生态单元制图的发展历程及应用

生态单元制图的发展历程及应用

随着城市化进程的加快和人口的增加，群落自然栖息地的数量显著减少，质量逐渐下降。这样剧烈的变化通常伴随着诸多的生态问题,例如:绿色空间的减少、能源消费的增长以及诸如城市热岛效应等的环境恶化问题。然而,缺少相关生态方面详细的原始数据和生态环境保护的具体措施已经成为当今生态环境保护与城市可持续发展的最大障碍。自上个世纪70年代,德国各州都相继利用生态单元制图进行自然景观保护工作。至2000年,德国约有223个大中城市,2000多个小城市以及乡村完成或正在实施生态单元制图,该方法已经成为德国各级政府生态规划的基本工作内容。由于生态单元制图能够提供研究区域内基础详细和便于使用的生物学和生态学信息,英国、瑞典、土耳其、日本、韩国、新西兰、巴西等越来越多的国家也加入到应用生态单元制图的行列中来,着手于生态单元的调查和图谱的绘制,以期为景观规划和环境保护提供最基础的生态信息。本文从辨析生态单元的概念和功能入手,对比分析了生态单元制图的两种主要方法,着重叙述了生态单元制图在国外三十多年不同阶段的发展历程以及归纳了生态单元制图在自然保护和城乡规划中应用的主要方面。接着进一步探讨了生态单元制图研究中存在的问题、不足和深入研究的思路。最后分析了我国生态单元制图的研究现状及其在自然保护和城乡规划中应用的前景。1生态单元的概念和功能1.1生态单元的定义生态单元的概念随着生态学研究的深入一直在更新着。根据1908年F.Dahl提出的概念,即任何可以圈定的动植物可以生存的空间。直至1988年,生态学家Sukopp和Weiler将生态单元重新定义为:一个具有相同或相似环境条件的区域,并且能够为特定的动植物群落提供的生存环境。进入20世纪90年代,Forman教授融入了景观生态学的信息再次修改了生态单元的定义。该概念是依据景观的相关尺度和所包含的部分特定物种来界定的。因此,一个生态单元可以被看作是一个特定尺度下环境条件一致的景观单元,例如一片开敞的草地或者一处湿地,它们的特点都是含有特殊的环境和特定的生物群体。1.2生态生物监测功能生态单元是生物大环境的重要组成部分,在特定的尺度下,各个生态单元或若干生态单元的组合可被视作一种“生态功能单元”,其包含以下重要功能:①自然资源保护的功能,其中包括:环境的保护以及生态的平衡,如促进水分循环、改善水源净化水质、调节气候、净化空气、阻隔噪音等;物种与生境的保护,如物种的繁殖和栖息的场所、物种驱散迁徙的走廊、区域间的连接度等;对环境变化和人为干扰的监测,起到了生物指示剂的作用;生态学的研究。②提高人们生活质量的功能(感受和享受自然),包括:游憩场所、提供多样化的经历和知识、造园、教育等。③构建城乡特色景观的功能,包括:增添富有层次和生命力的城乡景色,反映不同地域独特的自然和文化历史。2生态单元图式的实现生态单元制图作为景观生态学研究中的一个方法,是依据特定动植物集合识别、划分和记录不同土地使用/覆盖类型的过程,其描述的主题是植物和动物,需要完成物种定向性的生物学工作,如特定森林生态单元中木本植物清单的制备、繁殖鸟分布密度的鉴定等。因此,生态单元制图与土地利用/覆盖制图以及景观生态制图是有明显区别的。生态单元制图是基于生态单元分类系统而实现的,制图对象可以是连续的区域整体(涵盖区域内所有生态单元类型),也可以是区域中的局部范围(仅含有区域中的部分生态单元类型),例如湿地生态单元图谱、森林生态单元图谱等这类的专类图谱。制图主要有两种方法,分别是选择性生态单元制图法(Selectivebiotopemapping)和全面性生态单元制图法(Comprehensivebiotopemapping)。2.1不同生态单元的差异该方法是1983年由景观生态学家Wittig和Schreiber创新的一种在城镇自然景观地保护中对一些重要生态单元评估的快速方法。这些生态单元都是含有保护或潜在保护价值的动植物的生存空间。它们至少具备一种以下特征:①物种丰富度高并且含有一些稀有物种;②生境结构丰富;③能够为由于集约化的土地利用而被驱散的动植物提供庇护场所。这也意味着选择性生态单元制图法的对象往往只考虑绿色空间,不包括建成区。