城市小尺度綠色空間植被層次制圖量化研究
——以北京西海和慶豐公園東區(qū)為例

薛 飛

張君宇

崔岳晨

賀利平

鐘 樂*

構(gòu)建綠色基礎(chǔ)設(shè)施是建設(shè)城市生態(tài)支撐體系的可持續(xù)發(fā)展途徑[1]，其植被結(jié)構(gòu)對城市整體生態(tài)效益的發(fā)揮有很大影響[2]。當前有多種方法對景觀尺度和城市尺度的綠色基礎(chǔ)設(shè)施及植被結(jié)構(gòu)情況展開制圖研究與量化分析[3-4]，其中較為知名的如生境制圖[5]，也稱為生態(tài)單元制圖(Biotope Mapping)[6]。

生境制圖于20世紀70年代引入德國景觀規(guī)劃和研究領(lǐng)域，起初多應(yīng)用于鄉(xiāng)村地帶，之后逐漸在城市生態(tài)研究和城市規(guī)劃中發(fā)揮作用，其主要作用是為規(guī)劃人員提供詳盡的生態(tài)空間信息[7]。例如德國首都柏林在城市范圍內(nèi)展開的生境制圖工作將土地利用作為核心，為城市生態(tài)和自然保護領(lǐng)域提供基礎(chǔ)信息。生境制圖在20世紀90年代發(fā)展成為集調(diào)研、分類、評價、開發(fā)和建設(shè)于一體的方法[8]。它可以通過城市功能特征和植被結(jié)構(gòu)準確地為同性質(zhì)的城市生境明確劃分界限，為規(guī)劃中的空間資源配置和自然環(huán)境保護提供服務(wù)[9-10]。中國學(xué)者也展開了相關(guān)研究，如趙兵等將我國城市用地分類標準與生態(tài)單元制圖結(jié)合，利用多項指標綜合評價并繪制了某城鎮(zhèn)范圍內(nèi)生態(tài)單元綜合評價圖譜[11]；劉文平等對北京海淀區(qū)展開生境制圖研究對城市生物多樣性保護決策提供參考[12]；羅靜茹等利用生境制圖結(jié)合矩陣的方法對城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行評價研究等[13]。顯然，該方法雖然廣泛應(yīng)用于景觀規(guī)劃、自然保護規(guī)劃等領(lǐng)域，目前相關(guān)研究和實踐也大量面向城市尺度，并在整個市域或城市典型區(qū)域展開生境制圖，但是當前針對城市生態(tài)斑塊內(nèi)部小尺度綠色空間進行制圖研究的案例較少，城市中大量的小尺度綠色基礎(chǔ)設(shè)施植被制圖和實踐性研究較缺乏[1，14]。

基于此，本研究選取北京中心地區(qū)的2個典型樣本場地對植被垂直層次豐富程度進行量化研究，嘗試構(gòu)建一種便于規(guī)劃設(shè)計人員使用的城市植被垂直層次制圖調(diào)研方法。該方法是生境制圖在小尺度城市綠色空間層面展開的應(yīng)用，它致力于收集更詳細的生態(tài)空間內(nèi)部植被層次的基礎(chǔ)資料，為進一步的研究與實踐提供服務(wù)，也能為風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計、城市設(shè)計、城市規(guī)劃，以及城市生態(tài)系統(tǒng)的保護提供依據(jù)。

1 研究場地與研究方法

1.1 研究場地

本研究共選取2處位于北京城市中心地區(qū)范圍內(nèi)的綠色空間作為樣本場地，均位于城市水系廊道周邊。分別是西海(積水潭)岸邊綠色公共開放空間和慶豐公園東區(qū)。樣本場地選擇的理由如下：1)樣本場地須是城市中心區(qū)典型的既有綠色空間，也是重要的生態(tài)斑塊；2)樣本場地能為市民提供多功能的服務(wù)；3)具備提升現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的潛力；4)人為管理程度、空間開放程度、場地新舊程度存在對比研究的可能。具體場地情況詳見表1。

圖1 樣本場地一：西海岸邊制圖研究范圍示意(崔岳晨繪)

圖2 樣本場地二：慶豐公園東區(qū)制圖研究范圍示意(張君宇繪)

