基于三维绿量的怀化城市公园植物群落物种多样性及生态效益研究

杨 岑，彭尽晖，粟德琼

(1.湖南农业大学，湖南 长沙 410128； 2.怀化职业技术学院，湖南 怀化 418000)

城市公园是城市绿地的重要部分，为人们提供休憩、观赏景观、放松身心场所，同时有着重要的生态效益[1]，如固定二氧化碳、释放氧气[2]、降低温度、增加空气湿度、吸收有毒气体、滞尘等[3]。三维绿量(Tridimensional Green Biomass，简称TGB)是一种植物三维评价指标，指生长着的植物茎叶所占据的空间体积，单位一般用m3来表示[4]。

目前，通过三维绿量估算植物群落生态效益的研究仍处于探索阶段，董艳杰等[5]通过对上海浦江郊野公园5个不同典型林分作为研究对象，探讨了不同树种间生态效益的差异；杨阳等[6]以不同坡度的景观林作为研究对象，探讨了三维绿量与植物群落生态效益之间的关系；薛雪等[7]以上海市6种典型园林绿化植物作为研究对象，探讨了不同季节内不同树种生态效益差异。

城市公园植物多样性是城市生物多样性的重要组成部分，直接影响城市生物多样性水平与景观服务功能。近年来怀化城市公园建设，植物配植重景观、轻生态现象还比较突出[8]。“康养城市”、“园艺疗法”等理念的提出，为城市公园建设提供了科学理论，同时也对植物种类多样性提出了更高要求，构建观赏价值高、植物种类丰富、植物搭配合理的群落，成为现今植物群落设计的主要内容。

本文通过研究林地改建公园与新建公园的植物群落生态效益，探讨两公园植物群落差异并提出优化措施，以期为后期城市公园建设提供一定理论依据。

1 研究区概况

怀化市地处108°47′13″—111°06′30″E，25°52′22″—29°01′25″N之间，是典型的亚热带季风气候。夏季高温多雨，冬季低温少雨，降水量比较丰富，年平均降水量达1 615 mm，年平均气温16.8 ℃。

舞阳公园为林地改建公园，位于湖南省怀化市河西经济开发区舞水河河畔、舞水桥以南，植被以亚热带季风常绿阔叶林为主，植被覆盖率高，植物资源丰富；公园原为1980年建成的怀化市河西城市林地，于2018年年初改建成城区综合公园，根据2018年10月怀化市城市管理和综合执法局提供的怀化市建成区公园绿地遥感解译数据，公园占地面积共10.75 hm2，其中绿地面积共7.95 hm2，绿地率为82.04%。五溪文化公园为新建公园，位于怀化市鹤城区五溪大道；根据2020年怀化市统计局数据，五溪文化公园于2003年7月破土动工，2004年4月底竣工开园；根据2020年怀化市统计局数据，公园占地19.1hm2，绿地面积13.48hm2，绿地率为70.56%。

2 研究方法

2.1 实地调查

于2020年6月至2021年4月，采用典型样方法调查舞阳公园和五溪文化公园植物群落现状(见表1)。共设置11个样方，其中舞阳公园5个，五溪文化公园6个。调查样方面积大小为 20 m×20 m，在各样方内沿对角线机械布设5个2 m×2m灌木小样方、5个2 m×2 m的草本小样方，样方之间间距不小于150 m。以400 m2为单位面积计算样方内植物株数密度[8]。

在样方内依据植株生活型的不同，划分出群落的分层结构，以层为单位进行每木调查。将植物群落划分为乔木层(胸径≥4 cm的木本植物)、灌木层(胸径<4 cm且高度>0.5 m的木本植物)、地被层(高度≤0.5 m的木本植物和草本植物)分别进行统计调查。乔木层调查中主要记录其种名、数量、高度、胸径、冠幅、冠高、第一活枝下高；灌木层主要记录其种名、数量、盖度、高度；地被层植物主要记录其种名和盖度；按照相邻林层间林木平均高差相差20%以上、主林层郁闭度大于0.3、其他林层郁闭度大于0.2进行植物群落林层划分，以主林层具有胸径平均值的树木高度作为群落高度[9]。

表1 植物群落抽样调查表Tab.1 Samplingquestionnaireofplantcommunity样方地点面积/hm2建成年份样方数量样方编号舞阳公园10.820185WY1-WY5五溪文化公园19.120046WX1-WX6

2.2 三维绿量计算

本研究使用“平面量模拟立体量”计算乔灌木的三维绿量[10]，不同植物冠形的三维绿量计算公式不同[11]，地被层植物三维绿量采用覆盖面积乘以高度计算[12]。样方内各层植物三维绿量之和为总三维绿量(m3)，总三维绿量除以样方面积为样方三维绿量密度(m3·m-2)。

