城市化进程下广州市次生林景观、植被、土壤变化及其驱动机制研究

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改革开放30年间,我国城市化水平有了显著提高,未来二十年我国将迎来前所未有的快速城市化进程。在此过程中,城市森林的保护和建设直接关系到城市居民的福祉以及人地关系的和谐。城市森林中近自然状态的次生林生态功能最为完善,在改善城市环境、保护城市生物多样性和提高居民生活质量等方面发挥着不可替代的作用。探讨城市化进程下广州市次生林景观及植被、土壤的变化情况及其驱动机制,是保护和管理城市森林的必要前提。本研究以广州市城乡梯度上的远郊大岭山森林、近郊萝岗森林以及市中心区蒲岗森林等三片森林为研究对象,在空间尺度上评估了城乡梯度上森林的生存差异;在时间尺度上研究了1979-2013年广州市城市化过程中森林的景观动态发展过程。在此基础上,结合城市化压力因素,重点分析城市化因子对城市森林的影响机理,以期为我国快速城市化过程中的森林资源保护及管理提供参考。主要结果如下:  1.城乡梯度上1979-2013年次生林及周边景观的动态变化:以广州市1979、1990、1999、2005和2013年5个时相的TM影像为信息源,利用ArcGIS和FRAGSTARTS软件对广州城乡梯度上3个次生林研究区进行景观格局演变分析。研究结果表明(1)1979-2013年,各研究区建设用地(人工表面)面积随着城市化进程逐渐增加,林地和农用地的景观面积逐渐减少;同一研究区斑块总数、斑块密度和斑块多样性指数逐年增大,林地景观破碎化程度逐渐增高;(2)在城乡梯度带上,林地景观受干扰程度不一。同一时间点各研究区景观指数在空间上均表现为市中心区蒲岗最高,近郊萝岗次之,远郊大岭山最低,即越靠近市中心,景观破碎化程度越高,空间异质性越大。(3)转移矩阵结果表明市中心蒲岗、市郊萝岗研究区景观格局变化主要为大量的生态用地(林地、农用地)转化成建设用地,受到的城市化压力主要来自于人口、交通、土地开发以及商业活动;远郊区大岭山研究区受人类干扰较少,林地景观保持较好。  2.城乡梯度上次生林植被、土壤的差异:植被活性方面,NDVI在时间尺度上,各研究区健康型植被覆盖区域先降低(1979-2005年)后逐渐上升的趋势(2005-2013年);在城乡梯度上,随着城市化加剧,各研究区不健康型植被覆盖区域的比重上升,不健康和亚健康森林的比例沿远郊-近郊-市中心梯度递增,健康森林的比例则沿此梯度递减。植被方面,本次城乡梯度森林植被调查共记录植物种261个,其中大岭山184个,萝岗75个,蒲岗68个;涉及珍稀濒危植物共计17种,大岭山13种,萝岗4种,蒲岗3种。植物物种数和生物多样性沿广州市远郊-近郊-市中心梯度单调递减。大岭山和萝岗间的植被相似性指数为15.08%;萝岗和蒲岗间为33.12%;蒲岗和大岭山之间为8.3%。土壤元素方面,远郊区大岭山土壤K、Ca、Na和Mg含量均显著高于近郊萝岗和中心城区蒲岗,K含量对城市化压力的变化最为敏感。土壤重金属中,市中心蒲岗和近郊萝岗林下土壤中的Cu和Pb的含量显著高于大岭山;尤其Cu含量,沿远郊-近郊-市中心梯度显著增加;而大岭山、萝岗和蒲岗林下土壤在Cd和Zn含量方面则无显著差异;Cu的含量对城市化压力最为敏感。土壤微生物方面,大岭山干湿两季的土壤微生物总量均显著高于萝岗和蒲岗,尤其是湿季,土壤微生物总量沿远郊-近郊-市中心梯度显著降低;城市化压力改变了土壤微生物对干湿季的响应,使土壤微生物对南亚热带地区干湿季的更替反应更为敏感。