張艷麗,孟長來,徐 嘉,李智勇,費世民*
(1.四川省林業(yè)科學研究院,四川 成都 610081;2.中國林業(yè)科學研究院,北京 100091)
城市因具有極高的社會發(fā)展價值而成為人類區(qū)域科學發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成。但城市從誕生開始,就與自然生態(tài)系統(tǒng)有不可調和的對立(程緒珂,胡運驊,2006),根源在于城市生態(tài)的絕對破壞與絕對功能需求。城市生態(tài)化是城市發(fā)展的必然趨勢,也是世界城市發(fā)展的新潮流(彭鎮(zhèn)華,2006)。河流作為能量較低的生態(tài)系統(tǒng),能為高碳高熵的積累性中心城市注入負熵流,高水濕性能培育貫通城市的綠脈,是眾多城市建設首選的景觀與生物美學載體,也成為文明城市的重要附屬組成。
很多城市森林研究都集中在樹種組成與多樣性方面,反映其基本結構與功能特點(彭鎮(zhèn)華,2003,2006)。城市河流更好的協(xié)調城市發(fā)展與環(huán)境的關系,森林廊道作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,發(fā)揮著改善城市地域內景觀美學與生態(tài)環(huán)保的重要作用。城市森林林網(wǎng)化、水網(wǎng)化而追求林水相依、林路結合,成為森林城市建設的核心理念(彭鎮(zhèn)華,2006),河流森林廊道構建技術成為城市森林建設的迫切需求。河流森林廊道群落組成是構建技術的基礎,反映了構建技術特征與模式要點,能直觀認識河流森林廊道的現(xiàn)狀與改良優(yōu)化技術潛能。
四川省為“千河之省”的稱謂,成都市地處川西水網(wǎng)區(qū)腹部,水網(wǎng)密布,都江古堰,孕育文明,成都市腹背河流,也是河流文化的重要節(jié)點。從地形上看,位于青海西藏高原向南方丘陵山地的過渡性平原地帶,是四川文明的重要載體與體現(xiàn)者。從高原奔騰而下的長江諸支流注入成都市繁華和諧以負熵和清涼,是城市景觀亮麗風景。一些研究探討了自然河流廊道與生態(tài)修復(王薇,李傳奇,2003)、河流廊道景觀生態(tài)功能分區(qū)(周華榮,肖篤寧,2006)、河流廊道景觀格局(李靜羽,2011)、河流廊道建設模式(吳后建等,2009)等,對河流森林廊道構建的群落結構特征研究甚少,限制了河流森林廊道構建技術模式的優(yōu)化與發(fā)展的認識。城市河流生態(tài)系統(tǒng)退化,而自身景觀功能顯著而生態(tài)功能迫切需求,造成了極其明顯的建設技術模式的需求,自身人工退化恢復、生物景觀美學與生態(tài)環(huán)保功能重建是成都市森林廊道建設的基本功能,也是生態(tài)園林城市建設的重要組成。河流廊道生態(tài)重建是成都市森林城市創(chuàng)建的基本空間,是林網(wǎng)化、水網(wǎng)化城市森林建設的重要舉措。沙河城市森林廊道群落組成與結構特征分析研究利于闡明河流森林廊道的基本特征,并依照林路結合、林水相依城市森林建設要求與實際河流廊道立地特點,提出河流廊道城市森林建設的技術模式與優(yōu)化要點。
目前,城市森林群落結構研究對一些斑塊與道路森林群落結構研究較多(彭鎮(zhèn)華,2003,2006),對于河岸植被帶的條形綠地研究還較少。城鄉(xiāng)一體化城市森林區(qū)域作為人類保育自然,建立利用、保護一體化的保存圃具有重要意義,其森林群落組成與結構特點也反映了區(qū)域適度生物資源利用與保護體系建設現(xiàn)狀。除了鄉(xiāng)土樹種以外,珍稀瀕危保護物種可能成為河流森林廊道群落組成與品質功能延伸的重點對象。為了對河流廊道綠化樹種的合理配置提供科學依據(jù),并為今后城市森林特別是沿河流人工植物群落的建設和改造提供參考,本研究以成都市沙河廊道為研究對象,通過群落學調查方法,對成都市沙河森林廊道植物群落的結構特征進行研究分析,為該類型城市森林模式構建提供理論依據(jù)與技術支撐。
