利用形態(tài)因子建立城市森林主要喬木樹(shù)種三維綠量預(yù)測(cè)模型*

鄭紹偉,李 雋,黎燕瓊，慕長(zhǎng)龍**，陳俊華，周大松，謝天資，李宇奇，羅奕爽

(1.四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川 成都 610081； 2.峨邊彝族自治縣林業(yè)局，四川 峨邊 614300)

利用形態(tài)因子建立城市森林主要喬木樹(shù)種三維綠量預(yù)測(cè)模型*

鄭紹偉1,李 雋2,黎燕瓊1，慕長(zhǎng)龍1**，陳俊華1，周大松1，謝天資1，李宇奇1，羅奕爽1

(1.四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川 成都 610081； 2.峨邊彝族自治縣林業(yè)局，四川 峨邊 614300)

本文結(jié)合衛(wèi)星圖片，通過(guò)抽樣調(diào)查法，調(diào)查獲取成都市中心城區(qū)主要城市綠化樹(shù)種的物種及其樹(shù)高、胸徑和冠幅等形態(tài)指標(biāo)，并通過(guò)回歸模型建立形態(tài)指標(biāo)與三維綠量的回歸模型。結(jié)果表明：1)成都市中心城區(qū)城市森林主要綠化樹(shù)種的樹(shù)高、胸徑和冠幅等形態(tài)指標(biāo)的數(shù)量結(jié)構(gòu)總體呈正態(tài)分布格局，并以樹(shù)高5 m～15 m、胸徑10 cm～30 cm、冠幅3 m～9 m上的綠化樹(shù)種數(shù)量最多，分別達(dá)到49.41%～95.61%,53.77%～89.04%和64.36%～64.04%,表明成都市城市森林主要綠化樹(shù)種具有徑階結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。2)樹(shù)種的單株三維綠量與其樹(shù)高、胸徑和冠幅均呈極顯著性正相關(guān)(P<0.01)，并以冠幅與單株三維綠量的相關(guān)系數(shù)最大，分布在0.801～0.909；3)根據(jù)主要綠化樹(shù)總的株高、冠幅和胸徑的逐步回歸建立回歸模型，分別建立的以冠幅為自變量和冠幅與樹(shù)高共同為自變量的兩種模型，其模型R2值均在0.70以上。

喬木；形態(tài)指標(biāo)；三維綠量；模型

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市環(huán)境問(wèn)題日益突出，城市森林在凈化和美化城市化環(huán)境、調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、保護(hù)生物多樣性等方面的重要作用日益凸顯[1～2]。三維綠量(living vegetation volume，簡(jiǎn)稱(chēng)“綠量”，又稱(chēng)“三維綠色生物量”、“綠化三維量”等，LVV)，指所有生長(zhǎng)中植物莖葉所占據(jù)的空間體積,作為城市綠化指標(biāo)體系的第一立體指標(biāo)，被越來(lái)越多的人所關(guān)注[3～4]。

喬木是城市森林生態(tài)體系構(gòu)建的主體，喬木三維綠量是城市三維綠量的基本構(gòu)建單元，是城市森林生態(tài)功能研究和環(huán)境效益評(píng)價(jià)的基本前提，也是城市生態(tài)系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容之一[5]。近年來(lái)不少研究學(xué)者對(duì)三維綠量展開(kāi)了大量的研究，但是主要集中在北京[6]、上海[7]、沈陽(yáng)[8]、南京等城市。在研究過(guò)程中，他們根據(jù)實(shí)地調(diào)查結(jié)果，得到部分植物的樹(shù)高、冠副等生長(zhǎng)指標(biāo)與綠量相關(guān)關(guān)系模型[9～10]。然而城市森林樹(shù)種多樣、結(jié)構(gòu)多變、類(lèi)型復(fù)雜，加之種植不規(guī)則、人工修剪與植物自然生長(zhǎng)相結(jié)合的特點(diǎn)，受不同城市氣候、光照等多因素種影響了樹(shù)種冠幅、冠高等生長(zhǎng)指標(biāo)，不僅造成不同樹(shù)種單株綠量的差異，還導(dǎo)致同一樹(shù)種在不同城市的差異。本文以成都市中心城區(qū)主要綠化喬木樹(shù)種為重點(diǎn)，通過(guò)實(shí)地調(diào)查結(jié)果，建立樹(shù)種的三維綠量回歸預(yù)測(cè)模型，為下一步準(zhǔn)確評(píng)估成都市城市森林建設(shè)成效，指導(dǎo)城市森林建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

