基于PCA法的杭州市屋頂花園木本植物健康評(píng)價(jià)

袁超慧，舒美英，蔡建國(guó)，3*

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 風(fēng)景園林與建筑學(xué)院，杭州 311300；2.浙江農(nóng)林大學(xué)暨陽(yáng)學(xué)院，浙江 諸暨 311800；3.浙江農(nóng)林大學(xué) 園林設(shè)計(jì)院有限公司，杭州 311300)

綠地可以有效凈化城市環(huán)境，但隨著城市建設(shè)的加快，城市綠化用地也在不斷減少，因此越來(lái)越多的研究開始聚焦于建筑群屋頂綠化，即屋頂花園建設(shè)[1]。屋頂花園既能有效利用閑置屋頂，又可發(fā)揮較高的生態(tài)效益，其中植物是主體。不同于陸地種植，屋頂花園植物種植有其特殊性，不僅需要考慮屋面荷載、防水防漏等技術(shù)問(wèn)題[2]，植物的選擇、種植、養(yǎng)護(hù)更為重要。因此，為給杭州市屋頂花園植物選擇、種植、養(yǎng)護(hù)提供可靠依據(jù)，基于杭州市屋頂花園木本植物生長(zhǎng)調(diào)查及健康影響因子分析，通過(guò)木本植物健康評(píng)價(jià)模型，對(duì)杭州市不同屋頂花園、不同樹種的健康狀況進(jìn)行了評(píng)估。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

杭州市位于118°21′～120°30′E、29°11′～30°33′N之間，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。年平均氣溫18.0 ℃，年降水量1 650 mm，年日照時(shí)數(shù)1 658 h。四季氣候分明，夏季高溫濕潤(rùn)，冬季寒冷干燥，春秋氣候宜人。植被種類繁多，處于中亞熱帶常綠闊葉植被帶[3]。

1.2 樣方調(diào)查

采用樣方法實(shí)地調(diào)研。2020年9-10月對(duì)杭州市屋頂花園實(shí)地踏勘，并選取萬(wàn)象城、城市陽(yáng)臺(tái)、湖濱銀泰in77C座、西湖觀景平臺(tái)、奧萊城市解百B座等5處有代表性的屋頂花園進(jìn)行系統(tǒng)細(xì)致調(diào)查。根據(jù)屋頂花園綠地現(xiàn)狀，確定樣方面積為10 m×10 m。若綠地面積過(guò)小且形狀不規(guī)則，則根據(jù)周邊道路、硬質(zhì)場(chǎng)地的圍合情況對(duì)樣方形狀進(jìn)行調(diào)整。因?yàn)楦魑蓓敾▓@規(guī)模不一，在選擇樣方時(shí)根據(jù)屋頂花園具體面積確定樣方數(shù)量(表1)，且樣方選擇盡量涵蓋屋頂花內(nèi)植物配置精致、物種豐富的場(chǎng)地，以便代表屋頂花園植物配置的整體情況。對(duì)樣方內(nèi)所有木本植物每木檢尺，記錄樹種名稱、數(shù)量、樹高、胸徑、冠幅等定量指標(biāo)，以及病蟲害、枯枝比例、樹勢(shì)、樹冠偏度、地表覆蓋等定性指標(biāo)[4]。

表1 屋頂花園樣方選擇

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選

為了準(zhǔn)確而全面的評(píng)價(jià)屋頂花園木本植物健康情況，從影響木本植物健康的各因子中選擇合適的因子建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。本研究通過(guò)內(nèi)容研究法總結(jié)了相關(guān)文獻(xiàn)資料[5-6]，結(jié)合屋頂花園植物景觀的特點(diǎn)，確定了11個(gè)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行屋頂花園木本植物健康評(píng)價(jià)。

評(píng)價(jià)體系分為三層，第一層為目標(biāo)層，是對(duì)屋頂花園木本植物健康進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，第二層為準(zhǔn)則層，分別從植物生理因素、植物形態(tài)因素、植物立地條件組成。第三層為指標(biāo)層，總共由12個(gè)具體評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)成,每項(xiàng)指標(biāo)最高賦值為5，并依次往下逐級(jí)遞減(表2)。

