基于PCA法的杭州市屋顶花园木本植物健康评价

袁超慧，舒美英，蔡建国，3*

(1.浙江农林大学 风景园林与建筑学院，杭州 311300；2.浙江农林大学暨阳学院，浙江 诸暨 311800；3.浙江农林大学 园林设计院有限公司，杭州 311300)

绿地可以有效净化城市环境，但随着城市建设的加快，城市绿化用地也在不断减少，因此越来越多的研究开始聚焦于建筑群屋顶绿化，即屋顶花园建设[1]。屋顶花园既能有效利用闲置屋顶，又可发挥较高的生态效益，其中植物是主体。不同于陆地种植，屋顶花园植物种植有其特殊性，不仅需要考虑屋面荷载、防水防漏等技术问题[2]，植物的选择、种植、养护更为重要。因此，为给杭州市屋顶花园植物选择、种植、养护提供可靠依据，基于杭州市屋顶花园木本植物生长调查及健康影响因子分析，通过木本植物健康评价模型，对杭州市不同屋顶花园、不同树种的健康状况进行了评估。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

杭州市位于118°21′～120°30′E、29°11′～30°33′N之间，属于亚热带季风气候。年平均气温18.0 ℃，年降水量1 650 mm，年日照时数1 658 h。四季气候分明，夏季高温湿润，冬季寒冷干燥，春秋气候宜人。植被种类繁多，处于中亚热带常绿阔叶植被带[3]。

1.2 样方调查

采用样方法实地调研。2020年9-10月对杭州市屋顶花园实地踏勘，并选取万象城、城市阳台、湖滨银泰in77C座、西湖观景平台、奥莱城市解百B座等5处有代表性的屋顶花园进行系统细致调查。根据屋顶花园绿地现状，确定样方面积为10 m×10 m。若绿地面积过小且形状不规则，则根据周边道路、硬质场地的围合情况对样方形状进行调整。因为各屋顶花园规模不一，在选择样方时根据屋顶花园具体面积确定样方数量(表1)，且样方选择尽量涵盖屋顶花内植物配置精致、物种丰富的场地，以便代表屋顶花园植物配置的整体情况。对样方内所有木本植物每木检尺，记录树种名称、数量、树高、胸径、冠幅等定量指标，以及病虫害、枯枝比例、树势、树冠偏度、地表覆盖等定性指标[4]。

表1 屋顶花园样方选择

1.3 评价指标筛选

为了准确而全面的评价屋顶花园木本植物健康情况，从影响木本植物健康的各因子中选择合适的因子建立评价指标体系。本研究通过内容研究法总结了相关文献资料[5-6]，结合屋顶花园植物景观的特点，确定了11个指标来进行屋顶花园木本植物健康评价。

评价体系分为三层，第一层为目标层，是对屋顶花园木本植物健康进行综合评价，第二层为准则层，分别从植物生理因素、植物形态因素、植物立地条件组成。第三层为指标层，总共由12个具体评价指标构成,每项指标最高赋值为5，并依次往下逐级递减(表2)。

表2 杭州市屋顶花园木本植物健康评价指标

1.4 主成分特征分析

1.4.1 评价方法 本研究采用的主成分分析法(PCA法)，可在保证信息尽可能少丢失的原则下，通过对原来指标进行降维处理，将原本较多的指标转换成较少的综合指标，提高工作效率[7]。本研究运用SPSS26.0分析软件，将12个指标进行数据标准化处理，然后进行主成分分析，得出每株植物的综合得分，并进行健康等级划分。

1.4.2 KMO和巴特利特检验 将12个原始评价指标经过标准化处理后利用SPSS软件进行主成分分析。分析之前先进行KMO和巴特利特检验，检验结果表明，KMO值为0.673>0.5，说明各评价指标之间存在一定相关性；巴特利特检验中显著性为0.00<0.05，说明适合做主成分分析。

1.4.3 特征值与贡献率 主成分的特征值和贡献率越大，说明能解释的原始指标的内容越多。从分析结果看，前六个主成分特征值分别为3.089、1.915、1.514、1.289、0.875、0.809。他们的贡献率分别是25.743%、15.962%、12.614%、10.741%、7.292%、6.74%，其累计贡献率为79.092%，超过75%，说明这6个主成分可以解释原始指标的大部分主要信息(表3)。因此可以用这6个主成分代替原始12个指标来评价植物健康程度。

