城市森林生态系统服务功能研究概述与展望

郑扬

(辽宁省林业调查规划监测院，辽宁 沈阳 110122)

近几十年来，研究表明，城市树木是世界各地城镇环境质量不可或缺的组成部分[1]。我们对城市森林结构和功能之间关系的理解已经发展，并构成这些复杂系统如何运作的更完整的画面。因此，城市森林管理者更有能力提出自己的观点，并促进树木和绿地的作用，以解决城市中心面临的问题。城市森林所能提供的生态系统服务的内在价值和货币价值日益得到认识，例如节能、碳储存、减少雨水径流、改善空气质量和增进人类健康和福祉[2]。这一特别部分提出了新的经验证据，将有助于选择、规划和管理城市森林作为目标生态系统服务，同时尽量减少任何相关的损害。

1 城市决策、规划和管理者需要城市森林“证据基础”

许多环境挑战存在于城市景观中。一些关键的挑战围绕着的管理:城市集水区水文和雨水径流、城市空气、土壤和水的化学和颗粒物污染、碳固定、城市热岛和夏季增强的热浪。

这些环境挑战可能对人类健康和福祉产生不利影响，减轻这些挑战的代价可能很高。城市森林所面临的艰苦的生长条件在某种程度上可以被看作是城市居民在全球气候变化中所面临的情况。因此，了解植被的作用、城市植被对这些环境条件的生理反应，特别是城市森林的管理在应付这些挑战方面可以提供大量资料。

发生在不透水的表面覆盖的城市雨水径流和骤发洪水随着城市化进程的不断增加而增加，而且可能是一个日益严重的问题。极端降雨事件也随着气候变化而增加[3]，这种现象发生频率也越来越高。由于城市雨水排放系统规模大、干扰大、成本高，增加其容量难度较大。这对传统的城市用水提出了挑战，资源管理需要新的思维方式，考虑如何保留、延缓和使用雨水的新的城市景观——水敏感城市设计(WSUD)。在透水空间中的城市树木，或工程WSUD系统，可以在重新思考如何管理城市集水区水文方面发挥作用(图1)。

与未开发的集水区相比，城市化的集水区还会经历更大的硝酸盐、磷酸盐、硫酸盐、碳和重金属污染。城市树木和土壤系统可以在降低城市集水区径流中养分污染浓度方面发挥重要作用。同样，城市地区往往是移动污染源和固定污染源的大气污染热点。长期以来，树木一直被认为是降低气体和颗粒污染物浓度的一种方法，与此同时，某些树种释放挥发性有机化合物对臭氧形成的作用仍然是一个研究重点，特别是在城市地区[4]。除了在空气污染物吸收方面的作用外，城市绿色基础设施，特别是树木成分对城市区域的固碳能力也有很大的影响[5]。目前存在许多大规模植树计划，特别是在发达国家，这些计划表明了城市森林的重要性，因为城市正在努力这样实施碳中和政策。

图1

城市中心面临的另一个严重的环境和人类健康挑战是城市热岛、夏季热浪和逐渐变暖的全球气候之间的联系。绿色基础设施的定义是经过精心设计以提高环境质量的植被系统，它可以通过提供遮阳和蒸发式旋转冷却来降低热岛的强度。城市树木可能是城市热岛缓解和适应的最有效和成本最低的方法[6]。

随着对城市森林所带来的潜在好处的认识日益加深，越来越需要经验证据来回答“在何种情况下”和“如何有益”等问题。更严格的财政标准要求城市林业项目提供的服务是真实和可量化的。为了支持决策，需要对此进行研究描述和量化城市森林提供的许多生物地球化学过程和功能。这个特别的部分提出了新的研究，提高了对城市森林提供的生态环境服务的认识。本文提出的研究解释了如何规划和管理城市树木，以最大限度地发挥这些城镇和城市的生态系统服务。这一特别部分的真正优势是来自四大洲(北美、欧洲、亚洲和澳大利亚)的14项研究提供了真正的全球证据基础。应当认识到，在所有城镇和城市中，城市树木的价值并不会因为相同的生态系统服务而受到重视，因为每个城市中心都有自己的地形、气候、文化和工业背景。然而，合理规划和管理城市森林可以改善城市在各种气候、社会文化环境和生物地理位置下的生态系统功能。这一节载有新的知识，将有助于那些试图以“正确”的方式规划和管理“正确”的城市森林，以获得所需的生态系统服务，同时尽量减少损害。

