乌鲁木齐市乡土植物和外来植物在城市绿化中优先性分析∗

杨柏钰，热米娜·克热木，拉孜提·木黑亚特，哈丽米拉·扎尔恒别克，杨晓东,2

( 1.绿洲生态教育部重点实验室，新疆乌鲁木齐830046；2.新疆大学资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐830046 )

0 引言

习近平总书记在中国共产党第十九次全国代表大会上的报告中指出：坚持人与自然和谐共生，建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计[1].在社会经济建设与发展过程中，实现“美丽中国”是生态文明建设的伟大目标[2].城市是人类居住最多的生态系统，城市生态文明建设的优劣直接由绿地面积和绿化质量决定，作为生态文明建设的重要组成之一，优良的绿化不仅能反映城市的人文环境和文化底蕴，还能改善生态环境、提高绿化建设的社会功效[3].

一般认为，城市绿化包括建设用地绿化和非建设用地绿化，而植物绿化是城市绿化的基础[4].根据植物区系的分布和来源，城市中的绿化植物可分为乡土植物和外来植物两种类型[5,6].乡土植物又名本土植物，是指经过长期的自然选择及物种演替后，对某一特定地区有高度生态适应性的植物区系成分的总称[7].相反，外来植物是指由于人类活动有意或无意引入的、出现在其自然分布区域以外的植物[8,9].以往研究表明，外来植物由于观赏性强和季相特征明显等特点，具有增加城市植物多样性以及增加城市绿地景观的异质性等优势.但同时也存在破坏生物多样性和人工生态系统的潜在威胁[10,11].相反，在城市绿化建设中，乡土植物具有更适应当地各种环境（成活率高、易繁殖等）、维护生态系统稳定性等优势[11,12].但当前，有关乡土植物和外来植物在城市绿化中优先选择分析的研究相对匮乏.

乌鲁木齐是新疆维吾尔自治区的首府，近年城市发展过程中，由于地形、气候限制引种选择的原因，以及当地在城市绿化专业方向人才的缺乏，乌鲁木齐对城市绿化的研究相对匮乏[13]，对绿化植物的优先选择上缺乏经验，所采用的绿化植物多数是直接照搬同纬度内地城市的绿化物种名单[14−16].因此，虽然乌鲁木齐种植了大量的绿化植物，但这些物种是否适应当地的环境条件，至今没有研究回答.此外，作为离海洋最远的城市，乌鲁木齐人均水资源占有量较低，又常年受大陆性气候和西风带的影响.当地植物易受干旱、风灾和雪灾等自然干扰的损害[14,17].为此，选择适合乌鲁木齐的城市绿化植物时，除考虑外貌好看外，还应具备耗水量低和抗灾能力强的特点.

基于以上，本文通过调查新疆乌鲁木齐40个常见物种的10个功能性状，根据《中国植物志》和植物区系及自然选择期等，将40个物种分成乡土植物和外来植物后，比较这两类植物在外貌美学、抗灾和低耗水量方面的差别，旨在为乌鲁木齐绿化植物的优先性分析提供依据.本文结论对新疆进行生态文明建设，做好“一带一路”的基础环境支持具有重要的理论和科学意义.

1 研究方法

1.1 研究区概况

乌鲁木齐辖七区一县，总面积14 216.3 km2，建成区面积412.26 km2，2017年末全市常住人口约222万人.在2017年统计数据中，乌鲁木齐市绿地面积约1.20×104h2，建成区绿化覆盖率达到40%以上，绿地率达38%，人均公园绿地面积约11 m2，十分接近国家园林城市标准[18].相比内地同纬度的北京、兰州、石家庄、银川等城市，乌鲁木齐的绿化植物种类较少，约280种左右[19]，乌鲁木齐的城市绿化具有树种较少且配置单一，结构层次不明显等特点[16].

