城市绿地系统规划中园林植物绿量计算模型构建及应用

2013-04-11马渊洁曾凡景赵惠恩

绿色科技 2013年4期

胡春，马渊洁，曾凡景，赵惠恩

（北京林业大学园林学院，北京100083）

1 引言

现有城市绿地系统规划中应用人均绿地面积、绿地率、绿化覆盖率［1］来控制城市绿地建设。这从一定程度上控制了绿地的比例和面积，然而却忽略了草坪、灌木和乔木等不同树种结构能产生不同程度的生态效益，不能一概而论。同一地区用同样树种营造的疏林草地肯定比乔灌草复层群落的生态效益要低，不同树种组成的相同覆盖率绿地的生物量也不同。这在人均绿地面积、绿地率、绿化覆盖率均无法有所体现。因此，本文提出在城市绿地系统的生态建设中应用生态效益量化指标——绿量，来引导城市生态规划重视绿地生态效益，合理配置乔灌草群落。

绿量（Ga）是指植物全部叶片的1／2总面积，是一个面积的概念，它反映了绿地中植物的生物量和对改善生态环境、发挥生态效益的能力。为了便于比较和计算，对应于城市绿地系统规划中的绿地率和人均绿地面积的指标，目前专家提出了绿量率、人均绿量指数等概念。其中，绿量率（Gr）也称叶面积指数（LAI），指单位面积内植物1／2的总叶面积［2］。人均绿量指数是指在规划范围内每人拥有的绿量。可见，两者均建立在绿量计算结果的基础上。而一种植物绿量的大小与树冠的冠形、叶片排列、枝叶密度都相关。在实际计算中，美国加利福尼亚大学 McPherson教授［3，4］（1998）总结了乔木的绿量计算公式，是一个与胸径、冠径成正相关的方程。见公式（1），北京园林科研所［5］陈自新、苏雪痕、刘少宗等（1998）通过大量（上海27种植物，北京37种植物）实测建立了绿量回归模型，其中灌木绿量见公式（2）。

乔木绿量：Ga＝LA＝ea1×eb1×DHB1－1×eMSE1／2（1）

灌木绿量：Ga＝LA＝aH－b （2）

式中：a1、a2、a3、b1、b2、b3、MSE1、MSE2、MSE3、a、b为相关系数，DHB为植物胸径，H为植株高度。

北京林业大学申晓愉（2007）对北京40种园林植物的绿量进行比较，认为植物绿量的估测均可通过冠幅、胸径和树高进行［6］。叶面积指数在相同的立地条件下，与上述三者相关。周坚华等［7］指出冠幅和树高具有正相关关系，两者可以通过回归方程相互转化，那么只要知道冠幅，求出树高，就可得到树木的树冠体积，实现了二维平面到三维立体的转化。

因此，若已知树龄，则以树龄为参数计算胸径的公式：

若已知冠径，以胸径为参数计算冠径的公式：

式中：DHB为植物胸径；t为树龄；CD为冠径；H为植株高度。

2 园林植物绿量大小的影响因素

每个城市应用的园林植物，一般至少有500～2000多种，品种则更多。若构建某个城市全部植物物种或品种的绿量模型工作量巨大。为了建立城市绿地系统的园林植物群落规划的绿量指标，本文引入了“代表植物绿量”的思想。所谓“代表植物绿量”是指在植物绿量计算中，按照影响绿量大小的主要特征因子将植物分成几类，按这些特征对植物进行科学分类，每一类植物中选取1～2种植物作为代表植物。代表植物建立的绿量回归方程就可以近似为某一类植物的绿量模型。代表植物的绿量公式系数由冠层仪等仪器测量获取。这样，同一类的植物绿量计算以代表植物为基准，通过乘以修正系数进行修正，修正系数的值可在后续的科研中可以不断完善。

前人通过冠层仪已经测量了上百种常见园林树木的绿量值，建立了绿量计算的回归模型。周坚华以“平面量模拟立体量”方法建立全国第一个以树冠体积代替绿量的数据库，北京园林科研所总结了各类植被的绿量值，见表1。

表1 北京市常见园林乔灌草绿量平均值

2.1 植株形状

植物绿量是指全部叶片1／2总面积。乔灌草不同形状的植物在植株大小和植物叶片数上存在巨大差异，植物单株绿量肯定不同。如表1中北京市园林绿化树种生态效益研究中落叶乔木的绿量约是灌木类的19倍，花竹类的87倍。

