城市绿地景观格局对“核心生境”质量的影响探究

韩依纹 李英男 李方正

1 概述

生态系统服务（Ecosystem Services）指人类直接或间接地从生态系统中得到的福祉[1]。在联合国环境公署（United Nations Environment Program，简称UNEP）完成的千禧年生态系统评估（Millennium Ecosystem Assessment，简称MA，2001—2005年）报告中，生态系统服务指标体系将生物多样性功能列为其“支持（supporting）服务”中的一个重要指标，随后的“生态系统和生物多样性经济学”（The Economics of Ecosystems and Biodiversity，简称TEEB，2007—2010年）项目以及“生物多样性和生态系统服务政府间科学政策平台”项目（ Intergovernmental Science-policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services， 简称IPBES，2012年）中，逐步将“生物多样性”与“生态系统服务”并驾齐驱，认为其是支持供给服务、调节服务和文化服务的基础[2]。

自然生境锐减是导致城市生物多样性缺失的直接原因[3],[4]64,[5]52。城市中生物多样性的维持主要依赖绿地，当前保留年份较久的残存绿地生境可作为“核心生境”在城市生态系统服务功能中发挥重要作用。其中，林地是绿地系统中的重要生境类别，年份较早的林地斑块相对于新发展林地斑块的生物多样性来说，支持能力较强，且包含较少的入侵物种[6]，特别是当因土地利用类型改变而导致社会生态系统的时滞和反馈发生改变时[7]314，许多长寿的植物或具有某些特定生活史的植物能够在此类林地中得以长时间地存活[8]。

生境景观格局的变化可以引起其内部动植物群落发生本质性的变化。首先，生境面积大小和形状对物种丰富度和多样性有预测作用[9-10]；其次，空间配置对生境间的相互作用产生十分重要的影响，例如农业中授粉功能会随着2块生境之间距离的增加而更加显著。然而，有关景观格局特征对生态系统服务影响的研究仍然有限[7]307，尚未明确新发展生境的空间特征对残存生境的生态系统服务功能和生物多样性支持能力的影响和作用[11]。本研究旨在探索快速城市化背景下林地生境质量特征和影响其变化的主导景观格局特征，以韩国首尔特别市为例：1）基于4期解译后的卫星图像判别了残存林地斑块后定义其为一个目标生境的“核心生境”，并选取首尔汉江以南区域的22个城市公园作为样本；2）在Fragstats软件中计算景观格局指数，并运用InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）模型的生境质量模块（Habitat-Quality Module，简称HQ）评估得出生境质量指数以代表其生物多样性能力；3）引入主成分分析统计模型探究两者关系，并总结出影响样本公园生境质量的主要景观格局特征。研究主要包括以下3部分内容：1）“核心生境”的判别及空间分布特征描述；2）样本公园的生境质量评估；3）景观格局特征与生境质量的关系探究。

2 数据与方法

2.1 研究区域

首尔特别市（以下简称首尔市）位于朝鲜半岛中南部（37°33’N，126°58’E），其原始自然景观以山林地为特色，汉江将城区分为南北两部分。自20世纪60年代末，首尔经济进入快速发展时期（特别集中在汉江以南），大规模的城市建设活动导致了其区内自然景观迅速消失，现今只有城市边缘区依然留存些许原始的景观特征。

笔者选取汉江以南的7个行政区为本文的研究区域，总面积约204 km2。此区南部边界为植被覆盖的山地（冠岳山、牛眠山、九龙山、大母山、仁陵山），是首尔的城市绿带（green belt）的一部分；区内至汉江边缘散布的小片残存林地，大部分被作为城市公园使用（图1）。

2.2 研究方法

2.2.1 数据处理

基于本研究目的，运用遥感平台工具对1972、1985、1995和2015年4期土地利用/覆被数据重新分类，此数据源于5 m分辨率的遥感图像，由首尔政府解译后统一分类在线发布，包括城市林地（urban forests）、草地（pasture）、农业用地（agricultural lands）、果园（orchards）、人工植栽绿地（designed green spaces）、荒地（vacant lands）、河流（river）、湿地（wetlands）、郊野聚落（rural settlements）、交通（transportation）、商务及设施用地（service business and infrastructure）和城市居住用地（urban residential area）12个类型。

