北京的北部城市森林树冠覆盖特征1)

姚佳 贾宝全 王成 张昶 杜万光 蒙宽宏

(中国林业科学研究院林业研究所，北京，100091) (黑龙江省林业科学研究院林业研究所)

责任编辑:张 玉。

人类活动正以前所未有的广度和深度影响着城市土地利用结构和森林景观格局，城市生态系统受到破坏，人居环境不断恶化。人们在寻求解决方法时，逐渐认识到城市森林对改善生态环境的作用，而城市森林建设是依靠增加林木树冠覆盖的需求来驱动的［1］。20 世纪60年代，欧美国家开始把树冠覆盖率作为评价、规划、监测城市森林的核心指标，美国已于2001年建立了全国城市林木树冠覆盖数据库［2-4］。相比于发达国家，我国林业部门和园林部门对城市森林的评价，始终停留在绿地率、人均绿地面积等单纯描述绿地面积的指标［2］，对绿地质量和空间利用率的重视程度不够。因此，开展城市森林树冠覆盖率的研究，不但为我国与国外城市森林现状进行比较提供资料，而且为未来城市森林规划指明方向，对城市生态环境建设具有重大意义。

我国借用遥感技术和景观生态学相关理论，陆续开展了城市森林树冠覆盖率研究［5-9］，普遍应用梯度分析与景观指数相结合的方法，分析城市不同区域、不同类型用地树冠覆盖率的变化，但研究范围多集中于城市建成区，缺乏对"城-郊"完整梯度带的研究。本研究通过量化北京的北部不同用地类型树冠覆盖面积，明确区域树冠覆盖斑块构成特征、不同面积等级斑块分布现状、城市潜在树冠覆盖发展力，探究城市化进程对"城-郊"连续带树冠覆盖斑块分布产生的影响。

1 研究方法

北京城市结构呈现明显中轴对称的格局，《北京城市总体规划2004—2020年》中明确提出，南北中轴线是城市空间重点发展方向;因此，本文研究范围选择北部中轴线，长约28 km，宽为5 km，总面积139.36 km2，南起长安街，中跨奥林匹克公园，北至官牛坊村，为典型的城区-郊区连续变化带。

数据来源于北京市2013年8月worldview 全色与多光谱融合影像，分辨率为0.5 m，影像是利用447 个地面点做几何矫正而得到的四级产品，范围为北京市六环路外1 km 内区域。

树冠覆盖斑块的提取:根据美国农业部林务局的定义，城市林木树冠覆盖指的是，当从树木上面垂直观察时，树木叶层、树枝、树干所覆盖的地表面积［2］。本研究树冠覆盖斑块包括各类用地中的乔木斑块、灌木斑块。提取方法:在ArcGis10.2 平台下，利用“编辑器”中的“裁剪”功能，将高分辨卫星影像中所有用地进行人工剪切，对照土地利用分类系统表(见表1)，逐一赋予每个剪切后的斑块属性代码，导出不同用地的乔木斑块、灌木斑块图层，在excel 中统计斑块面积、数量。

林木树冠覆盖分类方法:国内外对树冠覆盖的分类没有统一标准［3］。本文参考我国 GB/T 21010—2007《土地利用现状分类》［10］、GJJ/T 85—2002《城市绿地分类标准》［11］，结合高分辨率影像特征，将研究区土地分为9 个一级地类;依据植被生活型，将一级地类再分成18 个二级地类(见表1)。其中:公共绿地、居住区绿地、单位绿地、道路绿地，是包含树冠覆盖斑块的用地，在分析树冠覆盖斑块特性时，只考虑这4 类用地;城市建设用地、农用地、水体、临时用地，为不包含树冠覆盖斑块的用地，不在树冠覆盖相关分析之中;未利用闲置地，为不稳定绿地，不在现实树冠覆盖分析范围之内，只出现在潜在树冠覆盖分析内容之中。

表1 北京市的北部研究区土地利用分类系统

树冠覆盖斑块等级划分:借鉴吴泽民等［5］对合肥市城市森林斑块等级分类方法，结合研究区树冠覆盖斑块面积现状，将树冠覆盖斑块面积分4 个等级，即小斑块(0≤斑块面积≤0.1 hm2)、中斑块(0.1＜斑块面积≤0.5 hm2)、大斑块(0.5 ＜斑块面积≤1.0 hm2)、特大斑块(斑块面积＞1.0 hm2)。