在制图过程中,根据几个评判标准对绿色空间进行评估,这些标准包括每个生态单元的发展时段(年龄及群落生境的连续性等),生态单元的尺寸大小,物种的稀有度,生态单元的结构等。依据每一项评估标准等级对生态单元进行打分。综合得分高的生态单元将需要重点保护。该方法的优点在于花费较低,不需要过多的专业人员同时从事作业,几个专业人员在相对较短的时间内就可以记录下生态单元有关生物学方面的信息,缺点就是将每个生态单元进行孤立地观察而忽略了每个生态单元周边大环境的作用。2.2生态单元分析全面性生态单元制图反映了研究区域内所有生态单元类型有关生物学和生态学的信息。在全面性生态单元制图中,生态单元信息的采集与记录通常使用两种方法:①全区域调查法(Comprehensivebiotopeinvestigation)是调查研究区域内的所有生态单元并记录相关信息数据;②典型样本区调查法(Representativecomprehensivebiotopeinvestigation)是按照生态单元类型对研究区域进行调查,在每一类生态单元类型中选取若干生态单元作为代表样本进行调研,最后将结果应用于相同类型生态单元的区域。无论使用哪种方法,图谱都包含了各种类型的生态单元,其结果都将以含有同种性质的单元为一类展示研究区域。全面性生态单元制图不仅将所有生态单元进行适当分类并绘制了其分布图谱,而且还对每一个生态单元及其所构成的景观模式进行了评估。其最本质的目的就是检验生态单元在城市环境中已经发挥特殊功能的程度和一些特殊生态单元发挥潜在作用的程度。与选择性生态单元制图法相比,全面性生态单元制图法的优点在于为整个区域生态数据的判读提供了一个更为详细和广泛的基础。但是,此项工作需要投入相对较大的人力、财力资本,并且对于从业人员知识背景的要求也相对严格,通常需要生态学、植物学、动物学等方面的专家学者以及景观规划师和设计人员的共同参与。所以在实际操作中,为了节省时间和费用,往往选用典型样本区调查法绘制全面性生态单元图谱。2.3基础类别或土地利用/覆盖的调查与分类生态单元制图工作程序主要包括以下六个步骤:①界定研究区域范围;②基于地图集、航空像片、遥感图像等,收集与分析初步数据以及划分生态单元的基础类别(通常依照土地利用/覆盖类型初步划分);③实地调查:记录各个土地利用/覆盖类型的生物学和生态学信息以及历史文化和美学方面的信息等,检验初步数据和生态单元基础类别的准确性与可靠性;④细分生态单元的类别并绘制图谱(通常借助地理信息系统(GIS)技术对相关空间数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示);⑤依据不同目的对生态单元价值进行分析和评价,最终提出保护、管理和发展的措施方案;⑥制图更新。3德国自然保护条例生态单元制图从20世纪70年代产生,至今已发展了30多年。它不仅成为德国自然保护和城乡规划的基础工具而且也被越来越多的国家所使用和创新。其发展经历了如下三个主要阶段。3.1生态单元民族自然保护生态单元制图思想的源头始于1974年对德国慕尼黑农村地区中具有特殊自然保护价值和潜在保护价值的生态单元研究中。1978年,德国首次尝试在城市人文区域开展生态单元制图工作,并且为了使此方法形成一套完备的理论基础体系,同年成立了德国联邦与各州参与并联合协调的“人文区域生态单元制图工作组”(下文简称工作组)。工作组将慕尼黑市、奥格斯堡市和柏林市作为试点城市。1986年,工作组基于对试点城市工作的总结正式提出了“德国人文区域生态单元制图基本方案”。在1980年德国柏林第二届欧洲生态学会议后,生态单元制图的理念在英国也相应产生。为了促进地方政府开展自然保护工作,则需要一套关于所有具有潜在意义地点的详细生态学资料,包括生态单元的类型以及对它们重要性的评价。1984年在大伦敦会议(GLC)的领导下开展了伦敦地区野生生物生境的综合调查,第一次提供了野生生物生境的范围、质量和分布的资料,在这个基础上评价了每一个生态单元的保护价值,并绘制了图谱。基于此制定了伦敦地区的自然保护方针。3.2技术层面的生态单元民上世纪80年代中后期,德国的众多城市以及英国、奥地利的一些区域都加入到生态单元制图的行列中来,而制图的目的从单纯的保护稀有、濒危物种以及保护有保护价值的生态单元逐渐转变为不同尺度下城乡规划和管理的一种手段。