植物群落林分结构和特征因子与美景度的关系研究

张雪婷，段广德，韩 轶，康利平，郝柄达

（1.内蒙古农业大学 林学院，内蒙古呼和浩特 010018；2.呼和浩特职业学院 生物化学工程学院，内蒙古呼和浩特 010051）

植物是园林的五大要素之一，拥有建造、景观和生态功能。景观功能是园林植物的主要功能，一般涉及景观评价与景观要素解析等。目前，景观评价方法已初步形成了专家学派、认知学派、经验学派和心理物理学派四大学派[1]。Daniel 和Boster 于1976年基于心理物理学派，提出美景度评价法（Sce⁃nic Beauty Estimation，简称SBE），该方法以大众视角为依据，将审美态度的测量和景观的定量分析结合起来，成为目前景观评价中较合理、公正和精准的方法[1-3]。近些年，许多国内外学者从景观评价的角度对植物群落开展了研究。李俊英等[4]对沈阳典型森林群落林内景观美学质量进行了评价，并阐明了主要植物群落结构要素对景观美学质量的影响；段敏杰等[5]对北京市不同层次的植物群落进行了景观美学质量评价，得出更受欢迎的植物群落类型；杨帆等[6]分析了不同景观要素对景观美学质量的影响；张凯旋等[7]基于SBE 法对上海环城林带景观美学质量进行了评价，并建立了美景度与各景观要素间的多元回归模型；Frank 等[8]研究了景观要素与时间变化的关系。

本研究采用美景度评价法，对呼和浩特市大青山南麓典型植物群落样方的景观美学质量进行评价，并对各植物群落样方的景观要素进行定量计算和定性分析，通过回归分析法，建立两者间的数学关系，分析主要景观要素对景观美学质量的影响，以期为风景园林的优化提供参考。

1 研究区概况

研究区位于呼和浩特市主城区北部（110°46'～112°10'E，40°51' ～41°8'N），北靠阴山山脉，海拔1 040 m。地势相对平缓，总体呈西北高、东南低。气候为蒙古高原大陆性气候，四季分明，年温差和日温差大。最冷月气温-12.7 ～-16.1 ℃，最热月气温17 ～22.9 ℃。降水集中在7—8月，年均降水量335 ～534 mm。

呼和浩特市的植被区系属于阴山山地蒙古栎（Quercus mongolica）、油松（Pinus tabuliformis）林-草原植物州，在东南海洋季风的影响下，植被具有草原区植被和华北森林区植被的特点。植被类型以次生杨桦林为主，间有少量油松、杜松（Juniperus rigida），林下灌木主要有虎榛子（Ostryopsis davidi⁃ana）、绣线菊（Spiraea salicifolia）和黄刺玫（Rosa xan⁃thina）等[9]。

2 植物群落的美景度评价

2.1 数据采集

2019年6 —9月，在G6 高速公路（京藏高速，北京—拉萨）北侧、大青山山脉南侧，西起大青山野生动物园、东至内蒙古大庆会场的土地范围内，布设标准样地39 个（20 m×20 m）。依据GIS 数据，结合实地调研，随机选择调研范围内的植物群落样地。所选样地类型分为乔冠草型、乔草型和灌草型3 种，每种类型的样地数为13。使用全站仪测定样方4 个角点的坐标，并对样方内的乔木和灌木进行坐标定位和编号，对灌木和胸径≥3 cm 的乔木进行每木检尺。测量内容为乔木的数量、树种、高度、枝下高、冠幅和胸径以及灌木的数量、树种、高度和冠幅，将数据录入Excel 表格，并通过ArcGIS 10.5 和Winklemass 软件[10]获得林分空间结构指标（聚集指数R、角尺度、林层比和混交度）[11]，同时记录草本种类、高度及盖度等。

2.2 照片拍摄

2019年6—9月，选择天气状况良好、空气质量较高的日子，在当日10:00 ～16:00 完成拍摄。每个样地拍摄1 张照片。拍摄要求不更换相机、不更换拍摄人、保持相机参数不变及拍摄维持在1.6 m 的人视高度，保证横向构图清晰且全面地囊括群落的全貌[12-14]。

2.3 评判者

不同群体、不同教育背景的人具有相似的景观审美态度，其景观评价结果具有一致性[15-16]。本研究选择内蒙古农业大学专业老师20名、专业学生40名、非专业学生30 名和公众30 名，共120 名评判者参与评判。

