城市森林生態系統服務功能研究概述與展望

鄭揚

(遼寧省林業調查規劃監測院，遼寧 沈陽 110122)

近幾十年來，研究表明，城市樹木是世界各地城鎮環境質量不可或缺的組成部分[1]。我們對城市森林結構和功能之間關系的理解已經發展，并構成這些復雜系統如何運作的更完整的畫面。因此，城市森林管理者更有能力提出自己的觀點，并促進樹木和綠地的作用，以解決城市中心面臨的問題。城市森林所能提供的生態系統服務的內在價值和貨幣價值日益得到認識，例如節能、碳儲存、減少雨水徑流、改善空氣質量和增進人類健康和福祉[2]。這一特別部分提出了新的經驗證據，將有助于選擇、規劃和管理城市森林作為目標生態系統服務，同時盡量減少任何相關的損害。

1 城市決策、規劃和管理者需要城市森林“證據基礎”

許多環境挑戰存在于城市景觀中。一些關鍵的挑戰圍繞著的管理:城市集水區水文和雨水徑流、城市空氣、土壤和水的化學和顆粒物污染、碳固定、城市熱島和夏季增強的熱浪。

這些環境挑戰可能對人類健康和福祉產生不利影響，減輕這些挑戰的代價可能很高。城市森林所面臨的艱苦的生長條件在某種程度上可以被看作是城市居民在全球氣候變化中所面臨的情況。因此，了解植被的作用、城市植被對這些環境條件的生理反應，特別是城市森林的管理在應付這些挑戰方面可以提供大量資料。

發生在不透水的表面覆蓋的城市雨水徑流和驟發洪水隨著城市化進程的不斷增加而增加，而且可能是一個日益嚴重的問題。極端降雨事件也隨著氣候變化而增加[3]，這種現象發生頻率也越來越高。由于城市雨水排放系統規模大、干擾大、成本高，增加其容量難度較大。這對傳統的城市用水提出了挑戰，資源管理需要新的思維方式，考慮如何保留、延緩和使用雨水的新的城市景觀——水敏感城市設計(WSUD)。在透水空間中的城市樹木，或工程WSUD系統，可以在重新思考如何管理城市集水區水文方面發揮作用(圖1)。

與未開發的集水區相比，城市化的集水區還會經歷更大的硝酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽、碳和重金屬污染。城市樹木和土壤系統可以在降低城市集水區徑流中養分污染濃度方面發揮重要作用。同樣，城市地區往往是移動污染源和固定污染源的大氣污染熱點。長期以來，樹木一直被認為是降低氣體和顆粒污染物濃度的一種方法，與此同時，某些樹種釋放揮發性有機化合物對臭氧形成的作用仍然是一個研究重點，特別是在城市地區[4]。除了在空氣污染物吸收方面的作用外，城市綠色基礎設施，特別是樹木成分對城市區域的固碳能力也有很大的影響[5]。目前存在許多大規模植樹計劃，特別是在發達國家，這些計劃表明了城市森林的重要性，因為城市正在努力這樣實施碳中和政策。

圖1

城市中心面臨的另一個嚴重的環境和人類健康挑戰是城市熱島、夏季熱浪和逐漸變暖的全球氣候之間的聯系。綠色基礎設施的定義是經過精心設計以提高環境質量的植被系統，它可以通過提供遮陽和蒸發式旋轉冷卻來降低熱島的強度。城市樹木可能是城市熱島緩解和適應的最有效和成本最低的方法[6]。

隨著對城市森林所帶來的潛在好處的認識日益加深，越來越需要經驗證據來回答“在何種情況下”和“如何有益”等問題。更嚴格的財政標準要求城市林業項目提供的服務是真實和可量化的。為了支持決策，需要對此進行研究描述和量化城市森林提供的許多生物地球化學過程和功能。這個特別的部分提出了新的研究，提高了對城市森林提供的生態環境服務的認識。本文提出的研究解釋了如何規劃和管理城市樹木，以最大限度地發揮這些城鎮和城市的生態系統服務。這一特別部分的真正優勢是來自四大洲(北美、歐洲、亞洲和澳大利亞)的14項研究提供了真正的全球證據基礎。應當認識到，在所有城鎮和城市中，城市樹木的價值并不會因為相同的生態系統服務而受到重視，因為每個城市中心都有自己的地形、氣候、文化和工業背景。然而，合理規劃和管理城市森林可以改善城市在各種氣候、社會文化環境和生物地理位置下的生態系統功能。這一節載有新的知識，將有助于那些試圖以“正確”的方式規劃和管理“正確”的城市森林，以獲得所需的生態系統服務，同時盡量減少損害。

