揚州市古樹名木樹齡及其形態(tài)特征相關關系研究

丁海權　曹磊　王婷芳　劉芳　黃艷　徐勇

摘要：古樹名木是寶貴的自然和文化遺產(chǎn)，為深入認知其生長規(guī)律，通過實地調查，運用統(tǒng)計學、回歸模型對揚州市主城區(qū)主要的古樹名木形態(tài)特征關系進行了分析。結果表明：揚州市主城區(qū)有9種樹，其樹齡與胸徑的相關性顯著。曲線擬合可知，古樹胸徑隨著樹齡的增長先急劇增加再緩慢下降，曲線呈反“J”型，其中古樹齡在100～200 a時胸徑增長速率最大。通過使用一元、曲線和多元方程對樹齡和形態(tài)特征關系進行擬合和比較，總結出用于描述不同形態(tài)指標之間的擬合模型。

關鍵詞：古樹名木；樹齡；形態(tài)指標；模型

中圖分類號S718文獻標識碼A文章編號0517-6611（2023）06-0121-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.06.029

Study on the Correlation between the Age and Their Morphological Characteristics of Ancient and Famous Trees in Yangzhou City

DING Haiquan1， CAO Lei2， WANG Tingfang2 et al

（1. College of Horticulture and Landscape Architecture，Yangzhou University， Yangzhou， Jiangsu 225009; 2. Yangzhou City Virescence Maintenance Management Office， Yangzhou， Jiangsu 225006）

AbstractAncient and famous trees are valuable natural and cultural heritage. To deeply understand their growth rules， this research analyzed the characteristics relationship of the main ancient and famous trees in the urban area of Yangzhou City using statistical and regression models， based on field investigation. The results showed that there are nine main tree species， and the correlation between tree age and the diameter at breast height （DBH） was relatively significant. The curve fitting showed that the DBH of the tree increases sharply with the increase of age， and then decreased slowly， showing inverse "J" shape. The growth rate of DBH was the largest at 100-200a. By fitting and comparing the relationship between tree age and morphological characteristics using the univariate， curve and multivariate equations， the fitting models for describing different morphological indicators were summarized.

Key wordsAncient and famous trees;Tree age;Morphological characteristics;Model

古樹（樹齡在100 a以上的樹木）名木（國內外稀有的以及具有歷史價值和紀念意義、重要科研價值的樹木）是指在人類歷史過程中保存下來的具有重要科研、歷史、文化價值的樹木，是環(huán)境的重要組成部分，更是珍貴的不可再生的自然和文化遺產(chǎn)［1］，有的古樹名木甚至成為一座城市的綠色名片［2］。古樹名木按照樹齡劃分為3個級別：樹齡≥500 a為1級古樹，樹齡在300～499 a為2級古樹，樹齡在100～299 a為3級古樹。2016年全國綠化委員會發(fā)布關于開展古樹名木普查建檔工作的通知，主要目的是搞清我國古樹名木資源總量、種類，為制定古樹名木保護措施及生物多樣性保護提供科學依據(jù)，有關古樹名木的研究也越來越受到重視。

有關古樹名木的研究大多數(shù)只分析其數(shù)量種類特征和空間分布格局［3-4］。此外，也有學者在古樹名木的生理特征、復壯、保護和價值評估等方面進行了研究，并提出保護措施以及景觀價值的評價和利用［5-6］。然而，有關古樹形態(tài)特征和樹齡的研究主要停留在調查階段，缺乏對他們之間關系的深入研究。目前有關樹木形態(tài)指標關系及生長模型的相關研究主要集中在一些人工林樹種，如林區(qū)主要樹種樹高與胸徑之間的關系［7］，油杉的樹高、胸徑和單株材積生長規(guī)律［8］，樹齡對刨花楠胸徑生長速率的影響［9］，黃杉樹齡、胸徑與樹高的相關性研究等［10］。然而，有關古樹名木的相關研究鮮見報道，僅楊家軍等［11］對廣安區(qū)古樹名木樹齡與樹高、冠幅、胸徑結構、一元二次回歸和多元線性回歸模型進行分析，結果表明各指標之間符合多重線性回歸模型。筆者以揚州市主城區(qū)主要古樹名木為研究對象，通過對樹齡和形態(tài)特征的關系進行多重擬合和比較，總結出用于描述不同形態(tài)指標之間的適宜模型，為今后探究古樹名木的生長規(guī)律及相關關系研究提供理論參考。

1研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

揚州市地處江蘇省中部，地理位置為119°26′E，32°24′N，長江與京杭大運河交匯處，為漕運、商旅必經(jīng)之地，是國家重點工程南水北調東線水源地。揚州市土地總面積6 634 km2，其中，市區(qū)面積2 350.74 km2，全市地勢西高東低，屬于亞熱帶季風性濕潤氣候向溫帶季風氣候的過渡區(qū)，四季分明，日照充足，全市年平均氣溫15～20 ℃；雨量豐沛，年降水量為1 020 mm；盛行風向隨季節(jié)有明顯變化，春季多東南風，秋季多東北風。揚州市是國務院首批公布的24座歷史文化名城，距今已有2 400余年的悠久文明，曾屢遭毀建、幾度榮衰，至今存留了數(shù)百株珍貴的古樹名木，是揚州園林古今文化底蘊深厚的象征。

