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密度、灌草盖度和树干形态对油松人工风景林林内景观指数的影响

李苹 毛斌 许丽娟 吴鞠 刘海轩 徐程扬

引用本文:
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密度、灌草盖度和树干形态对油松人工风景林林内景观指数的影响

    作者简介: 李苹。主要研究方向:城市林业。Email:15600990261@163.com  地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学林学院.
    通讯作者: 徐程扬,教授。主要研究方向:公益林、城市林业培育理论与技术。Email:cyxu@bjfu.edu.cn  地址:同上
  • 基金项目:

    林业公益性行业科研专项 2011BAD38B0303

  • 中图分类号: S731.2

Effects of density, shrub-herb coverage and trunk shape on the in-forest patch index of planted Pinus tabuliformis forests

  • 摘要: 目的 林分密度、灌草盖度和树干形态是影响风景林林内景观质量的重要因子,本文从色彩斑块景观指数变化特点角度,对北京油松人工风景林林内景观质量形成机理进行探讨。方法 通过林内景观画面的色彩斑块结构特点解析,研究了林分密度、灌草盖度和树干形态变化对林内景观指数的影响。结果 林分密度对斑块分裂指数(SPI)有显著影响,SPI随林分密度的增大而减小;灌草盖度对聚集度指数(AI)、景观形状指数(LSI)有显著影响,随灌草盖度增大两个指数均增大;树干形态对辛普森均匀度指数(SIEI)有极显著影响,对LSI有显著影响,LSI在树干弯曲与通直并存时数值较大,SIEI在树干通直时数值较大;林分密度与灌草盖度的交互作用对LSI、SPI、SIEI有显著影响,3个指数随林分密度的增大而减小,随灌草盖度的增大而增大。林分密度与树干形态的交互作用对LSI、SIEI有显著影响,两个指数随林分密度的增大而减小,LSI在树干弯曲与通直并存时数值较大,SIEI在树干通直时数值较大;灌草盖度与树干形态的交互作用对SIEI有显著影响,SIEI随灌草盖度的增大而增大,在树干弯曲与通直并存时数值较大。结论 林分密度、灌草盖度、树干形态及其交互作用均对林内景观指数有显著影响。主要原因是结构要素的变化引起视域内斑块数量以及形状的改变从而引起斑块指数的变化。
  • 图 1  美景度值与斑块指数的简相关系数比较

    Figure 1.  Comparison in simple correlation coefficient between scenic beauty value and patch indices

    图 2  林分密度、灌草盖度、树干形态对景观斑块指数的影响

    Figure 2.  Influences of stand density, shrub-herb coverage and trunk shape on landscape patch index

    图 3  林分密度与灌草盖度对景观斑块指数的交互影响

    Figure 3.  Interactive influences of stand density and shrub-herb coverage on landscape patch index

    图 4  林分密度、灌草盖度与树干形态对景观斑块指数的交互影响

    Figure 4.  Interactive influences of stand density, shrub-herb coverage and trunk shape on landscape patch index

    图 5  林分密度、灌草盖度和树干形态对SPI的交互作用

    Figure 5.  Interactive influences of stand density, shrub-herb coverage and trunk shape on SPI

    表 1  人工油松风景林样地概况

    Table 1.  Main information of sampled plots of planted Pinus tabuliformis forest

    密度级
    Stand density grade
    密度范围/(株·hm-2)
    Stand density range/(tree·ha-1)
    样地数量
    Sample plot number
    平均胸径
    Average DBH/cm
    平均冠幅
    Average crown width/m
    平均树高
    Average tree height/m
    灌草盖度
    Shrub and herb coverage/%
    透视距离
    Perspective distance/m
    450~800 13 16.1±0.4 5.5 8.6±0.24 70~90 25~30
    800~1 100 17 14.1±0.2 4.7 7.9±0.2 0~70 15~20
    1 100~1 380 10 12.6±0.2 4.1 8.2±0.7 70~90 5~7
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    表 2  不同处理间景观斑块指数方差分析

