上海区域常见园林树种树高尺度定量预估及林冠线营造探析

2018-03-09 05:18:54
风景园林 2018年1期
关键词:树高林冠顶角

1 引言

树木高度与空间占有率不仅对光截获能力起到关键作用,还对温湿度、风速、土壤等环境特征、林下植物的组成及生长变化产生直接或间接的影响[1-2]。树高是树木体量的基本特性之一,对于植物群落外貌(如林冠线的营造)以及复层结构的构建起到关键作用[3-5]。然而,在以往种植设计过程中,多以胸径作为树木选择的重要参考指标,在植物景观立面或剖面描述与表达中,常常涉及树木的高度问题,但多是凭经验或直觉来确定树高尺度,或多是从景观效果上对树木立面进行外貌描述,难以准确预估特定胸径条件下的树高垂直生长空间。种植设计中对树高尺度变化规律的认识不足,有可能会导致植物群落层级结构不合理,不仅不能充分地利用空间与资源,同时也会影响植物群落景观外貌。因此,对树木竖向空间及高度变化规律的定量化研究将有利于深入了解园林树木生态过程的内在机制,对于估测不同类型树种在特定阶段的树冠高度以及确定垂直生长空间的需求具有重要意义。此外,不同的树种类型、规格尺度、配置形式以及立地环境等都会引起树高尺度与形态的差异与分化,主要表现在冠高、叶下高、冠形、枝条数量等方面,这也体现了园林树木应对环境变化与人为干扰的适应性与可塑性特征[2-3]。

树木胸径与树高之间存在密切关系。目前,关于树木结构各参数之间相关规律的研究多见于天然林、经济林与用材林等,主要集中在碳储量、积蓄量以及指导林业生产等方面[3,6-7]。然而,对于城市环境中树木生长结构参数间的变化规律研究并不是很多,特别是在如何指导种植设计等实际应用方面还相当欠缺[8-11]。

本文以上海地区常见的园林树种为例,针对不同胸径梯度的树种进行抽样调查,基于树种样本的实测数据,对胸径—树高的关系进行回归拟合,推测不同径级的树高尺度,并对树冠生长空间的需求进行量化与分类,为认识与掌握园林树木的生长规律、动态过程以及种植设计中的树种规格选择与群落生长空间预测提供基础数据参考。

2 研究对象与方法

2.1 研究区域及对象

上海位于东经 120°52′—122°12′,北纬30°40′—31°53′之间,属北亚热带东部季风气候,具有明显的海洋性气候特点,雨量充沛,光照充足,温和湿润,四季分明。平均气温17.6℃,日照1 885.9h,降水量1 173.4mm。地带性植被为亚热带常绿阔叶林与常绿阔叶落叶混交林。

本调查以上海地区城镇绿化常见的23种园林树木为研究对象,将所选取调查的树木样本的胸径梯度设定为10cm、16cm、22cm、28cm这4个标准,选择该梯度序列的标准主要从以下两方面原因考虑。第一,基本囊括了种植设计中常用的树种规格;第二,以胸径6cm为一个梯度,主要考虑胸径相近的情况下,树木高度的差异不能较为明确地凸显,因此,设置这个梯度,使得高度分化较为明显,也更加便于调查与测量。所选树木样本涉及上海城市、城郊、乡村等区域,包含公园绿地、街头绿地、单位附属绿地、道路绿地等绿地类型。树木样本要求生长良好且相对独立,周边竞争或干扰程度较小,树木形态结构完整。

2.2 研究方法

2.2.1 测树学调查方法

参考测树学的基本方法,对所选树木样本进行每木检尺,为保证调查数据的准确性,所有植物样本的调查采用国际通用的方法[12]。调查指标主要包括:数量(N)、胸径(Diameter at Breast Height,简称D)、树高(Tree heigh,简称H)。其中胸径采用胸径尺测定;树高采用SRC-110 型测高器结合标杆进行测定。

