北京市中轴线地区林木树冠覆盖特征及影响因素1)

姚佳 贾宝全 王成

(浙江大学宁波理工学院，宁波，315100) (中国林业科学研究院林业研究所)

城市林木树冠覆盖(UTC)是指从乔灌木上空垂直观察时，树木叶层、树枝、树干所覆盖的地表面积[1]。与草地相比，林地能充分利用绿地三维空间，更好的反应城市绿地结构特征和生态效益[2]，因此探究城市林木树冠覆盖斑块的布局特征，是开展城市森林评价及其健康与稳定性优化的前提[1]。目前的研究内容，主要集中于树冠覆盖斑块的景观格局分析[2-9]、树冠覆盖与森林服务功能分析[10-11]，缺少树冠覆盖斑块在城市发展过程中变化规律的探讨；且树冠覆盖斑块的分类以土地功能类型为依据，不利于与城市中常用的绿地类型相衔接。

北京作为国家首都，伴随人口膨胀，城市建设用地紧张、生态用地严重不足的问题日益严峻；政府力求通过制定新一轮城市总体规划和实施一系列城市森林建设项目，达到提升首都功能、抑制城市空间无序扩张、改善人居环境、稳定城市生态系统的目的[12]。但目前开展的城市森林建设实践，过分侧重森林面积的增加，忽视了绿地质量的提升，导致城市生态环境没有得到明显改善。因此，在城市发展定位转型的初期，及时准确的量化以树冠覆盖斑块为核心的城市森林总量，认识其格局特征和分布规律，探究影响因素和驱动力，对优化城市绿色空间格局、科学制定城市森林规划和管理措施都具有重要的理论和实践意义。

1 研究区概况

北京市位于华北平原西部(115°25′～117°30′E，39°28′～41°5′N)，总面积1 641 054 hm2。北京市传统中轴线因其特殊的历史背景，在历次城市总体规划中一直作为城市建设的重点区域。传统中轴线，南起永定门，北至钟鼓楼，长约7.8 km，途径东城区、西城区、昌平区、丰台区、海淀区、大兴区，是古都北京的中心标志，也是世界上现存最长的城市中轴线[12]。该地区地形属于城市平原区；经济上表现出从城市核心区、城乡过渡区，到远郊区的有序过渡；城市建设中，表现出从历史文化古城、城镇化到现代都市风貌的多元化特色；映射出人类活动从高强度区(城区)、中等强度区(城乡过渡区)到一般强度区(远郊区)的完整变化，因此提供了一个理解和认识城市森林景观特征随城市建设发展变化的研究平台。

2 研究方法

研究范围：将传统中轴线分别延伸到南北6环路，长度45 km；以永定门和钟楼的城门连接线为轴，分别向东西方向扩展2.5 km，总宽度5 km，总面积22 500 hm2。以长安街为横轴，城市2～6环路的道路中心线为分界线，将研究区划分为10个研究区块，分别为长安街-北2环路(N2)、北2环路-北3环路(N23)、北3环路-北4环路(N34)、北4环路-北5环路(N45)、北5环路-北6环路(N56)、长安街-南2环路(S2)、南2环路-南3环路(S23)、南3环路-南4环路(S34)、南4环路-南5环路(S45)、南5环路-南6环路(S56)。10个研究区块按照城市圈层发展结构依次排列，最终形成一条贯穿城市南北方向的“城-乡”梯度带。

影像数据：数据来源于北京市2013年8—9月worldview-2全色与多光谱融合影像(红、绿、蓝4波段)，分辨率为0.5 m，影像是利用447个地面点做几何矫正而得到的四级产品。

林木树冠覆盖斑块分类：在高分辨率卫星图可视内容的基础上，结合GB/T 21010—2007《土地利用现状分类》和GJJ/T 85—2002《城市绿地分类标准》，将研究区树冠覆盖斑块分为公共绿地树冠覆盖斑块、居住区绿地树冠覆盖斑块、单位绿地树冠覆盖斑块、道路绿地树冠覆盖斑块。

影像解译及数据处理：利用GIS平台，结合谷歌地图和北京市城市用地规划图(2004—2020年)，对worldview高分辨率卫星图进行人工目视解译。通过Arcmap“编辑器”里的“裁切”工具，将研究区栅格图绘制成包含树冠覆盖斑块的矢量图。借助Arcgis平台的Patch Analyst插件，完成景观尺度和斑块尺度上的景观格局指数计算。

