氣候障礙因子對城市綠化適生樹種選擇的影響——以上海世博公園為例

張冬梅

張 浪*

有祥亮

崔 健

曹福亮

20世紀90年代末期，中國城市綠化進入大發展階段。上海城市綠化從“見縫插針”到現在的高質量發展，城市綠化指標逐年升高。2015—2017年，上海每年新建綠地均超過1 000萬m2，2017年新建綠地有1 358萬m2，人均公園綠地面積達到8.02m2，城市人均公園綠地面積已經超過8.2m2。對于以上海為代表的特大城市，人口密度大，綠化用地緊張，綠化要求更高。如何保綠提質，發揮城市綠化最大的經濟效益和生態效益，作為綠化主體，樹種的選擇尤為重要。

在樹種選擇方面，一般造林樹種是在遵循“適地適樹”基本原則的基礎上，根據造林目標，實地調查結合理論分析，綜合考慮樹種的生物、生態習性，造林地的氣候、地形和土壤等特征，以及樹種的種苗來源、栽培技術、造林成本等因素，對造林樹種做出正確選擇[1]。而城市綠化樹種的選擇，則更注重以人為本，以營建更大的空間，提供更高的社會服務功能為目標。相關研究早在20世紀90年代就有報道。研究多集中在對綠化樹種的規劃及應用等方面[2-4]；就樹種選擇方法的研究，有通過文獻法，對某一種植物抗逆性進行分等定級，通過綜合評價進行篩選[5]；唐東芹等通過調查上海多個綠地現存樹種的生長狀況及生態適應因子，對樹種的生長適應性進行了分級，篩選出懸鈴木、海桐、蚊母樹、雞爪槭、水杉、香樟、海桐、楓楊和合歡等49種在上海地區生長良好的樹種[6]；張德順等則利用單因素對比法，對濟南市104種城市綠化植物的耐旱性能進行觀測，綜合分析其抗逆性，通過制定的評價體系，從而做出選擇[7]。然而氣候因素對樹種選擇及其適生性的影響卻鮮有報道。

研究表明，在所有的生態因子中，氣候因素對樹種生長的影響最大[1]。尤其是幾十年不遇的極端高低溫、強風暴雨等氣候因子，加上持續時間等因素的影響，往往會在幾天之內導致正常生長的樹木形成損傷，造成一定程度的凍害、熱害、澇害和風害，甚至死亡。顯然，找出影響城市綠化樹種生長的氣候障礙因子并確定其閾值尤為關鍵。目前該方面的系統研究還未見報道。文章以上海世博公園為例，找出可能影響樹種生長的氣候障礙因子，為城市綠化樹種的正確選擇提供依據。

1 材料和方法

1.1 樣地

樣地位于世博公園，共64個，樣地面積為200～4 045m2。世博公園位于黃浦江之東岸與浦明路之間，南臨園區新建浦明路，西至倪家浜，北望盧浦大橋，占地面積約29hm2。世博公園綠化前場地為上鋼三廠、船舶修理廠、居民住宅和道路等搬遷地，是一種典型城市困難立地類型。

