基于生态适应性与生态服务价值的绿化树种选择

白保勋，陈东海，徐婷婷，沈植国，陈尚凤，段淑娟

1. 郑州市农林科学研究所，河南 郑州 450005；2. 河南省林业科学研究院，河南 郑州 450005；3. 新乡市绿化工程管理处，河南 新乡 453000；4. 驻马店市薄山林场，河南 驻马店 463218

森林是陆地生态系统的主要植物群落，在全球范围内发挥着重要的作用（郭浩等，2008；潘韬等，2013）。森林生态功能及其价值是衡量森林生态系统质量的一个重要指标（王兵等，2010；靳芳等，2005；Anderson et al.，2009）。树种的生态适应性主要是指其抗寒、抗旱、抗病虫害、生长发育情况，生态适应性较强的树种一般生长较快，具有较高的生态服务价值（Fisher et al.，2008；Nelson et al.，2009；Niu et al.，2012）。但是不同树种的生物学特性差别较大，在适应环境之后，生态服务价值具有较大差异。森林中乔木层是影响森林生态系统生态服务功能的最重要因素，其生态服务价值主要表现在固碳释氧、保育土壤、涵养水源、积累营养、净化空气、生产木材等方面（Brendan et al.，2011；Burkhard et al.，2009；Chen et al.，2011）。

树种选择关系到造林绿化的成败，科学筛选造林绿化树种值得深入探讨。国外通过制定树种选择手册或树种特性表，对树种选择和应用进行指导（柴思宇等，2011）；国外树种选择的指标主要包括树种特性、固碳价值、木材生产收益、林木抗病性、生态服务价值、景观效果、环境条件、栽培成本、养护费用等，定性研究较多（Tenley et al.，2015；Sudipto et al.，2017）；Catherine et al.（2018）选用林木固碳与木材生产价值2个指标，建立数学模型，对树种选择进行了定量研究。国内树种选择依据主要是“适地适树”原则，比较宏观，在实际造林绿化中难以贯彻执行，树种选择的基础研究较少，成果不系统，对树种选择的支撑能力较差（张宝鑫等，2009；韦新良，2008）。

国内外主要采用定性的方法选择绿化树种，因此尝试根据树木的生态适应性与生态服务价值量化选择造林绿化树种，选择生态适应性强、生态服务价值较高的树种造林，可以提高森林的综合效益。以河南中北部平原区常见的 18种主要乔木树种为研究材料，选择生态适应性、固碳释氧、保育土壤、涵养水源、积累营养、净化空气、生产木材价值等7个指标，采用主成分分析法，对各树种生态适应性与生态服务价值综合指标值进行计算，根据综合指标值对绿化树种进行筛选，旨在为河南中北部平原区绿化树种选择提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

河南中北部平原区属暖温带大陆性季风气候区，四季分明，雨热同期，年平均气温14.2 ℃；年平均降水量573.4 mm，无霜期220 d，全年日照时间约2400 h。地势西高东低，东部平原区面积较大，植物资源丰富，地带性植被为暖温带落叶阔叶林。

1.2 材料

选取 18种河南中北部平原区主要乔木树种作为研究材料，其中针叶树 3种：雪松（Cedrus deodara）、侧柏（Platycladus orientalis）与圆柏（Sabina chinensis）；常绿阔叶树4种：石楠（Photinia serrulata）、广玉兰（Magnolia grandiflora）、枇杷（Eriobotrya japonica）与女贞（Ligustrum lucidum）；落叶树种11种：悬铃木（Platanus acerifolia）、银杏（Ginkgo biloba）、红叶李（Prunus cerasifera）、黄山栾（Koelreuteria bipinnata）、白蜡（Fraxinus chinensis）、毛白杨（Populus tomentosa）、旱柳（Salix matsudana）、垂柳（Salix babylonica）、泡桐（Paulownia fortunei）、国槐（Sophora japonica）与欧美107杨（Populus×Euramericana CV.“74/76’’）。这些树种生长于苗圃或林地，为纯林，树龄10～15 a，生长健康，林地已经郁闭。

