北京市居住區林木健康評價

黃帥帥,曹哲源,邱爾發,牛少鋒,邢立捷

中國林業科學研究院林業研究所國家林業和草原局城市森林研究中心, 北京 100091

城市樹木健康主要是指樹木良好的生長狀態,反映樹木的活力和生產力狀況[1]。居住區林木一方面可以提供賞心悅目的植物景觀,促進小區居民身心健康[2],另一方面在改善小氣候、凈化空氣、美化環境、遮陽隔聲、滯塵殺菌等方面具有無可替代的功能[3,4]。然而,居住區林木的不健康狀況,不僅影響景觀和生態功能的發揮,還會威脅小區居民的人身、財產安全。由于居住區林木受環境和人為活動干擾比較大,除樹木本身遭受著病蟲害、真菌等生物因素的影響外,惡劣的生長環境[5-6]等對樹木生長造成的危害也不容忽視。因此,及時、準確的評估居住區樹木的健康,制定科學經營措施,保障林木生態和景觀功能的正常發揮已成為城市森林建設者關注的焦點。

森林健康評價研究起步較早,從評價尺度[7-9]、評價方法[10-12]、評價對象[13-14]研究看,已比較成熟,然而城市樹木健康評價研究還處于探索階段。樹木不健康癥狀一般會從樹冠、樹干和根區部位體現出來,據此Richard等利用葉片黃化、葉枯萎和樹勢衰弱等指標以病蟲害與生長狀況相結合的方法建立評價體系來確定樹木的健康狀況[15]。國內部分學者依據樹木養護標準量化樹木健康等級[16-18]來評價城市樹木健康狀況。然而影響樹木健康生長的原因是多方面的[19],除了林木本身生長因子外,環境因子等潛在影響因子也是重要的,因此,僅針對樹木自身生長指標建立的評價體系,是不全面的。隨著科技的發展,一些先進的技術手段如X射線或伽馬射線衰減技術[20]、皮羅釘無損檢測技術[21]、應力波診斷法[22]等被應用于城市樹木健康評估,大大提高了評價結果的準確度。如Qin等利用聲學激光技術和聲波層析成像技術檢測樹干近表面缺陷的有效深度可達樹皮下15mm[23]。但這些先進方法所需技術要求過高,且多用于古樹或干材質量的評估,不適用于城市樹木健康評價。翁殊斐等利用層次分析法建立了園林樹木健康評價體系[24],但層次分析法賦權人為主觀性過高,易使評價結果出現偏差。

從當前城市林木健康評價研究看,研究對象主要集中在城市公園[25-28]樹木、城郊片林[29,30]、行道樹[31,32]以及古樹名木[33,34]的健康評價上,而對居住小區林木健康評價方面的研究很少報道；研究內容多傾向于林木結構特征分析,而對林木健康評價的重視度不夠；評價指標僅考慮林木本身生長狀況,忽視環境因子等潛在因子的影響；評價方法適用性不強,主觀性過高。基于此,論文基于北京市居住區林木健康狀況的實地調查及影響因子分析,結合林木本身生長因子和影響健康的潛在環境因子等指標,建立林木評價模型,評估不同來源、不同區域、不同時期居住小區林木的健康狀態,探索影響居住區林木健康的重要因素,為北京市居住區林木健康精準經營提供依據。

1 研究區概況

北京市位于115.7°—117.4°E、39.4°—41.6°N之間,屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區。年平均氣溫12.3℃,年降水量400—600mm,年平均日照數2000—2800h,全年無霜期180—200d,氣候四季分明,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥,春秋短促。地形西北高,東南低；西部屬太行山脈,北部和東北部屬燕山山脈。土壤類型主要為褐土,共分為9個土類,20個亞類,64個屬,山地伴有棕壤、草甸土,平原伴有潮土。地帶性植被主要是暖溫帶落葉闊葉林,間有溫帶針葉林。

2 研究方法

2.1 居住區選擇與類型劃分

按照空間均衡原則,設置以天安門為中心,以南北中軸線和東西長安街為基礎的 “米”字型樣帶[35],選取六環內85個城市居住區作為研究對象。根據調查結果,從不同住房來源、區域、時期劃分居住區類型(表1)。具體劃分類型為：機關單位福利分房的附屬居住區劃為福利房,政府參與建設住房的回遷安置房和經濟適用房劃為保障房,市場自由買賣住房的劃為商品房；按照北京市市政環路結構將居住區劃分為5個區域；根據居住區入住的時間,結合北京市房地產發展情況[36,37],將居住區劃分為5個時期。

