韓依紋 李英男 李方正

1 概述

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)（Ecosystem Services）指人類直接或間接地從生態(tài)系統(tǒng)中得到的福祉[1]。在聯(lián)合國環(huán)境公署（United Nations Environment Program，簡稱UNEP）完成的千禧年生態(tài)系統(tǒng)評估（Millennium Ecosystem Assessment，簡稱MA，2001—2005年）報告中，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)體系將生物多樣性功能列為其“支持（supporting）服務(wù)”中的一個重要指標(biāo)，隨后的“生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性經(jīng)濟學(xué)”（The Economics of Ecosystems and Biodiversity，簡稱TEEB，2007—2010年）項目以及“生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)政府間科學(xué)政策平臺”項目（ Intergovernmental Science-policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services， 簡稱IPBES，2012年）中，逐步將“生物多樣性”與“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)”并駕齊驅(qū)，認為其是支持供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)和文化服務(wù)的基礎(chǔ)[2]。

自然生境銳減是導(dǎo)致城市生物多樣性缺失的直接原因[3],[4]64,[5]52。城市中生物多樣性的維持主要依賴綠地，當(dāng)前保留年份較久的殘存綠地生境可作為“核心生境”在城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能中發(fā)揮重要作用。其中，林地是綠地系統(tǒng)中的重要生境類別，年份較早的林地斑塊相對于新發(fā)展林地斑塊的生物多樣性來說，支持能力較強，且包含較少的入侵物種[6]，特別是當(dāng)因土地利用類型改變而導(dǎo)致社會生態(tài)系統(tǒng)的時滯和反饋發(fā)生改變時[7]314，許多長壽的植物或具有某些特定生活史的植物能夠在此類林地中得以長時間地存活[8]。

生境景觀格局的變化可以引起其內(nèi)部動植物群落發(fā)生本質(zhì)性的變化。首先，生境面積大小和形狀對物種豐富度和多樣性有預(yù)測作用[9-10]；其次，空間配置對生境間的相互作用產(chǎn)生十分重要的影響，例如農(nóng)業(yè)中授粉功能會隨著2塊生境之間距離的增加而更加顯著。然而，有關(guān)景觀格局特征對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響的研究仍然有限[7]307，尚未明確新發(fā)展生境的空間特征對殘存生境的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和生物多樣性支持能力的影響和作用[11]。本研究旨在探索快速城市化背景下林地生境質(zhì)量特征和影響其變化的主導(dǎo)景觀格局特征，以韓國首爾特別市為例：1）基于4期解譯后的衛(wèi)星圖像判別了殘存林地斑塊后定義其為一個目標(biāo)生境的“核心生境”，并選取首爾漢江以南區(qū)域的22個城市公園作為樣本；2）在Fragstats軟件中計算景觀格局指數(shù)，并運用InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）模型的生境質(zhì)量模塊（Habitat-Quality Module，簡稱HQ）評估得出生境質(zhì)量指數(shù)以代表其生物多樣性能力；3）引入主成分分析統(tǒng)計模型探究兩者關(guān)系，并總結(jié)出影響樣本公園生境質(zhì)量的主要景觀格局特征。研究主要包括以下3部分內(nèi)容：1）“核心生境”的判別及空間分布特征描述；2）樣本公園的生境質(zhì)量評估；3）景觀格局特征與生境質(zhì)量的關(guān)系探究。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)域

首爾特別市（以下簡稱首爾市）位于朝鮮半島中南部（37°33’N，126°58’E），其原始自然景觀以山林地為特色，漢江將城區(qū)分為南北兩部分。自20世紀(jì)60年代末，首爾經(jīng)濟進入快速發(fā)展時期（特別集中在漢江以南），大規(guī)模的城市建設(shè)活動導(dǎo)致了其區(qū)內(nèi)自然景觀迅速消失，現(xiàn)今只有城市邊緣區(qū)依然留存些許原始的景觀特征。

