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(qiáng)度與木本植物多樣性之間的空間關(guān)系。[方法]以青島市主城區(qū)的城市森林為研究對(duì)象，在樣地調(diào)查的基礎(chǔ)上，運(yùn)用SPSS軟件分析了城市化強(qiáng)度與木本植物多樣性指數(shù)之間的相關(guān)性，同時(shí)利用地理加權(quán)回歸模型建立了二者之間的空間關(guān)系。[結(jié)果]青島市主城區(qū)木本植物多樣性具有明顯的空間異質(zhì)性;城市化強(qiáng)度與木本植物豐富度指數(shù)之間具有顯著相關(guān)性，與香濃維納指數(shù)和均勻度指數(shù)之間顯著不相關(guān);地理加權(quán)回歸分析結(jié)果表明，城市化強(qiáng)度與木本植物多樣性之間的關(guān)系具有空間異質(zhì)性。[結(jié)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(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞 城市化;植物多樣性;SPSS;ArcGIS;Fragstats

中圖分類號(hào) S731.2? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 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(xiàng)目 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目“城市化強(qiáng)度對(duì)青島市城市森林結(jié)構(gòu)和景觀格局空間異質(zhì)性的影響”“POI對(duì)城市森林結(jié)構(gòu)和景觀格局的影響”。

作者簡(jiǎn)介 李彩珠（1999—），女，山東聊城人，從事林學(xué)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(gè)國(guó)家或地區(qū)由傳統(tǒng)鄉(xiāng)村型社會(huì)向現(xiàn)代城市型社會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變的歷史過程，伴隨著城市化進(jìn)程的加快，城市范圍內(nèi)人為干擾的強(qiáng)度由郊區(qū)向市中心呈現(xiàn)逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)，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(shè)過程中，植物多樣性作為城市生態(tài)的重要指標(biāo)，它關(guān)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(jī)體及其生存環(huán)境之間長(zhǎng)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(guān)，還是人類賴以生存的基礎(chǔ)[3]。提高城市植物多樣性有利于改善小氣候，防風(fēng)遮陰，維持生態(tài)平衡。在一定程度上還可以緩解熱島效應(yīng)，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(yáng)光中的輻射熱，改善環(huán)境濕度水平[4]。隨著城市化強(qiáng)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(nèi)出現(xiàn)生物同質(zhì)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(shí)間、年平均風(fēng)速、相對(duì)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(zhì)性。明確城市化強(qiáng)度與木本植物多樣性之間的空間關(guān)系有利于規(guī)劃未來城市的發(fā)展。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面進(jìn)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(guó)在這方面研究較多，Bertin[8]研究了美國(guó)Worcester 13個(gè)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(gè)外來植物物種;DeCandido等[10]研究表明，100年來，紐約城丟失了578個(gè)本土物種（占總數(shù)的43%），增加了411個(gè)外來物種。McKinney[11]在美國(guó)8個(gè)城市的調(diào)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(duì)于維護(hù)城市植物群落穩(wěn)定性有很重要的意義。

隨著人為干擾強(qiáng)度由中心城區(qū)、城市周邊郊區(qū)向遠(yuǎn)郊鄉(xiāng)村逐漸降低，植物多樣性的分布逐漸呈增加的趨勢(shì)[12]。在西方一些發(fā)達(dá)城市的城鄉(xiāng)梯度上，城市化強(qiáng)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(yán)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(guān)于德國(guó)柏林城市木本植物變化的研究表明，在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)外來木本植物會(huì)占據(jù)主導(dǎo)位置，城市木本植物多樣性在一定區(qū)域內(nèi)會(huì)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(duì)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(diǎn)，城市化強(qiáng)度與城市木本植物多樣性的相關(guān)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?yàn)榍鄭u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(fēng)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(nèi)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?biāo)?、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(diào)查手冊(cè)中的調(diào)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(jī)抽樣的方法進(jìn)行城市森林樣地調(diào)查。首先，利用ArcGIS在森林斑塊圖上隨機(jī)設(shè)計(jì)一定數(shù)量的樣地中心點(diǎn)，用GPS導(dǎo)航定位這些點(diǎn)，以11.3 m為半徑設(shè)置圓形樣地，調(diào)查樣地內(nèi)木本植物種類及數(shù)量。在2019年7—8月共完成調(diào)查樣地132個(gè)，其空間分布見圖1。每個(gè)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(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)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(jì)，使用鄰近樣本的加權(quán)線性組合，使誤差方差最小化。

