诸城市城镇森林景观格局及动态变化分析

杨金明,李士美,胡丁猛,囤兴建,许景伟

(1.青岛农业大学 园林与林学院,山东 青岛 266109；2.山东省林业科学研究院,济南 250014)

诸城市城镇森林景观格局及动态变化分析

杨金明1,李士美1,胡丁猛2,囤兴建2,许景伟2

(1.青岛农业大学 园林与林学院,山东 青岛 266109；2.山东省林业科学研究院,济南 250014)

在3S技术的支持下,应用景观生态学的理论和方法,借助景观空间格局指标定量分析了1991—2016年4期诸城市城镇森林景观格局及其动态变化。结果表明,诸城市城镇森林景观总面积呈先减少再增加的趋势,景观格局的破碎化程度加剧,景观多样性和分布均衡性均有所增加。5类城镇森林景观类型中,农田森林景观主要分布在诸城市西部、北部及中部平原地带；山丘森林景观大部分集中在诸城东南部丘陵地带,少部分在西部分布；居住区森林景观分布比较均匀；水系森林景观主要沿境内潍河水系、百尺河等分布；道路森林景观占比较少,呈线条状分布特征明显。1991—2016年间,水系森林景观破碎化程度有所缓解,其余景观类型破碎化程度加重；山丘森林景观与水系森林景观聚集度较高,但呈下降的趋势；道路森林景观与水系森林景观的连通性较好,且水系森林景观的连通性呈增加趋势,其余类型连通性均变差。本研究可以为城镇森林景观的分类、可视化操作及合理布局等提供有益的借鉴。

城镇森林景观；森林景观格局；3S技术；Fragstats；动态变化

0 引言

随着城市生态环境问题日益突出,城市森林建设越来越受到人们的重视。城市森林广义上是指在城市地域内以改善城市生态环境为主,促进人与自然协调,满足社会发展需求,由以树木为主体的植被及其所处的人文自然环境所构成的森林生态系统,是城市生态系统的重要组成部分[1]。城镇森林是城市森林的一部分,是城镇内部及周边地区以树木为主体的植被,对改善城镇的生态环境、促进人们健康、提高人们的生活水平有重要作用[2]。

城镇森林主要分布在人口高度密集、人工景观高度集中的地带,破碎化程度较高,而森林景观的空间分布和组合特征影响着城镇森林功能的发挥。森林景观格局的研究目的在于通过对森林景观结构、功能、动态变化、相互影响及控制机制的研究,揭示区域森林景观基本规律,为生态规划、森林永续发展服务[3]。尽管城市森林的景观生态学研究已引起城市森林研究者的重视,但受基础数据、技术手段及其它条件的限制,其研究远滞后于自然林和城市绿地的景观生态学研究[4-5]。近年来,随着GIS 技术的成熟,将景观格局分析软件与GIS 分析相结合的方法被广泛运用到区域森林景观格局的研究与分析当中[3,6-8],但多是基于土地类型[9-10]、植被型[11-12]或优势树种[13-14]等因子构建的森林景观分类。然而,城镇森林是一种新型的森林生态系统,具有明显生态价值和人文景观价值的各种生物和非生物的综合体,是一种属于森林范畴但又有别于自然林的特殊类型[5,15-16]。因此,其景观类型的划分应该综合考虑自然景观和人文景观。分析城镇森林景观格局及其变化,对于森林城市规划布局与建设及新型城镇化建设具有重要参考价值。

诸城市位于山东省中东部,泰沂山脉与胶潍平原交界处,是国家森林城市潍坊市下辖县级市,是国家新型城镇化综合试点地区,其城镇森林景观在山东半岛乃至山东省具有典型性。本文在综合分析山东省城镇森林景观现状的基础上,以诸城市为例,建立了城镇森林景观分类体系,并利用遥感与地理信息系统提取4期森林景观的空间分布,借助Fragstats分析诸城市城镇森林景观格局的变化,旨在揭示诸城市城镇森林的景观格局与动态,为景观格局优化提供支持。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究地区概况

诸城位于山东省中东部,泰沂山脉与胶潍平原交界处,地理坐标为35°42′23″～36°21′05 ″N,119°0′19″～119°43′56″E,总面积218 300 hm2。地势南高北低,自南而东为起伏较大的山岭地带,间有若干谷状盆地,西部、中部及北部,系大片波状平原,属胶莱冲积平原南部的潍河平原,其边缘有低缓山丘分布。境内海拔百米以上山岭60余座,大都集中在市境东南部,多呈东西走向,属泰沂山余脉之马耳山脉。洼地、水面分布于境内各地。诸城境内属暖温带大陆性季风区半湿润气候,年平均气温12℃,年均降水量776mm。市内有胶新铁路和济青高速公路南线及6条干线公路,交通四通八达。