表2 杭州市屋頂花園木本植物健康評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.4 主成分特征分析

1.4.1 評(píng)價(jià)方法 本研究采用的主成分分析法(PCA法)，可在保證信息盡可能少丟失的原則下，通過(guò)對(duì)原來(lái)指標(biāo)進(jìn)行降維處理，將原本較多的指標(biāo)轉(zhuǎn)換成較少的綜合指標(biāo)，提高工作效率[7]。本研究運(yùn)用SPSS26.0分析軟件，將12個(gè)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后進(jìn)行主成分分析，得出每株植物的綜合得分，并進(jìn)行健康等級(jí)劃分。

1.4.2 KMO和巴特利特檢驗(yàn) 將12個(gè)原始評(píng)價(jià)指標(biāo)經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理后利用SPSS軟件進(jìn)行主成分分析。分析之前先進(jìn)行KMO和巴特利特檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果表明，KMO值為0.673>0.5，說(shuō)明各評(píng)價(jià)指標(biāo)之間存在一定相關(guān)性；巴特利特檢驗(yàn)中顯著性為0.00<0.05，說(shuō)明適合做主成分分析。

1.4.3 特征值與貢獻(xiàn)率 主成分的特征值和貢獻(xiàn)率越大，說(shuō)明能解釋的原始指標(biāo)的內(nèi)容越多。從分析結(jié)果看，前六個(gè)主成分特征值分別為3.089、1.915、1.514、1.289、0.875、0.809。他們的貢獻(xiàn)率分別是25.743%、15.962%、12.614%、10.741%、7.292%、6.74%，其累計(jì)貢獻(xiàn)率為79.092%，超過(guò)75%，說(shuō)明這6個(gè)主成分可以解釋原始指標(biāo)的大部分主要信息(表3)。因此可以用這6個(gè)主成分代替原始12個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)植物健康程度。

表3 特征值與貢獻(xiàn)率

1.4.4 主成分解釋 表4顯示，在第1個(gè)主成分中冠形、樹冠偏度、以及樹勢(shì)等評(píng)價(jià)指標(biāo)占優(yōu)勢(shì)，說(shuō)明該主成分主要反映植物整體以及樹冠部分的健康程度。在第2個(gè)主成分中樹干損傷、樹洞、樹皮等評(píng)價(jià)指標(biāo)明顯占優(yōu)勢(shì)，說(shuō)明該主成分主要反映樹干部分的健康程度。在第3個(gè)主成分中生長(zhǎng)空間壓迫、光污染、地表覆蓋等評(píng)價(jià)指標(biāo)占優(yōu)勢(shì)，該主成分主要說(shuō)明了生長(zhǎng)環(huán)境對(duì)木本植物健康程度的影響。第4個(gè)主成分中樹木病害、樹木蟲害等評(píng)價(jià)指標(biāo)占主要優(yōu)勢(shì)，這說(shuō)明病蟲害對(duì)植物的健康程度起了很大影響，該主成分主要說(shuō)明這方面內(nèi)容。第5、6主成分占比較小，能在其他方面較小地反映植物的健康程度。

表4 因子荷載矩陣

1.5 屋頂花園木本植物健康評(píng)價(jià)綜合得分

根據(jù)表3中的各主成分特征值和表4中各原始指標(biāo)在主成分中的因子荷載，可得出6個(gè)主成分的表達(dá)式如下[8]：Y1=0.262X1+0.239X2+0.238X3+0.275X4+0.169X5+0.469X6+0.500X7+0.416X8+0.158X9+0.161X10+0.135X11+0.021X12

Y2=-0.324X1+-0.189X2-0.416X3+0.430X4+0.451X5-0.116X6-0.090X7+0.084X8+0.359X9-0.038X10+0.337X11+0.161X12

Y3=-0.025X1+0.124X2-0.372X3-0.199X4-0.306X5-0.098X6-0.001X7+0.288X8-0.244X9+0.566X10+0.274X11+0.407X12

Y4=0.493X1+0.661X2-0.131X3+0.123X4+0.129X5-0.266X6-0.251X7-0.184X8-0.007X9-0.119X10+0.282X11-0.098X12

Y5=0.280X1-0.015X2+0.104X3+0.009X4+0.133X5+0.007X6-0.047X7-0.254X8+0.246X9+0.015X10-0.382X11+0.787X12

Y6=0.124X1-0.006X2-0.022X3-0.106X4+0.079X5-0.199X6-0.159X7+0.091X8+0.538X9+0.586X10-0.343X11-0.377X12

其中，Yi(i=1，2，……，6)代表第i個(gè)主成分，Xj(j=1，2，……，12)代表第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

