北京城区医院绿地林木树冠覆盖与城市森林结构分析

李晓婷,刘 佳,姜莎莎,贾宝全,*

1 中国林业科学研究院林业研究所,北京 100091 2 国家林业和草原局林木培育重点实验室,北京 100091 3 国家林业和草原局城市森林研究中心,北京 100091

城市森林可以通过提供良好的生态环境服务功能,改善居民生存的城市生态环境和物质供给,促进人体健康；还可以通过对人体生理、心理特征和活动的影响,进而调节居民健康状况。以居民健康为导向的城市森林建设能够满足居民日益增长的对生态健康的需求,同时也是增进民生福祉、协调城市人居关系的重要手段[1]。医院是城市人流最聚集,生态健康需求最迫切的地区之一,国外有关绿地与人体健康关系方面的研究有很多——孕妇长期暴露在较高绿量的环境中可以降低早产的风险[2]；绿地的增加可以有效的降低心脏病、高血压、糖尿病以及心脑血管病等的患病率[3-5]；合理的医院绿地设置可以改善临床效果,缩短病人的住院时间[6]；绿地,尤其是绿地中的森林群落可以有效降低心源性猝死等等[7],大部分结论均表明绿地对人体健康有极显著的促进作用,因此,建设好医院城市森林不仅可以改善医院生态环境,还可以发挥医院附属绿地的辅助疗养功能。国内有关医院绿地的研究有很多,但主要集中在医院户外环境景观设计、景观评价体系的构建以及植物运用的探讨方面,且大部分研究基于的样本量较少,只能反映个体层面特征,缺乏区域代表性[8-11]。本论文将医院中的城市森林作为研究主体,并引入林木树冠覆盖指标,对北京市六环外1km范围以内的二级医院以及三级医院进行全面分析,并结合城市森林结构抽样调查,对北京城区医院城市森林的现状水平进行有效评价,以期为后期北京城区医院城市森林的建设提供依据并为其他城市医院城市森林的建设提供参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

北京(东经115.7°—117.4°,北纬39.4°—41.6°)地处华北大平原的北部,整体地势西北高东南低,全境由平原、山地和盆地三种地形单元组成。典型的暖温带半湿润大陆性季风气候,年均气温12.3℃,年均降水量400—600mm。地带性植被类型主要是温带落叶阔叶林。截止到2016年末,北京市共有卫生机构10637个,卫生技术人员数26.5 ×104人,卫生总费用达1837.85亿元,其中政府卫生支出445.81亿元,社会卫生支出1069.88亿元,个人卫生支出319.07亿元。在卫生部颁布的《医院分级管理办法》中将医院按照其功能、任务不同划分为一、二、三个等级。

一级医院：病床数≤100张,直接向一定人口的社区提供预防、医疗保健以及康复服务的基层医院、卫生院。

二级医院：100张<病床数≤500张,向多个社区提供综合医疗卫生服务和承担一定教学、科研任务的地区性医院

三级医院：病床数>500张,向几个地区提供高水平专科性医疗卫生服务和执行高等教育、科研任务的地区性医院。

由于一级医院选址较为灵活,所处地理位置条件复杂多样,很难划为同一研究类型,而且医院面积相对有限,户外绿地面积占比更少,因此不在本次调查研究范围之内。

图1 研究区概况图Fig.1 Survey map of research area

1.2 数据来源

本文所采用的数据源主要包括：(1)北京市六环外1km以内范围的2013年8—9月份经过几何精校正、正射校正和大气校正的分辨率为0.5m的World View-2全色与多光谱融合影像；(2)基于面向对象解译平台eCognition解译得到的2013年北京城区树冠覆盖栅格与矢量图[12],在ArcGIS平台下,采取全取与系统相结合的样点抽取方法,即对于斑块个数超过1000的土地覆盖类别,采用系统抽样方法,在每种地物类别之下,按照斑块数量的5%布设样点进行分类精度检验；对于斑块数目低于1000的土地覆盖类别,则将该地物类别全部进行分类精度检验,通过目视解译方法对各样点进行检查,对比统计参考分类结果与影像分类结果生成混淆矩阵,计算分类精度。最终检验样点个数为35327,检验分类结果总体精度为96.02%,Kappa系数为0.9231；(3)在Arcgis10.0平台下,以北京市基础地理信息数据库下载的2016年医院分布点状图为指导,以World View-2影像为基础,结合实地勘察,目视解译得到的北京市六环外1km以内范围的全部二级医院和三级医院的边界矢量图层,医院总数量128个,二级医院73个,三级医院55个。

