福州市3個(gè)山地公園三維綠量與其影響因子特征研究

鄭俊鳴 朱丹丹 蔣夢瑩 方 笑 鄧傳遠(yuǎn)

山地公園因原有山體地形地貌及野生山林植被較為完好，以自然風(fēng)光為主要觀賞內(nèi)容，以多變的地形和豐富的植被為特色而區(qū)別于一般公園，集防護(hù)、觀賞、休憩、生態(tài)等功能為一體[1]。山地公園在城市綠化建設(shè)中扮演重要角色，對緩和都市用地問題，展現(xiàn)山水風(fēng)貌特色，維護(hù)城市天際線景觀，調(diào)節(jié)氣候等作出較大貢獻(xiàn)[2]，同時(shí)，也為居民提供了健身運(yùn)動(dòng)的休閑空間。公園綠地?fù)碛小俺鞘芯G肺”的美稱，植物群落結(jié)構(gòu)作為公園綠地植被的基礎(chǔ)單元，能起到調(diào)控微氣候和空氣質(zhì)量，維護(hù)城市生態(tài)環(huán)境的作用[3-5]。據(jù)研究表明，三維綠量與植物群落產(chǎn)生的生態(tài)效益成正相關(guān)趨勢，即三維綠量越大，其總體生態(tài)效益越好[5]。三維綠量，作為一項(xiàng)新興的綠化指標(biāo)，突破了平面綠量的局限性，可以更好地衡量城市公園綠地的生態(tài)環(huán)境效益，反映公園綠地在綠化空間結(jié)構(gòu)上的合理性[6-7]。

目前，三維綠量的估算方法仍處于探索階段：一類是通過單株植物葉面積的總量以推算三維綠量[8]；另一類是運(yùn)用遙感影像，從“立體量”或“平面量”推算三維綠量[6]。公園植被類型異質(zhì)性大，遙感影像無法評估三維綠量，因此，大多采用實(shí)地測量單株樹木的植物形態(tài)公式或三維激光掃描估算單株植物的三維綠量[9-11]。2種方法均存在一定的局限性，前者忽略了樹種內(nèi)部的空間密度，后者較前者精度更高，但實(shí)際操作上更為煩瑣。相比之下，實(shí)地測量，運(yùn)用植物形態(tài)公式能較為便捷地評估城市公園植被的三維綠量。劉常富[9]提出的三維綠量計(jì)算公式被眾多學(xué)者運(yùn)用在南北方公園[11-13]、療養(yǎng)院綠地[4]等人工綠地中。有研究表明，植物群落結(jié)構(gòu)特征與三維綠量具有密切關(guān)系，但對整體的三維綠量的貢獻(xiàn)程度具有差異[12-15]。而關(guān)于三維綠量的影響因子尚未明晰，有待進(jìn)一步研究。

本文通過研究山地公園人工綠地內(nèi)的植物群落結(jié)構(gòu)特征，模擬其三維綠量，探討其影響因子，旨在優(yōu)化植物群落的三維綠量，以提高山地公園綠地的生態(tài)效益，為后期城市森林構(gòu)建提供參考。

1 調(diào)研地概況

福州因密植榕樹又稱“榕城”，位于福建省東部，閩江下游及沿海地區(qū)，是海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)中心城市之一，地理坐標(biāo)為北緯25°15′～26°39′，東經(jīng) 118°08′～120°31′。福州屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，溫暖濕潤，冬短夏長，年平均氣溫17.8～25℃，年平均降水量1348.8mm，年平均日照1755.4h。福州地形復(fù)雜，山地分布較廣，北有鼓嶺、羅漢山、蓮花山；南有大廟山、煙臺(tái)山、高蓋山；東有鼓山；西有金牛山、象山；中有金雞山。此外，福州林地面積廣闊，比重大，占全市面積的65%，森林覆蓋率為57.8%，綠化程度高達(dá)88.6%。近年來，福州總體綠化發(fā)展勢頭迅猛，植物搭配類型豐富，且已取得可觀效果。