1.2 数据收集

2018年4月至6月中旬，在乌鲁木齐的水磨沟公园、红山公园、南公园、植物园、北京路、长春路、河滩路、郊区乌拉泊至达坂城一带，踏查比较后，选择采样点最常见的物种，从植物的低耗水量、外貌美学、抗灾害3个方面共调查了40种绿化植物的10个功能性状指标.调查时，每种绿化植物选择3株，均要求外观干净整洁，未经过人工修饰，且是采样点同种中最高、最大的株体（指树高最高、胸径最大的个体）.

对每株植物，我们用测高仪（Vertex-IV，Sweden）测定了植物的实际树高和枝下高；用米尺测定了树冠的东西长度和南北长度；用卷尺测量了植物离地面1.3 m处的胸围和离地面5 cm处的基围，随后计算获得胸径和基径；用排水法测量了植物的干材密度；用叶面积仪（LI-3100C，USA）测量了单叶面积；用便携式光合测定系统（LI-6400，USA)测量了植物叶片的蒸腾速率.叶面积仪和便携式光合测定系统测量时，每株植物测量3个叶片，要求叶片完整，无伤痕.对叶片同化为同化枝的植物（梭梭等），便携式光合系统测定时，将同化枝并排铺满在叶室内，根据同化枝的投影面积将叶室测量的蒸腾速率换算成单叶的蒸腾速率.为避免蒸腾速率白天随气温的变化，用便携式光合作用仪的红蓝光源测定，设定温度测定值为28◦C，光照强度为1 800 Lux.基于测量数值，利用公式1∼3分别计算植株的树冠面积、树冠厚度、植株体积和基径/树高的值.

式中：DE−W和DN−S分别是树冠在东西和南北方向的直径[20].

由于部分灌木矮小或者地面分枝导致在离地面1.3 m处未有胸径，则计算了植物基径/树高的值.依据前人的研究结果，树冠形状分为开展舒散形、开心形、柱形、自由纺锤形和球形等.遵照前人研究成果——形状越规则，外貌美学值越高.我们对开展舒散形、开心形、柱形、自由纺锤形和球形共5种树冠形状[21]，将其分别转化为有序等级数据1、2、3、4、5，并进一步假定数值越高，树冠形状代表的外貌美学值越高.本文中，对每株植物，观察其形态后，按上述5种形状进行分类赋值.

1.3 数据分析

首先查阅《中国植物志》和《新疆植物志》以及《中国种子植物区系地理》等对乌鲁木齐40种常见绿化植物进行区系分析，随后将其区分为乡土植物和外来植物[22].基于乡土植物和外来植物两种类型，利用独立样本T检验分析10种功能性状在两者之间的差异；基于10种植物功能性状利用层次分析法计算植物耗水量、外貌美学和抗灾害等方面的数值，综合成乌鲁木齐绿化综合性能值，并利用独立样本T检验分析乡土植物和外来植物在耗水量、外貌美学、抗灾害以及绿化综合性能之间的差异.

层次分析法构建的体系中，考虑到绿化植物的外貌美学效果由层次配置和形态造型构成，故用潜在树高、树冠厚度、树冠形状作为指标[20,23]；根据前人经验，树高越高、形状越规则，其外貌越好看[24,25].考虑到植物的抗环境胁迫能力，故用基径/树高、植株体积、树冠面积、干材密度作为指标评价植物抗灾能力[23,24,26]；根据前人经验，基径/树高值越大，植株体积和树冠面积越小，干材密度越大，抗灾害能力越强[23,25].考虑到植物个体对水分消耗直接与蒸发面的面积、体积和蒸发速率相关，故用单叶面积、植株体积和蒸腾速率作为指标评价植物低耗水量[23,25]；一般认为，单叶面积和植株体积越小，蒸发速率越慢，则耗水量越小[25].

植物的低耗水量、外貌美学和抗灾害数值按公式4计算.式中Di表示植物耗水量、外貌美学和抗灾害的值，Ei表示植物10个功能性状的值，IWi表示判断矩阵得到的指标层权重.绿化综合性能值按公式7计算，式中A表示综合考虑外貌美学、抗风抗病虫害性能和低耗水量3个方面之后的绿化综合性能值，F(Vi)是由公式5和公式6得到的值.CWi表示判断矩阵得到的准则层权重（表1），所有判断矩阵均通过特征值检验.

