郊野游憩資源開發背景下的上海城市森林景觀格局動態

張凱旋,范 雯,陳圣子

(1.上海商學院 旅游管理系,上海 201400;2.美國南加州大學 公共政策學院,美國 洛杉磯 90089;3.華東師范大學 生態與環境科學學院,上海 200241)

1 引言

城市森林是城市生態系統的重要組成部分,是生態城市建設的重要保障,同時城市森林可為城市居民提供親近自然的游憩活動和游憩服務[1,2],是城市重要的游憩資源。景觀格局及其變化是自然和人為的多種因素相互作用所產生的在一定區域內生態環境體系的綜合反映,其特征具有顯著的時間性和空間性[3,4]。森林景觀格局是指森林景觀組成的空間分布和組合特征,分析不同時空尺度下的森林景觀格局是研究森林景觀功能和動態的基礎,為實現森林資源的可持續利用提供理論依據[5,6]。

森林游憩是游憩活動生態化的重要組織形式和森林系統的可持續利用方式,是國民旅游休閑的重要組成部分[7,8]。由于城市化進程的快速推進,導致城市人均土地資源緊缺,城市開放空間和公園綠地已遠不能滿足社會公眾日益增長的戶外游憩需求。以往研究表明,近年來在北京、南京、杭州等大中城市中郊野森林等近自然區域已成為居民休閑游憩的重要載體[9-11]。上海是我國特大型城市的代表,進入21世紀以后,上海城市公園綠地規模穩步增加,但公園游園人數的增速遠快于公園面積的增速。2004年上海公園的游園人數超過1億人次,2008年游園人數超過2億人次,并且游園人數仍保持逐年增長的態勢。以每個城市公園的年游園人數為統計單位,上海市2000年為67.08萬人次，2006年為115.63萬人次，2012年達到141.60萬人次,公園綠地承載的年游園人數超過10萬人次/hm2[12],公園游園人數已接近或超過了公園游憩的承載能力。因此,在城市公園內開展更多的游憩活動已面臨瓶頸,急需開辟更多的游憩資源和游憩空間來滿足市民的游憩需求。近年來,上海城市郊野森林建設得到迅猛發展,森林覆蓋率逐年提高,森林群落的生態功能和景觀效益逐步提升[13-16],已初步具備了開展游憩活動的條件。通過探析并優化上海郊野森林景觀格局,提升森林游憩服務能力,可拓展城市游憩活動空間,緩解城市公共空間承受的游憩負荷。

以往有關城市森林景觀格局及其動態的研究主要是基于不同的研究目的,從區域宏觀尺度[17,18]、景觀中觀尺度[19]、斑塊微觀水平[20]或社區水平[21]等開展研究,但基于游憩需求和游憩資源開發導向的森林景觀格局研究不多見。面對市民日益增長的戶外游憩需求,本研究以上海郊野森林為研究對象,分析其景觀空間格局及其動態變化特征,以更好地理解森林游憩的功能與景觀過程相互作用的機理,為郊野森林的游憩開發提供科學依據和理論支撐。

2 研究區域概況

上海位于長江三角洲以太湖為中心的碟形洼地的東緣,全市土地面積6340.5km2,氣候類型屬于北亞熱帶季風氣候,年平均氣溫15.8℃,年降水量1100mm,地帶性植被以常綠闊葉林和常綠落葉闊葉混交林為主[22]。上海市森林資源的99%以上為人工林,主要由森林公園、外環林帶和郊區生態片林等組成。

圖1 上海市郊野森林樣地位置

截至2016年底,上海市森林面積為98687hm2,森林覆蓋率為15.56%[23]。為了塑造特色郊野活動空間,上海市將在郊區林地的基礎之上規劃建設21個郊野公園,總面積約400 km2,以滿足市民開展戶外運動、休閑游憩、科普教育的需要[24,25]。本研究選擇上海市典型的郊野森林樣地64個,總面積11227.88hm2,占上海市林地總面積的11.38%。包括已建成的森林公園6個和外環公園8個,外環林地26個,郊野林地24個(圖1、表1)。

