城市綠地中硬質(zhì)鋪裝對臭椿天然更新的影響

楊佳楠, 李蘭蘭, 李 馨, 李洪遠, 祁 永, 王彬彬

(1.南開大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300071; 2.天津綠茵景觀工程有限公司,天津 300384; 3.天津市景觀生態(tài)修復(fù)企業(yè)重點實驗室, 天津 300384)

城市綠地中硬質(zhì)鋪裝對臭椿天然更新的影響

楊佳楠1, 李蘭蘭1, 李 馨1, 李洪遠1, 祁 永2,3, 王彬彬2,3

(1.南開大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300071; 2.天津綠茵景觀工程有限公司,天津 300384; 3.天津市景觀生態(tài)修復(fù)企業(yè)重點實驗室, 天津 300384)

[目的] 調(diào)查研究天津市南開大學(xué)校園綠地內(nèi)臭椿(Ailanthusaltissima)的天然更新狀況，為城市自然林營造和管理提供科學(xué)依據(jù)。[方法] 采用樣方法進行調(diào)查，研究了臭椿更新苗數(shù)量特征、地徑級和高度級的分布特征，用方差均值比率(Cx)、叢生指標(biāo)(I)、負二項參數(shù)(K)、平均擁擠度指數(shù)(m*)、聚塊性指數(shù)(C)和格局指數(shù)(IΔ) 6種聚集強度指數(shù)分析臭椿更新苗的空間分布格局。[結(jié)果] (1) 城市綠地內(nèi)臭椿存在天然更新現(xiàn)象，其更新苗地徑級頻率高峰出現(xiàn)在2～3 mm地徑級，且隨著地徑級的增大和減小，更新苗數(shù)量減少。更新苗高度級頻率分布呈“間歇”型，個體頻率高峰出現(xiàn)在低高度級上，主要集中在2～4 cm高度級內(nèi)。(2) 城市綠地內(nèi)臭椿更新苗的空間分布表現(xiàn)為集群分布，其Cx，K，m*，C，I，IΔ分別為2.24，1.26，2.81，1.79，1.24，1.79。[結(jié)論] 硬質(zhì)鋪裝影響臭椿天然更新的距離特征及更新苗的空間分布。

天然更新; 硬質(zhì)鋪裝; 臭椿; 城市綠地

隨著城市化進程的加快，城市生態(tài)環(huán)境問題變得更加突出，人們對城市生存空間的環(huán)境質(zhì)量日益關(guān)注和重視，發(fā)展城市森林已經(jīng)成為當(dāng)今城市生態(tài)建設(shè)的一個潮流[1]。城市森林的建設(shè)與規(guī)劃都提倡師法自然[2]，近自然林的營造被大力倡導(dǎo)[3]。近自然林是以原生的地帶性森林為參照而培育和經(jīng)營的，主要由地帶性鄉(xiāng)土樹種組成的多種樹種混交，并逐步向多層次、異齡結(jié)構(gòu)發(fā)展的森林。其既具有集約經(jīng)營的人工林生長迅速的特點，又具有天然林穩(wěn)定、持續(xù)發(fā)揮多種效益的特征。近自然林的更新以天然更新與人工促進更新相結(jié)合，必要時輔以人工更新[4]。充分依靠自然的力量來恢復(fù)森林生態(tài)環(huán)境的天然更新，不僅能夠培育出高生物多樣性和高生態(tài)質(zhì)量的合乎自然規(guī)律的森林，而且其育林成本僅為人工更新造林成本的1/4，是一種低投入高產(chǎn)出的森林培育方式[5]。正因如此，天然更新方式更適合現(xiàn)代森林的可持續(xù)性經(jīng)營原則和生物多樣性保護原則，近年來，有關(guān)森林天然更新的研究在國內(nèi)外都受到廣泛關(guān)注[6]。目前國內(nèi)外對于天然更新的研究主要是從森林更新過程中的某一個或幾個階段入手，分析光照、溫度、養(yǎng)分和水分等生態(tài)因子對天然更新的影響；或者從林窗、火燒、動物等干擾對天然更新的影響的角度來揭示植被天然更新的機制[7]。近年來出現(xiàn)了一些關(guān)于土壤種子庫[8]、林窗[9-10]、病蟲害和動物取食[11]、種群格局[12]、空間異質(zhì)性[13]等與森林更新相關(guān)的研究，并取得了很大的進展。但關(guān)于城市環(huán)境下樹種天然更新的研究卻鮮見報道，近自然林要求以天然更新與人工促進更新相結(jié)合的更新方式。因此，研究城市綠地中樹種的天然更新，調(diào)查并掌握其更新數(shù)量、空間分布等特征以及環(huán)境因子對更新的影響，總結(jié)它們的天然更新規(guī)律，評價其天然更新程度并指出更新潛力和存在的問題，對近自然林的培育和經(jīng)營意義重大。城市綠地中樹種的天然更新會受到更多的人為干擾，與自然環(huán)境有著很大差別，硬質(zhì)鋪裝便是其中一種人為干擾因素。臭椿是一種生長較快、適應(yīng)性強的落葉樹種，不僅廣泛應(yīng)用于西北、華北地區(qū)的綠化造林，在天津城市綠地中應(yīng)用頻率也非常高[14]。本文針對城市綠地中硬質(zhì)鋪裝(包括建筑)條件下臭椿天然更新的特征進行研究，以期探討城市綠化樹種自然更新的特點，為城市自然林營造和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究樣地與方法