1.3 方法

田间试验于 2014年在河南中北部立地条件相似的苗圃进行，室内试验在河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所进行。

1.3.1 标准地设置

2014年，在河南中北部平原区选择立地条件相近的苗圃，每个树种设置3个标准地，标准地规格为20 m×20 m，作为绿化树种生态适应性调查与生态服务价值测算的场地。

1.3.2 生态适应性指数值测定与计算

按照 GBT（14175-93）（国家技术监督局，1993）中方法，在标准地中，观测并记录不同乔木树种抗寒、抗旱、抗病虫害、生长特性与发育情况，对以上5个指标进行分级（5级）、调查、记录，分别按照以下公式计算其生态适应性指标值，然后计算出生态适应性总指标值（S）。

式中，X1、X2、X3、X4、X5为各树种各等级株数；∑X为观测总株数。

1.3.3 生态服务价值测算

（1）固碳释氧价值测算

在标准地中，用收获法测算林木地上与地下部分生物量，再根据每个树种树龄，计算出单位面积林木的年平均生长量。采用瑞典的碳税率计算林木的固碳价值，按照2014年美元与人民币汇率，根据固碳量与碳税，计算不同树种的固碳价值。林木每生产1 t干物质释放1.19 t氧气，根据林木年生长量，计算不同树种释氧量，然后按照医用氧气的市场价格，计算林木释氧价值（国家林业局，2008）。

式中，UCFOR为林木固碳释氧价值，单位为yuan·hm-2·a-1；A 为林地面积，单位 hm2；B 为林木年生长量，t·hm-2·a-1；CC为固碳价格，单位 yuan·t-1；CO为氧气价格，单位yuan·t-1；RC为CO2中含碳量，为27.27%。

（2）积累营养价值测算

分别在各标准地采集各树种枝、干与根样品，按样地编号，带回实验室化验分析。测定植物样品中氮、磷、钾含量（鲍士旦，2000）。根据林木生长量与氮、磷、钾含量，计算不同树种单位面积氮、磷、钾积累量，把树木吸收的氮、磷折合成磷酸二铵，钾折合成氯化钾，分别按照磷酸二铵、氯化钾市场价格，计算出林木积累营养的价值（国家林业局，2008）。

式中，Un为林木积累营养价值，单位为yuan·hm-2·a-1；A 为林地面积，单位 hm2；B 为林木年生长量，单位 t·hm-2·a-1；Nn为林木平均含氮量，单位%；Pn为林木平均含磷量，单位%；Kn为林木平均含钾量，单位 g·kg-1；R1为磷酸二铵化肥含氮量，单位 g·kg-1；R2为磷酸二铵化肥含磷量，单位g·kg-1；R3为氯化钾化肥含钾量，单位 g·kg-1；C1为磷酸二铵化肥价格，单位 yuan·t-1；C2为氯化钾化肥价格，单位 yuan·t-1；B为林木年总生长量，t·hm-2·a-1。

（3）保育土壤价值测算

在标准地内与附近无林地分别随机布设3个小样方（0.5 m×0.5 m），在0～60 cm土层取土3次，测定样方内土壤侵蚀量，在标准地内取土样测定土壤养分含量（鲍士旦，2000）。林木保土量为无林地土壤侵蚀量与有林地土壤侵蚀量的差值。水土流失使氮、磷、钾和有机质大量流失，从而增加土壤的化肥施用量，把森林保持这些养分元素的价值换算成减少化肥施用的费用，来衡量林木保肥的价值（国家林业局，2008）。

式中，Ucon为保育土壤价值，单位：yuan·hm-2·a-1；A 为林地面积，单位：hm2；X1为林地土壤侵蚀模数，单位：t·hm-2·a-1；X2为无林地土壤侵蚀模数，单位：t·hm-2·a-1；Csoli为挖取和运输单位体积土方所需费用，单位：yuan·m-3；ρb为土壤容重，单位：t·m-3；N为林分土壤氮平均质量分数，单位：g·kg-1；P为林分土壤磷平均质量分数，单位：g·kg-1；K 为林分土壤钾平均质量分数，单位：g·kg-1；M为林分土壤有机质平均质量分数，单位：g·kg-1；R1为磷酸二铵化肥含氮量，单位：g·kg-1；R2为磷酸二铵化肥含磷量，单位：g·kg-1；R3为氯化钾化肥含钾量，单位：g·kg-1；C1为磷酸二铵化肥价格，单位：yuan·t-1；C2为氯化钾化肥价格，单位：yuan·t-1；C3为有机质价格，单位：yuan·t-1。

