基于i-tree模型的濱河綠化帶生態(tài)效益分析
——以鄭州市如意運(yùn)河北段景觀綠化帶為例

李 想，劉 利，劉秉濤

(華北水利水電大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，鄭州 450046)

隨著城市現(xiàn)代化的高速發(fā)展，人們對(duì)于城市濱河綠化帶的建設(shè)有了更高的要求，它既是一個(gè)城市的形象展示，也是城市呼吸的空間。城市濱水區(qū)域的綠化質(zhì)量將直接關(guān)系市民的居住環(huán)境和生存質(zhì)量，因此對(duì)城市濱水區(qū)進(jìn)行生態(tài)評(píng)價(jià)具有重要意義。

城市濱水區(qū)是城市中特定的公共空間，是城市生態(tài)發(fā)展必不可少的部分。自18世紀(jì)工業(yè)革命起，城市濱水區(qū)的地位發(fā)生了翻天覆地的變化，從原生態(tài)的狀態(tài)逐漸成為工業(yè)化城市的中心區(qū)。然而城市濱水區(qū)在促進(jìn)城市工業(yè)化發(fā)展的同時(shí)，也成為城市中環(huán)境衰落最快的區(qū)域。從 20 世紀(jì) 60年代起，人們逐漸意識(shí)到城市濱水區(qū)環(huán)境保護(hù)的問題，改造濱水區(qū)空間迫在眉睫[1]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)城市濱水區(qū)域的研究大多從景觀設(shè)計(jì)或空間策略研究出發(fā)，對(duì)城市濱水區(qū)植被的研究著重于景觀規(guī)劃及設(shè)計(jì)[2]，對(duì)生態(tài)效益的相關(guān)研究甚少。而生態(tài)效益的高低對(duì)人們生活質(zhì)量的好壞及能否實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展有直接關(guān)系。因此，評(píng)估城市濱河綠化帶的生態(tài)效益有一定研究意義。

i-tree模型是目前國(guó)際較為常用的新型軟件，國(guó)外學(xué)者利用i-tree Eco模塊分別對(duì)英國(guó)、美國(guó)、泰國(guó)、法國(guó)等國(guó)家的城市進(jìn)行了城市森林的結(jié)構(gòu)及生態(tài)價(jià)值評(píng)估[3-4]。國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)i-tree模型的利用多集中于對(duì)行道樹的研究[5-6]，而對(duì)城市濱河景觀綠化帶的研究相對(duì)較少。

本文以i-tree Eco模塊為工具，結(jié)合實(shí)地調(diào)查，分析鄭州市如意運(yùn)河北段景觀綠化帶的樹種結(jié)構(gòu)及資源結(jié)構(gòu)，從凈化空氣、固碳、截留雨水和產(chǎn)氧量等方面對(duì)該濱河景觀綠化帶區(qū)域進(jìn)行生態(tài)評(píng)估。

1 研究方法

1.1 研究地概況

鄭州市地處河南省中北部，位于N34°16′-N34°58′和E112°42′-E114°13′之間，北臨黃河，西依嵩山，地勢(shì)西高東低，西部多山地丘陵，東部為平原。自然植被帶是溫帶闊葉林，植物資源較豐富。

鄭州氣候類型屬于暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候。多年平均氣溫約14.5℃，平均降雨量630 mm，無霜期209 d，多年平均日照時(shí)數(shù)為1 998.2 h。總體上，鄭州氣候條件較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)極端天氣，適合植物生長(zhǎng)。

北龍湖位于鄭州鄭東新區(qū)北部，是鄭州市副CBD中心，如意運(yùn)河屬人工開挖，與金水河、東風(fēng)渠和北龍湖四水相連，形成鄭州如意湖水系景觀。本文以鄭州市如意運(yùn)河北段的濱河綠化帶為研究對(duì)象，進(jìn)行生態(tài)效益分析。見圖1。

圖1 如意運(yùn)河北段地理位置

1.2 數(shù)據(jù)調(diào)研

本研究的數(shù)據(jù)采集包括兩個(gè)部分：①樣地基本信息：年空氣污染物數(shù)據(jù)、小時(shí)降雨量、土地利用類型等；②樹木基本信息：樹種、胸徑、冠缺失比例、健康狀況等。喬木的調(diào)查方式為普查，調(diào)查時(shí)間為2021 年 3月至2021 年 6月。

i-tree 模型包含6 個(gè)分析模型，是用來進(jìn)行城市和社區(qū)林業(yè)分析和效益評(píng)估的工具。其中，i-tree Eco 模塊使用樹木測(cè)量數(shù)據(jù)、空氣污染數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)等,來評(píng)估城市森林的結(jié)構(gòu)特征和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。i-tree Eco可以計(jì)算的參數(shù)包括：①結(jié)構(gòu)和成分分析：樹種狀況和分布、葉面積和生物量、樹種重要性值；②功能分析：去除空氣污染物、碳封存和儲(chǔ)存、產(chǎn)氧效益、水文效應(yīng)等[7]。

