陳燕喬, 黃雪清, 楊龍, 溫美麗, 孫中宇, *, 彭長(zhǎng)連

廣州快速城市化進(jìn)程中近自然林的景觀和活力演變

陳燕喬1, 2, 黃雪清1, 楊龍1, 溫美麗1, 孫中宇1, 2, *, 彭長(zhǎng)連2, *

1. 廣東省地理空間信息技術(shù)與應(yīng)用公共實(shí)驗(yàn)室/廣州地理研究所, 廣州 510070 2. 華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 廣州 510631

我國(guó)快速城市化過程中城市森林的結(jié)構(gòu)、功能及服務(wù)受到了強(qiáng)烈的人為干擾?？焖俪鞘谢^程中如何規(guī)劃和保護(hù)森林資源, 使其更有效地服務(wù)于城市生態(tài)系統(tǒng), 是當(dāng)前亟需解決的問題。以高度城市化的廣州市近自然林為研究對(duì)象, 從城市化的時(shí)間尺度(1979—2013年)和空間尺度(市中心-近郊-遠(yuǎn)郊)兩個(gè)方面探討了廣州市近自然林的景觀及活力對(duì)快速城市化的響應(yīng)過程。研究結(jié)果一致表明: 快速城市化導(dǎo)致廣州市近自然林的景觀破碎化。近自然林的面積及活力在快速城市化進(jìn)程中先迅速降低, 隨后降速減緩并緩慢回升。城市不透水面和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)是影響近自然林景觀和活力的關(guān)鍵因子。城市化程度較低時(shí), 近自然林對(duì)城市化因子的響應(yīng)為線性響應(yīng), 隨著城市化的推進(jìn), 這種線性響應(yīng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性。城市化因子對(duì)近自然林的景觀和活力的影響隨著城市化進(jìn)程先增強(qiáng)后減弱并逐漸趨于多元化和去中心化。對(duì)城市近自然林景觀和活力調(diào)控的最佳時(shí)期是快速城市化早期。高度城市化背景下的政策和管理等行政因素可顯著改善近自然林的景觀和活力。

城郊梯度; 歸一化植被指數(shù); 城市森林; 景觀指數(shù); 歷史演變

0 前言

世界范圍內(nèi)的城市化進(jìn)程正以驚人的速度推進(jìn)。相關(guān)研究表明, 1900年世界城市人口占世界總?cè)丝诘谋壤齼H為9%, 1980年增長(zhǎng)為40%, 2000年則達(dá)到50%, 預(yù)計(jì)2025年將會(huì)上升至60%[1, 2]。中國(guó)中小城市發(fā)展報(bào)告(2013)[3]顯示, 截至2012年, 中國(guó)城市化率已達(dá)到52.60%, 預(yù)計(jì)2020年將達(dá)到60.34%, 屆時(shí)中國(guó)的城市人口將達(dá)到8.37億。城市化帶來高度人類文明的同時(shí), 也對(duì)區(qū)域內(nèi)原有的自然環(huán)境和植被造成了難以估量的生態(tài)影響, 引發(fā)諸如熱島效應(yīng)、霧霾、酸雨、土地污染和植被景觀破碎化等城市生態(tài)問題。在此背景下, 城市森林的生物多樣性、植物功能群組成特征和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能等也受到了嚴(yán)重的威脅[4-6]。隨著城市化壓力的增加, 城市森林的物種多樣性降低, 生態(tài)服務(wù)功能減弱, 系統(tǒng)恢復(fù)力受損, 受到外來物種入侵和形成新生生態(tài)系統(tǒng)(novel ecosystem)的風(fēng)險(xiǎn)都會(huì)顯著增加[7-9]。如何準(zhǔn)確評(píng)價(jià)、保護(hù)和修復(fù)城市化過程中受損城市森林斑塊的結(jié)構(gòu)、功能及發(fā)展動(dòng)力, 是當(dāng)前亟需解決的重要課題。

城市近自然林是一類特殊的城市森林, 也是城市森林中最為重要的一種森林類型。不同于一般意義上的城市綠地, 城市近自然林具有類似自然林的組成和結(jié)構(gòu), 發(fā)揮著與自然林相當(dāng)?shù)纳鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[10, 11], 對(duì)全球變化背景下的森林研究有重要意義[12]。與其它城市綠地相比, 城市近自然林可顯著提高空氣負(fù)離子濃度, 降低空氣中的細(xì)菌含量, 同時(shí)改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[13]。當(dāng)前, 城市森林的研究多以城市化背景下的城市森林整體作為研究對(duì)象, 而針對(duì)城市近自然林單獨(dú)的研究較少, 尤其缺乏空間梯度和時(shí)間序列相結(jié)合的研究案例[14]。本研究以廣州市快速城市化過程中殘存的近自然林為研究對(duì)象, 從城郊梯度和時(shí)間序列兩個(gè)方面探討我國(guó)快速城市化背景下的城市近自然林景觀和活力變化。本研究以景觀指數(shù)和NDVI的年際變化分別指征近自然林的景觀和植被活力變化, 重點(diǎn)關(guān)注以下科學(xué)問題: (1)快速城市化過程中城市近自然森林的景觀與活力如何變化？(2)不同城市化時(shí)期引發(fā)城市近自然林景觀和活力變化的主要城市化因子是哪些？(3)在快速城市化過程中如何協(xié)調(diào)這些城市化因子, 合理規(guī)劃和保護(hù)城市近自然森林？相關(guān)研究結(jié)果可為我國(guó)快速城市化過程中的近自然林規(guī)劃和保護(hù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

