城市森林植物群落与昆虫群落相关性分析

游秋艳,许强,李含笑,刘军侠,2

(1河北农业大学 林学院,河北 保定 071000;2河北省林木种质资源与森林保护重点实验室,河北 保定 071000)

城市森林是城市生态系统重要组成部分,能够净化空气并加快碳循环,可以有效改善人们的居住环境,全面提升城市品质,城市森林的作用随着森林城市的发展越来越受到重视[1-2]。植物群落是城市森林重要组成,植物多样性是景观和功能多样性的基点,如成都市龙泉市城市公园中植物群落具有明显的多种生态功效[3]。植物群落物种多样性、种植方式、种间作用力决定其群落稳定性,因此科学合理地选用树种在保障城市森林功能发挥效用的同时,能更好地提升城市森林生态系统稳定性[4-5]。

植物群落作为昆虫群落的生境,不同植物配置的种类组成、种植方式、功能效益直接影响昆虫群落种类组成和结构多样性[6]。昆虫群落多样性受制于植物群落,昆虫群落多样性的变化能间接反映森林生态系统健康程度,具有特殊的监测作用[7]。目前学者已经关注到植物群落和昆虫群落关系密切,已有研究表明,不同城市绿地植物群落的中小型土壤动物群落结构受气候和植物配置影响[8];不同放牧强度植物群落与昆虫群落相关性分析表明植物盖度、密度和地上生物量与昆虫种群数量呈显著正相关,植物地上生物量与昆虫均匀度指数呈显著负相关[9];研究紫茎泽兰不同入侵程度和未入侵的植物群落对昆虫多样性的影响,表明入侵程度逐渐加重的植物群落,其昆虫群落多样性指数、均匀度指数和丰富度指数均先降低后升高,优势度指数则先升高再降低[10];长白山植物群落与昆虫群落相关性分析表明植物群落物种丰富度指数与植食性昆虫、寄生性天敌丰富度指数呈负相关,植物群落多样性指数与捕食性、寄生性天敌多样性指数呈正相关[11];不同植物群落与昆虫群落之间具有复杂程度各异的相关性,明确二者相关性可推测出植物群落对昆虫群落调控能力,实现生态健康。本研究以城市森林不同林分类型为对象,调查植物群落和昆虫群落多样性,应用典型相关分析方法,明确森林植物群落与昆虫群落相关性,为植物群落对昆虫群落调控及城市森林生态系统健康监测提供理论依据,也为后续雄安新区城市森林建设提供科学参考。

1 研究地概况

雄安新区座落于太行山东麓与冀中平原中部,属太行山麓平原向冲积平原的过渡地带。属于暖温带季风型大陆性气候,年均气温11.7 ℃,最高月(8月)平均气温26 ℃,最低月(1月)平均气温- 4.9 ℃;年日照2 685 h,年平均降水量551.5 mm,无霜期185 d左右。

研究地选在雄安新区千年秀林驿站造林地,占地总面积662.3 hm2,位于雄安新区北部,是雄安新区初期策源地和核心绿色生态斑块的中枢部分。研究地以城市森林景观为主,配以多种树种混合种植设置了5种植物配置类型,分别是乡土乔木为主的生态基础林,春秋季观花为主的多彩花林,森林草地,森林果园景观以及以原有杨树为主的近自然林。

5种植物配置特点如下:

Ⅰ-生态基础林:面积为71.8 hm2,以常绿乔木油松为主,其次楸、杜仲等乡土树种;配置中油松、银杏优势树种占样地内总树种数量的48%,形成常绿落叶混交林;

Ⅱ-多彩花林:面积为145.3 hm2,以春季开花的花灌木为主,如西府海棠(Malusmicromalus)、山桃(Prunusdavidiana)、东京樱花(Cerasusyedoensis)、日本晚樱(Cerasusserrulatavar.lannesiana)、碧桃(Amygdaluspersica),树种占样地内总树种数量的20.42%,再搭配栾(Koelreuteriapaniculata)、黄栌(Cotinuscoggygriavar.cinereus)、五角槭(Acerpictumsubsp.mono)等变色树种;

Ⅲ-森林草地:面积为83.6 hm2,场地大量空间种植草地,以黄栌、银杏等秋季变色树种为主,搭配西府海棠、杏(Armeniacavulgaris)小乔木,锦带花(Weigelaflorida)灌木丛,形成乔灌草混合植物配置;

Ⅳ-森林果园:面积为224.0 hm2,多经济性农作果树,如梨(Pyrus×michauxii)、苹果(Maluspumila)、枣(Ziziphusjujuba)、樱桃(Cerasuspseudocerasus)、胡桃(Juglansregia)、桃(Amygdaluspersica),树种占样地内总树种数量的27.86%;