土壤种子库方面,林下土壤种子库物种数沿远郊-近郊-市中心梯度逐渐增加;个体数量也基本保持一致趋势;蒲岗的土壤种子库生物多样性明显低于萝岗和大岭山,而大岭山和蒲岗之间差异较小。大岭山与萝岗种子库相似性最高(75.76%);蒲岗与大岭山间相似性最低(36.30%);蒲岗与萝岗间相似性居中(53.27%)。土壤动物方面,本研究中各样点土壤动物种类数、个体数以及多样性在干湿季间变化较大;物种数和个体数方面,无论干湿季,都表现为大岭山最少,萝岗最多。多样性方面,湿季表现为近郊萝岗最低,远郊大岭山和市中心蒲岗较高;干季表现为远郊大岭山最低,近郊萝岗次之,市中心蒲岗最高。城市化过程减小了土壤动物干湿季间的差异。  3.城市化压力因子对城市森林的影响:在景观时空变化中,城市化过程中关键驱动力因子城市化率、不透水率、人口、工业化使得城市森林景观破碎度变大,景观异质性增加,森林植被活力降低,影响到了城市次生林的生态系统健康,使城市森林中的不健康和亚健康森林比例升高,从而影响到城市森林生态系统功能的发挥。在城乡梯度上蒲岗研究区的城市化率、不透水率与景观变化相关性最高,达到显著相关(P<0.05);行政区人口密度与景观演变相关性也比较高;与植被活性关系最为密切的则是不透水率、城市化率和第二产业产值;与森林面积相关性最高的是不透水率和人口密度;影响萝岗研究区景观变化的主要因素有不透水率、人均可支配收入、人口密度以及房地产开发额;与森林面积、活力和健康相关性较高的则是城市化率、人均可支配收入、第二产业产值、农林牧渔业总产值和不透水率,全部达到显著负相关(P<0.05);影响大岭山研究区景观关系最为密切的是GDP和第二产业产值,与森林健康最为密切的因子为人口和不透水率;与森林面积关系最为密切的城市化因子则是人口和第二产业产值。2013年的数据处理结果显示,研究区的斑块密度和景观多样性指数与人口密度、GDP、第二产业产值、批发零售业销售总额、公共财政支出正相关,相关系数高达到0.9以上。同时上述因素对城市森林的植物多样性、种子库多样性和土壤微生物含量产生了显著的负面效应,相关系数多达-0.9以上。这些因素共同作用导致城市化过程中城市森林植物多样性降低,生态系统健康水平下降。城市化压力因素对土壤动物多样性的负面影响并不显著,各研究区的差别不大。  为分析森林变化与城市经济发展耦合度,采用环境库兹涅茨假说分析植被活力与经济发展关系,结果显示市中心蒲岗研究区林地植被活性不健康比例与广州市经济、环境政策协调曲线呈现出不完整的倒“U”型,由此推测,广州市城市发展从2005年开始达到拐点,环境总体质量趋于好转,库兹尼茨曲线正在向其倒“U”型的右半部分过渡。  基于以上研究结果,我们认为广州市城乡梯度上的次生林受到了不同程度的城市化干扰,远郊区受到的干扰最小,受到的干扰类型主要为农业开垦,该地区森林最为健康;近郊区主要受到工业活动和交通干扰,城市化活动最为复杂,该地区森林面积的变化较为剧烈,森林健康堪忧;市中心区的干扰主要来自于人口、交通、土地开发以及商业活动,该区城市化程度最高,城市森林面积较为稳定,但处于不健康和亚健康状态的森林比例最大。城市化对森林影响不会一直是负效应,通过人类积极干预如生态文明建设实施能促进景观格局优化、生态活力上升,植被、土壤稳定性变强。政府加大生态建设投入可促进森林生态系统恢复、植被自然演替。广州市进一步城市化过程中应采取保护远郊森林,调整近郊森林,修复市中心森林的相应政策,并以近郊区为调整重点,尽量优化产业化结构、减少景观破碎度、增加城市森林管理投入,以保证城市化过程的健康顺利推进。
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