基于時(shí)空尺度變化規(guī)律的樹(shù)種選擇及應(yīng)用策略

王旭東 楊秋生 張慶費(fèi)

摘要：文章從空間與時(shí)間兩個(gè)尺度對(duì)園林樹(shù)木及群落的時(shí)空變化特征進(jìn)行解析，并以上海地區(qū)最為普遍的樹(shù)種香樟為例，探討了時(shí)空尺度變化規(guī)律在樹(shù)種選擇及配置中的體現(xiàn)與應(yīng)用。該研究以期為植物種植設(shè)計(jì)與管理過(guò)程中規(guī)格選擇、數(shù)量配置、動(dòng)態(tài)調(diào)控等方面提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)景園林植物，時(shí)空尺度，變化規(guī)律，樹(shù)種選擇，植物種植設(shè)計(jì)

種植設(shè)計(jì)是三維空間結(jié)合時(shí)間多維尺度下的綜合，做好植物種植設(shè)計(jì)及管理的前提是對(duì)所選植物材料特性以及生長(zhǎng)發(fā)育變化規(guī)律的認(rèn)知[1-2]。多數(shù)設(shè)計(jì)師往往憑經(jīng)驗(yàn)或直覺(jué)來(lái)確定植物規(guī)格及尺度變化，難以準(zhǔn)確預(yù)估特定胸徑條件下樹(shù)木對(duì)空間尺度需求以及后期生長(zhǎng)發(fā)育變化[3]。此外，城市綠地建設(shè)普遍追求即時(shí)的景觀效果，其中不乏一些建設(shè)項(xiàng)目通過(guò)增大植物規(guī)格以及提高植物種植密度來(lái)實(shí)現(xiàn)所謂城市園林綠化的高標(biāo)準(zhǔn)，缺乏動(dòng)態(tài)過(guò)程變化的觀念，并未對(duì)植物群落動(dòng)態(tài)發(fā)育過(guò)程過(guò)多關(guān)注，這也給植物群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與景觀效益的可持續(xù)性帶來(lái)隱患[4-6]。

對(duì)園林植物空間尺度與時(shí)間尺度的把握成為植物種植設(shè)計(jì)與群落構(gòu)建過(guò)程中容易被忽略的兩個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。一般地，園林樹(shù)木規(guī)格的選擇多以胸徑為主要基準(zhǔn)，種植平面則多以冠幅為主要表達(dá)方式，立面林冠線營(yíng)造則是以樹(shù)高及冠型為基礎(chǔ)。如何確定特定規(guī)格（胸徑）下植物生長(zhǎng)的空間需求以及發(fā)育過(guò)程特征成為種植設(shè)計(jì)中樹(shù)種選擇以及動(dòng)態(tài)管理的關(guān)鍵[4]。胸徑與冠幅、樹(shù)高、冠高、枝下高、葉面積指數(shù)等生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間存在密切關(guān)系，植物生長(zhǎng)時(shí)空變化規(guī)律的研究有助于估測(cè)特定規(guī)格下的樹(shù)木生長(zhǎng)空間需求及后期動(dòng)態(tài)發(fā)育變化，為種植設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。鑒于此，本文基于植物生長(zhǎng)時(shí)空變化特征的解析，結(jié)合理論探索與實(shí)證分析，提出基于時(shí)空尺度變化特征的樹(shù)種選擇、種植設(shè)計(jì)與管理策略。

1 城市樹(shù)木及群落的時(shí)空尺度變化特征

對(duì)植物特性認(rèn)識(shí)和考慮不到位的植物種植設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致所形成的植物群落難以經(jīng)受時(shí)間的考驗(yàn)。這就需要對(duì)不同類(lèi)型植物個(gè)體及群落生長(zhǎng)所需的空間以及達(dá)到某一生長(zhǎng)階段所需的時(shí)間有所認(rèn)知。下面主要從空間與時(shí)間兩個(gè)尺度層面對(duì)城市樹(shù)木生長(zhǎng)與群落發(fā)育的時(shí)空變化特征進(jìn)行解析（圖1，圖2）。