成都市總面積12 390 km2，建成區(qū)面積604 km2。根據(jù)《2016年成都市常住人口數(shù)量統(tǒng)計(jì)》顯示，全市常住人口1 442.8萬(wàn)人，其中主城區(qū)常住人口達(dá)529.54萬(wàn)人；全市人口密度為1 159人·km-2，主城區(qū)人口密度在各圈層中最大，為11 388人·km-2；第二生活圈為1 338人·km-2第三生活圈為528人·km-2。成都市屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，多年年平均氣溫為16.2℃，年總降水量為918.2 mm，主要集中在7月～8月。

成都市生物資源豐富，擁有各類(lèi)生物資源有209科、764屬、3 000多種；其中受到國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)的一、二、三級(jí)珍稀植物46種，國(guó)家一級(jí)重點(diǎn)保護(hù)動(dòng)物11種；國(guó)家二級(jí)重點(diǎn)保護(hù)動(dòng)物47種。研究區(qū)內(nèi)主要的喬木樹(shù)種有樟科的天竺桂Cinnamomumjaponicum、香樟Cinnamomumcamphora，木犀科的女貞Ligustrumlucidum，銀杏科的銀杏Ginkgobiloba，楊柳科的垂柳Salixbabylonica，桑科的黃葛榕Ficusbenguetensis、藍(lán)果樹(shù)科喜樹(shù)Camptothecaacuminata和無(wú)患子科的欒樹(shù)Koelreuteriapaniculata等。

2 研究方法

2.1 調(diào)查方法

樣地調(diào)查集中在2016年6月～9月份進(jìn)行，調(diào)查了建成區(qū)內(nèi)公園、河岸綠化帶、小區(qū)綠地和開(kāi)放單位區(qū)綠地，其中開(kāi)放單位區(qū)綠地類(lèi)型主要包括學(xué)校、醫(yī)院、機(jī)關(guān)附屬事業(yè)單位、企業(yè)等類(lèi)型，設(shè)置樣地137個(gè)樣地(圖1)。調(diào)查樣地按地形，不得小于400 m2，調(diào)查樣地總面積56 600 m2。對(duì)胸徑(DB,H)>3 cm的樹(shù)種，按照每木調(diào)查方法記錄各樣地內(nèi)喬木的樹(shù)種、株高(H)、胸徑、冠幅(R)、枝下高、樹(shù)冠形狀、病蟲(chóng)害、修剪情況等指標(biāo)(參見(jiàn)表1)。

圖1 主要樹(shù)種的形態(tài)指標(biāo)和三維綠量的不同等級(jí)數(shù)量

表1 調(diào)查數(shù)據(jù)字段描述

2.2 成都市主要綠化樹(shù)種及分析因子的選取

根據(jù)成都市城市森林建設(shè)中綠化樹(shù)種使用頻度、數(shù)量和其在成都市的生長(zhǎng)狀況，選擇出成都市常見(jiàn)的天竺桂、香樟、銀杏、垂柳、女貞、黃葛榕、欒樹(shù)、桂花等8種喬木樹(shù)作為分析對(duì)象。本文研究中選擇最具代表性和觀測(cè)最簡(jiǎn)便的胸徑、樹(shù)高、冠幅3個(gè)典型的形態(tài)因子為基礎(chǔ)作為研究自變量，三維綠量作為因變量，分析自變量因子和三維綠量的相關(guān)關(guān)系。

