丑琉懿，李宏歸，廖飛勇

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004；2.湖南省自然保護(hù)地風(fēng)景資源大數(shù)據(jù)工程技術(shù)研究中心, 湖南 長沙 410004)

1 引言

城市化進(jìn)程的加快和城市規(guī)模的擴(kuò)大，氣候下墊面的粗糙度受到影響和改變，產(chǎn)生了城市綠地的微氣候效應(yīng)。微氣候是指在小尺度范圍內(nèi)的氣候狀況，包括空氣溫度、相對濕度、CO2濃度和負(fù)離子濃度等氣候因子[1，2]。植物群落是城市綠地建設(shè)中不可或缺的構(gòu)成要素，而科學(xué)合理的植物群落能夠有效地改善局地的微氣候[3，4]。近年來，學(xué)者們越來越注重植物群落對微氣候效應(yīng)的影響，主要集中在不同植物群落類型[5～7]、林分結(jié)構(gòu)[8，9]、空間布局[10～12]及群落結(jié)構(gòu)特征[13，14]與微氣候效應(yīng)的相關(guān)研究。目前，針對以特定園林綠化樹種為優(yōu)勢種的人工植物群落，探究特定植物群落特征及微氣候效應(yīng)響應(yīng)的研究還較少，本研究以復(fù)羽葉欒樹(KoelreuteriabipinnataFranch.)為優(yōu)勢種的植物群落為研究對象，探究復(fù)羽葉欒樹植物群落的植物構(gòu)成特征、植株個(gè)體特征、群落結(jié)構(gòu)類型特征、冠層結(jié)構(gòu)特征和物種多樣性特征，以及該群落空氣溫度、相對濕度、CO2濃度和負(fù)離子濃度微氣候因子的響應(yīng)，從微氣候效應(yīng)的角度為復(fù)羽葉欒樹的植物應(yīng)用和城市綠地系統(tǒng)植物群落配置提供相關(guān)參考依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)地概況

研究樣地均位于長沙(27°51′～28°41′N,111°53′～114°15′E)，湖南東部偏北，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，春濕變化大，春末夏初雨水多，夏末伏秋高溫久，寒冬較短暫；氣候溫和，年平均氣溫為17.4 ℃；降水豐沛，年均降水量1361.6 mm, 雨量集中于夏季[15]。

2.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為花橋?yàn)尘G地(QL01:28°04′N,113°37′E)、紅星社區(qū)公園綠地(QL02:28°12′N,113°00′E)、徐特立故居綠地(QL03:28°07′N,113°29′E)和西湖公園綠地(QL04:28°21′N,112°94′E)4個(gè)研究樣地內(nèi)的復(fù)羽葉欒樹植物群落，研究樣地城市背景氣象條件相似，且立地條件基本一致，內(nèi)部地形地勢平坦；土壤以地帶性紅壤為主；均臨近道路，附近無大型建筑，位置分布如圖1所示。

圖1 研究樣地位置分布示意

2.3 研究方法

(1)群落樣方及標(biāo)準(zhǔn)木設(shè)置。每個(gè)研究樣地內(nèi)設(shè)置20 m×25 m典型植物群落樣方，在樣方中心區(qū)域選擇3棵標(biāo)準(zhǔn)木，每棵標(biāo)準(zhǔn)木下設(shè)置1個(gè)測定采樣點(diǎn)，每個(gè)研究樣地3個(gè)測定采樣點(diǎn)作為重復(fù)，并另設(shè) 1個(gè)非綠地測定點(diǎn)作為對照(CK)。

(2)群落植物構(gòu)成特征研究。采用每木調(diào)查法，記錄群落樣方中所有植物的種類名稱和數(shù)量，通過植物種類組成和不同層次植物分析群落植物構(gòu)成特征。

(3)群落植株個(gè)體特征研究。使用測高儀(Vertex Laser Geo)測量植物的株高和冠幅，使用卷尺測量植物的胸徑，分析群落植株生長的個(gè)體特征。

(4)群落結(jié)構(gòu)類型特征研究。分析統(tǒng)計(jì)群落水平結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)類型。

