北京市首都功能核心区国槐健康评价及其影响因素研究

李佳慧，彭祚登，刘 勇，马 红

(1北京林业大学 林学院，北京 100083；2北京市园林绿化国际合作项目管理办公室，北京 100013)

国槐(Sophorajaponica)因其墨绿的叶色、浓密云团状的树冠、高大的树形而深受人们喜爱，再加上遮荫效果好、适应能力强、寿命长、药用食用价值广泛、历史文化内涵丰富等特征，被广泛应用于城市绿化、园林造景等[1]。国槐也是北京市的市树，是城区内栽植量最多的树种，尤其是在行道树栽植中应用最为普遍。根据北京市最新城市规划，北京市东城区和西城区被规划为首都功能核心区(简称核心区[2])，该区域内的公园、街道等绿化树种的健康状况受到全社会的广泛关注，其中国槐的栽植数量约占该区绿化树木总数的57.40%，因受环境和人为活动干扰较大，目前树木倒伏、枯枝垂落等问题给居民生活带来不少负面影响。

“树木健康”主要是指树木良好的生长状态，可用来反映树木的生长状况，当树木生长茁壮并具有良好结构时，其会具有更高的生态、景观和社会价值[3]。树木健康评价方法以及不良树木的危害情况一直是国内外研究的重点之一[4-5]，其中森林健康评价的研究起步较早，在评价尺度和方法、评价对象等方面研究比较成熟[6-8]。随着科技的发展，一些先进的技术手段，如应力波诊断法[9]、声学激光技术[10]等被应用于城市树木健康评估。这些先进方法虽然提高了评价结果的准确度，但所需技术要求过高，且对树木本身会造成一定程度的伤害，现多用于古树或干材质量的评估，并不适用于栽植广泛的城市树木的健康评价。城市树木的生长和营养状况以及潜在风险都可在树木的形态和外貌上表现出来[11]，对树木健康与安全性的评价可通过观察或测量树木的各种外部表现直接诊断，或者依据数学模型等方法间接进行健康诊断[12-13]。目前健康评价方法研究中应用最多的是层次分析法、主成分分析法、灰色关联分析法等[14-16]。不同的评价方法各有其优缺点，评价结果精度也不同，目前健康评价越来越呈现出多种方法相结合的趋势。

当前城市树木健康评价的对象主要集中在城市公园、城郊片林、古树名木上[17-19]，且以城市树木结构特征[20-21]的研究较多。国内部分学者依据树木养护标准，从树冠、树干和根区等部位的表现用量化树木健康等级[22-23]来评价城市树木健康状况，但是除树木本身遭受病虫害、真菌生物等因素的影响外，修枝等防护措施、生境处土壤环境条件等其他潜在因素对树木生长造成的危害也不容忽视[24-25]。据此本研究基于北京市国槐健康状况的实地调查，结合管护措施和环境因子等，建立国槐健康评价模型，及时、准确地评估北京核心区国槐的健康状况，并揭示影响该地区国槐健康生长的重要因素，为科学制定国槐养护管理计划提供重要依据，以最大限度地发挥国槐的生态和景观功能，为和谐美丽的首都功能核心区建设提供支持。

1 研究区概况

研究区位于新规划的首都功能核心区，地处北京中部核心地区，包括北京市的东城区42 km2和西城区51 km2，总面积为93 km2。核心区多年平均气温 11.4 ℃；年均降水量 545.9 mm；气候为典型的北温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，雨热同期，冬季较长且寒冷干燥，夏季短促且高温多雨；土壤类型主要为壤土。有研究表明[26]，至2017年底，核心区绿地总面积2 162.16 hm2，公园绿地面积1 128.59 hm2，东城区和西城区的人均公园绿地面积分别为7.38和4.1 m2，人均绿地面积分别为12.94和8.7 m2，绿化率分别为26.31%和20.99%。首都功能核心区的绿地总量十分有限，而且分布在城市高密度环境下，现有的绿地较零散地分布在核心区内。

