氣候變化對上海園林植物引種區(qū)的影響趨勢預(yù)測

張德順,劉 鳴,劉曉萍,路 萍

（同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院,上海200092）

2002年上海參評全國園林城市時,有風(fēng)景園林專家就指出了園林綠地缺乏植物多樣性的短板。上海市生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建和區(qū)域植物景觀的營造離不開植物引種馴化[1],但盲目引種會造成植物不適應(yīng)未來的氣候特征而生長不良或死亡。經(jīng)過近15年的引種馴化,上海園林植物種類增加了500—1000種。但是,在眾多的引進(jìn)植物中,存在著國外種類多、國內(nèi)種類少,試驗的成分多、確定的成分少,栽培品種多、鄉(xiāng)土物種少,目前應(yīng)用尚可、未來適應(yīng)幅度不明等問題。特別是最近40年來,全球氣候變化已是不爭的事實,高密度人居環(huán)境下的城市氣候變化也日益明顯[2],園林樹種的氣候適應(yīng)性研究顯得尤為迫切。因此,科學(xué)地選擇植物種源地,大幅度增加區(qū)域植物的種類成份,能為增強(qiáng)上海未來園林綠地生態(tài)彈性策略的制定提供有效參考和指導(dǎo)。

目前,國內(nèi)引種實踐總結(jié)出了眾多理論,包括極限低溫分區(qū)論[3]、氣候相似論[4-6]、區(qū)系發(fā)生論[7]、協(xié)調(diào)統(tǒng)一原則[8]和生境因子分析法[9-10]等。這些理論中實踐最廣泛、最簡捷的是氣候相似理論,即與原產(chǎn)地氣候條件相似度高的地區(qū),植物最可能引種成功。歷年來,用模糊相似優(yōu)先比法在林業(yè)引種和林業(yè)管理的成功應(yīng)用案例已獲得大量的實踐證明和檢驗[11-17]。

為了探討未來氣候變化對上海及周邊地區(qū)園林植物引種區(qū)域的潛在影響,本研究利用1970—2000年氣候資料對上海相近緯度的150個城市的各氣候因子按模糊相似比法進(jìn)行排序聚類,生成與現(xiàn)代上海氣候相似的區(qū)域圖示;并收集關(guān)于預(yù)測我國未來氣候變化趨勢的文獻(xiàn),整理歸納并引用其結(jié)論成果,分別探討2030—2050年氣溫和降水變化對150個城市的潛在影響;最后,基于現(xiàn)代氣候資料和氣候變化預(yù)測結(jié)果,對未來與上海氣候相似的城市和區(qū)域進(jìn)行聚類分析,以期為未來上海園林植物的種源地選擇提供參考建議。

1 研究對象

上海地處北緯30°40′—31°53′,東經(jīng)120°52′—122°12′,從歷年來上海園林植物的地理區(qū)系成分可知,植物引種的北界在秦嶺—淮河一線,南界主要包含江南丘陵,延展引種區(qū)域隨長江流域向華中內(nèi)陸縱深,直至重慶山地、四川盆地以及云貴高原部分地區(qū)。據(jù)此,選擇北緯25°至35°之間的150個城市及其所在地域為研究對象（圖1）,包括長江中下游地區(qū)、江淮地區(qū)、江南丘陵、江漢平原、西南山地、成都平原、秦嶺地區(qū)以及東南沿海的不同氣候類型區(qū)的典型代表地市。

圖1 選取的150個城市的地理坐標(biāo)分布Fig.1 Geographical map of 150 selected cities

2 資料與方法

2.1 資料來源

2.1.1 現(xiàn)代氣候資料

現(xiàn)代氣候資料從世界氣候網(wǎng)站（WorldClim-Global Climate Data,http:∕∕worldclim.org∕version2）下載氣溫和降水的月值氣候數(shù)據(jù)集（1970—2000年）,包括年均氣溫（℃）、最低平均氣溫（℃）、最高平均氣溫（℃）、年均降水量（mm）、太陽輻射量（kJ·d-1·m-2）。