1.2 研究方法

首先根據(jù)現(xiàn)狀條件在2個樣本場地中設(shè)定分類參數(shù)，如植被用地功能、層級數(shù)量、斑塊數(shù)量、位置、面積、比例、養(yǎng)護程度、覆蓋封閉程度或建筑占植被區(qū)域比例等。在調(diào)研過程中將這些參數(shù)按照不同空間斑塊屬性進行歸類。在參考相關(guān)研究[10-11，15]的基礎(chǔ)上設(shè)計了專門應(yīng)用于北京場地調(diào)研的數(shù)據(jù)輸入表，規(guī)劃設(shè)計專業(yè)人員(包括風(fēng)景園林、城鄉(xiāng)規(guī)劃、建筑學(xué)等專業(yè))可以按照表內(nèi)的參數(shù)對場地各個地塊/斑塊進行現(xiàn)場信息錄入，并借助高清衛(wèi)星遙感影像和場地基礎(chǔ)底圖使用ArcGIS進行繪圖。

1)研究范圍的限定。

為了準確控制研究與制圖范圍，結(jié)合預(yù)調(diào)研，定義2個場地內(nèi)的植被研究范圍：場地一將岸邊至第一排房子之間的可見綠色空間作為研究范圍；場地二利用公園圍欄作為邊界(圖1、2)。制圖及分析過程均在以上研究范圍內(nèi)展開。

2)植被垂直層次豐富程度的限定。

植被的垂直結(jié)構(gòu)包含多個層次，如地被、草本、灌木及喬木等，可以根據(jù)它們的高度及物理形態(tài)用肉眼觀察得出。結(jié)合預(yù)調(diào)研結(jié)果在制圖和屬性輸入過程中，按照高度定義了9種不同的垂直層次。并根據(jù)與單層建筑高度(3m)和行人視線高度(1m)的關(guān)系，結(jié)合喬灌草分類將其分為3類。結(jié)合植被垂直結(jié)構(gòu)進一步可以歸類出：高、中、低3個層次豐富度，以表征研究對象中植被垂直結(jié)構(gòu)的層次豐富情況(表2)。

根據(jù)場地的高清遙感影像、位置信息、調(diào)研錄入的數(shù)據(jù)信息和研究范圍內(nèi)的現(xiàn)場情況，利用ArcMap進行逐個斑塊的制圖并錄入植被屬性信息以進行空間和量化分析。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 植被制圖分類結(jié)果

通過對2個樣本場地調(diào)研和制圖，劃分出5類用地植被類型(Landuse Vegetation Type，LVT)和19種植被層次類型(Vegetation Layer Structure Type，VLST)。LVT依據(jù)用地功能分為：1)居住及生產(chǎn)用地植被；2)交通用地植被；3)綠色空間及休閑用地植被；4)水面植被；5)其他喬木、灌木、小灌木用地植被。VLST根據(jù)各LVT中的植被特征再細分為19個植被層次類型。其中“高層次豐富度植被”指包含植被層次類型5～6層(及以上)的植被，“中層次豐富度植被”為3～4層，“低層次豐富度植被”為1～2層。這些植被層次類型在LVT類型的1)居住及生產(chǎn)用地植被；2)交通用地植被；3)綠色空間及休閑用地植被中可以通用。LVT反映出場地人工使用的空間特征，而VLST反映了場地自然覆蓋的特征。在城市中人工使用對自然和植被的影響非常大，這與在非城市空間的研究中不同。只有清晰地分辨出人工使用特征才能正確地分析城市中植被層次的影響因素。此外，雖然“高/中/低層次豐富度”不能簡單地來描述植被結(jié)構(gòu)，但本研究僅是嘗試使用一種規(guī)劃設(shè)計專業(yè)更便利的調(diào)研方法，為進一步設(shè)計和保護工作提供基礎(chǔ)資料。而常規(guī)的植被結(jié)構(gòu)更傾向研究森林和農(nóng)田等非城市用地，且其分類需要參考具體每一塊植被對象的植物學(xué)特征、機理和相應(yīng)的植被生態(tài)指數(shù)進行更為復(fù)雜和專業(yè)的研究，這種研究不僅時間和經(jīng)濟成本很高，對于規(guī)劃設(shè)計專業(yè)人員也很難操作。