筆者選取漢江以南的7個行政區(qū)為本文的研究區(qū)域，總面積約204 km2。此區(qū)南部邊界為植被覆蓋的山地（冠岳山、牛眠山、九龍山、大母山、仁陵山），是首爾的城市綠帶（green belt）的一部分；區(qū)內(nèi)至漢江邊緣散布的小片殘存林地，大部分被作為城市公園使用（圖1）。

2.2 研究方法

2.2.1 數(shù)據(jù)處理

基于本研究目的，運用遙感平臺工具對1972、1985、1995和2015年4期土地利用/覆被數(shù)據(jù)重新分類，此數(shù)據(jù)源于5 m分辨率的遙感圖像，由首爾政府解譯后統(tǒng)一分類在線發(fā)布，包括城市林地（urban forests）、草地（pasture）、農(nóng)業(yè)用地（agricultural lands）、果園（orchards）、人工植栽綠地（designed green spaces）、荒地（vacant lands）、河流（river）、濕地（wetlands）、郊野聚落（rural settlements）、交通（transportation）、商務(wù)及設(shè)施用地（service business and infrastructure）和城市居住用地（urban residential area）12個類型。

2.2.2 “核心生境”定義與樣本識別

首先，將一個生境斑塊中形成較早、持續(xù)較久的殘存部分定義為這個斑塊的“核心生境”[7]309,[12]362，在研究區(qū)域內(nèi)，于1972年就存在的林地為較老的林地，對比2015年的土地利用/覆被數(shù)據(jù)，1985年和1995年的數(shù)據(jù)為輔，判定其“核心生境”的面積和位置。其次，得出整個研究區(qū)域內(nèi)的“核心生境”斑塊分布之后，篩選適合的樣本進行空間模型模擬和統(tǒng)計計算，其樣本選擇須同時符合以下2個條件：1）當(dāng)前作為城市公園使用；2）在＜5 hm2、5～15 hm2和＞15 hm23個面積區(qū)間中相對均衡地選取[12]359,[13]；最終符合要求的22個公園被選擇進入下一步運算（實際37個斑塊樣本，部分面積較大的公園被道路分割，故樣本數(shù)和公園數(shù)不一致，圖1）。

2.3 研究方法

2.3.1 斑塊水平景觀格局分析

景觀格局分析是通過統(tǒng)計的方法從景觀單元本身和構(gòu)成景觀斑塊的空間關(guān)系進行量化，并依照特定目的選擇合適的景觀格局指標(biāo)進行描述[14]。首先，將需要計算的景觀類型轉(zhuǎn)換為柵格格式后，輸入景觀格局分析軟件Fragstats 4.2中進行運算。Fragstats工具將景觀格局分為景觀水平、類型水平和斑塊水平3種級別，選擇特定子集計算樣本數(shù)據(jù)斑塊水平上的景觀格局指數(shù)[15],[16]191（表1）。

表1 斑塊水平景觀格局指數(shù)及釋義 Tab. 1 Landscape pattern metrics and their interpretations at the patch level

2.3.2 生物多樣性模型

運用InVEST模型中的HQ評估了“核心生境”的生物多樣性能力[17]。InVEST是由美國斯坦福大學(xué)聯(lián)合大自然保護協(xié)會和世界自然基金會聯(lián)合開發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估工具，HQ通過評估生境質(zhì)量指數(shù)從而反映生物多樣性的持續(xù)性和恢復(fù)能力[18]887。模型基于土地利用類型評估生境的適宜性，運算得出的生境指數(shù)越大則認為此類型能夠支持生物多樣性的能力越強。模型的運算需要輸入的數(shù)據(jù)包括：土地利用/覆被圖（land use/cover map）、威脅因子圖層（threat layers）、威脅因子參數(shù)（threats data）、土地利用/覆被類型對于威脅因子的敏感度參數(shù)（sensitivity of land cover types to each threat）和退化源的可達性參數(shù)（accessibility to sources of degradation）。運算結(jié)果以柵格數(shù)據(jù)作為評價單元得出生境質(zhì)量指數(shù)（0～1），其柵格大小參考土地利用數(shù)據(jù)的精度設(shè)為5 m，威脅因子參數(shù)、敏感度參數(shù)和退化源可達性參數(shù)均參考前人研究設(shè)定[4]65,[5]45。具體運算公式如下：

