北京市城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)綠地和植物種類的構(gòu)成與分布

侯冰飛, 賈寶全, 冷平生,*,王文和

1 北京農(nóng)學(xué)院園林學(xué)院,城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實(shí)驗(yàn)室,北京市鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心,北京 102206 2 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所,北京 100091

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北京市城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)綠地和植物種類的構(gòu)成與分布

侯冰飛1, 賈寶全2, 冷平生1,*,王文和1

1 北京農(nóng)學(xué)院園林學(xué)院,城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實(shí)驗(yàn)室,北京市鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心,北京 102206 2 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所,北京 100091

北京城市化過(guò)程中,沿著城-鄉(xiāng)過(guò)渡帶綠地類型與植物種類構(gòu)成正發(fā)生著顯著變化,認(rèn)識(shí)這種變化對(duì)于城市植物多樣性保護(hù)和城鄉(xiāng)綠化一體化建設(shè)是十分必要的。本研究在北京市北部城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)沿城-鄉(xiāng)梯度設(shè)立由5個(gè)邊長(zhǎng)5 km的正方形(樣窗1至樣窗5)組成的總面積為125 km2的樣帶,采用GeoEye- 1高分辨率衛(wèi)星全色影像,結(jié)合實(shí)地普查,對(duì)樣帶內(nèi)的土地利用情況、綠地類型及植物種類構(gòu)成與分布進(jìn)行調(diào)查分析,結(jié)果表明：(1)樣帶內(nèi)不透水面指數(shù)為42%,綠地率56.08%,水面面積占總面積的1.92%。沿城-鄉(xiāng)梯度不透水面指數(shù)逐漸減少,綠地率逐漸增加,綠地類型從城市綠地轉(zhuǎn)變?yōu)槠皆r(nóng)田為主的生產(chǎn)型與防護(hù)型綠地,到山區(qū)以風(fēng)景林為主的林地；(2)樣帶區(qū)內(nèi)共有維管束植物98科313屬481種,其中北京本地種75科216屬330種,占總數(shù)的68.61%；國(guó)內(nèi)引進(jìn)種37科62屬72種,占總數(shù)的14.97%，國(guó)外引進(jìn)種32科70屬79種,占總數(shù)的16.42%；(3)樣帶各樣窗植物屬的區(qū)系地理成分包含全國(guó)全部15個(gè)分布區(qū)類型,其中北溫帶分布型是該區(qū)的最主要類型,占總屬數(shù)的23.3%;之后依次是泛熱帶分布占17.3%、世界分布占14.1%和舊世界溫帶分布占10.9%,總的熱帶分布型植物達(dá)到31.6%,主要由一部分少種屬和絕大多數(shù)單種屬構(gòu)成；(4)沿城-鄉(xiāng)梯度植物種豐富度順序?yàn)椋簶哟?>樣窗2>樣窗1>樣窗4>樣窗5,鄉(xiāng)土種所占比例沿城-鄉(xiāng)梯度升高,從樣窗1的67.08%提高到樣窗5的87.76%,除樣窗3外,其余樣窗中國(guó)外引進(jìn)種的比例均高于國(guó)內(nèi)引進(jìn)種。

城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)；衛(wèi)星影像；綠地；植物多樣性

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程不斷推進(jìn),人工不透水面日益增多,自然生境迅速減少,城市生態(tài)環(huán)境負(fù)荷越來(lái)越重,并威脅到城市的生態(tài)安全和居民的福祉,因此,近年城市的生態(tài)環(huán)境建設(shè)受到普遍重視,加大了對(duì)各類綠地的建設(shè)力度。但在綠地建設(shè)過(guò)程中,在綠地規(guī)劃布局、綠地結(jié)構(gòu)類型、生物多樣性保護(hù)等方面仍存在很多問(wèn)題,特別是如何實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)綠化一體化還處在摸索階段。近些年,有關(guān)城市植物多樣性的研究逐漸增多[1- 2],相關(guān)研究表明,城市中的殘存生境和生物對(duì)維護(hù)城市的生態(tài)平衡發(fā)揮了重要作用[3- 4],而城市建設(shè)對(duì)自然生境的改造導(dǎo)致城市植被群落結(jié)構(gòu)和物種構(gòu)成發(fā)生明顯變化[5- 6],改變了當(dāng)?shù)刈匀恢参锏姆植己头N類構(gòu)成[7]，外來(lái)物種的增多與鄉(xiāng)土植物種的減少并存[8- 10],但這些研究多是在市域范圍或城區(qū)內(nèi)進(jìn)行。在我國(guó),城市規(guī)模不斷擴(kuò)大,城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)是城市化干擾最劇烈區(qū)域,一方面是土地利用方式的變化,另一方面是綠化建設(shè)的影響,這些外來(lái)驅(qū)動(dòng)力對(duì)城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)綠地結(jié)構(gòu)、植物種類與組成的影響并不清楚,相關(guān)研究報(bào)道罕見(jiàn)[11],而這對(duì)于城市綠地系統(tǒng)建設(shè),城市生物多樣性保護(hù)以及生態(tài)環(huán)境改善均有重要意義。