1.2研究方法

根據(jù)《揚州市古樹名木和古樹后續(xù)資源保護管理辦法》規(guī)定，對揚州市區(qū)古樹名木及后備資源進行了實地調查，主要調查內容包括揚州市區(qū)各株古樹名木的種類、樹齡、形態(tài)指標（胸徑、冠幅和高度）。為研究古樹名木樹齡及不同形態(tài)指標之間的線性關系，使用SPSS 17.0進行相關性分析以及直線方程、曲線方程與多元線性方程的擬合。曲線擬合方程有對數(shù)方程、反比例函數(shù)方程、二次方程、三次方程、復合曲線方程、乘冪曲線方程、S形曲線方程、增長方程、指數(shù)方程、邏輯斯蒂方程和直線方程。

2結果與分析

2.1古樹名木資源特征

實地調查得知，揚州市主城區(qū)古樹名木共464株，分屬于36科55屬63種，其中1級37株，2級422株，3級5株。在空間分布上，風景區(qū)的古樹最多，占比約42%，私家園林占比約28%，街道和社區(qū)分別占約10%，機關單位和其他區(qū)域占比各約5%。該研究選取數(shù)量最多的9種樹種，共計355株（總占比76.5%）為研究對象，包括銀杏（Ginkgo biloba）、圓柏（Sabina chinensis）、桂花（Osmanthus fragrans）、瓜子黃楊（Buxus microphylla）、薄殼山核桃（Carya illinoinensis）、廣玉蘭（Magnolia Grandiflora）、紫薇（Lagerstroemia indica）、龍柏（Sabina chinensis cv.Kaizuca）和樸樹（Celtis sinensis）。根據(jù)樹種數(shù)量及形態(tài)指標統(tǒng)計可知，9種古樹中銀杏數(shù)量最多，具備最大的平均年齡和胸徑，且具備1級樹種（表1）。

2.2形態(tài)指標的相關性關系

為了研究古樹名木各指標之間的相關關系，對古樹的樹齡及其形態(tài)指標（樹齡、樹高、胸徑和冠幅）進行線性擬合，各指標兩兩之間擬合獲得的Pearson相關系數(shù)見表2。由表2可知，與其他形態(tài)特征相比，樹齡與胸徑的相關性較大，其中銀杏、圓柏、瓜子黃楊兩者之間呈極顯著正相關，故使用胸徑對三者進行樹齡評估較為可靠。樹高、胸徑和冠幅兩兩之間的相關性較大，其中瓜子黃楊、薄殼山核桃和桂花兩兩者之間呈顯著或極顯著正相關。瓜子黃楊四者之間均呈顯著正相關，說明隨著樹齡的增大，其他形態(tài)均呈增加趨勢。綜上，樹齡對瓜子黃楊和薄殼山核桃的3個形態(tài)特征影響均較大，對銀杏、圓柏胸徑增長速率影響較大，對紫薇和龍柏的冠幅和樹高增長速率影響較大。

2.3曲線擬合估計

為了探究4個指標之間是否存在更好的相關關系，分別對4個指標兩兩之間進行10個曲線方程的擬合。擬合過程基于可靠性檢驗α=0.05水平下，雙尾Ｔ檢驗顯著性概率趨近于０。根據(jù)相關系數(shù)越大，殘差平方和越小，擬合結果越好的原則，確定模型方程。由表3可知，各古樹至少有1組2指標之間具有較好的相關性（R2>0.25），且大部分曲線擬合的強度較線性的高，由此說明曲線擬合方程更能夠體現(xiàn)古樹名木樹齡與形態(tài)指標兩兩之間的關系。

一般而言，樹木的胸徑隨著樹齡的增大而增大，該研究中二者變化顯著相關的是銀杏、圓柏、瓜子黃楊和廣玉蘭（圖1a，紅色曲線擬合效果最好）。由圖1a可知，胸徑隨著樹齡的增加而增大，但增長速率隨著樹齡的增加而逐漸降低，4種古樹樹齡為100～200 a的胸徑增長速率最大。除了瓜子黃楊的增長速率在200 a以后逐漸降低，其余3種古樹的增長速率基本保持不變，且大小順序為廣玉蘭（12 cm/100 a）、銀杏（10 cm/100 a）和圓柏（6 cm/100 a）。胸徑與樹高決定了樹木的蓄積量，該研究中樹高與胸徑顯著正相關的有瓜子黃楊、薄殼山核桃、樸樹和桂花（圖1b，紅色曲線擬合效果最好）。由圖1b可知，樹高的增長速率隨著胸徑的變化而呈緩慢降低的變化規(guī)律。4種古樹樹高平均增加速率大小順序為薄殼山核桃（0.20 m/cm）、樸樹（0.15 m/cm）、瓜子黃楊（0.12 m/cm）和桂花（0.08 m/cm）。