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

UIi=ISAiTAi（1）

式中，UIi是第i個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的城市化強(qiáng)度;ISAi表示第i個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的不透水面積，由研究區(qū)土地利用分類圖計(jì)算得到;TAi為第i個(gè)網(wǎng)格的總面積。

1.2.3 相關(guān)性分析。通過SPSS 22統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)城市化強(qiáng)度和城市森林空間格局?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析。SPSS相關(guān)性分析輸出表格中有3行數(shù)據(jù)，分別為皮爾遜相關(guān)系數(shù)、樣本容量、顯著性檢驗(yàn)結(jié)果。其中，樣本容量代表數(shù)據(jù)中樣本點(diǎn)數(shù)量;顯著性檢驗(yàn)結(jié)果即雙尾，用以表征統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

1.2.4 回歸分析。

常見的確定不同變量間定量關(guān)系的分析方法為回歸分析。相關(guān)性分析只能確定兩者之間的關(guān)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(qiáng)度對(duì)森林空間格局的影響，利用回歸分析進(jìn)行量化計(jì)算，用來實(shí)現(xiàn)城市化強(qiáng)度的變化對(duì)城市森林景觀的預(yù)測(cè)分析。

1.2.5 地理加權(quán)回歸分析。

地理加權(quán)回歸（geographically weighted regression，GWR）是一項(xiàng)在空間尺度上分析觀測(cè)數(shù)據(jù)的手段。由于隨機(jī)抽樣和不同空間具有不同地理自然環(huán)境，從而造成觀測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)的結(jié)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(diǎn)的因變量;εi為殘差;P為樣本容量;Xij為第j個(gè)自變量在第i點(diǎn)的值;（ui，vi）為第i個(gè)樣本點(diǎn)的空間坐標(biāo);βj（ui，vi）為連續(xù)函數(shù)βj在i點(diǎn)的值。β0為地理加權(quán)回歸參數(shù)。地理加權(quán)回歸將采集數(shù)據(jù)的空間發(fā)布關(guān)系代入回歸方程中得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。這種分析方法全面地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了空間分析，減少了分析的誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 青島主城區(qū)木本植物多樣性空間異質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(duì)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(qiáng)度空間異質(zhì)性

通過使用ArcGIS公里網(wǎng)格制圖，對(duì)青島市主城區(qū)城市化強(qiáng)度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在研究區(qū)內(nèi)城市化強(qiáng)度有比較明顯的空間結(jié)構(gòu)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(qiáng)度較強(qiáng)，城市化強(qiáng)度指數(shù)在0.68～<1.00，這是由于市南、市北、李滄區(qū)經(jīng)濟(jì)相對(duì)其他區(qū)域發(fā)達(dá)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展提高了城市化強(qiáng)度。②嶗山區(qū)中韓街道城市化強(qiáng)度指數(shù)在0.68～<0.81，城市化強(qiáng)度屬于中等偏上水平，這與對(duì)景區(qū)的不斷開發(fā)、人為改造促進(jìn)城市化發(fā)展有關(guān)。③青島市東北部地區(qū)城市化強(qiáng)度較低，城市化強(qiáng)度指數(shù)在0～<0.51。

2.3 城市化強(qiáng)度與城市木本植物多樣性相關(guān)性分析

城市化強(qiáng)度與城市木本植物多樣性之間的相關(guān)性見表1。由表1可知，城市化強(qiáng)度與香濃維納指數(shù)P>0.05，相關(guān)性不顯著;城市化強(qiáng)度與均勻度指數(shù)P>0.05，兩者相關(guān)性不顯著;城市化強(qiáng)度與木本植物豐富度指數(shù)P<0.05，兩者相關(guān)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(jié)果表明，城市化強(qiáng)度對(duì)木本植物多樣性的關(guān)聯(lián)程度高。

