北京市公園綠地樹冠覆蓋及其植物多樣性空間變化

馬杰 ，賈寶全 *，費美玉

1. 中國林業科學研究院林業研究所，北京 100091；2. 國家林業與草原局林木培育重點實驗室，北京 100091；3. 國家林業與草原局城市森林研究中心，北京 100091；4. 河南科技學院，河南 新鄉 453003；5. 國家林業和草原局調查規劃設計院，北京 100714

城市森林可以調節城市溫度（Rosenfeld et al.，1995；Wang et al.，2016；賈寶全等，2017）、吸收污染物、釋放氧氣、改善空氣質量（Chen et al.，2008）、固碳、影響雨水徑流，并為各種生物提供棲息地（Alberti，2005）。然而快速的城市化給城市森林的發展帶來了巨大壓力，適合樹木生長的健康環境日益縮小。

城市公園是有別于其他類型城市森林的重要資源（Millward et al.，2010），作為城市森林的主體，公園擁有較大森林面積以及較為穩定的群落，相對獨立的開放空間也使其成為城市中增加物種多樣性的重要場所（Rivard et al.，2010）。隨著城市的不斷發展，公園在城市中的地位和作用也日益顯著，與城市公共空間和社會生活的聯系也越來越緊密，并成為一定社會政治、經濟、文化的綜合反映（王丹丹，2016）。為了能夠對今后的公園規劃或管理提出更科學的理論依據，不少學者開展了公園生物多樣性、森林結構（Millward et al.，2010；Paker et al.，2014；Palliwoda et al.，2017）及生態效益（陳自新，1998；馮曉剛等，2012；段敏杰等，2017）等方面的研究，其中不乏有對首都北京的關注（Li et al.，2006；霍曉娜等，2010；趙娟娟，2009；仇寬彪，2011；仇寬彪等，2017），但對公園整體生態服務能力的研究尚少。

城市林木樹冠覆蓋（Urban tree canopy，簡稱UTC，下同）是城市森林建設的驅動力（Kenney et al.，2011），更是城市森林生態服務程度的指示器（賈寶全等，2013），對其進行研究，不僅可以衡量森林生態服務能力，為城市森林之間的比較提供資料，也可以為未來城市森林規劃指明方向（姚佳等，2015）。本研究以北京市6環外1 km范圍內所有注冊公園為研究對象，在樹冠覆蓋研究的基礎上，增加了對戰略城市森林管理關鍵組成部分——物種多樣性（Kenney et al.，2011）的調查，并根據北京城市特點從城市發展、空間分布、公園類型等方面進行系統分析、比較，以期為未來城市森林規劃、建設提供可靠依據。

1 研究數據與研究方法

1.1 研究區概況

北京（115.7°－117.4°E，39.4°－41.6°N）地處中國第二、三階梯的過渡地帶，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，地帶性植被類型為暖溫帶落葉闊葉林。地形呈西北高、東南低，平原區面積約占總面積的 38%。作為世界上最大、最古老的城市之一，北京歷史上不乏有積水潭、蓮花池、紫竹院、陶然亭等具有公共游覽功能的公共園林（王丹丹，2016），目前已注冊公園有408所，其中市屬公園11所（北京市園林綠化局，2018）。根據北京市園林綠化局官網統計數據，截至2017年底北京市共有公園綠地 31019.06 hm2，人均公園綠地面積16.20 m2（北京市園林綠化局，2018；北京統計局，2017）。

1.2 研究數據

1.2.1 影像數據

1.2.1.1 影像解譯

基于面向對象的解譯平臺 Ecognition，對北京城區2013年8－9月經過幾何精校正和正射校正的空間分辨率為0.5 m的WorldView-2全色與多光譜融合影像進行解譯，經檢驗該影像的分類結果總體精度達到96.02%，Kappa系數達到0.9231。

1.2.1.2 土地覆蓋分類及解譯

根據宋宜昊（2016）的研究將研究區土地覆蓋劃分為：（1）植被，包括喬灌木、草地（經營草地、荒草地）；（2）裸土地，包括建設裸土地、其他裸土地；（3）不透水地表，包括道路、建筑物及其他不透水地表；（4）水體，包括河流水體、人工水體；（5）耕地。根據土地覆蓋分類，并基于Ecognition對北京市城區影像數據，解譯得到不同土地覆蓋類型柵格圖。

