海濱城市道路綠化樹種綜合評價體系構(gòu)建

王 圳，高亞軍，閆凡峰，王曉偉，李華清，姜 雷

(1.連云港市林業(yè)技術(shù)指導站，江蘇 連云港 222100；2.連云港市建設(shè)局，江蘇 連云港 222100；3.連云港市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，江蘇 連云港 222100)

沿海地區(qū)是我國經(jīng)濟發(fā)展的重點地區(qū)，人口密集，環(huán)境承載壓力大[1-4]。受海洋氣候影響，該區(qū)域臺風、海煞等自然災害頻發(fā)[5]，土壤鹽堿含量高，立地條件相對較差[6-7]，海濱城市綠化樹種選擇至關(guān)重要[8]。道路綠化樹種是城市森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[9]，發(fā)揮著美化環(huán)境[10]、凈化空氣[11]、遮陰庇護[12]、緩解城市熱島效應等綜合功能[12-14]。近年來，東部地區(qū)城市建成區(qū)向海邊發(fā)展的趨勢明顯[2,15]，部分城區(qū)行道樹及兩側(cè)綠帶構(gòu)成了沿海防護林的重要組成部分，其作用越來越受到重視[16]。目前，學者針對不同樹種在海濱城市的表現(xiàn)，開展了一系列耐鹽適生樹種研究工作[17-20],也有學者從景觀價值[21]、生態(tài)功能[22-24]、林帶結(jié)構(gòu)[25-26]等方面針對道路綠化樹種選擇提出了很多建議。隨著我國森林城市和園林城市建設(shè)的不斷推進[27]，海濱城市道路綠化樹種綜合評價體系研究相對偏少，特別是現(xiàn)有樹種應用時多考慮樹種在適生性和景觀性方面的特征[28-33]。

本研究采取層次分析法(analytic hierarchy process,AHP),以中國中部海濱城市連云港市為例，從行道樹生態(tài)功能、園林景觀價值、樹種生物學特性、栽植管護成本和綠化負面性5個方面，對道路綠化中常用的55個樹種表現(xiàn)狀況進行全面調(diào)查，將樹種評價方式由以前的主觀印象為主轉(zhuǎn)化為以樹木生物學、生態(tài)學數(shù)據(jù)為主，科學確定各指標的權(quán)重值，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了樹種綜合評價指標體系，最終篩選出適合目標區(qū)域的最優(yōu)樹種，以期為海濱城市的樹種特性綜合評價提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

連云港位于中國沿海中部，江蘇省東北部。土地總面積7 615 km2，水域面積1 759 km2，市區(qū)建成區(qū)面積120 km2。氣候類型為濕潤性季風氣候，常年平均氣溫14 ℃，極端低溫-19.5 ℃，年平均降水量920 mm，降雨集中于夏、秋兩季，冬、春干燥少雨。地貌基本分布為西部崗嶺區(qū)、中部平原區(qū)、東部沿海區(qū)和云臺山區(qū)四大部分。土壤類型西部丘陵以棕壤類和紫色土類為主，土壤較貧瘠，肥力較差；中東部以砂姜黑土類和鹽土類為主，土壤黏重，含鹽堿量偏高。

1.2 道路綠化樹種選擇

結(jié)合試驗區(qū)城市道路綠化主管部門使用意愿、近年來該地區(qū)林木種質(zhì)資源清查結(jié)果和樹種科學觀測成果，初步篩選出55個樹種供分析研究(表1)。

表1 試驗區(qū)常見道路綠化樹種Table 1 Summary of commonly-seen road greening tree species in the experimental zone

表1(續(xù))

