河西地區古樹名木資源特征及空間分布格局分析*

李艷龍，陳帥，賀曉慧，3，王多文，安萬秀

(1.武威市林業綜合服務中心，甘肅 武威 733000；2.內蒙古科技大學包頭師范學院 資源與環境學院，內蒙古 包頭 014030；3.中國科學院西北生態環境資源研究院 內陸河流域生態水文重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

古樹名木記錄了地區的氣候、地理、植被、生態等自然環境更替，見證了地區人類活動和社會歷史變遷，具有重要的歷史、文化和科研價值，被譽為“活化石”。古樹名木是地球上最具代表性的生物群，是許多陸地生態系統的重要組成部分[1-2]，也是寶貴的不可再生文化資源，在種質資源保護、物種多樣性、植被區系演化、生態文明建設、文物考古及文化傳承等方面發揮著重要作用[3-5]。然而，在過去幾十年，隨著全球氣候變暖，極端天氣增多，加之人類活動影響，世界眾多國家的古樹名木出現死亡，數量銳減[6-7]，僅風景名勝古跡區的古樹名木得到較好保護。這不僅會喪失優秀的物種生物基因庫，阻礙新品種培育；還會丟失重要的人類歷史文化價值；還可能丟失涵養水源、增加碳匯、維持生態平衡等重要生態功能，造成區域生態系統失衡[1，8-9]。因此，開展古樹名木的保護管理及研究工作勢在必行，也引起了國內外政界、學界的廣泛關注。

武威市是最早開辟絲綢之路的河西地區重鎮，是11～13世紀西夏國的重要地區，歷史悠久，文化底蘊深厚，是中華文明的重要發源地之一，且地處河西走廊，東北低、西南高，地貌類型多樣，加之獨特的氣候和水熱條件差異，現保存有大量的古樹名木。因此，本研究依托武威市古樹名木普查數據，采用傳統統計學與GIS空間分析相結合的方法，從結構組成特征、生長狀況、空間分布格局等方面系統分析武威市古樹名木資源，以期為河西地區古樹名木和物種多樣性的保護和管理提供理論依據，為生態文明建設提供重要參考。

1 研究區概況

武威市簡稱“武”或“涼”，位于甘肅省中部、河西走廊東端(36°29′～39°27′N、101°49′～104°16′E)，南北長326 km，東西寬204 km，總面積3.23×104km2，轄涼州區、民勤縣、古浪縣和天祝藏族自治縣(圖1)。截止2020年底，常住人口1 464 955人。武威市地處青藏高原、黃土高原和蒙新高原三大高原交匯地帶，地勢呈西高東低，海拔1 020～4 872 m。屬溫帶大陸性干旱氣候，冬寒夏暑，干旱少雨且分布不均，光照充足，風大沙多。年平均氣溫7.7 ℃，平均氣溫年較差29.4 ℃，年平均日照時數2 876.9 h，年平均降水量212.2 mm，年平均蒸發量2 163.6 mm，平均無霜期171 d。境內有黃河流域與內陸河的石羊河流域。受風力、水力、干燥剝蝕等長期外力作用，形成了高山、綠洲、平原、沙漠等地貌類型，自然地理景觀多樣，從高寒陰濕山區的暗針葉林到干旱荒漠均有分布[17]。

圖1 研究區概況 注：基于甘肅省地理信息公共服務平臺(天地圖·甘肅)網站的標準地圖制作，底圖無修改；審圖號為甘S(2021)91號；圖3、圖5同。Fig.1 Study area overview map

2 數據獲取與研究方法

2.1 數據獲取

武威市古樹名木數據來源于武威市古樹名木普查數據庫，野外實地調查時間為2019年至2022年7—9月，調查方法依據《古樹名木普查技術規范》[18]。

在實地調查中調查內容 包括古樹名木樹種、生長位置、地理坐標、樹齡、古樹等級、生長勢等相關基礎數據。

調查方法 地理坐標采用GPS定位；樹高采用深達威手持式激光測距望遠鏡(SW-1200A)測定，精度±1.00 m；胸徑采用測量圍尺、游標卡尺測量，精度分別為±0.50 cm、±0.05 mm；樹齡多采用訪談估測法，少部分采用樹鉆法測定。