2.4 评判步骤

将拍摄的39张照片制作成幻灯片，使用数字投影仪在室内播放，每张照片停留8 s[16]。幻灯片不回放，受测者对幻灯片中的群落景观凭第一直观印象打分。评价采用10 分制，0 ～2 分为较差、2 ～4 分为一般、4 ～6 分为中等、6 ～8 分为良好和8 ～10 分为优秀。

2.5 SBE值计算

原始得分的平均值会加强评判标准较低的评分对分析的影响，削弱评判标准较高的评分对分析的影响。本研究采用z-score 数据标准化处理方式，可消除得分平均值对分析的影响，增加结果可靠性（表1）。

式中，zij为第i个评判者对第j张照片的标准化得分，xij为第i个评判者对第j张照片的原始评分，xi为第i个评判者对所有照片评分的平均值，si为第i个评判者对所有照片评分的标准差[2]。

表1 39个植物群落样地的美景度评价法得分Tab.1 SBE score of 39 plant communities

续表1Continued

3 植物群落景观要素的选择与计算

植物群落景观美学质量提升的关键在于找到主要的景观要素。通过查阅资料、借鉴专家意见，寻找到以下林分结构指标和群落特征因子。

3.1 林分结构指标

林分结构指植物群落的空间结构和非空间结构[11,17-18]，共选择29 个结构指标。非空间结构指标有X1（植株密度）、X2（乔灌覆盖度）、X3（乔木覆盖占比）、X4（乔木平均冠幅）、X5（乔木平均胸径）、X6（灌木平均冠幅）、X7（冠幅变异系数）、X8（草本盖度）、X9（乔灌覆盖面积与草本面积比）、X10（胸径变异系数）、X11（相对高度）、X12（乔木相对高度占比）、X13（乔木平均高度）、X14（灌木平均高度）、X15（平均枝下高）、X16（高度变异系数）、X17（枝下高变异系数）、X18（乔木占比）、X19（叶面积指数）、X20（Margalef 丰富度指数）、X21（Shannon - Wiener 多样性指数）、X22（Pielou 均匀度指数）、X23（Simpson 单调度指数）、X24（针叶树种比例）和X25（针叶乔木比例）[19-20]。空间结构指标有X26（角尺度）、X27（混交度）、X28（林层比）和X29（聚集指数R）。

3.2 群落特征因子

群落特征因子20个（表2）。

表2 植物群落定性景观要素分解Tab.2 Decomposition of qualitative landscaping elements of plant community

均衡感是指在视觉感受之下，植物个体间的大小、高度等在整体上呈现的均衡与协调，部分植株如某些乔木或灌木的大小或高度有差异，不会导致群落整体重心偏离、失去平衡。树干色调分为较深、居中和较浅3种，如垂柳（Salix babylonica）和槐（Sopho⁃ra japonica）的树干色调较深，而白桦（Betula platy⁃phylla）和新疆杨（Populus albavar.pyramidalis）的树干色调较浅。色彩差异中，不同色系的颜色差异和同种色系内的颜色在明度、饱和度上的差异带来的视觉感受不同；包含有3种或以上不同色系的植物群落，其色彩差异很大；包含有两种色系的植物群落，其色彩差异较大；在同种色系内，颜色饱和度和亮度等的变化较小，群落内呈现出的色彩差异较小，在大部分的纯林中，几乎没有色彩差异。林冠线是指树林或树丛空间立面构图的轮廓线；林缘线是指树林或树丛边缘树冠垂直投影于地面的连接线；树干质地中，有些树干表面粗糙，有些树干表面光滑，而像樟子松（Pinus sylvestrisvar.mongolica）、白皮松（P.bungeana）的树干，易于剥落的树皮使其呈现片层结构；树冠质地中，有些植物树叶大而稀疏、树枝可见，质地较为粗糙，有些植物树叶小而密布，如小叶黄杨（Buxus sinicavar.parvifolia），其质感较为细腻。

4 林分结构和特征因子与美景度的关系分析

4.1 林分结构

设29个林分结构值为自变量，景观美景度值为因变量，采用逐步多元回归法建立模型。该方法剔除了相关性小的自变量，可保证进入回归模型的自变量拥有良好的独立性[4]。回归分析借助SPSS 24.0软件完成（表3）。