2 城市森林、绿地和城市热岛

城市热岛是一种非常真实的现象，居住在城镇的人们面临着越来越多的热应激和潜在的中暑，以及建筑空间冷却能源使用的增加。Sugawara等描述了在日本东京炎热的城市环境中，大型公园的降温效果。在风平浪静的条件下，大型公园的降温效益一般向下风延伸200 m至周边居民区，降温效益相当于39 Wm-2[7]。Jaganmohan等人的研究表明，城市绿地的降温效益在森林覆盖的情况下显著大于作为开放绿地的情况。此外，林地面积的大小对降温效果的影响比对林地形状的影响更大。许多小型的树状城市绿地不能提供与较少的但较大的树状城市绿地相同的降温幅度[8]。

了解树荫对城市表面热量(辐射)交换的影响是了解旨在减轻城市热岛效应的城市森林战略有效性的基础。Napoli等人测量了10种不同树种的树荫和在阳光条件下的地表温度下降。他们在一系列气候条件下测量了沥青地面和草的表面，以测试其性能一维传热模型。在沥青路面上，阴凉处的地表温度与树木的叶面积指数呈负相关(范围为13.8～22.8 ℃),草坪草的蒸腾作用较弱(6.9～9.4 ℃)，可能是由于草坪蒸散的混杂作用[9]。

了解树木蒸散对城市热平衡的影响，对于了解城市森林缓解热岛效应的潜力也至关重要。Ballinas和 Barradas通过建立一个复杂的气候和生理模型，揭示了单株树木可以从日蒸散中获得显著的降温效果。所研究的四种植物的平均最佳水分利用范围为3.64～4.35 Ld-1。他们的模型预测，蒸散能减少墨西哥城的城市空气气温1摄氏度。然而，实现日间气温下降1 ℃所需的树木数量取决于树种，如每公顷63棵成熟的赤桉产生与24棵北美枫香相同的效果[10]。虽然在人口密集的城市地区，建立如此高密度的成熟城市林分可能是困难的，但本研究确实表明，当城市热岛缓解是首要任务时，必须注意物种选择。

3 城市树木在人体热舒适中的作用

Sanusi等人提出的证据表明，良好的行道树冠可能带来微气候降温和人体热舒适的好处[11]。根据气候模型而不是直接的经验证据，许多城市森林战略的目标是随着时间的推移，树木冠层覆盖的增加，并指出这将带来预期的城市整体气温下降[12]。Sanusi等人比较了澳大利亚墨尔本类似的住宅街道，这些街道的梧桐树冠覆盖率从非常低(小于20%)到非常高(80%)，在最温暖的夏天，东西走向街道气温下降2.1 ℃，南北走向街道气温下降0.9 ℃[11]。Sjoman等人研究了落叶树在冬季“落叶”时城市小气候(温度和风)的影响。不同树种间的分枝面积指数存在显著差异，在0.27(银杏叶)和2.09(松叶)之间。使用ENVI-met 3.1气候模型模拟这些树在复杂的城市环境中的微气候影响，树的背风速、侧风速和平均辐射温度均有所下降，掩蔽效果更明显的树分支面积指数上升[13]。这些发现对试图在树木种植空间有限的密集城市环境中改善夏季和冬季人体热舒适的规划者很有帮助。

4 树木在城市流域水文中的作用

树冠和城市森林作为一个整体在整个水循环过程中发挥着重要的作用。树冠可以截留雨水，减少雨水到达下面透水或不透水的地表。Xiao和McPherson对树冠影响截留的一个方面——地表水储存量进行了对比研究。利用一种新型的降雨模拟器和地磅平衡系统，对20种不同树种树冠表面雨水膜的厚度进行了测量。在树种间发现了三倍的差异:从紫薇的0.6 mm到云杉的1.8 mm[14]。超过40年的模拟模型表明，对于大多数降雨强度，超过30分钟持续时间降雨总是超过甚至是大树的存储能力——这是关于城市森林在雨水径流减少中作用的宝贵新信息。

一旦降雨到达不透水的地表并成为径流，其中一些雨水可以直接进入WSUD系统，以减少、减缓和阻止雨水进入排水系统和城市水道。在WSUD系统中包括树木可以通过蒸腾作用增加径流返回到大气中，提供相关的空气冷却效益。Scharenbroch等人提供的证据表明，生态湿地的树木占这些系统总用水量的46%到72%，从而大大减少了不透水城市集水区的径流和排放。然而，他们指出，并不是所有的树种同样适用于WSUD系统的增长和性能。具有高气孔导度和在波动饱和和干燥条件下生长良好的树种可能表现得最好[15]。

