和曉菲,陳 鑫,王夢瑤,苗 雪,樊昌猛,彭建松

(1.西南林業(yè)大學 園林園藝學院,昆明 650224；2.西南林業(yè)大學 森林城市研究院,昆明 650224)

城市林木是城市中最具有活力的生命基礎設施,對改善城市生態(tài)環(huán)境,提高城市居民的居住體驗等具有重要意義。城市化進程的加速,使得城市生態(tài)網(wǎng)絡遭受破壞,人居環(huán)境不斷惡化,人們在尋求解決方法的歷程中,逐漸發(fā)現(xiàn)城市森林對改善生態(tài)環(huán)境的作用,而樹冠覆蓋是城市森林結構與功能組成的最基本要素[1],作為我國森林城市建設的重要考核指標[2],林木樹冠覆蓋率直接反應城市生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量。對林木樹冠覆蓋的研究,不僅為我國城市森林的發(fā)展現(xiàn)狀提供參考資料,而且為我國正在進行的森林城市建設指明方向,對城市生態(tài)環(huán)境建設具有重大意義。

在較早開始城市森林研究的歐美國家,針對樹冠覆蓋的研究已經(jīng)從景觀生態(tài)學理論步入了更廣更深的城市森林價值研究,Ram等[3]針對澳大利亞西部珀斯都市區(qū),采用空間特征模型評估樹冠覆蓋對房屋價值的影響,認為提高樹冠覆蓋率直接提高了房地產(chǎn)價格；Thomas等[4]通過遙感數(shù)據(jù)檢測洛杉磯的林木樹冠覆蓋,認為驅動城市樹冠覆蓋率變化的氣溫、降水、樹干密度和樹種豐富度因素是支持城市生態(tài)系統(tǒng)規(guī)劃的基礎。目前,對我國的林木樹冠覆蓋的研究依舊普遍運用景觀生態(tài)學理論對林木樹冠覆蓋特征與景觀格局變化等方面進行分析,方法較為單一,研究地集中在北京、上海、廣州等較發(fā)達城市,缺乏對中小型城市的林木樹冠覆蓋研究,且研究方向局限于區(qū)域分布及綠化格局,缺乏對樹冠覆蓋斑塊構成的深入研究[5-7]。本研究以會澤縣建成區(qū)林木樹冠覆蓋為研究對象,分析其空間分布、斑塊構成特征及相同地類林木樹冠覆蓋差異,對會澤縣建成區(qū)生態(tài)建設成效做全面定量分析,探究森林城市建設對城市生態(tài)所產(chǎn)生的影響,以期為我國西南地區(qū)中小型城市未來的生態(tài)建設提供理論依據(jù)和實踐支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

會澤縣位于云南省東北部、曲靖市西北部,處于25°48′～27°04′N,103°03′～103°55′E。地勢南高北低,呈階梯狀下降,境內(nèi)相對高差3 322.30m[8]。該縣以山地地貌為主,土壤類型多樣,動、植物資源較為豐富。本研究區(qū)域為2019年會澤縣建成區(qū),為典型的亞熱帶高原季風氣候,年平均氣溫12.6℃,降水比較充沛,年平均降雨量817.7 mm[9],植被以城市綠地及農(nóng)業(yè)植被為主。

1.2 研究方法

利用曲靖市會澤縣2019年7—8月0.5m分辨率航空遙感影像和2019年1∶10萬土地利用(Land Use and Land Cover Change,LUCC)圖件等基礎資料,基于ArcGIS 10.4平臺,在影像資料與土地利用圖像疊加良好的前提下,依附于1∶10萬土地利用(LUCC)城市建成區(qū)范圍邊界,以eCongnition Developer 9.0軟件為解譯平臺,對影像進行多尺度分割處理；采用ArcGIS柵格數(shù)據(jù)分類提取林木樹冠覆蓋數(shù)據(jù)；通過完成建成區(qū)內(nèi)部林木樹冠覆蓋的目視解譯工作,形成林木樹冠覆蓋矢量格式數(shù)據(jù)圖層(圖1)。逐一賦予每個斑塊屬性代碼,導出圖層在Excel中統(tǒng)計斑塊面積和數(shù)量,根據(jù)斑塊分級標準進行重分類,最后將重分類后的數(shù)據(jù)在ArcGIS 10.4平臺上進行相關統(tǒng)計。

