植物群落林分結構和特征因子與美景度的關系研究

張雪婷，段廣德，韓 軼，康利平，郝柄達

（1.內蒙古農業大學 林學院，內蒙古呼和浩特 010018；2.呼和浩特職業學院 生物化學工程學院，內蒙古呼和浩特 010051）

植物是園林的五大要素之一，擁有建造、景觀和生態功能。景觀功能是園林植物的主要功能，一般涉及景觀評價與景觀要素解析等。目前，景觀評價方法已初步形成了專家學派、認知學派、經驗學派和心理物理學派四大學派[1]。Daniel 和Boster 于1976年基于心理物理學派，提出美景度評價法（Sce?nic Beauty Estimation，簡稱SBE），該方法以大眾視角為依據，將審美態度的測量和景觀的定量分析結合起來，成為目前景觀評價中較合理、公正和精準的方法[1-3]。近些年，許多國內外學者從景觀評價的角度對植物群落開展了研究。李俊英等[4]對沈陽典型森林群落林內景觀美學質量進行了評價，并闡明了主要植物群落結構要素對景觀美學質量的影響；段敏杰等[5]對北京市不同層次的植物群落進行了景觀美學質量評價，得出更受歡迎的植物群落類型；楊帆等[6]分析了不同景觀要素對景觀美學質量的影響；張凱旋等[7]基于SBE 法對上海環城林帶景觀美學質量進行了評價，并建立了美景度與各景觀要素間的多元回歸模型；Frank 等[8]研究了景觀要素與時間變化的關系。

本研究采用美景度評價法，對呼和浩特市大青山南麓典型植物群落樣方的景觀美學質量進行評價，并對各植物群落樣方的景觀要素進行定量計算和定性分析，通過回歸分析法，建立兩者間的數學關系，分析主要景觀要素對景觀美學質量的影響，以期為風景園林的優化提供參考。

1 研究區概況

研究區位于呼和浩特市主城區北部（110°46'～112°10'E，40°51' ～41°8'N），北靠陰山山脈，海拔1 040 m。地勢相對平緩，總體呈西北高、東南低。氣候為蒙古高原大陸性氣候，四季分明，年溫差和日溫差大。最冷月氣溫-12.7 ～-16.1 ℃，最熱月氣溫17 ～22.9 ℃。降水集中在7—8月，年均降水量335 ～534 mm。

呼和浩特市的植被區系屬于陰山山地蒙古櫟（Quercus mongolica）、油松（Pinus tabuliformis）林-草原植物州，在東南海洋季風的影響下，植被具有草原區植被和華北森林區植被的特點。植被類型以次生楊樺林為主，間有少量油松、杜松（Juniperus rigida），林下灌木主要有虎榛子（Ostryopsis davidi?ana）、繡線菊（Spiraea salicifolia）和黃刺玫（Rosa xan?thina）等[9]。

2 植物群落的美景度評價

2.1 數據采集

2019年6 —9月，在G6 高速公路（京藏高速，北京—拉薩）北側、大青山山脈南側，西起大青山野生動物園、東至內蒙古大慶會場的土地范圍內，布設標準樣地39 個（20 m×20 m）。依據GIS 數據，結合實地調研，隨機選擇調研范圍內的植物群落樣地。所選樣地類型分為喬冠草型、喬草型和灌草型3 種，每種類型的樣地數為13。使用全站儀測定樣方4 個角點的坐標，并對樣方內的喬木和灌木進行坐標定位和編號，對灌木和胸徑≥3 cm 的喬木進行每木檢尺。測量內容為喬木的數量、樹種、高度、枝下高、冠幅和胸徑以及灌木的數量、樹種、高度和冠幅，將數據錄入Excel 表格，并通過ArcGIS 10.5 和Winklemass 軟件[10]獲得林分空間結構指標（聚集指數R、角尺度、林層比和混交度）[11]，同時記錄草本種類、高度及蓋度等。

2.2 照片拍攝

2019年6—9月，選擇天氣狀況良好、空氣質量較高的日子，在當日10:00 ～16:00 完成拍攝。每個樣地拍攝1 張照片。拍攝要求不更換相機、不更換拍攝人、保持相機參數不變及拍攝維持在1.6 m 的人視高度，保證橫向構圖清晰且全面地囊括群落的全貌[12-14]。