1.1 空間尺度變化特征

總的來(lái)說(shuō)，植物群落空間尺度可劃分為地上空間（冠）與地下空間（根）兩部分。本文所論述的主要針對(duì)樹(shù)木及群落的地上空間尺度，指的是冠干部分生長(zhǎng)所需的空間。由于樹(shù)木個(gè)體自身結(jié)構(gòu)特征的差異，導(dǎo)致其所占據(jù)的空間資源有所不同，主要體現(xiàn)在植物的冠幅、樹(shù)高以及冠積等方面。生物體各部分構(gòu)件大小間存在的數(shù)值關(guān)系，也可以理解為一種生物屬性與另一種生物屬性之間的關(guān)系隨生長(zhǎng)變化而出現(xiàn)的規(guī)律。胸徑的生長(zhǎng)變化將引發(fā)其他生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化。一般地，隨著胸徑的增大，樹(shù)木冠幅、樹(shù)高以及冠積等空間尺度也隨之遞增。這種空間尺度變化主要體現(xiàn)在以下兩方面：首先，不同類(lèi)型樹(shù)種對(duì)生長(zhǎng)空間的需求存在差異。例如，Pretzsch[7]在大數(shù)據(jù)視野下，基于異速生長(zhǎng)模型對(duì)全世界范圍內(nèi)城市公園以及森林等綠地類(lèi)型中常見(jiàn)的樹(shù)木樹(shù)冠尺度及生長(zhǎng)空間需求進(jìn)行預(yù)估與分類(lèi)。其次，不同生態(tài)習(xí)性的樹(shù)種以及不同的立地環(huán)境都會(huì)導(dǎo)致樹(shù)木生長(zhǎng)空間尺度與形態(tài)的差異與分化，主要表現(xiàn)在冠幅、冠形、冠積、樹(shù)冠表面積、樹(shù)高、枝條數(shù)量等方面。即使同一種類(lèi)植物，在不同地域樹(shù)種生長(zhǎng)空間結(jié)構(gòu)也存在差異，主要由于不同地域環(huán)境的異質(zhì)性所致[8-9]。

此外，樹(shù)木生長(zhǎng)空間尺度需求在種植密度方面的體現(xiàn)尤為重要。種植密度是在一定區(qū)域面積或空間內(nèi)，各種不同群體組合的群落數(shù)量與體積的綜合。種植密度實(shí)質(zhì)上體現(xiàn)的是不同類(lèi)型樹(shù)木對(duì)空間的利用效率。樹(shù)木生長(zhǎng)與群落發(fā)育過(guò)程中，往往由于群落中個(gè)體生長(zhǎng)空間不足或受限，進(jìn)而引發(fā)群落密度問(wèn)題，其本質(zhì)是空間問(wèn)題。誘發(fā)群落密度問(wèn)題的原因一方面是前期初始種植密度較大：另一方面是后期動(dòng)態(tài)調(diào)控與管理失衡。密度過(guò)大是誘發(fā)惡性競(jìng)爭(zhēng)及過(guò)度分化的重要因素之一。樹(shù)木生長(zhǎng)在空間及資源有限的情況下，群落中的個(gè)體為了獲取最適宜自身生長(zhǎng)的環(huán)境資源從而引發(fā)群落個(gè)體之間的相互阻礙與制約，進(jìn)而產(chǎn)生樹(shù)木生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)、空間尺度以及形態(tài)上的變化[10-12]。