根據(jù)各主成分的方差貢獻(xiàn)率，得出屋頂花園木本植物健康評(píng)價(jià)的綜合計(jì)算公式為：

Y=(0.249Y1+0.174Y2+0.126Y3+0.107Y4+0.075Y5+0.064Y6)/0.794

其中，Y代表最終評(píng)價(jià)得分。

利用各主成分的表達(dá)式以及綜合計(jì)算公式，可以得到杭州市屋頂花園木本植物的最終健康評(píng)價(jià)得分。

1.6 屋頂花園木本植物健康評(píng)價(jià)

根據(jù)求得的杭州市屋頂花園木本植物綜合得分，使用聚類分析劃分植物健康等級(jí)，再利用費(fèi)希爾線性判別分析法對(duì)等級(jí)劃分結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，以保證評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性[9]。利用SPSS分析軟件進(jìn)行K-均值聚類分析，將聚類數(shù)量設(shè)為3，分別為“健康”“亞健康”“不健康”三個(gè)等級(jí)。

2 結(jié)果與分析

2.1 屋頂花園木本植物健康評(píng)價(jià)

杭州市屋頂花園木本植物健康聚類結(jié)果(表5)表明，所檢測(cè)的224棵木本植物當(dāng)中，處于健康狀態(tài)的植物有117棵，處于亞健康狀態(tài)的植物有87棵，處于不健康狀態(tài)的植物有20棵。

根據(jù)每株木本植物的綜合得分以及聚類分析結(jié)果，進(jìn)行費(fèi)希爾線性判別分析，可以得到分類函數(shù)系數(shù)及其表達(dá)式[10]。

Z1=25.775Y1+29.307Y2-2.291Y3+12.591Y4+17.016Y5+21.245Y6-239.639

Z2=34.055Y1+36.352Y2+1.123Y3+15.732Y4+19.456Y5+24.720Y6-385.821

Z3=31.407Y1+34.475Y2-0.786Y3+14.923Y4+19.022Y5+24.599Y6-338.161

其中，Zp(p=1，2，3)代表第p個(gè)聚類。

將每株木本植物的主成分得分Y1、Y2……Y6代入上式，分別得出三組函數(shù)的計(jì)算得分，哪一組函數(shù)的分值最高，該樹即被劃分到這一組。將使用判別分析得出的分類結(jié)果與聚類分析法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(表5)，發(fā)現(xiàn)使用聚類分析進(jìn)行的等級(jí)劃分結(jié)果準(zhǔn)確率高達(dá)95.5%，表明聚類分析的結(jié)果比較準(zhǔn)確，研究所采用的模型具有可行性。

表5 屋頂花園木本植物健康聚類分類結(jié)果

2.2 屋頂花園中不同樹種健康評(píng)價(jià)比較

由表6可以看出，總體上，杜英科、金縷梅科、千屈菜科、蘇鐵科和衛(wèi)矛科樹種健康得分較高，平均得分在6.2分以上，而豆科、忍冬科樹種健康得分較低，平均得分為4.26分和4.82分?？赡茉蚴沁@些科的樹種抗性較差，或不適應(yīng)屋頂?shù)臍夂颦h(huán)境。深入分析發(fā)現(xiàn)，豆科中合歡與紫荊兩類樹種得分較低。合歡屬于落葉大喬木，且冠幅較大。本次調(diào)研的這株合歡約50%生長(zhǎng)空間受到限制，冠形不佳，整體樹冠嚴(yán)重偏離主干，因此整體長(zhǎng)勢(shì)較弱。可見(jiàn)在屋頂花園樹種選擇中，應(yīng)盡量選擇體量較小的喬木，且注意植物種植密度。而4株紫荊均有嚴(yán)重的病蟲害，一方面反映了這種植物抗性不強(qiáng)，另一方面也說(shuō)明了該屋頂花園植物養(yǎng)護(hù)有待改善。在忍冬科中，繡球莢蒾健康得分最低。分析發(fā)現(xiàn)，這11株繡球莢蒾種植較密，彼此擠壓生長(zhǎng)空間，生長(zhǎng)受到嚴(yán)重限制，且均離光源不到1 m的距離，整體長(zhǎng)勢(shì)較弱。由此可知，光污染可能會(huì)影響植物生長(zhǎng)，并且再次印證了不合理的植物種植密度會(huì)對(duì)木本植物健康產(chǎn)生影響。