    Table 2.  Variance analysis of landscape patch index among different treatments

    变异来源
    Origin of variance
    LSI SIEI SPI AI
    F P F P F P F P
    A 1.036 0.433 4.200 0.104 12.748 0.018 2.733 0.178
    B 3.228 0.045 2.425 0.130 0.191 0.828 8.391 0.005
    C 12.475 0.012 29.832 0.001 0.909 0.377 1.312 0.295
    A×B 5.879 0.007 3.806 0.031 5.475 0.009 2.675 0.083
    A×C 6.110 0.035 9.299 0.014 4.386 0.067 3.847 0.084
    B×C 1.611 0.239 6.175 0.014 3.380 0.068 0.357 0.706
    A×B×C 2.296 0.118 2.312 0.117 3.449 0.042 2.568 0.092
    注:A代表林分密度,B代表灌草盖度,C代表树干形态。Notes: A stands for stand density, B stands for shrub-herb coverage, and C stands for trunk shape.
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-03-05
  • 录用日期:  2018-03-22
  • 刊出日期:  2018-10-01

密度、灌草盖度和树干形态对油松人工风景林林内景观指数的影响

    通讯作者: 徐程扬, cyxu@bjfu.edu.cn
    作者简介: 李苹。主要研究方向:城市林业。Email:15600990261@163.com  地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学林学院
  • 1. 北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室,干旱、半干旱地区森林培育和森林生态系统国家林业局重点实验室,北京 100083
  • 2. 太原学院园艺系,山西 太原 030032
基金项目:  林业公益性行业科研专项 2011BAD38B0303

摘要: 目的林分密度、灌草盖度和树干形态是影响风景林林内景观质量的重要因子,本文从色彩斑块景观指数变化特点角度,对北京油松人工风景林林内景观质量形成机理进行探讨。方法通过林内景观画面的色彩斑块结构特点解析,研究了林分密度、灌草盖度和树干形态变化对林内景观指数的影响。结果林分密度对斑块分裂指数(SPI)有显著影响,SPI随林分密度的增大而减小;灌草盖度对聚集度指数(AI)、景观形状指数(LSI)有显著影响,随灌草盖度增大两个指数均增大;树干形态对辛普森均匀度指数(SIEI)有极显著影响,对LSI有显著影响,LSI在树干弯曲与通直并存时数值较大,SIEI在树干通直时数值较大;林分密度与灌草盖度的交互作用对LSI、SPI、SIEI有显著影响,3个指数随林分密度的增大而减小,随灌草盖度的增大而增大。林分密度与树干形态的交互作用对LSI、SIEI有显著影响,两个指数随林分密度的增大而减小,LSI在树干弯曲与通直并存时数值较大,SIEI在树干通直时数值较大;灌草盖度与树干形态的交互作用对SIEI有显著影响,SIEI随灌草盖度的增大而增大,在树干弯曲与通直并存时数值较大。结论林分密度、灌草盖度、树干形态及其交互作用均对林内景观指数有显著影响。主要原因是结构要素的变化引起视域内斑块数量以及形状的改变从而引起斑块指数的变化。

English Abstract

  • 从不同的观赏距离和观赏角度,森林景观可以分为细部景观、个体景观、林内景观、林道景观、近景观、中景观和远景观7个层次[1]。其中,林内景观是观察者处在林分内部所见到的景观[2],其质量与林分结构及其调整状况密切相关,影响质量的要素解析是形成科学的景观林林分经营关键技术的基础。近几年来,国内外学者针对林内景观要素与景观质量的关系开展了大量研究,主要包括林木生长状况(包括胸径、树高、枝下高、冠幅等)[3-6]、树种组成[7]、林分密度[3-6, 8]、郁闭度[3, 9]、树干显示度[3, 6]、树干形态[10]、水平通视程度[3, 6, 11-12]、林木分布格局和灌木层高度以及林下植被层盖度[3, 5, 11-12]、枯树倒木[13]和枯枝落叶的数量与分布[3-4]等。这些景观要素往往是通过影响林内景观画面的景观斑块[3]、色彩斑块空间格局特征[14-16]而对林内景观质量产生影响的,而林分结构作为林内景观要素的重要组成部分,如何影响林内景观画面色彩斑块特征进而影响景观质量的相关研究还较少。

