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北京六环内校园林木树冠覆盖与森林结构分析

李晓婷 马杰 刘佳 贾宝全 姜莎莎

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北京六环内校园林木树冠覆盖与森林结构分析

    作者简介: 李晓婷。主要研究方向:城市景观生态。Email:2459024105@qq.com  地址:100091北京市海淀区香山路东小府一号.
    通讯作者: 贾宝全,博士生导师。主要研究方向:城市景观生态。Email:jiabaoquan2006@163.com  地址:同上. 
  • 中图分类号: S731.8; Q14; X32

Analysis on tree canopy coverage and forest structure in schools within the Sixth Ring Road of Beijing

  • 摘要: 目的 校园是青少年群体的主要活动场所,本文旨在通过探究校园城市森林的数量与质量基础现状,为进一步丰富城市森林内涵,提高未来的校园环境绿化质量提供理论依据和实践参考,使未来校园城市森林的建设及城市森林功能的拓展得到重视,真正满足城市青年群体的需求。方法 本论文以2013年北京城区0.5 m分辨率的World -View- 2卫星影像以及树冠覆盖栅格与矢量图为数据源,对北京市六环内984所学校校园林木树冠覆盖率进行统计;并随机抽取了126所学校,对其城市森林结构进行典型样地调查,记录调查样地内乔灌木植物种类、胸径(乔木)或地径(灌木)、树高、冠幅指标,据此进行校园森林群落结构分析。结果 大学、中学、小学树冠覆盖率分别为31.91%、16.52%、17.08%,潜在树冠覆盖率分别为4.81%、0.62%、0.42%。学校整体物种丰富度指数(R)、Shannon-Wiener指数(H)、Pielou指数(J)分别为6.30、1.55、0.91,大学新校区物种多样性低于老校区。校园内树木平均胸径、冠幅和树高分别为23.93 cm、6.02 m和7.80 m。结论 北京市校园森林群落林木树冠覆盖低于北京市整体林木树冠覆盖水平,且潜在绿化空间不足。大学物种丰富度高于中小学,同类校园内部物种多样性差异也较大,校园绿化水平参差不齐。胸径在10 ~ 20 cm,冠幅在4 ~ 6 m以及树高在5 ~ 10 m等级的青、壮年树木在学校城市森林中的数量占比最多,树冠自然扩展的潜力较强,是今后提高校园林木树冠覆盖的后备力量。校园城市森林树冠覆盖率,树冠覆盖斑块大小,树木胸径平均值均与校园面积显著正相关。
  • 图 1  北京六环内全部学校与学校抽样点分布图

    Figure 1.  Distribution map of the schools and sampling school points within the Sixth Ring Road of Beijing

    图 2  不同类别校园林木树冠覆盖等级分布

    Figure 2.  Coverage level distribution of forest canopy in different kinds of schools

    图 3  校园城市森林空间结构特征

    Figure 3.  Spatial structure characteristics of school urban forests

    图 4  校园面积与林木树冠面积关系

    Figure 4.  Relations between campus area and forest canopy area

    表 1  乔木胸径、冠幅、树高分级

    Table 1.  Grading standards of arbor DBH, crown width and tree height

    等级编号
    Grade No.
    胸径等级
    DBH class/cm
    树高等级
    Tree height (H) class/m
    冠幅等级
    Crown width (G) class/m
    1DBH < 10H < 5G < 2
    210 ≤ DBH < 205 ≤ H < 102 ≤ G < 4
    320 ≤ DBH < 3010 ≤ H < 154 ≤ G < 6
    430 ≤ DBH < 4015 ≤ H < 206 ≤ G < 8
    540 ≤ DBH < 50H ≥ 208 ≤ G < 10
    6DBH ≥ 50G ≥ 10
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    表 2  校园林木树冠覆盖等级统计

    Table 2.  Statistical analysis in levels of school tree canopy coverage

    项目
    Item
    极低覆盖度
    Severe low coverage level
    低覆盖度
    Low coverage level
    中覆盖度
    Medium coverage level
    高覆盖度
    High coverage level
    极高覆盖度
    Severe high coverage level
    覆盖范围
    Coverage range/%
    < 1.5 1.5 ~ 12.012.0 ~ 22.522.5 ~ 33.0 ≥ 33.0
    数量总计
    Total number
    1933935918186
    数量占比
    Rate to total number/%
    1.9334.4536.4818.398.74
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    表 3  UTC斑块规模数量分布比例