1.3 研究方法

1.3.1林木树冠覆盖

城市林木树冠覆盖(Urban Tree Canopy,UTC)是指当从空中鸟瞰时,树木的叶片、枝条和树干所覆盖的地表区域[13]。它是目前国际上最通用的城市森林建设与评价指标,目前一般将其分为现实林木树冠覆盖(Existing UTC,EUTC)和潜在林木树冠覆盖(Possible UTC,PUTC)两类。EUTC是指现状情况下林木树冠覆盖的土地面积占区域总面积的百分比,用于衡量研究区域内林木树冠覆盖的总量信息；PUTC指的是可以用于种植树木但目前还未实施种植的土地区域,一般指裸土地和草地,该指标能够很好的指示后期可用于生态开发和建设的空间规模。

本文参照宋宜昊[12]对土地覆盖的分类方法,将土地覆盖划分为6个一级分类,13个二级分类,从医院总体和不同级别医院间的对比进行UTC分析,并按照北京市环路以及行政区界线对北京城区医院林木树冠覆盖的空间分布进行统计和评价,二环内、二环—三环、三环—四环、四环—五环、五环—六环外1km内分布的医院数量分别为：31个、27个、18个、14个、38个；本次研究范围涉及的较完整的行政区共有东城区、西城区、朝阳区、石景山区、丰台区和海淀区6个,分布的医院数量分别为18个、25个、20个、8个、23个、20个,并借助人口城市化水平指数(PU)来探究各行政区林木树冠覆盖值与城市化水平之间的关系；树冠覆盖分级的划分参照刘秀萍[14]的确定方法：以树冠覆盖率均值作为基准,上下依次加减0.5、1、1.5倍标准差精准估算取“半整”所得值作为分界点为所得林木树冠覆盖值进行分级。最终医院林木树冠覆盖分级为：<3.5%(极低覆盖度),3.5%—9.0%(低覆盖度),9.0%—19.0%(中覆盖度),19.0%—24.5%(高覆盖度),>24.5%(极高覆盖度)。

PU=U/P×100% (其中U为城镇人口数,P为总人口数)

EUTC=乔灌木树冠覆盖面积/区域总面积×100%

PUTC=(草地面积+裸土地面积)/区域总面积×100%

图2 北京城区全部医院与选点分布图Fig.2 The distribution of all and Sample hospitals in Beijing urban area

1.3.2城市森林群落结构

在Arcgis10.0平台下,利用空间分层随机抽样法,从128个医院抽样20%作为野外调查样本,并根据空间分布均衡的原则对随机抽样结果进行人为调整,最终样本量共计27个,其中二级医院13个,三级医院14个(图2)；对有一定绿化面积的医院采取标准样方调查,样方大小为20m×20m,样方数量视医院整体绿化面积而定,总体在1—4个之间,样方位置设置在每个医院植物配置具有代表性的绿地地点,最终采取抽样调查的医院共计13个,调查样方数44个,调查内容包括乔木层以及灌木层树种的名称、数量、胸径(地径)、树高、冠幅；对绿地面积不能满足样地调查的医院,采取全面调查,对医院内部所有乔木和灌木进行每木检尺,采取全面调查的医院共计14个,其中80%以上是二级医院。最终以调查数据为依托,分析城市森林群落组成结构(科属种组成、应用频度、重要值)与空间结构(密度、径级结构、冠幅结构、树高结构),并参照吴泽民等[15]的对胸径、树高、冠幅等级划分方法,对医院城市森林空间结构进行深入分析。

应用频度=树种出现的样方数/总样方数

重要值(%)=(相对多度+相对高度+相对显著度)/3

①相对多度(%)=某个种的总株数/所有种的总株数×100%

②相对高度(%)=某个种个体高度之和/所有种个体高度之和×100%

③相对显著度(%)=某个种的胸高断面积之和/所有种的胸高断面积之和×100%

表1 胸径、冠幅、树高等级描述Table 1 The list of hospital area sample selection in Beijing city

