不同土地利用方式影響下的城市森林植物多樣性格局

張飛飛，周 澎，文美平*，袁 超，陳 強(qiáng)

(1.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101；2.錫林郭勒盟環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，內(nèi)蒙古錫林浩特 026000)

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不同土地利用方式影響下的城市森林植物多樣性格局

張飛飛1，周 澎2，文美平1*，袁 超1，陳 強(qiáng)1

(1.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101；2.錫林郭勒盟環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，內(nèi)蒙古錫林浩特 026000)

以廈門城市森林林下層植被為對(duì)象，選用α多樣性指數(shù)及β多樣性指數(shù)，運(yùn)用去勢(shì)對(duì)應(yīng)分析、主成分分析等方法定量研究市區(qū)、郊區(qū)相思林下植物多樣性格局。結(jié)果表明：郊區(qū)草本層α多樣性指數(shù)低于城區(qū)。城區(qū)草本層β多樣性隨著城市化強(qiáng)度減弱而逐漸增加，灌木層β多樣性隨著城市化強(qiáng)度降低而降低。郊區(qū)森林群落草本層β多樣性隨著城市化強(qiáng)度增強(qiáng)逐漸增加，而灌木層β多樣性隨著城市化強(qiáng)度降低呈先增后降趨勢(shì)。

城市森林；植物多樣性；環(huán)境梯度；土地利用

城市化進(jìn)程嚴(yán)重影響群落結(jié)構(gòu)、植物多樣性格局。城市植被生物多樣性降低影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，進(jìn)而威脅城市生態(tài)安全[1]。國(guó)外學(xué)者多關(guān)注城郊植物多樣性對(duì)比[2-3]、城鄉(xiāng)梯度上不同退化程度森林指示物種[4]、污染因子對(duì)植物多樣性影響[5]、土地利用方式對(duì)植物多樣性影響[6]及入侵種的研究[7]等。國(guó)內(nèi)研究如河北遵化植物多樣性分布研究[8]，太原城郊的植物多樣性對(duì)比[9]，城市化對(duì)生物多樣性影響研究進(jìn)展[10-11]，北京植物群落的干擾脅迫抵抗力分析[12]，不同干擾措施對(duì)毛竹林植物種群格局影響[13]，城市綠地常見(jiàn)木本植物組成對(duì)鳥類群落影響等[14]。相對(duì)國(guó)外研究，國(guó)內(nèi)研究集中體現(xiàn)在對(duì)植物多樣性影響因子認(rèn)識(shí)不足，僅停留于多樣性描述的水平，缺乏針對(duì)人為干擾環(huán)境變量的定量研究。

該研究以廈門城市森林灌草植被為對(duì)象，梯度分析植物多樣性及其分布格局，辨識(shí)不同鄰接用地類型對(duì)于植物多樣性格局的影響，闡明植物多樣性城市化梯度格局及成因，為城市植物多樣性保護(hù)提供決策支持。

1 研究區(qū)概況

廈門地處閩東南沿海，117°53′～118°25′ E，24°25′～24°54′ N，為亞熱帶季風(fēng)海洋性氣候，均溫為20.7 ℃，降雨為1 143.5 mm，濕度為78%。以低山、臺(tái)地等類型地貌為主，地勢(shì)西北高，東南低。地帶性植被為亞熱帶的常綠闊葉林。研究區(qū)位置如圖1所示。

2 研究方法與數(shù)據(jù)處理

2.1 樣帶設(shè)置依據(jù)廈門市土地利用狀況，以廈門核心商業(yè)區(qū)為中心，沿城市化環(huán)境梯度的變化方向，建立南北向的生態(tài)樣帶(如圖1所示)。主要包括廈門萬(wàn)石山和集美天馬山之間的區(qū)域，覆蓋主要的城市土地用地類型，如居住、公共設(shè)施、工業(yè)、交通、養(yǎng)殖和未利用地。

2.2 野外調(diào)查于2009年7～9月，在研究區(qū)樣帶的殘留城市森林生境上采樣，并在2010～2012年間進(jìn)行植物樣本的樣地重復(fù)核查，確認(rèn)植物種。以相思純林的灌草群落為對(duì)象，運(yùn)用系統(tǒng)采樣法，喬木樣方為10 m×10 m大小，灌木樣方為5 m×5 m大小，草本樣方為1 m×1 m大小。記錄植物種種名、高度、蓋度和叢徑(冠幅)等信息。

