郑州城市园林植物群落物种多样性研究

张 琳,孟亚南,王佩佩,谢珊珊,刘艺平,孔德政

(1.河南农业大学 林学院,郑州 450002；2.河南林业职业学院,河南 洛阳 471002)

植物群落作为城市生态系统的基本组成单位,是改善城市生态环境和维护城市生态系统稳定性的基础。构建合理、科学的植物群落结构才能使城市绿地稳定,高效地发挥其改善和美化环境的功能[1-2]。城市绿地是城市生态环境的重要组成部分,是构成城市空间形态的重要元素,了解植物群落的结构特性、配置模式以及提升整体群落景观质量是更好提高城市整体园林绿化水平的关键。因此,研究城市不同绿地类型的人工植物群落景观具有非常重要的意义。

国外有关城市植物群落的研究比较早,主要是从生境、土地利用等方面入手,探讨植物多样性形成差异的原因[3-5]。国内许多城市也已对城市园林植物群落开展相关研究,研究内容主要集中在物种组成、结构特征等方面[6-7]。但针对郑州市而言,对于植物群落物种多样性的研究较少,多局限于树种调查、频度分析等方面[8-10]。本文在充分调查郑州市不同绿地类型植物群落物种多样性的基础上,对不同绿地类型的植物群落物种丰富度指数和多样性指数的指标进行分析,以期为今后郑州市的绿地规划和植物生态建设提供参考依据。

1 研究区概况

郑州市地处华北平原南部、黄河中下游、河南省中部偏北,北纬34°16′～34°58′,东经112°42′～114°13′。郑州市属北温带大陆性季风气候,年平均气温在14～14.3℃之间,年平均降雨量640.9mm,年平均湿度62.6%,无霜期220d,全年日照时间约2 400h。土壤以褐土和潮土为主,植被类型属于北暖温带落叶阔叶林。全市植被覆盖良好,市区绿化覆盖率达45%,人均公共绿地面积达13.6km2。

研究范围包括选取公园绿地(人民公园、紫荆山公园、碧沙岗公园、郑州之林公园、绿城广场),居住区绿地(蓝堡湾小区、鑫苑名家、锦艺城、青年居易、清华园等)和道路绿地(花园路、文化路、南阳路、大学路、桐柏路等)。

2 研究方法

2.1 样地调查

于2014年12月至2017年7月,运用典型抽样的方法,根据不同绿地类型的性质特点,选取不同类型的植物群落样地。选取路缘、林缘界限明显、形成时间较长、生态系统相对稳定的植物群落作为样地,方形样地以20m×20m为界进行选取,长条形样地以15m×20m为界进行选取,共选取176块调查样地,并记录乔木、灌木和草本的种类、数量、频度、盖度、多度等。

2.2 重要值计算

分别计算出乔木层、灌木层以及草本层物种的重要值,相应计算公式如下:

乔木重要值=(相对密度+相对频度+相对显著度)/3

灌木、草本重要值=(相对多度+相对盖度+相对频度)/3

2.3 多样性计算

对研究区域内的植物群落物种多样性指数的计算采取α和β两大类多样性指数。α多样性指数的测度选取了物种丰富度指数(dGl)、Simpson指数(D′)、Shannon-Wiener指数(H)和Pielou均匀度指数(J)；β多样性指数采用相异性系数(CD)来反映不同群落物种间的相似程度。相应计算公式如下:

1) 物种丰富度(dGl)

dGl=S/lnA

式中：S为群落内物种数；lnA为样地面积。

2) Simpson指数(D′)

式中：S为群落内物种数;Pi为种i的相对重要值。Pi=Ni/N为每个群落中全部物种的重要值之和,Ni为第i个种的重要值。

3) Shannon-Wiener指数(H)

式中：S为群落内物种数；Pi为种i的相对重要值。Pi=Ni/N为每个群落中全部物种的重要值之和,Ni为第i个种的重要值。

4) Pielou指数(J)

J=H/lnS

式中：H为ShannonWiener指数;S为群落中的总物种数。

5) 相异性系数(CD)