2 調(diào)研方法

2.1 公園選取及樣地確定

依據(jù)山地公園功能類型，地理位置等多重角度，從福州山地公園中選取研究對象，分別為高蓋山山公園、金牛山公園、金雞山公園3座各具特色的山地公園(表1)。

表1 公園選取及樣地確定原則

亞熱帶常綠闊葉林的自然群落最小表現(xiàn)面積為1200m2[16]，而公園人工植被的異質(zhì)性過大[12]，因此，取樣面積應(yīng)至少大于1200m2。參考Li等[13]對城市植物樣方面積的要求，盡可能擴(kuò)大取樣面積，并進(jìn)行植物分層抽樣調(diào)查，以反映公園整體的植被水平。

在勘踏全園的基礎(chǔ)上，沿公園游覽路線及景觀軸，選取具有代表性、穩(wěn)定的人工植物群落。其植物組成適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂蚝土⒌貤l件，物種應(yīng)用頻率高，公園植物群落特色突出，層次豐富，觀賞性強(qiáng)(表1)。研究表明，植物群落在一定的規(guī)格內(nèi)(20m×20m)的內(nèi)發(fā)揮其生態(tài)效益[3]。因此，每個(gè)公園分別選取6個(gè)具有典型代表性的植物群落，共18個(gè)樣地，每塊樣地規(guī)格20m×20m。

2.2 數(shù)據(jù)測量與采集

調(diào)查采用標(biāo)準(zhǔn)樣地法，并進(jìn)行植物分層抽樣調(diào)查。即對樣方的喬木(胸徑≥5cm或樹高≥1.5m)進(jìn)行逐一調(diào)查測量，并依次記錄其物種名、胸徑、枝下高、樹高、數(shù)量、冠幅、冠高、復(fù)層數(shù)、喬灌比等。對樣地的灌木(胸徑≤5cm或樹高≤1.5m)分別記錄其物種名、數(shù)量、蓋度、冠幅、高度等。測量工具包括胸徑尺、30m皮尺、5m鋼卷尺、測高儀等。

2.3 數(shù)據(jù)計(jì)算與處理

2.3.1 植物群落結(jié)構(gòu)特征統(tǒng)計(jì)方式

植物群落結(jié)構(gòu)特征主要從物種多樣性及數(shù)量特征2個(gè)角度進(jìn)行闡述。最常用的物種多樣性指數(shù)有物種豐富度、香濃-威納指數(shù)、辛普森指數(shù)及均勻度指數(shù)[11]。數(shù)量特征主要計(jì)算指標(biāo)取喬木層平均樹高、喬木層平均胸徑、喬木層平均冠幅、重要值、胸高斷面積、復(fù)層數(shù)、蓋度等。計(jì)算公式如下：

Gleason豐富度指數(shù)

Margalef豐富度指數(shù)

Shannon-Winner多樣性指數(shù)

Simpson多樣性指數(shù)

Pielou均勻度指數(shù)

喬木層平均樹高

喬木層平均胸徑

喬木層平均冠幅

胸高斷面積

復(fù)層數(shù)：1.5m以上喬木層的亞層數(shù)，共分為1.5～4m、4～8m、8～25m這3個(gè)亞層。

蓋度：植物地上部分垂直投影面積占樣地的百分比。

其中，A為樣地面積，m2；S為樣地中所有物種數(shù)；N為所有物種個(gè)體總數(shù)；Ni指第i種的個(gè)體數(shù)；Pi=Ni/N。H′為Shannon-Winner多樣性指數(shù)；He為每株喬木樹高(m)；Фe為每株喬木胸徑；We為每株喬木冠幅；Ae為每株喬木胸高斷面積；i=1，2，3，…；n=1，2，3，…；S=1，2，3，…。

2.3.2 三維綠量統(tǒng)計(jì)方式

綠量計(jì)算統(tǒng)計(jì)方法較多，本文采用的是由植物立體量推算出三維綠量，喬木選用群落數(shù)量特征中的冠幅、枝下高、樹高等指標(biāo)經(jīng)過換算后相對應(yīng)的單株三維綠量(計(jì)算公式見表2)[9]。灌木與草本則采取實(shí)測投影面積與高度的乘積作為結(jié)果[4]。喬灌草相對應(yīng)的綠量相加即為總?cè)S綠量。

