基于应用适宜性评价的太原园林绿化树种选择

Selection of Tree Species for Landscaping in Taiyuan City Based on Application Suitability Evaluation

摘要

为建立园林绿化树种选用的决策路径，为太原市绿化树种选择提供参考依据，以太原市现有的340种园林绿化树种为研究对象，以应用适宜性评价为目标，采用Delphi法和层次分析法（AHP），从生态适应性、景观适宜性和栽培管护适用性3个方面梳理出反映本地生长发育状况、生态要求、抗逆性、抗污染性、局部观赏特性、整株观赏特性、栽植成本以及管护成本等29项基础指标，建立4级指标体系，对树种进行综合评分；采用自然断点法依分值将树种划分为4个等级，其中，Ⅰ~Ⅲ级树种共有298种，总体适宜性较好；Ⅳ级树种有42种，适宜性较差，选择应用受限程度较高。对Ⅰ~Ⅲ级树种进行系统聚类分析，结果得到15个特征明确、区分度明显的类型，根据树种类型特征与树种选用要求的匹配度，进一步构建出树种类型与典型应用方向适宜性之间的关系网络。综上，建议太原市园林绿化树种规划优先选用Ⅲ级以上树种，详细规划可参考关系网络进行针对性选用。

Abstract

In order to establish a decision-making process for selecting tree species for landscaping and provide a reference for tree species selection for landscaping in Taiyuan city, in this study, taking the existing 340 landscape tree species in Taiyuan city as the research object, with the goal of evaluating their suitability for application, the Delphi method and the Analytic Hierarchy Process(AHP) were employed to identify 29 foundational indicators reflecting local growth and development conditions, ecological requirements, stress tolerance, pollution resistance, local ornamental characteristics, overall ornamental characteristics, planting costs, and maintenance costs, across three dimensions: ecological adaptability, landscape suitability, and cultivation and maintenance applicability. By establishing a four-level indicator system, the tree species were comprehensively scored. Using the natural breakpoint method, the tree species were divided into four grades based on their scores. Among them, 298 tree species were classified as grades I-III, with overall good suitability, while 42 tree species were classified as grade IV, with poor suitability and higher restrictions on selection and application. Systematic cluster analysis was conducted on the tree species in grades I–III, resulting in 15 distinct types with clear characteristics and high discriminative power. Further analysis was conducted to establish a relationship network between the tree species types and their suitability for typical application directions based on the matching degree between tree species type characteristics and selection requirements. In conclusion, it was recommended that the Taiyuan City Landscape and Greening Tree Species Planning should prioritize the selection of the tree species in grade III or above, with detailed planning referencing the relationship network for targeted selection.

Graphical abstract

关键词

园林绿化树种 / 应用适宜性 / Delphi法 / 层次分析法 / 自然断点法 / 系统聚类分析

Key words

tree species for landscaping / application suitability / Delphi method / AHP method / the natural breakpoint method / systematic clustering analysis

园林绿化是城市绿色基础设施的重要组成部分，能够为城市提供一系列复杂的生态系统服务^[1]。树木是园林绿化的主要材料^[2]，树种选用是城市园林绿化的核心工作^[3]。欧美国家通过制定专门的树种选择手册或树种特性表指导城市绿化树种选用。国内的园林绿化树种选择一般在遵循“适地适树”基本原则的基础上进行^[4]，很多地方在园林绿化工作方面存在顶层设计不足、缺乏科学的树种规划^[3]、过度依赖专业性书籍及从业者经验等问题，导致城市出现植物大规模冻死冻伤、行道树频繁更换、景观同质化等问题，造成了严重的经济损失。

科学的园林绿化包含规划设计、施工建设以及养护监管的全周期可持续性工作，涉及树木生长发育规律、景观美学、环境生态需求^[5]等诸多因素，是一项复杂的决策工作。已有研究针对城市园林绿化树种的选用进行探索，在研究对象和目的方面，大部分针对城市特殊树种群体，探索适宜特定应用场景或适应特定影响因子的树种^[6-19]，评价指标具有较强的针对性，个别研究涵盖城市的常见树种^[20-23]；在研究方法方面，利用层次分析法对构建的指标体系进行定性指标量化处理与分级评价是较为常见的做法^{[8-13，16，18-22]}，少数研究通过单一指标的聚类分析进行分级^[7，15-17]，个别采用Delphi法^[14，23]或主成分分析法^[6]等进行分级，极少数使用系统聚类进行分类^[12]。总体而言，研究树种数量有限，类型单一，评价分级目标以定性为主，研究成果虽各具特定的理论价值，但综合实践应用性略显不足，无法有效指导园林绿化工作，特别是树种规划。

太原市是山西省省会城市，建成区绿化覆盖面积达到15 617 hm²，园林绿地面积13 788 hm²，绿化覆盖率43.38%，绿地率38.30%，公园绿地面积4 601 hm²，人均公园绿地面积12.78 m²。近年来城市园林绿化建设水平不断提高，各项绿地指标持续增长。