1.2 時(shí)間尺度變化特征

植物群落的時(shí)間尺度是指群落動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，也可理解為群落結(jié)構(gòu)在時(shí)間上的分化或配置。植物自身及群落具有特定的生長(zhǎng)階段與生命周期，具有典型的時(shí)間尺度特征[2]。植物群落的時(shí)間尺度是一個(gè)寬泛的概念，其中包含了植物群落在時(shí)間上的任何變動(dòng)，既是時(shí)間的函數(shù)，同時(shí)也與植物群落類(lèi)型與性質(zhì)有關(guān)。不同類(lèi)型植物群落在不同的生命周期或階段所呈現(xiàn)的空間結(jié)構(gòu)特征及內(nèi)在變化規(guī)律存在一定差異，包括了從植物群落的形態(tài)、生理、生化等狀態(tài)到整個(gè)群落結(jié)構(gòu)、物種組成、分布格局等方面的改變。本文所指的時(shí)間尺度變化是針對(duì)園林樹(shù)木的生長(zhǎng)速率及生物量積累（如胸徑、冠幅、樹(shù)高等）的變化。

伴隨時(shí)間的推移及植物個(gè)體生長(zhǎng)，植物群落生長(zhǎng)發(fā)育也經(jīng)歷著初期、中期、后期等階段。植物群落個(gè)體之間以及與環(huán)境之間是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，隨著時(shí)間、空間、環(huán)境等因素的變化而變化。在城市特定的生境下，經(jīng)過(guò)一定階段生長(zhǎng)發(fā)育，植物群落個(gè)體間經(jīng)過(guò)對(duì)空間與資源的爭(zhēng)奪使其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生分化，逐步向穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)渡。這個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程不僅是動(dòng)態(tài)的，同時(shí)也是人工選擇與自然進(jìn)程共同作用的。因此，種植設(shè)計(jì)與群落構(gòu)建需要把握植物群落的動(dòng)態(tài)特征及變化規(guī)律，通過(guò)對(duì)不同胸徑條件下，樹(shù)木生物量積累的變化，總結(jié)不同樹(shù)木類(lèi)型在不同生長(zhǎng)階段下生長(zhǎng)速率的變化規(guī)律。城市樹(shù)木的選擇及栽植多采用截冠、疏冠等措施，然而，多數(shù)設(shè)計(jì)師很難預(yù)見(jiàn)樹(shù)木與群落恢復(fù)及后期發(fā)育的過(guò)程。例如，截冠或疏冠的樹(shù)木，其樹(shù)冠需要多久才能恢復(fù)到理想狀態(tài)以及何時(shí)達(dá)到郁閉或白疏狀態(tài)等都需要積累不同樹(shù)木及群落類(lèi)型在時(shí)間尺度上的變化特征，這樣才能使種植設(shè)計(jì)與管理具有更好的預(yù)見(jiàn)性與彈性，這些都會(huì)為后期群落的動(dòng)態(tài)管理及調(diào)控提供參考。

2 基于時(shí)空尺度變化規(guī)律的樹(shù)種選擇及應(yīng)用策略

2.1 基于空間需求變化的樹(shù)種選擇

在植物種植設(shè)計(jì)與群落構(gòu)建的過(guò)程中，只將胸徑指標(biāo)作為植物規(guī)格選擇及數(shù)量控制的依據(jù)顯然是不全面的，應(yīng)當(dāng)充分考慮樹(shù)冠等其他生長(zhǎng)要素對(duì)生長(zhǎng)空間尺度的需求，從而為樹(shù)木規(guī)格選擇提供更科學(xué)、全面的依據(jù)。不同類(lèi)型樹(shù)木在不同地域環(huán)境條件下，其生長(zhǎng)空間尺度也存在差異。通過(guò)建立城市園林樹(shù)木及群落生長(zhǎng)參數(shù)間（胸徑與冠幅、胸徑與樹(shù)高）的關(guān)系模型，以胸徑為基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類(lèi)型樹(shù)木生長(zhǎng)空間尺度的有效推演及分類(lèi)，不僅有利于對(duì)特定空間條件下的植物可容納量進(jìn)行合理分配與布置，同時(shí)也有利于實(shí)現(xiàn)植物群落層級(jí)結(jié)構(gòu)在空間上的有效利用[13]。