景观格局指数：景观格局分析在景观和斑块2个尺度上进行。景观尺度指数，包括多样性指数和均匀度指数。斑块尺度指数，包括数目、平均面积、平均边缘密度、平均分维数、平均形状指数[11]。

林木树冠覆盖斑块分级：参照文献[13]、[14]提出的标准对林木树冠覆盖斑块分级，小型斑块≤0.05 hm2、0.05 hm2<中型斑块≤0.20 hm2、0.20 hm2<大型斑块≤1.00 hm2、1.00 hm2<特大斑块≤5.00 hm2、巨大斑块>5.00 hm2。

3 结果与分析

3.1 林木树冠覆盖斑块总体特征

依据表1数据计算：研究区总面积22 500 hm2，树冠覆盖斑块面积4 945.53 hm2，树冠覆盖率21.98%。其中：公共绿地树冠覆盖斑块面积2 985.96 hm2，占研究区总面积的13.27%；居住绿地树冠覆盖斑块面积1 124.65 hm2，占研究区总面积的5.00%；单位绿地树冠覆盖斑块面积212.98 hm2，占研究区总面积的0.95%；道路绿地树冠覆盖斑块面积621.94 hm2，占研究区总面积的2.76%。

表1 各研究区块中4类树冠斑块面积及树冠覆盖率

由表1可见：以长安街为横轴，中轴线北部地区的树冠覆盖率高于南部。从城市中心区向远郊区扩展，中轴线南北方向树冠覆盖率变化趋势不一致，北部各研究区块的树冠覆盖率呈先升后降的走势，最高点为N45的29.0%，最低点为N56的22.2%；南部地区各区块的树冠覆盖率呈递减变化，最高点为S2的26.0%，最低点为S56的11.3%。这说明城市区域间社会发展水平的不均衡，也影响到了城市森林的建设质量。2008年，因举办奥运会而新建的大型森林斑块，有效增加了北部地区树冠覆盖斑块面积，N45区块内因为拥有奥林匹克森林公园而获得极高的树冠覆盖率。

从构成树冠覆盖斑块的4类绿地看，公共绿地提供的树冠覆盖率最多，其次为居住绿地、道路绿地和单位绿地。但是，在S23和S34区块内，居住绿地提供的树冠覆盖率共21.2%，超过公共绿地所提供树冠覆盖率的2倍，说明虽然该研究区块内整体树冠覆盖率不高，但是对于营造人居环境的居住绿地而言，绿地质量相对较好。

3.2 树冠覆盖斑块景观格局指数

由表2可见：从树冠覆盖斑块景观尺度看，多样性指数为1.61、均匀性指数为0.65。从斑块尺度看，公共绿地和单位绿地拥有较低的平均分维数、平均形状指数，说明这2类绿地树冠覆盖斑块形状相对规则，斑块的稳定性差，受人类活动影响较强；居住绿地树冠覆盖斑块的平均边缘密度最大，说明该类型斑块被边界割裂的程度最大，斑块的空间连通度最低；单位绿地的平均斑块面积最小，说明单位绿地的树冠覆盖斑块破碎化程度最大。总体而言，公共绿地的树冠覆盖斑块尺度指数更接近于整体景观尺度的各类指数，说明公共绿地是提供树冠覆盖斑块最主要的绿地；居住绿地和单位绿地是受人为干扰较强的2类绿地。

表2 2个尺度4类树冠斑块景观格局指数

3.3 各等级树冠覆盖斑块面积及数量特征

依据表3数据计算：研究区共有林木树冠覆盖斑块总面积4 945.53 hm2，数量75 760个。其中：小型斑块总面积798.56 hm2，占树冠斑块总面积的15.7%；数量63 785个，占树冠斑块总数量的84.2%。中型斑块总面积932.885 hm2，占树冠斑块总面积的18.5%；数量9 423个，占树冠斑块总数量的12.4%。大型斑块总面积776.04 hm2，占树冠斑块总面积的15.3%；数量1 946个，占树冠斑块总数量的2.6%。超大型斑块总面积1 077.36 hm2，占树冠斑块总面积的21.4%；数量498个，占树冠斑块总数量的0.7%。巨大斑块总面积1 360.68 hm2，占树冠斑块总面积的29.4%；数量108个，占树冠斑块总数量的0.1%。