北京市作為我國(guó)的特大城市,仍處在快速擴(kuò)張進(jìn)程中,常住人口2013年底已達(dá)2200萬(wàn)。在北五環(huán)外,隨著中關(guān)村科技園、航天城、回龍觀、天通苑等超大規(guī)模居住社區(qū)以及沙河高教區(qū)的發(fā)展建設(shè),從南往北城市在快速擴(kuò)張中,郊區(qū)鄉(xiāng)村的土地利用類型發(fā)生了巨大變化；同時(shí),北京近些年大力開(kāi)展城市林業(yè)建設(shè),完成了京津風(fēng)沙源治理工程、百萬(wàn)畝平原造林工程等,植物種類和類型隨之發(fā)生了深刻的變化。基于此,本文選取北京北部城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)為研究對(duì)象,采用衛(wèi)星全色影像結(jié)合實(shí)地調(diào)查方式,對(duì)其土地利用情況、綠地類型及植物種類構(gòu)成與分布進(jìn)行調(diào)查,分析城郊交錯(cuò)區(qū)綠地植物多樣性現(xiàn)狀,探討城市化驅(qū)動(dòng)力對(duì)綠地與植物種構(gòu)成變化的影響,為城市綠化建設(shè)與植物多樣性的保護(hù)提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)和研究方法

北京市(39°28′—41°25′N,115°25′—117°130′E)位于華北平原西北邊緣,西北部為燕山與太行山余脈,東南部連接華北平原,總面積1.68萬(wàn)km2, 其中62%是山區(qū),屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,夏季炎熱多雨,冬季寒冷干燥,春、秋季短促,年平均氣溫10—12℃,極端最低氣溫-27.4℃,極端最高氣溫42℃，年均降水量不足600 mm。

圖1 研究區(qū)區(qū)位圖Fig.1 Location of study area

研究區(qū)位于北京市昌平區(qū)和海淀區(qū),地處華北平原與燕山交合部,具有獨(dú)特的生態(tài)環(huán)境和自然資源。研究區(qū)為南北向的樣帶, 由5個(gè)5 km×5 km大小的正方形樣窗組成, 面積 125 km2。由南至北依次隸屬于海淀區(qū)的東北旺鄉(xiāng)、昌平區(qū)的回龍觀鎮(zhèn)、百善鎮(zhèn)、小湯山鎮(zhèn)和崔村鎮(zhèn)。樣帶南部為市區(qū),邊界至北五環(huán)；北部為山區(qū),邊界至軍都山；中間為近郊區(qū),主要為平原鄉(xiāng)村,研究區(qū)為典型的城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶(圖1)。樣窗1主要為建成區(qū),殘存少量農(nóng)地與苗圃；樣窗2部分為建成區(qū),正在經(jīng)歷城市化過(guò)程,區(qū)域內(nèi)城市用地與農(nóng)業(yè)用地犬牙交錯(cuò),土地利用變化率較高；樣窗3主要為農(nóng)業(yè)用地,正受到城市化影響,沙河橫穿其中,包含沙河水庫(kù),生境多樣性較高；樣窗4主要為鄉(xiāng)村,以農(nóng)田和果園為主,包含小部分低山；樣窗5大部分為低山區(qū)域,多為次生林地,平地以果園為主。樣窗1至5城市化程度順次下降。

使用2009年9月10日與29日的2景GeoEye- 1高分辨率衛(wèi)星全色影像為數(shù)據(jù)源,對(duì)校正后的遙感影像進(jìn)行目視判讀并建立解譯標(biāo)志,結(jié)果RMS誤差平原區(qū)小于20像元,山區(qū)小于40像元。樣帶內(nèi)的土地利用類型分為不透水面、綠地與水面,不透水面主要是建筑、道路、廣場(chǎng)等,反映了城市化水平和環(huán)境質(zhì)量,可用不透水面指數(shù)(impervious surface area index, ISAI) 即單位面積內(nèi)不透水面所占地表面積的比例來(lái)衡量[12]; 綠地為有植物覆蓋的土地,包括城市綠地、林地、農(nóng)業(yè)用地,用綠地率即綠地面積占總地表面積的比例來(lái)表示；綠地結(jié)構(gòu)類型按植物生活型組成分為草地、喬木林地、灌草地、喬草地、喬灌草地,通過(guò)實(shí)地調(diào)查結(jié)合遙感影像進(jìn)行確定,對(duì)樣帶內(nèi)3種土地利用類型及綠地結(jié)構(gòu)類型的分布面積、所占比例及分布格局進(jìn)行分析。于2012年對(duì)研究區(qū)內(nèi)的所有綠地分斑塊進(jìn)行實(shí)地踏查,調(diào)查綠地結(jié)構(gòu)類型、植物種類和豐富度,記錄植物種的科、屬和種名,參照文獻(xiàn)[13- 16]確定植物的地理起源、生活型、植物來(lái)源(鄉(xiāng)土種、外來(lái)種、入侵種等),對(duì)樣地內(nèi)植物種類組成分布、起源以及與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)土地利用類型與綠地結(jié)構(gòu)類型分布

