宝鸡市城镇(郊)陡坡及人工立面景观林树种三维绿量及生态效益研究

杨 阳，王 睿，滕青林，徐 勇，侯思皓，杨 艳，杨丹怡，王得祥*

(1.西北农林科技大学 林学院，陕西 杨陵 712100；2.西北农林科技大学 风景园林艺术学院，陕西 杨陵 712100)

随着城镇化进程的加快，人们对城市绿化植物与城市生态系统的协调统一的认知程度越来越高，对城市绿化植物选择以及生态服务功能重视程度越来越高[1]。城市绿化在人们生活中起到了非常重要的作用，城市景观林不仅提供遮阴纳凉的场所，也提供观赏效果使人们身心放松。在生态效益方面也为我们提供服务，如释放氧气、吸收二氧化碳、吸收二氧化硫、吸附PM2.5及杀菌等方面[2-8]。早期，对城市森林进行传统的绿地率、绿化覆盖率、人均绿地面积等二维绿量评价，是进行城市森林基本状况研究的重要途径。但对城市森林进行生态功能以及环境效益评价时，二维绿量显然无法满足研究需要，因此，逐步引入三维绿量这一概念。三维绿量(Living vegetation volume,LVV)，是指植物在生长过程中茎、叶所占的空间体积，是城市绿化指标体系中的第一个立体指标[9]。三位绿量作为城市森林评价的新指标，从不同植物种类、不同植物森林结构间差异等方面考虑，能更好地从城市绿地绿化布局和种类层面上评价，为城市绿地评价提供新的思路与方法[10-12]。

三维绿量研究最早由陈自新[13]提出的“模拟方程法”，到后来发展起来的“平面量模拟立体量”、“立体量推算立体量”以及“绿量快速测算模式”。几种方法都是通过对树高、胸径、冠幅、冠高及叶面积等基本二维绿量的测量，建立回归模型，选择合适的立体几何图形，建立三维绿量计算方程[5]。

目前，在城镇化过程中，国内外对三维绿量的研究主要集中在城市绿地等植物正常生长、易于计算测量的区域，但对大量裸露的陡坡以及人工立面的三维绿量，因为难于操作以及植物生长不具有典型性等原因而少有关注。本研究以陡坡及人工立面景观林植物为对象，通过实地形态特征量的测量以及“平面量模拟立体量”的方法，对护坡植物单株三维绿量及生态效益计算和评价，并建立三维绿量模拟方程及特征量回归方程，在以后类似环境条件下，可对三维绿量进行快速计算。不仅为城镇(郊)陡坡及人工立面绿化数据库建设奠定基础，还为城镇(郊)陡坡及人工立面绿化规划提供有价值的技术参数，以便城市绿化设计工作者选择绿化植物，提高绿化生态效益[12,14]。

1 研究区概况

以宝鸡市城镇(郊)陡坡及人工立面景观林树种为研究对象，研究区域包括宝鸡市市区及周边岐山县、凤翔县、麟游县、千阳县。宝鸡市位于106°18′-108°03′E，33°35′-35°06′N，地处陕、甘、宁、川4省(区)结合部，东临咸阳、杨陵示范区，南接汉中，西北与甘肃省的天水和平凉毗邻。秦岭南屏，渭水中流，关陇西阻北横，渭北沃野平原。属于暖温带半湿润气候，全年气候变化受东亚季风(包括高原季风)控制。

宝鸡市物种资源丰富，高等植物多达2 300种，分属4门184科647属。研究区的主要树种有白皮松(Pinusbungeana)五角枫(Acermono)、火炬树(Rhustyphina)、山桃(Amygdalusdavidiana)、紫叶李(Prunuscerasifera)、侧柏(Platycladusorientalis)、酸枣(Ziziphusjujubavar.spinosa)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、胶东卫矛(Euonymuskiautschoicus)、迎春(Jasminumnudiflorum)、裂叶丁香(Syringalaciniata)、苦皮藤(Celastrusangulatus)、西府海棠(Malusmicromalus)、银杏(Ginkgoblioba)、红豆杉(Taxuschinensis)等。

宝鸡市城镇(郊)陡坡及人工立面植被以自然乡土植被为主，人工种植为辅，在绿化模式上主要采取“乔+灌”相结合的模式。研究区域内，景观林树种为人工种植纯林。其中，树龄5 a的有火炬树、侧柏及迎春，6 a为五角枫和山桃，7 a的为紫叶李，8 a为紫穗槐及胶东卫矛，10 a为酸枣、裂叶丁香及苦皮藤。

