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Quantitative analysis of urban forest structure:A case study on Shenyang arboretum.

城市森林结构的量化研究——以沈阳树木园森林群落为例



全 文 :城市森林结构的量化研究 ———以沈阳树木园
森林群落为例 3
朱文泉1 ,2  何兴元1 3 3  陈 玮1 ,2  陈云浩2  张 粤1  宁祝华3
(1 中国科学院沈阳应用生态研究所树木园 ,沈阳 110016 ;2 北京师范大学资源科学研究所 ,资源信息科学与工程研究中心 ,
北京 100875 ;3 美国南方大学城市森林系 ,巴吞鲁日 LA70813)
【摘要】 采用遥感图像判读和野外调查相结合的方法 ,定量分析了沈阳树木园植物群落的物种结构及空
间格局. 结果表明 ,沈阳树木园植被的生长状况良好 ; 物种丰富 ,其中黄蘖 ( Phellodendron am urense) 、刺槐
( Robinia pseudoacacia) 、榆树 ( Ul m us pumila) 在树木株数和相对优势度上均占优势 ,为群落的主林木 ; 植
被在高度和胸径上的分布均表现为具有向上发展的潜力 ,整个植被群落正处于一个快速的生长期 ,属于发
挥生态效益的最佳时期. 沈阳树木园的树种多度与基于叶面积的相对优势度之间无明显关联 ,数量上占优
势的树种 ,其相对优势度不一定很高. 沈阳树木园植被树木株数与不同树高等级间的分布关系表现为上凸
的曲线 ,随着树木高度级的增加 ,树木株数开始分布比较平稳 ,当高度超过 12 m 后 ,树木株数明显减少 ,曲
线急骤下降. 树木株数分布与不同胸径等级间的关系也呈现类似的情况.
关键词  城市森林  结构  绿量  人为干扰
文章编号  1001 - 9332 (2003) 12 - 2090 - 05  中图分类号  S731. 2  文献标识码  A
Quantitative analysis of urban forest structure : A case study on Shenyang arboretum. ZHU Wenquan1 ,2 , HE
Xingyuan1 ,CHEN Wei1 ,2 ,CHEN Yunhao2 ,ZHAN G Yue1 ,N IN G Zhuhua3 (1 Institute of A pplied Ecology , Chi2
nese Academy of Sciences , S henyang 110016 , China ;2 Institute of Resources Sciences , Beijing Norm al U niversi2
ty , Geoinf orm atics Center , Beijing Norm al U niversity , Beijing 100875 , China ;3 Southern U niversity and A
and M College , B aton Rouge L A 70813 , USA ) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2003 ,14 (12) :2090~2094.
The spatial features and attribute data of urban forests in Shenyang arboretum were acquired by using aerial pho2
tographs and field investigation. After systemic and quantitative analysis of the species composition and spatial
distribution pattern of urban forest community based on geographic information system ( GIS) ,the following re2
sults were achieved : 1) the vegetation in the arboretum was rich and in a good condition. Phellodendron a2
m urense , Robinia pseudoacacia ,and Ul m us pumila were the main species according to their abundant individu2
als and relative dominance. The spatial distribution pattern of this vegetation indicated that it was in a growing
level and in the best state for ecological benefits ; 2) the tree species relative dominance based on vegetation quan2
tity had no distinct relationship with the species abundance ,and the species having abundant individuals might
have a low relative dominance ; and 3) the curve displayed in the relationship diagram between tree individuals
and tree height showed ascending and protruding. With the increment of tree height class ,the individuals were
unchanged nearly at the beginning ,but when the height was more than 12 m ,the individuals reduced distinctly ,
and the curve displayed a quickly declined trend. The relationship between tree individuals and tree diameter at
the breast height (DBH) showed the same result .
