袁超慧,舒美英,蔡建國,3*
(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 風(fēng)景園林與建筑學(xué)院,杭州 311300;2.浙江農(nóng)林大學(xué)暨陽學(xué)院,浙江 諸暨 311800;3.浙江農(nóng)林大學(xué) 園林設(shè)計院有限公司,杭州 311300)
綠地可以有效凈化城市環(huán)境,但隨著城市建設(shè)的加快,城市綠化用地也在不斷減少,因此越來越多的研究開始聚焦于建筑群屋頂綠化,即屋頂花園建設(shè)[1]。屋頂花園既能有效利用閑置屋頂,又可發(fā)揮較高的生態(tài)效益,其中植物是主體。不同于陸地種植,屋頂花園植物種植有其特殊性,不僅需要考慮屋面荷載、防水防漏等技術(shù)問題[2],植物的選擇、種植、養(yǎng)護更為重要。因此,為給杭州市屋頂花園植物選擇、種植、養(yǎng)護提供可靠依據(jù),基于杭州市屋頂花園木本植物生長調(diào)查及健康影響因子分析,通過木本植物健康評價模型,對杭州市不同屋頂花園、不同樹種的健康狀況進行了評估。
杭州市位于118°21′~120°30′E、29°11′~30°33′N之間,屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。年平均氣溫18.0 ℃,年降水量1 650 mm,年日照時數(shù)1 658 h。四季氣候分明,夏季高溫濕潤,冬季寒冷干燥,春秋氣候宜人。植被種類繁多,處于中亞熱帶常綠闊葉植被帶[3]。
采用樣方法實地調(diào)研。2020年9-10月對杭州市屋頂花園實地踏勘,并選取萬象城、城市陽臺、湖濱銀泰in77C座、西湖觀景平臺、奧萊城市解百B座等5處有代表性的屋頂花園進行系統(tǒng)細致調(diào)查。根據(jù)屋頂花園綠地現(xiàn)狀,確定樣方面積為10 m×10 m。若綠地面積過小且形狀不規(guī)則,則根據(jù)周邊道路、硬質(zhì)場地的圍合情況對樣方形狀進行調(diào)整。因為各屋頂花園規(guī)模不一,在選擇樣方時根據(jù)屋頂花園具體面積確定樣方數(shù)量(表1),且樣方選擇盡量涵蓋屋頂花內(nèi)植物配置精致、物種豐富的場地,以便代表屋頂花園植物配置的整體情況。對樣方內(nèi)所有木本植物每木檢尺,記錄樹種名稱、數(shù)量、樹高、胸徑、冠幅等定量指標(biāo),以及病蟲害、枯枝比例、樹勢、樹冠偏度、地表覆蓋等定性指標(biāo)[4]。
表1 屋頂花園樣方選擇
為了準(zhǔn)確而全面的評價屋頂花園木本植物健康情況,從影響木本植物健康的各因子中選擇合適的因子建立評價指標(biāo)體系。本研究通過內(nèi)容研究法總結(jié)了相關(guān)文獻資料[5-6],結(jié)合屋頂花園植物景觀的特點,確定了11個指標(biāo)來進行屋頂花園木本植物健康評價。
評價體系分為三層,第一層為目標(biāo)層,是對屋頂花園木本植物健康進行綜合評價,第二層為準(zhǔn)則層,分別從植物生理因素、植物形態(tài)因素、植物立地條件組成。第三層為指標(biāo)層,總共由12個具體評價指標(biāo)構(gòu)成,每項指標(biāo)最高賦值為5,并依次往下逐級遞減(表2)。
表2 杭州市屋頂花園木本植物健康評價指標(biāo)
1.4.1 評價方法 本研究采用的主成分分析法(PCA法),可在保證信息盡可能少丟失的原則下,通過對原來指標(biāo)進行降維處理,將原本較多的指標(biāo)轉(zhuǎn)換成較少的綜合指標(biāo),提高工作效率[7]。本研究運用SPSS26.0分析軟件,將12個指標(biāo)進行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理,然后進行主成分分析,得出每株植物的綜合得分,并進行健康等級劃分。
1.4.2 KMO和巴特利特檢驗 將12個原始評價指標(biāo)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后利用SPSS軟件進行主成分分析。分析之前先進行KMO和巴特利特檢驗,檢驗結(jié)果表明,KMO值為0.673>0.5,說明各評價指標(biāo)之間存在一定相關(guān)性;巴特利特檢驗中顯著性為0.00<0.05,說明適合做主成分分析。
