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    中国城市建成区乔木结构特征

    关键词:园林植物;绿地;城市建成区;城市化;乔木;多样性;中国

    Key words:landscape plants; green space; urban built-up area; urbanization; tree; diversity; China

    摘要:采用分层随机取样法对中国21个典型城市进行地面调查后发现,中国城市建成区植被主要乔木树种(重要值排前3位)约为17种,在空间分布上呈地带性;乔木胸径主要处于小径级(5~25cm),树高基本集中在5~7m和7~9m 2个区间。乔木株高与其胸径分布不具有一致的规律。乔木Gleason丰富度指数在1.30~5.17之间,且南方地区Gleason丰富度指数高于北方地区;Gleason指数与年均降水量、年均气温、PGDP三者线性相关显著。Simpson指数,Shannon-Wiener指数以及Pielous指数与水热条件和经济发展之间相关性不显著。通过多样性指数比较,发现城市绿化中的树木多样性很大程度上受到人类活动调控的影响,在一定程度上,景观美学是城市生态系统中植物群落组成的一个更明显的决定因素。但自然环境对城市绿化的树种选择也有很大的影响。

    Abstract:Based on a stratified random sample of field data from 21 China cities, it is estimated that the main tree species of urban built-up area in China are about 17 species and the spatial distribution of these species was zonal. Tree diameters at breast height (DBH) were mainly 5~25cm for urban built-up area, and tree height were mainly concentrated in two intervals of 5~7m and 7~9m. Distribution of DBH and height is inconsistent. Gleason richness index of trees in built-up area were between 1.30~5.17 with a higher value in the south than the north. The correlation analysis of community characteristics and nature and socio-economic factors showed that the average DBH and height of trees significantly related with nature-economic factors; compared to natural factors, economic factors is a more significant determinant for stratified vegetation structure; Gleason index was significantly correlated with average annual rainfall, annual temperature and PGDP (P<0.05). While Simpson index, Shannon-Wiener index and Pielous index showed no significant relationship with hydrothermal conditions and economic development. The study found that the diversity of vegetation in urban green space is largely regulated by human activities, and to a certain extent, landscape aesthetics is a more significant determinant of woody plants in the urban ecosystem. But the natural environment has a great impact on the selection of urban greening tree species.

    内容:城市建成区植被结构量化研究是生态效益评估及绿地规划管理的基础,城市植被结构很大程度上影响整体生态效益的发挥[1]。乔木是发挥植被生态功能的主体,本研究主要针对乔木展开。通过对中国21个城市建成区样地乔木生长参数测定进行统计分析,研究中国城市建成区乔木种类构成,探讨建成区绿地乔木胸径和株高分布的规律,通过4种植物多样性测度评估我国建成区乔木多样性水平。研究可为探讨城市建成区植被结构与其功能之间的关系,以及为更好地理解影响城市建成区植被生态功能的因素提供支持。

    1  研究方法
    1.1  样地设置
    本文研究“建成区”(built-up area)指城市行政辖区范围内建设发展起来的非农业生产建设地段,包括市区集中连片的部分以及分散在近郊区与城市有着密切联系、具有基本完善的市政公用设施的城市建设用地[2]。所研究的建成区植被与建成区定义区域一致,不包括大面积的山体植被和森林等原生态自然植被,但包括少数自然生长的草类和灌木以及遗留地边缘的人工管理植被[3]。本研究城市建成区植被主要数据来源于2009—2012年植物生长季实地调查。调查城市为全国各主要气候区的21个城市。参考同类研究文献[4-5],取样城市的选取主要考虑以下几个因素:
    1)反映该地区绿化建设水平并符合城市化发展普遍规律;
    2)包含大、中、小不同规模城市;
    3)在我国中、东和西部城市化和经济水平梯度上均有分布;
    4)涵盖各主要气候区。
    本研究区划根据我国城镇绿化树种区域研究结果[6],在借鉴中国植被已有区划研究工作的基础上,以水热因素的地带性规律为依据,以城市气候环境背景为基础,将我国划分为11个城镇园林绿化树种区域,从宏观上基本能够反映我国从东到西、由北向南城市气候和园林绿化树种类型的经向、纬向地带性分布。寒温带半干旱区域因占地面积小以及人力物力有限,本研究未有涉及。
    1.2  外业调查
    根据每个城市取样数量及分布确定采用分层随机法。研究共组织了23个团队展开调查。在调查工作开始前建立外业调查规范,在此基础上所有团队都接受了统一培训和同一地点的实地考核,确保每个团队都有统一的高水准的研究调查能力。培训内容包括:方法论、路线考察、绿地踏查、样方选取、每木检尺、拍照和记录。本研究定义乔木为样方内所有胸径大于5cm的树种,具体调查及测定内容包括:乔木种类、乔木胸径(DBH,即离地面1.3m高处树干的直径)、乔木株高(H)、乔木冠幅;拍摄符合本研究调查规范的树木照片。
    1.3  植物多样性计算
    绿地生态系统对于植物多样性保护发挥着重要的作用[7]。物种多样性指标有多种,常用的有Simpson和Shannon-Wiener多样性指数。Simpson指数是概率多样性指数,又称优势度指数,是丰富度和均匀度的综合[8]。Shannon-wiener指数为信息多样性指数。均匀度(Pielou指数)为群落中不同物种的多度(生物量、盖度或其他指标)分布的均匀程度。测度物种多样性4个指数计算公式如下:
    Gleason丰富度指数:R=S/lnA                              (1)
    Simpson指数:D=1-∑Pi2                                     (2)
    Shannon-Wiener指数:H=-∑PilnPi                   (3)
    Pielou均匀度指数:J=H/lnS                                   (4)
    式中,S为物种数,A为样地面积,本研究样地面积为400m2,Pi为重要值,其具体计算方法如下:
    Pi=1/3(相对频度+相对多度+相对显著度)               (5)
    重要值Pi(Importance value)表征某一物种在群落中的重要性。相对频度为某种植物的出现频度与所有植物出现频度总和之比;相对多度为某种植物的数量与所有植物数量之比;相对显著度为某植物胸高断面积的总和与所有植物的胸高截面积总和之比。