全市植被分属20个科,50余属,100多种,1 200多个品种。其中,乔木树种主要有黑松(Pinusthunbergii)、赤松(Pinusdensiflora)、栎类(Quercusspp.)、楸树(Catalpabungei)、毛白杨(Populustomentosa)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、白榆(Ulmuspumila)、旱柳(Salixmatsudana)、枫杨(Pterocaryastenoptera)、国槐(Sophorajaponica)、泡桐(Paulowniaspp.)以及近年引进的意杨类、黑杨派杨树,经济树种主要有板栗、苹果、桃、梨、枣、葡萄、石榴、杏、樱桃、山楂、桑、茶叶等,灌木类主要有紫穗槐(Amorphafruticosa)、白腊(Fraxinuschinensis)、黄荆(Vitexnegundo)、胡枝子(Lespedezabicolor)等。

1.2 研究方法

1.2.1 城镇森林景观类型的划分

我国的城市森林建设始于20世纪80年代,近年来,开始迅猛发展[17],但城市森林的类型目前尚无定论,这在一定程度上抑制了我国城市森林的发展。本文结合当前我国城市森林分类现状,依据《县级林地保护利用规划编制技术规程》[18]中亚林种及区划条件,在功能性为划分基础上,着重考虑研究的可操作性,将诸城市城镇森林景观划分为5类,并确定了每一类森林景观的区划条件和标准(表1)。同一类森林景观可能会有多种功能,比如道路森林景观可能存在于河流两岸或者人类聚居区内,因此,不可能依据功能将森林景观完全独立的划分开来。但每一类森林景观所发挥的功能具有主次之分,所以本文以森林景观所发挥不同功能的大小,为每一类森林景观的区划设定了优先级,由高到低依次为:水系森林景观、道路森林景观、居住区森林景观、山丘森林景观、农田森林景观。

表1 城镇森林景观的定义及区划条件

1.2.2 城镇森林景观提取

本研究所用数据为1991年8月31日Landsat5 TM影像、2000年9月8日Landsat5 ETM+影像、2009年7月15日Landsat5 TM影像、2016年6月16日Landsat8 OLI影像,影像空间分辨率30m,行列号为120/035。利用ENVI 5.3软件对研究区4期遥感影像进行辐射定标、FLAASH大气校正等预处理。

根据《全国土地利用现状分类》(GB/T21010-2007)规范[19],结合诸城市土地利用实际情况,将诸城市景观类型划分为水域、农田、森林、建设用地4大类。利用ENVI软件对4期遥感影像进行监督分类,在分类后的图像中,设置300个随机点,利用目视解译的方法分别对进行原始影像和类别图像进行对比,判定分类精度。

将分类结果图像转为矢量数据,在ArcGIS 10.3软件里,按照优先级从高到低的顺序依次提取水系森林景观、道路森林景观、居住区森林景观、山丘森林景观、农田森林景观,其方法为:

1) 矢量化研究区主要河流,并以200m距离建立缓冲区,将影像监督分类后的水域类别以100m距离建立缓冲区,两缓冲区之和与森林类别进行Intersect操作,结果为水系森林景观；

2) 矢量化研究区内的国道,以100m距离建立缓冲区,与Erase水系森林景观后的森林类别进行Intersect操作,结果即道路森林景观；

3) 在以上基础上,将分类后的建设用地以100m距离建立缓冲区,并与森林类别进行Intersect操作,得到居住区森林景观；

4) 用研究区DEM高程大于100m的区域Intersect剩余森林类别,得到山丘森林景观,最后剩余的森林景观即农田森林景观；

将4期森林景观空间分布图进行栅格化,存储为GeoTIFF格式,分辨率为5m,利用Fragstats 4.2景观统计软件进行景观格局指数计算。

1.2.3 景观格局指数的选取

景观生态学最常用的研究方法是用计算景观格局指数来概括景观格局以及其变化过程,建立起格局和景观过程之间的联系[20]。根据不同景观指标的生态学意义、研究目的和相关学者的研究[21-22],本研究选取以下指数。

类型水平上:总面积(CA)、斑块数(NP)、聚集度(AI)、连接度(CONNECT)。

景观水平上:斑块数(NP)、平均斑块面积(AREA_MN)、聚集度(AI)、蔓延度(CONTAG)、Shannon’s多样性指数(SHDI)、Shannon’s均匀度指数(SHEI)。