CD=1-2c/(a+b)

式中：c为两群落共有的物种数；a与b分别为两群落各自的物种数。

3 结果与分析

3.1 植物群落组成

通过对郑州市3种绿地类型选定的176个植物群落样地进行调查可知,植物种类共计186种,隶属于72科133属。乔木层有39科56属80种,其中常绿乔木有19种,落叶乔木有61种,两者的比例为19∶61(约为31.15%),而许多研究[11-12]认为北方地区常绿乔木与落叶乔木种植比例为3∶7～4∶6(约为42.86%～66.67%),这说明郑州市3种绿地类型植物群落中种植的常绿树种较少,落叶树种较多,使得常绿树种与落叶树种分布不够均匀。灌木层有23科33属55种,其中常绿灌木有25种,落叶灌木有30种,表明常绿灌木与落叶灌木的种类数量比较接近。草本层有27科47属51种,主要以1～2a生花卉和宿根花卉居多。含有植物种类较多的科为蔷薇科(12属27种),豆科(9属13种),菊科(9属11种),木犀科(7属10种),忍冬科(4属7种),百合科(4属4种),松科(3属6种),榆科(3属4种),玄参科(3属3种),桑科(3属3种),胡桃科(3属3种),柏科(2属6种)。这些植物共同构成了郑州3种绿地类型中典型植物群落样地的主要物种成分,其中蔷薇科、豆科、菊科植物分别占调查物种总种数的14.5%,6.9%,5.9%,说明这3科植物在本研究植物群落区域中有明显优势作用。从整体上来看,郑州3种绿地类型植物群落中运用的植物种类较为丰富。

3.2 α多样性

α多样性主要指群落内物种多样性,主要包括物种丰富度和均匀度两方面的含义[13]。由图1(a)可知,不同绿地类型的植物群落其物种丰富度指数也存在一定差别,公园绿地的乔木层、灌木层和草本层物种丰富度明显高于居住区绿地和道路绿地,尤其以乔木层和草本层差异最为明显,而灌木层物种丰富度差异较小。在3种绿地类型中,乔木层的物种丰富度表现为公园绿地(3.7)>居住区绿地(2.8)>道路绿地(2.3)；灌木层的物种丰富度表现为公园绿地(3.1)>居住区绿地(2.5)>道路绿地(1.8)；草本层的物种丰富度表现为公园绿地(2.6)>居住区绿地(1.7)>道路绿地(1.9)。

从总体上看,Simpson指数和Shannon-wiener指数的吻合度较高,不同绿地类型之间的多样性指数排序具有很高的一致性,Simpson指数和Shannon-wiener指数整体上由高到低依次排序为公园绿地>居住区绿地>道路绿地。从图1(b)、图1(c)可以看出,公园绿地植物群落中各层次多样性指数均高于其他绿地类型,主要是受到整体绿化水平和植物群落营造时间的影响,公园绿地植物种类多样,层次丰富,植物群落稳定性较高,受到的干扰较小,因此多样性指数最高。居住区绿地的乔木层和灌木层多样性指数较高,而草本层多样性指数较低,说明居住区绿地的草本植物种类比较单调,缺乏多样性。道路绿地植物群落中各层次多样性都比较低,这是因为道路绿地植物群落大多数为乔草结构类型,乔木层主要以单一树种为主,其他树种栽植较少,加之道路绿地多受到较多干扰,因此整体丰富度指数较低。

物种均匀度指数Pielou是衡量各种类分布均匀程度的重要指标。不同绿地类型的植物群落中各层次的物种均匀度存在一定差别,3种不同类型绿地乔木层的物种均匀度存在一定差距,介于0.52～0.70之间(图1(d)),表现为公园绿地(0.70)>居住区绿地(0.58)>道路绿地(0.52);灌木层的物种均匀度差异较小,集中在0.44～0.54,表现为公园绿地灌木层(0.54)>居住区绿地(0.52)>道路绿地(0.44);草本层的均匀度介于0.38～0.48之间,表现为公园绿地(0.48)>(0.34)>(0.38)。

