干旱区绿洲城市树木健康评估及影响因素——以乌鲁木齐市为例

谢璐迪, 玉米提·哈力克,*,史 磊,田奥磊,阿丽亚·拜都热拉

1 新疆大学生态与环境学院,乌鲁木齐 830017

2 新疆维吾尔自治区绿洲生态教育部重点实验室,乌鲁木齐 830017

3 新疆农业大学林学与园艺学院,乌鲁木齐 830052

城市绿地是城市生态系统重要组成部分,对其组分、结构、功能和景观可持续性具有重要价值。城市树木作为城市绿色基础设施重要成分,不仅提供降温、空气净化、固碳释氧、水源涵养等生态系统调节服务,也更多地扩展到文化服务[1—3]。然而,极端干旱、低温等自然因素长期胁迫城市小气候和土壤微生境,加之城市化进程中生态用地被挤占、树木管护不当等人为因素对城市树木健康造成严重威胁[4—5]。不仅影响城市树木生态服务功能高效发挥,也威胁人身财产安全。因此,科学合理评估树木健康,对保障树木生态环境效益及改善城市人居环境具有重要意义[6]。

目前,国内外诸多学者已在不同城市开展树木健康及风险评估工作。研究多以古树名木为研究对象,结合实地调查分析树种组成、结构,评估树木健康和风险等级[7—9]。研究方法主要包括传统目视健康评估和无损检测,前者通过构建树木生长指标体系,目视判别树木形态和外貌健康状况[10—12]；
后者基于应力波诊断法,用声学激光、伽马射线衰减等技术探明树木内部健康程度[13—14]。此外,也有部分学者结合气象水文、土壤环境、微生物等揭示树木健康主导因子[15]。尽管现阶段已开展诸多树木多样性及组成结构、树木健康风险评估及影响因素、树木损伤及修复等研究工作,然而现有研究尺度主要集中于单一树种和小尺度样方调查,仅能反映个体层面特征,缺乏不同代表性树种、功能区差异和区域典型性研究(图1)。研究内容多侧重于树木组成、结构特征分析,而对大尺度树木健康评价、影响因素及空间异质性定量研究相对匮乏[9, 16—17]。

图1 树木健康与居民福祉的关系

乌鲁木齐市作为典型干旱区绿洲城市,是我国“一带一路”战略重要交通枢纽。极端干旱区水资源限制,导致树木生境质量低下、树势衰弱、存活率低等问题突出,严重阻碍树木生态服务功能发挥[18]。尽管北京、上海、广州等地已开展城市树木健康评估工作[11, 19—21],但我国东部发达城市与西北干旱区存在完全不同的树木种类、生存环境和健康风险,东部发达城市评价指标、评估结果及保护措施难以直接套用于西部干旱区。此外,有关乌鲁木齐树木现有研究主要集中于小尺度调查,侧重于种类组成、植物适宜性评价等研究内容[22—23]。针对大尺度范围内树种组成、分布及健康状况,不同树种缺陷特征及影响因素,不同功能区树木风险特征及空间差异等科学问题尚未深入研究。鉴于此,本研究基于干旱区生态环境现状构建多维健康评估指标体系,基于117个样方实地调查结果,揭示乌鲁木齐市城市树木组成、结构及健康分布,评估树木缺陷及影响因素。在此基础上揭示不同功能区树木健康状况及空间异质性,旨在为干旱区树木保育及风险防范提供科学依据。

乌鲁木齐市(86°37′—88°58′ E,42°45′—45°00′ N)位于我国西北极端干旱区,“一带一路”丝绸之路经济带核心城市(图2)。行政区总面积1.40×104km2,人口3.50×106人,下辖7区1县。研究区属中温带大陆性干旱气候,气候干燥,蒸发强烈,年均气温6.4℃,年均降水量280 mm,潜在蒸发高达2830 mm。地形南高北低,海拔高差约5000 m,地形起伏较大。土壤类型以风沙土、棕钙土和灰漠土为主[24]。城区绿化覆盖面积360 km2,绿化园林植物465种,常用园林绿化乔木20种[22]。长期水资源限制是制约区域社会经济发展和树木生态保护的主要影响因素。

