城市森林生态系统规划作为国土空间规划的专项规划,是国土空间规划的重要“支撑”,是生态红线划定的基本依据。如何以森林生态系统评价为基础,以承载、服务城市的目标为导向,进而精准地进行功能区划、科学地开展经营管理,对“三生”协调下的区域生态建设与保护具有重要意义。
研究区概况
郑州是河南省省会城市,市域总面积为7 511 km2,截至2017年,常住人口约988.1万人,地处华北平原南部、黄河下游地带。研究区地形西部高,东部低,中部高,东北、东南低,地势呈阶梯状。郑州市在植物区系划分上属于暖温带落叶阔叶林植被型,全市绿化面积达到251 300 hm2。
郑州市行政区划示意图
本文以郑州市域国土空间为尺度开展城市森林生态系统经营体系研究,从政府部门保护、开发、养护、管理的实际出发,更易于统筹开展与落实。
研究方法
本文采用的遥感影像为2017年Landsat 8OLI_TIRS卫星遥感数据,分辨率为30 m×30 m,出自地理空间数据云网站(http://www.gscloud.cn)。通过遥感原始数据的波段组合、几何校正及配准、图像剪裁等方法获得研究区遥感影像。以此为基础,借助ENVI软件,通过归一化处理得到归一化植被指数NDVI;并使用地理空间数据云网站分辨率30 m×30 m的数字高程模型DEM数据,由DEM数据计算高程、坡度、坡向指标。
通过实地考察,结合行政区划、城市总体规划、绿地系统规划、郊野公园专项规划等相关资料,以遥感影像图为底图,绘制现状自然保护区、森林公园、风景名胜区等斑块现状位置与边界;土壤图为河南土壤地理编委会编制的1:1 000 000河南省土壤图;气候数据是通过对国家气象站点多年监测数据进行插值而得到;基于遥感数据,结合地形、降雨、土壤等因子,使用通用土壤侵蚀方程(USLE),计算平均侵蚀模数;基于郑州市林地变更数据库,以符合林地变更调查规范的大量实地野外调查为补充,计算研究区生态储存;人口空间分布数据来源于中科院资源环境科学数据中心网站。
2.2 指标评价体系构建
2.2.1 数据归一化
评价指标体系中各评价因子量纲不同,因此在ArcGIS中首先对数据进行栅格化处理,将其统一转化成30 m×30 m的栅格数据,然后进行归一化处理。本文对正向和负向评价指标分别按公式(1)、(2)进行归一化处理,公式如下:
式中:Xij为第i个评价指标的第j个栅格归一化值,Xij为第i个评价指标的第j个栅格值,Xmax为i评价指标的栅格最大值,Xmin为i评价指标的栅格最小值。
2.2.2 权重计算
评价权重影响研究结果的正确程度,本文采用AHP层次分析法,结合相关文献研究以及专家打分构建判断矩阵,确定各指标权重,并通过一致性检验,具体指标及权重详见下表。
城市森林生态系统评价指标权重表
2.3 评价方法
本文采用综合评价指数法,以30 m×30 m为栅格数据单元,使用ArcGIS软件的地图代数功能对栅格化的各项评价指标进行空间叠加,分别计算研究区的城市森林生态系统敏感性、生态恢复力,以及对城市建设评价的空间分布规律进行定量化描述。
式中:a为目标层指标生态敏感性、生态恢复力、城市建设的指标值,Wi为i评价指标的权重,Xi为i评价指标归一化值。
在ArcGIS中使用地图代数功能,对生态敏感性、生态恢复力和城市建设进行叠加分析,采用ArcGIS自然断点法将分析结果划分为城市适宜建设区、近郊生态缓冲区和远郊生态保育区。
结果与分析
3.1 生态敏感性评价
本文选取植被与保护区、水系、地形、水土流失4个影响因子,对生态敏感性进行综合评价。结果显示,最高值为0.1578,位于研究区中部嵩山、浮戏山以及北部黄河地区,最低值广泛分布于研究区南部、东部,空间分布上呈显著差异,敏感性空间从西南山地及北部沿黄河区域向中部郑州市建成区递减过渡。
郑州生态敏感性分布图
3.2 生态恢复力评价
