姚佳 賈寶全 王成 張昶 杜萬光 蒙寬宏
(中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所,北京,100091) (黑龍江省林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所)
責任編輯:張 玉。
人類活動正以前所未有的廣度和深度影響著城市土地利用結(jié)構(gòu)和森林景觀格局,城市生態(tài)系統(tǒng)受到破壞,人居環(huán)境不斷惡化。人們在尋求解決方法時,逐漸認識到城市森林對改善生態(tài)環(huán)境的作用,而城市森林建設是依靠增加林木樹冠覆蓋的需求來驅(qū)動的[1]。20 世紀60年代,歐美國家開始把樹冠覆蓋率作為評價、規(guī)劃、監(jiān)測城市森林的核心指標,美國已于2001年建立了全國城市林木樹冠覆蓋數(shù)據(jù)庫[2-4]。相比于發(fā)達國家,我國林業(yè)部門和園林部門對城市森林的評價,始終停留在綠地率、人均綠地面積等單純描述綠地面積的指標[2],對綠地質(zhì)量和空間利用率的重視程度不夠。因此,開展城市森林樹冠覆蓋率的研究,不但為我國與國外城市森林現(xiàn)狀進行比較提供資料,而且為未來城市森林規(guī)劃指明方向,對城市生態(tài)環(huán)境建設具有重大意義。
我國借用遙感技術和景觀生態(tài)學相關理論,陸續(xù)開展了城市森林樹冠覆蓋率研究[5-9],普遍應用梯度分析與景觀指數(shù)相結(jié)合的方法,分析城市不同區(qū)域、不同類型用地樹冠覆蓋率的變化,但研究范圍多集中于城市建成區(qū),缺乏對"城-郊"完整梯度帶的研究。本研究通過量化北京的北部不同用地類型樹冠覆蓋面積,明確區(qū)域樹冠覆蓋斑塊構(gòu)成特征、不同面積等級斑塊分布現(xiàn)狀、城市潛在樹冠覆蓋發(fā)展力,探究城市化進程對"城-郊"連續(xù)帶樹冠覆蓋斑塊分布產(chǎn)生的影響。
北京城市結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯中軸對稱的格局,《北京城市總體規(guī)劃2004—2020年》中明確提出,南北中軸線是城市空間重點發(fā)展方向;因此,本文研究范圍選擇北部中軸線,長約28 km,寬為5 km,總面積139.36 km2,南起長安街,中跨奧林匹克公園,北至官牛坊村,為典型的城區(qū)-郊區(qū)連續(xù)變化帶。
數(shù)據(jù)來源于北京市2013年8月worldview 全色與多光譜融合影像,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,范圍為北京市六環(huán)路外1 km 內(nèi)區(qū)域。
樹冠覆蓋斑塊的提取:根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部林務局的定義,城市林木樹冠覆蓋指的是,當從樹木上面垂直觀察時,樹木葉層、樹枝、樹干所覆蓋的地表面積[2]。本研究樹冠覆蓋斑塊包括各類用地中的喬木斑塊、灌木斑塊。提取方法:在ArcGis10.2 平臺下,利用“編輯器”中的“裁剪”功能,將高分辨衛(wèi)星影像中所有用地進行人工剪切,對照土地利用分類系統(tǒng)表(見表1),逐一賦予每個剪切后的斑塊屬性代碼,導出不同用地的喬木斑塊、灌木斑塊圖層,在excel 中統(tǒng)計斑塊面積、數(shù)量。