2.2.2 林冠线调查与分析

植物群落林冠线的变化主要取决于树木个体树冠顶角的大小以及树冠在竖向上的起伏变化。关于林冠线的研究多以定性描述为主,尚未见定量化的研究内容及结论。因此,本文创造性地提出树冠顶角的概念,其中,树冠顶角的获取,通过对树木个体立面进行拍照,并导入CAD中绘制,树冠顶端到最大冠幅处的连线所形成的角度,即作为衡量树冠顶角大小的指标。树冠的顶角开度是影响植物群落林冠线变化的重要因素之一。以胸径16cm(D16)为基准,依据不同树种的树形以及冠幅尺度(树高、叶下高、冠幅等)的实测与推导,对不同植物树冠顶角进行测定与梳理。

2.2.3 数据处理

通过绘制散点图,依据点的分布状态与趋势,并利用软件进行回归模拟,构建胸径与树高两者间的关系模型。为了进一步验证模型的适应性与代表性,随机选取实测数据,通过与模拟数据进行比较,从而检验模型的适应性。调查树木样本数据计算采用Excel(2010)软件;图形绘制、模型构建以及检验等统计分析在SPSS软件(SPSS 19.0 for Windows)中进行。

3 结果与分析

3.1 园林树种样本胸径—树高回归模型的建立

通过对所调查树种样本进行梳理,对所选取23种树种样本的胸径与树高的成对数据进行回归拟合。由图1可见,随着胸径的增加,树高也随之增大,胸径与树高之间存在正相关关系,通过对趋势线的描述与回归拟合分析,基于异速模型,利用幂函数进行模拟,回归系数在0.924以上,故各树种胸径与树高的关系拟合具有较好的模拟精度(表1)。将检验数据的胸径值代入回归方程,求得树高预测值,对树高实测值与预测值进行方差检验,结果表明,所选树木样本实测值与预测值之间在0.05水平上差异均不显著,所得回归方程可以实现对树木垂直生长空间尺度的有效预测。通过对数据的分析与模型的比较,不同类型的园林树种之间,树高尺度存在较大差异。此外,不同类型以及不同规格树种之间的叶下高差异不明显,原因可能与城市绿化树种在栽植过程中的统一截干或疏冠,造成初植定干高度一致有关。

3.2 不同种类树木树高的分类与排序

不同类型树木的树高分布反映了树冠在垂直竖向空间上的变化特征。将胸径与树高的关系模型(H=aDb)进行双对数转换,由此转换成简单的线性函数,得出1nH=1na+b1nD,其中,b值代表直线的斜率,该值大小反映直线的陡峭与平缓的程度,体现了不同种类植物树高随胸径变化程度的强弱。以胸径22cm(D22)为基准,推导出不同类型树种所对应的树高尺度大小,依据不同树木树高及斜率变化,通过聚类分析,对树高类型进行梳理与划分(图2),将其分为4种类别,每种类别中依据斜率由小到大进行排列:

第 I 类:H在7m以下(含7m)。代表树种有:杜英(0.450 2)、女贞(0.488 6);

第 II 类:H在7~9m之间。代表树种有:合欢(0.408 9)、香樟(0.462 3)、朴树(0.496 6)、榉树(0.502 3)、垂柳(0.522 2)、雪松(0.567 6);

第 III 类:H在9~11m之间。代表树种有:乌桕(0.495 1)、落羽杉(0.502 1)、梧桐(0.531 5)、无患子(0.541 9)、重阳木(0.564 6)、白玉兰(0.589 5)、枫杨(0.596 6)、黄山栾树(0.658 1)、悬铃木(0.658 9)、鹅掌楸(0.829 1)、广玉兰(0.840 9)、国槐(0.898 0);

第 IV 类:H在11m以上(含11m)。代表树种有:水杉(0.579 3)、喜树(0.673 6)、银杏(1.044 0)。

其中,单轴分枝,有明显主干的树种,按其树高由高到低排序得出:银杏、喜树、水杉、鹅掌楸、梧桐、白玉兰、广玉兰、落羽杉、雪松、杜英;合轴分枝、无明显主干的树种,按其树高由高到低排序得出:无患子、悬铃木、国槐、枫杨、黄山栾树、重阳木、乌桕、榉树、合欢、香樟、朴树、垂柳、女贞。通过比较这2种树木类型,结果表明,单轴分枝,有明显主干的树种(平均树高为10.2m),其树木平均高度高于合轴分枝、无明显主干的树种(平均树高为9.3m)。

