基于主成分分析对宁镇山脉乡土树种综合评价

(1.南京森林警察学院刑事科学技术学院， 江苏 南京 210023；2.野生动植物物证技术国家林业和草原局重点实验室， 江苏 南京 210023)

随着城市园林绿化理论研究和实践经验不断丰富与发展，越来越多的学者意识到乡土树种对城市生态系统的重要性[1-2]。乡土树种一般是指在一定地域范围内天然分布或从外地引入且引种时间较长在该地区生长状态良好的树种，属于本地区内重要的自然资源[3]；它不仅能够对当地灾害性天气、气候、局部区域水文条件等有较强抵御或适应能力，而且特别能适应当地的综合立地环境、生态、立地条件，并在一定程度上凝聚了当地的历史文化积淀，折射出当地的民俗文化与风情[4]。当前，国内许多城市在园林绿化树种选择时对当地的乡土树种资源和环境特征考虑不够充分，导致绿地结构单一化、缺乏地方特色、景观效果不佳、病虫害严重、管护成本高等诸多问题[5]，根本原因在于对乡土树种的认识不足与选择不够充分。因此，根据适地适树原则，科学合理地选用城市绿化树种对城市园林建设有着至关重要的作用。此外，国家亦在相关城市园林建设行业标准中明确指出，在城市园林绿化建设中应优先考虑选用乡土树种来构建城市绿化生态系统[6]。因此，在充分掌握本地乡土树种本底资源的基础上，利用科学合理的方法评价与优选乡土树种显得尤为重要。

主成分分析(Principal Components Analysis，PCA)是对原先提出的所有变量，将重复的变量删去多余，建立尽可能少的新变量，使得这些新变量是两两不相关的，而且这些新变量在反映对象的信息方面尽可能保持原有的信息，即在大量属性数据中，找出几个主要方面(即主成分)，从而使一个多属性的复杂问题化为比较简单的问题[7]。其方法主要是通过对协方差矩阵进行特征分解, 以得出数据的主成分与它们的权值[8]。因此，利用主成分分析,可以从繁琐错杂的事物关系中找到一些可提供研究的主成分信息，从而整合大量统计数据，实现有效利用数据做出定量分析、揭示出变量与变量之间的内在关系的效果[9]。杜甲宝等利用主成分分析法对郑州市行道树综合性能评价研究中指出，悬铃木(Platanusacerifolia)、垂柳(Salixbabylonica)、白蜡(Fraxinuschinensis)等树种为该地区最适宜的行道树树种[10]。申学圣等结合主成分分析法对岷江上游干旱河谷 4 个乡土树种的抗旱生理指标进行评价，指出刺槐(Robiniapseudoacacia)的抗旱性最强，油松(Pinustabuliformis)的抗旱性最差[11]。黄钰辉等[12]采用主成分分析法对南亚热带杉木林改造中不同树种的组合模式进行分析，为南亚热带地区低效针叶林改造、生态林经营及生态系统服务功能评估提供参考。白保勋等[13]采用主成分分析法确定了不同树种的综合指标值，提出了在当地造林绿化中优先选择生态适应性与生态服务价值综合指标值较高的乔木树种。因此，主成分分析法已成了解决林业生产实际问题的重要手段之一。

表1 宁镇山脉41种乡土树种综合指标得分

序号树种 美学 抗逆性 生态功能 生物学特性 树形…抗病虫害…降温…适应性…1白栎(Quercus fabri)3.76…3.46…3.60…3.70…2宝华玉兰(Magnolia zenii)4.10…3.46…3.25…3.05…3糙叶树(Aphananthe aspera)3.75…3.50…3.60…3.82…4檫木(Sassafras tzumu)3.77…3.41…3.55…3.53…5刺楸(Kalopanax septemlobus)3.76…3.55…3.30…3.77…6大果榉(Zelkova sinica)3.99…3.41…3.47…3.75…7灯台树(Cornus controversa)4.13…3.35…3.46…3.83…︙ ︙︙︙︙︙︙︙︙︙35枫香树(Liquidambar formosana)4.07…3.52…3.60…3.70…36黄连木(Pistacia chinensis)4.05…3.54…3.40…3.77…37黄檀(Dalbergia hupeana)3.34…3.25…3.39…3.82…38珊瑚朴(Celtis julianae)4.16…3.39…3.43…4.00…39野核桃(Juglans cathayensis)3.77…3.18…3.55…3.52…40羽叶泡花树(Meliosma pinnata)3.86…3.19…3.41…3.51…41紫楠(Phoebe sheareri)3.87…3.65…3.46…3.58…

