北京市居住区林木健康评价

黄帅帅,曹哲源,邱尔发,牛少锋,邢立捷

中国林业科学研究院林业研究所国家林业和草原局城市森林研究中心, 北京 100091

城市树木健康主要是指树木良好的生长状态,反映树木的活力和生产力状况[1]。居住区林木一方面可以提供赏心悦目的植物景观,促进小区居民身心健康[2],另一方面在改善小气候、净化空气、美化环境、遮阳隔声、滞尘杀菌等方面具有无可替代的功能[3,4]。然而,居住区林木的不健康状况,不仅影响景观和生态功能的发挥,还会威胁小区居民的人身、财产安全。由于居住区林木受环境和人为活动干扰比较大,除树木本身遭受着病虫害、真菌等生物因素的影响外,恶劣的生长环境[5-6]等对树木生长造成的危害也不容忽视。因此,及时、准确的评估居住区树木的健康,制定科学经营措施,保障林木生态和景观功能的正常发挥已成为城市森林建设者关注的焦点。

森林健康评价研究起步较早,从评价尺度[7-9]、评价方法[10-12]、评价对象[13-14]研究看,已比较成熟,然而城市树木健康评价研究还处于探索阶段。树木不健康症状一般会从树冠、树干和根区部位体现出来,据此Richard等利用叶片黄化、叶枯萎和树势衰弱等指标以病虫害与生长状况相结合的方法建立评价体系来确定树木的健康状况[15]。国内部分学者依据树木养护标准量化树木健康等级[16-18]来评价城市树木健康状况。然而影响树木健康生长的原因是多方面的[19],除了林木本身生长因子外,环境因子等潜在影响因子也是重要的,因此,仅针对树木自身生长指标建立的评价体系,是不全面的。随着科技的发展,一些先进的技术手段如X射线或伽马射线衰减技术[20]、皮罗钉无损检测技术[21]、应力波诊断法[22]等被应用于城市树木健康评估,大大提高了评价结果的准确度。如Qin等利用声学激光技术和声波层析成像技术检测树干近表面缺陷的有效深度可达树皮下15mm[23]。但这些先进方法所需技术要求过高,且多用于古树或干材质量的评估,不适用于城市树木健康评价。翁殊斐等利用层次分析法建立了园林树木健康评价体系[24],但层次分析法赋权人为主观性过高,易使评价结果出现偏差。

从当前城市林木健康评价研究看,研究对象主要集中在城市公园[25-28]树木、城郊片林[29,30]、行道树[31,32]以及古树名木[33,34]的健康评价上,而对居住小区林木健康评价方面的研究很少报道；研究内容多倾向于林木结构特征分析,而对林木健康评价的重视度不够；评价指标仅考虑林木本身生长状况,忽视环境因子等潜在因子的影响；评价方法适用性不强,主观性过高。基于此,论文基于北京市居住区林木健康状况的实地调查及影响因子分析,结合林木本身生长因子和影响健康的潜在环境因子等指标,建立林木评价模型,评估不同来源、不同区域、不同时期居住小区林木的健康状态,探索影响居住区林木健康的重要因素,为北京市居住区林木健康精准经营提供依据。

1 研究区概况

北京市位于115.7°—117.4°E、39.4°—41.6°N之间,属暖温带半湿润大陆性季风气候区。年平均气温12.3℃,年降水量400—600mm,年平均日照数2000—2800h,全年无霜期180—200d,气候四季分明,夏季高温多雨,冬季寒冷干燥,春秋短促。地形西北高,东南低；西部属太行山脉,北部和东北部属燕山山脉。土壤类型主要为褐土,共分为9个土类,20个亚类,64个属,山地伴有棕壤、草甸土,平原伴有潮土。地带性植被主要是暖温带落叶阔叶林,间有温带针叶林。

2 研究方法

2.1 居住区选择与类型划分

按照空间均衡原则,设置以天安门为中心,以南北中轴线和东西长安街为基础的 “米”字型样带[35],选取六环内85个城市居住区作为研究对象。根据调查结果,从不同住房来源、区域、时期划分居住区类型(表1)。具体划分类型为：机关单位福利分房的附属居住区划为福利房,政府参与建设住房的回迁安置房和经济适用房划为保障房,市场自由买卖住房的划为商品房；按照北京市市政环路结构将居住区划分为5个区域；根据居住区入住的时间,结合北京市房地产发展情况[36,37],将居住区划分为5个时期。

