龍泉山城市森林公園典型植物群落特征與氣候效應(yīng)研究

侯曉云，黎燕瓊，鄭紹偉

(1.成都理工大學(xué) 旅游與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，四川 成都 610059；2.四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川 成都 610081)

植物是城市森林公園建設(shè)中不可或缺的構(gòu)成要素，而一定范圍內(nèi)多種植物組合構(gòu)成了植物群落。植物群落不僅體現(xiàn)了城市森林公園中植物與植物之間的關(guān)系，而且也體現(xiàn)了植物與環(huán)境之間的關(guān)系[1]，科學(xué)合理的植物群落能夠有效地改善局地氣候環(huán)境。就目前情況來看，龍泉山城市森林公園植物群落還處于生態(tài)修復(fù)、生態(tài)培育的基礎(chǔ)階段，總體質(zhì)量不佳，植物群落改善局部氣候效應(yīng)不明顯。近年來，學(xué)者們?cè)絹碓街匾曋参锶郝鋵?duì)局地氣候環(huán)境的改善，對(duì)氣候效應(yīng)方面的研究也比較多，其研究主要集中在植物群落結(jié)構(gòu)特征與氣候效應(yīng)的相關(guān)性研究[2-3]和植物群落種類組成[4-5]、數(shù)量規(guī)格[6-7]及空間布局特征與氣候效應(yīng)的相關(guān)性研究[8]。但針對(duì)微觀尺度下的植物群落氣候效應(yīng)的研究仍然較少。以成都市龍泉山城市森林公園典型植物群落為研究對(duì)象，對(duì)不同林分類型的植物群落進(jìn)行氣候效應(yīng)對(duì)比研究，探討不同植物群落氣候效應(yīng)差異的影響因素，篩選出綜合氣候效應(yīng)較好的植物群落，以改善公園氣候環(huán)境，為市民提供舒適宜人的休閑游憩場(chǎng)所，為龍泉山城市森林公園植物群落優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

龍泉山城市森林公園位于四川省成都市龍泉山脈成都段，研究區(qū)核心所在地位于龍泉驛區(qū)，坐標(biāo)為30°55′-30°58′N，104°24′-104°38′E，地形以低山、平壩為主，最高海拔1 051.3 m。該區(qū)屬亞熱帶濕潤氣候區(qū)，具有四季分明、春早秋涼、夏無酷暑、冬無嚴(yán)寒的特點(diǎn)。年平均氣溫16.5℃，最冷1月平均氣溫5.8℃，最熱7月平均氣溫25.6℃。年平均降水量895.6 mm，主要集中在5-9月，746.3 mm，占全年總降水量的83%。歷年平均日照時(shí)數(shù)1 036.8 h，年平均無霜期353 d。土壤主要為紫色土，少有斑塊狀或小片分布的黃壤。自然植物群落已被破壞，次生植物群落主要以柏木林、桉樹林為主，植物群落類型較少，總體質(zhì)量不佳，生態(tài)功能較脆弱。

1.2 樣地確定

采用游憩路線與樣地調(diào)查相結(jié)合的方法，根據(jù)立地條件，沿游憩路線周邊選擇有代表性的植物群落，設(shè)置樣地。在每塊樣地內(nèi)選取1個(gè)20 m×20 m或10 m×40 m或8 m×50 m的400 m2矩形樣方，樣方內(nèi)不包含太多空地、道路及水溝，最有代表性的植物都涵蓋在內(nèi)，并以繩索標(biāo)記樣地范圍。植物群落氣候效應(yīng)研究的樣地需要冠幅茂密、郁閉度高的林地基礎(chǔ)條件，經(jīng)過調(diào)查篩選，龍泉山仰天窩等地植物群落生長年限相對(duì)較長、穩(wěn)定性較好，冠幅茂密、郁閉度較高，適合進(jìn)行氣候效應(yīng)研究。樣地立地條件見表1，林分基本情況見表2。