图2 研究区及样点分布图

2.1 树木健康调查及评价

基于2020年遥感影像解译结果,结合高德地图和现场勘查实况,在划定研究区5 km × 5 km网格基础上,兼顾不同树木类别、密度、分布、生长地点及功能区类型,共选取117个代表性样点,各样点根据树种密度设置30 m × 30 m、20 m × 10 m等不同大小样方(图2)。调查于2021年5月1—20日各树种生长旺盛期进行,通过实测与目测相结合的方法对样方内不同径级及长势树木健康指标进行现场测定[10]。同时,记录调查树木种名、株树、树高、胸径、冠幅、蓬径及盖度等指标,记录各样方经纬度、海拔、地形地貌、人类活动类型及强度等。

参考邵鹏、黄帅帅和刘晓玥等相关研究成果[10—11, 25],基于定量化和层次化原则,统筹干旱区现有树木调查评估方法[22, 26],充分考虑干旱区绿洲城市气候、土壤、水分等因素,筛选树势、枝叶、树干、根系4个维度12个评价指标(表1)。采用专家打分法对各指标进行重要性评估,最终根据评价指标及权重建立树木健康评价模型：总体健康状况H=H1×0.215+H2×0.038+3×0.053+H4×0.143+H5×0.052+H6×0.108+H7×0.075+H8×0.030+H9×0.156+H10×0.052+H11×0.038+H12×0.040。对评价指标数据进行标准化处理,通过加权求和的方法计算每株树木的多维健康指标得分及健康程度得分,进一步将健康划分为3个等级：> 3.5、2.5—3.5、< 2.5,对应树木健康状况为“健康”、“亚健康”、“不健康”。

表1 树木健康状况评价指标体系

为揭示不同树种间关联程度,将117个样点中成对树种共存情况排列为2 × 2联列表,然后利用Jaccard 定量修正公式计算种间关联系数,绘制树种间关联性半矩阵图[27]。IC(Inter correlation)计算公式如下：

式中,IC(e)为树种间关联系数；
Ma为同时出现两个种的样方数；
Mb为B种单独出现的样方数；
Mc为A种单独出现的样方数。

2.2 数据处理

研究采用单因素方差分析(One-way ANOVA)揭示不同树种间健康状况差异；
将树木健康作为因变量,选取树高、胸径、冠幅、枝下高、地面铺装、林木配置结构、生长空间和光污染程度8个主要指标作为自变量,基于CANOCO 4.5软件平台,采用冗余分析方法(Redundancy Analysis),通过蒙特卡洛模拟运行499次,探究树木健康与各影响因子间相关关系；
结合功能区分区,揭示不同功能区树木健康特征及空间异质性。数理统计分析及制图均在Microsoft Office Excel 2010、SPSS 16.0和ArcGIS 10.1软件支持下完成。

3.1 树种组成、结构及关联性

基于本研究实地调查成果,参考树种调查名录,共查明乌鲁木齐市园林植物35科,85属,279种,其中乔木112种,灌木155种,藤本12种[22]。高频分布前30树种见表2所示。其中蔷薇科包含3属,8种,属种类别最丰富。研究区树木类型以落叶乔木为主(82.15%),伴有少量常绿针叶乔木(3.47%)和灌木(10.26%)。针对研究区各树种数量分布而言,榆科是树种分布数量最多的科,其中白榆数量最多,占总调查样本的22.62%,其次为大叶榆(10.18%)、圆冠榆(7.19%)、复叶槭(7.11%)、杨树(6.14%)、白蜡(4.36%)、垂枝榆(3.88%)和旱柳(3.88%)。不同树种间树高、胸径、冠幅等呈现差异性,其中杨树树高和胸径均明显高于旱柳及其它树种,夏橡冠幅和枝下高最高,其次为白榆和旱柳等。

表2 研究区树种组成及结构

半矩阵图可反映植物群落树种间配对关联的模糊关系,深入揭示树种配对关联性及其配置间离散程度(图3)。结果显示,乌鲁木齐市高度关联的3组树种为：1)白榆、大叶榆、圆冠榆、复叶槭、杨树、白蜡、垂枝榆、旱柳、紫丁香、苹果；
2)紫丁香、苹果、榆叶梅、樟子松、垂柳、金叶榆、火炬树、云杉、小叶黄杨；
3)毛桃、火炬树、云杉、紫叶李、李、花红。其中小叶黄杨和紫叶李的关联系数最高,达22,而其余树种间关联系数均小于20,树种间联结程度相对较低。说明乌鲁木齐市城市森林群落独立性较强,种间联结存在松散性,进一步解释了树种间具有明显次生性。

