基于灰色关联的北京郊野公园常见植物群落景观质量评价

2014-08-01朱俐娜彭祚登

西南林业大学学报 2014年3期

朱俐娜彭祚登

(北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室，北京 100083)

近年来，世界各国非常重视森林在城市生态环境建设中的重要地位[1]，俄罗斯、法国、芬兰和瑞典等一些国家通过建设大面积的郊野公园发展城市林业，取得了有益的经验。伴随着北京城市森林的发展，位于城市建设区、近郊区以外的郊野公园成为北京城市森林的重要组成部分。截止2011年底，北京市共有81个郊野公园，占地面积达 5 406.9 hm2。郊野公园中植物群落的景观质量如何，将直接影响到城市森林功能效益的发挥。

灰色关联分析法(grey relational analysis method)是灰色理论中的一种分析方法，根据序列曲线几何形状的相似程度来判断因素间的联系是否紧密，曲线几何形状越接近，相应序列之间的关联度就越大，反之就越小[2]。灰色关联度顺序不仅可以用来描述因素间关系的强弱、大小和次序[3]，还可以用来对综合指标体系所描述的总体的优劣程度作出评判[4]。由于灰色关联分析法可以对系统要素进行全面、客观的评价[5]，且可操作性强，目前已广泛应用于食品[6]、水利[7]、农业[8]等领域。众多学者均对森林景观质量进行了研究，但都没有对其进行明确的定义。考虑到影响景观质量的因素是多形态、多成分、多层次的，而并非仅仅由美学指标决定，所以本项研究试图从森林结构、健康程度和美学价值三大要素进行景观质量的评价。

针对郊野公园的研究多集中于生态效益的评估[9]和绿地结构的景观美景度(scenic beauty estimation，SBE)[10]，但还没有学者利用灰色关联分析法评价植物群落的景观质量。鉴于此，本项研究偿试通过对北京市几个典型郊野公园植物群落的调查，利用灰色关联分析法评价其景观质量，以期为北京市郊野公园的造林规划提供参考数据。

1 研究方法

本项研究所调查的郊野公园包括东升八家郊野公园、将府公园、金田公园、杜仲公园、京城槐园。东升八家郊野公园占地面积101.5 hm2，种植乔、灌木百余个品种；将府公园占地面积56.0 hm2，属北京市绿化隔离地区公园环项目之一；金田公园占地面积66.7 hm2，以自然、野趣为特色；杜仲公园占地面积59.9 hm2，园内以杜仲(Eucommiaulmoides)为主；京城槐园占地面积73.2 hm2，园内以国槐(Sophorajaponica)和刺槐(Robiniapseudoacacia)为主。

1.1 样地设置和调查方法

以郊野公园中出现频率较高的植物群落为研究对象，根据代表性原则，选择出16块样地，每块样地设置20 m×20 m样方1个，共16个样方。调查每株乔木种名、胸径、树高、枝下高、冠幅、生长势，并记录样方的林分类型、林冠线、通视距离、枯树倒木和枯落物等情况；在每个样方的四个角和中心设置5个1 m×1 m小样方，调查草本种名、株数、盖度、高度。植物群落的物种组成见表1。

表1 植物群落的植物组成

1.2 评价指标的筛选与评分标准

评价指标的筛选是评价的基础，查阅相关文献[10-19]，采用理论分析法和专家咨询法相结合[20]，筛选出评价指标体系。其中，林分类型等定性指标值是由调查人员在现场打分得出；定量指标值是通过计算得出[21]。植物群落的景观质量评价指标及评分标准见表2。

表2 景观质量的评价指标及评分标准

1.3 灰色关联分析

依据灰色系统理论将16个参评植物群落看成一个灰色系统，而每个参评植物群落则是该系统中的一个因素。根据参评的16个植物群落的各评价指标中最优的指标，构建一个理想数列。由于原始数据中各个因子的物理意义不同，不便于比较，所以需要对数据进行无量纲化处理，本项研究采用初值化法[22]。

基于无量纲化的数据，利用公式计算各参评植物群落与理想植物群落间的关联系数[23]，公式如下：

(1)

根据得到的关联系数可以确定参评植物群落与理想植物群落间的关联度[23]，有等权关联度和加权关联度，若各评价指标的重要性同等则用前者，反之则用后者。公式如下：

(2)

(3)

式中：γ与γ′分别为等权关联度和加权关联度；n为评价指标的个数；ξi(k)为第i个数列与理想数列在第k个指标的关联系数；Wk为第k个指标的权重，应用因分析权数法确定各个指标的权重。

本项研究选用方差最大正交旋转法，得到特征根≥1的共性因子有4个，累计贡献率为88.8%，取各指标对应的共性估计值作为权重分值，再将得分进行归一化处理，即可得到因子分析权重系数[24-25]。

2 结果与分析

2.1 评价指标的权重

由表2中的权重值可知，采用因子分析权数法求得21项指标的权重系数，总体变幅为0.018 4～0.084 6。因子分析权数法是由每个指标计算共性因子的累积贡献率来定权的，累积贡献率越大，说明该项指标对共性因子的作用最大，故所定权数也越大。在所选择的21项指标中，色彩丰富度指标的权重最大，其次是林分类型、林分密度和观花观果指标，草本盖度和草本高度指标对景观质量影响最小。