1.2.1.3 城市公園解譯

參照北京市行政地圖、北京園林綠化局官網登記注冊公園目錄，對北京市2013年7－9月0.5 m分辨率 worldview2全色與多光譜融合影像進行目視解譯，得到公園矢量圖（圖1）。

1.2.2 物種調查

本研究于2016年8－9月對北京市六環外1 km范圍（圖1）內265個公園按其區域分布分層隨機抽樣，共抽樣調查公園 77個。在整體踏勘的基礎上，在每個抽樣公園內典型的群落中設置樣方1－3個，較大斑塊設置20 m×30 m標準樣方，小斑塊根據其可容納樣方面積設置10 m×10 m或20 m×20 m樣方，對樣方內植物進行普查，記錄植物種類。

1.3 計算公式及分類、分級標準

1.3.1 計算公式

1.3.1.1 林木樹冠覆蓋

圖1 北京市六環內公園綠地及調查抽樣公園分布圖Fig. 1 Distribution of all and sample parks within the sixth ring road of Beijing City

根據美國林務局的定義，城市林木樹冠覆蓋指從樹木上方垂直觀察時，樹木葉層、樹枝、樹干所覆蓋的地表面積，目前一般分為現實樹冠覆蓋（Existing UTC，簡稱 EUCT）和潛在樹冠覆蓋（Possible UTC，簡稱PUCT）（賈寶全等，2013），其中EUTC指區域內部被喬灌木樹冠覆蓋的土地面積占區域總面積的比例，PUTC指能夠被樹冠覆蓋、但目前尚未覆蓋的地表面積占區域總面積的比例，主要包括荒草地和裸土地兩部分。

1.3.1.2 物種多樣性（宋永昌，2001）

物種豐富度指數（R）計算公式為：

式中，S為群落中的總物種數。

Shannon-Wiener指數（H）計算公式為：

式中，n為種的總和；i為樣方中第i種物種所占的比例。

Pielou均勻度指數（J）計算公式為：

式中，H為實際觀察的物種多樣性指數；Hmax為最大的物種多樣性指數，Hmax=lnS。

1.3.2 分級、分類標準

1.3.2.1 公園分類標準

本研究以《公園工作手冊》（景長順，2015）為主要依據，根據北京市公園的特點，基于功能（陶曉麗等，2013）將北京市六環外1 km范圍內公園分為7類（表1）。

1.3.2.2 公園分級標準

根據北京市園林局《關于本市公園分級分類管理辦法》，將北京市六環外1 km范圍內公園按其價值高低、景觀效果、規模大小、管理水平等分為三級（景長順，2015）（表2）。

1.3.2.3 樹冠覆蓋分級標準

參照關于斑塊粒級和樹冠覆蓋度等級的劃分思路（馬明娟，2014；吳澤民等，2003），對北京市居住區綠地樹冠覆蓋分級的方法，對北京市公園樹冠覆蓋率進行分級：以樹冠覆蓋率均值作為基準，上下依次加減 50%、100%、150%標準差，并取“半整”所得值作為分界點，為所得林木樹冠覆蓋值，而后再進行分級。最終北京市城市公園林木樹冠覆蓋分級為：＜43.0%（極低覆蓋度），43.0%－61.5%（低覆蓋度），61.5%－80.5%（中覆蓋度），80.5%－89.5%（高覆蓋度），＞89.5%（極高覆蓋度）。

表2 北京市六環內城市公園分級及規模Table 2 Grade and size of urban parks within the sixth ring road of Beijing City

2 結果與分析

2.1 UTC變化

2.1.1 UTC總體變化

根據前期解譯，北京市六環外1 m范圍內共有公園265個，公園總面積15983.77 m2，平均面積60.54 m2。林木樹冠覆蓋總面積13019.73 m2，現實樹冠覆蓋率81.46%，244公園EUTC高于城市整體水平（39.53%）（宋宜昊，2016），其中西山國家森林公園最高，達98.99%。總PUTC為1.21%，經營草地占 2.01%，不透水地表占 9.02%，水體占6.30%（圖2），113個公園沒有水體。