本研究選取高度城市化的廣州市作為研究區(qū)域。廣州是廣東省的政治和經(jīng)濟(jì)中心, 是我國(guó)改革開放的前沿陣地, 也是我國(guó)快速城市化的典型案例之一。廣州市地處我國(guó)華南地區(qū), 屬于南亞熱帶典型的季風(fēng)海洋性氣候, 夏季盛行西南風(fēng), 冬季以偏北風(fēng)為主。受此影響, 該區(qū)形成了以南亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林為主的地帶性植被和以赤紅壤為主的地帶性土壤。廣州市2017年全年平均溫度為22.4℃, 平均相對(duì)濕度81.1%, 降雨量2638.3 mm, 日照時(shí)數(shù)1519.7 h[15]。廣州市1980年的城市化率為45.5%, 2016年達(dá)到86.06%; 1978年地區(qū)生產(chǎn)總值為43.09億元, 2016年增至19547.44億元[15]。短短的30多年時(shí)間, 廣州便完成了西方國(guó)家歷時(shí)50-100年才完成的城市化進(jìn)程, 為我國(guó)其他城市的城市化推進(jìn)提供了借鑒。2017年廣州市全市面積達(dá)到7434.40平方公里, 常住人口增至1404.35萬人, 常住人口密度達(dá)1889人/平方公里。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的推進(jìn), 廣州市中心城區(qū)、郊區(qū)以及遠(yuǎn)郊區(qū)的植被受到了強(qiáng)烈的人為干擾, 植被覆蓋率不斷降低[16], 森林景觀破碎化, 形成諸多殘存的“近自然林”。這些近自然林以地帶性植被為主, 群落結(jié)構(gòu)完整、物種多樣性豐富、生物量高、趨于穩(wěn)定狀態(tài)、近自然生長(zhǎng), 在無較大人為干擾下可演替成地帶性頂極群落。2004年, 廣州市現(xiàn)存的近自然林面積僅為290 km2, 占廣州市土地面積的3.9 %, 并且均以保護(hù)區(qū)、風(fēng)水林和風(fēng)景林的形式存在[17]。本研究首先根據(jù)廣州市的用地強(qiáng)度和不透水面的分布將廣州市劃分為 “市中心區(qū)-近郊區(qū)-遠(yuǎn)郊區(qū)”的城郊梯度(圖1)。隨后在城郊梯度上的市中心蒲崗(PG)、近郊蘿崗(LG)和遠(yuǎn)郊大嶺山(DLS)選取3片近自然林, 以采樣點(diǎn)為中心設(shè)定5 Km×5 Km的研究區(qū)域(圖1B), 研究區(qū)域概況及近自然林群落特征列于表1。市中心蒲崗、近郊蘿崗和遠(yuǎn)郊大嶺山所受到的人為干擾強(qiáng)度逐漸降低, 具有明顯的城市化梯度(圖1)。

a. 廣州市土地利用圖 b.廣州市不透水面分布圖

Figure 1 The location of study area PG/LG/DLS in Guangzhou

表1 研究區(qū)域概況及研究區(qū)近自然林的群落特征

1.2 研究方法

1.2.1 城市化因子的選取

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)衡量城市化水平的標(biāo)準(zhǔn)尚未達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。當(dāng)前衡量城市化水平有兩種常用的方法, 一種是單一指數(shù)法, 多以城市人口比例作為衡量標(biāo)準(zhǔn); 另一種是綜合指數(shù)法, 選取多個(gè)指數(shù)來衡量城市化水平。所選取的指數(shù)多集中在以下四個(gè)方面[18]: ①人口相關(guān)的城市化指標(biāo), 主要用來反映城市化過程中的人口集中過程; ②土地相關(guān)的城市化指標(biāo), 主要反映地域景觀的變化過程; ③經(jīng)濟(jì)類的城市化指標(biāo), 主要反映經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的非農(nóng)轉(zhuǎn)變; ④社會(huì)類的城市化指標(biāo), 用來反映生活方式的變化。這些衡量城市化水平的指標(biāo), 均在不同程度上反映了城市化過程對(duì)城市近自然林所產(chǎn)生的環(huán)境壓力。本研究依據(jù)以上原則, 同時(shí)兼顧數(shù)據(jù)的可獲取性、連續(xù)性和可比較性, 最終選取以下18個(gè)城市化因子表征城市化壓力: 常住人口密度(X1)、GDP(X2)、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值(X3)、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值(X4)、常用耕地面積(X5)、農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值(X6)、房地產(chǎn)開發(fā)投資額(X7)、批發(fā)零售業(yè)商品銷售總額(X8)、公共財(cái)政支出(X9)、城市居民可支配收入(X10)、建設(shè)用地面積(X11)、機(jī)動(dòng)車數(shù)量(X12)、大氣二氧化硫含量(X13)、大氣二氧化氮含量(X14)、大氣一氧化碳含量(X15)、大氣總懸浮顆粒物含量(X16)、降水pH值(X17)和酸雨頻率(X18)。以上數(shù)據(jù)依據(jù)歷年廣州市統(tǒng)計(jì)年鑒和廣州市環(huán)境公報(bào)提取。