2.3 評判者

不同群體、不同教育背景的人具有相似的景觀審美態度，其景觀評價結果具有一致性[15-16]。本研究選擇內蒙古農業大學專業老師20名、專業學生40名、非專業學生30 名和公眾30 名，共120 名評判者參與評判。

2.4 評判步驟

將拍攝的39張照片制作成幻燈片，使用數字投影儀在室內播放，每張照片停留8 s[16]。幻燈片不回放，受測者對幻燈片中的群落景觀憑第一直觀印象打分。評價采用10 分制，0 ～2 分為較差、2 ～4 分為一般、4 ～6 分為中等、6 ～8 分為良好和8 ～10 分為優秀。

2.5 SBE值計算

原始得分的平均值會加強評判標準較低的評分對分析的影響，削弱評判標準較高的評分對分析的影響。本研究采用z-score 數據標準化處理方式，可消除得分平均值對分析的影響，增加結果可靠性（表1）。

式中，zij為第i個評判者對第j張照片的標準化得分，xij為第i個評判者對第j張照片的原始評分，xi為第i個評判者對所有照片評分的平均值，si為第i個評判者對所有照片評分的標準差[2]。

表1 39個植物群落樣地的美景度評價法得分Tab.1 SBE score of 39 plant communities

續表1Continued

3 植物群落景觀要素的選擇與計算

植物群落景觀美學質量提升的關鍵在于找到主要的景觀要素。通過查閱資料、借鑒專家意見，尋找到以下林分結構指標和群落特征因子。

3.1 林分結構指標

林分結構指植物群落的空間結構和非空間結構[11,17-18]，共選擇29 個結構指標。非空間結構指標有X1（植株密度）、X2（喬灌覆蓋度）、X3（喬木覆蓋占比）、X4（喬木平均冠幅）、X5（喬木平均胸徑）、X6（灌木平均冠幅）、X7（冠幅變異系數）、X8（草本蓋度）、X9（喬灌覆蓋面積與草本面積比）、X10（胸徑變異系數）、X11（相對高度）、X12（喬木相對高度占比）、X13（喬木平均高度）、X14（灌木平均高度）、X15（平均枝下高）、X16（高度變異系數）、X17（枝下高變異系數）、X18（喬木占比）、X19（葉面積指數）、X20（Margalef 豐富度指數）、X21（Shannon - Wiener 多樣性指數）、X22（Pielou 均勻度指數）、X23（Simpson 單調度指數）、X24（針葉樹種比例）和X25（針葉喬木比例）[19-20]。空間結構指標有X26（角尺度）、X27（混交度）、X28（林層比）和X29（聚集指數R）。

3.2 群落特征因子

群落特征因子20個（表2）。

表2 植物群落定性景觀要素分解Tab.2 Decomposition of qualitative landscaping elements of plant community

均衡感是指在視覺感受之下，植物個體間的大小、高度等在整體上呈現的均衡與協調，部分植株如某些喬木或灌木的大小或高度有差異，不會導致群落整體重心偏離、失去平衡。樹干色調分為較深、居中和較淺3種，如垂柳（Salix babylonica）和槐（Sopho?ra japonica）的樹干色調較深，而白樺（Betula platy?phylla）和新疆楊（Populus albavar.pyramidalis）的樹干色調較淺。色彩差異中，不同色系的顏色差異和同種色系內的顏色在明度、飽和度上的差異帶來的視覺感受不同；包含有3種或以上不同色系的植物群落，其色彩差異很大；包含有兩種色系的植物群落，其色彩差異較大；在同種色系內，顏色飽和度和亮度等的變化較小，群落內呈現出的色彩差異較小，在大部分的純林中，幾乎沒有色彩差異。林冠線是指樹林或樹叢空間立面構圖的輪廓線；林緣線是指樹林或樹叢邊緣樹冠垂直投影于地面的連接線；樹干質地中，有些樹干表面粗糙，有些樹干表面光滑，而像樟子松（Pinus sylvestrisvar.mongolica）、白皮松（P.bungeana）的樹干，易于剝落的樹皮使其呈現片層結構；樹冠質地中，有些植物樹葉大而稀疏、樹枝可見，質地較為粗糙，有些植物樹葉小而密布，如小葉黃楊（Buxus sinicavar.parvifolia），其質感較為細膩。

4 林分結構和特征因子與美景度的關系分析

4.1 林分結構

設29個林分結構值為自變量，景觀美景度值為因變量，采用逐步多元回歸法建立模型。該方法剔除了相關性小的自變量，可保證進入回歸模型的自變量擁有良好的獨立性[4]。回歸分析借助SPSS 24.0軟件完成（表3）。

