城市化強度與木本植物多樣性之間的空間關系

李彩珠 宋連連 朱文浩 丁珂新 王亞男 楊金明

摘要 [目的]探究城市化強度與木本植物多樣性之間的空間關系。[方法]以青島市主城區(qū)的城市森林為研究對象，在樣地調查的基礎上，運用SPSS軟件分析了城市化強度與木本植物多樣性指數(shù)之間的相關性，同時利用地理加權回歸模型建立了二者之間的空間關系。[結果]青島市主城區(qū)木本植物多樣性具有明顯的空間異質性;城市化強度與木本植物豐富度指數(shù)之間具有顯著相關性，與香濃維納指數(shù)和均勻度指數(shù)之間顯著不相關;地理加權回歸分析結果表明，城市化強度與木本植物多樣性之間的關系具有空間異質性。[結論]該研究可為城市木本植物多樣性空間分布及其受城市化影響的深入研究提供科學依據(jù)。

關鍵詞 城市化;植物多樣性;SPSS;ArcGIS;Fragstats

中圖分類號 S731.2? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2022）10-0095-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.10.023

Spatial Relationships between Urbanization Intensity and Woody Plant Diversity

LI Cai-zhu1，SONG Lian-lian2，ZHU Wen-hao3 et al （1.College of Landscape Architecture and Forestry，Qingdao Agricultural University，Qingdao，Shandong 266109; 2.Administrative Approval Service Bureau of Chengyang District，Qingdao，Shandong 266109; 3.Qingdao Gaocheng Weilin Forestry Planning Co.，Ltd.，Qingdao，Shandong 266109）

Abstract [Objective]To explore the spatial relations between urbanization intensity and woody plant diversity.[Method]Taking urban forest of Qingdao urban area as the research object，on the basis of sample survey，using SPSS software to analyze the correlation between urbanization strength and diversity index of woody plants，at the same time using geographically weighted regression model to establish the spatial relationship between them.[Result]The results showed that the diversity of woody plants in the main urban area of Qingdao had obvious spatial heterogeneity.There was a significant correlation between urbanization intensity and woody plant richness index，but no correlation between urbanization intensity and Shannon Wiener index and evenness index.The results of geographically weighted regression analysis showed that the relationship between urbanization intensity and woody plant diversity was spatially heterogeneous.[Conclusion]This study can provide a scientific basis for the in-depth study of the spatial distribution of urban woody plant diversity and its impact on urbanization.

Key words Urbanization;Plant diversity;SPSS;ArcGIS;Fragstats

基金項目 青島農(nóng)業(yè)大學大學生創(chuàng)新訓練項目“城市化強度對青島市城市森林結構和景觀格局空間異質性的影響”“POI對城市森林結構和景觀格局的影響”。

作者簡介 李彩珠（1999—），女，山東聊城人，從事林學研究。通信作者，講師，博士，從事城市化與城市森林生態(tài)效益研究。

收稿日期 2021-08-12

城市化是指一個國家或地區(qū)由傳統(tǒng)鄉(xiāng)村型社會向現(xiàn)代城市型社會逐漸轉變的歷史過程，伴隨著城市化進程的加快，城市范圍內人為干擾的強度由郊區(qū)向市中心呈現(xiàn)逐漸增強的趨勢，外來植物的種類及數(shù)量也隨著城市化程度的加大而增多，植物多樣性由郊區(qū)向市中心逐步減少[1-2]。

在城市生態(tài)建設過程中，植物多樣性作為城市生態(tài)的重要指標，它關系著人與自然的和諧發(fā)展。植物多樣性是植物與其他有機體及其生存環(huán)境之間長期相互作用下形成的各類生態(tài)過程。植物多樣性不僅與城市的可持續(xù)發(fā)展密切相關，還是人類賴以生存的基礎[3]。提高城市植物多樣性有利于改善小氣候，防風遮陰，維持生態(tài)平衡。在一定程度上還可以緩解熱島效應，一方面通過光合作用散失大量熱量，使溫度降低;另一方面能夠吸收陽光中的輻射熱，改善環(huán)境濕度水平[4]。隨著城市化強度的增加，木本植物原先具有的自然景觀正遭受著生境破碎化，不同生活型的木本植物分散在各種城市土地類型中。城市范圍內出現(xiàn)生物同質化現(xiàn)象，即使不斷增大地理距離，城市木本植物組成也具有較高的相似性，致使植物多樣性降低。植物多樣性降低造成城市自然生產(chǎn)力下降，改變氣候條件，破壞生態(tài)平衡，從而引發(fā)一系列環(huán)境問題，如紫外線輻射、日照時間、年平均風速、相對濕度均降低等[5-6]。