(5)群落冠層結(jié)構(gòu)特征研究。使用植物冠層分析儀(LP-80 AccuPAR)測定葉面積指數(shù)(LAI)；使用相機(jī)保持在1.6 m高度垂直和水平方向植物群落冠層拍照，相片導(dǎo)入軟件(Adobe Photoshop CC 2017)轉(zhuǎn)灰度模式圖像，統(tǒng)計(jì)群落冠層橫斷面、縱斷面和天空影像的像素值，計(jì)算郁閉度、疏透度：

郁閉度=(1-天空影像的像素值)/群落冠層橫斷面像素值

(1)

疏透度=(1-天空影像的像素值)/群落冠層縱斷面像素值

(2)

(6)群落物種多樣性特征研究。參考趙中華等[16]綜合大多數(shù)學(xué)者的分析方法，采用Margalef豐富度指數(shù)(R1)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(λ)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)和Pielou均勻度指數(shù)(E)以上4類指數(shù)來分析復(fù)羽葉欒樹植物群落物種多樣性特征。

(7)群落微氣候環(huán)境因子研究。選擇相對穩(wěn)定、晴朗無風(fēng)的天氣，在每日8:00～18:00不同時(shí)間點(diǎn)每2 h測定1次。分別使用溫濕度測定儀(臺灣群特，Center313)、CO2濃度測試儀(TELAIRE公司，Telaire7001)和負(fù)離子測定儀(北京中儀遠(yuǎn)大科技有限公司, DLY-3)，手持儀器距地面1.6 m，于各測定點(diǎn)4個(gè)方位觀測，待儀器讀數(shù)穩(wěn)定后讀取3個(gè)數(shù)值，取平均值作為測定采樣點(diǎn)的空氣溫度、相對濕度、CO2濃度和負(fù)離子濃度。

2.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Microsoft Excel2021進(jìn)行處理，Origin2021軟件進(jìn)行圖形繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 群落植物構(gòu)成特征分析

在所調(diào)查的4個(gè)樣本植物群落中，共有31種維管束植物，分屬于25科31屬，其中裸子植物為4科4屬4種，被子植物21科27屬27種。從屬、種的數(shù)量來看，木蘭科最多，3屬3種，其次為?？啤⒑瘫究?、菊科，2屬2種，其余僅1屬1種。表1表明：從樹種類型來看，喬木有12種(常綠針葉樹2種，落葉針葉樹1種，常綠闊葉樹4種，落葉闊葉樹6種)，小喬木及灌木有9種，草本地被有9種。

表1 樣本群落植物種類組成

3.2 群落植株個(gè)體特征分析

表2表明：植物群落中，植株高度、冠幅和胸徑/地徑等個(gè)體特征各有差異，4個(gè)復(fù)羽葉欒樹植物群落的平均株高較高，高達(dá)9.42 m，平均冠幅4.56 m，平均胸徑/地徑在10.40 cm。其中，QL02大型喬木數(shù)量較多，植物群落中的復(fù)羽葉欒樹、香樟和玉蘭樹木高大，枝葉繁盛，其平均株高和平均冠幅都最大，分別是10.13 m和5.31 m。從平均胸徑來看，QL01復(fù)羽葉欒樹數(shù)量占比最大，而該植物在生長地栽植年限較短，平均胸徑相比其他植物群落最小，僅有10.47 cm；而QL04所在公園建成年限較久，復(fù)羽葉欒樹、香樟、杜英、荷花玉蘭和樂昌含笑這些植物生長年限較長，且植物生長長勢較好，因此該植物群落平均胸徑/地徑最大，高達(dá)20.57 m。

