谷地植物景觀保育性調控策略
——以雞公山武勝關為例

閆 明,劉曼舒,楊 懷,付覺民,田國行,*

1 河南農業大學林學院,鄭州 450002 2 中國科學院生態環境研究中心,北京 100085 3 中國科學院大學,北京 100049 4 河南雞公山國家級自然保護區管理局,信陽 464133

由于自然保護區具有對動植物保護的特殊性,在區內進行保護、培育工作有著重要的現實意義[1]。自然谷地由于地形、土壤、水文、太陽輻射量的多樣變化,呈現了多樣化的生境類型,為植物資源的保育提供了先天優勢。早在奧姆斯特德時期,景觀規劃師已經開始基于對場地條件的了解分析做出適宜的規劃,以達到對原始植物資源的保護和利用的目的[2]。從黃石國家公園建立的帶有國家意志自然保護區開始,各地開展了包括自然保護區邊界劃定、生態植物園建設、生物多樣性保護等一系列植物資源保護培育工作,如簽署《生物多樣性公約》、英國邱園對植物資源的收集和保護[3]以及中國江洋畈生態公園的建設[4]等,都在推動著植物景觀保育的歷史進程。一般來講,保護培育規劃包括查清保育資源、確定保護對象級別和保育范圍、制定保育措施并建立保育體系三點內容[5]。多位學者在植物景觀保育上運用不同方法做了相關嘗試,取得了一定的成果,如潛在植被模式分析和植物景觀關聯分析法[6],山脊法和等高線法、等距控制法、景點控制法、視閾控制法和生態適宜度分區法[7],小班調查與RS、GIS技術結合法[8],就保護區的植物景觀敏感度進行了探究,建立了具有可操作性的保護培育專項規劃方法。運用視覺景觀分析、場地的三維模擬分析、水土保持分析等多種適宜性分析方法,對白鹿原[9]、秦皇島北戴河風景名勝區[10]、廣東大霧嶺自然保護區[11]、朝陽市鳳凰山[12]進行了保護培育規劃方面的實踐研究。可以看到,景觀敏感度、用地適宜性與其保護的必要性之間具有密切聯系[13],目前可以從生態系統及環境質量等方面來進行生態資源的評價[14],以建立合適的保育措施和方法。基于以上研究基礎,本文以雞公山武勝關山谷為例,詳細探討了以疊加分析為主體的谷地植物景觀調控的系統方法,將在谷地植物景觀保育調控中具有獨特的生態學意義。

1 研究地概況

1.1 研究范圍與現狀

武勝關是中國歷史上九大名關之一[15],位于河南省南部,信陽與隨州的交界地帶,緊鄰雞公山自然保護區。得天獨厚的地理條件為這里提供了豐富的動植物資源,使其成為了植物資源保育的天然場所(圖1)。

圖1 研究地位置Fig.1 Research location

研究地位于武勝關谷地內,范圍從武勝關保護站起至山谷東南方向的長田畈為止,約112.9 hm2的狹長山谷地帶(圖2)。沿路共有6塊裸地作為植物自然保育中的空白地塊,具有的較高的可塑性,為本次植物景觀調控重點關注地塊。

圖2 研究區域范圍Fig.2 Research range

研究地由一條由西北向東南地勢逐漸升高的緩坡道路組成,沿路呈現出針葉林、闊葉林、針闊混交林等不同的植被群落類型(圖3)。為了協調6個主要調控地塊與整體研究地的可持續健康發展,逐步恢復調控地塊裸露帶來的景觀空缺,建立合理的景觀生態運行機制。本研究以整個山谷作為一個完整的生態系統來看待,對山谷進行了詳細分析,提出了系統的植物景觀調控策略。