成都市地處川西水網(wǎng)區(qū)腹部,水網(wǎng)密布,西南部有岷江水系,東北部有沱江水系,全市有大小河流150余條,總長約1500 km,水域面積700多 km2。流經(jīng)成都市區(qū)的70條大小河流中,沙河是第二大河,北起成都市北郊洞子口,沿金牛、成華、錦江三城區(qū)逶迤而下,在市區(qū)東南下河心村歸流府河,全長22.22 km。沙河是岷江水系,南宋時期有明確的記載,距今已有1500多年。多年來,沙河被蓉城人民稱為“生命河”。沙河綠化整治工程始于2001年初,全線栽植各類高大喬木12.2萬株,栽植各類花草310多萬株,種植草坪21萬多m2,總體綠化面積3.45 km2,人工湖100 hm2,主要包括北湖凝翠、新綠水碾、三洞古橋、科技秀苑、麻石煙云、沙河客家、塔山春曉、東籬翠湖八大景點。駟馬橋以上為水源保護區(qū),供自來水二廠、五廠在此取水,兩岸各留出200 m生態(tài)綠化帶,此段設計為“人水分離”,人行道與水體由綠帶隔開,主要避免河水污染,同時也減少了河流生態(tài)系統(tǒng)的人為干擾。而駟馬橋以下按50 m綠化帶控制,主要作為城市濱水綠化景區(qū)設計,突出親水性和參與性,充分體現(xiàn)成都的河居文化特色。
應用樣方調查法,根據(jù)沙河植物群落的特點,在一些建設成型并效果較好的地段設置66個樣方,樣方面積為400 m2(20 m×20 m)。對喬木層的樹種記錄其高度(m)、胸徑(cm)、枝下高(m)、冠幅(m)、疏透度(%)、郁閉度(%)等。灌木層和草本層記錄種類、高度及蓋度。胸徑的測量即用圍尺測量每一植株1.3 m高處的直徑。
運用典型抽樣法進行植物群落學調查,對每個樣方進行喬、灌、草三個層次的調查。記錄項目包括:(1)喬木層:記錄樣方內樹高>2 m,胸徑>2.5 cm的樹種名稱、胸徑、樹高、株數(shù)、冠幅(東、南、西、北四個方向);將樹高劃分為5個等級:A(h<5 m),B(5 m≤h<10 m),C(10 m≤h<15 m),D(15 m≤h<20 m),E(h≥20 m)。根據(jù)郄光發(fā)(2006)的劃分依據(jù),按樹高把樹木分成大、中、小三類,大樹h>20 m、中等樹木5 m≤h≤20 m、小樹h<5m。將胸徑劃分為6個等級:A(DBH<10 cm),B(10 cm≤DBH<20 cm),C(20 cm≤DBH <30 cm),D(30 cm≤DBH<40 cm),E(40 cm≤DBH <50 cm),F(xiàn)(DBH≥50 cm)。同時,按胸徑把樹木分成大、中、小三類,大樹DBH>30 cm、中等樹木10 cm≤DBH≤30 cm、小樹DBH<10 cm。(2)灌木和草本層:記錄樣方內灌木及草本植物的物種名稱、高度、蓋度。樹高<2 m,胸徑<2.5 m的喬木幼樹歸為灌木層植物統(tǒng)計。
(1)重要值
重要值是用來表示種在群落中地位和作用的綜合數(shù)量指標,其計算公式如下:
喬木種的重要值=(相對密度+相對優(yōu)勢度+相對頻度)/3
灌草種的重要值=(相對高度+相對蓋度)/2
(2)物種多樣性
①Shannon-Wiener物種多樣性指數(shù):
