塞罕坝机械林场生态景观林空间结构对夏季景观质量的影响

张菲,李玉灵

(1河北省塞罕坝机械林场，河北 围场068466；2河北农业大学 林学院，河北 保定 071000)

森林是自然界的重要组成部分，被人们称为“地球之肺”[1]。同时，森林景观也是自然风景的重要组成部分，是不同森林生态系统类型在一定地域内的聚合[2]。近年来，随着社会经济的快速发展，人们的审美情趣也逐步提升，因而对森林景观美学功能的需求也不断提高，这不仅是因为它有美丽的风景，还因为生态景观林一般都位于偏远的深山之中，林内空气清新，负氧离子含量高，良好的环境十分有利于人们身体健康[3]。但过去几年，大多数林场在森林经营过程中都以培育用材林为主，而对于生态景观林的研究，特别是景观的空间结构与美学评价对生态景观林影响研究并不多[4]。景观空间结构对景观功能起载体作用，对生态景观林的景观质量具有重要影响。游客是决定景观质量高低的主体。一般夏季森林内颜色以绿色为主色彩，颜色较单一，此时空间结构对人们的吸引力高于颜色，所以夏季林内颜色对森林景观质量的影响较空间结构对景观质量的影响偏低，重点在于林内空间结构。因此，提升森林景观质量就需要改善林内的空间结构，例如：提高林下整齐度、修剪枝下高、改善林内透视距离与垂直结构层次，从而改善林内环境，提高对游客的吸引力。

美景度评判法(Scenic beauty estimation method，SBE法)，由评价者的审美尺度和景观本身特征这2个方面来决定其评价结果[5]。目前，应用 SBE 法进行评价研究的景观森林主要是环城林带、风景游憩林、森林公园等景观的林内景观[6-8]。SBE法的优点是操作较为简单，可以降低评判者个体差异产生的影响，大小样本均可应用[9]。它的主要思想是将景观与审美的关系理解为刺激与反应的关系[10]。王彦苏等运用SBE法对重庆市中央公园植物进行评价分析，最终找到最佳的植物景观[9]。史尚睿、郑宇、沈雯等也运用过此类手段来评价森林景观质量[11-13]。由于方法具备心理物理学深厚的理论基础支撑，得到众多学者的关注和认可[14]。

塞罕坝机械林场同时也是塞罕坝国家森林公园，是国家AAAA级旅游区。一到夏季游客众多，为了提高该地区生态景观林质量，通过研究人们对林内垂直结构、透视距离、林下整齐度、树干形态与枝下高等指标偏好程度，以便为打造更美好的生态景观林提供科学指导，让生态景观林不仅具有生态效益，也兼具景观效益，满足人们对美好生态环境的追求。同时研究林内垂直结构、透视距离、林下整齐度、树干形态与枝下高和美景度值的关系，对林场的转型和森林景观旅游事业均有促进作用。

1 研究区概括

塞罕坝机械林场位于河北省最北部，冀蒙交界地(E 116°51′ ～ 117°39′，N 41°02′ ～ 42°36′)，毗邻北京、天津、内蒙，地处内蒙古高原南缘和坝上山地，地势分为坝上和坝下2部分，海拔在1 010 m～1 939.9 m。面积9.33万hm2，森林覆盖率82%，是国家AAAA级旅游区。塞罕坝机械林场极端最低气温-43.3 ℃，最高气温33.4 ℃，年均气温为-1.3 ℃，可长达7个月年均积雪，年均无霜期64 d，年均降水量460 mm，年均大风日数53 d，是寒温性大陆季风气候。灰色森林土棕壤土、沼泽土是其主要土壤类型。因其处于森林-草原交错带，有多种植被类型。针叶树种主要有落叶松(Larixgmelinii)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、华北油松(Pinustabuliformis)、云杉(Piceaasperate)，阔叶树主要为白桦(Betulaplatyphylla)、山杨(Populusdavidiana)等；林内灌木主要为稠李(Padusracemosa)、山丁子(Malusbaccata)等。

2 研究方法

2.1 样地设置与调查

2020年7-8月进行样方的设置与调查，在河北省塞罕坝机械林场总场三乡林场生态美化技术示范林踏查和对比分析后，确定选择小塔拉腰子、塞罕塔下、盘坡道2号、石柱子沟4地，样地面积统一为 20 m×30 m，形状为长方形，按定量、完备、详尽的原则构建林内景观指标体系。共调查7个指标，包括平均树高、第一活枝高、乔木优势树种、垂直结构、透视距离、林下整齐度和枝下高与株高。样地基本情况，如表1所示。