2 研究结果

2.1 林木树冠覆盖

2.1.1总体特征

北京市六环外1km范围内二级医院和三级医院总面积362.11hm2,医院总体林木树冠覆盖面积67.30hm2,草地和裸土地面积分别为5.56hm2、0.05hm2,医院总体EUTC值为18.59%,PUTC值为1.55%,将潜在树冠覆盖区域全部用于绿化能够达到的最高林木树冠覆盖率为20.14%,仍远低于北京城区整体树冠覆盖率39.53%水平[12]。从林木树冠分级统计来看,医院整体在极低覆盖度、低覆盖度、中覆盖度、高覆盖度和极高覆盖度五个等级的数量占比分别为11.72%、22.66%、39.84%、10.94%、14.84%(表2),标准差分别为1.1305、1.5977、3.0200、1.3516、8.4512,大部分医院的林木树冠覆盖率处在3.5%—19%的水平,且极高覆盖度等级范围内部的医院林木树冠覆盖率值变异性较大,其他各等级内部相对比较均匀。

图3 医院树冠覆盖图Fig.3 The Urban Tree Canopy of hospital in Beijing urban area

2.1.2不同类别医院UTC特征

二级医院EUTC和PUTC分别为13.45%和1.38%,三级医院分别为20.62%和1.62%,三级医院的EUTC值和PUTC值均高于二级医院。二级医院和三级医院均以低覆盖度和中覆盖度为主(表2),数量占比分别为20.55%和39.73%、25.45%和40%,三级医院在极高覆盖度等级的数量分布明显高于二级医院(23.64%、8.22%),在极低覆盖度的数量分布远低于二级医院(1.82%、19.18%),从各等级所分布医院的林木树冠覆盖标准差来看,依然是极高覆盖度等级内部变异性较大,其他等级相对比较均匀。

表2 不同级别医院林木树冠覆盖等级统计Table 2 The levels of Urban Tree Canopy in hospitals

2.1.3不同环路及行政区间医院UTC特征

各环路EUTC值比较结果显示(图4)：五环—六环外1km(19.15%)>三环—四环(13.03%)>二环—三环(11.64%)>四环—五环(11.18%)>二环内(8.16%),其中五环—六环外1kmEUTC值最高,在19%以上；二环—五环EUTC值均在15%以下,二环内EUTC值最低,在10%以下。整体基本表现为城区外围EUTC值高于城区内部,其中四环—五环EUTC值较低,一方面是因为四环—五环60%以上的医院为二级医院,二级医院整体建设面积和林木树冠覆盖率值均低于三级医院,另一方面也可能是由于样本数量较少导致的偏差；PUTC值变化表现为五环—六环外1km(0.03%)>四环—五环(0.01%),其他各环路PUTC值均为0。

6个行政区间树冠覆盖率表现为：石景山区(24.49%)>海淀区(21.67%)>朝阳区(20.11%)>丰台区(19.43%)>西城区(13.52%)>东城区(10.55%)；各行政区潜在林木树冠覆盖率值几乎均为0。从各行政区EUTC值与城市化水平来看(图5),基本表现为城市化水平(PU)较高的行政区,EUTC值反而较低,石景山区除外。石景山区出现特殊情况很可能是分布的样本数量较少而导致的结果,其他各行政区样本数量均在18—25个之间,石景山区只有9个。

图4 不同环路与行政区间医院树冠覆盖率与潜在树冠覆盖率Fig.4 The Urban Tree Canopy and Possible Urban Tree Canopy of hospitals in different ring roads and regions of Beijing

图5 各行政区城市树冠覆盖率(UTC)与人口城市化水平(PU)值 Fig.5 Urban Tree Canopy (UTC) and People Urbanization (PU) of each administrative region

2.2 城市森林结构

2.2.1组成结构

本次调研共记录到植物60种,分属于33科54属,其中乔木树种41种,灌木树种19种；常绿树种12种,落叶树种48种。对北京城区医院城市森林构建过程中主要应用的20种乔木树种和10种灌木树种进行统计分析,结果显示,乔木和灌木乡土树种占比均较高,分别为85%、100%,并均以落叶阔叶型植被类型为主,针叶常绿植物运用相对较少。