树冠覆盖贡献:是指某用地树冠覆盖率与该用地所占面积比例之差;差值越大，说明该用地树冠覆盖贡献越大。

潜在树冠覆盖提取:潜在树冠覆盖，是指可以被用来栽植树木但目前尚未种植的、可增加树冠覆盖的土地总量，包括所有裸地、草地等有开发潜力的土地［2］。本研究提取公共绿地、居住绿地、单位绿地、道路绿地、未利用闲置地中草地、裸地的斑块矢量图，通过统计斑块的数量、面积，计算树冠覆盖潜在发展力。

2 结果与分析

2.1 研究区土地利用特征

研究区总面积13 935.73 hm2，林木树冠覆盖面积3 271.22 hm2。9 类用地中城市建设用地面积最大，其次为公共绿地、居住区绿地，面积最小的是单位绿地。大型绿地斑块多集中于4～6 环内的奥林比克森林公园，农用地多位于5～6 环路的远郊地区，水体多分布于南部老城区内。

北京作为文化古都，具有独特的城市规划格局，因此，从老城区到郊区，各类土地利用表现出鲜明的差别。2 环路内，由于存在大量皇家园林，公共绿地(19.43%)和水体(5.72%)面积比例较大，居住绿地(1.82%)和单位绿地(0.43%)面积十分有限，但居住绿地内树冠覆盖率较高(70.52%);说明老城区人居环境非常好，大量古树老树长势优良，依旧可以发挥生态效益。2～3 环路，是新中国成立初期形成的居住片区，政府启动大量基础设施建设项目;在这个范围内，公共绿地(17.86%)、居住绿地(10.71%)和道路绿地(7.36%)比例较大，树冠覆盖率比较高。3～6 环路，是近20 a 快速发展的居住片区，表现出鲜明的城郊过渡带特征。随着距离市中心越来越远，城市建设用地、居住区绿地、单位绿地、道路绿地土地占用比例急剧下降，未利用闲置地比例上升，城市边缘出现农用地，公共绿地面积虽然增加但内部树冠覆盖率减少(见表2)。

不同环路之间树冠覆盖率变化略有起伏。老城区虽然有多处公园，但整体树冠覆盖率并不高;4～5环路，因出现了奥林匹克公园，该区域树冠覆盖率急增到28.57%;5～6 环路，为远离市中心的城郊区域，虽然绿地面积大，但内部乔木生长时间短，无法形成连续的树冠覆盖斑块，树冠覆盖率跌到21.47%(见表2)。

表2 北京市的北部研究区土地利用面积和树冠覆盖率统计

2.2 研究区林木树冠覆盖特征

2.2.1 4 类绿地林木树冠覆盖斑块构成

由表3可见:4 类绿地均是乔木树冠覆盖斑块总面积占绝对优势，说明城市(北京)绿地是以乔木为主的森林景观，绿地空间利用比较充分。从树冠覆盖斑块数量和平均面积分析，公共绿地拥有最多的树冠覆盖斑块数和最大的平均斑块面积，分别为23 709 块和0.11 hm2;单位绿地树冠覆盖斑块数量最少(1 150 块)，且平均斑块面积(最小的为0.02 hm2)较小。这说明，不同类型树冠覆盖斑块受用地性质的影响。公共绿地是城市中的公共绿色空间，用地面积大，因此斑块数量多且平均面积大;以行政办公为主要功能的单位绿地，植物景观多以点缀的形式出现，导致斑块数量少，且平均面积最小。

