基于時空尺度變化規(guī)律的樹種選擇及應(yīng)用策略

王旭東 楊秋生 張慶費

摘要：文章從空間與時間兩個尺度對園林樹木及群落的時空變化特征進行解析，并以上海地區(qū)最為普遍的樹種香樟為例，探討了時空尺度變化規(guī)律在樹種選擇及配置中的體現(xiàn)與應(yīng)用。該研究以期為植物種植設(shè)計與管理過程中規(guī)格選擇、數(shù)量配置、動態(tài)調(diào)控等方面提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)景園林植物，時空尺度，變化規(guī)律，樹種選擇，植物種植設(shè)計

種植設(shè)計是三維空間結(jié)合時間多維尺度下的綜合，做好植物種植設(shè)計及管理的前提是對所選植物材料特性以及生長發(fā)育變化規(guī)律的認知[1-2]。多數(shù)設(shè)計師往往憑經(jīng)驗或直覺來確定植物規(guī)格及尺度變化，難以準(zhǔn)確預(yù)估特定胸徑條件下樹木對空間尺度需求以及后期生長發(fā)育變化[3]。此外，城市綠地建設(shè)普遍追求即時的景觀效果，其中不乏一些建設(shè)項目通過增大植物規(guī)格以及提高植物種植密度來實現(xiàn)所謂城市園林綠化的高標(biāo)準(zhǔn)，缺乏動態(tài)過程變化的觀念，并未對植物群落動態(tài)發(fā)育過程過多關(guān)注，這也給植物群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與景觀效益的可持續(xù)性帶來隱患[4-6]。

對園林植物空間尺度與時間尺度的把握成為植物種植設(shè)計與群落構(gòu)建過程中容易被忽略的兩個關(guān)鍵性問題。一般地，園林樹木規(guī)格的選擇多以胸徑為主要基準(zhǔn)，種植平面則多以冠幅為主要表達方式，立面林冠線營造則是以樹高及冠型為基礎(chǔ)。如何確定特定規(guī)格（胸徑）下植物生長的空間需求以及發(fā)育過程特征成為種植設(shè)計中樹種選擇以及動態(tài)管理的關(guān)鍵[4]。胸徑與冠幅、樹高、冠高、枝下高、葉面積指數(shù)等生長結(jié)構(gòu)參數(shù)之間存在密切關(guān)系，植物生長時空變化規(guī)律的研究有助于估測特定規(guī)格下的樹木生長空間需求及后期動態(tài)發(fā)育變化，為種植設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。鑒于此，本文基于植物生長時空變化特征的解析，結(jié)合理論探索與實證分析，提出基于時空尺度變化特征的樹種選擇、種植設(shè)計與管理策略。

1 城市樹木及群落的時空尺度變化特征

對植物特性認識和考慮不到位的植物種植設(shè)計，會導(dǎo)致所形成的植物群落難以經(jīng)受時間的考驗。這就需要對不同類型植物個體及群落生長所需的空間以及達到某一生長階段所需的時間有所認知。下面主要從空間與時間兩個尺度層面對城市樹木生長與群落發(fā)育的時空變化特征進行解析（圖1，圖2）。

1.1 空間尺度變化特征

總的來說，植物群落空間尺度可劃分為地上空間（冠）與地下空間（根）兩部分。本文所論述的主要針對樹木及群落的地上空間尺度，指的是冠干部分生長所需的空間。由于樹木個體自身結(jié)構(gòu)特征的差異，導(dǎo)致其所占據(jù)的空間資源有所不同，主要體現(xiàn)在植物的冠幅、樹高以及冠積等方面。生物體各部分構(gòu)件大小間存在的數(shù)值關(guān)系，也可以理解為一種生物屬性與另一種生物屬性之間的關(guān)系隨生長變化而出現(xiàn)的規(guī)律。胸徑的生長變化將引發(fā)其他生長結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化。一般地，隨著胸徑的增大，樹木冠幅、樹高以及冠積等空間尺度也隨之遞增。這種空間尺度變化主要體現(xiàn)在以下兩方面：首先，不同類型樹種對生長空間的需求存在差異。例如，Pretzsch[7]在大數(shù)據(jù)視野下，基于異速生長模型對全世界范圍內(nèi)城市公園以及森林等綠地類型中常見的樹木樹冠尺度及生長空間需求進行預(yù)估與分類。其次，不同生態(tài)習(xí)性的樹種以及不同的立地環(huán)境都會導(dǎo)致樹木生長空間尺度與形態(tài)的差異與分化，主要表現(xiàn)在冠幅、冠形、冠積、樹冠表面積、樹高、枝條數(shù)量等方面。即使同一種類植物，在不同地域樹種生長空間結(jié)構(gòu)也存在差異，主要由于不同地域環(huán)境的異質(zhì)性所致[8-9]。