圖1 會澤縣建成區(qū)城市林木樹冠覆蓋矢量圖

1.3 城市林木樹冠覆蓋分類

城市林木樹冠覆蓋(Urban Tree Canopy,UTC)指從空中俯視時,樹木的葉片、枝條和樹干所覆蓋的地表區(qū)域,一般將其劃分為現(xiàn)實城市林木樹冠覆蓋(Existing Urban Tree Canopy,EUTC)和潛在城市林木樹冠覆蓋(Possible Urban Tree Canopy,PUTC)。EUTC指的是現(xiàn)狀下城市建成區(qū)被林木樹冠覆蓋的土地面積總量,是我們比較不同城市區(qū)域生態(tài)質(zhì)量高低的直觀指標；PUTC則指的是那些適合種植樹木而目前還未實施種植的土地區(qū)域,包括城市中能夠替換栽植樹木的草地、裸地等植被潛在樹冠,以及可以具有栽植樹木空間的非建筑及道路的硬質(zhì)不透水地表[10]。對于EUTC而言,基于目前用于林木樹冠覆蓋信息提取及分辨的高分影像,分辨率一般在0.5～1m之間,此分辨率下難以分開識別喬木及灌木的樹冠,因此,在絕大多數(shù)的相關研究中,統(tǒng)一將喬木及灌木的樹冠覆蓋歸入現(xiàn)實樹冠覆蓋之中[11]。本研究使用分辨率為0.5m的航空遙感影像為數(shù)據(jù)源,不具備分離喬灌樹冠的條件,將所有喬木及灌木的樹冠覆蓋歸為EUTC。對于PUTC,鑒于目前還沒有一個受到學界和政府相關部門共同認可的潛在林木樹冠覆蓋分類系統(tǒng),根據(jù)國內(nèi)外相關研究文獻及研究區(qū)域概況[12],PUTC為研究區(qū)內(nèi)裸地、荒地和草地。但是,一方面,草坪草地是城市綠地造景中一個主要的造景元素,具有良好的景觀效果；另一方面,會澤草山屬亞山地草甸[13],具有極高的生態(tài)及旅游價值,草地是當?shù)芈糜涡麄鞯闹攸c之一,將其納入PUTC區(qū)域并不合適。因此,本研究的PUTC將由研究區(qū)內(nèi)裸地及荒地構成。相關計算公式如式(1)—式(2)所示。

(1)

式中:EUTCR表示研究區(qū)現(xiàn)實城市林木樹冠覆蓋率,EUTC表示研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)實城市林木樹冠覆蓋的面積,A表示研究區(qū)總面積,EUTCR值越大,表明研究區(qū)域內(nèi)城市森林面積占比越大,也意味著該區(qū)域內(nèi)的生態(tài)服務功能也更強。

(2)

式中:PUTCR表示研究區(qū)潛在城市林木樹冠覆蓋率,PUTC表示研究區(qū)內(nèi)潛在城市林木樹冠覆蓋的面積,A表示研究區(qū)總面積。PUTCR值越大,表明區(qū)域內(nèi)今后可開發(fā)的樹冠覆蓋面積越大。

1.4 現(xiàn)實城市林木樹冠覆蓋斑塊分級

結合會澤縣建成區(qū)內(nèi)的EUTC斑塊特點和斑塊面積現(xiàn)狀,以姚佳等[11]對EUTC斑塊等級劃分方法為參考依據(jù),對斑塊進行規(guī)模等級劃分(表1)。

表1 現(xiàn)實城市林木樹冠覆蓋斑塊規(guī)模分級

鑒于目前國內(nèi)外對于PUTC斑塊沒有單獨的分級標準,本研究參照Wu等[14]在研究安徽省合肥市城市森林結構時所提出的PUTC斑塊分級標準,進行規(guī)模等級劃分(表2)。

表2 潛在城市林木樹冠覆蓋斑塊規(guī)模分級

1.5 土地利用類型分類

結合會澤縣建成區(qū)內(nèi)林木樹冠覆蓋及其他用地提取的不同土地覆蓋類型柵格數(shù)據(jù),將研究區(qū)域分為水體、農(nóng)用地、裸土地、樹冠覆蓋及不透水面,研究區(qū)內(nèi)所有硬質(zhì)鋪裝及建筑區(qū)域都歸于不透水面(表3)。