表1 居住区分类概况

2.2 样地调查

根据居住区绿化设计规范[38],将居住区林木绿地划为游园绿地、宅旁绿地和道路绿地。于2017年7月—9月采用抽样调查法进行样地调查。根据居住区绿地面积建设标准,并结合居住区绿地现状,确定游园绿地样方面积20m×20m,宅旁绿地样方面积20m×10m,道路绿地面积50m×2m,每类绿地类型设置2个典型样方,若条件不允许,则根据实际情况调整样方数量。

对样方内所有乔木每木检尺。记录胸径、树高、冠幅等定量指标；定性指标如树势、偏冠度、病虫害程度、枯枝比例、地表覆盖程度等参考Boone[39],翁殊斐[24],汪瑛[40]的分级标准。本研究共调查北京市城市居住区85个,样方467个,乔木4967株。

2.3 评价方法

2.3.1筛选评价指标

2.3.2建立林木健康评价模型

将筛选出的14个指标原始数据导入SPSS20.0进行标准化处理以及KMO和Bartlett球度检验确定是否可进行主成分分析；计算各指标变量之间的相关矩阵以及特征根和方差贡献率；得到初始载荷矩阵,利用各主成分的负荷因子除以对应主成分的特征根的开方求出该主成分的特征向量,也即是各主成分与14个指标间的系数向量,将得到的系数向量与标准化后的原始数据相乘可求出求出各主成分的表达式；然后以各主成分的方差贡献率为权重得到综合主成分表达式,最后将14个指标的系数向量加权汇总后即为各指标的权重,经归一化处理后得到各原始指标的权重值。

2.3.3林木健康等级的划分

按照最大隶属度原则,根据居住区林木健康得分计算隶属于各等级的隶属度,最终得出林木健康等级。健康得分位于相邻健康等级的阈值区间,按照各个等级对应的健康阈值计算隶属度。隶属度[42]：Yi=(Fi+1-F)/(Fi+1-Fi),Yi+1={F-Fi+1)/(Fi+1-Fi),Yi为隶属于第i级的隶属度,Yi+1为隶属于第i+1级的隶属度,F为居住区林木个体的健康得分,Fi为第i级健康程度对应的阈值,Fi+1为第i+1级健康程度对应的阈值。

表3 居住区林木个体健康程度及相应阈值

2.3.4林木健康指数

2.4 数据处理

采用Excel2010和SPSS20.0进行数据统计与分析。利用单因素方差分析法(One-way ANOVA)和邓肯多重比较法(DunCan test)判断居住区林木健康特征和健康状况在不同来源、区域、时期类型居住区间的显著性差异。

3 结果与分析

3.1 居住区林木健康特征分析

3.1.1不同区域居住区林木健康特征比较

不同区域居住区林木健康指标均呈现显著性差异(P<0.05)(表4)。居住区林木枝叶病害、枝叶虫害、树干机械损伤、生长空间指标在二环内表现显著最优,干形、树干倾斜度、枯枝比例、树洞指标在三—四环表现显著最优,树势、冠形、偏冠度、光污染程度、地表覆盖情况、栽植截干指标在四—五环表现显著最优。

表4 不同区域居住区林木评价指标比较

表中数据为平均值±标准差；同行不同小写字母代表不同类型居住区间差异显著(P<0.05)； C1树势Tree vigor; C2冠形Crown profile; C3偏冠度Deflection canopy; C4干形Stem form; C5树干倾斜度Trunk lean; C6枝叶病害Diseases of branch and leaf; C7枝叶虫害Pests of branch and leaf; C8枯枝比例Proportion of dead twigs; C9树干机械损伤Mechanical trunk damage; C10树洞Cavity; C11生长空间Growth space; C12光污染程度Light pollution; C13地表覆盖情况Surface coverage; C14栽植截干Cutting off crown and planting

居住区林木树势、偏冠度、光污染程度、地表覆盖情况、栽植截干指标在二环内表现显著最差,冠形、树干倾斜度、生长空间指标在二—三环表现显著最差,枝叶病害、枯枝比例指标在四—五环表现显著最差,干形、枝叶虫害、树干机械损伤、树洞指标在五—六环表现显著最差。

