沾益区林木树冠覆盖与植物多样性1)

王梦瑶 彭建松 和晓菲 樊昌猛 陈鑫 苗雪

(西南林业大学，昆明，650224)

高速发展的现代化城市不断挤压生态用地，引发一系列环境问题。森林城市具有生物量高、稳定性强、生命周期长、生态效益好等优势，逐渐成为解决城市环境问题的有效途径[1]。然而，森林城市的发展却落后于快速发展的城市化进程，城市绿地植被和相关生态系统服务退化和丧失仍在继续[2]。越来越多的专家学者开始关注城市树木对城市生态系统优化的作用与意义。

城市林木树冠覆盖(UTC)指的是树木垂直投影所覆盖的地表面积，是支持提供生态系统服务健康城市环境的重要组成部分之一。对UTC进行相关性研究，可以衡量森林生态服务能力[3]。通过UTC指标衡量沾益区森林城市的建设效果，为森林城市发展提供新的思路。本研究以沾益区(建成区)森林城市为研究对象，在研究UTC基础上，对城市绿地植物多样性现状进行调查分析，研究该城市绿地植物组成，获得影响城市绿地生态系统功能的植物多样性指数[4]，为城市绿地建设和优化提供科学的数据支撑，使城市绿地的群落配置和植被应用更好地发挥生态效益，实现森林城市可持续发展[5]。

1 研究地区概况

沾益区(建成区)地处云南省东北部，曲靖市中部，占曲靖市9.73%的总面积。地跨东经103°14′～103°29′、北纬25°6′～25°31′，珠江发源于境内马雄山东麓。按全国地貌区划分，沾益区位于滇东高原与黔西高原分界处，均属中山高原地形，气候宜人，资源丰富，具有亚热带、暖温带立体型气候特征。森林资源丰富，特点显著，全区森林覆盖率48%；研究区位于沾益建成区面积15.1 km2，该区域内多生态绿地、农田嵌布，生态环境保持良好(图1)。

图1 沾益区区位

影像数据：基于Ecognition9.0软件，对沾益区(建成区)的遥感影像经过几何校正和大气校正的空间分辨率为0.5 m的全色与多光谱融合影像进行解译。

土地覆盖类型分类：将沾益区(建成区)土地覆盖划分为以下几个类型(表1)[6]，基于Ecognition9.0对研究地区影像数据进行最优分割并解译，根据研究区的特点，得出了不同土地覆盖类型栅格图。

表1 土地覆盖类型分类

植物调查：将研究地区划分为4种绿地类型(LULC)：公园绿地、居住区绿地、单位绿地、道路绿地。通过对沾益区建成区城市总体规划汇总，建成区面积1 510 hm2，绿地面积538.41 hm2，绿化覆盖率40.19%。通过分层抽样选取该区的12个公园绿地、12个单位绿地、13个居住区绿地、12条道路作为样方地点。在Arc GIS平台下，完成了研究区边界矢量化工作，其空间分布如(图2)所示。在实地调查的基础上，在每个典型样地群落中设置样方1～8个，大斑块设置20 m×20 m样方，小斑块设置10 m×10 m样方，对样方内植物进行数据调查，并记录植物种类[7]。

树冠覆盖分级：参照关于斑块粒级和树冠覆盖等级的划分方法[8]，根据研究区树冠斑块面积现状，对树冠覆盖斑块面积进行分级(表2)，将研究区树冠覆盖斑块按规模大小划分为5个等级：小斑块、中斑块、大斑块、特大斑块、巨大斑块。

表2 林木树冠斑块等级

图2 沾益区样地调查分布图

2 研究方法

UTC是指当从空中鸟瞰时，树木的叶片、枝条和树干所覆盖的地表区域[9]。是目前国际上通用的森林城市建设与评价指标，分为现实林木树冠覆盖(EUTC)和潜在林木树冠覆盖(PUTC)两类[10]。EUTC是指现状情况下林木树冠覆盖的土地面积，用于衡量研究区域内林木树冠覆盖的总量信息；PUTC指的是可以用于种植树木但目前还未实施种植的土地区域，一般指裸土地和草地，该指标能够良好的指示后期可用于生态开发和建设的空间规模[11]。

