北京市公园绿地树冠覆盖及其植物多样性空间变化

马杰 ，贾宝全 *，费美玉

1. 中国林业科学研究院林业研究所，北京 100091；2. 国家林业与草原局林木培育重点实验室，北京 100091；3. 国家林业与草原局城市森林研究中心，北京 100091；4. 河南科技学院，河南 新乡 453003；5. 国家林业和草原局调查规划设计院，北京 100714

城市森林可以调节城市温度（Rosenfeld et al.，1995；Wang et al.，2016；贾宝全等，2017）、吸收污染物、释放氧气、改善空气质量（Chen et al.，2008）、固碳、影响雨水径流，并为各种生物提供栖息地（Alberti，2005）。然而快速的城市化给城市森林的发展带来了巨大压力，适合树木生长的健康环境日益缩小。

城市公园是有别于其他类型城市森林的重要资源（Millward et al.，2010），作为城市森林的主体，公园拥有较大森林面积以及较为稳定的群落，相对独立的开放空间也使其成为城市中增加物种多样性的重要场所（Rivard et al.，2010）。随着城市的不断发展，公园在城市中的地位和作用也日益显著，与城市公共空间和社会生活的联系也越来越紧密，并成为一定社会政治、经济、文化的综合反映（王丹丹，2016）。为了能够对今后的公园规划或管理提出更科学的理论依据，不少学者开展了公园生物多样性、森林结构（Millward et al.，2010；Paker et al.，2014；Palliwoda et al.，2017）及生态效益（陈自新，1998；冯晓刚等，2012；段敏杰等，2017）等方面的研究，其中不乏有对首都北京的关注（Li et al.，2006；霍晓娜等，2010；赵娟娟，2009；仇宽彪，2011；仇宽彪等，2017），但对公园整体生态服务能力的研究尚少。

城市林木树冠覆盖（Urban tree canopy，简称UTC，下同）是城市森林建设的驱动力（Kenney et al.，2011），更是城市森林生态服务程度的指示器（贾宝全等，2013），对其进行研究，不仅可以衡量森林生态服务能力，为城市森林之间的比较提供资料，也可以为未来城市森林规划指明方向（姚佳等，2015）。本研究以北京市6环外1 km范围内所有注册公园为研究对象，在树冠覆盖研究的基础上，增加了对战略城市森林管理关键组成部分——物种多样性（Kenney et al.，2011）的调查，并根据北京城市特点从城市发展、空间分布、公园类型等方面进行系统分析、比较，以期为未来城市森林规划、建设提供可靠依据。

1 研究数据与研究方法

1.1 研究区概况

北京（115.7°－117.4°E，39.4°－41.6°N）地处中国第二、三阶梯的过渡地带，属于暖温带半湿润大陆性季风气候，地带性植被类型为暖温带落叶阔叶林。地形呈西北高、东南低，平原区面积约占总面积的 38%。作为世界上最大、最古老的城市之一，北京历史上不乏有积水潭、莲花池、紫竹院、陶然亭等具有公共游览功能的公共园林（王丹丹，2016），目前已注册公园有408所，其中市属公园11所（北京市园林绿化局，2018）。根据北京市园林绿化局官网统计数据，截至2017年底北京市共有公园绿地 31019.06 hm2，人均公园绿地面积16.20 m2（北京市园林绿化局，2018；北京统计局，2017）。

1.2 研究数据

1.2.1 影像数据

1.2.1.1 影像解译

基于面向对象的解译平台 Ecognition，对北京城区2013年8－9月经过几何精校正和正射校正的空间分辨率为0.5 m的WorldView-2全色与多光谱融合影像进行解译，经检验该影像的分类结果总体精度达到96.02%，Kappa系数达到0.9231。

1.2.1.2 土地覆盖分类及解译

根据宋宜昊（2016）的研究将研究区土地覆盖划分为：（1）植被，包括乔灌木、草地（经营草地、荒草地）；（2）裸土地，包括建设裸土地、其他裸土地；（3）不透水地表，包括道路、建筑物及其他不透水地表；（4）水体，包括河流水体、人工水体；（5）耕地。根据土地覆盖分类，并基于Ecognition对北京市城区影像数据，解译得到不同土地覆盖类型栅格图。