2.2 参评植物群落的关联度

采用公式(2)和(3)求得16个参评植物群落与“理想植物群落”的等权关联度和加权关联度，依据大小排序，结果见表3。等权关联度与加权关联度的排序存在一定差异，如银杏群落在等权关联度排序为第3名，而在加权关联度排序中为第2名。这主要是因为评价体系中的各个指标的重要性不同，如色彩丰富度的权重值为0.084 6，而草本高度的权重值仅为0.018 4。由加权关联度的综合排序可以看出，毛白杨+白蜡群落的综合表现最好，其次为银杏群落、毛白杨群落和刺槐群落，油松群落表现最差。整体而言，景观质量一般，各参评植物群落与“理想植物群落”的关联度处在0.440 4～0.663 3。

表3 16个植物群落的综合评价结果

3 结论与讨论

景观质量评价体系是由多个指标综合决定的，而目前关于各个指标权重的确定多集中于专家打分法，但该方法受主观因素影响较大。有研究表明，当指标数目超过一定数量时，专家往往会出现循环判断的情况，导致评价结果受到质疑[26]。本项研究通过因子分析法确定的权重系数是基于数据分析而得出的指标之间的内在结构关系，不受主观因素影响，有较好的客观性，且得出的指标之间的信息交叉少，可比性强。

在评价指标中，色彩丰富度、林分类型、林分密度和观花观果4项指标的权重排名靠前，表明其对景观质量影响较大；而草本盖度和草本高度指标的权重值排名最后，表明其对景观质量影响较小。此外，本研究首次将三维绿量纳入景观质量评价指标体系中，其在整个指标体系中所占的权重为0.052 2，说明其对于景观质量的好坏有着一定影响。所以，在开展郊野公园的造林规划设计工作时，可优先考虑色彩丰富度、林分类型、林分密度和观花观果指标，以保证植物群落的景观具有较高的质量；还应考虑三维绿量中较大的树种，以期为公民提供较好的遮阴游憩场所。

通过灰色关联分析法评价植物群落的景观质量，结果表明：毛白杨+白蜡群落、银杏群落、毛白杨群落、刺槐群落与“理想植物群落”的关联度最高，所以表现最优；而杜仲群落、垂柳群落和油松群落的表现最差。为了使表现较差的植物群落具有较高的景观价值、可及性和稳定的群落结构，本研究提出如下建议：1)合理进行季相配置，营造混交林，如在油松纯林中适当补植国槐、黄栌等阔叶树种，以增加景观多样性；2)是合理进行抚育整形，尤其针对枝下高过低的林木；3)是及时清理林内的枯树倒木，以提高林分的美景度。因为灰色关联分析具有可靠的统计学基础，且通过构建最优的“理想植物群落”，从参评植物群落的实际情况出发，因而排序结果客观、合理。

本研究主要侧重于植物群落的景观质量评价，但目前城市的植物群落不仅发挥风景游憩功能，还在生态效益、社会效益方面起着重要作用，如降温增湿、提供负离子、杀菌等，如何将生态效益和社会效益相关指标科学地纳入景观质量评价体系中，是下一步研究的重点内容。

[1] 彭镇华，王成.俄罗斯、挪威、芬兰和瑞典的城市森林建设[J].中国花卉园艺，2002(9)：26-28.

[2] 黄广远, 徐程扬, 毛斌, 等. 基于灰色关联的北京城区景观乔木树种评价[J]. 东北林业大学学报, 2011, 39(11): 102-104.

[3] 邓聚龙，谭学瑞.灰色关联分析：多因素统计分析新方法[J].统计研究，1995(3)：46-48.

[4] 马克平，刘玉明.生物群落多样性的测度方法[J].生物多样性，1994，2(4)：231-239.

[5] 沈珍瑶，杨志峰.灰色关联分析方法用于指标体系的筛选[J].数学的实践与认识，2005(5)：728-732.

[6] 刘补勋.食品安全综合评价指标体系的层次与灰色分析[J].河南工业大学学报：自然科学版，2007，28(5)：53-57.

[7] 刘锋，魏光辉.基于灰色关联的水利工程方案模糊优选[J].水力发电学报，2012，31(1)：10-14，26.

[8] 童燕，肖敬德，王卫民，等.大豆单株产量与农艺性状的灰色关联度分析[J].山西农业科学，2013，41(7)660-662，679.

[9] 刘扬，郭建斌，左小珊，等.城市郊野公园建设及生态效益评估探析[J].安徽农业科学，2009，37(9)：4029-4031.

[10] 章志都，徐程扬，龚岚，等.基于SBE法的北京市郊野公园绿地结构质量评价技术[J].林业科学，2011，47(8)：53-60.

[11] 郝杨，周育真，吴沙沙，等.基于层次分析法的佛子岩景区植物景观病美学评价[J].西南林业大学学报，2014，34(1)：67-72.