本文采用具有清晰影像的全色历史影像，在对样本的选取上，Ecognition9.0软件在分割生成影像对象的基础上，选择影像对象多边形样本，并提供了多种公开透明的分类方法，可以进行分类结果精度评价功能，总体精度最理想时可达到90%以上。因此使用Ecognition9.0进行解译，对沾益区(建成区)林木树冠覆盖提取，根据研究区的实际情况，对不同土地覆盖类型的提取参数进行了分析，得出了6类土地覆盖类型(表1)。基于Ecognition9.0软件，利用多尺度分割算法和最邻近分类法处理[12](图2)，对已提取的全色历史高清影像进行了分析，通过对分割参数(尺度、颜色、紧致度等)的不断调整，多次试验后得到最优分割参数(表3、图3)。

图3 最优分割参数图

表3 最优分割参数

参考文献[13]计算植物多样性。

Simpson指数(P)计算公式为：

(1)

式中：S为植物数;Pi为树种i的个体数占群落中总个体数的比例。

Shannon-Wiener指数(H)计算公式为：

(2)

式中:n为种的总和；i为样方中第i种植物所占的比例。

Pielou均匀度指数(J)计算公式为：

J=H/InS。

(3)

式中:H为Shannon-Wiener指数;S为植物数。

Margalef丰富度指数(R)计算公式为：

R=S-1/InN。

(4)

式中:S表示总植物数;N为所有植物的个体数。

3 结果与分析

3.1 UTC总体分析

UTC类型。根据前期使用Ecognition9.0软件对影像数据的解译，将收集的沾益区(建成区)各类资料进行汇总，通过分类法，对各类用地数据进行整合(表4)。

表4 沾益区土地用地类型分布

通过对上述表4的统计，林木树冠覆盖面积4.33 km2，树冠覆盖率28.68%，其中公园绿地24个，公园绿地面积1.58 km2，公园绿地的林木树冠覆盖率相对于其他绿地类型较高，斑块面积较大；居住区、单位附属绿地低于平均水平，其树冠覆盖率有待提高；道路绿地已经初步形成林荫道路，林荫道路率占比相对较高。

从图4可以看出，城市林木树冠覆盖率主要以玉林公园、玉林广场等公园绿地为主，说明公园绿地内的植物树冠覆盖比其他类型绿地树冠覆盖较高，公园绿地对林木树冠覆盖的贡献大，覆盖面积较大，有较高的树冠覆盖率。随着城市化进程加快，研究区用地面积不断扩张，裸土地在将来会被改造成不透水面等其他建筑用地，存在生态环境退化、自然资源匮乏等问题，因此对潜在树冠覆盖的开发是今后增加林木树冠覆盖的最主要途径[14]，在建设过程中优先选用具有高生物量和长生命期的乡土树种，充分发挥生态效益，使林木遮荫和绿化效果最大化；大规模对草地的利用为公园绿地，草地对居民区与单位附属绿地来说，不会产生较高的生态效益，因此在未来的森林城市建设中应避免大片的草地[15]。通过将生态文明、绿色城市、可持续发展等有效结合，能够有效提升该区森林城市的建设。

图4 沾益区土地利用分布图

UTC空间布局。通过卫星图像对森林城市的树冠覆盖类型进行提取和解析(图5)，结果表明，研究区的现实林木树冠覆盖分布存在着显著差异，林木树冠覆盖面积主要存在于玉林公园、玉林广场、西河公园等公园绿地，公园绿地斑块聚集程度较高，其斑块面积和形态呈现出多样性，且树冠覆盖面积较大；小游园、社区广场等公园绿地的树冠覆盖斑块分布较为分散，空间布局呈现以玉林公园为中心向四周逐渐递减的趋势；研究区随着城市化的迅速发展推动了城市生活空间的日益扩大，生态环境受到严重冲击，造成城市绿地面积的下降，居住区绿地、单位绿地内的绿化与市政设施等大量建设，造成城市绿地的分割与破碎，在降低城市绿地覆盖率的同时，使其形态逐渐规则化；城市道路绿地建造了"生态走廊"，划分规则、形状简单的绿化区域，使其相互连接，并强化了与其他县区及周边绿化的联系，从而维护城市生态平衡、改善城市环境、提升生态效益[16]，达到建设森林城市的最佳效果。可增加的潜在树冠覆盖中主要分布(图5)在少数公园绿地内、部分居住区绿地与道路绿地，其中居住区绿地斑块数量较大，表明该区目前部分居住区绿地的树冠覆盖程度较低，在今后的发展潜力中有较大增长。

