腾冲市建成区树冠覆盖及其树种多样性分析

朱 坤，代继平，彭建松*，颜 麟，陈思瑞，刘云侠

(1.西南林业大学 园林园艺学院，云南 昆明 650224；2.西南林业大学 森林城市研究院，云南 昆明 650224)

城市森林改善空气质量，为动物提供食物、栖息地，也可为市民提供社交、锻炼或亲近大自然的场所[1]，同时改善居住环境，提升城市形象。但城市森林的发展明显滞后于城镇化进程。城市林木树冠覆盖(urban tree canopy，UTC)是城市森林建设的驱动力[2]，W.Thomas等[3]认为了解城市林冠覆盖率变化的驱动因素，对于支持明智的规划、城市植被保护和相关生态系统服务至关重要。因此对城市的林木树冠覆盖进行研究是对该城市建设生态环境进行合理规划的一个重要前提，也是该地加快创建国家级森林城市、实现其绿色可持续发展的必要条件。

城市林木覆盖不仅能提高城市绿量，而且不用增加绿地成本，在面对城市土地空间不足、改善生态环境方面都起着重要的作用。以城市林木树冠覆盖作为主体的研究涉及较少[4-6]，而且集中在东南沿海等经济较为发达的地区，研究工作多以单独绿地进行分析与讨论。研究尺度范围单一，缺少不同绿地类型之间的内在联系，围绕城市内部的不同类型城市森林树冠覆盖与树种植物多样性现状关注较少，不利于城市森林建设总体规划。正是在这种背景下，本研究以腾冲市城市森林为研究对象，对腾冲市建成区林木树冠覆盖和树种多样性水平进行分析和讨论，为我国其他地区，尤其是西南地区的森林城市建设提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究选取的腾冲市(图1)位于中国南北动植物种群交流集结的天然通道和东西过渡纽带的核心，寒、温、热3带植物成分并存，过渡色彩明显。是南北人口分界线的所在城市、横断山脉-高黎贡山的组成部分。同时享有“极边第一城”“中国翡翠第一城”等美誉。除了一些标志性绿地和公共植物园，还分布着槟榔江、龙川江、大盈江3大水系，面临着来自保山农村地区的大规模移民的挑战，上述特征被认为是城市森林发展的决定因素。又因为腾冲市作为高原山地城市，具有复杂多样的地形地貌和生态环境，为各种动植物的生存提供了良好的自然条件，极大地提高了这片区域的生物多样性，充分发挥了城市森林的重要作用。彭建松等[7]又通过对云南省高原山地森林城市发展探析得出，腾冲市是云南省县级森林城市发展潜力评价第2的城市，从而为这个城市的选择提供了理由。因此，选取该区域作为研究对象进行城市森林林木冠幅和树种多样性的分析，具有一定的代表性和实践意义。

1.2 研究方法

2019年是腾冲市国家森林城市近期建设最后一年。对2019年腾冲市城市森林进行研究可科学评估国家森林城市建设成效，因此，本研究采用具有2019年空间分辨率0.54 m×0.54 m的Google Earth全色历史影像，基于面向对象的解译平台e Cognition Developer 9.0进行解译，对腾冲市的城市林木树冠覆盖提取结合研究区的具体情况，解译得到不同土地覆盖类型栅格图，土地覆盖类型划分为6大类(表 1)。根据宋宜昊[8]和李承玺[9]对城市林木树冠的相关研究，本研究采用面向对象分类软件e Cognition Developer 9.0对Google全色历史影像进行多尺度分割算法和最邻近分类法处理，不同土地类型提取尺度不同，经过反复测试，得到最优分割尺度(表2、图2)。

表1 土地覆盖类型分类

表2 最优分割参数

1.2.1 树冠斑块覆盖提取 根据吴泽民等[10]、姚佳等[11]对树冠覆盖斑块等级划分方法，再结合研究区树冠覆盖斑块面积现状，对树覆盖斑块面积进行分级分类(表3)。

