城市植物地面抽样调查方法综述

江 南，徐卫华，赵娟娟，李明娟

(1.西南大学园艺园林学院，重庆400715；2.中国科学院 生态环境研究中心 城市与区域生态国家重点实验室，北京100085)

城市化正在迅速改变城市植被[1]，城市植物的调查研究是城市植物保护、利用与管理的重要基础.对城市自然资源的管理和可持续利用，需要掌握城市植物现状及变化趋势；对城市生物多样性的保护，需要分析城市化对城市植物的影响及城市植物对城市环境的响应[2]；城市绿地管理政策的制定，需要研究生态系统功能、稳定性和生物多样性之间的关系[3-4].城市植物的调查为这些研究和分析提供重要的基础数据.

城市扩张和城市特殊环境条件带来的影响，改变了城市植物群落的物种组成和空间分布[5]，影响城市植物的生态系统服务功能[6].在城市人类活动的干扰下，城市植物复杂系统的结构、过程及功能表现出与自然植物显著不同的特征[7]，调查方法如何根据其特征改进，成为城市植物研究中亟待解决的重要问题.然而，对于如何设计和实施城市植物的地面调查，依然缺乏系统的研究.本文总结国内外城市植物研究使用的调查方法，阐述城市植物调查现有的抽样方法、样方设计方法和调查指标测量方法，为国内城市植物地面调查提供参考.

1 调查对象——城市植物

城市植物指城市范围内自然生长和人工栽培的全部植物[8].在开展城市植物调查前，首先要明确调查对象涵盖的内容.各国在城市植物调查中对植物的划分方法略有差异.《中国植被》将植物分为木本、半木本、草本和叶状体植物[9].城市植物调查对象通常包括乔木、灌木、藤本和草本植物，有的调查也涉及水生草本和叶状体植物（如苔藓）.乔木通常指茎木质化、高大、有明显主干的木本植物；灌木通常指茎木质化、无明显主干、自基部分支的木本植物；草本通常指茎柔软，木质部不发达的植物[9].与学术上的植物分类定义不同，地面调查中植物形态千差万别，出于快速分类和记录的需要一般有更明确的界定.《LY/T 1820—2009野生植物资源调查技术规程》以高度3 m为界限划分乔、灌植物[10]，美国农业部等主编的i-Tree Eco指导手册中将乔木中胸径小于2.54 cm（1英寸）的植物归为灌木类处理，并且高度不超过30.5 cm（12英寸）的木本植物（幼苗）采取和草本一样的调查方法[11].藤本植物茎不能直立，需缠绕或借助其他植物器官攀援，由于这类植物株型特殊，也作为一种独立的植物类型进行调查.另外需注意，城市中许多植物出于景观美化的需要，栽培形态差异较大，比如城市绿地中竹的乔木状、灌木状、地被状形态均十分常见，对于此种情况，建议按现场植物的栽培形态进行调查记录.

2 抽样设计

2.1 抽样方法城市植物调查分为全面调查（普查）和抽样调查.由于城市范围较大，对所有植物进行普查难以实现，因此抽样调查成为目前主要的调查方法，抽样调查又分为概率抽样和非概率抽样（典型抽样）[12].概率抽样包括简单随机、分层随机和系统抽样，非概率抽样包括方便抽样、判断抽样、定额抽样和雪球抽样（表1）.根据研究的规模和目的，不同抽样方法的优缺点各不相同.就统计意义而言，基于概率抽样抽取的样本对总体的代表性都是有保证的，非概率抽样易掺入主观的成分，且不能计算抽样误差，在实际操作中不好掌握[12].需要注意的是，在实际应用中常常组合使用不同抽样方法以满足具体的调查需求.

表1 城市植物调查抽样方法统计Tab.1 Sampling method statisticsof urban vegetation investigation

简单随机抽样是概率抽样中最基本的一种抽样方法，其理论研究也最为成熟[12].但用于城市植物调查具有一些缺点，一方面因为样点可能落在难以进入或不可进入的区域，空间上的分散性也延长了采样所需时间；另一方面城市绿地中的植物主要受功能定位制约，分布极不均匀，可能留下大片未采样区域[23].