林木樹冠覆蓋分類方法:國內(nèi)外對樹冠覆蓋的分類沒有統(tǒng)一標準[3]。本文參考我國 GB/T 21010—2007《土地利用現(xiàn)狀分類》[10]、GJJ/T 85—2002《城市綠地分類標準》[11],結(jié)合高分辨率影像特征,將研究區(qū)土地分為9 個一級地類;依據(jù)植被生活型,將一級地類再分成18 個二級地類(見表1)。其中:公共綠地、居住區(qū)綠地、單位綠地、道路綠地,是包含樹冠覆蓋斑塊的用地,在分析樹冠覆蓋斑塊特性時,只考慮這4 類用地;城市建設用地、農(nóng)用地、水體、臨時用地,為不包含樹冠覆蓋斑塊的用地,不在樹冠覆蓋相關分析之中;未利用閑置地,為不穩(wěn)定綠地,不在現(xiàn)實樹冠覆蓋分析范圍之內(nèi),只出現(xiàn)在潛在樹冠覆蓋分析內(nèi)容之中。
表1 北京市的北部研究區(qū)土地利用分類系統(tǒng)
樹冠覆蓋斑塊等級劃分:借鑒吳澤民等[5]對合肥市城市森林斑塊等級分類方法,結(jié)合研究區(qū)樹冠覆蓋斑塊面積現(xiàn)狀,將樹冠覆蓋斑塊面積分4 個等級,即小斑塊(0≤斑塊面積≤0.1 hm2)、中斑塊(0.1<斑塊面積≤0.5 hm2)、大斑塊(0.5 <斑塊面積≤1.0 hm2)、特大斑塊(斑塊面積>1.0 hm2)。
樹冠覆蓋貢獻:是指某用地樹冠覆蓋率與該用地所占面積比例之差;差值越大,說明該用地樹冠覆蓋貢獻越大。
潛在樹冠覆蓋提取:潛在樹冠覆蓋,是指可以被用來栽植樹木但目前尚未種植的、可增加樹冠覆蓋的土地總量,包括所有裸地、草地等有開發(fā)潛力的土地[2]。本研究提取公共綠地、居住綠地、單位綠地、道路綠地、未利用閑置地中草地、裸地的斑塊矢量圖,通過統(tǒng)計斑塊的數(shù)量、面積,計算樹冠覆蓋潛在發(fā)展力。
研究區(qū)總面積13 935.73 hm2,林木樹冠覆蓋面積3 271.22 hm2。9 類用地中城市建設用地面積最大,其次為公共綠地、居住區(qū)綠地,面積最小的是單位綠地。大型綠地斑塊多集中于4~6 環(huán)內(nèi)的奧林比克森林公園,農(nóng)用地多位于5~6 環(huán)路的遠郊地區(qū),水體多分布于南部老城區(qū)內(nèi)。
北京作為文化古都,具有獨特的城市規(guī)劃格局,因此,從老城區(qū)到郊區(qū),各類土地利用表現(xiàn)出鮮明的差別。2 環(huán)路內(nèi),由于存在大量皇家園林,公共綠地(19.43%)和水體(5.72%)面積比例較大,居住綠地(1.82%)和單位綠地(0.43%)面積十分有限,但居住綠地內(nèi)樹冠覆蓋率較高(70.52%);說明老城區(qū)人居環(huán)境非常好,大量古樹老樹長勢優(yōu)良,依舊可以發(fā)揮生態(tài)效益。2~3 環(huán)路,是新中國成立初期形成的居住片區(qū),政府啟動大量基礎設施建設項目;在這個范圍內(nèi),公共綠地(17.86%)、居住綠地(10.71%)和道路綠地(7.36%)比例較大,樹冠覆蓋率比較高。3~6 環(huán)路,是近20 a 快速發(fā)展的居住片區(qū),表現(xiàn)出鮮明的城郊過渡帶特征。隨著距離市中心越來越遠,城市建設用地、居住區(qū)綠地、單位綠地、道路綠地土地占用比例急劇下降,未利用閑置地比例上升,城市邊緣出現(xiàn)農(nóng)用地,公共綠地面積雖然增加但內(nèi)部樹冠覆蓋率減少(見表2)。
不同環(huán)路之間樹冠覆蓋率變化略有起伏。老城區(qū)雖然有多處公園,但整體樹冠覆蓋率并不高;4~5環(huán)路,因出現(xiàn)了奧林匹克公園,該區(qū)域樹冠覆蓋率急增到28.57%;5~6 環(huán)路,為遠離市中心的城郊區(qū)域,雖然綠地面積大,但內(nèi)部喬木生長時間短,無法形成連續(xù)的樹冠覆蓋斑塊,樹冠覆蓋率跌到21.47%(見表2)。
