復羽葉欒樹植物群落特征及微氣候效應的響應

丑琉懿，李宏歸，廖飛勇

(1.中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙 410004；2.湖南省自然保護地風景資源大數(shù)據工程技術研究中心, 湖南 長沙 410004)

1 引言

城市化進程的加快和城市規(guī)模的擴大，氣候下墊面的粗糙度受到影響和改變，產生了城市綠地的微氣候效應。微氣候是指在小尺度范圍內的氣候狀況，包括空氣溫度、相對濕度、CO2濃度和負離子濃度等氣候因子[1，2]。植物群落是城市綠地建設中不可或缺的構成要素，而科學合理的植物群落能夠有效地改善局地的微氣候[3，4]。近年來，學者們越來越注重植物群落對微氣候效應的影響，主要集中在不同植物群落類型[5～7]、林分結構[8，9]、空間布局[10～12]及群落結構特征[13，14]與微氣候效應的相關研究。目前，針對以特定園林綠化樹種為優(yōu)勢種的人工植物群落，探究特定植物群落特征及微氣候效應響應的研究還較少，本研究以復羽葉欒樹(KoelreuteriabipinnataFranch.)為優(yōu)勢種的植物群落為研究對象，探究復羽葉欒樹植物群落的植物構成特征、植株個體特征、群落結構類型特征、冠層結構特征和物種多樣性特征，以及該群落空氣溫度、相對濕度、CO2濃度和負離子濃度微氣候因子的響應，從微氣候效應的角度為復羽葉欒樹的植物應用和城市綠地系統(tǒng)植物群落配置提供相關參考依據。

2 材料與方法

2.1 試驗地概況

研究樣地均位于長沙(27°51′～28°41′N,111°53′～114°15′E)，湖南東部偏北，屬亞熱帶季風氣候，四季分明，春濕變化大，春末夏初雨水多，夏末伏秋高溫久，寒冬較短暫；氣候溫和，年平均氣溫為17.4 ℃；降水豐沛，年均降水量1361.6 mm, 雨量集中于夏季[15]。

2.2 試驗材料

試驗材料為花橋灣綠地(QL01:28°04′N,113°37′E)、紅星社區(qū)公園綠地(QL02:28°12′N,113°00′E)、徐特立故居綠地(QL03:28°07′N,113°29′E)和西湖公園綠地(QL04:28°21′N,112°94′E)4個研究樣地內的復羽葉欒樹植物群落，研究樣地城市背景氣象條件相似，且立地條件基本一致，內部地形地勢平坦；土壤以地帶性紅壤為主；均臨近道路，附近無大型建筑，位置分布如圖1所示。

圖1 研究樣地位置分布示意

2.3 研究方法

(1)群落樣方及標準木設置。每個研究樣地內設置20 m×25 m典型植物群落樣方，在樣方中心區(qū)域選擇3棵標準木，每棵標準木下設置1個測定采樣點，每個研究樣地3個測定采樣點作為重復，并另設 1個非綠地測定點作為對照(CK)。

(2)群落植物構成特征研究。采用每木調查法，記錄群落樣方中所有植物的種類名稱和數(shù)量，通過植物種類組成和不同層次植物分析群落植物構成特征。

(3)群落植株個體特征研究。使用測高儀(Vertex Laser Geo)測量植物的株高和冠幅，使用卷尺測量植物的胸徑，分析群落植株生長的個體特征。

(4)群落結構類型特征研究。分析統(tǒng)計群落水平結構和垂直結構類型。

(5)群落冠層結構特征研究。使用植物冠層分析儀(LP-80 AccuPAR)測定葉面積指數(shù)(LAI)；使用相機保持在1.6 m高度垂直和水平方向植物群落冠層拍照，相片導入軟件(Adobe Photoshop CC 2017)轉灰度模式圖像，統(tǒng)計群落冠層橫斷面、縱斷面和天空影像的像素值，計算郁閉度、疏透度：

郁閉度=(1-天空影像的像素值)/群落冠層橫斷面像素值

(1)

疏透度=(1-天空影像的像素值)/群落冠層縱斷面像素值

(2)

(6)群落物種多樣性特征研究。參考趙中華等[16]綜合大多數(shù)學者的分析方法，采用Margalef豐富度指數(shù)(R1)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(λ)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)和Pielou均勻度指數(shù)(E)以上4類指數(shù)來分析復羽葉欒樹植物群落物種多樣性特征。

(7)群落微氣候環(huán)境因子研究。選擇相對穩(wěn)定、晴朗無風的天氣，在每日8:00～18:00不同時間點每2 h測定1次。分別使用溫濕度測定儀(臺灣群特，Center313)、CO2濃度測試儀(TELAIRE公司，Telaire7001)和負離子測定儀(北京中儀遠大科技有限公司, DLY-3)，手持儀器距地面1.6 m，于各測定點4個方位觀測，待儀器讀數(shù)穩(wěn)定后讀取3個數(shù)值，取平均值作為測定采樣點的空氣溫度、相對濕度、CO2濃度和負離子濃度。