2.3 數(shù)據(jù)處理植物群落多樣性分析應(yīng)考慮個(gè)體徑級(jí)和高度等因素，否則將影響物種多樣性測(cè)度結(jié)果和可比性[15]。因此，該研究所采用的多樣性計(jì)算均基于重要值[16]：植物多樣性指數(shù)基于重要值α(Partrick豐富度指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Shannon指數(shù)及Pielou均勻度指數(shù)[17])和β(Jaccard相似性系數(shù)[18])兩類指數(shù)。應(yīng)用DPS3.01軟件計(jì)算多樣性指標(biāo)[17]， SPSS13.0軟件進(jìn)行基本數(shù)據(jù)分析[19]， CANOCO4.5軟件對(duì)于生境因子進(jìn)行DCA排序[20]。

3 結(jié)果與分析

3.1 總體植被狀況對(duì)研究的植物種數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，發(fā)現(xiàn)除了臺(tái)灣相思(Abrusprecatorius)、馬尾松(Pinusmassoniana)等建群種之外，仍有豺皮樟(Litsearotundifoliavar.oblongifolia)、潺槁樹(Litseaglutinosa)、黃梔子(Gardeniajasminoides)、算盤子(Glochidionpuberum)、鹽膚木(Rhuschinensis)、藎草(Arthraxonhispidus)、扇葉鐵線蕨(Adiantumflaballulatum)、雞屎藤(Paederiascandens)、南蛇藤(CelastrusorbiculatusThunb)、雀梅藤(Sageretiathea(Osbeck)Johnst)、崖豆藤(Millettiawight)、野雉尾(Onychiumjaqomicum)等植物。草本優(yōu)勢(shì)植物種以豨簽重要值最高占到48.83%，灌木優(yōu)勢(shì)植物種以馬櫻丹為主，重要值占到32.93%，而其他植物種均在10%左右。

3.2 城郊梯度植物多樣性格局研究發(fā)現(xiàn)，城區(qū)與郊區(qū)草本植物的Partrick豐富度指數(shù)在所有α植物多樣性指數(shù)中為最高，其中城區(qū)Partrick豐富度指數(shù)為4.7，高于郊區(qū)的Partrick豐富度指數(shù)(3.3)。城區(qū)與郊區(qū)草本植物的Simpson多樣性指數(shù)在所有α植物多樣性指數(shù)中為最低，取值范圍在0.35～0.42之間。城區(qū)草本植物的Shannon多樣性指數(shù)及Pielou均勻度指數(shù)均值則高于對(duì)應(yīng)郊區(qū)多樣性指數(shù)(圖2)。

由圖3可知，城區(qū)與郊區(qū)灌木植物的Partrick豐富度指數(shù)在所有α植物多樣性指數(shù)中為最高，其中城區(qū)Partrick豐富度指數(shù)達(dá)到6.5，略高于郊區(qū)的Partrick豐富度指數(shù)(6.3)。城區(qū)與郊區(qū)灌木植物的Simpson多樣性指數(shù)在所有α植物多樣性指數(shù)中為最低，這與其本身的計(jì)算公式及取值范圍有關(guān)。

整理城市森林草本、灌木植物多樣性指數(shù)、密度數(shù)據(jù)，提取相關(guān)重要植被數(shù)量特征信息，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行DCA排序。由結(jié)果可以清晰看到，研究區(qū)所涉及的植物調(diào)查樣方均按照明顯的城市化梯度排列(圖4)。

3.3 不同用地類型的植物多樣性格局由于植物的α多樣性指數(shù)僅是對(duì)于每個(gè)群落或者樣方的植物多樣性特征進(jìn)行描述，然而為了能夠清楚地反映不同環(huán)境梯度上物種的構(gòu)成差異或替代程度，就必須計(jì)算群落間的β多樣性。

城區(qū)不同用地類型的草本植物群落β多樣性如表1所示，在所有不同土地利用類型之間的植物群落β多樣性數(shù)值，以交通用地和居住用地之間的0.250 1為最高，表明交通用地和居住用地的綠地屬性用途一致，因此二者在草本植物組成上具有一定相似性。交通用地和商業(yè)用地之間最低為0.130 6，表明用地類型差異是造成植物群落β多樣性低的主要原因。

表1 城區(qū)不同用地類型的草本植物群落β多樣性

城區(qū)不同用地類型灌木植物群落β多樣性如表2所示，在所有植物群落β多樣性中，以工業(yè)用地和商業(yè)用地之間的0.400 7達(dá)到最高，表明其用地屬性主要是以實(shí)現(xiàn)灌木植物的生態(tài)功能為主。居住用地和商業(yè)用地之間最低為0.170 5，表明不同用地類型對(duì)于灌木植物群落β多樣性影響至關(guān)重要。