乔木层树种中(表3),雪松、紫玉兰、银杏的重要值以及应用频度均较高,是北京城区医院城市森林构建的核心树种,在徐晓霞[16]对江苏大型综合医院户外植物应用与优化研究结果中这三个树种的重要值也相对较高,从这3个树种被普遍应用在医院城市森林的原因来看,雪松能够很好的适应北京的气候环境,且作为针叶常绿树种中观赏价值较高的树种深受人们的喜欢,除此之外,雪松为松柏科类植物,能够挥发植物杀菌素起到净化空气的作用,因此被广泛的应用在医院中；紫玉兰季相变化明显,树形美观,尤其是早春时节,花团锦簇,香气迷人,给人身心愉悦的感觉,有利于人体身心健康；银杏除了较高的观赏价值之外,银杏叶能散发出氢氟酸,具有净化空气,强身健体的功能[17-18]。三者均为保健树种。

表3 医院森林群落乔木层主要树种重要值Table 3 The important value of main tree species in arbor layer of hospital forests community

灌木树种中应用频率较高的有榆叶梅、石榴、金银木、紫丁香、锦带、迎春、连翘(表4),均为色彩丰富的观花观果树种,有研究表明色彩是医院环境的重要组成部分,能起到辅助治疗的功效[19-20]。

表4 医院森林群落灌木层主要树种重要值Table 4 The important value of main tree species in shrub layer of hospital forests community

总体来看,应用频度和重要值较高的乔灌木树种一方面是医院绿化进化长期树种选择的结果,另一方面也反映出我国医院城市森林构建过程中开始注重对医院户外环境辅助疗养功能的开发,园艺疗法、康复景观构建等理念在我国医院城市森林构建过程中有所渗透。

2.2.2空间结构

(1)密度

医院城市森林密度的大小直接影响到城市森林的发展和功能的发挥。密度可以用每公顷株数(株/hm2)和每公顷胸高断面积(m2/hm2)两项指标来表示。调查结果显示北京城区医院城市森林的平均密度为55株/hm2,平均胸高断面积为2.23m2/hm2。

(2)水平径级结构、冠幅结构、垂直树高结构

如图6,北京市医院城市森林树木的平均胸径、平均冠幅、平均树高分别为17.69cm、4.65m、6.60m,三级医院的平均胸径(19.07cm)、平均冠幅(4.73m)、平均树高(7.17m)均高于二级医院(15.74cm、4.52m、5.73m),三级医院树种规格相比较大。

医院整体树木在各胸径等级数量分布比例依次为23.11%、49.06%、17.22%、5.19%、3.54%、1.89%,其中中小胸径等级树木数量较多,DBH≤20cm径级树木数量占比72.17%；大径级树木数量较少,DBH>50cm径级树木数量占比1.89%,组成树种主要有毛白杨和垂柳。另外,二级医院和三级医院树木均在10≤DBH<20等级数量分布最多,分别占比51.79%、47.27%,其中三级医院大径级树种相对较多,DBH>50cm径级树木数量占比3.13%,二级医院为0。二级医院和三级医院树木数量分布均表现出随着胸径等级的增大先升高后降低的变化趋势(图6)。

医院城市森林树木整体小冠幅等级(G<2m)的数量占比最少(图6),只有2.36%,中等冠幅(2m≤G<4m)等级的树木数量最多,为44.10%。冠幅大于10m的树木数量占比只有2.59%,组成树种主要有雪松、悬铃木、国槐、毛白杨、白蜡、垂柳。二级医院和三级医院均在2—4m冠幅等级树木数量分布最多,分别达到52.38%、38.67%,大冠幅树种(G>10m)数量占比表现为三级医院(3.13%)>二级医院(1.79%)。各等级医院树木数量分布呈现出在G<2m冠幅等级较少,在2m≤G<4m冠幅等级骤然增加,之后又随着冠幅等级的增大逐渐降低的变化趋势,医院城市森林树木在各胸径和冠幅等级数量分布的变化趋势表明其在水平方向上还有较大的发展潜力[21]。