2.1.2 未來氣候資料

在大量相關(guān)文獻(xiàn)檢索的基礎(chǔ)上,篩選出2006—2016年12篇[18—29]關(guān)于預(yù)測我國未來氣候變化與趨勢的文獻(xiàn)（表1）,對其預(yù)測結(jié)果和圖示進(jìn)行分類整理。運用GIS 10.2軟件平臺,統(tǒng)一設(shè)定地理坐標(biāo)系與投影坐標(biāo)系,擬合反演預(yù)測結(jié)果至前文所列的150個城市中,作為未來氣候變化的參照數(shù)據(jù)。

表1 我國未來氣候變化的趨勢與預(yù)測文獻(xiàn)列舉Table 1 Literature list of future climate change trends and prediction results in China

從上述文獻(xiàn)中可知,未來我國大部分地區(qū)的氣溫和降水均呈上升趨勢,且北方增溫趨勢大于南方,而降水則相反。然而,由于預(yù)測模式、數(shù)據(jù)資源以及預(yù)測年限的不同,局地預(yù)測結(jié)果并不一致,存在一定程度上的不確定性。例如,有預(yù)測認(rèn)為長江中下游地區(qū)未來降水趨勢比較明顯,但另一些預(yù)測結(jié)果卻認(rèn)為江淮地區(qū)未來降水增速較快。

2.2 計算方法

采用模糊相似優(yōu)先比法,即歐式（Euclidean）距離相似優(yōu)先比法來處理分析數(shù)據(jù)[11]。此方法被廣泛應(yīng)用于植物引種地和栽培適宜區(qū)的選擇。具體步驟如下:首先,對原始數(shù)據(jù)作歸一化處理

其中,xis、ximin和ximax分別為第s個因子在樣本集中的因子值、最小值與最大值。用相對歐氏距離計算被選樣品xi與固定樣品xo之間的差異,用公式

定義相似優(yōu)先比為

由此,獲得模糊相似優(yōu)先比矩陣R=[rij],取λ水平截集評選出備選樣品相似次序即為結(jié)果。

3 結(jié)果與分析

3.1 選擇城市與上海氣候的模糊相似聚類

利用1970—2000年的各地市氣候因子與上海氣候因子計算模糊相似優(yōu)先比,按相似系數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)聚類（圖2）,結(jié)果顯示:與現(xiàn)代上海相似的區(qū)域呈現(xiàn)明顯的緯度地帶性特征,基本與中國氣候區(qū)劃中的北亞熱帶區(qū)域相當(dāng),說明所得聚類結(jié)果有較高的可信度。核心區(qū)域不僅包含蘇南太湖周邊、浙北錢塘周邊與上海市域外,還沿北緯30°由東向西延伸至鄂南江漢平原各地市。次核心區(qū)域與南邊暖濕區(qū)域則分別表現(xiàn)出相對的低溫低濕氣候因子和高溫高濕氣候因子的距離差距。冷濕區(qū)域所示的川渝山地和成都平原地區(qū)以及黔北高原地市與上海氣候存在明顯的氣溫與降水上的差異性,冷干區(qū)域所示的靠近北緯35°的豫皖蘇平原北部、秦嶺一帶的最低氣溫與上海有較大差異。不相似區(qū)域基本上與上海氣候相似性系數(shù)最低,表現(xiàn)出極大的距離差距。

圖2 與上海現(xiàn)代氣候相似的聚類分布Fig.2 Clustering areas similar to Shanghai current climate

3.2 未來氣溫變化與上海氣溫的模糊相似聚類

通過對我國未來氣候變化趨勢預(yù)測的文獻(xiàn)資料整理,提取氣溫變化的數(shù)據(jù)反演至150個地市,按模糊相似優(yōu)先比進(jìn)行聚類（圖3）。根據(jù)未來氣溫增溫且北方升溫幅度高于南方的預(yù)測結(jié)果,核心區(qū)和次核心區(qū)表現(xiàn)出明顯的向北擴(kuò)展的趨勢。此外,由于長三角地區(qū)高密度城市群的熱島效應(yīng)作用也在一定程度上助推了未來區(qū)域氣溫的升高,故上海地區(qū)與江漢平原城市的溫差距離增大,導(dǎo)致核心區(qū)面積縮減。北邊的冷干區(qū)域由于增溫效應(yīng)向西退縮,并向南側(cè)的華中地區(qū)伸展。東南沿海的浙閩地區(qū)由于氣溫整體水平較上海地區(qū)的絕對值差距較大,加之未來增溫的影響,進(jìn)一步擴(kuò)大了兩者之間的差距。現(xiàn)代氣溫變化趨勢和未來預(yù)測結(jié)果表明,未來川渝地區(qū)的氣溫有很大可能出現(xiàn)相對下降的趨勢。其他區(qū)域與上海未來的氣溫變化差異增大,表現(xiàn)出較大的相異性。