（4）涵养水源价值测算

根据水库工程的蓄水成本确定林木涵养水源的价值，水库库容造价采用水库蓄洪工程投资费用来代替水库工程单位库容造价（国家林业局，2008），林木净化水质单位费用采用2014年郑州城市居民用水平均价格。

式中，Uw为森林涵养水源价值，单位：yuan·hm-2·a-1；A 为林地面积，单位：hm2；K 为水的净化费用，单位：yuan·t-1；P为降水量，单位：mm·a-1；E 为林分蒸散量，单位：mm·a-1；Cr为水库建设单位库容投资，单位：yuan·m-3。

（5）净化空气价值测算

选择吸收二氧化硫、滞尘、增加负离子浓度 3个指标，对不同树种净化大气的生态服务功能进行观测，对各树种净化大气的价值进行评估。采用权威机构或部门公布的治理费用、清理费用、生产成本等数据（国家林业局，2008），计算不同树种净化大气的价值。

式中，Up为净化空气的价值，单位为yuan·hm-2·a-1；A 为林地面积，单位 hm2；H 为林分高度，单位 m；Ka为负离子生产费用，单位yuan·ion-1；Qa为林分负离子浓度，单位 ions·cm-3；L为负离子寿命，单位 min；KSO2为二氧化硫治理费用，单位yuan·kg-1；QSO2为单位林分年吸收二氧化硫量，单位 t·hm-2·a-1；Kh为降尘清理费用，单位yuan·t-1；Qh为单位林分年降尘量，单位 t·hm-2·a-1。

（6）生产木材价值计算

根据各树种树干的年生长量与比重，计算其木材材积，按照不同树种的材积及其2014年的平均市场价格，计算各树种木材的价值（邵忠波，2013）。

式中，V为木材生产的价值，单位为yuan·hm-2·a-1；A 为林地面积，单位 hm2；Bg为树干年生长量，单位 t·hm-2·a-1；T 为平均出材率，单位%；Ccost为平均木材生产成本，单位yuan·m-3，ρ为木材密度，单位 t·m-3。

1.3.4 主成分分析

运用SPSS 19.0软件对不同树种的生态适应性指标值与生态服务价值进行主成分分析，参照张朝阳等（2009）和周广生等（2003）的方法，采用隶属函数法对 18个树种的生态适应性指标值与生态服务价值进行综合评价。

（1）隶属函数值

式中，U(xi)为隶属度函数值，xi为指标值；xmin和xmax为某一指标的最小值和最大值。

（2）权重

式中，Wi表示第i个公因子在所有公因子中的主要程度；Pi为各树种第i个指标，表示了各树种第i个公因子的贡献率。

（3）综合指标值

式中，D值为各树种生态适应性与生态服务价值综合指标值。

2 结果与分析

2.1 不同树种的生态适应性

从表1可知，选择的18种主要乔木树种生态适应性总指标值变化范围为 17～24，评定等级达到Ⅰ级的有 12种，包括悬铃木、银杏、雪松、红叶李、黄山栾、白蜡、旱柳、侧柏、毛白杨、圆柏、国槐和107杨，占比为67%；石楠、广玉兰、枇杷、垂柳、女贞和泡桐生态适应性总指标值均达到Ⅱ级，占比为33%。

表1 不同树种的生态适应性指标值Table1 Ecological adaptive index value of different tree species

2.2 不同树种的生态服务功能与价值

2.2.1 不同林地观测数据

表2中列出了18个树种总生长量、材积增长量、土壤侵蚀模数、土壤有机质含量、土壤全氮量、土壤全磷量、土壤全钾量、林分蒸散量、林木氮含量、林木磷含量、林木钾含量、林木SO2需吸收量、林木滞尘量、森林负离子浓度等 14个指标数据，不同林地各项观测值差别较大，根据这些数据，结合式（1～7）计算森林生态服务价值。

