城市濕地公園生物多樣性設(shè)計與評估——以六盤水明湖國家濕地公園為例

郝 晟,王春連,林浩文

1 北京大學(xué)建筑與景觀設(shè)計學(xué)院, 北京 100871 2 北京大學(xué)景觀設(shè)計學(xué)研究院, 北京 100871 3 北京土人城市規(guī)劃設(shè)計股份有限公司, 北京 100080

城市濕地公園是一種獨特的公園類型,是指納入城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃的、具有濕地的生態(tài)功能和典型特征的,以生態(tài)保護(hù)、科普教育、自然野趣和休閑游覽為主要內(nèi)容的公園[1]。公園是在城市化過程中幸存下來的或者是恢復(fù)了的破碎的城市生境[2]。合理的規(guī)劃和設(shè)計使得城市公園中往往具有高度多樣化的生境,例如森林、灌叢、樹籬、草地、草坪、花園、坑塘、湖泊、建筑物、道路等,保存著某些自然植被片段和多種動物,那里的生物多樣性往往非常高[3],對于維護(hù)城市生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要意義。城市濕地公園生物多樣性的評估研究中,國外比利時學(xué)者提出了一種對城市和郊區(qū)公園中的生物多樣性評估的方法[4],主要從生境多樣性與物種多樣性兩個方面進(jìn)行評估。生境多樣性將“棲息地單元”歸整為點、線、面三種類別,物種多樣性通過樣方法統(tǒng)計與歸類維管植物的物種數(shù)量,最終利用Shannon-Wiener指數(shù)計算得到兩者相對應(yīng)的多樣性指數(shù)；國內(nèi)學(xué)者在評估方面的研究工作多集中于物種水平[5- 8],從定性研究逐步走向定量化研究,出現(xiàn)了10多種評估群落物種多樣性的指標(biāo),如物種的豐富度、多樣性、多度、均勻度等[9],方法上有學(xué)者構(gòu)建了一種國家濕地公園管理評估指標(biāo)體系, 并給出了每個因子的權(quán)重、賦值范圍以及具體的定量化評估方法[10]。生態(tài)系統(tǒng)擁有的物種和棲息地種類越多,抗干擾能力就越強(qiáng)[11]。

本文以明湖國家濕地公園為例,通過對公園生物多樣性設(shè)計和評估,對比計算濕地公園剛建成時與建成五年后的生物多樣性指數(shù),以定量化的數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ),通過建立對生境多樣性與物種多樣性的空間耦合關(guān)系,分析影響公園物種多樣性變化的生境要素,為我國城市人工濕地公園設(shè)計提供借鑒。

1 研究區(qū)概況和規(guī)劃設(shè)計策略

六盤水明湖國家濕地公園在六盤水市中心城區(qū),水城河的上游區(qū)段,距市區(qū)二級水源地窯上水庫約1.5 km(圖1)。明湖濕地原場地中,有被垃圾和污水污染的濕地區(qū)域,有廢棄的魚池及管理不善的山坡地,垃圾遍地、污水橫流。作為生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的示范項目,該項目設(shè)計的第一步就是重建生態(tài)健康的土地生命系統(tǒng),包括改善雨水水質(zhì),恢復(fù)原生棲息地,建造通向高品質(zhì)開放空間的游憩道,最后促進(jìn)整個城市的發(fā)展。為實現(xiàn)這些目標(biāo),工程的具體策略包括：

(1)拆除混凝土河堤,恢復(fù)濱水生態(tài)地帶,為各種挺水、浮水和沉水植物提供生境(圖2)。沿河建造曝氣低堰,以增加水體含氧量,促進(jìn)富營養(yǎng)化的水體被生物所吸收。