2.2 植株大小

即使同一植株形状的不同植物因植株大小的不同，其植物绿量也不同。如中大乔木的白蜡树与小乔木的碧桃植物绿量也相差近20倍。

2.3 叶片状态

常绿植物与落叶植被在植物生理、叶片构造上均有一定的区别，常绿植被能一年四季发挥生态效益，因此不能等同而论。

2.4 叶片大小

针阔叶植物的叶片数量和叶片面积区别较大，针叶树种比阔叶树种叶片多而小。从整体来说，一般同样胸径的针叶小乔木要比阔叶小乔木的绿量大。

2.5 生长速度

植物的生长速度与胸径成正比，生长速度对植物叶片数量的增加起到重要作用。一般来说，同样胸径的不同植物，生长速度不同，则绿量的增长量也不同。

3 绿量计算模型构建

绿量算法模型是利用计算绿量、叶面积指数反映绿地生态效益的一种分析方法。主要通过数学公式建立每类植物的单株绿量模型，大大简化工作量，从而为城市绿地系统规划提供一个可以量化衡量生态效益的指标。每种植物单株绿量模型的构建技术路线如图1。该方法克服了城市绿地系统规划绿量计算公式的参数需要逐一测量，无法直接应用于城市绿地系统规划的缺陷，提出了植物生物量控制的绿量快速计算方法，来正确反映植物的生态效益，为绿地系统生态功能提供科学的标准化动态参照［8］。

3.1 代表植物分类

参考《中国植被》中按照植物生活型［9］（常绿／落叶、针叶／阔叶、速生／中生／慢生、中大乔木／小乔木／中大灌木／小灌木／草本等）植物类群分类方法，对常见的植物归纳，划分类型。每类植物生活型选取一两种代表树种测量绿量公式中的参数（表2）。

3.2 代表植物绿量计算模型

植物绿量计算相关理论在前言中已详细论述，不同植物的系数取值不同。结合植物绿量类群表和代表植物表，本文选取的代表植物（乔木和灌木）的具体参数［10］见表3、表4。

图1 绿量的计算模型

表2 植物类群

表3 乔木代表植物参数

表4 灌木代表植物参数

因此，如表5所示，在计算某一种植物的绿量时，如楠木、紫楠、肉桂，可采用香樟的绿量计算公式乘以修正系数得到。

表5 植物绿量计算模型举例

3.3 修正系数

由于各种植物本身生理、生态习性都存在较大的差异，通过近似等量的方法来计算绿量可能个别会存在较大的误差。因此，在植物绿量计算时部分数据需要进行修正。一般来说，植物单株绿量在生长期的平均绿量率有以下的分布特点，见表6、表7。

表6 植物单株各个时期平均绿量率

表7 植物单株各个时期平均有效绿量率

本课题组在中国科学院遥感所的技术支持下，对常见的630种园林绿化树种按照植物生活型建立绿量计算表，建立生态效益数据库来控制地区的生态效益和景观设计效果营造。结合GIS，ACCESS，Oracle等相关软件，在Intrenet中实现了植物绿量数据库中各类植物绿量计算等相关功能的空间遥感平台，见图2。

4 绿量模型应用

4.1 绿量模型应用方法

为了将绿量计算模型和数据库的成果应用在城市绿地系统规划中，本课题组已在多个项目中采用了以下方法：结合现状绿量和城市规划中的建设等级分区，通过规划地区绿量率的方法来控制植物群落规划各类适宜植物的选择与配置比例，来指导城市绿地空间设计。

图2 植物绿量模型数据库

经过园林植物绿量计算模型的测算得到城市绿地系统规划各地块的现状绿量值。

城乡生态规划中的不同生态建设等级的绿地率和绿化覆盖率要求不同（表7）［11］，同样地，目标地块内的植物群落规划绿量率也与生态建设等级相关。建设用地范围内，等级小的地区绿量率要大，植被的覆盖面积大，发挥的生态效益高。若目标范围内所有面积均有植被覆盖，则目标区域所有植物群落平均绿量率即为区域的绿量率（表8）。计算公式如下：

式中：LAI地块1为地块1绿量率，LAI植物群落i为地块1上的i类群落绿量率，LF地块1为地块1上的绿化覆盖率。

表8 不同生态建设等级覆盖率规定

对目标区域的植物群落，参考植物群落规划图（适宜的植物种类）和规划绿量率的结果来配置植物群落的种类、比例和面积。各类植物绿量模型数据库可查询到单株植物绿量。地块绿量公式为：

若经过计算配置群落达不到绿量率规划，则可以通过改变绿地类型、变换植物种类、增加植物数量、调整苗木规格等方法，增加地块的绿量，发挥绿地的生态效益（图3）。

图3 绿量率规划与植物群落配置

4.2 绿量模型应用案例

淡村镇位于陕西省渭南市富平县，西、南与三原相接，北与铜川新区相连，距富平县城11.5km，全镇总面积44.3m2。淡村镇镇区在控制性规划阶段应用上述的绿量模型和数据库规定了每个地块的绿量率，实现了生物多样性的控制，从而对每类群落在选择植物和确定植物比例时都有一定的要求，如地块A－01上的5个区域，根据规划土地性质的不同可分别控制绿量率的大小，然后以此为依据规划适宜的植物种类和比例，见图4。