武威市30 m分辨率數字高程DEM數據、行政區劃、水系等數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心[19]，坐標系統為GCS WGS 1984。坡度和坡向數據依據高程數據在ArcGIS 10.8軟件中生成。

2.2 研究方法

2.2.1 生長勢劃分

依據《古樹名木普查技術規范》標準[18]及《古樹名木鑒定規范》[20]劃分樹齡等級及生長狀態。按照樹齡可將古樹劃分為3級：樹齡≥500 a為一級古樹，樹齡300～499 a為二級古樹，樹齡100～299 a為三級古樹，名木不受樹齡限制[2]。通過觀察樹木葉片、枝條和樹干等方面的生長狀態，將其劃分為正常、衰弱、瀕危和死亡4類(表1)。

表1 生長勢劃分標準及數量Tab.1 Growth potential division criteria and number

2.2.2 地形特征等級劃分

根據中國地貌區劃、山地劃分標準將武威市劃分為5個等級，文中用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ表示：海拔<2 000 m為Ⅰ，海拔(2 000～2 700 m)為Ⅱ，高海拔(2 700～3 400 m)為Ⅲ，海拔(3 400～4 100 m)為Ⅳ，海拔≥4 100 m為Ⅴ。坡度劃分為6級，坡度<5°為Ⅰ，坡度(5°～15°)為Ⅱ，坡度(15°～25°)為Ⅲ，坡度(25°～35°)為Ⅳ，坡度(35°～45°)為Ⅴ，坡度≥45°為Ⅵ。坡向順時針45°劃分為無坡向、北坡、東北坡、東坡、東南坡、南坡、西南坡、西坡、西北坡9個不同的坡向。

2.2.3 核密度與標準差橢圓

標準差橢圓(standard deviation ellipse，SDE)分布又稱利菲弗方向性分布，用來度量點要素空間分布及方向特征。由方向角、中心點、X軸(長軸)和Y軸(短軸)等組成。橢圓長半軸表示數據分布方向，橢圓短半軸表示數據分布范圍。橢圓扁率(短半軸/長半軸)越小，長短半軸差值越大，數據分布的方向性就越明顯。橢圓面積大小表示點要素空間聚集度。橢圓中心表示點要素空間分布的平均中心[5，21-22]。主要計算公式參見文獻[23]。

2.2.4 物種多樣性

利用物種多樣性指數對不同海拔梯度下古樹異質性進行合理分析。物種多樣性指數主要用來衡量物種多樣性豐富度與均勻度的指標，物種多樣性的統計量越高，指數越高。常用的測度方法有信息度指數Shannon-Wiener(H)指數和優勢度指數Simpson(D)指數。主要計算公式參見文獻[24]。

3 結果與分析

3.1 資源特征分析

3.1.1 樹種組成特征

武威市共有古樹名木797株，隸屬于14科20屬28種，其中裸子植物2科5屬8種，共283株，占武威市古樹名木總數的35.51%；被子植物為雙子葉植物，共12科15屬20種，共514株，占總數的64.49%(表2)。

表2 武威市古樹名木種類組成特征Tab.2 Composition characteristics types of seeds of ancient and famous trees in Wuwei City

由表3可見，樹種以鄉土樹種為主，數量排前5位的樹種依次為西洋梨(Pyruscommunis)、胡桃(Juglansregia)、圓柏(Sabinachinensis)、側柏(Platycladusorientalis)、槐(Styphnolobiumjaponicum)，共659株，約占武威市古樹名木總數量的82.69%。柏科(Cupressaceae)古樹名木數量最多，有圓柏、側柏、祁連圓柏(Juniperusprzewalskii)、刺柏(Juniperusformosana)，共248株，占武威市古樹名木總數的31.11%；其次是薔薇科(Rosaceae)，有西洋梨、山杏(Prunussibirica)、楸子(Malusprunifolia)，共202株，占武威市古樹名木總數的25.35%；而胡頹子科(Elaeagnaceae)、鼠李科(Rhamnaceae)數量最少，各科僅有1株，分別為沙棗(Elaeagnusangustifolia)、紅棗(Ziziphusjujuba)，其中沙棗為一級古樹。西洋梨、胡桃、圓柏、側柏、槐為武威市古樹名木的優勢樹種，西洋梨、胡桃中無一級古樹，全部為二級和三級古樹，三級古樹占比最多，分別為98.92%和98.56%；圓柏、側柏和槐中有一級古樹分布，占比分別為12.78%、7.55%和20.83%。