2.4線性方程擬合

為了進一步研究古樹2個以上指標是否存在密切的線性關系，使用多元線性擬合獲得的方程見表4。由表4可知，9種古樹中，4個變量間大多存在較強的多元或一元線性擬合關系，其中銀杏、圓柏、瓜子黃楊、廣玉蘭和樸樹有3個變量間的擬合方程可靠（R2＞0.5），薄殼山核桃、紫薇和龍柏有2個變量間的擬合方程可靠（R2＞0.5），僅桂花各變量間的擬合方程可靠性不高。

2.5評價最佳擬合方程

將多元線性擬合和曲線擬合的結果進行比較，總結出較為適合的擬合方程（表5）。結合表3～5可知，對于銀杏，當冠幅為因變量，用樹齡、樹高與胸徑三者表示（R2=0.33）比用其與樹高曲線擬合（R2=0.28）更為精細準確；當胸徑為因變量，用樹齡與冠幅來表示（R2=0.69）比用其與樹齡曲線擬合（R2=0.47）更為精細準確。對于圓柏，當冠幅為因變量，用樹齡與胸徑來表示（R2=0.64）比用其與胸徑曲線擬合（R2=0.43）更為精細準確；當胸徑為因變量，用樹齡曲線擬合（R2=0.34）比用其與樹高表示（R2=0.06）更為精細準確。對于桂花，當冠幅為因變量，用其與胸徑進行曲線擬合（R2=0.34）比線性回歸更為精細準確。對于瓜子黃楊，當冠幅為因變量，用其與樹高進行曲線擬合（R2=0.66）比線性回歸更為精細準確。對于薄殼山核桃，當冠幅為因變量，用線性回歸進行表示（R2=0.51）比用其與樹高曲線擬合（R2=0.49）更為精細準確。對于廣玉蘭，當冠幅為因變量，用樹齡、胸徑來表示（R2=0.52）比用其與樹高曲線擬合（R2=0.27）更為精細準確；當胸徑為因變量，用樹齡與冠幅來表示（R2=0.52）比用其與樹齡曲線擬合（R2=0.31）更為精細準確。對于樸樹，當樹高為因變量，用胸徑、冠幅來表示（R2=0.99）比用其與胸徑曲線擬合（R2=0.85）更為精細準確。以上研究結果可在不損傷樹木的情況下估算相關古樹名木預備資源的樹齡，此外還能根據(jù)樹齡與形態(tài)指標之間的擬合方程換算的理論指標與實際指標進行對比，對古樹的生長狀況及健康進行評價。

3結論與討論

該研究結果表明，揚州市主城區(qū)古樹名木樹種的數(shù)量差異明顯，古樹中銀杏數(shù)量最多。古樹的樹齡與胸徑的相關性最大，其中銀杏、圓柏、瓜子黃楊兩者間顯著正相關。然而，在不同樹種中，胸徑使用冠幅和樹齡的二元擬合方程擬合更為準確，如圓柏、瓜子黃楊和廣玉蘭。此外，即使2個變量之間也存在曲線或多元線性關系，除了部分是簡單的一元線性關系。說明不同樹種各形態(tài)指標之間存在緊密但特異的關系，這可能是由于樹種生長特點的差異。隨著樹齡的增加，胸徑、樹高和冠幅變化速率不同，特別是200 a后的古樹，各形態(tài)特征指標的變化速率逐漸減小。該研究結果也表明，模型擬合的精度受選用模型種類的影響，不同樹種及形態(tài)指標之間適合不同的擬合模型［7］，需要進行不同模型擬合效果及精度之間的比較，才能篩選出較優(yōu)的擬合模型。

然而，也有個別樹種的樹齡、樹高、冠幅、胸徑之間不呈正相關增加趨勢，而是相關較小趨勢，如紫薇的胸徑與樹高之間，這可能是由于受到自然環(huán)境的變遷，人類活動的干預及土壤條件的影響。該研究僅針對樹齡、樹高、胸徑、冠幅等因素進行研究，為了進一步提高模型預測精度，下一步可考慮加入樹木對其周邊立地條件的響應研究，如光照、水分、溫度、土壤養(yǎng)分等的分布［12］，提高林木生長預測模型的精度，有利于更好地研究古樹名木的生長規(guī)律。

由于形態(tài)指標（樹高、胸徑與冠幅）以及樹齡之間有較強的相關性，筆者綜合考慮樹高、胸徑與冠幅的數(shù)量關系，可在不損傷樹木的情況下估算古樹名木預備資源的樹齡，可以替代碳14交叉法、生長錐測定等容易損傷古樹的方法［13］。此外，還能根據(jù)樹齡與形態(tài)指標之間的擬合方程換算的理論指標與實際指標進行對比分析，從而評估古樹的健康度；根據(jù)古樹樹冠與樹高的預測，預留古樹的生長空間，并采用適當?shù)谋Ｗo措施。

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