基于时空尺度变化规律的树种选择及应用策略

王旭东 杨秋生 张庆费

摘要：文章从空间与时间两个尺度对园林树木及群落的时空变化特征进行解析，并以上海地区最为普遍的树种香樟为例，探讨了时空尺度变化规律在树种选择及配置中的体现与应用。该研究以期为植物种植设计与管理过程中规格选择、数量配置、动态调控等方面提供科学依据。

关键词：风景园林植物，时空尺度，变化规律，树种选择，植物种植设计

种植设计是三维空间结合时间多维尺度下的综合，做好植物种植设计及管理的前提是对所选植物材料特性以及生长发育变化规律的认知[1-2]。多数设计师往往凭经验或直觉来确定植物规格及尺度变化，难以准确预估特定胸径条件下树木对空间尺度需求以及后期生长发育变化[3]。此外，城市绿地建设普遍追求即时的景观效果，其中不乏一些建设项目通过增大植物规格以及提高植物种植密度来实现所谓城市园林绿化的高标准，缺乏动态过程变化的观念，并未对植物群落动态发育过程过多关注，这也给植物群落结构的稳定性与景观效益的可持续性带来隐患[4-6]。

对园林植物空间尺度与时间尺度的把握成为植物种植设计与群落构建过程中容易被忽略的两个关键性问题。一般地，园林树木规格的选择多以胸径为主要基准，种植平面则多以冠幅为主要表达方式，立面林冠线营造则是以树高及冠型为基础。如何确定特定规格（胸径）下植物生长的空间需求以及发育过程特征成为种植设计中树种选择以及动态管理的关键[4]。胸径与冠幅、树高、冠高、枝下高、叶面积指数等生长结构参数之间存在密切关系，植物生长时空变化规律的研究有助于估测特定规格下的树木生长空间需求及后期动态发育变化，为种植设计提供科学依据。鉴于此，本文基于植物生长时空变化特征的解析，结合理论探索与实证分析，提出基于时空尺度变化特征的树种选择、种植设计与管理策略。

1 城市树木及群落的时空尺度变化特征

对植物特性认识和考虑不到位的植物种植设计，会导致所形成的植物群落难以经受时间的考验。这就需要对不同类型植物个体及群落生长所需的空间以及达到某一生长阶段所需的时间有所认知。下面主要从空间与时间两个尺度层面对城市树木生长与群落发育的时空变化特征进行解析（图1，图2）。

1.1 空间尺度变化特征

总的来说，植物群落空间尺度可划分为地上空间（冠）与地下空间（根）两部分。本文所论述的主要针对树木及群落的地上空间尺度，指的是冠干部分生长所需的空间。由于树木个体自身结构特征的差异，导致其所占据的空间资源有所不同，主要体现在植物的冠幅、树高以及冠积等方面。生物体各部分构件大小间存在的数值关系，也可以理解为一种生物属性与另一种生物属性之间的关系随生长变化而出现的规律。胸径的生长变化将引发其他生长结构参数的变化。一般地，随着胸径的增大，树木冠幅、树高以及冠积等空间尺度也随之递增。这种空间尺度变化主要体现在以下两方面：首先，不同类型树种对生长空间的需求存在差异。例如，Pretzsch[7]在大数据视野下，基于异速生长模型对全世界范围内城市公园以及森林等绿地类型中常见的树木树冠尺度及生长空间需求进行预估与分类。其次，不同生态习性的树种以及不同的立地环境都会导致树木生长空间尺度与形态的差异与分化，主要表现在冠幅、冠形、冠积、树冠表面积、树高、枝条数量等方面。即使同一种类植物，在不同地域树种生长空间结构也存在差异，主要由于不同地域环境的异质性所致[8-9]。

此外，树木生长空间尺度需求在种植密度方面的体现尤为重要。种植密度是在一定区域面积或空间内，各种不同群体组合的群落数量与体积的综合。种植密度实质上体现的是不同类型树木对空间的利用效率。树木生长与群落发育过程中，往往由于群落中个体生长空间不足或受限，进而引发群落密度问题，其本质是空间问题。诱发群落密度问题的原因一方面是前期初始种植密度较大：另一方面是后期动态调控与管理失衡。密度过大是诱发恶性竞争及过度分化的重要因素之一。树木生长在空间及资源有限的情况下，群落中的个体为了获取最适宜自身生长的环境资源从而引发群落个体之间的相互阻碍与制约，进而产生树木生长结构、空间尺度以及形态上的变化[10-12]。