2.4 數(shù)據處理

試驗數(shù)據用Microsoft Excel2021進行處理，Origin2021軟件進行圖形繪制。

3 結果與分析

3.1 群落植物構成特征分析

在所調查的4個樣本植物群落中，共有31種維管束植物，分屬于25科31屬，其中裸子植物為4科4屬4種，被子植物21科27屬27種。從屬、種的數(shù)量來看，木蘭科最多，3屬3種，其次為?？啤⒑瘫究?、菊科，2屬2種，其余僅1屬1種。表1表明：從樹種類型來看，喬木有12種(常綠針葉樹2種，落葉針葉樹1種，常綠闊葉樹4種，落葉闊葉樹6種)，小喬木及灌木有9種，草本地被有9種。

表1 樣本群落植物種類組成

3.2 群落植株個體特征分析

表2表明：植物群落中，植株高度、冠幅和胸徑/地徑等個體特征各有差異，4個復羽葉欒樹植物群落的平均株高較高，高達9.42 m，平均冠幅4.56 m，平均胸徑/地徑在10.40 cm。其中，QL02大型喬木數(shù)量較多，植物群落中的復羽葉欒樹、香樟和玉蘭樹木高大，枝葉繁盛，其平均株高和平均冠幅都最大，分別是10.13 m和5.31 m。從平均胸徑來看，QL01復羽葉欒樹數(shù)量占比最大，而該植物在生長地栽植年限較短，平均胸徑相比其他植物群落最小，僅有10.47 cm；而QL04所在公園建成年限較久，復羽葉欒樹、香樟、杜英、荷花玉蘭和樂昌含笑這些植物生長年限較長，且植物生長長勢較好，因此該植物群落平均胸徑/地徑最大，高達20.57 m。

表2 樣本群落植株個體特征

3.3 群落結構類型特征分析

表3表明：所調查的4個樣本植物群落在群落結構類型上組成有所不同。從群落垂直結構來看，不同植物生長型、生態(tài)幅度和適應性各有不同，為更好利用自然條件資源，分化為群落垂直分層現(xiàn)象，形成了在群落空間的垂直結構。其中，QL01和QL04為喬-草雙層結構；QL02和QL03為喬-灌-草復層結構。從群落水平結構來看，由于植物群落所處環(huán)境的不同和植株個體特性的差異，不同植物小型組合類型在水平方向分化，形成不同的群落水平結構類型。其中，QL01喬木只有復羽葉欒樹，其水平結構類型為落葉闊葉純林；QL02和QL03以復羽葉欒樹和玉蘭等落葉闊葉喬木為主，且具有金錢松和羅漢松等針葉植物，為落葉針闊葉混交林；QL04群落水平結構類型為落葉闊葉混交林。

表3 樣本植物群落結構類型

3.4 群落冠層結構特征分析

表4表明：郁閉度、疏透度和葉面積指數(shù)不同的指標反映了植物群落的冠層結構特征。4個樣本植物群落林冠在水平面上高低錯落，未能相互銜接，在垂直面上組成不同的郁閉狀態(tài)，4個群落郁閉度均較高，在80%～90%左右，平均郁閉度達84.20%。其中，QL02和QL04群落植物樹木高大，葉幕層緊密，平均冠幅較大，林冠層蓋度較大，因此2個群落郁閉度也較高，分別為86.62%和89.59%。

植物群落垂直分層現(xiàn)象分化形成的群落垂直結構直接影響了縱斷面的透光面積，體現(xiàn)了4個樣本植物群落疏透度的差異性。其中，QL04疏透度最大，為41.71%，QL01次之，QL02最小，為26.03%。因植物群落垂直結構類型的影響，QL01和QL04顯著大于QL02和QL03，結果表明喬-草雙層結構植物群落的疏透度大于喬-灌-草復層結構。

群落中不同植物的生物學特性、植被的密度和環(huán)境因子的差異性，導致植物群落的葉面積指數(shù)不同，對植物光合作用、呼吸作用和蒸騰作用等生理生化過程有著直接的影響，是植物群落冠層最顯著的特征之一。其中群落葉面積指數(shù)QL02最大，為2.35；QL01最小，為1.51。