表3 林分結構系數分析Tab.3 Coefficients of forest structure model

篩選出的定量景觀要素為X28（林層比）、X4（喬木平均冠幅）、X1（植株密度）、X25（針葉樹種比例)、X19（葉面積指數）（表3）。由此建立的回歸方程為SBE = 0.319 + 3.477X28+ 0.852X4+ 0.001X1+1.239X25- 0.145X19，其中R = 0.875，R2= 0.766，調整后R2=0.731，模型擬合度較好。t檢驗P值均＜0.05，方程相關性顯著。

4.2 群落特征因子

設類目編號為自變量，景觀美景度值為因變量，采用向后篩選多元回歸法分析。篩選出的群落特征因子為X1（空間形態）、X4（均衡感）、X8（色彩差異）、X9（色彩亮度）、X10（樹干形態）、X13（輪廓清晰度）、X14（形態差異）、X15（樹干質地）、X16（樹冠質地）、X18（季相變化）、X19（生長勢）（表4）。由此建立的回歸方程為SBE = 8.533 + 0.426X1- 0.678X4-0.620X8+ 0.639X9- 0.860X10- 0.323X13-0.180X14+0.738X15+ 0.644X16- 0.613X18- 0.238X19，其中R =0.920，R2= 0.846，調整后R2= 0.784，模型擬合度較好。標準殘差的極大值為1.912，小于默認值3，沒有發現異常。t檢驗P值均＜0.05，方程相關性顯著。容忍度均超過0.3，方差膨脹因子（VIF）均小于5，說明自變量之間不存在嚴重的多重共線性。

表4 定性景觀要素系數分析Tab.4 Coefficients of qualitative landscaping elements model

續表4Continued

5 結論與討論

5.1 結論

5.1.1 林分結構分析結果

通過分析，林分結構的景觀評價模型為SBE =0.319 + 3.477X28+ 0.852X4+ 0.001X1+1.239X25-0.145X19，對自變量系數進行歸一化處理后，得到這5個景觀要素對于景觀美學質量影響的權重值為X28（0.609）、X4（0.149）、X1（0.000 18）、X25（0.217）、X19（0.025）。根據權重值大小，林分結構對于景觀美學質量的影響為X28（林層比）＞X25（針葉樹種比例）＞X4（喬木平均冠幅）＞X19（葉面積指數）＞X1（植株密度）。在與所測植物群落類型相同的群落中，單要素對群落美景度的影響有以下幾個方面：

（1）林層比的變量系數為3.477，權重值為0.609，影響度最大。變量值越大，植物群落的層次越豐富，美景度值越高。因此，在創造景觀時應注重使用不同高度的植物，營造高低相接、層次豐富的群落景觀。

（2）針葉樹種比例的變量系數為1.239，權重值為0.217。針葉樹種在外形、大小、顏色、質感、葉形等方面與闊葉樹有較大區別，例如圓柏（J.chinen?sis）、側柏（Platycladus orientalis）、杜松的外形呈圓錐形，樟子松、油松的外形呈卵圓形和塔型，樹干的顏色與質地也有差異。適當擴大其比例，與闊葉樹交錯相接，合理布局平面空間，有利于創造豐富的林冠線，豐富群落空間感受，提高新穎感，增加可觀性。

（3）喬木平均冠幅的變量系數為0.852，權重值為0.149。冠幅大的喬木可在一定程度上展現其個體的健康姿態，具有獨特觀賞性，有利于營造獨賞空間，也可提高群落的層次感。

（4）葉面積指數的變量系數為-0.145，權重值為0.025。葉面積指數過大，會導致部分植株的體量在群落中過分龐大，如新疆楊和加楊（Populus × ca?nadensis），其成年樹高達20 m，在空間較小的群落中，會造成嚴重的失衡感，過高會略顯突兀。另一種情況是群落植株過分密集，難以分辨個體的輪廓，眾多個體混為一體，沒有空間縱深變化，這兩種情況的出現都會降低群落的美觀程度。

（5）植株密度的變量系數為0.001，權重值為0.000 18。植株密度大的植物群落，美景度值較高，但因其系數小，群落植株密度的提高對美景度的影響較小，將其控制在適當范圍內即可，植株過分稀疏或密集均不利于美景度的提升。

