羅平城市綠地樹種多樣性與生態(tài)系統(tǒng)多功能性的關(guān)系

李曉紅 彭建松 李帥鋒

（1. 西南林業(yè)大學園林園藝學院，云南 昆明 650233；2. 西南林業(yè)大學森林城市研究院，云南 昆明 650233；3. 中國林業(yè)科學研究院資源昆蟲研究所，云南 昆明 650233）

21 世紀生物多樣性的喪失可能是生態(tài)系統(tǒng)變化的主要驅(qū)動力之一[1]。生物多樣性的影響對各種自然生態(tài)系統(tǒng)將產(chǎn)生怎樣的變化，是當前研究者們關(guān)注的重要命題之一[2]。1994 年的英國生態(tài)箱實驗[3]將生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能（BEF）研究聯(lián)系起來，隨后的研究顯示出兩者存在密切的正相關(guān)關(guān)系[4-6]。然而生態(tài)系統(tǒng)的重要價值不在于提供一種單一的功能，而在于它能夠同時提供多種功能和服務(wù)。有研究表明更高的物種豐富度才能提供多種生態(tài)系統(tǒng)功能，不同物種豐富度和組成的群落可以最大化不同功能[7]。2007 年Hector 等[8]的研究結(jié)果表明，相比較單一生態(tài)系統(tǒng)功能，維持生態(tài)系統(tǒng)多功能性需要更多的物種數(shù)，兩者之間的飽和關(guān)系也逐漸減弱[9]。近年來，我國學者也陸續(xù)開展了許多相關(guān)領(lǐng)域的研究，Li 等[10-11]對亞熱帶針葉林物種豐富與生態(tài)系統(tǒng)多功能的關(guān)系進行了研究，顯示更高的物種豐富度促進了生態(tài)系統(tǒng)功能的供應(yīng)。

在以往的相關(guān)研究中，大多都類似于金竹秀等[12]和李莉[13]對城區(qū)綠地植物多樣性與生態(tài)效益分析，都是對單一生態(tài)系統(tǒng)功能進行研究，缺乏對生態(tài)系統(tǒng)功能的整體之間聯(lián)系的研究，本研究基于單一生態(tài)系統(tǒng)功能的研究，將單一功能整合為生態(tài)系統(tǒng)多功能性指數(shù)來探究生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)多功能性之間的關(guān)系和其影響因子的大小。此外，生態(tài)系統(tǒng)多功能性研究也大多以草地、濕地或天然森林生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，對城市綠地生態(tài)系統(tǒng)的研究相對匱乏，并沒有完全解決生物多樣性在不同生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)系格局。本研究以位于滇東高原上的羅平縣城市綠地為研究對象，基于生物多樣性調(diào)查，獲取植物多樣性數(shù)據(jù)及綠地生態(tài)系統(tǒng)功能等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析城市綠地生態(tài)系統(tǒng)中樹種多樣性與生態(tài)系統(tǒng)多功能性間的關(guān)系，以期為城市生物多樣性保護提供科學依據(jù)，也為城市綠地植物配置提供更優(yōu)選擇。

1 研究區(qū)概況

羅平縣位于云南省東部，滇、桂、黔三省結(jié)合處，地處東經(jīng)103°57′～104°43′，北緯24°31′～25°25′。區(qū)域內(nèi)最高海拔為2 468 m，是白臘山的主峰，最低處為阿溝河，海拔1 860 m，相對高差608 m?？h城建成面積達2 100 hm2，人口為13.8 萬，城區(qū)綠地率達35.9%，綠化覆蓋率達40.9%，人均公園綠地面積為11.2 hm2。城區(qū)西北方向為山脈，西南、東北方向為大面積壩區(qū)。其總體上屬亞熱帶季風氣候，地形復(fù)雜，氣候立體差異明顯，年均氣溫16 ℃，歷年平均降雨量為1 515 mm。河流均屬珠江水系，土壤主要為黃壤、紅壤、黃紅壤等?？h內(nèi)旅游業(yè)發(fā)達，是一座集花、綠、水、商為一體的休閑度假旅游勝地和現(xiàn)代山水園林城市。

