不同城市工程基质中树木建立的生态系统服务权衡研究

《Journal of Environmental Management》：Exploration of potential ecosystem service trade-offs when establishing trees in different urban substrates

　　本研究针对城市树木在受限生长条件下生态系统服务功能受限的问题，系统评估了四种工程基质（AMA、PU、SM、RM）对欧洲椴‘Kristina’早期生长、基质水文特性及径流水质的影响。研究发现传统园艺基质AMA在促进树木生长和减少磷（PO43?）淋失方面表现最优，而结构性基质（SM、RM）虽具高渗透性但树木活力显著降低。研究揭示了基质设计在树木活力与雨洪管理功能间的权衡关系，为多功能城市绿地建设提供了科学依据。

　　

在城市化的浪潮中，树木作为绿色基础设施的核心组成部分，承担着提升气候韧性、改善人居环境的重要使命。然而，理想很丰满，现实却很骨感。城市树木在混凝土森林中常常面临“脚下之困”——狭窄的扎根空间、高度板结的土壤、贫瘠的营养环境，这些恶劣的地下条件严重制约了树木的存活和健康生长，进而削弱了其提供遮荫降温、净化空气、涵养水源等生态系统服务的能力。

为了破解这一难题，园林工作者和工程师们开发了各种“工程基质”，试图为树木营造更适宜的生长环境。其中，结构性土壤因其能同时承载地面硬质铺装和提供根系生长空间，近年来在许多欧洲城市得到广泛应用。与此同时，基于浮石等多孔材料的基质因其良好的透水和持水特性，在协同管理雨洪方面展现出潜力。然而，这些新型基质在支持树木健康方面的效果如何？它们能否真正实现树木活力提升与雨洪管理等多重目标的共赢？还是会在不同功能间产生新的权衡？这些问题尚未有明确答案。

正是在此背景下，由Anna Levinsson领衔的研究团队在《Journal of Environmental Management》上发表了他们的最新研究成果。他们通过为期两年的受控中宇宙实验，系统地探究了四种当前在瑞典城市中应用的工程基质（包括传统园艺基质AMA、浮石基质PU、石料混合基质SM和岩石混合基质RM）以及外源菌根接种对欧洲椴‘Kristina’早期建立阶段的影响，全面评估了这些基质在树木发育、水文功能和径流水质方面的表现。

研究人员采用的关键技术方法包括：1） 采用随机区组设计的中宇宙实验，使用1立方米容器模拟树池环境；2） 系统监测树木生长指标（地径、株高、新梢长度、叶面积等）和生理指标（气孔导度g_s）；3） 利用图像分析技术量化叶片颜色（CIE LAB色彩空间）并与叶片营养含量（C、N、δ¹³C、δ¹⁵N）进行关联分析；4） 测定基质的物理特性（田间持水量、可排水孔隙度、排水时间）；5） 分析灌溉后径流中的营养物浓度（DOC、TN、PO₄^3?、NH₄⁺、NO₃^?）；6） 运用线性混合效应模型和多元统计（主成分分析PCA）进行数据分析。

3.1. 树木发育

研究表明，基质类型对树木的所有生长发育参数均有显著影响。传统园艺基质AMA在促进树木生长方面表现最佳。在实验的第二年，AMA处理中的树木地径比RM处理大64%，新梢长度几乎是RM的2.5倍（AMA: 80.5 cm vs. RM: 33.3 cm）。PU和SM处理的表现介于AMA和RM之间。气孔导度测量结果显示，SM处理的蒸腾速率最低。菌根接种处理对所有树木生长发育参数均未产生显著影响。

3.1.1. 叶片营养

2023年的叶片营养分析显示，基质类型显著影响所有测试的营养元素和稳定同位素值。RM处理具有最低的叶片氮含量（约2.0%）和最高的C/N比（24.1 g/g），表明可能存在氮限制。PU处理的叶片氮含量最高（3.0%）。叶片δ¹³C值在RM处理中最偏负，暗示其水分胁迫程度较高。菌根处理对叶片营养水平无显著影响。

3.2. 水分渗透、可排水孔隙度和基质特性

基质物理特性测定揭示了不同基质的功能差异。AMA基质的沉降最显著（22.28%），可排水孔隙度最低（12.98%），排水速度最慢（90%水量排出需154分钟）。RM基质的沉降最小（3.0%），可排水孔隙度最高（37.52%），排水速度最快（6.67分钟）。PU基质表现出最高的田间持水量（56.76 g水/g土），但其排水速度也较快（41分钟）。

3.3. 径流水质

径流水质分析表明，基质类型和年份对所有水质参数均有显著影响。在实验第一年（2022），AMA基质径流中的总氮（TN）、铵态氮（NH₄⁺）和硝态氮（NO₃^?）浓度显著高于其他基质。到了第二年（2023），所有基质的营养物浓度普遍下降，但SM和PU处理的磷酸盐（PO₄^3?）浓度仍然较高（分别为1.8 mg/L和1.3 mg/L），而AMA处理的PO₄^3?浓度降至很低水平（0.1 mg/L）。RM处理的营养物浓度始终处于低位。菌根接种对径流水质无显著影响。

3.4. 多元分析

主成分分析（PCA）进一步证实了不同基质处理间的差异。RM处理与较差的树木生长、叶片黄化（高LAB B值）、高叶片C/N比以及低叶片营养含量相关联。而AMA、PU和SM处理则与更旺盛的生长、更绿的叶片颜色以及较高的叶片营养含量相关。

该研究的结论部分对上述发现进行了深入讨论，并强调了其重要意义。研究表明，在城市树木种植中，基质的选择存在明显的功能权衡。传统的园艺基质AMA在促进树木早期生长和减少磷淋失方面优势明显，但其负载能力有限，且存在沉降问题。而结构性基质（SM、RM）和浮石基质（PU）虽然在高透水性和潜在雨洪管理功能方面有优势，但却以牺牲树木活力为代价，特别是在RM基质中，树木表现出生长迟缓、营养状况不佳和水分胁迫迹象。

这意味着，城市规划和景观设计者在选择树池基质时，必须明确优先目标。如果首要目标是确保树木健康生长和快速成景，并最小化对下游水体的营养污染风险（特别是磷），那么AMA这类改良的园艺基质可能是更好的选择，但需注意其安装方式以避免后期压实。如果场地条件要求基质具备较高的负载能力或快速的雨水下渗功能，则可以考虑使用结构性基质或浮石基质，但必须认识到这可能对树木活力产生负面影响，并需要选择更能耐受干旱和水涝胁迫的树种，以及制定更精细的维护方案。

此外，研究结果对当前城市绿化实践中过度追求基质高孔隙度的倾向提出了质疑。尽管通气性是树木健康的关键因素，但本研究表明，在实施良好管理、避免压实的条件下，AMA基质能提供足够的气体交换，支持健康的树木发育。过度追求孔隙度而减少根系可用基质体积可能是不必要的，甚至是有害的。研究未发现商业菌根接种剂在实验条件下对树木生长或营养保留有积极效果，这提示在实践中投资于改善土壤有机质或其他物理化学性质可能比菌根接种更为有效。

总之，这项研究为城市树木种植的基质选择提供了重要的实证依据，强调了基于清晰功能定位进行决策的必要性。在城市空间日益紧张、对绿色基础设施多功能需求不断增强的背景下，深入理解不同工程基质的特性及其权衡关系，对于构建可持续、有韧性的城市生态系统至关重要。未来的研究需要关注这些基质的长期性能表现，以及它们与不同树种、不同气候条件和不同管理措施的交互作用。