表3 林木树冠斑块规模分级

1.2.2 物种调查 在研究区域内划分为4种LULC(绿地类型)：公园绿地、道路附属绿地、单位附属绿地和居住区附属绿地。这4种LULC形成城市建筑区域内的城市森林。根据《腾冲市城市绿地现状调查报告》和实地勘查，腾冲市建成区共有公园绿地31个、单位附属绿地145个、居住区附属绿地86个，道路附属绿地49个。采用随机抽样，共抽样选取10个公园绿地、26个居住区附属绿地、43个单位附属绿地、15个道路附属绿地，其空间分布如图3所示。在每个样方设置1～3个20 m×20 m的样地，对样地内的木本植物进行每木测量[12]。

1.3 分类、分级标准

1.3.1 林木树冠覆盖 根据美国林务局的定义，林木树冠覆盖指从乔、灌木的垂直投影面积。目前一般分为现实树冠覆盖(existing UTC，简称EUCT)和潜在树冠覆盖(possible UTC，简称PUCT)[13]，其中EUTC指区域内部被乔灌木树冠覆盖的面积占比，PUTC指能是能种植树木，但目前尚未种植的土地面积占比，主要包括有开发潜力的草地和裸土地。

1.3.2 物种多样性 本研究使用4个指数[14-15]计算树种多样性。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：S为物种数；Pi为树种i的个体数示物种数；N为所有树种的个体数。

2 结果与分析

2.1 UTC 总体分析

2.1.1 土地类型分类 由表4、图4可以看出，腾冲市建成区林木树冠覆盖总面积为11.01 km2，林木树冠覆盖率相对较高，为38.90%。公园附属绿地的林木冠幅覆盖贡献占绝对优势，分布于城区内各区域，平均面积相对较大，表现出较大树冠覆盖率，是城市高密度绿色空间的主要载体；居住区附属绿地和单位附属绿地由于绿地类型的自身特性，虽然林木冠幅面积低于平均值，但分散于城区的各个角落，增强了城市森林斑块之间连通性；道路附属绿地逐渐形成林荫路，构建树冠覆盖相连接的生态廊道，成为对整体的树冠覆盖贡献不可或缺的绿地类型。

表4 腾冲市土地利用类型分布

其他土地类型来看，水体、草地、裸土地和耕地的面积与不透水面和树冠覆盖面积占比相对较小。腾冲市建成区主要水体为东湖公园的欢乐湖和大盈江，剩下的为各公园内以及各个居住区的小型人工水体。大块裸土地主要集中在麦子田巷、195县道左侧、腾冲旅游集散中心、文星路右侧的拆迁后的建筑用地、以及宝峰路左侧用作临时停车场的空置场地，随着城市化进程的不断加快。在寸土如金的城区，虽然裸土地以后会被规划成不透水体等建筑用地，但依然不妨碍成为林木冠幅面积增长最大的土地类型，在裸土地建设或改建过程中应尽量选择冠大荫浓，栽培简便粗放管理的乡土树种，在规定的绿地空间范围内最大限度提高林木遮荫及增加城市绿量。草地主要分布于城市公园的中央绿地、学校的操场以及单位、居住区的部分绿化，大面积草坪的使用仅仅限于公园绿地，单位或者居住区使用草坪不仅不能创造较高的生态效益，而且后期管理费时费力。耕地主要分布在腾冲民航大厦左右两侧，作为建成区为数不多的耕地，以现在农田为基础，营建现代农业园区、现代果品产业园等，在不破坏城市现存耕地的基础上，挖掘其生态价值的发展方向。

