i-tree模型在城市道路生态功能中的应用研究

孔令云　胡雪　宋欣怡

摘要：道路构成了城市骨架，在城市中发挥着重要作用，而道路绿化是其不可分割的重要组成部分。城镇化的迅速推进使城镇成为居民与自然之间矛盾的聚集地，而道路绿化能够显著解决这一矛盾。它能够产生各种生态效益包括降温增湿、固碳释氧、隔音降噪、滞尘、截留雨水，降低空气中PM2.5含量、PM10含量以及提升负离子浓度等。文章利用i-tree模型（i-tree model street manual）对城市道路绿化进行评估。以城市行道树作为研究对象，分析计算不同区域行道树产生的经营成本和生态效益，用i-tree模型估算出CO2吸收、雨水截留、改善空气质量等其他生态效益与美学效益。利用i-tree模型计算分析得出雨水截留生态效益最大可达90%以上。这些生态效益的计量为城市规划、设计、管理、养护提供了评估依据，能够促进城市的可持续发展。

关键词：i-tree模型;城镇化;道路绿化;行道树;生态功能;可持续发展

中图分类号：U418.9 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2022）06-0-03

0 引言

行道树作为城市绿化园林中的重要组成部分，对城市景观绿化和城市生态保护有重要价值。行道树有多种生态功能，如去除空气污染物、节能、减碳、截留雨水径流等。在以往的研究中，主要对单个效益进行个别分析，运用i-tree等模型对城市道路效益进行评估，以及对不同地区的城市道路进行效益成本分析[1]。由于不同城市的气候、经纬度不同，行道树的种类、冠幅、胸径和成活率也不同，因此生态效益也有所不同。城市道路绿化一方面代表着一个城市、一个国家的精神面貌和绿化质量。另一方面，它也关系到道路交通安全的方方面面。以i-tree模型为主，加上实地调查，根据不同地区行道树不同的生存率来评估生态效益，能够作为后期研究城市道路景观的内容，为城市道路的建设提供更多选择、养护建议，使城市道路绿化景观有较好的发展[2]。

1 城市道路绿化景观的研究背景

1.1 我国道路绿化景观设计的历史

我国的道路绿化历史悠久，道路的造景最早出现在周朝，随着城市的发展，其造型和种类也变得越来越多、越来越个性化。新中国成立后，在城市道路绿化景观的发展中，美观因素尤为重要。人们认为行道树的种植绿化更应该关注观赏价值，故道路绿化没有形成完整的体系，熟知的设计方法都是人们口口相传的[3]。如今，道路绿化建设应该得到全方位发展。在城市道路景观建设的过程中，运用新材料和新技术，根据不同植物的高度进行多层次景观设计，在城市道路中增加基础设施和绿化空间，能够改善城市道路的生态环境。景观小品既能体现城市建设重点，又能体现城市的艺术氛围。此外，城市的道路绿化景觀设计还能展现当地的风土人情，突出地域特色。

1.2 城市道路景观的研究进展

生态系统可以为人类提供生存所需的食物、娱乐和文化等。换句话说，生态系统可以在根本上保障人类在地球上的生活。随着城市化进程的加快，除了人口在日益增长，建筑、道路和机动车的数量，以及城市中化石燃料的使用也在大幅增加，这就造成了城市中空气污染物和二氧化碳排放的增加、水质下降、生态系统退化等一系列负面影响。

鉴于此，对于城市的研究逐渐延伸到城市内部空间，与城市居民的生活越来越密切。而对城市道路景观生态功能的关注，就是探究如何改善城市的内部空间环境，给予城市居民越来越好的生活[4]。过去在道路设计和建设中，主要考虑的是交通功能，而忽略了生态和景观设计这两个更重要的方面。倡导景观道路设计理念，从道路景观设计阶段开始引入生态、景观、人文理念，并满足道路的安全性、运行性、便捷性和耐久性等技术条件。既要满足安全、快速、便捷的道路功能，又要避免景观单调甚至无景观，避免在大填大挖的工程建设中破坏自然环境和植被，从而影响经济的可持续发展。其目的是为驾驶员创造一个保持警惕和兴奋的工作空间，并克服由于单调和沉闷的景观造成的疲劳和注意力不集中，从而导致交通事故。同时，它也能为游客提供一种迷人的、愉快的感觉，让游客享受风景之美。促进区域经济良性循环，也是道路生态景观的重要内容。

值得注意的是，虽然大多数人都认识到城镇化进程势必会给城市生态环境带来一系列不利影响，但尚未找到有效的解决办法来实现双赢，故许多城市只能依靠增加行道树的数量来构建城市景观新面貌。