表1 樣本場地情況

表2 植被垂直層次分類

圖3 a～f場地植被豐富度照片及垂直結(jié)構(gòu)示意圖

表3 用地植被類型(LVT)和植被層次類型(VLST)分類

2個樣本場地植物豐富度照片及垂直結(jié)構(gòu)示意，詳見圖3(a～f)。LVT分類結(jié)果及每種用地植被類型和植被層次類型的典型調(diào)研照片示例詳見表3。

圖4 樣本場地一：西海沿岸綠色空間不同植被層次類型分布(崔岳晨繪)

圖5 樣本場地一：西海沿岸綠色空間不同植被層次類型面積分布統(tǒng)計(單位：m2，崔岳晨繪)

圖6 樣本場地二：慶豐公園東區(qū)綠色空間不同植被層次類型分布(張君宇繪)

圖7 樣本場地二：慶豐公園東區(qū)綠色空間不同植被層次類型面積分布統(tǒng)計(單位：m2，崔岳晨繪)

圖8 各植被層次類型VLST在樣本場地斑塊數(shù)量分布統(tǒng)計(崔岳晨繪)

圖9 2個樣本場地內(nèi)3種植被層次豐富度面積占比對比(單位：%，崔岳晨繪)

2.2 植被層次類型制圖結(jié)果

根據(jù)制圖結(jié)果統(tǒng)計，本研究共對2個樣本地塊中的187塊(場地一63個，場地二124個屬性圖塊)小尺度綠色空間的植被垂直層次進行了制圖和分析。因為2個樣本場地的使用性質(zhì)和周邊環(huán)境存在非常大的差別，所以19種類型并不能在2個樣本場地中全部分別出現(xiàn)(制圖結(jié)果詳見圖4～7，具體斑塊數(shù)量分布與對比見圖8)。

2.2.1 場地一制圖結(jié)果斑塊面積分析

在各植被層次類型(VLST)斑塊面積分布對比中發(fā)現(xiàn)，2個場地之間存在明顯的差異。場地一(西海沿岸)中的LVT1居住及生產(chǎn)用地植被、LVT2交通用地植被、LVT3綠地及休閑用地植被3個類型具有明顯優(yōu)勢，總和占到90%以上。其中“VLST3.1具有高層次豐富度的公園植被”占比最大，約占總面積的29%，達到3 752.16m2，但斑塊的數(shù)量只有2個。此外，“VLST2.2具有中層次豐富度的路旁植被”的面積為1 742.72m2，占比約14%。“VST3.4帶有少量綠化的開放空間”面積為1 736.68m2，占比約13%。其余植被結(jié)構(gòu)類型面積較小且較為分散(圖5)。

2.2.2 場地二制圖結(jié)果斑塊面積分析

場地二(慶豐公園東區(qū))中最具代表性的用地植被類型為LVT3綠地及休閑用地植被。其中，“VLST3.2具有中層次豐富度的公園植被”占地31 962.59m2，占據(jù)了整個研究場地約55%的面積。另外，約28%(16 124.31m2)為“VLST3.1具有高層次豐富度的公園植被”。場地內(nèi)“VLST3.4帶有少量綠化的開放空間”的面積為4 219.38m2，占比約7%，遠小于前2個優(yōu)勢類型。其余區(qū)域由“VLST3.3具有低層次豐富度的公園植被”(2 141.44m2)，“VST4.1蘆葦，多年水生植物”(1 857.5m2)和“VLST3.5帶有少量綠化的座椅休息空間”(1 301.62m2)組成?！癡LST5.1名木古樹”和“VLST5.2樹籬/排狀灌木”所占研究范圍區(qū)域的比例非常小(圖7)。

2.2.3 制圖結(jié)果與植被垂直層次豐富程度分類

通過對2個場地的用地情況和植被層次制圖結(jié)果，以及“高/中/低植被層次豐富度”分類，可以總結(jié)出空間上植被層次的分布狀況，使評價各場地多種類型植被配置的垂直層次，以及潛在的植物多樣性和綠色空間綠量等更加直觀。表4展示了利用2個樣本場地層次豐富程度的相關(guān)信息，以及通過分層框架計算出的各層數(shù)平均值。