研究區(qū)土地利用利用類型分布與綠地結(jié)構(gòu)類型分布如圖2所示。研究區(qū)不透水面指數(shù)為42%,綠地率56.08%,水面面積占總面積的1.92%。從樣窗1至樣窗5,不透水面指數(shù)分別為63.82%、62.19%、29.62%、30.91%、25.44%,綠地率分別為36.18%、37.81%、70.38%、69.09%、74.56%,其中樣窗1與樣窗2不透水面最多,綠地相對(duì)較少,主要為城市綠地,包括公園綠地、附屬綠地和道路綠地等；樣窗3與樣窗4不透水面減少,主要是村莊與道路,以及部分工業(yè)用地與居住用地,綠地占比在70%左右,以生產(chǎn)型綠地和防護(hù)型綠地為主,該區(qū)分布有大量農(nóng)田與發(fā)達(dá)的農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng),其中樣窗3分布有沙河與沙河水庫(kù)公園,包含水面216.53 hm2；樣窗5大部分為山區(qū),不透水面少,主要是村莊和道路,綠地占比最高,主要為風(fēng)景林、果園和防護(hù)林。顯然,從樣窗1到樣窗5,不透水面指數(shù)逐漸減少,綠地率逐漸增加,綠地類型也從城市綠地轉(zhuǎn)變?yōu)槠皆赞r(nóng)田為主的生產(chǎn)型與防護(hù)型綠地,山區(qū)以次生風(fēng)景林為主的林地。

在研究區(qū)內(nèi),隨著離城市中心距離增大,綠地結(jié)構(gòu)類型出現(xiàn)顯著變化。整體上,所有樣窗中綠地類型最豐富的為草地和喬灌草地,其中草地面積在各樣窗中均占有較大比例,在樣窗3與樣窗4中占比最高,分別占樣窗面積的32.73%、55.49%,這是由于樣窗3與4土地利用類型主要為農(nóng)田,而在樣窗1、2中,草地面積分別占9.71%和13.19%,僅次于喬灌草地面積,主要是人工草坪。喬灌草綠地在前4個(gè)樣窗中分布較為一致,一般占樣窗面積的12%—18%,是主要綠地類型,但在樣窗5出現(xiàn)激增,達(dá)到29.78%,樣窗內(nèi)的軍都山和九里山存在大面積風(fēng)景林,生長(zhǎng)著半自然喬灌草群落。在樣帶內(nèi),灌草地主要為果園,在樣窗5分布最多,占樣窗總面積的17.66%,主要是蘋(píng)果園；喬木林在樣帶內(nèi)分布最少,在分布最多的樣窗3中只占綠地總面積的7.63%,主要為分布在沙河兩岸的河岸防護(hù)林；喬草地在各樣窗均有分布且較為平均,占比在4.23%—9.35%之間。

圖2 研究區(qū)綠地與綠地結(jié)構(gòu)類型分布Fig.2 Distribution and plant composition types of green spaces in study area

2.2 城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)植物組成特征

圖3 研究區(qū)植物科組成Fig.3 The families composition of vascular plants in study area

研究區(qū)共有維管束植物98科,313屬,481種。其中蕨類植物3科3屬3種,裸子植物3科6屬11種,被子植物92科304屬467種,包含單子葉植物12科55屬87種,雙子葉植物80科249屬380種。包含種數(shù)最多的4個(gè)科依次為菊科(Compositae)、禾本科(Gramineae)、薔薇科(Rosaceae)、豆科(Leguminosae),前4科的種數(shù)合計(jì)占總種數(shù)的39.71%；其次是唇形科(Lamiaceae)、百合科(Liliaceae)、大戟科(Euphorbiaceae)、茄科(Solanaceae)、旋花科(Convolvulaceae)和葫蘆科(Cucurbitaceae)十字花科(Brassicaceae)。前11科共包含植物274種,占總種數(shù)的56.96%,其余為少種科(2—9種)和單種科,包含207種,占總種數(shù)43.04%(圖3)。在屬的構(gòu)成中,含種類較多的依次為胡枝子屬(Lespedeza)、李屬(Prunus)、蒿屬(Artemisia)和委陵菜屬(Potentila), 其余有5個(gè)屬各含5種,8個(gè)屬各含4種,25個(gè)屬各含3種,49個(gè)屬各含2種,區(qū)域性單種屬221個(gè)。表明研究區(qū)物種分散于多個(gè)科屬中,單種屬在本區(qū)植物構(gòu)成中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。在樣帶內(nèi)分布最多的植物種類有油松(Pinustabuliformis),側(cè)柏(Platycladusorientalis),毛白楊(Populustomentosa),國(guó)槐(Styphnolobiumjaponicum),臭椿(Ailanthusaltissima),白蠟(Fraxinuschinensis),黃楊(Buxussinica),小檗(Berberisthunbergii),荊條(Vitexnegundovar.heterophylla),胡枝子(Lespedezabicolor),玉米(Zeamays),灰菜(Chenopodiumalbum),狗尾草(Setairaviridis),葎草(Humulusjaponicus),車(chē)前草(Plantagoasiatica),委陵菜(Potentillaaiscolor)等,其中多為北京園林綠化的主要樹(shù)種,其中毛白楊又是農(nóng)田防護(hù)林的骨干樹(shù)種,荊條和胡枝子多在石質(zhì)山地自然分布,而除主要農(nóng)作物玉米外的幾種草本植物散見(jiàn)于樣帶內(nèi),均為野生。

(1)菊科Compositae,(2)禾本科Gramineae,(3)薔薇科Rosaceae,(4)豆科Leguminosae,(5)唇形科Lamiaceae,(6)百合科Liliaceae,(7)大戟科Euphorbiaceae,(8)茄科Solanaceae,(9)旋花科Convolvulaceae,(10)葫蘆科Cucurbitaceae,(11)十字花科Brassicaceae(12)少種科 Several species families, (13)單種科 Single species families.

