城市已经成为人类的主要聚居地, 但城市的生态问题日益突出, 随着人们对当前城市诸多问题的认识, 以改善人居环境为主的城市生态建设备受关注。对以乔木为主体的城市绿地建设模式被广泛认同, 城市森林(urban forest)已经成为改善城市生态环境的主体; 同时它对于提供居民休闲游憩、满足身心健康需求、防灾御灾等生态系统服务的发挥具有不可代替的作用(Ong, 2003; Konijnendijk et al., 2005; Tzoulas et al., 2007; James et al., 2009)。

城市森林分类是城市森林建设、发展和经营管理的基础。在植被和森林分类中常用的方法是依据植被的自然属性分类, 包括生态-外貌分类和优势度类型分类。城市森林中很大部分是次生人工植被, 按照传统分类方法很难进行, 国外学者提出了各具特色的分类方法(Nowak, 1994; Miller, 1996)。国内城市森林研究起步晚, 尚未形成成熟一致的分类系统, 在分类原则和标准上存在差异(王木林等, 1997; 王木林, 1998; 宋永昌, 2004; 何兴元等, 2004; 刘滨谊等, 2006)。本文利用广州市中心区的航片解译数据, 结合城市森林功能分类的标准(宋永昌, 2004), 对广州市中心区的树冠覆盖景观进行分析, 为广州市在更小尺度上的城市森林相关的生态过程研究和景观格局优化提供参考。

1 研究区概况

广州(112°57'—114°3″ E, 22°26'—23°56″ N)位于广东省的中南部, 东连惠州市、西邻佛山市、北靠清远市及韶关市、南接东莞市和中山市, 隔海与香港、澳门特别行政区相望。地势自北向南降低, 东北部为中低山区, 中部为丘陵盆地, 南部是沿海冲积平原。地处珠江三角洲, 濒临南海, 海洋性气候特征特别显著, 具有温暖多雨、光热充足、温差较小、夏季长、霜期短等气候特征。地带性植被为南亚热带季风常绿阔叶林, 但天然林已极少, 山地丘陵的森林都是次生林和人工林。近年来, 广州城市规模不断扩大, 是中国城市化速度最快的地区之一。研究区涉及原广州市行政区划的荔湾区、芳村区、越秀区、东山区、海珠区、白云区、天河区、黄埔区等8个行政区的范围, 面积约为627.9 km²。本研究以该区域作为广州中心区范围进行研究, 受数据资料的限制, 分析在广州市原行政区划基础上进行。

2 数据与分类方法 2.1 数据来源

数据来源于广州市2004年航空图片, 空间分辨率为0.4 m, 飞行时间是2004年6月, 分析前已经过精校正和配准。结合广州市2004年1 : 10 000基础地理信息数据、广州市2004年1 : 2 000土地利用数据及广东省城市生活电子地图2005版, 利用ArcGIS 9.2软件进行人工目视解译, 得到研究区的树冠覆盖斑块图。

2.2 分类方法

根据城市森林功能分类(宋永昌, 2004)的3级分类标准, 即类型组、类型、优势度类型, 其中类型组的划分主要依据功能类群分为生态公益林、防护林、居所林、公共园林和生产林五大类, 然后再按照主要功能划分类型, 根据林木层优势种划分优势度类型。本文借鉴该分类思想, 采用分类框架的前2级标准, 依据树冠覆盖场所位置的道路和建筑物空间分布特征, 结合广州市基础地理信息数据对研究区的树冠覆盖斑块进行分类分析; 同时借鉴城市森林斑块等级系统的思想(吴泽民等, 2003), 分析研究区内各面积等级的树冠覆盖斑块的空间分布。

3 结果与分析 3.1 树冠覆盖功能分类类型组特征

从图 1可以看出:研究区中的生态公益林斑块分布于广州市外环以外的白云区的白云山景区及天河区、黄埔区的北部地区, 此区域属于城市建成区周边的待开发区域, 大型林地斑块呈现边缘化; 生产林有两大片分布, 位于海珠区东南部和天河区东部、黄浦区北部, 水源和交通条件良好, 是广州市重要的果品生产区; 防护林树冠斑块多位于研究区芳村、白云、天河区的农田、铁路沿线和建成区外交通干道周边; 公共园林树冠覆盖斑块分布广, 分布于建成区内各级道路沿线和市内公园用地及街头绿地, 由于历史原因此类型的大型斑块以老城区的越秀、东山区集中分布; 居所林树冠覆盖以学校、医院、机关及公用事业单位等的专有林地树冠覆盖斑块为主要类型, 居住区树冠覆盖以新开发小区为主, 老城区的居住区树冠覆盖斑块面积少。