宁镇山脉及其周边区域分布着南京、镇江等数座具有较长历史文化的城市，城市绿化景观面貌对城市人居环境、古都风韵、城市形象等方面具有重要的意义。调查表明，乡土树种在南京道路和居住区的运用较为匮乏，其所占比例仅为33%和16.67%[14-15]。因此，积极挖掘和开发利用乡土树种资源，并加以优选，对构建生态型的森林城市、促进城市物种多样性、稳定城市生态系统、提升居民生活环境水平，具有重要的现实意义。本文在野外调查和文献查阅的基础上，优选出宁镇山脉分布的41种乔木树种，采用主成分分析法建立包括美学价值、抗逆性、生态价值和生物学特性等指标的综合评价体系，对各树种进行评价分析，旨在为该地区乡土树种的开发利用和规划提供客观依据，科学合理选择乡土树种。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

宁镇山脉地处长江中下游平原丘陵区，绵延上百公里，其山体主要分布在南京、镇江、常州、马鞍山等周边市县，其中以南京和镇江占有较大部分。该区域地处北亚热带湿润气候，四季分明，雨水充沛。常年平均降雨117 d，平均降雨量1 106.5 mm，相对湿度76%，无霜期237 d；年均温度15.4 ℃，极端高温和低温分别为39.7 ℃和-13.1 ℃；土壤为黄棕壤。地带性植被为常绿阔叶林-落叶阔叶混交林。

1.2 树种评价

根据野外调查及文献查阅，对41种乔木树种进行评价分析。评价指标包括美学价值(树形、叶形、花形、果形和季相)、抗逆性(抗病虫害、抗污染、抗贫瘠和抗盐碱)、生态价值(除尘、固碳、降噪、降温和杀菌)和生物学特性(分布范围、适应性和根系)，共17项评价指标。采用5级评分制进行赋值(1～5分)，分别对应“差、较差、一般、较强(较好)、强(好)”。

将矩阵为41×17的问卷调查表发给包括大学教师、城市园林设计师、城市树木管护工程师等专家学者，它们均具有较丰富的树种评价和实际运用经验，对树种的评价具有较高的可信度。对回收的问卷进行统计分析，综合计算每个树种在各项指标中的平均值。

1.3 主成分分析

对收集整理后的数据采用中心化的方法进行处理，然后通过计算指标间的内积矩阵、特征根、特征向量、排序坐标矩阵和负荷量等过程，获得相应的主成分分析数据；具体过程参考文献[7]和文献[16]。利用主成分的特征向量(X)，构建主成分与乡土树种性能之间的线性方程Y；其次，结合主成分的方差贡献率构建乡土树种综合评价模型λ[10]。具体计算过程由软件PAST 3.1和Excel 2010完成。

2 结果与分析

2.1 综合评分基本情况

按照综合评分标准，41种宁镇山脉乡土树种得分见表1。从各树种的平均分情况来看，得分最高的是全缘叶栾树(Koelreuteriabipinnatavar.integrifoliola)，为3.83，均分最低的是黄檀(Dalbergiahupeana)，为3.39。各评价指标单项值中，宝华玉兰(Magnoliazenii)的花形获得分最高，为4.63，而乌桕(Sapiumsebiferum)的花形得分最低，为2.06。表1为各专家评分的基础数据，并未考虑各主要因子的权重情况。因此，应结合主成分分析的结果进行综合考虑，才具有一定的科学参考价值。

表3 各主成分的特征向量

Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8Y9Y10X10.177-0.0190.472-0.0800.195-0.0370.212-0.3300.0730.294X2-0.110-0.1830.1260.5280.1840.0200.1510.5070.2680.167X30.222-0.2230.3940.072-0.0560.129-0.187-0.2940.113-0.227X40.214-0.1570.145-0.0230.5860.280-0.1630.3110.078-0.203X50.304-0.1470.3470.086-0.166-0.1640.169-0.030-0.1100.146X6-0.0640.0930.350-0.4680.184-0.343-0.1860.145-0.116-0.124X70.3330.207-0.104-0.2230.318-0.0160.0770.0860.0400.220X80.2520.195-0.3420.0240.182-0.1790.218-0.2070.1000.129X90.3070.223-0.0020.114-0.013-0.0350.5540.0420.052-0.247X10-0.2080.233-0.058-0.0190.3230.5800.015-0.3780.064-0.019X110.0570.434-0.0060.1050.148-0.286-0.3240.1050.1190.302X12-0.1360.4240.2090.056-0.040-0.0560.1980.166-0.089-0.461X13-0.2460.3880.2400.0730.0310.029-0.0120.045-0.108-0.098X14-0.0440.1940.214-0.357-0.4030.4280.1620.2880.3120.360X150.0210.2950.2080.491-0.103-0.021-0.284-0.2490.1360.097X160.3880.088-0.087-0.003-0.1830.087-0.0690.0220.271-0.383X170.3550.118-0.113-0.060-0.2130.093-0.4310.1430.160-0.053X180.3040.1120.0150.166-0.0700.321-0.0650.163-0.7820.168