2.3.3 數(shù)據(jù)分析

將三維綠量設(shè)置為因變量，植物群落結(jié)構(gòu)特征設(shè)為自變量(表3)。根據(jù)前人研究[4，9，12-13]結(jié)果，模擬三維綠量(因變量)與植物群落結(jié)構(gòu)特征(自變量)存在多元線性關(guān)系。運(yùn)用SPSS 19.0對自變量及因變量進(jìn)行單樣本K-S檢驗(yàn)，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否滿足正態(tài)分布。在數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布的前提下，將自變量與因變量進(jìn)行Person相關(guān)性分析，剔除相關(guān)性弱的因子。數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)分布的話，須進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以減輕或消除偏態(tài)現(xiàn)象。選取顯著相關(guān)的因子進(jìn)行逐步線性回歸分析，P0.05變量選入。

3 結(jié)果與分析

3.1 群落結(jié)構(gòu)特征分析

3.1.1 3個(gè)公園樣地植物群落的物種組成分析由表4得知，18塊調(diào)查樣地中的植物群落共包含59種植物，隸屬44科56屬。主要有喬木39種，灌木12種，草本8種。喬木中杧果、櫻花、小葉榕、白蘭、碧桃、香樟等較為常見，相對頻度較大。馬尾松、臺(tái)灣相思、蒲葵等次之。灌木中紅花檵木、黃金榕、非洲茉莉、海桐、紅葉石楠等較為常見，紅絨球、鵝掌柴次之；草本植物主要有腎蕨、馬尼拉草、麥冬、芒萁等。從群落物種組成的角度分析，喬木所占比重較大，在群落構(gòu)成中起核心作用。由于山地土壤、光照、地形等限制因素，更加削弱了灌木草本的比重，因此，喬木在山地公園植物群落的構(gòu)成中往往起決定性作用。群落層次有2層(喬+灌)或3層(喬+灌+草)，以3層為主，搭配豐富程度相對較低。3個(gè)公園樣地植物群落的喬木重要值平均取值分別為0.41、0.40、0.36，灌木重要值平均取值分別為0.55、0.40、0.51(表4)，總體相差微弱。

表2 三維綠量計(jì)算公式[9]

表3 三維綠量逐步回歸分析變量設(shè)置

表4 18個(gè)植物群落及結(jié)構(gòu)特征

3.1.2 3個(gè)公園樣地植物群落的物種多樣性分析3個(gè)公園中各樣地多樣性的各項(xiàng)指標(biāo)范圍見表4。其中，高蓋山公園多樣性指數(shù)總體跨度相對較大，表明在同一范圍內(nèi)不同植物群落喬木層的多樣性指數(shù)會(huì)有較大的變化。樣地5、9、12、18喬木層各項(xiàng)指標(biāo)相對較大，表明其群落結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，具有較高的豐富程度與均勻程度。此外，3個(gè)公園中灌木層各項(xiàng)多樣性指數(shù)值都較低。其中金雞山公園灌木層多樣性指數(shù)總體跨度較大，顯示出較大的差異性，而金牛山相對穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)小范圍內(nèi)浮動(dòng)，表現(xiàn)較為穩(wěn)定，顯示出其群落人工化相對明顯的特征。樣地8、11、16灌木層各項(xiàng)指標(biāo)比其他群落大，表明該樣地灌木層植物種類相對較為豐富穩(wěn)定。

表5 植物群落結(jié)構(gòu)特征及三維綠量值

3.2 三維綠量及回歸方程模擬

山地公園人工植物群落蓋度較高，其中金牛山6塊樣地中蓋度均值高達(dá)0.83(表5)。樣地5、7、9的蓋度相對較大，分別為0.87、1.21、1.22，其單位面積綠量也相對較大，分別為2.70、4.79、4.69。在喬灌比值較大的樣地2、3、13中的植物群落，由于喬木層蓋度較小，造成其單位面積三維綠量僅分別為0.96、1.50、1.78。

