基于三維綠量的懷化城市公園植物群落物種多樣性及生態(tài)效益研究

楊 岑，彭盡暉，粟德瓊

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，湖南 長沙 410128； 2.懷化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 懷化 418000)

城市公園是城市綠地的重要部分，為人們提供休憩、觀賞景觀、放松身心場所，同時有著重要的生態(tài)效益[1]，如固定二氧化碳、釋放氧氣[2]、降低溫度、增加空氣濕度、吸收有毒氣體、滯塵等[3]。三維綠量(Tridimensional Green Biomass，簡稱TGB)是一種植物三維評價指標(biāo)，指生長著的植物莖葉所占據(jù)的空間體積，單位一般用m3來表示[4]。

目前，通過三維綠量估算植物群落生態(tài)效益的研究仍處于探索階段，董艷杰等[5]通過對上海浦江郊野公園5個不同典型林分作為研究對象，探討了不同樹種間生態(tài)效益的差異；楊陽等[6]以不同坡度的景觀林作為研究對象，探討了三維綠量與植物群落生態(tài)效益之間的關(guān)系；薛雪等[7]以上海市6種典型園林綠化植物作為研究對象，探討了不同季節(jié)內(nèi)不同樹種生態(tài)效益差異。

城市公園植物多樣性是城市生物多樣性的重要組成部分，直接影響城市生物多樣性水平與景觀服務(wù)功能。近年來懷化城市公園建設(shè)，植物配植重景觀、輕生態(tài)現(xiàn)象還比較突出[8]?！翱叼B(yǎng)城市”、“園藝療法”等理念的提出，為城市公園建設(shè)提供了科學(xué)理論，同時也對植物種類多樣性提出了更高要求，構(gòu)建觀賞價值高、植物種類豐富、植物搭配合理的群落，成為現(xiàn)今植物群落設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。

本文通過研究林地改建公園與新建公園的植物群落生態(tài)效益，探討兩公園植物群落差異并提出優(yōu)化措施，以期為后期城市公園建設(shè)提供一定理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

懷化市地處108°47′13″—111°06′30″E，25°52′22″—29°01′25″N之間，是典型的亞熱帶季風(fēng)氣候。夏季高溫多雨，冬季低溫少雨，降水量比較豐富，年平均降水量達(dá)1 615 mm，年平均氣溫16.8 ℃。

舞陽公園為林地改建公園，位于湖南省懷化市河西經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)舞水河河畔、舞水橋以南，植被以亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林為主，植被覆蓋率高，植物資源豐富；公園原為1980年建成的懷化市河西城市林地，于2018年年初改建成城區(qū)綜合公園，根據(jù)2018年10月懷化市城市管理和綜合執(zhí)法局提供的懷化市建成區(qū)公園綠地遙感解譯數(shù)據(jù)，公園占地面積共10.75 hm2，其中綠地面積共7.95 hm2，綠地率為82.04%。五溪文化公園為新建公園，位于懷化市鶴城區(qū)五溪大道；根據(jù)2020年懷化市統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，五溪文化公園于2003年7月破土動工，2004年4月底竣工開園；根據(jù)2020年懷化市統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，公園占地19.1hm2，綠地面積13.48hm2，綠地率為70.56%。

2 研究方法

2.1 實(shí)地調(diào)查

于2020年6月至2021年4月，采用典型樣方法調(diào)查舞陽公園和五溪文化公園植物群落現(xiàn)狀(見表1)。共設(shè)置11個樣方，其中舞陽公園5個，五溪文化公園6個。調(diào)查樣方面積大小為 20 m×20 m，在各樣方內(nèi)沿對角線機(jī)械布設(shè)5個2 m×2m灌木小樣方、5個2 m×2 m的草本小樣方，樣方之間間距不小于150 m。以400 m2為單位面積計(jì)算樣方內(nèi)植物株數(shù)密度[8]。