圖3 研究地肌理與現狀Fig.3 Site texture and environment

1.2 自然保育資源

1.2.1氣候條件

武勝關谷地屬于過渡性氣候,兼有亞熱帶和暖溫帶氣候的特點和優勢,熱量有效性好。冬季盛行西北風,夏季盛行東南風。

1.2.2植物資源

由于武勝關所處的過渡帶氣候,南亞熱帶與北暖溫帶植物均可在此生長,極大的提高了研究地的植物種類的豐富度[16]。國家重點保護植物有香果樹(Emmenopteryshenryi)、青檀(Pteroceltistatarinowii)等。武勝關內松類、杉類植物種植較多,包括柳杉(Cryptomeriajaponica)、落羽杉(Taxodiumdistichum)、馬尾松(Pinusmassoniana)等,其他主要植物有石蒜(Lycorisradiata)、闊葉麥冬(Liriopemuscari)。

1.2.3動物資源

武勝關常見的哺乳動物有花面貍(Pagumalarvata)；常見的鳥類有灰喜鵲(Cyanopicacyanu)、太平鳥(Bombycillagarrulus)、蒼鷹(Accipitergentilis)；常見兩棲動物有大鯢(Andriasdavidianus)；常見蝶類有中華虎鳳蝶(Luehdorfiachinensis)。

2 研究地分析方法與結果

2.1 因子獲取來源

植物景觀保育性調控采用適宜性分析方法,核心內容為疊加分析,包括單因子分析和多因子疊加分析[17]。研究地因子涵蓋地貌特征、太陽輻射量等,因子的獲取方法基于表1。其中研究地遙感影像于2018年4月利用大疆無人機獲取,基于Agisoft PhotoScan和EasyUAV智能快拼進行影像處理和合成。高程、坡度、坡向、太陽輻射、視域主要利用ArcGIS 10.2進行分析提取。

表1 研究地部分因子獲取來源[17]

2.2 單因子分析

疊加分析以地貌特征、植被與土壤類型、太陽輻射、水文和視域五個方面的單因子分析為基礎。依據山地垂直效應,以每100 m設置為一個梯度,共分為五個高程梯度；結合研究地現狀將坡度劃分為五個等級：0°—5°、5°—10°、10°—15°、15°—25°、25°—45°[10,13,18- 20]；參考相關文獻[13,18,21],將研究地分為東坡、西坡、南坡、北坡、東南坡、東北坡、西北坡、西南坡8個坡位,通過ArcSence呈現研究地整體三維特征(圖4)。

圖4 地貌特征分析Fig.4 Geomorphological analysis

基于無人機影像的目視解譯結果,研究地分為針葉林、闊葉林、針闊混交林、農田和茶場五類,其中將農田列為一種特殊的植被類型。此前研究顯示,雞公山針闊混交林中較高的土壤緊實度更有利于抵抗徑流對地表的沖刷,且不同林分森林土壤的有機質平均含量顯示出落葉闊葉林、針闊混交林、針葉林、裸露地不斷減少的變化規律[22],將此規律作為研究地土壤類型和等級的判斷依據。

太陽的輻射分析中,測算了該區域8:00到18：00的太陽輻射量(單位：W/m2),橙色區域為輻射量較高的區域,藍色區域為輻射量較低的區域。盆域和水文分析顯示,研究地水流方向自東南向西北,最終流向馬家河。采用沿路視域得到研究區內視覺敏感性變化,紅色表示該區域被人為注意到的可能性越大,被人為干擾的可能性大(圖5)。

圖5 研究地植被與土壤、太陽輻射、水文、視域分析Fig.5 Site vegetation and soil, solar radiation, hydrology, and field of view analysis

2.3 多因子疊加分析

2.3.1生態敏感性分析

依據單因子分析結果,選取了高程、坡度、坡向、植被類型、視域、水系6個在生態敏感性上起主導作用的因子作為評價因子[17]。以影響谷地生態敏感性的程度作為等級劃分的標準,賦值為1到5,分別代表單因子的高敏感區、中高敏感區、中敏感區、中低敏感區、低敏感區(表2)。

