多方法融合的森林景观与质量提升探究

邹全程,徐健楠,冯晓川,慕晓炜,胡 彬,刘海令,孔凡利,吴 静

(1.东北林业大学 林学院,哈尔滨 150040；2.国家林业和草原局调查规划设计院,北京 100714；3.南京牛首山林场实业有限公司,南京 211100)

牛首山文化旅游区(简称研究区)作为人与自然和谐共生的良好实践之一,多年来为建设生态文明、增进民生福祉、促进经济社会发展作出了重要贡献,为社会提供了优质的生态产品和公共服务[1-2]。目前,研究区常绿针叶林面积占比过大,树种相对单一,森林质量不高,加之历史上曾遭到过严重人为破坏,乔木树种总体较少,存在植被覆盖度低、景观观赏度低的残次林,导致牛首山综合生态功能不强、森林健康状况有待提升。同时,自生的杂木林结构混乱,观赏度较低的先锋植物混杂滋生,林相缺乏层次和季相变化,受碍于森林景观整体状况,休闲人群在季节和出游时间上极不均衡,游憩深度明显不足。在对研究区森林景观与质量现状、游憩空间分布格局,尤其是建筑、水体、绿道等重要景观节点和廊道专项调查的基础上，本文应用GIS工具,综合卫星遥感、大数据采集、图像分类、数字地理等多种相关技术分析结果,采用多维时空分布观点,提出森林景观与质量稳定提升的具体方案。通过本文实践证明，此方案有利于充分发挥森林生态系统的复合功能,对林相改造等类似工作具有较高参考价值。

1 研究区域概况

牛首山是中国佛教名山,佛教牛头禅宗的开教处和发祥地。2015年10月,经宗教和文化行政主管部门以及佛教和文物界研究同意,释迦牟尼佛顶骨舍利(全球唯一)供奉至牛首山佛顶宫[3]。研究区以牛首山林场为基底建设而成,还包括金陵小镇等空间实体。研究区总面积1 374.73 hm2,其中林地面积867.73 hm2,森林覆盖率59.3%。其维管植物的区系地理成分较为复杂,表现为明显的热带、亚热带和温带成分的相互交叉渗透的过渡类型,这与该区地处亚热带北缘、区域内存在一定的人为干扰有关。现状植被类型中:自然植被共有6个植被型、10个植被亚型、18个群系、25个群丛；人工植被结构相对简单,有1个植被型、4个植被亚型、4个群系、4个群丛(1)南京师范大学,南京林业大学,南京牛首山林场实业有限公司,等.南京牛首山文化旅游区动植物资源调查报告.2017.。但研究区域面积不大,海拔垂直梯度变化较小,植被垂直分异不显著。

2 森林景观与质量主要问题

1)森林质量有待提高。

研究区地处北亚热带常绿、落叶阔叶混交林带的淮扬山地丘陵落叶栎类(QuercusLinn.)、青冈(QuercusglaucaThunb.)、马尾松(PinusmassonianaLamb.)林区与中亚热带常绿阔叶林地带的青冈、苦槠(Castanopsissclerophylla(Lindl.)Schott.)、栽培植被区交界带。现状植被以常绿针叶林、阔叶林为主,针阔混交林为辅,树种以马尾松、杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.)、火炬松(PinustaedaL.)和构树(Broussonetiapapyrifera)占主体,并分布于整个研究区域内,其他树种还有柏木(CupressusfunebrisEndl.)、枫香(Liquidambarformosana)、苦楝(MeliaazedarachL.)、枫杨(Pterocaryastenoptera)和毛竹(Phyllostachysheterocyclacv.Pubescens)等(2)南京师范大学,南京林业大学,南京牛首山林场实业有限公司,等.南京牛首山文化旅游区动植物资源调查报告.2017.。植被类型虽不复杂,但原生植被早已遭受破坏,均属于次生演替系列。研究区不同立地条件下,乔木层和草本层多样性指数呈现阴坡>半阴半阳坡>阳坡,多样性指数低值区域的生境类型单一。在研究区中部山体地带,生态位较宽的种群之间具有较高的重叠程度,但重叠程度不随宽度值增大而升高,群落生态状况不够稳定。