生态储存与立地条件是生态恢复力的重要影响因素,研究区生态恢复力自中部向西南呈现逐步上升趋势,最高值为0.1755,位于研究区西南部伏牛山脉及箕山山脉地区,研究表明西南部比东部地区更加稳定,值为0.046—0.086的区域占大多面积。
郑州生态恢复力分布图
3.3 城市建设评价
研究区城市建设评价结果如下图所示,城市建设强度越大,开发建设活动越剧烈,城市森林生态系统受其影响导致的生态系统退化越容易发生。该区域人口较为密集,城市化程度较高,道路密度大,交通便利,土地资源较为紧张,同时经济水平较高,其城市建设处于较高水平。登封市与中牟县产业以农业为主,农田及林地占区域面积比例较高,该区域人类活动水平较低。
城市建设分布图
3.4 分区划定
对研究区的生态敏感性、生态恢复力、城市建设评价结果进行叠加分析,采用ArcGIS自然断点法,对其进行城市森林生态系统空间区划,分为适宜建设开发区、近郊生态缓冲区和远郊生态保育区3种类型。
研究区复合评价分区结果
研究区复合评价分区图
3.4.1 适宜建设开发区经营管理建议
适宜建设开发区主要分布于研究区中部,以郑州中心城区为核心沿道路辐射连接各县市的建成区,处于“低敏感、低恢复、高压力”状态。
该区域以天然林为代表的自然植被群落被人工园林绿化所取代,城市森林以城市绿地、人工园林树种群落为主要存在形式,其原始的水气通透的自然生境被大规模不透水硬质铺装取代,土壤板结化严重,生境恶劣,同时由于城市园林景观效果、人文表达、抗性防护的功能需求,在树种选择过程中依赖人为选择,其林地种类较少,结构、林分单一,生态恢复力较差,极度依赖人工养护管理,属“高投入,低生态回报”区域。
在该区域应积极改良土壤以改善植被立地条件,丰富林地种类与结构,增强生物多样性,应保障养护管理资金投入,提高养护水平,形成绿地结构科学、功能完整的生态网络体系。
3.4.2 近郊生态缓冲区经营管理建议
近郊生态缓冲区所占比例最高,主要位于巩义西部、荥阳北部以及中牟、新郑、新密的平原地区。该区域处于“中敏感、中恢复、中压力”状态。
区域内林地围绕斑块分散的城镇及农业用地,以农田林网及四旁树为主要存在形式,长期以来受农业活动、村镇建设、城市扩张的严重威胁,是区域森林生态系统的重要缓冲区,属“中投入,中生态回报”区域。
该区域应在基本农田保护的基础上,以保护四旁树、完善农田林网体系为出发点,重建复合农林业生态系统,同时围绕用地紧张的建成区,在生活空间外部建设生态廊道体系,结合郊野公园、森林公园体系,构建国土空间尺度下绿色基础设施网络体系。
3.4.3 远郊生态保育区经营管理建议
远郊生态保育区位于区域中部伏牛山脉的嵩山—浮戏山以及位于区域西北部的氓岭山地,包括西南箕山山脉的大熊山—香山—始祖山,是区域的重要生态涵养源地。该区域分布大量以自然山体为依托的森林公园、自然保护区、风景名胜区等,具有较强的生态恢复力,处于“高敏感、高恢复、低压力”状态。
该区域为“低投入,高生态回报”区域,应当严格控制土地管理与有关政策法规,原则上禁止一切建设活动,采取封山育林等措施,维持林分结构异质性,对区域轻度退化的天然次生林,应当使其依托自身良好的恢复能力,在没有外界干扰的条件下自然恢复或自然演替为地带性森林植被。
结语
城市森林生态系统结构与功能较为复杂,不同角度的评价指标选择有所差异。郑州目前已被国务院确认为国家中心城市,在未来城市化率继续增长、生态空间发展受限的背景下,森林生态系统的承载能力、服务功能如何以协调郑州大都市区发展为目标导向,构建自然森林空间与城市空间耦合的空间关系,是研究的重要立足点。接下来应结合国土空间规划的“双评价体系”,统筹不同尺度、不同空间类型,使森林生态系统结构、格局、规模发展与规划建设相结合,发挥其生态系统最大效益。
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