基于GIS技术的梅岭国家森林公园景观生态敏感度评价

2022-02-12张绿水

绿色科技 2022年23期

余磊，刘牧，张绿水

(江西农业大学园林与艺术学院，江西南昌 330045 )

1 引言

随着现代社会的进步以及文化的发展，城市类型的人工环境和狭小空间已经不能满足城市居民的生活需求。森林公园具有观光旅游、休闲娱乐、生态康养等独具特色的服务功能，是现代城市居民所喜爱的静谧之所，能够放松身心，放空自我。

自1982年设立张家界国家森林公园开始，到2021年底，我国已经拥有了881个国家森林公园。森林公园的开发与利用，必然给森林公园的生态环境和可持续发展带来严峻考验。对于森林公园景观生态敏感性体系的出现，既是体现了人类活动的生态敏感度在自然生态资源中的重要性评价，也是对森林公园中生态单元的恢复能力进行了评价。欧阳志云指出：生态环境敏感性中有关于环境问题难易程度的大小以及其研究区域呈现问题的可能性，都从侧面反映出人类的干扰程度会导致自然环境的变化程度[1]。薛纪渝提出，脆弱生态环境的特征中包括了景观生态敏感度，如果敏感度越强，则表示环境越脆弱[2]。

1967年Mc Harg教授撰写的《DesignWith Nature》中首次提出将区域生态适宜性分析与生态敏感性评价的模型建立相结合，并且此书被视为国外生态敏感性研究的开端[3]，而国内有关于生态敏感性研究主要从20世纪末开始。首先在生态敏感性评价方法方面：尹海伟等(2006)利用GIS结合因子等权叠加法对生态敏感性进行分析[4]；胡磊等利用5个因子结合因子叠加法和层次分析法去对生态敏感性进行空间分析[5]。其次在生态敏感性研究的尺度方面：Goyal RK以印度区域干旱的蒸发程度分析出全球气候变化会改变其敏感性[6]；李霞等空间生态敏感性评价方法对区域生态环境的演化趋势进行探究[7]。最后在生态敏感性评价的应用方面：许维卿等对村级土地资源所能承载的能力利用生态敏感性评价的应用进行研究[8, 9]；祝玲等将生态系统服务价值以及生态敏感性的研究构建生态安全格局以及优化体系[10]；易丹等借助CA-MarKov模型和生态敏感性评价应用对平原型城市开发边界进行模拟[9]。

本文旨在对梅岭森林公园生态敏感区进行等级分类，从而找出其中最自然、最脆弱的区域作分析评价，并且在保护高敏感区的同时，也要对低敏感区进行合理的开发与利用。建立科学有效的森林公园景观评价体系，能够正确、客观地了解景观的本质特征，从而更好的反映出景观资源开发利用的适宜程度，成为使森林公园合理开发和可持续利用的基础。而景观敏感度的分析与评价是作为森林公园自然资源能否合理开发与利用的重要依据，通过分析景观视觉敏感度去改善森林公园，在森林公园规划设计过程中，实现从传统模式向科学化、生态化模式的转变。

本研究以梅岭国家森林公园为研究对象，在对森林公园的高程、坡度、坡向和水文四大因子单独评价的基础上，将四大因子叠加形成综合评价，以此为基础提出了森林公园景观规划与开发利用策略，以实现梅岭国家森林公园的科学布局和可持续发展。

2 研究对象与方法

2.1 研究对象

南昌梅岭国家森林公园作为本次研究对象，地处南昌市的西北郊区域，距离南昌市中心为15 km，因地处南昌城区之西，历史上也被称为西山。森林公园东接南昌市区，南临新建区，西接鄱阳湖，北依庐山，地理坐标为115°37′～115°49′E，28° 40′～28 °50′N[11]，总面积达36134.6 hm2，而森林覆盖率甚至高达73.94%[12]。森林公园中的植被类型主要由针叶林、阔叶林、竹林、灌丛以及灌草丛组成，并且2018年梅岭曾获“江西省示范森林公园”荣誉称号，同时也是中国古典音乐和道教智慧的发源地。梅岭国家森林公园地势大多以平原为主，平均海拔约48.5 m，相对而言东南较为平坦而西北却山脉连绵。公园内年平均气温保持在14.5～17.6 ℃左右，普遍低于南昌城区1.0～2.5 ℃；年平均气温为17 ℃、平均相对湿度约70%～80%、年降水量为1730～1950 mm，气温四季分明，冬寒夏凉，属亚热带季风气候。

