烏魯木齊市鄉(xiāng)土植物和外來植物在城市綠化中優(yōu)先性分析?

楊柏鈺，熱米娜·克熱木，拉孜提·木黑亞特，哈麗米拉·扎爾恒別克，楊曉東,2

( 1.綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，新疆烏魯木齊830046；2.新疆大學資源與環(huán)境科學學院，新疆烏魯木齊830046 )

0 引言

習近平總書記在中國共產(chǎn)黨第十九次全國代表大會上的報告中指出：堅持人與自然和諧共生，建設(shè)生態(tài)文明是中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計[1].在社會經(jīng)濟建設(shè)與發(fā)展過程中，實現(xiàn)“美麗中國”是生態(tài)文明建設(shè)的偉大目標[2].城市是人類居住最多的生態(tài)系統(tǒng)，城市生態(tài)文明建設(shè)的優(yōu)劣直接由綠地面積和綠化質(zhì)量決定，作為生態(tài)文明建設(shè)的重要組成之一，優(yōu)良的綠化不僅能反映城市的人文環(huán)境和文化底蘊，還能改善生態(tài)環(huán)境、提高綠化建設(shè)的社會功效[3].

一般認為，城市綠化包括建設(shè)用地綠化和非建設(shè)用地綠化，而植物綠化是城市綠化的基礎(chǔ)[4].根據(jù)植物區(qū)系的分布和來源，城市中的綠化植物可分為鄉(xiāng)土植物和外來植物兩種類型[5,6].鄉(xiāng)土植物又名本土植物，是指經(jīng)過長期的自然選擇及物種演替后，對某一特定地區(qū)有高度生態(tài)適應性的植物區(qū)系成分的總稱[7].相反，外來植物是指由于人類活動有意或無意引入的、出現(xiàn)在其自然分布區(qū)域以外的植物[8,9].以往研究表明，外來植物由于觀賞性強和季相特征明顯等特點，具有增加城市植物多樣性以及增加城市綠地景觀的異質(zhì)性等優(yōu)勢.但同時也存在破壞生物多樣性和人工生態(tài)系統(tǒng)的潛在威脅[10,11].相反，在城市綠化建設(shè)中，鄉(xiāng)土植物具有更適應當?shù)馗鞣N環(huán)境（成活率高、易繁殖等）、維護生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性等優(yōu)勢[11,12].但當前，有關(guān)鄉(xiāng)土植物和外來植物在城市綠化中優(yōu)先選擇分析的研究相對匱乏.

烏魯木齊是新疆維吾爾自治區(qū)的首府，近年城市發(fā)展過程中，由于地形、氣候限制引種選擇的原因，以及當?shù)卦诔鞘芯G化專業(yè)方向人才的缺乏，烏魯木齊對城市綠化的研究相對匱乏[13]，對綠化植物的優(yōu)先選擇上缺乏經(jīng)驗，所采用的綠化植物多數(shù)是直接照搬同緯度內(nèi)地城市的綠化物種名單[14?16].因此，雖然烏魯木齊種植了大量的綠化植物，但這些物種是否適應當?shù)氐沫h(huán)境條件，至今沒有研究回答.此外，作為離海洋最遠的城市，烏魯木齊人均水資源占有量較低，又常年受大陸性氣候和西風帶的影響.當?shù)刂参镆资芨珊?、風災和雪災等自然干擾的損害[14,17].為此，選擇適合烏魯木齊的城市綠化植物時，除考慮外貌好看外，還應具備耗水量低和抗災能力強的特點.

基于以上，本文通過調(diào)查新疆烏魯木齊40個常見物種的10個功能性狀，根據(jù)《中國植物志》和植物區(qū)系及自然選擇期等，將40個物種分成鄉(xiāng)土植物和外來植物后，比較這兩類植物在外貌美學、抗災和低耗水量方面的差別，旨在為烏魯木齊綠化植物的優(yōu)先性分析提供依據(jù).本文結(jié)論對新疆進行生態(tài)文明建設(shè)，做好“一帶一路”的基礎(chǔ)環(huán)境支持具有重要的理論和科學意義.