系统抽样一般是在不同类型的网格上进行，最常采用的是方形网格.具体操作时将一个研究区域划分成大小相等的矩形网格，这样N个样本就可以从网格的中心、随机点或网格线的中间部分、交叉点等位置获取.系统抽样最主要的优点是操作简单，能缩短现场定位的时间.另外有研究证明在排序和梯度研究中，系统抽样不仅在工作和时间上比其他方式更有效，而且在物种-环境相关性方面也取得了更好的结果[24].其缺点是精度估计比较困难，事实上许多行之有效的系统抽样并不是严格的概率抽样[12].

分层抽样是国内外城市植被调查中应用最为普遍的抽样技术.根据研究规模、目的和内容的不同，分层依据灵活多变（表2）.分层抽样能提供来自不同分层截面的代表性样本[25]，适用于既要对总体参数进行估计，也需要对各层参数估计的情形.它的优点是组织实施比较方便，样本散布也比较均匀[22].但是，如果分层的依据不科学，或者随机性及抽样量没有满足要求，同样会使抽样结果的代表性和精度降低.非概率抽样适用于对调查范围内的植被已有初步了解的情况下，进一步在此基础上选择具有代表性的调查样地.定额抽样与分层抽样类似，都需要将总体依某种标准分层，区别在于前者在分层后人为抽取典型样本，可视为分层抽样和判断抽样的结合. 方便抽样保证了抽取样本的可调查性，但调查样本的代表性差.当需要对特定地区植物生长变化进行研究时，雪球抽样是不错的选择.

表2 分层抽样的依据Tab.2 The basisof stratification in stratified sampling

除了以上介绍的传统抽样方法，空间抽样技术、灵活抽样策略和适应性团体抽样法等新型抽样技术正在植物调查中兴起并推广.由于植物的分布受外在因素（如干扰或潜在环境条件）和内在过程（扩散、空间竞争）的共同影响[34]，对这类具有空间相关性和异质性的分布对象进行抽样时，样本独立的前提假设不再成立，因此空间抽样理论应运而生.许多学者对基于样本不独立假设的空间抽样技术进行研究，并相继提出空间均衡抽样[35]、空间分层抽样[36]等技术，目前在森林资源调查中得到了广泛应用[37].另外，还有灵活抽样策略，它与传统的依赖外部系统的抽样不同，其抽样模式取决于植被性质，例如基于植被“均匀”或“代表性”区域进行采样，以及根据植被异质性分配采样密集度的密度抽样.一些学者认为这种允许样本强度随植物多样性变化而变化的抽样方案具有更大的优势[38-39].最后，适应性群团抽样方法在调查对象是稀疏、簇生、斑块状和聚集分布的植物类型时，比其他抽样方法具有更多的优点[40]：调查对象分布的形状和位置常常在调查前未知，先通过一次抽样判断物种的分布区域和位置等信息[41]，然后逐渐扩展领域单元进行再次抽样.城市植物地面调查与野外森林资源调查纵然差异极大，但植被的分布有一些共通点，对新颖且有效的抽样方法应该多尝试和探索，积累经验.

2.2 抽样量植物调查的抽样量主要根据调查条件和调查目标确定，也跟抽样方法有关，往往是精度要求和成本效益权衡的结果.影响抽样量决策的因素主要有统计因素和非统计因素，前者包括估计的精度和使用的抽样方法，后者包括经费、时间以及设备.有学者对美国费城和中国北京两座城市树木进行模拟抽样调查，抽样量从200增加到500（在已有记录中，城市树木调查使用的样本量大多数在此区间内），结果表明调查中使用小样本量会导致对城市树木物种丰富度的低估以及对树木总数估计精度降低，同时在相同精度要求下不同城市所需的样本量差异极大[42].另外，采用网格抽样时，网格尺寸也会在很大程度上影响抽样量.其中，大尺度网格（1 km×1 km到3 km×3 km）常用于系统抽取网格单元内不同类型的绿地斑块；中尺度网格（100 m×100 m或200 m×200 m）常用于以网格为采样单位的城市植物调查，通过抽取网格数量控制样本量；小尺度网格（10 m×10 m或20 m×20 m）常用于小区域绿地调查，如一个公园的植物.通常抽取许多小地块比少量大地块能调查到更多物种[43].