表1 樣地立地條件

表2 林分基本情況

1.3 研究方法

1.3.1 植物群落調(diào)查方法 調(diào)查時(shí)間為2020年7-9月，采用樣地調(diào)查法，分別對(duì)6個(gè)典型植物群落進(jìn)行調(diào)查，記錄每個(gè)群落中所有出現(xiàn)的植物名稱和所在的層次，統(tǒng)計(jì)喬木層的各樹種個(gè)體數(shù)及冠幅等。灌木層的取樣方法為在每塊樣地的4個(gè)角和中心處各設(shè)1個(gè)2 m×2 m的小樣方，記錄所有灌木植物名稱、高度、株數(shù)、蓋度等。草本層的取樣方法為在每塊樣地的4個(gè)角和中心處各設(shè)1個(gè)1 m×1 m的小樣方，記錄所有草本種類植物名稱、高度、株數(shù)、蓋度等。

1.3.2 氣候效應(yīng)指標(biāo)測(cè)定方法 測(cè)定時(shí)間選擇在植物群落對(duì)氣候改善作用最明顯的夏季，7、8月為成都一年最熱的時(shí)候，能夠較好地反映出植物群落調(diào)節(jié)氣候的效果。

溫濕度測(cè)定方法：選擇天氣相對(duì)穩(wěn)定、無風(fēng)或者微風(fēng)的晴朗天氣，于2020年7月初至2020年8月底采用手持式氣象站在已經(jīng)選擇的6個(gè)樣地內(nèi)進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)定時(shí)間為10：00-14：00，連續(xù)進(jìn)行3 d，每日3次進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)樣方內(nèi)測(cè)定高度距離地面1.5 m，每個(gè)樣方測(cè)量東、西、南、北4個(gè)方位的溫度和濕度，每次取5組數(shù)據(jù)，取平均值作為該群落測(cè)定時(shí)的數(shù)據(jù)。

空氣負(fù)離子濃度測(cè)定方法：于2020年7-8月選擇風(fēng)速較小的連續(xù)晴朗天氣[9]，采用COM-3200PROⅡ空氣負(fù)離子檢測(cè)儀進(jìn)行觀測(cè)。測(cè)定時(shí)間為8：00-18：00，連續(xù)進(jìn)行3 d，每隔2 h測(cè)定1次，每個(gè)樣方測(cè)量東、南、西、北4個(gè)方位的空氣負(fù)離子濃度，每個(gè)方位采集5次數(shù)據(jù)，取平均值作為該群落測(cè)定時(shí)的空氣負(fù)離子濃度。

空氣顆粒物濃度測(cè)定方法：于2020年7-8月選擇氣象穩(wěn)定的連續(xù)晴朗天氣3 d，采用MetOne Aerocet831手持式PM顆粒物檢測(cè)儀進(jìn)行觀測(cè)。測(cè)定時(shí)間為8：00-18：00，連續(xù)進(jìn)行3 d，每隔2 h測(cè)定1次，每個(gè)樣方測(cè)量東、南、西、北4個(gè)方位的PM2.5，PM10和TSP，每個(gè)方位采集5次數(shù)據(jù)，取平均值作為該群落測(cè)定時(shí)的數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物群落特征分析

2.1.1 植物組成區(qū)系分析 調(diào)查表明，在6個(gè)樣地中，共有71種維管束植物，分屬于44科71屬，其中蕨類植物和裸子植物都為1科1屬1種，被子植物42科69屬69種(其中雙子葉植物35科59屬59種，單子葉植物7科10屬10種)。從屬、種的數(shù)量上來看，菊科最多，達(dá)到9屬9種，其次是禾本科，有4屬4種，再次為薔薇科、蕁麻科、大戟科、桑科和莧科，它們均有3屬3種。單種科有31科，寡種科13科。