表3 林分结构系数分析Tab.3 Coefficients of forest structure model

筛选出的定量景观要素为X28（林层比）、X4（乔木平均冠幅）、X1（植株密度）、X25（针叶树种比例)、X19（叶面积指数）（表3）。由此建立的回归方程为SBE = 0.319 + 3.477X28+ 0.852X4+ 0.001X1+1.239X25- 0.145X19，其中R = 0.875，R2= 0.766，调整后R2=0.731，模型拟合度较好。t检验P值均＜0.05，方程相关性显著。

4.2 群落特征因子

设类目编号为自变量，景观美景度值为因变量，采用向后筛选多元回归法分析。筛选出的群落特征因子为X1（空间形态）、X4（均衡感）、X8（色彩差异）、X9（色彩亮度）、X10（树干形态）、X13（轮廓清晰度）、X14（形态差异）、X15（树干质地）、X16（树冠质地）、X18（季相变化）、X19（生长势）（表4）。由此建立的回归方程为SBE = 8.533 + 0.426X1- 0.678X4-0.620X8+ 0.639X9- 0.860X10- 0.323X13-0.180X14+0.738X15+ 0.644X16- 0.613X18- 0.238X19，其中R =0.920，R2= 0.846，调整后R2= 0.784，模型拟合度较好。标准残差的极大值为1.912，小于默认值3，没有发现异常。t检验P值均＜0.05，方程相关性显著。容忍度均超过0.3，方差膨胀因子（VIF）均小于5，说明自变量之间不存在严重的多重共线性。

表4 定性景观要素系数分析Tab.4 Coefficients of qualitative landscaping elements model

续表4Continued

5 结论与讨论

5.1 结论

5.1.1 林分结构分析结果

通过分析，林分结构的景观评价模型为SBE =0.319 + 3.477X28+ 0.852X4+ 0.001X1+1.239X25-0.145X19，对自变量系数进行归一化处理后，得到这5个景观要素对于景观美学质量影响的权重值为X28（0.609）、X4（0.149）、X1（0.000 18）、X25（0.217）、X19（0.025）。根据权重值大小，林分结构对于景观美学质量的影响为X28（林层比）＞X25（针叶树种比例）＞X4（乔木平均冠幅）＞X19（叶面积指数）＞X1（植株密度）。在与所测植物群落类型相同的群落中，单要素对群落美景度的影响有以下几个方面：

（1）林层比的变量系数为3.477，权重值为0.609，影响度最大。变量值越大，植物群落的层次越丰富，美景度值越高。因此，在创造景观时应注重使用不同高度的植物，营造高低相接、层次丰富的群落景观。

（2）针叶树种比例的变量系数为1.239，权重值为0.217。针叶树种在外形、大小、颜色、质感、叶形等方面与阔叶树有较大区别，例如圆柏（J.chinen⁃sis）、侧柏（Platycladus orientalis）、杜松的外形呈圆锥形，樟子松、油松的外形呈卵圆形和塔型，树干的颜色与质地也有差异。适当扩大其比例，与阔叶树交错相接，合理布局平面空间，有利于创造丰富的林冠线，丰富群落空间感受，提高新颖感，增加可观性。

（3）乔木平均冠幅的变量系数为0.852，权重值为0.149。冠幅大的乔木可在一定程度上展现其个体的健康姿态，具有独特观赏性，有利于营造独赏空间，也可提高群落的层次感。

（4）叶面积指数的变量系数为-0.145，权重值为0.025。叶面积指数过大，会导致部分植株的体量在群落中过分庞大，如新疆杨和加杨（Populus × ca⁃nadensis），其成年树高达20 m，在空间较小的群落中，会造成严重的失衡感，过高会略显突兀。另一种情况是群落植株过分密集，难以分辨个体的轮廓，众多个体混为一体，没有空间纵深变化，这两种情况的出现都会降低群落的美观程度。

（5）植株密度的变量系数为0.001，权重值为0.000 18。植株密度大的植物群落，美景度值较高，但因其系数小，群落植株密度的提高对美景度的影响较小，将其控制在适当范围内即可，植株过分稀疏或密集均不利于美景度的提升。