抽样量的具体确定方法有：普查、模仿类似研究的样本量、咨询专家和使用已发布的表格及公式等[44].其中第1种方法普查法常用于小群体，如果研究人员调查的对象数量少，或者调查的范围较小，确定样本量的常用方法就是把整个群体作为样本并进行普查，例如某一区域行道树普查、小公园植物调查，这种方式利用普查消除了抽样误差.第2种确定样本量的方法是参考类似研究总体的样本量，然而，必须谨慎审查这些研究中所用样本量的确定方法和限制条件，否则可能会重复前人所犯错误.第3种确定样本量的方法是咨询相关领域经验丰富的专家学者，进行方案论证，它可与前一种方法共同用来确定非概率抽样中的样本量.最后一种方法是传统的直接使用数学公式，这些公式涵盖了大多数概率抽样设计，但在开展调查前，研究人员需要对较小的试点样本进行预调查.需要注意的是，由于城市绿地归属单位的私密性和复杂性，可能存在一些无法进入调查的样本，导致概率样本被简化为方便样本，为确保调查足够的样本，抽样时应该准备一定比例的备用样本以应对此类情况.

3 样点调查

抽取样本之后，需要进行详细的样点调查设计，样点调查设计的主要任务是确定调查现场各样点的具体调查范围，主要涉及取样单位、取样面积、取样比例和草本样方的取样设计.

3.1 取样单位在城市植物调查中，常见的取样单位是斑块、样带和样方（表3）.当样点为斑块状的景观单元时，可根据异质性设置取样单位.对均匀度很高的斑块可采用样方为单位，在这种情况下样方具有很高的代表性足以代表斑块的特征，又可以减少很多意义不大的工作量[7]；对异质性较高的小型斑块一般进行全面调查；异质性很高且面积很大的绿地斑块，全面调查成本较高，可考虑采取样方或样带抽样调查.当样点为带状景观单元时，通常采用样带作为取样单位，可截取一段样带进行调查，也可以等距布置多个小样方或样带作为调查范围.当样点的植被梯度明显时，建议使用样带作为取样单位，由于只需随机确定起点和方向，比随机设置样方需要的调查时间更短，但如果采样尺度上植物的分布存在空间自相关或聚集性很强，那么样条抽样可能会低估种群内密度的变化及物种多样性[54].样点为网格单元时，根据网格范围内不同植被斑块特征设置取样单位.

表3 取样单位的常见类型Tab.3 Common typesof field sampling

3.2 取样面积和取样比例在植物群落清查中，方精云等[55]建议乔灌调查采用面积为600 m2（20 m×30 m，包含6个10 m×10 m的小样方）或1 000 m2（20 m×50 m，包含10个10 m×10 m的小样方）.在欧美国家，乔灌调查最常用的样方尺寸是10 m×10 m和20 m×20 m，也有对灌木取2 m×2 m的嵌套样方[56].调查样方的总面积可根据“种-面积曲线”、“多样性估计值变异系数累积曲线”确定[57]，巢式取样(nested sampling)是获得种-面积曲线的途径. 由于城市植物组成和分布的特殊性，很难由几块绿地中求得的最小面积对所有城市的绿地进行有效调查，所以应在实际操作中根据时间、成本和植物群落特征进行相应调整.至于取样比例的确定，目前已报道的多数城市植物研究中，主要按面积成比例取样，但有学者指出植被单元的生态重要性不仅仅是根据面积来评估，还与生物参数（如多样性、均匀性和生产力）有关，然而这些指标在现场很难准确判定.通常物种越丰富的群落，设置的取样面积也应越大[58].

