植物印記提取
——以內(nèi)蒙古大青山蒙椴為例

韓 鵬,白恒勤,劉 俊,劉冠志

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,呼和浩特 010019；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)園藝研究所,呼和浩特 010010；3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院,呼和浩特 010019)

植物印記提取
——以內(nèi)蒙古大青山蒙椴為例

韓 鵬1,白恒勤1,劉 俊2,劉冠志3

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,呼和浩特 010019；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)園藝研究所,呼和浩特 010010；3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院,呼和浩特 010019)

為提高呼和浩特市綠地系統(tǒng)的生物多樣性及城郊綠地的生態(tài)修復(fù)質(zhì)量,引進(jìn)新西蘭低影響城市設(shè)計(jì)與開發(fā)(Low Impact Urban Design and Development,LIUDD)實(shí)踐活動(dòng)中所使用的植物印記法(plant signature approach),對(duì)當(dāng)?shù)貓@林應(yīng)用前景優(yōu)良的野生樹種蒙椴(Tiliamongolica)進(jìn)行植物印記提取,以獲取并驗(yàn)證植物印記提取方法。選取大青山哈拉沁溝為研究地,以蒙椴景觀群落為研究對(duì)象,采用線路調(diào)查、典型取樣及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法,選取該區(qū)域生態(tài)效益好、景觀優(yōu)良及地帶性突出的蒙椴植物群落,進(jìn)行生物多樣性分析；選取生物多樣性較高的群落,進(jìn)行群落分布、空間結(jié)構(gòu)特征及種群結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析；依據(jù)分析結(jié)果,提取該樹種“植物印記”。

生物多樣性；植物印記；蒙椴；生態(tài)修復(fù)

“植物印記”(plant signature)是新西蘭為保護(hù)本土生物及提高生物多樣性提出的種植設(shè)計(jì)理念[1-2],后發(fā)展成為該國(guó)建設(shè)“海綿城市”目標(biāo)項(xiàng)目中植物景觀設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想[3],并在隨后展開的 “低影響城市設(shè)計(jì)與開發(fā)(Low Impact Urban Design and Development,LIUDD)” 行動(dòng)中得以實(shí)踐,并取得良好效果[4]。就性質(zhì)而言,“植物印記”是抽象化的具體場(chǎng)所或植物群落,同時(shí)又是對(duì)當(dāng)?shù)刂参锞坝^特色的具體化[5]；“植物印記”是全部源自當(dāng)?shù)靥烊恢参锞坝^的植物配置模式,具有展現(xiàn)區(qū)域原有自然景觀,對(duì)地帶性景觀代表性強(qiáng)并蘊(yùn)含區(qū)域景觀自然演變主要進(jìn)程的獨(dú)有功能性[3]；“植物印記”具有生態(tài)學(xué)及景觀學(xué)雙重屬性,其生態(tài)效益主要表現(xiàn)為提升生物多樣性、生態(tài)安全性及本地物種保護(hù)力度[3]等；其園林景觀效益主要表現(xiàn)為突出景觀地方特色及自然特性,提高景觀觀賞價(jià)值、豐富度及穩(wěn)定性等?！爸参镉∮洝痹趪?guó)外的相關(guān)研究中,目前還停留在本土植物種類的配植及自然狀態(tài)恢復(fù)方面,“印記”空間結(jié)構(gòu)及其提取方法的研究還未開展[6-8],這是目前實(shí)踐應(yīng)用的主要難點(diǎn)。本研究采用生物多樣性測(cè)定及群落空間分析的方法進(jìn)行“印記”提取,創(chuàng)建 “植物印記”提取方法,推進(jìn)其空間結(jié)構(gòu)的研究并進(jìn)行實(shí)踐檢驗(yàn)。

本研究以呼和浩特市(以下簡(jiǎn)稱呼市)大青山前坡生態(tài)保護(hù)區(qū)景觀建設(shè)項(xiàng)目[9](2016年城市園林綠化重點(diǎn)項(xiàng)目)為依托,以解決該項(xiàng)目由于呼市園林骨干樹種及配植形式貧乏[10-11](該項(xiàng)目骨干樹種為油松[12],如雅瑪圖森林公園線路調(diào)查顯示油松純林景觀比例超過90%),所導(dǎo)致的生物多樣性下降、景觀單調(diào)及生態(tài)服務(wù)功能減弱等問題[13-15],并加強(qiáng)地帶性植物群落的保護(hù),為此,引進(jìn)“植物印記”景觀建設(shè)理念。在2011—2016年的前期研究[16-17]中,探明了呼市園林樹木種類及應(yīng)用概況、哈喇沁溝樹種資源概況并對(duì)景觀優(yōu)勢(shì)種進(jìn)行了園林應(yīng)用前景預(yù)測(cè)。本研究對(duì)“植物印記”提取方法展開研究,創(chuàng)建“植物印記”提取法,通過使用該方法對(duì)蒙椴(Tilia mongolica)進(jìn)行了“植物印記”提取,以實(shí)現(xiàn)對(duì)“植物印記”提取法的實(shí)踐檢驗(yàn),并獲取蒙椴的“植物印記”,以服務(wù)于建設(shè)項(xiàng)目。