1.2 时间尺度变化特征

植物群落的时间尺度是指群落动态变化过程，也可理解为群落结构在时间上的分化或配置。植物自身及群落具有特定的生长阶段与生命周期，具有典型的时间尺度特征[2]。植物群落的时间尺度是一个宽泛的概念，其中包含了植物群落在时间上的任何变动，既是时间的函数，同时也与植物群落类型与性质有關。不同类型植物群落在不同的生命周期或阶段所呈现的空间结构特征及内在变化规律存在一定差异，包括了从植物群落的形态、生理、生化等状态到整个群落结构、物种组成、分布格局等方面的改变。本文所指的时间尺度变化是针对园林树木的生长速率及生物量积累（如胸径、冠幅、树高等）的变化。

伴随时间的推移及植物个体生长，植物群落生长发育也经历着初期、中期、后期等阶段。植物群落个体之间以及与环境之间是一个动态变化的过程，随着时间、空间、环境等因素的变化而变化。在城市特定的生境下，经过一定阶段生长发育，植物群落个体间经过对空间与资源的争夺使其结构产生分化，逐步向稳定状态过渡。这个转变过程不仅是动态的，同时也是人工选择与自然进程共同作用的。因此，种植设计与群落构建需要把握植物群落的动态特征及变化规律，通过对不同胸径条件下，树木生物量积累的变化，总结不同树木类型在不同生长阶段下生长速率的变化规律。城市树木的选择及栽植多采用截冠、疏冠等措施，然而，多数设计师很难预见树木与群落恢复及后期发育的过程。例如，截冠或疏冠的树木，其树冠需要多久才能恢复到理想状态以及何时达到郁闭或白疏状态等都需要积累不同树木及群落类型在时间尺度上的变化特征，这样才能使种植设计与管理具有更好的预见性与弹性，这些都会为后期群落的动态管理及调控提供参考。

2 基于时空尺度变化规律的树种选择及应用策略

2.1 基于空间需求变化的树种选择

在植物种植设计与群落构建的过程中，只将胸径指标作为植物规格选择及数量控制的依据显然是不全面的，应当充分考虑树冠等其他生长要素对生长空间尺度的需求，从而为树木规格选择提供更科学、全面的依据。不同类型树木在不同地域环境条件下，其生长空间尺度也存在差异。通过建立城市园林树木及群落生长参数间（胸径与冠幅、胸径与树高）的关系模型，以胸径为基准，实现对不同类型树木生长空间尺度的有效推演及分类，不仅有利于对特定空间条件下的植物可容纳量进行合理分配与布置，同时也有利于实现植物群落层级结构在空间上的有效利用[13]。

以上海地区常见的香樟为例，选取不同胸径梯度下的香樟樹种进行取样调查，以胸径参照，分析胸径一冠幅以及胸径一冠高相关性及变化规律。基于705株生长状态良好的香樟样本的实测数据，对所选取样本的胸径与冠幅以及胸径与树高的成对数据进行回归拟合（表1）。随着胸径的增加，冠幅及树高也随之增加，两者之间存在正相关关系，相关系数在0.900以上，故对植物树冠生长空间尺度具有较好的模拟精度（图3）。这样，在种植设计过程中，以胸径为主要参考指标，实现冠、干等其他生长要素对空间尺度需求的有效预估，为特定树种在空间尺度、数量选择及配置方面提供基础参考。

2.2 基于生长速率差异的动态预估

树木生长是一个动态的功能完善与系统发育过程，都经历着生长、稳定、衰退等不同阶段。不同种类以及不同生长阶段的树木，其生长速率存在一定差异。可通过固定样方的设置，长期监测植物群落个体各生长参数之间的变化特征，进而总结与比较不同类型树种在各生长阶段生物量积累的变化规律。以前期设置的1hm2的固定样地为参考，样地位于崇明岛港沿镇，地理坐标为31°3731.72”N，121° 42'50.45”E。利用全站仪对1hm2固定样地进行细分，划分100个“Z”字型或“N”字型走向的10mx10m小样方。对样地内高于1.3 m的木本植物进行标记与编号。崇明岛1hm2固定样地于2011年设置，并对每个样方内的植物进行每木检尺，调查内容涉及植物种类（其中涉及香樟456株）、分布（坐标）、胸径、冠幅、高度、生长势等各项指标以及更新苗的种类、数量、高度等。2015年底对样地内植物进行复测。分析数据表明，香樟群落胸径的平均增量为3.47cm.同比增长率为46%（图4）。通过对香樟群落5年的胸径增量的总结，依据前者分析的空间预估模型，定量预估与模拟香樟群落的生长空间尺度。