表3 土地覆蓋類型分類

2 結果與分析

2.1 城市林木樹冠覆蓋(UTC)總體分析

通過對會澤縣建成區(qū)EUTC進行提取與統(tǒng)計(圖2),結果顯示:研究區(qū)域面積為1 550hm2,EUTC面積為275.55hm2,EUTCR為17.78%。PUTC面積為139.16hm2,PUTCR為8.98%。EUTC主要由行道樹UTC及其他UTC構成,行道樹UTC面積占EUTC總面積的16.35%(表4)。EUTC斑塊中小斑塊和中斑塊數(shù)量占據(jù)絕對優(yōu)勢,各類面積斑塊分布地區(qū)差異明顯,行道樹沿道路建設,形成一系列規(guī)則且連續(xù)的生態(tài)廊道,各EUTC斑塊連接緊密,形成良好的城市生態(tài)網(wǎng)絡,整體城市森林布局較為合理。

圖2 會澤縣建成區(qū)城市林木樹冠覆蓋構成圖

2.2 現(xiàn)實城市林木樹冠覆蓋(EUTC)斑塊特征

2.2.1EUTC構成分析

從EUTC構成來看(表4),會澤縣建成區(qū)內(nèi)EUTC斑塊共5 270個。小斑塊共4 464塊,占總斑塊量的84.71%,在整體數(shù)量構成上有絕對優(yōu)勢,中斑塊、大斑塊和特大斑塊的數(shù)量占比分別為14.88%,0.38%和0.03%。斑塊面積構成以中小斑塊為主,在總EUTC面積里占比高達96.90%,研究區(qū)內(nèi)EUTC斑塊數(shù)目及面積隨斑塊等級增加而逐級遞減的。EUTC面積和數(shù)量綜合結果表明,會澤縣建成區(qū)城市林木面積小且數(shù)量多,城市林地破碎化程度高。一方面,這說明在城市建設中建設用地緊張,城市綠化大多采取見縫插綠、拆違建綠的方式建設；另一方面,從生態(tài)學角度看,斑塊面積越大,生態(tài)功能越強。會澤縣整體城市EUTC斑塊面積小,城市生態(tài)效益相對較低。

表4 會澤縣建成區(qū)現(xiàn)實城市林木樹冠覆蓋斑塊等級構成

2.2.2EUTC斑塊分布分析

結合EUTC斑塊分布(圖3)及土地利用分布(圖4)來看,小斑塊在整個建成區(qū)分布均勻,中斑塊和大斑塊在城市南部集中分布,斑塊面積由城市中心向四周遞增。城市中心EUTC以小斑塊和中斑塊為主,說明較早進行城市化的片區(qū)生態(tài)空間有限,EUTC的面積小。斑塊在城市中心的會澤公園,近年新建的煙廠小區(qū)、園丁小區(qū)和城市邊緣的公園分布密集,表明該區(qū)域生態(tài)效果較好,同時也進一步說明,近年來城市建設增加了更多的生態(tài)用地,提升了城市生態(tài)。相反,東南部城區(qū)斑塊小而稀,則表明,該區(qū)域城市生態(tài)用地較少,城市生態(tài)效益較差。由于城市較小,用地分類并不明顯。盡管如此,從研究中依舊能夠發(fā)現(xiàn),會澤縣建成區(qū)的EUTC斑塊面積及形狀呈現(xiàn)多樣化的形態(tài),在整個城市建成區(qū)皆有分布。

圖3 會澤縣建成區(qū)城市林木樹冠覆蓋分級圖

圖4 會澤縣建成區(qū)土地利用分類圖

2.2.3道路EUTC分析

行道樹沿道路建設,呈帶狀分布,斑塊面積越大,說明行道樹樹冠連續(xù)性越高；反之,斑塊面積越小,則連續(xù)性越低。將研究區(qū)域所有一級及二級道路單獨提取,結合土地利用分類,將所有行道樹EUTC及道路綠地內(nèi)的EUTC歸類為道路林木樹冠覆蓋。通過對研究區(qū)行道樹EUTC提取(圖2),發(fā)現(xiàn)會澤縣建成區(qū)兩側種植行道樹的主干道、次干道共18條,行道樹EUTC面積45.04hm2,整體道路綠化面積較少。