表2 北京市的北部研究區(qū)土地利用面積和樹冠覆蓋率統(tǒng)計
2.2.1 4 類綠地林木樹冠覆蓋斑塊構(gòu)成
由表3可見:4 類綠地均是喬木樹冠覆蓋斑塊總面積占絕對優(yōu)勢,說明城市(北京)綠地是以喬木為主的森林景觀,綠地空間利用比較充分。從樹冠覆蓋斑塊數(shù)量和平均面積分析,公共綠地擁有最多的樹冠覆蓋斑塊數(shù)和最大的平均斑塊面積,分別為23 709 塊和0.11 hm2;單位綠地樹冠覆蓋斑塊數(shù)量最少(1 150 塊),且平均斑塊面積(最小的為0.02 hm2)較小。這說明,不同類型樹冠覆蓋斑塊受用地性質(zhì)的影響。公共綠地是城市中的公共綠色空間,用地面積大,因此斑塊數(shù)量多且平均面積大;以行政辦公為主要功能的單位綠地,植物景觀多以點綴的形式出現(xiàn),導致斑塊數(shù)量少,且平均面積最小。
表3 北京市的北部研究區(qū)樹冠覆蓋斑塊構(gòu)成
2.2.2 4 類綠地林木樹冠覆蓋斑塊貢獻差異
由表4可見:各環(huán)路內(nèi)不同綠地類型林木樹冠覆蓋,對研究區(qū)樹冠覆蓋的貢獻不同。與擁有的土地占有量相比,道路綠地對整體樹冠覆蓋貢獻最大,道路綠地在2~6 環(huán)路,分別以0.85%、0.58%、0.36%、0.36%、1.09% 的土地占有比例,貢 獻了0.83%、0.54%、0.33%、0.28%、0.94%的樹冠覆蓋率;這是由于道路綠地是以闊葉喬木為主的純林地,內(nèi)部沒有任何硬質(zhì)景觀,人為干擾小,已經(jīng)形成樹冠覆蓋率高的生態(tài)廊道,因此對整體的樹冠覆蓋貢獻最大。公共綠地,是林木樹冠覆蓋斑塊主要集中區(qū)域,對整體的樹冠貢獻也較高。但4~6 環(huán),樹冠覆蓋率與土地占有比例之間的差距逐漸變大,原因:首先是城市森林建設“只求量大、不求質(zhì)好”的通病[2],綠地內(nèi)喬木數(shù)量不夠或者生長周期短,對綠地垂直空間利用率不高,不能形成連續(xù)的樹冠覆蓋斑塊;其次是綠地內(nèi)硬質(zhì)景觀過多,且植被缺乏養(yǎng)護,導致人為干擾強烈,綠地中出現(xiàn)大面積裸地;這種現(xiàn)象也反映出城郊地區(qū)是未來林木樹冠覆蓋率提升的重點區(qū)域,應采取增加速生喬木植物數(shù)量、減少草地面積、提高樹冠覆蓋斑塊連通性等措施,使有限綠地發(fā)揮更大的生態(tài)效益。居住綠地和單位綠地,受開發(fā)成本、場地條件、功能性質(zhì)等多重因素的限制,導致內(nèi)部喬木斑塊面積較小,對整體的樹冠覆蓋貢獻都很低。
2.2.3 4 類綠地林木樹冠覆蓋斑塊等級
經(jīng)統(tǒng)計,研究區(qū)共有小斑塊42 277 個、中斑塊3 925 個、大斑塊464 個、特大斑塊415 個。由表5可見:樹冠覆蓋斑塊面積構(gòu)成,以特大型斑塊為主,占總斑塊面積的43.28%;其他依次為中斑塊、小斑塊和大斑塊,分別占總斑塊面積的23.93%、23.08%和9.71%。2 環(huán)路以內(nèi),是小斑塊覆蓋面積占絕對優(yōu)勢的景觀格局,2 環(huán)路以外均是特大斑塊覆蓋面積占優(yōu)勢,這說明老城區(qū)綠地分布分散、破碎度較高。從斑塊數(shù)量分布看,各環(huán)路均是以小斑塊數(shù)量居多,4~5 環(huán)內(nèi),因為出現(xiàn)奧體公園,特大斑塊數(shù)量首次多于大斑塊數(shù)量。從市中心到城市邊緣,隨著城市化影響力減弱,各級別斑塊面積和數(shù)量逐步增加;呈現(xiàn)出城市郊區(qū)各等級綠地斑塊占有面積和數(shù)量,遠遠大于其他區(qū)域的現(xiàn)象。