1.2.2 基于TM影像的景觀指數(shù)提取方法

基于廣州市1979年、1990年、1999年、2005年和2013年TM高分辨率(30 m)影像數(shù)據(jù), 提取研究區(qū)5 km×5 km范圍內(nèi)城市化過程中的土地利用變化信息。本研究將土地資源分類系統(tǒng)中5種土地利用類型歸為5大類景觀, 即林地、農(nóng)用地(耕地和園地)、濕地、未利用地(裸地)、建設(shè)用地(人工表面), 并把林地、農(nóng)用地及濕地歸類為生態(tài)用地, 建設(shè)用地和未利用地歸類為非生態(tài)用地。

在此基礎(chǔ)上, 本研究參照鄔建國(guó)[19]的方法計(jì)算了1979—2013年研究區(qū)內(nèi)的斑塊總個(gè)數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、邊界密度(ED)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)和景觀破碎化指數(shù)(FNI)。

1.2.3 基于TM影像的植被活力表征方法

在TM遙感影像中, 近紅外波段的反射值與紅光波段的反射值之差與近紅外波段的反射值與紅光波段的反射值之和的比值被稱為歸一化植被指數(shù)(NDVI)。NDVI可以反映植物的水分、色素和養(yǎng)分含量, 從而間接反映植被的健康和活力。在TM影像中, NDVI的計(jì)算公式可表示為:

NDVI=(ρband4-ρband3)/(ρband4+ρband3)

其中NDVI為歸一化植被指數(shù), ρband3和ρband4分別為TM影像紅光波段和近紅外波段的反射率。本研究根據(jù)NDVI值將植被活力分為三個(gè)等級(jí), 即非植被(-1≤NDVI≤-0.2), 低活力植被(-0.2＜NDVI≤0.5)和高活力植被(0.5＜NDVI≤1)。

1.2.4 數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法

采用主成分分析(PCA)方法對(duì)城市化要素進(jìn)行降維處理。采用回歸分析(RA)來探討城市近自然林對(duì)城市化的響應(yīng)方式。采用相關(guān)分析(CA)判別城郊梯度上對(duì)城市近自然林景觀和活力產(chǎn)生顯著影響的城市化要素。以上分析均采用SPSS for windows 13.0軟件運(yùn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 1979—2013年間廣州市城郊梯度上近自然林的景觀和活力演變

廣州市城郊梯度上近自然林1979—2013年的森林景觀變化如圖2所示。1979年遠(yuǎn)郊大嶺山95%以上均為森林, 近郊蘿崗主要由森林和農(nóng)用地組成, 而市中心蒲崗則由森林、農(nóng)田和其他土地組成。1990年至2013年間, 蒲崗森林面積有所增加, 但被大量建筑所包圍和切割, 森林及周邊景觀更為破碎化。近郊區(qū)蘿崗的部分農(nóng)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值? 但被道路切割嚴(yán)重, 森林景觀也逐漸破碎。遠(yuǎn)郊大嶺山的森林景觀則較為穩(wěn)定, 期間變化并不顯著。由表2可知, 研究對(duì)象所在地5 km×5 km范圍內(nèi)的斑塊數(shù)量(NP), 斑塊密度(PD), 邊界密度(ED), 景觀形狀指數(shù)(LSI), 最大斑塊指數(shù)(LPI), 香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI), 香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI), 景觀破碎化指數(shù)(FNI)均隨著城市化時(shí)間的推進(jìn)逐漸增加。同一時(shí)期市中心研究區(qū)的上述景觀指數(shù)均大于近郊區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū), 遠(yuǎn)郊近自然林景觀的變化最小。

廣州市蒲崗、蘿崗和大嶺山研究區(qū)域1979-2013年植被指數(shù)(NDVI)變化如圖3所示。本研究將NDVI值分為3個(gè)等級(jí)來表示植被活力, 即-1至-0.2, -0.2至0.5, 0.5至1, 分別代表非植被、低活力植被和高活力植被。從市中心的蒲崗和近郊的蘿崗區(qū)域來看, 隨著城市化的進(jìn)程, 一些植被活力較低的農(nóng)業(yè)用地被建設(shè)用地所替代。隨著道路和房屋的修建, 高活力的植被景觀(主要是城市近自然林)被切割和碎片化。遠(yuǎn)郊大嶺山也是同樣的趨勢(shì), 但由于城市化壓力較小, 變化并不顯著。

