城市化下的殘余耕地雜草多樣性分析

冉秋月 陳悅 棟巍 闞東揚 王崇云

摘要：城區(qū)耕地是一種正在消失的城市土地利用類型，其物種多樣性對于城市生態(tài)系統(tǒng)組成、結構和功能具有重要影響作用。以云南省昭通市昭陽區(qū)玉米田為研究對象，采用樣地調(diào)查法獲得草本雜草植物物種信息，選用雜草Simpson物種多樣性指數(shù)（D）、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)（C）和Partrick豐富度指數(shù)（R）等3個指數(shù)表示物種多樣性，再根據(jù)距城市中心距離值和道路影響范圍的方法量化城市化等級。結果顯示：昭陽區(qū)城區(qū)殘余玉米田雜草以禾本科和菊科為主，且外來物種數(shù)＞本地物種數(shù)；從Simpson多樣性指數(shù)（D）來看，調(diào)查區(qū)玉米田雜草多樣性呈現(xiàn)南北縱向高于西北橫向，并在西南角出現(xiàn)物種多樣性較高的小區(qū)域；隨著城市化程度的加劇，雜草物種多樣性變低；在不同道路寬度等級下，距離道路越遠，其Simpson優(yōu)勢度指數(shù)（C）值越大，雜草群落優(yōu)勢度越明顯。因此，建議在城市擴張進程中修建城市斑塊綠地，從而提高城市生態(tài)系統(tǒng)服務功能。

關鍵詞：城市化；雜草多樣性；殘余耕地；生物多樣性

中圖分類號：S451文獻標志碼：A文章編號：1003-935X（2023）01-0027-08

Analysis on Weed Diversity of Residual Cultivated Land Under Urbanization

—Taking the Corn Field in Zhaoyang District as an Example

RAN Qiu-yue¹，CHEN Yue¹，DONG Wei¹，KAN Dong-yang¹，WANG Chong-yun²

（1.School of Agriculture and Life Sciences，Zhaotong Unicersity，Zhaotong? 657000，China；

2.Institute of Ecology and Geobotany，Yunnan University，Kunming? 650091，China）

Abstract：The cultivated land is one of the disappearing urban land type.Its species diversity has an important impact on the composition，structure and function of urban ecosystem. This paper took the corn cultivated land in Zhaoyang District Zhaotong City Yunnan province as the research object，used the sample plot survey method to obtain the species information of herbaceous weeds，selectd three indexes of weed Simpson species diversity index （D），Simpson dominance index （C） and partrick richness index （R） to represent the species diversity，and then quantified the urbanization level according to the distance from the city center and the influence range of roads. The results showed that the weeds were mainly Gramineae and Compositae in the residual corn fields in Zhaoyang District，and the number of alien species was more than that of native species； From the Simpson diversity index （D），the weed diversity in the North-South vertical direction washigherthanthatin the northwest horizontal direction，and there was a small area with higher specie diversity in the southwest corner. The specie diversity of weeds was lower with the aggravation of urbanization. Under different road width grades，the farther away from the road，the greater the Simpson dominance index （C） value，and the more obvious the dominance of weed community. It was suggested to build patch green space in the process of urban expansion so as to improve the service function of ecosystem.