2.2.2 “核心生境”定义与样本识别

首先，将一个生境斑块中形成较早、持续较久的残存部分定义为这个斑块的“核心生境”[7]309,[12]362，在研究区域内，于1972年就存在的林地为较老的林地，对比2015年的土地利用/覆被数据，1985年和1995年的数据为辅，判定其“核心生境”的面积和位置。其次，得出整个研究区域内的“核心生境”斑块分布之后，筛选适合的样本进行空间模型模拟和统计计算，其样本选择须同时符合以下2个条件：1）当前作为城市公园使用；2）在＜5 hm2、5～15 hm2和＞15 hm23个面积区间中相对均衡地选取[12]359,[13]；最终符合要求的22个公园被选择进入下一步运算（实际37个斑块样本，部分面积较大的公园被道路分割，故样本数和公园数不一致，图1）。

2.3 研究方法

2.3.1 斑块水平景观格局分析

景观格局分析是通过统计的方法从景观单元本身和构成景观斑块的空间关系进行量化，并依照特定目的选择合适的景观格局指标进行描述[14]。首先，将需要计算的景观类型转换为栅格格式后，输入景观格局分析软件Fragstats 4.2中进行运算。Fragstats工具将景观格局分为景观水平、类型水平和斑块水平3种级别，选择特定子集计算样本数据斑块水平上的景观格局指数[15],[16]191（表1）。

表1 斑块水平景观格局指数及释义 Tab. 1 Landscape pattern metrics and their interpretations at the patch level

2.3.2 生物多样性模型

运用InVEST模型中的HQ评估了“核心生境”的生物多样性能力[17]。InVEST是由美国斯坦福大学联合大自然保护协会和世界自然基金会联合开发的生态系统服务评估工具，HQ通过评估生境质量指数从而反映生物多样性的持续性和恢复能力[18]887。模型基于土地利用类型评估生境的适宜性，运算得出的生境指数越大则认为此类型能够支持生物多样性的能力越强。模型的运算需要输入的数据包括：土地利用/覆被图（land use/cover map）、威胁因子图层（threat layers）、威胁因子参数（threats data）、土地利用/覆被类型对于威胁因子的敏感度参数（sensitivity of land cover types to each threat）和退化源的可达性参数（accessibility to sources of degradation）。运算结果以栅格数据作为评价单元得出生境质量指数（0～1），其栅格大小参考土地利用数据的精度设为5 m，威胁因子参数、敏感度参数和退化源可达性参数均参考前人研究设定[4]65,[5]45。具体运算公式如下：

式中，Qxj是某种土地利用类型j中栅格x的生境质量；k为半饱和常数；Hj为土地利用类型j的生境适宜性；Dxj是某种土地利用代表的生境类型j中栅格的生境胁迫水平，其具体公式如下：

式中：R为胁迫因子个数；wr代表胁迫因子r的权重；Yr为胁迫因子层在土地利用与土地覆盖(或生境类型)的栅格个数；ry为土地利用类型每个栅格上胁迫因子的个数；βx表明栅格x的可达性水平，1表示可达性最大；Sjr为土地利用类型j对胁迫因子r的敏感性，该值越接近1表示生境对胁迫因子的敏感性越大[18]887；栅格y中胁迫因子r对栅格x中生境的胁迫作用为irxy，本研究所有的胁迫因子的影响都以线性评估，其公式如下：

式中，dxy是栅格x与栅格y之间的直线距离，dr max为胁迫因子r的最大影响距离。

生境质量模型运算后得出被赋值的生境质量栅格数据，在栅格单元不同的赋值基础上，以公园样本作为综合单元分析尺度，运用Zonal Statistic统计方法确定生境单元值和“核心生境”单元值[19]，最后，“核心生境”单元值与景观格局指数共同参与下一步的统计分析。