表3 特征值与贡献率

1.4.4 主成分解释 表4显示，在第1个主成分中冠形、树冠偏度、以及树势等评价指标占优势，说明该主成分主要反映植物整体以及树冠部分的健康程度。在第2个主成分中树干损伤、树洞、树皮等评价指标明显占优势，说明该主成分主要反映树干部分的健康程度。在第3个主成分中生长空间压迫、光污染、地表覆盖等评价指标占优势，该主成分主要说明了生长环境对木本植物健康程度的影响。第4个主成分中树木病害、树木虫害等评价指标占主要优势，这说明病虫害对植物的健康程度起了很大影响，该主成分主要说明这方面内容。第5、6主成分占比较小，能在其他方面较小地反映植物的健康程度。

表4 因子荷载矩阵

1.5 屋顶花园木本植物健康评价综合得分

根据表3中的各主成分特征值和表4中各原始指标在主成分中的因子荷载，可得出6个主成分的表达式如下[8]：Y1=0.262X1+0.239X2+0.238X3+0.275X4+0.169X5+0.469X6+0.500X7+0.416X8+0.158X9+0.161X10+0.135X11+0.021X12

Y2=-0.324X1+-0.189X2-0.416X3+0.430X4+0.451X5-0.116X6-0.090X7+0.084X8+0.359X9-0.038X10+0.337X11+0.161X12

Y3=-0.025X1+0.124X2-0.372X3-0.199X4-0.306X5-0.098X6-0.001X7+0.288X8-0.244X9+0.566X10+0.274X11+0.407X12

Y4=0.493X1+0.661X2-0.131X3+0.123X4+0.129X5-0.266X6-0.251X7-0.184X8-0.007X9-0.119X10+0.282X11-0.098X12

Y5=0.280X1-0.015X2+0.104X3+0.009X4+0.133X5+0.007X6-0.047X7-0.254X8+0.246X9+0.015X10-0.382X11+0.787X12

Y6=0.124X1-0.006X2-0.022X3-0.106X4+0.079X5-0.199X6-0.159X7+0.091X8+0.538X9+0.586X10-0.343X11-0.377X12

其中，Yi(i=1，2，……，6)代表第i个主成分，Xj(j=1，2，……，12)代表第j个评价指标。

根据各主成分的方差贡献率，得出屋顶花园木本植物健康评价的综合计算公式为：

Y=(0.249Y1+0.174Y2+0.126Y3+0.107Y4+0.075Y5+0.064Y6)/0.794

其中，Y代表最终评价得分。

利用各主成分的表达式以及综合计算公式，可以得到杭州市屋顶花园木本植物的最终健康评价得分。

1.6 屋顶花园木本植物健康评价

根据求得的杭州市屋顶花园木本植物综合得分，使用聚类分析划分植物健康等级，再利用费希尔线性判别分析法对等级划分结果进行检验，以保证评价结果的准确性[9]。利用SPSS分析软件进行K-均值聚类分析，将聚类数量设为3，分别为“健康”“亚健康”“不健康”三个等级。

2 结果与分析

2.1 屋顶花园木本植物健康评价

杭州市屋顶花园木本植物健康聚类结果(表5)表明，所检测的224棵木本植物当中，处于健康状态的植物有117棵，处于亚健康状态的植物有87棵，处于不健康状态的植物有20棵。

根据每株木本植物的综合得分以及聚类分析结果，进行费希尔线性判别分析，可以得到分类函数系数及其表达式[10]。

Z1=25.775Y1+29.307Y2-2.291Y3+12.591Y4+17.016Y5+21.245Y6-239.639

Z2=34.055Y1+36.352Y2+1.123Y3+15.732Y4+19.456Y5+24.720Y6-385.821

Z3=31.407Y1+34.475Y2-0.786Y3+14.923Y4+19.022Y5+24.599Y6-338.161

其中，Zp(p=1，2，3)代表第p个聚类。

将每株木本植物的主成分得分Y1、Y2……Y6代入上式，分别得出三组函数的计算得分，哪一组函数的分值最高，该树即被划分到这一组。将使用判别分析得出的分类结果与聚类分析法的结果进行对比(表5)，发现使用聚类分析进行的等级划分结果准确率高达95.5%，表明聚类分析的结果比较准确，研究所采用的模型具有可行性。

