城市湿地公园生物多样性设计与评估——以六盘水明湖国家湿地公园为例

郝 晟,王春连,林浩文

1 北京大学建筑与景观设计学院, 北京 100871 2 北京大学景观设计学研究院, 北京 100871 3 北京土人城市规划设计股份有限公司, 北京 100080

城市湿地公园是一种独特的公园类型,是指纳入城市绿地系统规划的、具有湿地的生态功能和典型特征的,以生态保护、科普教育、自然野趣和休闲游览为主要内容的公园[1]。公园是在城市化过程中幸存下来的或者是恢复了的破碎的城市生境[2]。合理的规划和设计使得城市公园中往往具有高度多样化的生境,例如森林、灌丛、树篱、草地、草坪、花园、坑塘、湖泊、建筑物、道路等,保存着某些自然植被片段和多种动物,那里的生物多样性往往非常高[3],对于维护城市生态系统稳定具有重要意义。城市湿地公园生物多样性的评估研究中,国外比利时学者提出了一种对城市和郊区公园中的生物多样性评估的方法[4],主要从生境多样性与物种多样性两个方面进行评估。生境多样性将“栖息地单元”归整为点、线、面三种类别,物种多样性通过样方法统计与归类维管植物的物种数量,最终利用Shannon-Wiener指数计算得到两者相对应的多样性指数；国内学者在评估方面的研究工作多集中于物种水平[5- 8],从定性研究逐步走向定量化研究,出现了10多种评估群落物种多样性的指标,如物种的丰富度、多样性、多度、均匀度等[9],方法上有学者构建了一种国家湿地公园管理评估指标体系, 并给出了每个因子的权重、赋值范围以及具体的定量化评估方法[10]。生态系统拥有的物种和栖息地种类越多,抗干扰能力就越强[11]。

本文以明湖国家湿地公园为例,通过对公园生物多样性设计和评估,对比计算湿地公园刚建成时与建成五年后的生物多样性指数,以定量化的数据分析为基础,通过建立对生境多样性与物种多样性的空间耦合关系,分析影响公园物种多样性变化的生境要素,为我国城市人工湿地公园设计提供借鉴。

1 研究区概况和规划设计策略

六盘水明湖国家湿地公园在六盘水市中心城区,水城河的上游区段,距市区二级水源地窑上水库约1.5 km(图1)。明湖湿地原场地中,有被垃圾和污水污染的湿地区域,有废弃的鱼池及管理不善的山坡地,垃圾遍地、污水横流。作为生态基础设施的示范项目,该项目设计的第一步就是重建生态健康的土地生命系统,包括改善雨水水质,恢复原生栖息地,建造通向高品质开放空间的游憩道,最后促进整个城市的发展。为实现这些目标,工程的具体策略包括：

(1)拆除混凝土河堤,恢复滨水生态地带,为各种挺水、浮水和沉水植物提供生境(图2)。沿河建造曝气低堰,以增加水体含氧量,促进富营养化的水体被生物所吸收。

图1 明湖国家湿地公园平面Fig.1 Minghu national wetland park master plan

图2 公园植被分布Fig.2 Park vegetation distribution

(2)建造梯田湿地和陂塘系统(图3),以削减洪峰流量,调节季节性雨水。梯田的灵感来源于当地的造田技术,通过拦截和保留水分,使陡峭的坡地成为丰产的土地。它们的方位、形式、深度都依据地质因素和水流分析而设定。根据不同的水质和土壤环境,种植了乡土植被(主要采用播种的方式)[12]。这些梯田状栖息地减缓了水流,水中过盛的营养物质成为微生物和植物生长所需养分来源,从而加快了水体营养物质的去除。

(3)人行道和自行车道沿着水系铺展(图4),在湿地梯田之间形成网络。设有大量座椅、凉亭和观光塔的休息平台融入设计的自然系统中,便于所有人进入,促进了学习、娱乐和景观审美体验,并设计了一个环境解说系统以帮助游客理解这些地方的自然和文化含义。

图3 公园水系分布Fig.3 Park water system distribution

图4 公园道路分布Fig.4 Park road distribution

2 研究方法

明湖国家湿地公园建成于2012年4月,至2017年7月调研时间为止,已有5年的历史,通过现场考察与相关文献的对比研究发现公园中的景观结构系统已经发生了较大的改变,研究以六盘水市明湖国家湿地公园为例,通过生境多样性与物种多样性对公园刚建成与建成5年后的城市湿地景观中生物多样性的评估与优化进行研究。