1 研究材料與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

大青山前坡生態(tài)建設(shè)工程位于大青山南坡中段,呈東西走向,規(guī)劃區(qū)東西長(zhǎng)約45 km,南北平均寬約3.4 km,規(guī)劃面積約150 km2。研究區(qū):位于內(nèi)蒙古大青山哈拉沁溝流域下游西側(cè),地理位置為40°54′48″～40°55′59″N,111°39′15″～111°42′27″E；地處呼市以北,陰山山脈中段,屬于溫帶大陸性氣候半干旱區(qū)；地形復(fù)雜、坡陡谷深、石土混雜,谷底高程1 300～1 450 m,山頂高程約1 900 m；年平均氣溫3.7℃,年平均降水量450 mm；土壤以淋溶灰褐土、粗骨土、灰褐土和草灌灰褐土4類為主[18]。大青山有木本植物超過110種[19]。研究區(qū)域北坡及西坡植被繁茂,東南坡向稀少[20]。哈拉沁溝位于規(guī)劃區(qū)中部偏東,植物資源豐富,位置緊鄰市區(qū),生境與市區(qū)高度相似,適于進(jìn)行園林學(xué)研究。

1.2 研究材料

根據(jù)“植物印記”的特點(diǎn)及應(yīng)用要求,應(yīng)選取自然屬性、地帶性、觀賞性及可識(shí)別性均較高的樹種。本研究選取蒙椴為研究對(duì)象:首先,前期研究結(jié)果顯示蒙椴在呼市地區(qū)尚未普遍使用,具有良好的園林應(yīng)用前景,故研究?jī)r(jià)值較高；其次,該樹種觀賞價(jià)值較高,生態(tài)適應(yīng)性較強(qiáng)[21-22]；第三,蒙椴季相變化顯著,景觀特色鮮明[23-24],可識(shí)別度高。

研究區(qū)內(nèi)蒙椴分布于海拔1 300～1 700 m的中低山帶的次生林中,多與山楊(Populusdavidiana)、白樺(Betulaplatyphylla)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、蒙古莢蒾(Viburnummongolicum)及遼東櫟(Quercusliaotungensis)等針闊葉喬木樹種混生[21]。

1.3 調(diào)查方法

采用線路調(diào)查與重點(diǎn)樣地調(diào)查相結(jié)合的調(diào)查方法,實(shí)地勘察按照樣地設(shè)置、GPS定位、現(xiàn)場(chǎng)拍照和測(cè)量記錄的程序進(jìn)行,調(diào)查從溝口,沿溝向北,順山坡林間空隙向西,到達(dá)山頂。由于木本植物群落形態(tài)突出,目測(cè)識(shí)別率高,故根據(jù)調(diào)查線路、海拔及生境的不同,沿線挑選木本植物密度較高、種類較多且包含蒙椴的群落,以蒙椴為中心,設(shè)置若干個(gè)20 m×20 m的樣圓。照此步驟,最終共調(diào)查有效樣圓24個(gè)(圖1)。以單個(gè)樣方為單位,采用每木調(diào)查法,記錄并實(shí)測(cè)樣地中出現(xiàn)的樹種、位置、株數(shù)、冠幅、株高、生長(zhǎng)狀況、生境及景觀效果等相關(guān)數(shù)據(jù),并拍照和采集標(biāo)本。調(diào)查時(shí)間從2015年6月下旬開始,確定樣地,編號(hào)整理,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),實(shí)地拍照及繪制平面圖,到2016年8月初結(jié)束。通過調(diào)查獲取研究地的樹種構(gòu)成、群落結(jié)構(gòu)及群落多樣性等原始數(shù)據(jù),以樣圓圓心為拍攝點(diǎn),對(duì)群落外觀進(jìn)行拍照取樣。