Ⅴ-近自然林:面积为137.5 hm2,以黑杨(Populusnigra)、毛白杨(Populustomentosa)大乔木为主,占样地内总树种数量的32.86%,搭配银杏、元宝槭(Acertruncatum)、黄栌等乔木,形成乔木自然林。

2 研究方法

2.1 样地划分

在研究地采用公路网格的方式来划分样地,样地间隔50 m,样地大小20 m × 30 m,共89块样地,其中Ⅰ-生态基础林10块,Ⅱ-多彩花林24块,Ⅲ-森林草林13块,Ⅳ-森林果园28块,Ⅴ-近自然林14块。

2.2 群落调查方法

2.2.1 植物群落调查 于2020-2021年开展调查,在样地内,按照树种数量比例随机抽取10株树作为调查样株,分布记录林木胸径、株高及冠幅,以及不同植物种类、数量。

2.2.2 昆虫群落调查 在选择的样株上,按上、下2个方位,东、南、西、北4个方向,分别选取长度为50 cm标准枝,记录标准枝上昆虫种类和数量。对不能识别的昆虫采集并带回实验室,查阅森林昆虫学、中国昆虫生态大图鉴、昆虫分类学等相关书籍进行种类鉴定[12-13]。

2.3 群落分析

2.3.1 群落特征分析 采用以下公式进行群落特征分析[14]。

Shannon-Wiener多样性指数:

H′=-∑(PilnPi)

(1)

Pielou均匀度指数:

J′=H′/lnS

(2)

Berger-parker优势度指数:

C=Nmax/N

(3)

Margalef丰富度指数:

R=(S-1)/log2n

(4)

式中:Pi代表第i个物种的相对多度;Pi=ni/N,其中ni为第i个物种的个体数,N为样方所有物种个体总数之和;Nmax为优势类群数量;S为1个样地内的物种数目。

2.3.2 群落相关性分析 分析植物群落对昆虫群落的影响,以植物配置群落物种数(X1)、优势度指数(X2)、多样性指数(X3)、均匀度指数(X4)表示各植物群落(U)指标,以昆虫群落物种数(Y1)、个体数(Y2)、优势度指数(Y3)、多样性指数(Y4)、均匀度指数(Y5)表示各植物配置昆虫群落(V)指标,将两组群落指标进行典型相关分析[15]。

2.4 数据分析

使用Microsoft Excel 2010进行数据整理与图表制作,使用PAST软件进行群落多样性分析,使用DPS 5.0.2.8软件进行方差分析、典型相关分析。

3 结果与分析

3.1 不同配置植物群落结构及多样性

3.1.1 植物总组成 不同配置的植物总组成情况见表1。

表1 不同配置植物总组成

由表1可知,共调查林木48种,分属于20科35属。从不同林木占比来看,松科(Pinaceae)和蔷薇科(Rosaceae)数量最多,占28.54%和16.97%;其次为豆科(Fabaceae)、无患子科(Sapindaceae)、银杏科(Ginkgoaceae)、杨柳科(Salicaceae),数量占比均大于5%;蔷薇科的属和种最多,包括6属14种,其中西府海棠、紫叶碧桃(Amygdaluspersica)、山桃、日本晚樱、樱桃树种较多。

3.1.2 5种不同配置植物组成 5种不同配置植物组成见表2。

表2 5种不同配置植物组成

由表2可知,Ⅱ-多彩花林、Ⅳ-森林果园植物种类较多,Ⅱ-多彩花林以开花树种居多,各观花树种占样地树种数量比例为:山桃6.25%、西府海棠6.25%、东京樱花4.17%、文冠果3.75%、杜梨(Pyrusbetulifolia)2.50%等,Ⅳ-森林果园种植多种果树,占样地树种数量比例:梨8.93%、苹果6.07%、枣3.57%、撒金碧桃(Amygdaluspersica)3.57%等。其余种植物配置科、属、种数量相差较小,Ⅰ-生态基础林以油松、银杏、槐(Styphnolobiumjaponicum)、楸居多,Ⅲ-森林草地以大片草地结合乔灌木,Ⅴ-近自然林种植大面积的杨树单纯林。

首先，自然资源确权登记中调查工作粗放。自然资源范围包含多种类型，在确权登记工作中，只是简单粗放的进行整体登记，未进行细化登记，不利于自然资源统一确权登记工作开展和合理的资源利用管理。其次，权属来源资料缺失。由于历史原因，大量自然资源不具备充分的权属来源资料，并且与周边集体土地存在权属争议情况较多，权籍调查工作开展困难，进而无法开展确权登记工作。二是，缺少经费支持。自然资源确权登记工作量较大，由于历史资料较少，需要开展大量调查工作，但地方政府一般经济状况很难满足经费需求，造成部分确权登记工作进展缓慢。

