中國35個(gè)城市行道樹樹種組成特征研究

王 可 肖 路 田盼立 張喜亭 王洪元 王文杰,*

(1.東北林業(yè)大學(xué)化學(xué)化工與資源利用學(xué)院，哈爾濱 150040；2.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長(zhǎng)春 130102)

城市森林為城市居民提供至關(guān)重要的生態(tài)服務(wù)功能如固碳釋氧、城市微氣候調(diào)節(jié)、凈化空氣、生物多樣性維持以及城市熱島調(diào)節(jié)等[1～2]。城市森林在城市生態(tài)環(huán)境保障中具有不可替代的作用，城市行道樹組成是生態(tài)服務(wù)評(píng)價(jià)以及功能提升的重要基礎(chǔ)[3]。Mcpherson等對(duì)美國22個(gè)城市的行道樹綜合研究，明確了美國行道樹的整體生態(tài)價(jià)值[4]。系統(tǒng)開展城市間樹種組成差異規(guī)律的研究，將有助于支撐城市森林的科學(xué)管理與多生態(tài)服務(wù)功能提升[5]。

隨著街景大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，使得對(duì)城市森林行道樹組成進(jìn)行多城市、大范圍的研究成為可能。街景已被廣泛用于城市樹種調(diào)查[6]、城市綠色程度評(píng)價(jià)[7]、鳥類生境評(píng)估[8]以及城市環(huán)境計(jì)量[9]等研究。相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)地調(diào)查方法，基于街景的城市生態(tài)研究則更為省時(shí)、省力。此外，王文杰等利用百度街景測(cè)量樹木大小，表明街景網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)在生態(tài)環(huán)境和城市街道樹木調(diào)查中的應(yīng)用潛力巨大，工作效率提升50倍以上[10]。以上這些研究為多城市行道樹組成及比較提供了基礎(chǔ)。

中國非常重視城市森林在人居環(huán)境中的作用，正在構(gòu)建國家森林城市和森林城市群(http://www.forestry.gov.cn/)。以往城市森林研究多局限于一個(gè)城市[11～14]，而對(duì)多個(gè)城市、區(qū)域間城市森林對(duì)比研究匱乏，限制了我國相關(guān)林業(yè)管理水平政策的提出。當(dāng)前對(duì)城市森林樹種組成合理性評(píng)價(jià)主要標(biāo)準(zhǔn)為10/20/30經(jīng)驗(yàn)法則，其指出一個(gè)區(qū)域內(nèi)最合理的配置是某一種的比例不能超過10%，某一屬的比例不能超過20%，某一種的比例不能超過30%[13]。此外，我們還運(yùn)用了《國家森林城市評(píng)價(jià)指標(biāo)》來對(duì)城市行道樹樹種配置合理性來進(jìn)行評(píng)價(jià)。這樣的植物組成既能降低城市森林病蟲害的發(fā)生率，同時(shí)又能維持較高的生物多樣性[15]。按照中國常用的區(qū)域劃分方法，系統(tǒng)開展多城市、區(qū)域間差異對(duì)比研究，將有助于提升我國對(duì)未來城市森林的構(gòu)建、發(fā)展和規(guī)劃以及林業(yè)管理政策的制定?；谏鲜?，本研究利用街景大數(shù)據(jù)，選擇了全國35個(gè)主要城市進(jìn)行行道樹相關(guān)調(diào)查，旨在解決3個(gè)方面內(nèi)容：①我國主要城市行道樹組成情況；②城市行道樹樹種組成合理性評(píng)價(jià)；③根據(jù)本研究為城市森林樹種選擇與規(guī)劃提出建議。

1 研究地點(diǎn)與研究方法

1.1 研究區(qū)域

本研究選取全國35個(gè)典型城市分別為：北京、天津、西安、成都、長(zhǎng)沙、沈陽、武漢、哈爾濱、長(zhǎng)春、石家莊、昆明、南昌、南寧、合肥、鄭州、貴陽、呼和浩特、福州、烏魯木齊、蘭州、西寧、?？?、三亞、桂林、銀川、鄂爾多斯、拉薩日喀則、克拉瑪依、武威、太原、杭州、濟(jì)南、南京、重慶等，共調(diào)查88 632個(gè)樣點(diǎn)(見表1)。上述城市均被百度街景覆蓋。地理分布從最北部的哈爾濱市到最南部的三亞市；從東部的杭州市到最西部的克拉瑪依市。依據(jù)我國的地域差異將上述城市劃分為北方地區(qū)(11)、南方地區(qū)(15)、青藏地區(qū)(3)和西北地區(qū)(6)4個(gè)區(qū)域(見表1)。