2.2.2 不同树种的生态服务价值

从表3可知，悬铃木、银杏、欧美107杨、国槐、石楠与枇杷固碳释氧价值较高，白蜡、黄山栾、圆柏、侧柏与红叶李较低，其他树种中等；银杏、泡桐、枇杷、国槐、白蜡与欧美107杨保育土壤价值较高，垂柳、广玉兰、石楠、悬铃木、侧柏与毛白杨低，其他树种中等；圆柏、雪松、侧柏、白蜡、红叶李与银杏涵养水源价值较高，泡桐、国槐、毛白杨、垂柳、悬铃木与广玉兰较低，其他树种中等；银杏、悬铃木、欧美107杨、旱柳、垂柳与国槐积累营养价值较高，石楠、女贞、毛白杨、红叶李、侧柏与圆柏较低，其他树种中等；雪松、侧柏、圆柏、石楠、女贞与枇杷净化空气价值较高，欧美107杨、泡桐、毛白杨、白蜡、国槐、银杏与红叶李较低，其他树种中等；白蜡、银杏、悬铃木、泡桐、国槐与欧美107杨生产木材价值较高，垂柳、黄山栾、雪松、侧柏、圆柏与红叶李较低，其他树种中等。不同树种总生态服务价值由大到小依次为银杏、悬铃木、白蜡、欧美107杨、国槐、雪松、枇杷、泡桐、石楠、旱柳、黄山栾、女贞、垂柳、广玉兰、毛白杨、圆柏、侧柏、红叶李。

2.3 不同树种生态适应性总指标值与生态服务价值主成分分析

选用1个生态适应性综合指标和6个生态服务价值筛选乔木树种（表1、表3），其他评价指标，如生物多样性保护、减噪、节能减排、游憩等虽然也具有生态服务价值，但是结构比较复杂的森林生态系统生物多样性较高，城市森林与通道绿化减噪效果较好，游憩价值与其所处的环境有关，这些指标不便于进行比较，而本研究对象是郁闭的纯林，故不将其作为生态价值评价的依据。

在对不同树种的生态适应性总指标值与生态服务价值进行主成分分析时，首先计算隶属函数值，本研究用式（8）计算生态适应性总指标值与生态服务价值因子的隶属函数值（表4）。

表5所示为不同树种生态适应性指标值与生态服务价值因子主成分分析的结果，从因子主成分的贡献率来看，第一主成分的贡献率最大，在第一主成分中，生态适应性指标值与涵养水源第一主成分的贡献率均为 0.887，净化空气第一主成分的贡献率为 0.788，具有较大的荷载。但是第一主成分的贡献率不能完全代表原变量的信息，所以计算中用了第一、第二主成分的值。按照式（9），利用第一、第二主成分值求权重系数（表6），通过式（10）求出不同树种的生态适应性指标值与生态服务价值综合指标值。

单一因子评价的重点常集中在某些主要因子的变化上，不能反映树木生态适应性指标值与生态服务价值的总体情况，且以上各项指标变化难以进行精确的比较。由于树木选择因子存在多样性，许

多研究者提出了不同的综合方法，采用了不同的软件进行筛选，但是，目前尚无统一的量化评价方法。

表2 不同林地观测数据Table2 Observation data of different woodland

表3 不同树种的生态服务价值Table3 Ecological service value of different tree species (yuan·hm-2·a-1)

综合指标值 D反映了不同树种生态适应性指标值与生态服务价值的差异性，不同乔木树种D值表现为欧美 107杨＞银杏＞悬铃木＞国槐＞泡桐＞白蜡＞旱柳＞枇杷＞黄山栾＞垂柳＞广玉兰＞石楠＞女贞＞毛白杨＞雪松＞红叶李＞圆柏＞侧柏（表7），D值可以作为乔木树种选择的依据。