從表3可以看出，研究樣地均為喬-灌-草復(fù)層人工植物群落，群落中出現(xiàn)頻率最大的樹種是欒樹。這是因?yàn)闄铇錇樗拇ū容^常用的樹種，而且綠化效果良好，所以在一般的人工植物群落中都有應(yīng)用。在草本層中出現(xiàn)頻率最大的植物是馬唐、鐵莧菜和鬼針草，由于它們的生長特性，是公園內(nèi)主要的草本層植物，具有良好的覆蓋度。樣地中植物種類和植物總個(gè)體數(shù)最多與最少的分別是巨桉楠木群落、香樟欒樹群落。巨桉楠木群落的喬木優(yōu)勢(shì)樹種最多，香樟欒樹群落的灌木層植物種類最為豐富。喜樹香樟油桐群落和巨桉楠木群落的草本層植物種類最為豐富。

表3 不同群落植物組成

2.1.2 群落物種多樣性分析 從表4可知，物種豐富度最大值出現(xiàn)在巨桉楠木群落，主要是該群落位于試驗(yàn)示范基地，林分進(jìn)行過改造，喬木類植物高大且品種豐富。物種豐富度最小的是巨桉構(gòu)樹群落，其原因可能在于該群落處于陰坡，陰生生境中草本植物種間競(jìng)爭(zhēng)較大，加上群落附近有農(nóng)戶，受人為干擾較大，導(dǎo)致物種豐富度小。多樣性指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和均勻度指數(shù)的最大值都出現(xiàn)在喜樹香樟油桐群落，這可能是因?yàn)樵撊郝渑R近水邊，生境好，受人為干擾較少。多樣性指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和均勻度指數(shù)的最小值都出現(xiàn)在香樟欒樹紅葉黃連木群落，這可能與該群落海拔低，林分密度小有關(guān)。

表4 各樣地植物群落組成結(jié)構(gòu)指標(biāo)

同一群落中物種豐富度均為草本層>喬木層>灌木層。不同林分群落類型中，喬木層、灌木層物種豐富度相差不大，草本層物種最豐富。有4個(gè)群落的Simpson指數(shù)和Shannon-wiener指數(shù)均為草本層最大，其余2個(gè)群落的Simpson指數(shù)和Shannon-wiener指數(shù)均為喬木層最大，說明群落還處于演替初期，草本層對(duì)群落物種多樣性的貢獻(xiàn)最大。

2.2 不同植物群落氣候效應(yīng)對(duì)比分析

2.2.1 降溫增濕 植物群落樣地夏季平均溫度曲線(圖1)顯示出每個(gè)樣地降溫效果不同，巨桉楠木群落氣溫最低，為24.6℃，降溫效果最明顯；次之是喜樹香樟油桐群落和香樟欒樹紅葉黃連木群落；效果最差的是香樟銀杏群落，氣溫達(dá)36℃。而植物群落樣地夏季平均濕度曲線(圖2)顯示出巨桉楠木群落的增濕效果最佳，平均濕度達(dá)78.1%；次之是喜樹香樟油桐群落和香樟欒樹紅葉黃連木群落，差值比較接近；增濕效果最不明顯的是香樟銀杏群落，平均濕度為49.7%。

圖1 各樣地夏季平均氣溫比較

圖2 各樣地夏季平均濕度比較

結(jié)合各群落降溫、增濕2個(gè)效應(yīng)來看，改善溫濕度總體水平較好的是巨桉楠木群落，總體水平較差的是香樟銀杏群落。從表5可知，夏季植物群落內(nèi)氣溫與群落豐富度呈顯著負(fù)相關(guān)，群落植物種類多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣溫低。因?yàn)榇怪苯Y(jié)構(gòu)復(fù)雜的植物群落內(nèi)植物冠層高度不一，可以有效阻擋太陽輻射并減少水分蒸發(fā)，從而起到很好的降溫增濕效果。植物種類少的植物群落，結(jié)構(gòu)單一，雖然草本層植物個(gè)體數(shù)較多，但整體降溫增濕效果還是明顯偏低的。植物群落的降溫效果和增濕效果具有相關(guān)性，即降溫效果好的植物群落往往增濕效果也較好。