1.1 樣地概況

天津位于華北平原的東北部、海河流域下游。該區(qū)的主要氣候特征是：春季多風(fēng)，干旱少雨；夏季炎熱，雨水集中；秋季氣爽，冷暖適中；冬季寒冷，干燥少雪；年平均降水量為520～660 mm；日照時間較長，年日照時數(shù)為2 500～2 900 h；年平均氣溫在11.4～12.9 ℃，市區(qū)平均氣溫最高為12.9 ℃。調(diào)查地點設(shè)在天津南開大學(xué)第一主教學(xué)樓小禮堂旁的綠地，樣地面積為199 m2。選擇樣地內(nèi)的3株臭椿作為母樹，按自東向西的順序分別編號臭椿-1，臭椿-2和臭椿-3，胸徑分別為123.9，119.8和94.2 cm。樣地內(nèi)無其他喬木和灌木。草本層平均蓋度為35%，草本植物種類較多，有灰菜(Chenopodiumalbum)、抱莖小苦荬(Ixeridiumsonchifolium)、泥胡菜(Hemisteptialyrata)、車前(Plantagoasiatica)和地錦草(Euphorbiahumifusa)等，但個體數(shù)不多。樣地南側(cè)為高度約20 m的樓房，樣地北側(cè)為水泥道路。

1.2 研究方法

1.2.1 樣方調(diào)查 調(diào)查采用樣方法，將樣地分成199個1 m×1 m的樣方，調(diào)查并記錄每個樣方內(nèi)更新苗的年齡、地徑、高度、距母樹的距離以及坐標(biāo)方位，隨機選擇其中100株更新苗，用刨根的方式判斷其繁殖方式，即種子繁殖或根蘗繁殖，同時測量并記錄對應(yīng)樣地內(nèi)母樹的胸徑和高度。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理 用Excel對更新苗按地徑級和高度級進行頻率統(tǒng)計，并用SPSS進行相關(guān)分析，同時做樣地內(nèi)臭椿更新苗的空間分布圖和更新苗數(shù)量與母樹距離的關(guān)系圖。

空間分布格局指生物個體與環(huán)境相互作用中所形成的生境內(nèi)個體的空間配置。應(yīng)用方差均值比率法(Cx)、負二項參數(shù)(K)、平均擁擠度指數(shù)、聚塊性指數(shù)(C)、叢生指數(shù)(I)、格局指數(shù)(IΔ)這6種集群強度指數(shù)對樣地內(nèi)臭椿更新苗的空間分布格局進行判定和擬合[15-18]，主要計算公式為：