圖1 明湖國家濕地公園平面Fig.1 Minghu national wetland park master plan

圖2 公園植被分布Fig.2 Park vegetation distribution

(2)建造梯田濕地和陂塘系統(tǒng)(圖3),以削減洪峰流量,調(diào)節(jié)季節(jié)性雨水。梯田的靈感來源于當(dāng)?shù)氐脑焯锛夹g(shù),通過攔截和保留水分,使陡峭的坡地成為豐產(chǎn)的土地。它們的方位、形式、深度都依據(jù)地質(zhì)因素和水流分析而設(shè)定。根據(jù)不同的水質(zhì)和土壤環(huán)境,種植了鄉(xiāng)土植被(主要采用播種的方式)[12]。這些梯田狀棲息地減緩了水流,水中過盛的營養(yǎng)物質(zhì)成為微生物和植物生長所需養(yǎng)分來源,從而加快了水體營養(yǎng)物質(zhì)的去除。

(3)人行道和自行車道沿著水系鋪展(圖4),在濕地梯田之間形成網(wǎng)絡(luò)。設(shè)有大量座椅、涼亭和觀光塔的休息平臺融入設(shè)計的自然系統(tǒng)中,便于所有人進(jìn)入,促進(jìn)了學(xué)習(xí)、娛樂和景觀審美體驗,并設(shè)計了一個環(huán)境解說系統(tǒng)以幫助游客理解這些地方的自然和文化含義。

圖3 公園水系分布Fig.3 Park water system distribution

圖4 公園道路分布Fig.4 Park road distribution

2 研究方法

明湖國家濕地公園建成于2012年4月,至2017年7月調(diào)研時間為止,已有5年的歷史,通過現(xiàn)場考察與相關(guān)文獻(xiàn)的對比研究發(fā)現(xiàn)公園中的景觀結(jié)構(gòu)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生了較大的改變,研究以六盤水市明湖國家濕地公園為例,通過生境多樣性與物種多樣性對公園剛建成與建成5年后的城市濕地景觀中生物多樣性的評估與優(yōu)化進(jìn)行研究。

2.1 生境多樣性

2.1.1生境單元調(diào)查和分類方法

生境多樣性是對于公園的生境單元多樣性進(jìn)行評估,由于不同類型的生境單元對公園中的生物多樣性具有不同的影響,并且測量方法不同,因此按照類型分為面狀要素、線狀要素與點狀要素(表1)。按此分類標(biāo)準(zhǔn)可將明湖國家濕地公園中面狀要素包括自然林、灌木林、草地、水域等；線性要素包括道路、樹列、墻壁、橋梁等；點狀要素主要有水池與其他公共基礎(chǔ)設(shè)施。

表1 生境單元多樣性分類標(biāo)準(zhǔn)

表中數(shù)據(jù)引自Hermy and Cornelis, 2000[4]

2.1.2生境單元多樣性測度計算方法

(1)生境多樣性指數(shù)

根據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)計算出公園中生境單元的總面積、長度或數(shù)量的比例。將這些比例代入Shannon-Wiener公式,即可計算出生境單元的多樣性指數(shù)：

式中,H′是生境單元多樣性指數(shù),i是第i個生境單元,s是生境單元的總數(shù),ni是生境單元i的面積、長度或數(shù)量,N是公園中生境單元的總面積、總長度或總數(shù)。

(2)生境飽和度指數(shù)

式中Smax代表生境單元的總數(shù)。

2.2 物種多樣性

2.2.1物種多樣性調(diào)查方法

城市公園的景觀結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在植物多樣性的變化,故研究重點在于對比公園剛建成與建成5年后植物多樣性指標(biāo)的變化,研究采用樣方法進(jìn)行植物群落的調(diào)查。

由于物種豐富度和多樣性通常隨面積而增加,故所采樣方數(shù)與園區(qū)總面積成正比,植物樣方類別分為喬灌木與草本水生植物兩類,其中喬灌木的樣方采用10 m×10 m的單元面積,其總面積占至公園建成面積的1%；草本水生植物的樣方則采用2 m×2 m單元面積,其總面積占公園建成面積的0.2%[4]。場地面積約為21.36 hm2,遵循樣方的選取規(guī)律,計算得出喬灌木樣方數(shù)為21個,草本樣方數(shù)為107個。其中調(diào)查樣方的分布為在場地內(nèi)隨機(jī)均勻取樣(圖5),并記錄樣方內(nèi)喬灌木植物的種類、科、屬與數(shù)量(草本與水生植物換算為覆蓋度)。