本文將鄭州市空氣污染物和降雨量等氣象數(shù)據(jù)錄入i-tree Eco模型，普查研究區(qū)域樹木胸徑、土地利用等信息。將軟件中各類生態(tài)效益價(jià)值按2020年年均匯率1美元=6.897 6元[8]轉(zhuǎn)化成人民幣，評(píng)估該區(qū)域樹木總效益，并加權(quán)平均計(jì)算每棵樹的生態(tài)價(jià)值。

2 樹木結(jié)構(gòu)分析

2.1 樹種組成

通過調(diào)查數(shù)據(jù)分析得出，如意運(yùn)河有喬木21個(gè)樹種，共2 880棵，分別屬于14科18屬，主要包括松科2種、木犀科2種、木蘭科3種、榆科2種、杉科1種、銀杏科1種。樹種主要為水杉、雪松、白蠟、櫸樹、銀杏、紅葉石楠、女貞、垂柳等。見圖2。

其中，水杉的數(shù)量最多，占到總樹種數(shù)量的38.72%；其次是雪松，占比10.56%；其他樹種均在10%以下。可以看出，研究區(qū)樹種不多，且樹種數(shù)量分布不均。水杉作為濱水區(qū)優(yōu)勢(shì)樹種有著諸多優(yōu)點(diǎn)，如具有一定耐寒性、耐水濕能力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等，水杉喜溫暖潮濕、不耐貧瘠干旱的特點(diǎn)也很適合種植在濱水區(qū)，因此將水杉作為優(yōu)勢(shì)樹種能充分發(fā)揮其生態(tài)效益。

圖2 樹種數(shù)量占比圖

2.2 胸徑分析

將喬木胸徑分為9個(gè)徑級(jí)組，10個(gè)優(yōu)勢(shì)樹種數(shù)量占總體樹木的93.96%。胸徑分布主要集中在10～30cm，數(shù)量占89.86%，且胸徑分布在10～20 cm較多，占比63.19%。其中，水杉的數(shù)量最多，其次為雪松。40 cm以上的樹木僅有2棵。從樹種來看，銀杏的胸徑最大，胸徑均在25 cm以上；白蠟和櫸樹的胸徑也相對(duì)較大，大多分布在20～30 cm之間；其余樹種的胸徑相對(duì)較小，大多分布在10～20 cm之間。從如意運(yùn)河該河段的樹木徑級(jí)分布可以看出，樹木多數(shù)處于穩(wěn)定生長(zhǎng)階段，大部分樹木還未成長(zhǎng)到成熟期，隨著樹木的生長(zhǎng)，有待發(fā)揮更大的生態(tài)效益。見表1。

表1 如意運(yùn)河各優(yōu)勢(shì)樹種胸徑結(jié)構(gòu)分布

續(xù)表1

3 樹木生態(tài)效益分析

3.1 凈化空氣效益

在本次模型計(jì)算中，根據(jù)以下價(jià)格計(jì)算污染去除值：CO價(jià)格為11.09元/kg、O3價(jià)格為 78.07元/kg、NO2價(jià)格為 78.07元/kg、SO2價(jià)格為19.11元/kg、PM2.5價(jià)格為52.12元/kg。據(jù)估計(jì)，該濱河區(qū)樹木每年可凈化625.14 kg空氣污染量，每年產(chǎn)生價(jià)值4.41萬元。其中，臭氧的吸附和沉積效果最好，年去除量為414.24 kg；其次為NO2，年去除量為109.14 kg，CO的污染去除效果最差。

在所調(diào)查的21個(gè)樹種中，白蠟的總?cè)コ廴疚锪孔罡撸a(chǎn)生的效益也最高，每年產(chǎn)生8 491.03元的效益，占總效益的19%。單株效益最高的主要樹種為：銀杏(36.63元/株)、白玉蘭(32.89元/株)、白蠟(32.53元/株)。水杉的單株效益最低，僅5.23元。單株加權(quán)平均效益為15.3元，僅有烏桕、垂柳、秋焰槭、紅葉石楠、雪松和水杉6個(gè)樹種低于單株加權(quán)平均效益。見表2。

