寶雞市城鎮(zhèn)(郊)陡坡及人工立面景觀(guān)林樹(shù)種三維綠量及生態(tài)效益研究

楊 陽(yáng)，王 睿，滕青林，徐 勇，侯思皓，楊 艷，楊丹怡，王得祥*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊陵 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 風(fēng)景園林藝術(shù)學(xué)院，陜西 楊陵 712100)

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，人們對(duì)城市綠化植物與城市生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一的認(rèn)知程度越來(lái)越高，對(duì)城市綠化植物選擇以及生態(tài)服務(wù)功能重視程度越來(lái)越高[1]。城市綠化在人們生活中起到了非常重要的作用，城市景觀(guān)林不僅提供遮陰納涼的場(chǎng)所，也提供觀(guān)賞效果使人們身心放松。在生態(tài)效益方面也為我們提供服務(wù)，如釋放氧氣、吸收二氧化碳、吸收二氧化硫、吸附PM2.5及殺菌等方面[2-8]。早期，對(duì)城市森林進(jìn)行傳統(tǒng)的綠地率、綠化覆蓋率、人均綠地面積等二維綠量評(píng)價(jià)，是進(jìn)行城市森林基本狀況研究的重要途徑。但對(duì)城市森林進(jìn)行生態(tài)功能以及環(huán)境效益評(píng)價(jià)時(shí)，二維綠量顯然無(wú)法滿(mǎn)足研究需要，因此，逐步引入三維綠量這一概念。三維綠量(Living vegetation volume,LVV)，是指植物在生長(zhǎng)過(guò)程中莖、葉所占的空間體積，是城市綠化指標(biāo)體系中的第一個(gè)立體指標(biāo)[9]。三位綠量作為城市森林評(píng)價(jià)的新指標(biāo)，從不同植物種類(lèi)、不同植物森林結(jié)構(gòu)間差異等方面考慮，能更好地從城市綠地綠化布局和種類(lèi)層面上評(píng)價(jià)，為城市綠地評(píng)價(jià)提供新的思路與方法[10-12]。

三維綠量研究最早由陳自新[13]提出的“模擬方程法”，到后來(lái)發(fā)展起來(lái)的“平面量模擬立體量”、“立體量推算立體量”以及“綠量快速測(cè)算模式”。幾種方法都是通過(guò)對(duì)樹(shù)高、胸徑、冠幅、冠高及葉面積等基本二維綠量的測(cè)量，建立回歸模型，選擇合適的立體幾何圖形，建立三維綠量計(jì)算方程[5]。

目前，在城鎮(zhèn)化過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外對(duì)三維綠量的研究主要集中在城市綠地等植物正常生長(zhǎng)、易于計(jì)算測(cè)量的區(qū)域，但對(duì)大量裸露的陡坡以及人工立面的三維綠量，因?yàn)殡y于操作以及植物生長(zhǎng)不具有典型性等原因而少有關(guān)注。本研究以陡坡及人工立面景觀(guān)林植物為對(duì)象，通過(guò)實(shí)地形態(tài)特征量的測(cè)量以及“平面量模擬立體量”的方法，對(duì)護(hù)坡植物單株三維綠量及生態(tài)效益計(jì)算和評(píng)價(jià)，并建立三維綠量模擬方程及特征量回歸方程，在以后類(lèi)似環(huán)境條件下，可對(duì)三維綠量進(jìn)行快速計(jì)算。不僅為城鎮(zhèn)(郊)陡坡及人工立面綠化數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)奠定基礎(chǔ)，還為城鎮(zhèn)(郊)陡坡及人工立面綠化規(guī)劃提供有價(jià)值的技術(shù)參數(shù)，以便城市綠化設(shè)計(jì)工作者選擇綠化植物，提高綠化生態(tài)效益[12,14]。

1 研究區(qū)概況

以寶雞市城鎮(zhèn)(郊)陡坡及人工立面景觀(guān)林樹(shù)種為研究對(duì)象，研究區(qū)域包括寶雞市市區(qū)及周邊岐山縣、鳳翔縣、麟游縣、千陽(yáng)縣。寶雞市位于106°18′-108°03′E，33°35′-35°06′N(xiāo)，地處陜、甘、寧、川4省(區(qū))結(jié)合部，東臨咸陽(yáng)、楊陵示范區(qū)，南接漢中，西北與甘肅省的天水和平?jīng)雠?。秦嶺南屏，渭水中流，關(guān)隴西阻北橫，渭北沃野平原。屬于暖溫帶半濕潤(rùn)氣候，全年氣候變化受東亞季風(fēng)(包括高原季風(fēng))控制。