图1 不同绿地类型植物群落α多样性指数

3.3 β多样性分析

β多样性主要用来反映不同群落之间物种组成的差异。从群落各层计算结果来看(表1),公园绿地与居住区绿地和道路绿地植物群落之间β多样性均较大,居住区绿地与道路绿地之间植物群落β多样性较小,这说明公园绿地植物群落物种组成明显区别于居住区绿地和道路绿地的植物群落。公园绿地与居住区绿地植物群落各层次之间的相异性系数介于0.31～0.39,其乔木层之间的相异性系数最大,到达0.39；灌木层次之,相异性系数为0.35；草本层之间的相异性系数最小,只有0.31。这说明公园绿地与居住区绿地之间共有的乔木种类较少,草本之间的种类数量相差较小。公园绿地与道路绿地植物群落各层次之间的相异性系数介于0.33～0.40之间,乔木层为0.40,灌木层是0.37,草本层为0.33。与居住区绿地相比,公园绿地与道路绿地各层次之间的相异性系数差距更大,表明道路绿地的物种种类较为单一,尤其是乔木层,主要是因为郑州市道路绿地乔木种类多局限于悬铃木、国槐、白蜡、雪松等树种。居住区绿地与道路绿地植物群落乔木层、灌木层和草本层之间的相异性系数依次为0.22,0.17,0.17。与公园绿地和居住区绿地、道路绿地植物群落各层次之间的相异性系数相比,居住区绿地与道路绿地各层次之间的相异性系数差距较小,由此表明这两种绿地类型在物种组成上比较相似,植物种类的选择上比较一致,缺乏丰富性。

表1 不同绿地类型植物群落β多样性指数Tab.1 β diversity index of gardening plant community in different urban green space types

4 结论与建议

1) 在对郑州城市园林植物群落样地调查中可知,植物种类共计186种,隶属于73科133属。其中,公园绿地乔木层、灌木层和草本层物种α多样性均高于居住区绿地和道路绿地居住区绿地次之,道路绿地最低,表明公园绿地各层次的物种丰富度和均匀度较高。此外,公园绿地与居住区绿地和道路绿地之间的相异性系数均较大,居住区绿地和道路绿地之间的相异性系数较小,表明在公园绿地与居住区绿地和道路绿地物种组成上差距较大,而居住区绿地和道路绿地在物种组成上则比较相似。

2) 植物群落的质量影响着城市绿地的整体景观效果,同时也影响着绿地系统的景观稳定性和生态效益的发挥。本次调查结果表明,与公园绿地和居住区绿地相比,道路绿地植物群落的物种丰富度最低,群落结构大多以简单的乔、灌、草模式出现,甚至出现了只有乔木单层结构的植物配置,过于单一。建议丰富城市园林植物群落垂直结构层次,尤其应加强草本层植物的配置,可以选用一些适应性强、观赏效果好的草本花卉作为地被植物,如紫花地丁、葱兰、八宝景天等,既能降低养护成本,又能营造出色彩绚丽、造型丰富的绿化景观。

3) 在城市园林绿地植物群落设计中,往往过于强调某一绿地或某一空间的物种丰富度而忽略整体空间的物种多样性,使得降低了整体的景观效果和生态效益。因此建议丰富园林植物种类,可以加大乡土植物的运用,既符合当地气候特征,适应当地环境条件,也容易形成稳定、抗性高的高质量植物群落景观。在此基础上植物景观设计要大胆创新,充分结合绿地周围的环境,利用绿地的立地条件,运用多样的植物素材创造出特色突出、景观优美、和谐统一的植物景观。此外还应注重对彩叶树种以及观花、观果、观枝干等观赏种类植物的运用,目前应用的色叶树种种类较为单一,主要集中于紫叶李、红叶石楠、银杏等树种种类,所以说城市中以展现四时变化、绚烂多彩的植物风貌的季相景观设计尚待落以实处[14]。

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