1.2.1.3 城市公园解译

参照北京市行政地图、北京园林绿化局官网登记注册公园目录，对北京市2013年7－9月0.5 m分辨率 worldview2全色与多光谱融合影像进行目视解译，得到公园矢量图（图1）。

1.2.2 物种调查

本研究于2016年8－9月对北京市六环外1 km范围（图1）内265个公园按其区域分布分层随机抽样，共抽样调查公园 77个。在整体踏勘的基础上，在每个抽样公园内典型的群落中设置样方1－3个，较大斑块设置20 m×30 m标准样方，小斑块根据其可容纳样方面积设置10 m×10 m或20 m×20 m样方，对样方内植物进行普查，记录植物种类。

1.3 计算公式及分类、分级标准

1.3.1 计算公式

1.3.1.1 林木树冠覆盖

图1 北京市六环内公园绿地及调查抽样公园分布图Fig. 1 Distribution of all and sample parks within the sixth ring road of Beijing City

根据美国林务局的定义，城市林木树冠覆盖指从树木上方垂直观察时，树木叶层、树枝、树干所覆盖的地表面积，目前一般分为现实树冠覆盖（Existing UTC，简称 EUCT）和潜在树冠覆盖（Possible UTC，简称PUCT）（贾宝全等，2013），其中EUTC指区域内部被乔灌木树冠覆盖的土地面积占区域总面积的比例，PUTC指能够被树冠覆盖、但目前尚未覆盖的地表面积占区域总面积的比例，主要包括荒草地和裸土地两部分。

1.3.1.2 物种多样性（宋永昌，2001）

物种丰富度指数（R）计算公式为：

式中，S为群落中的总物种数。

Shannon-Wiener指数（H）计算公式为：

式中，n为种的总和；i为样方中第i种物种所占的比例。

Pielou均匀度指数（J）计算公式为：

式中，H为实际观察的物种多样性指数；Hmax为最大的物种多样性指数，Hmax=lnS。

1.3.2 分级、分类标准

1.3.2.1 公园分类标准

本研究以《公园工作手册》（景长顺，2015）为主要依据，根据北京市公园的特点，基于功能（陶晓丽等，2013）将北京市六环外1 km范围内公园分为7类（表1）。

1.3.2.2 公园分级标准

根据北京市园林局《关于本市公园分级分类管理办法》，将北京市六环外1 km范围内公园按其价值高低、景观效果、规模大小、管理水平等分为三级（景长顺，2015）（表2）。

1.3.2.3 树冠覆盖分级标准

参照关于斑块粒级和树冠覆盖度等级的划分思路（马明娟，2014；吴泽民等，2003），对北京市居住区绿地树冠覆盖分级的方法，对北京市公园树冠覆盖率进行分级：以树冠覆盖率均值作为基准，上下依次加减 50%、100%、150%标准差，并取“半整”所得值作为分界点，为所得林木树冠覆盖值，而后再进行分级。最终北京市城市公园林木树冠覆盖分级为：＜43.0%（极低覆盖度），43.0%－61.5%（低覆盖度），61.5%－80.5%（中覆盖度），80.5%－89.5%（高覆盖度），＞89.5%（极高覆盖度）。

表2 北京市六环内城市公园分级及规模Table 2 Grade and size of urban parks within the sixth ring road of Beijing City

2 结果与分析

2.1 UTC变化

2.1.1 UTC总体变化

根据前期解译，北京市六环外1 m范围内共有公园265个，公园总面积15983.77 m2，平均面积60.54 m2。林木树冠覆盖总面积13019.73 m2，现实树冠覆盖率81.46%，244公园EUTC高于城市整体水平（39.53%）（宋宜昊，2016），其中西山国家森林公园最高，达98.99%。总PUTC为1.21%，经营草地占 2.01%，不透水地表占 9.02%，水体占6.30%（图2），113个公园没有水体。