2 研究方法

2.1 樣地選擇與調(diào)查方法

在羅平縣城區(qū)選取公園綠地、居住區(qū)綠地、單位附屬綠地、校園綠地以及街旁綠地5 種綠地類型進行實地調(diào)查，每個綠地類型選擇群落結(jié)構(gòu)完整的3 個樣地進行調(diào)查。公園綠地選擇了健康主題公園、太液湖公園和液峰公園，居住區(qū)綠地選擇了羅平縣電力公司居住區(qū)、金海岸華庭別墅區(qū)和煙草公司小區(qū)，單位附屬綠地選擇了羅平縣稅務(wù)局、人民法院和教育體育局，校園綠地選擇了九龍小學、西關(guān)小學和臘山二中，街旁綠地選擇了魯布革大道、臘山街和文筆路。每個樣地設(shè)置3 個樣方，樣方大小為20 m×20 m，共設(shè)置45 個樣方。在樣方四角和中心區(qū)域設(shè)置5 個5 m×5 m 的灌木層樣方，記錄樣方內(nèi)高度≥1.5 m 植物的名稱、冠幅、樹高、胸徑、枝下高等。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)功能測定方法

三維綠量是生物生產(chǎn)力的基礎(chǔ)，影響植物的生態(tài)環(huán)境效益，能準確反映群落構(gòu)成的合理性和城市綠地的生態(tài)功能水平[14]；降溫和增濕作為體現(xiàn)人體舒適度感應(yīng)和城市小氣候改善的重要指標，對建設(shè)生態(tài)城市具有重要意義[15]；植物降噪在城市噪音污染日趨嚴重的今天，有著巨大的實用和現(xiàn)實意義[16]；美景度評價是景觀評價中的一個指標，反映群落景觀的美觀程度。

三維綠量采用“以平面量模擬立體量”的方法進行測定，參照劉常富等[17]對沈陽城市森林三維綠量測算的方法，用徑-高模式計算相應(yīng)樹種的三維綠量。此測量方法測量三維綠量精確度較高，平均誤差僅為6.25%[18]。降噪以擴音音響最大音量103 dB 為固定聲源，以群落邊緣的聲源為起點向群落內(nèi)拉皮尺至15 m 處，用UT353 迷你噪音儀（優(yōu)利德，中國）進行測量，每個樣方重復(fù)3 次，取其平均值[16]。降溫增濕同樣采用空白對照法，每個樣地中選擇1 塊開闊無植被區(qū)域作為對照點，采用溫濕度計觀測樣方內(nèi)的溫濕度值，選擇晴朗高溫、無風或弱風的日期為觀測日，控制氣象因素的干擾，觀測時間從09：00—17：00，每隔2 h 觀測1 次，每個觀測點取3 次測值的平均值為測定值[19-20]。美景度采用美景度評價法（SBE）分析測定[21]。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)多功能性指數(shù)分析方法

本研究采用Gleason 指數(shù)（G）、Simpson 指數(shù)（D）、Shannon-Wiener 指數(shù)（H）和Pielou指數(shù)（J）來共同表征城市綠地的樹種多樣性；在表達城市綠地的樹種多樣性的平均水平時，采用綜合指數(shù)（K）來表征。

由于對生態(tài)系統(tǒng)多功能性的研究方法尚無一個統(tǒng)一標準，而各方法之間又各有優(yōu)缺點，因此本研究使用了較為直觀的平均值法來進行評價。平均值法是將選定功能的測定值進行標準化，計算樣方中指標的標準值（Z分值），得到一個能夠代表所有測量功能的平均指數(shù)，通常稱為“多功能性指數(shù)”，多功能性指數(shù)（Mi）的計算公式為[22]：

式中：F表示總共測定的功能數(shù)；fi表示功能i測定出來的值；ri是將fi轉(zhuǎn)化為正值的函數(shù)；g是將所有測定值標準化。

2.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 20.0 對數(shù)據(jù)進行單樣本K-S 檢驗，確定參數(shù)是否符合正態(tài)分布。對所有指標進行Spearman 相關(guān)性分析，分別對生態(tài)系統(tǒng)單一功能和生態(tài)系統(tǒng)多功能性與樹種多樣性指數(shù)進行線性回歸分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 城市綠地樹種多樣性分析

計算全部樣地的樹種多樣性指數(shù)，按照劃分的不同綠地類型進行群落樹種多樣性的比較分析，結(jié)果見表1。

表1 不同綠地類型樹種多樣性指數(shù)比較Table 1 Comparison of tree species diversity indexes of different green space types