表3 武威市古樹名木資源數量及等級Tab.3 Number and grade of ancient and famous tree resources in Wuwei City

3.1.2 樹齡結構與主要生長狀況特征

從樹齡結構來看，武威市古樹名木樹齡結構整體呈金字塔型分布，即隨樹齡的增大古樹名木數量逐漸減少。其中，一級古樹名木53株，占古樹名木總株數的6.65%；二級古樹名木92株，占總數的11.54%；三級古樹名木652株，占總數的81.81%(表4)。從古樹名木生長勢來看，武威市古樹名木正常株有510株，占比63.99%，平均樹齡199 a；衰弱株280株，占比35.13%，平均樹齡208 a，其中一級古樹22株，二級古樹36株，三級古樹222株，瀕危株3株，占比0.38%，平均樹齡337 a，死亡株4株，占比0.50%，平均186 a(表1、表4)。瀕危株分布在古浪縣的泗水鎮、黃羊川鎮和土門鎮，分別是1棵槐(二級古樹)、1棵小葉楊(Populussimonii)(二級古樹)和1棵圓柏(三級古樹)。死亡株有3棵分布在古浪縣的土門鎮、泗水鎮和古浪鎮，分別是槐(三級古樹)、小葉楊(二級古樹)和圓柏(三級古樹)，及1棵圓柏(三級古樹)分布在民勤縣的三雷鎮。衰弱株中有22株為一級古樹，36株為二級古樹，222株為三級古樹。

表4 武威市古樹名木等級及平均樹高、胸徑Tab.4 Grades and average height and diameter of ancient and famous trees in Wuwei City

武威市古樹名木的平均樹高與平均胸徑與古樹名木等級成正相關關系。武威市古樹名木平均樹高14.35 m，平均胸徑201.73 cm，其中，一級古樹名木平均樹高19.79 m，平均胸徑296.42 cm；二級古樹名木平均樹高15.36 m，平均胸徑213.84 cm；三級古樹名木平均樹高13.77 m，平均胸徑192.66 cm(表4)。從樹高、胸徑結構來看，武威市古樹名木樹高和胸徑整體呈正態分布，古樹中超級大和較小的樹木較少。整體看，武威市古樹名木樹高集中在11～15 m，有341株，占比42.79%；樹高在6～10 m、16～20 m的樹木也較多，分別有187和181株，共占比46.17%(圖2A)。其中樹高最高為36 m，最低為5 m，均分布在武威市涼州區。古樹名木胸徑151～200 cm的樹木最多，有209株，占比26.22%；胸徑在101～150 cm、201～250 cm、251～300 cm的樹木也較多，分別有189、154和91株，共占比54.45%；胸徑>600 cm的樹木僅有3株(圖2B)，其中2株分布在涼州區，1株在古浪縣，胸徑最小在天祝藏族自治縣，僅有32 cm。

圖2 武威市古樹名木樹高與胸徑分布

3.2 空間分布格局分析

3.2.1 空間分布聚集區域及方向性分析

核密度法分析結果顯示，武威市古樹名木資源分布具有明顯的空間聚集性特點，各縣(區)古樹名木的密集度差異較大，整體呈中部多，南北少的特點，在涼州區城區形成了一個較大的分布聚集區，在天祝藏族自治縣的毛藏鄉形成一個較小的分布聚集區，古浪縣泗水鎮和民勤縣政府周邊形成一個非常弱的聚集區(圖3A)。武威市古樹名木分布密度為0.024 6 株/km2，其中涼州區有692株，分布密度為0.141 0 株/km2，主要集中在城區及周邊；民勤縣有63株，分布密度為0.004 0 株/km2，主要集中在三雷鎮，占民勤縣古樹名木的30.16%；古浪縣有24株，分布密度0.004 8 株/km2，主要分布在土門鎮，占古浪縣古樹名木的54.17%；天祝藏族自治縣18株，分布密度為0.002 7 株/km2，主要分布天祝藏族自治縣的南部，在賽什斯鎮、炭山嶺鎮及天堂鎮，占該區總數的38.89%(圖3B)。