1.2 材料

世博公園建園的37個鄉土樹種和實踐區苗圃的18個外來樹種。

1.3 方法

1.3.1 生長調查

從建園開始，持續對植物材料的樹高、胸徑、冠幅等生長情況進行調查統計，并分別于2016年1月的極端低溫和2017年7月的極端高溫過后，調查樹木的受害情況。

1.3.2 生物量和生長量計算

通過文獻檢索等方式獲取上海地區不同樹種單木生物量異速生長方程，計算喬木的生物量[8-9]：

式中，W為生物量，a、b為方程中的估算參數，D為胸徑或地徑(cm)，H為樹高(m)。

按照生長模型計算應用頻度＞5%的鄉土樹種的2014、2017、2018年度平均單株生長量。

1.3.3 相關性計算

采用DPS數據處理系統對部分樹種的年度生長量數據與極端氣象因子值做典型相關分析[10]。

2 結果和分析

2.1 歷史氣候因子分析

1998—2018年30年間，對上海市徐家匯和寶山2個氣象站點的氣候因子進行匯總，重點對極端氣候因子進行統計分析(表1)。6個極端氣候因子出現在徐匯區站，2017年的日最高氣溫達到40.9℃，1991年出現了-8℃的日最低氣溫，2003年7月中旬—8月上旬35℃以上高溫持續19d，2001年8月遭遇了特大暴雨，日最大降雨量達278mm，2004年日平均相對濕度為60%～80%的天氣持續40d，1991年極大風速達28.9m/s。在寶山氣象站顯示，2005年日最低氣溫0℃以下持續天數為12d。

在上海世博公園建成期2009—2018年的10年間，極端氣候因子除2017年7月遭遇了35℃極端高溫并連續18d的天氣外，還經歷了2016年1月-7.8℃的低溫危害。在2019年1月受低于0℃絕對低溫影響持續6d。

2.2 氣候障礙因子對樹種選擇的影響

樹種不同，對極端氣候因子的反應不同。輕者致使樹木非正常枯葉、落葉、枯梢和枯枝，重者則導致樹干受傷乃至死亡。從樹種選擇的角度來看，鄉土樹種與外來引進樹種對氣候障礙因子的反應差別較大。鄉土樹種可分為“原生型”和“馴化型”，其中“原生型”是在幾百甚至上千年的生長發育過程中，經歷了多種極端氣候的考驗下的自然選擇結果，受極端氣候因子的影響較小。對于一些馴化型鄉土樹種，諸如香樟、懸鈴木、水杉等，雖然是外來樹種，但經歷多代馴化，對極端氣候因子也有較高的抗性。而對于引種的外來樹種而言，氣候障礙因子的影響較大。上海地處長江三角洲入海口亞熱帶季風氣候區，屬新成陸灘涂鹽堿地，陸地自然分布植物種類極度匱乏，鄉土陸生植物相對較少，城市綠化植物主要靠引種獲得[11]。顯然，在引種外來樹種時，引種地的極端氣候因子必須考慮在內。

2.2.1 氣候障礙因子對鄉土樹種生長的影響

通過統計，世博公園全域范圍應用的鄉土喬木樹種有37種，應用頻度超過5%的有25種(表2)。選擇香樟、榔榆、樸樹、銀杏、池杉和烏桕6個鄉土樹種作為公園的基調樹種，應用數量和頻度均達到15%以上；選擇女貞、垂柳、櫸樹、柿樹、黃連木、懸鈴木、廣玉蘭、落羽杉、重陽木、白玉蘭和欒樹等作為景觀組群骨干樹種，應用頻度為5%～15%；國槐、羅漢松等15種鄉土樹種應用頻度為3%～5%(表2)。

多年的實踐表明，不同適生性的樹種對極端氣候因子影響的反應不同。盡管鄉土樹種的適生性較強，但由于其不同的耐曬、耐陰、耐熱和耐濕等特性，面對當地的常規氣候條件和不時出現的極端氣候條件時，生長情況仍然存在差異。

從表2可看出，在世博公園應用頻度＞5%的19種鄉土樹種中，耐曬、耐熱樹種近10年平均生長量明顯大于耐陰樹種，分別為453.21、433.23和384.22kg/株。另外，耐高濕樹種的近10年平均生長量也比較高。分析原因，這與氣候因素影響有關。上海屬于亞熱帶季風氣候，生長季溫度高、濕度大、降水量高的氣候特點對耐濕熱樹種生長非常有利，而對耐陰樹種生長產生了一定的障礙作用。

盡管遭遇2016年1月低溫和2017年高溫的持續危害，大部分鄉土樹種仍然維持較大的生長量，近10年平均生長量達到433.23kg/株，比初植生物量56.46kg/株增長7倍多，生長狀況健康穩定。