樹冠覆蓋率從3環向外逐漸升高，到最外圍達到88.23%，同時3環外的區域潛在樹冠覆蓋率明顯高于3環內；3－4環經營草地比例最高，達5.13%；不透水地表占比沿環路由城內向城外外逐漸降低，最外圍僅為5.06%；水體在3－4環（8.6%）、5－6環外1 km占比較低（3.37%）。各行政區內的公園相比較，EUTC在海淀區居首位，其次為石景山區、昌平區，最低在順義區，僅為39.63%，順義區草地、水體在各行政區中均占比最高；PUTC在通州區最高，其次為大興區和昌平區，東城區、西城區、房山區3區公園PUTC值為0；經營草地在順義區占比最高，達46.29%，而其余各區均不超過5%，西城區僅為0.19%；不透水地表在東、西城區均占比較高，最高為西城區；水體在各行政區占比最高的是西城區，其次為順義區和通州區。在不同級別的公園中，EUTC、水體占比隨著公園級別的降低而降低；經營草地、不透水地表隨級別降低而增加；PUTC在二級最高，一級最低。在不同類型公園間，EUTC在森林公園最高，其次為郊野公園，較低的是現代城市公園和文化主題公園；PUTC在古跡保護公園最高，達12.24%，而其他類型公園PUTC則均在2%以下；經營草地占比在文化主題公園最高，其次是社區公園，排在末位的是森林公園和歷史名園；不透水地表在現代城市公園占比最高，其次依次為文化主題公園、社區公園、古跡保護公園、歷史名園、郊野公園、森林公園；水體在歷史名園占比最高，其次為現代城市公園，最低的是森林公園。

表1 北京市六環內城市公園分類及規模Table 1 Classification and size of urban parks within the sixth ring road of Beijing City

圖2 公園林木樹冠覆蓋/土地覆蓋統計Fig. 2 Area and ratio of land cover in parks

2.1.2 公園樹冠覆蓋分級

圖3 公園林木樹冠覆蓋等級統計Fig. 3 Levels of UTC in parks

由圖3可知，北京市六環內公園以中（38.64%）、高覆蓋度（21.21%）數量占優。極高覆蓋度公園雖然數量不是最多（15.53%），但總面積最大（53.70%）（圖3）。各環路間均以中覆蓋度公園數量最多，面積占比最多的覆蓋類型在2環內是低覆蓋度和高覆蓋度，2－5環是中覆蓋度，5－6環外1 km是極高覆蓋度。在數量上，順義區、通州區極低覆蓋度公園最多，昌平區極高覆蓋度數量占優，其余行政區均以中覆蓋度數量占比最大；從公園面積的占比來看，豐臺區極低覆蓋度最多，順義區低覆蓋度最多，西城區、朝陽區、房山區、大興區中覆蓋度最多，東城區、通州區高覆蓋度最多，海淀區、石景山區、昌平區極高覆蓋度最多。不同級別公園中，一級公園低覆蓋度數量最多，極高覆蓋度面積最大；二級中覆蓋度數量最多，同樣極高覆蓋度數量最大；三級公園數量、面積均以中覆蓋度最多。不同類型公園間比較，歷史名園、古跡保護公園、社區公園、文化主題公園無論數量還是面積均以中覆蓋度公園占比最高；郊野公園高覆蓋度數量最多，極高覆蓋度面積占比最大；現代城市公園中覆蓋度數量最多，低覆蓋度面積最大；森林公園數量和面積都以極高覆蓋度占比最多。

2.2 公園植物多樣性

2.2.1 物種組成特征

本研究共調查木本植物35科、64屬、78種，其中喬木56種，包括常綠9種，落葉47種；灌木22種，包括常綠3種，落葉19種。植株數量最多的科、屬、種分別為豆科（Leguminosae）（21.52%）、楊屬（Populus）（14.66%）、毛白楊（Populus tomentosa）（13.22%）。排名前十的喬木數量優勢樹種依次為毛白楊、國槐（Sophora japonica）、銀杏（Ginkgo biloba）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、白蠟（Fraxinus chinensis）、圓柏（Sabina chinensis）、欒樹（Koelreuteria paniculata）、油松（Pinus tabuliformis）、臭椿（Ailanthus altissima）、旱柳（Salix matsudana），它們占喬木總數的79.20%。

物種數沿環路由城內向城外逐漸減少，3環內植株數量最多的科為柏科（Cupressaceae），3環外以木犀科（Oleaceae）、豆科占多數，分布最多的種由3環內的常綠針葉植物側柏（Platycladus orientalis）、圓柏變為落葉闊葉植物白蠟、毛白楊。各行政區物種數量最多的是東城區，植株數量最多的科除昌平區是木犀科外，其余區域為豆科、柏科、楊柳科（Salicaceae）。東、西城區植株數量最多的種為側柏，海淀區為圓柏，朝陽區為銀杏，豐臺區為刺槐，石景山區為毛白楊，昌平、通州區為白蠟，大興區為國槐，其中石景山區的毛白楊應用比例最高。