圖2 廣州市蒲崗、蘿崗、大嶺山研究區(qū)域 1979-2013 年土地利用景觀演化圖

Figure 2 The change of landscape and land use in PG/LG/DLS from 1979 to 2013

表2 1979-2013年廣州市蒲崗/蘿崗/大嶺山研究區(qū)的景觀指數(shù)

表3表明, 1979—2005年間市中心蒲崗的高活力植被面積和比例逐年減小, 2005—2013年間有所回升。遠(yuǎn)郊蘿崗區(qū)域的高活力植被面積呈持續(xù)下降趨勢(shì)。低活力植被和無活力區(qū)域逐年增加。遠(yuǎn)郊大嶺山的高活力植被、低活力植被和無活力區(qū)域的面積則變化不明顯。

圖3 廣州市蒲崗、蘿崗、大嶺山研究區(qū)域1979-2013年植被指數(shù)NDVI變化圖

Figure 3 The change of NDVI in PG/LG/DLS from 1979 to 2013

表 3 廣州市蒲崗、蘿崗和大嶺山研究區(qū)植被活力變化

1.2 1979—2013年間廣州市城市化因子對(duì)近自然林景觀和活力的影響

本文以廣州市1979/1990/1999/2005/2013年的常住人口密度(X1)、GDP(X2)、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值(X3)、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值(X4)、常用耕地面積(X5)、農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值(X6)、房地產(chǎn)開發(fā)投資額(X7)、批發(fā)零售業(yè)商品銷售總額(X8)、公共財(cái)政支出(X9)、城市居民可支配收入(X10)、建設(shè)用地面積(X11)、機(jī)動(dòng)車數(shù)量(X12)、大氣二氧化硫含量(X13)、大氣二氧化氮含量(X14)、大氣一氧化碳含量(X15)、大氣總懸浮顆粒物含量(X16)、降水pH值(X17)和酸雨頻率(X18)等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 用SPSS軟件對(duì)廣州城市化過程中所涉及到的城市化要素進(jìn)行主成分分析并輸出總方差解釋。結(jié)果表明, 所有城市化要素可歸為三個(gè)主成分, 其中主成分Z1和Z2的特征根λ>1, 并且Z1的貢獻(xiàn)率達(dá)到86.51%, Z1和Z2兩個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到95.19%(表4)。從SPSS軟件輸出的主成分載荷矩陣可知(表5), 主成分Z1與城市化各要素均有強(qiáng)烈的相關(guān)性, 可歸結(jié)為綜合城市化因子; 主成分Z2則與土地利用類型及環(huán)境要素相關(guān)性較強(qiáng), 可歸結(jié)為土地利用與環(huán)境因子。

表4 SPSS軟件輸出總方差解釋

表5 SPSS軟件輸出主成分載荷矩陣

本文以貢獻(xiàn)率達(dá)86.51%的主成分Z1的對(duì)數(shù)logZ1為自變量, 以研究區(qū)森林面積、高活力植被(近自然林)比例以及景觀香農(nóng)多樣性指數(shù)為因變量進(jìn)行相關(guān)分析和線性回歸分析(圖4)。結(jié)果表明, 遠(yuǎn)郊區(qū)大嶺山研究區(qū)內(nèi)的森林面積對(duì)城市化進(jìn)程的響應(yīng)表現(xiàn)為線性遞減(2=0.771); 而市中心區(qū)蒲崗和近郊區(qū)蘿崗研究區(qū)內(nèi)的森林面積對(duì)城市化進(jìn)程的響應(yīng)則趨于非線性(2分別為0.1643和0.1184)。植被活力方面, 遠(yuǎn)郊區(qū)大嶺山、近郊區(qū)蘿崗和市中心區(qū)蒲崗研究區(qū)內(nèi)高活力植被(近自然林)的比例均隨著城市化進(jìn)程線性遞減, 但蒲崗區(qū)的決定系數(shù)2<0.5,更趨于非線性響應(yīng)。景觀多樣性方面, 遠(yuǎn)郊大嶺山的景觀多樣性隨城市化進(jìn)程線性增加(2=0.7041); 近郊蘿崗和市中心蒲崗則更趨于非線性變化(2分別為0.2918和0.4164)(圖4)。從線性回歸的決定系數(shù)2值可以看出, 城市中心、近郊和遠(yuǎn)郊林對(duì)廣州市城市化進(jìn)程的響應(yīng)形式有所不同, 距離市中心越遠(yuǎn)響應(yīng)形式越簡(jiǎn)單, 越接近于線性響應(yīng), 而距離市中心越近, 響應(yīng)形式越復(fù)雜, 越接近于非線性響應(yīng)。

本研究選取1979—2013年廣州市的人口、GDP、城市化率、不透水率、房地產(chǎn)投資額等主要城市化因子, 與研究區(qū)景觀破碎度、多樣性指數(shù)、最大斑塊指數(shù)、高活力植被比例等4個(gè)指標(biāo)一同進(jìn)行相關(guān)性分析(表6)。結(jié)果表明:

市中心蒲崗的景觀指數(shù), 包括斑塊密度、景觀香農(nóng)指數(shù)和最大斑塊指數(shù)與各城市化因子均為正相關(guān); 而高活力植被(近自然林)比例與各城市化因子均為負(fù)相關(guān)。蒲崗區(qū)的城市化率、不透水率與斑塊密度相關(guān)性最高; 而不透水率和農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值與景觀香農(nóng)指數(shù)和最大斑塊指數(shù)相關(guān)性最高。與植被活力關(guān)系最為密切的則是不透水率、城市化率和第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值。指標(biāo)的相關(guān)性結(jié)果表明, 不透水率、城市化率是影響蒲崗區(qū)植被活力及景觀破碎度的最關(guān)鍵因子。而GDP、房地產(chǎn)開發(fā)投資額以及人均可支配收入對(duì)蒲崗森林的影響相對(duì)較小。

圖4 城市化因子對(duì)數(shù)logZ1與研究區(qū)森林面積、高活力植被比例及研究區(qū)景觀香農(nóng)多樣性指數(shù)的回歸關(guān)系

Figure 4 The regression between urbanization factor logZ1 and forest area, proportion of high vigor vegetation and SHDI

表6 研究區(qū)城市化因子與森林景觀類指數(shù)間的相關(guān)矩陣

近郊區(qū)蘿崗研究區(qū)的斑塊密度和香農(nóng)多樣性指數(shù)與各城市化因子均正相關(guān); 最大斑塊指數(shù)和植被活力則與各城市化因子負(fù)相關(guān)。與蘿崗景觀指數(shù)關(guān)系最密切的城市化因子是GDP和第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值。與植被活力相關(guān)性較高的則是城市化率和農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值。從城市化各要素與蘿崗植被活性的顯著負(fù)相關(guān)可以看出, 近郊區(qū)是受廣州市城市化影響最為劇烈的區(qū)域, 人為干擾對(duì)植被活力的影響最大。

遠(yuǎn)郊大嶺山研究區(qū)的斑塊密度, 景觀香農(nóng)多樣性指數(shù)與各城市化因子均正相關(guān), 關(guān)系最為密切的是人口密度和不透水率。最大斑塊指數(shù)和高活力植被比例則與各城市化因子負(fù)相關(guān)。其中與最大斑塊指數(shù)關(guān)系最為密切的因子為GDP和房地產(chǎn)開發(fā)投資額; 與植被活力關(guān)系最為密切的是城市化率和農(nóng)林牧漁產(chǎn)業(yè)總值。

3 討論

3.1 快速城市化過程中城市近自然森林的景觀與活力變化

時(shí)間序列和空間梯度上的研究結(jié)果一致表明, 城市化過程使廣州城市近自然林的景觀破碎化, 植被活力隨著城市化的推進(jìn)先迅速降低, 隨后降速減緩, 最后有所回升。廣州市城市化過程中部分近自然林景觀首先被轉(zhuǎn)為農(nóng)業(yè)用地, 隨后被道路切割破碎化, 最終轉(zhuǎn)化為城市建設(shè)用地。深圳市城市近自然林在快速城市化過程中也表現(xiàn)出類似的轉(zhuǎn)化特征[20], 說明破碎化和用地類型轉(zhuǎn)化很可能是我國(guó)快速城市化乃至全球城市化過程中城市近自然林發(fā)展的普遍特征[21, 22]?？焖俪鞘谢跗? 用地類型的轉(zhuǎn)換較為劇烈, 大量的林地被轉(zhuǎn)為農(nóng)用地或建設(shè)用地, 導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)景觀破碎化, 植被活力迅速降低?？焖俪鞘谢衅? 用地類型開始穩(wěn)定, 基本的城市格局已經(jīng)形成, 近自然林的景觀格局也相對(duì)穩(wěn)定, 植被活力的降低有所減緩?？焖俪鞘谢笃? 隨著城市居民生活水平的提高, 對(duì)城市生態(tài)環(huán)境的需求也逐漸升高。城市管理者對(duì)城市綠化及城市綠地的管理投入也相應(yīng)提高。破碎的近自然景觀通過廊道作用重新連通, 研究區(qū)內(nèi)的近自然林植被活力開始回升。這與快速城市化背景下上海的植被景觀格局變化相類似[23], 也與城市化的“諾瑟姆曲線”相吻合。同時(shí)也說明, 快速城市化后期, 合理的政策和管理可以顯著改善城市近自然林的景觀和植被活力。