图3 30种树种关联分析半矩阵

3.2 不同树种健康特征及影响因素

鉴于榆科是研究区高频分布树种(占比43.87%),也是乌鲁木齐市“市树”,选择分布广泛、培育悠久的白榆、大叶榆、圆冠榆和垂枝榆作为研究对象,分析基于多维指标的树种间健康状况差异(图4)。不同树种间健康状况总体呈现圆冠榆(3.40) > 大叶榆(3.30) > 白榆(3.20)> 垂枝榆(3.10)特征,圆冠榆得分最高,其次为大叶榆,而白榆和垂枝榆得分较低,主要由于研究区白榆树龄普遍偏高,长势呈现衰弱特征。各树种间不同部位健康状况整体表现为：树干(3.60)> 枝叶(3.30)> 树势(3.10)> 根系(3.00)。且不同树种间树势、枝叶、树干和根系健康状况呈现差异性(图5)。其中,树势和树干健康状况均呈现圆冠榆 > 大叶榆 > 垂枝榆 > 白榆特征。枝叶和根系状况以圆冠榆最优,健康:亚健康:不健康数量比分别为2∶1∶0和2∶2∶1,垂枝榆健康状况最差。

图4 各树种间健康状况显著性差异

图5 不同树种间多维健康指标比较

RDA结果显示,第一和第二轴分别占总方差的92.91%和5.22%(表3)。其中,树高、胸径、冠幅、枝下高等自变量与树木树冠、枝叶、树干和整体健康程度均呈显著负相关；
林木配置结构、光污染程度、生长空间等自变量与树木树冠、枝叶、树干、根系和整体健康均呈正相关(图6)。此外,从各自变量影响程度来看,地面铺装、林木配置结构、生长空间和胸径对树木健康影响程度最高,进一步揭示恶劣生长环境下老龄树种具有低健康和高风险特征。

表3 冗余分析结果

图6 树木健康影响因素

3.3 不同功能区树木风险特征及空间差异

不同功能区树木健康呈现空间异质性(图7)。各功能区整体呈现“公园(3.50)> 二三级道路(3.40)> 一级道路(3.20)> 居民区(3.10)> 学校(3.00)”特征。各功能区树种不同部分健康状况整体表现为“公园 > 居民区 > 学校”(图8)。树木健康得分最低的5个区域树种为：一级道路垂枝榆(3.2)> 居民区垂枝榆(3.17)> 居民区白榆(3.16)> 学校大叶榆(2.99)> 学校白榆(2.95)(图9)。

图7 各功能区树木健康指标差异

图8 不同功能区多维健康指标差异

图9 树木风险空间分布特征

4.1 树种组成、分布及风险特征

本研究基于117个样方实地调查结果,揭示乌鲁木齐市城市树木组成、结构及健康分布,结果显示乌鲁木齐树木乔灌比为8.3:1,远高于东部亚热带地区相关研究成果[28],主要由于乌鲁木齐位于极端干旱区,树种选择偏向于耐干旱、抗贫瘠、涵养水分能力强的树种,水资源短缺和低成活率限制高耗水灌木树种的选取与栽种。常绿乔木与落叶乔木数量比为1∶24,低于2008年古丽巴衣那调查结果[29],主要由于本研究基于主城区大尺度样方调查,样方区域范围相对更大,落叶乔木调查更为全面。针对树木分布频度而言,榆树是乌鲁木齐主要建群种,占比高达43.87%,其余优势树种为白蜡、复叶槭等,与徐海玲的研究结果相似[22]。此外,本研究进一步揭示主要优势树种间关联程度,白榆、大叶榆、圆冠榆、复叶槭、杨树、白蜡、垂枝榆、旱柳、紫丁香和榆叶梅间关联性最强,而其它树种关联较弱,集中体现乌鲁木齐市绿化树种组成相对单一,城市森林群落尚处于演替前期阶段,暂未完全形成稳定、协调的种间关系。