    2  建成区植被乔木结构特征
    2.1  主要乔木树种
    中国建成区常见乔木树种(在调研城市中重要值排在前3位)约17种,其中包括:香樟(Cinnamomum camphora)、大叶榕(Ficus altissima)、小叶榕(F. microcarpa)等常绿阔叶树种;悬铃木(Platanus acerifolia)、国槐(Sophora japonica)、银杏(Ginkgo biloba)、榆树(Ulmus pumila)、枫香(Liquidambar formosana)、白蜡(Fraxinus chinensis)、加杨(Populus X canadensi)和新疆杨(P. alba‘Pyramidalis’)、垂柳(Salix babylonica)等落叶阔叶树种;油松(Pinus tabulaeformis)、冷杉(Abies fabri)、水杉(Metasequoia glyptostroboides)、侧柏(Platycladus orientalis)、桧柏(Sabina chinensis)等针叶树种。
    园林养护管理明显降低了城市建成区树木的生物及非生物的不利因素,而且改变了树木的分布范围和数量[9]。我国建成区植被主要乔木树种空间分布呈地带性(图1):秦岭淮河以北一直到华北平原的城市,主要树种为悬铃木和杨属;而秦岭淮河以南至南岭的城市则多种植香樟;南岭以南的城市如桂林和广州,主要树种则为榕,而且存在过渡现象,如南京就处于悬铃木与香樟的一个过渡带上。本研究调查的21个城市中,优势种株数约占全部数量的30%~60%,表明我国建成区植被树种比例不均衡,优势种使用量过大。
    2.2  乔木胸径与株高分布
    本文所研究的典型城市乔木胸径分布基本可划分为4种类型,即近正态分布型、偏右型、均匀分布型以及偏左型(图2)。胸径近正态分布型是指乔木胸径分布两端比例低而中间径级比例高。北京、南京、上海、杭州、连云港、无锡、西宁、乌鲁木齐、格尔木9个城市乔木胸径分布基本符合近正态分布(图2)。以北京市为例,胸径分布主要集中分布在20~25cm范围内,约占总体的50%,胸径分布在小径级(5~10cm)和大径级(大于40cm)的树木较少,小于整体的5%。
    胸径偏右型分布是指乔木胸径分布在大径级的比例高。福州、济南和桂林3个城市胸径分布基本符合偏右型分布,乔木胸径分布30~35cm以及大于40cm的比例高,约占整体的30%以上(图2)。以该类型中的福州市为例,约40%的乔木胸径分布在>40cm的大径级。
    胸径平均分布型是指乔木胸径分布在各径级比例相当。昆明、长春和广州3个城市胸径分布基本符合平均分布(图2)。以昆明市为例,乔木在各径级所占约10%。胸径偏左分布型是指乔木胸径分布小径级(DBH<20cm)比例高。
    郑州、拉萨、长沙、锡林浩特、合肥和潍坊6个城市胸径分布基本符合偏左分布,乔木胸径分布集中在5~10cm,10~15cm和15~20cm 3个径级(图2)。以该类型中的锡林浩特市为例,胸径分布集中分布在5cm~20cm范围内,约占整体的80%。
    影响乔木胸径分布的原因主要包括2个方面:1)城市建成区植被优势种为速生树种,如悬铃木、榕属、杨属等,乔木胸径偏大;2)绿地建设时间。建成区绿化植被基本上是从苗圃引入,初期年龄较小,随着时间推移逐渐增大,绿地建设早的区域(老城区)乔木胸径较大,反之,新建城区树木胸径偏小。 
    同经度上的城市建成区乔木胸径分布是否具有相同的规律?北京、济南、南京3个城市位于同经度。研究发现,北京和南京胸径分布具有相似规律,多数乔木分布在中间径级。而济南乔木的胸径在各径级均匀分布(图2)。这种差异的可能原因一方面是城市建设速度的差异,北京和南京由于城市建设快,新增绿地多,新种乔木胸径整体偏小,而济南发展平稳,乔木胸径分布较为均匀。另一方面,北京和南京2个城市使用小乔木的比例高。
