北京城市河岸林木本植物種群多樣性梯度變化*

牛少鋒 邱爾發(fā) 張致義 奚 露

(中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所 國家林業(yè)和草原局林木培育重點實驗室 國家林業(yè)和草原局城市森林研究中心 北京 100091)

城市河岸林是人工植被群落，作為城市森林的重要組成部分，具有獨特的環(huán)境效應以及生態(tài)和社會功能(Naimanetal.， 1997； 郭玉永， 2012)，在維持物種多樣性、提高城市環(huán)境質(zhì)量(袁小環(huán)等， 2012)等方面具有重要意義。隨著人類對河岸邊坡沿線土地資源開發(fā)范圍的擴大，城市的自然河岸帶植被帶已很少見。 城市化進程中景觀建設的需求和人工化的整治，如河岸硬化、河道渠化等(郭二輝， 2016)，使河岸區(qū)域土地格局變化加劇，不僅干擾破壞了河流生態(tài)系統(tǒng)中以喬木為建群種的植被，也中斷了河岸帶濕地生態(tài)系統(tǒng)的連續(xù)性，不同程度地降低了河岸帶生態(tài)服務功能(段紅祥等， 2008)，也直接或間接地影響了城市內(nèi)的物種多樣性。

眾多學者研究了城市河岸帶的生態(tài)狀況，包括河岸帶的邊界與寬度(張東旭等， 2010； 劉海等， 2018； Leeetal.， 2004)、功能與管理(顏兵文等， 2008)、恢復重建(郭二輝等， 2016)、影響因素(趙鳴飛等， 2013； 孔慶仙等， 2017； 郭二輝等， 2017； 徐珊珊等， 2017； 魏雯等， 2018)及河岸帶評價(婁會品等， 2010； 盧培歌， 2012； Sirombraetal., 2012)等，也包括河岸帶植被健康評價(楊璐等， 2017)、植物區(qū)系分析(修晨等， 2014)、植物群落結(jié)構(gòu)(李謹宵， 2013； Suzan-Azpirietal.， 2007)、植物群落演替(郭躍東等， 2010； Radimetal.， 2010)、植被格局優(yōu)化(馬麗嬌， 2016； Stockanetal.， 2012； 張昶等， 2018)及植物多樣性(趙清賀等， 2017； 2018； 王陽等， 2017)等，但較少研究城區(qū)河岸林帶的種群分布和多樣性梯度變化。因此，本研究以北京六環(huán)內(nèi)城市河流為對象，通過野外實地調(diào)查，分析城市河岸林的多樣性，初步探討其在不同環(huán)路、河流等級、硬化程度河岸梯度上的多樣性變化規(guī)律，以期為近自然構(gòu)建河岸植物群落提供參考。

1 研究區(qū)概況

北京市(115°25′—117°30′E，39°28′—41°05′N)地跨山區(qū)(10 072 km2)和平原(6 338 km2)兩大地理區(qū)， 共有流域面積≥10 km2的河流425條(北京市水務局等， 2013)，總長度6 413.72 km，其中一、二、三級河流分別有26、125和152條，其余等級河流122條。全市屬暖溫帶半濕潤大陸性季風型氣候，年均降水量600 mm，年均總輻射量112～136 kcal·cm-2，年日照時數(shù)2 600～2 800 h。土壤包括9個土類、20個亞類、64個屬，主要為褐土，山地伴有棕壤和草甸土，平原伴有潮土。據(jù)《北京植物志》統(tǒng)計(賀士元， 1993)，北京地區(qū)有維管束植物2 088種(包括栽培植物)，分屬169科869屬。