3.3 草本样方设计草本植物的采样方式，分为连续采样和离散采样两类.连续采样是在整个采样区域内采集数据；离散采样是仅在整个区域内从预先设计好的样方中采集数据[59].尽管离散采样会造成采样单元内大面积区域保持未采样状态，但考虑到城市大量景观类型中草本植物的构成相对单一（例如公园草坪），这种方式能够极大地精简工作量.草本样方大小从0.25～7 m2不等，使用最多的是1 m×1 m样方，形状除常见的矩形外，也有调查采用圆形（表4）.由于草本植物的识别、计数比较困难，调查工作量高于乔灌植物.根据实际情况，可以对乔、灌、草三类植物分开调查，也可以形成嵌套样方（表4）.一般情况下，草本植物的调查面积经常远远小于乔灌植物的调查面积.在城市植物调查研究的大部分文献中，没有报道草本植物抽样比例和取样强度的确定依据.植被调查为网格系统抽样时，因为每个网格面积一致，网格内草本样方的数量通常固定不变；而斑块作为取样单位时，调查人员常根据斑块面积或植物丰富程度灵活设置草本样方的数量.

表4 草本样方设置方式及案例Tab.4 Herb quadrat setting mode and cases

4 常见调查指标

4.1 物种识别物种是城市植物调查和管理的重要内容.准确识别植物种类一直是调查的重点和难点.传统的植物识别方法主要依赖调查者的主观判断，要求调查者具有较高的专业水平和充足的分类知识储备，然而，即使是专业的分类学家也难以保证鉴别的准确率.近年来，采用图像和模式识别技术对植物进行自动识别的方法受到广泛关注. 自动识别算法不断发展，从单器官（例如花、叶或果实）独立鉴定发展到多线索相结合，从支持向量机（SVM）、神经模糊分类器到卷积神经网络[65-67]，在调查中可作为辅助工具提高识别准确率，但仍需对所有物种进行拍照记录，以备后期检查校对.

4.2 植物测量指标植物测量指标的确定不仅取决于研究目的，也与调查成本、技术水平密切相关.目前许多城市植物调查指标的选取，主要参考自然植被调查的经验.但是，城市植物常受到强烈的人为干扰（如整形修剪），其中一些指标是否能有效反映城市植物生长状况尚存争议，需谨慎选择.在城市植物地面调查研究的资料中，乔木最常见的测量指标有胸径、树高、冠幅、株数，较常见的还有健康状况、叶片特征、冠缺失比例/活冠率、顶层冠枯比例等指标；灌木的常见测量指标有地径、株高、株数等，长条绿篱则测定单位面积或单位长度中的株数及绿篱总长度，再估算总株数[7]；竹类常调查生态型（乔木状/灌木状/草本）、生长型（散生/丛生）、株高、冠幅；草本植物的常见测量指标有株数、多度或盖度；藤本植物常测量攀援高度、覆盖面积.这里对几个关键指标的测量方式进行说明.

（1）胸径胸高直径的简称，测量位置通常为地面以上沿树干1.3 m高处.如果被测树木的胸高处生有疤结等不能正常反映立木情况的现象，可以向上或向下另寻正常部位测量树干直径，并记录测量处的高度；若树木在1.3 m以下，地面以上开始分叉，分叉树干胸径之和为整株胸径；若在地面下分叉，可根据调查目的确定是否视为若干株独立木[11].

（2）株高植株从地面基部到顶部之间的自然高度.攀援藤本可记录攀爬高度；成片同种灌木和草本的株高常记录多数个体的平均高度.树高测定较为困难，传统的有伸缩杆测高器，精确度较高但受环境和对象高度限制；其他常用的有激光测距仪、勃鲁莱测高器等[37]，城市植物调查中还要考虑到是否方便携带和移动以及使用的便捷程度.

（3）冠幅植物南北和东西方向宽度的平均值.在地面测量中，先用指北针判断方位，然后根据树冠投影用皮尺分别在南北和东西方向进行测量.

