基于灰色關(guān)聯(lián)的北京郊野公園常見植物群落景觀質(zhì)量評價

朱俐娜 彭祚登

(北京林業(yè)大學省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室，北京 100083)

近年來，世界各國非常重視森林在城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)中的重要地位[1]，俄羅斯、法國、芬蘭和瑞典等一些國家通過建設(shè)大面積的郊野公園發(fā)展城市林業(yè)，取得了有益的經(jīng)驗。伴隨著北京城市森林的發(fā)展，位于城市建設(shè)區(qū)、近郊區(qū)以外的郊野公園成為北京城市森林的重要組成部分。截止2011年底，北京市共有81個郊野公園，占地面積達 5 406.9 hm2。郊野公園中植物群落的景觀質(zhì)量如何，將直接影響到城市森林功能效益的發(fā)揮。

灰色關(guān)聯(lián)分析法(grey relational analysis method)是灰色理論中的一種分析方法，根據(jù)序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷因素間的聯(lián)系是否緊密，曲線幾何形狀越接近，相應(yīng)序列之間的關(guān)聯(lián)度就越大，反之就越小[2]。灰色關(guān)聯(lián)度順序不僅可以用來描述因素間關(guān)系的強弱、大小和次序[3]，還可以用來對綜合指標體系所描述的總體的優(yōu)劣程度作出評判[4]。由于灰色關(guān)聯(lián)分析法可以對系統(tǒng)要素進行全面、客觀的評價[5]，且可操作性強，目前已廣泛應(yīng)用于食品[6]、水利[7]、農(nóng)業(yè)[8]等領(lǐng)域。眾多學者均對森林景觀質(zhì)量進行了研究，但都沒有對其進行明確的定義?？紤]到影響景觀質(zhì)量的因素是多形態(tài)、多成分、多層次的，而并非僅僅由美學指標決定，所以本項研究試圖從森林結(jié)構(gòu)、健康程度和美學價值三大要素進行景觀質(zhì)量的評價。

針對郊野公園的研究多集中于生態(tài)效益的評估[9]和綠地結(jié)構(gòu)的景觀美景度(scenic beauty estimation，SBE)[10]，但還沒有學者利用灰色關(guān)聯(lián)分析法評價植物群落的景觀質(zhì)量。鑒于此，本項研究償試通過對北京市幾個典型郊野公園植物群落的調(diào)查，利用灰色關(guān)聯(lián)分析法評價其景觀質(zhì)量，以期為北京市郊野公園的造林規(guī)劃提供參考數(shù)據(jù)。

1 研究方法

本項研究所調(diào)查的郊野公園包括東升八家郊野公園、將府公園、金田公園、杜仲公園、京城槐園。東升八家郊野公園占地面積101.5 hm2，種植喬、灌木百余個品種；將府公園占地面積56.0 hm2，屬北京市綠化隔離地區(qū)公園環(huán)項目之一；金田公園占地面積66.7 hm2，以自然、野趣為特色；杜仲公園占地面積59.9 hm2，園內(nèi)以杜仲(Eucommiaulmoides)為主；京城槐園占地面積73.2 hm2，園內(nèi)以國槐(Sophorajaponica)和刺槐(Robiniapseudoacacia)為主。

1.1 樣地設(shè)置和調(diào)查方法

以郊野公園中出現(xiàn)頻率較高的植物群落為研究對象，根據(jù)代表性原則，選擇出16塊樣地，每塊樣地設(shè)置20 m×20 m樣方1個，共16個樣方。調(diào)查每株喬木種名、胸徑、樹高、枝下高、冠幅、生長勢，并記錄樣方的林分類型、林冠線、通視距離、枯樹倒木和枯落物等情況；在每個樣方的四個角和中心設(shè)置5個1 m×1 m小樣方，調(diào)查草本種名、株數(shù)、蓋度、高度。植物群落的物種組成見表1。