2 研究方法

2.1 調(diào)查河流選取 北京市六環(huán)內(nèi)共有41條城市河道，總長520 km(何國富等， 2012)。根據(jù)北京市水系影像圖，結(jié)合北京市河道管理條例，按照均衡原則選擇六環(huán)內(nèi)具代表性的29條城市河流為研究對象，在此基礎上測量河流在岸線方向上的植被覆蓋距離及河岸長度，并進行標記。這29條河流總長421.3 km(表1)，占六環(huán)內(nèi)河道總長度的81.0%，其中一級河流(干流)3條，共67.4 km，占六環(huán)內(nèi)城市河道總長度的15.0%； 二級河流(匯入干流的大支流)9條，共159.1 km，占六環(huán)內(nèi)城市河道總長度的35.4%； 三級河流(匯入大支流的小支流)17條，共194.8 km，占六環(huán)內(nèi)城市河道總長度的43.3%。

2.2 河段調(diào)查范圍 2018年5—6月，對所選擇的六環(huán)內(nèi)河流實地踏查，根據(jù)喬木層主要優(yōu)勢種及典型植物群落的樹種組成劃分河段，共記錄337個河段，同時利用GPS記錄調(diào)查路線(袁小環(huán)， 2012)。2018年7—9月，在全面踏查基礎上，結(jié)合河道管理中河岸帶寬度的參照值(夏繼紅等， 2013； 劉海等， 2018)，分別在一、二、三級河流沿岸的20、15和10 m(或5 m)范圍內(nèi)開展調(diào)查。

在每個定位河段中選取1～3個植被分布較集中或典型的地段，然后根據(jù)河岸類型選取樣地： 高硬化(60%～100%硬化)的垂直堤壩河岸采用4 m×100 m或5 m×80 m樣帶，中硬化(30%～60%硬化)的緩坡堤壩河岸采用4 m×100 m或5 m×80 m或10 m×40 m樣帶，低硬化(0～30%硬化)的近自然河岸采用40 m×10 m或20 m×20 m樣帶。若岸帶條件有限，則根據(jù)實際情況設置樣帶，如帶寬<5 m，但樣帶面積保持為400 m2。

2.3 樣帶調(diào)查 在樣帶內(nèi)對所有喬木每木檢尺，分別測定樹種、樹高、胸徑、冠幅直徑(東西、南北)； 灌木記錄種名、株數(shù)； 草本記錄蓋度。實地共調(diào)查樣帶575個，其中一、二、三級河流分別有107、197和271條(表1)。實際共調(diào)查總長度39.6 km(所有樣帶與河岸平行的長度)，其中一、二、三級河流分別6.5、15.1和18.0 km。

表1 調(diào)查河流基本信息Tab.1 Basic information of thesampled rivers

2.4 數(shù)據(jù)處理 采用Excel 2016和SPSS 20.0軟件進行統(tǒng)計分析，使用4個多樣性指標(馬克平等， 1995； 袁小環(huán)， 2012； 馬杰等， 2019)：

豐富度指數(shù)(Margelf指數(shù))M：

M=(S-1)/ln(N)；

Shannon-Wiener 指數(shù)H′：

H′=-(∑PilnPi)；

Simpson 指數(shù)D：

D=1-∑(Pi)2；

均勻度指數(shù)(Pielou指數(shù))Jsw：

Jsw=-(∑PilnPi)/lnS。

式中：Pi為樣地中i種所占的數(shù)量比例，Pi=Ni/N，Ni為第i種的個體數(shù)；N為樣地內(nèi)物種的總個體數(shù)；S為物種數(shù)目。

3 結(jié)果與分析

3.1 河岸林科屬種組成 北京城市河岸林木本植物組成較豐富，共包括40科75屬119種，以薔薇科(Rosaceae)、豆科(Leguminosae)、木犀科(Oleaceae)、楊柳科(Salicaceae)、松科(Pinaceae)、槭樹科(Aceraceae)、柏科(Cupressaceae)、木蘭科(Magnoliaceae)和榆科(Ulmaceae)為主，其中喬木31科49屬82種，灌木14科28屬37種(表2)。不同環(huán)路梯度的喬灌數(shù)量比為0.69～2.39，除二環(huán)內(nèi)喬灌數(shù)量比相對較小外，其余都在1∶1以上。不同硬化河岸梯度的喬灌數(shù)量比為1.88～1.94，接近2∶1，表明喬木生態(tài)地位較優(yōu)越。