2.1 生境多样性

2.1.1生境单元调查和分类方法

生境多样性是对于公园的生境单元多样性进行评估,由于不同类型的生境单元对公园中的生物多样性具有不同的影响,并且测量方法不同,因此按照类型分为面状要素、线状要素与点状要素(表1)。按此分类标准可将明湖国家湿地公园中面状要素包括自然林、灌木林、草地、水域等；线性要素包括道路、树列、墙壁、桥梁等；点状要素主要有水池与其他公共基础设施。

表1 生境单元多样性分类标准

表中数据引自Hermy and Cornelis, 2000[4]

2.1.2生境单元多样性测度计算方法

(1)生境多样性指数

根据分类标准计算出公园中生境单元的总面积、长度或数量的比例。将这些比例代入Shannon-Wiener公式,即可计算出生境单元的多样性指数：

式中,H′是生境单元多样性指数,i是第i个生境单元,s是生境单元的总数,ni是生境单元i的面积、长度或数量,N是公园中生境单元的总面积、总长度或总数。

(2)生境饱和度指数

式中Smax代表生境单元的总数。

2.2 物种多样性

2.2.1物种多样性调查方法

城市公园的景观结构主要体现在植物多样性的变化,故研究重点在于对比公园刚建成与建成5年后植物多样性指标的变化,研究采用样方法进行植物群落的调查。

由于物种丰富度和多样性通常随面积而增加,故所采样方数与园区总面积成正比,植物样方类别分为乔灌木与草本水生植物两类,其中乔灌木的样方采用10 m×10 m的单元面积,其总面积占至公园建成面积的1%；草本水生植物的样方则采用2 m×2 m单元面积,其总面积占公园建成面积的0.2%[4]。场地面积约为21.36 hm2,遵循样方的选取规律,计算得出乔灌木样方数为21个,草本样方数为107个。其中调查样方的分布为在场地内随机均匀取样(图5),并记录样方内乔灌木植物的种类、科、属与数量(草本与水生植物换算为覆盖度)。

图5 场地植物样方分布Fig.5 Sample distribution of site plants

2.2.2物种多样性计算方法

3 研究结果分析

3.1 人工湿地生境多样性设计和分析

经过对湿地公园生境实地调研,结合场地施工图设计,采用地理信息系统分析提取出面状要素的面积、线状要素的长度和点状要素的个数,得出场地的生境单元的分布情况(图6),并计算对应的生境多样性指数与饱和度指数(表2)。数据分析反映出公园生境单元类型较丰富,公园中面状、现状要素饱和度指数都超50%,生境多样性情况良好。公园内面状要素多样性指数最高达到1.28,水域、草地与自然林占主体,占比最大的要素为水域,占到40%,也是湿地公园重要的组成元素,集中水域面积主要分布于场地地势较低的东北侧,主要功能为对雨水的收集消纳与对公园小气候的调节；分散水域主要集中于场地中较大高差的中部至南部,主要功能为对雨水的净化与截留。线状要素中主要元素为道路,占到63.1%,主要集中于场地中部,是场地人群活动的主要发生地。点状要素较少,主要为水井、凉亭、小型建筑物,调研发现场地的水井主要分布在自然程度较高的西侧与南侧,主要用于场地局部的雨水消解。

图6 场地生境类型分布Fig.6 Habitat units distribution

通过植物群落的设计和营造栖息地,创造出适宜动植物生存的生境区域,城市湿地公园中的植物是动物栖息地的主要载体,其种植设计考虑鸟嗜植物的应用,还应重视植被盖度和植被的群落结构,多选用适宜动物栖息的乡土物种,在园内不同区域营建多样的植物群落。城市湿地公园的生境营建考虑降低人类活动对生物栖息地的干扰,建筑设施和园路应远离栖息地,保证动物有较为隐蔽的活动空间。种类多样的乡土植物经过长期的生长、竞争和演替,在当地形成了功能稳定且动态平衡的复杂植物群落,是一个地区重要的物种基金库,也是生物多样性的重要组成部分。六盘水明湖湿地在植物群落配置上大量使用乡土植物,例如乔灌木物种香樟、水杉、枫杨等,水生植物物种包括白车轴草、麦冬、芦苇等。生境建成后,根据其所表现出来的发展趋势进行目标监控,对发展不佳及逆向发展生境要进行及时调整,随时根据目标监控结果进行新一轮的生境设计循环。

表2 明湖国家湿地公园生境单元分类名单与统计表

3.2 人工湿地物种多样性评估

(1)乔灌木多样性变化

通过调研发现,明湖国家湿地公园刚建成时期乔灌木植物达到15科,22属,27种,其中香樟、水杉、枫杨、无患子等植被占比数较高,属于场地内的优势种；同时对比整理出公园建成5年后的植物种类可以发现场地内乔灌木植物达到34科,50属,59种,植物的种类明显增多,其中丁香、香樟、蜡梅、榆树等植物成为新的优势种群(图7)。