目前最廣泛用于測定物種多樣性的是Simpson指數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù)。一般認為Shannon-Wiener指數(shù)對生境差異的反映更為敏感(彭少麟等,1983),本文采用Shannon-Wiener指數(shù)來測算各群落的物種多樣性,公式為(馬克平等,1995;閻海平等,2001):
式中:Pi為種i的相對重要值;S為種i所在標準群落的總種數(shù),即物種豐富度指數(shù)。
②Margalef豐富度指數(shù):
式中:S為物種的數(shù)目,N為總個體數(shù)。
③Pielou物種均勻度指數(shù)(李偉等,2008;秦偉,2006):
群落均勻度指群落中各個種的多度的均勻程度,即每個種個體數(shù)間的差異。其計算通常用實測多樣性和最高多樣性的比來表示。最高多樣性即所有種的多度都相等時的多樣性。采用以Shannon-Wiener多樣性指數(shù)為基礎的計算式:
式中:H為實測多樣性指數(shù);Hmax是理論上最大的多樣性指數(shù)。
本次研究采用以下樹木葉面積回歸模型估算不同樹種的葉面積量(Nowak,1994):
式中,Y為葉面積總量;H為樹冠高度;D為樹冠直徑;S1=πD(H+D)/2
植物所覆蓋的的土地面積為植物樹冠投影面積S2(m2):S2=1/4πD2。因此,單株葉面積指數(shù)的計算公式為:ILA=Y/S2。
根據(jù)調查結果,組成成都市沙河植物群落的樹種主要有73個科、134個屬、172個種,其中喬木41種,隸屬于17科25屬;灌木66種,隸屬于25科44屬;草本65種,隸屬于31科65屬。從屬的統(tǒng)計分析來看,調查樣地的種集中在少種屬和單種屬,分別占總屬61.94%和29.85%,這說明在屬的組成上具有很高的分散性;從科的統(tǒng)計分析來看,樣地植物的科在少種科和單種科上相對集中,同時在薔薇科、禾本科、菊科等一些世界性大科占有相對較大的比例。
綜合分析表明,天竺桂(C.japonicum var.chekiangense)、銀杏(G.biloba)、水杉(M.glyptostroboides)、香樟(C.camphora)、垂柳(S.babylonica)、桂花(O.fragrans)、黃葛樹(F.virens)、山杜英(E.sylvestris)是研究區(qū)的基調樹種。從喬木樹種的使用比例來看,落葉喬木和常綠喬木種樹的應用量幾乎各占一半(表1,表2)。
由于同一人員行走、慢速跑步、快速跑步3種狀態(tài)的步長會產生顯著差異,對應的單步步長分別為0.74 m、1.01 m、1.70 m,相對于行走狀態(tài),單步步長的改變程度分別為0%、36%、130%[13]。所以本文的主要研究范圍包括快速行走、慢速跑步、快速跑步。當運動速度增加至2 m/s后,行人開始跑步狀態(tài)。我們將行人以1.5 m/s和1.75 m/s運動表征快速行走狀態(tài),以2 m/s~2.75 m/s表征行人慢速跑步狀態(tài),以3 m/s~4 m/s表征快速跑步狀態(tài)。
表1 主要喬木樹種組成
灌木中常綠灌木較多(表3,表4),大約是落葉灌木的四倍,其中南天竹(Nandina domestica)、迎春(Jasiminum nudiflorum)和十大功勞(Manonia fortunei)的出現(xiàn)頻率較高,均大于20%,小蠟(Ligustrum sinense)、黃花槐(Cassia surattensis)、杜鵑(Rhododendron simsii)、八角金盤(Fatsia japonica)、梔子(Gardenia jasminoides)的頻率在10% ~20%之間,其余的都小于10%。