2.3 分析與建模

采用SPSS17.0中的逐步回歸，模擬建立簡(jiǎn)單形態(tài)因子與單株綠量的估測(cè)方程，并采用相對(duì)誤差對(duì)方程進(jìn)行精度檢驗(yàn)。樣地內(nèi)單株喬木樹(shù)種綠量計(jì)算采用表2內(nèi)公式計(jì)算。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用excel2007，數(shù)據(jù)相關(guān)性分析和回歸分析。

相對(duì)誤差=∣(∑實(shí)際值-∑估計(jì)值)∣/∑實(shí)際值×100%

表2 喬木單株三維綠量計(jì)算公式[10]

說(shuō)明：x為冠副，y為冠高

預(yù)測(cè)方程的相對(duì)誤差越小越好，一般<20%即說(shuō)明該方程比較符合實(shí)際[11]。

3 結(jié)果與分析

3.1 主要綠化樹(shù)種的生長(zhǎng)狀況

圖1是成都市建成區(qū)主要綠化喬木樹(shù)種的樹(shù)高、胸徑、冠幅等形態(tài)指標(biāo)和三維綠量的數(shù)量分布圖。從圖1上可以看出，不同樹(shù)種在樹(shù)高、胸徑、冠幅和三維綠量的不同徑級(jí)數(shù)量上有較大差異。從樹(shù)高數(shù)量分布圖可以看出，桂花的樹(shù)高高度分布于10 m以下，女貞的的樹(shù)高高度分布于15 m以下，天竺桂則分布于20 m以下，欒樹(shù)則分布于5 m以上，香樟、銀杏和黃葛榕在每個(gè)樹(shù)高徑階都有分布。其中桂花的在A1(0～5 m)和A2(5 m～10 m)兩個(gè)樹(shù)高徑階的數(shù)量百分比分別為50.59%和49.41%；天竺桂、垂柳、女貞和黃葛榕的樹(shù)高分布主要在A2(5 m～10 m)，其徑階數(shù)量百分?jǐn)?shù)分別為76.81%、74.73%、67.92%和49.54%；欒樹(shù)和香樟則主要分布在A3(10 m～15 m)，其徑階數(shù)量百分?jǐn)?shù)分別為72.60%和41.38%。從樹(shù)種胸徑的徑階數(shù)量分布看，桂花的胸徑主要分布于30 cm以下，垂柳和女貞則分布于40 cm以下，香樟和欒樹(shù)分布于50 cm以下。按照郄光發(fā)[6]利用胸徑大小對(duì)樹(shù)種的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(DB,H≥30 cm為大樹(shù)，30 cm>DB,H≥10 cm為中等樹(shù)木，DB,H<10 cm小樹(shù))，成都市中心城區(qū)的主要綠化樹(shù)種為中等樹(shù)木，其中欒樹(shù)和垂柳的中等樹(shù)木數(shù)量最大，分別達(dá)到其物種總量的89.04%和81.32%；黃葛榕中等樹(shù)木數(shù)量比最低，也達(dá)到53.77%。從樹(shù)冠的徑階數(shù)量分布看，天竺桂、女貞、桂花、垂柳、香樟和銀杏的樹(shù)冠冠幅主要分布于C3(6 m≤R<9 m)徑階，其數(shù)量分別達(dá)到74.49%、64.15%、62.35%、58.89%、46.41%和44.74%；欒樹(shù)和黃葛榕的樹(shù)冠冠幅則主要分布于C4(9 m≤R<12 m)徑階，其數(shù)量分別達(dá)到41.10%和36.11%。從樹(shù)種的三維綠量分布看，各徑階樹(shù)種的數(shù)量隨著綠量級(jí)的升高而減少。其中天竺桂和桂花的三維綠量在D1(V<150 m3)區(qū)間數(shù)量分布最多，其數(shù)量分別達(dá)90.95%和80.00%。