3.1.3 不同配置植物群落特征指数分析 不同配置植物群落特征指数分析,如图1。

(a) 多样性分析

由图1可知,从树种多样性指数看,Ⅰ-生态基础林指数最高,与Ⅱ-多彩花林和Ⅲ-森林草林多样性指数无显著性差异,与Ⅳ-森林果林、Ⅴ-近自然林多样性指数有显著性差异。从配置树种均匀度来看,5种配置均匀度指数整体较高,Ⅴ-近自然林与Ⅱ-多彩花林均匀度指数有显著性差异,其余3种配置之间无显著性差异。从优势度指数来看,Ⅳ-森林果林与Ⅰ-生态基础林有显著性差异,该2种配置与其他3种配置之间均无显著性差异。从丰富度指数来看,Ⅰ-生态基础林配置与其余4种植物配置均有显著性差异。

其中,Ⅰ-生态基础林较其它配置多样性指数、和丰富度指数较高,优势度指数较低;Ⅳ-森林果园多样性指数和丰富度指数最低,优势度指数最高;Ⅱ-多彩花林和Ⅲ-森林草地各指数值居中,和Ⅴ-近自然林多样性指数、优势度指数和丰富度指数差异不显著。

3.2 不同配置昆虫群落组成结构

3.2.1 不同配置昆虫群落组成 不同配置昆虫群落组成见表3。

表3 不同配置昆虫群落组成

由表3可知,本次调查获得昆虫91 755头,隶属于12目100科336种。从总体上来看,5种植物配置半翅目昆虫数量最多,科和种均多;鳞翅目、膜翅目和鞘翅目昆虫数量居其次,科和种较多,但不同配置间有差异。Ⅱ-多彩花林半翅目昆虫数量多,主要是由于黄栌、西府海棠、东京樱花等春季观花植物多,导致黄栌丽木虱(Calophyarhois)、蚜虫(Aphidoidea)刺吸类害虫较多;Ⅳ-森林果园鳞翅目昆虫数量最多,因阔叶树种居多,导致美国白蛾(Hyphantriacunea)食叶类害虫较多;Ⅱ刺吸类害虫较多,导致鞘翅目中异色瓢虫(Harmoniaaxyridis)等天敌种类较多。

3.2.2 不同配置昆虫群落特征指数分析 不同配置昆虫群落特征指数分析,如图2所示。

(a) 多样性分析

由图2可知,从群落多样性指数来看,Ⅰ-生态基础林、Ⅴ-近自然林显著大于Ⅱ-多彩花林、Ⅲ-森林草林;Ⅳ-森林果林与其余4种配置均无显著性差异。从均匀度指数来看,5种植物配置之间均无显著性差异。从优势度指数来看,Ⅳ显著大于Ⅰ、Ⅴ两种配置;Ⅱ和Ⅲ与其他3种植物配置无显著性差异。从丰富度指数看,Ⅰ显著大于Ⅳ,余下3种配置与该2种配置之间均无显著性差异。

Ⅰ-生态基础林多样性指数和丰富度指数显著高于Ⅳ-森林果园,优势度指数显著低于Ⅳ,且均与其他配置差异不显著;Ⅳ多样性指数显著低于Ⅴ-近自然林,优势度指数显著高于Ⅴ,丰富度指数和均匀度指数间差异不显著,Ⅳ与Ⅱ-多彩花林、Ⅲ-森林草地指数间差异均不显著;Ⅱ-多彩花林、Ⅲ-森林草地和Ⅴ-近自然林各指数间差异均不显著。总体上来看,Ⅰ-生态基础林昆虫群落特征指数反映出群落结构相对较为稳定。

3.3 不同配置植物群落和昆虫群落相关性分析

经典型相关性分析不同配置植物群落与昆虫群落相关性结果,见表4。

表4 不同配置植物群落与昆虫群落相关性分析

由表4可知,Ⅰ-生态基础林的植物群落与昆虫群落相关性极显著,Ⅰ-生态基础林相关系数R=0.999 3,P=0.005 7<0.01,其余4种配置植物群落与昆虫群落相关性不显著。

从Ⅰ-生态基础林配置典型变量系数看出,主要反应了植物群落多样性指数(X3)与昆虫群落物种数(Y1)、均匀度指数(Y5)成负相关。

从典型冗余分析看出,Ⅰ-生态基础林配置典型变量U可以解释66.50%的组内变异,解释28.28%的另一组变异,典型变量V可以解释28.32%的组内变异和66.41%的另一组变异。