树冠覆盖率从3环向外逐渐升高，到最外围达到88.23%，同时3环外的区域潜在树冠覆盖率明显高于3环内；3－4环经营草地比例最高，达5.13%；不透水地表占比沿环路由城内向城外外逐渐降低，最外围仅为5.06%；水体在3－4环（8.6%）、5－6环外1 km占比较低（3.37%）。各行政区内的公园相比较，EUTC在海淀区居首位，其次为石景山区、昌平区，最低在顺义区，仅为39.63%，顺义区草地、水体在各行政区中均占比最高；PUTC在通州区最高，其次为大兴区和昌平区，东城区、西城区、房山区3区公园PUTC值为0；经营草地在顺义区占比最高，达46.29%，而其余各区均不超过5%，西城区仅为0.19%；不透水地表在东、西城区均占比较高，最高为西城区；水体在各行政区占比最高的是西城区，其次为顺义区和通州区。在不同级别的公园中，EUTC、水体占比随着公园级别的降低而降低；经营草地、不透水地表随级别降低而增加；PUTC在二级最高，一级最低。在不同类型公园间，EUTC在森林公园最高，其次为郊野公园，较低的是现代城市公园和文化主题公园；PUTC在古迹保护公园最高，达12.24%，而其他类型公园PUTC则均在2%以下；经营草地占比在文化主题公园最高，其次是社区公园，排在末位的是森林公园和历史名园；不透水地表在现代城市公园占比最高，其次依次为文化主题公园、社区公园、古迹保护公园、历史名园、郊野公园、森林公园；水体在历史名园占比最高，其次为现代城市公园，最低的是森林公园。

表1 北京市六环内城市公园分类及规模Table 1 Classification and size of urban parks within the sixth ring road of Beijing City

图2 公园林木树冠覆盖/土地覆盖统计Fig. 2 Area and ratio of land cover in parks

2.1.2 公园树冠覆盖分级

图3 公园林木树冠覆盖等级统计Fig. 3 Levels of UTC in parks

由图3可知，北京市六环内公园以中（38.64%）、高覆盖度（21.21%）数量占优。极高覆盖度公园虽然数量不是最多（15.53%），但总面积最大（53.70%）（图3）。各环路间均以中覆盖度公园数量最多，面积占比最多的覆盖类型在2环内是低覆盖度和高覆盖度，2－5环是中覆盖度，5－6环外1 km是极高覆盖度。在数量上，顺义区、通州区极低覆盖度公园最多，昌平区极高覆盖度数量占优，其余行政区均以中覆盖度数量占比最大；从公园面积的占比来看，丰台区极低覆盖度最多，顺义区低覆盖度最多，西城区、朝阳区、房山区、大兴区中覆盖度最多，东城区、通州区高覆盖度最多，海淀区、石景山区、昌平区极高覆盖度最多。不同级别公园中，一级公园低覆盖度数量最多，极高覆盖度面积最大；二级中覆盖度数量最多，同样极高覆盖度数量最大；三级公园数量、面积均以中覆盖度最多。不同类型公园间比较，历史名园、古迹保护公园、社区公园、文化主题公园无论数量还是面积均以中覆盖度公园占比最高；郊野公园高覆盖度数量最多，极高覆盖度面积占比最大；现代城市公园中覆盖度数量最多，低覆盖度面积最大；森林公园数量和面积都以极高覆盖度占比最多。

2.2 公园植物多样性

2.2.1 物种组成特征

本研究共调查木本植物35科、64属、78种，其中乔木56种，包括常绿9种，落叶47种；灌木22种，包括常绿3种，落叶19种。植株数量最多的科、属、种分别为豆科（Leguminosae）（21.52%）、杨属（Populus）（14.66%）、毛白杨（Populus tomentosa）（13.22%）。排名前十的乔木数量优势树种依次为毛白杨、国槐（Sophora japonica）、银杏（Ginkgo biloba）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、白蜡（Fraxinus chinensis）、圆柏（Sabina chinensis）、栾树（Koelreuteria paniculata）、油松（Pinus tabuliformis）、臭椿（Ailanthus altissima）、旱柳（Salix matsudana），它们占乔木总数的79.20%。

物种数沿环路由城内向城外逐渐减少，3环内植株数量最多的科为柏科（Cupressaceae），3环外以木犀科（Oleaceae）、豆科占多数，分布最多的种由3环内的常绿针叶植物侧柏（Platycladus orientalis）、圆柏变为落叶阔叶植物白蜡、毛白杨。各行政区物种数量最多的是东城区，植株数量最多的科除昌平区是木犀科外，其余区域为豆科、柏科、杨柳科（Salicaceae）。东、西城区植株数量最多的种为侧柏，海淀区为圆柏，朝阳区为银杏，丰台区为刺槐，石景山区为毛白杨，昌平、通州区为白蜡，大兴区为国槐，其中石景山区的毛白杨应用比例最高。