本研究针对太原市全部340种现有园林绿化树种，从生态适应性、景观适宜性和栽培管护适用性3个方面集成多层复合评价指标体系，综合利用Delphi法、层次分析法、自然断点法以及系统聚类分析进行树种特征指标量化、分级和分类，并建立树种类型与规划设计典型应用方向之间的关系，为太原市绿化树种选择提供依据。

1 材料和方法

1.1 研究地概况

太原市（111°30′~113°09′E，32°27′~38°27′N）地处山西中部，太原盆地北端，属暖温带大陆性季风气候，四季分明，雨热同期，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，全年盛行偏北风，年均气温9.5 ℃，年均相对湿度53%~60%，年均降水量约420 mm，无霜期156~182 d，全年日照时数2 560~2 825 h，灾害性天气主要有春旱、霜冻。全域呈北高南低、三面环山的簸箕形，汾河由中部南北向穿城而过，中南部为河谷冲积平原。地带性土壤为褐土，土壤pH值为7.65^[24]。太原市植物种类丰富，根据太原市园林局及相关部门提供的基础资料，目前市域分布的种子植物有1 700余种，其中，城市各类园林绿地中有1 100余种；现有园林绿化树种340种，其中，乔木182种、灌木140种、藤本15种、竹类3种^[25]。

1.2 研究方法

1.2.1 指标选取及体系构建

以树种特征可识别性和可操作性为原则，参考相关文献采用的指标^{[12，16，20-22,26]}，从生态适应性、景观适宜性、栽培管护适用性3个方面梳理归纳出反映树种本地生长发育状况、生态要求、抗逆性、观赏性以及栽植管护成本的32项指标，通过专家咨询确定了其中29项指标作为树种应用适宜性基础指标，建立了4个层次的指标体系（表1）。

1.2.2 基础数据和预处理

通过查阅《中国植物志》《中国树木志》《中国主要树种造林技术》及相关研究报告和文献，明确340个树种在其自然分布区内树高、胸径、冠幅的标准生长指标，为便于分析，对树种进行编号，编号范围为1~340。

本地生长发育状况（C₁）指标中，D₁~D₅、D₇采用野外直接调查和测定获得。于2020年7—8月在城区内选择具有绿地类型代表性、市区地段代表性且栽植时间较早的典型地段，确定代表性植株，每个树种不少于5株，野外测定和观测树种的胸径、树高和冠幅，并依据评分细则进行调查记录。D₁~D₃采用调查值占标准生长指标的百分数；D₄、D₅、D₇根据调查结果获得打分值。按树种计算各基础指标的平均值，记为基础评分值。

针对其余指标，设计可量化的选项式专家问卷调查表，编制指标说明及评分导则。依据业务背景和树种熟悉度，从太原地区各相关高校、科研院所、园林部门、园林企业等选定30位专家发放问卷调查表，共收回有效问卷28份。按树种计算各基础指标的平均值，记为基础评分值。

1.2.3 指标权重确定

利用层次分析法^[27]构建综合层次评价模型，采用1~9标度法^[28]，利用Delphi法确定两两指标的相对重要程度，分级构造判断矩阵，经过层次单排序和层次总排序，得到各级指标相对上一级以及目标层的权重值，分别计算一致性指标CI的随机一致性CR，使CR<0.1，结果通过一致性检验，满足合理性要求。各层次指标权重见表1。

1.2.4 综合评分和分级

以各树种29项指标的基础评分值与各指标权重进行加权计算，获得各树种的综合评分值（S）。

S={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}(B_i{W}_i)（1）

式中，B_i 为第i个基础指标的基础评分值，W_i 为第i个基础指标的综合权重。

依据综合评分值，采用自然断点法，以级内差异最小、级间差异最显著为原则，按照良好、较好、一般和较差4级确定综合评分值的分级阈值，对全部树种进行分级。用于分析树种应用适宜性的综合优劣。

1.2.5 类型划分

根据分级结果确定待分类树种范围。以树种为单元，计算各树种29项基础指标的加权评分值（F_i ）。

F_i=B_iW_i（2）

式中，B_i 为基础指标的基础评分值，W_i 为基础指标的综合权重。

基于类平均法，以类间区分明确、类内共性易于把握、分类结果实用为原则，采用多方案比选的方法，确定类型划分的距离阈值，对确定的待分类树种在29项基础指标的加权评分值作系统聚类分析，从而确定类型数及各类所含树种，同时运用R语言进行可视化作图，得到聚类树图。进一步根据分类结果，总结类内树种的共性特征和各类型特征。

2 结果与分析

2.1 树种应用适宜性分级

从对340个树种的综合评分可以看出（表2），太原市目前应用的340个园林绿化树种中，综合评分Ⅲ级以上的树种有298种。其中，适宜性较好，通常可广泛使用的Ⅰ级和Ⅱ级树种有241种；总体适宜性一般，可选择性应用的Ⅲ级树种有57种；Ⅳ级树种适宜性较差，选择应用受限程度较高的树种有42种。