2 研究方法

2.1 数据调查方法

调查于2018年7-10月在国槐生长期进行，选取核心区范围内栽植树种为国槐的所有区域作为研究对象，按照其生长地点的不同划分为主要街道、胡同、绿地3种区域类型，并对区域内生长的31 475株国槐的生长指标以及所处的环境条件进行了每木调查，主要街道、胡同区域内的绝大多数国槐单株的胸径在20～50 cm，但也有胸径特大的古树散生；绿地区域内的国槐单株胸径范围较大。不同区域国槐单株的分布特点如表1所示。

2.2 树木健康一级和二级诊断方法

通过调查树木枝、干、叶、根等的生长状态以及病虫危害等，进行一级健康诊断，然后对一级诊断为不健康的单株进行精细诊断，即二级诊断，之后建立评价模型，再进一步对其受害程度进行评判和分析。

一级诊断参照日本树木医生给树木进行健康检查的方法，调查树木是否存在偏冠、叶色异常、落枝倒伏等危险性以及树皮损伤腐朽、木质部开裂、蛀干害虫、病害、树干异常音(木槌敲击声音呈现异常)、树基松动、根部腐朽、主干倾斜、阻碍交通、无防踩实措施、修枝不规范等14种不良状况。诊断结论分3个层次，若所有调查项目全部无异常且树木干形挺拔、树冠浓密评为“优”(健康)；若所有调查项目无异常或1项轻微异常且树木长势一般评为“良”(亚健康)；若≥2项调查项目有异常，则评判为“差”(不健康)。按照上述方法，依据研究区调查树木的实际生长状况进行树木单株健康等级判定。

二级诊断是对一级诊断结果为“差”(不健康)的植株进行精细诊断，调查树根部的裸露、松动、腐朽深度情况；计算树干基部、树干部位和大枝部位的损伤开裂宽度所占周长比；木槌敲击树体是否有异常音；观测记录树木的病虫害、倾斜状况、树冠枯枝、留茬枝等情况；记录植株生境处的遮荫、与设施距离、防踩铺装方式、修剪方法、栽植距离、栽培管护等情况，筛选评价指标然后对指标进行赋值，并利用主成分分析和聚类分析评估植株受害等级，按照树木受害程度依次递增的顺序分为1级、2级、3级、濒死4个等级。

2.3 评价方法

2.3.1 筛选健康评价指标 树木生长受环境和人为因素的影响，树木根、大枝、树干等部位的外部生长状况可直接反映树木受胁迫的迹象及其健康状况。本研究参考翁殊斐等[27]和汪瑛[28]的评价指标体系和指标健康等级赋值原则，共选取了二级诊断的10个影响程度较大的指标，指标健康等级最高赋值为5并逐级递减。所选指标及其赋值原则如下:

基部完整率(X1)。基部完整率=(1-损伤宽度/树干周长)×100%，其中损伤宽度指树皮损伤、木质部开裂、腐朽等情况的最大宽度。

基部空洞程度(X2)。目测无空洞且木槌敲击无异常音，赋值3；异常音小，赋值2；异常音大或目测有空洞，赋值为1。

树干完整率(X3)。与基部完整率计算方法相同。

树干空洞程度(X4)。与基部空洞程度赋值原则相同。

根部腐朽程度(X5)。以钢棒倾斜45°时的插入深度为腐朽深度依据，目测无腐且钢棒不能插入赋值5；腐朽深度0～5 cm赋值4；腐朽深度≥5～<10 cm赋值3；腐朽深度≥10～<15 cm赋值为2；腐朽深度≥15 cm赋值1。

一级枝健康程度(X6)。受害率=损伤宽度/周长，其中损伤宽度指树皮损伤、木质部开裂、腐朽等情况的最大宽度。受害率为0，赋值5；受害率≤1/4，赋值4；受害率>1/4～≤1/3，赋值3；受害率>1/3～≤2/3，赋值2；受害率>2/3，赋值1。

整体病虫害(X7)。受害率=受害宽度/周长，其中受害宽度指寄生物危害、病害等致树皮损伤的最大宽度。受害率为0，赋值5；受害率≤1/4，赋值4；受害率>1/4～≤1/3，赋值3；受害率>1/3～≤2/3，赋值2；受害率>2/3，赋值1。

长势与枯枝(X8)。冠形圆满、长势良好无枯枝，赋值5；≤10%树冠微缺和枝条枯死，赋值4；>10%～≤20%树冠缺损和枝条枯死，赋值3；>20%～≤30%树冠缺损和枝条枯死，赋值2；>30%树冠缺损、偏冠严重和枝条枯死，赋值1。