    Table 3.  Distribution pattern of UTC patches in different school categories %

    项目
    Item
    小斑块
    Small patch
    (≤ 500 m2)
    中斑块
    Medium patch
    (500 ~ 2 000 m2)
    大斑块
    Large patch
    (2 000 ~ 10 000 m2)
    特大斑块
    Extra large patch
    (10 000 ~ 50 000 m2)
    巨斑块
    Huge patch
    (> 50 000 m2)
    大学 University77.7615.115.521.400.21
    中学 High school84.0613.032.820.090.00
    小学 Primary school87.2210.791.860.130.00
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    表 4  大学校园人均UTC分级

    Table 4.  Distribution of per capita UTC in university campus

    项目
    Item
    ≤ 2 m22 ~ 5 m25 ~ 10 m210 ~ 15 m215 ~ 20 m2> 20 m2总计 Total
    学校数量 School number15122142458
    学校数量占比 Proportion of school/%25.8620.6936.216.903.456.90100
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    表 5  校园城市森林各项多样性指数

    Table 5.  Diversity indexes of urban forests in different school categories

    项目
    Item
    丰富度指数
    Richness index (R)
    Shannon-Wiener指数
    Shannon-Wiener index (H)
    Pielou指数
    Pielou index (J)
    平均值
    Average
    变差系数
    Coefficient of variation
    平均值
    Average
    变差系数
    Coefficient of variation
    平均值
    Average
    变差系数
    Coefficient of variation
    大学 University8.900.351.930.220.910.04
    中学 High school6.700.491.590.330.870.20
    小学 Primary school6.100.541.520.350.920.09
    全部学校 Total school6.300.531.550.350.910.11
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    表 6  校园城市森林乔木平均水平

    Table 6.  Average level of urban forest trees in different school categories

    项目
    Item
    平均胸径
    Average
    DBH/cm
    平均冠幅
    Average crown width/m
    平均树高
    Average tree height/m
    大学
    University
    23.566.037.7
    中学
    High school
    23.25.867.82
    小学
    Primary school
    25.596.148.41
    全部学校
    Total school
    23.746.027.8
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    表 7  新旧校区各项指标比较

    Table 7.  Comparison in each index between old and new campuses

    项目
    Item
    丰富度指数
    Richness
    index (R)
    Shannon-Wiener指数
    Shannon-Wiener
    index (H)
    Pielou指数
    Pielou
    index (J)
    现实树冠覆盖率
    Existing canopy
    coverage (EUTCR)/%
    潜在树冠覆盖率
    Potential canopy
    coverage (PUTCR)/%
    老校区 Old campus5.421.460.9030.790.00
    新校区 New campus4.911.200.7427.760.08
    差值 D-value− 0.51 − 0.26 − 0.16 − 3.030.08
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    ZHAOGuang-jie
    李雪峰鲁绍伟王玉涛刘常富王云琦张路平何正权韩烈保洪伟王玉杰韩士杰赵广杰张建国何兴元张树文吴斌宋湛谦朱天辉何承忠李吉跃翟洪波温俊宝LUOWen-sheng余新晓何友均白陈祥李增元吴庆利骆有庆张志毅童书振张养贞黄文豪陈尔学刘凤芹李俊清梁小红姜伟骆有庆匡秋明郭忠玲FurunoTakeshi]魏晓霞林秦文何静]陈玮陈发菊赵桂玲梁宏伟李颖曾会明RENQian郑兴波庞勇许志春张军崔国发张振明胡伟华安新民许志春张璧光杨凯雷渊才侯伟刘君郑杰赵广亮宋国正曹川健PaulWolfgang李福海李凤兰董建生姚永刚张全来张有慧田桂芳李考学李永波赫万成李长明张世玺 . 沈阳城市森林三维绿量测算. 北京林业大学学报, 2006, 3(3): 32-37.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-06-18
  • 录用日期:  2019-11-19
  • 网络出版日期:  2020-03-21
  • 刊出日期:  2020-03-01

北京六环内校园林木树冠覆盖与森林结构分析

    通讯作者: 贾宝全, jiabaoquan2006@163.com
    作者简介: 李晓婷。主要研究方向:城市景观生态。Email:2459024105@qq.com  地址:100091北京市海淀区香山路东小府一号
  • 1. 中国林业科学研究院林业研究所,北京 100091
  • 2. 国家林业和草原局林木培育重点实验室,北京 100091
  • 3. 国家林业和草原局城市森林研究中心,北京 100091
  • 4. 河南科技学院,河南 新乡 453003