以上海地區(qū)常見(jiàn)的香樟為例，選取不同胸徑梯度下的香樟樹(shù)種進(jìn)行取樣調(diào)查，以胸徑參照，分析胸徑一冠幅以及胸徑一冠高相關(guān)性及變化規(guī)律。基于705株生長(zhǎng)狀態(tài)良好的香樟樣本的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)所選取樣本的胸徑與冠幅以及胸徑與樹(shù)高的成對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合（表1）。隨著胸徑的增加，冠幅及樹(shù)高也隨之增加，兩者之間存在正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在0.900以上，故對(duì)植物樹(shù)冠生長(zhǎng)空間尺度具有較好的模擬精度（圖3）。這樣，在種植設(shè)計(jì)過(guò)程中，以胸徑為主要參考指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)冠、干等其他生長(zhǎng)要素對(duì)空間尺度需求的有效預(yù)估，為特定樹(shù)種在空間尺度、數(shù)量選擇及配置方面提供基礎(chǔ)參考。

2.2 基于生長(zhǎng)速率差異的動(dòng)態(tài)預(yù)估

樹(shù)木生長(zhǎng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的功能完善與系統(tǒng)發(fā)育過(guò)程，都經(jīng)歷著生長(zhǎng)、穩(wěn)定、衰退等不同階段。不同種類(lèi)以及不同生長(zhǎng)階段的樹(shù)木，其生長(zhǎng)速率存在一定差異。可通過(guò)固定樣方的設(shè)置，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)植物群落個(gè)體各生長(zhǎng)參數(shù)之間的變化特征，進(jìn)而總結(jié)與比較不同類(lèi)型樹(shù)種在各生長(zhǎng)階段生物量積累的變化規(guī)律。以前期設(shè)置的1hm2的固定樣地為參考，樣地位于崇明島港沿鎮(zhèn)，地理坐標(biāo)為31°3731.72”N，121° 42'50.45”E。利用全站儀對(duì)1hm2固定樣地進(jìn)行細(xì)分，劃分100個(gè)“Z”字型或“N”字型走向的10mx10m小樣方。對(duì)樣地內(nèi)高于1.3 m的木本植物進(jìn)行標(biāo)記與編號(hào)。崇明島1hm2固定樣地于2011年設(shè)置，并對(duì)每個(gè)樣方內(nèi)的植物進(jìn)行每木檢尺，調(diào)查內(nèi)容涉及植物種類(lèi)（其中涉及香樟456株）、分布（坐標(biāo)）、胸徑、冠幅、高度、生長(zhǎng)勢(shì)等各項(xiàng)指標(biāo)以及更新苗的種類(lèi)、數(shù)量、高度等。2015年底對(duì)樣地內(nèi)植物進(jìn)行復(fù)測(cè)。分析數(shù)據(jù)表明，香樟群落胸徑的平均增量為3.47cm.同比增長(zhǎng)率為46%（圖4）。通過(guò)對(duì)香樟群落5年的胸徑增量的總結(jié)，依據(jù)前者分析的空間預(yù)估模型，定量預(yù)估與模擬香樟群落的生長(zhǎng)空間尺度。