2.3 基于空间利用效率的密度调控

种植密度是引起树木及群落结构、形态、尺度变化的主要因子之一。通过对不同植物群落密度梯度（500，1000，1500，2000，2500株/hm2）.同龄级（ll-15a）香樟人工植物群落的调查结果进行总结[14-15].分析了密度制约与竞争效应对植物空间形态与生物量分配格局的影响。通过对不同密度梯度下的香樟群落树冠尺度进行梳理与分析（图5），结果表明，植物群落密度对树冠尺度的影响显著，证实了密度对植物群落的树冠尺度具有抑制作用，树冠尺度随密度的增大而缩小。植物群落密度不同，其枝下高具有明显差异。随着群落密度的增大，植物树冠的受光面减少以及生长空间受限。横向层面、生长空间的严重亏缺、拥挤的树冠空间由于对空间的竞争，冠幅随密度的增大而减小。竖向层面、树冠下部光照短缺，导致枝下高逐渐增加，而冠长随之减小。高密度的植物群落个体间，由于受到风及雨雪等多方面原因导致植物枝条之间自然整枝加剧，从而引起枝下高升高，冠长相对减少。此外，理想状态下，树木横断面多近似于圆形，但植物群落中的个体生长发育及分化受到环境变化与竞争等多元因素的影响，导致偏冠、畸形冠、冠缺失等情况，呈现卵圆形、多边形以及不规则形等。基于不同密度香樟群落的调查，卵圆形的树冠常常因为密度制约（空间距离）导致树冠由原有的扩展形态向冠顶逐步削减[16]。通过以上对不同密度梯度香樟群落的研究表明，随着植物群落密度的增大，冠层的水平与垂直方向受到抑制的强度也随之增强。冠层的形态一般随着植物群落密度的增加，冠幅会随之缩减，以致于一些原有饱满型树冠向狭长型过渡变化。

所谓密度调控，可直观地理解为给植物群落之间创造适宜的生长空间，提升植物的最大生长量，从而实现生态效益的最大化。在植物的整个生长过程中，不同的生长阶段都有可能存在一个最适宜的群落密度，这是一个数量级范围，它可能因立地条件、种植技术、发展目标等因素的不同而发生变化。植物群落冠层对密度抑制或竞争的响应是相同水平的植物个体树冠间相互排挤的过程，其本质是树冠对资源利用率与生长空间占有率的体现[7]。因此，可依据不同类型树种以及不同发育阶段树冠空间尺度与形态特征及变化规律，实现对群落冠层空间的合理组合与分配，进而提升植物群落对空间的利用效率。

3 展望

综上所述，基于空间与时间两个层面阐述与论证了园林树木及群落的时空变化特征。植物种植设计与群落构建不是植物个体及数量在空间的无序堆积，而是以不同类型植物的生长特性与结构形态特征为依据所进行的具有逻辑关系的空间组织[3]。通过对城市绿地植物群落空间尺度变化规律的预估，有助于植物种植设计与群落构建更好地把握植物生长弹性空间，尽可能地避免或缓解植物群落个体间冠层空间的过度重叠。此外，在一定区域范围内，可依据植物生长空间属性，确定合适的种植密度，并制定近期与远期相结合的密度控制。

城市绿地植物群落往往是一个不稳定、未成熟系统的临时框架，不仅在历史中形成和演替中发展，更在人为干扰中嬗变[17]。植物群落通过生长、发育、更新与演替等诸多阶段诠释了生命周期的过程，通过空间形态与季相变化呈现了自然变化的时空美，这些都是植物群落动态变化过程中所展露的生命特质。因此，种植设计过程中对植物个体以及群落整体的生长发育特征及变化规律有一定的认知与把握，对于植物生长发育所需的时间与空间进行科学预估，可以使得植物能够最大限度地利用资源与有效地分配空间，依据空间容量合理选择植物规格以及数量，从而形成具有良性自然生长发育过程的绿地植物群落。

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