2.3.3 数据分析

运用SPSS软件对选取的8个景观格局指数与“核心生境”单元值进行皮尔森相关分析，只有显著相关的指数类型可以进入下一步的主成分分析。主成分分析的主要原理是用少数几个主要因子去描述多个指标或因素之间的联系，即将较相关的变量归为同一类别，以较少的几个主要因子反映出目标结果的大部分信息[20-21]，模型运算原理详见张静等的研究[22]341。笔者主要运用主因子分析得到因子载荷矩阵和因子得分矩阵，从而探索主要的景观格局指数类别，并分析每个类别对生物多样性评估结果的贡献程度。

3 结果与分析

3.1 生境质量评估

3.1.1 林地生境赋值

参照InVEST使用手册确定了林地生境保护程度分值。林地被视为城市生态系统中最重要的生境之一，笔者选取的公园样本由于受人为活动因素的影响，其林地生境保护最大赋值设置为0.930[4]66。以2015年的土地利用矢量图为基准，提取林地图层后得到保护程度因子层。

3.1.2 威胁因子及生境敏感度

生境对威胁源的敏感度主要依据景观生态学理论和生物多样性保护原则确定[23]。结合前人研究和首尔市现状，对生境质量模型中目标生境的各类威胁因子敏感度赋值为0～1。根据重新整合的数据，确定生物多样性造成胁迫的土地利用类型包括：农业用地、城市居住用地、商务及设施用地、荒地、郊野聚落和交通用地。威胁因子的最大影响距离、权重及衰退线性相关性指数参照相关文献设定（表2）。

表2 生境质量运算参数[4]65, [5]46 Tab. 2 Operational parameters for modeling habitat quality [4]65, [5]46

3.1.3 评价结果

HQ模型的结果显示样本公园的“核心生境”质量指数为0.911（低）～0.929（高）。

生境较差的林地主要分布在道路、商务设施用地和城市居住用地周围，由此可见，城市化发展中的生态用地转化为非生态用地影响了其邻近林地生境的生物多样性能力。反之，生境质量较优的林地主要分布在区域南部边界植被覆盖的山地，如冠岳山、九龙山、大母山。上述特征产生的原因可能在于：北部区域为汉江冲积平原，地形平坦使得人为的开发活动较为容易，特别是20世纪70年代起首尔汉江以南区域的快速发展造成的较强烈的人为干扰使生境质量受到影响，如今形成的高密度建设区也对“孤岛”式的城市公园中动植物群落造成威胁；而南部多为丘陵山地，由地形主导形成的各种小生境为丰富的生物多样性提供了环境基础。

生境单元值由图2所示，可以发现：1）公园面积越大其生境单元值越大，例如青龙山公园、冠岳山公园生境单元值最高；2）大部分样本显示出“核心生境”面积越大的同时生境单元值越大，但是一些中小尺度的样本显示，在面积相近的情况下，其“核心生境”单元值具有差异，例如月址公园、道口前街公园和开浦公园，这反映了面积并不一定是影响“核心生境”单元值的唯一因素。

3.2 景观格局对“核心生境”单元值的关系

利用SPSS软件对景观格局指数和“核心生境”单元值进行皮尔森相关分析（表3）。可以看出，选取的8个景观格局指数中除了欧几里得邻近距离，其他均与“核心生境”单元值显著相关，其中周长面积比呈现负相关，其他均呈现正相关，并分别通过0.01或0.05信度水平检验[12]361。这表明本研究区域“核心生境”的生境单元值与斑块间的隔离程度不相关，周长和回转半径与“核心生境”质量的相关系数最大。

表3 皮尔森相关分析结果Tab. 3 Results of Pearson correlation analysis

根据因子分析法得到了因子贡献率和因子累计贡献率，并选取了特征值＞1、累计贡献率＞75%的2个主因子，可以代表所有变量反映的信息[22]341。从表4结果可以看出，进入主因子的7个景观格局指数可以归纳为2个主因子：主因子1和主因子2，分别命名为绿地形状因子（X1）和绿地聚合因子（X2），对“核心生境”质量的贡献率为96.022%。主因子1中景观形状指数和分维度指数贡献率超过0.900，主因子2中邻近指数和周长面积比贡献率超过0.900。