“高層次豐富度植被”在場地一合計4 112.93m2(31.88%)；在場地二合計16 124.31m2(27.90%)，說明場地一高層次豐富度植被比例略占優(yōu)。兩場地“高層次豐富度植被”平均層數(shù)均約為5?！爸袑哟呜S富度植被”在場地一合計5 628.27m2(43.63%)；場地二合計37 483.59m2(64.85%)，說明場地二的中層次豐富度植被比例具有優(yōu)勢。兩場地“中層次豐富度植被”平均植被層數(shù)為3.22，包含8種植被層次類型。各具體植被層次類型的平均層數(shù)在2.36～4.00之間浮動，平均值最高的植被層次類型是“VLST1.4主要由水果、蔬菜等植物構(gòu)成的植被”，平均值是4層；最低的層次類型是“VLST3.5帶有少量綠化的座椅休息空間”，平均值是2.36(低于3的原因在于有諸多沒有植被覆蓋的座椅和鋪地等)。其余的4個植被層次類型平均值從高到低分別為VLST1.2、3.2、2.2、1.5、2.5、3.4，平均值都大于等于3，說明整體中等層次豐富度的植被相對層次較多(表4)。

表4 植被類型豐富度分類面積及占比統(tǒng)計

對比2個場地中高、中、低3類植被垂直層次豐富程度，場地一中43.63%為中等層次豐富度的植被，31.88%為高層次豐富度的植被，但是約有1/4(24.49%)的綠色空間是低層次豐富度的植被。場地二中中、高、低分別為64.85%、27.90%和7.24%(圖9)。雖然場地二層次豐富程度都是中等最多，高等其次，低等最少，但整體的植被層次豐富程度優(yōu)于場地一，場地一在高層次豐富度植被方面有優(yōu)勢。一方面說明建成6年(調(diào)研時間2015年)的慶豐公園東區(qū)植被垂直層次雖然整體高于西海岸邊綠色公共空間，但新建公園的高垂直層次豐富度植被較少。這與植被生長的年份有關(guān)，也與景觀設(shè)計需要更多關(guān)注植被層次的量化設(shè)計有一定潛在聯(lián)系。另一方面也顯示出，在一定程度上，對于高層次豐富度的植被，保護比新建更有優(yōu)勢。如果將新建與保護相互結(jié)合，可以更好地增加不同層次豐富程度的城市綠色空間。

3 結(jié)論與討論

本文關(guān)注于場地尺度的既有城市綠色空間的植被垂直層次分類、布局和量化研究，調(diào)查場地植被并收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，展開系統(tǒng)研究，在方法和參數(shù)選取方面進行了嘗試。由于時間和經(jīng)費的限制，只能收集和分析有限的場地和數(shù)據(jù)。但針對植被垂直層次類型的調(diào)研、分類、制圖、計算和統(tǒng)計分析的整套方法，可以成為一種對規(guī)劃設(shè)計專業(yè)人員便捷可行的調(diào)研途徑。在未來應(yīng)用方面，本文中對北京中心區(qū)典型生態(tài)斑塊的植物層次分類標準及研究模式能夠應(yīng)用于更多的城市高密度地區(qū)的生境研究與規(guī)劃設(shè)計提升。特別是隨著無人機、三維成像等技術(shù)和ArcGIS的聯(lián)動發(fā)展，相關(guān)研究將更加深入和擴展并逐漸完善，最終可建立起對中心高密度區(qū)內(nèi)的植被層次類型的自動制圖系統(tǒng)。

從場地植被垂直層次的豐富度角度來看，場地二相比場地一具有優(yōu)勢?？梢越忉尀榕c公共開放空間相比有明確邊界的公園，斑塊植物種類受周邊環(huán)境影響較大，景觀生態(tài)學(xué)的邊緣效應(yīng)更突出。結(jié)合現(xiàn)狀調(diào)研，把不同場地的使用方式和維護情況對植物層次豐富度的影響納入研究，可見公園由于有日常的人工維護，對場地內(nèi)自然地表過程和生物多樣性的干擾較大，對高層次豐富度植被結(jié)構(gòu)的形成有潛在影響。外部干預(yù)在一定程度上限制了樹木的生長高度[16]。從我國南北方氣候差異來看，越向南年均氣溫越高，使得植被多樣性、豐富度也增加，但對于城市來講，相關(guān)研究如史琰等已得出南北分布對城市生物多樣性影響并不顯著，但景觀美學(xué)特別是經(jīng)濟因素影響更大的結(jié)論[16]。因此，如果可以利用城市當?shù)貧夂蛱卣鲗χ行牡貐^(qū)的綠色空間較低程度地干擾和維護，使植被自然生長演替，將會是一個增加城市中心地區(qū)城市生物多樣性的重要嘗試。這樣的成功案例包括德國柏林的美山南地鐵路自然公園(Natur-Park Sch?neberger Südgel?nde)和滕珀爾霍夫公園(Tempelhofer Feld)，由2個廢棄的交通基礎(chǔ)設(shè)施，經(jīng)過人工最低干擾，利用自然回歸場地的過程形成了生物多樣性豐富和多功能的綠色基礎(chǔ)設(shè)施。