圖5 場地植物樣方分布Fig.5 Sample distribution of site plants

2.2.2物種多樣性計算方法

3 研究結(jié)果分析

3.1 人工濕地生境多樣性設(shè)計和分析

經(jīng)過對濕地公園生境實地調(diào)研,結(jié)合場地施工圖設(shè)計,采用地理信息系統(tǒng)分析提取出面狀要素的面積、線狀要素的長度和點狀要素的個數(shù),得出場地的生境單元的分布情況(圖6),并計算對應(yīng)的生境多樣性指數(shù)與飽和度指數(shù)(表2)。數(shù)據(jù)分析反映出公園生境單元類型較豐富,公園中面狀、現(xiàn)狀要素飽和度指數(shù)都超50%,生境多樣性情況良好。公園內(nèi)面狀要素多樣性指數(shù)最高達(dá)到1.28,水域、草地與自然林占主體,占比最大的要素為水域,占到40%,也是濕地公園重要的組成元素,集中水域面積主要分布于場地地勢較低的東北側(cè),主要功能為對雨水的收集消納與對公園小氣候的調(diào)節(jié)；分散水域主要集中于場地中較大高差的中部至南部,主要功能為對雨水的凈化與截留。線狀要素中主要元素為道路,占到63.1%,主要集中于場地中部,是場地人群活動的主要發(fā)生地。點狀要素較少,主要為水井、涼亭、小型建筑物,調(diào)研發(fā)現(xiàn)場地的水井主要分布在自然程度較高的西側(cè)與南側(cè),主要用于場地局部的雨水消解。

圖6 場地生境類型分布Fig.6 Habitat units distribution

通過植物群落的設(shè)計和營造棲息地,創(chuàng)造出適宜動植物生存的生境區(qū)域,城市濕地公園中的植物是動物棲息地的主要載體,其種植設(shè)計考慮鳥嗜植物的應(yīng)用,還應(yīng)重視植被蓋度和植被的群落結(jié)構(gòu),多選用適宜動物棲息的鄉(xiāng)土物種,在園內(nèi)不同區(qū)域營建多樣的植物群落。城市濕地公園的生境營建考慮降低人類活動對生物棲息地的干擾,建筑設(shè)施和園路應(yīng)遠(yuǎn)離棲息地,保證動物有較為隱蔽的活動空間。種類多樣的鄉(xiāng)土植物經(jīng)過長期的生長、競爭和演替,在當(dāng)?shù)匦纬闪斯δ芊€(wěn)定且動態(tài)平衡的復(fù)雜植物群落,是一個地區(qū)重要的物種基金庫,也是生物多樣性的重要組成部分。六盤水明湖濕地在植物群落配置上大量使用鄉(xiāng)土植物,例如喬灌木物種香樟、水杉、楓楊等,水生植物物種包括白車軸草、麥冬、蘆葦?shù)?。生境建成?根據(jù)其所表現(xiàn)出來的發(fā)展趨勢進(jìn)行目標(biāo)監(jiān)控,對發(fā)展不佳及逆向發(fā)展生境要進(jìn)行及時調(diào)整,隨時根據(jù)目標(biāo)監(jiān)控結(jié)果進(jìn)行新一輪的生境設(shè)計循環(huán)。

表2 明湖國家濕地公園生境單元分類名單與統(tǒng)計表

3.2 人工濕地物種多樣性評估

(1)喬灌木多樣性變化

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn),明湖國家濕地公園剛建成時期喬灌木植物達(dá)到15科,22屬,27種,其中香樟、水杉、楓楊、無患子等植被占比數(shù)較高,屬于場地內(nèi)的優(yōu)勢種；同時對比整理出公園建成5年后的植物種類可以發(fā)現(xiàn)場地內(nèi)喬灌木植物達(dá)到34科,50屬,59種,植物的種類明顯增多,其中丁香、香樟、蠟梅、榆樹等植物成為新的優(yōu)勢種群(圖7)。