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

烏魯木齊轄七區(qū)一縣，總面積14 216.3 km2，建成區(qū)面積412.26 km2，2017年末全市常住人口約222萬人.在2017年統(tǒng)計數(shù)據(jù)中，烏魯木齊市綠地面積約1.20×104h2，建成區(qū)綠化覆蓋率達到40%以上，綠地率達38%，人均公園綠地面積約11 m2，十分接近國家園林城市標準[18].相比內(nèi)地同緯度的北京、蘭州、石家莊、銀川等城市，烏魯木齊的綠化植物種類較少，約280種左右[19]，烏魯木齊的城市綠化具有樹種較少且配置單一，結(jié)構(gòu)層次不明顯等特點[16].

1.2 數(shù)據(jù)收集

2018年4月至6月中旬，在烏魯木齊的水磨溝公園、紅山公園、南公園、植物園、北京路、長春路、河灘路、郊區(qū)烏拉泊至達坂城一帶，踏查比較后，選擇采樣點最常見的物種，從植物的低耗水量、外貌美學、抗災害3個方面共調(diào)查了40種綠化植物的10個功能性狀指標.調(diào)查時，每種綠化植物選擇3株，均要求外觀干凈整潔，未經(jīng)過人工修飾，且是采樣點同種中最高、最大的株體（指樹高最高、胸徑最大的個體）.

對每株植物，我們用測高儀（Vertex-IV，Sweden）測定了植物的實際樹高和枝下高；用米尺測定了樹冠的東西長度和南北長度；用卷尺測量了植物離地面1.3 m處的胸圍和離地面5 cm處的基圍，隨后計算獲得胸徑和基徑；用排水法測量了植物的干材密度；用葉面積儀（LI-3100C，USA）測量了單葉面積；用便攜式光合測定系統(tǒng)（LI-6400，USA)測量了植物葉片的蒸騰速率.葉面積儀和便攜式光合測定系統(tǒng)測量時，每株植物測量3個葉片，要求葉片完整，無傷痕.對葉片同化為同化枝的植物（梭梭等），便攜式光合系統(tǒng)測定時，將同化枝并排鋪滿在葉室內(nèi)，根據(jù)同化枝的投影面積將葉室測量的蒸騰速率換算成單葉的蒸騰速率.為避免蒸騰速率白天隨氣溫的變化，用便攜式光合作用儀的紅藍光源測定，設(shè)定溫度測定值為28?C，光照強度為1 800 Lux.基于測量數(shù)值，利用公式1～3分別計算植株的樹冠面積、樹冠厚度、植株體積和基徑/樹高的值.

式中：DE?W和DN?S分別是樹冠在東西和南北方向的直徑[20].

由于部分灌木矮小或者地面分枝導致在離地面1.3 m處未有胸徑，則計算了植物基徑/樹高的值.依據(jù)前人的研究結(jié)果，樹冠形狀分為開展舒散形、開心形、柱形、自由紡錘形和球形等.遵照前人研究成果——形狀越規(guī)則，外貌美學值越高.我們對開展舒散形、開心形、柱形、自由紡錘形和球形共5種樹冠形狀[21]，將其分別轉(zhuǎn)化為有序等級數(shù)據(jù)1、2、3、4、5，并進一步假定數(shù)值越高，樹冠形狀代表的外貌美學值越高.本文中，對每株植物，觀察其形態(tài)后，按上述5種形狀進行分類賦值.

1.3 數(shù)據(jù)分析

首先查閱《中國植物志》和《新疆植物志》以及《中國種子植物區(qū)系地理》等對烏魯木齊40種常見綠化植物進行區(qū)系分析，隨后將其區(qū)分為鄉(xiāng)土植物和外來植物[22].基于鄉(xiāng)土植物和外來植物兩種類型，利用獨立樣本T檢驗分析10種功能性狀在兩者之間的差異；基于10種植物功能性狀利用層次分析法計算植物耗水量、外貌美學和抗災害等方面的數(shù)值，綜合成烏魯木齊綠化綜合性能值，并利用獨立樣本T檢驗分析鄉(xiāng)土植物和外來植物在耗水量、外貌美學、抗災害以及綠化綜合性能之間的差異.

