文章信息
- 马杰, 贾宝全.
- Ma jie, Jia Baoquan.
- 北京市六环内城市道路附属绿地木本植物多样性及结构特征
- Diversity and Structural Characteristics of Woody Plants in the Greenbelt Attached to Urban Roads in the Sixth Ring Road of Beijing
- 林业科学, 2019, 55(4): 13-21.
- Scientia Silvae Sinicae, 2019, 55(4): 13-21.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20190402
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文章历史
- 收稿日期:2018-08-04
- 修回日期:2019-03-02
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2. 河南科技学院 新乡 453000
2. Henan Institute of Science and Technology Xinxiang 453000
道路是城市的骨架,是城市中分布最广、发展速度最快的市政基础设施(Forman,1998),其附属绿地是城市森林的重要组成部分。作为城市的绿色基础设施,道路附属绿地不仅能够美化环境、划分空间,还在降低城市“热岛效应”、减少噪音、改善空气质量等方面发挥着重要作用(Beckett et al., 2000)。目前,对道路附属绿地量化研究主要集中在树种选择、空间结构、生态效益及价值(李海梅等,2003;金莹杉等,2002;张玉阳等,2013;窦逗等,2007;陶晓等,2009;Richards,1983;Lovasi et al.,2008;Mcpherson et al.,2016;Thomsen et al., 2016)等方面。
北京市具有我国最大城市建成区和最庞大道路交通系统。近年来,北京市城市化进程加快,市域面积增加,对道路空间规划及道路附属绿地建设都提出了新要求。不少学者对北京市道路绿地的生态功能(郭倩,2009;陈龙等,2011;李新宇等,2014;童明坤等,2015;张骁博等,2017)、生物多样性和森林结构(孟雪松等,2004)进行了研究,但城区范围内大数据量的研究较为少见,调查量不足以囊括所有道路类型,无法进行城市内不同区域或不同道路类型间的横向比较。为了从总体上梳理北京市城区道路绿化现状,本研究结合北京城市特点,从空间分布、道路类型两方面讨论北京市六环内城市道路附属绿地木本植物多样性及结构特征,以期探索北京市城市道路附属绿地存在的问题及梯度变化规律。
1 研究区概况北京市地处中纬地带(115.7°—117.4°E,39.4°—41.6°N)。全市的土地总面积为16 411 km2,气候类型属于暖温带半湿润大陆性季风气候,年均气温12.3 ℃,年降水量400~600 mm,四季分明,夏季高温多雨,冬季寒冷干燥。主要土壤类型有山地草甸土、山地棕壤、褐土、潮土、沼泽土、水稻土和风砂土。北京市城区道路系统采用放射路和环路由城市中心向城外发展(于伟等,2016),其他道路多以此为依托,形成与经纬线平行的网状结构(郭振等,2014)。本研究以北京六环外1 km范围内区域为研究区(图 1),该区域占北京市总面积的14%,包括了城六区(东城区、西城区、朝阳区、海淀区、丰台区和石景山区)的大部分区域及昌平区、顺义区、房山区、大兴区和通州区的少部分区域,为同心圆式圈层结构,人工建设密度高(肖荣波等,2007),是受城市化影响最为显著的区域(葛荣凤等,2016)。根据前期目视解译2013年北京市城区遥感影像形成的道路矢量图,北京市六环内现有已命名道路共计6 206.01 km,其附属绿地与其他绿地类型共同形成了点、线、面、带、环相结合的北京城市森林系统。
根据北京城区城市规划现状,利用北京市城区2013年7—9月份经过几何精校正和正射校正的分辨率为0.5 m的World View 2遥感影像,目视解译北京六环外1 km范围内道路矢量图。按照I-Tree Streets要求,以每种类型道路(公路:高速公路、国道、省道;城市道路:环路、主干道、次干道、支路、胡同)总长度的10%作为调查长度,利用Arcgis对北京市六环外1 km范围内已命名道路随机选取实地勘测路段(图 1)。
