北京市中軸線地區(qū)林木樹冠覆蓋特征及影響因素1)

姚佳 賈寶全 王成

(浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，寧波，315100) (中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所)

城市林木樹冠覆蓋(UTC)是指從喬灌木上空垂直觀察時，樹木葉層、樹枝、樹干所覆蓋的地表面積[1]。與草地相比，林地能充分利用綠地三維空間，更好的反應(yīng)城市綠地結(jié)構(gòu)特征和生態(tài)效益[2]，因此探究城市林木樹冠覆蓋斑塊的布局特征，是開展城市森林評價及其健康與穩(wěn)定性優(yōu)化的前提[1]。目前的研究內(nèi)容，主要集中于樹冠覆蓋斑塊的景觀格局分析[2-9]、樹冠覆蓋與森林服務(wù)功能分析[10-11]，缺少樹冠覆蓋斑塊在城市發(fā)展過程中變化規(guī)律的探討；且樹冠覆蓋斑塊的分類以土地功能類型為依據(jù)，不利于與城市中常用的綠地類型相銜接。

北京作為國家首都，伴隨人口膨脹，城市建設(shè)用地緊張、生態(tài)用地嚴重不足的問題日益嚴峻；政府力求通過制定新一輪城市總體規(guī)劃和實施一系列城市森林建設(shè)項目，達到提升首都功能、抑制城市空間無序擴張、改善人居環(huán)境、穩(wěn)定城市生態(tài)系統(tǒng)的目的[12]。但目前開展的城市森林建設(shè)實踐，過分側(cè)重森林面積的增加，忽視了綠地質(zhì)量的提升，導(dǎo)致城市生態(tài)環(huán)境沒有得到明顯改善。因此，在城市發(fā)展定位轉(zhuǎn)型的初期，及時準確的量化以樹冠覆蓋斑塊為核心的城市森林總量，認識其格局特征和分布規(guī)律，探究影響因素和驅(qū)動力，對優(yōu)化城市綠色空間格局、科學(xué)制定城市森林規(guī)劃和管理措施都具有重要的理論和實踐意義。

1 研究區(qū)概況

北京市位于華北平原西部(115°25′～117°30′E，39°28′～41°5′N)，總面積1 641 054 hm2。北京市傳統(tǒng)中軸線因其特殊的歷史背景，在歷次城市總體規(guī)劃中一直作為城市建設(shè)的重點區(qū)域。傳統(tǒng)中軸線，南起永定門，北至鐘鼓樓，長約7.8 km，途徑東城區(qū)、西城區(qū)、昌平區(qū)、豐臺區(qū)、海淀區(qū)、大興區(qū)，是古都北京的中心標志，也是世界上現(xiàn)存最長的城市中軸線[12]。該地區(qū)地形屬于城市平原區(qū)；經(jīng)濟上表現(xiàn)出從城市核心區(qū)、城鄉(xiāng)過渡區(qū)，到遠郊區(qū)的有序過渡；城市建設(shè)中，表現(xiàn)出從歷史文化古城、城鎮(zhèn)化到現(xiàn)代都市風(fēng)貌的多元化特色；映射出人類活動從高強度區(qū)(城區(qū))、中等強度區(qū)(城鄉(xiāng)過渡區(qū))到一般強度區(qū)(遠郊區(qū))的完整變化，因此提供了一個理解和認識城市森林景觀特征隨城市建設(shè)發(fā)展變化的研究平臺。

2 研究方法

研究范圍：將傳統(tǒng)中軸線分別延伸到南北6環(huán)路，長度45 km；以永定門和鐘樓的城門連接線為軸，分別向東西方向擴展2.5 km，總寬度5 km，總面積22 500 hm2。以長安街為橫軸，城市2～6環(huán)路的道路中心線為分界線，將研究區(qū)劃分為10個研究區(qū)塊，分別為長安街-北2環(huán)路(N2)、北2環(huán)路-北3環(huán)路(N23)、北3環(huán)路-北4環(huán)路(N34)、北4環(huán)路-北5環(huán)路(N45)、北5環(huán)路-北6環(huán)路(N56)、長安街-南2環(huán)路(S2)、南2環(huán)路-南3環(huán)路(S23)、南3環(huán)路-南4環(huán)路(S34)、南4環(huán)路-南5環(huán)路(S45)、南5環(huán)路-南6環(huán)路(S56)。10個研究區(qū)塊按照城市圈層發(fā)展結(jié)構(gòu)依次排列，最終形成一條貫穿城市南北方向的“城-鄉(xiāng)”梯度帶。