1.3 樹種評價

對連云港市主城區(qū)內(nèi)120條主干路、次干路的行道樹及附屬綠帶植物種類及配置模式等進行全面調(diào)查。采取現(xiàn)場勘測和查閱資料相結(jié)合的方法，選擇栽植10～15 a的包含主要目標樹種的道路設(shè)置1 km長樣線，對樹木高度、冠幅、胸徑、株行距等指標進行測量，對生長勢、病蟲害等定性特征進行記錄，結(jié)合本地環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、樹木生物學特征觀測記錄、綠化生產(chǎn)經(jīng)驗和《中國樹木志》等對目標樹種的木材特性、生長狀況、花果期等特征進行綜合描述，作為后期樹木評價的主要依據(jù)。

1.4 分析方法

組織10位常年從事林業(yè)、園林綠化的專家，在前期收集資料的基礎(chǔ)上對每一項指標打分確定重要性標度。采用層次分析法，計算一級指標和二級指標的權(quán)重因子：對數(shù)據(jù)進行歸一化處理；對同一個準則層下不同指標層(二級指標)，以權(quán)重的比值取整運算值或者其倒數(shù)作為判斷矩陣的值，進行層次分析法分析，并進行一致性檢驗，得到二級指標的權(quán)重因子以及二級指標的綜合評價得分；以二級指標的綜合評價得分作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，根據(jù)不同準則層的權(quán)重計算判斷矩陣，進行層次分析法分析，并進行一致性檢驗，得到準則層(一級指標)的權(quán)重因子以及綜合評價得分(即最終得分)。具體計算過程采用Excel 2010和Matlab軟件計算完成。

1.4.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

設(shè)某層有n個因素x={X1,X2，…,Xn}，要比較它們對上一層某一準則(或目標)的影響程度，確定在該層中相對于某一準則所占的比重。上述比較是兩兩因素之間的比較，比較尺度取1～9。用aij表示第i個因素相對于第j個因素的比較結(jié)果，則成對判斷矩陣為

成對判斷矩陣比較尺度中，比較尺度為1、3、5、7、9 分別表示兩個因素相比具有相同影響、影響稍強、影響強、影響明顯強、影響絕對強；比較尺度為2、4、6、8 則表示上述兩相鄰判斷的中值。針對某一準則，計算各方案的相對權(quán)重，即層次單排序，并進行一致性檢驗。

1.4.2 定義一致性指標

一致性指標計算公式為：

其中：λ為最大特征根，n為矩陣階數(shù)。IC=0，有完全的一致性；IC接近于0，有滿意的一致性；IC越大，不一致越嚴重。

設(shè)A層m個因素A1,A2,…,Am，對總目標Z的排序為a1,a2,…,am；B層n個因素對上層A中因素為Aj的層次單排序為b1j,b2j,…,bnj，j=1,2,…,n。

B層的層次總排序為：

B1a1b11+a2b12+…+amb1m；

B2a1b21+a2b22+…+amb2m；

?

Bna1bn1+a2bn2+…+ambnm。

1.4.3 歸一化處理

將各個指標的數(shù)據(jù)進行歸一化處理。

1.4.4 計算綜合評價得分

根據(jù)通過一致性判斷的權(quán)重因子及歸一化處理后數(shù)據(jù)，加權(quán)得到綜合評價得分。

利用加權(quán)求和公式計算樣本的分數(shù)或評價值S=∑jYijwj，其中，S為綜合得分，wj為第j個指標的權(quán)重。

2 結(jié)果與分析

2.1 評價指標體系的建立

綜合評價體系遞階層次結(jié)構(gòu)及相關(guān)調(diào)查因子和數(shù)據(jù)來源詳見表2。

表2 海濱城市道路綠化樹種綜合評價體系Table 2 Comprehensive assessment system of road greening tree species in coastal cities