公園木本植物以北京本地種為主（65種），占總種數的83.33%，其中喬木47種，占喬木總種數的83.93%，灌木18種，占灌木總種數的81.82%。各環路間3環外本地種比例均在90%以上，高于3環內（2環內為88.89%，2－3環為88.24%）；各行政區間石景山區調查樹種全部為本地種，其次為豐臺區（93.55%），最低的是昌平區（75%）。

2.2.2 樹種應用頻度

公園森林群落中應用頻率最高的前 10個喬木樹種依次為國槐（26.72%）、圓柏（23.71%）、油松（23.28%）、刺槐（20.69%）、白蠟（19.83%）、毛白楊（18.53%）、銀杏（16.81%）、欒樹（12.93%）、側柏（10.34%）、旱柳（9.48%）。各環路高頻度樹種不盡相同，3環內排名首位的為常綠針葉樹種圓柏，3環外則是落葉闊葉樹種白蠟、刺槐，常用于城市外圍的防護型樹種毛白楊在3環外的頻度也明顯增加。在各區出現頻率較高的樹種有圓柏、國槐、油松、白蠟、銀杏、刺槐、毛白楊，各區也有不同于其他區域的特色樹種，包括東、西城區的側柏，海淀區的旱柳，石景山區的玉蘭（Magnolia denudata）、核桃（Juglans regia）、華山松（Pinus armandii），昌平、通州區的加楊，大興區的椴樹（Tilia tuan）。各區的高頻樹種除通州區全部為落葉樹種外，其余行政區均有1種常綠針葉喬木。國槐在各環路、各行政區間頻度均排在前5位。

2.2.3 物種多樣性指數

北京市六環內公園綠地豐富度指數平均值為3.17，Shannon-wiener指數為 1.10，Pielou指數為0.34，3項指標均由城內向城外逐漸降低，標準差系數逐漸升高。這說明公園多樣性由城內向城外逐漸減低，均勻度水平也逐漸降低，各公園對物種應用的差異性隨環路逐漸增加。各行政區間的變化與環路間變化相符，處于城市內部的區多樣性及均勻度均高于城市外部的區，其中城市核心區的東、西城區物種豐富度最高，昌平區、大興區、石景山區則豐富度指數和多樣性指數均較低，海淀區內各公園之間多樣性差異較小，物種均勻度更高。

3 討論

研究發現，公園面積與林木樹冠覆蓋是提高公園生態效益的重要因素，較大的公園面積和較高的植被覆蓋不僅可以提高物種豐富度（Yang et al.，2015），還在緩解熱島效應方面效果顯著（劉海軒等，2015）。斑塊規模愈大，降溫效果愈顯著（賈寶全等，2017），而一個大景觀的降溫效益強于總面積相等的多個小公園的降溫效益（周東穎等，2011）。北京市六環內公園面積大于30 hm2的公園有87個，總面積達14092.55 hm2，面積大于10 hm2的公園有77個，總面積達1396.17hm2，面積小于10 hm2的公園有101個，總面積為495.06 hm2。就公園面積而言，北京市六環內公園以大中型公園為主，且無論從總體覆蓋度還是覆蓋度分級都表現出較大樹冠覆蓋率，可以發揮其應有的生態效應。

然而，UTC在各個公園間還是存在較大差異的。研究表明，增加樹木的樹冠覆蓋是減弱城市熱島效應和為建筑供暖和降溫的最具成本效益的方法之一（McPherson et al.，2004；Rosenfeld et al.，1995；賈寶全等，2017），在夏季高溫時段，綠地的溫度隨覆蓋率的增加而降低，當覆蓋率達到或高于60%時，其綠地才具有明顯的降溫增濕效果（劉嬌妹等，2008）。北京市六環內EUTC大于60%的公園有202個，面積達13249.11 hm2，占公園總面積的82.89%，EUTC達91.07%。雖然有冷島效應的公園占多數，降溫效應顯著（仇寬彪等，2017），但畢竟還有 63個公園未達該指標，最低值是北京龍韻國際公園，僅為6.07%，在今后的建設過程中還有待進一步改善。

UTC沿城市發展梯度由內向外逐漸遞增，一方面體現了城市化進程中人們對林木生態效應重視程度的變化，另一方面則是由于城市內外公園的功能不同。城內以現代城市公園、社區公園為主，這些公園功能綜合，需要為游客活動提供一定面積的鋪裝、草坪等空曠活動場地；而越往城外，尤其是5環、6環，多郊野公園和森林公園，這些公園以生態功能主，UTC值高，此類生態公園由林木提供的生態價值也最高，這與陶曉麗等（2013）研究結果一致。