表1 乌鲁木齐绿化植物筛选的层次分析框架及权重值Tab 1 Framework and weighted values of AHP in screening greening plants in Urumqi

2 结果

2.1 乌鲁木齐常见绿化植物区系基本特征

查询《中国植物志》和《新疆植物志》，参照吴征镒等对乌鲁木齐常见绿化植物属的区系分布和产地进行统计分析[27].结果发现，本文调查的40种隶属18科、26属.乌鲁木齐常见绿化植物区系以温带成分为主，共23属，占总属数的88.46%，分别为榆属（Ulmus）、梣属（Fraxinus）、 花楸属（Sorbus）、 苹果属（Malus）、山楂属（Crataegus）、李属（Prunus）、落叶松属（Larix）、松属（Pinus）、柳属（Salix）、盐肤木属（Rhus）、槭属（Acer）、荚蒾属（Viburnum）、忍冬属（Lonicera）、稠李属（Padus）、梾木属（Swida ）、胡颓子属（Elaeagnus）、小檗属（Berberis ）、茶藨子属（Ribes）、连翘属（Forsythia ）、柽柳属（Tamarix）、丁香属（Syringa ）、枫杨属（Pterocarya）、锦鸡儿属（Caragana）（表2）.这一结果与徐晓伟[28]等人的结果一致，表明乌鲁木齐地处温带大陆性气候区，植物以温带植物为主.温带成分中尤以北温带广布为主，共18属，占总属数的69.23%.这和同纬度地区北京、内蒙古的调查结果一致，表明北温带广布区系的植物更为适应乌鲁木齐的自然环境[10,29].

鉴于当前对于乡土植物和外来植物没有明确的界定标准，本文参照《中国植物志》和植物区系以及经过10年的自然选择期作为界限[22,30]，将植物分为乡土植物和外来植物.本文发现，乌鲁木齐常见绿化种中，乡土植物主要有13个物种，隶属9科、11属，其物种名分别为白榆（Ulmus pumila）、天山花楸（Sorbus pohuashanensis）、雪岭云杉（Picea schrenkiana）、西伯利亚落叶松（Sibirica ledeb）、胡杨（Populus euphratica）、梭梭（Haloxylon ammodendron）、西伯利亚小檗（Berberis sibirica）、沙枣（Elaeagnus angustifolia）、苹果(Malus pumila)、锦鸡儿(Caragana sinica)、柽柳(Tamarix chinensis)、旱榆(Ulmus glaucescens)和旱柳(Salix matsudana) ；相反，外来植物27个物种，隶属13科、19属，详见表2.乡土物种仅占绿化物种的32.50%，表明在乌鲁木齐城市绿化中乡土植物所占的比重较少，而外来植物占较大比重，同样的结果与徐晓伟等人一致.表明在乌鲁木齐城市绿化过程中对于乡土植物的重视程度不够[28].

按生活型将植物分为乔木和灌木后，发现乔木有31种，隶属13科、18属（表2）.其中，乡土植物10种，分别为旱榆、白榆、苹果、雪岭云杉、天山花楸、旱柳、柽柳、胡杨、沙枣和西伯利亚落叶松，它们仅占乔木总种数的32.26%；乌鲁木齐常见绿化植物中，灌木有9种，隶属6科、8属，其中乡土灌木种2种（锦鸡儿和西伯利亚小檗），仅占灌木总种数的22.22%（表2）.这些结果表明在乌鲁木齐城市绿化建设中，常见绿化植物生活型较为单一且多集中于乔木层，灌木层植物考虑较少，层次配置不明显.经验表明，灌木等植物具有抗逆性和耐荫性强的特点，适宜于墙体等低矮空间的绿化，可达到丰富层次和丰富季相的景观效果[31]；在生态功能上，灌木具有消耗水分少、耐受干旱环境能力强等优点，根据植物群落中物种配置的理论，合理稳定的群落应符合乔木数小于灌木数的标准[7,32].因此，在未来乌鲁木齐城市绿化建设中为丰富层次配置应当增加灌木的数量，优先考虑乡土灌木植物.