由表1 可知，5 種不同綠地類型中，公園綠地的Gleason 指數(shù)、Simpson 指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)和Pielou 指數(shù)都是最高的，而校園綠地則是最低的。按照Gleason 指數(shù)（G）從高到低的排序為：公園綠地＞街旁綠地＞居住區(qū)綠地＞單位綠地＞校園綠地。按照Simpson 指數(shù)（D）比較：公園綠地＞單位綠地＞街旁綠地＞居住區(qū)綠地＞校園綠地；按照Shannon-Wiener 指數(shù)（H）比較：公園綠地＞街旁綠地＞單位綠地＞居住區(qū)綠地＞校園綠地；按照Pielou 指數(shù)（J）比較：公園綠地＞單位綠地＞街旁綠地＞居住區(qū)綠地＞校園綠地；根據(jù)多樣性綜合指數(shù)（K）可以得出：公園綠地（1.76）＞街旁綠地（1.68）＞居住區(qū)綠地（1.64）＞單位綠地（1.59）＞校園綠地（1.33）。公園作為城市居民日常鍛煉休閑的主要場所，環(huán)境優(yōu)良，群落內(nèi)植物種類繁多，以喬灌草多層次搭配。街旁綠地的樹種多樣性也表現(xiàn)較好，能夠最為直觀地影響城市綠地的景觀特點和城市面貌。居住區(qū)綠地和單位綠地這2 類綠地由于人類活動頻繁，硬化設(shè)施相對較多，可供綠地面積少，因此樹種多樣性指數(shù)低于公園綠地與街旁綠地。校園綠地樹種多樣性為表現(xiàn)最差的綠地，忽視了學生群體的需求。

3.2 城市綠地單一生態(tài)系統(tǒng)功能分析

不同綠地類型生態(tài)功能評價見表2。由表2可知，綠量從高到低依次為：街旁＞公園＞單位＞居住區(qū)＞校園；降溫效應(yīng)從高到低依次為：居住區(qū)＞公園＞街旁＞單位＞校園；增濕效應(yīng)從高到低的排序為：居住區(qū)＞公園＞單位＞街旁＞校園；降溫和增濕這2 個生態(tài)功能均在居住區(qū)綠地表現(xiàn)為最高，公園綠地次之，而校園綠地則表現(xiàn)最差。降噪效益從高到低依次為：單位＞公園＞居住區(qū)＞街旁＞校園；美景度評價的排序為：街旁＞校園＞居住區(qū)＞單位＞公園。

表2 不同綠地類型生態(tài)功能Table 2 Ecological functions of different green space types

3.3 城市綠地各調(diào)查因子相關(guān)性分析

通過對全部樣方調(diào)查指標進行匯總整理，結(jié)果見表3。由表3 可知，P均＞0.05，說明數(shù)據(jù)均屬于正態(tài)分布。根據(jù)相關(guān)性分析方法進一步探討樹種多樣性對生態(tài)系統(tǒng)功能的影響，城市綠地樹種多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能的雙變量相關(guān)性分析結(jié)果見表4。

表3 羅平各樣地調(diào)查指標描述性統(tǒng)計Table 3 Descriptive statistics of survey indicators for various plots in Luoping

表4 城市綠地各調(diào)查因子相關(guān)矩陣分析Table 4 Correlation matrix analysis of various survey factors of urban green space

由綠地結(jié)構(gòu)的相關(guān)分析可知（表4），胸徑與物種豐富度指數(shù)（G）和Simpson 指數(shù)（D）存在顯著負相關(guān)關(guān)系，與綠量呈極顯著負相關(guān)關(guān)系；樹高與胸徑存在極顯著正相關(guān)關(guān)系；冠幅與樹種豐富度指數(shù)（G）、Simpson 指數(shù)（D）、Shannon-Wiener 指數(shù)（H）和降噪存在顯著正相關(guān)關(guān)系，與增濕存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。由此可知綠地結(jié)構(gòu)的其他因子與樹種多樣性的關(guān)系非常密切，在一定程度上影響著生態(tài)系統(tǒng)功能的發(fā)揮。