2)森林景观亟待改善。

牛首山周边山林以20世纪50年代人工营造的马尾松林为主,进入80年代,由于松材线虫危害,转而大面积种植杉木及火炬松,目前主要树种为常绿针叶和落叶阔叶树种,以火炬松、马尾松、杉木为主的针叶林较多,其面积、蓄积分别占研究区有林地总面积、总蓄积的60.4%和83.7%,林分结构简单(3)江宁区林业局.南京市江宁区林地保护利用数据库.2017.。由于自生的杂木林结构混乱,构树、榔榆(UlmusparvifoliaJacq.)、竹林、小果蔷薇(RosacymosaTratt.)、野蔷薇(RosamultifloraThunb.)等观赏度较低的先锋植物混杂滋生,观赏效果较差,森林景观的观赏度下降,林相缺乏层次和季相变化,影响了牛首山森林景观的美学质量。应通过适度人工干预措施,提升深度游憩能力,满足公众对多样化生态产品的需求。

3 研究思路

森林景观与质量提升方案围绕“森林、佛禅、文旅”三大元素,采用综合生态设计方法,制定出本次森林景观与质量提升技术路线(图1)。从图1可知,本研究:以自然野趣生境和生态森林体验为贯穿,主体是通过以乡土植物为主的当地原生群落的重建,从而形成乡土植物的种源地并为野生动物提供栖息地,实现城市生态系统向近自然生态系统的过渡。

图1 森林景观与质量提升技术路线Fig.1 Forest landscape and quality improvement technology routes

针对研究区现存问题和发展诉求,以外部环境评价和内部条件分析为基础,以遥感、地理信息技术等相关技术为支撑,辅助功能区划过程,并以NDVI分析结果作为指导各功能分区建设的主要依据。结合各分区功能定位,在水平层次上，采用多树种异龄混交,在垂直层次上运用植物乔、灌、草生活习性,形成高低错落的空间氛围,最终实现森林景观的时空变化和森林质量的稳定提升[4-8]。

4 空间格局分析

4.1 植被指数分析

植被指数(Vegetation Index)是基于绿色植物对光谱的敏感性,通过对特征波段的规划组合,构建反映植被生长状况、覆盖程度、生物量密度等光谱参量,作为环境遥感领域中常用的指标特性,可以评价或估算区域碳储量、林木蓄积量、作物产量、灾害风险,识别植被类型、作物熟制。其中,归一化差分植被指数(NDVI)为近红外波段与可见光波段数值之差与其各波段之和的比值,该参量可削弱太阳高度角、大气辐射的像元误差,并突出植被与其他地物的差异性特征,是植被生长和覆盖的最佳表征量,在探究植被时空变化、解析植被生长与环境因子之间的响应关联方面被广泛应用[9-12]。

归一化差分植被指数:NDVI=(NIR-RED)/(NIR+RED)

式中:NDVI为归一化差分植被指数,无量纲；NIR为近红外反射率,无量纲；RED为红光反射率,无量纲。研究区归一化差分植被指数如表1所示。

表1 研究区归一化差分植被指数(NDVI)Tab.1 Analysis result of NDVI in the study area

研究区植被覆盖较好的地区包括北部佛顶宫以北山体、中部狮子山以南山体,以及部分南部山区,NDVI值范围为0.52～0.81；植被覆盖低值区包括西北部金陵小镇区域、东部入口区域及南部宏觉寺区域,NDVI值范围为0.42～0.58。研究区归一化差分植被指数(NDVI)值分析如图2所示。

图2 研究区NDVI分析图Fig.2 Analysis result of NDVI

4.2 功能分区过程

1)地理要素识别:根据地形地貌特性,对研究区内数字高程模型深度挖掘与分析,再利用图像分类学中最佳分类指标组合的确定方法,选定计算高程、全累计曲率、坡度变率、DEM渲染、高程变异系数、等高线密度、地形起伏度等多个地形指标作为研究区功能区边界划分依据。2)生态因子判读：判断研究区内植被覆盖、生物多样性、动植物分布等生态因子状况,结合卫星影像、无人机实拍取样识别等前期调查结果,分析各生态因子对研究区的复合生态影响。3)文化与社会性分析:在对研究区的内在肌理、空间部件、山体景观、文化景观不同层次分析的基础上,融合森林生态价值,并在文化价值以外,对现有景观体系与现实生活中的社会影响进行叠加,通过公众对研究区文旅资源集体认识而实现,分析社会生活与牛首山森林景观与质量提升活动的相关性。

将上述分析结果(图3—图9)利用多因子加权叠加模型,得到生态敏感性空间分布结果,最终将研究区划为无忧植物花园区、森林康养与禅林区、山体生态风景林区、金陵小镇景观林区、南部郊野运动游憩林区等5个功能分区(图10),并赋予每个区块各自功能定位。