圖7 明湖國家濕地公園植物種類對比Fig.7 Comparison of plant species in Minghu National Wetland Park

研究對2012年公園剛建成時喬灌木樣方的Shannon-wiener指數(shù)與2017年公園建成5年后的喬灌木樣方的Shannon-wiener指數(shù)進(jìn)行計算(圖8),結(jié)果顯示公園剛建成時期的植物多樣性指數(shù)普遍低于建成五年后,甚至有些區(qū)域會出現(xiàn)指數(shù)為0的現(xiàn)象。多樣性指數(shù)增幅為0.18—1.61。利用ArcGIS將計算結(jié)果進(jìn)行空間分布研究(圖9),發(fā)現(xiàn)公園建成5年后喬灌木群落多樣性程度恢復(fù)明顯,集中表現(xiàn)在園區(qū)的西部、南部與東部。其中東部、南部指數(shù)變化較大,東部為自然林分布區(qū)域生物多樣性指數(shù)增幅達(dá)到1至1.61,南部為梯級水域區(qū)域生物多樣性指數(shù)增幅為0.87—0.99之間。

圖8 公園建成時和建成5年后場地喬灌木植物樣方Shannon-wiener指數(shù)對比(H)Fig.8 Comparison of the Shannon-wiener index of the shrub plant sample at the completion of the park and after 5 years of construction (H)

圖9 公園剛建成和建成5年后喬灌木Shannon-wiener指數(shù)分布圖Fig.9 The park has just been built and after 5 years of construction Shannon-wiener index distribution of shrubs and shrubs

(2)草本水生植物多樣性變化

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn),公園剛建成時期草本水生植物達(dá)到20科,34屬,39種,其中白車軸草、麥冬、蘆竹、蘆葦?shù)戎脖徽急葦?shù)較高,屬于場地內(nèi)的優(yōu)勢種；公園建成5年后場地內(nèi)草本水生植物達(dá)到39科,71屬,84種,植物的種類明顯增多,優(yōu)勢種群結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生太大改變(圖10)。

圖10 明湖國家濕地公園草本水生植物覆蓋度對比Fig.10 Comparison of herb aquatic plant coverage in Minghu National Wetland Park

研究對公園2012年剛建成時各個草本水生植物樣方的Shannon-wiener指數(shù)與2017年公園建成5年后的草本水生植物樣方的Shannon-wiener指數(shù)進(jìn)行計算(圖11),結(jié)果顯示調(diào)查樣地75%以上的樣方公園5年后的草本水生植物的生物多樣性指數(shù)高于公園剛建成時期,多樣性指數(shù)增加最大值1.05,平均增加0.3。利用ArcGIS將計算結(jié)果進(jìn)行空間分布研究(圖12)發(fā)現(xiàn)公園草本水生植物群落多樣性程度恢復(fù)同樣明顯,集中表現(xiàn)在園區(qū)的西南部、南部與中部。西南部與南部自然林占比最高,基本增幅在0.8左右,故自然的演替使生物多樣性得到了大幅提高；中部雖人為活動干預(yù)較多,但調(diào)研發(fā)現(xiàn),此區(qū)域主要為人工對植被進(jìn)行了補(bǔ)種,故生物多樣性也得到了部分提升,基本增幅為0.34左右,而多樣性指數(shù)變化較少的區(qū)域則主要分布于靠近人工構(gòu)筑物或硬質(zhì)駁岸附近,進(jìn)本增幅僅為0.1左右。

圖11 場地草本水生植物Shannon-wiener指數(shù)對比圖Fig.11 Comparison of Shannon-wiener index of herbaceous aquatic plants in the site