2017年8—9月对选取道路进行了实地勘测调查,共计测量道路382段,涉及道路312条,总长度638 168.09 m(表 1)。在测量道路中,19条道路无植被覆盖,包括支路1条,胡同18条。
对选取的路段采用两种调查方式,即全面调查和抽样调查。全面调查:对分车绿带、行道树、路侧带状绿地所有植物进行普查,即对选取路段进行每木检尺,若选取路段过长,则在全面调查该路段乔、灌木种类组成并清点不同树种总株数的基础上,对总株数超过50的树种(主要指乔木及大灌木)抽取总株数的20%进行调查(刘德良,2009);抽样调查:路侧较宽绿地面积较大,种植方式并非列植,无法按道路的线型进行全面调查,因此根据实际情况,采用典型取样法,即在整体踏勘的基础上,将绿地划分为不同的群落类型,确定典型群落类型,并对典型群落按其群落大小设置1~3块样地,样地面积为10 m×10 m,20 m×20 m或20 m×30 m,对样地内植物每木检尺。两种调查方法均乔木、灌木、藤本同时取样,调查乔木层树种的名称、数量、胸径、树高、冠幅(分东西和南北2个方向)和枝下高等;调查灌木层物种的名称、数量(株数/面积)、地径、树高(修剪后高度)和冠幅等;调查藤本物种的名称、种植面积和地径等。
2.2 数据处理物种多样性指标包括物种丰富度(R)、Shannon-Wiener指数(H′)和Pielou均匀度指数(J),计算公式如下:
$ \begin{array}{c}{R=S}; \\ {H^{\prime}=-\sum\limits_{i=1}^{s} P_{i} \ln P_{i}}; \\ J=H^{\prime} / \ln S。\end{array} $ |
式中:S为群落中的总物种数; Pi为样地中i种所占的数量比例。
将胸径及冠幅划分为5级(吴泽民等,2002;赵娟娟等,2009),结合北京市道路树种具体情况,将胸径与冠幅最高等级分别设置为大于40 cm和大于8 m(表 2)。
本研究对北京市六环内各类型道路绿地采用了卫片资料分析、地图勾绘与实地抽样调查相结合的方法,应用GIS软件对图件进行编辑、分析、成图,基于Excel软件对实地调查数据进行定量计算及统计分析(对调查数据求和或平均值,并进行标准差校验),得到所需结果及图件。
3 研究结果 3.1 科、属、种组成特征调查中共记录到木本植物33科、61属、77种,其中乔木59种,包括落叶植物49种,常绿植物10种;灌木15种,包括落叶11种,常绿4种;藤本3种,全部为落叶类。乔木使用数量最多的科、属、种分别为豆科(Leguminosae)(占总数41.37%)、槐属(Sophora)(占总数38.46%)、国槐(Sophora japonica)(占总数37.97%),排名前10位的数量优势树种自国槐后依次为毛白杨(Populus tomentosa)(14.09%)、白蜡(Fraxinus chinensis)(11.19%)、悬铃木(Platanus orientalis)(8.12%)、银杏(Ginkgo biloba)(7.77%)、臭椿(Ailanthus altissima)(3.92%)、垂柳(Salix babylonica)(3.82%)、栾树(Koelreuteria paniculata)(2.99%)、刺槐(Robinia pseudoacacia)(2.41%)和加杨(Populus ×canadensis)(1.71%),其中排前5位的乔木数量占到总数的79.14%。
五环至六环外1 km植物种数最多(58种),二环内科、属最多(31科、47属),二环至三环科、属、种均最少(表 3)。各环路区间应用最多的树种是国槐,二环至五环国槐数量比例相差不大,五环至六环外1 km由于增加了刺槐的应用,国槐的比例有所下降。各类型道路间,5种城市道路种数总体高于3种公路(表 3),其中支路最多,国道最少。各类型道路应用最多的树种在省道为银杏,国道为毛白杨,其他类型道路均为国槐,尤其是在高速公路和胡同中,国槐数量占比高达70%以上。
根据《北京植物志》(贺士元,1993)和《北京乡土植物》(熊佑清等,2015),本研究共记录道路附属绿地本地种62种,占总种数的80.52%。其中乔木49种,占乔木总种数的83.05%,灌木10种,占灌木总种数的66.67%。乔木类引进种主要有鹅掌楸(Liriodendron chinense)、红槭(Acer palmatum)、火炬(Rhus typhina)、加杨、悬铃木、雪松(Cedrus deodara)、云杉(Picea asperata)和紫叶李(Prunus cerasifera),灌木类引进种主要有平枝栒子(Cotoneaster horizontalis)、铺地柏(Sabina procumbens)、桃叶珊瑚(Aucuba chinensis)和小叶女贞(Ligustrum quihoui)等。