為客觀公正地對行道樹綜合特征進行全面評價，特別是基于社會服務功能和近年來公眾對行道樹的互動反饋信息，方便今后綠化工作部門更加細致地評判不同樹種優(yōu)劣勢，在參考相關(guān)研究資料的基礎(chǔ)上，廣泛征求專家意見，按照層次分析法基本原理和各評價因子之間的相互關(guān)系，設(shè)置目標層(A)、準則層(B)和指標層(C)3個層次。第1層次為目標層(A)，即構(gòu)建海濱城市道路綠化樹種綜合評價體系的總體目標。第2層次為準則層(B)，即評價樹種5個方面綜合特性：生態(tài)性(B1)、景觀性(B2)、適應性(B3)、經(jīng)濟性(B4)和負面性(B5)。第3個層次為指標層(C)，即針對5個方面的具體30個指標，采取5分制進行賦值(1～5分)，分別對應極差、較差、一般、較好、極佳。調(diào)查因子通過實驗測量或查詢文獻獲得的綜合數(shù)據(jù)是專家組對各指標進行賦值的主要依據(jù)。

在各指標體系中，綜合考慮了當前道路綠化建設(shè)的社會服務功能、樹種生物學特性、后期管護成本和當前廣泛關(guān)注的綠化負面影響。生態(tài)性指標確定主要以森林生態(tài)效益評估規(guī)范為依據(jù)[34]，結(jié)合城市森林生態(tài)系統(tǒng)特殊性綜合確定。由于城市行道樹種多生長于特定固定空間，周邊采取圍堰、硬化等措施，其樹枝、樹葉枯落物人為清理后不再返還土壤，故涵養(yǎng)水源、保育土壤等功能價值較低指標不納入本指標體系。景觀性指標確定重點增加了葉色、文化內(nèi)涵的指標。適生性指標主要是結(jié)合海濱城市道路兩側(cè)立地條件特殊性確定。經(jīng)濟性指標確定重點考慮養(yǎng)護強度、苗木價格、采購難易程度、樹木更新率等因素。負面性指標是當前城區(qū)綠化樹種選擇必須重點考慮的限制性因素。

2.2 層次分析過程

2.2.1 歸一化處理結(jié)果

以生態(tài)性B1為例，計算得到歸一化后的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 生態(tài)性功能指標歸一化數(shù)據(jù)Table 3 Normalized data of ecological function indexes

2.2.2 二級指標層次分析

二級指標權(quán)重因子見表4。由二級指標生態(tài)性B1，得到判斷矩陣，再進行Matlab運行計算。其中，IC=7.085 3×10-5，此時n=7,對應的IR=1.320 0，由于RC=IC/IR=5.367 7×10-5<0.1，因此該判斷矩陣通過了一致性檢驗。此時，權(quán)值向量為(0.513 7,0.064 8,0.129 6,0.064 8,0.064 8,0.129 6,0.032 7)。各權(quán)重值中，遮陰降溫最高(0.513 7)，固碳釋氧、吸收污染物次之(0.129 6)，營養(yǎng)物質(zhì)積累最低(0.032 7)。說明在海濱城市道路樹種選擇中，首先應考慮樹種的遮陰降溫能力，遮陰降溫能夠顯著緩解城市熱島效應，是當前城區(qū)綠化最受人們關(guān)注的森林生態(tài)服務功能。

表4 二級指標權(quán)重因子Table 4 Level-Ⅱ indexes weight factors

由二級指標景觀性B2，得到判斷矩陣，再進行Matlab運行計算。其中，IC=-7.613 0×10-16，此時n=8,對應的IR=1.410 0，由于RC=IC/IR=-5.399 3×10-16<0.1,因此該判斷矩陣通過了一致性檢驗。此時，權(quán)值向量為(0.181 8,0.181 8,0.090 9,0.090 9,0.181 8,0.090 9,0.090 9,0.090 9)。各權(quán)重值中，葉色、葉量、花的權(quán)重值最高(0.181 8)。