摘要: 目的校园是青少年群体的主要活动场所,本文旨在通过探究校园城市森林的数量与质量基础现状,为进一步丰富城市森林内涵,提高未来的校园环境绿化质量提供理论依据和实践参考,使未来校园城市森林的建设及城市森林功能的拓展得到重视,真正满足城市青年群体的需求。方法本论文以2013年北京城区0.5 m分辨率的World -View- 2卫星影像以及树冠覆盖栅格与矢量图为数据源,对北京市六环内984所学校校园林木树冠覆盖率进行统计;并随机抽取了126所学校,对其城市森林结构进行典型样地调查,记录调查样地内乔灌木植物种类、胸径(乔木)或地径(灌木)、树高、冠幅指标,据此进行校园森林群落结构分析。结果大学、中学、小学树冠覆盖率分别为31.91%、16.52%、17.08%,潜在树冠覆盖率分别为4.81%、0.62%、0.42%。学校整体物种丰富度指数(R)、Shannon-Wiener指数(H)、Pielou指数(J)分别为6.30、1.55、0.91,大学新校区物种多样性低于老校区。校园内树木平均胸径、冠幅和树高分别为23.93 cm、6.02 m和7.80 m。结论北京市校园森林群落林木树冠覆盖低于北京市整体林木树冠覆盖水平,且潜在绿化空间不足。大学物种丰富度高于中小学,同类校园内部物种多样性差异也较大,校园绿化水平参差不齐。胸径在10 ~ 20 cm,冠幅在4 ~ 6 m以及树高在5 ~ 10 m等级的青、壮年树木在学校城市森林中的数量占比最多,树冠自然扩展的潜力较强,是今后提高校园林木树冠覆盖的后备力量。校园城市森林树冠覆盖率,树冠覆盖斑块大小,树木胸径平均值均与校园面积显著正相关。

English Abstract

  • 城市森林在减缓城市热岛效应、净化环境、调节气候、涵养水源和保护城市生物多样性等方面具有重要作用。城市森林的数量与质量也越来越成为当代城市与城市之间比较与竞争的核心基础力量[1]。2017年中共中央国务院批复了《北京城市总体规划(2016—2035年)》,提出“健全市域绿色空间体系,建设城市森林,让森林进入城市”的目标,2019年《北京森林城市发展规划(2018—2035)》通过评审,以问题和需求为导向,根据国际城市生态环境建设发展趋势、对标国家森林城市评价指标要求,提出了城区林木树冠覆盖率、大斑块森林比例等特色指标。

    “林木树冠覆盖”是国外研究城市森林最常用的评价指标,被广泛应用于城市树木冠层评估和管理决策之中[2-3]。由于引进较晚,国内对“城市林木树冠覆盖”的消化、吸收还远远不够,系统介绍“林木树冠覆盖”内涵、研究现状及趋势的文献综述仅有1篇[4],相关的研究也仅处于起步阶段。围绕城市公园、居住区、事业单位等城市功能单元内部林木树冠覆盖的现状及潜力及其在城市热岛缓解、空气净化、生物多样性保护等方面的显著作用的研究相对较多[5-7],对校园等此类城市功能单元内部城市森林的树冠覆盖与城市森林结构现状关注较少。实际上,城市发展的压力越来越大,确定和培育可改善城市生态环境问题和促进生物多样性保护等的多种类型的城市生态景观斑块的必要性逐渐凸显[8],校园城市森林应该被给予更多的关注,尤其是在校园数量众多的北京,校园城市森林是北京城区城市森林不可忽视的组成部分。此外,城市森林的建设不仅服务于城市生态环境的改善,更重要的是满足特定群体的需求,校园城市森林作为城市中最中坚力量的青年学生群体的最直接需求,不应该被忽视。校园城市森林与学生成长、健康之间的关系已经得到广泛的证明,例如,一些研究结果表明,在森林学校成长的儿童更加自信、自尊和独立,且更容易培养热爱自然和亲近自然的习惯,更富有同理心[9];树冠覆盖率较高的中小学相比树冠覆盖率低的中小学其学生具有更高的平均成绩[10];大学中容易接触到森林环境的学生,通常较少有压力、愤怒和抑郁等负面情绪的困扰,心理状态更加健康,从而更利于取得学术成就[11];在校园森林环境中行走50分钟的年轻人表现出明显的压力和愤怒减少,积极情绪增加[12]。本文旨在通过探究校园城市森林的数量与质量基础现状,为进一步丰富城市森林内涵,提高未来的校园环境绿化质量提供理论依据和实践参考,同时期望未来校园城市森林的建设及城市森林功能的拓展得到重视,能够真正满足城市青年群体的需求。