此外，樹木生長空間尺度需求在種植密度方面的體現(xiàn)尤為重要。種植密度是在一定區(qū)域面積或空間內(nèi)，各種不同群體組合的群落數(shù)量與體積的綜合。種植密度實質(zhì)上體現(xiàn)的是不同類型樹木對空間的利用效率。樹木生長與群落發(fā)育過程中，往往由于群落中個體生長空間不足或受限，進而引發(fā)群落密度問題，其本質(zhì)是空間問題。誘發(fā)群落密度問題的原因一方面是前期初始種植密度較大：另一方面是后期動態(tài)調(diào)控與管理失衡。密度過大是誘發(fā)惡性競爭及過度分化的重要因素之一。樹木生長在空間及資源有限的情況下，群落中的個體為了獲取最適宜自身生長的環(huán)境資源從而引發(fā)群落個體之間的相互阻礙與制約，進而產(chǎn)生樹木生長結(jié)構(gòu)、空間尺度以及形態(tài)上的變化[10-12]。

1.2 時間尺度變化特征

植物群落的時間尺度是指群落動態(tài)變化過程，也可理解為群落結(jié)構(gòu)在時間上的分化或配置。植物自身及群落具有特定的生長階段與生命周期，具有典型的時間尺度特征[2]。植物群落的時間尺度是一個寬泛的概念，其中包含了植物群落在時間上的任何變動，既是時間的函數(shù)，同時也與植物群落類型與性質(zhì)有關(guān)。不同類型植物群落在不同的生命周期或階段所呈現(xiàn)的空間結(jié)構(gòu)特征及內(nèi)在變化規(guī)律存在一定差異，包括了從植物群落的形態(tài)、生理、生化等狀態(tài)到整個群落結(jié)構(gòu)、物種組成、分布格局等方面的改變。本文所指的時間尺度變化是針對園林樹木的生長速率及生物量積累（如胸徑、冠幅、樹高等）的變化。

伴隨時間的推移及植物個體生長，植物群落生長發(fā)育也經(jīng)歷著初期、中期、后期等階段。植物群落個體之間以及與環(huán)境之間是一個動態(tài)變化的過程，隨著時間、空間、環(huán)境等因素的變化而變化。在城市特定的生境下，經(jīng)過一定階段生長發(fā)育，植物群落個體間經(jīng)過對空間與資源的爭奪使其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生分化，逐步向穩(wěn)定狀態(tài)過渡。這個轉(zhuǎn)變過程不僅是動態(tài)的，同時也是人工選擇與自然進程共同作用的。因此，種植設(shè)計與群落構(gòu)建需要把握植物群落的動態(tài)特征及變化規(guī)律，通過對不同胸徑條件下，樹木生物量積累的變化，總結(jié)不同樹木類型在不同生長階段下生長速率的變化規(guī)律。城市樹木的選擇及栽植多采用截冠、疏冠等措施，然而，多數(shù)設(shè)計師很難預(yù)見樹木與群落恢復(fù)及后期發(fā)育的過程。例如，截冠或疏冠的樹木，其樹冠需要多久才能恢復(fù)到理想狀態(tài)以及何時達到郁閉或白疏狀態(tài)等都需要積累不同樹木及群落類型在時間尺度上的變化特征，這樣才能使種植設(shè)計與管理具有更好的預(yù)見性與彈性，這些都會為后期群落的動態(tài)管理及調(diào)控提供參考。