草本中(表5,表6),多年生較一年生多,空心蓮子草(Alternanthera philoxeroides)、蝴蝶花(Iris japonica)、沿階草(Ophiopogon bodinieri)和小白酒(Conyza canadensis)的出現(xiàn)頻率較高,大于20%,白三葉草(Trifolium repens)、馬尼拉草(Zoysia matrella)、腎蕨(Nephrolepis cordifolia)、馬唐(Digitaria sanguinalis)、美人蕉(Canna generalis)、天胡荽(Hydro-cotyle sibthorpioides)、馬蘭(Kalimeris indica)、蔊菜(Rorippa indica)的頻率在10% ~20%之間,其余的小于10%。
表2 主要喬木樹種的重要值及出現(xiàn)頻率
總體表明,成都市沙河植物群落通過綠化規(guī)劃設計,植物配置大多較強地表現(xiàn)出人們的審美意思,有著觀賞性強的特點。草本植物多數(shù)為鄉(xiāng)土植物,適應本地的氣候條件,生長良好,蓋度高。研究區(qū)植物群落比較簡單,樹種組成單一,保護樹種僅有銀杏一種,這樣的群落結構不但穩(wěn)定性相對較差,其生態(tài)功能也會受到較大影響。
由圖1可以看出,樹木在胸徑等級上呈現(xiàn)“兩頭少、中間多”的數(shù)量分布格局,大、中、小徑級樹木之比為57∶971∶290。樹木的平均胸徑為12.53 cm,其中有64.34%的樹木徑級小于平均徑級水平。大徑級樹木主要集中在石楠、國槐、榆樹等3個樹種。絕大多數(shù)樹木集中在10~20 cm的徑階區(qū)間范圍,其間數(shù)量達828株,占調查總量的62.82%。依數(shù)量排序徑階依次為:<10 cm的290株,占調查總量的22.00%;20 cm~30 cm的143株,占調查總量的10.85%;30 cm~40 cm的34株,占調查總量的2.58%;40 cm~50 cm的15株,占調查總量的1.14%;>50 cm的8株,占調查總量的0.61%。由此可見,研究區(qū)樹木多以中小徑級為主,大徑級的樹木所占比例很小。說明該植物群落仍處于快速生長期,其生態(tài)功能作用還有較大的發(fā)展空間。
表3 主要灌木樹種組成
圖1 主要樹木各徑階分布
表4 主要灌木樹種的重要值及出現(xiàn)頻率
由圖2可以看出,樹木在高度等級上呈現(xiàn)“兩頭少,中間多”的數(shù)量分布格局,研究區(qū)樹木種數(shù)隨著立木層次的不斷增高逐漸遞減,且不同立木層次樹種數(shù)量相差較大,大、中、小樹種所占的數(shù)量分別為7∶921∶390。研究區(qū)樹木的平均高度為6.29 m,其中有42.76%的樹木高于平均樹高水平。樹種集中分布在5 m~10 m的空間范圍,占總數(shù)的62.27%;其次是<5 m的立木區(qū)間,占29.26%;10 m~15 m等區(qū)間占6.90%;15 m~20 m區(qū)間占1.05%;>20 m所占比例最少,為0.53%。說明研究區(qū)立木層次總體高度偏低,而且層次簡單,當然這與樹木的年齡有直接關系,整體的年齡偏低是樹木高度偏低的主要原因,從而減少了沙河樹木綠量。
表5 主要草本組成
圖2 不同高度等級樹木數(shù)量分布
表6 主要草本的重要值及出現(xiàn)頻率
物種豐富度是用來衡量群落內物種的豐富程度,數(shù)值越大說明豐富度越高。如圖3所示,植物群落在不同層片上,物種豐富度指數(shù)大致呈現(xiàn)灌木層>草本層>喬木層的特點,喬木的豐富度指數(shù)為6.02,灌木為9.78,草本為9.63,灌木與草本層大致相近。說明群落整體的物種數(shù)量主要受灌木層和草本層豐富度的影響。