留茬枝与修剪(X9)。修枝规范无留茬枝，赋值3；修剪不当的留茬枝直径<10 cm或长度<20 cm，赋值2；留茬过高的留茬枝直径≥10 cm或长度≥20 cm，赋值1。

环境影响(X10)。生长空间充足无遮荫、有防踩铺装，赋值5；栽植密度较小无遮荫、有防踩铺装，赋值4；树枝与公共设施近遮荫、无防踩铺装，赋值3；阻碍交通、生长空间受限或<1/2根部裸露，赋值2；根基部可晃动或≥1/2根部裸露，赋值1。

2.3.2 健康评价模型的建立 采用主成分分析、聚类分析、判别分析3种方法对国槐的健康状况进行科学评价。首先对评价指标数据进行标准化处理，计算相关系数矩阵；提取累计方差贡献率80%以上的主成分，计算主成分的因子载荷矩阵、特征值和主成分载荷矩阵，得出主成分的表达式；然后根据主成分的方差贡献率计算权重，从而计算每株树木的健康综合得分；最后对健康综合得分进行聚类分析和判别分析，评定树木的受害等级。受害等级评价结论分为1级、2级、3级、濒死4个层次。

(5)m个主成分的综合评价。先对m个主成分进行加权求和，权数一般采用公式wi′=wi/(w1+w2+…+wm)(其中i=1,2,…,m)进行归一化处理，即用每个主成分的方差贡献率wi除以累计方差贡献率，得到主成分的得分值，然后对树木进行健康评价。

(6)计算每株树木的健康综合得分Y。公式为：

Y=(w1U1+w2U2+…+wmUm)/累计方差贡献率。

2.4 首都功能核心区国槐健康状况的主要影响因素分析

当前关于城市林木的研究内容多倾向于结构特征分析，林木的健康评价仅考虑林木本身生长状况，而忽视其他潜在因素的影响。所以本研究基于北京首都功能核心区1 623株国槐的二级诊断调查数据，参考专家意见，选择胸径、冠幅、修剪方法、防踩铺装、与设施距离、遮荫情况等6个影响程度较大的因素，并依据国槐的二级健康评价结果，从生长因素(胸径、冠幅)、管护措施(修剪方法、防踩铺装)、环境因子(与设施距离、遮荫情况)3个方面探究国槐林木健康状况的影响因素。由于国槐为较速生树种，研究中以10 cm为梯度将胸径划分为6个水平，分别为≥20～<30，≥30～<40，≥40～<50，≥50～<60，≥60～<70，≥70 cm； 以5 m为梯度，将冠幅划分为5个水平，分别为≥0～<5，≥5～<10，≥10～<15，≥15～<20，≥20 m；修剪方法划分为3个水平，分别为留茬过高、修剪不当、修剪规范；防踩铺装划分为6个水平，分别为无铺装、网格铺装、透气砖铺装、砂石覆盖、有机材料覆盖、水泥铺装；参照城市林木的一般栽植株行距，以2 m为梯度，将树木与设施的距离划分为5个水平，分别为≥0～<2，≥2～<4，≥4～<6，≥6～<8，≥8 m；遮荫情况划分为2个水平，分别为遮荫和无遮荫，采用2.3节建立的健康评价模型，计算每株树木的健康综合得分，评价不同因素对国槐健康状况的影响。

2.5 数据处理

本研究采用SPSS 19.0和Excel 2010进行数据统计与分析，利用单因素方差分析(One-way ANOVA)和邓肯多重比较(Ducan test)，探究核心区内国槐的健康状况及其影响因素。

3 结果与分析

3.1 北京首都功能核心区国槐的一级健康评价

调查可知，北京首都功能核心区内国槐数量共31 475株，其中东城区共12 185株，占比38.71 %；西城区共19 290株，占比61.29 %，西城区国槐的总数量大于东城区。研究区国槐的一级健康评价结果见图1。由图1可知，北京市核心区内3个健康等级的林木数量均呈正态分布，健康和亚健康状态的林木所占比例均较大，分别为12.81%和82.03%；不健康等级林木所占比例最小，为5.16%。从不同健康等级的变化特点看，3个健康等级林木在西城区所占比例均较大，且东城区亚健康的国槐株数远小于西城区，而两个城区内健康和不健康国槐数量的差距较小。

