在过去的15 a间, 我国城市数目增加1.5倍, 城市化水平几乎提高1倍, 今天大约43 %的人口居住在城市, 城市化进程高速发展。城市环境面临巨大压力, 大气污染、水资源匮乏、城市气候变化等成为人们最为关注的问题。改善城市环境最有效的措施之一就是城市绿化, 我国在城市绿地建设方面已取得世人瞩目的成效。但从建设现代化城市的角度看, 我国城市环境建设的总体水平仍与发达国家有明显差距, 城市树木的覆盖率、人均拥有绿地面积、城市(尤其是大城市)中大面积连片的绿地量、城市生物多样性等水平都比较低。更值得指出的是, 在建设城市绿地时忽略了木本植物无可替代的功效。20世纪60年代中叶, 北美发达国家出现了城市森林(urban forest)的概念。现在, 常常以木本植物、草坪、建筑覆盖各占1/3来描述北美的城市环境, 体现了城市森林的格局。城市森林包括行道树、公园、街区游园、住宅区的所有树木, 它是城市环境的重要组成部分(Miller, 1988)。我国对于城市森林的概念接受较晚, 城市建设习惯沿用城市园林的概念, 因此对城市森林的研究也只停留在理论水平上, 对具体城市的城市森林组成与结构特点的研究更少。国际上最为系统地开展城市森林与功能研究的是美国的芝加哥和加州首府萨克拉曼多市(Nowak, 1994; McPherson, 1998)。作者借鉴这2个城市的基本研究方法, 就合肥城市森林结构、功能来说明城市森林在城市环境建设中的重要作用, 并讨论发展城市林业的意义。

1 合肥概况

合肥市位于江淮丘陵, 东经117°11′~117°22′, 北纬31°48′~31°58′; 现有人口102万, 规划面积100 km²。合肥始建于公元前200年, 公元1169年建城墙并开挖环城河围绕城区, 即为现在的城市中心区, 面积约5 km²; 1949年设市建制, 1953年成为省会, 1992年被国家城建部命名为园林城市, 目前人均拥有绿地面积7.3m²。今天合肥已经形成风扇状的功能区布局, 6条主干道通向郊外并与国家高速公路网相接, 道路总长达333 km, 构成环状体系; 内城在环城绿带的基础上建成环城公园, 长约8.6 km, 向外依次为一、二环路(包围城区面积分别约20、100 km²); 城市的东北部为工业区, 中心为商业区, 西部为科教文化区。合肥已进入特大城市的行列。合肥属北亚热带气候, 地带性植被为落叶与常绿阔叶混交林, 计有450余种木本植物, 分属于73科170属, 其中裸子植物22属、被子植物148属。

2 研究方法

研究范围23 km², 主要为市区一环路以内及一环路附近的高等学校。根据合肥城市树木分布现状, 将研究区范围的土地利用类型划分为:机关学校(主要是高等学校与省、市机关单位)、公园、环城公园、道路、住宅、农业用地及水面。环城公园是开放性的地域、不同与一般公园, 故单独作为一种地类, 同时对规划区内的城市森林分布现状作调查。

2.1 调查方法

上述各地类的树木采用样方、样线等方法, 进行每木调查(McBride, 1986)。

行道树:抽样调查街道总长度的10 %。公园树木:一般的城市公园采用样带调查, 总样地面积约占公园面积的13 %。环城公园:环城公园采用样方法调查, 调查面积占环城公园面积的18 %。住宅区:按住宅区建设的年代分别调查, 采用美国常用的方法, 每个样方包括一栋住宅以及外围的绿化地带与行道树。校园及政府机关:根据各单位已有的调查记录, 按树种分别随机抽取10 %的个体作调查。

