哈爾濱市城市森林三維綠量及生物量測(cè)算﹡

吳 磊,李明澤,祝 寧

（東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040）

城市森林是城市生態(tài)的重要組成系統(tǒng)，在凈化空氣，調(diào)節(jié)氣候，涵養(yǎng)水源和保護(hù)生物多樣性等方面具有重要的生態(tài)功能。城市森林的生態(tài)環(huán)境效益不僅取決于樹種、覆蓋面積,還取決于空間結(jié)構(gòu)以及植被的生長(zhǎng)狀況,其中城市森林的三維綠量與其初級(jí)生產(chǎn)力和生態(tài)環(huán)境效益密切相關(guān)。三維綠量,簡(jiǎn)稱綠量,是指所有生長(zhǎng)中植物莖葉所占據(jù)的空間體積,單位一般用立方米表示,是城市綠化指標(biāo)體系的第一立體指標(biāo)。

三維綠量作為綠化指標(biāo)突破了原有二維綠化指標(biāo)的局限性,針對(duì)不同植物種類、不同城市森林結(jié)構(gòu)間差異,以植物占據(jù)的綠色空間體積作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),使城市森林綠化指標(biāo)由二維向三維邁出了重要的一步。三維綠量指標(biāo)可以更加準(zhǔn)確地反映城市森林空間構(gòu)成的合理性和生態(tài)效益水平,有助于準(zhǔn)確地描述城市森林的空間結(jié)構(gòu)和定量研究城市森林與環(huán)境的相關(guān)關(guān)系。

1 研究地概況

哈爾濱，位于東經(jīng)125°42′～130°10′，北緯44°04′～46°40′，全市土地面積5.31萬(wàn)平方公里，其中，市區(qū)面積7086平方公里，三環(huán)內(nèi)主建城區(qū)面積331.21平方公里。哈爾濱市年平均溫為3.6℃，全年有5個(gè)月的時(shí)間月平均氣溫在0℃以下。夏季暖濕，7月份月平均氣溫為22.8℃，受大陸性季風(fēng)氣候影響，哈爾濱氣溫日較差和年較差都很大，日較差多在4～13℃之間，年較差達(dá)42.2℃，且春季升溫快，秋季降溫亦快，春溫略高于秋溫。受城市熱島效應(yīng)影響，哈爾濱城區(qū)氣溫明顯高于郊區(qū)。近十年來，城區(qū)的年平均最低氣溫比郊區(qū)高2.7℃。其中7月份高3.0℃，1月份高4.2℃。

哈爾濱1951～1980年年平均降水量為523.3mm，降水量年內(nèi)分配不均勻，1月份平均僅3.7mm,7月份平均達(dá)160.7mm。哈爾濱四季之間降水量差異甚大，以夏季（6～8月）降水最為集中，其量多在330mm左右，約占全年降水總量的64%～65%；春、秋兩季降水量相近，秋季（9～10月）稍多于春季（4～5月）；冬季（11～3月）總降水量只有30mm左右，僅占全年總降水量的5%～6%。哈爾濱降水量的年際變化很大，呈不穩(wěn)定型,年降水變異系數(shù)為0.19。年內(nèi)各時(shí)段的變異系數(shù)以農(nóng)作物生長(zhǎng)季（5～9月）最小（0.20），夏季（6～8月）偏?。?.23），秋季（9～10月）最大（0.41），冬、春季略大。在80%保證率條件下，哈爾濱年降水量為418mm，生長(zhǎng)季（5～9月）降水量為351mm。受城市小氣候影響，哈爾濱城區(qū)、郊區(qū)的降水量、降水強(qiáng)度都略高于周圍地區(qū)［3,4］。