2.3 基于空間利用效率的密度調(diào)控

種植密度是引起樹(shù)木及群落結(jié)構(gòu)、形態(tài)、尺度變化的主要因子之一。通過(guò)對(duì)不同植物群落密度梯度（500，1000，1500，2000，2500株/hm2）.同齡級(jí)（ll-15a）香樟人工植物群落的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行總結(jié)[14-15].分析了密度制約與競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)對(duì)植物空間形態(tài)與生物量分配格局的影響。通過(guò)對(duì)不同密度梯度下的香樟群落樹(shù)冠尺度進(jìn)行梳理與分析（圖5），結(jié)果表明，植物群落密度對(duì)樹(shù)冠尺度的影響顯著，證實(shí)了密度對(duì)植物群落的樹(shù)冠尺度具有抑制作用，樹(shù)冠尺度隨密度的增大而縮小。植物群落密度不同，其枝下高具有明顯差異。隨著群落密度的增大，植物樹(shù)冠的受光面減少以及生長(zhǎng)空間受限。橫向?qū)用妗⑸L(zhǎng)空間的嚴(yán)重虧缺、擁擠的樹(shù)冠空間由于對(duì)空間的競(jìng)爭(zhēng)，冠幅隨密度的增大而減小。豎向?qū)用妗?shù)冠下部光照短缺，導(dǎo)致枝下高逐漸增加，而冠長(zhǎng)隨之減小。高密度的植物群落個(gè)體間，由于受到風(fēng)及雨雪等多方面原因?qū)е轮参镏l之間自然整枝加劇，從而引起枝下高升高，冠長(zhǎng)相對(duì)減少。此外，理想狀態(tài)下，樹(shù)木橫斷面多近似于圓形，但植物群落中的個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育及分化受到環(huán)境變化與競(jìng)爭(zhēng)等多元因素的影響，導(dǎo)致偏冠、畸形冠、冠缺失等情況，呈現(xiàn)卵圓形、多邊形以及不規(guī)則形等。基于不同密度香樟群落的調(diào)查，卵圓形的樹(shù)冠常常因?yàn)槊芏戎萍s（空間距離）導(dǎo)致樹(shù)冠由原有的擴(kuò)展形態(tài)向冠頂逐步削減[16]。通過(guò)以上對(duì)不同密度梯度香樟群落的研究表明，隨著植物群落密度的增大，冠層的水平與垂直方向受到抑制的強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)。冠層的形態(tài)一般隨著植物群落密度的增加，冠幅會(huì)隨之縮減，以致于一些原有飽滿型樹(shù)冠向狹長(zhǎng)型過(guò)渡變化。

所謂密度調(diào)控，可直觀地理解為給植物群落之間創(chuàng)造適宜的生長(zhǎng)空間，提升植物的最大生長(zhǎng)量，從而實(shí)現(xiàn)生態(tài)效益的最大化。在植物的整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中，不同的生長(zhǎng)階段都有可能存在一個(gè)最適宜的群落密度，這是一個(gè)數(shù)量級(jí)范圍，它可能因立地條件、種植技術(shù)、發(fā)展目標(biāo)等因素的不同而發(fā)生變化。植物群落冠層對(duì)密度抑制或競(jìng)爭(zhēng)的響應(yīng)是相同水平的植物個(gè)體樹(shù)冠間相互排擠的過(guò)程，其本質(zhì)是樹(shù)冠對(duì)資源利用率與生長(zhǎng)空間占有率的體現(xiàn)[7]。因此，可依據(jù)不同類(lèi)型樹(shù)種以及不同發(fā)育階段樹(shù)冠空間尺度與形態(tài)特征及變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)群落冠層空間的合理組合與分配，進(jìn)而提升植物群落對(duì)空間的利用效率。

3 展望

綜上所述，基于空間與時(shí)間兩個(gè)層面闡述與論證了園林樹(shù)木及群落的時(shí)空變化特征。植物種植設(shè)計(jì)與群落構(gòu)建不是植物個(gè)體及數(shù)量在空間的無(wú)序堆積，而是以不同類(lèi)型植物的生長(zhǎng)特性與結(jié)構(gòu)形態(tài)特征為依據(jù)所進(jìn)行的具有邏輯關(guān)系的空間組織[3]。通過(guò)對(duì)城市綠地植物群落空間尺度變化規(guī)律的預(yù)估，有助于植物種植設(shè)計(jì)與群落構(gòu)建更好地把握植物生長(zhǎng)彈性空間，盡可能地避免或緩解植物群落個(gè)體間冠層空間的過(guò)度重疊。此外，在一定區(qū)域范圍內(nèi)，可依據(jù)植物生長(zhǎng)空間屬性，確定合適的種植密度，并制定近期與遠(yuǎn)期相結(jié)合的密度控制。