    乔木的胸径与乔木的年龄呈正相关,乔木的径级分布在一定程度上反映了乔木的年龄结构特征。21个典型城市乔木胸径分布结果显示(图2),乔木胸径主要分布在5~25cm径级,表明我国城市建成区树木大多处于幼龄阶段。随着城市化进程的加快,新增绿地不断增加,加上小乔木树种的引入,因此,我国建成区绿地植被乔木胸径主要处于小径级(5~25cm)。 
    一般来讲,胸径和株高呈正显著相关,中国城市建成区乔木株高分布规律是否与胸径分布规律一致?研究乔木株高分布结果表明(图3),胸径分布呈近正态分布型,偏右型,均匀分布型以及偏左型的4类城市的乔木株高分布趋于一致,主要分布在5~9m范围,径级两端分布比例少。乔木株高与其胸径分布不具有一致的规律。福州市乔木胸径偏右型,胸径大的乔木多于北京、昆明和锡林浩特,在株高分布中径级分布大于9m以上的树木也多于这3个城市,这说明在一定程度上是胸径影响了株高。但城市植被乔木的株高在整体分布规律上与胸径分布规律不一致,其主要因素有2个方面:一是树种因素,城市植被中乔木树种多为树形优美的观赏树种或冠幅较大的遮阴树种,这些树种本身生长高度较低;二是园林养护管理在一定程度上控制了树木的生长高度。21个城市建成区乔木株高基本集中在5~7m和7~9m这2个区间(图3),随着树木的生长以及景观设计的调控,未来株高分布规律将发生一定的变化。
    2.3  乔木物种多样性
    对21个典型城市乔木的Gleason丰富度指数空间分布的研究表明,Gleason丰富度指数南方高于北方(图4)。典型城市建成区乔木Gleason丰富度指数为1.30~5.17;Gleason丰富度指数排列前3的城市为杭州(5.17)、广州(5.01)和郑州(4.67),而乌鲁木齐,拉萨和长春市Gleason丰富度指数排列后3位,分别为1.3,1.7和1.7。南方城市的乔木在单位样方面积中物种数多的原因,一方面受气候因素影响,可选择种植的树种多;此外,南方城市的经济水平相对也高于北方城市。
    对21个典型城市乔木的Simpon指数和Shannon-Wiener指数空间分布的研究表明,并没有发现物种多样性有经纬度地带性。这与自然规律不一致。在对东亚地区的原生态系统的研究中发现,植被的丰富度、物种多样性会随经纬度的变化而发生规律性变化。而这种变化与由于经纬度不同而带来的水热条件变化密切相关。一般来说,由东向西由于离大海越来越远,季风带来的水分越来越少,植被的多样性、丰富度递减。而从北向南,年均气温的增加使得单位面积土地的生产力增高,从而使植被多样性、丰富度呈现递增规律。
    21个研究城市建成区植被Simpon指数在0.60~0.91之间,平均值为0.80,格尔木、锡林浩特和西宁Simpon指数位于前3位,分别为0.91、0.91和0.89,Gleason指数较高的城市广州、杭州和郑州处于4~6位,分别为0.87、0.87和0.86。
    21个研究城市建成区植被Shannon-Wiener指数在1.36~3.43,平均值为2.62,广州、郑州和济南3个城市Shannon-Wiener指数高于其他18个城市,分别为3.43、3.41和3.29,而乌鲁木齐、桂林和拉萨分别为1.36、1.65和1.69,位于后3位。本研究表明用Shannon-wiener指数表示城市之间多样性指数的差异比Simpon指数大,更适合用于城市之间的比较。对于城市街道绿化树种研究也表明城市之间物种多样性指数比较用Shannon-wiener 指数更合适[1]。
    Pielous指数空间上差异研究表明,在空间上未出现明显分布规律。Pielous指数0.65~1.36,平均值为0.94,研究城市中连云港市、潍坊市和合肥市Pielous指数分别为1.36、1.11和1.07,这3个城市均匀度在21个城市中排在前列,一定程度上表明,3个城市的植物配置水平较低。用t检验证明城市之间多样性指数是否有显著的差异结果表明,t值均在0.05以上,无法证明有显著的差异。综合Simpson指数和Shannon-Wiener指数2个多样性指数以及Pielous指数分析表明,杭州、广州、福州和北京市乔木物种多样性较高。