層次分析法構(gòu)建的體系中，考慮到綠化植物的外貌美學效果由層次配置和形態(tài)造型構(gòu)成，故用潛在樹高、樹冠厚度、樹冠形狀作為指標[20,23]；根據(jù)前人經(jīng)驗，樹高越高、形狀越規(guī)則，其外貌越好看[24,25].考慮到植物的抗環(huán)境脅迫能力，故用基徑/樹高、植株體積、樹冠面積、干材密度作為指標評價植物抗災能力[23,24,26]；根據(jù)前人經(jīng)驗，基徑/樹高值越大，植株體積和樹冠面積越小，干材密度越大，抗災害能力越強[23,25].考慮到植物個體對水分消耗直接與蒸發(fā)面的面積、體積和蒸發(fā)速率相關(guān)，故用單葉面積、植株體積和蒸騰速率作為指標評價植物低耗水量[23,25]；一般認為，單葉面積和植株體積越小，蒸發(fā)速率越慢，則耗水量越小[25].

植物的低耗水量、外貌美學和抗災害數(shù)值按公式4計算.式中Di表示植物耗水量、外貌美學和抗災害的值，Ei表示植物10個功能性狀的值，IWi表示判斷矩陣得到的指標層權(quán)重.綠化綜合性能值按公式7計算，式中A表示綜合考慮外貌美學、抗風抗病蟲害性能和低耗水量3個方面之后的綠化綜合性能值，F(xiàn)(Vi)是由公式5和公式6得到的值.CWi表示判斷矩陣得到的準則層權(quán)重（表1），所有判斷矩陣均通過特征值檢驗.

表1 烏魯木齊綠化植物篩選的層次分析框架及權(quán)重值Tab 1 Framework and weighted values of AHP in screening greening plants in Urumqi

2 結(jié)果

2.1 烏魯木齊常見綠化植物區(qū)系基本特征

查詢《中國植物志》和《新疆植物志》，參照吳征鎰等對烏魯木齊常見綠化植物屬的區(qū)系分布和產(chǎn)地進行統(tǒng)計分析[27].結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本文調(diào)查的40種隸屬18科、26屬.烏魯木齊常見綠化植物區(qū)系以溫帶成分為主，共23屬，占總屬數(shù)的88.46%，分別為榆屬（Ulmus）、梣屬（Fraxinus）、 花楸屬（Sorbus）、 蘋果屬（Malus）、山楂屬（Crataegus）、李屬（Prunus）、落葉松屬（Larix）、松屬（Pinus）、柳屬（Salix）、鹽膚木屬（Rhus）、槭屬（Acer）、莢蒾屬（Viburnum）、忍冬屬（Lonicera）、稠李屬（Padus）、梾木屬（Swida ）、胡頹子屬（Elaeagnus）、小檗屬（Berberis ）、茶藨子屬（Ribes）、連翹屬（Forsythia ）、檉柳屬（Tamarix）、丁香屬（Syringa ）、楓楊屬（Pterocarya）、錦雞兒屬（Caragana）（表2）.這一結(jié)果與徐曉偉[28]等人的結(jié)果一致，表明烏魯木齊地處溫帶大陸性氣候區(qū)，植物以溫帶植物為主.溫帶成分中尤以北溫帶廣布為主，共18屬，占總屬數(shù)的69.23%.這和同緯度地區(qū)北京、內(nèi)蒙古的調(diào)查結(jié)果一致，表明北溫帶廣布區(qū)系的植物更為適應烏魯木齊的自然環(huán)境[10,29].