圖3 未來氣溫變化與上海氣溫相似的聚類分布Fig.3 Clustering areas similar to Shanghai future temperature change

3.3 未來降水變化與上海降水的模糊相似聚類

相對于氣溫變化,未來降水趨勢預(yù)測具有較大的不確定性。通過模糊相似優(yōu)先比序列聚類,與當(dāng)今氣候和氣溫變化的條帶狀格局不同,未來降水變化呈現(xiàn)出斑塊狀格局（圖4）。核心區(qū)域的降水除包含長三角核心地市外,也表現(xiàn)出一定的緯度分布特征,即涵蓋了沿北緯32°延伸的皖中地區(qū)。雖然次核心區(qū)與核心區(qū)的緯度幅度大致相同,但降水量稍偏低,這與海陸空間和季風(fēng)的相關(guān)性更為明顯。由于南方降水增加的趨勢,暖濕區(qū)域和東南沿海區(qū)域均表現(xiàn)出向華中內(nèi)陸地區(qū)縱深的趨勢。北邊冷干區(qū)域的降水受各個預(yù)測模式之間的差異存在較大不確定性,雖然在降雨量上與核心區(qū)存在較大的距離,但很有可能受未來降水趨勢的增強(qiáng)而與次核心相似區(qū)相融合。冷濕區(qū)域受海陸距離空間的制約,未來降水量可能呈現(xiàn)相對下降的趨勢,對當(dāng)?shù)刂脖坏募竟?jié)性抗旱性提出了潛在的要求。

圖4 未來降水變化與上海降水相似的聚類分布Fig.4 Clustering areas similar to Shanghai future precipitation change

3.4 未來氣候變化與上海氣候的模糊相似聚類

綜合以上分析,對所有現(xiàn)代氣候、未來氣溫變化和未來降水變化的各氣候因子組成矩陣,進(jìn)行綜合模糊相似聚類（圖5）。受氣溫和降水增加趨勢的綜合影響,與現(xiàn)代氣候相比,核心區(qū)域略向北偏移,即北亞熱帶北緣線將以弧形向東北偏移。上海與南京的氣候相似程度較杭州高,即未來的上海和南京仍屬北亞熱帶代表性城市,而杭州可能將歸屬中亞熱帶北緣城市。次核心區(qū)域由原鄂北地區(qū)南遷至鄂南湘北地區(qū),南北移動距離2°以上。南邊濕暖區(qū)域受北面南下的次核心區(qū)域和更溫暖濕潤的贛南、閩南地區(qū)的雙重擠壓,形成與次核心區(qū)幾乎平行的外圍帶狀特征。北邊冷干區(qū)域由于潛在氣溫和降水的增加,明顯向南延伸至華中腹地。西南川渝和貴州北部氣候整體上未體現(xiàn)出變化,獨特的溫度和降水條件使其自成體系。川西南和滇北仍然與上海地區(qū)的氣候差距較大。