2 城市森林、綠地和城市熱島

城市熱島是一種非常真實的現象，居住在城鎮的人們面臨著越來越多的熱應激和潛在的中暑，以及建筑空間冷卻能源使用的增加。Sugawara等描述了在日本東京炎熱的城市環境中，大型公園的降溫效果。在風平浪靜的條件下，大型公園的降溫效益一般向下風延伸200 m至周邊居民區，降溫效益相當于39 Wm-2[7]。Jaganmohan等人的研究表明，城市綠地的降溫效益在森林覆蓋的情況下顯著大于作為開放綠地的情況。此外，林地面積的大小對降溫效果的影響比對林地形狀的影響更大。許多小型的樹狀城市綠地不能提供與較少的但較大的樹狀城市綠地相同的降溫幅度[8]。

了解樹蔭對城市表面熱量(輻射)交換的影響是了解旨在減輕城市熱島效應的城市森林戰略有效性的基礎。Napoli等人測量了10種不同樹種的樹蔭和在陽光條件下的地表溫度下降。他們在一系列氣候條件下測量了瀝青地面和草的表面，以測試其性能一維傳熱模型。在瀝青路面上，陰涼處的地表溫度與樹木的葉面積指數呈負相關(范圍為13.8～22.8 ℃),草坪草的蒸騰作用較弱(6.9～9.4 ℃)，可能是由于草坪蒸散的混雜作用[9]。

了解樹木蒸散對城市熱平衡的影響，對于了解城市森林緩解熱島效應的潛力也至關重要。Ballinas和 Barradas通過建立一個復雜的氣候和生理模型，揭示了單株樹木可以從日蒸散中獲得顯著的降溫效果。所研究的四種植物的平均最佳水分利用范圍為3.64～4.35 Ld-1。他們的模型預測，蒸散能減少墨西哥城的城市空氣氣溫1攝氏度。然而，實現日間氣溫下降1 ℃所需的樹木數量取決于樹種，如每公頃63棵成熟的赤桉產生與24棵北美楓香相同的效果[10]。雖然在人口密集的城市地區，建立如此高密度的成熟城市林分可能是困難的，但本研究確實表明，當城市熱島緩解是首要任務時，必須注意物種選擇。

3 城市樹木在人體熱舒適中的作用

Sanusi等人提出的證據表明，良好的行道樹冠可能帶來微氣候降溫和人體熱舒適的好處[11]。根據氣候模型而不是直接的經驗證據，許多城市森林戰略的目標是隨著時間的推移，樹木冠層覆蓋的增加，并指出這將帶來預期的城市整體氣溫下降[12]。Sanusi等人比較了澳大利亞墨爾本類似的住宅街道，這些街道的梧桐樹冠覆蓋率從非常低(小于20%)到非常高(80%)，在最溫暖的夏天，東西走向街道氣溫下降2.1 ℃，南北走向街道氣溫下降0.9 ℃[11]。Sjoman等人研究了落葉樹在冬季“落葉”時城市小氣候(溫度和風)的影響。不同樹種間的分枝面積指數存在顯著差異，在0.27(銀杏葉)和2.09(松葉)之間。使用ENVI-met 3.1氣候模型模擬這些樹在復雜的城市環境中的微氣候影響，樹的背風速、側風速和平均輻射溫度均有所下降，掩蔽效果更明顯的樹分支面積指數上升[13]。這些發現對試圖在樹木種植空間有限的密集城市環境中改善夏季和冬季人體熱舒適的規劃者很有幫助。

4 樹木在城市流域水文中的作用

樹冠和城市森林作為一個整體在整個水循環過程中發揮著重要的作用。樹冠可以截留雨水，減少雨水到達下面透水或不透水的地表。Xiao和McPherson對樹冠影響截留的一個方面——地表水儲存量進行了對比研究。利用一種新型的降雨模擬器和地磅平衡系統，對20種不同樹種樹冠表面雨水膜的厚度進行了測量。在樹種間發現了三倍的差異:從紫薇的0.6 mm到云杉的1.8 mm[14]。超過40年的模擬模型表明，對于大多數降雨強度，超過30分鐘持續時間降雨總是超過甚至是大樹的存儲能力——這是關于城市森林在雨水徑流減少中作用的寶貴新信息。

一旦降雨到達不透水的地表并成為徑流，其中一些雨水可以直接進入WSUD系統，以減少、減緩和阻止雨水進入排水系統和城市水道。在WSUD系統中包括樹木可以通過蒸騰作用增加徑流返回到大氣中，提供相關的空氣冷卻效益。Scharenbroch等人提供的證據表明，生態濕地的樹木占這些系統總用水量的46%到72%，從而大大減少了不透水城市集水區的徑流和排放。然而，他們指出，并不是所有的樹種同樣適用于WSUD系統的增長和性能。具有高氣孔導度和在波動飽和和干燥條件下生長良好的樹種可能表現得最好[15]。