表1 样地基本概况Table 1 Basic overview of sample sites

2.2 林内景观因子调查

在样地调查后，进行样地拍摄。为了将森林景观的美学特性真实地反映出来，在进行景观评价时使结果更具科学性，各类景观之间更有可比性，以100 m×100 m为确定样方位置，并对林内景观进行拍照。所有样地在9:00-15:00时间段内进行拍摄，并且尽量选择在天气能见度高的时候，晴天即可。此外，拍摄过程中避免其他非林分因子出现而影响评价结果，如人、野生动物、仪器设备、道路等。拍摄时，镜头应和眼睛位置同高，保持直立状态，如在山坡，坡面应和镜头方向保持平行。样地不同，在对每块样地进行拍摄时选择同一相机，同一焦距进行横向拍摄。从光照条件一致的角度出发，选择4张能代表该类景观的照片进行比较。

2.3 林内空间指标评价

对林内垂直结构、林下整齐度、透视距离、枝下高与株高比值4个指标进行评价。将0分以上出现频数进行求和，统计频数，计算频率。计算公式如下：

(1)

式中：i为指标，f为频率，cf为累计频率。

2.4 获取美景度值

美景度评价法(SBE法)的景观评分方式采用问卷调查的方式，评价者对选定的景观照片进行线上问卷打分。选择“ 喜好度”作为衡量指标，分为7个评分标准，定义7分值为：极不喜欢、很不喜欢、不喜欢、一般、喜欢、很喜欢、极喜欢,分别对应：-3,-2,-1,0,1, 2,3。对处理的照片进行评价打分，见表2。

表2 美景度评价反应表得分值Table 2 Scoring values of the beauty evaluation response table

选择73名林学与生态学相关专业的本科生与研究生进行评价。相关研究表明不同群体或文化背景的评判者之间的审美态度方面均具有一致性，总体上为正态分布[15-16]。

应用所得数据对美景度值进行标准化，具体处理方式为：按评分值的大小顺序统计各等级的频率f,计算累积频率cf,将累积频率除以评判者总人数得累积概率CP,根据累积概率查正态分布单侧分位数值z,计算z的平均值。其公式为：

(2)

SBEi=(MZi-BMMZ)×100

(3)

式中：MZi为照片i的平均Z值,m为评分值的等级数,CPik为评判者给予照片i的评分值为k或高于k的频率，f(CPik) 为累积正态函数分布频率(查找正态分布单侧分位数值) ,SBEi为照片i的美景度值,BMMZ为随机选取的对照景观的Z值。

2.5 数据统计分析

应用软件SPSS 21.0进行数据的处理与分析，对空间结构指标进行差异性分析，Excel绘制柱状图。对美景度值进行标准化计算，找出影响林分美景度的指标，进行相关性分析。

3 结果与分析

3.1 林分结构因子间的比较

林分空间结构指标比较，见表3。

表3 各指标零分及其以上频数结果Table 3 Frequency results of each index with zero score and above

由表3可知，(1)垂直结构是影响景观质量的重要指标，垂直结构主要是由乔木、灌木与草本组成。乔灌草的生活型具有明显层次对比，将植物搭配在一起后，有很强的秩序性，层次清晰，景观视觉质量较高。对4个样地的垂直结构指标进行问卷调查、统计计算、对比分析各样地喜欢的人数，喜欢塞罕塔下林内垂直结构的人数与其他3块样地有明显差异(P<0.05)，小塔拉腰子与石柱子沟样地差异性并不显著(P>0.05)，但与盘坡道2号样地有显著差异(P<0.05)。通过本地调查发现，盘坡道2号和石柱子沟样地植物生活型为乔、灌型，草本植物几乎不可见，林分垂直结构呈乔、灌结构，塞罕塔下样地与小塔拉腰子样地植物生活型为乔、灌、草型，呈乔、灌、草垂直结构。塞罕塔林内垂直结构完整，乔、灌、草结构层次清晰，带给游客结构整齐的观感。因此，喜好塞罕塔林内垂直结构的人比较多。