根據層次分析法(AHP)和專家打分法,得出各因子的權重值(表3)。將AHP法計算出的各評價因子的權重值,通過整合度(C.I.值)進行驗證,其C.I.值為0.0804,結果在0—0.1之間,表明對該因子的權重判斷可行。

加權疊加分析獲得研究地的生態敏感性差異(圖6),越接近紅色的區域表示生態敏感性越高,對應的保育等級相對較高,高敏感地區主要分布在研究地南側,生態敏感性等級劃分將作為保育分區的依據。

2.3.2植物生態位類型分布分析

植物生態位類型分布基于土壤肥力、植物受光熱量和植物需水量3個方面的結果進行分析[17],疊加獲得植物生態位類型分布矢量圖(圖7)。

表2 生態敏感性影響因子等級劃分

表3 生態敏感性權重分析表

圖6 生態敏感性分析圖Fig.6 Ecological sensitivity analysis chart

植物土壤肥力的生態位類型中選取了坡度和植被類型2個生態因子作為評價因子。植物陽性、中性、陰性的生態位類型中選取光照強度和坡向2個生態因子作為評價因子。植物的喜水、一般耐旱、極耐旱的生態位類型中選取了植物受光熱量、坡度和匯水區3個生態因子作為評價因子,其中植物受光熱量依據上述植物受光熱量分析結果,匯水區的選取依據盆域分析結果。結果顯示,高土壤肥力地區主要分布在闊葉林區、喜水植物適合分布在道路兩側匯水區、陰性植物主要適合分布在道路南側。

3 谷地植物景觀保育性調控策略

依據研究地的適宜性分析結果,以保育和調控為主線提出了系統的保育調控策略。共分為分區控制、地帶防護、植被斑塊改造與植物選擇和可持續管護規劃4大部分(圖8)。

3.1 分區控制

3.1.1保育分區劃定

運用等垂距緩沖區控制法、多因子疊加分區法[7]等方法,以生態敏感性分析圖為基礎,疊加水系兩側20 m緩沖區,以此劃分研究地不同區域的保育等級。保育分區可依據生態敏感性圖劃分為可建設區、可營造區、重點保護區三個等級的保育區。

圖7 植物土壤肥力、受光熱量、需水量分析Fig.7 Analysis of plant soil fertility, light heat and water demand

圖8 總體保育策略Fig.8 Overall conservation strategy

可建設區對人為活動有一定的耐受性,允許一定的景觀建設,例如一些對自然環境影響較少的游憩設施建設；可營造區內應在一定程度上控制工程的建設強度,可進行低影響景觀營造和觀賞植物種植,以植物的保護和培育為主；重點保護區應維護現狀,嚴格禁止在區內進行任何建設,減少水土流失,增強植物群落的穩定性；水系周邊20 m的范圍內為盡量減少人類的靠近,可配置枸骨(Ilexcornuta)、酸棗(Ziziphusjujuba)等植物從人的生理和心理感受上減少趨近行為。

3.1.2潛力觀景區劃定

依據現場調研對景觀進行評價,劃定6個潛力觀景區(表4)。基于對研究地環境的了解和分析,確定主要保護培育對象,即整體的山水林格局、秋季的落葉空間帶以及柳杉、落羽杉、馬尾松、石蒜等具有武勝關谷地特征的植物品種,努力維持原生的景觀格局。

圖9 潛力觀景區Fig.9 Potential viewing areaⅠ：石板堰,巨石水流景觀；Ⅱ：2號裸地,竹林景觀；Ⅲ：3號裸地,曲徑通幽；Ⅳ：頭道河,水道交匯景觀；Ⅴ：茶園景觀；Ⅵ：高海拔開放景觀

3.1.3優良品種培育區劃定

選擇不同生境類型的適宜地點作為優良品種培育區,可為后續的研究地改造提供苗木供應。基于研究地海拔變化的特性,選取了相對海拔較低的農田空地和相對海拔較高的低敏感地區兩塊研究地作為優良品種種植基地,該區域同時涵蓋了陽坡和陰坡兩種坡位類型。在植物品種的選擇上,選擇引種與研究地環境相匹配的植物,以保障植物生長效果,維持景觀的感官協調。