    • 本次的研究区域边界为北京市六环路以内的区域,土地总面积2 273.16 km2,该区域为典型的暖温带半湿润大陆性季风气候,年均气温11.6 ~ 14 ℃,年均降水量590 ~ 630 mm。该区域植被以城市绿地和农业植被为主,土壤类型以潮土、褐土为主,另有少量的砂姜黑土、水稻土、粗骨土、棕壤和风沙土分布。北京市高校众多,本研究以北京市基础地理信息数据库下载的2016年校园分布点状图为依据,以经过精校正的2013年9月份分辨率为0.5 m的World-View-2遥感影像为基础,结合实地勾绘,完成了北京市六环以内全部大学、中学和小学校园的边界矢量化工作,统计结果显示研究区范围内共有大学179所,中学327所,小学478所,共计984所,学校总占地面积43.89 km2,其中大、中、小学占地面积分别为31.39、7.33、5.17 km2

    • 城市林木树冠覆盖(urban tree canopy,简称UTC)是指当从空中鸟瞰时,树木的叶片、枝条和树干所覆盖的地表区域。它是目前国际上最通用的城市森林建设与评价指标,一般分为现实林木树冠覆盖(existing urban tree canopy,简称EUTC)和潜在林木树冠覆盖(possible urban tree canopy,简称PUTC)两类[2-3]。EUTC是指现状情况下林木树冠覆盖的土地面积,用于衡量研究区域内林木树冠覆盖的总量信息;PUTC指的是可以用于种植树木但目前还未实施种植的土地区域,一般指裸土地和草地,该指标能够很好的指示后期可用于生态开发和建设的空间规模[4]

      本文对校园林木树冠覆盖采取普查的方式,对北京市六环范围内所有的大学、中学和小学进行了林木树冠覆盖的统计。应用基于面向对象解译平台eCognition软件,对0.5 m分辨率的World -View- 2卫星影像进行土地覆盖分类,得到了2013年北京市校园树冠覆盖栅格与矢量图,通过检验该影像的分类结果总体精度达到了96.02%,Kappa系数达到了0.923 1;树冠覆盖分级的划分标准参照刘秀萍[6]的方法:以树冠覆盖率均值作为基准,上下依次加减0.5、1、1.5倍标准差精准估算取“半整”所得值作为分界点,为所得林木树冠覆盖值进行分级。最终学校林木树冠覆盖分级为:< 1.5%(极低覆盖度),1.5% ~ 12.0%(低覆盖度),12.0% ~ 22.5%(中覆盖度),22.5% ~ 33.0%(高覆盖度),≥ 33.0%(极高覆盖度)。对城市森林斑块的分类标准,参照吴泽民等[13]的分类方法,将林木树冠覆盖斑块分为5级:≤ 500 m2(小斑块),500 ~ 2 000 m2(中斑块),2 000 ~ 10 000 m2(大斑块)、10 000 ~ 50 000 m2(特大斑块),> 50 000 m2(巨斑块)。

      ${\rm{EUTCR}} = \frac{{{\rm{EUTC}}}}{A} \times 100 \% $

      (1)

      ${\rm{PUTCR}} = \frac{{{\rm{PUTC}}}}{A} \times 100 \% $

      (2)

      式中:EUTCR表示区域现实林木树冠覆盖率,EUTC表示在研究区域内现实林木树冠覆盖的面积,PUTCR表示区域潜在林木树冠覆盖率,PUTC表示在研究区域内潜在林木树冠覆盖的面积,A表示研究区总面积。EUTCR值越大,表明区域内城市森林面积占比越大,也意味着该区域内的生态服务功能也更强,PUTCR值越大,表明区域内今后可开发的潜在绿化面积越大。

    • 根据空间分布均衡的原则对984所学校随机抽样,分别抽取大学、中学、小学各34(共计53个校区)、45、47所(图1),对被抽取学校采用典型样地调查法,每个研究对象选取2 ~ 5个20 m × 20 m标准样方,若条件不允许,则根据实际情况确定样方数量和取样单位(样方、样带等),但要保证每个样方的面积与标准样方保持一致。对样方内乔木层以及灌木层树种的名称、数量、胸径(乔木)或地径(灌木)、树高、冠幅进行调查,对由于绿地面积过小或者只有一些散生木生长,不能满足样地调查的学校则采用普查法,对校园的全部树木进行每木检尺,采用普查的学校共涉及到63所,其中中学26所,小学37所。以调查数据为依托,分析校园城市森林的物种多样性以及乔木胸径、冠幅、树高结构特征,并参照吴泽民[13]的方法对胸径、树高、冠幅进行等级划分,对空间结构进行更深入的研究(表1)。

      图  1  北京六环内全部学校与学校抽样点分布图

      Figure 1.  Distribution map of the schools and sampling school points within the Sixth Ring Road of Beijing