從北京城市河岸林組成種類看，喬木組成差異較大，灌木組成差異較小，總體上灌木物種豐富度小于喬木。在空間上，位于五—六環(huán)的河岸林樹種構(gòu)成最豐富，包括喬木30科47屬67種，灌木13科21屬24種。緩壩河岸的河岸林樹種組成相對單一，有喬木17科28屬37種，灌木8科16屬19種(表2)。三級河流河岸林樹種構(gòu)成最豐富，有98種，占總種數(shù)的82.4%； 其中喬木隸屬于25科41屬，灌木隸屬于12科23屬。

從北京城市河岸林的組成數(shù)量來看，喬木數(shù)量大于灌木。三級河流河岸林樹種組成數(shù)量最多，占總株數(shù)的53.0%，其次為二級河流的32.5%和一級河流的14.5%。垂壩河岸樹種數(shù)量最多，其次為近自然河岸，緩壩河岸最少。除二環(huán)內(nèi)外，其他環(huán)路河岸林數(shù)量相對較多，其中最多的是五—六環(huán)，占總株數(shù)的53.4%，約是二環(huán)內(nèi)的7.5倍，二—三環(huán)的4.0倍，三—四環(huán)的4.8倍，四—五環(huán)的3.5倍。

表2 城市河岸林科屬種數(shù)量組成Tab.2 Number composition of family, genus，and species in urban riparian forests

3.2 河岸林樹種多樣性變化 1) 沿環(huán)路梯度變化 作為衡量群落穩(wěn)定性的重要生態(tài)特征，物種多樣性指數(shù)能反映出植物種類的多少及其分布的均勻程度。由表3可見： 北京城市河岸林喬木樹種多樣性總體較低，沿環(huán)路梯度變化差異較??； 喬木Margelf指數(shù)表現(xiàn)為五—六環(huán)>二—三環(huán)>二環(huán)內(nèi)>三—四環(huán)>四—五環(huán)，這表明當前五—六環(huán)喬木組成最為豐富，四—五環(huán)內(nèi)豐富度最低； 喬木Shannon-Wiener指數(shù)表現(xiàn)為二—三環(huán)>二環(huán)內(nèi)>五—六環(huán)>三—四環(huán)>四—五環(huán)； 喬木Simpson指數(shù)排序與喬木Shannon-Wiener指數(shù)一致，隨著距離城市中心的距離增加呈現(xiàn)先增后減再增的變化趨勢，說明四—五環(huán)優(yōu)勢種比例最高，二—三環(huán)內(nèi)優(yōu)勢種比例最低； 喬木Pielou指數(shù)表現(xiàn)為二—三環(huán)>二環(huán)內(nèi)>五—六環(huán)>三—四環(huán)>四—五環(huán)，在環(huán)路梯度上波動性較大，這表明二—三環(huán)喬木組成均勻度最高，四—五環(huán)最低，分布并不均勻。

表3 不同區(qū)域城市河岸林喬木樹種多樣性指數(shù)Tab.3 Diversity index of urban riparian arbor species in different regions

林下灌木作為河岸森林群落的重要組成部分，對維持物種多樣性也具有重要作用。表4顯示了不同環(huán)路梯度林下灌木多樣性情況： 總體上看，林下灌木多樣性水平較低，沿環(huán)路梯度變化差異較??； 林下灌木Margelf指數(shù)表現(xiàn)為二—三環(huán)>五—六環(huán)>四—五環(huán)>二環(huán)內(nèi)>三—四環(huán)，這表明當前二—三環(huán)灌木組成最豐富，三—四環(huán)內(nèi)豐富度最低； 林下灌木Shannon-Wiener指數(shù)表現(xiàn)為五—六環(huán)>四—五環(huán)>二—三環(huán)>二環(huán)內(nèi)>三—四環(huán)，三—四環(huán)多樣性最低； 林下灌木Simpson指數(shù)排序與灌木Shannon-Wiener指數(shù)一致，隨著距離城市中心的距離增加呈現(xiàn)先增后減再增的變化趨勢，表明五—六環(huán)多樣性最高，優(yōu)勢種比例最低； 林下灌木Pielou指數(shù)表現(xiàn)為五—六環(huán)>四—五環(huán)>二—三環(huán)>二環(huán)內(nèi)>三—四環(huán)，在環(huán)路梯度上波動較小，這表明五—六環(huán)灌木組成均勻度最高，三—四環(huán)最低。