由二級指標適應性B3，得到判斷矩陣，再進行Matlab運行計算。其中，IC=0.006 9，此時n=9,對應的IR=1.450 0，由于RC=IC/IR=0.004 7<0.1,因此該判斷矩陣通過了一致性檢驗。此時，權(quán)值向量為(0.174 0,0.174 0,0.058 5,0.174 0,0.136 3,0.107 5,0.058 5,0.058 5,0.058 5)。各權(quán)重值中，抗風、抗病蟲害、耐鹽堿性指標最高(0.174 0)，說明在風害較重、土壤鹽堿的立地條件下，深根性強、木材堅韌、抗病害能力強、耐鹽堿的樹種更為適合海濱城市。抗有害氣體、耐貧瘠性、耐水濕性權(quán)重最低(0.058 5)，說明隨著綠化技術(shù)的不斷進步，客土改良、修建排水溝渠等措施的使用，人為正向干預下的道路兩側(cè)樹木能夠較好地緩解原生限制性因素造成的不利影響。

由二級指標經(jīng)濟性B4，得到判斷矩陣，再進行Matlab運行計算。其中，IC=-4.440 9×10-16，此時n=3,對應的IR=0.580 0，由于RC=IC/IR=-7.656 7×10-16<0.1,因此該判斷矩陣通過了一致性檢驗。此時，權(quán)值向量為(0.400 0,0.400 0,0.200 0)。各權(quán)重值中，苗木價格和養(yǎng)護強度均為0.4，說明隨著綠化面積的不斷增加，財政負擔也越來越重，過度依賴人為干預才能正常生長的樹木難以大面積推廣使用。

由二級指標負面性B5，得到判斷矩陣，再進行Matlab運行計算。其中，IC=2.220 4×10-16，此時n=3,對應的IR=0.580 0，因RC=IC/IR=3.828 4×10-16<0.1,因此該判斷矩陣通過了一致性檢驗。此時，權(quán)值向量為(0.600 0,0.200 0,0.200 0)。各權(quán)重值中，飛絮花粉最高為0.6，說明部分道路綠化樹種負面作用能夠顯著影響人們出行活動，當前綠化帶來的衍生副作用是不容回避的事實，需要在樹種選擇時進行重點考慮，在重點地區(qū)應作為限制性指標予以考慮。

2.2.3 一級指標層次分析

以二級指標的綜合評價得分作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，根據(jù)不同準則層的已知權(quán)重計算判斷矩陣，進行層次分析法分析，并進行一致性檢驗，得到準則層(一級指標)的權(quán)重因子。準則層各權(quán)重值中，生態(tài)性、景觀性和適應性權(quán)重均為0.3，占比90%；經(jīng)濟性、負面性權(quán)重僅為0.05。說明在海濱城市選擇適生抗逆性強樹種建設(shè)生態(tài)景觀林、完善沿海防護林體系、改善城市環(huán)境、緩解城市熱島效應仍是當前綠化的主要目標，同時應統(tǒng)籌考慮經(jīng)濟性和飛絮花粉等負面影響。

2.3 綜合評價結(jié)果

根據(jù)指標體系中各權(quán)重值，計算出樹種綜合評價得分(即最終得分S，見表5)。根據(jù)各樹種綜合得分，可將以上樹種大致分為4類：Ⅰ類(S≥0.7)，Ⅱ類(0.7>S≥0.6)，Ⅲ類(0.6>S≥0.5)，Ⅳ類(S<0.5)。Ⅰ類樹種共17種，主要為榔榆、樸樹、桑、白榆、苦楝等鄉(xiāng)土樹種，部分樹種如榔榆、樸樹在城區(qū)道路綠化中使用仍較少，今后應加大推廣力度；Ⅱ類樹種共11種，主要為楓楊、落羽杉、中山杉、香椿、青桐等樹種，在本地區(qū)綠化中表現(xiàn)較好，也應重點發(fā)展；Ⅲ類樹種共14種，主要是雪松、重陽木、紅葉李、楸、全緣葉欒樹等樹種，該部分樹種多在本地區(qū)存在顯著制約性因素，如影響生長勢的病蟲害、生態(tài)功能弱、耐寒性差等，管護成本較高，不宜大面積推廣或作為主行道樹種；Ⅳ類樹種共13種，主要為杜梨、池杉、廣玉蘭、紫薇、桂花等外來樹種，該部分樹種在本地區(qū)生長往往需要精心養(yǎng)護管理，對多重因素敏感，功能相對單一，在道路綠化中使用范圍應盡可能縮小或作為點綴性樹種。