圖3 武威市古樹名木空間分布及方向性分布Fig.3 Spatial distribution and directional distribution of ancient and famous trees in Wuwei City

標準差橢圓分析結果顯示，武威市古樹名木橢圓中心在102.66°E、37.91°N，長半軸為47.53 km，短半軸為23.64 km，方位角為24.86°，分布方向為“東北—西南”向。橢圓形區域內囊括了651株古樹名木，占武威市古樹名木總數的81.68%。同時，在對武威市的5種優勢種進行標準差橢圓分析發現，5種優勢樹種的分布方向基本與武威市古樹名木整體分布方向一致，其中槐的方向角最大，側柏的方向角最小，西洋梨的橢圓扁率最小，胡桃的橢圓扁率最大，西洋梨生成橢圓面積最小，槐生成橢圓面積最大，表明西洋梨的方向性和向心力更明顯，聚集性最強，但擴散能力弱，槐的聚集性較弱，擴散能力也較強(表5)。

表5 武威市古樹名木及優勢樹種標準差橢圓屬性

3.2.2 不同地形空間分布特征

武威市古樹名木的數量與種類分布隨著海拔高度增加，古樹名木數量及種類呈減少趨勢(圖4)。其中，海拔Ⅰ的古樹名木數量最多，有737株，26種，數量占比92.46%；海拔Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的古樹名木數量分別為21株、14株和25株，僅占總株數的7.54%，分別有11種、8種和3種；當海拔為Ⅴ時，無古樹名木出現；表明武威市古樹名木主要集中在低海拔地區，涼州區附近為主要聚集地(圖5A、5D)。

圖4 不同海拔梯度古樹名木物種多樣性指數Fig.4 Species diversity indices of old and valuable trees at different elevation gradients

圖5 武威市古樹名木與地形要素的關系

隨著坡度等級增加，武威市古樹名木的數量及種數呈急劇下降趨勢，在低坡度帶Ⅰ，也正處于低海拔區的區域古樹名木數量最多，有732株，占總株數的91.84%，共27種；在中坡度帶Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，共有65株，僅占總株數的8.16%，其中Ⅳ的株數和種數較多；在高坡度帶Ⅵ，也是高海拔區，古樹名木無法生存(圖5B、5E)。

武威市古樹名木數量和種類在不同坡向上的分布存在顯著差異。從數量上看，北坡、東南坡、東坡的古樹名木最多，分別為178株、115、98株，占比22.33%、14.43%、12.30%，種數分別為21種、13種和11種；東北坡、南坡、西南坡、西坡和西北坡的古樹名木株數差異不顯著，株數在73～88株間，在這些坡向中，西南坡株數雖然較少，但種數較多，有16種；武威市無坡向區無古樹名木分布(圖5C、5F)。

4 討論與結論

4.1 討論

4.1.1 區域古樹名木資源以鄉土樹種為主，且資源特征差異顯著

鄉土樹種通常是天然分布或者已經引種百年以上，對本地氣候條件和土壤條件適應性強，抗逆性好的地帶性樹種[25]。武威市古樹名木中西洋梨、胡桃、圓柏、側柏和槐共659株，占總株數的82.69%，這些樹種均為武威市鄉土樹種，是武威市生物多樣性和種質資源的重要組成部分，兼具經濟、社會和生態價值，一直被當地百姓所廣泛種植。武威市植物園集中分布有大量歷史悠久的西洋梨和胡桃。圓柏曾郁郁蔥蔥分布在河西走廊東段廣大地區，在騰格里沙漠南移及人為砍伐影響下，圓柏大面積消失，百年以上圓柏僅留有119株，其中1株為瀕危株，2株為死亡株。國槐作為武威市的市樹，在河西地區具有極強的適應力，還具有較高的觀賞價值和歷史文化價值，故栽培歷史悠久，在三縣一區均有分布。眾多學者研究也表明，一些本土適應性強、壽命長，且具有食用、觀賞價值及民俗文化和宗教傳統良好寓意的樹種栽培較多，留存也較多，成為地區古樹名木的重要資源[2，16]。