生态单元图谱所提供的信息也越来越详细并且更加定向化,例如为建筑景观规划提供生态数据(生态单元的方位、类型、面积)、为自然保护专题规划与管理提供生态数据(生物群落、物种数量、优势物种)等。这意味着生态单元制图不仅包括对生态资源的调查,还包括规划定向的生态单元信息的判读。进入90年代,仍然以德国专家学者为主要力量,开始尝试于技术层面制图方法的改进。例如,1991年德国学者kuebler等基于航空多谱扫描数据(AirborneMultispectralScannerData)来优化城市生态单元分类系统。同年,德国学者Gopfert将融入地理信息系统(GIS)技术的生态单元制图用于环境和景观规划的分析。在技术更新的基础上以及两德的统一,工作组设立了新的专家组并更新和完善了1986年制定的基本方案,方案的修订版在1993年正式发表,主要章节包括制图目标、基本理论、程序和方法、判读和评价、方案实施和效果监测。这为工作组进一步扩大德国生态单元制图研究区域奠定了理论基础,也为其它欧洲国家借鉴生态单元制图经验提供了有力保障。同年由芬兰学者Oulasvirta和Leinikki首次对水下生态单元进行了图谱的绘制,这标志着生态单元制图又迈向一个新的领域。3.3国外生态单元民间法律研究建言1997年底,受联合国环境署、联合国科教文组织和德国环保部资助,在德国德累斯顿大学举办了有21个国家人员参加的生态单元制图研讨会,这次会议为生态单元制图的推广奠定了良好的基础。在欧洲,生态单元制图的应用除了在德国已经成熟以外,在英国和瑞典的应用也比较系统。英国将生态单元制图除了用于城市景观保护和规划外,还用于海洋生态单元制图工作,并致力于如何提高技术手段更加准确地收集海底生态单元的信息,并对海洋环境进行监测以及对环境变化敏感和濒危的物种进行保护。瑞典主要基于制图完成对城镇环境和特定环境的监控以及构建丰富城市生物多样性的城市规划模型。除此之外,捷克、斯洛伐克、爱沙尼亚、荷兰、希腊、土耳其、西班牙、匈牙利等其它欧洲国家也加入到应用生态单元制图的行列中来,目的都是为了依靠该方法得到足够的生态单元详细信息来满足不同级别不同类型的规划、设计和保护措施的需求[6,39,40,41,42,43,44,45,46]。自90年代末,生态单元制图首次离开欧洲,先后被引入以日本、巴西、韩国、新西兰、南非等为代表的国家。其中日本和巴西直接借鉴德国的经验在本国进行生态单元制图的研究,主题仍然以保护地方有保护价值的区域为主。2003年,新西兰开展了绘制城市生态单元图谱的工作,此图谱包含了全市各种从本土物种到外来物种的生态单元,创建了适合本土土地利用和生物群落的分类系统,并将图谱及相关信息应用于未来城市开敞空间设计中。近年来在韩国,生态单元制图的应用比较广泛,方法和理论也有所创新。主要致力于制定城市可持续发展计划以及解决土地开发和保护之间的矛盾。到目前为止,已有10余个城市已经完成或正在开展制图工作。从方法创新而言,始兴市于2006年首次将雷达激光技术应用于生态单元制图,不仅完成了对生态单元结构的分析而且还对各类土地利用类型的特征进行了描述;2008年底,韩国政府又开展了一项基于无线信息技术名为“U型生态城市(U-EcoCity)”的计划,其研究目的就是利用高分辨率的图像和雷达信息来绘制和更新生态单元图谱内容,为促进城市的可持续化发展制定相应的景观规划方针。当今,很多国家已经陆续开展了生态单元制图工作,其中部分国家已经将生态单元制图作为自然保护和景观规划的基本工具。为了提高生态单元图谱所反映信息的准确程度,并且减少人力、物力以及时间成本的消耗,致力于制图技术层面改进的研究仍然在不断地进行着[32,37,38,51,52,53,54,55,56],例如栅格GIS的图像处理技术(Raster-BasedGIS)、彩色红外航空摄影技术(CIRAerialPhotograph)、卫星遥感技术(satelliteRS)、航空成像高光谱技术(AirborneHyperspectralImaging)等应用的改进。4自然保护和教学管理通过分析生态单元制图的发展历程,发现其在自然保护和城乡规划中的应用比较广泛,主要体现在以下3个方面:①物种和生境保护;②土地利用规划和管理;③不同尺度景观规划和管理。