表1 居住區分類概況

2.2 樣地調查

根據居住區綠化設計規范[38],將居住區林木綠地劃為游園綠地、宅旁綠地和道路綠地。于2017年7月—9月采用抽樣調查法進行樣地調查。根據居住區綠地面積建設標準,并結合居住區綠地現狀,確定游園綠地樣方面積20m×20m,宅旁綠地樣方面積20m×10m,道路綠地面積50m×2m,每類綠地類型設置2個典型樣方,若條件不允許,則根據實際情況調整樣方數量。

對樣方內所有喬木每木檢尺。記錄胸徑、樹高、冠幅等定量指標；定性指標如樹勢、偏冠度、病蟲害程度、枯枝比例、地表覆蓋程度等參考Boone[39],翁殊斐[24],汪瑛[40]的分級標準。本研究共調查北京市城市居住區85個,樣方467個,喬木4967株。

2.3 評價方法

2.3.1篩選評價指標

2.3.2建立林木健康評價模型

將篩選出的14個指標原始數據導入SPSS20.0進行標準化處理以及KMO和Bartlett球度檢驗確定是否可進行主成分分析；計算各指標變量之間的相關矩陣以及特征根和方差貢獻率；得到初始載荷矩陣,利用各主成分的負荷因子除以對應主成分的特征根的開方求出該主成分的特征向量,也即是各主成分與14個指標間的系數向量,將得到的系數向量與標準化后的原始數據相乘可求出求出各主成分的表達式；然后以各主成分的方差貢獻率為權重得到綜合主成分表達式,最后將14個指標的系數向量加權匯總后即為各指標的權重,經歸一化處理后得到各原始指標的權重值。

2.3.3林木健康等級的劃分

按照最大隸屬度原則,根據居住區林木健康得分計算隸屬于各等級的隸屬度,最終得出林木健康等級。健康得分位于相鄰健康等級的閾值區間,按照各個等級對應的健康閾值計算隸屬度。隸屬度[42]：Yi=(Fi+1-F)/(Fi+1-Fi),Yi+1={F-Fi+1)/(Fi+1-Fi),Yi為隸屬于第i級的隸屬度,Yi+1為隸屬于第i+1級的隸屬度,F為居住區林木個體的健康得分,Fi為第i級健康程度對應的閾值,Fi+1為第i+1級健康程度對應的閾值。

表3 居住區林木個體健康程度及相應閾值

2.3.4林木健康指數

2.4 數據處理

采用Excel2010和SPSS20.0進行數據統計與分析。利用單因素方差分析法(One-way ANOVA)和鄧肯多重比較法(DunCan test)判斷居住區林木健康特征和健康狀況在不同來源、區域、時期類型居住區間的顯著性差異。

3 結果與分析

3.1 居住區林木健康特征分析

3.1.1不同區域居住區林木健康特征比較

不同區域居住區林木健康指標均呈現顯著性差異(P<0.05)(表4)。居住區林木枝葉病害、枝葉蟲害、樹干機械損傷、生長空間指標在二環內表現顯著最優,干形、樹干傾斜度、枯枝比例、樹洞指標在三—四環表現顯著最優,樹勢、冠形、偏冠度、光污染程度、地表覆蓋情況、栽植截干指標在四—五環表現顯著最優。

表4 不同區域居住區林木評價指標比較

表中數據為平均值±標準差；同行不同小寫字母代表不同類型居住區間差異顯著(P<0.05)； C1樹勢Tree vigor; C2冠形Crown profile; C3偏冠度Deflection canopy; C4干形Stem form; C5樹干傾斜度Trunk lean; C6枝葉病害Diseases of branch and leaf; C7枝葉蟲害Pests of branch and leaf; C8枯枝比例Proportion of dead twigs; C9樹干機械損傷Mechanical trunk damage; C10樹洞Cavity; C11生長空間Growth space; C12光污染程度Light pollution; C13地表覆蓋情況Surface coverage; C14栽植截干Cutting off crown and planting

居住區林木樹勢、偏冠度、光污染程度、地表覆蓋情況、栽植截干指標在二環內表現顯著最差,冠形、樹干傾斜度、生長空間指標在二—三環表現顯著最差,枝葉病害、枯枝比例指標在四—五環表現顯著最差,干形、枝葉蟲害、樹干機械損傷、樹洞指標在五—六環表現顯著最差。