表3 北京市的北部研究区树冠覆盖斑块构成

2.2.2 4 类绿地林木树冠覆盖斑块贡献差异

由表4可见:各环路内不同绿地类型林木树冠覆盖，对研究区树冠覆盖的贡献不同。与拥有的土地占有量相比，道路绿地对整体树冠覆盖贡献最大，道路绿地在2～6 环路，分别以0.85%、0.58%、0.36%、0.36%、1.09% 的土地占有比例，贡 献了0.83%、0.54%、0.33%、0.28%、0.94%的树冠覆盖率;这是由于道路绿地是以阔叶乔木为主的纯林地，内部没有任何硬质景观，人为干扰小，已经形成树冠覆盖率高的生态廊道，因此对整体的树冠覆盖贡献最大。公共绿地，是林木树冠覆盖斑块主要集中区域，对整体的树冠贡献也较高。但4～6 环，树冠覆盖率与土地占有比例之间的差距逐渐变大，原因:首先是城市森林建设“只求量大、不求质好”的通病［2］，绿地内乔木数量不够或者生长周期短，对绿地垂直空间利用率不高，不能形成连续的树冠覆盖斑块;其次是绿地内硬质景观过多，且植被缺乏养护，导致人为干扰强烈，绿地中出现大面积裸地;这种现象也反映出城郊地区是未来林木树冠覆盖率提升的重点区域，应采取增加速生乔木植物数量、减少草地面积、提高树冠覆盖斑块连通性等措施，使有限绿地发挥更大的生态效益。居住绿地和单位绿地，受开发成本、场地条件、功能性质等多重因素的限制，导致内部乔木斑块面积较小，对整体的树冠覆盖贡献都很低。

2.2.3 4 类绿地林木树冠覆盖斑块等级

经统计，研究区共有小斑块42 277 个、中斑块3 925 个、大斑块464 个、特大斑块415 个。由表5可见:树冠覆盖斑块面积构成，以特大型斑块为主，占总斑块面积的43.28%;其他依次为中斑块、小斑块和大斑块，分别占总斑块面积的23.93%、23.08%和9.71%。2 环路以内，是小斑块覆盖面积占绝对优势的景观格局，2 环路以外均是特大斑块覆盖面积占优势，这说明老城区绿地分布分散、破碎度较高。从斑块数量分布看，各环路均是以小斑块数量居多，4～5 环内，因为出现奥体公园，特大斑块数量首次多于大斑块数量。从市中心到城市边缘，随着城市化影响力减弱，各级别斑块面积和数量逐步增加;呈现出城市郊区各等级绿地斑块占有面积和数量，远远大于其他区域的现象。

表4 北京市的北部研究区4 类绿地林木树冠覆盖贡献统计

表5 北京市的北部研究区树冠覆盖斑块等级构成

2.3 研究区潜在树冠覆盖特征

潜在树冠覆盖是城市森林发展的潜力指标，主要用于定量未来可增加的树冠覆盖面积和确定城市森林建设地点。由表6可见:研究区潜在树冠覆盖面积为1 966.67 hm2，其中草地1 636.35 hm2、裸地330.32 hm2，可提高树冠覆盖率14.11%，能达到的最大树冠覆盖率为37.58%。但考虑满足植物群落美景度，应适当保留一定面积空地。根据Haber W.的细分土地利用系统［12］，每一土地类型至少应保持10%的空地面积，则研究区潜在树冠覆盖面积为1 770 hm2，总体树冠覆盖率达36.17%。

各环路潜在树冠覆盖率与现实树冠覆盖率(表2)变化一致，从中心城区到郊区，均呈现增长的趋势。说明城市化水平高的老城区土地利用已近饱和，很难有空间新建绿地，生态环境提升改造空间有限;4～6 环路的城市郊区，可开发树冠覆盖斑块潜力较大，可开发树冠覆盖面积为1 844.7 hm2，占总潜力面积的93.79%，其中公共绿地和居住绿地可开发比例为49.08%和10.78%，是未来建设提高城市森林树冠覆盖面积的重点绿地。

表6 北京市北部研究区潜在树冠覆盖斑块统计表

3 结论与讨论

(1)研究区树冠覆盖率为23.47%，属于中等覆盖水平(20%≤树冠覆盖率≤49%)，高于广州中心区(19.5%)［6］、上海浦西建成区(22.89%)［8］、上海浦东建成区(10.27%)［7］，略低于厦门中心区(25.71%)［9］，这与研究范围不同有关。研究区属于北京北部中轴线，是城市发展主要方向，承接许多城市重点建设项目，奥体公园的存在也带动了周边森林质量的提升，因此，研究区树冠覆盖率大于广州、上海等南方城市;若把研究范围扩大到6 环内整个平原区，则整体树冠覆盖率会大大降低。此外，厦门市中心区，因大量种植乔木而使树冠覆盖率较高;这也表明，在生态用地有限的情况下，种植树冠开展的乔木是提高区域树冠覆盖率的有效手段。