2.3 植物多样性值计算

本研究对各公园植物群落样方内物种多样性采用以下数学模型进行计算[13]：

(1) Shannon-Wiener物种多样性指数(H)

H=-∑PilnPi

(1)

(2) Simpson优势度指数(D)

(2)

式(1)(2)中：Pi种的P个体数占群落中总个体数的比例。

(3) Pielou均匀度指数(J)[14-15]

J=H/Hmax

(3)

式中：H为实际观察到的物种多样性指数；Hmax为最大的物种多样性指数。

Hmax=LnS(S为群落中的总物种数)

(4) Margalef物种丰富度指数(R)[16]

R=(S-1)/lnN

(4)

式中：S为群落中的总种数；N为观察到的个体总数。

2.4 生态效益计算

在每10000 m3三维绿量中，常绿植物每年可吸收48.5 t二氧化碳，释放35.2 t氧气；落叶植物每年可以吸收26.2 t二氧化碳，释放19.0 t氧气；针阔混交林每年可吸收30.3 kg二氧化硫，年滞尘11 t；针阔混生林夏季蒸腾量为5.5 t ·d-1[5]。

2.5 生态效益价值计算

本研究根据《中国生物多样性国情研究报告》中固碳释氧成本分别为273.3 元·t-1和369.7 元·t-1[17]，采用《森林生态系统服务功能评估规范》中的治理成本法，治理SO2费用为1200 元·t-1，降尘费用为150 元·t-1[14]，降温增湿产生的生态效益价值根据怀化市供水公司公布的居民用水价格中自来水的单价2.10 元·t-1，分别对各样地内植物群落各项生态效益价值进行估算。

3 结果与分析

3.1 两公园植物群落基本情况

3.1.1 公园植物物种组成分析

舞阳公园共有园林植物155种，隶属于72科126属，其中乔木29科38属56种，灌木26科28属51种，地被植物29科32属48种。五溪文化公园共有园林植物81种，隶属于41科65属，其中乔木18科26属36种，灌木14科31属18种，地被植物15科18属27种。

两公园植物群落结构见表2。由表2可知：植物群落高度越大，分层结构越复杂，主林层优势种越明显。舞阳公园植物群落中平均植物种类数14.60种，其中乔木层5.00种、灌木层5.80种、地被层7.20种，五溪文化公园分别为10.17种、6.33种、1.40种、3.33种。与五溪文化公园相比较，舞阳公园地被、灌木层植物种类丰富，乔木层植物种类单一。

两公园植物多样性指数值见表3。由表3可知：与五溪文化公园相比较，舞阳公园植物群落乔木层植物物种多样性指数、优势度指数、均匀度指数、物种丰富度指数均低；灌木层植物物种多样性指数、优势度指数数值高，均匀度指数、物种丰富度指数均低；木本地被植物物种多样性指数、优势度指数、均匀度指数、物种丰富度指数均高。

表2 两公园植物群落结构Tab.2 Plantcommunitystructureoftwoparks样方编号群落高度/m分层结构植物群落结构植物种类数WY110.002香樟(Cinnamomumcamphora)-鸢尾(Iristectorum)+吉祥草(Reineckeacarnea)18WY213.402香樟(Cinnamomumcamphora)+杜英(Elaeocarpusdecipiens)-白花泡桐(Paulowniafortunei)+杜英(Elaeocarpusdecipiens)+八月桂(Osmanthusfragrans)10WY312.002香樟(Cinnamomumcamphora)-柚树(Citrusmaxima)+小叶女贞(Ligustrumquihoui)+狗脊蕨(Wood-wardiajaponica)+鳞毛蕨(Dryopterischampionii)17WY40.301马尼拉草(Zoysiamatrella)12WY518.603香樟(Cinnamomumcamphora)-杜英(Elaeocarpusdecipiens)+八月桂(Osmanthusfragrans)+垂丝海棠(Malushalliana)-油茶(Camelliaoleifera)+山矾(Symplocossumuntia)+青冈栎(Cyclobalanopsisglau-ca)16WX17.402白花泡桐(Paulowniafortunei)+杨梅(Myricarubra)+香樟(Cinnamomumcamphora)+大叶樟(Cinnamo-mumparthenoxylon)+红叶李(Prunuscerasiferaf.atropurpurea)-鸢尾(Iristectorum)12WX25.402红叶李(Prunuscerasiferaf.atropurpurea)+垂柳(Salixbabylonica)+杨梅(Myricarubra)-红花韭兰(Zephyranthescarinata)13WX310.202银杏(Ginkgobiloba)+日本樱花(Prunus×yedoensis)-韭莲(Zephyranthescarinata)9WX40.151马尼拉草(Zoysiamatrella)+韭莲(Zephyranthescarinata)5WX52.002香樟(Cinnamomumcamphora)+韭莲(Zephyranthescarinata)+白三叶(Trifoliumrepens)+马尼拉草(Zoysiamatrella)8WX69.602绦柳(Salixmatsudana'Pendula)+香樟(Cinnamomumcamphora)+乐昌含笑(Micheliachapensis)-鸢尾(Iristectorum)14