影像數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)來源于北京市2013年8—9月worldview-2全色與多光譜融合影像(紅、綠、藍4波段)，分辨率為0.5 m，影像是利用447個地面點做幾何矯正而得到的四級產(chǎn)品。

林木樹冠覆蓋斑塊分類：在高分辨率衛(wèi)星圖可視內(nèi)容的基礎(chǔ)上，結(jié)合GB/T 21010—2007《土地利用現(xiàn)狀分類》和GJJ/T 85—2002《城市綠地分類標準》，將研究區(qū)樹冠覆蓋斑塊分為公共綠地樹冠覆蓋斑塊、居住區(qū)綠地樹冠覆蓋斑塊、單位綠地樹冠覆蓋斑塊、道路綠地樹冠覆蓋斑塊。

影像解譯及數(shù)據(jù)處理：利用GIS平臺，結(jié)合谷歌地圖和北京市城市用地規(guī)劃圖(2004—2020年)，對worldview高分辨率衛(wèi)星圖進行人工目視解譯。通過Arcmap“編輯器”里的“裁切”工具，將研究區(qū)柵格圖繪制成包含樹冠覆蓋斑塊的矢量圖。借助Arcgis平臺的Patch Analyst插件，完成景觀尺度和斑塊尺度上的景觀格局指數(shù)計算。

景觀格局指數(shù)：景觀格局分析在景觀和斑塊2個尺度上進行。景觀尺度指數(shù)，包括多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)。斑塊尺度指數(shù)，包括數(shù)目、平均面積、平均邊緣密度、平均分維數(shù)、平均形狀指數(shù)[11]。

林木樹冠覆蓋斑塊分級：參照文獻[13]、[14]提出的標準對林木樹冠覆蓋斑塊分級，小型斑塊≤0.05 hm2、0.05 hm2<中型斑塊≤0.20 hm2、0.20 hm2<大型斑塊≤1.00 hm2、1.00 hm2<特大斑塊≤5.00 hm2、巨大斑塊>5.00 hm2。

3 結(jié)果與分析

3.1 林木樹冠覆蓋斑塊總體特征

依據(jù)表1數(shù)據(jù)計算：研究區(qū)總面積22 500 hm2，樹冠覆蓋斑塊面積4 945.53 hm2，樹冠覆蓋率21.98%。其中：公共綠地樹冠覆蓋斑塊面積2 985.96 hm2，占研究區(qū)總面積的13.27%；居住綠地樹冠覆蓋斑塊面積1 124.65 hm2，占研究區(qū)總面積的5.00%；單位綠地樹冠覆蓋斑塊面積212.98 hm2，占研究區(qū)總面積的0.95%；道路綠地樹冠覆蓋斑塊面積621.94 hm2，占研究區(qū)總面積的2.76%。

表1 各研究區(qū)塊中4類樹冠斑塊面積及樹冠覆蓋率

由表1可見：以長安街為橫軸，中軸線北部地區(qū)的樹冠覆蓋率高于南部。從城市中心區(qū)向遠郊區(qū)擴展，中軸線南北方向樹冠覆蓋率變化趨勢不一致，北部各研究區(qū)塊的樹冠覆蓋率呈先升后降的走勢，最高點為N45的29.0%，最低點為N56的22.2%；南部地區(qū)各區(qū)塊的樹冠覆蓋率呈遞減變化，最高點為S2的26.0%，最低點為S56的11.3%。這說明城市區(qū)域間社會發(fā)展水平的不均衡，也影響到了城市森林的建設(shè)質(zhì)量。2008年，因舉辦奧運會而新建的大型森林斑塊，有效增加了北部地區(qū)樹冠覆蓋斑塊面積，N45區(qū)塊內(nèi)因為擁有奧林匹克森林公園而獲得極高的樹冠覆蓋率。