研究區(qū)是介于北京城區(qū)和山區(qū)之間的城鄉(xiāng)過(guò)渡帶,對(duì)比近城區(qū)(樣窗1、2)、平原區(qū)(樣窗3、4)和近山區(qū)(樣窗5)的植物種類組成可以看出,不同區(qū)域的優(yōu)勢(shì)科均為菊科、禾本科、豆科和薔薇科,主要是草本植物,表明它們對(duì)本地自然條件的良好適應(yīng)。主要在近城區(qū)存在大量如木犀科、楊柳科、柏科和松科等以喬灌木和常綠植物為主的科屬,這與平原區(qū)和近山區(qū)的植物種類組成不一致,這類植物景觀與生態(tài)效益良好,反映了城市綠化的需求。

近山區(qū)植物則以毛茛科、傘形科、旋花科及相關(guān)屬等草本占優(yōu)的科屬為主,體現(xiàn)在人為干擾較少條件下的本地山地物種的自然形態(tài)；而平原區(qū)的優(yōu)勢(shì)科屬組成介于近城區(qū)和近山區(qū)之間,同時(shí)由于樣窗3中存在大面積水域,優(yōu)勢(shì)科屬構(gòu)成中則出現(xiàn)了蓼科,莎草科等偏水生/濕生生境的植物。在植物組成集中度方面,研究區(qū)39.71%的物種集中在4個(gè)大科(占4.08%),113屬(占36.57%)中,少種科和單種科為43.24%。

2.3 城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)植物區(qū)系地理成分

研究區(qū)內(nèi)植物占有中國(guó)全部15個(gè)分布區(qū)類型(表1),北溫帶分布型是該區(qū)的最主要類型,占總屬數(shù)的23.3%,與該區(qū)的地理位置相一致；之后依次是泛熱帶分布17.3%、世界分布14.1%和舊世界溫帶分布10.9%。縱觀研究區(qū)內(nèi)的植被分布型依然是以溫帶分布為主,包含溫帶成分的屬達(dá)到136個(gè),占總數(shù)的43.5%,與當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢煤蜌夂驐l件相符。而熱帶分布型植物(泛熱帶分布、舊世界熱帶分布、熱帶亞洲和熱帶美洲間斷分布、熱帶亞洲至熱帶大洋洲分布、熱帶亞洲至熱帶非洲分布、熱帶亞洲分布)一共達(dá)到31.6%,樣帶內(nèi)很大一部分少種屬和絕大多數(shù)單種屬皆出于此分布型。此外還有東亞分布型共24屬,占總屬數(shù)的7.7%,是該區(qū)的重要成分,地中海成份5屬,占總屬數(shù)的1.6%,中國(guó)特有屬3屬,占1%,中亞分布2屬,占0.6%,與本區(qū)的聯(lián)系明顯較為薄弱。可見(jiàn),研究區(qū)由于受人類活動(dòng)影響,自然生境被改造并呈多樣化發(fā)展趨勢(shì),并引入大量外源物種定居,出現(xiàn)了大量的單屬、單科外源種,使植物及其分布區(qū)特征偏離了當(dāng)?shù)氐牡貛宰匀粭l件。具體來(lái)說(shuō),5個(gè)樣窗中,存在植物屬最多的是樣窗2,達(dá)到204個(gè),其次為樣窗3和樣窗1,樣窗5的植物屬最少,為140個(gè)。其中熱帶分布型植物在樣窗2中分布的屬最多,達(dá)到32.35%,其次為樣窗4,29.57%,樣窗5最低,24.99%。而與本地區(qū)位聯(lián)系較密切的分布型(北溫帶分布型、東亞和北美洲間斷分布、舊世界溫帶分布、溫帶亞洲分布、東亞分布及中國(guó)特有分布型)在樣窗5中分布最多,達(dá)到58.57%,樣窗1其次,樣窗2和樣窗4最低,僅有52.93%和51.57%。

2.4 城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)本地植物種與外來(lái)植物組成與分布

研究區(qū)內(nèi)生長(zhǎng)的481種植物中(表2),北京本地種330 種,占總數(shù)的68.61%,外來(lái)植物中國(guó)內(nèi)引進(jìn)種72種,占總數(shù)的14.97%，國(guó)外引進(jìn)種79種,占總數(shù)的16.42%。研究區(qū)植物以本地種為主,體現(xiàn)了較強(qiáng)的地域特征,引進(jìn)的外來(lái)種雖占次要成分,但也相當(dāng)豐富,是城市綠化植物的重要組成成分。