城市化通過改變物種的棲息地及生境，影響生物之間的相互作用和景觀的異質性。明確城市化強度與木本植物多樣性之間的空間關系有利于規(guī)劃未來城市的發(fā)展。近年來，國內外學者在這方面進行了一些研究[7]。城市化造成本土植物物種的丟失和外來物種的增加，美國在這方面研究較多，Bertin[8]研究了美國Worcester 13個城鎮(zhèn)在50～150年的植物種類變化，發(fā)現(xiàn)本土物種豐富度降低了3%～46%;Standley[9]研究表明，馬薩諸塞州的Needham城丟失了近50%的木本植物物種（330種），增加了200個外來植物物種;DeCandido等[10]研究表明，100年來，紐約城丟失了578個本土物種（占總數(shù)的43%），增加了411個外來物種。McKinney[11]在美國8個城市的調查中發(fā)現(xiàn)，隨著城市化程度遞減，外來植物物種的相似性系數(shù)顯著下降，而本土植物相似性系數(shù)變化很小，說明本土植物對于維護城市植物群落穩(wěn)定性有很重要的意義。

隨著人為干擾強度由中心城區(qū)、城市周邊郊區(qū)向遠郊鄉(xiāng)村逐漸降低，植物多樣性的分布逐漸呈增加的趨勢[12]。在西方一些發(fā)達城市的城鄉(xiāng)梯度上，城市化強度越高，植物多樣性越低，本土樹種和外來樹種的比例失衡越嚴重。例如，澳大利亞的Adelaide市截至目前至少有32種木本植物消失，外來樹種卻增加了48種[13]。關于德國柏林城市木本植物變化的研究表明，在未來很長一段時間內外來木本植物會占據(jù)主導位置，城市木本植物多樣性在一定區(qū)域內會得到提高，但總體上仍是降低的[14]。筆者以青島市木本植物多樣性為研究對象，研究了青島建成區(qū)城市木本植物多樣性空間分布特點，城市化強度與城市木本植物多樣性的相關性等，以期為城市發(fā)展提供參考與依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況 研究區(qū)域為青島市南區(qū)、北區(qū)、李滄區(qū)和嶗山區(qū)的中韓街道。研究區(qū)處于北溫帶，屬大陸季風氣候。由于青島靠近黃海，受到海洋因素影響較為明顯，氣候比較適宜，同緯度下研究區(qū)域內的木本植物種類豐富。主要的木本植物有銀杏、懸鈴木、椴樹、馬褂木、紅楓、雞爪槭、日本五針松、山茶、紫葉小檗、火棘、海桐等。

1.2 研究方法

1.2.1 城市木本植物多樣性及其空間插值。

參考UFORE （the urban forest effects model）城市森林調查手冊中的調查方法，以前期研究提取到的城市森林斑塊為抽樣層，利用分層隨機抽樣的方法進行城市森林樣地調查。首先，利用ArcGIS在森林斑塊圖上隨機設計一定數(shù)量的樣地中心點，用GPS導航定位這些點，以11.3 m為半徑設置圓形樣地，調查樣地內木本植物種類及數(shù)量。在2019年7—8月共完成調查樣地132個，其空間分布見圖1。每個樣地的木本植物多樣性用物種豐富度、香濃維納指數(shù)、均勻度指數(shù)和辛普森指數(shù)表征。

在野外調查數(shù)據(jù)的基礎上，利用ArcGIS 10.5和Kriging 插值方法，繪制了城市樹木多樣性的空間分布格局。Kriging 提供了正態(tài)分布數(shù)據(jù)的最佳線性無偏估計，使用鄰近樣本的加權線性組合，使誤差方差最小化。

1.2.2 城市化強度計算。該研究利用公里網(wǎng)格單元內不透水面的占比表征網(wǎng)格空間的城市化強度，計算公式如下：

UIi=ISAiTAi（1）

式中，UIi是第i個網(wǎng)格內的城市化強度;ISAi表示第i個網(wǎng)格內的不透水面積，由研究區(qū)土地利用分類圖計算得到;TAi為第i個網(wǎng)格的總面積。

1.2.3 相關性分析。通過SPSS 22統(tǒng)計軟件對城市化強度和城市森林空間格局數(shù)據(jù)進行相關分析。SPSS相關性分析輸出表格中有3行數(shù)據(jù)，分別為皮爾遜相關系數(shù)、樣本容量、顯著性檢驗結果。其中，樣本容量代表數(shù)據(jù)中樣本點數(shù)量;顯著性檢驗結果即雙尾，用以表征統(tǒng)計學意義。