鑒于當前對于鄉(xiāng)土植物和外來植物沒有明確的界定標準，本文參照《中國植物志》和植物區(qū)系以及經(jīng)過10年的自然選擇期作為界限[22,30]，將植物分為鄉(xiāng)土植物和外來植物.本文發(fā)現(xiàn)，烏魯木齊常見綠化種中，鄉(xiāng)土植物主要有13個物種，隸屬9科、11屬，其物種名分別為白榆（Ulmus pumila）、天山花楸（Sorbus pohuashanensis）、雪嶺云杉（Picea schrenkiana）、西伯利亞落葉松（Sibirica ledeb）、胡楊（Populus euphratica）、梭梭（Haloxylon ammodendron）、西伯利亞小檗（Berberis sibirica）、沙棗（Elaeagnus angustifolia）、蘋果(Malus pumila)、錦雞兒(Caragana sinica)、檉柳(Tamarix chinensis)、旱榆(Ulmus glaucescens)和旱柳(Salix matsudana) ；相反，外來植物27個物種，隸屬13科、19屬，詳見表2.鄉(xiāng)土物種僅占綠化物種的32.50%，表明在烏魯木齊城市綠化中鄉(xiāng)土植物所占的比重較少，而外來植物占較大比重，同樣的結(jié)果與徐曉偉等人一致.表明在烏魯木齊城市綠化過程中對于鄉(xiāng)土植物的重視程度不夠[28].

按生活型將植物分為喬木和灌木后，發(fā)現(xiàn)喬木有31種，隸屬13科、18屬（表2）.其中，鄉(xiāng)土植物10種，分別為旱榆、白榆、蘋果、雪嶺云杉、天山花楸、旱柳、檉柳、胡楊、沙棗和西伯利亞落葉松，它們僅占喬木總種數(shù)的32.26%；烏魯木齊常見綠化植物中，灌木有9種，隸屬6科、8屬，其中鄉(xiāng)土灌木種2種（錦雞兒和西伯利亞小檗），僅占灌木總種數(shù)的22.22%（表2）.這些結(jié)果表明在烏魯木齊城市綠化建設(shè)中，常見綠化植物生活型較為單一且多集中于喬木層，灌木層植物考慮較少，層次配置不明顯.經(jīng)驗表明，灌木等植物具有抗逆性和耐蔭性強的特點，適宜于墻體等低矮空間的綠化，可達到豐富層次和豐富季相的景觀效果[31]；在生態(tài)功能上，灌木具有消耗水分少、耐受干旱環(huán)境能力強等優(yōu)點，根據(jù)植物群落中物種配置的理論，合理穩(wěn)定的群落應符合喬木數(shù)小于灌木數(shù)的標準[7,32].因此，在未來烏魯木齊城市綠化建設(shè)中為豐富層次配置應當增加灌木的數(shù)量，優(yōu)先考慮鄉(xiāng)土灌木植物.

表2 烏魯木齊常見綠化種區(qū)系分布Tab 2 Floristic distribution of common greening plants in Urumqi

2.2 鄉(xiāng)土植物和外來植物在10個功能性狀之間的差異性對比

烏魯木齊常見綠化植物種中鄉(xiāng)土植物的基徑/樹高顯著高于外來植物，單葉面積和枝下高顯著低于外來植物（P<0.05）；相反，烏魯木齊常見綠化植物種中鄉(xiāng)土植物和外來植物在潛在樹高、樹冠面積、植株體積、樹冠厚度、蒸騰速率、干材密度和樹冠形狀上無顯著差異（P>0.05）（圖1）.

圖1 鄉(xiāng)土植物和外來植物10個功能性狀間的差異Fig 1 Variations in 10 functional traits between native plants and exotic plants