從14個健康指標之間比較看,林木樹勢、樹干傾斜度、光污染程度、地表覆蓋情況、栽植截干指標各區域居住區表現均較差。

3.1.2不同時期居住區林木健康特征比較

不同時期居住區林木健康指標(樹干機械損傷除外)具有顯著性差異(P<0.05)。枝葉病害、枝葉蟲害、栽植截干指標在1956—1990年居住區表現顯著最優,樹洞指標在1991—1997年居住區表現顯著最優,樹勢、樹干傾斜度指標在1998—2002年居住區表現顯著最優,林木冠形、偏冠度、干形、枯枝比例、生長空間、光污染程度、地表覆蓋情況指標在2009—2013年居住區表現顯著優于其他時期。

偏冠度、枯枝比例、光污染程度、地表覆蓋情況指標在1956—1990年居住區表現顯著差于其他時期。樹勢、冠形、干形、樹干傾斜度、指標在1991—1997年居住區表現顯著較差,枝葉蟲害、生長空間指標在1998—2002年居住區表現顯著較差,林木樹洞指標在2003—2008年居住區顯著較低,枝葉病害、栽植截干指標在2009—2013年居住區表現顯著較差。

從14個健康指標看,枝葉病害和栽植截干指標隨時期變化越來越差,而偏冠度、地表覆蓋情況表現則越來越好；各時期居住區林木樹勢、冠形、樹干傾斜度、光污染程度、地表覆蓋情況指標表現普遍較差。

表5 不同時期居住區林木評價指標比較

3.1.3不同來源居住區林木健康特征比較

不同來源居住區林木樹勢、冠形、偏冠度、樹干傾斜度指標差異不顯著(P>0.05),其他指標均呈現顯著性差異(P<0.05)。林木干形、枝葉病害、枝葉蟲害、枯枝比例、樹干機械損傷、樹洞、生長空間、地表覆蓋情況、栽植截干指標在保障房表現顯著最差,福利房光污染程度指標顯著較低。

枝葉病害、枝葉蟲害、枯枝比例、樹干機械損傷、樹洞、生長空間、栽植截干指標在福利房表現顯著優于其他來源,干形、地表覆蓋情況指標在商品房表現顯著最佳。

從14個指標之間比較看,各來源居住區林木樹勢、冠形、樹干傾斜度、光污染程度、地表覆蓋情況指標表現普遍較差。

表6 不同來源居住區林木評價指標比較

3.2 居住區林木健康評價分析

3.2.1不同區域居住區林木健康比較

不同區域居住區林木健康等級均呈右偏正態分布,亞健康狀態林木比例均較大,瀕死等級林木均較小,且二環內和四—五環居住區未出現瀕死等級林木。從不同健康等級看,瀕死等級林木在五—六環比例最大；不健康和中等健康等級林木在二—三環比例最大,三—四環最小,亞健康等級分布則與之相反；健康等級林木在四—五環比例遠大于二—三環。

圖1 不同區域居住區林木個體健康等級分布Fig.1 Health class distribution of residential areas trees between different districts

不同環路居住區林木健康指數無顯著性差異(P>0.05),大小表現為：三—四環=四—五環>五—六環>二環內=二—三環。健康指數范圍是0.60—0.80,且五—六環出現最小健康指數,三—四環出現最大健康指數。

3.2.2不同時期居住區林木健康比較

不同時期居住區林木健康等級均呈右偏正態分布規律,亞健康狀態林木比例最大,瀕死等級林木比例最小,且2003—2008年和2009—2013年居住區無瀕死等級林木。不同時期居住區各健康等級林木比例具有明顯差異,瀕死等級林木在1991—1997年比例最大；不健康和中等健康等級林木在1956—1990年比例最大,在2009—2013年比例最小,而亞健康等級林木恰與之相反；健康等級林木在2003—2008年比例最大,在1991—1997年比例最小。

表7 不同區域居住區林木健康指數

表中健康指數為平均值±標準差；不同小寫字母代表不同類型居住區間差異顯著(P<0.05)

圖2 不同時期居住區林木個體健康等級分布Fig.2 Health class distribution of residential areas trees between different periods

進一步分析居住區林木健康指數發現,各時期間存在顯著性差異(P<0.05),大小順序是：2009—2013年>2003—2008年=1998—2002年=1991—1997年>1956—1990年,表現為老舊小區林木健康表現最差。從健康指數極值來看,1998—2002年居住區出現最小林木健康指數,2009—2013年居住區中出現最大林木健康指數。

表8 不同時期居住區林木健康指數

3.2.3不同來源居住區林木健康比較

不同來源居住區林木健康等級均呈右偏正態分布特點,亞健康等級林木比例最大,瀕死等級林木比例最小,保障房未出現瀕死等級林木。從不同健康等級變化特點看,瀕死等級林木在福利房比例最大；不健康等級林木在保障房比例最大,商品房中比例最小；中等健康等級林木在保障房比例最大,福利房中比例最小,亞健康和健康等級分布特點與之相反。