武威市古樹名木資源特征差異顯著。武威市古樹名木共14科20屬28種，種間株數具極強變異性，差距顯著。楊瓊等[16]在對渝北區古樹名木的研究中發現，黃葛樹為優勢種，有206株，其次是銀杏和皂莢，僅12株，不同科屬種間差距較大。邱族周等[26]對新田縣古樹名木的研究中也有類似結論。這可能與樹種價值、當地居民喜好、風俗及對氣候條件的適應緊密相關。古樹名木一般隨著樹齡增加，株數逐漸減少，呈金字塔型[27]，武威市三級古樹是一級古樹的12倍多，是二級古樹的7倍多。生長勢與樹齡有較大關系，古樹隨著樹齡增大，生理機制和根系吸收能力均會不斷下降，對于外界的抵抗能力降低[2，28]，一、二級古樹中的衰弱株、瀕危株的占比相較于三級古樹更高。但令人意外的是，武威市有4株死亡株，分布在古浪縣和民勤縣，分別是圓柏、槐和小葉楊，平均樹齡才186 a，致其死亡的原因極大可能是因人類活動。

4.1.2 古樹名木空間分布具有空間聚集性及差異性

植物長期自然進化過程受外界環境影響，導致古樹名木資源在空間分布上具有聚集性，區域具有差異性[2，4，9，29-30]。武威市古樹名木主要分布在涼州城區及周邊，分布重心在政府駐地附近，民勤縣、古浪縣和天祝藏族自治縣的古樹名木分布較少，主要是涼州區歷史悠久，是“五涼古都，河西都會”，前人有對古樹崇拜的信仰習俗，喜歡在道觀、寺廟等地栽植風水樹木，也喜歡在公宅之中栽植乘涼樹木。涼州區擁有海藏寺、雷臺寺、鳩摩羅什寺、文廟、涼州區植物園等歷史名勝古跡地，故古樹名木遺存較多。如同蘭州市古樹名木集中分布在城關區和七里河區，在古代城關區是蘭州市的政治、經濟和文化中心，擁有豐富的歷史人文景觀，在明清時代七里河區位于蘭州市城郊，擁有眾多的寺觀園林和文物古跡，故這兩區古樹名木遺存較多[4]。相反，南方地區的古樹名木集中分布在城市化較低區域和鄉村，一方面是自然環境、地理優勢為古樹提供了好的生存條件，另一方面是，人們熱衷于在農村宅基地、宗祠、寺廟、村頭水口等地栽植孤植樹種，實現遮蔭擋雨及風水需求[2，16，31-32]。

同時，武威市古樹名木中的5種優勢樹種分布方向與整體分布方向基本一致，呈“東北—西南”方向，但各優勢種存在顯著差異。西洋梨擴散能力弱，聚集性強，而槐擴散能力強，聚集性弱，這與樹種對自然地理與氣候條件的需求有緊密關系。張艷麗和楊家軍[5]對四川省廣安市古樹名木空間分布特征研究中發現，城市和鄉村的古樹名木均以東西經向分布，但城市生長場所方向性更明顯；古樹名木在坡位分布方向差異也很大，上、下、中、山脊、脊部南北緯向分布明顯，而下、中部和平地主要以東西經向分布為主。由此可見，古樹名木資源在空間分布上是有顯著差異的。