前人研究成果表明，基徑越大，表明物種生長發(fā)育越慢，植物在橫向生長上的投資更多，抗風、抗雪災等的脅迫能力越強[23,25]；鄉(xiāng)土植物基徑/樹高的數(shù)值顯著高于外來植物，說明鄉(xiāng)土植物在橫向生長上投資更多的資源，以增加對環(huán)境脅迫的抵抗力.單葉面積作為植物葉面性狀的重要組成之一，能夠反映植物對干旱的適應性[32,33]，其值越小，說明散失水分越少，抗水分脅迫能力越強，對干旱環(huán)境的適應性越強[25,33]；鄉(xiāng)土植物的單葉面積顯著低于外來植物（圖1），表明鄉(xiāng)土植物在生長過程中散失水分少，對烏魯木齊半干旱環(huán)境的適應性強.枝下高可反映植物的生長狀況和抗風脅迫能力[24,34]；鄉(xiāng)土植物的枝下高顯著低于外來植物，說明鄉(xiāng)土植物外形較外來植物矮小，抗風脅迫能力強.潛在樹高和樹冠厚度均是反映外貌的指標，二者數(shù)值越大，表明植物外貌越好看[35,36]；對于反映植物碳交換能力的蒸騰速率，其值越高，表明植物碳交換能力越強，生長狀況越好[23,25].本文中，雖然鄉(xiāng)土植物和外來植物在潛在樹高、樹冠厚度和蒸騰速率之間沒有顯著性差別，但對比兩者的平均值可以發(fā)現(xiàn)，外來植物的潛在樹高和樹冠厚度值大于鄉(xiāng)土植物，相反蒸騰速率小于鄉(xiāng)土植物（圖1），這說明鄉(xiāng)土植物碳交換能力更強，生長狀況更好；外來植物外貌更好看.

將烏魯木齊常見植物按生活型分為喬木和灌木之后發(fā)現(xiàn)，類同所有植物的分析結(jié)果，鄉(xiāng)土喬木植物的基徑/樹高顯著高于外來植物（P<0.05）；枝下高、單葉面積顯著低于外來植物（P<0.05）；相反在蒸騰速率、潛在樹高、樹冠面積、植株體積、樹冠厚度、干材密度和樹冠形狀上無顯著差異（P>0.05）（表3）.這表明，鄉(xiāng)土喬木投資更多營養(yǎng)在抗逆性狀上，相反外來植物在外貌上的投資較多.對灌木、喬木以及所有植物層面，本文發(fā)現(xiàn)鄉(xiāng)土灌木的潛在樹高、樹冠面積、植株體積和單葉面積顯著低于外來植物（P<0.05）；樹冠形狀和蒸騰速率顯著高于外來植物（P<0.05）；但在基徑/樹高、枝下高、樹冠厚度、干材密度上無顯著差異（P>0.05）.這些說明鄉(xiāng)土灌木將更多的資源利用在橫向生長上，相反外來灌木將資源更多用于垂直生長.

表3 鄉(xiāng)土植物和外來植物不同生活型間10個植物功能性狀的差異Tab 3 Variations in 10 functional traits between different life forms of native plants and exotic plants

2.3 鄉(xiāng)土植物和外來植物在城市綠化中的優(yōu)先性分析

利用10個功能性狀值，本文計算了植物在外貌美學、低耗水量和抗災害方面的數(shù)值，隨后利用層析分析法綜合這3個數(shù)值計算它們的綠化綜合性能值（表4）.結(jié)果表明，在所有綠化物種層面，烏魯木齊鄉(xiāng)土植物和外來植物在外貌美學、低耗水量、抗災害以及綠化綜合性能值上無顯著差異（P>0.05），但平均值顯示，外來植物的外貌美學高于鄉(xiāng)土植物，相反在低耗水量、抗災害和綠化綜合性能上的數(shù)值均低于鄉(xiāng)土植物（表5）.產(chǎn)生沒有顯著差別這一結(jié)果的原因可能是由于本文調(diào)查的物種數(shù)目較少，加之調(diào)查的鄉(xiāng)土植物更少，使得鄉(xiāng)土植物和外來植物數(shù)據(jù)的變異性增加，因而未有顯著性差別.另一方面，平均值上的差別表明鄉(xiāng)土植物在抗災害和低耗水量方面優(yōu)于外來植物，但外貌美學劣于外來植物.這一結(jié)果和學者們的普遍認識較為一致，即鄉(xiāng)土植物更適應當?shù)丨h(huán)境，外來植物外貌更好看[7,37,38].鄉(xiāng)土植物的綠化綜合性能值高于外來植物，表明綜合考慮植物的抗災害、低耗水量和外貌后，鄉(xiāng)土植物更適合烏魯木齊的城市綠化，這一結(jié)果與城市生態(tài)學中“適地適樹”“近自然化” 等觀點相契合[39].