在樣方內(nèi)依據(jù)植株生活型的不同，劃分出群落的分層結(jié)構(gòu)，以層為單位進(jìn)行每木調(diào)查。將植物群落劃分為喬木層(胸徑≥4 cm的木本植物)、灌木層(胸徑<4 cm且高度>0.5 m的木本植物)、地被層(高度≤0.5 m的木本植物和草本植物)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)調(diào)查。喬木層調(diào)查中主要記錄其種名、數(shù)量、高度、胸徑、冠幅、冠高、第一活枝下高；灌木層主要記錄其種名、數(shù)量、蓋度、高度；地被層植物主要記錄其種名和蓋度；按照相鄰林層間林木平均高差相差20%以上、主林層郁閉度大于0.3、其他林層郁閉度大于0.2進(jìn)行植物群落林層劃分，以主林層具有胸徑平均值的樹木高度作為群落高度[9]。

表1 植物群落抽樣調(diào)查表Tab.1 Samplingquestionnaireofplantcommunity樣方地點(diǎn)面積/hm2建成年份樣方數(shù)量樣方編號舞陽公園10.820185WY1-WY5五溪文化公園19.120046WX1-WX6

2.2 三維綠量計(jì)算

本研究使用“平面量模擬立體量”計(jì)算喬灌木的三維綠量[10]，不同植物冠形的三維綠量計(jì)算公式不同[11]，地被層植物三維綠量采用覆蓋面積乘以高度計(jì)算[12]。樣方內(nèi)各層植物三維綠量之和為總?cè)S綠量(m3)，總?cè)S綠量除以樣方面積為樣方三維綠量密度(m3·m-2)。

2.3 植物多樣性值計(jì)算

本研究對各公園植物群落樣方內(nèi)物種多樣性采用以下數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算[13]：

(1) Shannon-Wiener物種多樣性指數(shù)(H)

H=-∑PilnPi

(1)

(2) Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(D)

(2)

式(1)(2)中：Pi種的P個體數(shù)占群落中總個體數(shù)的比例。

(3) Pielou均勻度指數(shù)(J)[14-15]

J=H/Hmax

(3)

式中：H為實(shí)際觀察到的物種多樣性指數(shù)；Hmax為最大的物種多樣性指數(shù)。

Hmax=LnS(S為群落中的總物種數(shù))

(4) Margalef物種豐富度指數(shù)(R)[16]

R=(S-1)/lnN

(4)

式中：S為群落中的總種數(shù)；N為觀察到的個體總數(shù)。

2.4 生態(tài)效益計(jì)算

在每10000 m3三維綠量中，常綠植物每年可吸收48.5 t二氧化碳，釋放35.2 t氧氣；落葉植物每年可以吸收26.2 t二氧化碳，釋放19.0 t氧氣；針闊混交林每年可吸收30.3 kg二氧化硫，年滯塵11 t；針闊混生林夏季蒸騰量為5.5 t ·d-1[5]。

2.5 生態(tài)效益價值計(jì)算

本研究根據(jù)《中國生物多樣性國情研究報(bào)告》中固碳釋氧成本分別為273.3 元·t-1和369.7 元·t-1[17]，采用《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范》中的治理成本法，治理SO2費(fèi)用為1200 元·t-1，降塵費(fèi)用為150 元·t-1[14]，降溫增濕產(chǎn)生的生態(tài)效益價值根據(jù)懷化市供水公司公布的居民用水價格中自來水的單價2.10 元·t-1，分別對各樣地內(nèi)植物群落各項(xiàng)生態(tài)效益價值進(jìn)行估算。

3 結(jié)果與分析

3.1 兩公園植物群落基本情況

3.1.1 公園植物物種組成分析

舞陽公園共有園林植物155種，隸屬于72科126屬，其中喬木29科38屬56種，灌木26科28屬51種，地被植物29科32屬48種。五溪文化公園共有園林植物81種，隸屬于41科65屬，其中喬木18科26屬36種，灌木14科31屬18種，地被植物15科18屬27種。

兩公園植物群落結(jié)構(gòu)見表2。由表2可知：植物群落高度越大，分層結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，主林層優(yōu)勢種越明顯。舞陽公園植物群落中平均植物種類數(shù)14.60種，其中喬木層5.00種、灌木層5.80種、地被層7.20種，五溪文化公園分別為10.17種、6.33種、1.40種、3.33種。與五溪文化公園相比較，舞陽公園地被、灌木層植物種類豐富，喬木層植物種類單一。

