特定树种在城市森林中的生态效益评估-以银杏树为例

11.1研究背景与意义 11.1.1城市森林在碳中和目标中的战略价值 11.1.2银杏树的生态优势与城市应用价值 11.2国内外研究进展 11.2.1城市树种生态效益评估方法演进 11.2.2银杏树特异性生态功能研究 21.3研究内容与技术路线 21.3.1研究区域与范围界定 21.3.2技术路线与方法 2 2.1研究区概况 32.1.1杭州市气候特征与植被适应性 32.1.2银杏种植现状与空间分布特征 32.2数据来源与处理 32.2.1多源数据获取 32.2.2数据预处理 32.3评估模型构建 42.3.1固碳释氧模型 42.3.2降温效应模拟 42.3.3滞尘能力测定 43银杏树生态效益量化分析 3.1固碳释氧效益评估 53.1.1单株年固碳量计算 3.1.2不同种植场景碳汇差异 53.2微气候调节效应分析 53.2.1夏季树荫降温效果 53.2.2热岛缓解强度评估 63.3环境净化功能量化 73.3.1大气颗粒物吸附能力 7 3.4生物多样性支持功能 9 4.1基于GIS的空间配置优化 4.1.1生态效益热点识别 4.1.2差异化种植密度推荐 4.2树种混交优化方案 4.2.1常绿-落叶混交模式 4.2.2功能型树种组合 4.3精细化管理措施 4.3.1落果期协同管理机制 14.3.2老龄树复壮技术集成 4.4数字化管理平台构建 5.1主要研究成果 5.1.1碳汇能力的空间分异特征 5.1.2微气候调节的年龄效应 5.2研究展望 5.2.1数字化管理平台深化 5.2.2病虫害防治与养护管理 5.2.3生态服务功能的量化评估 5.2.4银杏树与城市发展相融合 摘要：随着城市化进程的加快，人们对城市生态环境质量的要求不断提升，银杏作为兼顾生态效益和景观效益的城市森林树种得到广泛的应用，但由于缺乏对于银杏固碳释氧及降温增湿的定量分析，在一定程度上难以反映城市森林的综合生态效益情况。为了有效克服上述问题，本文以杭州市银杏为例，从不同层面角度出发，多方位、多角度地对银杏的固碳释氧和降温增湿的生态效益开展了分析工作，并据此提出合理的优化配置方式。从实际调查、遥感反演、模型计算等几个方面展开，在分析银杏固碳释氧、降温增湿的基础上提出了不同等级种植模式(道路绿化带8-10m行列式种植，公园绿地15-20m群落式种植)以发挥最大的生态效益，为进一步做好城市森林精准化管理提供了参考依据。11.1研究背景与意义伴随世界人口数量的增加与城市化的不断加速，各种各样的城市生态环境问题日益突出I,严重的如大气污染、城市热岛效应以及噪音污染等，都使城市人的生活质量下降及身体健康受到极大的危害I。而根据世界卫生组织(WHO)报告，世界上约90%以上的人口生活在空气污染的严重地区，面是对自然环境所造成的破坏，另一方面也产生了大量的生态问题，其中城市森林作为陆地生态系统的重要组成，利用植被碳汇功能与调节微气候的优势来缓解城市热岛效应等成为推动双碳目标实现的关键载体1。《浙江省国土绿化规划(2021-2025)》提出，到2025年，浙江全省城市建成区绿化覆盖率要达到42%,乔木树种要占到总面积的60%以上，这对于打造区域碳中和来说具有重要屏障的重点内容之一，然而当前有关森林碳汇的研究主要针对森林群落的整体效应，并未对特定树同时它又是一个生命力比较旺盛、根系较深、成活率较高且较耐旱、耐寒的优良园林绿化树种，适幅增加滞尘的效率(PM2.5吸附量达1.28g·m²·d¹),银杏挥发性的萜类物质如α-烯具有抑菌样本点的情况，在区域尺度上的定量评价较少，仅有一些学者尝试计算如北京城区银杏的局地气候1.2国内外研究进展近年来国内外关于城市森林生态效益的研究得到丰硕成果，诸多研究认为城市森林不仅有美化功能，还可以一定程度上解决一些城市环境问题。具体来说，城市森林可以有效地净化空气、缓解热岛效应以及消减噪声污染；此外，国外的学者们通过实验验证得知城市森林可以阻滞、截留雨水以及降低风速，与此同时植物根系也能起到一定固土蓄水的效果I。