不同來源居住區林木健康指數無明顯差異(P>0.05),大小表現為：福利房>商品房>保障房。從林木健康指數閾值看,保障房出現最小林木健康指數,商品房出現最大林木健康指數。

表9 不同來源居住區林木健康指數

4 討論

4.1 不同類型居住區林木健康差異原因

研究發現不同區域居住區所有指標差異均達到顯著水平(P<0.05),二環內和二—三環居住區樹勢、偏冠度、光污染程度、地表覆蓋情況、栽植截干指標表現顯著較差,林木受大面積硬化鋪裝以及夜晚照明的影響,其林木樹勢減弱,健康指數較低；三—四環和四—五環居住區由于城市綠化越來越受重視,林木得到一定的健康生長；而五—六環區域居住區林木綠化年限相對較短,新栽植林木多,苗木本身不健康,抵抗病蟲害的能力弱,健康狀態相對較差；因此居住區林木健康狀態由內環區域至外環區域呈現先變好后變差的趨勢,具體表現為：三—四環=四—五環>五—六環>二環內=二—三環。

不同時期居住區除樹干機械損傷外,其余指標均達到顯著水平(P<0.05)。不同時期林木健康指數顯著差異,隨時期的推移,林木具有健康修復功能,健康指數顯著增大。老舊小區建設面積小且不注重綠化,隨著樹齡的增長,樹木生長空間受到壓縮,枯枝比例增加,冠形效果差,樹勢不高[44]；綠化形式單一,多為喬木裸地,同時隨著居民私家車數量的增多,地面停車場的建設使得小區綠地硬化現象嚴重,影響著林木根系的正常呼吸和養分吸收,這就是1956—1990年居住區林木健康指數顯著最低的原因。

林木的養護管理是林木生長過程必不可少的一個環節,對于樹木的健康生長具有關鍵性作用[45,46]。實地訪查發現,保障房物業往往忽視綠化管理工作,林木受人為干擾嚴重,枝葉病蟲害、枯枝比例、樹干機械損傷、樹洞、地表覆蓋情況及截枝截干等指標相較于其他來源表現最差；而福利房居住區與機關單位綠化同步,其樹木養護水平相對較高,因此不同來源居住區林木健康狀況表現為：福利房>商品房>保障房,但未達到顯著性水平(P>0.05)。

4.2 居住區林木健康限制因子

研究不同類型居住區林木健康指標特征發現,光污染程度、地表覆蓋情況、樹干傾斜度、栽植截干均小于其他指標,這說明光污染程度、地表覆蓋情況、樹干傾斜程度、栽植截干是限制居住區林木健康生長的重要因子。

有研究表明,硬鋪裝地表會減慢林木生長速度,明顯降低林木的樹高、胸徑及生物量[47]。調查發現,22.93%林木地表為硬鋪裝或裸地,顯著拉低了居住區林木的整體健康狀況。良好的地表覆蓋可以改善土壤理化住房,提高土壤保肥、保水能力,增加土壤透氣性和透水性,有效促進樹木的健康生長[48]；而硬化和裸露地表導致土壤板結嚴重,孔隙率下降、通透性變差,有機質下降,不利于根系正常呼吸和吸收養分,從而影響林木正常生長[49]。陳冰晶研究認為夜間照明影響了天安門廣場上油松長勢和成活率[50],相比于整個夜晚照明,每天18:00—24:00照光處理對植物的負面影響較小[51]。合理的修剪枯腐枝、徒長枝增加樹冠通透性,減少病蟲害的發生,而過度的修剪嚴重影響樹木健康。國外研究[52]認為抹頭修干造成林木生長不良率比不修剪的高192%,枝條死亡率高40%,病蟲害發生率高70%,極大威脅著樹木生長。因此合理控制夜間照明時間、增加有機地表覆蓋、避免過度的截枝截干以及加強林木養護管理是當前北京市居住區林木健康生長的保障。

5 結論

通過對北京市六環內85個居住區林木健康狀況的分析,整體健康指數為0.72,居住區林木處于亞健康狀態,健康等級比例為3.65%,亞健康(56.07%)等級比例最多,其次是中等健康(36.68%),不健康等級林木占3.50%,瀕死林木僅占0.10%。不同時期居住區林木健康差異顯著(P<0.05),而不同來源和不同區域居住區林木健康差異不顯著(P>0.05)。潛在影響因子如光污染程度、地表覆蓋情況、樹干傾斜程度、栽植截干是限制北京市居住區林木健康生長的重要因子。