青島通過城市化建設(shè)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(dāng)?shù)厣吃獾狡茐暮蟮臍埓婺颈局参?另一類是人們引進(jìn)管理的外來木本植物。城市化強(qiáng)度對(duì)城市木本植物多樣性的相關(guān)性大，這可能與青島市在城市建設(shè)方面大量引進(jìn)適應(yīng)當(dāng)?shù)厣姝h(huán)境的外來木本植物有關(guān)。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(qiáng)度城市化地區(qū)通過人工綠地管護(hù)措施而增加木本植物多樣性，城市化強(qiáng)度低的地方，人工管護(hù)的程度也會(huì)降低。因此在受到經(jīng)濟(jì)和人文思想的影響條件下，木本植物多樣性與城市化強(qiáng)度相關(guān)性顯著。

2.4 城市化強(qiáng)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(qiáng)度與木本植物多樣性的相關(guān)性關(guān)系，其中城市化強(qiáng)度與豐富度指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)性關(guān)系。運(yùn)用SPSS軟件中的回歸性分析確定城市化強(qiáng)度與植物多樣性之間關(guān)系。由表2可知，當(dāng)城市化強(qiáng)度變化1個(gè)單位時(shí)，香濃維納指數(shù)會(huì)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(jié)果表明城市化強(qiáng)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(guān)系，隨著社會(huì)的發(fā)展、城市化進(jìn)程與城市木本植物的生長(zhǎng)，繁衍有一定的比例關(guān)系。人們?cè)诔鞘谢^程中有目的地種植或引進(jìn)木本植物，城市化建設(shè)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(duì)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?？傮w而言，城市化程度的大小嚴(yán)重影響著木本植物的豐富度。

2.5 城市化強(qiáng)度與城市木本植物多樣性地理加權(quán)回歸分析

由于城市化強(qiáng)度存在不同的空間效益，數(shù)據(jù)自身存在空間結(jié)構(gòu)性差異，即空間結(jié)構(gòu)的非均衡性，故利用ArcGIS進(jìn)行地理加權(quán)回歸，以城市化強(qiáng)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(jìn)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(jìn)植物，從而增加了植物種類。從城市化強(qiáng)度的空間分布情況來看（圖4d），研究區(qū)域內(nèi)在市北區(qū)、市南區(qū)與嶗山區(qū)西部的城市化強(qiáng)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(xué)區(qū)、世園會(huì)和以十梅庵為代表的人文旅游勝地，使其城市化強(qiáng)度較其他地區(qū)高。

3 結(jié)論與討論

城市木本植物多樣性對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功能起著至關(guān)重要的作用，高水平的植物多樣性有助于保護(hù)城市森林免受病蟲害造成災(zāi)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(rèn)為是城市化進(jìn)程中森林管理的關(guān)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(jì)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(guān)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(jī)構(gòu)（公園、路邊、學(xué)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(quán)分析、線性回歸方法，分別進(jìn)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(duì)比，研究了城市化強(qiáng)度與木本植物多樣性的相關(guān)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(zhì)性需要較多城市化指標(biāo)進(jìn)行研究，以充分了解城市地區(qū)木本植物多樣性的形成機(jī)制，這有待于今后的進(jìn)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(guó)的相關(guān)研究很少受到重視，考慮到青島城市化強(qiáng)度不斷加強(qiáng)，在青島市進(jìn)行城市化強(qiáng)度與植物多樣性的空間關(guān)系探究對(duì)未來進(jìn)行合理的城市化建設(shè)起著重要作用。該研究首先通過對(duì)青島市建成區(qū)木本植物多樣性進(jìn)行地理加權(quán)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(qiáng)度空間異質(zhì)性差異，發(fā)現(xiàn)城市化強(qiáng)度對(duì)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(qiáng)度與木本植物多樣性的關(guān)系，可為今后城市發(fā)展提供參考。

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