2 研究方法

2.1 实地调查测量法

于2016年7-8月，对每种乔木随机抽样法选取50株左右进行高度(树高及冠高)、胸径、冠幅、冠形等指标测定。对于密栽灌木及藤本通过随机抽样进行物种面积、每平方米株数或丛数以及高度的测量。

2.2 三维绿量计算方法

目前，三维绿量的计算主要采用“立体摄影测量”和“平面量模拟立体量”2种方法。由于“平面量模拟立体量”的方法精度较高，因此多采用此方法。这种方法借鉴上海市绿化三维绿量遥感调查所得结果，计算的相对误差一般≤7%[15](表1)。

表1 三维绿量计算公式Table 1 Calculation formula of LVV

注：x—冠幅(m)，y—冠高(m)；成片灌木、草本植物绿量计算公式：绿量=面积×平均高度。

2.3 三维绿量回归方程及曲线变化规律

通过相关文献可知[15]，单株树木的树高、胸径、冠幅、冠高等形态特征量可与三维绿量建立模拟方程，通过方程得到适合当地环境的三维绿量值。常用的参考方程主要有：直线方程y=a+bx、逻辑斯蒂方程Y=1(1/a+bcx)、修正后的逻辑斯蒂方程Y=1/(a+be-cx)、复合曲线方程Y=abx、复合比级数曲线方程y=ea+bx、对数方程y=a+blnx、三次方y=a+bx+cx2+dx3、S形曲线方程y=ea+b/x、乘幂曲线方程y=axb、反比例函数方程y=a+b/x、二次方程y=a+bx+cx2、指数方程y=aebx[16]。

通过SPSS17.0分析树高、冠高、冠幅、胸径等形态特征量与三维绿量相关性，二者在α=0.05或0.01水平下，双尾T检验显著性概率趋近于0，对应的判定系数0.8

2.4 生态效益的计算

应用三维绿量转换生态效益的公式，估算每个树种年固碳释氧量、年吸收二氧化硫量、年滞尘量、夏季日蒸腾量，从这4个方面对景观林树种进行生态效益评价[15,18](表2)。

表2 基于绿量的绿化环境效益标准换算量Table 2 LVV based standard conversion of green space environmental benefits

注:来源于“上海市绿化三维绿量遥感调查”。

3 结果与分析

3.1 陡坡及人工立面景观林树种

研究区域内陡坡及人工立面所有景观林树种进行调查，优势树种包括五角枫、火炬树、山桃、紫叶李、侧柏、酸枣、紫穗槐、胶东卫矛、迎春、裂叶丁香、苦皮藤等11种乔灌木。

经过实地调查统计，宝鸡市城镇(郊)陡坡及人工立面常用护坡植物有11种植物，分属8科11属，其中乔木4种(落叶3种，常绿1种)，灌木及藤本7种(落叶5种，常绿2种)。其中，台地及0°～20°的坡面优势种为：侧柏、火炬树、紫叶李、五角枫；20°～40°的坡面优势种为：酸枣、裂叶丁香、紫穗槐、苦皮藤、山桃；40°以上的坡面优势种主要有：胶东卫矛、迎春。

3.2 11种景观林树种单株三维绿量

由表3可以看出，11种护坡景观林树种现阶段单株植物平均三维绿量由大到小依次为：山桃(6.486)>裂叶丁香(5.272)>侧柏(3.349)>苦皮藤(2.511)>紫穗槐(2.049)>胶东卫矛(1.755)>五角枫(1.148)>火炬树(1.222)>酸枣(1.051)>迎春(0.823)>紫叶李(0.467)。其中，山桃的单株平均三维绿量最大为6.486 m3，紫叶李平均三维绿量最小为0.467 m3·株-1。

3.3 7种单株景观林树种三维绿量回归模型方程建立及曲线变化规律

由表4、图1可知，7种护坡景观林树种相关性系数0.8LVV酸枣；同为半球形树冠LVV五角枫>LVV火炬树。

而本研究以三维绿量最小单位单株考虑，每种植物的单株三维绿量有最小值，没有最大值。7种植物三维绿量最小值大小依次为：LVV紫穗槐>LVV山桃>LVV侧柏>LVV五角枫>LVV火炬树>LVV紫叶李>LVV酸枣。