1.2 基于街景植物種類數(shù)據(jù)獲取

本研究將基于網(wǎng)絡(luò)街景圖像對(duì)我國35個(gè)主要城市森林的行道樹植被群落結(jié)構(gòu)分布及其差異進(jìn)行調(diào)查分析。首先在百度街景地圖中打開全景模式，在有全景的市區(qū)內(nèi)對(duì)我國35個(gè)城市建成區(qū)面積約9 083 km2進(jìn)行隨機(jī)布點(diǎn)，進(jìn)行收藏標(biāo)記。然后利用百度街景進(jìn)入收藏樣點(diǎn)，觀測(cè)以樣點(diǎn)為中心100 m范圍內(nèi)行道樹的樹木種類進(jìn)行識(shí)別記錄。具體方法為：

首先查閱本研究所有城市樹種資料，熟悉其基本特征。進(jìn)入百度街景收藏樣點(diǎn)，識(shí)別樹木種類并確定該樣方內(nèi)每種喬木所占比例，記錄多度最多的前4種。本研究過程中會(huì)出現(xiàn)街景照片時(shí)間為冬季或落葉季節(jié)，則需要使用街景時(shí)光機(jī)功能調(diào)整為夏季圖像。

表1 本研究城市列表及每個(gè)城市位置與樣點(diǎn)個(gè)數(shù)情況

1.3 數(shù)據(jù)處理

樹種相對(duì)多度計(jì)算方法：計(jì)算出35個(gè)城市行道樹的每個(gè)種的相對(duì)多度。計(jì)算公式為：

(1)

式中：Si為城市內(nèi)種的數(shù)目，S為城市記錄的所有種的數(shù)目之和。再對(duì)城市樹種進(jìn)行排序，選擇15個(gè)占主要優(yōu)勢(shì)的樹種。根據(jù)城市劃分求得相對(duì)應(yīng)平均值。

依據(jù)10/20/30法則對(duì)各地理區(qū)域城市道路林配置合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)，該經(jīng)驗(yàn)法則建議城市管理區(qū)域最常見種的相對(duì)多度是否低于10%，若低于則該地理區(qū)域種的配置合理，反之則不合理[13]。國家森林城市建設(shè)要求指出城市某一個(gè)樹種的栽植數(shù)量不超過樹木總量的20%，城區(qū)鄉(xiāng)土樹種利用應(yīng)該達(dá)到80%[15]。

2 結(jié)果

2.1 我國主要城市行道樹樹種組成

在我國35個(gè)城市內(nèi)共調(diào)查到常見行道樹共99種，其中楊樹(Populusspp.)、柳樹(Salixspp.)、香樟(Cinnamomumcamphora)、雪松(Cedrusdeodara)、國槐(Sophorajaponica)、榕樹(Ficusmicrocarpa)是我國城市行道樹中常見樹種(見表2)。本研究選取常見的15個(gè)種進(jìn)行分析。如表2所示，我國不同城市行道樹不同樹種所占比例不同。一些北方城市，如哈爾濱、長(zhǎng)春、呼和浩特等楊樹占主導(dǎo)作用(>31%)。長(zhǎng)沙、杭州等南方城市香樟所占比例較大，占本地總數(shù)的50%以上。其他樹種如女貞(Ligustrumlucidum)、桂花樹(Osmanthusfragrans)、椰樹(Cocosnucifera)等非主要樹種所占比例較小，有些城市如北京、天津、沈陽等幾乎沒有此樹種。僅有昆明和桂林城市森林的各常見種所占比例相對(duì)比較均衡。除常見優(yōu)勢(shì)樹種外，南寧、三亞和桂林的其他樹種所占比例超過59.5%。根據(jù)35個(gè)城市平均來看，占顯著地位的是楊樹(15.16%)，其次是香樟(12.93%)，椰樹所占比例最小，為1.36%。

