谷地植物景观保育性调控策略——以鸡公山武胜关为例

闫 明,刘曼舒,杨 怀,付觉民,田国行,*

1 河南农业大学林学院,郑州 450002 2 中国科学院生态环境研究中心,北京 100085 3 中国科学院大学,北京 100049 4 河南鸡公山国家级自然保护区管理局,信阳 464133

由于自然保护区具有对动植物保护的特殊性,在区内进行保护、培育工作有着重要的现实意义[1]。自然谷地由于地形、土壤、水文、太阳辐射量的多样变化,呈现了多样化的生境类型,为植物资源的保育提供了先天优势。早在奥姆斯特德时期,景观规划师已经开始基于对场地条件的了解分析做出适宜的规划,以达到对原始植物资源的保护和利用的目的[2]。从黄石国家公园建立的带有国家意志自然保护区开始,各地开展了包括自然保护区边界划定、生态植物园建设、生物多样性保护等一系列植物资源保护培育工作,如签署《生物多样性公约》、英国邱园对植物资源的收集和保护[3]以及中国江洋畈生态公园的建设[4]等,都在推动着植物景观保育的历史进程。一般来讲,保护培育规划包括查清保育资源、确定保护对象级别和保育范围、制定保育措施并建立保育体系三点内容[5]。多位学者在植物景观保育上运用不同方法做了相关尝试,取得了一定的成果,如潜在植被模式分析和植物景观关联分析法[6],山脊法和等高线法、等距控制法、景点控制法、视阈控制法和生态适宜度分区法[7],小班调查与RS、GIS技术结合法[8],就保护区的植物景观敏感度进行了探究,建立了具有可操作性的保护培育专项规划方法。运用视觉景观分析、场地的三维模拟分析、水土保持分析等多种适宜性分析方法,对白鹿原[9]、秦皇岛北戴河风景名胜区[10]、广东大雾岭自然保护区[11]、朝阳市凤凰山[12]进行了保护培育规划方面的实践研究。可以看到,景观敏感度、用地适宜性与其保护的必要性之间具有密切联系[13],目前可以从生态系统及环境质量等方面来进行生态资源的评价[14],以建立合适的保育措施和方法。基于以上研究基础,本文以鸡公山武胜关山谷为例,详细探讨了以叠加分析为主体的谷地植物景观调控的系统方法,将在谷地植物景观保育调控中具有独特的生态学意义。

1 研究地概况

1.1 研究范围与现状

武胜关是中国历史上九大名关之一[15],位于河南省南部,信阳与随州的交界地带,紧邻鸡公山自然保护区。得天独厚的地理条件为这里提供了丰富的动植物资源,使其成为了植物资源保育的天然场所(图1)。

图1 研究地位置Fig.1 Research location

研究地位于武胜关谷地内,范围从武胜关保护站起至山谷东南方向的长田畈为止,约112.9 hm2的狭长山谷地带(图2)。沿路共有6块裸地作为植物自然保育中的空白地块,具有的较高的可塑性,为本次植物景观调控重点关注地块。

图2 研究区域范围Fig.2 Research range

研究地由一条由西北向东南地势逐渐升高的缓坡道路组成,沿路呈现出针叶林、阔叶林、针阔混交林等不同的植被群落类型(图3)。为了协调6个主要调控地块与整体研究地的可持续健康发展,逐步恢复调控地块裸露带来的景观空缺,建立合理的景观生态运行机制。本研究以整个山谷作为一个完整的生态系统来看待,对山谷进行了详细分析,提出了系统的植物景观调控策略。

图3 研究地肌理与现状Fig.3 Site texture and environment

1.2 自然保育资源

1.2.1气候条件

武胜关谷地属于过渡性气候,兼有亚热带和暖温带气候的特点和优势,热量有效性好。冬季盛行西北风,夏季盛行东南风。

1.2.2植物资源

由于武胜关所处的过渡带气候,南亚热带与北暖温带植物均可在此生长,极大的提高了研究地的植物种类的丰富度[16]。国家重点保护植物有香果树(Emmenopteryshenryi)、青檀(Pteroceltistatarinowii)等。武胜关内松类、杉类植物种植较多,包括柳杉(Cryptomeriajaponica)、落羽杉(Taxodiumdistichum)、马尾松(Pinusmassoniana)等,其他主要植物有石蒜(Lycorisradiata)、阔叶麦冬(Liriopemuscari)。

1.2.3动物资源

武胜关常见的哺乳动物有花面狸(Pagumalarvata)；常见的鸟类有灰喜鹊(Cyanopicacyanu)、太平鸟(Bombycillagarrulus)、苍鹰(Accipitergentilis)；常见两栖动物有大鲵(Andriasdavidianus)；常见蝶类有中华虎凤蝶(Luehdorfiachinensis)。