由樹種多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能的相關(guān)分析可知（表4），物種豐富度指數(shù)（G）與綠量、降溫、增濕均存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，與降噪和美景度無顯著相關(guān)關(guān)系；Simpson 指數(shù)（D）與綠量和降噪存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，與降溫和增濕存在顯著正相關(guān)關(guān)系，與美景度無顯著相關(guān)關(guān)系；Shannon-Wiener 指數(shù)（H）與綠量、降溫、增濕、降噪均存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，與美景度無顯著相關(guān)關(guān)系；物種均勻度指數(shù)（J）與綠量和降噪呈極顯著正相關(guān)，與降溫、增濕和美景度無顯著相關(guān)關(guān)系。由此可知樹種多樣性對部分單一生態(tài)系統(tǒng)功能是有一定影響的，在城市綠地建設(shè)中注重植物的多樣性搭配，能夠讓群落有效發(fā)揮其生態(tài)服務(wù)功能。

由于美景度與所有樹種多樣性指數(shù)都沒有顯著的相關(guān)關(guān)系，因此不再把美景度計入生態(tài)系統(tǒng)多功能性指標中進行計算。

3.4 樹種多樣性指數(shù)與生態(tài)系統(tǒng)單一功能的關(guān)系

樹種多樣性指數(shù)與生態(tài)系統(tǒng)功能的線性回歸分析結(jié)果見圖1。城市綠地樹種豐富度指數(shù)（G）與綠量和增濕有極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），其解釋量分別為45.9%和36%；與降溫存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），其解釋量為26.1%；與降噪無明顯相關(guān)關(guān)系。Simpson 指數(shù)（D）與綠量有極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），其解釋量為35.2%，與增濕和降噪存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），其解釋量分別為30.8%和30.6%；與降溫存在顯著正向的相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），解釋量為12.2%。Shannon-Wiener 指數(shù)（H）與三維綠量和增濕效應(yīng)也呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；與降溫和降噪有著極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），解釋量分別為21.2%和23.6%。均勻度指數(shù)（J）與三維綠量和降噪都呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），解釋量分別為28%和30.7%；與增濕存在顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），解釋量為18.9%；而降溫效應(yīng)與樹種均勻度指數(shù)無顯著的相關(guān)關(guān)系。

3.5 樹種多樣性與生態(tài)系統(tǒng)多功能性的關(guān)系

本研究共選取了綠量、降溫、增濕和降噪4 種生態(tài)系統(tǒng)功能共同表征生態(tài)系統(tǒng)多功能性，樹種多樣性與生態(tài)系統(tǒng)多功能性的線性回歸結(jié)果見圖2。城市綠地生態(tài)系統(tǒng)多功能性指數(shù)與物種豐富度指數(shù)、Simpson 指數(shù)、Shannon-Wiener 指數(shù)和均勻度指數(shù)間都呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），隨著樹種多樣性的增加，生態(tài)系統(tǒng)多功能性也極顯著增加，其解釋量分別為61%、57.6%、69.4%、45%?？梢钥闯鰧ι鷳B(tài)系統(tǒng)多功能性響應(yīng)變化最高的是Shannon-Wiener 指數(shù)，往后依次為樹種豐富度指數(shù)、Simpson 指數(shù)和樹種均勻度指數(shù)。與單一生態(tài)系統(tǒng)功能相比，樹種多樣性對多功能性的解釋量更大，影響程度更高。

圖1 樹種多樣性與不同生態(tài)系統(tǒng)功能的關(guān)系Fig. 1 Relationship between tree species diversity and different ecosystem functions

圖2 樹種多樣性與生態(tài)系統(tǒng)多功能間的關(guān)系Fig. 2 Relationship between tree species diversity and multi-functionality of ecosystem

4 結(jié)論與討論

對羅平縣城市綠地樹種多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能研究發(fā)現(xiàn)，樹種多樣性綜合指數(shù)（K）依次為公園綠地（1.76）＞街旁綠地（1.68）＞居住區(qū)綠地（1.64）＞單位綠地（1.59）＞校園綠地（1.33），各類綠地的樹種多樣性指數(shù)差異不顯著。從三維綠量、降溫、增濕、降噪和美景度來看，各類綠地所發(fā)揮的最顯著生態(tài)系統(tǒng)功能不同，這與不同綠地類型代表性植物不一樣是一致的。

