長沙市邊緣區城市森林景觀格局梯度分析

邢元軍，徐金鐸

(1．國家林業局中南林業調查規劃設計院，長沙410014;2．海南省三亞林場，海南三亞572000)

長沙市邊緣區城市森林景觀格局梯度分析

邢元軍1，徐金鐸2

(1．國家林業局中南林業調查規劃設計院，長沙410014;2．海南省三亞林場，海南三亞572000)

本文以2003年長沙市森林資源二類清查數據和2003年TM遙感數據為主要信息源，借助3S技術平臺，運用景觀生態學原理和方法對長沙市邊緣區城市森林進行了景觀格局梯度分析，結果表明:在斑塊類型水平上，城市森林景觀類型在樣帶梯度上表現出明顯的“梯度特征”，城市森林在沿樣帶移動過程中，大致呈“V”型分布，其景觀比例在城市外邊緣處最大;在景觀水平上，城市森林在中心城區分布最少，但較為集中，破碎化程度不高，形狀比較規則，在向邊緣區移動的過程中，其分布趨于零碎化，形狀趨于自然。

景觀格局;梯度分析;城市森林;邊緣區;TM影像

隨著城市化進程的逐漸加快，經濟發展與人口、環境的矛盾日益突出，城市生態與環境問題、城市的生態建設與可持續發展成為人類社會關注的焦點。城市化進程的加快不僅刺激著城市建設，同時也推動了城市環境的建設，近年來，全國各地在城市建設和城區改造中強調城市森林的發展就是一個具體表現。城市森林至今沒有一個統一的定義，在國外通常把其定義為城市內及人口密集的聚居區域周圍所有木本植物及與其相伴的植物，是從城市街區延續到郊區的所有林分的總和［1－3］。而本研究對城市森林的界定更傾向于國內學者劉長富的觀點，城市森林是以喬木為主體，達到一定規模和覆蓋度，能對周圍的環境產生重要影響并具有明顯的生態價值和人文景觀價值的各種生物和非生物的綜合體，是城市生態景觀的重要元素之一，在改善城市環境和提高城市居住質量等方面發揮著不可替代的作用［4－5］。因此，對城市森林景觀的組成、結構和空間格局進行定量描述及梯度分析，無論是更好的發揮城市森林的生態功能還是在指導城市森林的規劃建設方面都具有重要的意義。

當前，國內對城市森林的研究主要基于植被和群落生態學的方法體系，在群落和種群尺度上對森林生態系統進行結構分析，不利于從宏觀的角度了解和量化城市森林的空間分布特征，缺少整體性［6］。隨著3S技術的快速發展及在生態環境研究中的廣泛應用，使得多角度、多層次地進行城市森林景觀空間結構分析成為可能，為城市森林的功能和動態分析奠定了基礎。

本研究以長沙市2003年森林資源二類調查數據及與其配套的2003年TM遙感數據為主要信息源，綜合景觀生態學、森林經理學及城鄉規劃學等學科理論和方法，并借助3S技術對長沙市城市森林景觀進行定量描述和梯度分析，旨在揭示長沙市城市森林類型空間結構及其空間變化的規律性和梯度效應，為城市森林資源空間格局的優化配置和結構調整提供科學的理論參考依據。

1 研究區概況和研究方法

1．1 研究區概況

長沙市地處湖南省東部，湘江與瀏陽河交匯的河谷階地，位于 111°53'—114°15'E，27°51'—28°41'N，屬亞熱帶季風濕潤氣候區，冬寒夏熱，年平均氣溫17.8℃，年平均降水量為1 390 mm，是湖南省的政治、經濟、文化、科學、宗教中心。全市土地面積為11 819．5 km2，其中城區面積為 556．33 km2，林地面積為62 066．27 km2，森林覆蓋率為 49．98%。

1．2 研究方法

1．2．1 數據獲取

研究采用研究區2003年森林資源二類調查的數據，并綜合與其配套的2003年TM遙感數據，對研究區景觀構成進行分類，根據研究需要，斑塊屬性內容包括土地利用現狀、森林景觀種類、數量、面積、形狀和位置等。運用手持GPS對新增的不同景觀斑塊進行實地抽樣驗證，結果表明正判率為95．8%，精度滿足研究要求。