(2)林下整齐度主要受灌木、草本与林内枯枝的影响，对林分整体景观评价产生影响。人们往往对较为整齐林内景观和整齐的枝条美景度感到心情愉悦；而对杂乱的枝条有较低的景观喜好度，美景度最低。此外，草本与灌木参差不齐，通常给人们的视觉感受是“杂乱”“荒凉”，从而会降低人们对林内景观的喜好程度。统计各样地林下整齐度评分高于0的累计人数，对比评价者对4块林地林下整齐度的喜好程度，塞罕塔、小塔拉腰子、石柱子沟、盘坡道2号4块样地均有显著差异(P<0.05)，喜好塞罕塔样地林内整齐度的人数最多。盘坡道2号林下整齐度差，草本与灌木杂乱；石柱子沟样地灌木聚集分布，草本高度较为统一；而小塔拉腰子与塞罕塔样地林下灌木随机分布，草本高度统一，林分整齐度较高。结果表明，人们对4块样地的整齐度的接受程度不一，对塞罕塔下的林内整齐度接受程度较高。因为该地为景点，林下植被修剪周期短，其他3块样地在道路两旁，植被的修剪周期长。

(3)林内透视距离是指人的视觉在林内可达到的最远距离，受灌木与草本的高度、乔木枝下高的影响。通常来说，灌木与草本株高较高，乔木枝下高较低，林内透视距离较低，相反林内透视距离则高。对比分析评价者对4个样地之间的林下整齐度指标喜好程度的差异性，喜欢塞罕塔下样地透视距离的人数与其他3块样地有显著差异(P<0.05)，小塔拉腰子与盘坡道2号、石柱子沟样地差异性显著(P<0.05)，但盘坡道2号与石柱子沟样地无显著差异。这是因为盘坡道2号与石柱子沟灌木生长旺盛，林内透视距离<1倍树高，严重影响人们观赏林内景观。塞罕塔为落叶松纯林，林内透视距离为5～8倍树高，人们在林内可以观赏到整个林分的景观，此外，林内景观的可达性较高，进而增加人们对塞罕塔样地林内景观的喜好程度。盘坡道2号与石柱子沟样地林内透视距离分别为低于1倍树高和1倍树高，人们对其内景观的接收程度较低，严重影响人们对林内景观的观赏，此外，透视距离小，给人们带来压抑的视觉感受，也会影响人们的观赏体验。

(4)枝下高是指树冠以下树干的高度，枝下高一方面影响林内透视距离，另一方面影响林内景观美感。枝下高过高，树干显露过多，给人突兀的感觉；枝下高过低，人们看不到树干，没有树木的形体感，林内美感降低。

根据4块样地的林分类型，计算样地内乔木枝下高与株高的比值，统计分析各样地间的差异性。盘坡道2号样地枝下高与树高比值显著低于其他3块样地(P<0.05)，其他3块样地间无显著差异(P>0.05)。主要原因是盘坡道2号乔木为阔叶树，其他样地内均有针叶树落叶松。盘坡道2号样地的主要树种为白桦与楸树，这2种树为阔叶树，没有明显树干，自然修枝不明显，枝下高较低，落叶松有明显树干，自然修枝明显，枝下高较高。石柱子沟样地比值最高，说明其内活枝下高较高，冠层明显，对垂直结构层次有一定的凸显作用。盘坡道2号比值最低，其内活枝下高较低，冠层较薄，林内垂直结构较差。

3.2 林分美景度比较

进行美景度评价时，随机选取塞罕塔下样地照片做对照，得到BMMZ(标准Z值)值为1.515 95，计算4个样地美景度值并应用SPSS进行数据分析整理，4个样地的平均SBE值从大到小排列顺序为塞罕塔、小塔拉腰子、石柱子沟、盘坡道2号。这表明人们对塞罕塔样地接受程度较高，小塔拉腰子次之，然后是石柱子沟，人们对盘坡道2号样地景观接受程度最低。用SPSS软件分析发现，4个样地间SBE值差异性均显著。美景度价值表，见表4。

表4 美景度评价值Table 4 Aesthetics evaluation value

由表4可知，以样地指标评分>0的累计人数为横坐标，SBE值为纵坐标制作散点图，在SPSS中进行曲线估计，由于美景度值存在负值，所以拟合的曲线中无法计算S模型、增长模型、指数模型、对数模型和幂模型, 仅剩下线性、二次项与对数函数。多种曲线拟合估计结果，见表5。

表5 多种曲线拟合估计结果Table 5 Multiple curve fitting estimation results

由表5可知，线性、二次项与对数函数3种曲线拟合后的R2均为二项式函数最高，垂直结构、整齐度、透视距离、活枝下高与树高比值的R2分别为0.975、0.999、0.529与0.974。由表中的曲线估计结果对数据进行曲线拟合，各结构指标与美景度之间均存在二项式函数关系，为了探究各结构指标与美景度值间的模型关系式，进而对数据进行曲线拟合。

各指标与美景度的函数关系，见表6、图1。

表6 各指标与美景度的函数关系Table 6 The relationship between each indicator as a function of the degree of beauty

