气候变化对上海园林植物引种区的影响趋势预测

张德顺,刘 鸣,刘晓萍,路 萍

（同济大学建筑与城市规划学院,上海200092）

2002年上海参评全国园林城市时,有风景园林专家就指出了园林绿地缺乏植物多样性的短板。上海市生态系统的构建和区域植物景观的营造离不开植物引种驯化[1],但盲目引种会造成植物不适应未来的气候特征而生长不良或死亡。经过近15年的引种驯化,上海园林植物种类增加了500—1000种。但是,在众多的引进植物中,存在着国外种类多、国内种类少,试验的成分多、确定的成分少,栽培品种多、乡土物种少,目前应用尚可、未来适应幅度不明等问题。特别是最近40年来,全球气候变化已是不争的事实,高密度人居环境下的城市气候变化也日益明显[2],园林树种的气候适应性研究显得尤为迫切。因此,科学地选择植物种源地,大幅度增加区域植物的种类成份,能为增强上海未来园林绿地生态弹性策略的制定提供有效参考和指导。

目前,国内引种实践总结出了众多理论,包括极限低温分区论[3]、气候相似论[4-6]、区系发生论[7]、协调统一原则[8]和生境因子分析法[9-10]等。这些理论中实践最广泛、最简捷的是气候相似理论,即与原产地气候条件相似度高的地区,植物最可能引种成功。历年来,用模糊相似优先比法在林业引种和林业管理的成功应用案例已获得大量的实践证明和检验[11-17]。

为了探讨未来气候变化对上海及周边地区园林植物引种区域的潜在影响,本研究利用1970—2000年气候资料对上海相近纬度的150个城市的各气候因子按模糊相似比法进行排序聚类,生成与现代上海气候相似的区域图示;并收集关于预测我国未来气候变化趋势的文献,整理归纳并引用其结论成果,分别探讨2030—2050年气温和降水变化对150个城市的潜在影响;最后,基于现代气候资料和气候变化预测结果,对未来与上海气候相似的城市和区域进行聚类分析,以期为未来上海园林植物的种源地选择提供参考建议。

1 研究对象

上海地处北纬30°40′—31°53′,东经120°52′—122°12′,从历年来上海园林植物的地理区系成分可知,植物引种的北界在秦岭—淮河一线,南界主要包含江南丘陵,延展引种区域随长江流域向华中内陆纵深,直至重庆山地、四川盆地以及云贵高原部分地区。据此,选择北纬25°至35°之间的150个城市及其所在地域为研究对象（图1）,包括长江中下游地区、江淮地区、江南丘陵、江汉平原、西南山地、成都平原、秦岭地区以及东南沿海的不同气候类型区的典型代表地市。

图1 选取的150个城市的地理坐标分布Fig.1 Geographical map of 150 selected cities

2 资料与方法

2.1 资料来源

2.1.1 现代气候资料

现代气候资料从世界气候网站（WorldClim-Global Climate Data,http:∕∕worldclim.org∕version2）下载气温和降水的月值气候数据集（1970—2000年）,包括年均气温（℃）、最低平均气温（℃）、最高平均气温（℃）、年均降水量（mm）、太阳辐射量（kJ·d-1·m-2）。

2.1.2 未来气候资料

在大量相关文献检索的基础上,筛选出2006—2016年12篇[18—29]关于预测我国未来气候变化与趋势的文献（表1）,对其预测结果和图示进行分类整理。运用GIS 10.2软件平台,统一设定地理坐标系与投影坐标系,拟合反演预测结果至前文所列的150个城市中,作为未来气候变化的参照数据。

表1 我国未来气候变化的趋势与预测文献列举Table 1 Literature list of future climate change trends and prediction results in China

从上述文献中可知,未来我国大部分地区的气温和降水均呈上升趋势,且北方增温趋势大于南方,而降水则相反。然而,由于预测模式、数据资源以及预测年限的不同,局地预测结果并不一致,存在一定程度上的不确定性。例如,有预测认为长江中下游地区未来降水趋势比较明显,但另一些预测结果却认为江淮地区未来降水增速较快。