2.1.2 UTC空间格局分析 通过对城市林木树冠覆盖进行精细提取(图5)，发现林木树冠覆盖的水平在腾冲市分布差异也较为明显，从市中区向四周辐射，林木冠幅的斑块面积不断增多，市中心多以小斑块为主，说明城市化水平高的市中心生态环境提升改造空间有限，可增加林木树冠覆盖面积几乎没有。林木树冠覆盖面积主要集中在腾冲市西南片区的凤山森林公园、叠水河公园、烈士墓园、国殇墓园和南诏古城遗址公园附近，对城市整体的树冠覆盖贡献最大。单位绿地、居住区绿地的树冠覆盖斑块依托于绿地类型的性质，斑块面积和形状呈现多样化，分布于全市。城市道路用地明显形成绿随路建，有路皆绿，绿美结合的生态廊道，并且把腾冲市建成区分割形成一系列规则、形状简单的具有一定绿地的企事业单位或居住区。各林木树冠覆盖斑块之间进行有机衔接，形成森林生态网络体系，使得城市森林布局得到优化。

2.1.3 UTC斑块分析 通过UTC斑块分析可知(图6，表5)，斑块类型对树冠覆盖面积的贡献不同，斑块面积构成以巨大斑块为主[16]，占总斑块面积的72.12%，中、小斑块面积占17.99%。斑块数量构成以小斑块为主，占总斑块数量的86.24%，巨型斑块仅占斑块数量的2.35%，林木树冠覆盖面积和数量分布差异较大。中、小型斑块出现很明显的内聚性，从城市中心为起点向四周辐射，随着城市化影响力的减弱，离市中心越远，斑块面积越大、数量越少，树冠覆盖斑块具有斑块数量和斑块面积相反趋势的特点。虽然居住区、单位绿地的树冠覆盖面积占比较小，但居住区、单位绿地的树冠覆盖斑块数量占绝对优势，既反映出城市中心用地的紧张现状，也反映出腾冲市在寸土寸金的城市用地中增加小斑块，进一步说明开展森林城市建设颇有成效。

表5 腾冲市建成区树冠覆盖斑块等级构成

2.2 植物多样性

2.2.1 总体分析 本研究共调查木本植物39 科、83 属、117种，其中本地植物34科、73属、96种，外来物种本地植物5科、10属、21种，香樟(Cinnamomumbodinieri)数量最多、高达17.96%。排名前10的乔木数量优势树种依次为：香樟、桤木(Alnuscremastogyne)、红叶石楠(Photiniaserratifolia)、云南樱花(Cerasuscerasoides)、小叶榕(Ficusconcinna)、蓝花楹(Jacarandamimosifolia)、桂花(Osmanthusfragrans)、高山榕(Ficusaltissima)、银杏(Ginkgobiloba)、日本樱花(Cerasusyedoensis)，这些占乔木总数的56.79%，城区树种数量之间存在明显差异。

通过双向ANOVA检测研究不同绿地类型树种多样性特征(表6)，在不同绿地类型中，Simpson指数、Pielou指数和Margalef丰富度指数均不符合同方差正态分布，而Shannon-Wiener 指数则在不同绿地类型下存在显著性差异，可能是因为城市森林在城市内的位置对物种组成和多样性存在影响[17]。不同绿地类型之间绿化树种不同，绿地类型选择合适的树种进行合理的植物配置，绿化植物所实现的价值不仅仅由物种多样性体现。在城市绿地中，树种多样性更多地是受到城市设计者对物种选择意志的影响，这种意志通常侧重于景观效果和城市功能。

表6 腾冲市建成区物种多样性双向ANOVA分析

在计算不同绿地树种多样性中(表7)，道路附属绿地所调查的4个物种多样性指数平均值与其他绿地类型对比均处于末位，其原因在于除道路中心圆盘外，道路绿地树种多以间隔相似距离进行种植，行道树种类过于单一。Margalef丰富度指数离散程度最大，表明腾冲市道路绿地树种丰富度分布不均，通过实地勘察，腾越路、迎宾大道的指数大于1.5，这2条路的不仅物种多样性高，生长的观花、观叶树种在腾冲市道路绿地应用覆盖面上得到充满体现形成了相对稳定的群落特征，而且林木覆盖面积大。多数道路Margalef丰富度指数小于1，应用4～8种的植物道路最为常见，占调查道路的53.33%。

