基于GIS的长岭村景观格局生态修复

王 嘉 孙乔昀 李 帅

1 太原理工大学建筑学院 太原 030024

2 北京林业大学园林学院 北京 100083

3 笛东规划设计(北京)股份有限公司 北京 100029

目前,国内外针对景观格局的研究已十分普遍,但我国在村落级别的景观格局研究相对较少[1-2]。本研究通过对长岭村景观格局的分析,归纳出长岭村景观格局的特点及存在的问题,并针对这些问题提出优化建议,以期寻求一套我国乡村特有的景观生态安全问题的解决策略。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

长岭村位于山西省晋中市昔阳县的北部,太行山脉的中部,地处东经113°53′,北纬37°35′,属温带大陆气候,四季分明,年平均降水量570毫米,夏季雨水集中,7—8月降水量占全年60%左右。村庄地形东高西低,北高南低,南有河沟,北有岭后底沟,村东有天然井水,供给村民日常饮水,村西有200米深井,多用于灌溉农田。长岭村东西宽约2 km,南北长约2.2 km,总面积约为192 hm2,村落山体结构基本完整,农田约为1 000亩(66.67 hm2),但乔木较少,多为灌木和草本植物,村落建筑群落与山体走势相协调,整体布局呈阶梯状,院落群属于山地四合院型制。整体建筑群主要分布在一个向阳的山坡上,呈东西向走势,高低错落与山体有机结合在一起。

1.2 数据来源及预处理

本研究选取2017年4月17日Landsat 8影像,结合GoogleEarth卫星图,以ArcGIS10.4为平台对长岭村景观进行分类,得到长岭村景观类型栅格图,再利用Fragstats技术对景观格局指数进行计算,并运用生态学意义分析长岭村景观格局情况。

1.3 景观分类体系的确定

乡村很多景观元素都是以斑块形式呈现的[3],根据《土地利用现状分类标准》[4]及相关资料整理,结合长岭村实际情况,将长岭村现状斑块类型划分为:林地、草地、耕地和建设用地共四种。

1.4 景观格局指数的选择

景观指数是景观生态学常用的分析方法[5],通常能够有效地反映景观格局信息[6]。本文通过充分分析各景观指数生态学意义,借鉴国内外学者研究成果[7-10],选取了10个指标(表1),并运用Fragstats 4.2计算得出数据。

表1 长岭村景观格局指数及其描述

2 结果与分析

2.1 村落景观斑块构成分析

通过对研究区斑块数(NP)、斑块类型面积(CA)及斑块占总面积比例(PLAND)等指标的分析,可以得知某类型斑块的面积和其占整个研究区面积的相对比例,由此可得出研究区内各组关系为:农业＞林地＞草地＞建设用地(表2),其中林地面积为39.24 hm2,占村域总面积20.35%,包括有林地、灌木林地等；草地面积为39.42 hm2,占村域总面积20.43%,主要指灌草丛；耕地面积为98.73 hm2,占村域面积51.19%；村庄建设用地面积为15.48 hm2,占村域面积的8.03%。

2.2 村落斑块结构特征分析

斑块个数(NP)、斑块密度(PD)及斑块凝聚度(COHESION)反映的是各景观类型斑块的数量、斑块间的关系和研究区域内的斑块聚集程度[11-12],这3种指标与斑块破碎度有很大的关联[13],而景观破碎化经常导致许多种群的适合度下降或种群灭绝[14]。由表2可知,长岭村斑块总数为21个,其中林地景观斑块和草地景观斑块较多,这2类景观斑块分布较为分散,斑块破碎度较高；林地、草地的斑块凝聚度指数低于其余景观类型,说明这两类景观斑块的离散度较高。

表2 长岭村斑块景观格局指标

2.3 村落斑块形状复杂程度分析

斑块形状指数(LSI)越高则斑块形状越不规则,斑块越复杂越有利于物种多样性保护[15]。由表2可知,长岭村LSI由大到小依次为林地(5.095 2)、草地(4.595 2)、农田(4.059 7)、居住用地(2.111 1),其中林地LSI值最大,为5.095 2,居住用地LSI值最小,为2.111 1。这说明研究区居住用地和农田受人为活动影响较大,斑块形状较规整,不利于其与周围环境景观交流和改善[16]。

2.4 村落主导景观分析

最大斑块指数(LPI)是指某类型斑块中最大面积斑块占研究区总面积的比重[17],该指数能有效识别研究区优势景观。表2显示,农田斑块在长岭村中占明显优势,LPI值最大,为0.001 1；其余几个斑块类型数值相近(0.000 2),林地、草地和居住用地的LPI较小,主要是由于林地斑块和草地斑块较分散,而居住用地面积较小。

2.5 村落景观多样性分析

长岭村景观的香农多样性指数(SHDI)为0.000 4,说明景观类型低,不利于自然生态环境保护。香农均匀度指数(SHEI)为0.000 1,说明研究区斑块较少,多样性较小。景观丰度(PR)与物种丰度之间有很大的关联,PR越高,物种丰富度越高[18]。长岭村景观丰度(PR)为5,反映研究区景观丰富度较小,生境比较单一。