2.2 调查内容

包括树种、胸高直径、树高、冠幅、枝下高、树木的生长状况, 同时对主要的树种进行叶面积调查。

树高:划分为4个等级, ＜5m;5~10m;10~20 m; ＞20m。胸高直径:划分为5个等级, ＜10 cm; 11~20 cm; 21~30 cm; 31~40 cm; ＞41 cm。树冠冠幅:划分为5个等级, ＜2m;2~4m;4~6 m; 6~8 m; ＞8m。树木健康状况:将树木的健康状况划分为6个等级, 1级:健康, 表现为树冠饱满, 叶色正常, 无病虫害危害, 无死枝, 树冠如有缺损不多于5 %; 2级:较健康, 表现为树冠缺损5 %~25 %, 叶色正常; 3级:一般, 表现为树冠缺损26 %~50 %, 叶色基本正常; 4级:生长差, 树冠缺损比例高达到51 %~75 %, 树势衰退严重, 叶色不正常; 5级:树冠缺损达79 %以上, 濒于死亡; 6级:死亡树木但未被移去。叶面积估计:由于合肥城市树木结构复杂, 本次研究仅采用经典的数学模型计算(Nowak, 1994a)。

式中, Y为总的叶面积; H为树冠高度; D为树冠直径; Sh为树冠投影系数; S=лD(H+D)/2。在树冠投影系数不确定情况下采用公式2。

树木的生物量确定:采用公式方法计算各树种的生物量, 对于无相关公式可引用的树种则采用相同属的其它树种的生物量模型, 或采用同一科、系统位置相近的科, 或采用被子植物或裸子植物的统一公式加以计算推测(Nowak, 1994b)。

2.3 土地利用格局及不同类型的城市森林分析

对市内各类绿地及土地类型采用了航片图面资料分析、地图勾绘与实地调查相结合的方法, 最后应用GIS软件进行编辑、分析、成图, 得到所需结果和各类专题图件。

3 研究结果

在23 km²的主要研究范围内, 总计约有35.15万株树木, 其中阔叶树约21.85万株、针叶树13.3万株; 经鉴定主要树种85种。按树木株数统计, 各类住宅区(包括商业、中小学校、小单位)拥有61.5 %的树木, 高校校园以及政府机关约有树木的16 %, 公园与环城公园占到16.7 %, 行道树只占5.8 %。

3.1 合肥城市土地利用及城市森林总体分布状况

土地利用格局分析表明, 在调查区内高等学校及省市机关占用地的19 %, 农业用地、公园与道路各占5 %, 其它各类住宅占地62 %, 另外的4 %为水面(图 1)。调查区内城市森林覆盖率低于30 %的地块高达61 %, 而其中低于5 %的土地约1/3, 集中在商业中心、住宅区; 另外39 %的土地城市森林覆盖高于35 %。高于50 %覆盖率的占20 %, 主要在环城公园。合肥城市规划区范围(二环路以内100 km²), 城市森林面积为872.35 hm²; 各类公园245 hm²、占28 %, 集中在中心地带; 城市森林主要分布在西区, 而从土地利用的情况分析则整个西区发展潜力大, 今后也是城市森林的主要建设区。

3.2 不同类型的城市森林林分结构

Rowantree(1984a;1984b)的研究指出, 当一个群落的树干基部断面积之和达到5.5~25 m²·hm^-2时能发挥类似森林的功能, 合肥城市森林的平均密度为170株·hm^-2, 平均树干断面积2.8m²·hm^-2, 因此现有的树木分布在总体上达不到城市森林的水平。然而分析这2个林分特征发现, 在不同土地利用类型中有明显的差异, 例如环城公园分别为651株·hm^-2和20.8m²·hm^-2, 一般公园分别为459株·hm²和12.3m²·hm^-2, 显然这2类地域已具有发挥森林功能的基础(表 1)。行道树应该是城市森林的主要组成部分, 国外城市中行道树一般占树木总数的10 %~15 %(Kielbaso, 1988), 合肥低于这一水平, 只占城市树木的5.8%, 行道树密度及单位面积拥有树干断面积的和也较低。住宅区虽然有最多的树木株数但密度很低, 只有153株·hm^-2, 单位面积的树干断面积和仅为1.59m²·hm^-2, 因此远不够城市森林的标准。