图1 北京首都功能核心区国槐的一级健康评价结果

3.1.1 东城区不同区域国槐的一级健康评价 由图2可知，在北京市东城区主要街道、胡同2个区域内，3个健康等级的国槐数量均呈正态分布规律，亚健康状态国槐所占比例大，健康和不健康等级国槐所占比例较小。东城区有10 852株国槐分布在主要街道，1 144株分布在胡同，只有189株分布在绿地区域。从不同健康等级的变化特点看，健康等级国槐分布在绿地区域的比例大，在胡同的比例小；亚健康等级国槐分布在主要街道的比例大，在绿地区域的比例小；不健康等级国槐分布在胡同的比例大，在绿地区域的比例小。

图2 北京东城区国槐的一级健康评价结果

3.1.2 西城区不同区域国槐的一级健康评价 由图3可知，北京市西城区主要街道、胡同、绿地3个区域内，3个健康等级的国槐数量均呈正态分布规律，亚健康状态国槐所占比例大，健康和不健康等级国槐所占比例小。西城区有16 478株国槐分布在主要街道，2 787株分布在胡同，只有25株分布在绿地区域。从不同健康等级的变化特点看，健康等级国槐分布在绿地区域的比例大，在主要街道的比例小；亚健康与健康等级国槐的分布特点则相反；不健康等级国槐分布在主干街道、胡同两个区域的比例较为相近。

图3 北京西城区国槐的一级健康评价结果

3.2 北京首都功能核心区国槐的二级健康评价

3.2.1 健康评价指标分析 北京市首都功能核心区国槐的样本数据可以通过KMO和Bartlett球形检验，对数据进行因子分析发现，前5个特征根的值均大于1，且累计方差贡献率达82.518%(表2)，满足筛选要求，因此选取了能包含绝大多数信息的5个主成分，作为国槐健康评价的综合指标。

表2 北京市首都功能核心区国槐的主成分特征根和方差贡献率

3.2.2 指标权重的确定 当某一指标在某一主成分上的因子载荷值的绝对值最大时，则该主成分包含了该指标的绝大部分信息，即该指标与该主成分相关程度最高。当某一主成分存在因子载荷绝对值较大的不同类型的多个因子时，则无法将该主成分清晰地定义归属类型，这也验证了树木的健康状况是多个影响因素相互联系、共同作用的结果。本研究基于10个影响程度较大的指标构建北京市首都功能核心区国槐评价指标因子载荷矩阵，结果见表3。

表3 北京市首都功能核心区国槐的评价指标因子载荷矩阵

U1=-0.072ZX1+0.044ZX2-0.070ZX3+0.063ZX4-0.031ZX5+0.227ZX6+0.222ZX7+0.571ZX8-0.472ZX9+0.578ZX10；

U2=0.430ZX1+0.164ZX2+0.307ZX3-0.08ZX4+0.252ZX5+0.539ZX6+0.540ZX7-0.146ZX8+0.042ZX9-0.140ZX10；

U3=0.261ZX1+0.677ZX2+0.033ZX3+0.417ZX4+0.382ZX5-0.315ZX6-0.204ZX7+0.055ZX8-0.085ZX9+0.038ZX10；

U4=-0.515ZX1+0.228ZX2-0.361ZX3+0.523ZX4-0.129ZX5+0.235ZX6+0.364ZX7-0.130ZX8+0.196ZX9-0.135ZX10；

U5=0.076ZX1-0.035ZX2+0.651ZX3+0.445ZX4-0.602ZX5-0.072ZX6+0.000ZX7-0.021ZX8-0.058ZX9+0.012ZX10。

按公式Y=(w1U1+w2U2+…+wmUm)/累计方差贡献率，可得国槐树木健康评价模型为：

Y=(25.478U1+17.711U2+14.892U3+12.878U4+11.559U5)/82.518。

3.2.4 国槐健康等级的判别分析 将国槐的健康综合得分按K-均值聚类法处理，然后利用Fisher线性判别分析检验K-均值聚类结果的准确性，结果见表4。由表4可知，按K-均值聚类法，研究区国槐有1级受害植株479株，2级受害植株600株，3级受害植株384株，濒死植株160株；Fisher线性判别检验结果显示，仅有1级、2级、濒死3个受害等级的5株的分类存在争议，可知K-均值聚类法分类结果的正确率高达99.69 %，故采用此分类结果。