表5 屋顶花园木本植物健康聚类分类结果

2.2 屋顶花园中不同树种健康评价比较

由表6可以看出，总体上，杜英科、金缕梅科、千屈菜科、苏铁科和卫矛科树种健康得分较高，平均得分在6.2分以上，而豆科、忍冬科树种健康得分较低，平均得分为4.26分和4.82分。可能原因是这些科的树种抗性较差，或不适应屋顶的气候环境。深入分析发现，豆科中合欢与紫荆两类树种得分较低。合欢属于落叶大乔木，且冠幅较大。本次调研的这株合欢约50%生长空间受到限制，冠形不佳，整体树冠严重偏离主干，因此整体长势较弱。可见在屋顶花园树种选择中，应尽量选择体量较小的乔木，且注意植物种植密度。而4株紫荆均有严重的病虫害，一方面反映了这种植物抗性不强，另一方面也说明了该屋顶花园植物养护有待改善。在忍冬科中，绣球荚蒾健康得分最低。分析发现，这11株绣球荚蒾种植较密，彼此挤压生长空间，生长受到严重限制，且均离光源不到1 m的距离，整体长势较弱。由此可知，光污染可能会影响植物生长，并且再次印证了不合理的植物种植密度会对木本植物健康产生影响。

表6 杭州市屋顶花园木本树种健康评价综合得分

2.3 不同屋顶花园整体木本植物健康评价比较

总体来看，各屋顶花园木本植物健康综合评价排名为：西湖观景平台(G5)>奥莱城市解百B座屋顶花园(G1)=湖滨银泰C3座屋顶花园(G3)>万象城屋顶花园(G4)>城市阳台屋顶花园(G2)(图1)。从木本植物健康等级分布来看，不健康等级的植物仅出现在得分排名较低的两座屋顶花园中；而亚健康等级的植物在城市阳台屋顶花园和万象城屋顶花园中的占比高于其他三座屋顶花园；健康等级的植物在综合评价较高的三座屋顶花园中的占比具有绝对的优势(图2)。

图1 各屋顶花园木本植物健康评价综合得分

图2 各屋顶花园木本植物健康等级分布

在这五座屋顶花园中，综合健康得分排名较高的三座屋顶花园的规模远小于后两座屋顶花园，城市阳台屋顶花园的面积更是高达20 000 m2[11]。或许可以推断，随着屋顶花园规模的增大，植物种植设计的复杂性以及养护管理的难度也随之增大。因此，越是大型的屋顶花园，在设计时越是要谨慎考虑植物的树种选择以及种植形式，后期养护更要精心。

3 结论与讨论

屋顶花园木本植物的种植养护与陆地上有很大的不同，其特殊的立地条件成为限制木本植物健康生长的重要因素。因此，通过对现有屋顶花园木本植物进行健康评价，探究反映屋顶花园木本植物健康情况的重要指标以及限制屋顶花园木本植物健康生长的主要因素十分必要。

本研究通过对杭州市5座屋顶花园中的224棵木本植物进行实地调研，用主成分分析法构建了屋顶花园木本植物健康评价模型。通过各主成分中起主要作用的指标可以发现，植物的冠形、树干损伤、生长空间压迫、光污染以及病虫害等成为限制屋顶花园木本植物健康生长的重要因素[12]。

通过对调研木本植物科属种的分析，发现杜英科、金缕梅科、千屈菜科、苏铁科和卫矛科树种在屋顶花园种植环境中健康表现较好，在进行植物选择时可以优先考虑。而豆科与忍冬科总体表现较差，其中部分树种可能不适合在屋顶花园种植。在树种选择时，要充分考虑屋顶面积以及屋顶荷载等因素，避免种植高大乔木，尽量选择小乔木或灌木[13]。同时要设计合理的种植密度，有研究表明，种植密度较高的植物群落中更容易出现健康情况较差的植物[14]。密集的植物群落一方面会挤压彼此的生长空间，另一方面也容易造成病虫害的传播及感染[15]。

杭州市不同屋顶花园木本植物综合健康研究发现，屋顶花园规模的大小对木本植物健康具有显著影响，小型屋顶花园的木本植物健康情况总体上优于大型屋顶花园。无论是在植物的前期种植设计还是后期养护管理方面，大型屋顶花园都需要进一步加强。