寶雞市物種資源豐富，高等植物多達(dá)2 300種，分屬4門(mén)184科647屬。研究區(qū)的主要樹(shù)種有白皮松(Pinusbungeana)五角楓(Acermono)、火炬樹(shù)(Rhustyphina)、山桃(Amygdalusdavidiana)、紫葉李(Prunuscerasifera)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、酸棗(Ziziphusjujubavar.spinosa)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、膠東衛(wèi)矛(Euonymuskiautschoicus)、迎春(Jasminumnudiflorum)、裂葉丁香(Syringalaciniata)、苦皮藤(Celastrusangulatus)、西府海棠(Malusmicromalus)、銀杏(Ginkgoblioba)、紅豆杉(Taxuschinensis)等。

寶雞市城鎮(zhèn)(郊)陡坡及人工立面植被以自然鄉(xiāng)土植被為主，人工種植為輔，在綠化模式上主要采取“喬+灌”相結(jié)合的模式。研究區(qū)域內(nèi)，景觀(guān)林樹(shù)種為人工種植純林。其中，樹(shù)齡5 a的有火炬樹(shù)、側(cè)柏及迎春，6 a為五角楓和山桃，7 a的為紫葉李，8 a為紫穗槐及膠東衛(wèi)矛，10 a為酸棗、裂葉丁香及苦皮藤。

2 研究方法

2.1 實(shí)地調(diào)查測(cè)量法

于2016年7-8月，對(duì)每種喬木隨機(jī)抽樣法選取50株左右進(jìn)行高度(樹(shù)高及冠高)、胸徑、冠幅、冠形等指標(biāo)測(cè)定。對(duì)于密栽灌木及藤本通過(guò)隨機(jī)抽樣進(jìn)行物種面積、每平方米株數(shù)或叢數(shù)以及高度的測(cè)量。

2.2 三維綠量計(jì)算方法

目前，三維綠量的計(jì)算主要采用“立體攝影測(cè)量”和“平面量模擬立體量”2種方法。由于“平面量模擬立體量”的方法精度較高，因此多采用此方法。這種方法借鑒上海市綠化三維綠量遙感調(diào)查所得結(jié)果，計(jì)算的相對(duì)誤差一般≤7%[15](表1)。

表1 三維綠量計(jì)算公式Table 1 Calculation formula of LVV

注：x—冠幅(m)，y—冠高(m)；成片灌木、草本植物綠量計(jì)算公式：綠量=面積×平均高度。

2.3 三維綠量回歸方程及曲線(xiàn)變化規(guī)律

通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)可知[15]，單株樹(shù)木的樹(shù)高、胸徑、冠幅、冠高等形態(tài)特征量可與三維綠量建立模擬方程，通過(guò)方程得到適合當(dāng)?shù)丨h(huán)境的三維綠量值。常用的參考方程主要有：直線(xiàn)方程y=a+bx、邏輯斯蒂方程Y=1(1/a+bcx)、修正后的邏輯斯蒂方程Y=1/(a+be-cx)、復(fù)合曲線(xiàn)方程Y=abx、復(fù)合比級(jí)數(shù)曲線(xiàn)方程y=ea+bx、對(duì)數(shù)方程y=a+blnx、三次方y(tǒng)=a+bx+cx2+dx3、S形曲線(xiàn)方程y=ea+b/x、乘冪曲線(xiàn)方程y=axb、反比例函數(shù)方程y=a+b/x、二次方程y=a+bx+cx2、指數(shù)方程y=aebx[16]。

通過(guò)SPSS17.0分析樹(shù)高、冠高、冠幅、胸徑等形態(tài)特征量與三維綠量相關(guān)性，二者在α=0.05或0.01水平下，雙尾T檢驗(yàn)顯著性概率趨近于0，對(duì)應(yīng)的判定系數(shù)0.8

2.4 生態(tài)效益的計(jì)算

應(yīng)用三維綠量轉(zhuǎn)換生態(tài)效益的公式，估算每個(gè)樹(shù)種年固碳釋氧量、年吸收二氧化硫量、年滯塵量、夏季日蒸騰量，從這4個(gè)方面對(duì)景觀(guān)林樹(shù)種進(jìn)行生態(tài)效益評(píng)價(jià)[15,18](表2)。