    3  中国城市建成区乔木结构影响因素分析
    3.1  影响乔木胸径与株高的因素
    为研究不同城市建成区乔木生长差异,对21个城市建成区乔木平均胸径和平均株高与相应的自然、经济因素做了线性回归分析(图5、6)。结果表明,建成区乔木平均胸径与自然因素的年均气温、年均降水和湿润指数,经济因素的人均国内生产总值(PGDP)均呈显著相关(P<0.05);建成区乔木平均株高与自然因素的年均气温和年均降水相关显著,与湿润度指数无显著相关,与经济因素的PGDP相关显著(P<0.05)。
    3.2  影响建成区乔木物种多样性的因素
    对物种多样性和水热条件及经济发展之间进行线性相关性分析结果表明(图7),Gleason指数与年均降水量、年均气温及PGDP三者线性相关显著(P<0.05),与湿润指数无显著相关,表明城市园林绿化管理在一定程度上减少了植物的生态脆弱性。中国南方水热条件好,经济水平也高于北方,Gleason指数与自然因素和经济因素相关性结果,验证了本文中Gleason丰富度指数南方高于北方的结论。在其他地区的研究中也得出与本研究较一致的结论,根据美国凤凰城的研究提出了“奢侈效应”,即在富裕地区,多年生植物倾向于具有更大的丰富度[10]。城市化对亚利桑那州中部植物物种多样性的影响研究发现,城市植被丰富度与当地居民收入呈正相关[11]。
    对Simpson指数、Shannon-Wiener指数以及Pielous指数和水热条件及经济发展之间进行线性相关性分析结果表明,这3个多样性测度指标与年均降水量、年均气温及PGDP三者线性相关均不显著。表明城市建成区乔木多样性未呈现与自然植被规律的一致性。分析其主要原因为绿地生态系统中的植物为人工配置,景观设计使得人工植物群落的结构类型、组织水平、发展阶段以及稳定程度出现了趋同,因而表征这些因素的多样性测度指标Simpson指数、Shannon-Wiener指数以及Pielous指数与地域关系未呈现与自然植被相近的规律。
    该结论存在不确定因素,首先是现行城市植被调查取样的方法。目前城市植被地面调查法主要参考了森林生态调查的方法体系。然而,城市植被比自然森林具有更高的异质性,生长环境也存在差异。因此,不排除现行的取样大小和取样数量对城市植被多样性测度结果的影响[12-13]。其次是城市样本的局限性。本研究共选择21个分布在我国主要气候区的城市,未来工作需要进一步增加研究城市的数量来验证该结论。此外,本研究选择的典型城市综合了气候区分布、绿化水平的代表性、城市规模以及经济等因素,但是对于城市建成的时间、历史等影响因素考虑还不充分。期望未来有更多的研究工作关注这一问题,推动该方向研究的进展。
    综合上述结果表明,本研究测度物种多样性4个指数,仅有Gleason指数受环境因素,特别是经济因素影响。通过城市建成区的多样性指数相关性研究,发现城市绿化中的植被多样性很大程度上受到人类活动调控,在一定程度上,景观美学是城市生态系统中植物群落组成的一个更明显决定因素。南北分布对于城市生态多样性的影响不显著。但在对城市绿化的树种选择上,自然环境具有很大的影响,丰富度与降水和温度的关系就说明了这样的影响。

    4  结语
    在当前城市土地资源日益紧缺的背景下,明确城市植被特征有助于优化城市植被的结构,进而对提高城市生态系统功能有重要作用。本研究通过对21个城市建成区乔木的实地调查,首次从大尺度上量化了我国各主要气候区建成区乔木结构特征,分析城市建成区乔木基本参数对自然因素及社会经济的响应。为了更准确地估算我国城市建成区乔木结构特征,今后仍需深入开展城市建成区植被生长和结构的基础调查与研究,需要补充更多的实测数据,特别是寒温带半干旱区域和热带湿润区域,以进一步完善全国尺度上数据的完整性;未来研究中,建立地基遥感数据与已经构建的数据集之间的耦联,对提高空间分析会有很大帮助;本论文对我国建成区乔木的影响因素研究仍需深化,对驱动因素以及因素间相互影响研究还不足,未来的研究如采用模型模拟会使结果更加完善。

    注:文中图片均由作者绘制。

    致谢:感谢浙江大学生命科学学院任远、郭克检、李丹、刘阳、杜园园等研究生对本研究数据调研及整理提供的帮助。


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    (编辑/王一兰)