表3 两公园植物多样性指数值Tab.3 Averageimportancevaluesofthetwoparks多样性指数舞阳公园五溪文化公园乔木层灌木层木本地被平均值乔木层灌木层木本地被平均值H1.17571.38161.27931.27891.77341.10240.62521.1670D0.59880.69440.63330.64220.61170.62850.37130.5372J0.73140.81450.66010.73530.94570.83510.54820.7763R1.22281.17540.81171.07002.15060.48260.27420.9691

3.1.2 群落结构分析

两公园植物群落所调查指标平均值比较见表4。由表4可知：与五溪文化公园相比较，舞阳公园植物群落高度大，乔木层植物株数密度大，冠高、株高平均值大，冠幅平均值小；灌木层植物株数密度大，冠幅、冠高、株高平均值小；地被层覆盖率小。由林地改建的舞阳公园植物群落乔木层长势优良、郁闭度高、种植间距小、冠幅较小。灌木、草本层植物受光照等因素限制，长势较差。新建公园为保证观赏性，乔木层植物常绿落叶搭配，定期修剪、打顶消除顶端优势、增加冠幅，灌木层植物选取精品单株灌木进行植物配植，地被层植物选取耐荫种类，定期养护、补植，地被覆盖率高。

表4 两公园植物群落所调查指标平均值比较Tab.4 Comparisonofaveragevaluesofinvestigatedindexesofplantcommunitiesinthetwoparks公园名称群落高度/m乔木层灌木层地被层株数密度/株冠幅/m冠高/m株高/m株数密度/株冠幅/m冠高/m株高/m覆盖率/%舞阳公园10.8637.83.454.408.35162.830.620.761.1628五溪文化公园5.7920.174.213.885.945.331.961.391.5742

3.2 植物群落三维绿量分析

由图1可知：舞阳公园5个样方总三维绿量值为9 016.13 m3，总三维绿量密度为4.52 m3·m-2，其中常绿植物占93.20%，落叶植物占6.80%，常绿植物三维绿量值占植物三维绿量值主要部分，公园内植物以常绿植物为主。五溪文化公园6个样方总三维绿量值为3 757.95 m3，总三维绿量密度2.77 m3·m-2，其中常绿植物占56.60%，落叶植物占43.40%，五溪文化公园内常绿、落叶植物三维绿量值相近。

图1 两公园样方总三维绿量比较Fig.1 Comparison of total TGB of quadrats in two parks

由图2可知：与五溪文化公园相比较，舞阳公园总三维绿量密度大，乔木层植物三维绿量密度大，灌木层三维绿量密度大，地被层三维绿量密度小。舞阳公园中灌木层、地被层三维绿量密度占总三维绿量密度3.76%，乔木层植物三维绿量密度占总三维绿量密度96.24%。五溪文化公园中灌木层、地被层三维绿量密度占总三维绿量密度6.49%，乔木层植物三维绿量密度占总三维绿量密度93.51%，植物群落三维绿量密度主要由乔木层植物承担。

图2 植物群落各层平均三维绿量密度比较Fig.2 Comparison of average TGB of each layer of plant community

3.3 生态效益价值分析

两公园绿地单位面积年生态效益见表5。由表5可知：五溪文化公园释放氧气量占舞阳公园的50.69%，吸收二氧化碳量为49.11%，滞尘量为61.34%，吸收二氧化硫量为61.34%，夏季蒸腾量为61.36%。

表5 两公园绿地单位面积年生态效益Tab.5 Totalannualecologicalbenefitsoftwoparks公园名称释放O2/(t·a-1·hm-2)吸收CO2/(t·a-1·hm-2)滞尘量/(t·a-1·hm-2)吸收SO2/(kg·a-1·hm-2)夏季蒸腾量/(t·a-1·hm-2)舞阳公园153.70218.6449.59136.5924.79五溪文化公园77.91107.3730.4283.7915.21 注:夏季蒸腾时间根据怀化市高温天气分布,取6月16日至9月15日共91d。