兩公園植物多樣性指數(shù)值見表3。由表3可知：與五溪文化公園相比較，舞陽公園植物群落喬木層植物物種多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)、均勻度指數(shù)、物種豐富度指數(shù)均低；灌木層植物物種多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)數(shù)值高，均勻度指數(shù)、物種豐富度指數(shù)均低；木本地被植物物種多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)、均勻度指數(shù)、物種豐富度指數(shù)均高。

表2 兩公園植物群落結(jié)構(gòu)Tab.2 Plantcommunitystructureoftwoparks樣方編號群落高度/m分層結(jié)構(gòu)植物群落結(jié)構(gòu)植物種類數(shù)WY110.002香樟(Cinnamomumcamphora)-鳶尾(Iristectorum)+吉祥草(Reineckeacarnea)18WY213.402香樟(Cinnamomumcamphora)+杜英(Elaeocarpusdecipiens)-白花泡桐(Paulowniafortunei)+杜英(Elaeocarpusdecipiens)+八月桂(Osmanthusfragrans)10WY312.002香樟(Cinnamomumcamphora)-柚樹(Citrusmaxima)+小葉女貞(Ligustrumquihoui)+狗脊蕨(Wood-wardiajaponica)+鱗毛蕨(Dryopterischampionii)17WY40.301馬尼拉草(Zoysiamatrella)12WY518.603香樟(Cinnamomumcamphora)-杜英(Elaeocarpusdecipiens)+八月桂(Osmanthusfragrans)+垂絲海棠(Malushalliana)-油茶(Camelliaoleifera)+山礬(Symplocossumuntia)+青岡櫟(Cyclobalanopsisglau-ca)16WX17.402白花泡桐(Paulowniafortunei)+楊梅(Myricarubra)+香樟(Cinnamomumcamphora)+大葉樟(Cinnamo-mumparthenoxylon)+紅葉李(Prunuscerasiferaf.atropurpurea)-鳶尾(Iristectorum)12WX25.402紅葉李(Prunuscerasiferaf.atropurpurea)+垂柳(Salixbabylonica)+楊梅(Myricarubra)-紅花韭蘭(Zephyranthescarinata)13WX310.202銀杏(Ginkgobiloba)+日本櫻花(Prunus×yedoensis)-韭蓮(Zephyranthescarinata)9WX40.151馬尼拉草(Zoysiamatrella)+韭蓮(Zephyranthescarinata)5WX52.002香樟(Cinnamomumcamphora)+韭蓮(Zephyranthescarinata)+白三葉(Trifoliumrepens)+馬尼拉草(Zoysiamatrella)8WX69.602絳柳(Salixmatsudana'Pendula)+香樟(Cinnamomumcamphora)+樂昌含笑(Micheliachapensis)-鳶尾(Iristectorum)14

表3 兩公園植物多樣性指數(shù)值Tab.3 Averageimportancevaluesofthetwoparks多樣性指數(shù)舞陽公園五溪文化公園喬木層灌木層木本地被平均值喬木層灌木層木本地被平均值H1.17571.38161.27931.27891.77341.10240.62521.1670D0.59880.69440.63330.64220.61170.62850.37130.5372J0.73140.81450.66010.73530.94570.83510.54820.7763R1.22281.17540.81171.07002.15060.48260.27420.9691

3.1.2 群落結(jié)構(gòu)分析

兩公園植物群落所調(diào)查指標(biāo)平均值比較見表4。由表4可知：與五溪文化公園相比較，舞陽公園植物群落高度大，喬木層植物株數(shù)密度大，冠高、株高平均值大，冠幅平均值??；灌木層植物株數(shù)密度大，冠幅、冠高、株高平均值??；地被層覆蓋率小。由林地改建的舞陽公園植物群落喬木層長勢優(yōu)良、郁閉度高、種植間距小、冠幅較小。灌木、草本層植物受光照等因素限制，長勢較差。新建公園為保證觀賞性，喬木層植物常綠落葉搭配，定期修剪、打頂消除頂端優(yōu)勢、增加冠幅，灌木層植物選取精品單株灌木進(jìn)行植物配植，地被層植物選取耐蔭種類，定期養(yǎng)護(hù)、補(bǔ)植，地被覆蓋率高。