表1 植物群落的植物組成

1.2 評價指標的篩選與評分標準

評價指標的篩選是評價的基礎(chǔ)，查閱相關(guān)文獻[10-19]，采用理論分析法和專家咨詢法相結(jié)合[20]，篩選出評價指標體系。其中，林分類型等定性指標值是由調(diào)查人員在現(xiàn)場打分得出；定量指標值是通過計算得出[21]。植物群落的景觀質(zhì)量評價指標及評分標準見表2。

表2 景觀質(zhì)量的評價指標及評分標準

1.3 灰色關(guān)聯(lián)分析

依據(jù)灰色系統(tǒng)理論將16個參評植物群落看成一個灰色系統(tǒng)，而每個參評植物群落則是該系統(tǒng)中的一個因素。根據(jù)參評的16個植物群落的各評價指標中最優(yōu)的指標，構(gòu)建一個理想數(shù)列。由于原始數(shù)據(jù)中各個因子的物理意義不同，不便于比較，所以需要對數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，本項研究采用初值化法[22]。

基于無量綱化的數(shù)據(jù)，利用公式計算各參評植物群落與理想植物群落間的關(guān)聯(lián)系數(shù)[23]，公式如下：

(1)

式中：ξi(k)為x0數(shù)列(理想植被群落)與xi數(shù)列(參評植被群落)在第k個指標的關(guān)聯(lián)系數(shù)；|x0(k)-xi(k)|為x0數(shù)列與xi數(shù)列在第k個指標的絕對差值；minimink|x0(k)-xi(k)|為x0數(shù)列與xi數(shù)列在第k個指標的最小絕對差值，即為二級最小差；maximaxk|x0(k)-xi(k)|為x0數(shù)列與xi數(shù)列在第k個指標的最大絕對差值，即為二級最大差；ρ為分辨系數(shù)，大小為[0，1]，ρ越小，分辨率越高，一般取0.5。

根據(jù)得到的關(guān)聯(lián)系數(shù)可以確定參評植物群落與理想植物群落間的關(guān)聯(lián)度[23]，有等權(quán)關(guān)聯(lián)度和加權(quán)關(guān)聯(lián)度，若各評價指標的重要性同等則用前者，反之則用后者。公式如下：

(2)

(3)

式中：γ與γ′分別為等權(quán)關(guān)聯(lián)度和加權(quán)關(guān)聯(lián)度；n為評價指標的個數(shù)；ξi(k)為第i個數(shù)列與理想數(shù)列在第k個指標的關(guān)聯(lián)系數(shù)；Wk為第k個指標的權(quán)重，應(yīng)用因分析權(quán)數(shù)法確定各個指標的權(quán)重。

本項研究選用方差最大正交旋轉(zhuǎn)法，得到特征根≥1的共性因子有4個，累計貢獻率為88.8%，取各指標對應(yīng)的共性估計值作為權(quán)重分值，再將得分進行歸一化處理，即可得到因子分析權(quán)重系數(shù)[24-25]。

2 結(jié)果與分析

2.1 評價指標的權(quán)重

由表2中的權(quán)重值可知，采用因子分析權(quán)數(shù)法求得21項指標的權(quán)重系數(shù)，總體變幅為0.018 4～0.084 6。因子分析權(quán)數(shù)法是由每個指標計算共性因子的累積貢獻率來定權(quán)的，累積貢獻率越大，說明該項指標對共性因子的作用最大，故所定權(quán)數(shù)也越大。在所選擇的21項指標中，色彩豐富度指標的權(quán)重最大，其次是林分類型、林分密度和觀花觀果指標，草本蓋度和草本高度指標對景觀質(zhì)量影響最小。