2 结果与分析

2.1 城镇森林景观空间分布特征

经300个随机点验证,4期遥感影像的分类精度分别为81.3%,77.7%,82.3%,90.6%,森林覆盖率分别为11.32%,9.43%,10.45%和11.38%,呈现出先减少再逐渐增加的趋势。在分类结果图上,利用ArcGIS10.3提取各类城镇森林景观,4期斑块分布格局见图1—图4。从中可见,农田森林景观主要分布在诸城市西部、北部及中部平原地带,山丘森林景观大部分集中在诸城东南部丘陵地带,少部分在西部分布,居住区森林景观分布比较均匀,但斑块面积均偏小,水系森林景观主要沿境内潍河水系、百尺河及三里庄水库、共青团水库、青墩子水库等边缘分布,道路森林景观占比较少,呈线条状分布特征明显。

图1 诸城市1991年城镇森林景观斑块分布格局

图2 诸城市2000年城镇森林景观斑块分布格局

图3 诸城市2009年城镇森林景观斑块分布格局

图4 诸城市2016年城镇森林景观斑块分布格局

2.2 景观特征动态变化

斑块数和平均斑块大小是标志景观破碎化程度的重要指标。从表2可以看出,1991—2016年间,诸城市城镇森林景观的破碎化程度呈现越来越严重的变化趋势。1991—2000年间,尽管森林覆盖率下降比较严重,但斑块数量仍然增加了3.5%,平均斑块面积也下降了20.2%,表明这一期间森林遭受到比较严重的破坏,大斑块的森林被分割。2000—2009年间,斑块数量虽有少许减少,但平均斑块面积却增加了约12.1%,说明这一期间森林斑块数基本保持不变,但是森林覆盖率开始有所回升。2009—2016年间,斑块数量急剧增加,并远远超过了1991年的斑块数,平均斑块面积也达到25年来的最低,表明森林的破碎化程度加剧。

表2 诸城市不同时期景观破碎化程度 聚散性及多样性

聚集度[23]和蔓延度[24-26]指标是以景观空间结构的几何特征为基础,描述景观里不同斑块类型的团聚程度或延展趋势。1991—2016年间,聚集指数呈现先减小再增加再减小的趋势,总体上有所减小,蔓延度呈现明显的下降趋势,表明斑块的团聚程度下降,景观的破碎化程度升高。

景观多样性和均匀度指标反映的是景观要素的多少及景观类型分布的均衡性。表2显示,1991—2016年间,香浓多样性指数与均匀度指数均比较高,且都呈现递增的趋势,表明景观的多样性越来越丰富且分布也越来越均衡。

2.3 景观类型特征动态变化

从各类型总面积看,1991—2016年间,相比其他森林景观,山丘森林景观的面积较高,不同时间段的变化不大,但总体来说,2016年的面积比1991年减少了约7.4%；居住区森林景观面积变化幅度较大,呈先急剧减少再稳步增加再急剧增加的趋势,2000年与2009年的面积之和不及1991年与2016年面积之和的一半；农田森林景观总体呈增加趋势,2016年面积虽然比2009年减少了约1 000hm2,但依然是1991年的1.56倍；水系森林景观呈现不断减少的趋势,其面积已经从1991年的2 660hm2减少到2016年的1 561hm2,减少了约41.3%；道路森林景观相比其他类型面积很小,但一直处于不断增加的趋势,2016年其面积约为1991年时的3.1倍,是所有景观类型中增加速率最快的一个。

图5 诸城市不同时期各景观类型的面积

图6 诸城市不同时期各景观类型斑块数

从各类型斑块看,水系森林景观与道路森林景观斑块数要明显少于其他3类景观类型,山丘森林景观斑块数要明显少于居住区森林景观,但两种景观类型的面积相当,表明居住区森林景观的破碎化程度更加严重(图6)。1991—2016年间,除水系森林景观斑块数总体呈减少趋势外,其余4类景观类型总体都呈现不同程度的增加,表明近25年来大部分森林景观的破碎化程度都在加重。

图7 诸城市不同时期各景观类型聚集度

从聚集度上看,山丘森林景观的聚集度最高,其次是水系森林景观,这两类森林景观受高程及河流水库的限制,分布比较集中,而农田森林景观、居住区森林景观和道路森林景观分布于整个研究区内,聚集度较低(图7)。1991—2016年间,所有森林景观类型的聚集度总体都呈下降的趋势,其中,农田森林景观与道路森林景观的聚集度变化波动较大,呈先减少再增加再减少的趋势。