3.2 地帶防護

3.2.1視覺防護和廊道規劃

根據視域分析和生態敏感性分析的疊加結果,識別了高視覺敏感性且高生態敏感性的區域,主要分布在研究地中段道路的兩側,以及東南段道路的南側。在此區域的沿路兩側應種植高大的彩葉樹種,一方面人的觀景視線在空間層面被阻擋,減少這些高敏感區域被人觀察到的可能性,另一方面在視覺美學角度上,可以將人的注意力吸引到沿路彩葉樹種上,達到保護高敏感區植物的目的。從研究地的視覺防護方面看,還可以在沿線適當進行微地形改造、增加地形起伏,同時在生態敏感高且景觀較好的地點建立觀景廊道,滿足保護、觀賞、科研監測的多重需求。

3.2.2邊緣地帶保護控制

基于邊緣效應原理[23],不同的植被景觀類型的交錯地帶是物種相互滲透以及能量流、物質流、信息流傳遞的主要場所,物種多樣性一般更為豐富,為重要的多樣性景觀潛力區域。該區域應盡量減少人類活動,必要時可設立專門的生態通道。

3.3 植被斑塊改造與植物選擇

3.3.1植被斑塊改造

依據景觀異質性相關理論[23-28],增加現狀植被斑塊要素的數量,平衡各斑塊要素占比,使單個斑塊的形狀更加多樣化。這樣增加了要素邊界的總長度,提高了區域整體的景觀異質性。同時,可利用人工林帶建立動物的活動廊道,增加不同斑塊之間的交流和傳遞,保障區域生態系統的穩定性(圖10)。

規劃調控后的植被斑塊要素數量由16個增加到37個,斑塊要素類型由原來的5類增加到了8類,研究地的斑塊要素邊界總長度由4.2 km增加到11.5 km。在斑塊要素增加的過程中,盡可能的采用了不規則斑塊要素形狀。將研究地中較大面積的斑塊要素進行分解,形成多個小面積的植被斑塊,景觀異質性增加,研究地內物種之間的交流會變的頻繁,進而增強植物景觀穩定性。

圖10 植被景觀斑塊改造規劃Fig.10 Vegetation landscape plaque reconstruction planning

3.3.2生態位下的植物選擇

生態位即物種在生物群落或生態系統中的地位和角色,對于某一種生物群落來說,其只能生活在特定環境條件范圍內[29]。景觀規劃過程實際上是研究如何有效利用現有生態位、潛在生態位以及非存在生態位的過程[30]。將前期所做的植物土壤肥力、受光熱量以及需水量分析結果進行疊加,獲得研究地內的27種植物生態位類型(圖11),依據該植物生態位劃分合理分布植物空間,建立更加科學的植物配置策略[17]。

圖11 生態位下的植物選擇 Fig.11 Plant selection under the niche

通過前期調查區域內植物資源并整理統計,選出了多種備選植物(表4)：馬尾松、黃山松(Pinustaiwanensis)、柳杉、杉木(Cunninghamialanceolata)、水杉(Metasequoiaglyptostroboides)、青岡(Cyclobalanopsisglauca)、麻櫟(Quercusacutissima)、栓皮櫟(Quercusacutissima)、楓香樹(Liquidambarformosana)、槲櫟(Quercusaliena)、落羽杉這些植物是研究地內原有的鄉土植物。三色堇(Violatricolor)、木香花(Rosabanksiae)等則是基于研究地環境情況分析引入的品種,提高了植物景觀整體的豐富性特征。