單樣本K-S檢驗(yàn)結(jié)果表明：22個(gè)自變量與三維綠量均呈正態(tài)分布。多元逐步線性回歸模擬方程見表6。喬灌比及蓋度與三維綠量存在極顯著相關(guān)，決定系數(shù)R2為0.944，表明方程擬合程度高，即喬灌比及蓋度能很好地解釋模擬三維綠量。因此，可借助這2個(gè)指標(biāo)評估植物群落三維綠量。

4 討論與結(jié)論

山地公園服務(wù)于使用人群，公園綠地內(nèi)人工植物群落結(jié)構(gòu)受到前期綠地設(shè)計(jì)和后期管理較大的影響，物種組成較地帶性群落簡單，α多樣性與β多樣性較原生森林低[19-20]。公園植物群落構(gòu)建不能僅從美學(xué)考慮[21]，更應(yīng)注重生態(tài)效益的作用。綠量是影響植物群落發(fā)揮生態(tài)效益最大化的重要因子。眾多研究表明，在一定區(qū)域(20m×20m)內(nèi)，單位面積綠量達(dá)3m3以上能最大限度地發(fā)揮氣溫調(diào)控功能[3]。單位面積綠量越高，改善城市空氣環(huán)境的能力越大。當(dāng)單位面積綠量達(dá)2.79m3以上時(shí)，能保持城市綠地微生物濃度在清潔程度；單位面積綠量達(dá)3.87m3以上時(shí)，能改善空氣顆粒物污染的情況[5]。在本研究的18塊樣地中，只有樣地7、9滿足要求，故福州山地公園人工植物群落綠量有待提高。

表6 三維綠量模擬方程

由逐步回歸分析結(jié)果(表6)可知，蓋度與喬灌比是影響綠量的關(guān)鍵影響因子，二者相互關(guān)聯(lián)。這與劉常富等[9]和張凱旋等[22]的結(jié)論一致。針對現(xiàn)狀，建議山地公園的植物群落構(gòu)建，可從提升植物群落蓋度，優(yōu)化喬灌比重等角度入手，提高單位面積三維綠量，以改善其生態(tài)效益和空間結(jié)構(gòu)。具體建議如下。

1)提升植物群落喬木層蓋度，最大限度發(fā)揮生態(tài)效益。

蓋度大的喬灌草結(jié)構(gòu)，其植物群落的生態(tài)效益最好[5]。當(dāng)群落的蓋度達(dá)到60%～70%時(shí)，對人體舒適度能起到改善效果[4]。在山地公園人工植物群落構(gòu)建時(shí)，應(yīng)選取冠幅飽滿的喬木作為建群種，使得群落蓋度達(dá)到70%～85%。但群落蓋度不應(yīng)過大，過密的冠層影響空氣流動(dòng)和顆粒物的吸附能力[23]，尤其在亞熱帶的高溫高濕的山地環(huán)境中，容易發(fā)生植物病蟲害問題。

2)增加植物群落灌木比重，優(yōu)化植物群落結(jié)構(gòu)。

綠量主要由喬木層樹種貢獻(xiàn)[3，5]，但不應(yīng)忽視灌木層對綠量的貢獻(xiàn)。喬灌比過大會(huì)降低綠量總值，因此，在山地公園植物群落構(gòu)建過程中，應(yīng)注意植物群落配置的豐富度，增加灌木種類與數(shù)量，保證足夠的多樣性。其次，還需要優(yōu)化群落結(jié)構(gòu)，把控好喬灌草的比重，增加單位三維綠量水平，提高整體生態(tài)效益?？蓞⒄铡陡＝ㄊ〕鞘芯G地建設(shè)導(dǎo)則》的要求，喬灌比應(yīng)達(dá)到1:4～6，選取耐陰植物作為林下木[24]。

綜上，建議福州山地公園植物群落綠量采取如下優(yōu)化模式：群落面積達(dá)20m×20m以上，單位面積綠量達(dá)3m3以上，喬木層蓋度范圍在60%～90%，喬木選取冠大蔭濃的植株，樹冠形狀以卵形、球形或半球形為佳。喬灌比應(yīng)達(dá)1:4～6。