1 样本树木不同胸径(D)梯度所对应树高(H)分布图Distribution map of tree height(H) corresponding to the gradient of diameter at breast height(D) in sample trees

3.3 树木林冠线营造的定量化分析

种植密度过大或间距不合理常常会诱发一些植物群落树冠重叠度较大,进而导致冠畸形、偏冠以及冠缺失等结构性问题的出现。植物群落内部个体树冠形态上的分化,会对植物群落整体外貌结构产生一定影响,其中,对植物群落林冠线的影响尤为明显(图3)。

林冠线的营造也是植物群落景观外貌构建中的关键环节。所谓林冠线,即树冠与天空的交际线。林冠线的变化主要由不同尺度(高度、体积等)、不同形态(塔形、柱形、球形、垂枝形等)的树冠相互交接而成。以往对植物群落林冠线的认识多出于经验或定性描述(如单调或丰富等)。通过对所取样线植物群落林冠线的梳理,尝试对林冠线进行定量化研究,主要从冠顶角与冠重叠2个方面进行解析,进而为种植设计以及群落构建过程中林冠线的营造提供参考。

3.3.1 群落林冠顶角变化的量化排序

植物群落林冠线的变化主要取决于树木个体树冠顶角的大小以及树冠在竖向上的起伏变化。通过对不同树种树冠顶角均值大小的比较与排序(由小到大进行排序),得出以下结果:

水杉(顶角:31.3°)、落羽杉(顶角:40.6°)、雪松(顶角:42.6°)、银杏(顶角:51.8°)、广玉兰(顶角:54.7°)、杜英(顶角:58.3°)、喜树(顶角:58.8°)、白玉兰(顶角:60.8°)、鹅掌楸(顶角:64.8°)、青桐(顶角:67.9°)、重阳木(顶角:73.9°)、香樟(顶角:82.8°)、朴树(顶角:85.4°)、枫杨(顶角:86.4°)、无患子(顶角:87.8°)、柳树(顶角:88.5°)、乌桕(顶角:89.9°)、女贞(顶角:90.1°)、国槐(顶角:93.3°)、悬铃木(顶角:97.3°)、栾树(顶角:99.4°)、榉树(顶角:114.0°)、合欢(顶角:115.3°)。

其中,单轴分枝、具有明显主干的树种顶角范围在31.3°~67.9°,平均值为53.2°;合轴分枝,无明显主干的树种顶角范围在73.9°~115.3°,平均值为 92.6°。由此,在植物群落林冠线的营造过程中,单轴分枝、具有明显主干的树种(如尖塔形、圆锥形等)比合轴分枝,无明显主干的树种(如卵圆形、圆形等)更有利于营造变化丰富度更大的林冠线。

3.3.2 群落林冠线变化的比较分析

为了验证研究的可行性,本文只是针对单一树种所营造的林冠线进行了解析,并未涉及多样性的树种搭配之间所产生的林冠线等相对较为复杂的问题。群落林冠线变化的丰富程度在很大程度上取决于株距与株数,这直接体现在群落树冠之间的重叠程度,从而对林冠线的形成产生影响。以胸径16cm(D16)为基准,将不同树种构成的植物群落林冠线变化设定为3个梯度,分别为树冠相接、树冠重叠25%、树冠重叠50%。由表2(Hmax指冠顶至冠幅最大部位的垂直高度,Ht为冠高,H1、H2、H3分别为树冠交接、重叠25%、重叠50%情况下所对应的冠顶至交叉部位的高度,其中,树高单位为m)分析表明,随着树冠重叠的增大,其顶角至树冠交叉处的垂直距离随之减小,植物群落林冠线的变化也逐渐趋于平缓。此外,在相同的树冠重叠情况下,不同树种类型所形成林冠线的变化也会存在明显差异(图4)。因此,在种植设计中,应根据具体需求,来确定树冠之间的重叠程度,进而对林冠线变化的营造进行合理控制。

表1 样本树木胸径(D)与树高(H)关系模型的建立(H=aDb)Tab.1 The establishment of the relationship model of the diameter at breast height(D) and the tree height (H)

2 不同种类树木树高比较与分类(胸径与树高关系的双对数转换)Comparison and classification of tree height of different species[The double logarithmic transformation of the relationship between the diameter of the diameter at breast height(D) and the tree height (H)]