行道树是城市道路景观的重点，而乔木带来的生态效益远超灌木和其他地被植物，因此，在城市的道路两旁种植乔木，能够利用其遮阴和蒸腾的作用降低周围环境温度，减少城市热岛效应，有效缓解城市的生态环境污染问题。此外，充分利用行道树进行城市道路景观设计能够有效吸收污染物，拦截颗粒物，通过光合作用释放氧气，有效减少空气污染，提高城市空气质量，而城市道路能够减少树叶和树枝表面的雨水径流，由此降低城市中的水污染程度。

2 i-tree模型

2.1 i-tree模型简介

i-tree是美国林业局（USFS）开发的开放获取软件工具。它从物种组成、叶面积和树木健康等方面分析城市绿化的结构，并利用这些参数来评估树木提供的生态系统服务。i-tree可以量化一棵特定的树木或整个城市道路绿化每年消除的常见空气污染物，包括PM2.5。由于i-tree模型对调查结果有严格的把控，所以研究的路段要控制在整条路的10%。为了确保数据更具准确性和代表性，必须根据i-tree模型的手册要求调查行道树，选择主次干道在一百米以上的路段，在较长的路段中，尽可能选择均匀分布的不相连路段。在调查过程中，对选样的路段名称进行准确记录，包括道路的长度和选样路段的宽度等详细数据[5]。同时，需要详细记录该路段行道树的树种名称、胸径、高度、冠幅、树木健康状况、立地条件、种植形式等。

2.2 行道树样段的调查方法

在i-tree模型方面，有专家学者会通过模型来计算成本。运用分析法对行道树的生态效益进行测评，根据成本与利益的对比，在城市行道树种类中选择最适合、最有价值的树种进行培育。与此同时，城市行道树产生的管理成本和生态效益会受其年龄结构的影响[6]。城市行道树树龄结构的理想程度与城市管理者对城市树木的预算分配密切相关。由于树木种群的年龄难以确定，故经常采用使用空间代替时间的办法辅助判断，即用树胸径代替年龄结构进行分析。此外，城市绿地研究的范围不仅包括自然保护区，如森林公园和保护区，还包括城市绿地，如居民区辅助绿地、城市公园和私家花园[7]。

2.3 i-tree模型计算林木

（1）i-tree模型可以评估植物减弱地表径流量的最高值，包括减缓雨水进入地下雨水管网的时间或者从源头减少总地表径流的流量数值。计算截取雨水方面的生态效益，主要是以道路景观的不同气候条件、土壤因素、不同树种为研究依据。i-tree模型评估提供的有关数据，包括对土地的直接工具性影响、地方当局层面的战略以及当地居民对城市道路树木管理的影响等，不同项目所产生的影响程度不同。

（2）利用i-tree模型计算出树种的胸径，对树种的碳储量与碳汇进行有效的评估，树木通过吸收二氧化碳、释放氧气，利用异速方程、转换因子应用，能有效减弱温室效应。目前，气候变化是全球性的难题，二氧化碳排放是诱发气候变化的主要原因之一。一般来说，城市树木可以通过从大气中隔离二氧化碳来减缓全球气候变化，并减少城市建筑的能源需求。在目前对城市道路景观的研究中，主要研究道路景观对碳吸收的影响。研究计算道路绿化的碳储存量，用吸收二氧化碳而释放的氧气含量来计算能够节约的费用[8]。通过此计算方法，计算吸收二氧化碳含量和储存碳含量等的价值。此前的研究发现，由于较大的胸径和较大的叶面积，较大的树木比小树能带来更多的效益。

2.4 道路绿化景观设计的研究理论

城市飞速发展，城市面貌也会发生一定的变化，设计工作人员应该结合城市道路现状进行设计，还要在一定的经验和实践理论指导下进行规划。乔木是城市道路绿化的主要植物。乔木、灌木和地被植物的组合可以达到最好的防护效果和地面覆盖效果。景观层次感逐渐丰富，能更好地发挥作用。

道路生态设计涉及美学、心理学、哲学、建筑学和人文学科的研究领域，是由多种景观元素相互对立、相互作用而构成的动态空间设计，是探索地域、文化、环境、生态和建筑相结合的有机纽带，也是集功能性、实用性和观赏性于一体的综合性景观系统。在城市景观道路中，城市道路绿化是十分重要的部分，应对其开展理论指导工作与设计工作，搜集诸多专家学者的理论研究成果，从不同角度予以指导[9]。

约翰西蒙兹在《景观设计学》一书中重点指出，道路是非常重要的，因为它是人们所处环境要亲身体验的必要环境，在室外交流空间环境中起着非常特别的作用。书中指出，在关于道路景观的设计和规划过程中要遵循开放空间优先（Open Space First）理念，即在道路规划初级阶段，应把道路和别的景观设计融合成整体，摒弃“道路优先、绿地填空”的思想，要掌握好开放空间的尺度和比例，重视道路空间和绿地设计之间的结合，让开放空间变得更具整体性[10]。许多研究学者出于不同的角度提出了不同的观点，针对城市道路景观做了非常多的工作。