(1)

(2)

式中：N——自由度，在p=0.05水平差異不顯著；p<0.05，則符合隨機分布；否則為集群分布。

(3)

式中：K——負二項參數(shù)，K值與種群密度無關(guān)，K值愈小，集群度愈大。如果K值趨于無窮大(一般為8以上)，則接近隨機分布。

(4)

式中：m*——平均擁擠度指數(shù)；Xi——第i個樣本的個體數(shù)。

(5)

聚塊性指數(shù)(C)為平均擁擠度指數(shù)與平均個體數(shù)之比，即：

(6)

若C=1，隨機分布；C<1，均勻分布；C>1，集群分布。

(7)

式中：I——叢生指標(biāo)，當(dāng)I=1時，隨機分布；I>1時，集群分布；I<0時，均勻分布。

(8)

式中：n——樣本數(shù)；IΔ——格局指數(shù)；IΔ=1為隨機分布；IΔ<1均勻分布；IΔ>1為集群分布?？捎忙?檢驗來檢驗實測值與理論值差異的顯著度，公式為：

χ2=IΔ(∑Xi-1)+n-∑Xi

(9)

2 結(jié)果與分析

2.1 臭椿更新苗基本特征

2.1.1 樣地內(nèi)臭椿的更新方式 通過實地調(diào)查，統(tǒng)計出樣地內(nèi)共有更新苗302株，更新苗密度為1.56株/m2，可見在城市綠地中臭椿具有很大的更新潛力。經(jīng)過對100株隨機選擇的幼苗刨根后，發(fā)現(xiàn)其中僅有7株為萌蘗苗，其余93株均為種子實生苗，樣地內(nèi)萌蘗苗與實生苗的比例約為1∶13，說明樣地內(nèi)臭椿更新方式主要為種子繁殖。這可能是由樣地的立地條件以及樣地周邊特殊的環(huán)境條件(硬質(zhì)鋪裝的存在)造成的。

2.1.2 更新苗地徑級分布 統(tǒng)計出樣地內(nèi)臭椿更新苗不同個體的地徑級頻率分布，如圖1所示。從圖1中可以看出，更新苗地徑主要集中在2～3 mm地徑級，共有96株。其次是1～2 mm地徑級，共有77株?？傮w來講，樣地內(nèi)臭椿更新苗的地徑較小，集中分布于0

y=0.623 7x3-9.077x2+34.401x-11.856

(R2=0.922 9，p<0.01)

(10)

式中：y——地徑級(mm)；x——個體數(shù)量百分比(%)。

2.1.3 更新苗高度級分布 統(tǒng)計出樣地內(nèi)臭椿更新苗不同個體的高度級頻率分布如圖2所示，高度級個體數(shù)頻率結(jié)構(gòu)圖呈“間歇”型，個體頻率高峰出現(xiàn)在低高度級上，主要集中在2～4 cm高度級之內(nèi)，其個體數(shù)有86株，占總株數(shù)的28.48%。高高度級個體數(shù)量很少，高于20 cm的更新苗只有5株，可能是因為樣地南側(cè)有樓房遮蔭，光照條件較差，這與臭椿喜光、不耐蔭庇的特性相一致。中高度級的更新苗(6～18 cm)隨著高度級的增加，其個體數(shù)逐漸減小?？傮w來看，臭椿種群仍處于演替的初始階段。從圖2可以看出，臭椿更新苗不同高度級與個體數(shù)頻率之間的關(guān)系可用指數(shù)方程：

y=26.583 e-0.236x(R2=0.757 8，p<0.01)

式中：y——高度級(cm)；x——個體數(shù)量百分比(%)。

對比圖1和圖2可以看出，臭椿更新苗地徑級頻率分布圖和高度級頻率分布圖較為相似，表明二者之間存在著明顯的相關(guān)性，用SPSS軟件對地徑和高度進行回歸分析，地徑與高度之間的相關(guān)系數(shù)為0.489，其顯著性概率水平小于0.001，證明地徑與高度之間是高度相關(guān)的。