表4 不同區(qū)域城市河岸林灌木多樣性指數(shù)Tab.4 Diversity index of urban riparian shrub species in different regions

2) 沿河流等級梯度變化 不同等級河流河岸林喬木樹種多樣性指數(shù)見表5，表5表明： 喬木Margelf指數(shù)與喬木Shannon-Wiener指數(shù)均表現(xiàn)為一級河流>三級河流>二級河流，一級河流樹種多樣性明顯高于三級和二級河流，隨河流等級的升高呈現(xiàn)先減后增的變化趨勢。喬木Simpson 指數(shù)表現(xiàn)為一級河流>三級河流>二級河流，可見二級河流河岸林群落內(nèi)喬木優(yōu)勢種不突出，多數(shù)種群擴展限制較少。喬木Pielou指數(shù)均值為0.760～0.793，未形成明顯的差異，一級河流較高，二級河流較低，表明各個種群數(shù)量分配在一級和三級河流比較均勻。

表5 不同等級河流河岸林喬木樹種多樣性指數(shù)Tab.5 Diversity index of urban riparian arbor species of various river grades

不同等級河流林下灌木多樣性指數(shù)見表6，表6表明： 林下灌木Margelf指數(shù)表現(xiàn)為一級河流<二級河流<三級河流，三級河流物種豐富度指數(shù)明顯高于一級和二級河流，隨河流等級的升高呈現(xiàn)不斷增大的變化趨勢； 林下灌木Shannon-Wiener指數(shù)表現(xiàn)為二級河流>三級河流>一級河流，隨河流等級升高呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢； 林下灌木Simpson 指數(shù)表現(xiàn)為二級河流>三級河流>一級河流，可見一級與三級河流河岸林群落內(nèi)灌木數(shù)量分布不均勻，灌木優(yōu)勢種不突出； 林下灌木Pielou指數(shù)均值為0.449～0.545，未形成明顯的差異，二級河流最高，三級河流最低，表明各個種群數(shù)量分配在三級河流比較不均勻。

表6 不同等級河流河岸林灌木多樣性指數(shù)Tab.6 Diversity index of urban riparian shrub species of various river grades

3) 沿河岸硬化梯度變化 由表7可見： 不同程度硬化河岸喬木多樣性指數(shù)變化較大，總體上看多樣性水平較低。 喬木Margelf指數(shù)和喬木Shannon-Wiener 指數(shù)在緩壩河岸最低，隨河岸硬化比例的增大呈現(xiàn)先減后增的變化趨勢； 喬木Pielou指數(shù)最低的是垂壩河岸，隨河岸硬化比例的增大呈現(xiàn)不斷減小的變化趨勢； 近自然河岸的喬木Margelf指數(shù)、Shannon-Wiener 指數(shù)、Simpson 指數(shù)和Pielou指數(shù)均最大，分別比緩壩河岸高0.907、0.349、0.081和0.009，分別比垂壩河岸高0.093、0.206、0.087 和0.063。