2.2 计算方法

采用模糊相似优先比法,即欧式（Euclidean）距离相似优先比法来处理分析数据[11]。此方法被广泛应用于植物引种地和栽培适宜区的选择。具体步骤如下:首先,对原始数据作归一化处理

其中,xis、ximin和ximax分别为第s个因子在样本集中的因子值、最小值与最大值。用相对欧氏距离计算被选样品xi与固定样品xo之间的差异,用公式

定义相似优先比为

由此,获得模糊相似优先比矩阵R=[rij],取λ水平截集评选出备选样品相似次序即为结果。

3 结果与分析

3.1 选择城市与上海气候的模糊相似聚类

利用1970—2000年的各地市气候因子与上海气候因子计算模糊相似优先比,按相似系数进行系统聚类（图2）,结果显示:与现代上海相似的区域呈现明显的纬度地带性特征,基本与中国气候区划中的北亚热带区域相当,说明所得聚类结果有较高的可信度。核心区域不仅包含苏南太湖周边、浙北钱塘周边与上海市域外,还沿北纬30°由东向西延伸至鄂南江汉平原各地市。次核心区域与南边暖湿区域则分别表现出相对的低温低湿气候因子和高温高湿气候因子的距离差距。冷湿区域所示的川渝山地和成都平原地区以及黔北高原地市与上海气候存在明显的气温与降水上的差异性,冷干区域所示的靠近北纬35°的豫皖苏平原北部、秦岭一带的最低气温与上海有较大差异。不相似区域基本上与上海气候相似性系数最低,表现出极大的距离差距。

图2 与上海现代气候相似的聚类分布Fig.2 Clustering areas similar to Shanghai current climate

3.2 未来气温变化与上海气温的模糊相似聚类

通过对我国未来气候变化趋势预测的文献资料整理,提取气温变化的数据反演至150个地市,按模糊相似优先比进行聚类（图3）。根据未来气温增温且北方升温幅度高于南方的预测结果,核心区和次核心区表现出明显的向北扩展的趋势。此外,由于长三角地区高密度城市群的热岛效应作用也在一定程度上助推了未来区域气温的升高,故上海地区与江汉平原城市的温差距离增大,导致核心区面积缩减。北边的冷干区域由于增温效应向西退缩,并向南侧的华中地区伸展。东南沿海的浙闽地区由于气温整体水平较上海地区的绝对值差距较大,加之未来增温的影响,进一步扩大了两者之间的差距。现代气温变化趋势和未来预测结果表明,未来川渝地区的气温有很大可能出现相对下降的趋势。其他区域与上海未来的气温变化差异增大,表现出较大的相异性。

图3 未来气温变化与上海气温相似的聚类分布Fig.3 Clustering areas similar to Shanghai future temperature change

3.3 未来降水变化与上海降水的模糊相似聚类

相对于气温变化,未来降水趋势预测具有较大的不确定性。通过模糊相似优先比序列聚类,与当今气候和气温变化的条带状格局不同,未来降水变化呈现出斑块状格局（图4）。核心区域的降水除包含长三角核心地市外,也表现出一定的纬度分布特征,即涵盖了沿北纬32°延伸的皖中地区。虽然次核心区与核心区的纬度幅度大致相同,但降水量稍偏低,这与海陆空间和季风的相关性更为明显。由于南方降水增加的趋势,暖湿区域和东南沿海区域均表现出向华中内陆地区纵深的趋势。北边冷干区域的降水受各个预测模式之间的差异存在较大不确定性,虽然在降雨量上与核心区存在较大的距离,但很有可能受未来降水趋势的增强而与次核心相似区相融合。冷湿区域受海陆距离空间的制约,未来降水量可能呈现相对下降的趋势,对当地植被的季节性抗旱性提出了潜在的要求。

图4 未来降水变化与上海降水相似的聚类分布Fig.4 Clustering areas similar to Shanghai future precipitation change