从14个健康指标之间比较看,林木树势、树干倾斜度、光污染程度、地表覆盖情况、栽植截干指标各区域居住区表现均较差。

3.1.2不同时期居住区林木健康特征比较

不同时期居住区林木健康指标(树干机械损伤除外)具有显著性差异(P<0.05)。枝叶病害、枝叶虫害、栽植截干指标在1956—1990年居住区表现显著最优,树洞指标在1991—1997年居住区表现显著最优,树势、树干倾斜度指标在1998—2002年居住区表现显著最优,林木冠形、偏冠度、干形、枯枝比例、生长空间、光污染程度、地表覆盖情况指标在2009—2013年居住区表现显著优于其他时期。

偏冠度、枯枝比例、光污染程度、地表覆盖情况指标在1956—1990年居住区表现显著差于其他时期。树势、冠形、干形、树干倾斜度、指标在1991—1997年居住区表现显著较差,枝叶虫害、生长空间指标在1998—2002年居住区表现显著较差,林木树洞指标在2003—2008年居住区显著较低,枝叶病害、栽植截干指标在2009—2013年居住区表现显著较差。

从14个健康指标看,枝叶病害和栽植截干指标随时期变化越来越差,而偏冠度、地表覆盖情况表现则越来越好；各时期居住区林木树势、冠形、树干倾斜度、光污染程度、地表覆盖情况指标表现普遍较差。

表5 不同时期居住区林木评价指标比较

3.1.3不同来源居住区林木健康特征比较

不同来源居住区林木树势、冠形、偏冠度、树干倾斜度指标差异不显著(P>0.05),其他指标均呈现显著性差异(P<0.05)。林木干形、枝叶病害、枝叶虫害、枯枝比例、树干机械损伤、树洞、生长空间、地表覆盖情况、栽植截干指标在保障房表现显著最差,福利房光污染程度指标显著较低。

枝叶病害、枝叶虫害、枯枝比例、树干机械损伤、树洞、生长空间、栽植截干指标在福利房表现显著优于其他来源,干形、地表覆盖情况指标在商品房表现显著最佳。

从14个指标之间比较看,各来源居住区林木树势、冠形、树干倾斜度、光污染程度、地表覆盖情况指标表现普遍较差。

表6 不同来源居住区林木评价指标比较

3.2 居住区林木健康评价分析

3.2.1不同区域居住区林木健康比较

不同区域居住区林木健康等级均呈右偏正态分布,亚健康状态林木比例均较大,濒死等级林木均较小,且二环内和四—五环居住区未出现濒死等级林木。从不同健康等级看,濒死等级林木在五—六环比例最大；不健康和中等健康等级林木在二—三环比例最大,三—四环最小,亚健康等级分布则与之相反；健康等级林木在四—五环比例远大于二—三环。

图1 不同区域居住区林木个体健康等级分布Fig.1 Health class distribution of residential areas trees between different districts

不同环路居住区林木健康指数无显著性差异(P>0.05),大小表现为：三—四环=四—五环>五—六环>二环内=二—三环。健康指数范围是0.60—0.80,且五—六环出现最小健康指数,三—四环出现最大健康指数。

3.2.2不同时期居住区林木健康比较

不同时期居住区林木健康等级均呈右偏正态分布规律,亚健康状态林木比例最大,濒死等级林木比例最小,且2003—2008年和2009—2013年居住区无濒死等级林木。不同时期居住区各健康等级林木比例具有明显差异,濒死等级林木在1991—1997年比例最大；不健康和中等健康等级林木在1956—1990年比例最大,在2009—2013年比例最小,而亚健康等级林木恰与之相反；健康等级林木在2003—2008年比例最大,在1991—1997年比例最小。

表7 不同区域居住区林木健康指数

表中健康指数为平均值±标准差；不同小写字母代表不同类型居住区间差异显著(P<0.05)

图2 不同时期居住区林木个体健康等级分布Fig.2 Health class distribution of residential areas trees between different periods

进一步分析居住区林木健康指数发现,各时期间存在显著性差异(P<0.05),大小顺序是：2009—2013年>2003—2008年=1998—2002年=1991—1997年>1956—1990年,表现为老旧小区林木健康表现最差。从健康指数极值来看,1998—2002年居住区出现最小林木健康指数,2009—2013年居住区中出现最大林木健康指数。

表8 不同时期居住区林木健康指数

3.2.3不同来源居住区林木健康比较

不同来源居住区林木健康等级均呈右偏正态分布特点,亚健康等级林木比例最大,濒死等级林木比例最小,保障房未出现濒死等级林木。从不同健康等级变化特点看,濒死等级林木在福利房比例最大；不健康等级林木在保障房比例最大,商品房中比例最小；中等健康等级林木在保障房比例最大,福利房中比例最小,亚健康和健康等级分布特点与之相反。