表1 研究區(qū)內(nèi)種子植物屬的分布區(qū)類型比較分析

(1)Cosmopolitan, (2)Pantropic, (3)Trop.Asia and Trop.America disjuncted, (4)Old world Tropics, (5)Tropical Asia and Trop. Australasia,(6)Trop.Asia to Trop. Africa, (7)Trop.Asia(Indo-Malesia) (8)North Temperate, (9)East Asia and North America disjuncted, (10) Old World Temperate, (11)Temp. Asia,(12)Mediterranean, West Asia to Central Asia, (13)Central Asia, (14) East Asian, (15)Endemic to China

表2 研究區(qū)內(nèi)植物種來(lái)源分析

2.4.1 本地植物種

研究區(qū)內(nèi)本地種有75科216屬330種,其中喬木38種,灌木63種,草本217種,藤本為12種。對(duì)研究區(qū)中各樣窗間的本地種組成進(jìn)行比較(表3)：首先,本地植物的物種多樣性以樣窗3為最高,達(dá)到195種,樣窗1最低,僅有161種；與其一致的,樣窗3的喬木、灌木和草本植物物種數(shù)均高于其他樣窗,藤本植物在樣窗2中多樣性最大,達(dá)到10種之多。喬木和灌木的物種數(shù)最低值分別出現(xiàn)在樣窗5和樣窗1中,只有21種和27種,草本植物在樣窗2中分布最少,僅94種。從整體趨勢(shì)上看,喬木樹(shù)種數(shù)量和比重均沿城-鄉(xiāng)梯度呈下降趨勢(shì)；而灌木和草本植物,其數(shù)量和所占百分比均是鄉(xiāng)村樣窗較高。

表3 研究區(qū)內(nèi)不同生活型本地種所占比例分析

2.4.2 外來(lái)植物種

研究區(qū)外來(lái)植物種類以草本植物為主,主要是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和園林綠化中大量引進(jìn)的優(yōu)良植物材料。國(guó)內(nèi)引進(jìn)植物有37科、62屬、72種,其中喬木14種,灌木22種,草本34種,藤本2種,優(yōu)勢(shì)科有薔薇科、禾本科、木犀科和百合科；國(guó)外引進(jìn)植物32科、70屬、79種,其中喬木4種,灌木8種,草本66種,藤本1種,優(yōu)勢(shì)科有菊科、豆科、禾本科和茄科。外來(lái)植物中,常見(jiàn)喬木有銀杏(Ginkgobiloba)、雪松(Cedrusdeodara)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、懸鈴木(Platanuschiapensis)、火炬樹(shù)(Rhustyphina)等；常見(jiàn)灌木有紫葉小檗(Berberisthunbergiicv.atropurpurea)、鋪地柏(Sabinaprocumbens)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、棣棠(Kerriajaponica)、連翹(Forsythiasuspensa)等；藤本植物有五葉地錦(Parthenocissusquinquefolia)、圓葉牽牛(Pharbitispurpurea)、扶芳藤(Euonymusfortunei)等；草本植物占比最多,其中部分為入侵種,占到北京入侵植物總數(shù)(記載有16種)的81.3%,常見(jiàn)的如莧菜(Amaranthusmangostanus)、小飛蓬(Conyzacanadensis)、牽牛(Ipomoeapurpurea)、黑麥草(Loliumperenne)、白車(chē)軸草(Trifoliumrepens)、野西瓜苗(Hibiscustrionum)、牛筋草(Eleusineindica)、三葉鬼針草(Bidenspilosa)、牛膝菊(Galinsogaparritlora)等,這些入侵種已大量出現(xiàn)于各類人工和自然綠地中,已對(duì)綠地和本地物種構(gòu)成威脅。

2.4.3 植物構(gòu)成的梯度變化

各樣窗沿城-鄉(xiāng)梯度植物種的豐富度和來(lái)源組成呈現(xiàn)明顯區(qū)別,總的植物種豐富度按樣窗3>樣窗2>樣窗1>樣窗4>樣窗5順序排列(圖4),其中本地種以樣窗3最高,達(dá)195種,其余4個(gè)樣窗的本地種豐富度相差不大,在161—172種之間；而外來(lái)植物各樣窗間變化較大,樣窗1和2主要為城市建成區(qū),外來(lái)植物種占比大,特別是樣窗2外來(lái)物種104種,占比38.95%,主要是引進(jìn)的觀賞綠化植物種；樣窗4和樣窗5的外來(lái)物種較少,本地種占比高,土地利用主要以農(nóng)田和果園為主,栽培植物主要是較單一的農(nóng)作物,樣窗5部分為山地,多為石質(zhì)山地,立地條件較差且相對(duì)單一,故本地種豐富度并沒(méi)有明顯變化。從城市到山區(qū),本地種中如元寶楓、酸模等的比重減少,出現(xiàn)了越來(lái)越多的山區(qū)種,如大果榆、鼠李、風(fēng)毛菊、卷柏、白頭翁等,盡管數(shù)量變化不大,但本地種所占比例從樣窗1到樣窗5分別為67.08%,61.05%,70.40%,75.34%,87.76%,呈現(xiàn)明顯增加趨勢(shì)。外來(lái)種豐富度為樣窗2>樣窗3>樣窗1>樣窗4>樣窗5,除了樣窗3外,其余所有樣窗的外來(lái)種中,國(guó)外引進(jìn)種的比例均高于國(guó)內(nèi)引進(jìn)種,可見(jiàn)區(qū)域內(nèi)外來(lái)種以國(guó)外引進(jìn)種占優(yōu)(圖5)。