3 长岭村景观格局生态恢复策略

3.1 核心斑块保护

通过对长岭村斑块进行分类和评价得出需要构建的生态斑块,并根据不同斑块面临的问题和挑战提出相应的保护和管理方案。由研究区斑块数(NP)、斑块类型面积(CA)、斑块所占景观面积的比例(PLAND)、斑块形状指数(LSI)和最大斑块指数(LPI)等可知,应把林地和农田作为长岭村核心斑块,并构建优化管理方案。根据景观丰度(PR)、香农均匀度(SHEI)和香农多样性(SHDI)等数据分析,可知研究区物种多样性较低,斑块种类较少,应在核心生态斑块内建立生态缓冲区域,对斑块内的物种进行保护并对现有生境和栖息地进行修复和优化。

3.1.1 林地斑块

由于长岭村地处山西中部,黄土高原地区长期的水土流失、干旱以及人类对周围山体无序开发,导致了山体的生态环境急剧恶化,地表缺乏植被覆盖,大面积黄土地直接裸露于环境中。由研究区斑块凝聚度指数(COHESION)可知林地斑块破碎化严重,应通过对人类活动的控制减少人为干扰,林地斑块的保护措施应包括增加植被种类和数量和修复破碎斑块。

1)增加植被种类和数量。在林地斑块原有生态功能的基础上,选取耐旱乡土植物,如:旱柳、臭椿、酸枣、沙棘等植物,增加乡土植物的种类和数量,提高植被覆盖率。

2)修复和保护破碎林地斑块。建议采取合理的管理措施对研究区的景观格局进行优化[11],严格控制占用林地、损坏林木等行为,并在现有破碎林地斑块基础上建立绿廊,将隔离的林地斑块相互连接,增强各个斑块的可达性,规划绿廊宽度为60～100 m,此时绿廊内部具有较大的多样性且可以保持群落稳定[19]。

3.1.2 农田斑块

从斑块形状指数(LSI)来看,农田斑块受人为活动影响较大,属于自然界的干扰斑块,由上述分析可知,研究区物种多样性较低,且农田斑块较为连续使林地斑块与草地板块破碎化严重,所以农田斑块的保护措施主要应包括生物栖息地的保护与修复以及农田斑块的优化。

1)农田生物栖息地的保护与修复:建议在农田的边界构建30 m生态防护体,不仅可以对农田斑块提供保护也可以为动物迁移提供生态廊道；在农田斑块内适当建立人工巢、避难所、喂食站等,为动物提供栖息地。

2)农田斑块的优化:基于农田干扰最优格局[20],农田斑块应占总斑块面积的50%,且空间分布较为离散。长岭村中农田斑块占村域总面积51.19%,干扰面积较为均衡,但分布比较集中,建议在谷地中建设淤地坝,可以减少水土流失,扩大耕地面积[21]。原有山坡梯田面积减小,应合理种植乡土植物,增强林地景观连通性,同时增强农田斑块离散性。

3.2 生态廊道的保护与改造提升

由于研究地部分斑块破碎化严重,且多样性较低,应加强斑块之间的连通性。廊道作为斑块间重要的连通性地带,在构建景观格局中起着不可或缺的作用,长岭村景观中的廊道主要有河流廊道、道路廊道和灌排渠廊道等。

3.2.1 河流廊道

由于黄土高原地区常年面临干旱和水土流失问题,长岭村的瓦邱河已逐渐变成季节性河流,除雨季外,该河长时间处于干涸状态,建议对瓦邱河进行生态修复,以提高景观丰度和多样性。实现瓦邱河的生态恢复的主要措施包括以下措施:

1)构建沿河岸防护林。瓦邱河地势较低,雨季强降雨引发地表径流对裸露的山体进行冲刷,带走了大量的泥土。长岭村沿河岸防护林规划为30 m,使河流生态系统受人为干扰影响较小,增加乡土湿生植物,营造丰富稳定的植物群落,为动物提供繁衍栖息地,完善滨水生态系统。

2)优化河流基地。由于黄土高原地区常年水土流失,瓦邱河逐渐变成季节性河流,天然径流量日渐减少,应采取模拟自然河道措施,恢复河道自然特点[22-23]。核心恢复河道宽度界定为10～20 m,此宽度有利于保护鱼类,在核心河道恢复区禁止开垦农田,种植乡土湿生植物,营造丰富的河流基地,为水生动物提供多样的栖息环境。

3.2.2 道路廊道

道路廊道是聚落斑块与自然斑块联系的关键,应结合防护林和植草沟建设,强化道路的景观性,并且增强各个生态斑块间的连通性。长岭村道路防护林规划在60 m左右,此为满足生物保护功能的道路缓冲带宽度[24],同时可以增强道路廊道观景效果。

3.2.3 灌排渠廊道

长岭村的灌排渠系统尚不完善,为缓解洪涝和干旱并为动物迁徙提供生态廊道,需要构建完备的灌排系统来调节农田斑块的水分情况。现状村落存在许多硬质渠道,但硬化的渠道不利于动物构建栖息地。建议在渠边适当种植乡土湿生植物,同时在渠底设置多条横向和纵向生态带,为动物的迁徙提供生态廊道。