不同来源居住区林木健康指数无明显差异(P>0.05),大小表现为：福利房>商品房>保障房。从林木健康指数阈值看,保障房出现最小林木健康指数,商品房出现最大林木健康指数。

表9 不同来源居住区林木健康指数

4 讨论

4.1 不同类型居住区林木健康差异原因

研究发现不同区域居住区所有指标差异均达到显著水平(P<0.05),二环内和二—三环居住区树势、偏冠度、光污染程度、地表覆盖情况、栽植截干指标表现显著较差,林木受大面积硬化铺装以及夜晚照明的影响,其林木树势减弱,健康指数较低；三—四环和四—五环居住区由于城市绿化越来越受重视,林木得到一定的健康生长；而五—六环区域居住区林木绿化年限相对较短,新栽植林木多,苗木本身不健康,抵抗病虫害的能力弱,健康状态相对较差；因此居住区林木健康状态由内环区域至外环区域呈现先变好后变差的趋势,具体表现为：三—四环=四—五环>五—六环>二环内=二—三环。

不同时期居住区除树干机械损伤外,其余指标均达到显著水平(P<0.05)。不同时期林木健康指数显著差异,随时期的推移,林木具有健康修复功能,健康指数显著增大。老旧小区建设面积小且不注重绿化,随着树龄的增长,树木生长空间受到压缩,枯枝比例增加,冠形效果差,树势不高[44]；绿化形式单一,多为乔木裸地,同时随着居民私家车数量的增多,地面停车场的建设使得小区绿地硬化现象严重,影响着林木根系的正常呼吸和养分吸收,这就是1956—1990年居住区林木健康指数显著最低的原因。

林木的养护管理是林木生长过程必不可少的一个环节,对于树木的健康生长具有关键性作用[45,46]。实地访查发现,保障房物业往往忽视绿化管理工作,林木受人为干扰严重,枝叶病虫害、枯枝比例、树干机械损伤、树洞、地表覆盖情况及截枝截干等指标相较于其他来源表现最差；而福利房居住区与机关单位绿化同步,其树木养护水平相对较高,因此不同来源居住区林木健康状况表现为：福利房>商品房>保障房,但未达到显著性水平(P>0.05)。

4.2 居住区林木健康限制因子

研究不同类型居住区林木健康指标特征发现,光污染程度、地表覆盖情况、树干倾斜度、栽植截干均小于其他指标,这说明光污染程度、地表覆盖情况、树干倾斜程度、栽植截干是限制居住区林木健康生长的重要因子。

有研究表明,硬铺装地表会减慢林木生长速度,明显降低林木的树高、胸径及生物量[47]。调查发现,22.93%林木地表为硬铺装或裸地,显著拉低了居住区林木的整体健康状况。良好的地表覆盖可以改善土壤理化住房,提高土壤保肥、保水能力,增加土壤透气性和透水性,有效促进树木的健康生长[48]；而硬化和裸露地表导致土壤板结严重,孔隙率下降、通透性变差,有机质下降,不利于根系正常呼吸和吸收养分,从而影响林木正常生长[49]。陈冰晶研究认为夜间照明影响了天安门广场上油松长势和成活率[50],相比于整个夜晚照明,每天18:00—24:00照光处理对植物的负面影响较小[51]。合理的修剪枯腐枝、徒长枝增加树冠通透性,减少病虫害的发生,而过度的修剪严重影响树木健康。国外研究[52]认为抹头修干造成林木生长不良率比不修剪的高192%,枝条死亡率高40%,病虫害发生率高70%,极大威胁着树木生长。因此合理控制夜间照明时间、增加有机地表覆盖、避免过度的截枝截干以及加强林木养护管理是当前北京市居住区林木健康生长的保障。

5 结论

通过对北京市六环内85个居住区林木健康状况的分析,整体健康指数为0.72,居住区林木处于亚健康状态,健康等级比例为3.65%,亚健康(56.07%)等级比例最多,其次是中等健康(36.68%),不健康等级林木占3.50%,濒死林木仅占0.10%。不同时期居住区林木健康差异显著(P<0.05),而不同来源和不同区域居住区林木健康差异不显著(P>0.05)。潜在影响因子如光污染程度、地表覆盖情况、树干倾斜程度、栽植截干是限制北京市居住区林木健康生长的重要因子。