Key words：urbanization；weed diversity；residual cultivated land；biodiversity

收稿日期：2022-03-29

基金項目：云南省教育廳科學研究基金（編號：2019J1141）。

作者簡介：冉秋月（1992—），女，新疆喀什人，碩士研究生，講師，研究方向為植被生態(tài)學。E-mail：1730066591@qq.com。

耕地是城市土地利用類型之一，耕地雜草物種多樣性是城市物種多樣性的重要組成部分^［1-3］，在增綠、涵養(yǎng)水源、氣體調(diào)節(jié)、土壤有機質積累等方面為城市提供生態(tài)服務功能^［2-3］。在城市化進程下，這類特殊土地的數(shù)量及面積逐年減少^［4］，因面積小、糧食產(chǎn)量低不影響當?shù)丶Z食安全和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展，往往最終轉化為城市建設用地，從而喪失其生態(tài)作用及價值。近年來，經(jīng)濟發(fā)展驅動下的城市化問題在昭通市昭陽區(qū)主城區(qū)日益突顯，城區(qū)耕地用地逐漸過渡為城市建設用地^［5］。城市耕地面積的減少直接導致城市植被多樣性降低以及城市生態(tài)系統(tǒng)功能喪失^［6-7］。雜草作為耕地最主要的植物類群，是耕地生物多樣性的重要組成部分，城區(qū)殘余耕地多為城市居民自用的半棄耕地，因缺少人為干擾多呈現(xiàn)半自然生長狀態(tài)，對比農(nóng)村耕地具有較高物種多樣性，了解城市主城區(qū)殘余耕地雜草類型及其在城市化擴張背景下的多樣性格局研究，對于城市生態(tài)系統(tǒng)的探索具有重要意義。玉米是昭通市第一大糧食作物^［8-9］，也是城區(qū)殘余耕地主要種植作物之一。本試驗以昭陽區(qū)主城區(qū)為研究范圍，通過調(diào)查城區(qū)城市化下殘余玉米地雜草的物種組成特征及其多樣性分布格局，探討城市擴張下殘余耕地雜草生存狀況，進一步了解并完善城市即將消失的植物類型體系，以期為維護城市植物多樣性和提高城區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)管理水平提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查區(qū)域概況

昭陽區(qū)位于云南省東北部省轄昭通市境內(nèi)（103.1°～103.9°E，27.1°～27.6°N），是昭通市唯一的市轄區(qū)和行政中心所在地，也是昭通市政治、經(jīng)濟、文化、信息中心，同時還是云南、貴州、四川3省結合部省際中心城市。其平均海拔 1 950 m，為典型的高原湖泊盆地，城區(qū)地勢起伏平緩，獨特的地理位置和環(huán)境條件造就昭陽區(qū)逐漸成為云南連接長江經(jīng)濟帶和成渝經(jīng)濟帶的重要通道。2017年底，城市建成區(qū)面積達 43.05 km²，城區(qū)人口40萬人。城市化擴張問題日漸凸顯，擴張方向基本為典型的南北擴張。昭陽區(qū)屬于典型的正在飛速發(fā)展的新興城市，農(nóng)業(yè)作為昭陽市核心產(chǎn)業(yè)，耕地物種多樣性和城市化進程兩者之間的平衡對于城市發(fā)展方向具有重要的指導作用，因此昭陽區(qū)是研究城市化進程下植被物種多樣性現(xiàn)狀的理想?yún)^(qū)域。

1.2 數(shù)據(jù)采集與分析

1.2.1 數(shù)據(jù)采集方法

采用“x”取樣法針對城市化中心及向外輻射4 km的玉米耕地2個研究區(qū)進行野外實地調(diào)查，共完成36個調(diào)查樣點（表1）180個樣方，每個樣方1 m×1 m，記錄樣方GPS信息、雜草物種名、高度、蓋度、植株數(shù)量，并用七級目測法記錄每種雜草出現(xiàn)的優(yōu)勢度等級。

1.2.2 物種多樣性計算

參照《中國雜草志》《中國植物志》《中國雜草原色圖鑒》對野外調(diào)查的雜草進行鑒定分類；根據(jù)中國植物物種信息數(shù)據(jù)庫（http：//db.kib.ac.cn，2020）進行本地種和外來種的鑒定。

基于樣地野外調(diào)查數(shù)據(jù)計算樣地雜草物種多樣性。使用α多樣性下的Simpson指數(shù)D來計算調(diào)查樣點的物種多樣性，用Simpson優(yōu)勢度指數(shù)（C）表示物種優(yōu)勢度，用樣地物種數(shù)來表示物種豐富度（R）。借助ArcGis 10.4軟件核密度分析工具（ArcToolbox→Spatial Analyst→密度分析→核密度分析）完成調(diào)查樣地點Simpson優(yōu)勢度指數(shù)（C）、Simpson多樣性指數(shù)（D）、Partrick豐富度指數(shù)（R）熱力分布圖。

Simpson物種多樣性指數(shù)（D）：

Simpson優(yōu)勢度指數(shù)（C）：

Partrick豐富度指數(shù)（R）：

R=S。

式中：S為樣方內(nèi)物種總數(shù)；p_i為第i種的個體數(shù)n_i占調(diào)查物種個體總數(shù)n的比例，即p_i=n_i/n；i=1，2，3，…，n。

1.2.3 R語言的hmisc包回歸分析

數(shù)據(jù)標準化后，利用R語言的hmisc包中的rcor函數(shù)，采取Pearson算法計算各個變量之間的矩陣距離。計算得出的結果的R值大于0.99，說明具有較高的可信度。

