泰安城市森林结构及功能效益的初步分析研究(完整)

第一篇：泰安城市森林结构及功能效益的初步分析研究(完整)

泰安市城市森林结构与气体调节效益分析 赵振磊1,2，谢会成1,2

（1山东农业大学农业生态与环境重点实验室，山东泰安 271018；

2山东农业大学林学院，山东泰安 271018）

摘 要：随着城市化进程的不断发展，城市森林结构越来越受到人们的关注，并且在城市生态平衡中起着重要作用。本文用样方调查方法对泰安市的主要道路、高校和公园的树木进行了调查，并且分析了泰安不同土地利用类型的树木分布情况；同时对每个调查区树木的种类组成结构、胸径分布、树高分布、冠幅分布和树木在碳氧平衡方面的生态经济价值等反应城市森林结构特征的各类指标进行了分析。结果表明，除道路上的树种多样性和丰富度较低外，其他几个公园和校区也有较低的，而且有几个公园与校园的单调度也较高；20种数量最多的树木占总数的近60%；近一半的树木是小树（树高小于5m，冠幅小于4m，胸径小于10cm）；仅是在调查范围内的81种主要树木在理论上每年可从大气中吸收1336.059吨CO2，放出O2为972.847吨，年固碳释氧价值就超过百万元。

关键词：城市森林结构，树种组成，功能效益，固碳释氧

Abstract：With the continuous development of the urbanization process, structure of urban forest is catching people’s more and more attention, and plays an important role in ecological balance in the city.In this paper, methods of sample are used to survey trees of the main road, colleges and parks in the city;and distribution of trees was analyzed in different types of land use in the city.At the same time composition of trees, DBH, height, tree crown distribution and carbon and oxygen balance in the ecological and economic value of urban forest structure of reaction types of indicators were analyzed at every types of area.The results show that the roads have less species diversity and richness, other campuses and several parks also have a lower;several parks and schools have a higher single-Dispatch;during the largest number of trees, 20 species accounted for nearly 60%;nearly half of the trees are small trees(height less than 5m, crown width less than 4m,DBH less than 10cm);within the scope of the investigation only 81 species of main trees in theory absorb1336.059 tons CO2 from the atmosphere each year, and release 972.847 tons O2.The annual value of carbon fixation and oxygen release is over a million CNY.Key word：Structure of urban forest, Species composition, Functional benefits, Carbon fixation and oxygen release 城市是人类活动的聚集地，是人类文明的产物。18世纪中叶以来，伴随着工业革命的推进，城市数量不断增加，城市规模不断增大，城市化进程高速发展。城市环境面临巨大的压力，大气污染、水资源匮乏、城市气候变化等成为城市居民最为关注的问题。因此时下维持城市生态环境的良好循环的最有效措施之一就是城市绿化。我国城市绿化的建设已经取得卓越的成效，但是总体来看，我国城市环境绿化建设的总体水平与发达国家还是有明显的的差距的，城市绿化覆盖率、人均公共绿地率、城市大面积的绿地及生物多样性等水平都相对比较低。在城市发展的进程中，森林能有效改善城市化所产生的各种环境问题，尤其是大气污染，维持城市生态系统的平衡，保障和推动城市化的可持续发展。于20世纪60年代由美国、加拿大的专家首先提出了“城市森林”的概念，并引起了很多国家的重视，之后很多学者开始从不同的角度对城市森林的概念和内涵进行讨论。总体上来说，城市森林主要包括：行道树、学校、公园和住宅区的所有树木，它们构成了城市绿化的主要部分。我国在城市森林方面的研究起步较晚，城市绿化建设理论水平比较低，对城市森林结构的研究知之甚少。80年代中期，沈国舫、王义文等人将城市森林和城市林业的概念引入国内，陆续介绍了国外的研究方法和发展趋势。本文在借鉴前人研究的基础上，利用林学、生态学、园林、经济学等学科的研究手段，对泰安市的森林结构组成和功能效益进行初步的研究。1． 泰安概况

泰安位于山东省中部的泰山南麓(东经116°20ˊ～117°59ˊ，北纬35°38ˊ～36°28ˊ)，北依山东省会济南，南临儒家文化创始人孔子故里曲阜，东连瓷都淄博，西濒黄河。总面积7762平方公里，人口538.6万人，辖泰山区、岱岳区、新泰市、肥城市、宁阳县、东平县6个县市区。泰安属温带半湿润大陆性季风气候区，年平均气温13℃,7月份气温最高，平均26.4℃，1月份最低，平均-2.6℃。年平均降水量697毫米。境内泰山海拔1545米，具有明显的高山气候特征。山顶气温一般比山下常年低7～8℃，年平均降水1106毫米。泰安植物种类繁多，现有高等植物 239 科1212种，此外还有一些古树、名木、花卉等。其中紫薇为泰安市的市花，亦称百日红，属千屈菜科；国槐是市树，属豆科，在市区内这两种树种的应用较多。2． 研究方法