3.3 合肥城市森林的树种结构及种群

组成城市森林的主要树种有85种, 其中裸子植物24种、被子植物61种, 这些种类中个体数目最多而占显著地位的只是少数几个种。例如水杉、雪松、龙柏、刺柏、圆柏5个针叶树木占全部针叶树的77.1 %; 而女贞、香樟、红叶李、广玉兰、刺槐、泡桐、二球悬铃木、乌桕、国槐、香椿10种阔叶树则占了整个阔叶树木的81.9 %。按种群大小排在前10位的树种是女贞、水杉、雪松、香樟、龙柏、红叶李、广玉兰、刺槐、泡桐、国槐, 几乎占全部树木数的80 %, 而其它的70余种树木只占10 %(图 2)。另外种类组成中常绿乔木的比例相对较高, 占总数的63 %, 针叶树种占37 %, 常绿阔叶树种占26 %。

由于种类组成的这一特点, 植物景观的丰富性仍显不足, 而且容易引发一些种类的病虫害发生。构成合肥树种丰富性较低的原因主要有:一些种类容易获得种苗因此集中栽植, 例如水杉、红叶李; 常绿树种的可选范围小, 只集中在香樟、女贞、柏类等; 城市居民偏爱某些树种, 如广玉兰、香椿等; 历史的原因, 如早期大量栽植刺槐; 再有, 经营者受传统理念的影响等。另外注意到行道树的种类组成变化较大, 具有时代的特色。20世纪50~60年代的道路以二球悬铃木、加杨(Populus canadaensis)、侧柏等为主; 70~80年代以国槐、女贞、广玉兰、桂花、乌桕、香樟、银杏(Ginkgo biloba)为主; 90年代种类增加较多, 如白玉兰、龙爪槐(Sophora japonica var. pendula)、石榴、木槿(Hibiscus syriacus)等。

3.4 合肥城市森林的径阶结构

合肥城市森林树木平均胸径14 cm, 几乎有一半树木的胸径小于10 cm。44.7 %的针叶树以及49.9 %的阔叶树属于小径木, 只有1.6 %的针叶树以及3.9 %的阔叶树其胸径大于30 cm。而在这少数的大树中, 刺槐、枫杨、二球悬铃木、雪松、水杉5个树种就占了78.2 %, 在数量最多的25个树种中拥有大径阶树木最多的是枫杨, 其63.8%的个体直径>30 cm; 其次是二球悬铃木, 其大径木占40.6 %。在研究区不同土地类型中树木径阶的分布显示, 大径阶树木主要集中在政府机关、高校校园、环城公园和行道树群体中, 他们拥有大径阶树木总量的85.8 %。例如, 环城公园中大径阔叶树占全部阔叶大径木的30.9 %, 其次是高校和政府机关, 各为29.4 %, 行道树为25.5 %, 公园只有14.2 %。高校和政府机关拥有最高比例的针叶树大径木, 占全部大径针叶树的58.2 %, 环城公园列其后占17.2%, 其它依次为公园(14.2 %)、行道树(10.4%)。住宅区中＜10 cm的小径阶树木占了48 %, 而胸径大于30 cm的大树只有3 % (图 3)。

3.5 城市森林树木的健康状况

树木的健康状况是城市森林的重要指示, 它反映了对现有树木的养护水平, 指示了树木是否适合现有的立地环境, 在经营管理上是否需要加强。合肥城市森林可评为健康的树木占53.4 %, 针叶树的40 %、阔叶树的62 %属于健康水平; 另外31.1 %的树木健康状况处于中等水平, 生长差的树木占12 %, 3.5 %的树木濒于死亡。据此分析合肥市区树木的总体健康状况良好。不同土地利用类型中的城市森林健康水平不等, 濒于死亡树木比例最高的是公园达6.9 %, 其次为环城公园4.4 %, 行道树及住宅区濒死树木各占2.9 %, 濒死树木比例最低的是高校及政府机关只有2.4 %。按健康树木的比例来排序, 66.9 %的行道树属于健康水平、排在首位, 以后依次为高校及政府机关占56.7 %, 住宅区55.1 %, 环城公园54.5 %, 公园只有30 %的树木可以列为健康水平。由此, 公园树木的健康状况相对较差(表 2)。