      表 1  乔木胸径、冠幅、树高分级

      Table 1.  Grading standards of arbor DBH, crown width and tree height

      等级编号
      Grade No.
      胸径等级
      DBH class/cm
      树高等级
      Tree height (H) class/m
      冠幅等级
      Crown width (G) class/m
      1DBH < 10H < 5G < 2
      210 ≤ DBH < 205 ≤ H < 102 ≤ G < 4
      320 ≤ DBH < 3010 ≤ H < 154 ≤ G < 6
      430 ≤ DBH < 4015 ≤ H < 206 ≤ G < 8
      540 ≤ DBH < 50H ≥ 208 ≤ G < 10
      6DBH ≥ 50G ≥ 10

      $ R=S $

      (3)

      $ H = - \sum\limits_{i = 1}^n {p_i\ln p_i} $

      (4)

      $ J=H/\ln S $

      (5)

      式中: R表示物种丰富度指数,S表示群落中的总物种数;H表示物种多样性Shannon-Wiener指数,n为种的总和,Pi为样方中属于i种所占的比例;J表示Pielou均匀度指数。

    • 校园整体EUTCR为27.62%,PUTCR为2.93%,若将潜在林木树冠覆盖区域全部用于绿化,理论上能达到的最大树冠覆盖率为30.55%,依然低于北京城区整体树冠覆盖水平39.53%[14]。大部分学校处于1.5% ~ 22.5%的中、低覆盖度等级,其中还有1.93%的学校林木树冠覆盖不到1.5%。林木树冠覆盖高于22.5%,即处于高和极高覆盖度水平的学校仅占27.13%(表2)。

      表 2  校园林木树冠覆盖等级统计

      Table 2.  Statistical analysis in levels of school tree canopy coverage

      项目
      Item
      极低覆盖度
      Severe low coverage level
      低覆盖度
      Low coverage level
      中覆盖度
      Medium coverage level
      高覆盖度
      High coverage level
      极高覆盖度
      Severe high coverage level
      覆盖范围
      Coverage range/%
      < 1.5 1.5 ~ 12.012.0 ~ 22.522.5 ~ 33.0 ≥ 33.0
      数量总计
      Total number
      1933935918186
      数量占比
      Rate to total number/%
      1.9334.4536.4818.398.74

      不同级别校园EUTCR表现为:大学(31.91%) > 小学(17.08%) > 中学(16.52%),PUTCR表现为:大学(3.87%) > 中学(0.62%) > 小学(0.42%)。中、小学二者之间EUTCR值差别不大,均在17%左右,但与大学校园EUTCR水平差距较大,差值达14%左右;除此之外,大学还有3.87%的绿化潜力,而中小学绿化潜力均极小,不到1%。这与实地调研结果相一致,中学与小学校园面积本身较小,建筑、学生活动空间如操场以及道路通行空间等不透水地表占据了校园大部分面积,现有绿化空间不足,潜在可利用的绿化空间微乎其微。

      从各类学校在不同林木树冠覆盖度等级的分布来看(图2),大学整体绿化情况显著优于中小学。大部分大学校园林木树冠覆盖集中在12.0% ~ 33.0%的中、高覆盖度等级,处于极高覆盖度等级的学校数量占到24.58%。中学和小学则均以低于12.0%的低、中覆盖度水平为主,其中还有1.53%的中学和2.93%的小学林木树冠覆盖低于1.5%,处于极低覆盖度水平,处于极高覆盖度等级水平的中学和小学分别只有2.45%、7.11%。

      图  2  不同类别校园林木树冠覆盖等级分布

      Figure 2.  Coverage level distribution of forest canopy in different kinds of schools

    • 不同级别校园EUTC斑块平均面积表现为(表3):大学(1 051.33 m2)> 中学(353.55 m2)> 小学(286.55 m2),大学EUTC斑块面积平均值远高于中小学,差值达700 m2左右。不同级别校园EUTC斑块均以500 m2以下的小斑块为主,大学校园EUTC斑块在较大等级上的数量分布明显高于中小学,其中大学EUTC斑块在高于50 000 m2的巨斑块等级上也有分布,比例为0.21%,中小学则均为0。整体来看,中学和小学校园林木树冠覆盖斑块在各等级的数量分布差异不大。