從行道樹斑塊構成來看(圖5),研究區(qū)內(nèi)行道樹EUTC斑塊共1 509塊,占總EUTC斑塊的28.64%,其中小斑塊數(shù)量占行道樹EUTC總斑塊數(shù)量的95.29%(表5),整體道路樹冠覆蓋斑塊較小且數(shù)量多,說明會澤縣行道樹建設整體較為松散,很少有樹冠連續(xù)的林蔭道路,道路EUTC連續(xù)性較差,城市道路生態(tài)效益較低。造成這種現(xiàn)狀的原因有兩個方面:一方面,在城市道路建設中,沒有留出足夠的道路綠地供道路UTC建設；另一方面,行道樹養(yǎng)護質(zhì)量較差,導致林蔭樹木生長緩慢,冠幅纖小,UTC貢獻低,但在后期的城市森林建設中,最具有形成連續(xù)樹冠覆蓋的潛力。

圖5 會澤縣建成區(qū)行道樹樹冠覆蓋分級圖

表5 會澤縣建成區(qū)行道樹斑塊等級構成

2.3 潛在城市林木樹冠覆蓋(PUTC)斑塊特征

2.3.1PUTC空間分布分析

通過對會澤縣建成區(qū)PUTC的提取與統(tǒng)計(圖6),結果顯示,研究區(qū)域PUTC面積為139.16hm2,占建成區(qū)總面積的8.98%,會澤縣建成區(qū)能達到的最大EUTCR理論值為26.76%。從斑塊分布位置來看,PUTC斑塊分布分散,整體由未建設的裸土地及荒地構成。斑塊在城市四周及南部集中分布,城市中心區(qū)域幾乎沒有分布。土地類型數(shù)據(jù)表明,會澤城市中心城市化程度較高,UTC提升空間有限。同時說明,在森林城市建設的過程中,該縣對城市中心的生態(tài)建設頗有成效。

圖6 會澤縣建成區(qū)潛在城市林木樹冠覆蓋矢量圖

2.3.2PUTC斑塊分析

從PUTC斑塊構成來看(表6),除去農(nóng)用地(圖7),會澤縣建成區(qū)內(nèi)PUTC斑塊共2 067個。中斑塊和小斑塊共2 017塊,占到了總斑塊量的97.58%,在整體數(shù)量上占絕對優(yōu)勢。中斑塊PUTC面積最大,占總PUTC面積的73.22%,小斑塊和大斑塊面積占比分別為17.46%和9.3%,說明研究區(qū)域內(nèi)單塊的荒地及裸地面積較大,在未來的綠地建設中容易形成連續(xù)覆蓋的林木樹冠斑塊,這有利于提高城市森林的生態(tài)效益。

圖7 會澤縣建成區(qū)農(nóng)用地空間分布圖

表6 會澤縣建成區(qū)潛在城市林木樹冠覆蓋斑塊等級構成

從PUTC的分布來看,會澤縣建成區(qū)PUTC小斑塊及中斑塊相互穿插,集中分布在城市四周(圖8),說明城市擴張建設明顯,UTC提升潛力較小,且集中在城市周邊,對城市中心生態(tài)效益的提升作用不大。所以,在森林城市建設理念下,應該合理規(guī)劃綠地空間,在UTC建設過程中選擇冠大蔭濃、栽培管理方便的樹種,在有限的空間里最大限度提高林木遮蔭量,提升城市森林的生態(tài)價值。

圖8 會澤縣建成區(qū)潛在城市林木樹冠覆蓋斑塊分級分布

2.4 相同土地利用類型城市林木樹冠覆蓋(UTC)差異

會澤縣建成區(qū)城市體量較小,城市化水平較低,沒有明顯的城市分區(qū),UTC作為城市森林的重要構成部分,以人為第一服務對象,居住區(qū)人口聚集,對UTC的需求最大[15]。通過對會澤縣建成區(qū)居住用地影像的提取,共提取居住區(qū)92個(表7)。我國從2004年開始森林城市建設[16],本研究以2004年為界,將2004年之前建設的居住區(qū)定為老居住區(qū),2004年之后建設的居住區(qū)為新居住區(qū)。