從城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的視角來看，當前諸多研究者使用了土地利用/土地覆蓋變化(LUCC)研究模型和方法，但缺乏對城市內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)進行綠地(Green land)與植被(Green cover)相結(jié)合的研究。不同的植被狀況代表了不同的生境，提供了不同的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[17]，在大自然中如此，在城市中也是如此。植被垂直層次豐富程度的不同，意味著植被所帶來的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)不同，如草地和樹林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)差異很大[18]。在城市建成區(qū)內(nèi)，適當增加植被的垂直層次豐富程度是提升綠色空間綠量和植被結(jié)構(gòu)生物量的重要手段。這也會對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的支持和調(diào)節(jié)服務(wù)有提升，可以為鳥類棲息地增加[19]、雨洪調(diào)節(jié)[20]、溫度舒適性調(diào)節(jié)[21-23]、人的心理舒適度調(diào)節(jié)[24]等方面提供更好的服務(wù)。所以對于城市綠色空間的植被現(xiàn)狀進行結(jié)構(gòu)、類型、數(shù)量、質(zhì)量、格局和過程的深入研究，對綠色基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃、設(shè)計、評價具有重要意義。這類研究可以由規(guī)劃設(shè)計專業(yè)人員開展并積累，也是風(fēng)景園林學(xué)應(yīng)用研究與基礎(chǔ)研究進行結(jié)合的重要橋梁，更是相關(guān)部門精細化治理與保護的重要基礎(chǔ)資料。

從城市規(guī)劃的視角來看，當前我國的城鄉(xiāng)規(guī)劃系統(tǒng)越來越綜合，大量生態(tài)學(xué)研究和分析方法在城市和鄉(xiāng)村中展開。規(guī)劃對城市中的生態(tài)空間以綠線和各類指標的形式進行配置，但是對于綠線內(nèi)綠色空間的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、價值，以及綠色基礎(chǔ)設(shè)施的評價，還缺乏更為詳細的量化銜接。所以植被層次制圖還可以對綠色基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃設(shè)計的指標優(yōu)化起到支持作用，對城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃和關(guān)注城市生態(tài)的城市設(shè)計在內(nèi)容上有所提升。

4 研究展望

在諸多針對城市綠色空間的植被結(jié)構(gòu)研究中，本研究僅僅是一種在植被垂直層次方面展開的空間和量化結(jié)合的探索。更加深入的制圖量化研究還需要多類型的綠色基礎(chǔ)設(shè)施的自然和社會資料數(shù)據(jù)，還有待在具體場地人群行為及需求特征的實際狀況，植被類型細分和土地利用及城市規(guī)劃資料銜接方面深入。這些需要結(jié)合歷時性專項調(diào)研及相關(guān)部門提供資料，以便基礎(chǔ)研究更好地服務(wù)于實踐和管理工作。隨著開放數(shù)據(jù)的增加和多學(xué)科研究方法的融合，會有更多的研究成果為城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃設(shè)計及城市生態(tài)系統(tǒng)保護等工作提供基礎(chǔ)資料，為城市“綠色化發(fā)展”“高質(zhì)量發(fā)展”奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

致謝：特別感謝參與2015清華大學(xué)景觀學(xué)系中德暑期調(diào)研來自德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)的3位碩士研究生(迪爾克·施密特/Dirk Schmidt；伊麗莎白·舒冊/Elisabeth Schüt ze；朱麗亞·曼特/Julia Manthe)的調(diào)研工作，以及于爾根·布霍伊斯特/Jürgen H.Breuste教授和華東師范大學(xué)的李俊祥教授的指導(dǎo)幫助。特別感謝39位來自不同學(xué)校的中國志愿者同學(xué)在調(diào)研中的合作。感謝北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院的范藝華同學(xué)和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的曾麗云同學(xué)在翻譯方面的辛勤付出。