表7 腾冲市建成区不同绿地类型物种多样性分析

单位附属绿地所调查的样方中，4个物种多样性离散程度相对较小，表明该绿地类型的4项指数分布比较集中。可能是树种搭配的种类、数量都由政府统一采购，具有相同规格。也可能是因为单位区域面积较小缺乏种植树木的空间，采用过多植物种类搭配造成景观内部出现过度拥挤的感觉，单位物种多样性丰富度低于居住区。

居住区附属绿地所调查的样方中，通过Shannon-Wiener指数和Margalef丰富度分析，分别有16个居住区Simpson index指数和10个居住区Margalef丰富度大于2，占整个样地类型的61.53%和38.46%，从整体来看，居住区绿地物种多样性相对较高，植物成为不可缺少的因素。居住区绿地的Pielou的单位绿地和指数相差不大，其原因可能是2类绿地均注重规则整齐，因此在设计偏好上相同。

公园绿地所调查的样方中，Simpson指数、Shannon-Wiener指数、Margalef丰富度指数离散程度与其他绿地类型对比最小，而且4个指数并非递增递减的趋势，说明公园各有其特色，树种群落结构稳定，生态功能与景观异质性也较高。Pielou指数相对于其他3个指数离散程度较大，可能的原因在于公园其功能分区相对较多，为营造景观效果，通常采用不同树种进行搭配，物种搭配存在明显差异，因此公园绿地Pielou指数离散程度相对较大。

2.2.2 空间格局分析 通过Arc gis梯度分析(图7)，不同绿地类型的树种多样性在空间分布格局上并不随城区到城郊的距离的远近而出现差异，并且没有任何规律，物种多样性丰富的区域在城郊和城中均有出现。出现这一现象的原因一方面可能是因为腾冲市建成区面积相对较少，树种多样性更多的是与绿地类型的大面积色块应用相关，在空间格局变化上体现并不明显。另一方面城市森林基本上均为人工群落，在树种搭配和选择上人为影响严重，多样性会随着城市化而增加，物种多样性更多的是在不同绿地类型之间因为视觉景观效果、景观设计理念、受市民喜爱程度等非自然因素的干扰而表现出较为明显的不同[18]。

2.2.3 植物区系分析 在调查的39科的木本植物中，蔷薇科(Rosaceae17种)、木兰科(Magnoliaceae11种)、禾本科(Poaceae8种)、豆科(Fabaceae7种)，以上4科共有15属43种，由此可见这4科植物的物种数在该研究区的树种区系构成中占比较大。3～5种的科有10科，依次为柏科(Cupressaceae5种)、桑科(Moraceae5种)、山茶科(Theaceae5种)、棕榈科(Arecaceae5种)、樟科(Lauraceae5种)、木犀科(Oleaceae4种)、无患子科(Sapindaceae4种)、杜鹃花科(Ericaceae3种)、松科(Pinaceae3种)、五加科(Araliaceae3种)。其余25科种，仅为1种或2种分布。大科对该区系的构建起重要的作用，蔷薇科、木兰科、禾本科和豆科成为该区系的优势科，在这4个优势科中，蔷薇科和禾本科为世界广布，木兰科为东亚及北美间断分布，豆科为热带广布。

在调查的83属的木本植物中，不存在大属和中等属现象，几乎都是寡种数和单种属。含有4种的属也仅仅只有含笑属(Michelia)、簕竹属(Bambusa)、木兰属(Magnolia)、榕属(Ficus)、樱属(Cerasus)。占总属数的6.02%，占总种数的17.09%；含有2～3种的有14属33种，占总属数的16.87%，占总种数的28.21%，属种比为1∶2.36；单属种最多，共有64种，占总属数的77.11%，占总种数的54.70%；大量单种属的存在虽然提高景观效果，丰富了城区物种多样性。但城区各树种之间在亲缘关系上较为疏远，不同树种并非以种属关系而形成群落，是根据树种自身生态学特性趋同以及人为喜好而组合的。该研究区属种系数70.94%，为极高属系数，表明主城区生境较为简单，这与城市树木的来源多样性密切相关。说明腾冲市木本植物是人工选择的产物,由于人们对城市木本植物的选择和利用，不同城市之间在物理环境上逐渐出现相似的趋势。