圖12 公園建成時和建成5年后草本水生植物Shannon-wiener指數(shù)Fig.12 When the park is completed and after 5 years of construction Shannon-wiener index of herbaceous aquatic plants

3.3 人工濕地生境與物種多樣性的空間耦合分析

圖13 公園5年中喬灌木Shannon-wiener指數(shù)變化 Fig.13 Changes in the Shannon-wiener index of the shrubs in the park during the past 5 years

通過對比明湖國家濕地公園從建成至今的生物多樣性變化,可以發(fā)現(xiàn)公園整體的喬灌木以及草本水生植物的多樣性平均指數(shù)提升很大,喬灌木植被變化明顯的區(qū)域主要集中在公園的中部、南部、東部(圖13,14),草本水生植被變化明顯的區(qū)域主要集中在公園的西部、南部、中部(圖15,16)。將其分別與公園的生境分布進(jìn)行疊加耦合可知,促使生物多樣性變化的主要為兩大原因：一、公園中自然林的演替結(jié)果,主要反映在場地的東側(cè)與南側(cè),其中優(yōu)勢喬灌木種群為香樟、楓楊、白車軸草、狼尾草等,水生植被為蘆葦、蘆竹、香蒲等；二、人為對公園植被的補(bǔ)種,結(jié)果顯示影響公園喬灌木指數(shù)變化的空間主要集中于公園道路分叉口、公園出入口與基礎(chǔ)設(shè)施建筑周邊,影響公園草本水生植物指數(shù)變化的空間主要集中于公園梯級水系、步行天橋下方空間與西南部分的混交林區(qū)域。同時通過對此現(xiàn)象進(jìn)行訪談得知,該區(qū)域范圍內(nèi)五年進(jìn)行過多次的人工植被補(bǔ)種,補(bǔ)種的喬木植被主要為池杉、國槐、玫瑰、海桐等觀賞類植物,水生植被為花葉蘆竹、再力花等,觀察發(fā)現(xiàn)人工種植的植物主要集中分布在公園的中部與東南部等靠近人行步道附近區(qū)域,種植形式主要為線性行道樹、綠籬和部分的花壇景觀,其目的是為了維持公園修剪維護(hù)、提升觀賞價值與營造景觀安全氛圍。

圖14 生境多樣性與喬灌木生物多樣性空間耦合圖Fig.14 Spatial coupling map of habitat diversity and biodiversity of shrubs and shrubs

圖15 公園5年中草本水生植物Shannon-wiener指數(shù)變化 Fig.15 Changes in Shannon-wiener index of herbaceous aquatic plants in the park for 5 years

圖16 生境多樣性與草本水生植物生物多樣性空間耦合圖Fig.16 Spatial coupling map of habitat diversity and biodiversity of herbaceous aquatic plants

研究根據(jù)六盤水明湖濕地公園建成5年后生物多樣性恢復(fù)能力的評估,提出相對應(yīng)地適宜性的優(yōu)勢植物群落和營造的空間形式,為未來本土地區(qū)公園建設(shè)提供相應(yīng)借鑒。適宜的優(yōu)勢植物群落主要包括4組陸生優(yōu)勢植物群落和3組水生優(yōu)勢植物群落。其中4組陸生優(yōu)勢植物群落為：(1)香樟+白車軸草+麥冬,適宜在坑塘、湖泊的緩沖帶,(2)香樟+狼尾草+鬼針草,適宜在緩坡地,(3)楓楊+香蒲+狼尾草,適宜在水域周邊與步行道兩側(cè),(4)池杉+水杉+白車軸草,適宜湖中島等大水面邊源與地下水位較高地段。3組水生優(yōu)勢植物群落為：(1)蘆竹+水蔥+麥冬,(2)蘆葦+再力花,(3)花葉蘆竹+水蔥+鳶尾。