Key words  Urban forests , Structure , Vegetation quantity , Human disturbance.3 国家自然科学基金项目 (40201036) 、中国科学院“十五”预研项目
(K070 K2YZX010505) 和中国科学院引进国外杰出人才资助项目
( KOTCE203971003) .3 3 通讯联系人.
2003 - 05 - 27 收稿 ,2003 - 09 - 15 接受.
1  引   言
随着城市环境的恶化 ,人们对城市森林的研究
日益重视[8 ,15 ,17 ,18 ] . 城市森林结构反映了城市地区
植被的三维空间配置状况 ,是研究城市森林生态效
益及规划管理的基础. 有关城市森林结构方面的研
究已有一些报道[5 ,14 ] ,但缺乏具体的数量指标. 对
于城市 ,特别是建筑密度极高的城市中心区而言 ,利
用有限的土地面积 ,选择较好的绿化结构 ,可以有效
地提高这些地区的绿化生态环境效益. 为此 ,许多
园林科技人员开始了优化城市绿化结构的研究和实
践[3 ,9 ,16 ] . 城市绿化的生态环境效益不仅取决于绿
化树种、绿化的覆盖面积 ,还取决于绿化的空间结构
以及植被的生长状况 ,尤其是城市森林的三维绿量
问题 ,与城市森林的初级生产力和生态环境效益密
切相关[20 ] . 在植被三维绿量的模拟估算方面 ,曾有
应 用 生 态 学 报  2003 年 12 月  第 14 卷  第 12 期                              
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Dec. 2003 ,14 (12)∶2090~2094
应用遥感技术调查森林材积量的报道[4 ,19 ] . 其方法
主要是由判读遥感图像取得关于林地面积、林木类
型、郁闭度等参数 ,再由采样区得出的单位面积同类
林地的材积量推算整个林地的材积量. 由于城市森
林结构受城市形态、自然条件及人为管理因素的影
响[12 ,13 ] ,城市绿化具有结构类型复杂、树种多样、种
植不规则及零散分布的特点 ,所以无法用上述推算
森林材积量的方法计算绿量. 本研究采用遥感图像
判读和野外调查相结合 ,利用绿量回归模型 ,考虑了
植被的冠幅和冠高 ,分树种逐株计算绿量 ,定量分析
了沈阳树木园植物群落的物种结构及空间格局.
2  研究地区与研究方法
211  研究区概况
沈阳树木园位于沈阳市南运河的带状公园中段 ,地处
41°46′N ,123°26′E ,海拔 41. 6 m ,占地面积 5 hm2 . 树木园地
势平坦 ,土层深厚肥沃 ,具有地带性棕壤草甸土特征 ,p H
7. 0. 属暖温带半湿润季风型大陆性气候 ,四季分明 ,雨热同
季. 该区年平均气温 7. 4 ℃,极端最高气温 38. 3 ℃,极端最
低气温 - 30. 5 ℃,年平均降水量 755. 4 mm. 沈阳属暖温带
落叶阔叶林区 ,处于长白植物区系与华北植物区系的过渡
带. 树木园拥有人工栽种的乔、灌木及草本植物近 450 种 ,
主林木由黄蘖 ( Phellodendron am urense) 、刺槐 ( Robinia pseu2
doacacia) 、冷杉 ( A bies holophylla) 、榆树 ( Ul m us pumila)等组
成 ,经过 40 多年的生长和自然更新 ,已形成具有多层次、多
世代的人工和天然复合森林群落 [7 ] .
212  研究方法
21211 数据获取  利用沈阳市 1999 年 4 月份拍摄的 1∶1 万
比例尺的航空照片 (取自沈阳市测绘大队 ) , 通过 Ar2
cView GIS3. 2 及 CITYgreen3. 0 软件进行数字化处理 ,结合
野外调查数据 ,对研究区内各种土地利用类型 (房屋、绿地、
道路、运河、草坪等) 、乔木及露天灌木的冠幅位置进行定位 ,
并得出其面积. 野外调查数据包括研究区内所有乔木及露
天灌木的树种、胸径、树高、活枝下高、健康状况等测树因子 ,
并分别编号.
