河西地区古树名木资源特征及空间分布格局分析*

李艳龙，陈帅，贺晓慧，3，王多文，安万秀

(1.武威市林业综合服务中心，甘肃 武威 733000；2.内蒙古科技大学包头师范学院 资源与环境学院，内蒙古 包头 014030；3.中国科学院西北生态环境资源研究院 内陆河流域生态水文重点实验室，甘肃 兰州 730000)

古树名木记录了地区的气候、地理、植被、生态等自然环境更替，见证了地区人类活动和社会历史变迁，具有重要的历史、文化和科研价值，被誉为“活化石”。古树名木是地球上最具代表性的生物群，是许多陆地生态系统的重要组成部分[1-2]，也是宝贵的不可再生文化资源，在种质资源保护、物种多样性、植被区系演化、生态文明建设、文物考古及文化传承等方面发挥着重要作用[3-5]。然而，在过去几十年，随着全球气候变暖，极端天气增多，加之人类活动影响，世界众多国家的古树名木出现死亡，数量锐减[6-7]，仅风景名胜古迹区的古树名木得到较好保护。这不仅会丧失优秀的物种生物基因库，阻碍新品种培育；还会丢失重要的人类历史文化价值；还可能丢失涵养水源、增加碳汇、维持生态平衡等重要生态功能，造成区域生态系统失衡[1，8-9]。因此，开展古树名木的保护管理及研究工作势在必行，也引起了国内外政界、学界的广泛关注。

武威市是最早开辟丝绸之路的河西地区重镇，是11～13世纪西夏国的重要地区，历史悠久，文化底蕴深厚，是中华文明的重要发源地之一，且地处河西走廊，东北低、西南高，地貌类型多样，加之独特的气候和水热条件差异，现保存有大量的古树名木。因此，本研究依托武威市古树名木普查数据，采用传统统计学与GIS空间分析相结合的方法，从结构组成特征、生长状况、空间分布格局等方面系统分析武威市古树名木资源，以期为河西地区古树名木和物种多样性的保护和管理提供理论依据，为生态文明建设提供重要参考。

1 研究区概况

武威市简称“武”或“凉”，位于甘肃省中部、河西走廊东端(36°29′～39°27′N、101°49′～104°16′E)，南北长326 km，东西宽204 km，总面积3.23×104km2，辖凉州区、民勤县、古浪县和天祝藏族自治县(图1)。截止2020年底，常住人口1 464 955人。武威市地处青藏高原、黄土高原和蒙新高原三大高原交汇地带，地势呈西高东低，海拔1 020～4 872 m。属温带大陆性干旱气候，冬寒夏暑，干旱少雨且分布不均，光照充足，风大沙多。年平均气温7.7 ℃，平均气温年较差29.4 ℃，年平均日照时数2 876.9 h，年平均降水量212.2 mm，年平均蒸发量2 163.6 mm，平均无霜期171 d。境内有黄河流域与内陆河的石羊河流域。受风力、水力、干燥剥蚀等长期外力作用，形成了高山、绿洲、平原、沙漠等地貌类型，自然地理景观多样，从高寒阴湿山区的暗针叶林到干旱荒漠均有分布[17]。

图1 研究区概况 注：基于甘肃省地理信息公共服务平台(天地图·甘肃)网站的标准地图制作，底图无修改；审图号为甘S(2021)91号；图3、图5同。Fig.1 Study area overview map

2 数据获取与研究方法

2.1 数据获取

武威市古树名木数据来源于武威市古树名木普查数据库，野外实地调查时间为2019年至2022年7—9月，调查方法依据《古树名木普查技术规范》[18]。

在实地调查中调查内容 包括古树名木树种、生长位置、地理坐标、树龄、古树等级、生长势等相关基础数据。

调查方法 地理坐标采用GPS定位；树高采用深达威手持式激光测距望远镜(SW-1200A)测定，精度±1.00 m；胸径采用测量围尺、游标卡尺测量，精度分别为±0.50 cm、±0.05 mm；树龄多采用访谈估测法，少部分采用树钻法测定。