2 研究地分析方法与结果

2.1 因子获取来源

植物景观保育性调控采用适宜性分析方法,核心内容为叠加分析,包括单因子分析和多因子叠加分析[17]。研究地因子涵盖地貌特征、太阳辐射量等,因子的获取方法基于表1。其中研究地遥感影像于2018年4月利用大疆无人机获取,基于Agisoft PhotoScan和EasyUAV智能快拼进行影像处理和合成。高程、坡度、坡向、太阳辐射、视域主要利用ArcGIS 10.2进行分析提取。

表1 研究地部分因子获取来源[17]

2.2 单因子分析

叠加分析以地貌特征、植被与土壤类型、太阳辐射、水文和视域五个方面的单因子分析为基础。依据山地垂直效应,以每100 m设置为一个梯度,共分为五个高程梯度；结合研究地现状将坡度划分为五个等级：0°—5°、5°—10°、10°—15°、15°—25°、25°—45°[10,13,18- 20]；参考相关文献[13,18,21],将研究地分为东坡、西坡、南坡、北坡、东南坡、东北坡、西北坡、西南坡8个坡位,通过ArcSence呈现研究地整体三维特征(图4)。

图4 地貌特征分析Fig.4 Geomorphological analysis

基于无人机影像的目视解译结果,研究地分为针叶林、阔叶林、针阔混交林、农田和茶场五类,其中将农田列为一种特殊的植被类型。此前研究显示,鸡公山针阔混交林中较高的土壤紧实度更有利于抵抗径流对地表的冲刷,且不同林分森林土壤的有机质平均含量显示出落叶阔叶林、针阔混交林、针叶林、裸露地不断减少的变化规律[22],将此规律作为研究地土壤类型和等级的判断依据。

太阳的辐射分析中,测算了该区域8:00到18：00的太阳辐射量(单位：W/m2),橙色区域为辐射量较高的区域,蓝色区域为辐射量较低的区域。盆域和水文分析显示,研究地水流方向自东南向西北,最终流向马家河。采用沿路视域得到研究区内视觉敏感性变化,红色表示该区域被人为注意到的可能性越大,被人为干扰的可能性大(图5)。

图5 研究地植被与土壤、太阳辐射、水文、视域分析Fig.5 Site vegetation and soil, solar radiation, hydrology, and field of view analysis

2.3 多因子叠加分析

2.3.1生态敏感性分析

依据单因子分析结果,选取了高程、坡度、坡向、植被类型、视域、水系6个在生态敏感性上起主导作用的因子作为评价因子[17]。以影响谷地生态敏感性的程度作为等级划分的标准,赋值为1到5,分别代表单因子的高敏感区、中高敏感区、中敏感区、中低敏感区、低敏感区(表2)。

根据层次分析法(AHP)和专家打分法,得出各因子的权重值(表3)。将AHP法计算出的各评价因子的权重值,通过整合度(C.I.值)进行验证,其C.I.值为0.0804,结果在0—0.1之间,表明对该因子的权重判断可行。

加权叠加分析获得研究地的生态敏感性差异(图6),越接近红色的区域表示生态敏感性越高,对应的保育等级相对较高,高敏感地区主要分布在研究地南侧,生态敏感性等级划分将作为保育分区的依据。

2.3.2植物生态位类型分布分析

植物生态位类型分布基于土壤肥力、植物受光热量和植物需水量3个方面的结果进行分析[17],叠加获得植物生态位类型分布矢量图(图7)。

表2 生态敏感性影响因子等级划分

表3 生态敏感性权重分析表

图6 生态敏感性分析图Fig.6 Ecological sensitivity analysis chart

植物土壤肥力的生态位类型中选取了坡度和植被类型2个生态因子作为评价因子。植物阳性、中性、阴性的生态位类型中选取光照强度和坡向2个生态因子作为评价因子。植物的喜水、一般耐旱、极耐旱的生态位类型中选取了植物受光热量、坡度和汇水区3个生态因子作为评价因子,其中植物受光热量依据上述植物受光热量分析结果,汇水区的选取依据盆域分析结果。结果显示,高土壤肥力地区主要分布在阔叶林区、喜水植物适合分布在道路两侧汇水区、阴性植物主要适合分布在道路南侧。

3 谷地植物景观保育性调控策略

依据研究地的适宜性分析结果,以保育和调控为主线提出了系统的保育调控策略。共分为分区控制、地带防护、植被斑块改造与植物选择和可持续管护规划4大部分(图8)。

3.1 分区控制

3.1.1保育分区划定

运用等垂距缓冲区控制法、多因子叠加分区法[7]等方法,以生态敏感性分析图为基础,叠加水系两侧20 m缓冲区,以此划分研究地不同区域的保育等级。保育分区可依据生态敏感性图划分为可建设区、可营造区、重点保护区三个等级的保育区。