4 讨论与结论

4.1 不同配置植物群落组成及多样性

城市森林是以木本植物为主体的植物群落,依靠植物物种和群落多样性营造良好的生态环境,随着城市化不断发展,城市森林越来越受到关注[4]。雄安新区作为全国性新区,建设以乡土树种为主,从四季景观、针阔混交、乔灌搭配等多角度营造千年秀林,该区森林将成为雄安新区绿色形象之窗。本研究选择的5种植物配置类型,选择不同树种搭配营造多种景观效果,其中Ⅰ-生态基础以油松、银杏、槐、楸、杜仲等乔木树种为主,植物群落多样性指数和丰富度指数较高,优势度指数较低,表明Ⅰ物种较多,结构相对复杂,群落相对稳定,树种搭配较合理,Ⅳ-森林果园以梨、枣、文冠果、胡桃等核果树种居多,搭配油松常绿树种,植物群落多样性指数和丰富度指数最低,而优势度指数最高,表明不同配置导致不同植物群落结构稳定不同,如南充市主城区各绿地类型中防护绿地的多样性指数、乔木规格均低于其它绿地[16];Ⅱ-多彩花林常绿与落叶树种搭配种植,Ⅲ-森林草地乔木、灌木、草本复合种植,Ⅴ-近自然林以大面积杨树类单纯林为主,3种配置结构相对简单。在今后城市森林建设过程中,应当在物种丰富度不高,结构简单的植物群落循序渐进创建乔、灌、草复合植物配置,如Ⅳ、Ⅴ以增加配置安全系数和稳定性,减少虫害发生[17]。

4.2 不同配置昆虫群落组成及多样性

配置树种种类丰富,形成的小环境具有多样化特点,充分的生态资源提供了昆虫物种及群落多样化条件[18]。本次调查总计91 755头昆虫,其中半翅目科数、物种数、个体数在5种植物配置中均最多,Ⅱ-多彩花林多阔叶、开花树种,故蚜科(Aphididae)、木虱科(Psyllidae)昆虫较多;其次是鳞翅目、膜翅目种类、数量在各配置整体较多,因鳞翅目中美国白蛾、杨银潜叶蛾(PhyllocnistissalignaZeller)发生数量较多。Ⅰ-生态基础林多样性指数和丰富度指数较高,优势度指数较低,表明Ⅰ昆虫种类多样,结构相对复杂,生态效益较高;Ⅳ-森林果园多样性指数、丰富度指数较低,优势度指数较高,表明Ⅳ昆虫优势物种较突出,群落相对不稳定,生态效益较低;Ⅱ-多彩花林、Ⅲ-森林草地和Ⅳ-森林果园多样性指数和丰富度指数较高,优势度指数较低,表明这3种配置昆虫物种种类多样,结构相对复杂,群落相对稳定;崔金杰研究转Bt基因棉田昆虫群落、害虫和天敌亚群落的多样性指数均低于常规棉[19],表明不同植物配置发生昆虫种类、数量不同,昆虫群落会有所差异,与本研究昆虫群落多样性结果一致。

4.3 不同配置植物群落与其昆虫群落关系

丰富多样的植物为昆虫提供了充足的食物资源,复杂多样的森林植物群落结构亦给昆虫群落提供了充分、良好的活动空间和庇护所,植物群落结构的差异将会影响昆虫群落结构和多样性[18]。植物群落对昆虫群落具有直接或间接影响,两者形成一定程度的关联性,且不同配置植物群落与昆虫群落具有不同程度的相关性,Ⅰ-生态基础林多样性指数(X3)与昆虫群落物种数(Y1)成负相关,表示Ⅰ物种种类越多、昆虫物种数越少,表明植物群落发展到一定限度以后,产生对昆虫群落不利因素,从而导致昆虫物种多样性降低,结构稳定减弱;Ⅳ-森林果园植物群落物种数(X1)与昆虫群落均匀度指数(Y5)成正相关,表示Ⅳ植物种类越多,昆虫群落分布越均匀,植物群落各物种间形成结构相对复杂的关系网,相互影响和制约能力较强,对昆虫群落调控能力越强,形成生态平衡的良性循环;另外3种配置植物群落与昆虫群落相关程度较弱,从各指标系数来看,Ⅱ-多彩花林形成了植物群落对昆虫群落调控能力的趋势,将营造相对良好的生态平衡,剩余2种配置植物群落对昆虫群落的制约能力相对较弱,形成了相对简单的关系网络。表明不同植物群落对昆虫发生造成不同影响,与高宝嘉等人研究发现日本龟蜡蚧在不同植物群落发生严重不同的结果一致,日本龟蜡蚧在植物种类丰富的丘陵地发生程度低,而在以农作物为主、植物种类缺乏的平原区发生严重[20]。

通过群落调查对造林地植物群落及昆虫群落种类及结构有了一定了解,后续还应继续深度调查分析植物群落与昆虫群落相互作用的关键性因子,在植物群落物种多样性上做好调整,合理分配树种布局,遵循科学性原理优化植物配置结构,充分发挥森林生态功能,为之后城市森林树种选取、昆虫调控及群落间相互影响提供科学理论依据。