各环路乔木本地种种数应用比例由内向外依次为85%,80.95%,83.33%,80.77%和86.36%,呈现出高-低-高-低-高的折线形变化;株数应用比例由二环内的98.45%到五环、六环外1 km的87.35%呈现逐级降低的变化。不同类型道路间的本地种的应用没有明显的规律。本地种种数在高速公路占比最低(71.43%),国道与胡同最高(90%),其余道路类型均在80%~90%;本地种株数占比最高的是胡同(98.65%),最低的是国道(65.83%)。种数与株数的占比并非呈正相关,例如高速公路的引进种(加杨、悬铃木、雪松、紫叶李)占总种数的28.57%,在株数上仅占5.6%,而国道的引进种(加杨)占总种数10%,在株数上却占到34.17%。
3.3 树种应用频度北京市道路附属绿地应用频度排名前10位的乔木依次为国槐(62.3%)、毛白杨(28.27%)、白蜡(21.2%)、银杏(17.54%)、臭椿(16.75%)、悬铃木(15.71%)、圆柏(Sabina chinensis)(14.66%)、紫叶李(14.4%)、垂柳(11.52%)和油松(Pinus tabulaeformis)(9.42%)。排名前10位灌木的频度值则明显低于乔木,依次为大叶黄杨(Buxus megistophylla)(6.02%)、小叶女贞(3.66%)、铺地柏(2.86%)、金银木(Lonicera maackii)(2.08%)、小叶黄杨(Buxus sinica(2.07%)、紫薇(Lagerstroemia indica)(2.07%)、锦带花(Weigela florida)(1.55%)、棣棠花(Kerria japonica)(1.29%)、连翘(Forsythia suspensa)(1.28%)和紫叶小檗(Berberis thunbergii var. atropurpureat)(1.28%)。
国槐应用频度在各环路间及城市道路5种类型全部排首位,公路3种类型中高速公路排首位,省道排第三,国道未见使用。高频度树种除国槐外,还有毛白杨,该树种在各环路、各类型道路均排名前5位。此外,白蜡、银杏、紫叶李、圆柏的应用频度也在部分环路区域和部分类型道路排名前5位。
3.4 物种多样性北京市道路附属绿地物种丰富度平均值3.87,标准差系数0.85。丰富度最高的道路为翠湖北路,共有20种,最少的是18条胡同和1条支路的无植被道路,71条道路仅有1种植物,应用1~4种植物的道路最为常见,占63.61%。Shannon-wiener指数平均值0.74,Pielou指数平均值0.67(表 4)。物种丰富度指数与Shannon-wiener指数平均值呈现沿环路梯度从内向外逐步增大的变化,说明越向城外多样性水平越高。各类型道路相比较,环路物种多样性最高,胡同最低。5种城市道路附属绿地的多样性随道路级别的降低而降低;3种公路物种多样性在省道最高,高速公路丰富度最低,国道多样性指数最低。
Pielou指数平均值及各指数的标准差系数相差不大,说明随城市建设的推进,各环路虽然从城内向外多样性增加了,但在配置方式上并未形成明显的均匀度的差异;各类型中国道物种丰富度低且分布均匀。
3.5 乔木径级结构北京市道路附属绿地乔木平均胸径24.07 cm,沿环路由内向外总体呈下降趋势,二环至三环最大(29 cm),五环至六环外1 km最小(22.84 cm)。不同类型道路间国道平均胸径最大(29.82 cm),主干道最小(22.69 cm),公路的3个类型未见规律性变化,城市道路的5个类型表现为主干道<次干道<支路<胡同<环路。
对乔木胸径分级后,胸径在Ⅲ级即20~30 cm数量最多,占到总乔木数量的43.97%。由Ⅲ级向两侧递减,Ⅰ级数量最少,仅占2.95%,Ⅴ级次之,占3.82%。大径级(Ⅴ级)的树种主要为泡桐(Paulowinia fortunei)、榆(Ulmus pumila)、毛白杨、国槐、臭椿和加杨。