圖1 臭椿更新苗地徑級頻率分布

圖2 臭椿更新苗高度級頻率分布

2.2 臭椿更新苗的空間分布格局

樣方內(nèi)臭椿更新苗空間分布格局見表1。從表1中可以看出，方差均值比率Cx為2.24，大于1，t的數(shù)值為12.13，t檢驗極顯著；格局指數(shù)為1.79，大于1，χ2的數(shù)值為430.38，χ2檢驗極顯著；負二項參數(shù)K、平均擁擠度m*、聚塊性指數(shù)C、叢生指標(biāo)I的數(shù)值分別為1.26，2.81，1.79和1.24，各指數(shù)表征的結(jié)果一致，即樣地內(nèi)臭椿更新苗的分布格局總體表現(xiàn)為集群分布。一般來說，種群幼齡個體一般呈現(xiàn)集群分布，這與他人研究結(jié)論一致[19]。這種分布格局主要取決于種群的生物學(xué)特征，原因是同一物種的個體對光照、土壤和水分等環(huán)境條件的要求比較一致，因此同一物種的更新苗會在小尺度上呈現(xiàn)聚集分布，同時這種分布還能提高該物種共同抵抗病菌等不利生存條件的能力，進而提高該物種整體的存活率。

表1 臭椿更新苗的空間分布格局

2.3 硬質(zhì)鋪裝對臭椿更新苗空間分布的影響

硬質(zhì)鋪裝會對更新苗的空間分布產(chǎn)生影響。通過研究更新苗位置與母樹之間的空間關(guān)系發(fā)現(xiàn)，更新苗主要分布在母樹的西南方向，這是樣地北側(cè)的道路鋪裝、樣地南側(cè)的樓房鋪裝以及風(fēng)向這3個因素共同決定的。臭椿-1和臭椿-2距北側(cè)鋪裝的垂直距離只有1 m，臭椿-3距北側(cè)鋪裝的垂直距離有2 m，無論在任何方位，距母樹2 m范圍內(nèi)更新苗數(shù)量都很少，所以母樹北側(cè)幾乎無更新苗。另外，樣地北側(cè)為道路鋪裝，即使種子在此降落，也不存在萌發(fā)條件。而且道路鋪裝邊緣處踩踏現(xiàn)象較為嚴(yán)重，這也造成了此區(qū)域更新苗數(shù)量的減少。臭椿的更新苗主要是種子繁殖的實生苗，而風(fēng)力傳播是臭椿種子擴散的主要方式。樣地南側(cè)為樓房鋪裝，高大的樓房建筑物阻擋了向北的風(fēng)力，阻礙了種子隨風(fēng)向北傳播，導(dǎo)致母樹北側(cè)更新苗數(shù)量較少。此外，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，樓房鋪裝處更新苗存在著“扎堆”現(xiàn)象。分析原因可能是樓房阻擋了向南的風(fēng)力，使得靠風(fēng)力擴散的種子因樓房的阻擋而在此處聚集下來，出現(xiàn)更新苗“扎堆”的現(xiàn)象。樣地兩側(cè)鋪裝導(dǎo)致更新苗主要分布在母樹南側(cè)，調(diào)查發(fā)現(xiàn)更新苗主要分布在母樹的西南方向，風(fēng)向可能是母樹西側(cè)更新苗明顯多于東側(cè)的主要原因。在距母樹較近的范圍內(nèi)幾乎沒有更新苗的存在，可能是樹冠下光照條件較差、地表濕度較大的原因，這與臭椿喜光、忌水濕的特性相一致。另外，臭椿-1與臭椿-2之間的區(qū)域更新苗密集，因為該區(qū)域處在2株母樹的樹冠空隙下，光照條件、溫度都較樹冠層下高，具有較好的光熱條件，有利于臭椿更新苗的存活和生長。