目前，国际上常用i-Tree或林碳汇能力进行分析，结果显示乔木层对城市森林碳汇的贡献率超过80%。我国对生态效益定量分析多采用CITYgreen,比如彭立华等[I通过对南京市银杏(C.chrysophylla)种群的参数输入利用CITYgreen模型研究发现：南京银杏种群的年固碳量可达12.3t·hm²,远远超过同属于阔叶树类的达11.2kg,相当于30人一天所需氧气量[1;另一方面，从对释放特征的研究结果来看，银杏叶平均每天每平方米释放BVOCs约12.5g,所含有的异戊二烯占总释放量的65%,这类物质可以参与到光化学烟雾的形成当中，但是却因为自身的抗氧化作用而起到净化城市空气的效果I。但是针对银杏1.3研究内容与技术路线公园绿地和校园绿地三种银杏种植类型，调研区域范围内胸径≥15cm的银杏共1328株，占乔木总数的12.7%,该部分树种的生长发育情况受到城市热岛强度大、土壤紧实度高等多方面的影响，具有 (精确度±0.5℃、±2%RH)采集微气候数据，运用滤膜称重法测定叶片滞尘量；尺度的银杏单株生态效益分级图谱；效益量化：从固碳释氧效益、微气候调节效应、环境净化功能GIS空间分析GIS空间分析32研究区域与研究方法2.1研究区概况杭州位于亚热带季风气候带内，年均温达16.2℃,年均降水量为1400毫米，雨热同季的气候条这样的温度变化使银杏具有春叶萌发、盛夏繁茂和秋日落叶等物候特点III。近40年杭州市气候变化观测资料统计分析显示：1981—2020年杭州年平均相对湿度76%,高湿气候促进了银杏叶片的气孔开放以及叶表面粉尘黏附1。此次的研究主要是将杭州市上城区和西湖区进行作为本次杭州项目的选取对象，并且根据杭州市园林局2024年的普查数据(编号：HZYL-2024-003),上城、西湖两区银杏胸径≥10cm的乔木共2145棵，占乔木总数15.3%。限于城市道路红线);(占比68%);西侧高12.7%。2.2数据来源与处理基础数据：杭州市园林局《2024年城市树木普查报告》提供银杏坐标、胸径、冠幅等属性数据(空间精度±2m);Landsat8OLI遥感影像(2024年7月，分辨率30m)用于提取植被指数(NDVI),辅助反演叶面积指数(LAI)。实地采样：对于30个样地(20m×20m)分别采取3个定植模式，在每一个样地内随机选取3株满足胸径变异系数<10%的标准木，以样方平均值作为立木的基本统计数据；观测指标分别为：胸径203激光叶面积仪(误差±3%)[1]。2.2.2数据预处理42.3评估模型构建地下生物量(BGB)按AGB的25%估算(参照《中国森林植被碳储量遥感估算》标准);土壤碳库(0-30cm)通过环刀法测定容重(1.35g·cm³)与有机碳含量(1.2%)计算。其中Pn为净光合速率，单位μmol·m²·s-¹,通过LI-6400光合仪实测(光强1000μmol·m²下垫面类型：分为银杏冠层(LAI=3.2)、柏油路面(反射率0.15)、草地(蒸腾系数0.8);气象边界：输入2023年7月典型晴天数据(气温35℃,风速1.5m·s-¹);模拟范围：根据其所在样地面积为300m×300m、网格分辨率为1m、时间步长为1s的要求，以1h步长模拟运行24h,并将结果取平均值作为每小时地表参量输出。经验证，模型预测冠层下的每个采样周期(15天)采集30片成熟叶片，用去离子水冲洗叶面，过滤后80℃烘干至恒重；级采样器分离(精度±5%);单位面积滞尘量(D)计算公式：D=(M-Mo)/(S×T),其中M为叶片总尘质量，Mo为空白对5碳能力。通过异速生长方程(AGB=0.109×DBH²·05,R²=0.89)量(AGB×25%)与土壤碳库(0-30cm土层有机碳储量),得到单株年固碳量公式：其中，0.49为生物量碳转换系数，Ssoil为单株根系影响面积(按冠幅投影计算)。