城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃中園林植物綠量計算模型構建及應用

胡 春，馬淵潔，曾凡景，趙惠恩

（北京林業(yè)大學 園林學院，北京100083）

1 引言

現(xiàn)有城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃中應用人均綠地面積、綠地率、綠化覆蓋率［1］來控制城市綠地建設。這從一定程度上控制了綠地的比例和面積，然而卻忽略了草坪、灌木和喬木等不同樹種結構能產(chǎn)生不同程度的生態(tài)效益，不能一概而論。同一地區(qū)用同樣樹種營造的疏林草地肯定比喬灌草復層群落的生態(tài)效益要低，不同樹種組成的相同覆蓋率綠地的生物量也不同。這在人均綠地面積、綠地率、綠化覆蓋率均無法有所體現(xiàn)。因此，本文提出在城市綠地系統(tǒng)的生態(tài)建設中應用生態(tài)效益量化指標——綠量，來引導城市生態(tài)規(guī)劃重視綠地生態(tài)效益，合理配置喬灌草群落。

綠量（Ga）是指植物全部葉片的1／2總面積，是一個面積的概念，它反映了綠地中植物的生物量和對改善生態(tài)環(huán)境、發(fā)揮生態(tài)效益的能力。為了便于比較和計算，對應于城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃中的綠地率和人均綠地面積的指標，目前專家提出了綠量率、人均綠量指數(shù)等概念。其中，綠量率（Gr）也稱葉面積指數(shù)（LAI），指單位面積內(nèi)植物1／2的總葉面積［2］。人均綠量指數(shù)是指在規(guī)劃范圍內(nèi)每人擁有的綠量。可見，兩者均建立在綠量計算結果的基礎上。而一種植物綠量的大小與樹冠的冠形、葉片排列、枝葉密度都相關。在實際計算中，美國加利福尼亞大學 McPherson教授［3，4］（1998）總結了喬木的綠量計算公式，是一個與胸徑、冠徑成正相關的方程。見公式（1），北京園林科研所［5］陳自新、蘇雪痕、劉少宗等（1998）通過大量（上海27種植物，北京37種植物）實測建立了綠量回歸模型，其中灌木綠量見公式（2）。

喬木綠量：Ga＝LA＝ea1×eb1×DHB1－1×eMSE1／2（1）

灌木綠量：Ga＝LA＝aH－b （2）

式中：a1、a2、a3、b1、b2、b3、MSE1、MSE2、MSE3、a、b為相關系數(shù)，DHB為植物胸徑，H為植株高度。

北京林業(yè)大學申曉愉（2007）對北京40種園林植物的綠量進行比較，認為植物綠量的估測均可通過冠幅、胸徑和樹高進行［6］。葉面積指數(shù)在相同的立地條件下，與上述三者相關。周堅華等［7］指出冠幅和樹高具有正相關關系，兩者可以通過回歸方程相互轉化，那么只要知道冠幅，求出樹高，就可得到樹木的樹冠體積，實現(xiàn)了二維平面到三維立體的轉化。

因此，若已知樹齡，則以樹齡為參數(shù)計算胸徑的公式：

若已知冠徑，以胸徑為參數(shù)計算冠徑的公式：

式中：DHB為植物胸徑；t為樹齡；CD為冠徑；H為植株高度。

2 園林植物綠量大小的影響因素

每個城市應用的園林植物，一般至少有500～2000多種，品種則更多。若構建某個城市全部植物物種或品種的綠量模型工作量巨大。為了建立城市綠地系統(tǒng)的園林植物群落規(guī)劃的綠量指標，本文引入了“代表植物綠量”的思想。所謂“代表植物綠量”是指在植物綠量計算中，按照影響綠量大小的主要特征因子將植物分成幾類，按這些特征對植物進行科學分類，每一類植物中選取1～2種植物作為代表植物。代表植物建立的綠量回歸方程就可以近似為某一類植物的綠量模型。代表植物的綠量公式系數(shù)由冠層儀等儀器測量獲取。這樣，同一類的植物綠量計算以代表植物為基準，通過乘以修正系數(shù)進行修正，修正系數(shù)的值可在后續(xù)的科研中可以不斷完善。

前人通過冠層儀已經(jīng)測量了上百種常見園林樹木的綠量值，建立了綠量計算的回歸模型。周堅華以“平面量模擬立體量”方法建立全國第一個以樹冠體積代替綠量的數(shù)據(jù)庫，北京園林科研所總結了各類植被的綠量值，見表1。

表1 北京市常見園林喬灌草綠量平均值

2.1 植株形狀

植物綠量是指全部葉片1／2總面積。喬灌草不同形狀的植物在植株大小和植物葉片數(shù)上存在巨大差異，植物單株綠量肯定不同。如表1中北京市園林綠化樹種生態(tài)效益研究中落葉喬木的綠量約是灌木類的19倍，花竹類的87倍。