研究区各行政区域由于城市历史发展阶段不同和自然条件限制等原因, 形成了各具特点的城市森林树冠覆盖景观类型(表 1)。结合各行政区面积计算可知:研究区总树冠覆盖率为19.5%, 各行政区中以天河区最高为26.5%, 而芳村区最低仅为6.6%。从各分类类型组看, 白云和天河区的生态公益林树冠覆盖比例占该区树冠覆盖的绝大部分, 这2个区处于城市的北部山地丘岗区, 林地覆盖相对完好; 而芳村区以居所林和防护林覆盖类型为主, 该区以发展花卉产业为主, 土地集约程度高; 黄浦区为近年来新开发区域, 北部山区的植被覆盖和大片的果园等生产用地, 形成了以生态公益林和生产林为主的树冠覆盖类型; 越秀区、东山区和荔湾区是传统的老城区, 人口密度大, 土地资源紧张, 以公共园林和居所林树冠覆盖类型为主; 海珠区南部平原地区水源条件好, 是传统的水果产区, 形成以生产林树冠覆盖类型为主的城市森林景观。

3.2 树冠覆盖分类类型分析 3.2.1 中心区尺度上各功能分类类型景观构成

根据宋永昌(2004)的分类标准, 按照树木的主要功能划分类型。由表 2可以看出:在研究区内的生态公益林为生态片林, 有些已开发为森林公园, 如白云山景区等; 在公共园林树冠覆盖斑块中, 行道树树冠覆盖面积最高, 占公共园林树冠覆盖的47.4%, 其次为公园类型树冠覆盖, 占37.3%;果园类型占生产林树冠总覆盖的93.1%, 苗圃类型树冠覆盖仅占6.9%;在居所林树冠覆盖中以单位林类型为主, 占73.6%, 居住区林类型树冠覆盖仅占26.4%;防护林树冠覆盖中以河岸防护类型最高, 占防护林总覆盖的52.4%, 其次为工业仓储绿地类型, 占34.4%, 农田防护林、铁路防护林和公路防护林所占比例较低。

树冠覆盖各分类类型的斑块数以行道树斑块数最多, 其次为单位林和居住区林类型(表 2), 这是由其分别在城市化区域沿道路用地和居所用地分布的特点决定的。从平均斑块面积看(表 2), 行道树类型平均面积仅为0.007 hm², 是各类型中最小的, 而生态片林平均斑块面积最大为6.580 hm²; 在公共园林树冠覆盖中, 公园类型平均斑块面积最大为0.196 hm², 其次为纪念林类型; 生产林中以果园类型的树冠覆盖斑块平均面积最大, 为4.541 hm²; 居所林树冠覆盖中, 单位林类型平均斑块面积为0.049 hm², 是居住区林类型的2.7倍; 防护林树冠覆盖平均斑块面积在0.05 hm²左右, 以农田防护林类型最大, 达0.082 hm²。

3.2.2 各行政区树冠覆盖类型斑块面积

中心区各行政区的各类型树冠覆盖表现不同, 其中白云区的生态片林、纪念林、公园、单位林、居住区林、公路防护林的平均斑块面积在有分布的各区中是最大的(表 3)。有生态片林斑块分布的各区中, 芳村区斑块数目少且斑块平均面积也最小, 仅为白云区的1 /10;公共园林类型中, 天河区的纪念林、行道树、街头绿地树冠覆盖平均面积在各区中最小, 但斑块数在各区中最多(纪念林除外), 其中行道树斑块平均面积0.004 hm², 仅为研究区平均面积的1 /2, 而越秀区行道树平均面积最大达0.015 hm², 海珠区的街头绿地树冠覆盖平均面积最大达到0.206 hm²; 在生产林树冠覆盖的区域中, 天河区苗圃类型树冠覆盖平均面积最大, 果园类型则属海珠区最大; 2种居所林类型树冠覆盖以白云区面积最大, 而荔湾区的平均面积最小; 各区防护林有不同类型的分布, 在各类型树冠覆盖平均面积中, 海珠区的农田防护林类型平均面积最大, 东山区的河岸防护类型斑块平均面积最小。

3.3 研究区树冠覆盖面积特征

通常斑块中的能量和物质总量与面积成正比(傅伯杰等, 1996)。对于城市景观而言, 城市中的树冠覆盖景观质量在一定程度上揭示了城市森林景观对于生物多样性维护和生态服务功能的贡献能力。大块片林斑块更能发挥生态功能, 其数量、结构与分布格局直接决定城市的环境质量, 树冠连续覆盖可以有效缓解城市区的热岛效应。

3.3.1 树冠覆盖面积等级数量特征

借鉴城市森林斑块等级系统的思想(吴泽民等, 2003), 将研究区内的树冠覆盖按照不同面积(表 4)进行等级划分, 并依据此标准对研究区内各面积等级的树冠覆盖斑块空间分布进行分析。