3 結(jié)論與討論

選取北京北五環(huán)至軍都山的南北向樣帶,從樣帶南端的建成區(qū)到北端人為干擾較低的山區(qū),包含了平原、水域、山地等典型地貌,綜合考慮了城市化進(jìn)程與地域特點(diǎn),能較好的反映北京城-鄉(xiāng)梯度生態(tài)環(huán)境的變化。采用衛(wèi)星全色影像圖分析樣帶城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)土地利用情況,沿著城-鄉(xiāng)梯度不透水面指數(shù)逐漸減少,綠地率逐漸增多,與城市化水平逐漸降低高度一致。以往多用城市人口所占比例來(lái)衡量城市化水平,在城鄉(xiāng)地區(qū)用不透水面指數(shù)可以很好的反映城市化水平,而且能更清楚地反映土地利用情況,并可作為衡量環(huán)境質(zhì)量的指標(biāo)之一[12]。在另文中我們對(duì)樣帶的綠地景觀格局梯度進(jìn)行了分析,指出隨著城市化程度的降低,綠地斑塊數(shù)和斑塊密度減小,平均斑塊面積增大,破碎化程度降低,邊界簡(jiǎn)單化,連通性增大[17]。這一系列景觀格局指數(shù)的變化表明,鄉(xiāng)村地區(qū)的原有景觀格局受到破壞較小,沿著城-鄉(xiāng)梯度,從強(qiáng)干擾的城市綠地過(guò)度為中度干擾的平原以農(nóng)田為主的生產(chǎn)型與防護(hù)型綠地,到山區(qū)低度干擾的以風(fēng)景林為主的綠地,綠地結(jié)構(gòu)類型均發(fā)生了相應(yīng)的變化,很好地反映了城市化過(guò)程對(duì)土地利用類型、綠地類型與分布的變化。

圖4 研究區(qū)城鄉(xiāng)梯度植物種來(lái)源分析Fig.4 The urban-rural gradient analysis of the plant sources in study area

圖5 研究區(qū)城鄉(xiāng)梯度植物外來(lái)種來(lái)源分析Fig.5 The urban-rural gradient analysis of the alien plant sources in study area

研究區(qū)內(nèi)共有維管束植物98科,313屬,481種,其中被子植物467種(單子葉植物87種、雙子葉植物380種)。物種分散于多個(gè)科屬中,單種屬達(dá)221個(gè),其中菊科(Compositae)、禾本科(Gramineae)、薔薇科(Rosaceae)和豆科(Leguminosae)為分布比例最高的4個(gè)科,前4科的種數(shù)合計(jì)占總種數(shù)的39.71%。優(yōu)勢(shì)植物科分布與城市建成區(qū)、山區(qū)的一致[6,18-19],這4科植物以本地草本植物為主,多為野生自然分布,表明它們?cè)诒本┦杏蚍秶鷥?nèi)植物種類組成上的主導(dǎo)地位,體現(xiàn)了北京暖溫帶地區(qū)植物種類構(gòu)成上的特點(diǎn)。樣窗1、2中分布大量如木犀科、楊柳科、柏科和松科等以喬灌木和常綠植物為主的科屬,這與孟雪松等對(duì)五環(huán)內(nèi)建成區(qū)的研究結(jié)果一致[6],主要是人工栽種的城市綠化景觀樹(shù)種；而樣窗5植物科屬分布與趙勃等報(bào)道的山區(qū)[18]植物以毛茛科、唇形科、百合科、傘形科、十字花科及相關(guān)屬等草本占優(yōu)的科屬為主相近,反映了在人為干擾較少條件下的本地物種的自然分布；而平原區(qū)的優(yōu)勢(shì)科屬構(gòu)成介于兩者之間。顯然,在城市化過(guò)程中,外來(lái)干擾對(duì)城市物種構(gòu)成與分布的影響是巨大的。

研究區(qū)內(nèi)的植被分布型依然是以溫帶分布為主,包含溫帶成分的屬達(dá)到136個(gè),占總數(shù)的43.5%,與當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢煤蜌夂驐l件相符,但在比例上明顯小于北京山區(qū)的55.3%,與五環(huán)內(nèi)城區(qū)的44.4%不相上下[6,18-19]；而熱帶分布型植物一共達(dá)到31.6%,明顯高于山區(qū)的19.1%,而與城區(qū)相近,樣帶內(nèi)很大一部分少種屬和絕大多數(shù)單種屬皆出于此分布型[6,18-19],反映了交錯(cuò)區(qū)強(qiáng)烈的人類活動(dòng)水平對(duì)自然植被組成的擾動(dòng),使植被組成偏離了本地原有分布類型。