2 基于時空尺度變化規(guī)律的樹種選擇及應(yīng)用策略

2.1 基于空間需求變化的樹種選擇

在植物種植設(shè)計與群落構(gòu)建的過程中，只將胸徑指標(biāo)作為植物規(guī)格選擇及數(shù)量控制的依據(jù)顯然是不全面的，應(yīng)當(dāng)充分考慮樹冠等其他生長要素對生長空間尺度的需求，從而為樹木規(guī)格選擇提供更科學(xué)、全面的依據(jù)。不同類型樹木在不同地域環(huán)境條件下，其生長空間尺度也存在差異。通過建立城市園林樹木及群落生長參數(shù)間（胸徑與冠幅、胸徑與樹高）的關(guān)系模型，以胸徑為基準(zhǔn)，實現(xiàn)對不同類型樹木生長空間尺度的有效推演及分類，不僅有利于對特定空間條件下的植物可容納量進行合理分配與布置，同時也有利于實現(xiàn)植物群落層級結(jié)構(gòu)在空間上的有效利用[13]。

以上海地區(qū)常見的香樟為例，選取不同胸徑梯度下的香樟樹種進行取樣調(diào)查，以胸徑參照，分析胸徑一冠幅以及胸徑一冠高相關(guān)性及變化規(guī)律。基于705株生長狀態(tài)良好的香樟樣本的實測數(shù)據(jù)，對所選取樣本的胸徑與冠幅以及胸徑與樹高的成對數(shù)據(jù)進行回歸擬合（表1）。隨著胸徑的增加，冠幅及樹高也隨之增加，兩者之間存在正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在0.900以上，故對植物樹冠生長空間尺度具有較好的模擬精度（圖3）。這樣，在種植設(shè)計過程中，以胸徑為主要參考指標(biāo)，實現(xiàn)冠、干等其他生長要素對空間尺度需求的有效預(yù)估，為特定樹種在空間尺度、數(shù)量選擇及配置方面提供基礎(chǔ)參考。

2.2 基于生長速率差異的動態(tài)預(yù)估

樹木生長是一個動態(tài)的功能完善與系統(tǒng)發(fā)育過程，都經(jīng)歷著生長、穩(wěn)定、衰退等不同階段。不同種類以及不同生長階段的樹木，其生長速率存在一定差異?？赏ㄟ^固定樣方的設(shè)置，長期監(jiān)測植物群落個體各生長參數(shù)之間的變化特征，進而總結(jié)與比較不同類型樹種在各生長階段生物量積累的變化規(guī)律。以前期設(shè)置的1hm2的固定樣地為參考，樣地位于崇明島港沿鎮(zhèn)，地理坐標(biāo)為31°3731.72”N，121° 42'50.45”E。利用全站儀對1hm2固定樣地進行細分，劃分100個“Z”字型或“N”字型走向的10mx10m小樣方。對樣地內(nèi)高于1.3 m的木本植物進行標(biāo)記與編號。崇明島1hm2固定樣地于2011年設(shè)置，并對每個樣方內(nèi)的植物進行每木檢尺，調(diào)查內(nèi)容涉及植物種類（其中涉及香樟456株）、分布（坐標(biāo)）、胸徑、冠幅、高度、生長勢等各項指標(biāo)以及更新苗的種類、數(shù)量、高度等。2015年底對樣地內(nèi)植物進行復(fù)測。分析數(shù)據(jù)表明，香樟群落胸徑的平均增量為3.47cm.同比增長率為46%（圖4）。通過對香樟群落5年的胸徑增量的總結(jié)，依據(jù)前者分析的空間預(yù)估模型，定量預(yù)估與模擬香樟群落的生長空間尺度。