表6 杭州市屋頂花園木本樹種健康評(píng)價(jià)綜合得分

2.3 不同屋頂花園整體木本植物健康評(píng)價(jià)比較

總體來(lái)看，各屋頂花園木本植物健康綜合評(píng)價(jià)排名為：西湖觀景平臺(tái)(G5)>奧萊城市解百B座屋頂花園(G1)=湖濱銀泰C3座屋頂花園(G3)>萬(wàn)象城屋頂花園(G4)>城市陽(yáng)臺(tái)屋頂花園(G2)(圖1)。從木本植物健康等級(jí)分布來(lái)看，不健康等級(jí)的植物僅出現(xiàn)在得分排名較低的兩座屋頂花園中；而亞健康等級(jí)的植物在城市陽(yáng)臺(tái)屋頂花園和萬(wàn)象城屋頂花園中的占比高于其他三座屋頂花園；健康等級(jí)的植物在綜合評(píng)價(jià)較高的三座屋頂花園中的占比具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)(圖2)。

圖1 各屋頂花園木本植物健康評(píng)價(jià)綜合得分

圖2 各屋頂花園木本植物健康等級(jí)分布

在這五座屋頂花園中，綜合健康得分排名較高的三座屋頂花園的規(guī)模遠(yuǎn)小于后兩座屋頂花園，城市陽(yáng)臺(tái)屋頂花園的面積更是高達(dá)20 000 m2[11]?；蛟S可以推斷，隨著屋頂花園規(guī)模的增大，植物種植設(shè)計(jì)的復(fù)雜性以及養(yǎng)護(hù)管理的難度也隨之增大。因此，越是大型的屋頂花園，在設(shè)計(jì)時(shí)越是要謹(jǐn)慎考慮植物的樹種選擇以及種植形式，后期養(yǎng)護(hù)更要精心。

3 結(jié)論與討論

屋頂花園木本植物的種植養(yǎng)護(hù)與陸地上有很大的不同，其特殊的立地條件成為限制木本植物健康生長(zhǎng)的重要因素。因此，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有屋頂花園木本植物進(jìn)行健康評(píng)價(jià)，探究反映屋頂花園木本植物健康情況的重要指標(biāo)以及限制屋頂花園木本植物健康生長(zhǎng)的主要因素十分必要。

本研究通過(guò)對(duì)杭州市5座屋頂花園中的224棵木本植物進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，用主成分分析法構(gòu)建了屋頂花園木本植物健康評(píng)價(jià)模型。通過(guò)各主成分中起主要作用的指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，植物的冠形、樹干損傷、生長(zhǎng)空間壓迫、光污染以及病蟲害等成為限制屋頂花園木本植物健康生長(zhǎng)的重要因素[12]。

通過(guò)對(duì)調(diào)研木本植物科屬種的分析，發(fā)現(xiàn)杜英科、金縷梅科、千屈菜科、蘇鐵科和衛(wèi)矛科樹種在屋頂花園種植環(huán)境中健康表現(xiàn)較好，在進(jìn)行植物選擇時(shí)可以優(yōu)先考慮。而豆科與忍冬科總體表現(xiàn)較差，其中部分樹種可能不適合在屋頂花園種植。在樹種選擇時(shí)，要充分考慮屋頂面積以及屋頂荷載等因素，避免種植高大喬木，盡量選擇小喬木或灌木[13]。同時(shí)要設(shè)計(jì)合理的種植密度，有研究表明，種植密度較高的植物群落中更容易出現(xiàn)健康情況較差的植物[14]。密集的植物群落一方面會(huì)擠壓彼此的生長(zhǎng)空間，另一方面也容易造成病蟲害的傳播及感染[15]。

杭州市不同屋頂花園木本植物綜合健康研究發(fā)現(xiàn)，屋頂花園規(guī)模的大小對(duì)木本植物健康具有顯著影響，小型屋頂花園的木本植物健康情況總體上優(yōu)于大型屋頂花園。無(wú)論是在植物的前期種植設(shè)計(jì)還是后期養(yǎng)護(hù)管理方面，大型屋頂花園都需要進(jìn)一步加強(qiáng)。