武威市30 m分辨率数字高程DEM数据、行政区划、水系等数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心[19]，坐标系统为GCS WGS 1984。坡度和坡向数据依据高程数据在ArcGIS 10.8软件中生成。

2.2 研究方法

2.2.1 生长势划分

依据《古树名木普查技术规范》标准[18]及《古树名木鉴定规范》[20]划分树龄等级及生长状态。按照树龄可将古树划分为3级：树龄≥500 a为一级古树，树龄300～499 a为二级古树，树龄100～299 a为三级古树，名木不受树龄限制[2]。通过观察树木叶片、枝条和树干等方面的生长状态，将其划分为正常、衰弱、濒危和死亡4类(表1)。

表1 生长势划分标准及数量Tab.1 Growth potential division criteria and number

2.2.2 地形特征等级划分

根据中国地貌区划、山地划分标准将武威市划分为5个等级，文中用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ表示：海拔<2 000 m为Ⅰ，海拔(2 000～2 700 m)为Ⅱ，高海拔(2 700～3 400 m)为Ⅲ，海拔(3 400～4 100 m)为Ⅳ，海拔≥4 100 m为Ⅴ。坡度划分为6级，坡度<5°为Ⅰ，坡度(5°～15°)为Ⅱ，坡度(15°～25°)为Ⅲ，坡度(25°～35°)为Ⅳ，坡度(35°～45°)为Ⅴ，坡度≥45°为Ⅵ。坡向顺时针45°划分为无坡向、北坡、东北坡、东坡、东南坡、南坡、西南坡、西坡、西北坡9个不同的坡向。

2.2.3 核密度与标准差椭圆

标准差椭圆(standard deviation ellipse，SDE)分布又称利菲弗方向性分布，用来度量点要素空间分布及方向特征。由方向角、中心点、X轴(长轴)和Y轴(短轴)等组成。椭圆长半轴表示数据分布方向，椭圆短半轴表示数据分布范围。椭圆扁率(短半轴/长半轴)越小，长短半轴差值越大，数据分布的方向性就越明显。椭圆面积大小表示点要素空间聚集度。椭圆中心表示点要素空间分布的平均中心[5，21-22]。主要计算公式参见文献[23]。

2.2.4 物种多样性

利用物种多样性指数对不同海拔梯度下古树异质性进行合理分析。物种多样性指数主要用来衡量物种多样性丰富度与均匀度的指标，物种多样性的统计量越高，指数越高。常用的测度方法有信息度指数Shannon-Wiener(H)指数和优势度指数Simpson(D)指数。主要计算公式参见文献[24]。

3 结果与分析

3.1 资源特征分析

3.1.1 树种组成特征

武威市共有古树名木797株，隶属于14科20属28种，其中裸子植物2科5属8种，共283株，占武威市古树名木总数的35.51%；被子植物为双子叶植物，共12科15属20种，共514株，占总数的64.49%(表2)。

表2 武威市古树名木种类组成特征Tab.2 Composition characteristics types of seeds of ancient and famous trees in Wuwei City

由表3可见，树种以乡土树种为主，数量排前5位的树种依次为西洋梨(Pyruscommunis)、胡桃(Juglansregia)、圆柏(Sabinachinensis)、侧柏(Platycladusorientalis)、槐(Styphnolobiumjaponicum)，共659株，约占武威市古树名木总数量的82.69%。柏科(Cupressaceae)古树名木数量最多，有圆柏、侧柏、祁连圆柏(Juniperusprzewalskii)、刺柏(Juniperusformosana)，共248株，占武威市古树名木总数的31.11%；其次是蔷薇科(Rosaceae)，有西洋梨、山杏(Prunussibirica)、楸子(Malusprunifolia)，共202株，占武威市古树名木总数的25.35%；而胡颓子科(Elaeagnaceae)、鼠李科(Rhamnaceae)数量最少，各科仅有1株，分别为沙枣(Elaeagnusangustifolia)、红枣(Ziziphusjujuba)，其中沙枣为一级古树。西洋梨、胡桃、圆柏、侧柏、槐为武威市古树名木的优势树种，西洋梨、胡桃中无一级古树，全部为二级和三级古树，三级古树占比最多，分别为98.92%和98.56%；圆柏、侧柏和槐中有一级古树分布，占比分别为12.78%、7.55%和20.83%。