4.1生态单元制gis保护物种和生境一直是生态单元制图的基本目标。其保护的物种和生境的概念是广义的,既可以是濒危物种和稀有生境,也可以是人们日常接触的普通物种及其生境。例如,Müller和Fujiwara利用生态单元制图对日本东京城镇群中含有濒危和稀有物种生境的保护以及德国纽伦堡市政开展的生态单元制图工作,专门以保护与人们日常生活紧密相连的功能绿地为目标。这些功能绿地包括了居住区附近的普通绿步道以及市郊供人们周末休闲的绿地。利用生态单元制图来进行物种和生境的保护通常都是按照以下四大步骤完成的:①确立当地需要保护的目标种和目标生境;②基于RS和GIS技术绘制目标种和生境的分布图谱,并分析现状;③制定物种和生境相对价值的评价标准,进而对目标种和生境进行保护定级。目前选用最多的评价因子包括物种稀有度、物种和生境的多样性、生境自然化的程度、恢复和更新的能力、受人为干扰的威胁程度以及可取代性等;④依据保护等级的评价结果制定专类保护方针,最终将其纳入整个地区自然保护项目中。4.2建筑区结构—土地利用规划和管理城市生态单元制图不仅能够明确城市各类土地利用类型的优缺点而且还能反映出各类土地利用类型中的物种多样性和生境质量。利用生态单元制图对土地利用形式的规划和管理往往是借助态势分析法(SWOT)来实现的。SWOT分析能够对比不同土地利用类型之间和不同地点相同土地利用类型之间的优缺点以及物种多样性和生境质量所面临的机遇和挑战,因此,目前欧洲很多国家都将生态单元制图获取的信息通过SWOT分析来制定土地利用规划和管理的战略,并通过这些战略方针来辅助其它相应的规划。例如,德国哈瑙市政府利用生态单元制图结合SWOT分析将该地区划分为五类区域,并针对每一类区域制定具体的规划和管理措施。这5类区域具体为:①复兴区域:该区域生境质量差,缺少开敞绿色空间。建议只有改变建筑区结构才能有助于改善生境质量。②恢复区域:生境质量较低,开敞绿色空间不足。需要改变部分建筑区结构来改善生境质量。③适宜发展的区域:生境质量平均一般,仍有潜在的建筑区结构调节的问题,但具备开发建设的能力。④生境良好区域:该区域可以进行拓展。⑤生境优质区域:重点保护。在这5类区域性质的基础上提出了每一类具体的发展计划,最终用于今后的城市发展和建设中。4.3生态单元及其权力依据判读不同规划定向的生态单元制图信息,往往可以完成不同尺度景观规划和管理的要求。例如,为了评估城市景观结构异质性,Young和Jarvis基于土地利用与覆盖类型、结合航空像片判读和野外调查,将英国伍尔弗汉普顿地区景观特征进行大致分类,然后融入已制定的21个生态单元结构元素(生态单元结构元素被认为是影响景观异质性的最小空间特征)完成生态单元图谱。他们将各类景观中含有生态单元结构元素的个数按照灰度等级划分为6个级别,并归纳了每类景观类型主要含有的结构元素特征,最终按照结构元素多样性和生态单元面积不相关的分析结果,着重制定了两类不同尺度景观的规划和管理计划。这两类分别是含有生态单元结构元素较少的大面积生境和含有结构元素丰富的小面积生境。另外,Löfvenhaft等人利用判读生物多样性价值的生态单元信息,将瑞典斯德哥尔摩国家城市公园地区按照生态单元组合现状以及土地覆盖历史现状划分为核心区、连接区、缓冲区和障碍区四类规划区域,并指出各类区域的规划和管理要求,为该地区开展生物多样性定向的景观规划与管理提供了有力保障。在小尺度空间的设计中,例如新建成居住区绿色空间的设计、老城区小规模绿色空间以及绿色廊道的维护等,生态单元信息的判读和评价依然发挥着重要的作用。使用生态单元制图必须确定现实问题和规划目标所需要的数据类型,因此细化和定向性的描述景观结构是非常重要的。在生态单元制图的应用中,对景观结构的描述通常包括四个层面:①基本利用结构或覆盖类型(居民居住建筑层次结构、绿地、公园、果园等);②土地基本特征(地表土壤和建筑密度、支撑土地密集利用的能力、土壤参数等);③生物资源(生态单元要素的结构、多样性和形式等);④动植物种群和植被现状(种类、数量以及分布等)。5生态单元调查过程中主观性的问题目前,生态单元制图研究无论理论还是实践都取得了很大的进展,在一些国家已经成为自然保护和城乡规划工作的基本工具,但是仍然存在一些需要解决的问题,其主要表现在:(1)生态单元制图的主观性传统的生态单元制图工作大多数是基于对彩色红外航空像片的判读结合实地调研完成的。