    已经成林的山地、丘陵人工风景游憩林多源自防护林、用材林,林分密度高、林下植被相对稀少、干形不良等是普遍存在的问题。油松(Pinus tabuliformis)是北京地区风景林的主要营造树种,乔木层分布、灌木层盖度、林分密度、灌木高度、生活型组成、水平通视程度、树干显示度等均对油松风景林林内景观质量有较大的影响[3, 12, 17-18],而林分密度、灌草盖度是影响油松林林内景观美景度的核心要素[3, 18],树干形态对林内美景度有较大的贡献[5]。这3个林分结构因子的变化引起林内景观斑块特征发生了显著变化[5]。那么,这3个林分结构因子是否对景观色彩斑块指标存在交互影响?林内景观斑块指标呈何种规律变化?这些问题是本文拟解决的主要问题。

    因此,本文以北京西山的油松人工风景林为研究对象,选取对林内景观美景度影响较大的林分密度、灌草盖度和树干形态3个林分结构因素,采用景观生态学中的景观格局分析方法,分析林分结构对林内景观斑块的影响,以期能从色彩斑块角度解释人工油松风景林林内景观质量变化原因,并能在以后的生产实践中加以指导。

    • 试验区位于北京市西山试验林场。林场地处小西山,116°28′E,39°34′N,属太行山山系的低海拔石质山,平均海拔为200~400 m。为温带大陆性气候,极端低温为-15 ℃,极端高温达40 ℃,年平均气温为11.6 ℃,年均降水量为630 mm。成土母岩以硬砂岩为主,土层较薄,一般厚度为30~50 cm,土壤中石砾含量多、立地条件差。西山林场森林资源总面积为5 949.0 hm2,大多数为50~60年代营造的人工林,森林覆盖率为92.32%。森林类型主要包括油松林、侧柏(Platycladus orientalis)林、山杏(Armeniaca sibirica)侧柏混交林、山桃(Amygdalus davidiana)侧柏混交林、油松栓皮栎混交林、黄栌(Cotinus coggygria)林、黄栌侧柏混交林、杂阔混交林等,主要乔木树种包括油松、侧柏、黄栌、刺槐(Robinia pseudoacacia)、栓皮栎(Quercus variabilis)、山桃、山杏等,灌木主要有小花扁担杆(Grewia biloba var. parviflora)、荆条(Vitex negundo var. heterophylla)、酸枣(Ziziphus jujuba var. spinosa)、蚂蚱腿子(Myripnois dioica)、三裂绣线菊(Spiraea trilobata)、小叶鼠李(Rhamnus parvifolia)等, 草本植物主要有丛生隐子草(Cleistogenes caespitosa)、求米草(Oplismenus undulatifolius)、大油芒(Spodiopogon sibiricus)、寸草(Carex duriuscula)、狗尾草(Setaria viridis)、鬼针草(Bidens pilosa)等。

    • 采用典型抽样法在西山试验林场设置面积为20 m×20 m标准样地40块。选取样地为40~50年生的油松纯林,林内油松个体空间分布基本均匀,在生长季对林分展开调查。除立地条件外,主要测定林分中林木的胸径、树高、冠幅、冠长、枝下高、活枝下高、林木树干通直状况、透视距离、林下灌草盖度、郁闭度等,并计算林分密度,概要信息见表 1

      表 1  人工油松风景林样地概况

      Table 1.  Main information of sampled plots of planted Pinus tabuliformis forest

      密度级
      Stand density grade
      密度范围/(株·hm-2)
      Stand density range/(tree·ha-1)
      样地数量
      Sample plot number
      平均胸径
      Average DBH/cm
      平均冠幅
      Average crown width/m
      平均树高
      Average tree height/m
      灌草盖度
      Shrub and herb coverage/%
      透视距离
      Perspective distance/m
      450~800 13 16.1±0.4 5.5 8.6±0.24 70~90 25~30
      800~1 100 17 14.1±0.2 4.7 7.9±0.2 0~70 15~20
      1 100~1 380 10 12.6±0.2 4.1 8.2±0.7 70~90 5~7
    • 参考前人研究结果[3, 5, 12, 19],及调查样地具体情况,选取对林内景观美景度影响较高的林分密度、灌草盖度和树干形态3个林内结构因子进行研究。其中,将林分密度(A)分为700~1 000株/hm2(A1)、1 000~1 200株/hm2(A2)和>1 200株/hm2 (A3)3个水平,将灌草盖度(B)分为 < 30%(B1)、30%~70%(B2)、>70%(B3) 3个水平,将树干形态(C)分为全部通直(C1)、弯曲与通直并存(C2)两个水平。选用A+BC型裂区设计,因试验设计的3个因素中,树干形态判断起来比较难,因此要求较高的精度,所以将树干形态放在副副区,灌草盖度放在副区,林分密度安排在主区,设计共18个处理,3次重复。