  树木的健康状况分 5 个等级 ,评价方法是对每一棵树各
营养器官按一定的指标体系评分 ,然后对合计的总分进行加
权以确定树的健康级别 ,详细的评分体系参见 CITYgreen 模
型用户手册的附录 C[1 ] ,各健康等级所描述的树木健康状况
见表 1.
表 1  健康等级
Table 1 Health class rating
健康等级
Health rating
描述
Description
得分
Scores
5 好 86~100
4 中等 71~85
3 差 51~70
2 极差 31~50
1 清除 < 31
21212 数据分析  1)叶面积与叶面积指数 : 单株植物叶面积
的求算法采用 Nowak 等 [11 ]的城市树木叶面积回归模型. 由
于该模型是在多树种、多年龄结构及多种胸径 (树高) 等级上
建立起来的 ,具有一定的通用性 ,因此在模型的引进上 ,由参
数引起的总体误差不会太大 ,其计算如式 (1) .
  y = exp (0. 2942 H + 0. 7321 D + 5. 7217 S h - 0. 0148 S -
    4. 3309) + 0. 1159     ( r2 = 0. 91 ,n = 2941)
(1)
其中 , y 为叶面积 ( m2 ) ; H 为树冠高 ( m) ; D 为树冠直径
(m) ; S =πD ( D + H) / 2 ; S h 为遮荫系数 ,指某一植物树冠垂
直投影面积中的阴影部分所占比例 ,本研究采用各树种组合
后的平均值 0. 83 (标准差为 0. 049) .
  单棵树的平均叶面积指数为该树的总叶面积除以树冠
垂直投影面积 ; 总叶面积指数为研究区内所有树木的总叶
面积除以研究区总面积.
  2)树种相对优势度 : 为该树种所有树木的叶面积占研
究区内所有树木的总叶面积比例 ,其计算如式 (2) .
  RDi = ∑yi / ∑j ∑yi (2)
其中 , RDi 为第 i 树种的相对优势度 ; yi 为第 i 树种的叶面
积 (m2) ; j 为研究区内树种的数目.
3  结果与分析
311  植物群落物种结构分析
  沈阳树木园植物群落物种基本情况见表 2. 本
研究共调查乔木及露天灌木 1 516 株 ,包含 194 个
物种 ,林冠覆盖率为 53. 74 % (不包括草坪) ,树木密
度为 3. 8 株·100 m - 2 ,平均叶面积为 108. 02 m2·
株 - 1 ,总叶面积为 163 752. 89 m2 ,整个树木园的叶
面积指数为 4. 14. 由于有些乔木下的小灌木在航片
上无法显示 ,野外调查时虽作了一些纠正 ,但仍有些
未参与绿量的计算 ,所以实际的叶面积指数应略大
于 4. 14.