城市化過程中城市森林對(duì)城市化壓力的響應(yīng)越來越復(fù)雜, 由線性響應(yīng)逐漸轉(zhuǎn)為非線性響應(yīng)。本研究中, 廣州市近自然林在快速城市化初期對(duì)城市化壓力的響應(yīng)基本為線性響應(yīng), 線性回歸的決定系數(shù)超過0.7; 但隨著城市化的進(jìn)展, 線性回歸的決定系數(shù)降至0.1—0.3, 城市近自然林對(duì)城市化壓力因子的響應(yīng)越來越趨于非線性。這種趨勢(shì)在美國(guó)明尼蘇達(dá)州城郊梯度上的森林中也得到了證實(shí)[24]。這可能與城市化壓力的復(fù)雜性密切相關(guān)?？焖俪鞘谢跗? 城市化的壓力因子較為簡(jiǎn)單和集中, 對(duì)城市近自然林的影響也相對(duì)直接。而快速城市化中后期, 城市的人口、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和政策因子越來越多元化, 對(duì)城市近自然林的影響也變得越來越復(fù)雜。城市近自然林的景觀和活力對(duì)單一城市化因子的依賴性逐漸降低, 而更容易受到政策及管理等行政要素的影響。城市近自然林對(duì)城市化的這種非線性的響應(yīng)過程, 實(shí)際反映了城市化壓力因子不斷復(fù)雜化, 不斷多元化的過程。相關(guān)研究表明, 中國(guó)的快速城市化受到多元因子的驅(qū)動(dòng)。隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn), 市場(chǎng)力、外向力、行政力的影響逐漸上升, 而內(nèi)源力的影響會(huì)逐漸下降[18]。這是導(dǎo)致城市近自然林對(duì)城市化的響應(yīng)越來越趨于非線性化的根本原因。

此外, 1990—1999年間研究地近自然林的土地利用轉(zhuǎn)換最為劇烈。這與該時(shí)期的城市化特征密切相關(guān)。相關(guān)研究表明, 廣州1990-1999年期間, 存在顯著的“郊區(qū)化”擴(kuò)散現(xiàn)象[25], 即中心區(qū)人口減少, 郊區(qū)人口的比重逐漸超過中心區(qū)。郊區(qū)人口增加導(dǎo)致近郊區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)近自然林的城市化壓力增大, 在景觀上表現(xiàn)得更為破碎, 植被活力顯著下降。而此時(shí)廣州正處于城市化的快速發(fā)展期, 廣州市的GDP每年以雙位數(shù)的平均增速增長(zhǎng), 房地產(chǎn)市場(chǎng)投資大幅增加, 大規(guī)模的市政工程依次開啟, 城市樣貌因?yàn)楫a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的發(fā)展和城市建設(shè)而出現(xiàn)了巨大變化, 這對(duì)市域內(nèi)近自然林的景觀和活力產(chǎn)生了巨大影響。

3.2 影響城市近自然林景觀與活力的主要城市化因子

綜合蒲崗、蘿崗和大嶺山的研究結(jié)果可以看出, 快速城市化過程中處于不同城市化階段的城市近自然林對(duì)城市化因子的敏感性有所不同(表6)?？焖俪鞘谢缙谟绊懗鞘薪匀涣志坝^的關(guān)鍵因子為人口密度和不透水率; 影響植被活力的關(guān)鍵因子為城市化率和農(nóng)林牧漁產(chǎn)業(yè)總值。隨著快速城市化的推進(jìn), GDP和第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值成為影響近自然林景觀的關(guān)鍵因子; 而城市化率和農(nóng)林牧漁產(chǎn)業(yè)總值則主要影響近自然林的植被活力。城市化后期, 不透水率和農(nóng)林牧漁產(chǎn)業(yè)總值成為影響近自然林景觀的關(guān)鍵因子; 第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值和不透水率則主要影響影響近自然林的植被活力。至此, 我們可以看到城市化因子對(duì)城市近自然林景觀及活力產(chǎn)生的負(fù)面影響是毋庸置疑的, 但城市化率并不是城市近自然林的景觀變化的決定因素, 尤其在快速城市化的早期和后期。真正對(duì)城市近自然林面積和活力產(chǎn)生影響的是快速城市化過程中的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化及自然資源配置變化。此外, 城市化因子對(duì)城市近自然林的景觀和活力的影響在快速城市化早期到中期逐漸升高, 快速城市化后期有所降低。因此改善城市近自然林的景觀和活力的最佳階段是在快速城市化早期?？焖俪鞘谢缙诖嬖谌舾申P(guān)鍵的影響因子, 只需對(duì)這些因子進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整, 即可達(dá)成優(yōu)化目標(biāo)。而快速城市化后期, 影響城市近自然林景觀和活力的因素變得多元化和去中心化, 改善城市近自然林景觀和活力的難度增加, 往往需要通盤考慮自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、土地和政策等因子, 對(duì)城市化因子進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化才能達(dá)到理想效果[26]。

3.3 快速城市化過程中的城市近自然林資源的規(guī)劃與保護(hù)