图5 沾益区林木树冠覆盖空间分布

UTC斑块分布。通过UTC斑块研究发现(图6)，不同树种的树冠覆盖斑块面积及斑块的数目构成显著的差别，建成区内绿地系统中大斑块起到控制性作用，面积占比最大，可以为沾益区(建成区)建立起一道生态屏障；斑块数量构成主要是以小斑块组成，斑块数量约占总数量的46.26%，在整个城市绿地中起到较大的辅助作用[17]，通过(表5)可以看出，林木树冠覆盖面积和数量的分布有显著差别，沾益区的小、中、大斑块表现出了以玉林公园为中心的内聚性，并向外辐射，城市的生态用地态空间日益压缩，可利用绿地面积相对有限，两极分化现象较为明显，绿地斑块的数量没有随着斑块面积的增加而增大，说明小中型斑块较为破碎[18]。通过研究表明，该区域特征为在大斑块中，树冠覆盖的斑块面积数量少，在小斑块中，树冠覆盖的斑块面积数量较多，居住区绿地和单位绿地树冠覆盖面积相对较小，树冠覆盖斑块在空间上分布相对分散，小斑块占据了相对优势，该区在资源紧缺的情况下，添加小斑块的城市绿地如小游园等，加强了不同斑块间的沟通与联系，并为生物营造了相对良好的栖息环境。

图6 沾益区林木树冠覆盖斑块等级分布图

表5 沾益区林木树冠斑块类型等级

3.2 植物多样性

植物组成。本研究根据野外样地调查以及前人对沾益区植物的研究统计，共调查植物173种，隶属60科，107属，其中乔木101种，灌木72种，乔木种类较为丰富，主要以常绿植物为主；乔木主要的优势树种(前五)有香樟(Cinnamomumcamphora)、滇朴(Celtistetrandra)、桂花(Osmanthusfragrans(Thunb.) Lour.)、乐昌含笑(Micheliachapensis)、银杏(GinkgobilobaL.)；灌木的主要优势种(前5)为海桐(Pittosporumtobira)、紫叶李(Prunuscerasifera)、紫薇(Lagerstroemiaindica)、南天竺(Nandinadomestica)、红花檵木(Loropetalumchinense)。

乡土树种41科，63属，109种，其中乔木67种、灌木42种，乡土树种使用率达63.01%。乔木使用频率最多的是香樟(Cinnamomumcamphora)、滇朴(Celtistetrandra)等树冠覆盖面积大，能够形成茂密的绿荫，并且具有很好的适应性，同时能够在四季中表现出不同的植被景观。灌木树种的使用主要以紫薇(Lagerstroemiaindica)、海桐(Pittosporumtobira)等。该区的树种资源十分丰富，特有现象相对明显，中国特有属的种类数量较多，侧面反映了乡土树种的优势，提高乡土树种的数量有助于提高和保护植物的多样性。

树种应用频度。公园绿地内的植物数高于其他绿地类型的植物数，植物种类较丰富(表6)。植物种类丰富度高，拥有良好的生态环境可以为植物提供适宜生长的条件，可以最大限度发挥植物的生态效益。不同类型绿地中乔木与灌木树种应用频率最高的为公园绿地，其绿化面积较大，设计植物的种类丰富、拥有良好的景观视觉效果。在树种选择时，选用树冠覆盖大的树种；居住区绿地中营造不同的空间感，选用大乔木树种，如香樟(Cinnamomumcamphora)、滇朴(Celtistetrandra)、桂花(Osmanthusfragrans(Thunb.) Lour.)等。