2.2 植株大小

即使同一植株形狀的不同植物因植株大小的不同，其植物綠量也不同。如中大喬木的白蠟樹與小喬木的碧桃植物綠量也相差近20倍。

2.3 葉片狀態(tài)

常綠植物與落葉植被在植物生理、葉片構造上均有一定的區(qū)別，常綠植被能一年四季發(fā)揮生態(tài)效益，因此不能等同而論。

2.4 葉片大小

針闊葉植物的葉片數(shù)量和葉片面積區(qū)別較大，針葉樹種比闊葉樹種葉片多而小。從整體來說，一般同樣胸徑的針葉小喬木要比闊葉小喬木的綠量大。

2.5 生長速度

植物的生長速度與胸徑成正比，生長速度對植物葉片數(shù)量的增加起到重要作用。一般來說，同樣胸徑的不同植物，生長速度不同，則綠量的增長量也不同。

3 綠量計算模型構建

綠量算法模型是利用計算綠量、葉面積指數(shù)反映綠地生態(tài)效益的一種分析方法。主要通過數(shù)學公式建立每類植物的單株綠量模型，大大簡化工作量，從而為城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃提供一個可以量化衡量生態(tài)效益的指標。每種植物單株綠量模型的構建技術路線如圖1。該方法克服了城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃綠量計算公式的參數(shù)需要逐一測量，無法直接應用于城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃的缺陷，提出了植物生物量控制的綠量快速計算方法，來正確反映植物的生態(tài)效益，為綠地系統(tǒng)生態(tài)功能提供科學的標準化動態(tài)參照［8］。

3.1 代表植物分類

參考《中國植被》中按照植物生活型［9］（常綠／落葉、針葉／闊葉、速生／中生／慢生、中大喬木／小喬木／中大灌木／小灌木／草本等）植物類群分類方法，對常見的植物歸納，劃分類型。每類植物生活型選取一兩種代表樹種測量綠量公式中的參數(shù)（表2）。

3.2 代表植物綠量計算模型

植物綠量計算相關理論在前言中已詳細論述，不同植物的系數(shù)取值不同。結合植物綠量類群表和代表植物表，本文選取的代表植物（喬木和灌木）的具體參數(shù)［10］見表3、表4。

圖1 綠量的計算模型

表2 植物類群

表3 喬木代表植物參數(shù)

表4 灌木代表植物參數(shù)

因此，如表5所示，在計算某一種植物的綠量時，如楠木、紫楠、肉桂，可采用香樟的綠量計算公式乘以修正系數(shù)得到。

表5 植物綠量計算模型舉例

3.3 修正系數(shù)

由于各種植物本身生理、生態(tài)習性都存在較大的差異，通過近似等量的方法來計算綠量可能個別會存在較大的誤差。因此，在植物綠量計算時部分數(shù)據(jù)需要進行修正。一般來說，植物單株綠量在生長期的平均綠量率有以下的分布特點，見表6、表7。

表6 植物單株各個時期平均綠量率

表7 植物單株各個時期平均有效綠量率

本課題組在中國科學院遙感所的技術支持下，對常見的630種園林綠化樹種按照植物生活型建立綠量計算表，建立生態(tài)效益數(shù)據(jù)庫來控制地區(qū)的生態(tài)效益和景觀設計效果營造。結合GIS，ACCESS，Oracle等相關軟件，在Intrenet中實現(xiàn)了植物綠量數(shù)據(jù)庫中各類植物綠量計算等相關功能的空間遙感平臺，見圖2。

4 綠量模型應用

4.1 綠量模型應用方法

為了將綠量計算模型和數(shù)據(jù)庫的成果應用在城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃中，本課題組已在多個項目中采用了以下方法：結合現(xiàn)狀綠量和城市規(guī)劃中的建設等級分區(qū)，通過規(guī)劃地區(qū)綠量率的方法來控制植物群落規(guī)劃各類適宜植物的選擇與配置比例，來指導城市綠地空間設計。

圖2 植物綠量模型數(shù)據(jù)庫

經(jīng)過園林植物綠量計算模型的測算得到城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃各地塊的現(xiàn)狀綠量值。

城鄉(xiāng)生態(tài)規(guī)劃中的不同生態(tài)建設等級的綠地率和綠化覆蓋率要求不同（表7）［11］，同樣地，目標地塊內(nèi)的植物群落規(guī)劃綠量率也與生態(tài)建設等級相關。建設用地范圍內(nèi)，等級小的地區(qū)綠量率要大，植被的覆蓋面積大，發(fā)揮的生態(tài)效益高。若目標范圍內(nèi)所有面積均有植被覆蓋，則目標區(qū)域所有植物群落平均綠量率即為區(qū)域的綠量率（表8）。計算公式如下：