本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)本地種330種,占總數(shù)的68.61%,引進(jìn)種151種,占總數(shù)的31.39%，這與《北京植物志》[13]記載市域范圍內(nèi)本地種(1518 種)、外來(lái)種(619 種)所占比例近一致。而北京建成區(qū)(五環(huán)內(nèi))植物外來(lái)種的比例在50%—55%左右[19-20],山區(qū)外來(lái)種比例11.08%[18],研究區(qū)處于城區(qū)與北部山區(qū)之間的交錯(cuò)帶,其本地種與外來(lái)植物所占比例居于建城區(qū)與山區(qū)之間；而且,在樣帶內(nèi)沿城-鄉(xiāng)梯度本地種所占比例明顯升高,從樣窗1的67.08%遞增到樣窗5的87.76%,已相當(dāng)接近山區(qū)的88.92%,表明城市化程度越高地區(qū)外來(lái)植物比例越高,這些外來(lái)植物多是人為引進(jìn),或是綠化植物,或是農(nóng)作物,反映了城市化過(guò)程中人為干擾帶來(lái)的影響。多地的研究表明城市建成區(qū)的植物外來(lái)種比例高于近郊區(qū),城市化會(huì)使本地物種減少,外來(lái)物種增加[7,9,21],而且城市綠化過(guò)程中引進(jìn)外來(lái)物種數(shù)量和速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了本地種消失的速率[22]。研究區(qū)總的植物種豐富度按樣窗3>樣窗2>樣窗1>樣窗4>樣窗5順序排列,顯然城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)物種豐富度不是簡(jiǎn)單的呈線性分布,與區(qū)域的自然生態(tài)環(huán)境條件與干擾程度密切相關(guān)性,正如Carreiro等在分析多個(gè)研究結(jié)果后指出,沿著城鄉(xiāng)梯度,即從鄉(xiāng)村的自然生態(tài)系統(tǒng)到近郊區(qū)再到典型的城市用地區(qū)域,城市生物多樣性存在顯著降低或增加情況[11]。本研究,樣窗3物種豐富度最高,本地種最多,達(dá)195種,主要因?yàn)樵搮^(qū)域存在大量水面,濕地植被豐富,還存在多處荒地、防護(hù)林帶等,生境的異質(zhì)性和自然條件的差異促進(jìn)了鄉(xiāng)土物種的豐富,特別是一些殘存生境對(duì)維護(hù)生物多樣性能起到重要作用[3]；樣窗2是人為干擾效應(yīng)最為強(qiáng)烈的城市化前沿地帶,城市用地與農(nóng)業(yè)用地犬牙交錯(cuò),綠化建設(shè)力度大,引進(jìn)的外來(lái)植物多,物種豐富度較高；城市化程度較低的樣窗4,屬平原鄉(xiāng)村地區(qū),分布少量村鎮(zhèn),主要是農(nóng)田,其人為干擾相對(duì)較低,生境異質(zhì)性低,；而城市化程度最低的樣窗5豐富度也最低,主要因?yàn)閰^(qū)域內(nèi)生境條件相對(duì)單一,山區(qū)石質(zhì)山地立地條件一般,限制了其物種多樣性的豐富。盡管樣窗4與樣窗5綠地率高,綠地斑塊面積大,連通性好,但植物種組成相對(duì)集中,這表明生境的多樣性是決定鄉(xiāng)土植物豐富度的關(guān)鍵因素,生境類型數(shù)目的增多比面積增加對(duì)于維持較高的物種多樣性作用更明顯[23]。Zerbe等也指出在城市土地利用轉(zhuǎn)變較為劇烈的近郊區(qū)或遠(yuǎn)郊區(qū),形成多樣的生境,其生物多樣性不僅高于城市中心區(qū)域,甚至大于當(dāng)?shù)氐淖匀簧鷳B(tài)系統(tǒng)[24]。另一方面,引進(jìn)植物對(duì)物種豐富度有極大影響,由于外來(lái)物種的引入,使得城市化程度高的區(qū)域物種豐富度甚至高于鄉(xiāng)村地區(qū),但不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為其生物多樣性較好。人為引進(jìn)景觀植物和環(huán)境的趨同,會(huì)導(dǎo)致城市植物群落組成的同質(zhì)性特征遠(yuǎn)比郊區(qū)高[25],大多是類似的植物群落、相似的系統(tǒng)分類、類似的生活型以及生存策略[2],這在城市生物多樣性保護(hù)中是要特別注意的,保護(hù)本地物種多樣性及其生境,特別是殘存生境,同時(shí)構(gòu)建多樣的生境,是降低物種同質(zhì)化,增加物種豐富度的重要途徑。