3.2 主要綠化樹(shù)種三維綠量估算指標(biāo)的篩選

由于三維綠量是一個(gè)由樹(shù)高、冠幅和冠高等多個(gè)形態(tài)影響的指標(biāo)，為了在今后對(duì)樹(shù)種三維綠量研究中可以采用簡(jiǎn)單、易測(cè)的指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算和評(píng)價(jià)，本文從樹(shù)高、胸徑和冠幅3個(gè)主要形態(tài)因子入手，分析其與單株綠量的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果(表3)表明，除了桂花的樹(shù)高與三維綠量間沒(méi)有顯著相關(guān)關(guān)系外，其它樹(shù)種的樹(shù)高、胸徑、冠幅等形態(tài)指標(biāo)與單株三維綠量均呈極顯著性正相關(guān)。其中冠幅與三維綠量的相關(guān)系數(shù)最大，分布范圍在0.801～0.909；胸徑與三維綠量的相關(guān)系數(shù)次之，分布范圍在0.364～0.774；樹(shù)高與三維綠量的相關(guān)系數(shù)分布范圍在0.164～0.788。

表3 主要綠化樹(shù)種三維綠量和與生長(zhǎng)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)

樹(shù)種樹(shù)高(X1)胸徑(X2)冠幅(X3)三維綠量天竺桂Cinnamomumjaponi-cum0.658**0.473**0.839**香樟Cinnamomumcamphora0.625**0.774**0.909**垂柳Salixbabylonica0.662**0.474**0.920**女貞Ligustrumlucidum0.707**0.640**0.801**銀杏Ginkgobiloba0.759**0.721**0.873**黃葛榕Ficusbenguetensis0.590**0.724**0.845**桂花Osmanthusfragrans0.1640.364**0.939**欒樹(shù)Koelreuteriapaniculata0.788**0.531**0.909**

**Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed).

*Correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed).

3.3 主要綠化樹(shù)種形態(tài)指標(biāo)與三維綠量的回歸分析

從成都市主要喬木綠化樹(shù)種的樹(shù)高、胸徑和冠幅與單株三維綠量的回歸分析(表4)結(jié)果表明，冠幅是影響單株三維綠量最重要指標(biāo)，增加樹(shù)高因子，并沒(méi)有對(duì)三維綠量的回歸貢獻(xiàn)率顯著提高。不同樹(shù)種間，以香樟、垂柳和桂花三個(gè)樹(shù)種分別利用冠幅和冠幅與樹(shù)高得到的單株三維綠量回歸模型的R2值最高，在0.8以上。從精度檢驗(yàn)結(jié)果看，天竺桂、香樟等利用冠幅對(duì)單株三維綠量和利用冠幅和株高對(duì)單株三維綠量的估測(cè)模型中，相對(duì)誤差均<20%，表明這些擬合模型符合要求。

表4 主要樹(shù)種三維綠量與生長(zhǎng)形態(tài)指標(biāo)的估測(cè)模型與精度檢驗(yàn)

4 結(jié)論與討論

從成都市主要綠化喬木樹(shù)種的樹(shù)高、胸徑和冠幅3個(gè)典型形態(tài)指標(biāo)可以看出，成都市主要喬木樹(shù)種的水平徑級(jí)、立木層徑級(jí)的數(shù)量結(jié)構(gòu)上均呈現(xiàn)出中等徑級(jí)的數(shù)量顯著性高于低等級(jí)和高等級(jí)徑級(jí)，總體呈正態(tài)分布格局；尤其香樟、女貞、桂花、黃葛榕等典型的地帶性樹(shù)種的樹(shù)高徑級(jí)從5 m到25 m以上，胸徑從5 cm到30 cm以上的各徑級(jí)上均有分布，表明了成都市城市森林建設(shè)不僅在林木水平徑級(jí)和立木層次上較為合理，形成了林木徑階結(jié)構(gòu)有穩(wěn)定的城市森林，還建成了以地帶性植被為主體的城市森林生態(tài)體系。