表4 北京市的北部研究區(qū)4 類綠地林木樹冠覆蓋貢獻統(tǒng)計
表5 北京市的北部研究區(qū)樹冠覆蓋斑塊等級構(gòu)成
潛在樹冠覆蓋是城市森林發(fā)展的潛力指標,主要用于定量未來可增加的樹冠覆蓋面積和確定城市森林建設地點。由表6可見:研究區(qū)潛在樹冠覆蓋面積為1 966.67 hm2,其中草地1 636.35 hm2、裸地330.32 hm2,可提高樹冠覆蓋率14.11%,能達到的最大樹冠覆蓋率為37.58%。但考慮滿足植物群落美景度,應適當保留一定面積空地。根據(jù)Haber W.的細分土地利用系統(tǒng)[12],每一土地類型至少應保持10%的空地面積,則研究區(qū)潛在樹冠覆蓋面積為1 770 hm2,總體樹冠覆蓋率達36.17%。
各環(huán)路潛在樹冠覆蓋率與現(xiàn)實樹冠覆蓋率(表2)變化一致,從中心城區(qū)到郊區(qū),均呈現(xiàn)增長的趨勢。說明城市化水平高的老城區(qū)土地利用已近飽和,很難有空間新建綠地,生態(tài)環(huán)境提升改造空間有限;4~6 環(huán)路的城市郊區(qū),可開發(fā)樹冠覆蓋斑塊潛力較大,可開發(fā)樹冠覆蓋面積為1 844.7 hm2,占總潛力面積的93.79%,其中公共綠地和居住綠地可開發(fā)比例為49.08%和10.78%,是未來建設提高城市森林樹冠覆蓋面積的重點綠地。
表6 北京市北部研究區(qū)潛在樹冠覆蓋斑塊統(tǒng)計表
(1)研究區(qū)樹冠覆蓋率為23.47%,屬于中等覆蓋水平(20%≤樹冠覆蓋率≤49%),高于廣州中心區(qū)(19.5%)[6]、上海浦西建成區(qū)(22.89%)[8]、上海浦東建成區(qū)(10.27%)[7],略低于廈門中心區(qū)(25.71%)[9],這與研究范圍不同有關。研究區(qū)屬于北京北部中軸線,是城市發(fā)展主要方向,承接許多城市重點建設項目,奧體公園的存在也帶動了周邊森林質(zhì)量的提升,因此,研究區(qū)樹冠覆蓋率大于廣州、上海等南方城市;若把研究范圍擴大到6 環(huán)內(nèi)整個平原區(qū),則整體樹冠覆蓋率會大大降低。此外,廈門市中心區(qū),因大量種植喬木而使樹冠覆蓋率較高;這也表明,在生態(tài)用地有限的情況下,種植樹冠開展的喬木是提高區(qū)域樹冠覆蓋率的有效手段。
(2)由于不同城市、不同地區(qū)、不同土地類型的林木樹冠覆蓋,受氣候、地形、經(jīng)濟發(fā)展等方面影響,各自區(qū)域內(nèi)樹冠覆蓋率存在很大差異,因此,對不同綠地類型設置理想樹冠覆蓋率標準非常困難。2002年,美國森林組織根據(jù)土地利用狀況,初步確定了不同功能區(qū)的林木樹冠覆蓋目標,指出市區(qū)和工業(yè)區(qū)、居住區(qū)和輕度商業(yè)區(qū)、遠郊居住區(qū),理想樹冠覆蓋率分別為15%,25%、50%[4]。與此參考指標相比,研究區(qū)5~6 環(huán)遠郊居住綠地,樹冠覆蓋率為42.62%,遠沒有達到50%的標準;因此,未來的城市森林建設依舊任重道遠。
(3)與上海、廣州一樣,研究帶樹冠覆蓋斑塊呈現(xiàn)出特大斑塊面積大的數(shù)量少、小斑塊面積小的數(shù)量多的特征。散落在老城區(qū)內(nèi)的小面積獨立木,作為歷史文化林見證了古城的衰落興亡,是體現(xiàn)城市森林文化內(nèi)涵的重要載體,是城區(qū)重點保護對象。居住綠地和單位綠地,雖然樹冠覆蓋面積小,但卻是與人居環(huán)境聯(lián)系最密切的綠地,因此,在植物配置上,應選擇有利于人體保健作用的喬木、觀賞性強的花灌木,把綠地打造成有利于提高城市森林美景度的生態(tài)保健林。