表4 不同树种的隶属函数值Table4 Membership function value of different tree species

表5 不同生态服务功能指标成分矩阵Table5 Component matrix of different ecological service function indexes

表6 生态适应性指标值与生态服务价值主成分分析Table6 Principal component analysis of ecological adaptive index value and ecological service value

表7 不同树种的综合指标值Table7 Comprehensive index value of different tree species

3 讨论与结论

3.1 讨论

国外主要利用树种选择手册或树种特征表选择绿化树种，大范围造林项目树种选择的依据是林木固碳与木材生产价值；城市绿化树种选择指标包括树种特性、抗病性、生态服务功能、景观效果、环境条件、栽培与养护成本。国内绿化树种“适地适树”原则主要考虑树种的特性与环境条件。国内外绿化树种选择指标主要包括树种的生态适应性、生态服务功能、景观效果、环境条件、栽培管理费用等方面，现有的树种选择定性研究比较多，定量研究较少。本研究对绿化树种的生态适应性与主要生态服务价值共 7个量化指标进行分析，求出了树种选择的综合指标值，对树种量化选择进行了探讨。

河南的乡土树种主要有杨树、柳树、榆树、槐树与椿树等，有的乡土树种生长慢，观赏价值较低，在平原区造林绿化中应用较少，引进树种生长较快，树形优美，在城乡绿化中所占比例越来越大。引进的树种在适应逆境过程中，外观形态、各器官结构常常会产生一系列变化，通过这些变化能够对其生态适应性进行观测评价。例如从南方引进的常绿阔叶树，首先面临的问题是抗寒性，其次是抗旱性，如果生长不良，病虫害会比较严重，生长发育不良，所以选择了相应的5个指标来评价乔木树种的生态适应性。

森林生态服务价值评价指标确定依据各不相同，国家林业局制定的森林生态价值评价指标体系有8个类别 14项指标（国家林业局，2008），是比较全面的评价指标体系。城市森林生态价值评价指标一般较少，指标主要集中于城市森林净化空气、固碳释氧、游憩等对城市居民有较大影响的方面（肖建武等，2011；韩明臣等，2011）。本研究结合河南中北部造林与城市绿化的实际，选择了使用频率较高的 6个生态服务价值评价指标，测算了不同树种的生态服务价值，作为绿化树种选择的依据。

采用主成分分析法，对河南中北部平原区 18个乔木树种的生态适应性与生态服务价值进行了量化评价，根据生态适应性与生态服务价值综合指标值，对不同树种进行排序，为乔木树种选择确定了一个量化方法。根据观测，生态适应性强与生态服务价值较高的树种一般能够适应当地的立地条件，生长良好，用量化评价方法筛选乔木树种可操作性强。

基于林木的生态适应性与生态服务价值，采用主成分分析方法可以确定绿化树种之间的差异，也提供了一种易于操作的树种选择方法。以生态适应性与生态服务价值量化评价结果为依据，结合造林绿化目的与环境条件，可以营造结构合理、景观优美的森林，提供更高的生态服务价值。

3.2 结论

（1）悬铃木、银杏、雪松、红叶李、黄山栾、白蜡、旱柳、侧柏、毛白杨、圆柏、国槐（Sophora japonica）和欧美107杨12个树种生态适应性较强，石楠、广玉兰、枇杷、垂柳、女贞和泡桐6个树种能够适应当地环境。

（2）不同树种总生态服务价值由大到小依次为银杏、悬铃木、白蜡、欧美107杨、国槐、雪松、枇杷、泡桐、石楠、旱柳、黄山栾、女贞、垂柳、广玉兰、毛白杨、圆柏、侧柏、红叶李。（3）生态适应性与生态服务综合指标值较高的树种有欧美107杨、银杏、悬铃木、国槐、泡桐与白蜡；综合指标值中等的树种有旱柳、枇杷、黄山栾、垂柳、广玉兰、石楠、女贞、毛白杨；综合指标值较低的树种有雪松、红叶李、侧柏与圆柏。考虑到综合指标值较高的树种具有较强的生态适应性与生态服务价值，建议在当地造林绿化中优先选择生态适应性与综合指标值较高的绿化树种。

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