表2 樣本群落植株個(gè)體特征

3.3 群落結(jié)構(gòu)類型特征分析

表3表明：所調(diào)查的4個(gè)樣本植物群落在群落結(jié)構(gòu)類型上組成有所不同。從群落垂直結(jié)構(gòu)來看，不同植物生長型、生態(tài)幅度和適應(yīng)性各有不同，為更好利用自然條件資源，分化為群落垂直分層現(xiàn)象，形成了在群落空間的垂直結(jié)構(gòu)。其中，QL01和QL04為喬-草雙層結(jié)構(gòu)；QL02和QL03為喬-灌-草復(fù)層結(jié)構(gòu)。從群落水平結(jié)構(gòu)來看，由于植物群落所處環(huán)境的不同和植株個(gè)體特性的差異，不同植物小型組合類型在水平方向分化，形成不同的群落水平結(jié)構(gòu)類型。其中，QL01喬木只有復(fù)羽葉欒樹，其水平結(jié)構(gòu)類型為落葉闊葉純林；QL02和QL03以復(fù)羽葉欒樹和玉蘭等落葉闊葉喬木為主，且具有金錢松和羅漢松等針葉植物，為落葉針闊葉混交林；QL04群落水平結(jié)構(gòu)類型為落葉闊葉混交林。

表3 樣本植物群落結(jié)構(gòu)類型

3.4 群落冠層結(jié)構(gòu)特征分析

表4表明：郁閉度、疏透度和葉面積指數(shù)不同的指標(biāo)反映了植物群落的冠層結(jié)構(gòu)特征。4個(gè)樣本植物群落林冠在水平面上高低錯(cuò)落，未能相互銜接，在垂直面上組成不同的郁閉狀態(tài)，4個(gè)群落郁閉度均較高，在80%～90%左右，平均郁閉度達(dá)84.20%。其中，QL02和QL04群落植物樹木高大，葉幕層緊密，平均冠幅較大，林冠層蓋度較大，因此2個(gè)群落郁閉度也較高，分別為86.62%和89.59%。

植物群落垂直分層現(xiàn)象分化形成的群落垂直結(jié)構(gòu)直接影響了縱斷面的透光面積，體現(xiàn)了4個(gè)樣本植物群落疏透度的差異性。其中，QL04疏透度最大，為41.71%，QL01次之，QL02最小，為26.03%。因植物群落垂直結(jié)構(gòu)類型的影響，QL01和QL04顯著大于QL02和QL03，結(jié)果表明喬-草雙層結(jié)構(gòu)植物群落的疏透度大于喬-灌-草復(fù)層結(jié)構(gòu)。

群落中不同植物的生物學(xué)特性、植被的密度和環(huán)境因子的差異性，導(dǎo)致植物群落的葉面積指數(shù)不同，對植物光合作用、呼吸作用和蒸騰作用等生理生化過程有著直接的影響，是植物群落冠層最顯著的特征之一。其中群落葉面積指數(shù)QL02最大，為2.35；QL01最小，為1.51。

表4 樣本植物群落冠層結(jié)構(gòu)

3.5 群落物種多樣性特征分析

表5表明：豐富度指數(shù)R1最大值出現(xiàn)在QL02，為4.28。主要是該植物群落位于社區(qū)公園，林分進(jìn)行過改造，群落植物進(jìn)行了合理搭配，喬木類植物高大且品種豐富。豐富度指數(shù)R1最小的是QL01，為1.41，其原因可能在于該群落為復(fù)羽葉欒樹純林，喬木種類單一，且草本植物種間競爭較大，導(dǎo)致物種豐富度小。優(yōu)勢度指數(shù)λ的排序?yàn)镼L01>QL02>QL03>QL04，呈梯度變化。多樣性指數(shù)H和均勻度指數(shù)E的最大值都出現(xiàn)在QL02，分別為4.67和1.59，最小值都出現(xiàn)在QL01,分別為1.55和0.75，這可能與植物群落林分密度有關(guān)。

表5 樣本植物群落物種多樣性

3.6 群落微氣候效應(yīng)因子分析

3.6.1 植物群落的空氣溫度和相對濕度

圖2和圖3表明，復(fù)羽葉欒樹植物群落內(nèi)部的空氣溫度和相對濕度明顯低于對照點(diǎn)，表現(xiàn)出“城市冷島”作用，均有明顯的降溫增濕效果。不同復(fù)羽葉欒樹植物群落之間降溫增濕效果也存在差異，各植物群落平均溫度差值分別為1.62 ℃、4.37 ℃、2.41 ℃和3.32 ℃，平均濕度差值分別為3.47%、7.56%、4.72%和5.39%，降溫增濕效果QL02>QL04>QL03>QL01。所調(diào)查植物群落中，QL02郁閉度(86.62%)最高，豐富度指數(shù)(4.28)最大，降溫增濕效果最顯著。