(4)5~6 環(huán)路,大斑塊的數(shù)量和面積驟然增加,這一方面,是因為城市化水平減弱,城鎮(zhèn)用地面積變小,生態(tài)用地面積增大;另一方面,說明北京市在平原區(qū)實施的大環(huán)境綠化系列工程效果顯著。研究區(qū)樣帶,涉及平原造林工程中溫榆河綠色通道綠化工程、5~6 環(huán)路外1 km 的第二道綠化隔離地區(qū)綠化工程[13],這2 個工程的實施加快了城市郊區(qū)森林環(huán)境的發(fā)展步伐,保證了大斑塊綠地的健康發(fā)展。有研究表明,規(guī)模大于3 hm2且綠化覆蓋達到60%以上的集中綠地,在城市中形成以綠地為中心的低溫地區(qū),這些地區(qū)成為人們戶外活動的最優(yōu)良場所[14]。由此可見,這些大斑塊有非常重要的生態(tài)價值和社會價值,它們?yōu)槌鞘猩锒鄻有员Wo、調(diào)節(jié)區(qū)域小氣候、穩(wěn)定城市生態(tài)系統(tǒng)、豐富城市生活具有重大意義。
(5)研究區(qū)各環(huán)路內(nèi)森林斑塊空間分布不均衡,樹冠覆蓋率變化較大,城市中心區(qū)和遠郊區(qū)樹冠覆蓋率低,城市和郊區(qū)過渡地帶樹冠覆蓋率比較穩(wěn)定。在未來的城市森林建設中,對于現(xiàn)實和潛在樹冠覆蓋都低的2 環(huán)內(nèi)中心區(qū),以調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)、見縫插綠、拆房建綠為主;對現(xiàn)實樹冠覆蓋率低,而潛在樹冠覆蓋率高的5 環(huán)外遠郊區(qū),以增加綠地斑塊面積、提高喬木數(shù)量、加強綠地管理與養(yǎng)護為主;對現(xiàn)實覆蓋率高,而潛在覆蓋率低的3~5 環(huán)路區(qū)域,以保護現(xiàn)有綠地、增加森林斑塊連通度為主,種植速生、葉茂的高大喬木,以達到提升空間利用率的目的。
(6)通過潛在樹冠覆蓋分析發(fā)現(xiàn),研究區(qū)公共綠地中裸地面積較大,這與人為干擾大、植被缺乏養(yǎng)護管理有關。有研究表明,位于自然森林區(qū)的城市,樹冠覆蓋率可達到31%;草原區(qū)的城市,樹冠覆蓋率為19%;荒漠區(qū)城市,樹冠覆蓋率為10%[15]。這說明,區(qū)域整體生態(tài)環(huán)境,對城市整體樹冠覆蓋率的影響較大。因此,對研究區(qū)未來城市森林建設,應通過增強林地養(yǎng)護管理和調(diào)整土地利用格局的方法,達到促進大型樹冠覆蓋斑塊面積的增長、緩解城市熱島效應和營造適宜區(qū)域小氣候的目的。
(7)全泉[16]對北京市城鄉(xiāng)景觀格局梯度研究、何春陽[17]對北京城市化過程研究均表明,北京城市發(fā)展向北比向南的趨勢更劇烈。本研究區(qū)正處于城市發(fā)展最迅速的北部中軸線,從表2也可看出,城市化從城市中心區(qū)向郊區(qū)發(fā)展的趨勢;而奧林匹克森林公園的出現(xiàn),有效阻止了城市向郊區(qū)無限擴張,森林公園成為近郊區(qū)和遠郊區(qū)的分水嶺;5~6 環(huán)內(nèi)城市建設用地面積比例迅速下降,城市化水平顯著降低。因此,在未來城市規(guī)劃中,應增加居住片區(qū)之間的大型森林斑塊連接度,用連貫成片的樹冠覆蓋斑塊減緩城市擴張的速度。
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