表1 上海市郊野森林樣地類型

3 數據來源與研究方法

3.1 數據來源與處理

本研究的數據來源于上海市2000年(分辨率為2.00m)、2006年(分辨率為1.19m)、2012年(分辨率為0.25m)的航空影像數據。根據上海郊野森林景觀類型差異,分為林地、農田、水體、道路、景觀設施、管理設施、居住用地和空曠地8種景觀類型(圖2)。利用ENVI 4.8軟件對影像進行幾何校正和自動配準,采用監督分類并結合人機交互的方法完成遙感影像的分類,并進行分類后處理。借助于地面實測數據,隨機選取若干樣點,利用混淆矩陣法進行評價分析[26],結果表明3期遙感影像分類結果的總體精度分別為85.43%、86.56%和89.92%,解譯精度均超過了85%。

3.2 研究方法

本文的研究方法主要采用:①景觀格局動態。景觀類型動態變化是研究一定時間范圍內某種景觀類型的數量變化情況,一般用年變化率表示,即為研究時段內某一景觀類型研究末期和研究初期面積之差與研究初期面積的比值。本文利用ArcGIS10.0對2000年和2012年景觀類型進行空間分析,得到研究時段內景觀類型的轉移矩陣[19]。②景觀格局指數。景觀格局指數是景觀生態學廣泛使用的定量研究方法,高度濃縮景觀格局和景觀動態信息,能很好地了解景觀格局的組成成分、空間配置和動態變化過程[27,28]。本研究選取生態學意義明確且公式計算簡單的指數對上海市郊野森林景觀進行定量分析,共選擇8個景觀格局指數,分別是:斑塊密度(PD)、邊緣密度 (ED)、平均斑塊面積(AREA_MN)、優勢度指數(LPI)、景觀形狀指數(LSI)、蔓延度(CONTAG)、聚合度 (AI)和香農多樣性指數(SHDI);景觀格局指數采用FRAGSTATS景觀格局分析軟件進行計算。

圖2 上海市郊野森林2000年、2006年、2012年景觀類型

4 結果與分析

4.1 景觀格局構成

從表2可知,在上海市郊野森林中林地景觀一直占據著景觀基質的主導地位,在2000年、2006年和2012年3個年份中,林地景觀面積均超過總面積的60%,分別為64.32%、75.01%、78.59%。在所有景觀類型中,水體景觀在3個年份均占據第二位,分別占總面積的9.29%、10.84%、8.79%。空曠地在2000年占總面積的比例接近10%,在2006年和2012年的占比均低于2%,分別為1.41%和0.46%;居住用地在3個年份中占比均在5%—10%之間;在其他景觀類型中,農田、道路、管理設施和景觀設施在3個年份中所占總面積的比例均低于5%。

表2 上海市郊野森林景觀格局構成及其面積變化

4.2 景觀格局的動態變化

2000—2012年上海市郊野森林中林地面積一直呈增加趨勢(表2)。2000—2006年，上海市林地面積共增加了1199.94hm2,年增長率為2.77%;2006—2012年增加了402.04hm2,年增長率為0.80%。總體上,前一時段的增長速度快于后一時段,在整個研究時段內林地面積的年平均增長率為1.85%,共增加了1601.99hm2。農田和空曠地的變化趨勢與林地景觀相反,在整個研究時段內的總變化趨勢為減少,2000—2006年農田和空曠地分別減少了303.23hm2和876.99hm2,2006—2012年分別減少了6.66hm2和106.03hm2,整個研究時段內農田共減少了309.89hm2,空曠地共減少了983.02hm2,兩者的年減少速率均較快且相差不大,分別為7.81%和7.92%。21世紀初期,上海為建設園林城市和森林城市,通過農田流轉方式進行大規模植樹造林[23],對一些農田和空曠地進行了調整和利用,森林面積和森林覆蓋率逐年增長。