從構(gòu)成樹冠覆蓋斑塊的4類綠地看，公共綠地提供的樹冠覆蓋率最多，其次為居住綠地、道路綠地和單位綠地。但是，在S23和S34區(qū)塊內(nèi)，居住綠地提供的樹冠覆蓋率共21.2%，超過公共綠地所提供樹冠覆蓋率的2倍，說明雖然該研究區(qū)塊內(nèi)整體樹冠覆蓋率不高，但是對于營造人居環(huán)境的居住綠地而言，綠地質(zhì)量相對較好。

3.2 樹冠覆蓋斑塊景觀格局指數(shù)

由表2可見：從樹冠覆蓋斑塊景觀尺度看，多樣性指數(shù)為1.61、均勻性指數(shù)為0.65。從斑塊尺度看，公共綠地和單位綠地擁有較低的平均分維數(shù)、平均形狀指數(shù)，說明這2類綠地樹冠覆蓋斑塊形狀相對規(guī)則，斑塊的穩(wěn)定性差，受人類活動影響較強；居住綠地樹冠覆蓋斑塊的平均邊緣密度最大，說明該類型斑塊被邊界割裂的程度最大，斑塊的空間連通度最低；單位綠地的平均斑塊面積最小，說明單位綠地的樹冠覆蓋斑塊破碎化程度最大。總體而言，公共綠地的樹冠覆蓋斑塊尺度指數(shù)更接近于整體景觀尺度的各類指數(shù)，說明公共綠地是提供樹冠覆蓋斑塊最主要的綠地；居住綠地和單位綠地是受人為干擾較強的2類綠地。

表2 2個尺度4類樹冠斑塊景觀格局指數(shù)

3.3 各等級樹冠覆蓋斑塊面積及數(shù)量特征

依據(jù)表3數(shù)據(jù)計算：研究區(qū)共有林木樹冠覆蓋斑塊總面積4 945.53 hm2，數(shù)量75 760個。其中：小型斑塊總面積798.56 hm2，占樹冠斑塊總面積的15.7%；數(shù)量63 785個，占樹冠斑塊總數(shù)量的84.2%。中型斑塊總面積932.885 hm2，占樹冠斑塊總面積的18.5%；數(shù)量9 423個，占樹冠斑塊總數(shù)量的12.4%。大型斑塊總面積776.04 hm2，占樹冠斑塊總面積的15.3%；數(shù)量1 946個，占樹冠斑塊總數(shù)量的2.6%。超大型斑塊總面積1 077.36 hm2，占樹冠斑塊總面積的21.4%；數(shù)量498個，占樹冠斑塊總數(shù)量的0.7%。巨大斑塊總面積1 360.68 hm2，占樹冠斑塊總面積的29.4%；數(shù)量108個，占樹冠斑塊總數(shù)量的0.1%。

表3 各研究區(qū)塊中不同等級樹冠斑塊面積及數(shù)量

由表3可見：南北方向各研究區(qū)塊中，樹冠斑塊分布均呈現(xiàn)“小斑塊數(shù)量多面積小、大斑塊數(shù)量少面積大”的特點。小斑塊數(shù)量在各研究區(qū)塊內(nèi)都占有絕對優(yōu)勢，尤其以N2、S2、N56、S45最明顯，但在這4個區(qū)塊中小型斑塊的面積總和僅為大型、超大型和巨大型斑塊面積總和的一半。從生態(tài)學(xué)角度看，斑塊中的能量和物質(zhì)總量與面積成正比[15]，樹冠覆蓋斑塊面積越大越能發(fā)揮生態(tài)功能。位于城市遠郊區(qū)的N45、N56、S45擁有多個大體量的樹冠覆蓋斑塊，說明該區(qū)域是維持城市生物多樣性、穩(wěn)定城市森林生態(tài)系統(tǒng)平衡、調(diào)節(jié)區(qū)域小氣候的重要地段。