圖5 未來氣候變化與上海氣候相似的聚類分布Fig.5 Clustering areas similar to Shanghai climate change

4 結(jié)論與討論

4.1 基于模糊相似優(yōu)先比法的相似氣候區(qū)域聚類結(jié)果較為可靠

基于模糊相似優(yōu)先比法對1970—2000年的與上海緯度相近的150個地市氣候因子的相似性聚類結(jié)果表明,與當(dāng)今上海相似的區(qū)域呈現(xiàn)明顯的緯度地帶性特征,按其氣溫和降水與上海相似性的疏遠(yuǎn),依次呈現(xiàn)出相對的核心區(qū)、次核心區(qū)域、暖濕區(qū)域、干冷區(qū)域、冷濕區(qū)域和不相似區(qū)域,這與中國氣候區(qū)劃,以及中國植被區(qū)劃具有高度的相似性。例如,核心區(qū)與次核心區(qū)基本上與北亞熱帶季風(fēng)落葉常綠闊葉混交林氣候（北亞熱帶）重疊;冷干區(qū)域則屬于暖溫帶季風(fēng)半旱生落葉闊葉林氣候（南溫帶）;暖濕區(qū)域與中亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林氣候（中亞熱帶）區(qū)域大致相當(dāng),這都與預(yù)測的聚類結(jié)果有較高的一致性。

4.2 氣候變化的濕暖趨勢影響著上海園林植物的種源地選擇

環(huán)太湖低山丘陵一直是上海核心引種區(qū),氣候、土壤、人文特征均較為相似,園林植物引種成活率高。但因氣溫和降水的年際變化影響,園林植物的最適生區(qū)的南界和北界往往也表現(xiàn)出波動特征,如遇溫暖年,從蘇北可引種常綠樹種,但遇寒冷年,杭州引種的常綠樹種也會遭遇霜凍寒害,造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。隨著未來氣候變暖和城市熱島的雙重作用,引種核心區(qū)域略向北伸展,即未來南京、揚州的氣候與上海更為相似,植物引種成活率提高。而南邊的浙北地區(qū)的園林植物將會得到更多的濕熱條件,引種上海則更加適應(yīng)由城市氣候主導(dǎo)的市區(qū)濕熱小氣候環(huán)境。值得未來園林引種關(guān)注的地區(qū)是華中中部地區(qū),包括豫南和鄂北的低山丘陵、江漢平原以及湘北地區(qū),溫度和降水狀況與上海地區(qū)的差距正在減小,有望成為上海園林植物引種的潛在種源地。而川渝地區(qū)和云貴高原的氣候特征在未來仍與上海有較大差距,引種時還需具體問題具體分析。

盡管如此,在實際植物引種時,地質(zhì)地貌、土壤性質(zhì)、海拔變化、立地小氣候等環(huán)境因子以及生物因子也是重要的制約因素。例如,蘇南地區(qū)土壤性質(zhì)為水稻土,江南丘陵大部分土壤為黃壤或紅壤土,華中地區(qū)為灰色森林土。上海成陸較早的青浦、松江地區(qū)土壤呈弱酸性,其他大部地區(qū)呈中性偏堿,沿海地區(qū)呈堿性,對喜酸性植物引種十分不利,在園林植物引種時需要對地形進(jìn)行改造、對土壤進(jìn)行改良、對不利環(huán)境進(jìn)行生態(tài)調(diào)控。

4.3 地域性園林植物有利于增強(qiáng)城市生態(tài)系統(tǒng)彈性以適應(yīng)氣候變化

利用具有鄉(xiāng)土特征的物種構(gòu)建未來上海高密度城市生態(tài)系統(tǒng),能為應(yīng)對未來氣候變化提供較為寬闊的彈性空間。結(jié)果顯示,無論氣候如何變化,上海在氣候特征上屬于蘇南太湖流域的地域性屬性再次得到驗證。這從過去、現(xiàn)在以及未來的氣候變化的聚類結(jié)果中都得到強(qiáng)有力的證明。增強(qiáng)當(dāng)?shù)氐赜蛐灾脖怀煞?增加區(qū)域植物物種多樣性,有利于構(gòu)建穩(wěn)定的城市生態(tài)系統(tǒng),有利于整體生態(tài)體系彈性服務(wù)功能的綜合發(fā)揮,能較適應(yīng)未來變化的動態(tài)氣候情景。未來的上海園林植物選擇與生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建,應(yīng)以當(dāng)?shù)貎?yōu)勢植物群落為主體,加大對地域性植物的引種馴化力度,調(diào)整和控制外來植物所占數(shù)量和比例,充分發(fā)揮綠地、林地、濕地以穩(wěn)定的植物群落為主體的各項服務(wù)功能,以保障綠地系統(tǒng)的健康可持續(xù)發(fā)展,維系整體生態(tài)系統(tǒng)的安全。