表3 各研究区块中不同等级树冠斑块面积及数量

由表3可见：南北方向各研究区块中，树冠斑块分布均呈现“小斑块数量多面积小、大斑块数量少面积大”的特点。小斑块数量在各研究区块内都占有绝对优势，尤其以N2、S2、N56、S45最明显，但在这4个区块中小型斑块的面积总和仅为大型、超大型和巨大型斑块面积总和的一半。从生态学角度看，斑块中的能量和物质总量与面积成正比[15]，树冠覆盖斑块面积越大越能发挥生态功能。位于城市远郊区的N45、N56、S45拥有多个大体量的树冠覆盖斑块，说明该区域是维持城市生物多样性、稳定城市森林生态系统平衡、调节区域小气候的重要地段。

由表4可见：公共绿地树冠覆盖斑块共35 029个，面积2 985.96 hm2，分别占总体的46.2%和60.2%，远远高于其他3类绿地。公共绿地树冠覆盖斑块中，超大斑块和巨大斑块以0.49%的数量比例，提供了40%的树冠覆盖面积，再一次说明公共绿地是对研究区树冠覆盖斑块面积贡献最大的绿地类型。而居住绿地和单位绿地的中小型树冠覆盖斑块，以34.4%的数量比例，提供了12.1%的树冠覆盖面积，表明这2类绿地斑块的破碎化程度高，树冠斑块以“小而散”的形式出现。

表4 4类树冠斑块中不同等级树冠斑块面积与数量

4 结论与讨论

研究区从城市中心区向远郊区扩张，南部各研究区块内树冠覆盖率呈梯度递减变化，而北部呈现先增后减的趋势，这种树冠覆盖斑块空间分布不均衡现象与区域间人文特征、城市建设和人居环境质量的差异密切相关。首先，大量遗留的皇家园林赋予中轴线北部地区优渥的城市森林本底。其次，2008年奥运会的绿色需求，推动了北部远郊区城市森林整体水平的提高，N45、N56区块内分布的奥体森林公园、东小口森林公园和太平郊野公园，已经成为城市“绿肺”。最后，伴随奥运场馆周边区域人居环境质量的提升，围绕森林公园新增大量地产项目，已经形成都市芳园、禾木庄园、龙跃苑等树冠覆盖率较高的现代化居住片区。这些因素都在不断拉大中轴线北部与南部地区城市森林质量的差距。但是随着北部平原区用地空间有限、首都大兴国际机场建设和雄安国家级新区建设项目的启动，新一轮北京市城市总体规划[12]将城市空间大幅度南扩，未来中轴线南部地区的城市森林质量将随着城市总体建设得到整体提升。

宋宜昊[16]研究发现，北京市借助建设绿色奥运、开展“平原区百万亩造林”和第一、二道隔离林带为主的城市造林活动，2002—2013年的11 a间，建成区树冠覆盖率从19.46%提高到39.53%，增长20.06%，其中4～6环路涨幅最多(39.18%)。贾宝全等[11]研究发现，2002—2013年的11 a间，第一道隔离林带内林木树冠覆盖斑块平均面积，从0.05 hm2增加到0.21 hm2，说明斑块的破碎度在减小。高美蓉等[2]研究表明，厦门市依托山体建设的大量城市公园是影响城市树冠覆盖率的主要因素。汤婧雅等[4]、王近秋等[3]研究表明，上海市外环线500 m宽环城林带的建设促进了城市树冠覆盖率的提高。这说明公共绿地中的大型树冠斑块数量是驱动树冠覆盖率增加的主要因素，而开展以乔灌木为主的城市森林建设和城市环境美化运动，是驱动树冠覆盖率增加的重要手段。

未来城市森林建设重心为调整森林斑块分布结构、提高绿地三维空间利用率。结合平原区百万亩造林和两道隔离林带工程的实施，在城市远郊区新增以乔木为主的连续树冠覆盖斑块，增强现有树冠斑块的连通度；在城市近郊区或中心区，以见缝插针的形式增加小型树冠覆盖斑块，增强树冠覆盖斑块分布的均匀性。通过优化树冠斑块的空间布局，达到促进城市生态建设从注重绿化用地面积增加向提高土地空间利用效率转变的目的。