表3 武威市古树名木资源数量及等级Tab.3 Number and grade of ancient and famous tree resources in Wuwei City

3.1.2 树龄结构与主要生长状况特征

从树龄结构来看，武威市古树名木树龄结构整体呈金字塔型分布，即随树龄的增大古树名木数量逐渐减少。其中，一级古树名木53株，占古树名木总株数的6.65%；二级古树名木92株，占总数的11.54%；三级古树名木652株，占总数的81.81%(表4)。从古树名木生长势来看，武威市古树名木正常株有510株，占比63.99%，平均树龄199 a；衰弱株280株，占比35.13%，平均树龄208 a，其中一级古树22株，二级古树36株，三级古树222株，濒危株3株，占比0.38%，平均树龄337 a，死亡株4株，占比0.50%，平均186 a(表1、表4)。濒危株分布在古浪县的泗水镇、黄羊川镇和土门镇，分别是1棵槐(二级古树)、1棵小叶杨(Populussimonii)(二级古树)和1棵圆柏(三级古树)。死亡株有3棵分布在古浪县的土门镇、泗水镇和古浪镇，分别是槐(三级古树)、小叶杨(二级古树)和圆柏(三级古树)，及1棵圆柏(三级古树)分布在民勤县的三雷镇。衰弱株中有22株为一级古树，36株为二级古树，222株为三级古树。

表4 武威市古树名木等级及平均树高、胸径Tab.4 Grades and average height and diameter of ancient and famous trees in Wuwei City

武威市古树名木的平均树高与平均胸径与古树名木等级成正相关关系。武威市古树名木平均树高14.35 m，平均胸径201.73 cm，其中，一级古树名木平均树高19.79 m，平均胸径296.42 cm；二级古树名木平均树高15.36 m，平均胸径213.84 cm；三级古树名木平均树高13.77 m，平均胸径192.66 cm(表4)。从树高、胸径结构来看，武威市古树名木树高和胸径整体呈正态分布，古树中超级大和较小的树木较少。整体看，武威市古树名木树高集中在11～15 m，有341株，占比42.79%；树高在6～10 m、16～20 m的树木也较多，分别有187和181株，共占比46.17%(图2A)。其中树高最高为36 m，最低为5 m，均分布在武威市凉州区。古树名木胸径151～200 cm的树木最多，有209株，占比26.22%；胸径在101～150 cm、201～250 cm、251～300 cm的树木也较多，分别有189、154和91株，共占比54.45%；胸径>600 cm的树木仅有3株(图2B)，其中2株分布在凉州区，1株在古浪县，胸径最小在天祝藏族自治县，仅有32 cm。

图2 武威市古树名木树高与胸径分布

3.2 空间分布格局分析

3.2.1 空间分布聚集区域及方向性分析

核密度法分析结果显示，武威市古树名木资源分布具有明显的空间聚集性特点，各县(区)古树名木的密集度差异较大，整体呈中部多，南北少的特点，在凉州区城区形成了一个较大的分布聚集区，在天祝藏族自治县的毛藏乡形成一个较小的分布聚集区，古浪县泗水镇和民勤县政府周边形成一个非常弱的聚集区(图3A)。武威市古树名木分布密度为0.024 6 株/km2，其中凉州区有692株，分布密度为0.141 0 株/km2，主要集中在城区及周边；民勤县有63株，分布密度为0.004 0 株/km2，主要集中在三雷镇，占民勤县古树名木的30.16%；古浪县有24株，分布密度0.004 8 株/km2，主要分布在土门镇，占古浪县古树名木的54.17%；天祝藏族自治县18株，分布密度为0.002 7 株/km2，主要分布天祝藏族自治县的南部，在赛什斯镇、炭山岭镇及天堂镇，占该区总数的38.89%(图3B)。