五环内各环路间均为Ⅲ级数量最多,由内向外Ⅲ级占比依次为60.9%, 60.22%, 64.39%和48.28%。数量仅次于Ⅲ级的是Ⅳ级(三环内)或Ⅱ级(三环至五环)。五环至六环外1 kmⅡ级占比最多,占该区域的40.69%,其次为Ⅲ级,占该区域的35.27%。各类型道路间,国道Ⅳ级数量最多,占该类型道路乔木总数的57.53%,其余各类型均是Ⅲ级数量占比最高,其中环路Ⅲ级乔木占到75.4%。在城市道路5个类型中,胡同Ⅴ级占比最高(17.58%),在公路的3个类型未见分布。此外,Ⅱ级胸径的数量也很可观,在多个道路类型数量排第2位,包括高速公路、省道、主干道、次干道和支路。
3.6 冠幅结构北京市道路附属绿地乔木平均冠幅6.33 m,二环内平均冠幅最大,达7.71 m,后海北沿的榆树冠幅达17.35 m。沿环路由内向外,平均冠幅值依次为7.71,6.10,5.90,6.50和5.68 m,虽然在四环—五环有所升高,但总体还是呈减小的变化趋势。公路3个类型平均冠幅均高于总体平均值,分别为高速公路7.34 m、省道6.38 m、国道6.88 m。城市道路5种类型中仅胡同(9.02 m)高出平均值,其余4种道路类型均低于平均值,主干道最小(5.33 m)。
冠幅在各级的分配除Ⅰ级较少(6.5%)外,其余级别分配较为均衡,处于Ⅳ级的冠幅占比最高,占29.14%,其次是Ⅱ级,占25.26%。各环路间由城内向外依次为Ⅴ、Ⅳ、Ⅳ、Ⅳ和Ⅱ级冠幅数量最多,较大冠幅乔木随环路由城内向城外逐渐减少。各类型道路间,Ⅴ级冠幅在国道和胡同占明显优势,分别为59.45%和81.58%,主干道、次干道和支路的Ⅱ~Ⅳ级具有较高比例,环路的Ⅱ和Ⅳ级占比较高,省道的Ⅲ~Ⅴ级占76.75%,而高速公路中的Ⅳ级占比最高,达58.33%。
4 讨论 4.1 生物多样性对比孟雪松等(2004)对北京市五环内道路绿地的调查结果可以发现,在过去14年中,北京市五环内道路的乔木种类变化不大,但灌木与藤本种数有所减少。从乔木优势树种来看,2004年结果显示,乔木层主要有国槐、毛白杨、白蜡、银杏、圆柏、油松、栾树、臭椿、绦柳(Salix matsudana var. matsudana)和元宝枫(Acer truncatum),而本次调查增加了五环至六环外1 km区域,因此优势树种增加了加杨和刺槐等树种。此外,2次调查结果的变化也与城市发展过程中对道路绿地的改造有关。北京市道路绿地表现出多样性低、单种优势强的特点。道路绿地相对于其他类型的城市森林来说多样性较差的情况不仅在本次调查中表现明显,在欧美的相关调查中也有类似情况,如:在丹麦、芬兰、瑞典和挪威4个冰岛国家的调查显示,有3~5个属的数量占总数的50%;在丹麦城市的调查中发现,有12个种的数量占了总数的73%,6个常见种占了总数的50%(Thomsen et al., 2016);英国梧桐(London planetree)在美国加州是数量最多的树种,占全部道路树木的10.5%(Mcpherson,2016)。然而与国外研究结果相比,北京市道路绿地的国槐优势度显然更高,该树种不仅在六环内总体数量最多,在各环路间的不同区域同样数量最多、出现频率最高。国槐的大量使用除了因其有更强的适应性外,也与北京的文化、历史以及对该物种的偏好等多种原因有关(Thomsen et al., 2016)。北京市对国槐的喜爱自古有之,古人因槐有君子之风,正直、坚硬,荫盖广阔,获得了人们的喜爱,因而在老城区广为栽种。北京对国槐的应用从元代以来便有记载,而1986年国槐更是被评为北京市“市树”。但当一个物种产生过强的优势,该物种的衰退、疾病或衰老势必会引发巨大的维护成本(Mcpherson et al., 2013),而多个树种的稳定性将胜于单个强势树种,这种多物种的模式也更接近于自然森林生态系统的状况(Mcpherson et al., 2013)。为保证城市森林树种的多样性,Thomsen等(2016)曾总结多位学者的研究并建议任何种的数量不能超过总数的5%~10%,任何属的数据不能超过总数的10%~20%。因此,可以在规划初期,对树种应用进行限制,例如美国密歇根州在2007年就限制单个属的数量不能超过总数量的15%(Mcpherson,2016),或者对现有树种进行调整。当然,不能简单地靠增加树种的数量来提高多样性,树种对城市道路环境的适应性也是必须考虑的因素,否则增加多样性并不能提高群落稳定性。鉴于关于能适应道路恶劣生长环境的树种的研究不多(Sjöman,2010),可以参考利用的树种有限,可以考虑把有限的种类均衡应用(Thomsen et al., 2016)。