连通性指数(Connectance index)表示在给定范围之内所有斑块的连接程度,从表3可以看出,道路森林景观与水系森林景观的连通性要明显高于其他景观类型,这是因为两者是沿廊道进行分布的,斑块与斑块之间连接性较好,在农田、山丘和居住区三类森林景观中,山丘森林景观的连通性较高,这是由于山丘森林景观的聚集度较高。1991—2016年间,除水系森林景观外,其他各景观类型的连通性总体上都有不同程度的下降,下降最大的为道路森林景观,达25.15%,其次是山丘森林景观,为19.56%。水系森林景观的连通性呈现出先缓慢减小再急剧增加的趋势,2016年的连通指数比1991年增加了约35.03%。

表3 诸城市不同时期各景观类型的连接度

3 结论与讨论

诸城市城镇森林景观总面积在1991—2016年间呈先减少再增加的趋势,整体森林景观格局的破碎化程度加剧,景观多样性和分布均衡性均有所增加。

1991—2016年间,5类城镇森林景观类型中,水系森林景观类型破碎化程度有所缓解,其余景观类型破碎化程度加重；山丘森林景观与水系森林景观聚集度较高,但呈下降的趋势；道路森林景观与水系森林景观的连通性较好,且水系森林景观的连通性呈增加趋势,其余类型连通性均变差。

目前,国内外学者对城市森林景观的研究较多,而对城镇森林景观的研究较少,城镇森林景观的分类体系更是没有形成统一的标准。本文在易于操作的前提下将城镇森林景观分成了5类,但不同的景观之间并非完全独立。比如,当河流与道路相伴随时,处于两者之间的森林既可以是道路森林景观,也可以是水系森林景观。因此,本文在提取各森林景观时按照其所发挥功能的主次设置了优先级。当然,本文对城镇森林景观的划分及提取方法并非完善,在创建美丽城镇甚至美丽乡村的道路上,这方面的研究还有待进一步加强。

研究结果可为城镇森林景观的分类、可视化操作及合理布局等提供有益的借鉴。

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Analysis on Urban Forest Landscape Pattern and Its Dynamic Changes in Zhucheng City

YANG Jinming1,LI Shimei1,HU Dingmeng2,DUN Xingjian2,XU Jingwei2

(1.SchoolofLandscapeArchitectureandForestry,QingdaoAgriculturalUniversity,Qingdao266109,China;2.ShandongAcademyofForestry,Jinan250014,China)

With the support of 3S technology,4 periods of urban forest landscape pattern and its dynamic changes in Zhucheng City from 1991 to 2016 were quantitatively analyzed by using the theory and method of landscape ecology.The results indicated that the total area of urban forest landscape in Zhucheng City showed a trend of first decrease and then increase,the fragmentation of landscape pattern was intensified,and landscape diversity and distribution evenness were increased.Among five urban forest landscape types,the farmland forest landscape was mainly distributed in the western,northern and central plains of Zhucheng City,most of the massif forest landscape were concentrated in the hilly areas of the southeastern part of Zhucheng City and small part was distributed in the west,the distribution of residential forest landscape was relatively uniform,the waterside forest landscape was mainly distributed beside the Wei River,Baichi River and others,the road forest landscape had less proportion,and showed a line-like distribution characteristics.During the period of 1991 to 2016,the degree of fragmentation of waterside forest landscape was alleviated,while the rest were aggravated;the aggregation index of massif forest landscape and waterside forest landscape was higher,but it showed a trend of decline;the connectivity of road forest landscape and waterside forest landscape was better,and the connectivity of waterside forest landscape was increasing,and the connectivity of the other types was worse.This study can provide a useful reference for the classification,visualization and rational distribution of urban forest landscape.

urban forest landscape,forest landscape pattern,3S technology,fragstats,dynamic changes

2017-06-27；

2017-07-12

美丽城镇森林景观的构建技术研究与示范项目(201404301);青岛农业大学博士基金“基于高分辨率遥感影像的城市绿地信息提取技术研究”(663/1115007)

杨金明(1986-),男,山东临沂人,讲师,博士,主要从事森林经理、资源与环境监测等方面的研究工作。 Email:jinming0221@163.com

许景伟(1963-),男,研究员,博士,主要从事森林生态、防护林业和森林培育学研究。

Q149,S718.55

A

1002-6622(2017)04-0124-07

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.04.019