表4 基于K-均值聚类法的北京市首都功能核心区国槐的健康判别结果

3.2.5 首都功能核心区国槐二级健康评价结果 依据国槐树木健康评价模型，对研究区内1 623株不健康国槐进行受害等级评价，结果发现，其中轻微受害的1级国槐为479株，占比29.51%；较严重受害的2级国槐有600株，占比36.97%；严重受害的3级国槐有384株，占比23.66%；受害症状极严重的濒死国槐有160株，占比9.86%，国槐的受害情况逐级递增，可知北京市首都功能核心区不健康国槐的大部分植株受害症状十分严重，亟需进行处理。

3.3 北京首都功能核心区国槐健康状况的影响因素

3.3.1 胸径和冠幅 由表5可知，胸径(D)对国槐的健康有显著影响(P<0.05)，整体来看随着胸径的增大，树木健康综合得分呈现出递减趋势。当胸径≥20～<30 cm时，其健康综合得分最高;当胸径≥30～<40，≥40～<50 cm时健康状况差异不显著，且二者的健康综合得分显著高于其他3个胸径水平；当胸径≥70 cm时国槐的健康综合得分最低。

由表5可知，冠幅(W)对国槐的健康有显著影响(P<0.05)，整体来看随着冠幅的增大，树木健康综合得分总体呈递减趋势。当冠幅≥5～<10 m时树木的健康综合得分最高;当冠幅≥15～<20 m时树木健康综合得分最低，且显著低于其他4个水平。当冠幅≥20 m时，国槐大多为古树，可能是因为受到了良好的保护所以均比较健康。

表5 胸径和冠幅对北京市首都功能核心区国槐健康的影响

3.3.2 修枝及管护措施 由表6可知，修剪方法对国槐的健康有显著影响(P<0.05)，留茬过高、修剪不当、修剪规范3个水平下国槐健康综合得分具有显著性差异，其中修剪规范的国槐健康综合得分最高，国槐健康状况最好；留茬过高的国槐健康状况最差。3种修剪方式下树木健康综合得分大小表现为修剪规范>修剪不当>留茬过高。

由表6可知，不同防踩铺装措施对国槐的健康有显著影响(P<0.05)，有机材料覆盖的国槐健康综合得分最高，且健康综合得分显著高于其余几种防踩铺装，其余防踩铺装的国槐健康状况无显著差异。其中树木基部不透水不透气的水泥铺装的国槐健康综合得分最低，树木健康状况最差。不同管护措施下，树木健康综合得分大小表现为有机材料覆盖>无铺装>透气砖铺装>砂石覆盖>网格铺装>水泥铺装。

表6 修枝和管护措施对北京市首都功能核心区国槐健康的影响

3.3.3 环境因子 由表7可知，与设施距离(L)对国槐的健康有显著影响(P<0.05)，当树干与设施距离为≥0～<2 m时，树木健康状况较差；与设施距离≥2～<4 m时树木健康综合得分最高，且与设施距离≥4～<6 m树木的健康综合得分差异显著，这可能是由于与设施距离≥4 m时,树木健康受其他因素影响较大，所以其余距离水平下树木健康综合得分无显著差异。

