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(fā)展階段。上海城市綠化從“見縫插針”到現(xiàn)在的高質(zhì)量發(fā)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(jīng)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(zhì)，發(fā)揮城市綠化最大的經(jīng)濟效益和生態(tài)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(jù)造林目標，實地調(diào)查結合理論分析，綜合考慮樹種的生物、生態(tài)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(guī)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(diào)查上海多個綠地現(xiàn)存樹種的生長狀況及生態(tài)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(qū)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(tài)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(xù)時間等因素的影響，往往會在幾天之內(nèi)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(tǒng)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(jù)。

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(qū)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(xiāng)土樹種和實踐區(qū)苗圃的18個外來樹種。

1.3 方法

1.3.1 生長調(diào)查

從建園開始，持續(xù)對植物材料的樹高、胸徑、冠幅等生長情況進行調(diào)查統(tǒng)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(diào)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(qū)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(shù)，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(xiāng)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(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對部分樹種的年度生長量數(shù)據(jù)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(tǒng)計分析(表1)。6個極端氣候因子出現(xiàn)在徐匯區(qū)站，2017年的日最高氣溫達到40.9℃，1991年出現(xiàn)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(xù)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(xù)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(xù)天數(shù)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(xù)18d的天氣外，還經(jīng)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(xù)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(xiāng)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(xiāng)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(fā)育過程中，經(jīng)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(xiāng)土樹種，諸如香樟、懸鈴木、水杉等，雖然是外來樹種，但經(jīng)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(qū)，屬新成陸灘涂鹽堿地，陸地自然分布植物種類極度匱乏，鄉(xiāng)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(nèi)。

2.2.1 氣候障礙因子對鄉(xiāng)土樹種生長的影響

通過統(tǒng)計，世博公園全域范圍應用的鄉(xiāng)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(xiāng)土樹種作為公園的基調(diào)樹種，應用數(shù)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(xiāng)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(xiāng)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?shù)氐某Ｒ?guī)氣候條件和不時出現(xiàn)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(xiāng)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(chǎn)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(xù)危害，大部分鄉(xiāng)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(wěn)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(huán)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(nèi)部分樹種受極端氣象因子影響后的年均生長量出現(xiàn)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(shù)也可看出，櫻花生長量與日最大降雨量呈現(xiàn)明顯的負相關，相關系數(shù)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(shù)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(shù)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(qū)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(jù)歷史氣候資料，在20世紀60年代美國農(nóng)業(yè)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(qū)參考。鑒于此，中國從北到南劃分了11個耐寒帶，歐洲引種區(qū)根據(jù)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(qū)域處在同一耐寒帶。另外，如果從低緯度地區(qū)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(shù)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(qū)從國內(nèi)外引進樹種須考慮高緯度地區(qū)的耐寒帶分布和低緯度地區(qū)的耐熱帶分布。另外上海地處我國東部亞熱帶北緣，根據(jù)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(jù)氣候相似植物區(qū)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(qū)系，分別為暖溫帶氣候帶和北亞熱帶氣候帶；3個植物區(qū)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(xiàn)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(xiàn)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(qū)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(qū)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(fā)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(xiāng)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(xiāng)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(jīng)過10年的綠化實踐，上海世博公園采用氣候相似植物區(qū)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(qū)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(qū)系劃分——最北引種界[作者根據(jù)植物耐寒區(qū)系圖(引自The American Horticultural Society. www.ahs.org)繪制]

圖2 上海引種外來樹種區(qū)系劃分——最南引種界[作者根據(jù)植物耐熱區(qū)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(shù)

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(huán)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(huán)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(qū)調(diào)查的基礎上對現(xiàn)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?shù)氐木G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(tǒng)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(fā)，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(qū)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。