2.2 參評植物群落的關(guān)聯(lián)度

采用公式(2)和(3)求得16個參評植物群落與“理想植物群落”的等權(quán)關(guān)聯(lián)度和加權(quán)關(guān)聯(lián)度，依據(jù)大小排序，結(jié)果見表3。等權(quán)關(guān)聯(lián)度與加權(quán)關(guān)聯(lián)度的排序存在一定差異，如銀杏群落在等權(quán)關(guān)聯(lián)度排序為第3名，而在加權(quán)關(guān)聯(lián)度排序中為第2名。這主要是因為評價體系中的各個指標的重要性不同，如色彩豐富度的權(quán)重值為0.084 6，而草本高度的權(quán)重值僅為0.018 4。由加權(quán)關(guān)聯(lián)度的綜合排序可以看出，毛白楊+白蠟群落的綜合表現(xiàn)最好，其次為銀杏群落、毛白楊群落和刺槐群落，油松群落表現(xiàn)最差。整體而言，景觀質(zhì)量一般，各參評植物群落與“理想植物群落”的關(guān)聯(lián)度處在0.440 4～0.663 3。

表3 16個植物群落的綜合評價結(jié)果

3 結(jié)論與討論

景觀質(zhì)量評價體系是由多個指標綜合決定的，而目前關(guān)于各個指標權(quán)重的確定多集中于專家打分法，但該方法受主觀因素影響較大。有研究表明，當指標數(shù)目超過一定數(shù)量時，專家往往會出現(xiàn)循環(huán)判斷的情況，導(dǎo)致評價結(jié)果受到質(zhì)疑[26]。本項研究通過因子分析法確定的權(quán)重系數(shù)是基于數(shù)據(jù)分析而得出的指標之間的內(nèi)在結(jié)構(gòu)關(guān)系，不受主觀因素影響，有較好的客觀性，且得出的指標之間的信息交叉少，可比性強。

在評價指標中，色彩豐富度、林分類型、林分密度和觀花觀果4項指標的權(quán)重排名靠前，表明其對景觀質(zhì)量影響較大；而草本蓋度和草本高度指標的權(quán)重值排名最后，表明其對景觀質(zhì)量影響較小。此外，本研究首次將三維綠量納入景觀質(zhì)量評價指標體系中，其在整個指標體系中所占的權(quán)重為0.052 2，說明其對于景觀質(zhì)量的好壞有著一定影響。所以，在開展郊野公園的造林規(guī)劃設(shè)計工作時，可優(yōu)先考慮色彩豐富度、林分類型、林分密度和觀花觀果指標，以保證植物群落的景觀具有較高的質(zhì)量；還應(yīng)考慮三維綠量中較大的樹種，以期為公民提供較好的遮陰游憩場所。

通過灰色關(guān)聯(lián)分析法評價植物群落的景觀質(zhì)量，結(jié)果表明：毛白楊+白蠟群落、銀杏群落、毛白楊群落、刺槐群落與“理想植物群落”的關(guān)聯(lián)度最高，所以表現(xiàn)最優(yōu)；而杜仲群落、垂柳群落和油松群落的表現(xiàn)最差。為了使表現(xiàn)較差的植物群落具有較高的景觀價值、可及性和穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)，本研究提出如下建議：1)合理進行季相配置，營造混交林，如在油松純林中適當補植國槐、黃櫨等闊葉樹種，以增加景觀多樣性；2)是合理進行撫育整形，尤其針對枝下高過低的林木；3)是及時清理林內(nèi)的枯樹倒木，以提高林分的美景度。因為灰色關(guān)聯(lián)分析具有可靠的統(tǒng)計學基礎(chǔ)，且通過構(gòu)建最優(yōu)的“理想植物群落”，從參評植物群落的實際情況出發(fā)，因而排序結(jié)果客觀、合理。

本研究主要側(cè)重于植物群落的景觀質(zhì)量評價，但目前城市的植物群落不僅發(fā)揮風景游憩功能，還在生態(tài)效益、社會效益方面起著重要作用，如降溫增濕、提供負離子、殺菌等，如何將生態(tài)效益和社會效益相關(guān)指標科學地納入景觀質(zhì)量評價體系中，是下一步研究的重點內(nèi)容。

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