图7 植物土壤肥力、受光热量、需水量分析Fig.7 Analysis of plant soil fertility, light heat and water demand

图8 总体保育策略Fig.8 Overall conservation strategy

可建设区对人为活动有一定的耐受性,允许一定的景观建设,例如一些对自然环境影响较少的游憩设施建设；可营造区内应在一定程度上控制工程的建设强度,可进行低影响景观营造和观赏植物种植,以植物的保护和培育为主；重点保护区应维护现状,严格禁止在区内进行任何建设,减少水土流失,增强植物群落的稳定性；水系周边20 m的范围内为尽量减少人类的靠近,可配置枸骨(Ilexcornuta)、酸枣(Ziziphusjujuba)等植物从人的生理和心理感受上减少趋近行为。

3.1.2潜力观景区划定

依据现场调研对景观进行评价,划定6个潜力观景区(表4)。基于对研究地环境的了解和分析,确定主要保护培育对象,即整体的山水林格局、秋季的落叶空间带以及柳杉、落羽杉、马尾松、石蒜等具有武胜关谷地特征的植物品种,努力维持原生的景观格局。

图9 潜力观景区Fig.9 Potential viewing areaⅠ：石板堰,巨石水流景观；Ⅱ：2号裸地,竹林景观；Ⅲ：3号裸地,曲径通幽；Ⅳ：头道河,水道交汇景观；Ⅴ：茶园景观；Ⅵ：高海拔开放景观

3.1.3优良品种培育区划定

选择不同生境类型的适宜地点作为优良品种培育区,可为后续的研究地改造提供苗木供应。基于研究地海拔变化的特性,选取了相对海拔较低的农田空地和相对海拔较高的低敏感地区两块研究地作为优良品种种植基地,该区域同时涵盖了阳坡和阴坡两种坡位类型。在植物品种的选择上,选择引种与研究地环境相匹配的植物,以保障植物生长效果,维持景观的感官协调。

3.2 地带防护

3.2.1视觉防护和廊道规划

根据视域分析和生态敏感性分析的叠加结果,识别了高视觉敏感性且高生态敏感性的区域,主要分布在研究地中段道路的两侧,以及东南段道路的南侧。在此区域的沿路两侧应种植高大的彩叶树种,一方面人的观景视线在空间层面被阻挡,减少这些高敏感区域被人观察到的可能性,另一方面在视觉美学角度上,可以将人的注意力吸引到沿路彩叶树种上,达到保护高敏感区植物的目的。从研究地的视觉防护方面看,还可以在沿线适当进行微地形改造、增加地形起伏,同时在生态敏感高且景观较好的地点建立观景廊道,满足保护、观赏、科研监测的多重需求。

3.2.2边缘地带保护控制

基于边缘效应原理[23],不同的植被景观类型的交错地带是物种相互渗透以及能量流、物质流、信息流传递的主要场所,物种多样性一般更为丰富,为重要的多样性景观潜力区域。该区域应尽量减少人类活动,必要时可设立专门的生态通道。

3.3 植被斑块改造与植物选择

3.3.1植被斑块改造

依据景观异质性相关理论[23-28],增加现状植被斑块要素的数量,平衡各斑块要素占比,使单个斑块的形状更加多样化。这样增加了要素边界的总长度,提高了区域整体的景观异质性。同时,可利用人工林带建立动物的活动廊道,增加不同斑块之间的交流和传递,保障区域生态系统的稳定性(图10)。

规划调控后的植被斑块要素数量由16个增加到37个,斑块要素类型由原来的5类增加到了8类,研究地的斑块要素边界总长度由4.2 km增加到11.5 km。在斑块要素增加的过程中,尽可能的采用了不规则斑块要素形状。将研究地中较大面积的斑块要素进行分解,形成多个小面积的植被斑块,景观异质性增加,研究地内物种之间的交流会变的频繁,进而增强植物景观稳定性。

图10 植被景观斑块改造规划Fig.10 Vegetation landscape plaque reconstruction planning

3.3.2生态位下的植物选择

生态位即物种在生物群落或生态系统中的地位和角色,对于某一种生物群落来说,其只能生活在特定环境条件范围内[29]。景观规划过程实际上是研究如何有效利用现有生态位、潜在生态位以及非存在生态位的过程[30]。将前期所做的植物土壤肥力、受光热量以及需水量分析结果进行叠加,获得研究地内的27种植物生态位类型(图11),依据该植物生态位划分合理分布植物空间,建立更加科学的植物配置策略[17]。