表4 主因子分析旋转后的原件载荷矩阵Tab. 4 Original matrix of principal factor analysis

为了进一步研究景观格局指数和生境质量的关系，对得到的2个主因子进行线性回归分析，最终得到多元线性回归模型（表5），此模型P值在0.000信度水平上显著，调整后的R2为0.794，并同时通过共线性诊断和Durbin-Watson诊断，因此判定模型有效。分析结果说明：除了前文中提到的斑块面积大小的重要性，研究区域内林地生境的形状和斑块间的空间配置对城市“核心生境”的生物多样性有着重要的影响。

表5 “核心生境”质量与景观格局回归模型Tab. 5 Regression model of core habitat quality and landscape patterns

4 结论与讨论

4.1 结论

韩国首尔市南部7区历经了快速城镇化过程、人类活动密集而复杂且土地利用转变过程显著，研究结果表明：区域内“核心生境”在林地生物多样性支持中充当了重要角色，其中新发展生境的形状和群落间的空间配置对“核心生境”部分的生境质量有重要影响。本研究可为新发展绿地规划策略提供参考，尤其是以保护和维持生物多样性为目的的生境营造，应当将生境形状和生境的空间配置作为设计策略制定的重点。

4.2 讨论

快速城市化发展是造成生境退化的主要动因。现今具有一定年份且保存了历史信息的栖息地作为“核心生境”在城市生物多样性支持中担当了重要角色。因此，运用技术手段对其留存特征进行识别和评价是保护城市生物多样性的必要途径。

首先，城市绿地系统规划和设计政策的制定应重视场地的历史留存信息。笔者所定义、识别和评估的“核心生境”对城市生物多样性的保护和发展意义较大，不仅可为首尔区域及其他类似区域的生态保护实践和可持续土地规划与管理提供科学依据，也为中国城市相关策略的制定提供了评估方法的借鉴。当下中国国内城市绿地规划和保护政策较少关注绿地作为城区主要生境的生态系统作用。北京、济南等城市都在开展留白增绿或拆违建绿等工作，以场地内原始群落作为绿地更新的依据对于制定合理的生物多样性支持策略具有重要意义。在未来的城市生境营造中，相关决策者及实践人员宜充分保留和修复各类生境中的历史信息，“新老结合”以实现其生态系统服务功能价值的提升。

其次，在新发展的绿地建设过程中，应将景观格局特征的评估作为策略制定的重要组成部分，有效加强城市绿地对生物多样性的支持能力。目前，大多数城市绿地评估和规划设计更注重单个绿地的面积大小，忽略其与邻近生境的联系和空间配置的系统性作用，尚未主动从时空视角，通过规划途径优化绿地景观格局从而提升其生态系统作用，尤其是其生物多样性支持能力。因此，规划策略制定过程中可对影响生物多样性的绿地景观格局特征进行识别，并在城市规划、绿色基础设施建造和城市生境修复的具体实施中适度把控，以有效保护、发展和提升城市绿地的生物多样性支持能力。

本研究尚存在一定不足之处，由于国情差异，对于首尔市的研究很难直接被中国的相关实践应用借鉴，且受限于城区内自然生境质量实地监测数据和指标的缺乏，只能基于胁迫因子运用模型模拟生境质量进行间接评估。今后的相关研究应丰富研究区域和场地，注重新技术的引入、提高数据的精度和广度以及增加生境的评估尺度和种类。

图表来源(Sources of Figures and Tables)：

图1、表3改绘自参考文献[12]，其他图表由作者自绘，土地利用/覆被数据、首尔行政边界数据源自首尔政府平台（Seoul Metropolitan Government，SMG）， 网址：http://gis.seoul.go.kr/SeoulGis/；道路数据源自韩国国家地理信息研究院（The National Geographic Information Institute of Korea），网址：http://map.ngii.go.kr；文中数据以ArcGIS为基础平台，运用Fragstats软和InVEST模型运算完成后在SPSS统计工具和Excel软件中生成图表。