表5(續(xù))

3 討 論

目前國內(nèi)外學者對沿海地區(qū)的道路綠化建立了各種樹種評價體系[28-32，35-36]，但往往集中在樹種的單一功能上，如許秀玉等[37]構(gòu)建了包含16個指標的沿海抗臺風樹種評價體系，林瑋等[38]構(gòu)建了包含7個指標的華南樹種碳匯能力評價體系。部分學者建立了綜合評價指標體系，如謝春平等[39]構(gòu)建了包含17個指標的鄉(xiāng)土樹種綜合評價體系，楊靜怡等[40]構(gòu)建了18個指標的城市綠化樹種功能評價體系，但這些體系中部分指標不夠全面，特別是近年來財政資金績效評價制度的實行，對城市綠化維護管護成本建立科學考核體系需求迫切，同時廣受關(guān)注的飄絮花粉、過量漿果、黏液污染等綠化帶來的衍生熱點問題未見現(xiàn)有的評價體系予以考慮。

本研究應用層次分析法，從樹種的生態(tài)性、景觀性、適應性、經(jīng)濟性和負面性進行了海濱城市道路綠化樹種指標體系的構(gòu)建。30個Ⅱ級指標多采用可量化的以樹木生物學、生態(tài)學特征為主的調(diào)查因子予以確定，減少了評價過程中的人為主觀因素的影響[41]，對海濱城市道路綠化樹種選擇具有重要的指導意義。應用該評價體系，以試驗區(qū)選擇的55種常見樹種為例進行系統(tǒng)評價，突出功能導向，明確樹種使用過程中存在的優(yōu)劣勢，并以最終得分將該部分樹種分為4類，供本地區(qū)綠化管理部門進行科學決策，因地制宜地示范推廣。

研究結(jié)果表明，樹形高大、枝葉濃密、抗逆性強的樹種具有更好的評價得分，該部分樹種中又以鄉(xiāng)土樹種為主，如榔榆、五角楓、樸樹等，該部分樹種目前在濱海城市道路綠化中出現(xiàn)頻度較低，應在今后的工作中繼續(xù)加大鄉(xiāng)土樹種應用比例，特別是在城區(qū)森林群落構(gòu)建中作為骨架樹種使用。二球懸鈴木、薄殼山核桃、落羽杉、中山杉等選育多年的樹種有著較好的適應性，并在改善景觀、發(fā)揮生態(tài)效益方面有著良好表現(xiàn)。部分樹種如毛白楊、意楊等飄絮問題可以通過栽植不飄絮雄株進行有效解決，從維護生態(tài)安全、改善景觀、提高經(jīng)濟性的角度應避免對楊樹全盤否定的不科學現(xiàn)象。對得分相對較低的樹種，常規(guī)情況下雖不宜大面積作為建群骨架樹種推廣，但也應采取針對措施解決限制性因素，以豐富綠化樹種多樣性，防止樹種單一帶來的負面效應。如香樟抗凍性稍差，但在局部小氣候下仍可以做好防寒措施后點綴栽植。常綠闊葉樹種在亞熱帶北緣及南溫帶南緣從景觀改善、生態(tài)效益發(fā)揮方面仍有一定價值，在今后的綠化工作中應重點加強耐寒良種選育工作。

本評價體系中各調(diào)查因子相互關(guān)系及對指標值貢獻率未給予明確的量化。在綠化樹種上僅停留到種層次，對不同品種未深入?yún)^(qū)別探討，需進一步細化明確。道路兩側(cè)生態(tài)環(huán)境受人為因素影響較大，在今后的綠化工作中，應加強林木良種選育、綠化新技術(shù)應用、栽植后撫育管護等工作，全面提升城市森林生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能和景觀價值。