2.2 主成分分析

利用PAST 3.1对所选取的17个变量主成分数值进行计算，其结果列于表2和表3。从表2的数据来看，当m= 5时，17个主成分累计贡献率达71.41%(>70%)。前3个主成分的贡献率均大于10%，依次为26.20%、17.52%和12.92%；其次第4和第5的主成分也占有8.49%和6.28%。余下主成分的贡献率依次减少，且均小于5%。因此，前5个主成分可以代表原始因子的大部分信息。为减少信息损失，本研究将主成分选至第10，此时累计贡献率已超过90%，足以保留了大部分有效信息。

表3所示为各主成分的特征向量值。在第1主成分中，具有影响力的因子分别是X16(适应性，0.388)、X17(分布范围，0.355)和X7(抗污染，0.333)，因此生物学特性和抗逆性具有较大的影响作用。在第2主成分中，其影响因子作用的排序依次是X11(固碳，0.434)、X12(降温，0.424)和X13(降噪，0.388)，它们均为生态功能因子。对第3主成分影响较大的因子是X1(树形，0.472)、X3(叶形，0.394)和X6(抗病虫害，0.350)，故美学价值对第3主成分的影响较大。从上述3个主成分特征向量值的分析可知，专家打分的群体性意见排序倾向于生物学特性>抗逆性>生态功能>美学价值。

表2 各主成分特征根与主成分贡献率

因子特征值贡献率/%累计贡献率/%14.71926.2026.2023.15617.5243.7232.32812.9256.6441.5308.4965.1351.1316.2871.4160.9145.0776.4870.8174.5381.0180.7153.9784.9890.5403.0087.98100.4742.6390.61

2.3 综合评价模型

根据表3主成分特征向量值，构建主成分与乡土树种性能之间的线性模型，即：Y1=0.177X1-0.110X2+0.222X3+0.214X4+0.304X5-0.064X6+0.333X7+0.252X8+0.307X9-0.208X10+0.057X11-0.136X12-0.246X13-0.044X14+0.021X15+0.388X16+0.355X17+0.304X18；Y2=……，Y10=0.294X1+0.167X2-0.227X3-0.203X4+0.146X5-0.124X6+0.220X7+0.129X8-0.247X9-0.019X10+0.302X11-0.461X12-0.098X13+0.360X14+0.097X15-0.383X16-0.053X17+0.168X18。

表4 宁镇山脉41种乡土树种综合指标评价结果

序号树种λ序号树种λⅠ类:21冬青(Ilex chinensis)3.3941全缘叶栾树(Koelreuteria bipinnata var. integrifoliola)4.79622大果榉(Zelkova sinica)3.3662珊瑚朴(Celtis julianae)4.47223香果树(Emmenopterys henryi)3.3583黄连木(Pistacia chinensis)4.27324山槐(Albizia kalkora)3.3384杜梨(Pyrus betulifolia)4.05325毛梾(Cornus walteri)3.2645五角枫(Acer pictum subsp. mono)4.02526野核桃(Juglans cathayensis)3.2626乌桕(Sapium sebiferum)4.02427马尾松(Pinus massoniana)3.0447三角槭(Acer buergerianum)4.00528檫木(Sassafras tzumu)3.015Ⅱ类:Ⅳ类:8榔榆(Ulmus parvifolia)3.97529苦槠(Castanopsis sclerophylla)2.9959朴树(Celtis sinensis)3.97030紫楠(Phoebe sheareri)2.92510枫香树(Liquidambar formosana)3.92931红果榆(Ulmus szechuanica)2.88111麻栎(Quercus acutissima)3.78332光叶糯米椴(Tilia henryana var. subglabra)2.83212响叶杨(Populus adenopoda)3.76633青冈(Cyclobalanopsis glauca)2.76313灯台树(Cornus controversa)3.73934南京椴(Tilia miqueliana)2.74214栓皮栎(Quercus variabilis)3.64035羽叶泡花树(Meliosma pinnata)2.74215糙叶树(Aphananthe aspera)3.62936红楠(Machilus thunbergii)2.67116薄叶润楠(Machilus leptophylla)3.59737石栎(Lithocarpus glaber)2.57717木蜡树(Toxicodendron sylvestre)3.54438米槠(Castanopsis carlesii)2.53418白栎(Quercus fabri)3.53639宝华玉兰(Magnolia zenii)2.52019肥皂荚(Gymnocladus chinensis)3.51840黄檀(Dalbergia hupeana)2.500Ⅲ类:41小叶青冈(Cyclobalanopsis myrsinaefolia)2.36520刺楸(Kalopanax septemlobus)3.421