1.3 城市化等級劃分

1.3.1 最短距離定義城市化程度

確立城市化等級是本研究過程的基礎，利用ArcGis 10.4軟件目視解譯Landsat遙感衛(wèi)星影像（空間分辨率為 30 m），通過研究區(qū)土地硬化面積解譯確定出城市化中心區(qū)域。定義調(diào)查樣地點距離城市化中心區(qū)域邊緣的最短距離值表示調(diào)查點受城市化影響的程度，若調(diào)查樣地在城市化中心區(qū)域，則用最短距離負值表示，利用最短距離值表示受城市化影響的程度，距離值與城市化程度相反。

1.3.2 道路Buffer定義城市化程度

道路作為城市化發(fā)展推動下的必然產(chǎn)物，交通路線的密集程度與城市化發(fā)展程度有著密切的聯(lián)系^［10］，道路擴張范圍往往與城市發(fā)展方向有較高的重合度。本研究以昭陽區(qū)主要交通道路和二級道路為道路路線代表，利用ArcGis 10.4軟件（ArcToolbox→Analysis Tools→Proximity→Buffer）分別建立Ⅰ（0.5 km）、Ⅱ（1 km）、Ⅲ（3 km）等3個等級影響范圍，不同等級代表道路的城市化程度：Ⅰ（0.5 km）＞Ⅱ（1 km）＞Ⅲ（3 km），以探索道路這一城市化指標和玉米耕地植物物種多樣性之間的關系。

2 結果與分析

2.1 昭陽區(qū)玉米地雜草種類

由表2可知，所調(diào)查的玉米耕地雜草共有29科62屬67種，其中菊科屬數(shù)、種數(shù)最多，為13屬14種；其次是禾本科，有12屬13種；蓼科和紫草科分別是3屬5種和3屬3種；其余雜草為2科2屬和1科1屬，有19種植物為單科單屬植物。

2.2 昭陽區(qū)玉米地雜草物種來源

此次所調(diào)查的67種玉米耕地雜草中本地種和外來種分別為26種和41種，分別占總數(shù)的38.81%和61.19%。其中，外來種有空心蓮子草（Alternanthera philoxeroides）、牛筋草（Eleusine indica）、蕎麥（Fagopyrum esculentum）、早熟禾（Poa annua）、酢漿草（Oxalis corniculata）、繁縷（Stellaria media）、稗（Echinochloa crusgalli）、車軸草（Galium odoratum）、圓葉牽牛（Ipomoea purpurea）、千里光（Senecio scandens）、聚合草（Symphytum officinale）、小蓬草（Erigeron canadensis）、紫菀（Aster tataricus）、鬼針草（Bidens pilosa）、苦苣菜（Sonchus oleraceus）、牛膝菊（Galinsoga parviflora）、紫茉莉（Mirabilis jalapa）、婆婆納（Veronica polita）、莧（Amaranthus tricolor）、香絲草（Erigeron bonariensis）、曼陀羅（Datura stramonium）、蒼耳（Xanthium strumarium）、馬鞭草（Verbena officinalis）、紫苜蓿（Medicago sativa）、落葵薯（Anredera cordifolia）、耳草（Hedyotis auricularia）。

2.3 昭陽區(qū)玉米地雜草分布特點

耕地雜草物種的具體分布對于物種多樣性的保護具有重要意義^［11］，借助ArcGis 10.4軟件核密度分析工具（ArcToolbox→Spatial Analyst→密度分析→核密度分析）完成調(diào)查樣地點：Simpson優(yōu)勢度指數(shù)（C）、Simpson多樣性指數(shù)（D）、Partrick豐富度指數(shù)（R）熱力分布圖，結果見圖2。其中，Simpson指數(shù)（C）用來表示物種優(yōu)勢度，在調(diào)查范圍內(nèi)，玉米耕地雜草在調(diào)查區(qū)中部偏向西北（省耕山水新區(qū)）位置優(yōu)勢度高于昭陽區(qū)其他地區(qū)，可見雜草物種在新城區(qū)的生長及分布優(yōu)于老城區(qū)。從Simpson多樣性指數(shù)（D）來看，調(diào)查區(qū)玉米耕地雜草多樣性呈現(xiàn)南北縱向高于西北橫向，并在西南角出現(xiàn)高物種多樣性小區(qū)域，總體在城區(qū)呈現(xiàn)點狀分布，即多樣性分布和擴張相對較均勻。但從Partrick均勻度指數(shù)（R）來看，調(diào)查區(qū)域的物種豐度較均勻，沒有較明顯的分布特點。