1．2．2 景觀構成分類

根據研究對象的范圍、利用形式和研究尺度并結合森林資源調查的土地利用現狀分類系統，將研究區內的景觀類型劃分為:非林地、城市森林、一般綠地和水域等4大類。其中，非林地包括居民住宅用地、建筑用地和農田;城市森林指樹冠覆蓋率30%以上的片狀綠地，主要包括，純林、混交林，疏林地等;一般綠地指樹冠覆蓋率30%以下林地，主要包括，灌木林、經濟林(油茶等)等，而城市中行道樹、綠地廊道一并歸入一般綠地景觀類型;水域包括湖泊、水塘、河流以及面積較大的魚塘。

1．2．3 樣帶設置及梯度劃分

根據研究區的城市建設現狀，結合研究區總體發展戰略及城市總體規劃，本研究以五一廣場為中心，按照主要道路框架的走向，東西方向和南北方向各設置一條長50 km、寬10 km橫貫長沙市的樣帶，對城市森林從中心城區到城郊的變化規律進行研究。為修勻多個由于局部變化引起的噪聲，并減少數據的離散型，研究采用移動窗口法對樣帶進行梯度分析，窗口規格為10×6 km，移動步長為4 km，將兩條樣帶各劃分為12個樣方，見圖1。

圖1 梯度樣帶

1．2．4 景觀格局指標體系建立

在景觀格局研究中，基于單個景觀指數無法全面反映景觀的格局特征，本研究采用多個景觀指數組合，在對應的三個水平層次下對研究區景觀格局進行定量化描述，包括:斑塊要素水平、斑塊類型水平和景觀水平。由于三個水平層次上的眾多景觀格局指數均存在一定的局限性，且存在信息冗余［7］，因而根據各指數其所代表的生態特征，去除相關性較大的指數，并根據研究需要選取斑塊類型面積(CA)、斑塊平均面積(MPS)、斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(LSI)、shannon景觀多樣性指數(SHDI)、shannon景觀均勻度指數(SHEI)、聚集度指數(AI)和斑塊邊緣密度(ED)、蔓延度指數(CONTAG)和分離度指數(SPLIT)等10個指數作為景觀格局分析指標。

2 結果與分析

2．1 研究區城市森林總體格局分析

2．1．1 景觀組成結構分析

借助Fragstats軟件，利用相關景觀格局特征指數對研究區景觀格局進行分析，得到結果數據，見表1。

由表1可知，研究區的景觀類型中，非林地景觀面積比及其平均斑塊面積均最大，表明該類景觀斑塊分布集中，也是調控景觀格局的重要組成部分;城市森林的斑塊數最多，占整個區域斑塊數的45．53%，且其斑塊平均面積只有7．16 hm2，表明城市森林景觀分布比較零散和破碎。

表1 景觀組成結構分析

2．1．2 景觀斑塊特征分析

景觀類型斑塊特征主要是通過斑塊大小、形狀特征、分維度等指數來反映。由表2可知，4種景觀類型的斑塊形狀指數在33．00～98．00之間。由于研究區構成城市森林的馬尾松、濕地松和闊葉樹，大部分在城市外邊緣區，集中于山地地區，種植面積較廣，分布不均勻，致使城市森林斑塊形狀極不規則;而研究區很多地方大量種植經濟作物，如油茶、果樹等灌木，使一般綠地分布呈大面積發展趨勢，且分布很不規則;水域景觀主要是流經市區的湘江以及少量的人工湖泊，形狀相對規則;非林地斑塊平均面積最大，遠大于其它景觀類型。四種景觀類型的分維數相近，非林地斑塊較為規則，破碎化程度一般。

表2 景觀斑塊特征分析

2．1．3 景觀異質性分析

目前關于景觀異質性有很多不同的定義，但較為一致的是“景觀異質性是景觀尺度上景觀類型組成和空間結構上的變異性和復雜性”［8］。本研究采用斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、多樣性指數(SHDI)和均勻度指數(SHEI)等指標來描述和分析景觀異質性。

由表3可知，城市森林景觀斑塊密度(PD)最大達3．21塊/hm2，表明研究區內城市森林的斑塊分化程度較高，其次為一般綠地景觀;非林地景觀的斑塊邊緣密度(ED)最大，為70．37 km/hm2，說明其景觀的破碎化程度較高，其次為城市森林景觀，而一般綠地與水域景觀則較低。