2.2 不同區(qū)域城市行道樹樹種組成

由表3可以看出，北方和西北地區(qū)行道樹以楊樹、國槐和柳樹(>7%)為主；南方地區(qū)香樟(25.5%)、榕樹(3.81%)等闊葉樹占的比重較大；青藏地區(qū)以楊樹、柳樹以及針葉樹為主，樹木種類較少不足南方地區(qū)樹種的1/2。北方地區(qū)相對(duì)多度最高的樹種是楊樹(23.07%)，是南方地區(qū)的7倍以上；南方地區(qū)香樟(25.51%)相對(duì)多度最高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他三個(gè)地理區(qū)域，其余的樹種均在8%以下；青藏地區(qū)的柳樹相對(duì)多度最高為29.33%，其次為松樹(28.17%)；西北地區(qū)的楊樹(32.60%)和國槐(24.23%)相對(duì)多度高于其他地區(qū)1.4～11.0倍。

3 討論

3.1 基于百度街景的行道樹組成研究

新興的技術(shù)方法，如本文所使用的街景網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)，在城市森林評(píng)價(jià)方面有很大的優(yōu)勢(shì)。目前街景大數(shù)據(jù)已經(jīng)用在了很多方面，如在城市街道綠化方面，基于網(wǎng)絡(luò)街景照片自動(dòng)綠色可視指數(shù)計(jì)算方法[7]獲得進(jìn)展，在城市樹木特征識(shí)別與樹木大小測(cè)量方面，軟件機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)了行道樹計(jì)數(shù)與分類，計(jì)數(shù)比例能達(dá)到實(shí)測(cè)的>70%，識(shí)別樹種達(dá)到實(shí)測(cè)的80%以上[6]；我們課題組開發(fā)出了樹木胸徑、樹高、枝下高和冠幅測(cè)量方法，測(cè)量精度>0.90,測(cè)量效率提高50倍以上[10]。本文的研究也發(fā)現(xiàn)， 其在主要城市森林樹種調(diào)查方面，

表3 不同地理區(qū)域行道樹常見種的相對(duì)多度

Table 3 The relative abundance of common species of street trees in different geographical areas

樹種Species北方Northern南方Southern青藏QinghaiTibet西北Northwestern楊樹Populusspp.23.13.818.632.6香樟C.camphora0.725.50.00.0懸鈴木P.acerifolia9.47.00.00.3國槐S.japonica13.11.24.224.2柳樹Salixspp.11.71.029.38.5欒樹K.paniculata5.04.01.14.5白蠟F.chinensis4.20.16.79.0榕樹F.microcarpa0.27.90.00.0雪松C.deodara5.91.428.21.7銀杏G.biloba2.43.60.00.0椿樹A.altissima3.34.20.02.9榆樹U.pumila3.60.20.86.1女貞L.lucidum1.41.70.00.0桂花樹O.fragrans1.12.40.00.0椰樹C.nucifera0.02.70.00.0其他Other15.133.511.210.2

對(duì)于廣域范圍內(nèi)、國家不同區(qū)域間比較，通過短期的植物分類學(xué)培訓(xùn)，就可以達(dá)到與野外實(shí)測(cè)結(jié)果相當(dāng)?shù)乃?。我們研究發(fā)現(xiàn)南方城市行道樹樹種多選用以香樟為主的闊葉樹，北方和西北城市行道樹則以楊樹、柳樹和槐樹為主，青藏地區(qū)行道樹以楊樹和針葉樹為主(見表3)。前人的研究也指出北方城市森林以楊樹、柳樹、槐樹類植物以及一些常見的針葉樹(如油松、紅皮云杉)為主[13～14,16～17]。與北方相比南方城市森林則以樟樹、榕樹等闊葉樹為主要樹種[18～20]。西北地區(qū)地廣人稀，城市森林植物組成與北方城市類似[21～23]。西部、青藏地區(qū)城市森林植物以楊、柳樹植物以及一些常綠針葉樹為主如松樹[24～26]。由此可見，基于街景的測(cè)定結(jié)果不僅與前人野外測(cè)定結(jié)果大體一致，還能進(jìn)一步彌補(bǔ)相關(guān)多度方面的欠缺。本文共測(cè)定88 632樣地，測(cè)定的精度相當(dāng)于0.65～1.30 km網(wǎng)格。野外實(shí)地測(cè)定將花費(fèi)大量的經(jīng)費(fèi)、人力和物力。我們的研究結(jié)果進(jìn)一步說明，基于網(wǎng)絡(luò)街景大數(shù)據(jù)開展城市主要樹種研究具有可行性。