彭鎮(zhèn)華[5～6]等研究認(rèn)為，從樹(shù)木所發(fā)揮的各種效益上看，大樹(shù)占據(jù)著較大的優(yōu)勢(shì)，其所形成的森林也具有更大的效益。從成都市主要綠化樹(shù)種的形態(tài)特征和單株三維綠量研究結(jié)果顯示，樹(shù)高高于20 m的數(shù)量為2.96%，胸徑大于30 cm的數(shù)量為35.57%，樹(shù)冠大于6 m的數(shù)量為12.58%；單株三維綠量大于三維量大于100 m3數(shù)量達(dá)到42%。這些大樹(shù)不僅對(duì)成都市城市生態(tài)環(huán)境改善起著重要作用，還為鳥(niǎo)類(lèi)和小型獸類(lèi)等動(dòng)物提供了食物和有效的棲息地，吸引了鳳頭蜂鷹、黑喉歌鴝、藍(lán)喉太陽(yáng)鳥(niǎo)、四川旋木雀和松鼠等動(dòng)物進(jìn)入城區(qū)，不僅對(duì)保護(hù)生物多樣性具有重要意義，還為城市居民近距離了解和享受城市森林文化提供了平臺(tái)。

通過(guò)樹(shù)高、胸徑和冠幅3個(gè)簡(jiǎn)單形態(tài)因子對(duì)成都市8種常見(jiàn)的喬木樹(shù)種的單株三維綠量相關(guān)性分析和逐步回歸分析，研究結(jié)果表明：影響單株三維綠量的首要因子是冠幅，其次是樹(shù)高；采用單因子冠幅較采用復(fù)合因子冠幅和樹(shù)高對(duì)其單株三維綠量的回歸估測(cè)模型的R2值沒(méi)有顯著性降低，這說(shuō)明可以采用單因子的冠幅對(duì)喬木樹(shù)種的單株三維綠量進(jìn)行簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)。然而，城市綠化喬木的生長(zhǎng)不僅受建筑、周?chē)芫€(xiàn)等因素的影響，還受立地土壤、氣候、栽植密度以及管護(hù)措施等因素的影響，以成都市8個(gè)主要樹(shù)種單株三維綠量為因變量建立的估測(cè)模型是否適合其他地區(qū)還有待進(jìn)一步研究。

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Establishing the Three Dimensional Green Quantity Forecast Model of Main Tree Species in Urban Forest by Using Morphological factors

ZHENG Shao-wei1LI Jun2LI Yan-qiong1MU Chang-long1CHEN Jun-hua1ZHOU Da-song1XIE Tian-zi1LI Yu-qi1LUO Yi-shuang1

(1.Sichuan Academy of Forestry,Chengdu 610081,Sichuan,China; 2.Forestry Bureau of Ebian Yi Autonomous County,Ebian 614300,China)

In this paper,the species,tree height,diameter at breast height and crown width of major urban greening tree species in the urban area of Chengdu were obtained in combination with satellite images and through sampling survey.The regressive model of morphological index and three-dimensional green quantity was established by the regression model.The results showed that The tree height,diameter at breast height and crown width of the urban greening tree species in the central urban area of Chengdu were generally distributed in a normal distribution pattern.And the number of green trees with tree height between 5 m～15 m,diameter between 10 cm～30 cm,crown width between 3 m～9 m showed the most,respectly being 49.41%～95.61%,53.77%～89.04% and 64.36%～64.04%.It showed that the main tree species of urban forest in Chengdu had diameter structure stability.There was a significant positive correlation between the three-dimensional green quantity,tree height,DBH and crown width of tree species(P<0.01).And the correlation coefficient between the crown width and the three-dimensional green quantity of the plant was the highest,being 0.801～0.909.The regression model was established according to the stepwise regression of plant height,crown width and DBH of the main greening trees.The R2 values of the two models with the crown width as the independent variable and the crown height and the tree height as the independent variables were all above 0.70.

Tree species，Morphological index，Three-dimensional，Model

10.16779/j.cnki.1003-5508.2017.01.002

2016-11-21

*基金課題：國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題“環(huán)境友好型城鎮(zhèn)景觀林構(gòu)建技術(shù)研究與示范”(2015BAD07B06)。

鄭紹偉(1981-)，男，漢族，重慶江津人，高工，主要從事城市森林研究，E-mail：7790719@qq.com；

**通訊作者，慕長(zhǎng)龍(1964-)，男，漢族，研究員，博士生導(dǎo)師。

S757.2

A

1003-5508(2017)01-0006-05