(2)由于不同城市、不同地区、不同土地类型的林木树冠覆盖，受气候、地形、经济发展等方面影响，各自区域内树冠覆盖率存在很大差异，因此，对不同绿地类型设置理想树冠覆盖率标准非常困难。2002年，美国森林组织根据土地利用状况，初步确定了不同功能区的林木树冠覆盖目标，指出市区和工业区、居住区和轻度商业区、远郊居住区，理想树冠覆盖率分别为15%，25%、50%［4］。与此参考指标相比，研究区5～6 环远郊居住绿地，树冠覆盖率为42.62%，远没有达到50%的标准;因此，未来的城市森林建设依旧任重道远。

(3)与上海、广州一样，研究带树冠覆盖斑块呈现出特大斑块面积大的数量少、小斑块面积小的数量多的特征。散落在老城区内的小面积独立木，作为历史文化林见证了古城的衰落兴亡，是体现城市森林文化内涵的重要载体，是城区重点保护对象。居住绿地和单位绿地，虽然树冠覆盖面积小，但却是与人居环境联系最密切的绿地，因此，在植物配置上，应选择有利于人体保健作用的乔木、观赏性强的花灌木，把绿地打造成有利于提高城市森林美景度的生态保健林。

(4)5～6 环路，大斑块的数量和面积骤然增加，这一方面，是因为城市化水平减弱，城镇用地面积变小，生态用地面积增大;另一方面，说明北京市在平原区实施的大环境绿化系列工程效果显著。研究区样带，涉及平原造林工程中温榆河绿色通道绿化工程、5～6 环路外1 km 的第二道绿化隔离地区绿化工程［13］，这2 个工程的实施加快了城市郊区森林环境的发展步伐，保证了大斑块绿地的健康发展。有研究表明，规模大于3 hm2且绿化覆盖达到60%以上的集中绿地，在城市中形成以绿地为中心的低温地区，这些地区成为人们户外活动的最优良场所［14］。由此可见，这些大斑块有非常重要的生态价值和社会价值，它们为城市生物多样性保护、调节区域小气候、稳定城市生态系统、丰富城市生活具有重大意义。

(5)研究区各环路内森林斑块空间分布不均衡，树冠覆盖率变化较大，城市中心区和远郊区树冠覆盖率低，城市和郊区过渡地带树冠覆盖率比较稳定。在未来的城市森林建设中，对于现实和潜在树冠覆盖都低的2 环内中心区，以调整土地利用结构、见缝插绿、拆房建绿为主;对现实树冠覆盖率低，而潜在树冠覆盖率高的5 环外远郊区，以增加绿地斑块面积、提高乔木数量、加强绿地管理与养护为主;对现实覆盖率高，而潜在覆盖率低的3～5 环路区域，以保护现有绿地、增加森林斑块连通度为主，种植速生、叶茂的高大乔木，以达到提升空间利用率的目的。

(6)通过潜在树冠覆盖分析发现，研究区公共绿地中裸地面积较大，这与人为干扰大、植被缺乏养护管理有关。有研究表明，位于自然森林区的城市，树冠覆盖率可达到31%;草原区的城市，树冠覆盖率为19%;荒漠区城市，树冠覆盖率为10%［15］。这说明，区域整体生态环境，对城市整体树冠覆盖率的影响较大。因此，对研究区未来城市森林建设，应通过增强林地养护管理和调整土地利用格局的方法，达到促进大型树冠覆盖斑块面积的增长、缓解城市热岛效应和营造适宜区域小气候的目的。

(7)全泉［16］对北京市城乡景观格局梯度研究、何春阳［17］对北京城市化过程研究均表明，北京城市发展向北比向南的趋势更剧烈。本研究区正处于城市发展最迅速的北部中轴线，从表2也可看出，城市化从城市中心区向郊区发展的趋势;而奥林匹克森林公园的出现，有效阻止了城市向郊区无限扩张，森林公园成为近郊区和远郊区的分水岭;5～6 环内城市建设用地面积比例迅速下降，城市化水平显著降低。因此，在未来城市规划中，应增加居住片区之间的大型森林斑块连接度，用连贯成片的树冠覆盖斑块减缓城市扩张的速度。

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