表 2  研究区树种基本情况
Table 2 Basic characteristics of tree species in study area
面积
Area
(m2)
物种数
Species
richness
个体数
Indivi2
duals
密度
Density
(trees·
100 m - 2)
平均叶面积
Average
leafarea
(m2·
tree - 1)
总叶面积
Total leaf
area
(m2)
总叶面
积指数
Total leaf
area index
覆盖率
Coverage
( %)
39552. 7 194 1516 3. 8 108. 02 163752. 89 4. 14 53. 74
  沈阳树木园植物在数量及优势度上排序在前
20 名的树种如表 3 所示. 单从树木株数的角度来考
虑 ,前 20 名树种占了 57. 7 % ,其中黄蘖、刺槐、冷
杉、榆树、桑树 ( Morus alba) 为群落的主要树种 ,共
占 31. 4 % ,在数量上占绝对优势. 而从树种相对优
势度的角度来考虑 ,排在前 10 名的树种依次为 : 刺
槐、黄蘖、春榆 ( Ul m us japonica) 、榆树、加杨 ( Popu2
l us ×canadensis) 、臭椿 ( A ilanthus altissi m a) 、蒙古
190212 期           朱文泉等 :城市森林结构的量化研究 ———以沈阳树木园森林群落为例          
栎 ( Q uercus mongolica) 、槐树 ( Sophora japonica) 、
桑树 ( Morus alba) 、小叶朴 ( Celtis bungeana) . 除黄
蘖、刺槐、榆树在相对优势度上仍排在前面之外 ,其
余的树种如冷杉、桑树、云杉等 ,尽管树木个体数较
多 ,但相对优势度较少 ; 而春榆、加杨、臭椿等树种
在数量上不占绝对优势 ,甚至没有进入前 20 名 (如
加杨) ,但相对优势度却较高 ,原因是其叶面积较大 ,
叶面积指数较高. 由于叶面积的大小直接关系到植
物净化环境生态效益的发挥 ,因此 ,从发挥生态效益
的角度考虑 ,叶面积较大、叶面积指数较高的树种在
城市绿化中应优先推广 ; 而基于叶面积的相对优势
度则可以作为城市绿化树种选择的一个量化指标.
表 3  数量排序前 20 名的树种
Table 3 Top 20 tree species in abundance
种名
Species
个体数
Indivi2
duals
百分率
Per2
cent
优势度
Domina2
nce
总叶面积
Total leaf
area (m2)
平均叶面积
Average leaf
area
(m2·tree - 1)
黄 蘖 152 10. 0 0 . 1896 31049. 85 204 . 28
Phellodendron am urense
刺 槐 143 9 . 4 0 . 1901 31135. 39 217 . 73
Robinia pseudoacacia
沙松冷杉 64 4 . 2 0 . 0099 1622 . 35 25 . 35
A bies holophylla
榆 树 59 3 . 9 0 . 0405 6627 . 43 112 . 33
Ulm us pumila
桑 树 59 3 . 9 0 . 0272 4460 . 04 75 . 59
Morus alba
云 杉 50 3 . 3 0 . 0067 1093 . 00 21 . 86
Picea crassif olia
小叶朴 44 2 . 9 0 . 0234 3831 . 71 87 . 08
Celtis bungeana
蒙古栎 33 2 . 2 0 . 0364 5962 . 89 180 . 69
Quercus mongolica
臭 椿 32 2 . 1 0 . 0369 6037 . 38 188 . 67
A ilanthus altissim a
水 杉 29 1 . 9 0 . 0059 959. 22 33 . 08
Metasequoia glyptost roboides
春 榆 27 1 . 8 0 . 0737 12069. 64 447 . 02
Ulm us japonica
银 杏 26 1 . 7 0 . 0082 1338 . 14 51 . 47
Ginkgo biloba
核桃楸 25 1 . 6 0 . 0123 2018 . 89 80 . 76
J uglans m andshurica
丽江山丁子 23 1 . 5 0 . 0049 794. 70 34 . 55
M alus rockii
油 松 21 1 . 4 0 . 0060 986. 48 46 . 98
Pinus tabulaef ormis
槐 树 Sophora japonica 20 1 . 3 0 . 0282 4623 . 33 231 . 17
山里红 Cotoneaster pinnatif ida 18 1 . 2 0 . 0073 1188 . 18 66 . 01
白 蜡 18 1 . 2 0 . 0047 771. 28 42 . 85
L igust rum lucidum
核 桃 17 1 . 1 0 . 0143 2348 . 55 138 . 15
J uglans regia
花曲柳 16 1 . 1 0 . 0105 1714 . 66 107 . 17
Fraxinus rhynchophylla
312  植物在高度与胸径上的分布
31211 植被在高度级上的分布  由表 4 可见 ,高度
在 8 m 以下的个体占 43. 5 % ,12 m 以下的个体占
69 % ,高于 12 m 的个体仅占 31 % ,说明植被具有向
表 4  研究区植被高度级分布 3
Table 4 Height class distribution of trees in study area
研究区
Study
area
高度 Height (m)
≤4 4~8 8~12 12~16 16~20 > 20 合计
Total
多度 Individuals 317 343 386 296 148 26 1516
% 20. 9 22. 6 25. 5 19. 5 9. 8 1. 7 1003 高度处于分级线的个体归于较高一级 Individuals with criterion height belong
to the higher class.
