关，景观生态特性的区域差异明显；在人类活动的强烈干扰下，城市森林景观破碎化程度高，城市森林景观生态特性的区域差异是自然环境地域分异、历史发展、社会经济和文化传统等因素综合作用的结果，受到城市规划区划影响，城市森林景观生态特性的区域差异有进一步增大的趋势。

3.2 讨论

城市森林的建设需要有一个整体化、系统化的框架，有必要通过分析森林生态资源、环境及生态分区现状，根据城市发展功能定位和城市总体规划，制定以人为本、人与自然协调发展的规划方案。

3.2.1 倡导树种多元合理配置，提升上海森林景观格局的多样性 树种的选择和配置直接影响森林景观的形成。为解决适地适树、树种单一等问题，上海公布了以乡土树种和优良树种为主的《上海市公益林主要造林树种推荐目录》，并在造林项目中推广使用，一定程度解决了树种单一化的问题。但从目前造林树种选择、树种结构配置、森林景观格局等情况看，森林景观仍以阔叶树为主，混交林虽有增加但占比较低。上海城市森林建设需继续加大倡导乡土树种的合理配置使用，推进科学造林、因地制宜选择树种，提升森林景观的多样性，发挥森林生态、经济和景观的综合效益。

3.2.2 制定经济果林扶持政策，优化林果产业布局 上海市从20世纪80年代中期开始大力发展扶持经济果林产业化发展，目前已基本形成“一区一品”的区域栽培格局，以南汇水蜜桃、松江水晶梨、崇明柑桔、青浦枇杷、奉贤黄桃、金山蟠桃等为代表的特色果品在上海市民中已有广泛知名度，经济果林在提升森林面积、优化森林结构、农民经济增效等方面有着重要作用。但随着政策和市场的变化，目前经济果林呈逐年下降趋势，需出台相关政策，继续开展对经济果林的扶持，稳定果林的长效发展及效益发挥。

3.2.3 规划先行、综合布局、科学实施，构建完善的城市森林生态系统 受土地资源的约束，上海森林发展空间极其有限，确保粮食安全、保障经济发展与加强环境建设对土地需求的矛盾越来越突出，合理规划森林布局，保护森林资源，是维护城市生态安全的重要内容。近些年《上海市绿化系统规划》《上海市城市森林规划》《上海市林地保护利用规划》《上海市基本生态网络规划》等规划的出台，为上海“生态宜居城市”建设提供了方案。

上海通过中心城区的公园和景观绿地，城乡结合部的外环林带，郊区的“四类林”和生态片林建设等，正逐步践行“环、廊、区、源”城乡生态空间体系规划。但当前上海城市森林破碎化、城乡区域差异明显的情况仍然突出，城市森林分布均衡、功能多样的布局要求仍是当前需解决的主要内容之一。结合空间规划，需通过公益林和生态廊道建设、郊野公园打造、四旁林建设等多形式合理布局，将分散孤立的城乡森林连接成网络，有机结合城市各种生态要素，形成分布均匀又具有完备生态系统功能的城市森林生态系统，实现“生态与经济并重、森林与城市化同步发展”。

致谢：感谢国家科技基础条件平台-国家地球系统科学数据共享服务平台-长江三角洲科学数据中心(http://nnu.geodata.cn:8008/)提供数据支撑。