基于GIS的長嶺村景觀格局生態(tài)修復(fù)

王 嘉 孫喬昀 李 帥

1 太原理工大學(xué)建筑學(xué)院 太原 030024

2 北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院 北京 100083

3 笛東規(guī)劃設(shè)計(jì)(北京)股份有限公司 北京 100029

目前,國內(nèi)外針對景觀格局的研究已十分普遍,但我國在村落級別的景觀格局研究相對較少[1-2]。本研究通過對長嶺村景觀格局的分析,歸納出長嶺村景觀格局的特點(diǎn)及存在的問題,并針對這些問題提出優(yōu)化建議,以期尋求一套我國鄉(xiāng)村特有的景觀生態(tài)安全問題的解決策略。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

長嶺村位于山西省晉中市昔陽縣的北部,太行山脈的中部,地處東經(jīng)113°53′,北緯37°35′,屬溫帶大陸氣候,四季分明,年平均降水量570毫米,夏季雨水集中,7—8月降水量占全年60%左右。村莊地形東高西低,北高南低,南有河溝,北有嶺后底溝,村東有天然井水,供給村民日常飲水,村西有200米深井,多用于灌溉農(nóng)田。長嶺村東西寬約2 km,南北長約2.2 km,總面積約為192 hm2,村落山體結(jié)構(gòu)基本完整,農(nóng)田約為1 000畝(66.67 hm2),但喬木較少,多為灌木和草本植物,村落建筑群落與山體走勢相協(xié)調(diào),整體布局呈階梯狀,院落群屬于山地四合院型制。整體建筑群主要分布在一個(gè)向陽的山坡上,呈東西向走勢,高低錯(cuò)落與山體有機(jī)結(jié)合在一起。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究選取2017年4月17日Landsat 8影像,結(jié)合GoogleEarth衛(wèi)星圖,以ArcGIS10.4為平臺對長嶺村景觀進(jìn)行分類,得到長嶺村景觀類型柵格圖,再利用Fragstats技術(shù)對景觀格局指數(shù)進(jìn)行計(jì)算,并運(yùn)用生態(tài)學(xué)意義分析長嶺村景觀格局情況。

1.3 景觀分類體系的確定

鄉(xiāng)村很多景觀元素都是以斑塊形式呈現(xiàn)的[3],根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》[4]及相關(guān)資料整理,結(jié)合長嶺村實(shí)際情況,將長嶺村現(xiàn)狀斑塊類型劃分為:林地、草地、耕地和建設(shè)用地共四種。

1.4 景觀格局指數(shù)的選擇

景觀指數(shù)是景觀生態(tài)學(xué)常用的分析方法[5],通常能夠有效地反映景觀格局信息[6]。本文通過充分分析各景觀指數(shù)生態(tài)學(xué)意義,借鑒國內(nèi)外學(xué)者研究成果[7-10],選取了10個(gè)指標(biāo)(表1),并運(yùn)用Fragstats 4.2計(jì)算得出數(shù)據(jù)。

表1 長嶺村景觀格局指數(shù)及其描述

2 結(jié)果與分析

2.1 村落景觀斑塊構(gòu)成分析

通過對研究區(qū)斑塊數(shù)(NP)、斑塊類型面積(CA)及斑塊占總面積比例(PLAND)等指標(biāo)的分析,可以得知某類型斑塊的面積和其占整個(gè)研究區(qū)面積的相對比例,由此可得出研究區(qū)內(nèi)各組關(guān)系為:農(nóng)業(yè)＞林地＞草地＞建設(shè)用地(表2),其中林地面積為39.24 hm2,占村域總面積20.35%,包括有林地、灌木林地等；草地面積為39.42 hm2,占村域總面積20.43%,主要指灌草叢；耕地面積為98.73 hm2,占村域面積51.19%；村莊建設(shè)用地面積為15.48 hm2,占村域面積的8.03%。

2.2 村落斑塊結(jié)構(gòu)特征分析

斑塊個(gè)數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)及斑塊凝聚度(COHESION)反映的是各景觀類型斑塊的數(shù)量、斑塊間的關(guān)系和研究區(qū)域內(nèi)的斑塊聚集程度[11-12],這3種指標(biāo)與斑塊破碎度有很大的關(guān)聯(lián)[13],而景觀破碎化經(jīng)常導(dǎo)致許多種群的適合度下降或種群滅絕[14]。由表2可知,長嶺村斑塊總數(shù)為21個(gè),其中林地景觀斑塊和草地景觀斑塊較多,這2類景觀斑塊分布較為分散,斑塊破碎度較高；林地、草地的斑塊凝聚度指數(shù)低于其余景觀類型,說明這兩類景觀斑塊的離散度較高。