潛在樹冠覆蓋是林木樹冠覆蓋的發展潛力所在，其對于城市森林未來建設目標的制定、地點選擇、建設效益預估等方面都具有非常重要的理論和現實意義（賈寶全等，2013）。PUTC較高的公園多為一些管理較為粗放的公園類型，如郊野公園、森林公園，這在一定程度上反映了不同的經營管理措施對公園用地的影響。三環內在 20年前就已完成了城市化（葛榮鳳等，2016），許多公園是由原來的皇家園林、私家園林、寺觀壇廟發展而來的（王丹丹，2016），建設時間長，管理精細，園內沒有能夠形成潛在樹冠覆蓋的荒草地與裸土地，而在不同級別公園中的一級公園、不同類型公園中的歷史名園，也是由于同樣的原因導致PUTC較低。

森林與水體是不可分的整體，水體能促進森林綠地形成更完善的植被結構和更強大的生態功能（彭斌等，1986），林水結合的城市森林可以構建更良好的生態環境（彭鎮華，2014）。城市中的水體大多集中于各類公園中，歷史名園中均有水體且占比較大，皇家園林慣用“一池三山”的布局，而私家園林則追求“一勺則江湖萬里”（陳從周，1997）。肖捷穎等（2015）發現，從降溫效應角度規劃設計公園時，水體比例應不低于 19%，北京市六環內 265個公園中水體占比大于 19%的僅有20個，113個公園沒有水體，多為森林公園、郊野公園和社區公園。雖然水體面積比例較大的公園比同等條件下水體面積較小的公園降溫效果好（馮曉剛，2012；仇寬彪等，2017），但作為典型的北方城市，北京公園的水體建設確實存在氣候與地理條件等限制因素，水源缺乏、蒸發與下滲量大等因素都給公園管理增加了難度，建議可以適當考慮中水體在公園水景中的應用。

本研究記錄到的物種數量少于趙娟娟等（2009）的調查結果，主要原因是趙娟娟采用了普查法，而本研究是典型抽樣調查法，而在調查的樣方中95個樣方是純林，占總樣方數的40.95%，導致調查物種數偏少。公園多樣性受到設計者對物種選擇的意志的影響，這種意志通常側重于美學（Turner et al.，2005；Bourne et al.，2014）與公園功能。郊野公園純林較多，在所有調查的純林樣方中郊野公園占44.21%，物種多樣性低。在建設初期，這類公園的建設目標及公園功能均有別于城市其他類型的公園，公園規劃、植物配置對美學的要求不高，且后期管理也偏于粗放。但隨著城市的發展，郊野公園的功能已不僅限于生態，而應成為為游客提供與自然接觸、互動機會的重要場所（Dunn et al.，2010），作為北京市的第一道隔離區，提高其物種多樣性有助于提高該區域的生態服務功能。

4 結論

北京市六環內公園是城市森林樹冠覆蓋主要貢獻者，其EUTC為81.46%，遠高于城市總體水平及其他各類城市森林。各公園UTC中、高覆蓋度占多數，但在面積上則以極高覆蓋度占比最大。郊野公園與森林公園UTC高于其他公園類型，文化主題公園和社區公園經營草地占比較高，現代城市公園不透水地表占比最高，歷史名園水體占比最高。不同級別公園中 UTC、水體占比隨著公園級別的降低而降低；經營草地、不透水地表占比隨級別降低而增加。

本研究共記錄北京市公園木本植物 35科、64屬、78種，物種豐富度不高（豐富度指數3.17），多樣性水平較低（Shannon-wiener指數1.10）。群落以少數物種主導，數量最多的前十種喬木占總數的79.20%，數量最多的科、屬、種分別為豆科、楊屬、毛白楊。各環路、各行政區植物景觀有較高的相似性，國槐在各區域都有較高的分布頻度。本地種無論在種數還是數量上都占主導地位，引進種以觀賞類植物占多數。北京市六環內公園沿城市發展方向由城內向城外表現出規律性的梯度變化：UTC逐步增加，不透水地表比例降低，物種數、多樣性、均勻度逐漸降低，且以3環為分界線，其內常綠針葉樹應用頻度較高，其外落葉闊葉樹應用頻度較高。