2.2 研究方法

首先，对梅岭森林公园卫星图像的数据利用遥感图像处理的方法去进行分析和处理，以获取研究区域的地貌、植物和其他有关特征的信息；其次，利用ArcGIS 10.6进行空间数据测量与空间内插、三维空间分析、空间统计分析和空间数据关系分析，并建立相应的模型；最后，通过运用GIS技术、因子叠加的方法，分别对森林公园从高程、坡度、坡向和水文四大因子方面进行生态评价，并建立合理有效的森林公园景观生态评价体系。

3 单因子景观生态敏感度分析

3.1 高程

高程包括2个方面：绝对高程和相对高程，其代表着高于海平面以上的海拔高度。随着高程的变化，森林公园中的降水、温度和湿度均会发生显著变化，同时植物的垂直分布特征也会更加明显。因此，高程在景观生态评价中具有非常重要的作用。随着海拔的升高，气温会逐渐降低，从而导致生态多样性的降低，加深生态系统的脆弱性，降低适应度。基于梅岭森林公园高程模型，可以得出公园最高海拔为837 m，最低海拔为-51 m，最高值与最低值之间相差888 m，相对来说高差较大。基于海拔因子的景观适宜性等级分布，以150、200 m高差为间隔等分可分为5个等级：即低适宜区(-51～150 m)、较低适宜区(150～300 m)、中适宜区 (300～500 m)、较高适宜区(500～650 m)和高适宜区( 650～837 m)，从而可以得出基于高程因子的生态敏感度分级分布图(图1和表1)。

由表1可知，梅岭国家森林公园相对高差较大，最高处海拔达837 m，而最低海拔仅为-51 m，两者相差为888 m。从表1中可以看出较高敏感区和高敏感区面积分别占总比例的8 %和3%；较低敏感区、中敏感区面积所占为36%、30%，比例较大；而低敏感区比例居中为23%。同时图中较低敏感区与低敏感区高程较低，主要分布公园东北方向，这些区域地势平坦，易于开发，可作为入口区、森林游憩体验活动中心以及森林活动项目场所等[13]。

图1 生态敏感度基于高程因子的分布

表1 基于高程因子的分级

3.2 坡度

坡度用于表示倾斜程度，即斜率。最常用的显示坡度的方法是用2点的高差与2点的水平距离之比来表示。坡度越大，地表径流的速度就会越大，水土保持的能力相对越弱，植被更容易遭到破坏。相反坡度如果越小，地表径流的速度就会越低，水土就不会轻易的流失。此外，坡度越大地形越陡峭，施工活动更加困难，景观的适用性相对来说就会越差[14]。

根据梅岭森林公园的坡度栅格数据文件，可以按照森林公园的实地情况将坡度分为5个等级：即低敏感区(0°～10°)、较低敏感区(10°～20°)、中敏感区(20°～30°)、较高敏感区(30°～40°)、高敏感区(>40°)，从而得出基于坡度因子生态敏感度分级分布图(图2)。

由表2可知，坡度低敏感区面积、较低敏感区面积、中敏感区面积、较高敏感区面积以及高敏感区面积分别为8993.9 hm2、3962.5 hm2、9986.7 hm2、2572.5 hm2和230.1 hm2，占公园总面积的25%；39%、28%、7%以及1%。整体分析得出：由于敏感度高和较高的区域主要分布区域集中在山体的中上坡，再结合这些区域生态敏感性高并且坡度大的特点综合考虑，对于这些区域需要进行重点抚育与保护[15]。梅岭森林公园较高敏感区和高敏感区所占比仅有8 %，因此总体而言森林公园绝大部分区域地势较为平缓，方便基础设施的布设和游客的游览。

图2 生态敏感度基于坡度因子的分级分布

表2 基于坡度因子的分级

3.3 坡向

坡向是指斜面，又可称为坡面的朝向。山坡不同的朝向则会影响到日照的时间以及太阳辐射的强度，而日照的时间等相关因素也会影响到植物的生长状况。因中国位于北半球[16]，因此南坡能够接收到的阳光最多、日照强度也较高、植被生长条件相对较好，其次分别是东南坡和西南坡，而北坡接收到的阳光最少。