3.4 未来气候变化与上海气候的模糊相似聚类

综合以上分析,对所有现代气候、未来气温变化和未来降水变化的各气候因子组成矩阵,进行综合模糊相似聚类（图5）。受气温和降水增加趋势的综合影响,与现代气候相比,核心区域略向北偏移,即北亚热带北缘线将以弧形向东北偏移。上海与南京的气候相似程度较杭州高,即未来的上海和南京仍属北亚热带代表性城市,而杭州可能将归属中亚热带北缘城市。次核心区域由原鄂北地区南迁至鄂南湘北地区,南北移动距离2°以上。南边湿暖区域受北面南下的次核心区域和更温暖湿润的赣南、闽南地区的双重挤压,形成与次核心区几乎平行的外围带状特征。北边冷干区域由于潜在气温和降水的增加,明显向南延伸至华中腹地。西南川渝和贵州北部气候整体上未体现出变化,独特的温度和降水条件使其自成体系。川西南和滇北仍然与上海地区的气候差距较大。

图5 未来气候变化与上海气候相似的聚类分布Fig.5 Clustering areas similar to Shanghai climate change

4 结论与讨论

4.1 基于模糊相似优先比法的相似气候区域聚类结果较为可靠

基于模糊相似优先比法对1970—2000年的与上海纬度相近的150个地市气候因子的相似性聚类结果表明,与当今上海相似的区域呈现明显的纬度地带性特征,按其气温和降水与上海相似性的疏远,依次呈现出相对的核心区、次核心区域、暖湿区域、干冷区域、冷湿区域和不相似区域,这与中国气候区划,以及中国植被区划具有高度的相似性。例如,核心区与次核心区基本上与北亚热带季风落叶常绿阔叶混交林气候（北亚热带）重叠;冷干区域则属于暖温带季风半旱生落叶阔叶林气候（南温带）;暖湿区域与中亚热带季风常绿阔叶林气候（中亚热带）区域大致相当,这都与预测的聚类结果有较高的一致性。

4.2 气候变化的湿暖趋势影响着上海园林植物的种源地选择

环太湖低山丘陵一直是上海核心引种区,气候、土壤、人文特征均较为相似,园林植物引种成活率高。但因气温和降水的年际变化影响,园林植物的最适生区的南界和北界往往也表现出波动特征,如遇温暖年,从苏北可引种常绿树种,但遇寒冷年,杭州引种的常绿树种也会遭遇霜冻寒害,造成严重经济损失。随着未来气候变暖和城市热岛的双重作用,引种核心区域略向北伸展,即未来南京、扬州的气候与上海更为相似,植物引种成活率提高。而南边的浙北地区的园林植物将会得到更多的湿热条件,引种上海则更加适应由城市气候主导的市区湿热小气候环境。值得未来园林引种关注的地区是华中中部地区,包括豫南和鄂北的低山丘陵、江汉平原以及湘北地区,温度和降水状况与上海地区的差距正在减小,有望成为上海园林植物引种的潜在种源地。而川渝地区和云贵高原的气候特征在未来仍与上海有较大差距,引种时还需具体问题具体分析。

尽管如此,在实际植物引种时,地质地貌、土壤性质、海拔变化、立地小气候等环境因子以及生物因子也是重要的制约因素。例如,苏南地区土壤性质为水稻土,江南丘陵大部分土壤为黄壤或红壤土,华中地区为灰色森林土。上海成陆较早的青浦、松江地区土壤呈弱酸性,其他大部地区呈中性偏碱,沿海地区呈碱性,对喜酸性植物引种十分不利,在园林植物引种时需要对地形进行改造、对土壤进行改良、对不利环境进行生态调控。

4.3 地域性园林植物有利于增强城市生态系统弹性以适应气候变化

利用具有乡土特征的物种构建未来上海高密度城市生态系统,能为应对未来气候变化提供较为宽阔的弹性空间。结果显示,无论气候如何变化,上海在气候特征上属于苏南太湖流域的地域性属性再次得到验证。这从过去、现在以及未来的气候变化的聚类结果中都得到强有力的证明。增强当地地域性植被成分,增加区域植物物种多样性,有利于构建稳定的城市生态系统,有利于整体生态体系弹性服务功能的综合发挥,能较适应未来变化的动态气候情景。未来的上海园林植物选择与生态系统构建,应以当地优势植物群落为主体,加大对地域性植物的引种驯化力度,调整和控制外来植物所占数量和比例,充分发挥绿地、林地、湿地以稳定的植物群落为主体的各项服务功能,以保障绿地系统的健康可持续发展,维系整体生态系统的安全。