4 結(jié)論與討論

4.1 公園經(jīng)過5年的時間,整體生態(tài)環(huán)境恢復(fù)良好

明湖國家濕地公園的建設(shè)在不破壞場地水文條件的情況下,種植設(shè)計通過最少程度的人為干預(yù)對公園建成前濕地的植被類型與多樣性進(jìn)行了優(yōu)化,自然植物的群落類型大體隨梯級濕地與明湖周邊分布。建成五年的時間內(nèi),植物群落整體演替效果明顯,濕地公園的生態(tài)環(huán)境已經(jīng)得到了初步的改善,公園內(nèi)部的棧道、親水平臺與梯級濕地周邊可以觀賞到水位變化而產(chǎn)生新的濕地景觀,例如：旱生植物群落、濕生植物群落與旱生濕生結(jié)合的植物群落景觀。公園對濕地景觀的優(yōu)化過程中并未生硬的種植大量觀賞性花木,主要以六盤水市的本土植物種植為主,觀賞性花木為輔,在梯級濕地景觀區(qū)域形成了以蘆葦/蘆竹為優(yōu)勢種群的沼澤草本植物群落,并伴生有水蔥、鳶尾、花葉蘆竹和再力花等植物,在陸域范圍內(nèi)形成了主要以香樟/楓楊為主的優(yōu)勢喬木種群,并伴生有白車軸草、麥冬、狼尾草、鬼針草、一年蓬和金光菊等草本植物群落。場地內(nèi)的人工濕地景觀也為動物群落也創(chuàng)造了優(yōu)良的棲息環(huán)境。

4.2 公園生境多樣性和生物多樣性恢復(fù)明顯

總體來看,場地從原始的農(nóng)田改造成為國家級生態(tài)濕地公園,經(jīng)過五年的植被演替之后,已深受人們喜愛。公園的生物多樣性較建成前大大提升,公園中隨處可見散步、鍛煉、垂釣、攝影和聚餐等行為活動,人與自然的聯(lián)系得到了加強(qiáng),生態(tài)恢復(fù)治理對場地的生物多樣性起到了顯著作用,達(dá)到了設(shè)計之初增加群落內(nèi)的植物多樣性、維持并形成穩(wěn)定狀態(tài)的目標(biāo)。通過研究分析得出結(jié)論：

(1)從生境多樣性指數(shù)來看,公園生境單元類型較豐富,公園中面狀、現(xiàn)狀要素飽和度指數(shù)都超50%,生境多樣性情況良好。

(2)從物種多樣性指數(shù)來看,公園建成5年后場地內(nèi)喬灌木植物的種類明顯增多,其中丁香、香樟、蠟梅、榆樹等植物成為新的優(yōu)勢種群,表現(xiàn)在園區(qū)的西部、南部與東部；草本水生植物種類也明顯增多,優(yōu)勢種群結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生太大改變,集中表現(xiàn)在園區(qū)的西南部、南部與中部。

(3)生物多樣性指數(shù)恢復(fù)與生境要素空間耦合分析表明影響生物多樣性變化的兩大因素一是優(yōu)勢群落的自然演替恢復(fù)速度效果明顯,二是人為干擾嚴(yán)重的地區(qū)的大規(guī)模人工補(bǔ)種。

4.3 優(yōu)化設(shè)計策略

通過上述分析,未來城市公園生物多樣性設(shè)計方面提出以下優(yōu)化建議：(1)結(jié)合生境單元分類,通過重新組合優(yōu)化營造適于該城市濕地公園的多樣性生境組合方式；(2)根據(jù)當(dāng)?shù)氐倪z傳基因庫和土壤水文特性綜合選擇生境單元內(nèi)部的植物配置,通過對自然群落的調(diào)整來設(shè)計出生境單元內(nèi)部最優(yōu)物種配置方式,提高生物群落的自然演替能力[13]；三、針對生境狀態(tài)良好的區(qū)域,應(yīng)相對減少公園內(nèi)人工建筑和設(shè)施的數(shù)量、增加景觀廊橋等垂直性交通,以降低人類活動對于生物多樣性的影響。