表3 不同景观林树种单株三维绿量值Table 3 The LVV of single plant of the 11 landscaping tree species m3·株-1

表4 7种景观林树种单株三维绿量模型Table 4 The LVV model of 7 landscape tree species

3.4 单株护坡景观林生态效益

通过表2进行换算，得出不同树种单株三维绿量生态效益(表5)。

不同护坡植物绿期长短不同。因此，在固碳释氧、吸收SO2以及年滞尘量上存在一定差异。由表5可知，护坡景观林树种单株年固碳释氧量由大到小依次为：山桃>侧柏>裂叶丁香>胶东卫矛>苦皮藤>紫穗槐>五角枫>火炬树>酸枣>迎春>紫叶李。其中，山桃年固碳、年释氧量最大，分别是16.993 kg·株-1和12.323 kg·株-1；紫叶李年固碳释氧量最小，分别为1.224 kg·a-1·株-1和0.888 kg·a-1·株-1。侧柏和胶东卫矛属于常绿植物，单株三维绿量中裂叶丁香>侧柏，苦皮藤>胶东卫矛，换算后固碳释氧量侧柏>裂叶丁香，胶东卫矛>苦皮藤。

年吸收SO2量和年滞尘量与单株三维绿量呈正相关，因此，年吸收SO2与年滞尘量的大小依次为：山桃>裂叶丁香>侧柏>苦皮藤>紫穗槐>胶东卫矛>五角枫>火炬树>酸枣>迎春>紫叶李。其中，山桃最大，其单株年吸收SO2量与年滞尘量分别为：0.020 kg和0.004 kg；紫叶李最小，其单株年吸收SO2量与年滞尘量分别为：0.001 kg和0.000 kg。

表5 渭北台塬陡坡及人工立面各树种单株生态效益计算结果表Table 5 Calculation results of ecological benefits per plant of langscaping tree species growing on the steep slope and artificial elevation in Baoji municipality

注:a.紫叶李，b.侧柏，c.火炬树，d.山桃，e.五角枫，f.酸枣，g.紫穗槐。

4 结论与讨论

本试验通过对11种陡坡立地及人工立面植物二维绿量指标的测定，使用“平面量模拟立体”的方法，根据不同树冠形状，计算出不同景观林树种单株三维绿量。其平均单株三维绿量大小：山桃>裂叶丁香>侧柏>苦皮藤>紫穗槐>胶东卫矛>五角枫>火炬树>酸枣>迎春>紫叶李。

通过对7种景观林树种单株植物三维绿量回归模型方程建立及曲线变化规律研究，随着自变量树高、冠幅及冠高的上升呈上升趋势。所得三维绿量回归模型方程适用于类似地区，对自变量进行测定后，可直接应用三维绿量回归模型方程进行计算，获取当地树种三维绿量。

通过对景观林树种三维绿量转换生态效益进行比较，发现景观林树种年固碳释氧量、吸收SO2量以及滞尘量与三维绿量呈正相关，生态效益较高的景观林树种既有常绿树种也有落叶树种。虽然常绿树种绿期长，但冠形及三维绿量<落叶树种。因此，出现落叶树种生态效益>常绿树种。有些灌木由于冠形及三维绿量>乔木树种，也会出现灌木生态效益>乔木的情况。因此，在进行护坡景观树种选择时要注意常绿树种与落叶树种的比例以及乔木与灌木的配置比例。

通过对渭北台塬陡坡及人工立面景观林三维绿量方程的研究，可以应用于环境相似的地区，得到相似条件下景观林树种三维绿量值，可为城市林业绿化数据奠定基础，为陡坡及人工立面绿化设计提供技术参数。既提高了生态效益也具有观赏的美学效果，为环境友好型城镇景观林的目标进一步努力。

本试验未对叶面积指数(LAI)进行测定以及未找到适合对密植灌木及藤本曲线拟合和三维绿量方程建立的方法。在对三维绿量进行生态效益的换算时，不同落叶植物的绿期长短也存在一定差异，植物自身树龄及内部生理变化、外部枝叶分布及叶片结构都影响树种的生态效益，但是转换公式没有将其考虑在内，这是本试验存在的不足。本研究针对单株植物三维绿量进行研究，对于城市植物群落等大尺度范围下三维绿量测定，建议结合遥感技术进行测量。

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