4 结论与讨论

目前,种植设计以及植物群落构建过程中,由于缺乏对树木生长变化规律的认知,规格选择及配置不当等会导致树冠在尺度、形态、生理等多个方面的不良变化,不仅削弱了树木个体及群落的景观效果,也影响其生态功能的发挥[13-15]。

树高及树木垂直生长空间对于群落外貌结构(如林冠线的营造)以及复层结构的构建起到关键作用。树木高度的选配不当,常常会造成群落竖向空间的利用不充分以及林冠线变化单一等问题。因此,应根据种植设计需求,有的放矢地对所选树木类型及规格的树木树高尺度进行预估及排序,为初植效果及生长空间的预估以及动态过程的调控提供可靠的参考阈值。本文对树高及竖向空间的变化规律的总结,将有助于在植物种植设计与群落构建中更好地把握植物生长弹性空间,尽可能地缓解或避免植物群落间冠层空间的过度重叠,通过对群落竖向空间上的错落搭配,实现对群落空间的合理分配与有效利用。通过对不同类型园林树木胸径—树高关系进行研究得出,不同类型树木树高存在明显差异,不同胸径规格下的树高亦存在差异。构建适于不同类型树木的树高尺度预估模型,并将树高尺度划分为不同类型,能够相对准确地估测不同径级水平的园林树木的树高尺度,这对其生长空间的需求与组织具有指导意义。

此外,就林冠线的营造方面而言,树冠类型、树木规格、株距选择、树高分布差异等变量因素都会对林冠线的营造产生直接影响。目前,树木类型的单一化、树高分布过于均质化以及株距的均一化是造成城市园林树木群落林冠线单一的重要原因。因此,树高的选配及株距的确定成为营造丰富变化的林冠线的关键环节。

当然,作为阶段性研究成果,对未来上海区域人工智能化种植设计具有一定参考价值。但是,本文只是研究了上海地区常见的园林树种,不同地域的树木生长发育具有差异性,而城市环境的复杂性以及生境的异质性等因素也难免会对预测结果产生影响。此外,本文对林冠线的营造仅从冠型整体结构以及单一树种类型出发,相对略显粗浅,影响林冠线变化的因素还有很多,例如多样化的树种配置形式、种植密度、枝叶分布、疏密度、树冠肌理等。林冠线作为一个尺度较大的空间描述概念,在具体操作运用过程中,例如林冠线所在区域的适宜观察距离、样方群落或绿地面积尺度与林冠线高度的比例关系等方面,仍需继续完善。

表2 不同树种类型植物群落林冠线量化指标的比较Tab. 2 Comparison of quantitative index of canopy line of plant communities of different species

3 植物群落林冠线变化特征示意Changeable characteristics of canopy line in plant community3-1 香樟群落Community of Cinamomum camphora3-2 水杉群落Community of Metasequoia glyptostroboides

4 不同树冠重叠梯度下的园林树种林冠线变化比较示意Comparison of changes of canopy line of landscape tree species in different gradient of canopy overlapping

致谢:

感谢河南省生态文明城市理论及应用创新型科技团队以及可持续建成环境卓越教学团队的资助和支持。

注释:

文中图表均为王旭东自绘或自摄。因版面有限,本文未列出所有研究所记录到的样本树木不同胸径(D)梯度所对应树高(H)分布图(图1),及不同树冠重叠梯度下的园林树种林冠线变化比较示意(图4)。如有需要,请联系作者。

[1]李德志,臧润国. 森林冠层结构与功能及其时空变化研究进展[J]. 世界林业研究,2004,17(3):12-16.Li Dezhi, Zang Runguo. The research advances on the Structure and Function of Forest Canopy, as well as Their Temporal and Spatial Changes[J]. World Forestry Research,2004, 17(3): 12-16.

[2]王旭东,杨秋生,张庆费. 上海市公园绿地植物群落冠层结构定量化研究[J].中国园林,2016,33(7):74-77.Wang Xudong, Yang Qiusheng, Zhang Qingfei. Quantification of canopy structure of plant communities in the urban green space of Shanghai[J]. Chinese Landscape Architecture, 2016,33(7): 74-77.