表2 城區(qū)不同用地類型的灌木植物群落β多樣性

由表3可知，郊區(qū)不同用地類型的草本植物群落β多樣性指標(biāo)差異并不顯著。其中，由于養(yǎng)殖用地和工業(yè)用地的草本植物組成與其他用地類型相似，因此二者與其他用地類型具有較高的β多樣性。而郊區(qū)養(yǎng)殖用地和工業(yè)用地之間的草本植物群落β多樣性為最高，達(dá)到0.331 0。

表3 郊區(qū)不同用地類型的草本植物群落β多樣性

由表4可知，郊區(qū)灌木層植物群落β多樣性指標(biāo)差異較大。其中，以郊區(qū)商業(yè)用地和居住用地之間的植物群落β多樣性為最高，達(dá)0.380 8。而郊區(qū)商業(yè)用地和未利用地之間的灌木植物群落β多樣性為0，表明二者之間無(wú)相似植物組成。

4 討論

4.1 環(huán)境梯度分析梯度分析方法由來(lái)已久，在環(huán)境與生態(tài)學(xué)領(lǐng)域中廣為應(yīng)用。在城市生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域，已有許多專家學(xué)者做了有益的嘗試。如張金屯基于“城—郊—鄉(xiāng)”梯度格局分析美紐約州的森林植被變化[16]、王應(yīng)剛等對(duì)太原植物種類環(huán)境梯度調(diào)查[9]、馬克明等在遵化的城鄉(xiāng)梯度物種變化研究[8]。α多樣性指數(shù)被證明是一種理想的了解每個(gè)群落、樣方的植物多樣性特征[21]，在該研究的梯度分析中，也得到了較好的效果。

4.2 土地利用方式影響已有研究表明，土地利用類型對(duì)植物多樣性格局影響深刻[22]。而一些特定的土地利用類型，往往伴生具有指示意義的植物種類[23]。同時(shí)，植被斑塊的邊緣效應(yīng)也是影響植物多樣性格局的主要因素，疊加土地利用影響，由此產(chǎn)生的交互作用更加復(fù)雜，需要進(jìn)一步深入研究。

在郊區(qū)森林群落草本層β多樣性研究中，養(yǎng)殖用地與工業(yè)用地之間的群落相似性達(dá)到最高值0.33，表明養(yǎng)殖用地對(duì)于周邊環(huán)境的效應(yīng)(尤其是對(duì)于植物多樣性格局的影響)與工業(yè)用地已經(jīng)十分接近，從側(cè)面反映出郊區(qū)養(yǎng)殖業(yè)的集約化經(jīng)營(yíng)已經(jīng)逐步取代了傳統(tǒng)的粗放型養(yǎng)殖模式。郊區(qū)不同用地類型森林群落的灌木層β多樣性研究表明，未利用地與居住用地之間的灌木群落相似性達(dá)到最低，印證了伴人物種在非人類聚居區(qū)的缺失。商業(yè)用地與居住用地灌木群落之間的相似性達(dá)到最高值0.38，表明郊區(qū)居住用地和商業(yè)用地的受人為干擾活動(dòng)方式較為一致，均以散步、游憩為主。

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Land Use Effect on the Urban Forest Plant Diversity Pattern

ZHANG Fei-fei1, ZHOU Peng2, WEN Mei-ping1*et al

(1. Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101; 2. Xilinguole Meng Environmental Protection Monitoring Station, Xilinhaote, Inner Mongolia 026000)

Taking Xiamen understory vegetation as study object, selecting α and β diversity index, detrended correspondence analysis, principal component analysis were adopted to quantitatively study urban, suburban forest plant diversity. The results showed that urban herb layer α diversity indexes were higher than the suburb’s. Urban herb layer β diversity indexes incresed with urbanization degree reducing, shrub layer β diversity indexes decreased with urbanization degree reducing. Suburb herb layer β diversity indexes incresed with urbanization degree increasing, shrub layer β diversity indexes first incresed then decreased with urbanization degree reducing.

Urban forest; Plant diversity; Environment gradient; Land use

國(guó)家自然科學(xué)青年基金(41101501)；國(guó)家自然科學(xué)面上基金(41471423，41371540)資助。

張飛飛(1981-)，男，江蘇淮安人，助理研究員，碩士，從事植被遙感研究。*通訊作者。

2014-12-30

S 718

A

0517-6611(2015)04-238-03