表2 基于綠量的綠化環(huán)境效益標(biāo)準(zhǔn)換算量Table 2 LVV based standard conversion of green space environmental benefits

注:來(lái)源于“上海市綠化三維綠量遙感調(diào)查”。

3 結(jié)果與分析

3.1 陡坡及人工立面景觀(guān)林樹(shù)種

研究區(qū)域內(nèi)陡坡及人工立面所有景觀(guān)林樹(shù)種進(jìn)行調(diào)查，優(yōu)勢(shì)樹(shù)種包括五角楓、火炬樹(shù)、山桃、紫葉李、側(cè)柏、酸棗、紫穗槐、膠東衛(wèi)矛、迎春、裂葉丁香、苦皮藤等11種喬灌木。

經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)查統(tǒng)計(jì)，寶雞市城鎮(zhèn)(郊)陡坡及人工立面常用護(hù)坡植物有11種植物，分屬8科11屬，其中喬木4種(落葉3種，常綠1種)，灌木及藤本7種(落葉5種，常綠2種)。其中，臺(tái)地及0°～20°的坡面優(yōu)勢(shì)種為：側(cè)柏、火炬樹(shù)、紫葉李、五角楓；20°～40°的坡面優(yōu)勢(shì)種為：酸棗、裂葉丁香、紫穗槐、苦皮藤、山桃；40°以上的坡面優(yōu)勢(shì)種主要有：膠東衛(wèi)矛、迎春。

3.2 11種景觀(guān)林樹(shù)種單株三維綠量

由表3可以看出，11種護(hù)坡景觀(guān)林樹(shù)種現(xiàn)階段單株植物平均三維綠量由大到小依次為：山桃(6.486)>裂葉丁香(5.272)>側(cè)柏(3.349)>苦皮藤(2.511)>紫穗槐(2.049)>膠東衛(wèi)矛(1.755)>五角楓(1.148)>火炬樹(shù)(1.222)>酸棗(1.051)>迎春(0.823)>紫葉李(0.467)。其中，山桃的單株平均三維綠量最大為6.486 m3，紫葉李平均三維綠量最小為0.467 m3·株-1。

3.3 7種單株景觀(guān)林樹(shù)種三維綠量回歸模型方程建立及曲線(xiàn)變化規(guī)律

由表4、圖1可知，7種護(hù)坡景觀(guān)林樹(shù)種相關(guān)性系數(shù)0.8LVV酸棗；同為半球形樹(shù)冠LVV五角楓>LVV火炬樹(shù)。

而本研究以三維綠量最小單位單株考慮，每種植物的單株三維綠量有最小值，沒(méi)有最大值。7種植物三維綠量最小值大小依次為：LVV紫穗槐>LVV山桃>LVV側(cè)柏>LVV五角楓>LVV火炬樹(shù)>LVV紫葉李>LVV酸棗。

表3 不同景觀(guān)林樹(shù)種單株三維綠量值Table 3 The LVV of single plant of the 11 landscaping tree species m3·株-1

表4 7種景觀(guān)林樹(shù)種單株三維綠量模型Table 4 The LVV model of 7 landscape tree species

3.4 單株護(hù)坡景觀(guān)林生態(tài)效益

通過(guò)表2進(jìn)行換算，得出不同樹(shù)種單株三維綠量生態(tài)效益(表5)。

不同護(hù)坡植物綠期長(zhǎng)短不同。因此，在固碳釋氧、吸收SO2以及年滯塵量上存在一定差異。由表5可知，護(hù)坡景觀(guān)林樹(shù)種單株年固碳釋氧量由大到小依次為：山桃>側(cè)柏>裂葉丁香>膠東衛(wèi)矛>苦皮藤>紫穗槐>五角楓>火炬樹(shù)>酸棗>迎春>紫葉李。其中，山桃年固碳、年釋氧量最大，分別是16.993 kg·株-1和12.323 kg·株-1；紫葉李年固碳釋氧量最小，分別為1.224 kg·a-1·株-1和0.888 kg·a-1·株-1。側(cè)柏和膠東衛(wèi)矛屬于常綠植物，單株三維綠量中裂葉丁香>側(cè)柏，苦皮藤>膠東衛(wèi)矛，換算后固碳釋氧量側(cè)柏>裂葉丁香，膠東衛(wèi)矛>苦皮藤。