图3 武威市古树名木空间分布及方向性分布Fig.3 Spatial distribution and directional distribution of ancient and famous trees in Wuwei City

标准差椭圆分析结果显示，武威市古树名木椭圆中心在102.66°E、37.91°N，长半轴为47.53 km，短半轴为23.64 km，方位角为24.86°，分布方向为“东北—西南”向。椭圆形区域内囊括了651株古树名木，占武威市古树名木总数的81.68%。同时，在对武威市的5种优势种进行标准差椭圆分析发现，5种优势树种的分布方向基本与武威市古树名木整体分布方向一致，其中槐的方向角最大，侧柏的方向角最小，西洋梨的椭圆扁率最小，胡桃的椭圆扁率最大，西洋梨生成椭圆面积最小，槐生成椭圆面积最大，表明西洋梨的方向性和向心力更明显，聚集性最强，但扩散能力弱，槐的聚集性较弱，扩散能力也较强(表5)。

表5 武威市古树名木及优势树种标准差椭圆属性

3.2.2 不同地形空间分布特征

武威市古树名木的数量与种类分布随着海拔高度增加，古树名木数量及种类呈减少趋势(图4)。其中，海拔Ⅰ的古树名木数量最多，有737株，26种，数量占比92.46%；海拔Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的古树名木数量分别为21株、14株和25株，仅占总株数的7.54%，分别有11种、8种和3种；当海拔为Ⅴ时，无古树名木出现；表明武威市古树名木主要集中在低海拔地区，凉州区附近为主要聚集地(图5A、5D)。

图4 不同海拔梯度古树名木物种多样性指数Fig.4 Species diversity indices of old and valuable trees at different elevation gradients

图5 武威市古树名木与地形要素的关系

随着坡度等级增加，武威市古树名木的数量及种数呈急剧下降趋势，在低坡度带Ⅰ，也正处于低海拔区的区域古树名木数量最多，有732株，占总株数的91.84%，共27种；在中坡度带Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，共有65株，仅占总株数的8.16%，其中Ⅳ的株数和种数较多；在高坡度带Ⅵ，也是高海拔区，古树名木无法生存(图5B、5E)。

武威市古树名木数量和种类在不同坡向上的分布存在显著差异。从数量上看，北坡、东南坡、东坡的古树名木最多，分别为178株、115、98株，占比22.33%、14.43%、12.30%，种数分别为21种、13种和11种；东北坡、南坡、西南坡、西坡和西北坡的古树名木株数差异不显著，株数在73～88株间，在这些坡向中，西南坡株数虽然较少，但种数较多，有16种；武威市无坡向区无古树名木分布(图5C、5F)。

4 讨论与结论

4.1 讨论

4.1.1 区域古树名木资源以乡土树种为主，且资源特征差异显著

乡土树种通常是天然分布或者已经引种百年以上，对本地气候条件和土壤条件适应性强，抗逆性好的地带性树种[25]。武威市古树名木中西洋梨、胡桃、圆柏、侧柏和槐共659株，占总株数的82.69%，这些树种均为武威市乡土树种，是武威市生物多样性和种质资源的重要组成部分，兼具经济、社会和生态价值，一直被当地百姓所广泛种植。武威市植物园集中分布有大量历史悠久的西洋梨和胡桃。圆柏曾郁郁葱葱分布在河西走廊东段广大地区，在腾格里沙漠南移及人为砍伐影响下，圆柏大面积消失，百年以上圆柏仅留有119株，其中1株为濒危株，2株为死亡株。国槐作为武威市的市树，在河西地区具有极强的适应力，还具有较高的观赏价值和历史文化价值，故栽培历史悠久，在三县一区均有分布。众多学者研究也表明，一些本土适应性强、寿命长，且具有食用、观赏价值及民俗文化和宗教传统良好寓意的树种栽培较多，留存也较多，成为地区古树名木的重要资源[2，16]。