表4 烏魯木齊綠化植物層次分析中的得分及綜合排序Tab 4 Scores and integrated ranking values of greening plants in Urumqi based on AHP

表5 鄉(xiāng)土植物和外來植物在外貌美學、抗災害、低耗水量及綜合性能之間的差別Tab 5 Differences in appearance, the anti-disaster ability, water consumption and integrated functional indicator of native plants and exotic plants

按植物生活型檢驗后發(fā)現(xiàn)，鄉(xiāng)土喬木的抗災害值顯著高于外來喬木（P<0.05），但在外貌美學、低耗水量和綠化綜合性能值上無顯著差異（P>0.05）（表5）.比較平均值，在所有綠化物種水平上，鄉(xiāng)土喬木的低耗水量和綠化綜合性能值均高于外來喬木，但外貌美學趨勢相反.說明鄉(xiāng)土喬木對于風災和雪災等干擾有較強的耐受能力且耗水量少，這是因為鄉(xiāng)土植物經(jīng)長期自然選擇后，對于本地區(qū)的自然環(huán)境和氣候條件有較強的適應性和耐受能力[4,7]，與張立濤等人的研究結(jié)果相同[30].對于灌木，外來植物的綠化綜合性能值顯著高于鄉(xiāng)土植物（P<0.05），但兩類植物在外貌美學、低耗水量和抗災害值上無顯著差異（P>0.05），且外來植物在外貌美學、低耗水量和抗災害值上均大于鄉(xiāng)土植物（表5），這與本文所有物種、喬木和其他人的研究結(jié)果完全相反[40?42].這可能是取樣不當產(chǎn)生的后果，具體如下：（1）灌木型植物樣本太少，鄉(xiāng)土植物僅2種，任何一個微小的變異都會對結(jié)果產(chǎn)生顯著影響，使得鄉(xiāng)土灌木和外來灌木出現(xiàn)相反的結(jié)論；（2）不難發(fā)現(xiàn)，本文選擇的鄉(xiāng)土灌木如錦雞兒和西伯利亞小檗等都是高山植物，而烏魯木齊的景觀基底是荒漠，因此這些高山植物并不能反映荒漠的實際情況，它們所存活的生境環(huán)境條件較優(yōu)越，假設(shè)外來植物是來自內(nèi)地其他區(qū)域的耐干旱植物，它們適應干旱的能力肯定優(yōu)于高山植物，因而使得本文呈現(xiàn)與他人相悖的結(jié)果[40,41,43]，這一點在今后的研究中，應該加以注意.

3 結(jié)論與展望

烏魯木齊常見綠化植物中，鄉(xiāng)土植物僅占32.50%，而外來植物占67.50%；綠化喬木中，鄉(xiāng)土植物僅占32.26%；綠化灌木中，鄉(xiāng)土植物僅占22.22%.這一結(jié)果與同緯度干旱半干旱地區(qū)的城市相比，鄉(xiāng)土植物應用較少，且結(jié)構(gòu)層次單一，綠化效果不好.

烏魯木齊常見綠化植物中，鄉(xiāng)土植物和外來植物在功能性狀方面存在差別，具體為：在所有物種和喬木層面，鄉(xiāng)土植物的基徑/樹高顯著高于外來植物（P<0.05），單葉面積和枝下高顯著低于外來植物（P<0.05）；在灌木層面，鄉(xiāng)土植物的潛在樹高、樹冠面積、植株體積和單葉面積顯著低于外來植物（P<0.05），樹冠形狀和蒸騰速率顯著高于外來植物（P<0.05）.這表明它們對環(huán)境的適應能力是不一致的.

根據(jù)10個植物功能性狀，本文使用層次分析法比較了鄉(xiāng)土植物和外來植物在外貌美學、低耗水量、抗災害以及綠化綜合性能方面的差別.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，外來植物在外貌美學方面優(yōu)于鄉(xiāng)土植物，但其在抗災害、低耗水量和綠化綜合性能方面的數(shù)值均低于鄉(xiāng)土植物.這說明在烏魯木齊的城市綠化樹種選擇中，由于鄉(xiāng)土植物具有較強的抗災害能力和耐干旱能力，應當優(yōu)先考慮增加種植比重[38,44,45].