由表4可見：公共綠地樹冠覆蓋斑塊共35 029個，面積2 985.96 hm2，分別占總體的46.2%和60.2%，遠遠高于其他3類綠地。公共綠地樹冠覆蓋斑塊中，超大斑塊和巨大斑塊以0.49%的數(shù)量比例，提供了40%的樹冠覆蓋面積，再一次說明公共綠地是對研究區(qū)樹冠覆蓋斑塊面積貢獻最大的綠地類型。而居住綠地和單位綠地的中小型樹冠覆蓋斑塊，以34.4%的數(shù)量比例，提供了12.1%的樹冠覆蓋面積，表明這2類綠地斑塊的破碎化程度高，樹冠斑塊以“小而散”的形式出現(xiàn)。

表4 4類樹冠斑塊中不同等級樹冠斑塊面積與數(shù)量

4 結(jié)論與討論

研究區(qū)從城市中心區(qū)向遠郊區(qū)擴張，南部各研究區(qū)塊內(nèi)樹冠覆蓋率呈梯度遞減變化，而北部呈現(xiàn)先增后減的趨勢，這種樹冠覆蓋斑塊空間分布不均衡現(xiàn)象與區(qū)域間人文特征、城市建設(shè)和人居環(huán)境質(zhì)量的差異密切相關(guān)。首先，大量遺留的皇家園林賦予中軸線北部地區(qū)優(yōu)渥的城市森林本底。其次，2008年奧運會的綠色需求，推動了北部遠郊區(qū)城市森林整體水平的提高，N45、N56區(qū)塊內(nèi)分布的奧體森林公園、東小口森林公園和太平郊野公園，已經(jīng)成為城市“綠肺”。最后，伴隨奧運場館周邊區(qū)域人居環(huán)境質(zhì)量的提升，圍繞森林公園新增大量地產(chǎn)項目，已經(jīng)形成都市芳園、禾木莊園、龍躍苑等樹冠覆蓋率較高的現(xiàn)代化居住片區(qū)。這些因素都在不斷拉大中軸線北部與南部地區(qū)城市森林質(zhì)量的差距。但是隨著北部平原區(qū)用地空間有限、首都大興國際機場建設(shè)和雄安國家級新區(qū)建設(shè)項目的啟動，新一輪北京市城市總體規(guī)劃[12]將城市空間大幅度南擴，未來中軸線南部地區(qū)的城市森林質(zhì)量將隨著城市總體建設(shè)得到整體提升。

宋宜昊[16]研究發(fā)現(xiàn)，北京市借助建設(shè)綠色奧運、開展“平原區(qū)百萬畝造林”和第一、二道隔離林帶為主的城市造林活動，2002—2013年的11 a間，建成區(qū)樹冠覆蓋率從19.46%提高到39.53%，增長20.06%，其中4～6環(huán)路漲幅最多(39.18%)。賈寶全等[11]研究發(fā)現(xiàn)，2002—2013年的11 a間，第一道隔離林帶內(nèi)林木樹冠覆蓋斑塊平均面積，從0.05 hm2增加到0.21 hm2，說明斑塊的破碎度在減小。高美蓉等[2]研究表明，廈門市依托山體建設(shè)的大量城市公園是影響城市樹冠覆蓋率的主要因素。湯婧雅等[4]、王近秋等[3]研究表明，上海市外環(huán)線500 m寬環(huán)城林帶的建設(shè)促進了城市樹冠覆蓋率的提高。這說明公共綠地中的大型樹冠斑塊數(shù)量是驅(qū)動樹冠覆蓋率增加的主要因素，而開展以喬灌木為主的城市森林建設(shè)和城市環(huán)境美化運動，是驅(qū)動樹冠覆蓋率增加的重要手段。

未來城市森林建設(shè)重心為調(diào)整森林斑塊分布結(jié)構(gòu)、提高綠地三維空間利用率。結(jié)合平原區(qū)百萬畝造林和兩道隔離林帶工程的實施，在城市遠郊區(qū)新增以喬木為主的連續(xù)樹冠覆蓋斑塊，增強現(xiàn)有樹冠斑塊的連通度；在城市近郊區(qū)或中心區(qū)，以見縫插針的形式增加小型樹冠覆蓋斑塊，增強樹冠覆蓋斑塊分布的均勻性。通過優(yōu)化樹冠斑塊的空間布局，達到促進城市生態(tài)建設(shè)從注重綠化用地面積增加向提高土地空間利用效率轉(zhuǎn)變的目的。