不同硬化程度河岸林下灌木多樣性指數(shù)見表8，表8表明： Pielou指數(shù)、Shannon-Wiener 指數(shù)和Simpson 指數(shù)在緩壩河岸最低； Margelf指數(shù)隨河岸硬化比例的增大呈現(xiàn)不斷增大的變化趨勢； Pielou指數(shù)最高的是近自然河岸，隨河岸硬化比例增大呈先減后增的變化趨勢； 垂壩河岸的Margelf指數(shù)、Shannon-Wiener 指數(shù)和Simpson 指數(shù)均最大，分別比近自然河岸高0.855、0.037和0.006，分別比緩壩河岸高0.607、0.280和0.031。

表7 不同硬化程度河岸喬木樹種多樣性指數(shù)Tab.7 Diversity index of arbor species on different hardening-degree riparians

表8 不同硬化程度河岸灌木多樣性指數(shù)Tab.8 Diversity index of shrub species on different hardening-degree riparians

4 討論

4.1 喬灌組成特征 對比張小衛(wèi)等 (2010) 對北京市不同綠地類型喬灌比例的研究可以發(fā)現(xiàn)，近10年來北京城市防護綠地喬灌比例變化較大； 2010年結(jié)果表明，北京市61.9%防護綠地只有喬木而沒有灌木，喬灌比為1∶0，而本次調(diào)查結(jié)果總體顯示喬灌比為1.9∶1，說明過去10年來北京地帶性喬灌樹種的種類和數(shù)量逐漸增多。這與近年來沿岸城市化發(fā)展迅速，對沿岸防護綠地大量人工化改造有關。

4.2 多樣性梯度變化 城市化發(fā)展會對植物多樣性產(chǎn)生不同程度的影響，部分多樣性指標隨城市化水平上升而下降，但也有些指標隨城市化水平上升而上升。目前，由于研究選取的綠地類型或者方法不同，北京六環(huán)內(nèi)植物多樣性指數(shù)隨城市化梯度變化有不同的變化趨勢： 一種是木本植物多樣性指數(shù)隨著城市化梯度的遞增呈現(xiàn)逐步增加的趨勢(馬杰等， 2019)； 另一種是喬木和灌木的物種多樣性由城內(nèi)向城外呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，且受綠地類型的影響較顯著的是灌木(劉高慧等， 2019)。而本研究中不同環(huán)路梯度下喬灌多樣性指數(shù)隨距離城市中心距離的增加呈現(xiàn)先增后減再增的變化趨勢，通過對調(diào)查結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，三環(huán)內(nèi)喬灌多樣性相對較高，與其河流沿岸園林綠化建設對喬灌等植物引進較多及豐富的人工配置有關。五—六環(huán)多樣性指數(shù)較高，這與此區(qū)域河流沿岸有眾多的公園綠地，分布著大面積景觀防護林，木本物種種類相對較多，在數(shù)量上也有明顯優(yōu)勢有關，此外也與五—六環(huán)面積大，河流分布較多，沿岸生境多樣化有關。

城市河網(wǎng)水文狀況和沿岸土地利用方式對植物多樣性水平也有重要影響(Burtonetal.， 2008; Kuglerovaetal.， 2019)。不同等級河流河岸林喬木和灌木多樣性變化趨勢有所不同，這主要是因為一級河流大多流經(jīng)近郊區(qū)，岸坡多處于近自然狀態(tài)且水土保持及景觀功能樹種相對豐富，植物群落結(jié)構(gòu)也較復雜，喬木多樣性指數(shù)相對較高。三級與二級河流大多流經(jīng)城區(qū)，喬木多樣性指數(shù)較低： 一是此區(qū)域河流人類活動干擾較為嚴重，河道沿岸出于防洪安全，分布有眾多防汛通道、水閘，破壞了河岸植被帶結(jié)構(gòu)，植物多樣性水平降低； 二是沿岸出于建設用地的需要，采用大量混凝土等硬化覆蓋，既降低了原有岸坡區(qū)域生境異質(zhì)性，也造成河岸植被群落類型相對單一(郭二輝等， 2016； 盧培歌， 2012)； 此外與沿岸緊鄰城市道路，河岸防護功能樹種種植相對單一有關。而灌木多樣性指數(shù)表現(xiàn)為一級河流較低，三級與二級河流較高，造成上述差異的主要原因是一級河流在城郊種植的大面積灌木距離河岸較遠，多數(shù)不在本次調(diào)查范圍內(nèi)，而三級與二級河流城區(qū)段沿岸出于綠地植物造景，灌木應用比例較大，種類豐富。