表4 研究地備選植物類型

將研究地劃分為27種植物生態位類型,其中26種植物生態位類型分布在0°—25°的坡度區間,1種分布在25°—90°的坡度區間。需要說明的是,該坡度區間理論上應涵蓋27種生態位類型,但是根據實際的疊加分析顯示,研究地不包含極耐瘠薄陰性喜水的植物生態位類型,所以現狀中共包含了26種生態位類型。坡度為25°—90°的研究地區域,因其研究地環境較為脆弱,將其歸為一種生態位類型。因此,研究地內共包涵了27種植物生態位類型。將備選植物依據其屬性歸入生態位類型表中,獲得了不同區域所需要種植的植物種類(表5)。

3.4 可持續管護

3.4.1構建監管系統,重點保護珍稀瀕危物種

保護珍稀瀕危物種是研究區內資源環境保育工作的重要內容,需要對不同物種因地制宜地實施最有效的保護,構建植物評價保護體系,精準調控。需要對珍稀瀕危物種的具體數量、分布特征進行明確劃定,建立珍稀瀕危物種基礎資料數據庫,構建相應的動植物監測和管理系統。以便實時掌握瀕危物種常年動態變化及其生活環境變化情況,及時制定對應的保護策略。

3.4.2維護自然生態鏈,保障環境健康

谷地生態系統是一個極易受周邊生態系統影響的小尺度生態系統,病蟲害預防有賴于上一級生態系統的健康狀態與免疫能力,其本身應立足于生物鏈的健康程度與完整性。保護和培育研究地內資源,保存完整的谷地生物鏈體系,用自然方法維護研究地內病蟲害的防護機制,確保植物景觀保育性調控策略能夠有效實施,為谷地生態可持續發展提供保障。

3.4.3建立植物標識體系,加大宣傳力度

研究地內應建立統一的植物標識系統,便于向大眾進行科普宣傳,增加研究地的科普教育功能,讓人們對研究地植物有更加深入的了解。

4 討論與總結

基于生態位、景觀異質性、邊緣效應等相關理論體系,通過對土壤、水文、太陽輻射、植被類型、視域等單因子分析以及生態敏感性、植物生態位類型分布的多因子疊加分析,為武勝關谷地植物景觀的調控提供了科學依據和可操作方法。從研究地資源上看,武勝關谷地植物景觀保育的原始條件較為充足,具備有多個潛力觀景區、植物培育區；從地帶防護看,武勝關谷地具有多個明顯的植被交錯地帶,植被類型豐富多樣,可利用自然資源進行人工干預,確保高敏感地區植被的穩定；從植被營造上看,武勝關谷地自身具有較為豐富的植物資源,從景觀美學以及生態穩定的角度來考慮調控研究地,特別是6個裸露空地植物的類型和分布,在植物因地生長、景觀維護等方面有多重意義。

表5 依據生態位劃分的植物配置表

谷地植物景觀的保育性調控工作需要多方面同時推進,包括從面狀層面的分區控制到線狀的邊緣地帶控制以及廊道規劃,到點狀的植被改造選擇。應用景觀可持續性研究的思想,規劃和設計景觀要素以維護和提高景觀的自我再生能力,同時提高景觀對外部干擾的抵抗力[31]。研究地交通條件較為便利,人類活動與人為干擾不可避免。同國內其他自然保護區一樣,國內已經鮮有不受干擾的自然保護區。人類活動與人為干擾所帶來的水土流失、植被退化、土壤裸露等問題正在危及保護區的生態健康。保護、培育、調適是中國自然保護區發展的必經之路。需要介入正向干擾才能抵消人類活動所帶來的負向干擾,同時通過正向干擾提高自然本身應對各種生態風險的能力,實現保護區穩定可持續發展。研究區域從邊界范圍上緊鄰自然保護區,實際的自然景觀與保護區景觀相差較小,是良好的保護培育的正向干擾試驗區。未來的研究中,可從保護對象識別、調適植物組合模式[32]、功能和組分的補充與完善、多樣性的增加[33]、干擾下的植物變化規律[34]、實現生態系統的穩定并向頂級群落方向演替等方面進行實際的探索,以便進一步明確保育的機理,完善保育性調控的理論和實踐體系。