5.1.2 群落特征因子分析結果

通過分析，群落特征因子的景觀評價模型為SBE = 8.533 + 0.426X1- 0.678X4- 0.620X8+0.639X9- 0.860X10- 0.323X13- 0.180X14+0.738X15+0.644X16-0.613X18-0.238X19，對自變量系數進行歸一化處理后，得到11個景觀要素對于景觀美學質量影響的權重值為X1（0.071）、X4（0.114）、X8（0.104）、X9（0.107）、X10（0.144）、X13（0.054）、X14（0.030）、X15（0.124）、X16（0.108）、X18（0.103）、X19（0.040）。根據權重值大小，群落特征因子對于景觀美學質量的影響為X10（樹干形態）＞X15（樹干質地）＞X4（均衡感）＞X16（樹冠質地）＞X9（色彩亮度）＞X8（色彩差異）＞X18（季相變化）＞X1（空間形態）＞X13（輪廓清晰度）＞X19（生長勢）＞X14（形態差異）。在與所測植物群落類型相同的群落中，單要素對群落美景度的影響有以下幾個方面：

（1）樹干形態的變量系數為-0.860，權重值為0.144。樹干越通直，其美景度值越高，表明樹木主干筆直的植物群落更受大眾的喜愛。

（2）樹干質地的變量系數為0.738，權重值為0.124。樹干質地偏向于光滑或片層，其美景度值會更高。光滑的樹干會帶來顏色和圖案上的變化，例如白樺樹、新疆楊的偏白色樹干，白皮松的迷彩圖案樹干。片層形式的樹干，其易于剝落的樹皮會帶來色彩和質感上的變化。樹干在質地上的差異會帶來色彩、圖案和質地等方面的不同，可在垂直層面上給人以新穎的感受。

（3）均衡感的變量系數為-0.678，權重值為0.114。植物群落的形態在整體上趨于均衡，喬木、灌木、地被植物間的大小、高度相互協調、合理配置有利于美景度的提高。

（4）樹冠質地的變量系數為0.644，權重值為0.108。樹冠質地偏向于中質、細質或混質時，其群落的美景度值更高。樹冠質地為中質或細質的植物，給人更加細膩的感覺，例如精心修剪的灌木、常綠喬木等，其外形也更易分辨。同時擁有粗質、中質和細質植物的植物群落，在視覺上有不同的距離感，粗質植物可以擴充空間感，而細質植物具有縮小空間的作用，帶來空間縱深變化，空間變化的感受更加強烈。

（5）色彩亮度的變量系數為0.639，權重值為0.107。色彩亮度較低的植物群落美景度值更高，表明大眾更偏好于在色感上端莊穩重的植物群落。

（6）色彩差異的變量系數為-0.620，權重值為0.104。植物群落內植物所屬色系的種類越多，或在同種色系內，顏色明暗深淺的變化越大，植物群落的美景度值越高。

（7）季相變化的變量系數為-0.613，權重值為0.103。季相變化豐富的植物群落，其美景度值更高，更受大眾的喜愛。

（8）空間形態的變量系數為0.426，權重值為0.071。空間相對封閉，美景度值越高，同時具備喬木、灌木和地被植物的群落擁有更好的景觀效果，這也符合豐富群落層次的判斷依據。

（9）輪廓清晰度的變量系數為-0.323，權重值為0.054。植物個體的外形輪廓清晰可辨，植物群落的美景度值較高。清晰的輪廓有利于表現植物各自的形態特征，有利于營造豐富的空間，能增加其受歡迎的程度。

（10）生長勢的變量系數為-0.238，權重值為0.040。生長勢良好的植物群落，其美景度值更高，健康的植物個體，更受大眾的喜歡。

（11）形態差異的變量系數為-0.180，權重值為0.030。在一個群落中，不同植物個體之間的形態差異明顯，其美景度值更高。表明大眾喜愛植物個體形態迥異的群落，這種群落有良好的群落構圖比例、林冠線和節奏變化等。

5.2 討論

植物群落的景觀要素是影響群落景觀美景度的因素之一，正確而科學地選擇要素有利于群落的合理建植和對景觀的正確評價。本研究從定量林分結構與定性特征因子的角度挖掘影響景觀美學質量的全面因素，由于只分析了北方夏季的植物景觀，本研究的結論和群落特征因子的選擇有一定的應用范圍限制。近年來，有些學者將林分結構引入到評價模型中，將植物個體自身的美學特征與空間結構結合有可能成為未來研究的方向之一。