影响合肥城市森林树木健康状况的主要原因:首先是树种结构, 如行道树树种大多为抗污染、生态适应性强的树种二球悬铃木、广玉兰、红叶李等, 因此行道树健康状况较好。公园和环城公园中主要的树种是刺槐、女贞、水杉, 这些树种中女贞频繁发生病虫害, 刺槐则由于树龄较高有相当一部分树木显得衰弱。调查表明6 %的水杉濒于死亡, 在合肥一般栽植10~15 a后生长逐渐衰退。今后在合肥市区选用水杉时应慎重。其次是种植配置不当, 一般在初植时为了体现效果尽量密植而没有充分考虑以后的空间, 几年后树木长大又不及时加以调整, 树木间竞争加剧而影响树木的生长, 相当一些树木处于受压的状态, 比较典型的如三角枫、刺槐、柏类, 树冠出现自然稀疏、缺损严重。另外一个重要原因是缺乏管理与养护, 目前合肥市的树木养护缺乏系统性, 一般不施肥、很少修剪、没有系统的病虫防治计划, 一些受损严重的树木仍然没有及时的处理, 使树木总体的健康水平下降。

3.6 城市森林的生物量结构

生物量一方面反映林分的生物生产水平, 另一方面则指示对环境所起的作用。研究区内主要树木生物量约为31741 t, 其中针叶树为9751 t、阔叶树21996 t, 平均生物量为15.33 t·hm^-2。拥有树木总量63 %的阔叶树其生物量占全部树木生物量的69 %。不同土地类型上树木生物量的总量分布有较大的差异, 因此对环境的贡献也不相同。例如环城公园, 虽然只占研究区土地面积的1.8 %、树木数量的7.9 %, 但生物量却拥有全部生物量的16.9 %, 每hm²生物量可以达到126.94 t, 接近天然森林的水平; 其次为公园, 以3 %的土地面积提供了15.4 %的生物量积累, 而居住区虽拥有62 %的土地面积、以及61.5 %的树木数量但仅提供了32.7 %的生物量, 同时每hm²只有7.56 t生物量(表 3)。行道树同样具有较高的生物量, 按道路面积计算每hm²行道树生物量达到30.36 t, 以5 %的土地贡献了生物量的11.6 %。

研究区内树木的平均单株生物量为90.13 kg, 按树种比较, 平均单株生物量最高的是榉树(Zelkova schneideriana), 达到653 kg, 其次是泡桐527 kg, 枫杨511 kg列为第三; 另外平均单株生物量达到300~500 kg的树种计有白榆(Ulmus pumila)、刺槐、朴树(Celtis tetrandra subsp. sinensis)。在20个数量最多的树种中, 单株平均生物量大于300 kg的有5个树种:悬铃木、刺槐、枫杨、重阳木、圆柏。

不同胸径等级的树木对生物量积累的贡献率显然不同, 在研究区范围内树木生物量的63.7 %集中在10~30 cm胸径等级中。但值得注意的是, 胸径大于40 cm的树木虽然只占总数的1 %, 其生物量总量却占了全部生物量的15.5 %, 可见城市环境中具有大径阶树木的意义。

3.7 合肥城市森林的叶面积及叶面积指数

据估算, 研究区内阔叶树的叶面积总量为1345×10⁴ m², 平均叶面积指数为0.65, 平均单株树木的叶面积为61.5 m²。平均单株拥有的叶面积在不同树种间有明显的差异, 单株叶面积最大的是泡桐、平均达到390 m², 单株叶面积＞200 m²的计有重阳木、枫香(Liquidamber formosana)、青桐(Firmiana simplex)、麻栎(Quercus acutissima)。生物量排序在前15位的主要树种其叶面积总量为全部的90 %, 按树种叶面积总量最大的是女贞, 以后依次为广玉兰、泡桐、二球悬铃木。

不同土地利用类型就叶面积指数的比较, 住宅区树木的叶面积指数最低, 只有0.268;环城公园最高, 达到了6.8(图 5)。叶面积指数决定了生物生产, 因此环城公园具有最高的初级生产。