武威市古树名木资源特征差异显著。武威市古树名木共14科20属28种，种间株数具极强变异性，差距显著。杨琼等[16]在对渝北区古树名木的研究中发现，黄葛树为优势种，有206株，其次是银杏和皂荚，仅12株，不同科属种间差距较大。邱族周等[26]对新田县古树名木的研究中也有类似结论。这可能与树种价值、当地居民喜好、风俗及对气候条件的适应紧密相关。古树名木一般随着树龄增加，株数逐渐减少，呈金字塔型[27]，武威市三级古树是一级古树的12倍多，是二级古树的7倍多。生长势与树龄有较大关系，古树随着树龄增大，生理机制和根系吸收能力均会不断下降，对于外界的抵抗能力降低[2，28]，一、二级古树中的衰弱株、濒危株的占比相较于三级古树更高。但令人意外的是，武威市有4株死亡株，分布在古浪县和民勤县，分别是圆柏、槐和小叶杨，平均树龄才186 a，致其死亡的原因极大可能是因人类活动。

4.1.2 古树名木空间分布具有空间聚集性及差异性

植物长期自然进化过程受外界环境影响，导致古树名木资源在空间分布上具有聚集性，区域具有差异性[2，4，9，29-30]。武威市古树名木主要分布在凉州城区及周边，分布重心在政府驻地附近，民勤县、古浪县和天祝藏族自治县的古树名木分布较少，主要是凉州区历史悠久，是“五凉古都，河西都会”，前人有对古树崇拜的信仰习俗，喜欢在道观、寺庙等地栽植风水树木，也喜欢在公宅之中栽植乘凉树木。凉州区拥有海藏寺、雷台寺、鸠摩罗什寺、文庙、凉州区植物园等历史名胜古迹地，故古树名木遗存较多。如同兰州市古树名木集中分布在城关区和七里河区，在古代城关区是兰州市的政治、经济和文化中心，拥有丰富的历史人文景观，在明清时代七里河区位于兰州市城郊，拥有众多的寺观园林和文物古迹，故这两区古树名木遗存较多[4]。相反，南方地区的古树名木集中分布在城市化较低区域和乡村，一方面是自然环境、地理优势为古树提供了好的生存条件，另一方面是，人们热衷于在农村宅基地、宗祠、寺庙、村头水口等地栽植孤植树种，实现遮荫挡雨及风水需求[2，16，31-32]。

同时，武威市古树名木中的5种优势树种分布方向与整体分布方向基本一致，呈“东北—西南”方向，但各优势种存在显著差异。西洋梨扩散能力弱，聚集性强，而槐扩散能力强，聚集性弱，这与树种对自然地理与气候条件的需求有紧密关系。张艳丽和杨家军[5]对四川省广安市古树名木空间分布特征研究中发现，城市和乡村的古树名木均以东西经向分布，但城市生长场所方向性更明显；古树名木在坡位分布方向差异也很大，上、下、中、山脊、脊部南北纬向分布明显，而下、中部和平地主要以东西经向分布为主。由此可见，古树名木资源在空间分布上是有显著差异的。