图7 明湖国家湿地公园植物种类对比Fig.7 Comparison of plant species in Minghu National Wetland Park

研究对2012年公园刚建成时乔灌木样方的Shannon-wiener指数与2017年公园建成5年后的乔灌木样方的Shannon-wiener指数进行计算(图8),结果显示公园刚建成时期的植物多样性指数普遍低于建成五年后,甚至有些区域会出现指数为0的现象。多样性指数增幅为0.18—1.61。利用ArcGIS将计算结果进行空间分布研究(图9),发现公园建成5年后乔灌木群落多样性程度恢复明显,集中表现在园区的西部、南部与东部。其中东部、南部指数变化较大,东部为自然林分布区域生物多样性指数增幅达到1至1.61,南部为梯级水域区域生物多样性指数增幅为0.87—0.99之间。

图8 公园建成时和建成5年后场地乔灌木植物样方Shannon-wiener指数对比(H)Fig.8 Comparison of the Shannon-wiener index of the shrub plant sample at the completion of the park and after 5 years of construction (H)

图9 公园刚建成和建成5年后乔灌木Shannon-wiener指数分布图Fig.9 The park has just been built and after 5 years of construction Shannon-wiener index distribution of shrubs and shrubs

(2)草本水生植物多样性变化

通过调研发现,公园刚建成时期草本水生植物达到20科,34属,39种,其中白车轴草、麦冬、芦竹、芦苇等植被占比数较高,属于场地内的优势种；公园建成5年后场地内草本水生植物达到39科,71属,84种,植物的种类明显增多,优势种群结构并没有发生太大改变(图10)。

图10 明湖国家湿地公园草本水生植物覆盖度对比Fig.10 Comparison of herb aquatic plant coverage in Minghu National Wetland Park

研究对公园2012年刚建成时各个草本水生植物样方的Shannon-wiener指数与2017年公园建成5年后的草本水生植物样方的Shannon-wiener指数进行计算(图11),结果显示调查样地75%以上的样方公园5年后的草本水生植物的生物多样性指数高于公园刚建成时期,多样性指数增加最大值1.05,平均增加0.3。利用ArcGIS将计算结果进行空间分布研究(图12)发现公园草本水生植物群落多样性程度恢复同样明显,集中表现在园区的西南部、南部与中部。西南部与南部自然林占比最高,基本增幅在0.8左右,故自然的演替使生物多样性得到了大幅提高；中部虽人为活动干预较多,但调研发现,此区域主要为人工对植被进行了补种,故生物多样性也得到了部分提升,基本增幅为0.34左右,而多样性指数变化较少的区域则主要分布于靠近人工构筑物或硬质驳岸附近,进本增幅仅为0.1左右。

图11 场地草本水生植物Shannon-wiener指数对比图Fig.11 Comparison of Shannon-wiener index of herbaceous aquatic plants in the site

图12 公园建成时和建成5年后草本水生植物Shannon-wiener指数Fig.12 When the park is completed and after 5 years of construction Shannon-wiener index of herbaceous aquatic plants

3.3 人工湿地生境与物种多样性的空间耦合分析

图13 公园5年中乔灌木Shannon-wiener指数变化 Fig.13 Changes in the Shannon-wiener index of the shrubs in the park during the past 5 years

通过对比明湖国家湿地公园从建成至今的生物多样性变化,可以发现公园整体的乔灌木以及草本水生植物的多样性平均指数提升很大,乔灌木植被变化明显的区域主要集中在公园的中部、南部、东部(图13,14),草本水生植被变化明显的区域主要集中在公园的西部、南部、中部(图15,16)。将其分别与公园的生境分布进行叠加耦合可知,促使生物多样性变化的主要为两大原因：一、公园中自然林的演替结果,主要反映在场地的东侧与南侧,其中优势乔灌木种群为香樟、枫杨、白车轴草、狼尾草等,水生植被为芦苇、芦竹、香蒲等；二、人为对公园植被的补种,结果显示影响公园乔灌木指数变化的空间主要集中于公园道路分叉口、公园出入口与基础设施建筑周边,影响公园草本水生植物指数变化的空间主要集中于公园梯级水系、步行天桥下方空间与西南部分的混交林区域。同时通过对此现象进行访谈得知,该区域范围内五年进行过多次的人工植被补种,补种的乔木植被主要为池杉、国槐、玫瑰、海桐等观赏类植物,水生植被为花叶芦竹、再力花等,观察发现人工种植的植物主要集中分布在公园的中部与东南部等靠近人行步道附近区域,种植形式主要为线性行道树、绿篱和部分的花坛景观,其目的是为了维持公园修剪维护、提升观赏价值与营造景观安全氛围。