1.2.4 回歸分析。

常見的確定不同變量間定量關系的分析方法為回歸分析。相關性分析只能確定兩者之間的關系，而回歸分析則是表現(xiàn)兩者之間具體量化的大小。為研究城市化強度對森林空間格局的影響，利用回歸分析進行量化計算，用來實現(xiàn)城市化強度的變化對城市森林景觀的預測分析。

1.2.5 地理加權回歸分析。

地理加權回歸（geographically weighted regression，GWR）是一項在空間尺度上分析觀測數(shù)據(jù)的手段。由于隨機抽樣和不同空間具有不同地理自然環(huán)境，從而造成觀測數(shù)據(jù)存在一定誤差。原有的分析模型忽視了空間非平穩(wěn)性的影響，使得測量數(shù)據(jù)的結果也發(fā)生了偏差。GWR模型為

Yi=β0（ui，vi）+pj=1βj（ui，vi）Xij+εi

式中，Yi為第i點的因變量;εi為殘差;P為樣本容量;Xij為第j個自變量在第i點的值;（ui，vi）為第i個樣本點的空間坐標;βj（ui，vi）為連續(xù)函數(shù)βj在i點的值。β0為地理加權回歸參數(shù)。地理加權回歸將采集數(shù)據(jù)的空間發(fā)布關系代入回歸方程中得出相應的數(shù)據(jù)。這種分析方法全面地對數(shù)據(jù)進行了空間分析，減少了分析的誤差。

2 結果與分析

2.1 青島主城區(qū)木本植物多樣性空間異質性

香濃維納指數(shù)和辛普森多樣性指數(shù)反映了植物群落的空間異質性。由圖2可見，在李滄區(qū)北部和嶗山區(qū)東部植物群落空間異質性（空間綴塊性和梯度的總和）較高，香濃維納指數(shù)在1.26～<1.61，而市北區(qū)與市南區(qū)較低，香濃維納指數(shù)在0.63～<1.10;均勻度指數(shù)在李滄區(qū)北部與嶗山區(qū)較高，指數(shù)在0.82～<0.98;豐富度指數(shù)在李滄區(qū)北部較高，在5.49～<6.10，而青島市較大部分地區(qū)豐富度指數(shù)在3.71～<4.96;辛普森多樣性指數(shù)在市南區(qū)南部分布相對較高，在0.40～<0.62，其他地區(qū)均<0.25。

2.2 青島主城區(qū)城市化強度空間異質性

通過使用ArcGIS公里網(wǎng)格制圖，對青島市主城區(qū)城市化強度進行分析，發(fā)現(xiàn)在研究區(qū)內城市化強度有比較明顯的空間結構特征（圖3）：①青島市西南部（市南、市北）、李滄區(qū)中部與南部的城市化強度較強，城市化強度指數(shù)在0.68～<1.00，這是由于市南、市北、李滄區(qū)經(jīng)濟相對其他區(qū)域發(fā)達，經(jīng)濟發(fā)展提高了城市化強度。②嶗山區(qū)中韓街道城市化強度指數(shù)在0.68～<0.81，城市化強度屬于中等偏上水平，這與對景區(qū)的不斷開發(fā)、人為改造促進城市化發(fā)展有關。③青島市東北部地區(qū)城市化強度較低，城市化強度指數(shù)在0～<0.51。

2.3 城市化強度與城市木本植物多樣性相關性分析

城市化強度與城市木本植物多樣性之間的相關性見表1。由表1可知，城市化強度與香濃維納指數(shù)P>0.05，相關性不顯著;城市化強度與均勻度指數(shù)P>0.05，兩者相關性不顯著;城市化強度與木本植物豐富度指數(shù)P<0.05，兩者相關性顯著。

通過香濃維納指數(shù)、均勻度指數(shù)和豐富度指數(shù)來衡量木本植物多樣性，結果表明，城市化強度對木本植物多樣性的關聯(lián)程度高。

青島通過城市化建設改變了原有的木本植物生境。城市中的木本植物可以被劃分為2類：一類是當?shù)厣吃獾狡茐暮蟮臍埓婺颈局参?另一類是人們引進管理的外來木本植物。城市化強度對城市木本植物多樣性的相關性大，這可能與青島市在城市建設方面大量引進適應當?shù)厣姝h(huán)境的外來木本植物有關。比如道路綠化用地和居民區(qū)綠化用地栽種了不少外來木本植物。人類是城市生態(tài)系統(tǒng)中的主體往往是通過自己的意愿來改造生活環(huán)境。換句話來說，城市中高強度城市化地區(qū)通過人工綠地管護措施而增加木本植物多樣性，城市化強度低的地方，人工管護的程度也會降低。因此在受到經(jīng)濟和人文思想的影響條件下，木本植物多樣性與城市化強度相關性顯著。