研究区树冠覆盖景观构成以特大型树冠覆盖面积为主, 占总斑块面积的78.8%, 其他依次为小斑块、中斑块和大斑块类型, 分别占总斑块面积的9.2%, 7.9%和4.2%。而从各等级斑块数量分布来看(表 4, 5), 研究区及各行政区是以小斑块类型数量占绝对优势的景观类型, 这与城市化区域的树木多为人工种植的、生长地点和条件都是经过人为活动强烈影响和选择的有关, 各区的树冠斑块数量结构特征也表现相似的分布现象。

3.3.2 树冠覆盖面积等级分析

白云区、天河区、黄浦区、越秀区和海珠区是特大斑块覆盖面积占绝对多数的树冠覆盖景观类型, 特大斑块的覆盖面积分别占树冠覆盖总面积的89.6%, 82.8%, 83.0%, 50.8%和73.2%;而芳村、东山和荔湾区是以树冠小斑块覆盖为主要的景观类型, 小斑块覆盖面积分别占树冠覆盖总面积的53.9%, 41.4%和52.0% (表 6)。

从表 6各等级斑块的面积分布来看, 天河区各等级斑块面积占研究区内该等级的比例均为各区中最高的; 特大斑块在芳村区、荔湾区的分布面积和数量同比最少; 中、小等级斑块在越秀区分布面积最少。从图 2可以看出:特大斑块主要集中于研究区北部的白云山景区和城市发展东部拓展区的天河、黄埔区的丘岗林地区域以及南部海珠区的大面积连续果园生产林地。在城市中心区(传统老城区的荔湾、越秀、东山区), 在强烈的人为干扰下, 仅在几个大型公园有面积大于1 hm²的树冠连续覆盖斑块出现。树冠连续覆盖面积在0.5 ~ 1 hm²的大斑块总体来看分布比较均匀, 但主要分布于特大型斑块的周边, 这种布局可能是由于人为干扰引起的特大斑块破碎化表现。

研究区树冠覆盖面积以特大型斑块为主, 且特大型斑块中生态公益林类型和生产林树冠覆盖分别占大型斑块的67.9%和26.1%;而大、中、小型斑块中均以居所林树冠覆盖所占比例最大, 分别为37.1%, 52.2%和66.4%。从树冠斑块面积等级在各区分布看, 芳村、东山、荔湾区以面积小于0.1 hm²的小斑块类型树冠覆盖面积为主; 而白云、天河、黄埔、越秀和海珠区以1 hm²以上的特大型斑块覆盖为主。

小斑块类型在各行政区均以居所林树冠覆盖面积比例占优势, 其中公共园林在越秀区所占比例略高于居所林。中斑块中, 白云、天河、芳村、黄埔、海珠各区均以居所林为主, 而越秀区以公共园林树冠覆盖为主, 荔湾区的公共园林、居所林和防护林树冠覆盖面积分占1/3左右, 东山区的树冠覆盖是以居所林和公共园林覆盖为主。树冠覆盖形成的大斑块在各行政区表现不同, 白云区57.1%的大斑块类型为生态公益林树冠覆盖; 在天河和芳村区的树冠覆盖大斑块中居所林分别占44.2%和56.6%;黄浦区的大斑块类型主要由生态公益林、生产林和居所林构成; 东山区以居所林为主, 其次为公共园林; 荔湾区以公共园林和防护林为主; 越秀区公共园林占74.5%, 海珠区防护林树冠占大斑块的38.3%。在特大型斑块中, 芳村和海珠区以生产林树冠覆盖所占面积最大, 东山、荔湾、越秀区以公共园林面积最大, 白云、天河和黄埔区则以生态公益林面积最大, 其中黄埔区生产林树冠覆盖面积略低于生态公益林。

4 结论与讨论 4.1 结论

通过对航片数据中树冠覆盖数据的分析, 在一定程度上可以反映城市绿化质量, 了解城市生态建设的过程。对研究区树冠覆盖的分析可以看出:

1) 研究区树冠覆盖以生态公益林类型为主, 其次为生产林、居所林、公共园林和防护林。生态公益林多属于原来大型林地斑块破碎化的残余成分; 生产林以果园类型树冠覆盖占绝对多数; 防护林树冠斑块以河岸防护型最高, 其次为工业仓储林类型的树冠覆盖; 公共园林以行道树类型的斑块数量和覆盖面积最大, 老城区的越秀、东山区的公园类型覆盖较为集中; 居所林以单位林类型树冠覆盖斑块为主, 居住区林类型树冠覆盖以新开发小区为主, 老城区的居住区林类型树冠覆盖斑块面积少。