3.6.2 植物群落的CO2濃度

圖4表明，復(fù)羽葉欒樹植物群落CO2濃度均低于對照點(diǎn)，群落植物晝間光合作用吸收CO2、釋放O2，表現(xiàn)出植物群落的固碳釋氧能力。不同復(fù)羽葉欒樹植物群落之間CO2濃度存在差異，固碳釋氧能力也有所不同，各植物群落平均CO2濃度分別為389 mg/L、373 mg/L、369 mg/L和381 mg/L，QL01>QL04>QL02>QL03，群落平均CO2濃度差值幅度在10 mg/L左右，差異并不顯著。

時(shí)間 圖2 各樣地平均溫度差值比較

時(shí)間 圖3 各樣地平均濕度差值比較

時(shí)間 圖4 各樣地平均CO2濃度比較

3.6.3 植物群落的負(fù)離子濃度

圖5表明，通過各樣地空氣負(fù)離子濃度比較，各植物群落內(nèi)空氣負(fù)離子濃度都高于對照點(diǎn)，表明復(fù)羽葉欒樹植物群落對清潔空氣環(huán)境有較好的生態(tài)效益。各群落平均空氣負(fù)離子濃度分別為540個(gè)/cm3、904個(gè)/cm3、848個(gè)/cm3和659個(gè)/cm3，QL02、QL03濃度較高，QL04適中，QL01最低。QL02和QL03中復(fù)羽葉欒樹數(shù)量占比最大，其為二回羽狀復(fù)葉，葉片在植物群落冠層中形成葉幕結(jié)構(gòu)，可以對太陽輻射進(jìn)行有效截留，形成了群落內(nèi)外和冠層上下溫濕度差的不同小氣候環(huán)境，促進(jìn)了負(fù)離子的產(chǎn)生。

時(shí)間 圖5 各樣地空氣負(fù)離子濃度比較

4 討論與結(jié)論

本研究探究了復(fù)羽葉欒樹植物群落的植物構(gòu)成特征、植株個(gè)體特征、群落結(jié)構(gòu)類型特征、冠層結(jié)構(gòu)特征和物種多樣性特征，以及該群落空氣溫度、相對濕度、CO2濃度和負(fù)離子濃度微氣候因子的響應(yīng)后，得出以下結(jié)論：

(1)4個(gè)復(fù)羽葉欒樹植物群落內(nèi)共有25科31屬31種維管束植物，其中被子植物21科27屬27種，裸子植物種類少,植物資源較為豐富。

(2)降溫增濕效果QL02>QL04>QL03>QL01，CO2濃度QL01>QL04>QL02>QL03，負(fù)離子濃度QL02>QL03>QL04>QL01，植物群落內(nèi)植物種數(shù)量越多，其群落結(jié)構(gòu)組成越復(fù)雜，郁閉度越高，對太陽輻射熱的有效阻隔和水分蒸發(fā)的保留越有利，從而起到更好的降溫增濕效果；提升了植物的光合作用效率，固碳釋氧能力更強(qiáng)；促進(jìn)了植物光電效應(yīng)，提高了負(fù)離子濃度，加強(qiáng)了清潔空氣的作用。

(3)其中QL02(復(fù)羽葉欒樹+香樟+玉蘭-紫薇+雞爪槭+杜鵑+海桐+繡球莢蒾-結(jié)縷草+紅花酢漿草)是物種豐富度指數(shù)最高、植物群落結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的群落，其微氣候效應(yīng)的響應(yīng)最佳。

本研究量化、系統(tǒng)化地闡述了復(fù)羽葉欒樹植物群落特征及植物群落中微氣候因子的響應(yīng)，但是植物的生長狀態(tài)、生長勢對微氣候因子是有一定影響的，隨著植物個(gè)體的生長以及植物群落的演變，植物群落微氣候效應(yīng)也會發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。因此，針對于某一特定群落的定位監(jiān)測、定量化研究和長期的持續(xù)觀測研究是非常有必要的，其季節(jié)變化、年度變化規(guī)律還有待后續(xù)探究。