表6 沾益区不同绿地类型植物分布

植物多样性指数。通过对不同绿地类型中植物多样性指数进行计算分析得到结果(表7)，并与其他城市植物多样性指标的研究对比[19]，发现该区不同类型绿地内植物资源较为丰富，不同类型绿地的功能不同，导致其植物多样性发生变化，并存在差异性[20]。公园绿地受人为干扰程度较小，在各项指数中处于较高水平，证明了公园绿地是城市绿地植物多样性中的主要组成部分，这与Peihao Song的观点是一致的[21]，公园绿地中乔灌草种类较多，植物多样性程度较高，其中Pielou指数离散程度相对较大，可能是因为不同的公园绿地植物群落构成存在一定的差异，导致了群落乔木层、灌木层植物物种搭配存在差异[22]；单位绿地植物多样性指标离散度较低，说明4个指标在空间上的分布较为集中，其面积较小，缺少绿化空间，使用过多的植物品种，造成了景观内部相对拥挤；居住区绿地中乔灌草大多是人为选配，Simpson指数与Pielou指数变异性较小，说明其指数分布比较集中，而Margalef丰富度指数具有较大的离散程度；道路绿地中各个指标相对较低，规则分段式的设计，导致行道树植物种类单一，人为的因素使道路绿地的植物的丰富度、多样性和均匀度受到不同程度的影响，该类型绿地植物多样性在今后建设中应该重点关注。

表7 沾益区不同绿地类型植物多样性指数

植物多样性指数空间分布。通过对植物多样性指数空间分布进行研究(图7)，4种绿地类型在空间分布模式上没有显著差异，也无规律性，在各个绿地类型上都存在着不同的植物多样性，主要是因为该区建成区面积较小，植物的多样性主要集中在不同绿地类型上；由于城市绿地的特殊性，导致植物多样性会随着城市化的发展而提高，森林城市在植物的搭配和选择上受到了人为干扰，所以不同绿地类型和地理位置等人为因素的作用下，植物多样性会呈现出差异性。因此，在选择植物时，加大对乡土树种的利用，多选用近自然的配置方法，形成“乔灌草”复合结构[23]，以保持植物群落的稳定性。

图7 沾益区植物多样性指数空间分布

3.3 林木树冠覆盖与植物多样性

树冠覆盖率与植物多样性。运用Spss软件进行Spearman相关性分析结果显示(表8)：树冠覆盖率与Simpson指数、Shannon-Wiener指数、Pielou指数之间存在着正相关关系，但不显著；树冠覆盖率与Margalef丰富度指数之间存在着负相关关系，但不显著。可能是因为是植物资源丰富的区域更容易栽种大冠幅的乔木，从而增加了林木树冠覆盖率，也有一方面原因是植物资源丰富的区域面积比较大，可以让植物有更好的生长空间。

表8 树冠覆盖率与植物多样性的相关性

树冠覆盖率与其他影响因素。乔木和灌木在不同绿地类型中空间分布不均匀，乔木较多的绿地类型拥有较高的林木树冠覆盖率，所以在不同绿地类型之间林木树冠覆盖率存在显著差异(图8)。公园绿地为了供游人观赏休憩，使用树冠较大的树种，树冠覆盖率较高；单位、居住区绿地，人们对树木的功能偏好会造成不同的林木树冠覆盖；道路绿地选择具有一定抗污染、减噪声、除尘等功能的植物，定期修剪树冠的大小为了避免遮挡司机的视线，所以即使在相同的植被类型下，不同的绿化功能与人为管理会对林木树冠覆盖产生一定的影响。

图8 沾益区树冠覆盖率空间分布

通过Spearman相关性分析结果显示：树冠覆盖率与平均胸径存在不显著负相关关系(-0.021)，与平均株高存在不显著正相关关系(0.046)，通过研究证实了Conway et al.[24]的观点，影响树冠覆盖率的主要原因可能是树冠的大小，采用大树冠的乔木，不论其分布是否合理，不同绿地类型均可能存在有较高的树冠覆盖率。