2) 研究区城市森林树冠覆盖斑块类型以连续覆盖面积大于1 hm²的特大型斑块为主, 面积占总斑块面积的78.83%。特大型斑块中生态公益林类型所占比例最高, 其次为生产林, 主要分布于研究区的北部山地、丘岗地带以及南部“万亩果园”区域, 而位于中部的建成区却少有分布; 其他面积等级斑块均以居所林树冠覆盖最高。

3) 不同地带的城市森林树冠覆盖特征存在差异。白云、天河、黄浦、越秀和海珠区是以特大斑块覆盖为主的景观类型, 其中海珠、越秀区分别以生产林和公共园林覆盖最大, 白云、天河和黄埔区以生态公益林覆盖最高; 而芳村、东山和荔湾区是以面积小于0.1 hm²的小斑块覆盖为主的景观类型, 行道树类型所占比重大。

4) 从树冠覆盖发展潜力来看, 居住区林类型树冠覆盖相对分散, 尤其在老城区受聚居特点的限制很难形成连续覆盖, 新建小区的树冠覆盖提升空间较大; 行道树类型在公共园林类型组中面积和数量所占比例最大, 且是以小斑块为主的类型, 仅在少数街道能够连续覆盖形成较大斑块, 在各类型中其对于形成树冠覆盖的发展潜力最大。同时, 还有较大面积的街头绿地类型以单纯追求某种视觉效果的低矮灌木或草坪覆盖为主, 这些绿地也具有很大发展空间。

4.2 讨论

城市绿化不仅要有土地面积, 更主要是要有绿化空间占有量。本研究基于高空间分辨率航片数据, 对代表城市森林特征的树冠覆盖斑块进行目视解译, 分析研究区内能够形成一定面积覆盖树木的分布格局特征, 与传统基于土地利用分类的绿地格局存在差异。绿地是基于调节、制约建设用地的开发容量的需要而规划的一定面积用于绿化的土地, 与其对应的是绿地率指标, 通常反映城市生态用地的水平结构特征; 树冠覆盖是绿色树木树冠的垂直投影, 一定程度上能够反映城市绿地建设的质量。研究区提取的树冠覆盖主要发生于自然存在(如生态片林)或规划的绿地之中(如公园类型树冠覆盖、生产类型树冠覆盖), 其树冠覆盖小于或近等于绿地面积, 也有部分树冠覆盖大于规划的绿地面积(如形成连续覆盖的行道树类型), 同时也对研究区中达到一定覆盖面积的散生树木进行了统计, 这些数据包含边缘格局、空间联系等更为丰富的信息, 可结合立地调查方法(吴泽民等, 2002; 陈爽等, 2004), 用于更加精确的城市森林的效益评价研究(Dwyer et al., 1999; 刘常富等, 2008; 康文星等, 2008)。城市建成区的生态用地非常紧张, 相对于城市绿地之间生态连接度要求(俞孔坚等, 1998; 武剑锋等, 2008), 树冠连续覆盖是一种更容易实现的生态过程和格局连续性的有效途径。

随着城市森林研究的不断深入, 加强对城市森林分类的共识性研究, 综合考虑不同研究尺度上的分类, 尤其基于城市小尺度上的分类显得更为重要。树冠覆盖反映的是以乔木为主体的城市森林结构特征, 更能体现城市森林的理念, 就是森林为主、乔木为主, 增加空间占有量的目标(彭镇华等, 2003; 2004)。对于树冠覆盖的量化能够分析城市森林建设的质量, 尤其对于各种环境问题(热岛效应、大气污染、噪音等)多发的城市意义更大。白云、天河和黄浦区北部丘岗林地有城市森林大斑块分布, 同时也是受城市化发展影响最大的区域, 树冠连续覆盖大斑块对于城市生态过程维护和区域生态质量有重要作用, 在旧城改造和城市建设中应注意保护树冠覆盖大斑块的完整性。南部海珠区的“万亩果园”是城市化过程中强制保留下的生态区域, 是广州市中心区南部重要的“生态之肺”。东山、荔湾和海珠区北部等老城区的树冠斑块破碎化程度高, 大斑块主要分布于公园类型中, 在城市绿化中应通过行道树和街头绿地充分发挥乔木的作用, 加强各类型树冠覆盖之间的空间联系形成连续树冠覆盖景观。

城市区树冠覆盖是受人类活动强烈影响的景观类型, 在细尺度上对其斑块性质(如群落结构、树种组成等)及社会经济价值等方面进行研究探讨, 对于城市生态功能和过程更有现实意义, 同时随着影像数据分辨率的提高, 对于不同城市化发展阶段和区域细尺度上生态用地建设和质量评价也将发挥更大作用。