年吸收SO2量和年滯塵量與單株三維綠量呈正相關(guān)，因此，年吸收SO2與年滯塵量的大小依次為：山桃>裂葉丁香>側(cè)柏>苦皮藤>紫穗槐>膠東衛(wèi)矛>五角楓>火炬樹(shù)>酸棗>迎春>紫葉李。其中，山桃最大，其單株年吸收SO2量與年滯塵量分別為：0.020 kg和0.004 kg；紫葉李最小，其單株年吸收SO2量與年滯塵量分別為：0.001 kg和0.000 kg。

表5 渭北臺(tái)塬陡坡及人工立面各樹(shù)種單株生態(tài)效益計(jì)算結(jié)果表Table 5 Calculation results of ecological benefits per plant of langscaping tree species growing on the steep slope and artificial elevation in Baoji municipality

注:a.紫葉李，b.側(cè)柏，c.火炬樹(shù)，d.山桃，e.五角楓，f.酸棗，g.紫穗槐。

4 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)11種陡坡立地及人工立面植物二維綠量指標(biāo)的測(cè)定，使用“平面量模擬立體”的方法，根據(jù)不同樹(shù)冠形狀，計(jì)算出不同景觀(guān)林樹(shù)種單株三維綠量。其平均單株三維綠量大?。荷教?裂葉丁香>側(cè)柏>苦皮藤>紫穗槐>膠東衛(wèi)矛>五角楓>火炬樹(shù)>酸棗>迎春>紫葉李。

通過(guò)對(duì)7種景觀(guān)林樹(shù)種單株植物三維綠量回歸模型方程建立及曲線(xiàn)變化規(guī)律研究，隨著自變量樹(shù)高、冠幅及冠高的上升呈上升趨勢(shì)。所得三維綠量回歸模型方程適用于類(lèi)似地區(qū)，對(duì)自變量進(jìn)行測(cè)定后，可直接應(yīng)用三維綠量回歸模型方程進(jìn)行計(jì)算，獲取當(dāng)?shù)貥?shù)種三維綠量。

通過(guò)對(duì)景觀(guān)林樹(shù)種三維綠量轉(zhuǎn)換生態(tài)效益進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)景觀(guān)林樹(shù)種年固碳釋氧量、吸收SO2量以及滯塵量與三維綠量呈正相關(guān)，生態(tài)效益較高的景觀(guān)林樹(shù)種既有常綠樹(shù)種也有落葉樹(shù)種。雖然常綠樹(shù)種綠期長(zhǎng)，但冠形及三維綠量<落葉樹(shù)種。因此，出現(xiàn)落葉樹(shù)種生態(tài)效益>常綠樹(shù)種。有些灌木由于冠形及三維綠量>喬木樹(shù)種，也會(huì)出現(xiàn)灌木生態(tài)效益>喬木的情況。因此，在進(jìn)行護(hù)坡景觀(guān)樹(shù)種選擇時(shí)要注意常綠樹(shù)種與落葉樹(shù)種的比例以及喬木與灌木的配置比例。

通過(guò)對(duì)渭北臺(tái)塬陡坡及人工立面景觀(guān)林三維綠量方程的研究，可以應(yīng)用于環(huán)境相似的地區(qū)，得到相似條件下景觀(guān)林樹(shù)種三維綠量值，可為城市林業(yè)綠化數(shù)據(jù)奠定基礎(chǔ)，為陡坡及人工立面綠化設(shè)計(jì)提供技術(shù)參數(shù)。既提高了生態(tài)效益也具有觀(guān)賞的美學(xué)效果，為環(huán)境友好型城鎮(zhèn)景觀(guān)林的目標(biāo)進(jìn)一步努力。

本試驗(yàn)未對(duì)葉面積指數(shù)(LAI)進(jìn)行測(cè)定以及未找到適合對(duì)密植灌木及藤本曲線(xiàn)擬合和三維綠量方程建立的方法。在對(duì)三維綠量進(jìn)行生態(tài)效益的換算時(shí)，不同落葉植物的綠期長(zhǎng)短也存在一定差異，植物自身樹(shù)齡及內(nèi)部生理變化、外部枝葉分布及葉片結(jié)構(gòu)都影響樹(shù)種的生態(tài)效益，但是轉(zhuǎn)換公式?jīng)]有將其考慮在內(nèi)，這是本試驗(yàn)存在的不足。本研究針對(duì)單株植物三維綠量進(jìn)行研究，對(duì)于城市植物群落等大尺度范圍下三維綠量測(cè)定，建議結(jié)合遙感技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。

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