表4 樣本植物群落冠層結構

3.5 群落物種多樣性特征分析

表5表明：豐富度指數(shù)R1最大值出現(xiàn)在QL02，為4.28。主要是該植物群落位于社區(qū)公園，林分進行過改造，群落植物進行了合理搭配，喬木類植物高大且品種豐富。豐富度指數(shù)R1最小的是QL01，為1.41，其原因可能在于該群落為復羽葉欒樹純林，喬木種類單一，且草本植物種間競爭較大，導致物種豐富度小。優(yōu)勢度指數(shù)λ的排序為QL01>QL02>QL03>QL04，呈梯度變化。多樣性指數(shù)H和均勻度指數(shù)E的最大值都出現(xiàn)在QL02，分別為4.67和1.59，最小值都出現(xiàn)在QL01,分別為1.55和0.75，這可能與植物群落林分密度有關。

表5 樣本植物群落物種多樣性

3.6 群落微氣候效應因子分析

3.6.1 植物群落的空氣溫度和相對濕度

圖2和圖3表明，復羽葉欒樹植物群落內部的空氣溫度和相對濕度明顯低于對照點，表現(xiàn)出“城市冷島”作用，均有明顯的降溫增濕效果。不同復羽葉欒樹植物群落之間降溫增濕效果也存在差異，各植物群落平均溫度差值分別為1.62 ℃、4.37 ℃、2.41 ℃和3.32 ℃，平均濕度差值分別為3.47%、7.56%、4.72%和5.39%，降溫增濕效果QL02>QL04>QL03>QL01。所調查植物群落中，QL02郁閉度(86.62%)最高，豐富度指數(shù)(4.28)最大，降溫增濕效果最顯著。

3.6.2 植物群落的CO2濃度

圖4表明，復羽葉欒樹植物群落CO2濃度均低于對照點，群落植物晝間光合作用吸收CO2、釋放O2，表現(xiàn)出植物群落的固碳釋氧能力。不同復羽葉欒樹植物群落之間CO2濃度存在差異，固碳釋氧能力也有所不同，各植物群落平均CO2濃度分別為389 mg/L、373 mg/L、369 mg/L和381 mg/L，QL01>QL04>QL02>QL03，群落平均CO2濃度差值幅度在10 mg/L左右，差異并不顯著。

時間 圖2 各樣地平均溫度差值比較

時間 圖3 各樣地平均濕度差值比較

時間 圖4 各樣地平均CO2濃度比較

3.6.3 植物群落的負離子濃度

圖5表明，通過各樣地空氣負離子濃度比較，各植物群落內空氣負離子濃度都高于對照點，表明復羽葉欒樹植物群落對清潔空氣環(huán)境有較好的生態(tài)效益。各群落平均空氣負離子濃度分別為540個/cm3、904個/cm3、848個/cm3和659個/cm3，QL02、QL03濃度較高，QL04適中，QL01最低。QL02和QL03中復羽葉欒樹數(shù)量占比最大，其為二回羽狀復葉，葉片在植物群落冠層中形成葉幕結構，可以對太陽輻射進行有效截留，形成了群落內外和冠層上下溫濕度差的不同小氣候環(huán)境，促進了負離子的產生。

時間 圖5 各樣地空氣負離子濃度比較

4 討論與結論

本研究探究了復羽葉欒樹植物群落的植物構成特征、植株個體特征、群落結構類型特征、冠層結構特征和物種多樣性特征，以及該群落空氣溫度、相對濕度、CO2濃度和負離子濃度微氣候因子的響應后，得出以下結論：

(1)4個復羽葉欒樹植物群落內共有25科31屬31種維管束植物，其中被子植物21科27屬27種，裸子植物種類少,植物資源較為豐富。

(2)降溫增濕效果QL02>QL04>QL03>QL01，CO2濃度QL01>QL04>QL02>QL03，負離子濃度QL02>QL03>QL04>QL01，植物群落內植物種數(shù)量越多，其群落結構組成越復雜，郁閉度越高，對太陽輻射熱的有效阻隔和水分蒸發(fā)的保留越有利，從而起到更好的降溫增濕效果；提升了植物的光合作用效率，固碳釋氧能力更強；促進了植物光電效應，提高了負離子濃度，加強了清潔空氣的作用。

(3)其中QL02(復羽葉欒樹+香樟+玉蘭-紫薇+雞爪槭+杜鵑+海桐+繡球莢蒾-結縷草+紅花酢漿草)是物種豐富度指數(shù)最高、植物群落結構最復雜的群落，其微氣候效應的響應最佳。

本研究量化、系統(tǒng)化地闡述了復羽葉欒樹植物群落特征及植物群落中微氣候因子的響應，但是植物的生長狀態(tài)、生長勢對微氣候因子是有一定影響的，隨著植物個體的生長以及植物群落的演變，植物群落微氣候效應也會發(fā)生動態(tài)變化。因此，針對于某一特定群落的定位監(jiān)測、定量化研究和長期的持續(xù)觀測研究是非常有必要的，其季節(jié)變化、年度變化規(guī)律還有待后續(xù)探究。