上海市水體景觀和道路景觀在12年間呈先增長后減少的倒“U”型變化趨勢,2000—2006年郊野森林中水體和道路分別增加了173.52hm2和11.81hm2,而2006—2012年則分別減少了230.07hm2和14.84 hm2。在整個研究時段內,水體面積減少了56.55hm2,道路面積減少3.03hm2。上海市景觀設施一直呈增加趨勢,在所有景觀類型中增速最快,2000—2006年增加了0.29hm2,2006—2012年增加了48.16 hm2,后一時段的年增長率高達154.09%,2000—2012年共增加了48.68hm2。在管理設施的占地面積方面,2000—2006年增加了179.21hm2,2006—2012年則減少了144.67hm2,2000—2012年的變化趨勢為增加,共增加34.54hm2。在森林公園、外環公園和外環林地的建設過程中,為了加強林地的親水性和連通性,前期的水體和道路面積增加較多;在建設后期,為了更好地體現林地的自然野趣性,對道路和水體進行了適當調整。在郊野森林中,景觀設施和管理服務設施占地面積的總趨勢是增加,主要是為了滿足游人休閑游憩和健身鍛煉的需求,森林公園和郊野林地中普遍增設了景觀性設施和必要的管理服務設施。在居住用地方面,2000—2006年減少了324.0hm2,2006—2012年則增加了46.47hm2,2000—2012年總的變化趨勢為減少,共減少了277.57hm2。由于上海外環道路兩側100—500m林帶建設和森林公園建設的需要,對建設范圍內的住宅進行了拆遷異地集中居住,因此郊野森林內居住用地在1990年代末期和21世紀初大規模減少。

4.3 景觀格局轉換軌跡

從表3可知,2000—2012年上海市郊野森林的景觀轉換總體為:非林地景觀類型的主要轉出類型都是林地。其中,空曠地和水體轉換為林地的面積均超過了500hm2,分別為838.89hm2和518.49hm2;居住用地、農田和道路轉換為林地的面積均超過了200hm2,分別為385.67hm2、262.67hm2和261.07 hm2;空曠地和農田的80%左右均轉換為林地,分別為81.07%和79.42%;這兩類景觀類型還有超過10%的面積轉換為水體,分別為空曠地的115.85hm2(11.20%)和農田46.32 hm2(14.00%)轉為水體。在林地轉出類型中,有326.32hm2(4.52%)轉換為水體,有204.84 hm2(2.84%)轉換為道路。

在空間格局上,空曠地轉換為林地主要發生在上海市外環道路兩側的外環林地、外環公園、新建森林公園等。從1996年開始的上海市外環林帶建設和后續的閔行體育公園、顧村公園、華夏公園、黎安公園等外環公園建設,以及濱海、濱江等森林公園建設過程中均充分利用了原有的空曠地。農田轉換為林地主要發生在上海市奉賢區的海灣森林公園,還有部分為青浦區的生態片林。上海市海灣森林公園1999年開始開發建設,主要是農田流轉為林地,有部分轉換為水體,用于開展水上活動。水體轉換為林地和林地轉換為水體發生的范圍相對較分散。在森林公園、外環林帶和外環公園建設過程中,為了更好地利用空間和景觀塑造的需要,進行了適當的挖湖堆山和水系梳理,因此出現了水體和林地之間的相互轉換。

表3 2000—2012年景觀類型轉移矩陣

4.4 景觀格局水平特征

在景觀格局指數中,斑塊密度、邊緣密度值越低,且平均斑塊面積越高,表明景觀破碎化在減弱,即異質性程度較低。

表4 上海市郊野森林2000—2012年景觀格局指數

從表4可知,2000—2012年上海市郊野森林景觀水平的斑塊密度(PD)從 137.20個/100hm2持續減少到111.14個/100hm2,邊緣密度(ED)分別從372.03m/hm2先上升后下降到368.60m/hm2,平均斑塊面積(AREA-MN)則從0.88/hm2持續增增加到1.24hm2。研究時段內上述三個指數的變化說明,上海市郊野森林景觀的破碎程度在減弱,異質性降低;最大斑塊指數(LPI)從19.08%先降后上升至32.14%,景觀最大面積斑塊所占比例增大,表明優勢景觀的優勢度增加。聚合度(AI)是對斑塊聚合或離散程度的度量,在研究時段內總體變化不大。蔓延度(CONTAG)從63.89%持續增加到73.20%,說明景觀中優勢斑塊類型形成了良好的連接性,破碎化程度減弱。景觀形狀指數(LSI)從11.61下降到10.96,香農多樣性指數(SHDI)從1.07持續下降到0.76,表明景觀形狀復雜程度降低,邊緣效應減弱,景觀空間格局破碎化程度降低。綜合各景觀指數的變化趨勢,2000—2012年上海市郊野森林景觀的演化軌跡為景觀破碎化逐漸減弱,景觀異質性程度降低。