表5 溫度、濕度與植物群落組成結(jié)構(gòu)相關(guān)性分析

2.2.2 空氣顆粒物濃度 從圖3可以看出，各樣地夏季PM2.5、PM10和TSP濃度變化趨勢(shì)一致，TSP、PM10和PM2.5濃度最高的都是喜樹香樟油桐群落，分別為162.4、145.6、84.2 μg/m3，TSP濃度次高的是香樟欒樹群落，濃度值為161.4 μg/m3，與香樟欒樹群落相差無幾；PM10和PM2.5濃度次高的是香樟欒樹紅葉黃連木群落，濃度值分別為123.8 μg/m3和82.4 μg/m3，而香樟銀杏群落的TSP、PM10和PM2.5濃度都是最低的，分別為65.1、54.6 μg/m3和20.7 μg/m3。

由圖3可以看出，香樟銀杏群落的空氣顆粒物濃度小，空氣質(zhì)量好，而喜樹香樟油桐群落的空氣顆粒物濃度大，空氣質(zhì)量差。分析各顆粒物之間以及與溫度、濕度的相關(guān)關(guān)系(表6)可以得出，PM2.5與PM10和濕度之間呈顯著正相關(guān)，與溫度之間呈顯著負(fù)相關(guān)，PM10與濕度和TSP之間呈顯著正相關(guān)。香樟銀杏群落是樣地中溫度最高濕度最小的群落，溫度高，大氣在垂直方向會(huì)發(fā)生頻繁的對(duì)流，氣體的湍流運(yùn)動(dòng)加速了PM2.5等細(xì)顆粒物向外輸送和擴(kuò)散，而在一定范圍內(nèi)，濕度小，PM2.5等細(xì)顆粒物作為凝結(jié)核不容易凝聚，因此香樟銀杏群落內(nèi)PM2.5濃度低，而PM2.5與PM10呈正相關(guān)，PM10與TSP呈正相關(guān)，所以香樟銀杏群落內(nèi)PM10和TSP濃度低，空氣質(zhì)量好。反之，則群落內(nèi)空氣質(zhì)量差。

表6 空氣顆粒物與溫濕度相關(guān)性分析

圖3 各樣地夏季空氣顆粒物濃度比較

2.2.3 空氣負(fù)離子濃度 從圖4可以看出，巨桉構(gòu)樹群落和巨桉楠木群落空氣負(fù)離子濃度較高，分別為1 030個(gè)·cm-3和960個(gè)·cm-3；空氣負(fù)離子濃度較低的是喜樹香樟油桐群落和香樟欒樹紅葉黃連木群落，分別為570個(gè)·cm-3和600個(gè)·cm-3且2個(gè)樣地水平接近。分析空氣負(fù)離子與溫度、濕度和空氣顆粒物相關(guān)關(guān)系(表7)可以得出，空氣負(fù)離子與濕度、TSP呈顯著負(fù)相關(guān)，與PM10呈極顯著負(fù)相關(guān)。喜樹香樟油桐群落和香樟欒樹紅葉黃連木群落內(nèi)濕度大，對(duì)懸浮顆粒物、正離子等有一定吸附作用，在一定程度上阻礙植物光合作用，從而使空氣負(fù)離子濃度降低，且喜樹香樟油桐群落和香樟欒樹紅葉黃連木群落中較高濃度的空氣顆粒物對(duì)負(fù)離子也有吸附作用，變成重離子而沉落，也會(huì)使負(fù)離子濃度降低。反之，則群落內(nèi)空氣負(fù)離子濃度高。

圖4 各樣地夏季空氣負(fù)離子濃度比較

表7 空氣負(fù)離子濃度與溫度、濕度及空氣顆粒物濃度相關(guān)關(guān)系

2.2.4 植物群落綜合氣候效應(yīng)分析 除了對(duì)各植物群落進(jìn)行單項(xiàng)氣候效應(yīng)指標(biāo)評(píng)價(jià)外以外，還對(duì)6個(gè)群落的綜合氣候效應(yīng)進(jìn)行分析,以篩選出綜合氣候效應(yīng)較好的植物群落。植物群落各項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)劣情況進(jìn)行排名(圖5)，得出各植物群落綜合氣候效應(yīng)由好到差依次為巨桉構(gòu)樹群落、巨桉楠木群落、香樟銀杏群落、香樟欒樹群落、香樟欒樹紅葉黃連木群落和喜樹香樟油桐群落。