表8 腾冲市建成区木本植物科属种组成

3 结论与讨论

潜在树冠覆盖是城市森林未来建设的发展方向，该指标从未来生态建设的角度考虑，可以为行业管理者与政府决策部门提供了初步的生态工程规模量化决策参考，持续提高城市森林的发展水平。腾冲市建成区现实树冠覆盖率为38.90%。腾冲市建成区潜在树冠覆盖面积为3.17 km2，其中草地0.44 km2、裸地2.73 km2，可提高树冠覆盖11.20%。能达到的树冠覆盖率最大理论值为51.10%，虽然裸土地大部分是以后的建设用地，但也应是未来建设提高城市森林树冠覆盖面积的重点绿地。在空间上，腾冲市建成区树冠覆盖郊区优于中心，市中心多以小斑块为主，腾冲市树冠覆盖面积和斑块数量呈现相反趋势。在城市森林不断建设过程中，不同绿地各斑块之间有机衔接，树冠覆盖斑块得到优化，构成森林生态网络体系。

从物种多样性上来看，结果表明，腾冲市物种多样性较高，这个城市的典型样地Shannon-Wiener指数多样性指数大多数>2.0，表明多样性处于中、高水平[19]。这表明腾冲在木本物种保护方面的重要性。这些结果证实城市地区是多种木本物种的生态家园。高物种多样性可能是近些年来的腾冲市园林城市和森林城市不断推进的结果。在与当地居民的实地探讨中发现，比如通过美学或医学用途引入一些蓝花楹和珙桐等外来树木，有助于提高物质多样性[20]和加快生态系统恢复。不同城市森林的Simpson index指数、Shannon-Wiener 指数、Pielou 指数和Margalef 丰富度指数存在显著差异，住区的物种丰富度高于其他土地利用类型。这一结果支持了D.Hope等[21]和S.Moussa等[22]的研究结果，报道了居住生活是物种多样性的驱动因素。从该区系优势科和属的分布区类型来看，世界广布占优势，水热条件对城市树木的影响远远小于郊区自然群落，城市木本植物存在同质化现象，这可能与树种适应性、趋同性以及人们的喜好有关。

林木树冠覆盖率是城市森林建设中逐渐引入的新指标，更加直观地反映出城市森林建设的成果。从研究结果来看，腾冲市建成区绿地逐渐形成以乔灌为主的森林景观，绿地空间利用比较充分。腾冲市在城市生态用地日益紧缺的背景下，形成了相对稳定的林木树冠斑块，无论从林木树冠覆盖比例还是斑块特征来看，都表现出较大树冠覆盖率，腾冲市城市森林建设潜力巨大，针对腾冲市出现的较低的林木树冠率的绿地类型，应采取适合的提升途径，对于居住区绿地来说，要维护好现有乔木，适当增加小乔木；对于单位绿地加强对现存乔木的管理保护，做到专人负责养护；对于公园绿地有限的裸土地和草地进行合理转化，控制乔木与灌草的比例，适当增加乔木种植面积；而道路绿地应通过构建合理的城市森林空间结构，完成小乔木向高大乔木的转化[23]。

通过调查结果证实了T.W.Gillespie等[24]的观点，高的物种多样性可能与城市中不同文化的民族有关。民族聚集地很可能居住着对树种有不同偏好的不同民族[25]。通过对植物区系分析可知，城市木本植物大多是人工选择的产物,人类对物种喜好的相似性导致了城区生境较为简单，具有高度城市化和人工化影响的特征。城市森林建设在追求景观效果，提高物种多样性的同时，降低种属系数，注重不同树种在群落中的种属关系。在遵从适地适树原则的同时，遵循生态位原理，加强对乡土树种的利用程度。通过模拟自然群落，使得群落内部最大限度地维持和提高群落多样性和稳定性，使各物种间形成和谐统一、互利共生的关系。从而减少为保持人工群落结构而大量投入的人力、物力和财力[26-27]。