根据表2所提供10个主成分与其对应的方差贡献率构建宁镇山脉乡土树种综合评价模型λ，λ为所选10个主成分的线性组成，即

λ=0.262Y1+0.175Y2+0.129Y3+0.085Y4+0.063Y5+0.051Y6+0.045Y7+0.040Y8+0.030Y9+0.026Y10。利用该线性模型对41种宁镇山脉乡土树种进行综合评价，结果如表4所示。根据综合评价值λ的结果，可将宁镇山脉分布的41种乡土树种划分为4类，Ⅰ类为λ≥4.0，Ⅱ类为3.5≤λ<4.0，Ⅲ类为3.0≤λ<3.5，Ⅳ类为λ<3.0。

Ⅰ类乡土树种有7种，综合评价值最高的是全缘叶栾树(4.796)，其次为珊瑚朴(Celtisjulianae)(4.472)和黄连木(Pistaciachinensis)(4.273)。这些树种中五角枫(Acerpictumsubsp.mono)、三角槭(A.buergerianum)、乌桕、黄连木等均为典型的色叶树种，而杜梨(Pyrusbetulaefolia)为春季观花树种；因此，它们不论是在观赏价值亦或是对本区域环境的适应性方面均具有较佳的表现。目前，全缘叶栾树已在城市绿化中有较成功的引种，但是除槭树(Acerspp.)和乌桕有少量运用外，其余树种较少见。因此，应加大对Ⅰ类乡土树种资源的开发与引种利用。

Ⅱ类乡土树种有12种，该类具有较高的引种潜力和开发价值。在Ⅱ类乡土树种中，榔榆(Ulmusparvifolia)(3.975)、朴树(C.sinensis)(3.970)和枫香树(Liquidambarformosana)(3.929)位居前三，它们的综合评价值也较为接近。在这些树种中，榔榆、朴树和枫香树已在城市有一定运用，但也并未完全推广；多数出现在公园或城市广场小景观内。上述3个树种不论是观赏价值还是对城市环境的耐受性方面均具有较好的表现，基本接近于Ⅰ类，因此也极具开发和利用价值。在Ⅱ类乡土树种中，还有栎树(Quercusspp.)和其他树种，但它们的综合表现与前3个还是有一定的差距。此外，在Ⅰ类和Ⅱ类树种中仅薄叶润楠(Machilusleptophylla)为常绿树种，故应加大常绿乡土树种的培育与挖掘。

Ⅲ类乡土树种有9种，这些树种除冬青(Ilexchinensis)有一定的栽植外，其余树种并不多见。从生物学特性和生态学特性来看，冬青喜温暖气候，有一定耐寒力，适生于肥沃湿润、排水良好的酸性土壤；因此冬青也很难分布在城市道路或广场等土壤条件较差的区域，仅在公园、居住区、学校等地方生长较佳。其他诸如野核桃(Juglanscathayensis)为经济树种、马尾松(Pinusmassoniana)和檫木(Sassafrastzumu)为南方常见造林树种，它们对城市环境的适应性均表现一般，因此可作为城市森林树种的丰富和后备树种资源的补充。

Ⅳ类乡土树种有13种，其中有7种常绿树种，多为壳斗科(Fagaceae)植物。虽然这些物种在宁镇山脉有一定的分布，但该区域已处亚热带北缘，因此其生长表现与南亚热带和中亚热带相比还是有一定的差距。宝华玉兰(Magnoliazenii)虽然具有较高的观赏价值，但由于其本身就是濒危物种，对环境的适应能力较弱。此外，椴树(Tiliaspp.)虽然树形优美、观赏价值较高，但受其生物学特性制约，在城市推广应用仍有一定的难度[17]。因此，Ⅳ类乡土树种不宜选用为城市绿化树种。