图3 研究区数字高程图Fig.3 Digital elevation model

图4 研究区水系及潜在径流分布图Fig.4 Distribution of water system and potential runoff

图5 研究区地表切割深度分析图Fig.5 Analysis result of incision depth

图6 研究区叶面积指数分析图Fig.6 Analysis result of leaf area index

图7 研究区生态指数分析图Fig.7 Analysis result of ecological index

图8 研究区生态系统服务价值空间分布图Fig.8 Spatial distribution of ecosystem service value

图9 研究区生态敏感性分析图Fig.9 Analysis result of ecological sensitivity

图10 研究区功能分区图Fig.10 Function Division

4.3 空间布局依归

结合研究区森林景观与质量提升工作主体牛首山林场森林经营方案,以及研究区生物资源调查报告,将研究区森林资料主导功能分为生态保护调节、生态文化服务和生态系统支持等类型,在空间布局上,分为严格保育生态公益林和多功能复合兼用林。

1)严格保育生态公益林:指研究区内的地方级生态公益林,主要分布于牛首山林场内,主体在山体生态风景林区,对维护牛首山地区生态安全、生物多样性保护和经济社会可持续发展具有重要的生态保障作用,是发挥森林的生态保护调节、生态系统支持主导功能的森林,应予以特殊保护,突出自然修复和抚育经营,严格控制生产性经营活动。

2)多功能复合兼用林是以生态服务为主导功能的兼用林,包括研究区内全部商品林与部分地方级生态公益林,以及非林地上的既有林分,在5个功能分区中均有分布。多功能复合兼用林在修复生态环境、构建生态屏障的同时,积极发挥生态文化服务功能。可通过严控林地流失,强化森林管护,加强抚育经营,以及围绕增强森林生态功能和森林提质增效开展多功能复合兼用林景观的提升活动。

5 森林景观与质量提升方案

5.1 森林类型划分及主要作业法

按照森林起源、树种组成、近自然程度和经营特征,将研究区森林划分为近自然山林和人工林及其它三类。其中:近自然山林分为天然次生林和退化次生林,人工林分为近自然人工林、人工混交林、人工阔叶纯林和人工针叶纯林,其它指人工干扰山林(土地属性为非林地上的既有林分)。

森林作业法是针对林分现状(林分初始条件)围绕森林景观与质量提升目标而设计和采取的技术体系,贯穿于从森林建立、培育到收获,不局限于林产品全尺度利用的全周期过程。研究区内的红果冬青(IlexcorallinaFranch.)、枫香、青桐(Firmianaplatanifolia)、苦楝等大树、彩叶、珍贵树种不予破坏,提升作业树种种植尽量采用插缝式手段。在山体植被郁闭度较高但缺乏景观价值的观赏面,适当疏空,人工伐出小林窗,增补高观赏价值树种；林窗根据立地条件动态调整,立地条件差的开伐强度不宜过大,林窗设置的密度相应疏通。人工补植树种模拟自然群落层次,缓坡以增种为主,适当补植,形成常绿落叶混交林。顶层植物宜体现树形,中间层选择顶层植物的伴生种,补植树种选择建群种的同时搭配当地具有季相变化的树种。在项目区出入口、佛景景观设施、水体流线、游步道等人流集中区域,增种观赏价值高的植物种类,在植物空间营造上形成城市与山林的自然过渡。

5.2 目的树种选取策略

根据研究区NDVI、生态指数等分析结果,通过改善低值区植被结构,在提升森林景观效果的同时,促进人工林向近自然林的过渡。在乔木层选择观花效果明显的檫木(Sassafrastzumu(Hemsl.)Hemsl.)、毛泡桐(Paulowniatomentosa(Thunb.)Steud.)、深山含笑(MicheliamaudiaeDunn)、广玉兰(MagnoliagrandifloraL.)等树种,以及枫香、鸡爪槭(AcerpalmatumThunb.)、栾树(KoelreuteriapaniculataLaxm.)等春、秋色叶树种,杨梅(Myricarubra(Lour.)S.et Zucc.)、枇杷(Eriobotryajaponica(Thunb.)Lindl.)、冬青(IlexchinensisSims)、朴树(CeltissinensisPers.)等观果树种；灌木层选择桂花(Osmanthusfragrans(Thunb.)Lour.)、苦槠、贴梗海棠(Chaenomelesjaponica(Thunb.)Lindl.ex Spach)、垂丝海棠(MalushallianaKoehne)等耐荫且具有观赏价值的植物种类(图11)。