表4 兩公園植物群落所調(diào)查指標(biāo)平均值比較Tab.4 Comparisonofaveragevaluesofinvestigatedindexesofplantcommunitiesinthetwoparks公園名稱群落高度/m喬木層灌木層地被層株數(shù)密度/株冠幅/m冠高/m株高/m株數(shù)密度/株冠幅/m冠高/m株高/m覆蓋率/%舞陽公園10.8637.83.454.408.35162.830.620.761.1628五溪文化公園5.7920.174.213.885.945.331.961.391.5742

3.2 植物群落三維綠量分析

由圖1可知：舞陽公園5個樣方總?cè)S綠量值為9 016.13 m3，總?cè)S綠量密度為4.52 m3·m-2，其中常綠植物占93.20%，落葉植物占6.80%，常綠植物三維綠量值占植物三維綠量值主要部分，公園內(nèi)植物以常綠植物為主。五溪文化公園6個樣方總?cè)S綠量值為3 757.95 m3，總?cè)S綠量密度2.77 m3·m-2，其中常綠植物占56.60%，落葉植物占43.40%，五溪文化公園內(nèi)常綠、落葉植物三維綠量值相近。

圖1 兩公園樣方總?cè)S綠量比較Fig.1 Comparison of total TGB of quadrats in two parks

由圖2可知：與五溪文化公園相比較，舞陽公園總?cè)S綠量密度大，喬木層植物三維綠量密度大，灌木層三維綠量密度大，地被層三維綠量密度小。舞陽公園中灌木層、地被層三維綠量密度占總?cè)S綠量密度3.76%，喬木層植物三維綠量密度占總?cè)S綠量密度96.24%。五溪文化公園中灌木層、地被層三維綠量密度占總?cè)S綠量密度6.49%，喬木層植物三維綠量密度占總?cè)S綠量密度93.51%，植物群落三維綠量密度主要由喬木層植物承擔(dān)。

圖2 植物群落各層平均三維綠量密度比較Fig.2 Comparison of average TGB of each layer of plant community

3.3 生態(tài)效益價值分析

兩公園綠地單位面積年生態(tài)效益見表5。由表5可知：五溪文化公園釋放氧氣量占舞陽公園的50.69%，吸收二氧化碳量為49.11%，滯塵量為61.34%，吸收二氧化硫量為61.34%，夏季蒸騰量為61.36%。

表5 兩公園綠地單位面積年生態(tài)效益Tab.5 Totalannualecologicalbenefitsoftwoparks公園名稱釋放O2/(t·a-1·hm-2)吸收CO2/(t·a-1·hm-2)滯塵量/(t·a-1·hm-2)吸收SO2/(kg·a-1·hm-2)夏季蒸騰量/(t·a-1·hm-2)舞陽公園153.70218.6449.59136.5924.79五溪文化公園77.91107.3730.4283.7915.21 注:夏季蒸騰時間根據(jù)懷化市高溫天氣分布,取6月16日至9月15日共91d。

兩公園綠地生態(tài)效益價值對比見表6。由表6可知：在舞陽公園植物群落中，釋放氧氣產(chǎn)生的生態(tài)效益價值占總生態(tài)效益價值的44.05%，吸收二氧化碳為46.39%，滯塵為5.77%，吸收二氧化硫?yàn)?.13%，夏季蒸騰為3.67%；五溪文化公園植物群落所產(chǎn)生的生態(tài)效益價值分別占總生態(tài)效益價值的43.08%，44.69%，6.94%，0.15%，4.42%。不同公園內(nèi)植物群落的生態(tài)效益價值排序一致，均為吸收CO2>釋放02>夏季蒸騰>滯塵>吸收SO2。

表6 兩公園綠地生態(tài)效益價值對比Tab.6 Comparisonofecologicalbenefitvalueofgreenspaceintwoparks公園名稱釋放氧氣/(元·a-1·hm-2)吸收二氧化碳/(元·a-1·hm-2)滯塵量/(元·a-1·hm-2)吸收SO2/(元·a-1·hm-2)夏季蒸騰量/(元·a-1·hm-2)總生態(tài)效益價值/(元·a-1·hm-2)舞陽公園56824.2359842.117438.29163.914738.19129006.73五溪文化公園28802.0229386.604652.70100.552906.4465758.30