哈爾濱野生植物種類豐富，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，哈爾濱地區(qū)有野生植物770余種，其中維管束植物600余種。在各植物種中，華北植物區(qū)種占42.1%，滿洲植物區(qū)種占53.4%，蒙古植物區(qū)種占27.9%，西伯利亞植物區(qū)種占28.3%。有199種為廣布種。在哈爾濱地區(qū)的植物區(qū)系成分中，雖然西伯利亞植物區(qū)、蒙古植物區(qū)與滿洲植物區(qū)的植物種類相差懸殊，但各區(qū)植物的平均比數(shù)很接近，說明哈爾濱地區(qū)的植物區(qū)系成分具有西伯利亞植物區(qū)、蒙古植物區(qū)與滿洲植物區(qū)過渡的特征［5,6］。

2 研究方法

2.1 取樣地的選擇

首先，借助2002年哈爾濱城市綠地分布真彩航片，在哈爾濱城市森林進(jìn)行分層抽樣：按照城市森林的樹種構(gòu)成劃分第一層（多樹種構(gòu)成林地以優(yōu)勢(shì)樹種為基準(zhǔn)），在每一樹種內(nèi)以郁閉度等級(jí)劃分第二層，最后以樹齡劃分第三層，共取樣54塊，郁閉度大于0.7取樣面積為 800m2，郁閉度小于 0.7 取樣為 800 m2［7～9］。

2.2 三維綠量及生物量測(cè)算步驟及模式

（1）將哈爾濱城市森林按樹種進(jìn)行一類圈劃（多樹種構(gòu)成林地以優(yōu)勢(shì)樹種為基準(zhǔn)），主要分為六類樹種：楊樹林(Populus spp)，柳樹林(Salix matsudana)，落葉松林（Larix gmelini），榆樹林（Ulmus pumila），云杉林(Picea spp)，白樺林(Betula platyphylla)。

（2）在真彩航片上確定出郁閉度的等級(jí)，以郁閉度等級(jí)進(jìn)行第二層分類圈劃，郁閉度劃分為3個(gè)等級(jí)：I級(jí)(0.7～1.0)，II級(jí)(0.4～0.7),III級(jí)（0～0.4）。

（3）在真彩航片上按齡級(jí)進(jìn)行分類，齡級(jí)分為3個(gè)等級(jí)：I級(jí)（幼生林），II級(jí)（中生林），III級(jí)（成熟林及過熟林）。

（4）分層抽樣確定樣地。調(diào)查樣地樹種的主要組成，實(shí)測(cè)樣地的郁閉度、齡級(jí)、單株樹木生物量；并實(shí)地調(diào)查樹木冠型以計(jì)算單株三維綠量 (三維綠量公式見表1)，累加單株三維綠量及生物量獲得樣地三維綠量及生物量,利用組成比例加權(quán)平均獲得不同樹種在不同郁閉度等級(jí)及不同齡級(jí)下城市森林單位面積的三維綠量及生物量（表2）。

表1 三維綠量計(jì)算公式Table 1 The calculation formula oftridimensional green biomass

（5）按照城市森林樹種構(gòu)成、郁閉度等級(jí)和齡級(jí)對(duì)航片矢量化，獲得不同類型和等級(jí)的城市森林面積分布,與相應(yīng)單位面積三維綠量相乘,計(jì)算不同等級(jí)下的城市森林三維綠量值,匯總累計(jì)哈爾濱城市森林總綠量值；將不同等級(jí)下的各樹種三維綠量值與相應(yīng)單位體積生物量相乘，計(jì)算不同等級(jí)下各樹種的生物量值，匯總累計(jì)哈爾濱城市森林總生物量值。

2.3 精度檢驗(yàn)

在有效樣地內(nèi)，隨機(jī)選取30塊樣地，用推算得到的樣地三維綠量及生物量值和實(shí)地調(diào)查的樣地三維綠量值及生物量值檢驗(yàn)測(cè)算精度。檢驗(yàn)公式如下：

（5）用公式C=100%-E求精度(C)。

3 結(jié)果與分析

3.1 單株三維綠量及生物量的測(cè)算

根據(jù)實(shí)地調(diào)查得到的樹木冠型、冠幅和冠高選用三維綠量計(jì)算公式計(jì)算單株樹木的三維綠量。實(shí)地采樣得到不同樹種林木在不同齡級(jí)及郁閉度條件下的單株生物量。