    • 使用Panasonic DMC-FS42相机,参考前人方法进行林内景观照片拍摄[3, 21],拍摄时镜头横向放置,不使用闪光灯,保持焦距和光圈大小相同,取景时尽量避免将非林分因子拍摄在内。采用单张照片代表一种景观类型。对所拍摄的景观照片进行筛选,选取54张林内景观照片并统一校正之后作为研究样本。由于实际样地和混杂水平的裂区试验不完全对等,缺乏的景观照片使用Photoshop进行人工拼接处理。采用播放幻灯片的方式进行评判[3]。由于美景度值在不同群体评判者之间有一定差异[21],为了降低该差异,评价者主要选取北京林业大学林学、园林、水保学院的研究生和本科生,共计60人。

      参照Daniel等[21]的方法计算林内景观美景度评判的美景度值(SBE值)。为了便于分析各景观因子与美景度间的关系,采用章志都[3]的等差法将SBE值分为5个级别,等级1、等级2、等级3、等级4和等级5,分别代表景观质量好、较好、一般、较差、差。

      利用SPSS18.0软件进行数据分析,采用Pearson相关系数进行简相关分析,处理间的多重比较采用Turkey法。

    • 通过ArcGIS10.2软件对各景观照片的色彩斑块进行勾画提取、并进行矢量化处理,采用FRAGSTATS4.2软件对矢量化照片进行分析。本研究将林内景观照片分为空地、树干、枯枝、树冠、灌木、草本和天空7类色彩斑块,将同类色彩斑块定义为同种颜色。林内色彩斑块人工勾边采取以下方法:(1)首先根据景观照片里的明显物体边缘线进行勾画,如树木树干、树冠和部分枯枝及地被物中明显裸露的空地;(2)对于景观照片中景物不鲜明的地方以颜色区分,如树冠重叠的林冠层下边颜色较暗的为枯枝;(3)林下层由于灌木、草本混杂,先勾画较鲜明的灌木斑块,剩下的为草本植物斑块。

      参考前人对风景林林内景观特征的研究结果[3],本文选用9个景观指数[22]:景观形状指数(landscape shape index, LSI)、最大斑块指数(largest patch index, LPI)、蔓延度(contagion index, CON)、斑块面积变异系数(coefficient variability of patch’s area, ACOV)、相似斑块邻接比例(proportion of like adjacencies, PLA)、Shannon多样性指数(Shannon’s diversity index, SHDI)、斑块分裂指数(splitting index, SPI)、聚集度指数(aggregation index, AI)、辛普森均匀度指数(Simpson’s evenness index, SIEI)进行分析。

    • 仅从单一景观斑块指标上看,林内景观美景度值极显著受LSI、AI的影响,并显著受SPI、SIEI的影响,而与其他5个景观指数相关关系未达到显著水平(图 1)。4个相关关系显著的斑块指数影响程度为AI>LSI>SIEI>SPI。这4个指数作为裂区试验分析的主要景观指数。

      图  1  美景度值与斑块指数的简相关系数比较

      Figure 1.  Comparison in simple correlation coefficient between scenic beauty value and patch indices

    • 从总体上看,林分密度、灌草盖度和树干形态引起的林内景观斑块指标变化不完全一致。林分密度仅对SPI产生显著影响(表 2),灌草盖度不仅对LSI有显著影响,而且对AI有极显著影响,而树干形态对LSI有显著影响,对SIEI有极显著影响。在样地设计密度范围内,林分密度提高通过显著降低SPI而降低林内景观美景度,灌草盖度通过提高色彩斑块形状的复杂性和色彩斑块进一步聚集而降低林内景观的质量,倾斜、弯曲的树干则通过降低色彩斑块均匀度而对林内景观起到负作用(图 2)。