图14 生境多样性与乔灌木生物多样性空间耦合图Fig.14 Spatial coupling map of habitat diversity and biodiversity of shrubs and shrubs

图15 公园5年中草本水生植物Shannon-wiener指数变化 Fig.15 Changes in Shannon-wiener index of herbaceous aquatic plants in the park for 5 years

图16 生境多样性与草本水生植物生物多样性空间耦合图Fig.16 Spatial coupling map of habitat diversity and biodiversity of herbaceous aquatic plants

研究根据六盘水明湖湿地公园建成5年后生物多样性恢复能力的评估,提出相对应地适宜性的优势植物群落和营造的空间形式,为未来本土地区公园建设提供相应借鉴。适宜的优势植物群落主要包括4组陆生优势植物群落和3组水生优势植物群落。其中4组陆生优势植物群落为：(1)香樟+白车轴草+麦冬,适宜在坑塘、湖泊的缓冲带,(2)香樟+狼尾草+鬼针草,适宜在缓坡地,(3)枫杨+香蒲+狼尾草,适宜在水域周边与步行道两侧,(4)池杉+水杉+白车轴草,适宜湖中岛等大水面边源与地下水位较高地段。3组水生优势植物群落为：(1)芦竹+水葱+麦冬,(2)芦苇+再力花,(3)花叶芦竹+水葱+鸢尾。

4 结论与讨论

4.1 公园经过5年的时间,整体生态环境恢复良好

明湖国家湿地公园的建设在不破坏场地水文条件的情况下,种植设计通过最少程度的人为干预对公园建成前湿地的植被类型与多样性进行了优化,自然植物的群落类型大体随梯级湿地与明湖周边分布。建成五年的时间内,植物群落整体演替效果明显,湿地公园的生态环境已经得到了初步的改善,公园内部的栈道、亲水平台与梯级湿地周边可以观赏到水位变化而产生新的湿地景观,例如：旱生植物群落、湿生植物群落与旱生湿生结合的植物群落景观。公园对湿地景观的优化过程中并未生硬的种植大量观赏性花木,主要以六盘水市的本土植物种植为主,观赏性花木为辅,在梯级湿地景观区域形成了以芦苇/芦竹为优势种群的沼泽草本植物群落,并伴生有水葱、鸢尾、花叶芦竹和再力花等植物,在陆域范围内形成了主要以香樟/枫杨为主的优势乔木种群,并伴生有白车轴草、麦冬、狼尾草、鬼针草、一年蓬和金光菊等草本植物群落。场地内的人工湿地景观也为动物群落也创造了优良的栖息环境。

4.2 公园生境多样性和生物多样性恢复明显

总体来看,场地从原始的农田改造成为国家级生态湿地公园,经过五年的植被演替之后,已深受人们喜爱。公园的生物多样性较建成前大大提升,公园中随处可见散步、锻炼、垂钓、摄影和聚餐等行为活动,人与自然的联系得到了加强,生态恢复治理对场地的生物多样性起到了显著作用,达到了设计之初增加群落内的植物多样性、维持并形成稳定状态的目标。通过研究分析得出结论：

(1)从生境多样性指数来看,公园生境单元类型较丰富,公园中面状、现状要素饱和度指数都超50%,生境多样性情况良好。

(2)从物种多样性指数来看,公园建成5年后场地内乔灌木植物的种类明显增多,其中丁香、香樟、蜡梅、榆树等植物成为新的优势种群,表现在园区的西部、南部与东部；草本水生植物种类也明显增多,优势种群结构并没有发生太大改变,集中表现在园区的西南部、南部与中部。

(3)生物多样性指数恢复与生境要素空间耦合分析表明影响生物多样性变化的两大因素一是优势群落的自然演替恢复速度效果明显,二是人为干扰严重的地区的大规模人工补种。

4.3 优化设计策略

通过上述分析,未来城市公园生物多样性设计方面提出以下优化建议：(1)结合生境单元分类,通过重新组合优化营造适于该城市湿地公园的多样性生境组合方式；(2)根据当地的遗传基因库和土壤水文特性综合选择生境单元内部的植物配置,通过对自然群落的调整来设计出生境单元内部最优物种配置方式,提高生物群落的自然演替能力[13]；三、针对生境状态良好的区域,应相对减少公园内人工建筑和设施的数量、增加景观廊桥等垂直性交通,以降低人类活动对于生物多样性的影响。