圖5 植物群落綜合氣候效應(yīng)雷達(dá)

綜合氣候效應(yīng)排名前2的植物群落是位于龍泉驛區(qū)仰天窩的巨桉構(gòu)樹群落和巨桉楠木群落，巨桉構(gòu)樹群落空氣負(fù)離子濃度最高，PM10和TSP濃度第2優(yōu)，其他指標(biāo)居中；巨桉楠木群落植物種類豐富，降溫增濕效果最好，其他指標(biāo)居中。香樟銀杏群落綜合氣候效應(yīng)僅次于巨桉構(gòu)樹群落，其降溫增濕效果差，但是相應(yīng)的空氣顆粒物濃度低，空氣負(fù)離子濃度高。其余3個(gè)樣地得分比較接近，各項(xiàng)指標(biāo)都比較靠后，綜合氣候效應(yīng)低。

3 結(jié)論與討論

本次調(diào)查可知龍泉山6個(gè)樣地內(nèi)共有44科71屬71種維管束植物，其中被子植物共有42科69屬69種，裸子植物和蕨類植物種類少，植物資源較豐富。單種的屬所占比例高，大科占總科比例少，這與張秦偉[10]提出的“植物區(qū)系組成中單屬、小型屬的數(shù)量多、比例高則該植物類群豐富”觀點(diǎn)一致。同時(shí)，樣地內(nèi)植物種類分布不均勻，草本層種類最為豐富，多樣性指數(shù)和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)最大，喬木層次之，灌木層最少，這是因?yàn)闃拥鼐鶠槿斯ぶ参锶郝?，且群落處于演替的初期，喬木層和灌木層品種較為單一，草本植物具有廣泛的適應(yīng)性[11]，植物數(shù)量多、種類豐富。這與李哲等[12]對(duì)南山森林公園植物群落物種多樣性分析中指出草本層對(duì)群落多樣性的貢獻(xiàn)最大的結(jié)論一致。

從各個(gè)氣候效應(yīng)指標(biāo)分析得出，降溫增濕效果最為顯著的植物群落是巨桉楠木群落，即“巨桉+楠木-八角楓-求米草+凹葉景天”，認(rèn)為植物種類豐富、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的植物群落比植物種類少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的植物群落降溫效果明顯，降溫效果好的植物增濕效果也較好，這與王美仙等[13]的研究結(jié)果一致?？諝忸w粒物濃度最低的群落是香樟銀杏群落，即“香樟+銀杏-鹽麩木-馬唐+蛇葡萄”，認(rèn)為植物群落內(nèi)溫度高、濕度小，則空氣中PM2.5濃度低，這與邱玲等[14]的結(jié)論一致。空氣負(fù)離子濃度較高的群落是巨桉構(gòu)樹群落，即“巨桉+構(gòu)樹-苧麻+八角楓-落葵薯+馬唐”，認(rèn)為濕度小的群落內(nèi)空氣負(fù)離子濃度高，這與秋嫄等[15]的研究結(jié)果一致。

綜合群落的物種多樣分析，物種豐富度、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)最高的群落并不是綜合氣候效應(yīng)最佳的群落，說明植物群落氣候效應(yīng)受多種因素的影響，如喬木形態(tài)特征、林分密度[16]、布局形態(tài)[17]等。另外也可能與氣候指標(biāo)測(cè)定的時(shí)間短、氣候效應(yīng)評(píng)價(jià)因子的選擇以及評(píng)價(jià)方法有關(guān)。因此在以后的研究中有待進(jìn)一步優(yōu)化。