快速城市化過程中合理規(guī)劃和保護(hù)近自然林資源, 是維持城市生態(tài)系統(tǒng)健康, 保障城市居民福祉的必要舉措。從本研究的結(jié)果來看, 優(yōu)化和改善城市近自然林的景觀和活力需要在快速城市化早期控制人口密度, 避免驅(qū)趕型城市化, 同時(shí)避免快速城市化早期用地類型的劇烈變化。在快速城市化過程中宜采用新材料、新技術(shù)和新方法以盡量控制不透水地面的比例, 同時(shí)合理規(guī)劃產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu), 不斷優(yōu)化自然資源的空間配置。隨著快速城市化的推進(jìn), 仍應(yīng)控制城市化速率, 盡量避免第二產(chǎn)業(yè)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響?？焖俪鞘谢笃? 不透水率和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)依然是影響城市近自然林景觀和活力的關(guān)鍵因子。該時(shí)期政策和管理等行政要素發(fā)揮著重要的作用[27]。通過行政干預(yù), 持續(xù)強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí), 增加近自然林的景觀連通度, 引導(dǎo)群眾共同努力改善近自然林的生存環(huán)境[28, 29], 才能有效提升城市近自然林的生存質(zhì)量。

[1] ATMI?S? E, ?ZDEN S, LISE W. Urbanization pressures on the natural forests in turkey: An overview[J]. Urban Forestry & Urban Greening, 2007, 6(2): 83–92.

[2] MCINTYRE N E, KNOWLES-YáNEZ K, HOPE D. Urban ecology as an interdisciplinary field: Differences in the use of “urban" between the social and natural sciences[J]. Urban Ecosystems, 2000, 4(1): 5–24.

[3] 中國(guó)城市經(jīng)濟(jì)學(xué)會(huì)中小城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展委員會(huì),《中國(guó)中小城市發(fā)展報(bào)告》編纂委員會(huì). 中小城市綠皮書:中國(guó)中小城市發(fā)展報(bào)告(2013)-新型城鎮(zhèn)化-中小城市的路徑選擇與成功實(shí)踐[M]. 北京: 社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社, 2013.

[4] 韓貴鋒, 徐建華, 袁興中. 城市化對(duì)長(zhǎng)三角地區(qū)主要城市植被物候的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2008, 19(8): 1803– 1809.

[5] 王成, 彭鎮(zhèn)華, 陶康華. 中國(guó)城市森林的特點(diǎn)及發(fā)展思考[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2004, 23(3): 88–92.

[6] 張雪瑩, 陳小梅, 危暉, 等. 城市化對(duì)珠江三角洲存留常綠闊葉林土壤有機(jī)碳組分及其碳庫(kù)管理指數(shù)的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2017, 4(31): 184–190.

[7] HUANG Liujing, ZHU Weixing, REN Hai, et al. Impact of atmospheric nitrogen deposition on soil properties and herb-layer diversity in remnant forests along an urban-rural gradient in Guangzhou, Southern China[J]. Plant Ecology, 2012, 213(7): 1187–1202.

[8] SCHAEFER V. Alien invasions, ecological restoration in cities and the loss of ecological memory[J]. Restoration ecology, 2009, 17(2): 171–176.

[9] 李俊生, 高吉喜, 張曉嵐, 等. 城市化對(duì)生物多樣性的影響研究綜述[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2005, 24(8): 953–957.

[10] ALVEY A A. Promoting and preserving biodiversity in the urban forest[J]. Urban Forestry & Urban Greening, 2006, 5(4): 195–201.

[11] 何興元, 陳瑋, 徐文鐸, 等. 城市近自然林的群落生態(tài)學(xué)剖析-以沈陽樹木園為例[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2003, 22(6): 162–168.

[12] CARREIRO M M, SONG Y C, WU J. Using the urban- rural gradient approach to determine the effects of land use on forests remnants[J]. Ecology Planning & Management of Urban Forests International Perspectives, 2008: 169– 186.

[13] 尹俊光, 彭鹓, 章君果,等. 城市近自然森林生態(tài)效益研究[J]. 華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2009, 5: 63–73.

[14] 李海梅, 何興元, 陳瑋, 等. 中國(guó)城市森林研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2004, 23(2): 55–59.

[15] 廣州市統(tǒng)計(jì)局, 國(guó)家統(tǒng)計(jì)局廣州調(diào)查隊(duì). 廣州市統(tǒng)計(jì)年鑒-2017 [M]. 北京: 中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社, 2017.

[16] 夏北成, 龔建周. 廣州市植被覆蓋度等級(jí)結(jié)構(gòu)及其時(shí)空格局特征[J]. 生態(tài)科學(xué), 2006, 25(5): 417–422.

[17] 張小紅, 楊志峰, 毛顯強(qiáng), 等. 廣州市公益林生態(tài)效益價(jià)值分析及管理對(duì)策[J]. 林業(yè)科學(xué), 2004, 40(4): 22–26.

[18]陳明星, 陸大道, 張華. 中國(guó)城市化水平的綜合測(cè)度及其動(dòng)力因子分析[J]. 地理學(xué)報(bào), 2009, 64(4): 387– 398.

[19] 鄔建國(guó). 景觀生態(tài)學(xué)-格局、過程、尺度與等級(jí)[M].北京: 高等教育出版社, 2007.