5 樹木在城市土壤和水污染中的作用

城市徑流、溪流和水道經常受到污染。可以更好地利用城市樹木從雨水中去除營養污染物和某些重金屬的能力，以提供水質和減少污染的效益。Denman等人用四種常見的城市樹種進行了一項簡潔的WSUD 系統研究，為這一點提供了證據。與未種植的對照相比，樹木能夠減少氧化氮和活性磷[16]。四種樹種在減少雨水養分污染的能力上沒有顯著差異，但Denman等人認為，未來的研究應該基于最具潛力的樹種的特征，針對其進行研究。

城鎮和城市內的草坪綠地經常得到大量無機和有機肥料的投入。因此，過量的養分有可能通過土壤進入城市水道或地下水資源。Livesley等人提出證據表明，城市綠地中種植樹木和下層植被的區域可以形成相對較高的土壤C/N比值，從而提高養分緩沖能力[17]。

6 城市森林和空氣污染

從環境和人類健康的角度來看，大氣污染是一個令人擔憂的問題。城市森林可以減少污染，但某些城市樹種可能也造成了這個問題。一些物種釋放出生物揮發性有機化合物(BVOCs)，可作為煙霧或臭氧形成的前兆，特別是在氮氧化物存在和氣候條件有利的情況下。臭氧是城市大氣中的一種有害污染物，城市森林中經常含有一些作為臭氧前體來源的樹種[18]，但與此同時，它也可以幫助從大氣中去除臭氧。實驗室實驗、現場測量和建模都有助于更好地理解、預測和管理城市森林的臭氧減少潛力。Dunn-Johnston等人(2016)研究了亞熱帶城市樹種異戊二烯的排放。他們指出，一些物種是高揮發性有機污染物的排放者，通常被定義為對城市景觀的主要“損害”。然而，對城市樹種中一些普遍接受的異戊二烯排放因子估計過高[19]。這一新知識將幫助管理人員選擇能夠提供最大空氣質量效益的樹種或基因型，并證明有必要為當地重要的城市樹種確定物種特異性。

某些城市樹木可能造成的另一個生態系統損害是花粉的釋放，花粉會對最易受影響的人的健康產生不利影響。越來越多的城市人口對樹源花粉過敏。因此，確定最容易引起過敏反應的樹種是很重要的。Carinanos等(2016)提出了一種實用的基于花粉釋放周期、過敏強度等因素的過敏源指數[20]。應用這一指數可以幫助城市森林管理人員在選擇和移除不同樹種時做出正確的選擇，從而改善人類健康和福祉。關于城市森林提供的生態系統服務和危害的研究需要轉化為政策、規劃和管理方面的有力和實用工具。

樹木對城市空氣質量的影響并不都是壞的。Park和Schade證明，在休斯敦城市綠地中的樹木光合作用能夠抵消交通燃燒引擎和生態系統呼吸排放的二氧化碳中的一部分[21]。為利用渦度協方差法測定的春季和夏季城市二氧化碳排放速率與同期光合活性輻射具有較強的相關性提供了證據。

7 未來城市森林研究的跨學科框架

本文提出的研究有助于建立越來越多的證據基礎，支持更好的城市森林管理、認識和估價的需要。然而，從許多研究中可以明顯看出，要全面做到這一點，以便真正改變城市規劃和政策，就必須對城市森林研究采取更加跨學科的方法。例如，為改善生態系統服務而管理城市森林與為改善集水區水文而管理城市景觀之間有著明確的聯系。許多研究都證實了這一點。為此，未來城市生態系統研究是否應該在相關學科之間爭取并促進更大的一體化和協作，如水利基礎設施工程、城市森林科學和城市規劃。是否一個城市處于高降雨量，洪水風險氣候或低降雨量，炎熱、干旱的景觀，連接著城市森林，綠意盎然空間和流域水文仍然是規劃的核心，為未來的挑戰設計和管理城市景觀。同樣，城市森林科學要幫助解決諸如熱暴露、過敏源、空氣污染和呼吸健康等公共衛生問題，也需要合作流行病學，環境監測機構，城市氣候學，城市森林科學，水工程，和城市規劃等。

城市森林可以發揮重要作用，使城鎮更適宜居住，更好地適應氣候變化帶來的嚴酷氣候。但要做到這一點，并使其成為政策、規劃和公共現實，城市森林研究需要采用跨學科的方法，并找到更好地向非科學受眾傳達科學證據的方法。