表2 長嶺村斑塊景觀格局指標(biāo)

2.3 村落斑塊形狀復(fù)雜程度分析

斑塊形狀指數(shù)(LSI)越高則斑塊形狀越不規(guī)則,斑塊越復(fù)雜越有利于物種多樣性保護(hù)[15]。由表2可知,長嶺村LSI由大到小依次為林地(5.095 2)、草地(4.595 2)、農(nóng)田(4.059 7)、居住用地(2.111 1),其中林地LSI值最大,為5.095 2,居住用地LSI值最小,為2.111 1。這說明研究區(qū)居住用地和農(nóng)田受人為活動影響較大,斑塊形狀較規(guī)整,不利于其與周圍環(huán)境景觀交流和改善[16]。

2.4 村落主導(dǎo)景觀分析

最大斑塊指數(shù)(LPI)是指某類型斑塊中最大面積斑塊占研究區(qū)總面積的比重[17],該指數(shù)能有效識別研究區(qū)優(yōu)勢景觀。表2顯示,農(nóng)田斑塊在長嶺村中占明顯優(yōu)勢,LPI值最大,為0.001 1；其余幾個(gè)斑塊類型數(shù)值相近(0.000 2),林地、草地和居住用地的LPI較小,主要是由于林地斑塊和草地斑塊較分散,而居住用地面積較小。

2.5 村落景觀多樣性分析

長嶺村景觀的香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)為0.000 4,說明景觀類型低,不利于自然生態(tài)環(huán)境保護(hù)。香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)為0.000 1,說明研究區(qū)斑塊較少,多樣性較小。景觀豐度(PR)與物種豐度之間有很大的關(guān)聯(lián),PR越高,物種豐富度越高[18]。長嶺村景觀豐度(PR)為5,反映研究區(qū)景觀豐富度較小,生境比較單一。

3 長嶺村景觀格局生態(tài)恢復(fù)策略

3.1 核心斑塊保護(hù)

通過對長嶺村斑塊進(jìn)行分類和評價(jià)得出需要構(gòu)建的生態(tài)斑塊,并根據(jù)不同斑塊面臨的問題和挑戰(zhàn)提出相應(yīng)的保護(hù)和管理方案。由研究區(qū)斑塊數(shù)(NP)、斑塊類型面積(CA)、斑塊所占景觀面積的比例(PLAND)、斑塊形狀指數(shù)(LSI)和最大斑塊指數(shù)(LPI)等可知,應(yīng)把林地和農(nóng)田作為長嶺村核心斑塊,并構(gòu)建優(yōu)化管理方案。根據(jù)景觀豐度(PR)、香農(nóng)均勻度(SHEI)和香農(nóng)多樣性(SHDI)等數(shù)據(jù)分析,可知研究區(qū)物種多樣性較低,斑塊種類較少,應(yīng)在核心生態(tài)斑塊內(nèi)建立生態(tài)緩沖區(qū)域,對斑塊內(nèi)的物種進(jìn)行保護(hù)并對現(xiàn)有生境和棲息地進(jìn)行修復(fù)和優(yōu)化。

3.1.1 林地斑塊

由于長嶺村地處山西中部,黃土高原地區(qū)長期的水土流失、干旱以及人類對周圍山體無序開發(fā),導(dǎo)致了山體的生態(tài)環(huán)境急劇惡化,地表缺乏植被覆蓋,大面積黃土地直接裸露于環(huán)境中。由研究區(qū)斑塊凝聚度指數(shù)(COHESION)可知林地斑塊破碎化嚴(yán)重,應(yīng)通過對人類活動的控制減少人為干擾,林地斑塊的保護(hù)措施應(yīng)包括增加植被種類和數(shù)量和修復(fù)破碎斑塊。

1)增加植被種類和數(shù)量。在林地斑塊原有生態(tài)功能的基礎(chǔ)上,選取耐旱鄉(xiāng)土植物,如:旱柳、臭椿、酸棗、沙棘等植物,增加鄉(xiāng)土植物的種類和數(shù)量,提高植被覆蓋率。

2)修復(fù)和保護(hù)破碎林地斑塊。建議采取合理的管理措施對研究區(qū)的景觀格局進(jìn)行優(yōu)化[11],嚴(yán)格控制占用林地、損壞林木等行為,并在現(xiàn)有破碎林地斑塊基礎(chǔ)上建立綠廊,將隔離的林地斑塊相互連接,增強(qiáng)各個(gè)斑塊的可達(dá)性,規(guī)劃綠廊寬度為60～100 m,此時(shí)綠廊內(nèi)部具有較大的多樣性且可以保持群落穩(wěn)定[19]。