由表7可知，是否遮荫对国槐的健康无显著影响(P>0.05)，树木健康综合得分大小表现为无遮荫>遮荫。

表7 环境因子对北京市首都功能核心区国槐健康的影响

4 讨 论

国内外学者在树木健康评价领域开展了大量研究，为树木的科学保护提供了可靠的技术支撑。不同的树木健康评价方法各有其优缺点，主成分分析法在林木健康评价中的指标选择和指标权重确定方面具备优势，能有效消除评价指标之间的相关影响，并能避免主观赋权法因主观随意性而造成的误差[29]。张顺祥等[15]、杨玲[16]、郭琼[30]、李梅[31]都利用该方法对森林、生态系统以及人工林等进行了健康评价。本研究在主成分分析法的基础上，用健康综合得分来反映国槐的整体健康状况，用聚类分析法判定健康等级，用判别分析法[32]进行检验，使评价结果的准确性较高。本研究结合了修枝管护以及环境因子建立的国槐健康评价体系，弥补了只根据林木外部生长状况进行健康评价的不足，得到的健康、亚健康、不健康3级评价结果与张顺祥等[15]和刘金良等[33]对刺槐人工林健康评价、杨玲[16]对古柏林健康评价、权俊花[34]对城市国槐健康评价研究中的偏正态分布规律基本一致，且本研究得到的健康受害等级评价结果与国槐的实际生长状况一致，说明本研究所建立的评价模型在树木健康评价中具有良好的适用性。

林木的健康状况与其年龄大小紧密相关，随年龄的增加其胸径和冠幅也相应增大。本研究结果表明，当国槐的胸径(D)>20 cm后，随着D的继续增大其健康综合得分呈降低趋势；随着冠幅的不断增大，国槐的健康程度呈先增强后减弱的趋势，当冠幅≥5～<10 m时树木健康综合得分最高，生命力强且健康，这与刘金良等[33]刺槐林和高乾奉[35]对国槐林的评价结果基本一致。城市行道树个体受人为和环境因素影响较大，调查中发现，核心区内国槐植株普遍存在枯枝、车辆剐蹭导致的树皮损伤、修枝处理不当造成的树皮撕裂腐朽等一个或多个受害症状，建议及时修剪枯枝、合理处理受损部位以及规范修枝技术，以改善核心区国槐的健康状况。

随着城镇化的发展，城市土壤硬化严重，其理化性质及生物组成都发生了很大改变，出现了土壤结构破坏、土壤紧实、含水量低、通气性差、温度较高、土壤养分的有效性降低等问题，严重影响了植物的生长和城市的生态环境[36]。本研究结果表明，水泥铺装、网格铺装、砂石覆盖、无铺装和透气砖铺装的土壤条件较差，严重影响了国槐的健康生长，这与赵丹等[37]的研究结论一致。本研究结果表明，有机材料覆盖优于其他措施，该措施下国槐健康状况最优，这是因为覆盖的有机材料作为土壤的保护层，能增强土壤保肥、保水性能及透气、渗水性能，从而对林木的健康生长起到良好的促进作用，这与王成等[38]的研究结论相一致。有机材料覆盖同时还具有滞尘、防土壤板结、节能减耗等经济环保价值，但覆盖物的厚度、成分、病虫害状况、使用时间和范围等因子都对其实际应用效果产生不同的影响，还需继续深入探究，从而为促进城市林木的健康生长提供理论参考。

5 结 论

为了揭示北京市首都功能核心区的主要绿化树种国槐的健康状况及其影响因素，为管护技术措施的制定提供科学依据，本研究针对核心区国槐健康状况进行了评价，得出如下结论：

1)在北京首都功能核心区域内，现有国槐树木的生长状况总体上处于健康和亚健康的单株比例较高，占总数的94.84%，其中东城区的占比为36.25%；西城区的占比为58.59%。核心区内国槐的生长健康状况总体上比较健康，具有继续保留培育养护的潜力。

2)北京首都功能核心区国槐的健康评价模型为

Y=(25.478U1+17.711U2+14.892U3+12.878U4+11.559U5)/82.518。

3)核心区内占5.16%的1 623株不健康国槐的单株健康状况较差。受害等级评价显示，其中1级占29.51%，2级占36.97%，3级占23.66%，濒死占9.86%，表明其中70.49%的国槐受害症状十分严重，亟需进行管护和处理。

4)胸径、冠幅、防踩铺装、修剪方法、与设施距离是影响核心区国槐健康生长的重要因素。随着国槐胸径和冠幅的增加，树木的健康综合得分总体呈降低趋势；有机材料覆盖、修剪规范、与设施距离≥2～<4 m、无遮荫条件下国槐的健康状况最好。由此可知，在树木基部覆盖有机材料，规范修枝技术，保障国槐的生长空间，新植株栽植时与设施距离≥2 m，避免树木被荫蔽，是国槐养护管理及促进其健康生长的重要措施。

志谢：外业调查得到北京市园林绿化局、北京林业大学增彩延绿课题组团队全体成员的协助，在此诚表谢忱！