图11 生态位下的植物选择 Fig.11 Plant selection under the niche

通过前期调查区域内植物资源并整理统计,选出了多种备选植物(表4)：马尾松、黄山松(Pinustaiwanensis)、柳杉、杉木(Cunninghamialanceolata)、水杉(Metasequoiaglyptostroboides)、青冈(Cyclobalanopsisglauca)、麻栎(Quercusacutissima)、栓皮栎(Quercusacutissima)、枫香树(Liquidambarformosana)、槲栎(Quercusaliena)、落羽杉这些植物是研究地内原有的乡土植物。三色堇(Violatricolor)、木香花(Rosabanksiae)等则是基于研究地环境情况分析引入的品种,提高了植物景观整体的丰富性特征。

表4 研究地备选植物类型

将研究地划分为27种植物生态位类型,其中26种植物生态位类型分布在0°—25°的坡度区间,1种分布在25°—90°的坡度区间。需要说明的是,该坡度区间理论上应涵盖27种生态位类型,但是根据实际的叠加分析显示,研究地不包含极耐瘠薄阴性喜水的植物生态位类型,所以现状中共包含了26种生态位类型。坡度为25°—90°的研究地区域,因其研究地环境较为脆弱,将其归为一种生态位类型。因此,研究地内共包涵了27种植物生态位类型。将备选植物依据其属性归入生态位类型表中,获得了不同区域所需要种植的植物种类(表5)。

3.4 可持续管护

3.4.1构建监管系统,重点保护珍稀濒危物种

保护珍稀濒危物种是研究区内资源环境保育工作的重要内容,需要对不同物种因地制宜地实施最有效的保护,构建植物评价保护体系,精准调控。需要对珍稀濒危物种的具体数量、分布特征进行明确划定,建立珍稀濒危物种基础资料数据库,构建相应的动植物监测和管理系统。以便实时掌握濒危物种常年动态变化及其生活环境变化情况,及时制定对应的保护策略。

3.4.2维护自然生态链,保障环境健康

谷地生态系统是一个极易受周边生态系统影响的小尺度生态系统,病虫害预防有赖于上一级生态系统的健康状态与免疫能力,其本身应立足于生物链的健康程度与完整性。保护和培育研究地内资源,保存完整的谷地生物链体系,用自然方法维护研究地内病虫害的防护机制,确保植物景观保育性调控策略能够有效实施,为谷地生态可持续发展提供保障。

3.4.3建立植物标识体系,加大宣传力度

研究地内应建立统一的植物标识系统,便于向大众进行科普宣传,增加研究地的科普教育功能,让人们对研究地植物有更加深入的了解。

4 讨论与总结

基于生态位、景观异质性、边缘效应等相关理论体系,通过对土壤、水文、太阳辐射、植被类型、视域等单因子分析以及生态敏感性、植物生态位类型分布的多因子叠加分析,为武胜关谷地植物景观的调控提供了科学依据和可操作方法。从研究地资源上看,武胜关谷地植物景观保育的原始条件较为充足,具备有多个潜力观景区、植物培育区；从地带防护看,武胜关谷地具有多个明显的植被交错地带,植被类型丰富多样,可利用自然资源进行人工干预,确保高敏感地区植被的稳定；从植被营造上看,武胜关谷地自身具有较为丰富的植物资源,从景观美学以及生态稳定的角度来考虑调控研究地,特别是6个裸露空地植物的类型和分布,在植物因地生长、景观维护等方面有多重意义。

表5 依据生态位划分的植物配置表

谷地植物景观的保育性调控工作需要多方面同时推进,包括从面状层面的分区控制到线状的边缘地带控制以及廊道规划,到点状的植被改造选择。应用景观可持续性研究的思想,规划和设计景观要素以维护和提高景观的自我再生能力,同时提高景观对外部干扰的抵抗力[31]。研究地交通条件较为便利,人类活动与人为干扰不可避免。同国内其他自然保护区一样,国内已经鲜有不受干扰的自然保护区。人类活动与人为干扰所带来的水土流失、植被退化、土壤裸露等问题正在危及保护区的生态健康。保护、培育、调适是中国自然保护区发展的必经之路。需要介入正向干扰才能抵消人类活动所带来的负向干扰,同时通过正向干扰提高自然本身应对各种生态风险的能力,实现保护区稳定可持续发展。研究区域从边界范围上紧邻自然保护区,实际的自然景观与保护区景观相差较小,是良好的保护培育的正向干扰试验区。未来的研究中,可从保护对象识别、调适植物组合模式[32]、功能和组分的补充与完善、多样性的增加[33]、干扰下的植物变化规律[34]、实现生态系统的稳定并向顶级群落方向演替等方面进行实际的探索,以便进一步明确保育的机理,完善保育性调控的理论和实践体系。