3.2 我國城市行道樹樹種配置合理性評(píng)價(jià)及未來城市樹種選擇建議

當(dāng)前對(duì)城市森林樹種組成合理性評(píng)價(jià)主要標(biāo)準(zhǔn)為10/20/30經(jīng)驗(yàn)法則，其指出一個(gè)區(qū)域內(nèi)最合理的配置是某一種的比例不能超過10%，否則將影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定[13]。國家森林城市建設(shè)要求指出城市森林應(yīng)樹種豐富多樣，行成多樹種、多層次、多色彩的森林景觀、城市某一個(gè)樹種的栽植數(shù)量不超過樹木總量的20%，城區(qū)鄉(xiāng)土樹種利用應(yīng)該達(dá)到80%[15]。我們依據(jù)以上兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合上述研究結(jié)果對(duì)我國城市行道樹樹種配置進(jìn)行評(píng)價(jià)并提出建議。我們的結(jié)果表明中國城市行道樹的物種多樣性還有很大的上升空間。沈陽、哈爾濱、長(zhǎng)春、呼和浩特、烏魯木齊、銀川和克拉瑪依幾個(gè)城市楊樹占主導(dǎo)地位(>31%)，樹種組成單一。香樟在成都、長(zhǎng)沙、南昌、杭州、合肥、貴陽和福州幾個(gè)城市所占比例在30%以上，單個(gè)樹種優(yōu)勢(shì)明顯，因而導(dǎo)致該城市植物配置不均衡。綜合來看4個(gè)區(qū)域行道樹樹種水平上配置均不合理(見表2)。由于研究區(qū)域的城市森林大多屬于行道樹，因而樹種的組成相對(duì)單一，以楊、柳和松樹為主，這種的樹木配置極易引發(fā)病蟲害，某個(gè)季節(jié)也會(huì)因毛絮導(dǎo)致污染及過敏反應(yīng)。因此，在行道樹種選擇時(shí)北方、西北和青藏區(qū)域城市應(yīng)減少楊樹、柳樹、松樹和槐樹等的利用，南方地區(qū)應(yīng)增加除香樟、懸鈴木外的本地種。西北、青藏地區(qū)增加闊葉樹種如胡楊、新疆楊等，南方地區(qū)提高針葉樹種的種植比例，并將它們的種植策略調(diào)整到能最大限度地提升我國城市森林生態(tài)服務(wù)效益。

4 結(jié)論

基于街景調(diào)查我國城市常用行道樹共99種，其中最常見的樹種是楊樹、柳樹、香樟、雪松和國槐。在地理區(qū)域上，我國南方城市行道樹種多選用以香樟為主的闊葉樹，北方和西北城市行道樹則以楊樹、柳樹和槐樹為主，青藏地區(qū)行道樹以楊樹和針葉樹為主。依據(jù)10/20/30經(jīng)驗(yàn)法則，僅有昆明和桂林城市森林在種植水平上配置較為合理，其他城市植物配置均不合理，尤其克拉瑪依市的楊樹相對(duì)多度高達(dá)61.2%，長(zhǎng)沙市和杭州市的樟樹比例超過樹種總數(shù)的50%，單個(gè)樹種優(yōu)勢(shì)明顯，導(dǎo)致該城市植物配置不均衡。4個(gè)區(qū)域行道樹樹種水平上配置均不合理。建議對(duì)我國北方、西北和青藏區(qū)域城市減少楊樹、柳樹、松樹和槐樹的種植，南方地區(qū)增加適宜本地生長(zhǎng)的本地種。我們還建議在行道樹規(guī)劃中加大針葉林和常綠闊葉林的種植，尤其是增加西北、青藏地區(qū)闊葉樹種，南方地區(qū)針葉樹種的種植，并將他們的種植策略調(diào)整到最大限度地提升我國生態(tài)效益。本研究為我國合理規(guī)劃城市森林、科學(xué)評(píng)價(jià)與構(gòu)建、系統(tǒng)開展多城市對(duì)比、支撐城市森林管理和綜合提升生態(tài)服務(wù)功能提供了重要參數(shù)。