两公园绿地生态效益价值对比见表6。由表6可知：在舞阳公园植物群落中，释放氧气产生的生态效益价值占总生态效益价值的44.05%，吸收二氧化碳为46.39%，滞尘为5.77%，吸收二氧化硫为0.13%，夏季蒸腾为3.67%；五溪文化公园植物群落所产生的生态效益价值分别占总生态效益价值的43.08%，44.69%，6.94%，0.15%，4.42%。不同公园内植物群落的生态效益价值排序一致，均为吸收CO2>释放02>夏季蒸腾>滞尘>吸收SO2。

表6 两公园绿地生态效益价值对比Tab.6 Comparisonofecologicalbenefitvalueofgreenspaceintwoparks公园名称释放氧气/(元·a-1·hm-2)吸收二氧化碳/(元·a-1·hm-2)滞尘量/(元·a-1·hm-2)吸收SO2/(元·a-1·hm-2)夏季蒸腾量/(元·a-1·hm-2)总生态效益价值/(元·a-1·hm-2)舞阳公园56824.2359842.117438.29163.914738.19129006.73五溪文化公园28802.0229386.604652.70100.552906.4465758.30

分析两公园植物群落各项生态效益价值占比差异，与五溪文化公园相比较，舞阳公园植物群落常绿植物三维绿量占总三维绿量比值高，绿量值相同的情况下，常绿植物较落叶植物能够产生更高的生态效益与生态效益价值。

4 结论与讨论

(1) 由林地改建的舞阳公园植物种类、群落分层丰富，群落平均高度大，三维绿量密度大，单位面积年生态效益价值高。乔木层植物平均株高大、冠高大、平均冠幅小，常见单一树种建群，究其原因，在人工造林时为方便管理，在一定区域内种植同一树种，但种植间距有限，导致乔木层植物冠幅较小。园内中下层植物群落受人为因素干扰较小，经长期自然演替，灌木、地被植物多样性高,但因长期处于郁闭度高的乔木层下，受光照条件等因素限制，均匀性与丰富度差。

新建的五溪文化公园相比较林地改建公园植物种类数少，三维绿量密度小，单位面积年生态效益价值低，乔木层植物多样性丰富，灌木、地被层植物多样性指数低。究其原因是公园设计之初为保证植物群落观赏性进行搭配，保证了乔木多样性与丰富度，为保证景观效果，常在设计时选择冠幅大、观赏效果优良的树种，在后期养护中会定期对植物进行修剪，使植物冠大荫浓，提高观赏效果；公园设计之初，常选用一个或几个耐荫品种密植造景，经过多年生长、繁殖、人工养护后成为灌木、地被建群种，其余灌木、地被植物种类因缺乏生长繁殖条件，致使种间竞争能力弱，无法建群。

(2) 合理配置植物。实际建设中，在丰富植物群落物种多样性，提升群落生态效益价值的同时，也需兼顾植物群落观赏性。进行植物群落配植时，以构建种类丰富、分布均匀、分层结构丰富、群落高度大、三维绿量密度高、观赏性强、生态效益价值高的植物群落为目的。营建常绿落叶搭配合理，灌木模拟自然群落构造，地被层植物覆盖率高，群落内植物种类丰富、分布均匀，成型后各层稳定的植物群落。

结合实际情况，根据植物的生长习性，模拟自然植物群落的垂直结构与水平结构进行城市公园植物群落配植。乔木上层应选择生长速度快、成年株高高、冠幅冠径大的植物种类，乔木中层选择成年株高中等的植物，乔木下层选择生长较慢、成年株高较小的植物；灌木层植物选择自然种植，群落内部通透性良好，观赏价值高；地被层植物选择长势优良、耐踩踏、观赏性高的种类，以期在保证公园绿地三维绿量的前提下，同时兼顾观赏性与生态性，提升生态效益价值。舞阳公园可在郁闭度较大的林下种植耐阴植物山麦冬(Liriopespicata)、吉祥草(Reineckiacarnea)、八角金盘(Fatsiajaponica)等；五溪文化公园可在高度较小的群落上层配置复羽叶栾树(Koelreuteriabipinnata)、枫香(Liquidambarformosana)、马褂木(Liriodendronchinense)等高大落叶乔木。

(3) 科学规划城市绿地。在实际城市绿地建设中，城市公园植物群落三维绿量与生态效益不可能无限增大，我们进行城市规划设计时，城市内留足绿地面积，提高城市绿地率与绿化覆盖面积，同时增加植物群落三维绿量密度，才是解决城市空气污染问题，提高生态效益值的有效解决途径。