表2 各樹種的空氣污染效益表

3.2 碳的儲(chǔ)存和固碳效益

根據(jù)模型分析，研究區(qū)2 880棵樹木可儲(chǔ)存碳264.1 t，相當(dāng)于效益值34.25萬元，見圖3。本文中碳價(jià)值的估算為：1 297元/t。在采樣的物種中，雪松的碳儲(chǔ)量最高，占28.28%；其次是白蠟(15.45%)、銀杏(8.33%)。不同樹種的單株效益也有所差異，廣玉蘭的單株效益最高，水杉的單株效益最少。主要樹種的碳儲(chǔ)量單株效益為：廣玉蘭(1 426.7元/株)、烏桕(342.78元/株)、雪松(318.7元/株)。單株加權(quán)平均效益為118.94元，櫸樹、雜交鵝掌楸、楓楊、油松、白皮松、樸樹和水杉的單株效益均未超過單株加權(quán)平均效益。

圖3 碳儲(chǔ)量及單株平均效益

圖4 總固碳量及單株平均效益

該濱河區(qū)樹木每年的總固碳量約為22.62 t，價(jià)值為2.93萬元，見圖4。雪松的碳封存量最多，占23.39%，產(chǎn)生的價(jià)值為6 861.13元；其次是白蠟(16.05%)；樸樹的碳封存量最低。從樹木的單株效益來看，廣玉蘭的單株碳封存效益最高，水杉最低。固碳效益較高的樹種為：廣玉蘭(241.85元/株)、烏桕(29.65元/株)、白玉蘭(25.94元/株)。單株加權(quán)平均效益為10.19元，除了楓楊、銀杏、油松、櫸樹、白皮松、樸樹和水杉，其余樹種單株效益均高于單株加權(quán)平均效益。

3.3 產(chǎn)氧效益

由于大氣中含氧量非常大且相對(duì)穩(wěn)定,本文采用《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范》(GB/T 38582-2020)[9]中的推薦使用價(jià)格,即1 000元/t來計(jì)算產(chǎn)氧價(jià)值。該濱河區(qū)的樹木年產(chǎn)氧量約為 60.32 t，產(chǎn)氧總價(jià)值為60 320元。雪松年產(chǎn)氧量最高(14.11 t)；廣玉蘭(497.25元/株)、烏桕(60.95元/株)、白玉蘭(53.33元/株)單株效益較高；水杉價(jià)值最低，每株僅0.45元。

3.4 雨水截留效益

模型中截留雨水的估算價(jià)值為16.28元/m3。據(jù)估算，該濱河區(qū)的2 880棵樹木每年可減少?gòu)搅?893.51 m3，效益值為14 548.19元/a。白蠟的截留雨水效果最好(19.27%)，其次為銀杏(18.21%)。較高單株截留雨水效益的樹種為：銀杏(12.10元/株)、白玉蘭(10.86元/株)、白蠟(10.74 元/株)：水杉單株效益最小，僅為1.73元。見圖5。

圖5 樹木截留雨水量及單株平均效益

4 分析與討論

4.1 樹木結(jié)構(gòu)

通過調(diào)查數(shù)據(jù)分析得出，該濱河區(qū)有喬木21個(gè)樹種，其中水杉的數(shù)量最多。水杉具有樹干通直、適應(yīng)性強(qiáng)和耐水濕能力強(qiáng)等特點(diǎn)，是良好的固堤護(hù)岸樹種，用于固土護(hù)坡和營(yíng)造防洪林有很好的優(yōu)勢(shì)。雪松、白蠟、櫸樹和銀杏作為優(yōu)勢(shì)樹種，不僅有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，還有很高的觀賞價(jià)值。但在21個(gè)樹種中有10個(gè)樹種的數(shù)量低于2%，不利于濱水區(qū)生態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的維持。

從該濱河區(qū)徑級(jí)分布來看，胸徑主要集中在10～30 cm，占比89.86%。優(yōu)勢(shì)樹種胸徑較大，其余樹種相對(duì)較小，大多分布在10～20 cm之間。因此，樹木多數(shù)處于穩(wěn)定生長(zhǎng)階段，大多數(shù)樹木還未成長(zhǎng)到成熟期，隨著樹木的生長(zhǎng)，有待發(fā)揮更大的生態(tài)效益。

4.2 生態(tài)效益

樹木的總碳儲(chǔ)量為264.1 t，效益值約342 537.70元。其中雪松的總碳儲(chǔ)量最多，其次是白蠟、銀杏、櫸樹，楓楊的碳儲(chǔ)量最少。廣玉蘭的單株效益最高。