实测数据显示，杭州市胸径20cm的银杏单株年固碳量为18.7kg·a¹,显著高于同规格香樟(15.2kg·a-¹)(p由图1可知，公园群落碳储量显著高于道路绿化带，主要归因于乔木层高度(平均12mvs8m)和林下植被碳贡献(占比15%)[I(王雪等，2021)。但道路银杏因受光条件均匀，单位胸径碳汇效率(1.01kg·cm¹·a¹)略高于公园个体(0.92kg·cm¹·a¹)。道路绿化带公园群落图1不同种植场景碳汇差异3.2微气候调节效应分析由图2,2024年7月实测数据显示可知，银杏冠层下地表温度为28.7℃,较相邻硬质铺装降低6.5℃,降温幅度与冠幅半径呈正相关。ENVI-met模拟表明，30m×30m银杏林可使周边100m范6围内日均温降低1.2-1.8℃,降温效应随建筑间距增大而增强，当间距>2倍树高时，降温效率提升银杏冠层下与相邻硬质铺装地表温度对比银杏冠层下相邻硬质铺装降温幅度与冠幅半径的关系冠幅半径图2银杏冠层下与相邻硬质铺装地表温度对比和降温幅度与冠幅半径的关系为1.5℃,显著低于非绿化区。单位面积银杏的热岛缓天减少1.2×10⁶kJ的热量吸收1。银杏集中区非绿化区区域类型图3上城区不同区域热岛强度对比图4-1银杏叶片蜡质层对PM2.5和PM10的单位面积吸附量对比8图4-2银杏叶片吸附效率随叶龄增长的变化趋势的捕获效率为62%,显著高于粗颗粒PM10。图4-3银杏叶片蜡质层对PM1和PM10的捕获效率对比93.4生物多样性支持功能2023从3月下旬至6月底，对10个样地银杏和香樟利用瞬时扫描法观测(每15min记录1次),利用马氏网陷阱法(连续观测3个月),银杏林昆虫多样性指数(H'=2.13±0.25)低于混交林(香樟+银杏，H'=2.85±0.32),但是香樟+银杏混交林发生的蚧壳虫(例如：银杏大蚕蛾)的数量较纯香樟林4.1基于GIS的空间配置优化以ArcGIS10.8空间分析模块为基础，运用核密度估算法(KDE)来确定杭州市银杏生态效益热点区域。从图5可知：①一级热点区(碳储量>75t·hm²)主要集中在西湖景区(占总面积18%),但因游客承载力限制，应控制该区银杏的种植密度；②二级热点区(碳储量为60-75t·hm-²)分布图5杭州市银杏生态效益热点区域图基于单株生态效益与空间竞争模型，提出分级种植策略，见表2。道路绿化带采用"品"字形行推荐间距(m)效益侧重方向降温、滞尘居住区4.2.1常绿-落叶混交模式春季：女贞新叶释放挥发性抑菌物质(如丁香酚),抑制银杏叶枯病发生率(发病率降低42%);抗污染组合：银杏+构树(Broussonetiapapyrifera),PM2.5吸附量协同提升28%;建立"三阶段"管理体系：预控阶段(8-9月):喷施萘乙酸(NAA)200mg·L¹,抑制85%以上幼果发育；收集阶段(10-11月):在冠幅投影外沿铺设防落网(网眼2cm),日均收集效率达92%;0.6元·kg-¹(参考杭州市绿化废弃物处置补贴政策)。4.3.2老龄树复壮技术集成针对树龄>50年的银杏，实施"三维复壮"工程：根系修复：开挖深80cm的放射状沟，填入微生物菌剂(有效活菌数≥2×10⁸CFU·g⁻¹)与腐枝干更新：截除枯死枝后涂抹愈伤剂(含0.1%萘乙酸+5%多菌灵),促进隐芽萌发；营养调控：每年4月、9月注射"银杏专用营养液"(N-P₂O-K₂O=12-8-10),单株年生长量增加4.4数字化管理平台构建预警模块：通过物联网传感器(土壤湿度、树干液流)预测病虫害风险；量达到78.5±8.3t/hm²,较道路绿化带高出81.7%。这一成果与王雪等(2021)在南京的研究结果(12.3t·hm-²·a¹)存在差异，主要是由气候条件和管理措施不同所致。表3杭州市碳汇能力空间分异特征数值范围典型场景(均值±标准差)4.1-6.5℃成龄树(冠幅8m):6.5℃由图6-1和图6-2可知，成龄银杏(胸径>25cm)的冠层降温幅度为6.5℃,比幼树(胸径10-15cm)高42.3%,且降温范围随树高增加呈指数增长R²=0.89。这一结论与ENVI-met模拟结果一幼树成龄树树龄类型图6-1成龄树与幼龄树降幅对比