3.2 航片數(shù)字化

由于航片（圖1）在城市不同區(qū)域色彩質(zhì)感差異，使用監(jiān)督分類比非監(jiān)督分類更為精確，因此，本研究使用監(jiān)督分類。根據(jù)調(diào)查樣地航片的色彩特征與實(shí)地調(diào)查的城市森林特征的相關(guān)關(guān)系，借助ARCGIS進(jìn)行航片數(shù)字化，獲得空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)（圖1、2、3、4）。

圖1 哈爾濱市區(qū)真彩航片圖Fig.1 The color aerial photo of Harbin urban area

圖2 哈爾濱城市森林分布圖Fig.2 Forest distribution of Harbin urban area

圖3 哈爾濱城市森林郁閉度分布圖Fig.3 Closing degree of Harbin urban forest

圖4 哈爾濱城市森林齡級(jí)分布圖Fig.4 Age-class of Harbin urban forest

由圖可見，哈爾濱市區(qū)城市森林主要集中在二環(huán)內(nèi)，在開發(fā)區(qū)等新規(guī)劃地區(qū)優(yōu)勢(shì)樹種幾乎全為楊樹，落葉松主要集中于市郊。

3.3 單位面積三維綠量及生物量計(jì)算

累計(jì)樣地內(nèi)單株三維綠量，得到樣地三維綠量，將相同樹種相同郁閉度相同齡級(jí)的不同樣地三維綠量加權(quán)平均，獲得不同樹種不同郁閉度不同齡級(jí)的單位面積三維綠量及生物量（表2）。

表2 不同樹種在不同郁閉度不同齡級(jí)下單位面積綠量及生物量Table 2 The greed biomass and biomass ofdifferent trees with various closingdegrees and age-classes

3.4 哈爾濱城市森林不同類型三維綠量及生物量和總體三維綠量及生物量

借助航片數(shù)字化得到哈爾濱城市森林不同樹種不同郁閉度級(jí)別不同齡級(jí)的面積分布，與單位面積三維綠量相乘，獲得哈爾濱城市森林不同樹種不同郁閉度級(jí)別不同齡級(jí)的三維綠量及生物量，并且得到哈爾濱城市森林的總體三維綠量及生物量。

3.5 哈爾濱城市森林三維綠量及生物量測(cè)算精度檢驗(yàn)

以不同樹種不同郁閉度等級(jí)不同齡級(jí)單位面積三維綠量推算的樣地三維綠量及生物量值與實(shí)際調(diào)查的樣地三維綠量及生物量值檢驗(yàn)測(cè)算精度。

在95%和99%置信度下三維綠量測(cè)算精度分別為87.33%、82.51%，生物量測(cè)算精度分別為85.74%、80.90%，結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)測(cè)算經(jīng)驗(yàn)，精度達(dá)到80%以上即可應(yīng)用，經(jīng)檢驗(yàn)，哈爾濱城市森林三維綠量及生物量測(cè)算精度達(dá)到要求，可以應(yīng)用。

4 結(jié)論與討論

（1）整體來說，哈爾濱市城市森林主要分布于公園和高校范圍內(nèi)，并且存在樹種種類單調(diào)的缺陷。新開發(fā)地區(qū)行道樹及綠化樹種基本均為楊樹，而落葉松林則在市郊大量分布。市區(qū)內(nèi)平均面積三維綠量為0.24 m3/m2，這主要是因?yàn)槌鞘猩置娣e較小，而市郊被大量開發(fā)為農(nóng)田或建筑用地導(dǎo)致的。

（2）研究證明，通過分層抽樣，樣地實(shí)地調(diào)查結(jié)合地理信息系統(tǒng)，利用立體量推算立體量及生物量的方法能迅速并較精確的測(cè)算城市森林綠量及生物量。對(duì)城市森林綠量及生物量的測(cè)算是為城市森林的生態(tài)功能、環(huán)境效益提供資料，最終目的是為了促進(jìn)城市森林的健康發(fā)展。隨著對(duì)三維綠量、生物量研究的深入，必將促進(jìn)城市林業(yè)研究的進(jìn)一步發(fā)展。

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