4.1.3 古树名木资源分布特征受多种因素影响

古树名木的资源分布特征受地形影响显著。海拔梯度与温度、水分、光照及土壤等环境因子相关，影响着植物的生存与生长[33]。武威市古树名木主要分布在海拔<2 000 m的地方，基本属于荒漠区，本不适合乔木树种生长，然而这里有石羊河下游的灌溉、红崖山水库的滋润，再加上多方治理恢复中的青土湖，均为古树提供了较好的生长环境。但随着全球气候变化、生态环境恶化及人类活动加剧，古树名木的生存受到严重威胁。海拔≥4 100 m位于天祝藏族自治县境内的祁连山脉，属于高寒地带，不适宜树木生长，无古树名木资源。同时，由于海拔梯度上温度的变化速率极快，是纬度梯度上温度变化的1 000倍，故物种多样性格局随海拔梯度的变化是众多生态学者多关注的焦点[34-35]。武威市古树名木物种多样性Simpson(D)指数和Shannon-Wiener(H)指数随海拔梯度的增加基本呈下降趋势，古树名木物种多样性在海拔梯度Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ范围相对较高。这与叶秀萍等[24]发现的古树物种多样性随海拔梯度上升呈先上升后下降的趋势有些差异，可能是研究区域不同、海拔等级划分不同所导致的。

坡度影响土层厚度及水分状况，一定坡度有助于古树名木的生长存续[5]，武威市古树名木主要分布在坡度<5°或25°<坡度<35°的地方，坡度太大不利于土壤水分和养分的蓄积，不利于古树名木的生长，这与新田县的古树名木坡度分布特征相似[26]。坡向影响树木生存所需的光照、降水，生长在北坡、东南坡的古树更能有效地利用光温水汽等环境资源，获得更加有利的生长条件[2]。

古树名木资源组成及空间分布是地形、土层地质、立地条件、气候、河流分布、村落民居分布、人口密度、历史因素、古树文化及经济政策因素等共同作用的结果[2-5，9，14-16]，本文重点研究了不同地形条件古树名木分布格局，下一步将从多方面影响因素展开系统研究。

4.2 结论

武威市古树名木种类丰富，共有797株，隶属于14科20属28种，主要以乡土树种为主，西洋梨、胡桃、圆柏、侧柏和槐为优势种，均具有较高的经济、社会和生态价值。西洋梨、胡桃分别有185株、139株，在武威市古树名木中占比很高，从古至今是武威市的重要经济树种，为武威市经济、社会发展贡献了巨大力量。槐由于对生长环境要求不高，耐贫瘠，适应性强，聚集性弱，扩散性强，在三县一区均有分布，国槐被政府定为武威市市树，并与当地的历史、文化、习俗等紧密相关。武威市古树名木树龄结构整体呈金字塔型，武威市古树名木后续资源丰富，但正常株仅占比63.99%，衰弱株占35.13%，武威市古树名木总体长势欠佳，保护与管理不足。从空间分布上看，武威市古树名木具有聚集性特征，区域上具有显著差异。武威市古树名木分布方向呈“东北—西南”，中部多，南北少，集中分布在凉州区城区及附近的海藏寺、擂台寺、文庙、植物园等地，由于进行了相应的保护，整体长势较好，而民勤县、古浪县和天祝藏族自治县古树名木较少，由于保护意识不足，衰弱株较多。地形是影响古树名木分布的主要驱动因素之一。海拔、坡度、坡向等地形条件对古树的生存环境和生长具有重要作用。武威市古树名木主要分布在海拔低于2 000 m的地方，这是由于这些地区虽然属于荒漠区，但有灌溉和水库等水资源，提供了较好的生长环境。随着海拔的升高，古树名木的物种多样性呈下降趋势，这可能与海拔梯度上温度变化速率较快，导致物种多样性随海拔梯度变化而改变。一定的坡度有助于古树名木的生长存续，在武威市古树名木主要分布在坡度<5°或25°<坡度<35°的地方，坡度过大不利于土壤水分和养分的蓄积，不利于古树名木的生长，坡向也会影响古树名木的生长。例如，北坡和东南坡的古树更能有效地利用光温水汽等环境资源，获得更加有利的生长条件。总之，地形是影响古树名木分布的主要因素之一，但气候、河流分布、民居分布、人口密度、历史因素、古树文化及经济政策等因素也可能影响古树名木的空间分布，在未来的研究中，可以从多方面影响因素展开系统研究，以更全面地了解武威市古树名木的空间分布规律。