      表 2  不同处理间景观斑块指数方差分析

      Table 2.  Variance analysis of landscape patch index among different treatments

      变异来源
      Origin of variance
      LSI SIEI SPI AI
      F P F P F P F P
      A 1.036 0.433 4.200 0.104 12.748 0.018 2.733 0.178
      B 3.228 0.045 2.425 0.130 0.191 0.828 8.391 0.005
      C 12.475 0.012 29.832 0.001 0.909 0.377 1.312 0.295
      A×B 5.879 0.007 3.806 0.031 5.475 0.009 2.675 0.083
      A×C 6.110 0.035 9.299 0.014 4.386 0.067 3.847 0.084
      B×C 1.611 0.239 6.175 0.014 3.380 0.068 0.357 0.706
      A×B×C 2.296 0.118 2.312 0.117 3.449 0.042 2.568 0.092
      注:A代表林分密度,B代表灌草盖度,C代表树干形态。Notes: A stands for stand density, B stands for shrub-herb coverage, and C stands for trunk shape.

      图  2  林分密度、灌草盖度、树干形态对景观斑块指数的影响

      Figure 2.  Influences of stand density, shrub-herb coverage and trunk shape on landscape patch index

    • 林分密度与灌草盖度的交互作用对LSI、SIEI、SPI有显著影响(表 2)。

      在低灌草盖度林分中,林分密度的提高显著降低了色彩斑块形状复杂性(P=0.02)和均匀度(P=0.003),通过显著降低分裂度(P=0.045)而提高了同类色彩斑块的沟通与联系程度;在中等灌草覆盖林分中,SPI(P=0.021)、SIEI(P=0.034)随着密度的提高而显著降低;在高灌草覆盖度林分中,林分密度提高在一定程度上增加了色彩斑块形状复杂性,并通过降低SPI而提高了色彩斑块的均匀度;在中、高灌草盖度的林分中,低密度与高密度均在一定程度上提高了色彩斑块形状的复杂性(图 3)。结合单一结构因子影响结果,林分密度显著引起色彩斑块指数变化主要发生在具有低、中灌草盖度的林分。

      图  3  林分密度与灌草盖度对景观斑块指数的交互影响

      Figure 3.  Interactive influences of stand density and shrub-herb coverage on landscape patch index

    • 林分密度和树干形态的交互作用对LSI、SIEI产生显著影响(表 2)。在低密度林分中,通直的树干对色彩斑块形状复杂性和均匀程度影响不显著(P=0.687);而在中、高密度林分中,适度存在树干弯曲的个体可提高色彩斑块形状复杂性(P=0.039、P=0.018),但却显著地降低了色彩斑块的均匀度(P=0.021、P=0.042)(图 4)。

      图  4  林分密度、灌草盖度与树干形态对景观斑块指数的交互影响

      Figure 4.  Interactive influences of stand density, shrub-herb coverage and trunk shape on landscape patch index

    • 灌草盖度和树干形态的交互作用对SIEI产生显著影响(表 2),这在高、低灌草覆盖度林分中表现得较为突出,树干弯曲个体的存在会通过显著降低色彩斑块均匀度而致使林内景观美景度降低(图 4)。

    • 从总体上,林分密度、灌草盖度和树干形态仅对SPI有显著的交互影响(表 2),这种交互作用在低灌草覆盖度和中灌草覆盖度林分中差异显著,对高灌草覆盖度林分的作用未达显著水平(图 5)。在低、中灌草覆盖度且没有树干弯曲个体的林分中,SPI随着密度的提高而降低的极差分别为-3.20和-4.85,但是,在有弯曲树干个体的林分中相应的极差仅为-3.96和-2.96,树干弯曲个体的存在在一定程度上减少了SPI因密度提高而降低的程度(图 5)。结合上文分析结果,林分密度、灌草盖度、干形3者对SPI的交互影响主要决定于灌草盖度。

      图  5  林分密度、灌草盖度和树干形态对SPI的交互作用

      Figure 5.  Interactive influences of stand density, shrub-herb coverage and trunk shape on SPI