本研究的土地利用类型范围为市区内的主要绿化道路、高等学校以及公园（或游园）。主要道路包括：青年路、红门路、文化路、三里路、迎春西路、迎胜南路、奈河东路、奈河西路、龙潭南路、擂鼓石路、虎山路、龙潭路、金山路、迎胜路、环山路、普照寺路、东湖路、迎春路、温泉路、财源街、岱宗大街、东岳大街、泰山大街、灵山大街、广生泉街。主要学校包括：山东农业大学老校区(Aa)、山东科技大学(Bb)、泰安卫生学校(Cc)、山东农业大学南校区(Dd)、泰山学院(Ee)、泰山医学院(Ff)。主要公园包括：东湖公园(AA)、南湖公园(BB)、虎山公园(CC)、奈河公园(DD)、岱宗游园(EE)、天平湖公园(FF)。2.1 调查方法

行道树：抽样调查街道内每一树种总株数的10%。公园与学校树木：实地调查，在统计每树种株数的同时按其径阶分布抽取10%进行个体调查。2.2 调查内容

外业调查数据包括研究区内所有乔木和灌木的树种、胸径、树高、枝下高、健康状况等测树因子。

胸径：划分为五个等级，<10cm；10～20cm；20～30cm；30～40cm；>=40cm。树高：划分为五个等级，<5m；5～10m；10～15m；15～20m；>=20m。树冠冠幅：划分为五个等级，<2m；2～4m；4～6m；6～8m；>=8m。

叶面积的估算，本研究引用陈自新，苏雪痕等人的关于北京城市园林绿化生态效益的研究（2）中的计算公式和采取经典的数学模型计算（Nowak，1994a）相结合。经典数学模型为：

Y=exp（-4.3309+0.2942H+0.7312D+5.7217Sh-0.0148S+1159）（1）

Y= exp（0.6031+0.2375H+0.6906D-0.0123S）+0.1824（2）

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的情况下采用公式2。

3．结果与分析

3．1 树种组成结构分析

本研究通过四项指标：树种丰富度（R，采用Margalet指数）、树种多样性(D，采用Shannon-Wiener指数)、树种均匀度(E，采用Pielou指数)、和树种单调度(M，采用Simpson指数)来分析泰安市树种组成结构（王永，1997）。由于行道树的树种大部分只有1~2种，少3~4种的，所以在这不讨论树种组成结构。根据所调查数据计算，四项指标所得结果见表1。

表1 泰安市城市森林的树种组成结构指标

单 位 树种数（株）株 数（株）树种 丰富度 树种 多样性 树种 均匀度 树种 单调度 Aa山农老 Bb山科 Cc泰卫 Dd山农南 Ee泰学院 Ff泰医 AA东湖 BB南湖 CC虎山 DD奈河 EE岱宗 FF天平平均值 98

41 31 24 31 44 — 4061

538

273

2398

4336

531 2094 4624 1765 1320 550 3046 — 8.092 5.402 4.572 5.611 7.697 5.634 5.076 3.285 2.782 2.219 3.296 3.716 4.782 11.888 8.889 7.884 11.152 12.002 8.810 10.931 12.121 10.739 10.291 8.929 11.495 10.428 1.797 1.575 1.502 1.859 1.831 1.546 1.874 2.262 2.168 2.245 1.802 2.106 1.881 0.043 0.068 0.089 0.088 0.053 0.058 0.055 0.053 0.676 0.150 0.076 0.044 0.121

sniS1D1s注： R D3.3219*(LgN M()2 *logni)Elog2SLog2NNi1Ni1S为树种数，N为树种个体总数，ni为第i个树种的个体数

从总体来看，泰安校园和公园的树种丰富度和多样性还是比较高的。树种丰富度最高的是山东农业大学老校区，达到8.092，其次是泰山学院，达到7.697；树种多样性比较高的是山东农业大学老校区、南湖公园和泰山学院，分别达到11.888，12.121，12.002；在均匀度方面，各个调查地的都差不多，说明泰安市树种的个体数量分布还是比较均衡的；就单调度而言，虎山公园和奈河公园的单调度最大，分别达到0.676，0.150，主要是因为虎山公园内的侧柏数量较多，这与两个公园的丰富度正好呈反比相吻合。从整体上看，作为旅游城市的泰安，城市内的森林结构还是比较好的。3．2 泰安市的树种结构与种群