2.2 树种应用适宜性分类

以适宜性Ⅰ~Ⅲ级的298个树种为主要对象，进一步进行系统聚类分析，结果见图1。

经多方案比较，考虑各等级的类型所含树种数，结合聚类树上次级类型之间的区分度，首先按距离阈值7.00将298个树种分为7类，再按距离阈值6.00将类型Ⅳ分为2类，按距离阈值5.00将类型Ⅰ分为4类，将类型Ⅱ分为5类，共计分为15类，结果见表3。

2.3 树种应用适宜性类型的主要特征

对照各类型内树种属性指标，归纳总结其共性特征，结果见表4。太原市园林绿化树种应用适宜性分类名录见表5。

2.4 树种类型与绿化应用的匹配关系

考虑到城市绿地树种规划对树种选用的要求^[3,29-30]，从满足风貌要求、适宜绿地类型、树种功能定位3个典型方向，将树种选用的满足风貌要求分为重要风貌区和一般风貌区，适宜绿地类型分为公园绿地/居住绿地（G1/RG）、道路绿地（SG）、防护绿地（G2），树种功能定位分为基调树种、骨干树种、一般树种。根据树种类型的适宜性特征（表4）与树种选用要求的匹配程度，15个类型的典型应用方向适宜情况见图2。在满足风貌要求方面，有4类树种更适用于重要风貌区；在适宜绿地类型方面，公园绿地/居住绿地和防护绿地的适宜树种类型数量相当且相对较多，并存在少数交叉，道路绿地有2类适宜；在树种功能定位方面，适宜用作基调树种的类型较多，其中少数类型同时适宜用作骨干树种，适宜用作一般树种的有5个类型。

3 结论与讨论

树种选用是城市园林绿化的核心任务，以太原市现有340个园林绿化树种为研究对象，数量庞大。通过构建与城市绿化树种应用适宜性评价匹配的层次评价模型，并将自然断点法和系统聚类分析应用于树种选择，可使分级与分类更加科学。自然断点法的运用使得应用适宜性分级差异最大化^[31]，利用系统聚类分析进行分类使得树种类间特征区分明确、类内特征易于把握、特征清晰，一定程度规避了前人研究依经验分级的主观性，极大地提高了树种选择的科学性与可信度，提升了研究结果的实践应用价值。

目前，相关研究多数仅聚焦于部分本地常用植物在固碳释氧^[7]、滞尘^[17]、耐阴性^[15]、抗风性^[16，18]、观赏性^[12]等单一功能性状方面的表现评价，或仅关注湿塘^[9]、防护林^[11，14]等单一绿地类型的树种适宜性，因而基于此的评价指标选取也多以耐性、抗性等生态特性和树木整体与局部观赏效果导向的指标为主。本研究以实现城市园林绿化全周期可持续性为目标，综合考虑树木生长发育规律、景观美学、环境生态需求，在前人基础上对评价指标体系进行了梳理和优化，围绕生态适应性、景观适宜性、栽培管护适用性3个方面构建树种应用适宜性评价指标体系，指标初选重点增加了树种本地生长发育状况以及经济成本相关指标，在此基础上邀请太原市园林、林业、病虫害防治、苗圃经营、景观规划设计等方面的专家参与指标筛选与评分，确保指标体系与评价目标具有良好的对应性和一致性。

城市绿地树种规划对树种选用的要求在不同应用方向上各有侧重，应用方向与树种特征存在较为明确的匹配关系，例如G2重视树种的抗性及耐粗放管理^[30]。经聚类分析形成的分类，其类间区别显著，类内特征明确，类别特征与典型应用方向对树种的需求建立了良好的匹配，弥合研究成果与实践应用之间的断裂，提升了分类结果的实用性。

综上所述，本研究基于指导城市科学绿化顶层设计，以太原市340种园林绿化树种为研究对象，构建了适用于城市规划层面的树种选择与应用决策技术路线，能够科学有效支撑和指导城市树种规划工作。研究在树种应用适宜性评价的基础上，将树种的综合应用适宜性分为4个等级，Ⅲ级以上树种能够适应本地环境，推荐本地绿化工作从中选用，Ⅳ级树种综合评分较低，出于保护生物多样性等特殊考虑可以适量选用；Ⅰ~Ⅲ级树种进一步划分为类间区别显著、类内特征明确的15个类型，各类型与风貌要求、绿地类型以及功能定位3个典型应用方向构建了清晰的应用适宜关系，太原市城市园林绿化规划设计相关工作可参照该关系网络进行树种选用。

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基金资助

山西省重点研发计划专项(2018LYCX32)

山西省教育科学“十四五”规划2024年度规划课题(GH-240130)