分析兩公園植物群落各項(xiàng)生態(tài)效益價值占比差異，與五溪文化公園相比較，舞陽公園植物群落常綠植物三維綠量占總?cè)S綠量比值高，綠量值相同的情況下，常綠植物較落葉植物能夠產(chǎn)生更高的生態(tài)效益與生態(tài)效益價值。

4 結(jié)論與討論

(1) 由林地改建的舞陽公園植物種類、群落分層豐富，群落平均高度大，三維綠量密度大，單位面積年生態(tài)效益價值高。喬木層植物平均株高大、冠高大、平均冠幅小，常見單一樹種建群，究其原因，在人工造林時為方便管理，在一定區(qū)域內(nèi)種植同一樹種，但種植間距有限，導(dǎo)致喬木層植物冠幅較小。園內(nèi)中下層植物群落受人為因素干擾較小，經(jīng)長期自然演替，灌木、地被植物多樣性高,但因長期處于郁閉度高的喬木層下，受光照條件等因素限制，均勻性與豐富度差。

新建的五溪文化公園相比較林地改建公園植物種類數(shù)少，三維綠量密度小，單位面積年生態(tài)效益價值低，喬木層植物多樣性豐富，灌木、地被層植物多樣性指數(shù)低。究其原因是公園設(shè)計(jì)之初為保證植物群落觀賞性進(jìn)行搭配，保證了喬木多樣性與豐富度，為保證景觀效果，常在設(shè)計(jì)時選擇冠幅大、觀賞效果優(yōu)良的樹種，在后期養(yǎng)護(hù)中會定期對植物進(jìn)行修剪，使植物冠大蔭濃，提高觀賞效果；公園設(shè)計(jì)之初，常選用一個或幾個耐蔭品種密植造景，經(jīng)過多年生長、繁殖、人工養(yǎng)護(hù)后成為灌木、地被建群種，其余灌木、地被植物種類因缺乏生長繁殖條件，致使種間競爭能力弱，無法建群。

(2) 合理配置植物。實(shí)際建設(shè)中，在豐富植物群落物種多樣性，提升群落生態(tài)效益價值的同時，也需兼顧植物群落觀賞性。進(jìn)行植物群落配植時，以構(gòu)建種類豐富、分布均勻、分層結(jié)構(gòu)豐富、群落高度大、三維綠量密度高、觀賞性強(qiáng)、生態(tài)效益價值高的植物群落為目的。營建常綠落葉搭配合理，灌木模擬自然群落構(gòu)造，地被層植物覆蓋率高，群落內(nèi)植物種類豐富、分布均勻，成型后各層穩(wěn)定的植物群落。

結(jié)合實(shí)際情況，根據(jù)植物的生長習(xí)性，模擬自然植物群落的垂直結(jié)構(gòu)與水平結(jié)構(gòu)進(jìn)行城市公園植物群落配植。喬木上層應(yīng)選擇生長速度快、成年株高高、冠幅冠徑大的植物種類，喬木中層選擇成年株高中等的植物，喬木下層選擇生長較慢、成年株高較小的植物；灌木層植物選擇自然種植，群落內(nèi)部通透性良好，觀賞價值高；地被層植物選擇長勢優(yōu)良、耐踩踏、觀賞性高的種類，以期在保證公園綠地三維綠量的前提下，同時兼顧觀賞性與生態(tài)性，提升生態(tài)效益價值。舞陽公園可在郁閉度較大的林下種植耐陰植物山麥冬(Liriopespicata)、吉祥草(Reineckiacarnea)、八角金盤(Fatsiajaponica)等；五溪文化公園可在高度較小的群落上層配置復(fù)羽葉欒樹(Koelreuteriabipinnata)、楓香(Liquidambarformosana)、馬褂木(Liriodendronchinense)等高大落葉喬木。

(3) 科學(xué)規(guī)劃城市綠地。在實(shí)際城市綠地建設(shè)中，城市公園植物群落三維綠量與生態(tài)效益不可能無限增大，我們進(jìn)行城市規(guī)劃設(shè)計(jì)時，城市內(nèi)留足綠地面積，提高城市綠地率與綠化覆蓋面積，同時增加植物群落三維綠量密度，才是解決城市空氣污染問題，提高生態(tài)效益值的有效解決途徑。