4.1.3 古樹名木資源分布特征受多種因素影響

古樹名木的資源分布特征受地形影響顯著。海拔梯度與溫度、水分、光照及土壤等環境因子相關，影響著植物的生存與生長[33]。武威市古樹名木主要分布在海拔<2 000 m的地方，基本屬于荒漠區，本不適合喬木樹種生長，然而這里有石羊河下游的灌溉、紅崖山水庫的滋潤，再加上多方治理恢復中的青土湖，均為古樹提供了較好的生長環境。但隨著全球氣候變化、生態環境惡化及人類活動加劇，古樹名木的生存受到嚴重威脅。海拔≥4 100 m位于天祝藏族自治縣境內的祁連山脈，屬于高寒地帶，不適宜樹木生長，無古樹名木資源。同時，由于海拔梯度上溫度的變化速率極快，是緯度梯度上溫度變化的1 000倍，故物種多樣性格局隨海拔梯度的變化是眾多生態學者多關注的焦點[34-35]。武威市古樹名木物種多樣性Simpson(D)指數和Shannon-Wiener(H)指數隨海拔梯度的增加基本呈下降趨勢，古樹名木物種多樣性在海拔梯度Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ范圍相對較高。這與葉秀萍等[24]發現的古樹物種多樣性隨海拔梯度上升呈先上升后下降的趨勢有些差異，可能是研究區域不同、海拔等級劃分不同所導致的。

坡度影響土層厚度及水分狀況，一定坡度有助于古樹名木的生長存續[5]，武威市古樹名木主要分布在坡度<5°或25°<坡度<35°的地方，坡度太大不利于土壤水分和養分的蓄積，不利于古樹名木的生長，這與新田縣的古樹名木坡度分布特征相似[26]。坡向影響樹木生存所需的光照、降水，生長在北坡、東南坡的古樹更能有效地利用光溫水汽等環境資源，獲得更加有利的生長條件[2]。

古樹名木資源組成及空間分布是地形、土層地質、立地條件、氣候、河流分布、村落民居分布、人口密度、歷史因素、古樹文化及經濟政策因素等共同作用的結果[2-5，9，14-16]，本文重點研究了不同地形條件古樹名木分布格局，下一步將從多方面影響因素展開系統研究。

4.2 結論

武威市古樹名木種類豐富，共有797株，隸屬于14科20屬28種，主要以鄉土樹種為主，西洋梨、胡桃、圓柏、側柏和槐為優勢種，均具有較高的經濟、社會和生態價值。西洋梨、胡桃分別有185株、139株，在武威市古樹名木中占比很高，從古至今是武威市的重要經濟樹種，為武威市經濟、社會發展貢獻了巨大力量?；庇捎趯ιL環境要求不高，耐貧瘠，適應性強，聚集性弱，擴散性強，在三縣一區均有分布，國槐被政府定為武威市市樹，并與當地的歷史、文化、習俗等緊密相關。武威市古樹名木樹齡結構整體呈金字塔型，武威市古樹名木后續資源豐富，但正常株僅占比63.99%，衰弱株占35.13%，武威市古樹名木總體長勢欠佳，保護與管理不足。從空間分布上看，武威市古樹名木具有聚集性特征，區域上具有顯著差異。武威市古樹名木分布方向呈“東北—西南”，中部多，南北少，集中分布在涼州區城區及附近的海藏寺、擂臺寺、文廟、植物園等地，由于進行了相應的保護，整體長勢較好，而民勤縣、古浪縣和天祝藏族自治縣古樹名木較少，由于保護意識不足，衰弱株較多。地形是影響古樹名木分布的主要驅動因素之一。海拔、坡度、坡向等地形條件對古樹的生存環境和生長具有重要作用。武威市古樹名木主要分布在海拔低于2 000 m的地方，這是由于這些地區雖然屬于荒漠區，但有灌溉和水庫等水資源，提供了較好的生長環境。隨著海拔的升高，古樹名木的物種多樣性呈下降趨勢，這可能與海拔梯度上溫度變化速率較快，導致物種多樣性隨海拔梯度變化而改變。一定的坡度有助于古樹名木的生長存續，在武威市古樹名木主要分布在坡度<5°或25°<坡度<35°的地方，坡度過大不利于土壤水分和養分的蓄積，不利于古樹名木的生長，坡向也會影響古樹名木的生長。例如，北坡和東南坡的古樹更能有效地利用光溫水汽等環境資源，獲得更加有利的生長條件?？傊?，地形是影響古樹名木分布的主要因素之一，但氣候、河流分布、民居分布、人口密度、歷史因素、古樹文化及經濟政策等因素也可能影響古樹名木的空間分布，在未來的研究中，可以從多方面影響因素展開系統研究，以更全面地了解武威市古樹名木的空間分布規律。