泰安市背靠泰山，是一个旅游城市，植物种类是比较多的，近200余种，既有被子植物也有裸子植物，其中数量比较多的树种有81种。例如，其中侧柏、水杉、雪松、华山松、白皮松、油松6种针叶树种占全部针叶树种的78.3%；紫薇、国槐、樱花、悬铃木、毛白杨、垂柳、紫叶李、银杏等25种阔叶树种占全部阔叶树种的71.2%，其中紫薇和国槐分别作为泰安市的市花和市树，在数量上是最多的两种树种。按种群数量的大小排列，排在前20名的树种依次为：侧柏、紫薇、国槐、樱花、悬铃木、毛白杨、垂柳、水杉、雪松、紫叶李、旱柳、银杏、白玉兰、华山松、黄山栾、马褂木、白皮松、丁香、白蜡、五角枫，占全部树种的59.02%，而其余的树种只占到40%多一点（如图1）。在种类组成中常绿树种的数目占总数的30.2%，其中常绿针叶树占21.3%，而常绿阔叶树只占不到10%。

从树木种类的组成来看，在泰安市近200余种的树木中，仅是前十几种的树木在数量上比较多，其余树木只是达到了种类上的多，而并没有在量上形成一定的规模，这样就容易造成景观丰富性偏低，尤其是在道路绿化上，泰安市道路绿化丰富度还是比较低的，很多道路只有单调的一种树，例如只有国槐，悬铃木等，这样就容易造成一些病虫害的发生，影响城市绿化及景观不稳定性，最终导致城市的森林结构发生变化。

1．侧柏、2．紫薇、3．国槐、4．樱花、5．悬铃木、6．毛白杨、7．垂柳、8．水杉、9．雪松、10．紫叶李、11．旱柳、12．银杏、13．白玉兰、14．华山松、15．黄山栾、16．马褂木、17．白皮松、18．丁香、19．白蜡、20．五角枫、21．其余它61种树木

3．3 泰安市的树木在胸径、高度与冠幅上的分布 3．3．1 树木在胸径级上的分布：

研究区树木的胸径等级分布如图1所示。在泰安市所研究区的森林树木平均胸径15.035cm，从图1中可以看出，除了行道树胸径等级呈先增后减的分布规律外，公园和校园树木在不同胸径等级上的总体分布情况是：随着胸径等级的增大，树木株数逐渐减少。几乎有一半树木的胸径小于10cm，胸径在30cm以下的树木占92.6%，大于30cm的树木仅占不到8%，说明了泰安市的树木在水平方向上还具有非常大的发展潜力，随着树木的生长，较大胸径级别的树木株数将逐渐增多。之所以行道树与公园和校园的树木胸径分布规律不同，主要是因为泰安是古老的城市，行道树栽植时间较早，所以胸径较大；而泰安市有一些公园和校园是新建的，比如东湖公园和南湖公园，山东农业大学新校区，都是新建的，绿化苗木比较小，所以小胸径树木占的比例较大。

图1 不土地利用类型树木胸径的分布

Fig.1 The pattern of tree DBH in different land use types 3．3．2 树木在高度等级上的分布：

研究区树木的高度等级分布如图2所示。高度在5米以下的个体占51.3%，在10米以下的个体占91%，高于10米的个体仅占9%，说明泰安市树木具有向上层发展的潜力，形成了植被进一步发展的高度格局。树木在垂直结构上的总体情况与树木在水平方向上的胸径等级分布类似，随着树木高度等级的增加，树木株数呈下降趋势。

图2 不土地利用类型树木高度的分布

Fig.2 The pattern of tree height in different land use types 3．3．3 树木在冠幅等级上的分布：

研究区树木的冠幅等级分布如图3所示。冠幅在4m以下的树木占62.9%，其中冠幅在2米以下的就占了28.4%，主要是是因为在泰安市新建的公园和校园中，绿化苗木还比较小，冠幅在短时间内还未能达到较大的冠幅，所以占的相对比例要大一点；大于4米的个体占37.1%，这说明了作为古老旅游城市的泰安较大冠幅的树木还是比较多的，大冠幅的树木主要是行道树，比例主要的行道树悬林木，泰安市市树国槐，等。就各个研究区而言，行道树的冠幅等级分布相对而言比较均匀；公园的冠幅等级与胸径等级，高度等级相似；校园的冠幅等级呈现凸型，冠幅在2～4米等级上占的比例较大，为46.8%。这主要原因是行道树栽植后相对较稳定，更新的主要是添加栽植一些小乔灌木，而校园绿化人为管理控制干扰较大，所以会人为选择冠幅大点的树木栽植绿化。