2.4 硬質(zhì)鋪裝對臭椿天然更新距離特征的影響

硬質(zhì)鋪裝還會對天然更新的距離產(chǎn)生影響?？紤]到更新苗主要分布在母樹的西南方向，且母樹北側(cè)更新苗數(shù)量很少，是否統(tǒng)計北側(cè)更新苗不影響更新苗的距離特征，因而本研究統(tǒng)計了母樹西面的更新苗進行分析。通過研究更新苗數(shù)量與母樹距離的關(guān)系(圖3)后發(fā)現(xiàn)，更新苗數(shù)量隨著與母樹距離的增大基本呈現(xiàn)先升高后降低的特征。這與文中更新苗空間分布得到的結(jié)果一致。臭椿-1的有效更新距離可達12 m處，臭椿-2和臭椿-3的有效更新距離分別為7 m和11 m。臭椿-2和臭椿-3之間距離較短，臭椿-2的更新苗不可避免會向西南延伸到臭椿-3的西側(cè)，無法準(zhǔn)確判斷此處更新苗的歸屬，而在本研究中統(tǒng)計母樹西側(cè)的更新苗為該株母樹的更新苗，因而導(dǎo)致臭椿-2有效更新距離的低估，同時也造成了距臭椿-3較短距離(0～2 m)內(nèi)大量更新苗存在。臭椿-1在距母樹4～7 m更新苗數(shù)量最多，此范圍為更新苗最大聚集強度處。硬質(zhì)鋪裝距臭椿-1的西南方向距離為7.07 m，在臭椿-1的有效更新距離內(nèi)，但恰好處于更新苗最大聚集強度的范圍外，因此臭椿-1的天然更新雖然受到了硬質(zhì)鋪裝的影響，但其更新苗分布的距離特征仍較明顯。臭椿-2在距母樹3～5 m處更新苗聚集強度最高，而硬質(zhì)鋪裝距臭椿-2的西南方向距離為4.24 m，恰好處臭椿-2更新苗的最大聚集強度范圍內(nèi)，更新苗最大聚集強度處距母樹距離較臭椿-1縮短，干擾了臭椿-2天然更新的距離特征。臭椿-3在據(jù)母樹3～4 m內(nèi)更新苗聚集強度最高，鋪裝距臭椿-3的西南方向距離僅為2.83 m，小于更新苗最大聚集強度3～4 m的范圍，更新苗最大聚集強度處距母樹距離較臭椿-2再縮短，臭椿-3更新苗分布的距離特征徹底被打亂。結(jié)合圖3可知，硬質(zhì)鋪裝還造成了更新的突然中斷，導(dǎo)致有效更新距離縮短。

圖3 更新苗數(shù)量與母樹距離的關(guān)系

3 結(jié)論與討論

(1) 樣地內(nèi)臭椿更新苗主要為種子實生苗，更新苗的地徑和高度特征能夠很好地反映更新苗群落所處的更新階段。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，樣地內(nèi)3株臭椿的更新苗地徑均主要集中在2～3 mm地徑級，且所有更新苗不同地徑級與個體頻率之間的相關(guān)關(guān)系可用3次方程：y=0.623 7x3-9.077x2+34.401x-11.856較好擬合；臭椿更新苗高度均主要集中在2～4 cm高度級，臭椿更新苗不同高度級與個體數(shù)頻率之間的關(guān)系可用指數(shù)方程y=26.583 e-0.236x較好擬合；對臭椿更新苗的地徑和高度進行回歸擬合，結(jié)果表明二者呈高度正相關(guān)。城市綠地內(nèi)臭椿存在天然更新現(xiàn)象，調(diào)查并研究其更新情況可為臭椿在城市近自然林的營建和恢復(fù)方面提供數(shù)據(jù)資料和參考價值，為城市綠化管理者在建設(shè)生態(tài)城市方面提供一個新思路。