上层发展的潜力 ,形成了植被进一步发展的高度格
局. 树木个体数分布与高度等级间的关系如图 1 所
示 ,植被在垂直结构上的总体情况是随着树木高度
级的增加 ,树木株数呈下降趋势 ; 但在 12 m 以下 ,
随着树木高度级的增加 ,树木株数反而有逐渐上升
的趋势 ,随后才急骤下降.
  研究区不同高度等级的种数分布如图 2 所示.
高度小于 4 m 的树种有 101 种 ,4~8 m 的树种有 97
种 ,8~12 m 的树种有 77 种 ,12~16 m 的树种有 45
种 ,16~20 m 的树种有 17 种 ,大于 20 m 的树种有 5
种. 研究区物种的总体分布情况是随着树木高度级
的增加 ,物种数逐渐减少 ; 高度小于 12 m 时 ,树种
减少得较慢 ; 高度大于 12 m 时 ,树种减少得较快 ;
表现为基部 (乔木底层及露天灌木的种数)宽而顶部
(乔木首层的种数) 窄的正金字塔形 ,说明树木园植
被向上层乔木发展的潜在树种充足.
31212 植被在胸径级上的分布  研究区植被的胸径
图 1  木株数分布与高度间的关系
Fig. 1 Relationship between the distribution of tree individuals and
height class.
图 2  研究区不同立木层次的种数分布
Fig. 2 Species distribution of the different tree stratum in study area.
2902 应  用  生  态  学  报                   14 卷
级分布如表 5 所示. 胸径小于 15 cm 的树木为
56. 7 % ,胸径在 30 cm 以下的树木占 87 % ,大于 30
cm 的树木仅占 13 % ,说明植被在水平方向上还具
有发展潜力 ,随着植物的生长 ,较大胸径级别的树木
株数将逐渐增多. 树木株数分布与不同胸径等级间
的关系如图 3 所示 ,植被在不同胸径等级上的总体
分布情况是随着胸径等级的增大 ,树木株数逐渐减
少 ; 胸径小于 30 cm 时 ,树木株数与胸径等级间的
关系比较稳定 ; 胸径大于 30 cm 后 ,随着胸径等级
增加 ,树木株树急骤减少.
表 5  研究区植被胸径级分布
Table 5 DBH class distribution of trees in study area
研究区
Study
area
胸 径 Diameter of breast height (cm)
≤7 7~15 15~30 30~45 45~60 > 60 合计
Total
多 度 Individuals 425 435 460 174 21 1 1516
% 28. 0 28. 7 30. 3 11. 5 1. 4 0. 1 100
图 3  树木株数分布与胸径间的关系
Fig. 3 Relationship between the distribution of tree individuals and DBH
class.
  由图 4 可见. 胸径小于 7 cm 的树种有 135 种 ,7
~15 cm 的树种有 95 种 ,15~30 cm 的树种有 68
种 ,30~45 cm 的树种有 31 种 ,45~60 cm 的树种有
8 种 ,大于 60 cm 的树种只有 1 种. 随着胸径等级的
增大 ,树种逐渐减少 ; 从曲线的斜率可知 ,胸径小于
30 cm 时 ,树种减少得较快 ,而胸径大于 30 cm 后 ,
树种减少得较慢 ; 说明树木园植被在近期内 ,由较
小胸径的树木发展到中等胸径的潜力较大 ,而中等
图 4  研究区不同胸径等级的种数分布
Fig. 4 Species distribution of the different DBH class in study area.