4.2 乔木规格McPherson等(1989)根据多种乔木的综合胸径,将乔木胸径划分出4个级别,即幼年期(DBH<15 cm)、青年期(DBH为15~30 cm)、半成熟期(DBH为30~61 cm)和成熟期(DBH>61 cm),同时,还确定了一个良好的乔木年龄结构,即40%幼年期,青年、半成熟期之和高于幼年期。Richards (1983)提出乔木年龄结构为40%幼年期、30%青年期、20%半成熟期和10%成熟期。北京市道路附属绿地胸径等级分布在Ⅲ级即20~30 cm数量最多,占到总数的43.97%,即大部分树种仍属于青年期,半成熟期并没有明显优势,而三环外的半成熟期树种比例更是明显低于三环内。三环至六环是近20年逐步完成的城市化,较大规格乔木的缺乏与城市发展速度过快有关,道路绿地栽植的乔木还未来得及长到半成熟状态。
幼年期与成熟期乔木占比低是北京市道路乔木的另一个问题,成熟的大树在二环内最多,是老城区特有的文化特征,在增强城市森林景观效果、彰显城市文化底蕴及改善生态环境等方面功不可没,应重点保护;幼龄树承担着城市森林的持续性发展的重任,由于年幼的树木最容易因压力和破坏行为造成树木损失,因此理想的城市森林中应有大量的幼树,以便有足够的资源不断地取代老化的树木(Mcpherson et al., 2013)。
4.3 城市梯度变化规律各环路间的物种多样性呈现了从二环向外逐渐增加的趋势,该区域是北京市近20年来快速发展的区域(葛荣凤等,2016),物种数量的逐渐增多与多样化的选择树种有关(Ye et al., 2012)。二环至三环物种数最少,主要是由于该区域20年前就已完成了城市化(葛荣凤等,2016),建设时间较早,绿色空间面积相对于其他环路最小(张彪等,2015),绿地的规划较为粗放,加之管理不到位,道路绿化形式及植物选择都较为单一。二环内属于老城区,大部分道路是生活型道路,紧邻居民区,道路景观较主干道更为复杂细腻,因此树种选择更加富有生活气息,更加多样。
但同样是二环内的生活型道路,支路与胡同却有较大差异。胡同属于北京市特殊的支路,但其建筑布局却使绿地的用地受到极大限制,物种数明显少于一般支路。通过调查发现,胡同居民大多盆栽蔬菜、瓜果,生态效益更为突出的乔灌木树种在数量上没有明显优势。在其他类型道路中,公路与城市道路植物多样性相差较大。公路包括高速公路、省道、国道,是典型的交通型街道,这3种道路多为“一板二带”式,道路横断面以车行道为主,绿地管理粗放,结构较为简单,绿地内植物种类相对于城市道路较少;城市内部道路包括主干道、次干道、支路和胡同,其附属绿地以提高城市生态效益、改善道路环境为主,植被生长条件及管理优于公路3个类型,因此植物种类更多。
乔木规格沿环路由内向外逐渐变小的的梯度变化充分反映了北京城市的发展对道路乔木规格的影响;不同类型道路间规格的对比则反映出了不同经营措施对冠型及冠幅也会产生影响(朱春全等,2000),较大乔木在少人工干预的公路类道路的分布普遍多于人工干预较多的城市道路类型。
5 结论1) 本研究对北京市六环外1 km范围内道路绿地按每种类型道路长度10%抽样调查,共记录木本植物33科、61属、77种,其中乔木59种、灌木15种、藤本3种。使用数量最多、频度最高的树种为国槐。北京本地种共62种,占总种数的80.52%,其中乔木49种,占乔木总种数的83.05%。本地种不仅在种数上占有较高的比例,在数量上优势更为明显。植物丰富度、多样性指数沿环路均呈现了由城内向城外逐步增加的变化趋势;在各类型道路间,城市道路5种类型的物种丰富度、多样性高于公路3种类型。
2) 北京市道路附属绿地乔木平均胸径24.07 cm,胸径等级分布在Ⅲ级数量最多,占到总乔木数量的43.97%;平均冠幅6.33 m,Ⅳ级即6~8 m最为常见,占总数的29.14%。乔木整体以青年期植株较多,年龄结构趋于年轻化。径级较大的树木占比由城内向城外逐渐减少,小径级树木的比例逐渐增多。不同类型的道路中,国道与胡同大径级树木比例高于其他类型道路,省道小径级树木高于其他类型。
3) 北京市道路绿地总体存在多样性不高、单种优势过强、年龄偏小、分布不均匀的特点。国槐的使用虽有文化及地域的原因,但应用过多会增加灾害风险,应适当调整树种分布,提高物种多样性,降低因物种衰退、疾病或衰老而引发巨大的维护成本。增加幼龄树的比例,调整年龄结构,使其承担起城市森林的持续性发展的重任,让道路绿地在今后的长期发展过程中形成持续、稳定的树冠覆盖。
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