1.4.3 特征值與貢獻率 主成分的特征值和貢獻率越大,說明能解釋的原始指標(biāo)的內(nèi)容越多。從分析結(jié)果看,前六個主成分特征值分別為3.089、1.915、1.514、1.289、0.875、0.809。他們的貢獻率分別是25.743%、15.962%、12.614%、10.741%、7.292%、6.74%,其累計貢獻率為79.092%,超過75%,說明這6個主成分可以解釋原始指標(biāo)的大部分主要信息(表3)。因此可以用這6個主成分代替原始12個指標(biāo)來評價植物健康程度。
表3 特征值與貢獻率
1.4.4 主成分解釋 表4顯示,在第1個主成分中冠形、樹冠偏度、以及樹勢等評價指標(biāo)占優(yōu)勢,說明該主成分主要反映植物整體以及樹冠部分的健康程度。在第2個主成分中樹干損傷、樹洞、樹皮等評價指標(biāo)明顯占優(yōu)勢,說明該主成分主要反映樹干部分的健康程度。在第3個主成分中生長空間壓迫、光污染、地表覆蓋等評價指標(biāo)占優(yōu)勢,該主成分主要說明了生長環(huán)境對木本植物健康程度的影響。第4個主成分中樹木病害、樹木蟲害等評價指標(biāo)占主要優(yōu)勢,這說明病蟲害對植物的健康程度起了很大影響,該主成分主要說明這方面內(nèi)容。第5、6主成分占比較小,能在其他方面較小地反映植物的健康程度。
表4 因子荷載矩陣
根據(jù)表3中的各主成分特征值和表4中各原始指標(biāo)在主成分中的因子荷載,可得出6個主成分的表達式如下[8]:Y1=0.262X1+0.239X2+0.238X3+0.275X4+0.169X5+0.469X6+0.500X7+0.416X8+0.158X9+0.161X10+0.135X11+0.021X12
Y2=-0.324X1+-0.189X2-0.416X3+0.430X4+0.451X5-0.116X6-0.090X7+0.084X8+0.359X9-0.038X10+0.337X11+0.161X12
Y3=-0.025X1+0.124X2-0.372X3-0.199X4-0.306X5-0.098X6-0.001X7+0.288X8-0.244X9+0.566X10+0.274X11+0.407X12
Y4=0.493X1+0.661X2-0.131X3+0.123X4+0.129X5-0.266X6-0.251X7-0.184X8-0.007X9-0.119X10+0.282X11-0.098X12
Y5=0.280X1-0.015X2+0.104X3+0.009X4+0.133X5+0.007X6-0.047X7-0.254X8+0.246X9+0.015X10-0.382X11+0.787X12
Y6=0.124X1-0.006X2-0.022X3-0.106X4+0.079X5-0.199X6-0.159X7+0.091X8+0.538X9+0.586X10-0.343X11-0.377X12
其中,Yi(i=1,2,……,6)代表第i個主成分,Xj(j=1,2,……,12)代表第j個評價指標(biāo)。
根據(jù)各主成分的方差貢獻率,得出屋頂花園木本植物健康評價的綜合計算公式為:
Y=(0.249Y1+0.174Y2+0.126Y3+0.107Y4+0.075Y5+0.064Y6)/0.794
其中,Y代表最終評價得分。
利用各主成分的表達式以及綜合計算公式,可以得到杭州市屋頂花園木本植物的最終健康評價得分。
根據(jù)求得的杭州市屋頂花園木本植物綜合得分,使用聚類分析劃分植物健康等級,再利用費希爾線性判別分析法對等級劃分結(jié)果進行檢驗,以保證評價結(jié)果的準(zhǔn)確性[9]。利用SPSS分析軟件進行K-均值聚類分析,將聚類數(shù)量設(shè)為3,分別為“健康”“亞健康”“不健康”三個等級。
杭州市屋頂花園木本植物健康聚類結(jié)果(表5)表明,所檢測的224棵木本植物當(dāng)中,處于健康狀態(tài)的植物有117棵,處于亞健康狀態(tài)的植物有87棵,處于不健康狀態(tài)的植物有20棵。
根據(jù)每株木本植物的綜合得分以及聚類分析結(jié)果,進行費希爾線性判別分析,可以得到分類函數(shù)系數(shù)及其表達式[10]。
Z1=25.775Y1+29.307Y2-2.291Y3+12.591Y4+17.016Y5+21.245Y6-239.639
Z2=34.055Y1+36.352Y2+1.123Y3+15.732Y4+19.456Y5+24.720Y6-385.821
Z3=31.407Y1+34.475Y2-0.786Y3+14.923Y4+19.022Y5+24.599Y6-338.161
其中,Zp(p=1,2,3)代表第p個聚類。