      表 3  UTC斑块规模数量分布比例

      Table 3.  Distribution pattern of UTC patches in different school categories %

      项目
      Item
      小斑块
      Small patch
      (≤ 500 m2)
      中斑块
      Medium patch
      (500 ~ 2 000 m2)
      大斑块
      Large patch
      (2 000 ~ 10 000 m2)
      特大斑块
      Extra large patch
      (10 000 ~ 50 000 m2)
      巨斑块
      Huge patch
      (> 50 000 m2)
      大学 University77.7615.115.521.400.21
      中学 High school84.0613.032.820.090.00
      小学 Primary school87.2210.791.860.130.00
    • 大学整体人均UTC均值为6.45 m2,标准差为6.56。有25.86%的学校人均UTC小于2 m2,82.76%的学校人均UTC在10 m2以下,样本中有4所大学人均UTC超过了20 m2,依次为清华大学(26.90 m2),北京农学院(26.64 m2),北京体育大学(21.59 m2),北京大学(20.19 m2)(表4)。

      表 4  大学校园人均UTC分级

      Table 4.  Distribution of per capita UTC in university campus

      项目
      Item
      ≤ 2 m22 ~ 5 m25 ~ 10 m210 ~ 15 m215 ~ 20 m2> 20 m2总计 Total
      学校数量 School number15122142458
      学校数量占比 Proportion of school/%25.8620.6936.216.903.456.90100
    • 学校整体物种丰富度指数(R)、多样性Shannon-Wiener指数(H)、均匀度Pielou指数(J)平均值分别为6.30、1.55、0.91(表5)。物种丰富度和均匀度整体均较高。大学整体物种丰富度高于中学和小学,中学和小学不仅物种丰富度低且变差系数大,这表明中小学内部校园绿化参差不齐,差距较大。

      表 5  校园城市森林各项多样性指数

      Table 5.  Diversity indexes of urban forests in different school categories

      项目
      Item
      丰富度指数
      Richness index (R)
      Shannon-Wiener指数
      Shannon-Wiener index (H)
      Pielou指数
      Pielou index (J)
      平均值
      Average
      变差系数
      Coefficient of variation
      平均值
      Average
      变差系数
      Coefficient of variation
      平均值
      Average
      变差系数
      Coefficient of variation
      大学 University8.900.351.930.220.910.04
      中学 High school6.700.491.590.330.870.20
      小学 Primary school6.100.541.520.350.920.09
      全部学校 Total school6.300.531.550.350.910.11
    • 图3a表6可知,北京六环内校园树木平均胸径为23.74 cm,有4.80%的树木胸径小于10 cm,这些小径级树种主要有龙爪槐(Sophora japonica f. pendula)、鸡爪槭(Acer palmatum)、紫薇(Lagerstroemia indica)、黄栌(Cotinus coggygria)等;23.49%的树木胸径大于30 cm,其中胸径大于50 cm的大径级树种占到了7.16%,主要树种组成为毛白杨(Populus tomentosa)、泡桐(Paulownia fortunei)、悬铃木(Platanus hispanica)、雪松(Cedrus deodara)、国槐(Sophora japonica)、加杨(Populus × canadensis)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、臭椿(Ailanthus altissima)、紫玉兰(Magnolia liliflora)、枣树(Ziziphus jujuba)、银杏(Ginkgo biloba)、垂柳(Salix babylonica)、丝棉木(Euonymus maackii)、栾树(Koelreuteria paniculata)和白蜡(Fraxinus chinensis),其中不乏二级古树,如雪松、国槐、枣树、银杏等。不同类别学校树木平均胸径表现为小学(25.59 cm) > 大学(23.56 cm) > 中学(23.20 cm),大学、中学还有小学均表现出随着胸径等级的增大树木数量分布呈先升高后降低的变化趋势,3类学校树木数量均在10 ~ 20 cm胸径等级分布最多,小学在大于50 cm的大径级等级的数量分布高于大学和中学。

      图  3  校园城市森林空间结构特征

      Figure 3.  Spatial structure characteristics of school urban forests

      表 6  校园城市森林乔木平均水平

      Table 6.  Average level of urban forest trees in different school categories

      项目
      Item
      平均胸径
      Average
      DBH/cm
      平均冠幅
      Average crown width/m
      平均树高
      Average tree height/m
      大学
      University
      23.566.037.7
      中学
      High school
      23.25.867.82
      小学
      Primary school
      25.596.148.41
      全部学校
      Total school
      23.746.027.8