2.4 城市化梯度上雜草多樣性

2.4.1 中心城區(qū)城市化程度對雜草多樣性的影響

圖3是調(diào)查樣地位置點距離城市化中心的最短直線距離示意圖，利用一元回歸分析完成調(diào)查樣地3個典型的物種多樣性指數(shù)受海拔和城市化程度影響的顯著性分析，結果見圖4。結果顯示，距城市中心距離值與物種豐富度指數(shù)R存在顯著正相關，玉米耕地農(nóng)田物種豐富度隨著城市化程度加深而減少，另外調(diào)查樣點的海拔與物種豐富度指數(shù)存在正相關關系，即在研究區(qū)范圍內(nèi)，耕地物種豐富度隨著海拔的增高而呈現(xiàn)增高的趨勢。

2.4.2 道路城市化程度對雜草多樣性的影響

3個等級的緩沖區(qū)結果如表3所示，不同距離等級下雜草Simpson物種多樣性、Partrick豐富度指數(shù)差異不大，即道路對周圍耕地雜草物種生長指數(shù)影響較小。從Simpson優(yōu)勢度指數(shù)可以看出，距離道路越寬，雜草優(yōu)勢度指數(shù)越高，值從0.136 0增長到0.148 9，即城市化影響越小的耕地，其雜草多樣性優(yōu)勢度越明顯。

3 討論與結論

3.1 調(diào)查樣地物種組成特點

本研究通過調(diào)查城區(qū)殘余玉米地植物物種多樣性，發(fā)現(xiàn)昭陽區(qū)玉米地雜草物種主要以菊科和禾本科為主，其屬數(shù)/種數(shù)分別為13個/14個和 12個/13 個，這一調(diào)查結果與杜浩等的研究結果^［12-13］相近。另外調(diào)查結果顯示，本地種數(shù)量少于外來種，說明在自然生長狀態(tài)下，外來種作為入侵種，其入侵性往往更能適應本地環(huán)境而長期生存，也對本地種生存產(chǎn)生了一定的影響，特別是蓮子草、牛筋草、蕎麥、早熟禾、酢漿草等^［14］。

3.2 城市化與雜草物種多樣性

昭陽區(qū)作為“正青春”的新型發(fā)展城市之一，在經(jīng)濟發(fā)展的趨勢作用下，城區(qū)復雜的土地類型正在經(jīng)歷過渡為較為簡單土地類型的局面，部分耕地因附有的特殊“經(jīng)濟價值”而被轉化為建筑用地，城區(qū)耕地類型的“消失”導致耕地上生長的植物也在消失，城市化發(fā)展不會漏掉一塊耕地，而城市生態(tài)系統(tǒng)卻十分需要這僅存的本地物種長居的物種斑塊作為生態(tài)網(wǎng)絡的“跳板”，城市化的小面積斑塊因其低農(nóng)業(yè)經(jīng)濟收入和高昂的征收費用最終成為“正青春”城市發(fā)展的犧牲品。通過研究發(fā)現(xiàn)，城市化進程下的昭陽區(qū)耕地面積減少導致物種多樣性降低，距離城市中心地區(qū)越遠，玉米耕地物種多樣性越高，相反，越靠近或位于城市中心，其物種多樣性越低，城市化發(fā)展的方向和物種多樣性之間具有顯著關系。

城市道路的修建和擴張是城市化發(fā)展下的部分體現(xiàn)，我們往往認為城市化程度越高，城市道路網(wǎng)絡越復雜^［15］。本研究發(fā)現(xiàn)，道路對耕地雜草物種多樣性的影響體現(xiàn)在雜草優(yōu)勢度上，距離城市道路網(wǎng)絡區(qū)越遠，城市耕地雜草群落優(yōu)勢度越明顯。城市中心的建立和擴張往往以犧牲城市生態(tài)系統(tǒng)中物種數(shù)為結果，使得生態(tài)效益和經(jīng)濟效益往往不能共存，若在加快城市化擴張進程下，修建生態(tài)綠地斑塊、維持其較高物種多樣性，對于城市生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能，特別是生態(tài)服務功能上具有明顯的改善作用。

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