式中，Qxj是某種土地利用類型j中柵格x的生境質(zhì)量；k為半飽和常數(shù)；Hj為土地利用類型j的生境適宜性；Dxj是某種土地利用代表的生境類型j中柵格的生境脅迫水平，其具體公式如下：

式中：R為脅迫因子個數(shù)；wr代表脅迫因子r的權(quán)重；Yr為脅迫因子層在土地利用與土地覆蓋(或生境類型)的柵格個數(shù)；ry為土地利用類型每個柵格上脅迫因子的個數(shù)；βx表明柵格x的可達性水平，1表示可達性最大；Sjr為土地利用類型j對脅迫因子r的敏感性，該值越接近1表示生境對脅迫因子的敏感性越大[18]887；柵格y中脅迫因子r對柵格x中生境的脅迫作用為irxy，本研究所有的脅迫因子的影響都以線性評估，其公式如下：

式中，dxy是柵格x與柵格y之間的直線距離，dr max為脅迫因子r的最大影響距離。

生境質(zhì)量模型運算后得出被賦值的生境質(zhì)量柵格數(shù)據(jù)，在柵格單元不同的賦值基礎(chǔ)上，以公園樣本作為綜合單元分析尺度，運用Zonal Statistic統(tǒng)計方法確定生境單元值和“核心生境”單元值[19]，最后，“核心生境”單元值與景觀格局指數(shù)共同參與下一步的統(tǒng)計分析。

2.3.3 數(shù)據(jù)分析

運用SPSS軟件對選取的8個景觀格局指數(shù)與“核心生境”單元值進行皮爾森相關(guān)分析，只有顯著相關(guān)的指數(shù)類型可以進入下一步的主成分分析。主成分分析的主要原理是用少數(shù)幾個主要因子去描述多個指標(biāo)或因素之間的聯(lián)系，即將較相關(guān)的變量歸為同一類別，以較少的幾個主要因子反映出目標(biāo)結(jié)果的大部分信息[20-21]，模型運算原理詳見張靜等的研究[22]341。筆者主要運用主因子分析得到因子載荷矩陣和因子得分矩陣，從而探索主要的景觀格局指數(shù)類別，并分析每個類別對生物多樣性評估結(jié)果的貢獻程度。

3 結(jié)果與分析

3.1 生境質(zhì)量評估

3.1.1 林地生境賦值

參照InVEST使用手冊確定了林地生境保護程度分值。林地被視為城市生態(tài)系統(tǒng)中最重要的生境之一，筆者選取的公園樣本由于受人為活動因素的影響，其林地生境保護最大賦值設(shè)置為0.930[4]66。以2015年的土地利用矢量圖為基準(zhǔn)，提取林地圖層后得到保護程度因子層。

3.1.2 威脅因子及生境敏感度

生境對威脅源的敏感度主要依據(jù)景觀生態(tài)學(xué)理論和生物多樣性保護原則確定[23]。結(jié)合前人研究和首爾市現(xiàn)狀，對生境質(zhì)量模型中目標(biāo)生境的各類威脅因子敏感度賦值為0～1。根據(jù)重新整合的數(shù)據(jù)，確定生物多樣性造成脅迫的土地利用類型包括：農(nóng)業(yè)用地、城市居住用地、商務(wù)及設(shè)施用地、荒地、郊野聚落和交通用地。威脅因子的最大影響距離、權(quán)重及衰退線性相關(guān)性指數(shù)參照相關(guān)文獻設(shè)定（表2）。

表2 生境質(zhì)量運算參數(shù)[4]65, [5]46 Tab. 2 Operational parameters for modeling habitat quality [4]65, [5]46