圖3 物種豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)
從圖3可知,就研究區(qū)植物的總體而言,Shannon-wiener多樣性指數(shù)總的趨勢為灌木層>草本層>喬木層,喬木層的 Shannon-Wiener指數(shù)為3.56,灌木層的多樣性指數(shù)為3.94,草本層的多樣性指數(shù)為3.75。喬木層、灌木層和草本層的Shannon-Wiener指數(shù)均在3~4之間,低于亞熱帶常綠闊葉林的4~5,這主要與分布種類較少,不同樹種分布不均勻有關。說明群落結構相對簡單,組織水平較低,樹種的豐富度和個體數(shù)量分布均勻度均不高。
葉面積大小對凈化空氣、防污滯塵、降低噪音等綜合環(huán)境效應有很大影響,因此應當多選擇單株葉面積較大的樹種以增加對環(huán)境的貢獻率。由表7可知,各樹種三維綠量除山杜英、水杉差異不顯著,其他差異較顯著,而單株葉面積除香樟和黃葛樹差異不顯著,其他差異較顯著。垂柳的三維綠量最高,為42.86 m3,依次是香樟、黃葛樹、銀杏、桂花、天竺桂、水杉,山杜英的三維綠量最低,為3.12 m3。單株葉面積,垂柳最高為49.71 m2,其次是黃葛樹、香樟、銀杏、天竺桂、桂花、水杉,山杜英最低為8.69 m2。表明植株三維綠量越大,其總葉面積就越大。葉面積指數(shù)水杉最高,為8.01,依次為銀杏、山杜英、香樟、垂柳、天竺桂、黃葛樹,桂花最低為2.86。水杉的平均單位體積葉面積最高為4.62 m2·m-3,依次是天竺桂、山杜英、桂花、銀杏、黃葛樹,垂柳最低為1.16 m2·m-3,這反映了水杉枝葉茂密,樹冠郁閉度較高;垂柳枝葉相對分散,導致其單位體積內的葉面積最低。單位體積葉面積取決于該植株單位體積的大小,因此葉面積越大,其單位體積葉面積不一定大。
表7 單株三維綠量、葉面積、葉面積指數(shù)、單位體積葉面積
樹種的選擇以及確定不同樹種之間的適宜比例是構建沙河森林廊道合理結構的重要環(huán)節(jié),能確定城市森林的水平結構。同時結合速生和慢生樹種以及深根性和淺根性的樹種進行配置,兼顧短期和長期的要求,增加群落穩(wěn)定性,提高林帶的護岸和吸收能力。城市森林樹種結構、組成方面研究相對較多,但基于城市河流森林廊道群落結構特征方面研究相對較少,城市森林研究人員與設計工作者,以及林業(yè)工作者都對其結構特點認識頗少,在現(xiàn)有結構優(yōu)化上也缺乏合理的建設性意見,影響了城市河流森林廊道的構建質量和技術發(fā)展進程。研究缺乏長期制約著城市森林建設的技術,未能很好的未雨綢繆,來增強森林培育技術對城市景觀美化與生態(tài)環(huán)保功能的指導性。
目前研究區(qū)內在樹種組成、徑級和立木層次上相對不合理。主要表現(xiàn)在樹種單一,少數(shù)幾種樹種在數(shù)量上占了極大比例,在景觀效果上顯得相對單調,造成群落穩(wěn)定性不高;樹木徑級偏低,大樹較少,僅少數(shù)樹種胸徑大于30 cm;立木層次簡單,這與樹木的年齡有直接關系,整體的年齡偏低是樹木高度偏低的主要原因,從而減少了沙河樹木的綠量。彭鎮(zhèn)華(2003)認為衡量城市森林結構穩(wěn)定性的指標包括樹種結構、年齡結構、徑階結構和健康結構,其中樹種結構又分為喬灌草比例、常綠落葉樹種比例、鄉(xiāng)土外來樹種比例等。從樹木所發(fā)揮的各種效益上看,大樹占據(jù)著較大的優(yōu)勢,其所形成的森林也具有更大的效益。因此,應加強中心城區(qū)河流森林廊道的科學管護,加強保育,優(yōu)化林分結構與水肥管理,使樹木的胸徑與高度逐漸增加,逐漸提高河流廊道城市森林的質量。