表3 景觀類型異質性分析

景觀多樣性指數 (SHDI)和景觀均勻度指數(SHEI)是一種基于信息理論的測量性指數。依據公式，得出本研究區域的SHDI為0．86，說明景觀異質性一般，多樣性較低;SHEI為0．62，表明景觀類型齊全，但是面積分布不均勻，各景觀類型所占比例差別大。整體景觀斑塊密度、斑塊形狀指數也較高，表明研究區城市森林整體上破碎化程度較高，城市森林斑塊形狀較為復雜。城市森林總體格局分析能夠得到研究區總體格局的特征，但是很難反映邊緣區范圍內的城市森林空間格局的細節特征，而梯度分析可以有效解決這一問題。在長沙市邊緣區域設立樣帶，應用移動窗口式梯度分析與景觀指數相結合的方法，通過對邊緣區城市森林類型水平和景觀水平上的梯度分析，能夠彌補其中的不足。

2．2 研究區邊緣區城市森林景觀梯度分析

由于城市森林總體格局分析只能反映研究區總體格局，難以反映邊緣區范圍內的城市森林空間格局的細部特征，本研究采用移動窗口式梯度分析與景觀指數相結合的方式，對邊緣區城市森林類型水平和景觀水平進行梯度分析。

2．2．1 景觀要素斑塊特征分析

圖2 景觀指數隨梯度的變化

本研究采用斑塊類型面積(CA)、平均面積(MPS)、斑塊密度(PD)和景觀形狀指數(LSI)等4個指標，通過東西方向和南北方向兩條樣帶對研究區進行分析，得到結果見圖2。

由圖2可知，隨著景觀位置逐漸遠離市中心，其占主導優勢的景觀逐漸從非林地景觀向城市森林景觀和一般綠地景觀轉移，非林地景觀斑塊平均面積逐漸減少，而其余類型景觀斑塊平均面積則起伏不大，但其破碎化程度逐漸增大，分布零散;非林地景觀形狀指數與城市森林景觀形狀指數大體相同，其曲線均呈“M”型，距離城市中心區域越遠，其斑塊形狀越復;城市森林斑塊密度曲線變化起伏最大，在城市外邊緣區與城市內邊緣區結合部，其破碎化程度最高，而一般綠地景觀類型的分布，兩條樣帶曲線整體趨勢相類似，中間低，兩邊逐漸升高，其分布主要集中于內邊緣區和外邊緣區結合部。

續圖2 景觀指數隨梯度的變化

2．2．2 景觀異質性分析

本研究采用邊緣密度(ED)、聚集度指數(AI)、斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(LSI)、Shannon多樣性指數(SHDI)和Shannon均勻度指數(SHEI)等6個指標，通過東西方向和南北方向兩條樣帶在景觀尺度上對研究區景觀類型的組成和結構進行分析，得到結果見圖3。

圖3 景觀指數隨梯度的變化

由圖3可知，在城市中心地帶，景觀斑塊破碎化程度不高，類型比較簡單，以非林地景觀斑塊為主，且斑塊面積較大，而城市森林景觀斑塊面積較小，分布少，但受人為因素影響較深，其斑塊形狀較為規整，斑塊聚集度指數高;在城市內邊緣區與城市外邊緣區的結合部，隨著距離城市中心漸遠，景觀類型逐漸減少，均勻度開始降低，開始以城市森林和一般綠地斑塊為主斑塊，但其平均面積較小，分布密度大，破碎化程度較大，其形狀受地形等因素影響，逐漸趨于不規則，斑塊聚集度指數開始降低。相對而言，南北方向樣帶比東西方向樣帶破碎度低，景觀類型相對較簡單。2．2．3 景觀要素空間互相關系梯度分析

景觀要素的空間關系主要包括同質景觀類型要素的空間相互關系和異質景觀要素類型的空間互相關系，本研究綜合研究區實際情況才用蔓延度指數和分離度指數等指標加以描述和分析，得到結果見圖4。

由圖4(a)可知，兩條樣帶曲線非常相似，且各自的整體變化趨勢不大，呈現“Λ”型。最高值所在區域，均位于城市中心區與內邊緣區之間，非林地景觀斑塊分布相對比較集中，連通性較好，城市森林景觀斑塊也成片狀，同類景觀連接度較高。由圖4(b)可知，東西方向樣帶曲線整體起伏較大，呈現兩個波峰，兩個波谷，最高值位于城市郊區與外邊緣區交接處，而城市森林景觀斑塊分散在整個區域內，平均面積偏小，分散程度高，且其中夾雜一般綠地景觀與非林地景觀斑塊，同類型不同斑塊分布零散;南北方向樣帶曲線浮動較劇烈，整體趨勢呈“W”型，兩個峰谷均位于城市郊區與外邊緣區交接處，說明同類景觀斑塊在該處相互之間連接度較高，離散度低，即破碎化程度不高，聚集度較好。