通过树木健康分析,结果揭示不同树种间健康呈现差异性,其中圆冠榆健康程度最优,其次为大叶榆和白榆,健康最劣为垂枝榆。由于垂枝榆树冠呈现伞形分布,排列紧密,树梢枯死严重,进而导致光合效率降低。冗余分析进一步揭示树种健康程度的影响因素,地面铺装、林木配置结构、生长空间和胸径对树木健康影响程度最高。一方面,乌鲁木齐市地面铺装和林木配置结构自“硬地铺装”至“有机铺装”高达10余种(图10)。水泥等硬质铺装阻碍降水下渗,影响土壤及根部呼吸,加之乌鲁木齐极端干旱环境,间接导致缺水而出现根系及叶片枯死；
另一方面建筑物间紧密的空间环境使树木生长受限,在树形、树势及光合作用等方面影响树木健康[30]。此外,由于乌鲁木齐市在2000—2020年受创建国家园林城市、生态园林城市、生态文明城市等政策号召,主城区内绿化树种种植于不同年份,胸径较粗和树龄较大树种因新陈代谢衰弱导致健康风险增加。值得注意的是,不同功能区树种健康也呈现差异性。集中体现为“公园 > 居民区 > 二三级道路 > 一级道路 > 学校”,功能区健康特征与北京、南京研究结果相似[30—31]。公园树木生长最优,主要由于公园管理委员会定期开展管护工作,采取树木施肥、灌溉、刷白、支撑等措施维护树木健康,同时,公园树木物种丰富,群落稳定性较高[32]。不同道路间树木健康状况有一定差异,主要由于不同等级道路绿化工作具有时间差异,二三级道路树木树龄偏小,在树势、干形、枝叶和根系方面健康状况均要优于一级道路。学校和居民区树木生长状况不良,树势和根系部分问题严峻,建筑物之间紧密的空间环境导致树木生长受限,影响树木形态伸展,树势衰弱；
同时密集的人为活动导致土壤孔隙度下降,透水性降低,影响树木健康[30]。

图10 园林树木基部立地环境

4.2 城市森林可持续管理

通过开展大尺度树木健康调查,可有效揭示树木健康特征及影响因素,为树木保育及城市森林可持续管理提供支撑。本研究发现：(1)乌鲁木齐树种单一、种间关联程度相对较低；
(2)乌鲁木齐主要优势树种中以白榆和垂枝榆健康风险最高；
(3)居民区、学校和一级道路内榆树风险最高；
(4)地面铺装、林木配置结构、生长空间是主要立地影响因子。基于现有问题,结合干旱区水资源短缺、地形起伏大、植被存活率低、资金相对匮乏等多重因素限制,在考虑生态用水和生态用地的基础上,优先筛选研究区乡土耐旱树种,融合城市“十四五”发展规划,注重树种多样性,营造多样化的绿地空间,以形成与城市环境相适应的多物种共存的城市森林群落[33]。针对白榆和垂枝榆等高风险树种,建议及时修剪枯枝,合理处理受损部位,规范修枝技术,以改善垂枝榆健康状况。公园和居民区内白榆树龄偏大,病虫害、大枝损伤、顶梢枯死、叶片密度降低、褪色等现象严重,建议有关部门采取树干支撑、施加药物等技术手段来维持其生长。考虑到立地环境对树木健康影响程度,建议及时修建树穴、树池,减少硬质铺装,增加有机物及绿地覆盖,同时在极端干旱区继续推行滴灌、喷灌,合理确定“喷、滴”时间、频次和水量,确保满足树木最小需水量,改善乌鲁木齐树木根系健康。考虑到恶劣生长环境下的老龄树种具有低健康和高风险特征,建议增加针对古树名木的保育,定期开展传统目视及空腐诊断监测工作,构建树木健康数据库,密切关注制约树木生长关键因素,如干旱缺水、树干倾斜、顶梢枯死、病虫害、树干洞穴、人为踩踏等,构建树木保育措施体系,科学有效降低树木健康风险。

本文以乌鲁木齐市为研究区,在现场调查基础上,构建树木健康评价指标体系,对树木健康状况进行综合评价。结论如下：(1)乌鲁木齐市树木乔灌比为8.3∶1,树种多样性较低且种间关联程度较低。(2)不同树种及功能区间树木健康均呈现差异性。以圆冠榆健康得分最高,垂枝榆健康得分最低。且公园树木健康得分最高,而学校树木健康得分最低。(3)冗余分析结果揭示了地面铺装、林木配置结构、生长空间和胸径对树木健康影响程度最高,进一步揭示恶劣生长环境下老龄树种具有低健康和高风险特征。未来树木健康保育中,应重点关注不同功能区榆树健康状况,注重树种多样性,改善立地条件,营造多样化绿地空间,以形成与城市环境相适应的多物种共存的城市森林群落。

致谢：感谢毛雨晴对本研究野外调查的帮助。