每年產(chǎn)生效益14.82萬元。在年產(chǎn)生的效益中，產(chǎn)氧效益最高，占年總效益的40.69%；其次是凈化空氣效益，每年可凈化空氣4.41萬元，占比29.72%；固碳效益占19.78%；截留雨水效益最小，僅占9.81%。

經(jīng)研究表明，不同樹種在發(fā)揮凈化空氣、碳封存、產(chǎn)氧量及截留雨水等方面的單株平均生態(tài)效益均有差異。在所采集的樹種中，白蠟總體產(chǎn)生的效益最高(圖6)，占總效益的17.23%；其次是雪松(16.35%)、銀杏(9.84%)、櫸樹(9.31%)；油松的總效益最低，僅占0.18%。從樹種對(duì)總體生態(tài)效益的影響來看，1 115株水杉的生態(tài)效益價(jià)值總量為12 378.5元，排名第五；而白蠟僅261株，產(chǎn)生的效益為25 676.84元，總體生態(tài)效益價(jià)值最高。由此可見，生態(tài)效益價(jià)值量的多少與樹種數(shù)量并不呈正相關(guān)，而是與樹種自身植物特性和生長(zhǎng)時(shí)間有關(guān)，不同的樹種其生態(tài)效益價(jià)值存在著明顯的差異。

圖6 樹木年總效益及單株平均效益

從總體單株效益來看，廣玉蘭單株效益最高，價(jià)值為每年552.19元；其次是白玉蘭、烏桕、白蠟、懸鈴木。年加權(quán)平均效益值為51.48元，僅樸樹、油松、白皮松和水杉4個(gè)樹種未超過均值；水杉的加權(quán)平均效益最小，僅11.1元。此外，各樹種對(duì)不同方面生態(tài)效益的效果也有不同。廣玉蘭、烏桕、白玉蘭和雪松的碳儲(chǔ)存、碳封存和產(chǎn)氧能力較好；銀杏、白玉蘭、白蠟和櫸樹的凈化空氣和截留雨水效益較高；水杉的各種效益均為最低。在以后的濱河綠化帶樹種選擇中，可將生態(tài)效益較好的樹種綜合考慮種植，以發(fā)揮較好的濱水區(qū)的生態(tài)效益。

如意運(yùn)河濱水區(qū)通過河湖和道路構(gòu)建成一個(gè)生態(tài)回廊，實(shí)現(xiàn)了人與自然的生態(tài)和諧，本文就研究結(jié)果提出一些建議。在樹木結(jié)構(gòu)方面，穩(wěn)定中小徑級(jí)樹木生長(zhǎng)的同時(shí)，需提高占比2%以下的樹種數(shù)量，提高生態(tài)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。此外，生態(tài)效益也有很大的提升空間。研究區(qū)以喜溫暖潮濕的水杉為優(yōu)勢(shì)樹種，但考慮到水杉生態(tài)效益較低，可適當(dāng)增加垂柳、楊樹等其他耐水濕的樹種，增加生態(tài)效益的同時(shí)，也增強(qiáng)了景觀豐富度。廣玉蘭、白玉蘭等樹種不僅有很高的生態(tài)效益，也具有較強(qiáng)景觀效果，應(yīng)適量增加其數(shù)量，提高總生態(tài)效益。如意運(yùn)河為人工開鑿河道，河道寬度較窄，長(zhǎng)時(shí)間的河水及雨水沖刷易造成護(hù)坡?lián)p壞。因此，濱水區(qū)綠地的植被種植上不僅要選擇生態(tài)性強(qiáng)、美觀性強(qiáng)的植物，還需選擇能夠穩(wěn)固土壤、根系發(fā)達(dá)的植物，以緩解河水、雨水對(duì)駁岸的侵蝕。

5 結(jié) 論

本文以調(diào)研如意運(yùn)河北段綠化帶為基礎(chǔ)，利用 i-tree Eco 模型對(duì)該研究區(qū)的生態(tài)效益進(jìn)行了評(píng)估分析。結(jié)果表明，樹木的碳儲(chǔ)量為264.1 t，產(chǎn)生的價(jià)值為34.25萬元。研究區(qū)內(nèi)2 880棵樹木每年可產(chǎn)生效益 14.82萬元，其中產(chǎn)氧效益最高，占總效益的40.69%，其次是凈化空氣效益、固碳效益、截留雨水效益。白蠟的效益值占總效益的17.23%，占比最高；油松最低。廣玉蘭的單株效益最高，水杉最低。栽種生態(tài)效益較高的樹木可以更好地增加林業(yè)碳匯。