图3 不土地利用类型树木冠幅的分布

Fig.3 The pattern of tree crown diameter in different land use types 3．4 泰安市森林生态经济价值估算

主要是城市森林的碳氧平衡功能。估算泰安市数量最多的前20种主要树种在调节碳氧平衡方面的生态价值。通过对所调查区域的树木综合估算得出，前20种树木的总叶面积约为123.062万平方米，年吸收CO2的总量为1336.059吨，放出O2的总量为972.847吨。就树木对碳氧平衡的调节所产生的生态经济价值的评价估算有很多种。3．4．1 CO2价值的评价方法

CO2价值的方法主要有碳税法和造林成本法，本研究中根据叶面积可以推算出固定CO2 和释放O2的物质量，再分别乘以固碳和制氧价格，计算其价值量。

（1）造林成本法（张三焕等，2002）：可通过计算造林的成本来估算固定CO2及释放O2的价值。固碳造林的平均成本为273.3元/t。计算公式为：

固定CO2的价值（元）=固定CO2的量（t）×固碳造林的成本（元／t）释放O2的价值（元）=释放O2的量（t）×放氧造林的成本（元／t）

（2）碳税法（张三焕等，2002；GUO 等，2001）：西方一些国家正在实施温室气体排放税收制度，使用碳税法来限制CO2等温室气体的排放，如挪威碳税率为$227/t，美国碳税率为$15/t。这样，固碳量乘以碳税率就把工业与农业领域CO2的价值统一起来。这主要用于工业领域，但为了评价滩地防护林的固碳价值，这也不失为一种替代的价值评估标准。据此固定CO2的价值可由下式估算：

固定CO2的价值（元）=固定CO2的量（t）×碳税率（元／t）

（3）制氧成本法（徐俏等，2003）：利用工业等制氧的成本来衡量释放02的价值，森林提供氧气的价格可根据造林成本、氧气的商品价格和人工生产氧气的成本等方法来计算。曾有研究根据我国近年来的造林成本，推算出我国森林生产氧气的成本为369.7元/t(侯元兆等，1996)。公式为：

释放O2的价值（元）=释放O2的量（t）×制氧成本（元/t）

3．4．2 固碳释氧的价值估算

综上一些方法计算得出，固定CO2的价值为36.52万元，释放O2的价值35.97万元，最终固碳释氧的价值为72.49万元。由主要树木的所占比例得出，前20种主要树种的固碳释氧价值达到了72.49万元，那么仅是调查研究范围区域内的泰安市主要的81种树木的固碳释氧价值就超过百万元。4．结论

综上所述，城市森林是城市生态系统的重要组成部分，在城市的生态经济价值方面具有重要作用，不仅为城市居民提供娱乐，旅游，文化，休息等场所，还能改善气候，尤其是平衡碳氧，虽然城市中绿色植物进行的初级生产不占主导地位，但其生产过程中所具有的吸收CO2释放O2等的功能对人类是十分有益的，它减少CO2在空气中的含量，进而减弱了全球气候变暖，对于城市来说更是减弱了城市热岛，而且树木由于光合作用释放的O2，为城市居民呼吸提供需要，产生了一定的生态经济价值。

就泰安市的森林结构而言，总体上来说，作为旅游城市，泰安市的森林结构较为稳定，树种的丰富度和多样性都较高，分别约为4.782和10.428，但是虎山公园和奈河公园的树种丰富度远远低于4.728；泰山卫校与泰山医学院两个老校区的树种多样性也比较低；另外，在调查区域中，所调查的道路树种多样性与丰富度也是很低，在每条路的很长一段距离内，基本就一种或是两种树。由于种类组成单调，使得植物景观不够丰富，并且容易造成城市森林不稳定性增加。所以为了泰安市森林结构的整体平衡，应该更加注重小范围的平衡，提高与平衡树种的丰富度与多样性。在树木的选择与栽植规格上，目前树高小于5m，冠幅小于4m，胸径小于10cm的树种所占比例都大于50%，在未来的树木生长发展中，大规格的树木会逐渐增多，但是为了当前环境的生态效益发挥，还是在新栽植绿化树木时，尽力多配置一些稍大规格的树木。

参考文献：

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