3.1.3 評價結(jié)果

HQ模型的結(jié)果顯示樣本公園的“核心生境”質(zhì)量指數(shù)為0.911（低）～0.929（高）。

生境較差的林地主要分布在道路、商務(wù)設(shè)施用地和城市居住用地周圍，由此可見，城市化發(fā)展中的生態(tài)用地轉(zhuǎn)化為非生態(tài)用地影響了其鄰近林地生境的生物多樣性能力。反之，生境質(zhì)量較優(yōu)的林地主要分布在區(qū)域南部邊界植被覆蓋的山地，如冠岳山、九龍山、大母山。上述特征產(chǎn)生的原因可能在于：北部區(qū)域為漢江沖積平原，地形平坦使得人為的開發(fā)活動較為容易，特別是20世紀(jì)70年代起首爾漢江以南區(qū)域的快速發(fā)展造成的較強烈的人為干擾使生境質(zhì)量受到影響，如今形成的高密度建設(shè)區(qū)也對“孤島”式的城市公園中動植物群落造成威脅；而南部多為丘陵山地，由地形主導(dǎo)形成的各種小生境為豐富的生物多樣性提供了環(huán)境基礎(chǔ)。

生境單元值由圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)：1）公園面積越大其生境單元值越大，例如青龍山公園、冠岳山公園生境單元值最高；2）大部分樣本顯示出“核心生境”面積越大的同時生境單元值越大，但是一些中小尺度的樣本顯示，在面積相近的情況下，其“核心生境”單元值具有差異，例如月址公園、道口前街公園和開浦公園，這反映了面積并不一定是影響“核心生境”單元值的唯一因素。

3.2 景觀格局對“核心生境”單元值的關(guān)系

利用SPSS軟件對景觀格局指數(shù)和“核心生境”單元值進行皮爾森相關(guān)分析（表3）。可以看出，選取的8個景觀格局指數(shù)中除了歐幾里得鄰近距離，其他均與“核心生境”單元值顯著相關(guān)，其中周長面積比呈現(xiàn)負相關(guān)，其他均呈現(xiàn)正相關(guān)，并分別通過0.01或0.05信度水平檢驗[12]361。這表明本研究區(qū)域“核心生境”的生境單元值與斑塊間的隔離程度不相關(guān)，周長和回轉(zhuǎn)半徑與“核心生境”質(zhì)量的相關(guān)系數(shù)最大。

表3 皮爾森相關(guān)分析結(jié)果Tab. 3 Results of Pearson correlation analysis

根據(jù)因子分析法得到了因子貢獻率和因子累計貢獻率，并選取了特征值＞1、累計貢獻率＞75%的2個主因子，可以代表所有變量反映的信息[22]341。從表4結(jié)果可以看出，進入主因子的7個景觀格局指數(shù)可以歸納為2個主因子：主因子1和主因子2，分別命名為綠地形狀因子（X1）和綠地聚合因子（X2），對“核心生境”質(zhì)量的貢獻率為96.022%。主因子1中景觀形狀指數(shù)和分維度指數(shù)貢獻率超過0.900，主因子2中鄰近指數(shù)和周長面積比貢獻率超過0.900。

表4 主因子分析旋轉(zhuǎn)后的原件載荷矩陣Tab. 4 Original matrix of principal factor analysis

為了進一步研究景觀格局指數(shù)和生境質(zhì)量的關(guān)系，對得到的2個主因子進行線性回歸分析，最終得到多元線性回歸模型（表5），此模型P值在0.000信度水平上顯著，調(diào)整后的R2為0.794，并同時通過共線性診斷和Durbin-Watson診斷，因此判定模型有效。分析結(jié)果說明：除了前文中提到的斑塊面積大小的重要性，研究區(qū)域內(nèi)林地生境的形狀和斑塊間的空間配置對城市“核心生境”的生物多樣性有著重要的影響。

表5 “核心生境”質(zhì)量與景觀格局回歸模型Tab. 5 Regression model of core habitat quality and landscape patterns