注:金钱松(Pseudolarix amabilis(Nelson)Rehd.)、樟(Cinnamomum camphora(L.)presl)、水杉(Metasequoia glyptostroboides Hu et Cheng)、梅(Armeniaca mume Sieb.)、山桃(Amygdalus davidiana(Carrière)de Vos ex Henry)、稠李(Padus racemosa(Lam.)Gilib.)、紫叶李(Prunus cerasifera Ehrhar f.atropurpurea(Jacq.)Rehd.)、紫薇(Lagerstroemia indica L.)、槐(Sophora japonica L.)、罗汉松(Podocarpus macrophyllus(Thunb.)D.Don)、南天竹(Nandina domestica Thunb.)、假连翘(Duranta repens L.)、丝兰(Yucca smalliana Fern.)、迎春花(Jasminum nudiflorum Lindl.)、铺地柏(Sabina procumbens(Endl.)Iwata et Kusaka)、鸢尾(Iris tectorum)、麦冬(Ophiopogon japonicus)、樱花(Cerasus serrulata(Lindl.)G.Don ex London)图11 研究区森林景观季相变化索引图Fig.11 Index of forest landscape seasonal change

5.3 植被群落结构提升方案

根据研究区自然条件和植物的生态习性及公众对生态产品要求,遵循国家、地方相关标准规定,植被群落结构提升方案以乡土树种为主、外来树种为辅。本研究参考文献[13-18],选用本地原有植物种。在水平和垂直两个层次上,采用多种组合搭配形式,营造近自然、混交林的群落结构,并与现有山体、建筑等有机融合(表2)。

表2 研究区植被群落结构提升方案表Tab.2 Improvement scheme of vegetation community structure

5.4 工程实施强度与时空布局分期

经综合分析,确定研究区森林景观与质量提升的主要树种为火炬松、柳杉、枫香、朴树、麻栎、苦槠、毛竹、茶叶等8种,其他树种为乌桕、苦楝、樟木、榉树、白玉兰、鸡爪槭、桂花、深山含笑、樱花、榔榆、紫叶李、栾树、南京椴(TiliamiquelianaMaxim.)等13种。建设实施强度依据工程及林分现状而定[19],其中造林及更新造林工程强度为100%,森林抚育工程强度为25%～35%,低效风景林提升工程强度为50%～60%,部分林分较差区域可达到80%。同时,利用GIS视域分析功能[20-21],结合研究区数字地形模型,根据视觉观测点日常的公众利用程度,将各种视觉观测点可视范围加权叠加,得到研究区可视几率分布情况。通过计算研究区21种视域出发点的可视范围,结合地形坡度分析结果,确定工程方案和年度分期安排。研究区视域分析结果为1—8级,可视程度逐级增大。可视程度越高，则更倾向于进行造林和更新造林工程、低效景观林提升工程并优先建设；反之,则时序后排并进行强度较低的森林抚育工程建设。

(续表)

6 建议与讨论

1)加强专项附属工程建设。

森林景观与质量提升应当以现有植被为基础,以保护和恢复地带性植被为目标,维护生态系统平衡为宗旨,遵循适地适树原则统一规划,逐步营造各种混交林,提高森林生态价值和景观价值,保护和完善生物多样性。项目实施过程中对于森林防火及林业有害生物防治、冰雪风等自然灾害防治、动态监测与应急预案、古树名木保护等相关内容也应统筹考量,特别是对于牛首山内的中华虎凤蝶(Luehdorfiachinensis)、南京椴(TiliamiquelianaMaxim.)小种群等特征动植物需开展专项保护工作。

2)森林景观与森林质量双提升。

开展森林景观与质量提升不仅从外观上提高森林景观的美感度,更有助于改善和提升森林的质量和健康水平。从长期看,可节约大量用于病虫害防治、景观修复与营造等方面的维护资金且不影响为公众持续呈现自然、丰满的森林景观。配合森林生态旅游产品的设置,进一步拉伸工程实施区游览时间轴线,实现以时间换空间,为满足多元文化与森林文化深度融合提供生态支撑。本研究项目的开展是以生态维育为契机,为持续推进“强富美高”新南京建设提供了重要抓手,也契合南京林业发展与彩色化、珍贵化、效益化相结合的理念,获得了当地民众的积极拥护和高度期待,可为长三角地区同类工作开展提供实践经验。