4 讨论与结论

调查结果表明，沾益建成区现实树冠覆盖率为28.68%，潜在树冠覆盖率为9.5%，潜在树冠覆盖面积为1.44 km2，其中草地0.42 km2、裸土地1.02 km2，可达到最大树冠覆盖率理论值为38.18%[25]，潜在树冠覆盖的裸土地与草地应成为未来提高森林城市树冠覆盖面积的重点类型[26]。在空间布局上，公园绿地树冠覆盖高于其他类型绿地，不同类型绿地树冠覆盖面积随着玉林公园为中心，呈现出“中间高、四周低”的分布特征。UTC的各个斑块有机结合，维护了城市生态平衡、改善城市环境、提升生态效益，使树冠覆盖斑块得到有效优化。

从植物多样性指数看，研究区内植物多样性较为丰富，所调查样地的Shannon-Wiener指数平均值为2.02，多样性指数水平较高，表明该建成区在植物多样性保护方面相对较完善。不同类型城市绿地的Margalef丰富度指数由高到低表现为公园绿地、居住区附属绿地、单位附属绿地、道路绿地；各个类型绿地中Pielou指数最高的是居住区绿地，公园绿地内植物多样性较高。不同类型绿地内植植物类和群落结构的分布因地而异，道路绿地植物多样性较低，植物应用比例单调，大量树种为人工的设计与栽培，导致相同树种的树冠覆盖率不同。城市化的快速发展、人为干扰等造成一定的植物同质化，与城市的人工生境有相关性，适宜在本土生长的群落没有形成稳定的生态系统[27]，在今后森林城市建设中，尽量保留自然或半自然群落，营造“乔灌草”复合群落，保持植物的多样性，提升植物的丰富程度；建立生态体系、扩大绿地斑块、调整景观格局[28]，提高林木树冠覆盖率。

城市绿地作为森林城市的主要组成部分，改善了人们的居住环境，为城市生态系统提供了重要的物质基础，林木树冠覆盖和植物多样性对森林城市生态系统的稳定性和功能性起着至关重要的作用。将其作为发展森林城市的新概念及其衡量方式将有助于促进森林城市的发展，最大限度地发挥城市内植物的生态效益，对建设森林城市、改善城市环境具有重要意义[29]。

从研究结果看，沾益区的绿地空间形成了相对稳定的林木树冠斑块，城市绿地具有很大的发展空间，其中公园绿地树冠覆盖率较高，应加强建设其潜在树冠覆盖的裸土地与草地，增加公园片林数量，使植物分布均匀、植物群落相对稳定；居住区绿地要保护现有树种，适当增加其他树种，对植物群落形态进行优化；单位绿地林木树冠覆盖率相对较低，应丰富植物的种类，避免重复种植；道路绿地中植物种类较少，优化该绿地的植物景观，加强对乡土树种的使用频率，建设“乔灌草”相结合的森林城市景观廊道[30]。沾益区(建成区)内城市绿地树冠覆盖斑块分布不均匀，高速发展的城市化使部分居住区绿地和单位绿地树冠斑块破碎化严重，导致生物多样性被破坏，从而使绿地连通性、城市生物多样性下降[31]，应优化城市绿地斑块空间分布，提高其不同斑块之间的连通性。

通过调查样地植物共173种，隶属60科，107属。不同类型的城市绿地植物多样性相差较大，其中公园绿地的Simpson指数与植物丰富度指数较高(0.91、3.87)，单位附属绿地Pielou指数与Shannon wiener指数水平较低(0.59、1.65)。在现有条件下，加大对植物的管理保护，提高植物复合结构在群落中所占的比例。乡土树种植物群落的稳定性，使城市生态系统的平衡和美化环境的作用日益受到关注，进一步优化城市绿地的植物多样性布局，将成为森林城市的植物多样性保护的重要内容[32]。树冠覆盖率与Simpson指数、Pielou指数、Shannon-Wiener指数、Margalef丰富度指数、平均胸径、平均株高之间存在不显著相关关系，不同树种的树冠大小对树冠覆盖率有影响。通过对城市绿地的树种进行合理搭配，可以有效提高城市林木树冠覆盖率，研究其相关性将有助于布局合理的绿化空间，提高城市生态系统的服务功能，使城市绿地得到优化，为森林城市的发展提供了科学依据。