[3]王旭东,杨秋生,张庆费. 常见园林树种树冠尺度定量化研究[J].中国园林,2016,32(10):73-77.Wang Xudong, Yang Qiusheng, Zhang Qingfei. Research on the quantification of crown sizes of common Landscape trees in the urban green space[J]. Chinese Landscape Architecture,2016, 32(10): 73-77.

[4]王旭东,杨秋生,张庆费. 城市绿地植物群落构建与调控策略探讨[J].中国园林,2016,32(1):74-77.Wang Xudong, Yang Qiusheng, Zhang Qingfei. Research on the construction of landscape plant communities and management in the urban green space[J]. Chinese Landscape Architecture, 2016, 32(1): 74-77.

[5]郭英,田朝阳,薛争争,等.植物材料体量特性定量化与植物空间营造研究—以郑州市为例[J].广东农业科学,2012,39(17):50-53. Guo Ying, Tian Chaoyang, Xue Zhengzheng, et al. Using the dimension characteristics of plant material to build plants space quantitatively in Zhengzhou city[J]. Guangdong Agricultural Sciences, 2012, 39(17): 50-53.

[6]王晓林,郭斌.柞树树高与胸径相关关系的研究[J].森林工程,2012,28(6):18-21.Wang Xiaolin, Guo Bin. Study on the correlation between height and diameter at breast height for quercus mongolica[J]. Guangdong Agricultural Sciences, 2012,28(6): 18-21.

[7]董健,田志和,王喜武,等.辽宁省日本落叶松冠幅与胸径树高和林分密度相关模型及合理经营密度的研究[J].辽宁林业科技,1995(1):28-36.Dong Jian, Tian Zhihe, Wang Xiwu, et al. Study on reasonable management of density and the related model of tree crown width, DBH and stand density of Larix kaempferi(Lamb.)Carr in Liaoning province[J]. Liaoning Forestry Science and Technology, 1995(1): 28-36.

[8]周坚华,孙天纵.三维绿色生物量的遥感模式研究与绿化环境效益估算[J].遥感学报,1995,10(3):163-174.Zhou Jianhua, Sun Tianzong. Study on remote sensing model of three-dimensional green biomass and the estimation of environmental benefits of greenery[J]. Journal of Remote Sensing, 1996, 10(3): 163-174.

[9]Pretzsch H, Biber P, Uhl E, et al. Crown size and growing space requirement of common tree species in urban centres, parks, and forests[J].Urban Forestry and Urban Greening, 2015(14): 466-479.

[10]Kim H J, Lee S H. Developing the volume models for 5 major species of street trees in Gwangju metropolitan city of Korea[J]. Urban Forestry and Urban Greening, 2016(18):53-58.

[11]Monteiro M V, Doick K J, Handley P. Allometric relationships for urban trees in Great Britain[J]. Urban Forestry and Urban Greening, 2016(19): 223-236.

[12]孟宪宇. 测树学(第二版)[M].北京:中国林业出版社,1997.Meng Xianyu. Tree survey (Second Edition)[M]. Beijing:China Forestry Press, 1997.

[13]张庆费,李燕.城市绿地调整优化理论与技术[J].园林,2011,28(3):8-11.Zhang Qingfei, Li Yan. The theory and technology of adjustment and optimization of urban green space [J].Garden, 2011, 28(3): 8-11.

[14]惠光秀,吴海萍,张庆费,等.上海浦东公路绿带意杨和香樟群落密度定量化控制[J].东北林业大学学报,2010,38(3):20-22.Hui Guangxiu, Wu Haiping, Zhang Qingfei, et al.Quantitative Control of Density of Populus deltoids and Cinnamomum camphora Communities in Pudong Highway Green Belt, Shanghai[J]. Journal of Northeast Forestry University, 2010, 38(3): 20-22.

[15]张静,张庆费,陶务安,等.上海公园绿地植物群落调查与群落景观优化调整研究[J].中国农学通报,2007,23(6):454-457.Zhang Jing, Zhang Qingfei, Tao Wuan, et al. The plant community investigation and research on community landscape optimization analysis of plants in park green space of Shanghai[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin,2007, 23(6): 454-457.

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