表2 乌鲁木齐常见绿化种区系分布Tab 2 Floristic distribution of common greening plants in Urumqi

2.2 乡土植物和外来植物在10个功能性状之间的差异性对比

乌鲁木齐常见绿化植物种中乡土植物的基径/树高显著高于外来植物，单叶面积和枝下高显著低于外来植物（P<0.05）；相反，乌鲁木齐常见绿化植物种中乡土植物和外来植物在潜在树高、树冠面积、植株体积、树冠厚度、蒸腾速率、干材密度和树冠形状上无显著差异（P>0.05）（图1）.

图1 乡土植物和外来植物10个功能性状间的差异Fig 1 Variations in 10 functional traits between native plants and exotic plants

前人研究成果表明，基径越大，表明物种生长发育越慢，植物在横向生长上的投资更多，抗风、抗雪灾等的胁迫能力越强[23,25]；乡土植物基径/树高的数值显著高于外来植物，说明乡土植物在横向生长上投资更多的资源，以增加对环境胁迫的抵抗力.单叶面积作为植物叶面性状的重要组成之一，能够反映植物对干旱的适应性[32,33]，其值越小，说明散失水分越少，抗水分胁迫能力越强，对干旱环境的适应性越强[25,33]；乡土植物的单叶面积显著低于外来植物（图1），表明乡土植物在生长过程中散失水分少，对乌鲁木齐半干旱环境的适应性强.枝下高可反映植物的生长状况和抗风胁迫能力[24,34]；乡土植物的枝下高显著低于外来植物，说明乡土植物外形较外来植物矮小，抗风胁迫能力强.潜在树高和树冠厚度均是反映外貌的指标，二者数值越大，表明植物外貌越好看[35,36]；对于反映植物碳交换能力的蒸腾速率，其值越高，表明植物碳交换能力越强，生长状况越好[23,25].本文中，虽然乡土植物和外来植物在潜在树高、树冠厚度和蒸腾速率之间没有显著性差别，但对比两者的平均值可以发现，外来植物的潜在树高和树冠厚度值大于乡土植物，相反蒸腾速率小于乡土植物（图1），这说明乡土植物碳交换能力更强，生长状况更好；外来植物外貌更好看.

将乌鲁木齐常见植物按生活型分为乔木和灌木之后发现，类同所有植物的分析结果，乡土乔木植物的基径/树高显著高于外来植物（P<0.05）；枝下高、单叶面积显著低于外来植物（P<0.05）；相反在蒸腾速率、潜在树高、树冠面积、植株体积、树冠厚度、干材密度和树冠形状上无显著差异（P>0.05）（表3）.这表明，乡土乔木投资更多营养在抗逆性状上，相反外来植物在外貌上的投资较多.对灌木、乔木以及所有植物层面，本文发现乡土灌木的潜在树高、树冠面积、植株体积和单叶面积显著低于外来植物（P<0.05）；树冠形状和蒸腾速率显著高于外来植物（P<0.05）；但在基径/树高、枝下高、树冠厚度、干材密度上无显著差异（P>0.05）.这些说明乡土灌木将更多的资源利用在横向生长上，相反外来灌木将资源更多用于垂直生长.

表3 乡土植物和外来植物不同生活型间10个植物功能性状的差异Tab 3 Variations in 10 functional traits between different life forms of native plants and exotic plants