2.3 基于空間利用效率的密度調(diào)控

種植密度是引起樹木及群落結(jié)構(gòu)、形態(tài)、尺度變化的主要因子之一。通過對不同植物群落密度梯度（500，1000，1500，2000，2500株/hm2）.同齡級（ll-15a）香樟人工植物群落的調(diào)查結(jié)果進行總結(jié)[14-15].分析了密度制約與競爭效應(yīng)對植物空間形態(tài)與生物量分配格局的影響。通過對不同密度梯度下的香樟群落樹冠尺度進行梳理與分析（圖5），結(jié)果表明，植物群落密度對樹冠尺度的影響顯著，證實了密度對植物群落的樹冠尺度具有抑制作用，樹冠尺度隨密度的增大而縮小。植物群落密度不同，其枝下高具有明顯差異。隨著群落密度的增大，植物樹冠的受光面減少以及生長空間受限。橫向?qū)用?、生長空間的嚴(yán)重虧缺、擁擠的樹冠空間由于對空間的競爭，冠幅隨密度的增大而減小。豎向?qū)用?、樹冠下部光照短缺，?dǎo)致枝下高逐漸增加，而冠長隨之減小。高密度的植物群落個體間，由于受到風(fēng)及雨雪等多方面原因?qū)е轮参镏l之間自然整枝加劇，從而引起枝下高升高，冠長相對減少。此外，理想狀態(tài)下，樹木橫斷面多近似于圓形，但植物群落中的個體生長發(fā)育及分化受到環(huán)境變化與競爭等多元因素的影響，導(dǎo)致偏冠、畸形冠、冠缺失等情況，呈現(xiàn)卵圓形、多邊形以及不規(guī)則形等?；诓煌芏认阏寥郝涞恼{(diào)查，卵圓形的樹冠常常因為密度制約（空間距離）導(dǎo)致樹冠由原有的擴展形態(tài)向冠頂逐步削減[16]。通過以上對不同密度梯度香樟群落的研究表明，隨著植物群落密度的增大，冠層的水平與垂直方向受到抑制的強度也隨之增強。冠層的形態(tài)一般隨著植物群落密度的增加，冠幅會隨之縮減，以致于一些原有飽滿型樹冠向狹長型過渡變化。

所謂密度調(diào)控，可直觀地理解為給植物群落之間創(chuàng)造適宜的生長空間，提升植物的最大生長量，從而實現(xiàn)生態(tài)效益的最大化。在植物的整個生長過程中，不同的生長階段都有可能存在一個最適宜的群落密度，這是一個數(shù)量級范圍，它可能因立地條件、種植技術(shù)、發(fā)展目標(biāo)等因素的不同而發(fā)生變化。植物群落冠層對密度抑制或競爭的響應(yīng)是相同水平的植物個體樹冠間相互排擠的過程，其本質(zhì)是樹冠對資源利用率與生長空間占有率的體現(xiàn)[7]。因此，可依據(jù)不同類型樹種以及不同發(fā)育階段樹冠空間尺度與形態(tài)特征及變化規(guī)律，實現(xiàn)對群落冠層空間的合理組合與分配，進而提升植物群落對空間的利用效率。

3 展望

綜上所述，基于空間與時間兩個層面闡述與論證了園林樹木及群落的時空變化特征。植物種植設(shè)計與群落構(gòu)建不是植物個體及數(shù)量在空間的無序堆積，而是以不同類型植物的生長特性與結(jié)構(gòu)形態(tài)特征為依據(jù)所進行的具有邏輯關(guān)系的空間組織[3]。通過對城市綠地植物群落空間尺度變化規(guī)律的預(yù)估，有助于植物種植設(shè)計與群落構(gòu)建更好地把握植物生長彈性空間，盡可能地避免或緩解植物群落個體間冠層空間的過度重疊。此外，在一定區(qū)域范圍內(nèi)，可依據(jù)植物生長空間屬性，確定合適的種植密度，并制定近期與遠期相結(jié)合的密度控制。

城市綠地植物群落往往是一個不穩(wěn)定、未成熟系統(tǒng)的臨時框架，不僅在歷史中形成和演替中發(fā)展，更在人為干擾中嬗變[17]。植物群落通過生長、發(fā)育、更新與演替等諸多階段詮釋了生命周期的過程，通過空間形態(tài)與季相變化呈現(xiàn)了自然變化的時空美，這些都是植物群落動態(tài)變化過程中所展露的生命特質(zhì)。因此，種植設(shè)計過程中對植物個體以及群落整體的生長發(fā)育特征及變化規(guī)律有一定的認知與把握，對于植物生長發(fā)育所需的時間與空間進行科學(xué)預(yù)估，可以使得植物能夠最大限度地利用資源與有效地分配空間，依據(jù)空間容量合理選擇植物規(guī)格以及數(shù)量，從而形成具有良性自然生長發(fā)育過程的綠地植物群落。

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