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

韓國首爾市南部7區(qū)歷經(jīng)了快速城鎮(zhèn)化過程、人類活動密集而復(fù)雜且土地利用轉(zhuǎn)變過程顯著，研究結(jié)果表明：區(qū)域內(nèi)“核心生境”在林地生物多樣性支持中充當(dāng)了重要角色，其中新發(fā)展生境的形狀和群落間的空間配置對“核心生境”部分的生境質(zhì)量有重要影響。本研究可為新發(fā)展綠地規(guī)劃策略提供參考，尤其是以保護和維持生物多樣性為目的的生境營造，應(yīng)當(dāng)將生境形狀和生境的空間配置作為設(shè)計策略制定的重點。

4.2 討論

快速城市化發(fā)展是造成生境退化的主要動因?，F(xiàn)今具有一定年份且保存了歷史信息的棲息地作為“核心生境”在城市生物多樣性支持中擔(dān)當(dāng)了重要角色。因此，運用技術(shù)手段對其留存特征進行識別和評價是保護城市生物多樣性的必要途徑。

首先，城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計政策的制定應(yīng)重視場地的歷史留存信息。筆者所定義、識別和評估的“核心生境”對城市生物多樣性的保護和發(fā)展意義較大，不僅可為首爾區(qū)域及其他類似區(qū)域的生態(tài)保護實踐和可持續(xù)土地規(guī)劃與管理提供科學(xué)依據(jù)，也為中國城市相關(guān)策略的制定提供了評估方法的借鑒。當(dāng)下中國國內(nèi)城市綠地規(guī)劃和保護政策較少關(guān)注綠地作為城區(qū)主要生境的生態(tài)系統(tǒng)作用。北京、濟南等城市都在開展留白增綠或拆違建綠等工作，以場地內(nèi)原始群落作為綠地更新的依據(jù)對于制定合理的生物多樣性支持策略具有重要意義。在未來的城市生境營造中，相關(guān)決策者及實踐人員宜充分保留和修復(fù)各類生境中的歷史信息，“新老結(jié)合”以實現(xiàn)其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值的提升。

其次，在新發(fā)展的綠地建設(shè)過程中，應(yīng)將景觀格局特征的評估作為策略制定的重要組成部分，有效加強城市綠地對生物多樣性的支持能力。目前，大多數(shù)城市綠地評估和規(guī)劃設(shè)計更注重單個綠地的面積大小，忽略其與鄰近生境的聯(lián)系和空間配置的系統(tǒng)性作用，尚未主動從時空視角，通過規(guī)劃途徑優(yōu)化綠地景觀格局從而提升其生態(tài)系統(tǒng)作用，尤其是其生物多樣性支持能力。因此，規(guī)劃策略制定過程中可對影響生物多樣性的綠地景觀格局特征進行識別，并在城市規(guī)劃、綠色基礎(chǔ)設(shè)施建造和城市生境修復(fù)的具體實施中適度把控，以有效保護、發(fā)展和提升城市綠地的生物多樣性支持能力。

本研究尚存在一定不足之處，由于國情差異，對于首爾市的研究很難直接被中國的相關(guān)實踐應(yīng)用借鑒，且受限于城區(qū)內(nèi)自然生境質(zhì)量實地監(jiān)測數(shù)據(jù)和指標(biāo)的缺乏，只能基于脅迫因子運用模型模擬生境質(zhì)量進行間接評估。今后的相關(guān)研究應(yīng)豐富研究區(qū)域和場地，注重新技術(shù)的引入、提高數(shù)據(jù)的精度和廣度以及增加生境的評估尺度和種類。

圖表來源(Sources of Figures and Tables)：

圖1、表3改繪自參考文獻[12]，其他圖表由作者自繪，土地利用/覆被數(shù)據(jù)、首爾行政邊界數(shù)據(jù)源自首爾政府平臺（Seoul Metropolitan Government，SMG）， 網(wǎng)址：http://gis.seoul.go.kr/SeoulGis/；道路數(shù)據(jù)源自韓國國家地理信息研究院（The National Geographic Information Institute of Korea），網(wǎng)址：http://map.ngii.go.kr；文中數(shù)據(jù)以ArcGIS為基礎(chǔ)平臺，運用Fragstats軟和InVEST模型運算完成后在SPSS統(tǒng)計工具和Excel軟件中生成圖表。