(2) 種群分布格局是植物與環(huán)境長期相互作用的結(jié)果。綜合方差均值比率(Cx)、叢生指數(shù)(I)、負二項參數(shù)(K)、平均擁擠度指數(shù)(m*)、聚塊性指數(shù)(C)和格局指數(shù)(IΔ)等6種集群強度指數(shù)來看，臭椿更新苗的空間分布格局整體上表現(xiàn)為集群分布，這與學(xué)者們的研究結(jié)論一致。幼苗的分布格局在一定程度上反映了水熱的分布格局，也會制約未來的生態(tài)學(xué)過程，因此研究樹種更新苗的空間分布格局，分析形成分布格局的原因和效應(yīng)，對從更深層次了解更新動態(tài)中潛在的規(guī)律性。

(3) 樣地南側(cè)的樓房鋪裝阻礙風(fēng)的傳播，導(dǎo)致更新苗主要分布在母樹南側(cè)，并且在樓房鋪裝邊緣處更新苗“扎堆”現(xiàn)象明顯。道路鋪裝處踩踏較為嚴(yán)重，導(dǎo)致了道路處更新苗較少。這表明，在城市綠地中，硬質(zhì)鋪裝對樹種更新苗的空間分布有較大影響。

(4) 硬質(zhì)鋪裝影響臭椿天然更新的距離特征。城市綠地中樹種的天然更新會因硬質(zhì)鋪裝受到阻斷。樹種天然更新受硬質(zhì)鋪裝的影響程度取決于硬質(zhì)鋪裝與母樹之間的距離：有效更新范圍外的鋪裝對樹種的天然更新基本沒有影響，有效更新距離內(nèi)的鋪裝對樹種的天然更新會產(chǎn)生影響，鋪裝與母樹的距離越近，鋪裝對更新苗分布的距離特征影響越大。本研究中受鋪裝影響的程度從小到大依次是臭椿-1，臭椿-2，臭椿-3，其更新苗最大聚集強度處距母樹的距離也是依次縮短。因此，在城市近自然林的營造中，應(yīng)盡量減少硬質(zhì)鋪裝的存在，不可避免時，應(yīng)盡量在母樹有效更新距離外安排鋪裝。

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Effects of Rigid Pavement on Natural Regeneration ofAilanthusAltissimain Urban Greenland

YANG Jianan1, LI Lanlan1, LI Xin1, LI Hongyuan1, QI Yong2,3, WANG Binbin2,3

(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,NankaiUniversity,Tianjin300071,China; 2.GreeneryLandscapsEngineeringCo.Ltd.Tianjin,Tianjin300384,China; 3.TianjinEnterpriseKeyLaboratoryofLandscapeEcologicalRestoration,Tianjin300384,China)

[Objective] The natural regeneration ofAilanthusaltissimain Nankai University were investigated in order to provide the scientific basis for urban natural forest construction and management. [Methods] We used the quadrat sampling method to investigate the quantity, ground diameter and height ofA.altissimain Nankai University. The gather intensity indexes includingCx,I,K,m*,CandIΔwere used to analyze the spatial distribution pattern of natural regeneration seedling inA.altissima. [Results] (1)A.altissimaregenerated naturally in urban greenland. The peak regeneration occurred at seedlings with ground diameter of 2～3 mm. The height level frequency distribution of seedlings showed a “intermittence” type, which was mainly distributed at the height of 2～4 cm. (2) The value ofCx,K,m*,C,I,IΔwas 2.24, 1.26, 2.81, 1.79, 1.24 and 1.79, respectively. [Conclusion] Rigid pavement influences the distance of natural regeneration and the spatial distribution of seedlings.

natural regeneration; rigid pavement;Ailanthusaltissima; urban greenland

2014-06-20

2014-08-14

國家自然科學(xué)基金項目“不同生境下城市綠化樹種VOCs排放影響機制及估算模型研究” (31370700)

楊佳楠(1990—),女(漢族),河北省遷安市人,碩士研究生,研究方向為環(huán)境生態(tài)學(xué)。E-mail:yangjianannankai@163.com。

李洪遠(1963—),男(漢族) ,天津市武清區(qū)人，博士，教授,博士生導(dǎo)師,主要從事恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究。E-mail:eialee@nankai.edu.cn。

A

1000-288X(2015)05-0164-05

Q948