作為重點開發(fā)區(qū),人工種植樹種作為人類適度利用自然生物資源和保存種質的場所。沙河森林廊道作為水肥充足的主導性場所,珍稀瀕危保護物種的種類很少,僅有銀杏,在未來河流森林廊道建設與沙河自身優(yōu)化管理時,需要突出這種珍稀瀕危生物種質的保存功能,以便充分發(fā)揮重點開發(fā)區(qū)城市森林在禁止、限制開發(fā)區(qū)中生物資源(尤其是珍稀瀕危種類)人工保育與科學利用的作用。
選擇要符合當?shù)氐淖匀粭l件,以鄉(xiāng)土河岸樹種為主,形成具有自身特點的綠地景觀,但比重不宜過大,一般不超過樹種總量的10~15%(Kielbaso,1988)。沙河森林廊道群落大都為人工群落,林內人行道路密布,樹種多樣性指數(shù)相對較低,樹種豐富度和個體數(shù)量分布均勻度不高,但喬灌草結構相對合理,水肥攔蓄高校復層結構明顯,具有較強的生態(tài)環(huán)保、景觀美學功能,缺點在于景觀斑塊狹小,功能受到結構規(guī)模的限制較為明顯,但這與區(qū)內人口密集、工廠小區(qū)居多的經(jīng)濟社會發(fā)展現(xiàn)狀有關。針對中心城區(qū)河流森林廊道特點與功能優(yōu)化需求,建議逐漸增加河流廊道的景觀規(guī)模,減少水泥硬化比重,逐漸提高提高該區(qū)森林板塊規(guī)模,并通過適當?shù)墓こ瘫P钏蚀胧?,在人與自然緊密相處城區(qū)河流,形成生物生態(tài)+工程攔蓄相結合的河流森林廊道模式,培育自我優(yōu)化與改良的近自然化或半自然化的河流森林廊道,同時具有環(huán)保、生態(tài)與美學功能。
葉面積大小對凈化空氣、防污滯塵、降低噪音等綜合環(huán)境效應有很大影響,因此應當多選擇單株葉面積較大的樹種以增加對環(huán)境的貢獻率。河岸植被帶的三維綠量能反映森林群落的結構與功能總體狀況,評價能更全面、更準確的反映城市河流廊道在城市生態(tài)方面的作用。樹高的分布能為森林層次的豐富奠定基礎,一般在相同面積下,樹木越高則能為更多的樹種提供生存空間,從而增加垂直結構的豐富度,進而增加單位面積的綠量。城市森林建設需要突出高大喬木的主體地位(彭鎮(zhèn)華,2006),以高效改善與利用河流廊道的充足的水熱資源,增強生態(tài)與環(huán)保功能。以優(yōu)化水平種類組成來增加多樣性,優(yōu)化空間復層結構來增加“光、溫、土、氣、容”利用和污染物轉化能力,并在葉面積與指數(shù)上形成高效合理的綠量配置,優(yōu)化片林結構和增強功能。沙河森林廊道在多樣性、組成上并未顯示優(yōu)越性,其本身作為工程建設的產物更具有實用性與實效性,能為該區(qū)域森林功能增強與營造連續(xù)綠脈上發(fā)揮增益性作用。
關于河流廊道相關生態(tài)群落研究,涉及到一些自然河流(王薇,李傳奇,2003;周華榮,肖篤寧,2006;李靜羽,2011;吳后建等,2009),對城市河流群落特征研究還很缺乏。城市森林研究中也未能重視河流自身作為規(guī)模化城市森林建設載體的作用,對河流森林廊道的群落結構研究很少。河流自身在發(fā)揮綠脈貫通與城鄉(xiāng)一體化城市森林構建中意義明顯。三分造、七分管,良好的城市森林逐漸在科學管護中逐漸優(yōu)化和維護,并以優(yōu)化模式為標準,逐漸形成結構適宜、規(guī)模得當、景色宜人、林水相依、林路相伴的人與自然緊密相處的河流森林廊道,在重點開發(fā)區(qū)中心城市生態(tài)環(huán)保功能增強與景觀美學優(yōu)化中增強規(guī)模,形成近自然化的綠脈系統(tǒng)。
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