公园木本植物以北京本地种为主（65种），占总种数的83.33%，其中乔木47种，占乔木总种数的83.93%，灌木18种，占灌木总种数的81.82%。各环路间3环外本地种比例均在90%以上，高于3环内（2环内为88.89%，2－3环为88.24%）；各行政区间石景山区调查树种全部为本地种，其次为丰台区（93.55%），最低的是昌平区（75%）。

2.2.2 树种应用频度

公园森林群落中应用频率最高的前 10个乔木树种依次为国槐（26.72%）、圆柏（23.71%）、油松（23.28%）、刺槐（20.69%）、白蜡（19.83%）、毛白杨（18.53%）、银杏（16.81%）、栾树（12.93%）、侧柏（10.34%）、旱柳（9.48%）。各环路高频度树种不尽相同，3环内排名首位的为常绿针叶树种圆柏，3环外则是落叶阔叶树种白蜡、刺槐，常用于城市外围的防护型树种毛白杨在3环外的频度也明显增加。在各区出现频率较高的树种有圆柏、国槐、油松、白蜡、银杏、刺槐、毛白杨，各区也有不同于其他区域的特色树种，包括东、西城区的侧柏，海淀区的旱柳，石景山区的玉兰（Magnolia denudata）、核桃（Juglans regia）、华山松（Pinus armandii），昌平、通州区的加杨，大兴区的椴树（Tilia tuan）。各区的高频树种除通州区全部为落叶树种外，其余行政区均有1种常绿针叶乔木。国槐在各环路、各行政区间频度均排在前5位。

2.2.3 物种多样性指数

北京市六环内公园绿地丰富度指数平均值为3.17，Shannon-wiener指数为 1.10，Pielou指数为0.34，3项指标均由城内向城外逐渐降低，标准差系数逐渐升高。这说明公园多样性由城内向城外逐渐减低，均匀度水平也逐渐降低，各公园对物种应用的差异性随环路逐渐增加。各行政区间的变化与环路间变化相符，处于城市内部的区多样性及均匀度均高于城市外部的区，其中城市核心区的东、西城区物种丰富度最高，昌平区、大兴区、石景山区则丰富度指数和多样性指数均较低，海淀区内各公园之间多样性差异较小，物种均匀度更高。

3 讨论

研究发现，公园面积与林木树冠覆盖是提高公园生态效益的重要因素，较大的公园面积和较高的植被覆盖不仅可以提高物种丰富度（Yang et al.，2015），还在缓解热岛效应方面效果显著（刘海轩等，2015）。斑块规模愈大，降温效果愈显著（贾宝全等，2017），而一个大景观的降温效益强于总面积相等的多个小公园的降温效益（周东颖等，2011）。北京市六环内公园面积大于30 hm2的公园有87个，总面积达14092.55 hm2，面积大于10 hm2的公园有77个，总面积达1396.17hm2，面积小于10 hm2的公园有101个，总面积为495.06 hm2。就公园面积而言，北京市六环内公园以大中型公园为主，且无论从总体覆盖度还是覆盖度分级都表现出较大树冠覆盖率，可以发挥其应有的生态效应。

然而，UTC在各个公园间还是存在较大差异的。研究表明，增加树木的树冠覆盖是减弱城市热岛效应和为建筑供暖和降温的最具成本效益的方法之一（McPherson et al.，2004；Rosenfeld et al.，1995；贾宝全等，2017），在夏季高温时段，绿地的温度随覆盖率的增加而降低，当覆盖率达到或高于60%时，其绿地才具有明显的降温增湿效果（刘娇妹等，2008）。北京市六环内EUTC大于60%的公园有202个，面积达13249.11 hm2，占公园总面积的82.89%，EUTC达91.07%。虽然有冷岛效应的公园占多数，降温效应显著（仇宽彪等，2017），但毕竟还有 63个公园未达该指标，最低值是北京龙韵国际公园，仅为6.07%，在今后的建设过程中还有待进一步改善。

UTC沿城市发展梯度由内向外逐渐递增，一方面体现了城市化进程中人们对林木生态效应重视程度的变化，另一方面则是由于城市内外公园的功能不同。城内以现代城市公园、社区公园为主，这些公园功能综合，需要为游客活动提供一定面积的铺装、草坪等空旷活动场地；而越往城外，尤其是5环、6环，多郊野公园和森林公园，这些公园以生态功能主，UTC值高，此类生态公园由林木提供的生态价值也最高，这与陶晓丽等（2013）研究结果一致。