图1 SBE值与林分空间结构指标散点图Figure 1 Scatter plot of SBE values and spatial structure indicators of forest stands

由图1可知，美景度值与评价者对垂直结构喜好程度存在二项式函数关系，然而试验结果中，垂直结构零分及其以上评分频数在35～70之间时，美景度值随频数的增加而增加。林下整齐度零分及其以上评分频数在25～55之间时，美景度值随频数的增加而增加。林内透视距离零分及其以上评分频数在40之后，美景度值随频数的增加而增加；频数在40之前，美景度随频数增加而减少。林分枝下高与株高比值和SBE值也存在二项式关系，SBE值0.5～0.6之间存在1个峰值，此时人们接受程度最高，因而枝下高与株高比值过大或过小都会影响SBE值。

塞罕塔样地的林下整齐度、垂直结构、透视距离的频数最高，且其活枝下高与株高比值也在0.5～0.6之间，其美景度值最高。结果表明，人们对结构层次明显，植被整齐，透视距离较远的林内景观喜好程度较高。

4 讨论与小结

4.1 讨论

林分垂直结构在乔木、灌木和草本相互交应时，对侧柏景观林、森林公园以及滨水植物的研究均发现林内结构层次丰富，植物生活型多样性高，植被有秩序的搭配在一起，层次清晰，可以提高景观质量[17-23]。本研究结果与其一致，塞罕塔样地生活型均为乔、灌、草型，林内群落结构层次分明，错落有致，塞罕塔样地垂直结构零分及其以上评分频数最高，其美景度值也最高。由此可见，林地内垂直分层明显，林内景观错落有致，能够提高林内美景。大量研究表明，森林疏于管理，林下植被杂乱会给人以“荒凉”“凌乱”的感觉，使人缺乏安全感，导致林下层视觉接受度低，削弱评判者对景观的喜好，导致景观质量评价低[24-27]。研究结果与之相同，林下整齐度与美景度值存在正相关的线性关系，即林下整齐度越高，林内美景度越高。整洁的林内环境，对游客的吸引力高。此外，其供游客游玩休憩的空间较多，人们的喜好程度高。

李翠翠发现人们对不同透视距离的侧柏林和油松林的喜好程度不同，油松林内透视距离为数倍树高时，油松林美景度值最高；侧柏林以1倍树高时的美景度值最高[1]。还有相关研究表明，林内透视距离过高，不利于人类对森林环境的感知[4,28]。本研究与之不同，发现人们对透视距离大的林分喜好程度较高。因为塞罕坝机械林场多为人工林，林木排列整齐，塞罕塔与小塔拉腰子样地的灌木随机分布，林内透视距离5～8倍树高，游客能全面的观赏林内景观。由此可见，研究的生态景观林类型不同，人们对其喜好程度不同。枝下高与株高比值，因树种有别，落叶松林活枝下高保持在0.5～0.6之间，相对美景度较高，其他研究有类似结果[1,26]。

垂直结构、林内透视距离、林下整齐度、枝下高与树高比值并不是相互独立的指标，4个指标间相互联系，综合影响人们对林内景观的喜好程度，例如：枝下高与树高比值大时，树冠大，垂直结构不明显，透视距离也会受到影响。但是各指标之间的关系并不是线性关系，与人们的心理活动相关。因此，确定4项评价指标是如何影响美景度值的这一问题有待解决。

SBE法从宏观的景观美感出发，因而主观性较强，本研究通过大众美景度评价时，只选择了林学、生态学等专业学生，没有考虑到旅游方面的受众群体，还需进一步研究[24]。

4.2 结论

林内景观质量评价对林场的经营和管理有重要意义，而林分空间结构的研究对生态景观林景观质量有重要影响。以塞罕坝机械林场落叶松纯林与落叶松-白桦混交林为研究对象，选取了16张最具代表性的照片，采用美景度评价(SBE)法以美景度作为景观质量指标，通过探究林分空间结构对林分夏季近景的景观质量影响，进而为塞罕坝生态景观林夏季景观经营技术提供依据。

(1)林内垂直结构越完整，林下整齐度越高，人们的喜好频数越高，美景度越高。

(2)林内透视距离与美景度值存在明显的二项式关系；林内透视距离高于1倍树高时，美景度值随透视距离增加而增加。

(3)林分枝下高与株高比值和美景度值存在二项式关系，林分枝下高与株高比值在0.5～0.6时，美景度值存在1个峰值，此时人们接受程度最高。

人们对林内垂直结构、透视距离、林下整齐度、树干形态与枝下高等指标偏好程度为打造更美好的生态景观林提供科学指导，对林场的转型和森林景观旅游事业有促进作用。