將每株木本植物的主成分得分Y1、Y2……Y6代入上式,分別得出三組函數(shù)的計算得分,哪一組函數(shù)的分值最高,該樹即被劃分到這一組。將使用判別分析得出的分類結(jié)果與聚類分析法的結(jié)果進行對比(表5),發(fā)現(xiàn)使用聚類分析進行的等級劃分結(jié)果準(zhǔn)確率高達95.5%,表明聚類分析的結(jié)果比較準(zhǔn)確,研究所采用的模型具有可行性。
表5 屋頂花園木本植物健康聚類分類結(jié)果
由表6可以看出,總體上,杜英科、金縷梅科、千屈菜科、蘇鐵科和衛(wèi)矛科樹種健康得分較高,平均得分在6.2分以上,而豆科、忍冬科樹種健康得分較低,平均得分為4.26分和4.82分??赡茉蚴沁@些科的樹種抗性較差,或不適應(yīng)屋頂?shù)臍夂颦h(huán)境。深入分析發(fā)現(xiàn),豆科中合歡與紫荊兩類樹種得分較低。合歡屬于落葉大喬木,且冠幅較大。本次調(diào)研的這株合歡約50%生長空間受到限制,冠形不佳,整體樹冠嚴(yán)重偏離主干,因此整體長勢較弱。可見在屋頂花園樹種選擇中,應(yīng)盡量選擇體量較小的喬木,且注意植物種植密度。而4株紫荊均有嚴(yán)重的病蟲害,一方面反映了這種植物抗性不強,另一方面也說明了該屋頂花園植物養(yǎng)護有待改善。在忍冬科中,繡球莢蒾健康得分最低。分析發(fā)現(xiàn),這11株繡球莢蒾種植較密,彼此擠壓生長空間,生長受到嚴(yán)重限制,且均離光源不到1 m的距離,整體長勢較弱。由此可知,光污染可能會影響植物生長,并且再次印證了不合理的植物種植密度會對木本植物健康產(chǎn)生影響。
表6 杭州市屋頂花園木本樹種健康評價綜合得分
總體來看,各屋頂花園木本植物健康綜合評價排名為:西湖觀景平臺(G5)>奧萊城市解百B座屋頂花園(G1)=湖濱銀泰C3座屋頂花園(G3)>萬象城屋頂花園(G4)>城市陽臺屋頂花園(G2)(圖1)。從木本植物健康等級分布來看,不健康等級的植物僅出現(xiàn)在得分排名較低的兩座屋頂花園中;而亞健康等級的植物在城市陽臺屋頂花園和萬象城屋頂花園中的占比高于其他三座屋頂花園;健康等級的植物在綜合評價較高的三座屋頂花園中的占比具有絕對的優(yōu)勢(圖2)。
圖1 各屋頂花園木本植物健康評價綜合得分
圖2 各屋頂花園木本植物健康等級分布
在這五座屋頂花園中,綜合健康得分排名較高的三座屋頂花園的規(guī)模遠小于后兩座屋頂花園,城市陽臺屋頂花園的面積更是高達20 000 m2[11]?;蛟S可以推斷,隨著屋頂花園規(guī)模的增大,植物種植設(shè)計的復(fù)雜性以及養(yǎng)護管理的難度也隨之增大。因此,越是大型的屋頂花園,在設(shè)計時越是要謹(jǐn)慎考慮植物的樹種選擇以及種植形式,后期養(yǎng)護更要精心。
屋頂花園木本植物的種植養(yǎng)護與陸地上有很大的不同,其特殊的立地條件成為限制木本植物健康生長的重要因素。因此,通過對現(xiàn)有屋頂花園木本植物進行健康評價,探究反映屋頂花園木本植物健康情況的重要指標(biāo)以及限制屋頂花園木本植物健康生長的主要因素十分必要。
本研究通過對杭州市5座屋頂花園中的224棵木本植物進行實地調(diào)研,用主成分分析法構(gòu)建了屋頂花園木本植物健康評價模型。通過各主成分中起主要作用的指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn),植物的冠形、樹干損傷、生長空間壓迫、光污染以及病蟲害等成為限制屋頂花園木本植物健康生長的重要因素[12]。
通過對調(diào)研木本植物科屬種的分析,發(fā)現(xiàn)杜英科、金縷梅科、千屈菜科、蘇鐵科和衛(wèi)矛科樹種在屋頂花園種植環(huán)境中健康表現(xiàn)較好,在進行植物選擇時可以優(yōu)先考慮。而豆科與忍冬科總體表現(xiàn)較差,其中部分樹種可能不適合在屋頂花園種植。在樹種選擇時,要充分考慮屋頂面積以及屋頂荷載等因素,避免種植高大喬木,盡量選擇小喬木或灌木[13]。同時要設(shè)計合理的種植密度,有研究表明,種植密度較高的植物群落中更容易出現(xiàn)健康情況較差的植物[14]。密集的植物群落一方面會擠壓彼此的生長空間,另一方面也容易造成病蟲害的傳播及感染[15]。
杭州市不同屋頂花園木本植物綜合健康研究發(fā)現(xiàn),屋頂花園規(guī)模的大小對木本植物健康具有顯著影響,小型屋頂花園的木本植物健康情況總體上優(yōu)于大型屋頂花園。無論是在植物的前期種植設(shè)計還是后期養(yǎng)護管理方面,大型屋頂花園都需要進一步加強。