潜在树冠覆盖是林木树冠覆盖的发展潜力所在，其对于城市森林未来建设目标的制定、地点选择、建设效益预估等方面都具有非常重要的理论和现实意义（贾宝全等，2013）。PUTC较高的公园多为一些管理较为粗放的公园类型，如郊野公园、森林公园，这在一定程度上反映了不同的经营管理措施对公园用地的影响。三环内在 20年前就已完成了城市化（葛荣凤等，2016），许多公园是由原来的皇家园林、私家园林、寺观坛庙发展而来的（王丹丹，2016），建设时间长，管理精细，园内没有能够形成潜在树冠覆盖的荒草地与裸土地，而在不同级别公园中的一级公园、不同类型公园中的历史名园，也是由于同样的原因导致PUTC较低。

森林与水体是不可分的整体，水体能促进森林绿地形成更完善的植被结构和更强大的生态功能（彭斌等，1986），林水结合的城市森林可以构建更良好的生态环境（彭镇华，2014）。城市中的水体大多集中于各类公园中，历史名园中均有水体且占比较大，皇家园林惯用“一池三山”的布局，而私家园林则追求“一勺则江湖万里”（陈从周，1997）。肖捷颖等（2015）发现，从降温效应角度规划设计公园时，水体比例应不低于 19%，北京市六环内 265个公园中水体占比大于 19%的仅有20个，113个公园没有水体，多为森林公园、郊野公园和社区公园。虽然水体面积比例较大的公园比同等条件下水体面积较小的公园降温效果好（冯晓刚，2012；仇宽彪等，2017），但作为典型的北方城市，北京公园的水体建设确实存在气候与地理条件等限制因素，水源缺乏、蒸发与下渗量大等因素都给公园管理增加了难度，建议可以适当考虑中水体在公园水景中的应用。

本研究记录到的物种数量少于赵娟娟等（2009）的调查结果，主要原因是赵娟娟采用了普查法，而本研究是典型抽样调查法，而在调查的样方中95个样方是纯林，占总样方数的40.95%，导致调查物种数偏少。公园多样性受到设计者对物种选择的意志的影响，这种意志通常侧重于美学（Turner et al.，2005；Bourne et al.，2014）与公园功能。郊野公园纯林较多，在所有调查的纯林样方中郊野公园占44.21%，物种多样性低。在建设初期，这类公园的建设目标及公园功能均有别于城市其他类型的公园，公园规划、植物配置对美学的要求不高，且后期管理也偏于粗放。但随着城市的发展，郊野公园的功能已不仅限于生态，而应成为为游客提供与自然接触、互动机会的重要场所（Dunn et al.，2010），作为北京市的第一道隔离区，提高其物种多样性有助于提高该区域的生态服务功能。

4 结论

北京市六环内公园是城市森林树冠覆盖主要贡献者，其EUTC为81.46%，远高于城市总体水平及其他各类城市森林。各公园UTC中、高覆盖度占多数，但在面积上则以极高覆盖度占比最大。郊野公园与森林公园UTC高于其他公园类型，文化主题公园和社区公园经营草地占比较高，现代城市公园不透水地表占比最高，历史名园水体占比最高。不同级别公园中 UTC、水体占比随着公园级别的降低而降低；经营草地、不透水地表占比随级别降低而增加。

本研究共记录北京市公园木本植物 35科、64属、78种，物种丰富度不高（丰富度指数3.17），多样性水平较低（Shannon-wiener指数1.10）。群落以少数物种主导，数量最多的前十种乔木占总数的79.20%，数量最多的科、属、种分别为豆科、杨属、毛白杨。各环路、各行政区植物景观有较高的相似性，国槐在各区域都有较高的分布频度。本地种无论在种数还是数量上都占主导地位，引进种以观赏类植物占多数。北京市六环内公园沿城市发展方向由城内向城外表现出规律性的梯度变化：UTC逐步增加，不透水地表比例降低，物种数、多样性、均匀度逐渐降低，且以3环为分界线，其内常绿针叶树应用频度较高，其外落叶阔叶树应用频度较高。