城市綠地植物群落往往是一個(gè)不穩(wěn)定、未成熟系統(tǒng)的臨時(shí)框架，不僅在歷史中形成和演替中發(fā)展，更在人為干擾中嬗變[17]。植物群落通過(guò)生長(zhǎng)、發(fā)育、更新與演替等諸多階段詮釋了生命周期的過(guò)程，通過(guò)空間形態(tài)與季相變化呈現(xiàn)了自然變化的時(shí)空美，這些都是植物群落動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中所展露的生命特質(zhì)。因此，種植設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)植物個(gè)體以及群落整體的生長(zhǎng)發(fā)育特征及變化規(guī)律有一定的認(rèn)知與把握，對(duì)于植物生長(zhǎng)發(fā)育所需的時(shí)間與空間進(jìn)行科學(xué)預(yù)估，可以使得植物能夠最大限度地利用資源與有效地分配空間，依據(jù)空間容量合理選擇植物規(guī)格以及數(shù)量，從而形成具有良性自然生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程的綠地植物群落。

參考文獻(xiàn)

[1]高翅.植物認(rèn)知與植景設(shè)計(jì)[J].風(fēng)景同林，2012（5）：50-51.

[2]蘆建國(guó)，徐新洲.論同林植物造景的“七性”[J].風(fēng)景同林，2012（5）：60-63.

[3]王旭東，楊秋生，張慶費(fèi).常見(jiàn)園林樹(shù)種樹(shù)冠尺度定量化研究[J].中國(guó)園林，2016，32（10）：73-77.

[4]王旭東，楊秋生，張慶費(fèi).城市綠地植物群落構(gòu)建與調(diào)控策略探討[J]中國(guó)園林，2016，32（1）：74-77

[5]謝陳林，林開(kāi)泰，焦航.福州市城市廣場(chǎng)植物群落特征及多樣性分析[J].中國(guó)城市林業(yè)，2016，14（6）：34-38.

[6]許克福基于植物群落學(xué)理論的城市綠地植物景觀設(shè)計(jì)[J]中國(guó)園林，2013，29（10）：77-80

[7] PRETZSCH H.，BIBER P.，UHL E.，et al.Crown size and growingspace requlrement（）fcommon tree species in urhan centers，parks， and forests[J] .Urban Forestry and Urhan Creening，2015（14）：466-479.

[8] MOSER， A.， ROTZER， T.， PAULEIT， S.， et al Structure and eco-svstem services of small-leaved lime（Tilia cordata，Mill.）andhlack locust（Robinia pseudoacacia L.） in urhan environments[J]Urban Forestrv and Url）an Creening， 2015（14）：1110-1121

[9] MONTEIROM V，DOICK K J，HANDLEY P.Allometric relation-ships for urhan trees in Creat Britain[ Jl Urhan Forestry andUrhan Creening，2016（19）：223-236.

[10]李博，陳家寬，A.R沃金森植物競(jìng)爭(zhēng)研究進(jìn)展[J].植物學(xué)通報(bào)，1998，15（4）：18-29

[11]杜峰，梁宗鎖，胡莉娟.植物競(jìng)爭(zhēng)研究綜述[J].生態(tài)學(xué)雜志，2004，23（4）：157-163.

[12]付立華，張建國(guó)，段勞國(guó)，等.最大密度法則[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2008（2）：1-11

[13] Troxel B.，Piana M.，Ashton M S.，Murphy-Dunning C.Relation-shIps hetween hole and crown size for young urhan trees in thenortheastern USA[J]. Urhan Forestrv and Urhan Creening，2013 ，12：144-153.

[14]胡凌不同密度香樟人工林生長(zhǎng)特性研究及景觀質(zhì)量評(píng)價(jià)[D].上海：華東帥范大學(xué)，2014

[15]王旭東城市綠地植物群落結(jié)構(gòu)特征與優(yōu)化調(diào)控研究[D]鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016

[16]惠光秀，吳海萍，張慶費(fèi)，等上海浦東公路綠帶意楊和香樟群落密度定量化控制[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（3）：20-22

[17]張慶費(fèi)，李燕.城市綠地調(diào)整優(yōu)化理論與技術(shù)[J].同林，2011，28（3）：8-11.