表7 會澤縣建成區(qū)居住區(qū)構成

老居住區(qū)建筑密度較高,建筑排列不規(guī)則,UTC以小斑塊為主,零散分布。41個新居住區(qū)建筑密度較老居住區(qū)低,排列整齊,建筑之間存在小斑塊及中斑塊的UTC,其中30個有沿著建筑布局規(guī)則排列的UTC斑塊(圖9)。由此可見,在會澤縣城市建設初期,城市建設重點以建筑、道路為主,對城市生態(tài)建設關注較少,城市呈現(xiàn)出建筑密集、分布混亂的形態(tài)；到城市建設的后期,人們開始關注城市生態(tài)建設,在居住區(qū)建設中建設了很多UTC斑塊以滿足城市人口的生態(tài)需求,優(yōu)化了城市森林的布局。

圖9 會澤縣建成區(qū)居住區(qū)構成

3 討論與結論

3.1 討論

UTC是衡量城市樹木數(shù)量和范圍最簡單、最直觀的指標,研究UTC對于了解城市森林現(xiàn)狀和建設潛力具有重要意義。從目前研究結果來看,會澤縣建成區(qū)EUTCR為17.78%,整體綠化狀況并不出眾,但不同地區(qū)之間綠化差異較大,新居住區(qū)顯著優(yōu)于老居住區(qū)。我國在2019年正式發(fā)布的《國家森林城市評價指標》[17]中明確提出,下轄區(qū)的縣城區(qū)EUTCR要達到20%以上。根據(jù)本次對UTC的計算結果能看出,會澤縣建成區(qū)綠量稍顯不足,與北京市建成區(qū)EUTCR的39.53%[18]及廈門市中心區(qū)EUTCR的25.71%[1]相比,差距明顯,這與研究區(qū)處于高原山地地區(qū),熱量雨量偏少,整體自然環(huán)境不利于林木樹冠覆蓋建設有關。從PUTCR來看,整體城市PUTCR為8.98%,在數(shù)據(jù)上看,UTC還有可以提高的潛力,但結合其分布情況,城市中心的綠化潛力卻很少。城市作為人口集中活動的地區(qū),缺乏庇蔭和綠色的環(huán)境對城市居民的身心健康極其不利,城市環(huán)境綠化建設亟待加強。

建設森林城市,本質(zhì)上是為了改善人居環(huán)境,提升人民生活質(zhì)量。從會澤縣建成區(qū)現(xiàn)實情況來看,UTC布局與人口之間出現(xiàn)了明顯的空間背離,越是城市中心建筑密度高的居住區(qū)，UTC缺乏程度反而越高,這與北京城市EUTCR遠郊區(qū)高于城市中心區(qū)域[19]的分析結果較為相似。從居住區(qū)構成可以看出,研究區(qū)北側居住用地多為新建居住區(qū),UTC面積較大,但南側居住區(qū)多為老居住區(qū),生態(tài)服務需求大,客觀上應該有更多的UTC。但是,目前事實是UTC覆蓋程度極低,與美國布盧明頓城市中心的居住區(qū)31.83%的EUTCR相比[20],差距明顯。這主要由于我國城市的居住區(qū)主要以商品房及UTC較少的城中村為主,國外城市居住區(qū)主要以有極高的EUTCR的私家庭院為主。針對會澤縣整體的森林城市建設,很多地區(qū)的城市生態(tài)并沒有得到足夠的改善,老居住區(qū)依舊面臨全村無一樹,全路無遮蔭的現(xiàn)狀。由于老居住區(qū)建筑密集,幾乎沒有可供UTC建設的空間。在道路及公園建設UTC對改造老居住區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的作用并不明顯的,對目前整體格局與人口分布相背離的城市生態(tài)現(xiàn)狀緩解作用較小。因此,對老居住區(qū)生態(tài)環(huán)境問題的解決,還須從更高的城市管理視角出發(fā),尋求新的突破口。