3.8 合肥城市森林的生态功能估算 3.8.1 合肥城市森林面积折算

采用2种办法将合肥研究区范围内的树木折算成森林面积, 再按一般生态学的方法估算功能。第1种方法, 按树木断面积估算:据Rowantree研究的指标, 在合肥只有环城公园及公园达到森林的指标范围。因此取一般公园指标计算, 相当于每hm²有345株胸径达20 cm的树木。合肥研究区域内树木的总断面积为5812m², 相当于有目前合肥公园这样的城市森林面积484 hm²。第2种方法, 按生物量估算, 据方精云等研究(1996)安徽森林的平均生物量为62.1 t·hm^-2, 合肥研究区的树木总生物量为31741 t, 由此相当于有森林511.1 hm²。按方法1计算, 城市森林面积占整个研究区域的21.0 %。按方法2计算, 城市森林面积占整个研究区域的22.2 %。2种估算的结果比较接近, 由此合肥研究区范围内的森林面积484~511 hm², 达到21 %~22 %, 故取平均值497 hm²作为研究区范围内城市森林面积。

3.8.2 城市森林的C平衡功能

按森林理论年平均气候生产力计算(Barnes, 1998), 合肥地区的森林生产力的理论值可以达到

这里采用15.475 t·hm^-2 a^-1作为研究区森林生产力, 由此每年积累生物量为:15.475 t·hm^-2 a^-1×497 hm²=7691 t·a^-1。据此, 研究区的35万株树木每年可从大气中吸收CO₂的量为:7691 t·a^-1×1.623≈12483 t·a^-1。根据光合作用公式计算每生产1 g干物质吸收1.623 gCO₂。

4 合肥城市森林现状评价

合肥市研究区结果与城市森林的一般特点比较, 具有相当于484~511 hm²的森林面积, 占全部土地的21 %~22 %, 每hm²土地拥有相当于20 cm径阶的树木170株。从城市森林的结构与组成对其作出评价, 主要特点有以下几个方面:(1)城市森林的总体水平不高, 没有达到应有的城市森林环境, 因此现有树木不足以发挥类似森林的功能而充分影响城市的小气候。按30 %的森林面积计算, 中心区应增加16~20 hm²林地。(2)部分地类城市森林的特征显著, 各类公园具良好的城市森林效应; 高校及政府机关单位等总体上已十分接近森林的环境; 其它类型树木数量明显偏低, 基本不具有城市森林的效应。(3)研究区内树木的平均径阶较低, 48 %的树木胸径小于10 cm, 且大多是近年栽植的。城市的大树是十分难得的景观、环境、人文历史资源, 应立法严加保护。(4)主要树木计有85种, 但少数种占了极大份额, 一方面在景观效果上显得单调, 另一方面成为城市森林不稳定的一个主要因素。树种的选择中, 乡土树种的运用不够, 如枫香、栎类、臭椿、榉、朴等。(5)近年来我国城市出现广场热、草坪热, 流行小树冠行道树的时尚也影响合肥的城市森林结构, 一方面在道路绿化树种的选择、种植设计等方面都有很大改进, 向多树种、多色彩方向发展, 运用景观设计手法、采用大苗栽植立体配置, 使道路环境有了较大的变化; 另一方面, 由于树种选择上明显趋向于采用小树冠树种, 行道树在城市森林中的生态贡献率相对降低。(6)目前住宅区树木生态贡献率低, 这一现象会随着树木的生长逐渐改善。这类土地在城市中的份额很高, 增加植树意义更大。(7)成片的林地总量偏低、分布不够均匀, 而这种城市森林类型具有最好的生态效应。合肥的一些新建道路追求大块垫状的色彩效果, 以小灌木为主, 结果使城市乔木比重下降。

合肥已被命名为园林城市, 但近几年市民反映合肥的树木少了, 这是对合肥环境更高要求的表现, 建议在今后城市建设中应把建设城市森林生态体系作为首要目标:(1)合肥的一、二环路之间约80 km², 目前仍有较大面积的非建成区, 应作为城市森林建设的重点, 宜改造现有的绿地, 合理规划建设1~5 hm²面积的开放性公园, 采用自然组团的手法, 选择乔木与小乔木为主, 立体配植构成疏林草地式的游园。(2)合肥城市不大、交通方便, 可在二环路以外结合现有的野生动物园、森林公园、水库等建设大型游乐园, 减少或取消现有市区公园内的游乐设施改为植物造景。另外, 可沿二环路建设第二条环城林带。(3)扩大树种的选择范围, 引进耐荫的地被植物材料以构成立体栽植模式, 增加对地面的覆盖。(4)建立城市林业项目, 进行系统管理, 加强树木的养护; 立法保护现有的树木。