5.1.2 群落特征因子分析结果

通过分析，群落特征因子的景观评价模型为SBE = 8.533 + 0.426X1- 0.678X4- 0.620X8+0.639X9- 0.860X10- 0.323X13- 0.180X14+0.738X15+0.644X16-0.613X18-0.238X19，对自变量系数进行归一化处理后，得到11个景观要素对于景观美学质量影响的权重值为X1（0.071）、X4（0.114）、X8（0.104）、X9（0.107）、X10（0.144）、X13（0.054）、X14（0.030）、X15（0.124）、X16（0.108）、X18（0.103）、X19（0.040）。根据权重值大小，群落特征因子对于景观美学质量的影响为X10（树干形态）＞X15（树干质地）＞X4（均衡感）＞X16（树冠质地）＞X9（色彩亮度）＞X8（色彩差异）＞X18（季相变化）＞X1（空间形态）＞X13（轮廓清晰度）＞X19（生长势）＞X14（形态差异）。在与所测植物群落类型相同的群落中，单要素对群落美景度的影响有以下几个方面：

（1）树干形态的变量系数为-0.860，权重值为0.144。树干越通直，其美景度值越高，表明树木主干笔直的植物群落更受大众的喜爱。

（2）树干质地的变量系数为0.738，权重值为0.124。树干质地偏向于光滑或片层，其美景度值会更高。光滑的树干会带来颜色和图案上的变化，例如白桦树、新疆杨的偏白色树干，白皮松的迷彩图案树干。片层形式的树干，其易于剥落的树皮会带来色彩和质感上的变化。树干在质地上的差异会带来色彩、图案和质地等方面的不同，可在垂直层面上给人以新颖的感受。

（3）均衡感的变量系数为-0.678，权重值为0.114。植物群落的形态在整体上趋于均衡，乔木、灌木、地被植物间的大小、高度相互协调、合理配置有利于美景度的提高。

（4）树冠质地的变量系数为0.644，权重值为0.108。树冠质地偏向于中质、细质或混质时，其群落的美景度值更高。树冠质地为中质或细质的植物，给人更加细腻的感觉，例如精心修剪的灌木、常绿乔木等，其外形也更易分辨。同时拥有粗质、中质和细质植物的植物群落，在视觉上有不同的距离感，粗质植物可以扩充空间感，而细质植物具有缩小空间的作用，带来空间纵深变化，空间变化的感受更加强烈。

（5）色彩亮度的变量系数为0.639，权重值为0.107。色彩亮度较低的植物群落美景度值更高，表明大众更偏好于在色感上端庄稳重的植物群落。

（6）色彩差异的变量系数为-0.620，权重值为0.104。植物群落内植物所属色系的种类越多，或在同种色系内，颜色明暗深浅的变化越大，植物群落的美景度值越高。

（7）季相变化的变量系数为-0.613，权重值为0.103。季相变化丰富的植物群落，其美景度值更高，更受大众的喜爱。

（8）空间形态的变量系数为0.426，权重值为0.071。空间相对封闭，美景度值越高，同时具备乔木、灌木和地被植物的群落拥有更好的景观效果，这也符合丰富群落层次的判断依据。

（9）轮廓清晰度的变量系数为-0.323，权重值为0.054。植物个体的外形轮廓清晰可辨，植物群落的美景度值较高。清晰的轮廓有利于表现植物各自的形态特征，有利于营造丰富的空间，能增加其受欢迎的程度。

（10）生长势的变量系数为-0.238，权重值为0.040。生长势良好的植物群落，其美景度值更高，健康的植物个体，更受大众的喜欢。

（11）形态差异的变量系数为-0.180，权重值为0.030。在一个群落中，不同植物个体之间的形态差异明显，其美景度值更高。表明大众喜爱植物个体形态迥异的群落，这种群落有良好的群落构图比例、林冠线和节奏变化等。

5.2 讨论

植物群落的景观要素是影响群落景观美景度的因素之一，正确而科学地选择要素有利于群落的合理建植和对景观的正确评价。本研究从定量林分结构与定性特征因子的角度挖掘影响景观美学质量的全面因素，由于只分析了北方夏季的植物景观，本研究的结论和群落特征因子的选择有一定的应用范围限制。近年来，有些学者将林分结构引入到评价模型中，将植物个体自身的美学特征与空间结构结合有可能成为未来研究的方向之一。