（4）盖度植被地上部分的垂直投影面积占样方面积的比例，反映到乔木层即为郁闭度，一般来说，郁闭度≥0.70为密林，0.20～0.69为中度郁闭，郁闭度＜0.20为疏林.草本层物种需记录分盖度（种盖度）和样方盖度，测量方法有样针法、阴影法、目估法和仪器法[68]，其中目估法由于简单易行使用最广泛.然而，使用目估法评价植被盖度具有明显的不可靠性，人为估算误差甚至可能大于植被盖度本身的变化[69].

（5）密度单位面积的物种个体数，要求植物个体是可数的.木本植物个体数容易计算，而绝大多数草本则存在困难，可以备注原因后以多度指标反映生长分布特征[55].

（6）多度对个体数量的测量或估计，现场可凭借调查者的观察，按Drude多度等级记载，也可根据个体数量进行计算.

4.3 环境信息指标环境分为自然环境和干扰环境.自然环境调查主要包括气候、地形地貌和营养状况，可通过查找当地的气象、地形资料获取数据；干扰环境调查包括管理、社会经济条件、土地利用和覆盖，这类指标一般依赖调查人员的主观判断或采用问卷和访谈的方式收集信息.绿地环境特征的调查，常涉及绿地类型、斑块面积、与市中心的距离等，利用遥感影像即可实现快速准确地提取这些数据，极大节省人力物力(表5).总体而言，对于干扰环境的定量评价易产生较大争议，诸如干扰强度、人为践踏、荫蔽情况等指标，通常经过目视评估将其分级并赋值[70]，主观性较强，有必要在调查前对人员进行培训以降低误差.

5 总结与展望

由于城市环境内在的复杂性和异质性，城市植物调查实施起来比较困难.尽管国内外基于城市植物的调查研究已有不少报道，但这些调查往往采用不同的技术手段，标准不一，不同研究结果之间难以进行比较.本文基于国内外城市植物研究报道，总结归纳了城市植物调查方法中调查对象、抽样方法、抽样量、取样单位、取样面积、取样比例、调查指标等现有研究成果，为城市植物调查者提供参考.

表5 环境调查指标归纳Tab.5 Summarization of environmental indicators

为了准确描述调查对象，需要定义陆生植物的主要类型.简单地划分为“乔”“灌”“草”有时难以满足城市植物的调查需求，而分类过细则会造成调查记录的繁琐和数据整理的困难.可用于城市植物调查的抽样方法繁多且各有优劣，目前常用的抽样方法是系统抽样、分层抽样以及混合抽样.抽样设计需要确保样本的代表性并达到一定的精度要求，其首要任务是分析调查对象的分布特点，然后从调查目的和限制条件出发，确定抽样方法. 虽然抽样量越大，调查的可信度越高，但实际的调查总会受限于时间、经费等因素.考虑到城市植物分布的复杂性，建议灵活设置取样单位，至于用来确定取样面积和取样比例的曲线模型，通常更适合均质的自然植物群落，不可盲目套用于城市植物调查.测量指标的选取不仅要反映城市植物生长分布情况，而且要能被准确测量，目前一些指标的定量依靠人为评估，导致观察者偏差，测量方式有待改进.

相对而言，国内系统全面的城市植物调查工作开展很少，城市之间经济状况差异极大，给出不同调查目的和经费条件下对城市植物进行有效调查的建议更具有实际意义.出于不同时空跨度数据可比性的考虑，未来城市植物调查应形成相应的技术规范和统一的技术标准，确定主要的调查指标体系，建设植物数据开放共享平台，完善共享和使用机制.植物对环境的反应存在滞后性[71]，为研究城市生态系统演变规律，一次植物调查并不能满足需求，基于长期调查要求，如何设计调查方案仍需实践探索. 另外，本文限于篇幅未能涉及的城市水生植物、屋顶绿化等特殊绿地的调查以及调查数据的处理和分析方法等方面的研究，依然有待进一步总结归纳.