[20] 曾輝, 姜傳明. 深圳市龍華地區(qū)快速城市化過程中的景觀結(jié)構(gòu)研究-林地的結(jié)構(gòu)和異質(zhì)性特征分析[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2000, 20(3): 378–383.

[21] STENHOUSE R N. Fragmentation and internal disturbance of native vegetation reserves in the Perth metropolitan area, western Australia[J]. Landscape & Urban Planning, 2004, 68(4): 389–401.

[22] 郭濼, 夏北成, 劉蔚秋, 等. 城市化進(jìn)程中廣州市景觀格局的時(shí)空變化與梯度分異[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2006, 17(9): 1671–1676.

[23] 李紅, 李德志, 宋云, 等. 快速城市化背景下上海崇明植被覆蓋度景觀格局分析[J]. 華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2009, 6: 89–98.

[24] BERL A, MANSON S M. Patterns in residential urban forest structure along a synthetic urbanization gradient. Annals of the Association of American Geographers[J], 2013, 103(4): 749–763.

[25] 劉筱. 80年代以來廣州市城市化特征[J]. 經(jīng)濟(jì)地理, 2000, 19: 156–160, 168.

[26] MARGULES C R, PRESSEY R L. Systematic conserva-tion planning[J]. Nature, 2000, 405(6783): 243–253.

[27] 楊玉萍, 周志翔, 蔡紹平, 等. 城市居民對(duì)城市近自然園林的態(tài)度-以武漢市洪山區(qū)為例[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 22(7): 1849–1856.

[28] BAGNALL R G. A study of human impact on an urban forest remnant: Redwood Bush, Tawa, near Wellington, New Zealand[J]. New Zealand Journal Of Botany, 1979, 17(2): 117–126.

[29] DOODY B J, SULLIVAN J J., MEURK C D, et al. Urban realities: The contribution of residential gardens to the conservation of urban forest remnants[J]. Biodiversity & Conservation, 2010, 19(5): 1385–1400.

Landscape and dynamic evolution of near natural forest in the process of rapid urbanization in Guangzhou

CHEN Yanqiao1, 2, HUANG Xueqing1, YANG Long1, WEN Meili1, SUN Zhongyu1, 2, *, PENG Changlian1, *

1. Guangdong Open Laboratory of Geospatial Information Technology and Application, Guangzhou Institute of Geography, Guangzhou 510070, China 2. School of Life Sciences, South China Normal University, Guangzhou 510631, China

The structure, function, and services of urban forest are intensely disturbed by human activities during the rapid urbanization in China. How to plan and protect the forest resources during rapid urbanization and make it effectively serve the urban ecosystem, is an urgent issue. This study takes the near-natural forests in highly urbanized city Guangzhou as the study objects. The processes of near-natural forest in Guangzhou responded to urbanization were discussed from two aspects, i.e., temporal scale (1979-2013) and spatial scale (urban-rural gradient). The results consistently showed that urbanization caused landscape fragmentation of near-natural forest. The area and vigor of near-natural forest decreased rapidly, and then the trend slowed down and finally increased slowly during the rapid urbanization. The impervious surface coverage and industrial structure were the key factors influencing the landscape and vigor of near-natural forest. There was a linear response to urbanization in near-natural forest when the urbanization level was low, and the response turned to non-linear when the urbanization level increased. Accompanying with the rapid urbanization process, the influences of urbanization factors on the landscape and vigor of near-natural forest increased and then decreased. The urbanization factors that influenced urban near-natural forest turned to multivariate and non-dominant. The best period to adjust the landscape and vigor of near-natural forest was in the early urbanization stage. The administrative factor, such as policy and management could play a vital role for the improvement of the landscape and vigor of near-natural forest in late urbanization stage.

urban-rural gradient; NDVI;urban forest;landscape index;historical evolution

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.04.029

陳燕喬, 黃雪清, 楊龍, 等. 廣州快速城市化進(jìn)程中近自然林的景觀和活力演變[J]. 生態(tài)科學(xué), 2020, 39(4): 233–243.

CHEN Yanqiao, HUANG Xueqing, YANG Long, et al. Landscape and dynamic evolution of near natural forest in the process of rapid urbanization in Guangzhou[J]. Ecological Science, 2020, 39(4): 233–243.

Q14

A

1008-8873(2020)04-233-11

2019-11-27;

2020-05-02

國(guó)家自然科學(xué)基金(31400380); 廣東省科技計(jì)劃 (2018B030324002); 廣東省科學(xué)院實(shí)施驅(qū)動(dòng)發(fā)展能力建設(shè)專項(xiàng)(2017GDASCX-0805; 2018GDASCX-0101; 2020GDASYL-040101)

陳燕喬(1979—), 女, 廣東饒平人, 博士, 高級(jí)工程師, 主要從事城市生態(tài)學(xué)研究, E-mail: yanqiaochen@163.com

孫中宇, 男, 博士, 副研究員, 主要從事恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究, E-mail: sunzhyu@gdas.ac.cn

彭長(zhǎng)連, 男, 博士, 教授, 主要從事植物生態(tài)學(xué)研究, E-mail: pengchl@scib.ac.cn