在對城市綠地各調(diào)查因子的相關(guān)矩陣分析中發(fā)現(xiàn)，隨著胸徑的增加，樹種豐富度指數(shù)、Simpson 指數(shù)和Shannon-Wiener 指數(shù)顯著下降，可能是因為胸徑的增加使樣地內(nèi)的物種數(shù)逐漸減少，優(yōu)勢種的顯著性逐漸明顯，這與丁濤等[23]的研究結(jié)果相吻合。隨著冠幅的增加，樹種豐富度指數(shù)、Simpson 指數(shù)和Shannon-Wiener 指數(shù)顯著上升，從而也對增濕和降噪產(chǎn)生了一定的影響。由此表明部分綠地結(jié)構(gòu)因子通過對樹種多樣性的影響從而影響某些生態(tài)系統(tǒng)功能，但影響程度不如樹種多樣性的影響程度顯著，因此樹種多樣性通過綠地結(jié)構(gòu)因子影響生態(tài)系統(tǒng)功能的實際情況還待進一步研究。

在探究城市綠地樹種多樣性與生態(tài)系統(tǒng)單一功能的關(guān)系中發(fā)現(xiàn)，樹種豐富度指數(shù)對綠量、增濕、降溫存在積極的正向影響，對降噪影響不顯著；Simpson 指數(shù)和Shannon-Wiener 指數(shù)對綠量、降溫、增濕和降噪均存在顯著的正相關(guān)關(guān)系；均勻度指數(shù)（J）對三維綠量、降噪和增濕都有顯著的積極影響，對降溫的生態(tài)系統(tǒng)功能解釋力較弱。樹種豐富度指數(shù)、Simpson 指數(shù)和Shannon-Wiener 指數(shù)都對三維綠量的影響最大，而樹種均勻度對降噪的影響最大，這很可能說明樹種多樣性是通過三維綠量來影響生態(tài)系統(tǒng)功能的。

本研究首次探究了城市綠地生態(tài)系統(tǒng)中樹種多樣性與生態(tài)系統(tǒng)多功能性的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)物種豐富度指數(shù)、Simpson 指數(shù)、Shannon-Wiener 指數(shù)和物種均勻度指數(shù)與生態(tài)系統(tǒng)多功能性存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），其中 Shannon-Wiener指數(shù)的解釋量最高，為69.4%。在熊定鵬等[24]、張文馨等[25]、黃小波等[26]和劉陽等[27]對物種多樣性與生態(tài)系統(tǒng)多功能性關(guān)系的研究中，也表明物種多樣性與生態(tài)系統(tǒng)多功能性存在顯著相關(guān)關(guān)系，但解釋量最高的為物種豐富度指數(shù)，其原因可能是選擇的生態(tài)系統(tǒng)和表征生態(tài)系統(tǒng)多功能性的因子不同造成的差異。除此以外，在本研究中樹種多樣性對多功能性的解釋量也要高于對單一功能的解釋量，印證了只孤立地考慮單一生態(tài)系統(tǒng)功能往往可能會低估了樹種多樣性的價值貢獻[8,28]。表明了在城市綠地生態(tài)系統(tǒng)中要同時維持多種功能需要更多的物種數(shù)和數(shù)量來支撐，越高的樹種多樣性可以發(fā)揮更好的多功能性。而物種均勻度對生態(tài)系統(tǒng)多功能性的影響相對較小，表明群落植被均勻度的影響不是主要的。

本研究表明，在城市綠地生態(tài)系統(tǒng)中，越高的樹種多樣性越能夠維持高水平的生態(tài)系統(tǒng)多功能性，強調(diào)了樹種多樣性對生態(tài)系統(tǒng)多功能性的重要意義。對生物多樣性的可持續(xù)保護不能只考慮單一的生態(tài)系統(tǒng)功能，而應(yīng)該把握好生態(tài)系統(tǒng)多功能性與樹種多樣性的關(guān)系格局。前人研究表明了在生態(tài)系統(tǒng)保護的趨勢上，樹種多樣性是一個不可或缺的評估指標。本研究僅用了平均值法測度生態(tài)系統(tǒng)多功能指數(shù)來對城市綠地樹種多樣性與生態(tài)系統(tǒng)多功能性的關(guān)系進行探討，以后還應(yīng)用不同的生態(tài)系統(tǒng)多功能測度方法來探究它們之間的關(guān)系。