5 树木在城市土壤和水污染中的作用

城市径流、溪流和水道经常受到污染。可以更好地利用城市树木从雨水中去除营养污染物和某些重金属的能力，以提供水质和减少污染的效益。Denman等人用四种常见的城市树种进行了一项简洁的WSUD 系统研究，为这一点提供了证据。与未种植的对照相比，树木能够减少氧化氮和活性磷[16]。四种树种在减少雨水养分污染的能力上没有显著差异，但Denman等人认为，未来的研究应该基于最具潜力的树种的特征，针对其进行研究。

城镇和城市内的草坪绿地经常得到大量无机和有机肥料的投入。因此，过量的养分有可能通过土壤进入城市水道或地下水资源。Livesley等人提出证据表明，城市绿地中种植树木和下层植被的区域可以形成相对较高的土壤C/N比值，从而提高养分缓冲能力[17]。

6 城市森林和空气污染

从环境和人类健康的角度来看，大气污染是一个令人担忧的问题。城市森林可以减少污染，但某些城市树种可能也造成了这个问题。一些物种释放出生物挥发性有机化合物(BVOCs)，可作为烟雾或臭氧形成的前兆，特别是在氮氧化物存在和气候条件有利的情况下。臭氧是城市大气中的一种有害污染物，城市森林中经常含有一些作为臭氧前体来源的树种[18]，但与此同时，它也可以帮助从大气中去除臭氧。实验室实验、现场测量和建模都有助于更好地理解、预测和管理城市森林的臭氧减少潜力。Dunn-Johnston等人(2016)研究了亚热带城市树种异戊二烯的排放。他们指出，一些物种是高挥发性有机污染物的排放者，通常被定义为对城市景观的主要“损害”。然而，对城市树种中一些普遍接受的异戊二烯排放因子估计过高[19]。这一新知识将帮助管理人员选择能够提供最大空气质量效益的树种或基因型，并证明有必要为当地重要的城市树种确定物种特异性。

某些城市树木可能造成的另一个生态系统损害是花粉的释放，花粉会对最易受影响的人的健康产生不利影响。越来越多的城市人口对树源花粉过敏。因此，确定最容易引起过敏反应的树种是很重要的。Carinanos等(2016)提出了一种实用的基于花粉释放周期、过敏强度等因素的过敏源指数[20]。应用这一指数可以帮助城市森林管理人员在选择和移除不同树种时做出正确的选择，从而改善人类健康和福祉。关于城市森林提供的生态系统服务和危害的研究需要转化为政策、规划和管理方面的有力和实用工具。

树木对城市空气质量的影响并不都是坏的。Park和Schade证明，在休斯敦城市绿地中的树木光合作用能够抵消交通燃烧引擎和生态系统呼吸排放的二氧化碳中的一部分[21]。为利用涡度协方差法测定的春季和夏季城市二氧化碳排放速率与同期光合活性辐射具有较强的相关性提供了证据。

7 未来城市森林研究的跨学科框架

本文提出的研究有助于建立越来越多的证据基础，支持更好的城市森林管理、认识和估价的需要。然而，从许多研究中可以明显看出，要全面做到这一点，以便真正改变城市规划和政策，就必须对城市森林研究采取更加跨学科的方法。例如，为改善生态系统服务而管理城市森林与为改善集水区水文而管理城市景观之间有着明确的联系。许多研究都证实了这一点。为此，未来城市生态系统研究是否应该在相关学科之间争取并促进更大的一体化和协作，如水利基础设施工程、城市森林科学和城市规划。是否一个城市处于高降雨量，洪水风险气候或低降雨量，炎热、干旱的景观，连接着城市森林，绿意盎然空间和流域水文仍然是规划的核心，为未来的挑战设计和管理城市景观。同样，城市森林科学要帮助解决诸如热暴露、过敏源、空气污染和呼吸健康等公共卫生问题，也需要合作流行病学，环境监测机构，城市气候学，城市森林科学，水工程，和城市规划等。

城市森林可以发挥重要作用，使城镇更适宜居住，更好地适应气候变化带来的严酷气候。但要做到这一点，并使其成为政策、规划和公共现实，城市森林研究需要采用跨学科的方法，并找到更好地向非科学受众传达科学证据的方法。