医院整体5m以下的中小树高等级的树木占比最多(图6),达42.69%,10m以下的树木数量占比为80.66%。高于15m的树种只有3.54%,组成树种主要有毛白杨、圆柏、雪松、水杉、油松、悬铃木。二级医院与三级医院均在H<5m树高等级数量分布最多,分别为52.38%、42.69%,之后均表现出随着立木层次的升高,树木数量分布逐渐减少的变化趋势。

图6 北京城区医院森林群落结构特征Fig.6 Characteristics of forest community structure of Beijing urban hospital

3 讨论

3.1 林木树冠覆盖

林木树冠覆盖率是衡量城市森林范围的最简单、最直观的指标[13]。从研究结果来看,医院EUTC值只有18.59%,与刘秀萍[14]对北京城区居住区和事业单位EUTC的研究结果对比：居住区(27.67%)>事业单位(26.88%)>医院(18.59%),医院绿量明显不足,许多学者的相关研究[17,22]也指出了医院绿地覆盖率不高、绿地率不足的问题。随着生活水平的提高,人们的择医标准更趋向于综合化,除了关心医院技术水平和医德医风之外也开始格外关注医院的环境质量[23],在陈萍[22]对北京大型综合医院调查结果中显示：17%的人认为医院最需要改善的为医院绿地环境,78%的人希望医院能有更多的绿色停留空间,显然医院户外环境建设工作应该被重新予以高度重视。但是,从PUTC来看,医院可进行绿化的用地较少,只有1.55%,这就要求,除了在今后绿化过程中尽量使用生物量高且寿命长的乡土树种来提高单位绿地生态效益以外,还要考虑通过丰富绿化形式的方式来拓展医院三维绿量,屋顶绿化在近年来北京城市绿化覆盖中所占的比例逐年提高,且有研究表明医院建筑是北京市城区实施屋顶绿化的主体之一,因此更多的医院可以乘着北京大力推广屋顶绿化政策的春风,积极发展屋顶绿化来拓宽绿化空间,改善户外环境状况[24]。除此之外,室内绿化可以营造出和谐、自然的气氛,分散病人的注意力,缓解患者焦躁不安的情绪,可选用一些耐阴观叶植物,如发财树、铁树、吊兰等来拓展室内绿化空间。

在重视提高林木树冠覆盖的同时一定要考虑到医院环境服务对象的特殊性,比如高烧、低烧的病人,服用不易接受阳光直射药物的病人,需要多接受阳光照射来加快疾病恢复的病人以及皮肤病患者等等,他们对阳光直射以及庇荫环境的感知较敏感且需求也更多样化[25],因此,医院户外环境在追求高林木树冠覆盖率的同时也要尽量能够给病人提供遮阴、半遮阴以及阳光照射等多种户外空间,满足不同病人的需求。

3.2 城市森林结构

本论文研究结果显示北京医院城市森林密度偏小,绿化层次单一,国内许多学者[9][16]也得出了同样的结论,并多从生态学角度进行分析,认为此种绿化形式不能够有效的利用土地和发挥较高的生态效益,但国外有研究学者指出医院适合营造疏林草地景观,并从社会学和心理学角度给出解释——疏林方便病人进入从而起到更好的保健效果,密度较高的林地环境容易让病人感到压抑,相反疏林景观更能让病人感到身心舒畅[26],但这两类解释均以森林群落的健康性作为前提。北京市医院森林群落树木规格整体偏小,将医院树种平均胸径、树高和冠幅与刘秀萍[14]研究的北京市城区居住区和事业单位树种平均规格比较,医院整体树木规格排在三类的最末尾,较小的城市森林密度下树种规格也不大,而且实地调研中发现许多医院树木病虫害滋生,同时也缺乏适度的修剪和灌溉,健康状况较差,这些均表明目前北京城区医院城市森林现状质量较差。究其原因,一方面从医院整体布局密度来看,中心稠密[22],从前文医院EUTC随环路变化趋势分析也可以看出,城区内部生态用地与建设用地矛盾高于外围区域,再加上四环以内多为知名医院,就医患者广泛,不仅包括北京市的患者还包括外地患者,平时人车混杂,人为活动对自然空间的干扰程度过大；另一方面与我国长期以来“重造轻管”的传统思维有很大关系[27-28],在极强人工环境中建设的城市森林如果没有适度的养护,很难达到预期的效果；此外,也可能是因为最初的绿地规划设计就欠缺对易于管理的思考,设计出的绿地景观不能够激发员工养护管理的信心[26]。总之,健康状况较差的森林任何生态功能和社会功能的发挥都得不到保障。