從PUTC分布的情況來看,目前的會澤縣建成區(qū)PUTCR絕大部分區(qū)域都處于極低水平,但整體PUTCR還有8.98%,分布從中心城區(qū)到城市邊緣呈增長趨勢。這與姚佳等[11]對北京UTC的研究結果相同,說明無論是大都市還是小城市,城市化水平高的老城區(qū)土地利用已經(jīng)接近飽和,很難有空間新建綠地,生態(tài)環(huán)境提升改造的空間有限。針對老城區(qū)極匱乏的PUTC,傳統(tǒng)的通過擴大UTC面積的,改變現(xiàn)有格局的策略,局限性較大。對會澤縣建成區(qū)未來UTC建設,建議選擇利用舊城區(qū)拆遷、改造的機遇,大力開發(fā)利用不透水地表PUTC潛力,對建設年份較老,綠化效果較差的城市綠地進行整改,以提高城市UTC的面積和質(zhì)量。隨著城市化發(fā)展,老舊城區(qū)逐漸破敗、公共設施配套不足、功能布局不夠合理等一系列問題將逐漸凸顯,亟需通過城市更新的方式來改善片區(qū)人居環(huán)境,重新激活片區(qū)活力[21]。國內(nèi)的城市建設中,城市建設用地規(guī)劃優(yōu)先于城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃,這直接導致了城市綠地面積小、分布散等問題,也限制了后期的城市森林生態(tài)建設。同時,城市綠地建設中高大喬木較少,綠地質(zhì)量較差,無法有效提高城市生態(tài)用地的生態(tài)效益。

3.2 結論

通過對城市遙感影像數(shù)據(jù)中的樹冠覆蓋分析,可以明確城市生態(tài)建設的現(xiàn)狀及發(fā)展?jié)摿?了解城市生態(tài)建設過程。通過對研究區(qū)的UTC分析發(fā)現(xiàn),會澤縣建成區(qū)EUTCR為17.78%,樹冠覆蓋面積較少,整體綠化程度較低。EUTC面積由城市中心向四周遞增,小斑塊和中斑塊為面積的主要構成對象,占總面積的96.90%,城市林木面積小、數(shù)量多且地區(qū)差異明顯,城市南部樹冠覆蓋面積少,綠化現(xiàn)狀較差。行道樹EUTC面積占EUTC總面積的16.35%,道路綠化明顯不足,城市生態(tài)效果較差,但還有集中分布在城市四周的8.98%的樹冠覆蓋提升空間,能達到的最大EUTCR理論值為26.76%,城市中心幾乎沒有可供開發(fā)的樹冠覆蓋空間。

從斑塊組成來看,EUTC共5 270個斑塊,小斑塊在數(shù)量上有絕對優(yōu)勢,占總斑塊量的84.71%,城市綠地破碎化嚴重,斑塊數(shù)目及面積隨斑塊等級增加而逐級遞減。行道樹UTC斑塊小且數(shù)量多,在未來的建設中最具有形成連續(xù)覆蓋的潛力。老居住區(qū)建筑密度較高,排列不規(guī)則,EUTC斑塊小、數(shù)量少、分布零散,且缺乏樹冠覆蓋提升空間,城市生態(tài)環(huán)境嚴峻；新居住區(qū)建筑密度較低,建筑排列整齊,建筑之間普遍存在小斑塊及中斑塊的UTC,EUTC斑塊連續(xù)性較好,城市森林生態(tài)效益提升明顯。PUTC斑塊共2 067個,小斑塊和中斑塊數(shù)量最多,總數(shù)占到了斑塊量的97.58%,中斑塊面積最大,占總PUTC面積的73.22%,在未來的綠地建設中更容易形成連續(xù)覆蓋的林木樹冠斑塊,有利于提高城市森林的生態(tài)效益。

通過對國內(nèi)外研究資料分析發(fā)現(xiàn),絕大多數(shù)情況下,UTC主要以喬木樹冠覆蓋為核心,由于喬木的生態(tài)功能普遍強于灌木,城市森林的建設傾向于采用以喬木為主體,灌木和草地相結合的復層組合方式[22]。但本研究由于受遙感圖像分辨率的制約,解譯過程中無法區(qū)別喬木樹冠覆蓋和灌木樹冠覆蓋,在一定程度上影響了研究的完整性。