这种制图方法虽然可以得到生态单元组成和现状的一系列复杂定性化的信息,但是这类定性化的信息都是基于外观评定而确立的,然而观测者的主观判断会或多或少地影响外观评定的结果[53,54,55,56,57,65]。在生态单元调查过程中主观性往往存在于对植被类型的诠释中。通常调查按照事先规定的标准将生态单元进行分组,并按照标准化的生态单元调查清单进行野外调研,确保野外调研信息的一致性,但是,实地生态单元的分布情况十分复杂,并不是所有生态单元的边界都很明显。生态单元边界范围可以从尖锐、明显到模糊,例如,由道牙分割的草坪和道路两个单元的明显边界或者自然与半自然式植物群落之间形成的模糊边界(如新西兰牧草地与丛生草原)。所以如何客观的界定生态单元边界问题使图谱准确的反映实地情况是有待解决的问题。(2)比例尺与GIS技术比例尺的问题在生态单元制图过程中也是一个突出的问题。要想完成整个城市详尽的全面性生态单元图谱一般是很难实现的。通常依据研究区域的大小,进行指定生态单元数字化信息的处理,这也就不能保证研究区域中所有出现的生态单元都被绘制到图谱当中来。换句话说,很可能丢失重要的生态小单元信息。例如,一个住宅区附属公共绿地或私家花园(院落)的总面积小于该地生态单元制图中最小生态单元的面积时,往往被归属为与其相邻的生态单元类型。但是住宅区绿地以及私家花园的重要性已被很多研究所证实,它们对于城市物种的迁移和生存起到了生态步石的作用。所以生态单元制图比例尺的确定以及如何利用高分辨率的遥感数据来得到小面积的制图单元,进而为利用GIS技术进行生态单元系统分类和大尺度的生态单元制图提供可能性将是今后生态单元制图法技术突破问题的关键。6我国生态单元的研究现状6.1国内外景观生态研究景观生态学于上世纪80年代引入我国,随着近30年的发展,我国景观生态学研究已经取得了长足的进步,逐步走上国际舞台。在Scopus文摘索引数据库中以“LandscapeEcology”为主题词、“China”为文章从属关系检索到包括中文和英文(含SCI论文)共535篇论文(1984—2009年),其中456篇是基于景观分类系统运用景观格局指数对景观空间格局、景观功能和景观动态进行分析,试图为景观生态评价、规划和模拟以及景观生态保护与生态恢复提供策略。例如高峻、宋永昌以1984、1989和1994年3个时相的航空遥感图像为主要数据源,选取了景观破碎化指数、多样性指数、分维数等一系列指数,对上海西南地区城乡交错带开展了景观演变的研究,通过对比揭示出研究区域发展和演变的规律。然而国内关于生态单元制图的研究还处于初级阶段,仅有个别学者对其做了相关的研究,并且面向城市生态要素的层次还仅停留在对城市局部地区的调查中。孟伟庆等人建议将生态单元制图有选择性的运用到我国西部生态环境保护中,在生态单元划分的基础上,把各种生态单元类型落实在地图上,并建立生态信息数据库,为西部规划提供基础的生态数据。赵振斌等基于GIS和RS技术,对西安市南郊陕西师范大学附近的城乡过渡带的保护规划进行了研究,绘制出生态单元图谱并对生态单元的保护价值进行了评价,依据评价结果构建了城市生境链的规划方案。另外,高大伟等又利用彩色红外航片,在城市土地利用类型划分的基础上结合野外植被调查绘制了上海市闵行区的生境图谱,并依据相对盖度和相对物种丰富度以及地表水水质质量划分了生境质量等级图。然后以生物多样性因子为基础探讨和评价了闵行区的生境质量,为该地区的生物多样性保护和城市生态规划提供了科学依据。但这些研究在实践范围和理论深度上与国外一些国家相比都有一定的差距,并且在生态单元制图成果的进一步应用方面也缺乏探讨。6.2关于研究6.2.1对城市生境的保护我国正处于城市化的加速期,新的发展理念要求城市发展应与自然发展相互协调起来。城市因为含有各种不同特色的城市生境(如居住区绿地、城市公园、道路绿地、城市废弃地等)和城市自然遗留地(如森林、河流等)以及近自然生境(如草地、耕地等),往往被认为是一个生物多样性很高的生态系统,所以对于城市中含有生物学价值的生境都应该进行积极的维护。然而,现有的我国城市自然保护还仅停留在孤立保护、挂牌保护阶段,使得很多有保护或潜在保护价值的生境在城市化的迅猛发展以及蔓延式的