在樣帶內(nèi)共記錄到北京市入侵植物16種,主要是草本植物,占到北京入侵植物總數(shù)的81.3%。這些入侵種或與栽植作物競(jìng)爭(zhēng)養(yǎng)分,或?qū)Ρ镜匚锓N和生境構(gòu)成威脅[22],需要采取措施進(jìn)行控制。保護(hù)和提高生物多樣性,關(guān)鍵是重視鄉(xiāng)土植物的應(yīng)用,本次調(diào)查中發(fā)現(xiàn)許多優(yōu)良的本地樹(shù)種,如毛泡桐(Paulowniatomentosa)、楓楊(Pterocaryastenoptera)、小葉鼠李(Rhamnusdahurica)、小花溲疏(Deutziaparviflora)、三裂繡線菊(Spiraeatrilobata)等,城鄉(xiāng)綠化中很少見(jiàn),其他如東陵八仙花(Hydrangeabretschneideri)、六道木(Abeliadielsii)等則根本沒(méi)有得到應(yīng)用,這些本地植物適應(yīng)北京地區(qū)的自然條件,具有養(yǎng)護(hù)成本低,生態(tài)安全性好等特點(diǎn),應(yīng)予以大力推廣應(yīng)用,這將有利于本地植物多樣性的保護(hù),而且在一定程度上可以抑制外來(lái)物種入侵[26]。本次調(diào)查中樣窗1與樣窗2外來(lái)草本物種保持較高水平,這與北京城市綠地發(fā)展觀賞花草和大草坪,特別是從歐洲引進(jìn)的冷季性草坪有一定關(guān)系,這種單一的植被群落結(jié)構(gòu)不僅管護(hù)費(fèi)用高昂,且群落穩(wěn)定性差,生態(tài)服務(wù)價(jià)值很低,不適合在水資源緊缺的北京地區(qū)發(fā)展,而且從生態(tài)效益角度講,喬木群落的生態(tài)服務(wù)價(jià)值遠(yuǎn)高于草坪,因此,在城市化進(jìn)程中,應(yīng)盡可能多地保留自然-半自然群落,特別是殘存的一些野生或半野生群落,同時(shí),應(yīng)模擬地帶性群落,以本地物種為主,構(gòu)建喬灌草近自然群落,既豐富了當(dāng)?shù)氐纳锒鄻有?又提高了綠地的生態(tài)效益,這不僅是保護(hù)生物多樣性最有效最簡(jiǎn)單的方法,而且從長(zhǎng)期看來(lái),也是最經(jīng)濟(jì)的方法[27]。

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Composition and distribution of green space and plant species in the urban-rural ecotone of Beijing

HOU Bingfei1, JIA Baoquan2, LENG Pingsheng1,*, WANG Wenhe1

1TheDepartmentoflandscapearchitecture,BeijingUniversityofAgriculture,BeijingLaboratoryofUrbanandRuralEcologicalEnvironment,BeijingRuralLandscapePlanningandDesignEngineeringTechnologyCenter,Beijing102206,China2ResearchInstituteofForestry,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China

Green space and plant diversity and structure have been undergoing significant changes in characteristics and trends along the urban-rural ecotone in Beijing due to the process of urbanization. Analyzing these changes is necessary for the protection of plant diversity and the integration of green construction in urban and rural areas. In this study, based on panchromatic images from GeoEye- 1 satellites and a site investigation of a 125 km2belt zone compositing of 5 square sampling windows (which is 5 km*5 km from window1 to window5) in the northern urban-rural ecotone of Beijing. Land use, composition and distribution of green space and plant species in belt zone were analyzed. Results show that: (1) the impervious surface area index(ISAI), green space, and water area accounted for 42%, 56.08%, and 1.92% respectively of total belt zone area. Furthermore, along the urban-to-rural gradient, ISAI was reduced and green space increased gradually. The pattern of green space dominated by urban green area turns to protective and productive green area such as traditional farmlands or orchards, ultimately landscape forest in mountain areas. (2) There were 480 plants species belonging to 313 genera and 98 families in the study area, in which 337 species were plants native to Beijing accounting for 70.21% of total plant species, 62 species were introduced from other regions of and 81 species were introduced from foreign countries accounting from 12.92% and 16.88% of total plant species respectively (3) The belt zone contained all 15 areal-types of the Chinese seed plant genera, among them, the North Temperate elements、Pantropical elements、Cosmopolitan elements and Old World Tropic elements accounting for 23.3%, 17.3%, 14.1%, and 10.9% respectively of total genera. Total tropical elements accounted for 31.6%, which consisted of part of the lesser species genera and the vast majority of single species genera. (4) Plant species richness distributed in the order of window 3> window 2> windows1> window 4> window 5. The ratios of native plants increased gradually from 66.29% in window1 to 86.93% of window 5 along the urban-to-rural gradient. The proportion of plant species introduced from foreign countries was higher than introduced species from other regions of China in all sampling windows.

urban-rural ecotone; satellite images; green space; plant diversity

北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(8132005)；北京市屬高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目(IDHT20150503)

2014- 12- 24;

日期:2016- 01- 15

10.5846/stxb201412242558

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lengpsh@tom.com

侯冰飛, 賈寶全, 冷平生,王文和.北京市城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)綠地和植物種類的構(gòu)成與分布.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(19):6256- 6265.

Hou B F, Jia B Q, Leng P S, Wang W H.Composition and distribution of green space and plant species in the urban-rural ecotone of Beijing.Acta Ecologica Sinica,2016,36(19):6256- 6265.