2.2.2 部分樹種生長量與氣候因子相關性分析

在自然環境中，樹種生長量與樹種習性、氣候因素、土壤因素等都有密切關系。然而在樹木正常生長過程中，因不同年份遭遇諸如低溫、高溫、暴雨等極端氣候危害時，樹木的生長會受到不利影響。從表3可以看出，世博公園內部分樹種受極端氣象因子影響后的年均生長量出現明顯下降，如櫻花在2013年7月遭受156.1mm最大降水量后，2013—2014年平均生長量僅為3.517 0kg/株，明顯低于2016—2017年的8.843 7kg/株和2017—2018年的11.093 3kg/株。從表4的相關系數也可看出，櫻花生長量與日最大降雨量呈現明顯的負相關，相關系數達到-0.860 3。這與櫻花屬于不耐澇樹種有很大關系。從表3也可看出，在2016年1月的極端低溫影響下，櫻花、香柚、杜英、金縷梅、福建山櫻花和紅千層的2016—2017年均生長量皆不及2017—2018年，且除櫻花外，其余5個樹種當年生長量也低于2013—2014年均生長量。表4中生長量與極端最低溫的相關性除櫻花不密切外，其余4個樹種相關系數介于0.5～0.9，說明極端低溫的負面影響還是不同程度存在的。另外，在極端高溫下，除櫻花生長量與高溫因子存在較弱負相關外，其余5個樹種，高溫與生長量之間皆存在正相關性，其中紅千層、福建山櫻花等耐高溫的樹種相關系數較高。這說明極端高溫因子對6個樹種生長量的負面影響不大。從表4的最小相對濕度來看，6個樹種生物量與濕度因子皆存在負相關，但以香柚、福建山櫻花相關性較大，其次為紅千層，其余樹種較小，表明香柚、福建山櫻花對最小相對濕度比較敏感。從表4的極大風速因子來看，香柚、福建山櫻花負相關明顯，櫻花其次，表明極大風速因子對這3個樹種的負面影響較大。

2.3 氣候障礙因子影響外來樹種的引種區劃

對于引種外來樹種尤其是從高緯度向低緯度引種而言，極端高溫是十分重要的氣候障礙因子。為此，美國和中國均繪制了植物耐寒帶圖，用于指導引種工作。根據歷史氣候資料，在20世紀60年代美國農業部首先按年平均極端最低溫度制作出植物耐寒帶圖，從北向南把北美洲劃分為11個帶，作為引種區參考。鑒于此，中國從北到南劃分了11個耐寒帶，歐洲引種區根據年極端平均溫度確定相應的耐寒帶。上海屬于第9耐寒帶(-7～-1℃)的北緣，與浙江、福建中北部區域處在同一耐寒帶。另外，如果從低緯度地區引種，低溫也是重要的氣候障礙因子。為此，美國園藝學會于1997年按照年均日最高溫超過30℃的天數制作植物耐熱帶圖，用于指導引種工作。參照這一劃分，上海屬于第9耐熱帶(120～150d)，與浙江處在同一耐熱帶。而福建則分屬于第10和11耐熱帶。

上海地區從國內外引進樹種須考慮高緯度地區的耐寒帶分布和低緯度地區的耐熱帶分布。另外上海地處我國東部亞熱帶北緣，根據引種的氣候相似性原理，在亞熱帶和暖溫帶、溫帶引種成功的概率較大。在綠化工程中應用外來樹種，明確引種地是關鍵。根據氣候相似植物區系法結合植物耐寒和耐熱帶圖，上海引種外來樹種種源地劃分為2個氣候帶和3個植物區系，分別為暖溫帶氣候帶和北亞熱帶氣候帶；3個植物區系，分別為西歐溫帶落葉林(荷蘭、法國、比利時種源地)、北美東部溫帶落葉闊葉-針葉混交林(美國、加拿大等種源地)、中國亞熱帶常綠闊葉林(浙江、福建等種源地)(圖1、2)。基于此，上海近年來累計引種20種色葉觀花喬木(含小喬木)樹種進行試種和馴化，相繼在世博前灘公園、上海雕塑公園、人民廣場和音樂廣場等綠化工程中成功應用。從受害表現來看，在2016年1月的極端低溫和2017年7月的極端高溫下，僅部分樹種出現了輕微的傷害，總體生長良好(表5)。從其種源地分布來看，地處第9耐寒帶的上海可以引種高緯度地區遠至第4耐寒帶樹種，但須注意夏季高溫的灼傷；低緯度地區可以引種第11耐熱帶的樹種，但須注意冬季極端低溫的凍害。