圖1 研究區(qū)樣地分布

1.4 樣地處理

為使 “植物印記”的生物多樣性達(dá)到豐富或較豐富,對(duì)蒙椴群落進(jìn)行生物多樣性分析,選取生物多樣性較高的群落,作為“植物印記”模本,構(gòu)建接近自然屬性且生物多樣性較高的蒙椴人工景觀植物群落。依據(jù)樣地樹種調(diào)查結(jié)果,選取符合研究需要的蒙椴植物群落,確定有效樣圓；對(duì)樣圓進(jìn)行生物多樣性測(cè)定,依據(jù)生物多樣性測(cè)定結(jié)果,進(jìn)行排序及分級(jí),選取多樣性指數(shù)為豐富及較豐富的景觀群落,解析其群落空間結(jié)構(gòu),提取“植物印記”。

生物多樣性指數(shù)計(jì)算采用Simpson多樣性指數(shù)(diversity index):

Shannnon-Weiner指數(shù)H′[25]:

(1)

式中:H′是多樣性指數(shù),S是種的總數(shù),Pi是樣本中屬于i種所占的比例。多樣性指數(shù)越大,則景觀多樣性越高。

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理采用極差法[26]:

(2)

式中:F(Hi)為多樣性指數(shù)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化值,Hi為第i項(xiàng)的實(shí)測(cè)值,Himin為i項(xiàng)實(shí)測(cè)值中的最小值,Himax為實(shí)測(cè)值中的最大值。

1.5 空間結(jié)構(gòu)解析

以蒙椴為方位參照,對(duì)群落進(jìn)行空間解析,建立空間模本。依據(jù)各樣地生物多樣性的分級(jí)結(jié)果,挑選出多樣性高的樣地,采用角尺度及樣線處理相結(jié)合的方法[27],進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)分析。角尺度是用來(lái)描述相鄰木圍繞參照樹均勻性的指標(biāo),具有較強(qiáng)的空間解析能力。以蒙椴作為樣圓幾何圓心,以此為交點(diǎn)做東西方向及南北方向兩條垂直剖線,將樣圓分成4個(gè)區(qū)域(NE,NS,SE和SW),對(duì)各區(qū)域內(nèi)不同種樹種的出現(xiàn)頻度、相對(duì)頻度及距離樣圓中心的距離進(jìn)行計(jì)算,依據(jù)計(jì)算結(jié)果,創(chuàng)建植物群落空間模式,即為該樹種的植物印記。為提高精準(zhǔn)度,也可將區(qū)域進(jìn)一步劃分為不同方位的8個(gè)區(qū)域,即NE1,NE2,NS1,NS2,SE1,SE2,SW1和SW2(圖2)。此次為階段性研究,將進(jìn)行4個(gè)區(qū)域(NS,NS,SE和SW)的研究。

圖2 研究區(qū)蒙椴群落空間解析圖

頻度數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理[26]:

式中:F(Fi)為相對(duì)頻度數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化值,Fi為第i項(xiàng)的實(shí)測(cè)值,Fimin為i項(xiàng)實(shí)測(cè)值中的最小值,Fimax為實(shí)測(cè)值中的最大值。

2 結(jié)果與分析

2.1 樹種構(gòu)成及分類

24處樣地共記錄到木本植物18種(表1),進(jìn)行分類分析。

2.2 群落生物多樣性及分級(jí)

各樣地生物多樣性分析結(jié)果如圖3所示。依據(jù)計(jì)算結(jié)果,將多樣性狀況劃分為4個(gè)等級(jí),即豐富(>0.65)、較豐富(0.65～0.40)、一般(0.40～0.20)和貧乏(<0.20)[26]。生物多樣性較豐富的樣地排序?yàn)闃拥?>樣地13>樣地14>樣地7>樣地20>樣地6>樣地15>樣地8>樣地4>樣地9。

表1 大青山哈拉沁溝蒙椴群落伴生樹種種類 分布 方位及株數(shù)

圖3 研究區(qū)蒙椴樣地多樣性指數(shù)

2.3 植物印記提取

樹種頻度分布如圖4、表2所示。

為獲取“植物印記”樹種的相對(duì)位置,對(duì)高頻度樹種進(jìn)行中心距離測(cè)定,依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果,對(duì)各樣地高頻度樹種的中心距進(jìn)行平均值計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如表3所示。

圖4 研究區(qū)樹種分區(qū)頻度排序

表2 樹種頻度區(qū)域分布分級(jí)