式中：LAI地塊1為地塊1綠量率，LAI植物群落i為地塊1上的i類群落綠量率 ，LF地塊1為地塊1上的綠化覆蓋率。

表8 不同生態(tài)建設等級覆蓋率規(guī)定

對目標區(qū)域的植物群落，參考植物群落規(guī)劃圖（適宜的植物種類）和規(guī)劃綠量率的結果來配置植物群落的種類、比例和面積。各類植物綠量模型數(shù)據(jù)庫可查詢到單株植物綠量。地塊綠量公式為：

若經(jīng)過計算配置群落達不到綠量率規(guī)劃，則可以通過改變綠地類型、變換植物種類、增加植物數(shù)量、調(diào)整苗木規(guī)格等方法，增加地塊的綠量，發(fā)揮綠地的生態(tài)效益（圖3）。

圖3 綠量率規(guī)劃與植物群落配置

4.2 綠量模型應用案例

淡村鎮(zhèn)位于陜西省渭南市富平縣，西、南與三原相接，北與銅川新區(qū)相連，距富平縣城11.5km，全鎮(zhèn)總面積44.3m2。淡村鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)在控制性規(guī)劃階段應用上述的綠量模型和數(shù)據(jù)庫規(guī)定了每個地塊的綠量率，實現(xiàn)了生物多樣性的控制，從而對每類群落在選擇植物和確定植物比例時都有一定的要求，如地塊A－01上的5個區(qū)域，根據(jù)規(guī)劃土地性質的不同可分別控制綠量率的大小，然后以此為依據(jù)規(guī)劃適宜的植物種類和比例，見圖4。

圖4 淡村鎮(zhèn)基于生態(tài)效益的植物群落規(guī)劃方法

淡村鎮(zhèn)區(qū)地塊的綠地系統(tǒng)控制中群落類型控制是根據(jù)該地區(qū)的立地條件和生態(tài)功能需求得到適宜生長的候選植物，見表9。植物多樣性控制（綠量率）則是對候選植物的比例和數(shù)量進行控制。兩者相輔相成，缺一不可。

那么植物群落控制和植物多樣性控制如何相互結合來實現(xiàn)生態(tài)效益的控制呢？舉例來說，已知地塊A－01－01為防護綠地，適宜群落f，可選擇的候選植物有側柏、懸鈴木、紫葉李、大葉黃楊、月季等。假設該地塊中有一面積為50m×10m的綠地設計了以下的植物群落。

喬木層：5側柏（6cm）、1懸鈴木（10cm）；

灌木層：4紫葉李（3cm）、2大葉黃楊、20m2月季；

草本層：70m2草坪。

則：該地區(qū)當前總綠量＝5×27.68＋1×29.97＋4×4.5＋2×9.36＋20×1.55＋70×1.6＝348.09；

綠量率＝綠量／地塊總面積＝348.09／100＝3.48＜多樣性控制中綠量率的規(guī)劃指（4～5.6）。

因此，由于該綠地的設計當年綠量率不滿足規(guī)劃要求，可以考慮先適當密植，如先在沿路的行道樹紫葉李中間分別間植一棵大葉黃楊，一棵景觀樹懸鈴木變?yōu)?棵。等3～5年后植物長大后再間苗，從而保證地塊的整體園林景觀。

表9 基于生態(tài)效益控制的淡村鎮(zhèn)植物群落規(guī)劃

［3］McPherson E G.Accounting for benefits and costs of urban green space landscape and urban planning［J］.Urban Ecology，1992（22）：41～51.

［4］McPherson E G.Structure and sustainability of Sacramento＇s urban forest［J］.Journal of Forestry，1998，24（4）：174～190.

［5］陳自新，蘇雪痕，劉少宗，等.北京城市園林綠化生態(tài)效益的研究（2）［J］.中國園林，1998，14（2）.

［6］申曉愉.北京常見園林植物葉面積指數(shù)模型研究［D］.北京：北京林業(yè)大學，2007.

［7］周堅華.城市綠量測算模式及信息系統(tǒng)［J］.地理學報，2001，56（1）：14～23.

［8］吳征鎰.中國植被［M］.北京：科學出版社，1990.

［9］McPherson E G.Evaluating the cost effectiveness of shade trees for demand－side management［J］.The Electricity Journal，1993，6（9）：57～65.

［10］饒 戎.懷柔生態(tài)規(guī)劃——生態(tài)規(guī)劃研究及法制化實施途徑［J］.北京規(guī)劃建設，2007（4）.