3.3 医院城市森林辅助疗养功能的开发

现代医学模式要求医院的功能由单纯的医学模式转化为生物医学、心理行为、社会综合医学模式,且随着我国医疗体制改革的不断深入,要求医院的社会属性从功能机构向服务机构转变,医院不仅要提供对疾病本身的治疗,更需要提供各种有利于救治和健康的环境服务[29],在医院户外环境建设面临新挑战的情形下,园艺疗法、康复景观、芳香疗法、花草疗法等理念层出不穷[30],从本文以及其他学者对南北方医院主要应用树种的分析结果显示这些理念确实在医院户外环境建设过程中有所渗透,但只限于对保健树种选择倾向的影响[31-33],关于保健群落的构建,康复绿地辅助疗养功能的发挥均未实现,很大一部分原因是园艺疗法等理念的实施不是单纯的绿地构建,在国外其有专门的从事园艺疗法项目的机构、医疗保健师或者护理员组织特定类群的病人在相应的康复景观绿地场所中开展园艺活动,达到治疗身心的效果,对园艺疗法人才有特定要求[34-35],实施起来相对较难。相应的城市森林群落也具有极强的保健功能,森林群落所释放的空气负离子对神经系统、呼吸系统、循环系统、消化系统、五官、外科、皮肤、职业病等7个系统的30多种疾病有抑制、缓解和辅助疗效,总效率达89%[36],且相比园艺疗法等建设实施更容易,这就要求医院城市森林建设过程中不能只追求快速化运动式造林,要注重造林树种选择与人体健康,注重保健群落的构建,注重服务设施建设,让医院城市森林不仅能够改善生态环境,同时也能为人们提供休闲健身、康复疗养等生态产品,从而协调好医院城市森林建设与医护人员需求之间的关系。

3.4 本论文研究中的不足

在利用eCognition软件采用面向对象的解译方法对树冠覆盖进行解译时,由于影像分辨率问题,未能将乔木树种和灌木树种分开,此乃一大遗憾,且在潜在林木树冠覆盖部分的统计只包含了草地和裸土地,无法将树木生长过程中树冠的自然扩展潜力纳入其中,这些均为以后的重点研究方向,但本文的林木树冠覆盖统计相比传统的林木绿化率和绿地率等指标已有进一步的提升,能够更好的反映医院户外环境的质量水平,对于树冠自然生长问题只占PUTC中的一小部分,因此本文统计的PUTC值对今后医院绿化空间的拓展仍然具有较强的指导意义；此外由于资金、人力以及时间多方面的限制,本文只对北京市的13个二级医院以及14个三级医院的城市森林结构做了系统性的调查,虽然对北京城区医院整体绿化情况有一定的代表性,但其内部整体细节上的差异还需要今后更大样本量及更深入的研究。

4 结论

(1)北京市六环外1km范围内医院整体EUTC为18.59%,PUTC为0.93%,大部分医院EUTC处在3.5%—19%的低覆盖度和中覆盖度水平范围内；从医院整体UTC水平随环路的变化趋势来看,基本表现为城区外围医院高于城区内部医院,从各行政区医院UTC水平来看,基本表现为城市化水平越高的行政区域林木树冠覆盖率值越低。

(2)医院调研过程中共记录到乔灌木植物60种,分属于33科53属,从其重要值和应用频率均较高的乔灌木树种来看,大部分为乡土树种以及保健树种。

(3)北京城区医院城市森林的平均密度为55株/hm2,平均胸高断面积为2.23m2/hm2,平均胸径、冠幅、树高分别为17.69cm、4.65m、6.60m,其中小胸径(DBH≤20cm),中等冠幅(2m≤G<4m)以及树高小于5m的树木数量占比最高。

(4)目前北京城区医院整体林木树冠覆盖率较低,森林群落健康状况较差,树种多样性不高,是北京城区以后应该重点加强森林建设的城市功能单元。