相關研究表明影響河岸植物多樣性的因素還有岸坡類型及河岸硬化面積比例等(孔慶仙等， 2017)。研究發(fā)現(xiàn)近自然河岸多樣性指數(shù)以喬木較高，而林下灌木較低，其原因可能是大多近自然河岸位于硬化面積比例小的郊區(qū)河流，更偏重于鄉(xiāng)土性固土護坡喬木樹種栽植，種類相對豐富，但出于自然河流周期性水文變化的考慮，該生境岸邊深根系、生長周期長的灌木分布較少。垂壩與緩壩河岸由于不同程度的硬化與渠化，喬灌等植物生長空間被侵占，導致物種多樣性變化較大，相比而言，濱河土地硬化影響力更大一些，硬化會使河岸植被覆蓋和連通性發(fā)生改變(楊璐等， 2017)，而渠化使河流沿岸植被類型的分布形態(tài)受到了直接影響(張昶等， 2016)，兩者都限制了喬灌等植物的生長分布，導致河岸植被稀少而不均勻。但沿岸土地性質(zhì)的變化也為引入觀賞性喬灌提供了一定的用地空間，導致一些硬化比例較大的河段喬灌種類與數(shù)量增多，這對植物多樣性和均勻度提升有一定作用。此外，人工綠化在一定程度上導致植物多樣性水平升高，如流經(jīng)城區(qū)的部分河流沿岸硬化面積比例較大，但小微綠地較多，綠化水平較為完善，且分布有種類均勻、多變的綠化性喬灌，人工配置群落的層次感較豐富(楊璐等， 2017)。

5 結(jié)論

1) 本研究統(tǒng)計分析了占北京六環(huán)內(nèi)城市河流總長度9.4%的調(diào)查數(shù)據(jù)，共記錄喬木10 176株82種、灌木5 312株37種，喬木和灌木在株數(shù)和樹種的分布上存在一定差異。近自然河岸喬木多樣性指數(shù)較高，而林下灌木較低； 喬木Margelf指數(shù)和Shannon-Wiener 指數(shù)在緩壩河岸最低，隨河岸硬化比例的增大呈現(xiàn)先減后增的變化趨勢。不同等級河流梯度下城市河岸林樹種多樣性指數(shù)變化較大，喬木和灌木多樣性變化趨勢有所不同，且灌木多樣性水平總體小于喬木。不同環(huán)路梯度下樹種多樣性指數(shù)的變化趨勢反映了城市化進程中沿岸人為開發(fā)利用及人工綠化對河岸林多樣性水平影響較大，喬木樹種多樣性對城市化的響應總體大于林下灌木。

2) 在今后城市河岸綠化建設中，應充分考慮群落穩(wěn)定性，盡量效仿自然植被群落分布格局，重點建設以喜水耐澇的鄉(xiāng)土喬木為主的河岸景觀植物，也要考慮人類干擾情況和河岸區(qū)域地貌特征等自然環(huán)境因子，根據(jù)河流類型的特點合理搭配樹種，除防洪河段外，因地制宜地種植喬灌鄉(xiāng)土樹種，以適應特殊的河岸生境。此外，應減少城市河岸人工硬化，采用近自然方式建設或改造生態(tài)河堤，營造植物正常生長的河岸生境，提高其水源涵養(yǎng)、水土保持能力。對于退化比較嚴重河段的生態(tài)恢復重建，應建立演替早期階段的植物群落，其他河段則多利用合理的喬灌典型植被群落結(jié)構(gòu)，提高多樣性水平，使城市河岸林種群逐步向近自然群落方向發(fā)展。