3.1.2 農(nóng)田斑塊

從斑塊形狀指數(shù)(LSI)來看,農(nóng)田斑塊受人為活動影響較大,屬于自然界的干擾斑塊,由上述分析可知,研究區(qū)物種多樣性較低,且農(nóng)田斑塊較為連續(xù)使林地斑塊與草地板塊破碎化嚴(yán)重,所以農(nóng)田斑塊的保護(hù)措施主要應(yīng)包括生物棲息地的保護(hù)與修復(fù)以及農(nóng)田斑塊的優(yōu)化。

1)農(nóng)田生物棲息地的保護(hù)與修復(fù):建議在農(nóng)田的邊界構(gòu)建30 m生態(tài)防護(hù)體,不僅可以對農(nóng)田斑塊提供保護(hù)也可以為動物遷移提供生態(tài)廊道；在農(nóng)田斑塊內(nèi)適當(dāng)建立人工巢、避難所、喂食站等,為動物提供棲息地。

2)農(nóng)田斑塊的優(yōu)化:基于農(nóng)田干擾最優(yōu)格局[20],農(nóng)田斑塊應(yīng)占總斑塊面積的50%,且空間分布較為離散。長嶺村中農(nóng)田斑塊占村域總面積51.19%,干擾面積較為均衡,但分布比較集中,建議在谷地中建設(shè)淤地壩,可以減少水土流失,擴(kuò)大耕地面積[21]。原有山坡梯田面積減小,應(yīng)合理種植鄉(xiāng)土植物,增強(qiáng)林地景觀連通性,同時(shí)增強(qiáng)農(nóng)田斑塊離散性。

3.2 生態(tài)廊道的保護(hù)與改造提升

由于研究地部分斑塊破碎化嚴(yán)重,且多樣性較低,應(yīng)加強(qiáng)斑塊之間的連通性。廊道作為斑塊間重要的連通性地帶,在構(gòu)建景觀格局中起著不可或缺的作用,長嶺村景觀中的廊道主要有河流廊道、道路廊道和灌排渠廊道等。

3.2.1 河流廊道

由于黃土高原地區(qū)常年面臨干旱和水土流失問題,長嶺村的瓦邱河已逐漸變成季節(jié)性河流,除雨季外,該河長時(shí)間處于干涸狀態(tài),建議對瓦邱河進(jìn)行生態(tài)修復(fù),以提高景觀豐度和多樣性。實(shí)現(xiàn)瓦邱河的生態(tài)恢復(fù)的主要措施包括以下措施:

1)構(gòu)建沿河岸防護(hù)林。瓦邱河地勢較低,雨季強(qiáng)降雨引發(fā)地表徑流對裸露的山體進(jìn)行沖刷,帶走了大量的泥土。長嶺村沿河岸防護(hù)林規(guī)劃為30 m,使河流生態(tài)系統(tǒng)受人為干擾影響較小,增加鄉(xiāng)土濕生植物,營造豐富穩(wěn)定的植物群落,為動物提供繁衍棲息地,完善濱水生態(tài)系統(tǒng)。

2)優(yōu)化河流基地。由于黃土高原地區(qū)常年水土流失,瓦邱河逐漸變成季節(jié)性河流,天然徑流量日漸減少,應(yīng)采取模擬自然河道措施,恢復(fù)河道自然特點(diǎn)[22-23]。核心恢復(fù)河道寬度界定為10～20 m,此寬度有利于保護(hù)魚類,在核心河道恢復(fù)區(qū)禁止開墾農(nóng)田,種植鄉(xiāng)土濕生植物,營造豐富的河流基地,為水生動物提供多樣的棲息環(huán)境。

3.2.2 道路廊道

道路廊道是聚落斑塊與自然斑塊聯(lián)系的關(guān)鍵,應(yīng)結(jié)合防護(hù)林和植草溝建設(shè),強(qiáng)化道路的景觀性,并且增強(qiáng)各個(gè)生態(tài)斑塊間的連通性。長嶺村道路防護(hù)林規(guī)劃在60 m左右,此為滿足生物保護(hù)功能的道路緩沖帶寬度[24],同時(shí)可以增強(qiáng)道路廊道觀景效果。

3.2.3 灌排渠廊道

長嶺村的灌排渠系統(tǒng)尚不完善,為緩解洪澇和干旱并為動物遷徙提供生態(tài)廊道,需要構(gòu)建完備的灌排系統(tǒng)來調(diào)節(jié)農(nóng)田斑塊的水分情況?，F(xiàn)狀村落存在許多硬質(zhì)渠道,但硬化的渠道不利于動物構(gòu)建棲息地。建議在渠邊適當(dāng)種植鄉(xiāng)土濕生植物,同時(shí)在渠底設(shè)置多條橫向和縱向生態(tài)帶,為動物的遷徙提供生態(tài)廊道。