3 文献来源

以“i-tree”“行道树生态效益”作为检索词，以读秀为中文数据库，以Web of Science作为英文数据库，共收集331篇中文文献、233篇英文文献。从文献年限、摘要筛选出的关键词，文献的发表时间中可以看出，近三年来，国内外对i-tree的关注度显著提升，且两者文献量呈现出逐年上升的趋势。由此可以得出，基于i-tree的研究属于当下的研究热点。

4 讨论

i-tree模型在城市道路景观绿化上有很大的发展空间，对软件功能加以完善，能够有效扩大用户规模。树冠体积和叶片面积是计算机处理数码相机拍摄的树冠图像获得的，该方法比其他技术（实际叶面积的20%）在估算开放生长树木的树冠体积和叶面积方面显示出更高的准确性。对于20个取样物种，使用线性回归来拟合作为年龄函数的胸径的预测模型。使用最佳拟合模型将叶表面积、树冠直径和高度的预测建模为胸径的函数。收集的地理数据用于i-tree Streets的数值模型，如温度、降水、空气污染物浓度和能源生产的燃料组合。该程序使用这个背景参考城市数据来修改行道树的生长、收益和成本。使用i-tree模型，需要综合考虑不同国家的气候、温度、经纬度，应增加更多的气候条件和树种信息，为世界各地的城市植物生态效益评估提供帮助。

总的来看，如今i-tree模型已在全球广泛应用，对其的研究也成为热点，利用i-tree 模型能够让人们更直观地了解植物信息，以及其为人类作出的贡献。

5 结语

各街道行道树树种均以中、小径阶为主。城市道路产生的管理成本和生态效益受其年龄结构的影响。行道树树种一般以树型高大、冠大荫浓、生长快、树龄长、耐修剪等为主要优势。国外的行道树种类通常比较丰富，单株树种生态效益占总体的比例也比较低，生态景观多样性水平有所降低，这些与城市环境有着密不可分的关系，在景观中，行道树的整体生态效益与非植物因素和植物因素有关。非植物因素包括城市面积、街道密度、道路结构;植物因素包括行道树的树种组成、植物数量、树龄、养护质量。行道树效益较大，主要原因是道路景观的面积较大，街道较多。不同街道的养护情况不尽相同﹐重要街道的树木的养护率较高，补植率较高，因此具有较高的健康质量。保证绿地系统的完整性，能发挥长期且有效的生态效益。

参考文献：

[1] 杨帆航，李瑞敏.美国道路瘦身发展综述[J].城市交通，2017，15（3）：27-35.

[2] 王秀鹭，陈静.道路瘦身策略下的街道设计探讨[J].城市建筑，2020，17（24）：148-150.

[3] 李瑞敏，杨帆航.“道路瘦身”为破解城市难题提供新选项[N].中国交通报，2017-08-02（003）.

[4] 王献，郭英，田朝阳.郑州市道路绿化分析、评价及模式构建[J].中国园林，2017，33（5）：80-85.

[5] 徐文辉，范义荣，蔡建国.杭州市城市道路绿化的初步研究[J].中国园林，2002（3）：28-30.

[6] 姜日忠.生态文明主导下的城市道路景觀营造：以乌兰察布市为例[J].现代园艺，2022，45（2）：94-96.

[7] 许克福，吴泽民，陈家龙.合肥市不同类型城市森林树种多样性比较[J].东北林业大学学报，2010，38 （3）26-30.

[8] 赵印泉，何云晓，周斯建，等.绵阳城市植物分布格局及多样性研究[J].安徽农业科学，2007，35（21）： 6405-6406.

[9] Bellusci F， Palermo AM， Pellegrino G， etal . Genetic  diversity and spatial structure in the rare， endemic orophyte  Campanula pseudostenocodon Lac . （A pennines， Italy）， as a infered from nuclear and plastid variation [J]. Plant biosystems， 2008， 142（1）：24-29.

[10] 郭树煌，李晓鹏，梁龙锋，等.基于 i-Tree模型的湛江市行道树冠层截留雨水效益分析[J].西北林学院学报，2020，35（2）：244-251.

作者简介：孔令云（1997—），女，吉林梨树人，硕士在读，研究方向：风景园林。

胡雪（1999—），女，山东临沂人，硕士在读，研究方向：风景园林。

宋欣怡（1997—），女，山东烟台人，硕士在读，研究方向：风景园林。