5 討論

5.1 森林景觀格局動態變化的驅動因素

政策因素和人為驅動因素的影響:上海市郊野森林景觀格局變化主要是由于快速造林綠化過程中森林規劃建設的政策引導和項目驅動引起的,即政策因素和人為驅動作用占主導因素。上海市自20世紀90年代末期開始大規模的城市森林建設,按照均衡分布、功能多樣的森林布局要求,在城市郊區和城市邊緣區規劃建設了總面積約4000hm2的大型片林和總面積6200hm2的外環林帶等。尤其是21世紀前10年在外環道路兩側、郊區林地開展了大面積的森林建設。由于采用農田流轉、空曠地利用和住宅拆遷集中居住等方式進行林地建設,引起森林景觀斑塊之間的相互轉換,非林地景觀類型主要向林地進行轉移,農田、空曠地、居住用地的面積大幅度減少[23],林地面積快速增加。由于受到人為干擾的強烈影響,在森林建設初期的2000年前后,森林景觀的斑塊密度、邊緣效應較高,且連接性較差,導致森林景觀整體的破碎化程度較高。對長沙[18]、南京[29]、廈門[30]、平頂山[31]等城市的森林景觀格局研究也表明,城市森林景觀格局異質性和破碎化較高的原因主要是政策因素和人為因素的影響。

自然因素的影響:上海市郊野森林中的大型生態片林和外環林帶在建設初期主要采用小苗種植和苗圃式的建設方式,樹木經過十幾年的生長,林地綠化覆蓋率大幅度增加,生態結構逐步優化并趨向合理化[15]。隨著森林群落的自身生長,斑塊面積逐漸增加、密度逐漸降低,林地的景觀優勢度也在逐漸增加。同時,隨著森林內部道路系統的貫通完善、水系疏通連接和場地集中配置,森林景觀的連結性逐漸增加,整體森林景觀的破碎化和異質性逐漸減弱,均質性增加。這一研究結果與北京西北山地森林景觀格局變化[6]和沈陽城市森林在2001年之后的景觀格局變化[32]較為一致。由于本研究的時間尺度較小,且上海郊野森林主要為人工林,郊野森林景觀格局變化受群落自然生長變化等自然因素影響的程度相對較低,自然因素導致的變化相對緩慢。

5.2 森林景觀格局優化與游憩開發對策

我們認為,在上海郊野森林的后續建設開發和管理經營中,一是采用自然力結合人工調控的方式優化森林景觀格局,最大程度地遵循森林自然演替規律,順應森林現有的生長態勢,進行合理的結構調整和優化。雖然上海郊野森林景觀格局破碎化程度逐步得到緩解,但并不意味著所有森林景觀類型都朝著結構合理的方向發展,仍需調整不同景觀類型的區間比例,避免景觀類型的無序轉換,保持森林的穩定性。二是適度維持郊野森林景觀的多樣性,雖然森林景觀變化沒有帶來強烈的景觀要素流失,但景觀多樣性降低,仍需要采取豐富植被多樣性、增設景觀設施等措施維持景觀的多樣性,在提升多樣性的同時避免景觀破碎化影響郊野森林的自然野趣,防止造成過度景觀化和人工化。三是有序引導郊野森林進行分梯度游憩開發,根據郊野森林類型和景觀格局特征,結合城市郊野公園規劃,優先開發景觀結構合理、內部聯通性好、設施完善度高的郊野森林,逐步優化和提升森林整體的景觀格局和生態品質,以更好地發揮郊野森林的游憩的服務功能。

6 結論

2000—2012年上海郊野森林景觀格局的主要變化特征表現為:林地始終是上海市郊野森林的主體景觀類型,且林地面積一直呈增加趨勢,其他各景觀類型的面積隨時間的推移呈不同程度的增減;非林地景觀類型的主要轉出類型為林地,且主要發生在新建的外環林地、外環公園和森林公園區域;森林景觀的破碎化程度減弱,景觀異質性下降,景觀優勢度和連接性增加,景觀多樣性降低。引起上海市郊野森林景觀格局變化的主要原因是城市森林規劃建設等政策因素和人為驅動因素,同時森林自身生長變化等自然因素在一定程度上影響了景觀格局變化,但影響程度相對較低且較緩慢。在后續的郊野森林建設中,應采用自然力結合人工調控的方式優化森林景觀格局,合理進行森林游憩開發。