續圖3 景觀指數隨梯度的變化

3 結論與討論

本文結合景觀指數與梯度分析方法，采用2003年TM影像和2003年森林資源二類調查數據，借助Fragstats及ARCGIS等數值分析軟件對長沙市邊緣區城市森林進行了景觀格局的梯度分析。研究結果表明，人類活動對環境的干擾程度沿梯度方向整體呈現由強到弱的趨勢，干擾程度越大，景觀斑塊形狀越簡單，形狀指數和邊緣密度越小。研究區中心城區的景觀破碎化程度不高，景觀類型簡單，受人為干擾強導致其形狀指數較低，聚集度較高，有很好的蔓延度。隨著離城市中心距離的增大，外緣區的景觀破碎化程度、形狀指數和分離度等景觀格局指標逐漸增大，雖然非林地景觀在面積上占據絕對的優勢，但城市森林景觀與一般綠地景觀斑塊密度逐漸增加。在城市外邊緣區，城市森林開始成片狀存在，其面積占據整個邊緣區的70%以上，致使能更好的發揮其生態功能作用。

總體來說，研究區景觀格局整體上缺乏穩定性和協調性，各類型景觀分布不均勻，受城市化程度的升高，在梯度上各類景觀地位存在著較大的差異。

建議在當前城市森林的特點上，在城市內緣區，積極創造條件，適當新建或改造公園綠地，以改變內緣區城市森林分布較少的現狀;城市外緣區，在建設用地逐漸集中分布的同時，盡量在建設用地周邊區域合理布置林帶，以改善林地質量;加大城市邊緣區中，大中型城市森林斑塊的建設，使其更能發揮生態功能;在城市向外擴張的過程中，長時期的開發建設，會導致完整的自然景觀的消失，因此，在城市規劃中保留一定面積的林地、農田、濕地等自然、半自然綠色空間顯得尤為重要，最終實現由遠郊森林、近郊森林公園、建設用地周圍的森林、各種防護林及花園、苗圃等組合而成的理想城市森林生態系統。

圖4 景觀指數隨梯度的變化

［1］吳澤民，吳文友，高健，等．合肥市區城市森林景觀格局分析［J］．應用生態學報，2003，14(12):2118．

［2］Miller R W．Urban Forestry［M］．New Jersey:Prentice Hall，1996．

［3］Gobster P H．Urban Savanna:reuniting ecologicalpreference and function ［J］．Res．Mana．Notes，1994，12(1):64 －71．

［4］王原，吳澤民，張磊，等．馬鞍山城市森林景觀鑲嵌與其城郊分布梯度格局研究［J］．林業科學，2007，43(3):52．

［5］劉常富，李海梅，等．城市森林概念探析［J］．生態學雜志，2003，22(5):146－149．

［6］徐金鐸．長沙市邊緣區城市森林景觀梯度變化研究［D］．長沙:中南林業科技大學，2011．

［7］鄔建國．景觀生態學—格局、過程、尺度與等級［M］．北京:高等教育出版社，2000．

［8］郭晉平．森林景觀生態研究［M］．北京:北京大學出版社，2001．

Gradient Analysis of Urban Forest Landscape in Urban Fringe Area of Changsha City

XING Yuanjun1，XU Jinduo2
(1．Central South Forest Inventory and Planning Institute of State Forestry Administration，Changsha 410014，Hunan，China;2．Sanya Forest Farm of Hainan Province，Sanya 572000，Hainan，China)

Based on theory and methodology of landscape ecology，in this paper，it used the forest management inventory of Changsha in 2003 and TM image of Changsha which had been get in 2003，gradient analyzed the landscape pattern of urban forest in Changsha fringe areas by using the 3S techniques，and then grasped the situation of urban forest space landscape pattern in Changsha and it’s basic characteristics．Study results show that:At the level of class，urban forest landscape showed respective gradient characteristics along the transect，and was obviously“V”distribution，the proportion of the landscape at the city fringe area was the biggest;At the level of landscape，urban forest landscape distributions in the city center were small，but they were more concentrated，degree of fragmentation was lowly and had comparison rules shape．The more close to the city fringe area，the more degree of fragmentation，and the shape becomes more natural．

landscape pattern;gradient analysis;urban forest;fringe area;TM image

S 771．8

B

1003—6075(2012)04—0022—07

2012—10—11

2012—10—15

邢元軍(1982—)，男，山東煙臺人，工程師，從事林業調查規劃設計工作。