    • 森林景观的影响要素较多,且各种要素之间又相互联系与制约,因此森林景观的美景度取决于各景观要素的交互作用,而不仅仅是单要素的作用或者多要素的简单叠加[23]。色彩的空间属性是人判断景观美学质量的重要因素[24],尽管处于弱度相关水平,LSI、SPI、SIEI、AI等单一色彩斑块指标与油松人工风景林林内景观质量仍有显著或极显著的关系,这些指标的变化受林分密度、灌草盖度和树干通直度的综合影响。3个林分结构指标不仅单独作用于景观色彩斑块指数,其交互作用也对景观斑块指数产生显著的影响。

      林分密度的提高会降低SPI而造成林内景观美景度降低,主要原因是致密的林内环境引起同类色彩斑块(如树冠、树干、林下植被色彩)大面积相连,会使人产生一种压抑感[25]。较高的林分密度必然导致整齐划一式的林木排列,在一定程度上简化了林内景观要素的复杂性,从而对林内景观质量产生负面影响[26]

      尽管提高灌草盖度会降低地被色彩的复杂性,却增加了树干与灌草背景的融合程度,进而使得色彩斑块的边界复杂化,从而提高了林内景观色彩斑块形状的复杂性,同时也会使同一类色彩斑块进一步聚集,这样在总体上提高了景观的自然性。斑块形状复杂度的提高意味着斑块组成更加自然,而人恰恰对自然度较高的景观有较高的喜好度[27-28]。但林下灌草过多、过高也会使得林内景观美景度值大幅度下降,存在大量枯草,对冬季景观的影响更大[29]。这启示我们在森林景观经营管理时,对林下灌草植被应科学管理,使林下灌草稳定在一个适宜的覆盖度,并且能够均匀分散,起到遮挡林地枯落物的作用,减小枯枝落叶和裸露地表给人带来的荒凉之感[30-31],从而形成良好的视觉效果。

      倾斜、弯曲的树干会通过降低SIEI而对林内景观起到负作用,而通直的树干会使林内色彩斑块分布的更加均匀,产生一种良好的视觉效果而提高林内景观美景度,同时干形通直的林内景观整体上给人一种挺拔、整齐之美[31]

      从色彩斑块角度出发,单一因素并不能较好地预测景观质量[32],景观质量通常受多种景观要素的协同和交互影响。当林分密度在中高水平时,弯曲的树干会提高色彩斑块形状的复杂性而提高林内景观质量,原因是“人工味”没有那么重的林分满足了人们对森林野趣的向往[9]。在林分密度与树干形态和灌草盖度与树干形态的交互作用下,弯曲的树干引起SIEI降低而使林内景观质量下降的主要原因是,通直的树干将林内景观色彩斑块分割的更为均衡,斑块均匀度较高。林分密度和灌草盖度对LSI、SIEI和SPI的交互影响规律不完全一致:在林下灌草盖度较低的情况下,降低林分密度会提高色彩斑块形状的复杂性,同时使色彩斑块分布更加均匀,可以提高林内景观质量;而当灌草盖度较高时,增大林分密度会提高色彩斑块形状的复杂性和色彩斑块的均匀度,从而提高林内景观质量。

      林分密度的变化会对树木个体的形态特征产生显著影响[32-33],如低密度条件下过大的生长空间会使树木个体缺少相邻木的侧方庇护和竞争,不利于通直干形的形成,而密度的提高也会加剧树木个体之间的竞争,并且能够降低林内光照等条件进一步制约林内地上部分植物的生长。单个景观要素及其交互作用都会对景观质量产生影响,在具体的生产实践中除遵循树木的自然生长规律外,还要加以适当的人工抚育措施,使林内结构稳定在一个适宜且良好的状态。

      景观美学质量的评估很难用定量的指标来计算[34],国内有关森林景观的色彩研究定性描述较多、定量分析较少[35],国外在利用景观生态学原理研究景观视觉质量方面也仅限于先确定几种指标后进行问卷调查[34]。本文在总结前人研究的基础上,从森林景观的色彩斑块入手,借助景观生态学中的景观格局指数,尝试用定量的方式客观的去评价林内景观质量。目前已有部分研究探索证明了景观格局指数与景观美学特征之间的关联性[34, 36-37]。在未来的研究当中,借助这一研究方法一定还会出现更多更新的科研结果。

参考文献 (37)

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