3 結論與討論

氣候因素是影響城市綠化樹種生長發育的重要因素，尤其是極端氣象因子。本文通過對近30年來上海極端氣象因子的梳理，結合世博公園鄉土樹種生長和引進樹種的受害癥狀，初步確定了極端低溫、暴雨、強風、極端高溫和極低空氣濕度5個影響樹種生長的氣候障礙因子及其閾值。不過，對于引進樹種還需要長期馴化觀察和控制性脅迫試驗相結合，才能得出更科學的結論。實踐證明，極端氣象因子對外來引種樹種的影響明顯大于對鄉土樹種的影響。

在引進外來樹種時，要充分考慮引種地的極端氣候因子影響。經過10年的綠化實踐，上海世博公園采用氣候相似植物區系法結合植物耐寒、耐熱帶圖，把引種外來樹種種源地劃分為2個氣候帶和3個植物區系，成功引種近20種色葉觀花喬木。實踐證明從高緯度的第4耐寒帶和低緯度的第11耐熱帶向上海引種，遭遇極端氣候因子傷害的可能性較小。

圖1 上海引種外來樹種區系劃分——最北引種界[作者根據植物耐寒區系圖(引自The American Horticultural Society. www.ahs.org)繪制]

圖2 上海引種外來樹種區系劃分——最南引種界[作者根據植物耐熱區系圖(引自The American Horticultural Society. www.ahs.org)繪制]

表3 部分樹種的年度生長量與極端氣象因子值

表4 部分樹種的年度生長量與極端氣象因子的相關系數

表5 上海引種觀花色葉樹種的植物耐寒和耐熱帶分布及受害狀況

針對城市綠化樹種，多因素交叉影響和小環境的差異均會加劇或削弱極端氣候因子對其影響程度。在上海，冬季的低溫與強風、夏季的高溫高濕，均會加劇低溫或高溫的危害性。如2016年1月上海遭遇-7.8℃的極端低溫危害，上海園科院奉賢試驗基地的三角梅因低溫受到不同程度的凍害，其中以暴露在低溫和冷風環境中的植株受害最重，全部死亡，而種植在背風處的植株受害雖較重，但根部和主干存活下來。低溫和冷風的共同作用，加劇了低溫的危害。

關于城市綠化樹種的選擇，盡管有許多學者進行過研究，但大多是在對局部地區調查的基礎上對現有樹種的適應性或抗逆性進行評價，確定抗逆性等級，以指導當地的綠化樹種選擇實踐。縱觀多年的研究，這種實踐總結性的研究結果并沒有上升到方法學的理論高度，因而也就無法在明確、統一、標準的方法指導下開展廣大地域的樹種選擇工作。本文從致力于構建城市綠化樹種選擇方法學的角度出發，聚焦影響樹種選擇的氣候因素，在30年氣象資料分析的基礎上，明確極端障礙因子和閾值，結合氣候相似性引種理論和耐寒、耐熱帶劃分，明確上海的適生引種區域，并以上海世博公園近10年引種成功的案例作為驗證，為構建城市綠化樹種尤其是城市搬遷地綠化樹種的方法學奠定基礎。

注：文中圖片均由作者繪制。