表 6  研究区植被的生长状况
Table 6 Status of vegetation growth in study area
研究区
Study area
健康状况 Trees condition
ⅤExcellent Ⅳ Good ⅢModerate ⅡPoor ⅠDying
数量 Individuals 265 837 346 55 13
% 17. 5 55. 2 22. 8 3. 6 0. 9
胸径的树木进一步发展的潜力较小.
313  沈阳树木园植被生长状况分析  由表 6 可见 ,
树木健康状况在 Ⅲ级以上的个体数占 95. 5 % ,其中
位于第 Ⅳ级的个体数占了 55. 2 % ,而在 Ⅱ级以下的
个体数仅占 4. 5 % ,说明树木园植被的总体健康状
况较好.
4  讨   论
  本研究利用航片和野外调查数据 ,在 GIS 平台
上 (ArcView) 进行综合和屏幕数字化处理 ,并由城
市森林管理模型 CIT Ygreen 进行分析 ,结果表明 ,
沈阳树木园植被的生长状况良好 ,物种丰富 ,其中黄
蘖、刺槐、榆树在树木株数和相对优势度上均排在前
面 ,应为群落的主林木 ; 植被在高度和胸径上的分
布均表现为具有向上发展的潜力 ; 由于树木园大部
分树木的年龄较小 ,而且有完善的灌溉和保护措施 ,
其生境有利于树木的健康生长. 因此 , 树木园的整
个植被群落还未达到成熟的平衡阶段 ,而是处于一
个快速的生长期 ,属于发挥生态效益的最佳时期.
  对沈阳树木园植被的研究表明 ,树种多度与基
于叶面积的相对优势度之间无明显关联 ,数量上占
优势的树种 ,其相对优势度不一定很高. 林业上一
般用林分郁闭度和胸高断面积或材积来测定优势
度 ,其出发点主要是考虑林木对空间的利用程
度[10 ] . 从本质上说 ,绿量是对郁闭度的进一步完
善 ,因为城市森林某种植物的绿量大小 ,直接影响着
林内的生态条件 ,对林内下层植物的种类、数量、天
然更新状况、幼树生长、以及树木的生长发育都有很
大作用 ,而且植物绿量的大小直接关系到其生态效
益的发挥. 因此 ,无论是从生态学的角度 ,还是从发
挥生态效益的角度来考虑 ,用绿量来测定优势度应
为一种较好的方法. 它不但能较好地反映城市森林
的生态学意义 ,而且为城市绿化树种的选择提供了
一个量化指标.
  沈阳树木园植被树木株数与树高等级间的分布
关系表现为上凸的曲线 (图 1) ,随着树木高度级的
增加 ,树木株数开始分布比较平稳 ,当高度超过 12
m 后 ,树木株树明显减少 ,曲线急骤下降. 树木株数
分布与不同胸径等级间的关系也呈现类似的情况
390212 期           朱文泉等 :城市森林结构的量化研究 ———以沈阳树木园森林群落为例          
(图 3) . 而一般情况下的天然杂木林 ,其曲线应为下
凹的卧“J”状 [2 ,6 ] ,如果考虑到二者所处的气候类型
一致、土壤物理化学特征接近 ,则这种差异在一定程
度上说明了人为干扰的存在 ,其干扰强度可以由两
曲线的定积分之差来度量.
致谢  得到中国科学院沈阳应用生态研究所徐文铎先生指
正 ,野外调查过程中得到中国科学院沈阳树木园苏道岩、孙
雨、占昆等老师和闻华、赵大庆等的大力支持 ,谨致谢意 !
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作者简介  朱文泉 ,男 ,1975 年出生 ,博士生 ,主要从事城市
森林生态与资源环境遥感监测方面的研究 ,发表论文 5 篇.
E2mail :zhuwq75 @163. com
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