3 小结与讨论

积极开发利用野生乡土观赏树种资源，无疑是丰富园林树木种类、解决乡土树种比例过小的最佳方法。乡土树种具有较高的适应性和抗逆性，后期的养护管理工作相对简单易行、成本较低，且节省运输费用[18]。利用主成分分析法对宁镇山脉乡土树种进行综合评价，对今后城市园林绿化建设具有重要的指导意义。该区域的城市绿化管理部门可根据综合评价排序及类别划分进行树种的筛选、推广和应用，尤其是Ⅰ类乡土树种。

1) 科学合理选用乡土树种。宁镇山脉乡土树种资源较为丰富，其中以壳斗科、槭树科(Aceraceae)、榆科(Ulmaceae)、蔷薇科(Rosaceae)、椴树科(Tiliaceae)、漆树科(Anacardiaceae)等科蕴含有较为丰富的可开发资源；但是，部分树种其实并不适合于城市环境的生长。作为城市绿化树种一般应具备适应性强、观赏价值高、无毒无污染(无致敏性)、萌生性强等若干项特性[19]。本研究划分的4个乡土树种类群中，Ⅰ类乡土树种不仅具有较高的观赏价值而且对城市环境的耐受性也较好；其中，全缘叶栾树、三角槭、五角枫、乌桕等均已在城市有一定的种植规模，综合表现良好。而Ⅲ类和Ⅳ类乡土树种虽然也具有一定的观赏价值，但其对城市环境的适应性远不如Ⅰ类。此外，诸如构树(Broussonetiapapyrifera)这一类植物虽然在各方面均具有较好的表现，但由于其具有致敏性[20]，因此也不适宜在人群密集的城市环境中种植。早期，园林工作者由于对绿化树种的评估与认识不足，使得日本东京雪松的花粉致敏、美国爱荷华市的银杏恶臭、欧洲荷兰榆树病的爆发等惨痛教训仍历历在目[21-22]。因此，乡土树种在城市园林绿化建设中的科学合理选择不仅是林业技术要素，更是直接影响到城市园林建设成败的关键性问题。相关部门和学者已经意识到目前乡土树种的重要性。在《南京市行道树树种规划》(2014—2026年)中明确指出南京市新城区将严控悬铃木的种植，推广银杏(Ginkgobiloba)、榉树、朴树、全缘叶栾树等乡土彩色树种，改变香樟(Cinnamomumcamphora)、杜英(Elaeocarpusdecipiens)等长势不佳的常绿树种一统天下局面，使南京的主干道色彩更加艳丽丰富，让市民能够感知季节的变化。

2) 构建适宜本地的乡土树种综合评价体系。由于我国幅员辽阔，因此在乡土树种选择时应明确乡土树种分布范围，不宜以“中国分布”的大概念来定义乡土树种。因此，乡土树种的选择与评价体系应以其气候区或近地原则为主[23]。在各因素相关指标的制定时要综合考虑到树种的美学价值、生物学特性、生态学特性等，才能更全面系统地评价各类树种。另外，在对乡土树种进行综合评价时，应着重考虑实际种植环境，如广场、道路、公园、小区、学校等，有针对性地使不同乡土树种在最适宜的环境下生长；如Ⅲ类和Ⅳ类树种中的冬青(Ilexchinensis)、紫楠(Phoebesheareri)、宝华玉兰、香果树(Emmenopteryshenryi)等在公园、学校等环境内生长较佳。

目前，主成分分析法已广泛运用在植物性状的各类综合评价中，已获得了广泛的认可并取得了良好的效果[24-25]。但除主成分分析法外，常见的还有层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)[4,26]、隶属函数法[27]、灰色关联[28]等。这些方法的算法与原理不同，因此即使是同一份原始数据对树种的评估结果也会有一定的差异。此外，由于这些分析方法都是以专家打分为基础的，对结果的客观性势必会有一定的影响。因此，在后续的研究中，可将几种方法同时对需要评估的树种进行综合分析；而综合评价值在几种方法中均表现较好的树种则具有较高的推广应用价值，这就保证了评估结果的准确性。

本文利用主成分分析法，根据综合评价值λ将41种宁镇山脉分布的乡土树种划分为4大类群，其中全缘叶栾树、珊瑚朴、黄连木、杜梨、五角枫、乌桕和三角槭等7个Ⅰ类乡土树种综合表现佳，适宜在城市中进行大范围推广。Ⅱ类乡土树种中的榔榆、朴树、枫香等也表现较好；其余树种具有一定的开发潜力，应进行积极的人工引种驯化。Ⅲ类和Ⅳ类乡土树种可作为城市乡土树种的选用储备资源或城市树种多样性的有益补充，有待于更深入的开发研究。