2.4 城市化強度與城市木本植物多樣性回歸分析

通過回歸性分析，得出城市化強度與木本植物多樣性的相關性關系，其中城市化強度與豐富度指數(shù)呈顯著負相關性關系。運用SPSS軟件中的回歸性分析確定城市化強度與植物多樣性之間關系。由表2可知，當城市化強度變化1個單位時，香濃維納指數(shù)會下降0.109，均勻度指數(shù)上升0.045，豐富度指數(shù)上升0.102。上述結果表明城市化強度與香濃維納指數(shù)、均勻度指數(shù)、豐富度指數(shù)呈線性關系，隨著社會的發(fā)展、城市化進程與城市木本植物的生長，繁衍有一定的比例關系。人們在城市化過程中有目的地種植或引進木本植物，城市化建設過程中，各種綠化用地需要一定量的樹木，這些樹木的生活型不同，對環(huán)境變化的反映也不同，自然就引起了城市木本植物多樣性的變化。總體而言，城市化程度的大小嚴重影響著木本植物的豐富度。

2.5 城市化強度與城市木本植物多樣性地理加權回歸分析

由于城市化強度存在不同的空間效益，數(shù)據(jù)自身存在空間結構性差異，即空間結構的非均衡性，故利用ArcGIS進行地理加權回歸，以城市化強度分別與香濃維納指數(shù)、均勻度指數(shù)、豐富度指數(shù)作圖（圖4）。

從香濃維納指數(shù)回歸系數(shù)來看（圖4a），以市北區(qū)、李滄區(qū)南部較高，數(shù)值在0.21～<0.50，原因可能是隨著人為栽植木本植物、引進外來植物等，提高了該地區(qū)的植物多樣性，而其他地區(qū)主要用地類型是居民區(qū)、道路、商業(yè)區(qū)等，限制了木本植物的生活發(fā)展，木本植物在其中的生活環(huán)境差，生活史難以正常完成。從均勻度指數(shù)回歸系數(shù)來看（圖4b），僅市北區(qū)中部較高，數(shù)值在0.34～<0.71，說明研究區(qū)域大部分地區(qū)植物分布不均。從豐富度指數(shù)回歸系數(shù)來看（圖4c），以市北區(qū)與市南區(qū)北部、李滄區(qū)西部較高，數(shù)值在0.37～<1.02，原因是人為不斷地栽植、引進植物，從而增加了植物種類。從城市化強度的空間分布情況來看（圖4d），研究區(qū)域內在市北區(qū)、市南區(qū)與嶗山區(qū)西部的城市化強度較高，數(shù)值在0.81～<1.00，原因可能是在市南區(qū)、市北區(qū)和嶗山區(qū)有各種學區(qū)、世園會和以十梅庵為代表的人文旅游勝地，使其城市化強度較其他地區(qū)高。

3 結論與討論

城市木本植物多樣性對城市生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功能起著至關重要的作用，高水平的植物多樣性有助于保護城市森林免受病蟲害造成災難性損失，并有助于改善生態(tài)系統(tǒng)功能，因此植物多樣性被認為是城市化進程中森林管理的關鍵組成部分。

在北京植物多樣性空間模式與城市化的影響研究中[15]，采用了傳統(tǒng)的梯度法和經(jīng)典的統(tǒng)計回歸分析，如多元回歸分析、廣義線性模型、協(xié)方差分析和皮爾遜相關分析等，使用的變量包括距離市中心的距離、不透水表面的比例、人口密度、土地利用類型、公共機構（公園、路邊、學校、住宅、醫(yī)院等）距離城市的距離、城市樹冠的比例以及樹冠斑塊的大小。該研究采用SPSS分析、地理加權分析、線性回歸方法，分別進行了香濃維納指數(shù)、辛普森指數(shù)、均勻度及豐富度指數(shù)的空間差異性對比，研究了城市化強度與木本植物多樣性的相關性。不足的是，該研究采用的變量較少，木本植物多樣性的空間異質性需要較多城市化指標進行研究，以充分了解城市地區(qū)木本植物多樣性的形成機制，這有待于今后的進一步研究。

鑒于城市植物多樣性空間分布的研究主要集中在歐洲、北美、澳大利亞和中亞，我國的相關研究很少受到重視，考慮到青島城市化強度不斷加強，在青島市進行城市化強度與植物多樣性的空間關系探究對未來進行合理的城市化建設起著重要作用。該研究首先通過對青島市建成區(qū)木本植物多樣性進行地理加權回歸分析，繪制了青島市木本植物多樣性空間模式;其次探討了青島城市化強度空間異質性差異，發(fā)現(xiàn)城市化強度對植物物種豐富度具有顯著的影響。該研究在一定程度上揭示了城市化強度與木本植物多樣性的關系，可為今后城市發(fā)展提供參考。

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