      校园整体树木平均高度为7.80 m,如表6所示,不同类别学校树木平均树高排序为小学(8.41 m) > 中学(7.82 cm) > 大学(7.70 cm)。其中分布在5 ~ 10 m等级的树木数量最多(图3b),达到了43.92%。高于15 m的树种占到6.08%,主要有毛白杨、悬铃木、栾树、泡桐、圆柏(Sabina chinensis)、雪松、加杨、国槐、白蜡、梧桐(Firmiana platanifolia)、梨树(Pyrus ussuriensis)、水杉(Metasequoia glyptostroboides)、鹅掌楸(Liriodendron chinensis)、垂柳、旱柳(Salix matsudana)、紫玉兰、白皮松(Pinus bungeana)、核桃(Carya cathayensis)、桑树(Morus alba)、枣树、臭椿、银杏、刺槐、小叶杨(Populus simonii)。无论是大学、中学还是小学均表现出随着高度等级的增大乔木数量分布先升高后降低的趋势,且3类学校树木数量均在5 ~ 10 m树高等级分布最多。在树高大于20 m等级的数量分布表现为大学高于中学和小学。

      校园整体树木平均冠幅为6.02 m,如图3c,小冠幅(< 2 m)树种占比最少,只有2.32%,冠幅在4 ~ 6 m等级的树木数量最多,达到了29.74%,冠幅大于10 m的树种占到9.89%,组成树种中数量占比较高的主要有国槐、毛白杨、悬铃木、雪松、泡桐、加杨。各类别学校平均冠幅表现为小学(6.14 m) > 大学(6.03 m) > 中学(5.86 m),大学、中学和小学均表现出随着冠幅等级的增大乔木数量分布呈现先升高后降低的变化趋势,其中大学和小学在4 ~ 6 m胸径等级数量分布最多,中学在2 ~ 4 m胸径等级分布数量最多,但中学在大冠幅(> 10 m)等级的数量分布百分比高于大学和小学。

    • 林木树冠覆盖是衡量校园树木数量和范围最简单、最直观的指标,研究校园林木树冠覆盖对于了解校园城市森林现状和建设潜力具有重要意义。从目前研究结果来看,校园整体EUTCR为27.62%,与我们对北京城区其他社区类功能单元林木树冠的研究结果对比来看(居住区29.67%,企事业单位26.88%),学校绿化的平均状况表现并不出众,与北京城区其他社区类功能单元的平均绿化情况相类似。但是不同级别校园之间绿化差异较大,大学显著优于中学和小学,对于各类别校园林木树冠覆盖具体应该达到多少最合适,目前国内外并没有提出一个具体的标准。我国在2013年正式发布的《绿色校园评价标准》中明确提出各大高校以及中小学学校绿地率应高于国家及相关地区标准,不低于35%,大学人均公共绿地面积不低于2 m2。虽然绿地率与林木树冠覆盖从概念上讲有一定的差异,但是从本文对校园林木树冠覆盖的计算结果也一定程度上能推测出大部分学校未达到绿色校园的标准,尤其是中小学EUTCR仅处在16% ~ 18%水平,绿量明显不足,中小学绿化水平较差的现状无论在国内还是在国外都普遍存在,比如美国洛杉矶小学校园EUTCR均值仅为11.0%[15],加拿大多伦多为13.6%[10]。作为中小学生户外活动的主要场所,缺乏庇荫和绿色的环境对青少年的健康成长极其不利,因此,校园环境亟待加强绿化建设。但是从校园整体绿化潜力来看,只有2.93%,这也是今后校园城市森林建设的难点,尤其是中小学,绿化潜力不到1%。造成校园绿化现状的问题有很多,其中包括基址条件的限制、规划和设计中存在的问题等等[16],要想改善现状,最重要的一点就是应该运用更集约化的理念和方法对校园中的空间进行整合,将松散无序的绿化空间条理化,整体化[17],增强树冠斑块的整体连通性,增加大树冠斑块占比,提高空间利用效率的同时增强树冠斑块的生态效益[18];除此以外,构建复层群落,采用更多样化的绿化形式,努力拓展三维绿量也是今后校园环境建设的一个主要方向。

    • 校园面积对校园林木树冠覆盖以及城市森林结构的影响不容忽视。对校园面积和树冠覆盖面积做散点图,二者呈明显的正相关性,可拟合为y=0.342 3x−0.512 6的方程,R2高达0.94(图4),且SPSS分析结果显示,校园面积与其内部林木树冠斑块的平均面积在0.01水平上呈显著正相关,说明校园面积越大的学校,其内部树冠覆盖面积也相对较大,树冠覆盖斑块的平均面积也相对较大;研究还表明校园面积与物种多样性呈显著正相关(P < 0.005),校园面积较大的学校物种多样性越高,大学校园物种多样性均值明显高于中小学。