依据梅岭森林公园的地形，坡向可分为9个方向：平面、正南坡、东南坡、西南坡、正东坡、正西坡、东北坡、西北坡、正北坡。再结合实际情况，将坡度按照敏感程度来进行分类，可分为5个等级：即高敏感区(正北坡)、较高敏感区(东北坡、西北坡)、中敏感区(正东坡、正西坡)、较低敏感区(东南坡、西南坡)、低敏感度区(平地、正南坡)，从而得出基于坡向因子的景观生态敏感度分布图(图3)。

从表3中可以看出，低敏感区和高敏感区比例相差不大，分别占森林公园总面积的12%和11%，而较低敏感区、中敏感区、较高敏感区虽相差不大，分别占总面积的25%、27%、25%，但所占比例却明显高于其他两种类型。

图3 生态敏感度基于坡向因子的分级分布

表3 基于坡向因子的分级

3.4 水文

水环境为动植物的生存提供了空间。水文因子也是森林公园规划中最容易受到人为干扰的因素之一，必须对河流和湖泊等水生生态系统的保护进行充分考虑，既要保护好系统自身的范围，也要对周边水体的生态环境进行保护[17]。梅岭森林公园的水资源比较丰富，主要有沿山谷的河流和一些山间小溪。而越靠近水源的区域，会体现出敏感度越高的状态，从而越容易遭到破坏。按照与水体距离的大小可以划分为5个等级：即距水体小于100m为高敏感区，距离100～200 m的为较高敏感区，距离200～300 m的为中敏感区，距离300～400 m的为较低敏感区，距离超过400 m的为低敏感区(图4)[18]。

由表4中可以得出，低敏感区所占比例最大，占总面积的91.4%，其他4种类型所占比例相差不大，并且所占比例特别小，分别为1.5%、1.6%、1.6%、3.7%。由此可以得出，梅岭森林公园大部分面积区域距离水体大于400 m以上，所以不容易受到破坏。

图4 生态敏感度基于水文因子的分级分布

表4 基于水文因子的分级

4 景观生态敏感度综合分析

本文中的高程、坡度、坡向和水文这4个指标对景观敏感度都有着不同的影响。研究区生态敏感度的不同是由多种单因素综合影响而形成的[19]，因此在景观生态敏感度综合评价中，不仅需要确定研究中各指标的权重，而且也要研究确定各指标的相对重要性以及对景观敏感度的影响程度。基于此，本研究采用加权叠加法对梅岭森林公园景观生态敏感度进行综合分析，这一过程可以通过Arc GIS中的堆叠网格计算工具空间分析来实现。

通过计算，最终可得出梅岭森林公园中各空间地块的综合得分值，综合得分值表示为该空间地块的综合生态敏感度，若得分值越高，则生态敏感性越强(图5)。

在综合生态敏感性的灰色尺度图中，颜色越深则代表着生态敏感性越强，需要更多的保护，发展和建设必须受到限制；颜色越浅，则结果正好相反。从灰色图像上可以看出，综合生态敏感性的最高值为4，最低值为1[20]。

根据研究需要，通过聚类分析在GIS空间分析模块的作用，根据景观综合生态敏感性的不同，将梅岭国家森林公园可以分为3个敏感区：即高敏感区(3 ～ 4)，中敏感区(2 ～ 3)，低敏感区(1 ～ 2)，最终获得综合景观生态敏感度分布图(图6)。

图5 梅岭国家森林公园生态敏感度灰度

图6 梅岭国家森林公园生态敏感度分级分布

通过对景观生态敏感度分级分布图的分析，可以看出梅岭国家森林公园生态敏感性总体来说较高，且高敏感区面积为11514.2 hm2，占总面积的32%。该区域以高海拔、坡度大为主，同时植被类型以乔木为主，伴有灌木和地被植物，因此植被多样性较高，主要集中分布在各个山峰以及两侧。同时该区域对外界的干扰非常敏感，一旦受到外界的干扰，不仅会对该区域产生影响，甚至会严重影响到整个森林公园的生态系统[21]。因此，它是一个需要高度保护的区域，应该严格保护、禁止开发(表5)。

中敏感区面积为22634.7 hm2，占整个公园面积的63%，在总面积中占比最大。该区域郁闭度高、植被多样性丰富，而生态敏感性属于中等。同时该区域具有一定的抗外界活动干扰的能力，能够承受温和的人为干预，也具有自我调节的能力。因此该区域可以进行合理的开发，但开发利用时不要超过该区域的可耐受限制，注意开发的范围和强度。