2.3 乡土植物和外来植物在城市绿化中的优先性分析

利用10个功能性状值，本文计算了植物在外貌美学、低耗水量和抗灾害方面的数值，随后利用层析分析法综合这3个数值计算它们的绿化综合性能值（表4）.结果表明，在所有绿化物种层面，乌鲁木齐乡土植物和外来植物在外貌美学、低耗水量、抗灾害以及绿化综合性能值上无显著差异（P>0.05），但平均值显示，外来植物的外貌美学高于乡土植物，相反在低耗水量、抗灾害和绿化综合性能上的数值均低于乡土植物（表5）.产生没有显著差别这一结果的原因可能是由于本文调查的物种数目较少，加之调查的乡土植物更少，使得乡土植物和外来植物数据的变异性增加，因而未有显著性差别.另一方面，平均值上的差别表明乡土植物在抗灾害和低耗水量方面优于外来植物，但外貌美学劣于外来植物.这一结果和学者们的普遍认识较为一致，即乡土植物更适应当地环境，外来植物外貌更好看[7,37,38].乡土植物的绿化综合性能值高于外来植物，表明综合考虑植物的抗灾害、低耗水量和外貌后，乡土植物更适合乌鲁木齐的城市绿化，这一结果与城市生态学中“适地适树”“近自然化” 等观点相契合[39].

表4 乌鲁木齐绿化植物层次分析中的得分及综合排序Tab 4 Scores and integrated ranking values of greening plants in Urumqi based on AHP

表5 乡土植物和外来植物在外貌美学、抗灾害、低耗水量及综合性能之间的差别Tab 5 Differences in appearance, the anti-disaster ability, water consumption and integrated functional indicator of native plants and exotic plants

按植物生活型检验后发现，乡土乔木的抗灾害值显著高于外来乔木（P<0.05），但在外貌美学、低耗水量和绿化综合性能值上无显著差异（P>0.05）（表5）.比较平均值，在所有绿化物种水平上，乡土乔木的低耗水量和绿化综合性能值均高于外来乔木，但外貌美学趋势相反.说明乡土乔木对于风灾和雪灾等干扰有较强的耐受能力且耗水量少，这是因为乡土植物经长期自然选择后，对于本地区的自然环境和气候条件有较强的适应性和耐受能力[4,7]，与张立涛等人的研究结果相同[30].对于灌木，外来植物的绿化综合性能值显著高于乡土植物（P<0.05），但两类植物在外貌美学、低耗水量和抗灾害值上无显著差异（P>0.05），且外来植物在外貌美学、低耗水量和抗灾害值上均大于乡土植物（表5），这与本文所有物种、乔木和其他人的研究结果完全相反[40−42].这可能是取样不当产生的后果，具体如下：（1）灌木型植物样本太少，乡土植物仅2种，任何一个微小的变异都会对结果产生显著影响，使得乡土灌木和外来灌木出现相反的结论；（2）不难发现，本文选择的乡土灌木如锦鸡儿和西伯利亚小檗等都是高山植物，而乌鲁木齐的景观基底是荒漠，因此这些高山植物并不能反映荒漠的实际情况，它们所存活的生境环境条件较优越，假设外来植物是来自内地其他区域的耐干旱植物，它们适应干旱的能力肯定优于高山植物，因而使得本文呈现与他人相悖的结果[40,41,43]，这一点在今后的研究中，应该加以注意.

3 结论与展望

乌鲁木齐常见绿化植物中，乡土植物仅占32.50%，而外来植物占67.50%；绿化乔木中，乡土植物仅占32.26%；绿化灌木中，乡土植物仅占22.22%.这一结果与同纬度干旱半干旱地区的城市相比，乡土植物应用较少，且结构层次单一，绿化效果不好.

乌鲁木齐常见绿化植物中，乡土植物和外来植物在功能性状方面存在差别，具体为：在所有物种和乔木层面，乡土植物的基径/树高显著高于外来植物（P<0.05），单叶面积和枝下高显著低于外来植物（P<0.05）；在灌木层面，乡土植物的潜在树高、树冠面积、植株体积和单叶面积显著低于外来植物（P<0.05），树冠形状和蒸腾速率显著高于外来植物（P<0.05）.这表明它们对环境的适应能力是不一致的.

根据10个植物功能性状，本文使用层次分析法比较了乡土植物和外来植物在外貌美学、低耗水量、抗灾害以及绿化综合性能方面的差别.结果发现，外来植物在外貌美学方面优于乡土植物，但其在抗灾害、低耗水量和绿化综合性能方面的数值均低于乡土植物.这说明在乌鲁木齐的城市绿化树种选择中，由于乡土植物具有较强的抗灾害能力和耐干旱能力，应当优先考虑增加种植比重[38,44,45].