      图  4  校园面积与林木树冠面积关系

      Figure 4.  Relations between campus area and forest canopy area

      此外,校园建设时间对校园林木树冠覆盖以及城市森林结构也有显著影响。以大学为例,在实际调研的大学中有13个学校涉及到2个或者3个分校区。对各学校本部校区以及新校区的树冠覆盖以及城市森林结构指标进行统计和对比,其中涉及到2个新校区的学校,采用将2个新校区各项指标数值取均值的处理来代表其新校区水平与本部校区进行对照(表7)。

      表 7  新旧校区各项指标比较

      Table 7.  Comparison in each index between old and new campuses

      项目
      Item
      丰富度指数
      Richness
      index (R)
      Shannon-Wiener指数
      Shannon-Wiener
      index (H)
      Pielou指数
      Pielou
      index (J)
      现实树冠覆盖率
      Existing canopy
      coverage (EUTCR)/%
      潜在树冠覆盖率
      Potential canopy
      coverage (PUTCR)/%
      老校区 Old campus5.421.460.9030.790.00
      新校区 New campus4.911.200.7427.760.08
      差值 D-value− 0.51 − 0.26 − 0.16 − 3.030.08

      结果表明物种丰富度指数(R)、Shannon-Wiener指数(H)以及Pielou指数(J)3项指标新校区相比老校区均有所下降,减少量分别为0.50、0.26和0.16;从UTC水平值来看,新校区EUTCR值相比老校区降低3.03%,但PUTCR提高0.08%。

    • 城市森林的建设不仅仅服务于城市生态环境的改善,更重要的是需要满足特定群体的需求,传播文化知识。校园城市森林是校园环境中最有生命力和感召力的部分,是校园历史和文化的重要载体,对于打造校园特色,保障校园丰富多彩的物质与文化生活、促进校园的可持续发展发挥着不可替代的作用[19]。此外,校园森林的主要服务对象为正在成长期的青年学生群体,长期生活在绿色的校园环境中对中小学及大学生的认知、情感、人际和身体健康的积极影响被许多研究广泛证实,“森林学校”在许多国家被广为接受并有所发展[20],近几年来在中国也有所建设和发展,表明了中国家长对学生自然环境教育的日益重视。从目前校园城市森林的现状来看,不仅需要增量,还需要提质,比如,虽然大部分大学校园物种多样性水平较高,但整体变差系数大,校园绿化水平参差不齐。在实地调研中也发现,各校园在树种的选择上同质化现象严重,没有打造出主题突出、特色鲜明、景观优美的校园森林群落[21];新校区出现整体绿量下降,物种多样性降低的现象,这说明在新一轮高校校园扩张建设过程中,绿地系统规划和植物种植设计仍然没有得到应有的重视,对未来城市森林整体发展极为不利,是校园城市森林建设亟待遏制和扭转的现象。中小学物种丰富度偏低,说明中小学应该成为未来校园城市森林景观质量提升的重点建设区域,在潜在绿化空间有限的情况下,增加草本植物的多样性也不失为一种有效的方法。在增量和提质的基础上还需要对城市森林在特定场所下应该发挥的功能有所拓展,比如校园环境的自然教育功能。目前我国自然教育主要是依托各类城市公园、植物园等校外载体来开展[22],且教师队伍专业性不强和教育资源不足等问题突出,自然教育长期囿于学校外部来开展,难以为学校自然教育常态化实施提供资源保障。学校作为教育的主战场,校园城市森林作为城市森林的最主要组成部分,是学生日常接触最密切的绿色资源,其自然教育功能的拓展和开发却一直被忽视。为有效保障和维持青少年群体的自然教育,对校园自身内部城市森林教育功能的深度挖掘应该成为日后校园城市森林建设的重点内容[23]

    • 北京市六环以内校园整体EUTCR为27.62%,低于北京城区整体EUTCR水平,但还有2.93%的提升潜力,且潜力区主要分布在大学,中小学EUTCR及PUTCR水平均较低。

      大学校园整体物种多样性较高,中小学相比大学校园物种多样性偏低;无论大学、中学还是小学内部物种多样性变差系数均较大,校园绿化水平参差不齐。

      北京城区学校森林平均胸径、冠幅、树高分别为23.93 cm、6.02 m、7.80 m,其中胸径在10 ~ 20 cm,冠幅在4 ~ 6 m以及树高在5 ~ 10 m等级的青、壮年树木数量占比最多,树冠自然扩展的潜力较强,是今后提高校园林木树冠覆盖的后备力量。

      大学新建校区相比本部校区物种丰富度明显有所下降,不利于校园森林群落长期的稳定性;新建校区PUTCR值明显增加,校园绿化潜力相比老校区更大。

      校园城市森林树冠覆盖率,树冠覆盖斑块大小,树木胸径平均值均与校园面积显著相关。

参考文献 (23)

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