表3 高頻度樹種中心距

2.4 植物印記模型

“植物印記”如圖5所示。

印記1為理論層面的典型印記,4個(gè)區(qū)域的樹種皆為出現(xiàn)頻度最高的樹種；印記2 適合于實(shí)際運(yùn)用,樹種選擇范圍更廣,生物多樣性更高。

3 結(jié)論與討論

圖5 蒙椴植物印記模式

“植物印記”源自對(duì)天然植物群落的提煉,因而與自然界植物群落景觀相似度相對(duì)較高。對(duì)蒙椴植物印記的采集表明:通過合理設(shè)置研究區(qū)并進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)查,可精準(zhǔn)采集“植物印記”。研究區(qū)宜選取植被狀況良好,且靠近綠化用地的區(qū)域；本研究采用的典型取樣法適用于園林研究；由于大青山前坡工程?hào)|西跨度大,因此,“植物印記”的精準(zhǔn)度隨著與研究區(qū)距離的增大而逐漸下降。另大青山前坡綠化項(xiàng)目的骨干樹種較多,因此,對(duì)其他樹種印記的采集還有待完成。

本研究為階段性研究,是對(duì)前期研究[16-17]的深化,前期的研究?jī)H局限于鄉(xiāng)土樹種的選擇,本研究引入空間結(jié)構(gòu)特征研究,以天然林為模板,因此,就樹種組成及空間結(jié)構(gòu)而言,更接近于天然景觀,因而實(shí)踐性與精準(zhǔn)度都得以提高。

明確優(yōu)勢(shì)鄉(xiāng)土樹種“植物印記”的價(jià)值并科學(xué)使用,可有效緩解呼市城市綠地鄉(xiāng)土樹種相對(duì)較少、應(yīng)用方式單調(diào)及景觀趨同的缺陷,對(duì)于營(yíng)造地方特色園林景觀,優(yōu)化群落景觀結(jié)構(gòu),維護(hù)生態(tài)安全、提高生物多樣性及保持城市綠地生態(tài)系統(tǒng)健康具有重要意義。鑒于此,建議在生態(tài)修復(fù)過程中,對(duì)天然狀態(tài)的 “植物印記”予以保留。

研究誤差主要是由于典型取樣法、生物多樣性計(jì)算、群落各樹種的相對(duì)頻度計(jì)算及未計(jì)算伴生樹種與蒙椴的距離所造成的。后續(xù)研究工作擬將距離參數(shù)作為主要研究對(duì)象,并進(jìn)行8個(gè)區(qū)域的研究,以采集更為精準(zhǔn)的植物印記。

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Plant Signature Extraction—A Case Study ofTiliamongolica

HAN Peng1,BAI Hengqin1,LIU Jun2,LIU Guanzhi3

(1.ForestryCollege,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010019,China;2.InnerMongoliaResearchInstituteofHorticulture,InnerMongolia010010,China;3.CollegeofEcologyandEnvironmentalScience,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010019,China)

Our research aims to create an approach for obtaining the plant signature of an area.This was developed in New Zealand as a central concept for plant arrangement in the practice of Low Impact Urban Design and Development (LIUDD).This technique was implemented to improve ecological restoration in suburban area of Hohhot.This research is focused on the commonly occurring ornamental tree speciesTiliamongolicagrowing in Halaqingou stream valley of Daqingshan Mountain.Route investigation,typical sampling methods and plot investigation methods were used on this wild dominant tree species in forest populations.The best grownTiliamongolicacommunities with high ecological benefits,beautiful view and obvious zonality were chosen for survey.The biodiversity levels of theTiliamongolicacommunities were clarified by analyzing their biodiversity indexes.Those communities with high standard of biodiversities were targeted to discover their distribution patterns,spatial structure feature and species composition.Accurate plant signatures were established from the preceding information.

biodiversity,plant signature,Tiliamongolica,ecological restoration

2017-03-29；

2017-04-14

內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金(2015MS0386)；博士科研啟動(dòng)基金(203/206027)

韓鵬 (1971-),男,黑龍江哈爾濱人,博士,主要從事園林植物及景觀設(shè)計(jì)方面的研究工作。 Email:hanpeng71@163.com

白恒勤(1963-),男,內(nèi)蒙古人,副教授,碩導(dǎo),主要從事風(fēng)景園林教學(xué)和科研工作。 Email:baihengqin@126.com

S812;S792.36

A

1002-6622(2017)02-0074-07

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.02.013