成都市沙河廊道植物群落结构特征分析

2012-09-08张艳丽孟长来李智勇费世民

四川林业科技 2012年5期

张艳丽，孟长来，徐嘉，李智勇，费世民*

(1.四川省林业科学研究院，四川成都 610081;2.中国林业科学研究院，北京 100091)

城市因具有极高的社会发展价值而成为人类区域科学发展战略的重要组成。但城市从诞生开始，就与自然生态系统有不可调和的对立(程绪珂，胡运骅，2006)，根源在于城市生态的绝对破坏与绝对功能需求。城市生态化是城市发展的必然趋势，也是世界城市发展的新潮流(彭镇华，2006)。河流作为能量较低的生态系统，能为高碳高熵的积累性中心城市注入负熵流，高水湿性能培育贯通城市的绿脉，是众多城市建设首选的景观与生物美学载体，也成为文明城市的重要附属组成。

很多城市森林研究都集中在树种组成与多样性方面，反映其基本结构与功能特点(彭镇华，2003，2006)。城市河流更好的协调城市发展与环境的关系，森林廊道作为城市生态系统的重要组成部分，发挥着改善城市地域内景观美学与生态环保的重要作用。城市森林林网化、水网化而追求林水相依、林路结合，成为森林城市建设的核心理念(彭镇华，2006)，河流森林廊道构建技术成为城市森林建设的迫切需求。河流森林廊道群落组成是构建技术的基础，反映了构建技术特征与模式要点，能直观认识河流森林廊道的现状与改良优化技术潜能。

四川省为“千河之省”的称谓，成都市地处川西水网区腹部，水网密布，都江古堰，孕育文明，成都市腹背河流，也是河流文化的重要节点。从地形上看，位于青海西藏高原向南方丘陵山地的过渡性平原地带，是四川文明的重要载体与体现者。从高原奔腾而下的长江诸支流注入成都市繁华和谐以负熵和清凉，是城市景观亮丽风景。一些研究探讨了自然河流廊道与生态修复(王薇，李传奇，2003)、河流廊道景观生态功能分区(周华荣，肖笃宁，2006)、河流廊道景观格局(李静羽，2011)、河流廊道建设模式(吴后建等，2009)等，对河流森林廊道构建的群落结构特征研究甚少，限制了河流森林廊道构建技术模式的优化与发展的认识。城市河流生态系统退化，而自身景观功能显著而生态功能迫切需求，造成了极其明显的建设技术模式的需求，自身人工退化恢复、生物景观美学与生态环保功能重建是成都市森林廊道建设的基本功能，也是生态园林城市建设的重要组成。河流廊道生态重建是成都市森林城市创建的基本空间，是林网化、水网化城市森林建设的重要举措。沙河城市森林廊道群落组成与结构特征分析研究利于阐明河流森林廊道的基本特征，并依照林路结合、林水相依城市森林建设要求与实际河流廊道立地特点，提出河流廊道城市森林建设的技术模式与优化要点。

目前，城市森林群落结构研究对一些斑块与道路森林群落结构研究较多(彭镇华，2003，2006)，对于河岸植被带的条形绿地研究还较少。城乡一体化城市森林区域作为人类保育自然，建立利用、保护一体化的保存圃具有重要意义，其森林群落组成与结构特点也反映了区域适度生物资源利用与保护体系建设现状。除了乡土树种以外，珍稀濒危保护物种可能成为河流森林廊道群落组成与品质功能延伸的重点对象。为了对河流廊道绿化树种的合理配置提供科学依据，并为今后城市森林特别是沿河流人工植物群落的建设和改造提供参考，本研究以成都市沙河廊道为研究对象，通过群落学调查方法，对成都市沙河森林廊道植物群落的结构特征进行研究分析，为该类型城市森林模式构建提供理论依据与技术支撑。

1 研究区概况

成都市地处川西水网区腹部，水网密布，西南部有岷江水系，东北部有沱江水系，全市有大小河流150余条，总长约1500 km，水域面积700多 km2。流经成都市区的70条大小河流中，沙河是第二大河，北起成都市北郊洞子口，沿金牛、成华、锦江三城区逶迤而下，在市区东南下河心村归流府河，全长22.22 km。沙河是岷江水系，南宋时期有明确的记载，距今已有1500多年。多年来，沙河被蓉城人民称为“生命河”。沙河绿化整治工程始于2001年初，全线栽植各类高大乔木12.2万株，栽植各类花草310多万株，种植草坪21万多m2，总体绿化面积3.45 km2，人工湖100 hm2，主要包括北湖凝翠、新绿水碾、三洞古桥、科技秀苑、麻石烟云、沙河客家、塔山春晓、东篱翠湖八大景点。驷马桥以上为水源保护区，供自来水二厂、五厂在此取水，两岸各留出200 m生态绿化带，此段设计为“人水分离”，人行道与水体由绿带隔开，主要避免河水污染，同时也减少了河流生态系统的人为干扰。而驷马桥以下按50 m绿化带控制，主要作为城市滨水绿化景区设计，突出亲水性和参与性，充分体现成都的河居文化特色。

2 研究方法

2.1 样地的设置

应用样方调查法，根据沙河植物群落的特点，在一些建设成型并效果较好的地段设置66个样方，样方面积为400 m2(20 m×20 m)。对乔木层的树种记录其高度(m)、胸径(cm)、枝下高(m)、冠幅(m)、疏透度(%)、郁闭度(%)等。灌木层和草本层记录种类、高度及盖度。胸径的测量即用围尺测量每一植株1.3 m高处的直径。

2.2 群落特征计算方法

运用典型抽样法进行植物群落学调查，对每个样方进行乔、灌、草三个层次的调查。记录项目包括:(1)乔木层:记录样方内树高＞2 m，胸径＞2.5 cm的树种名称、胸径、树高、株数、冠幅(东、南、西、北四个方向);将树高划分为5个等级:A(h＜5 m)，B(5 m≤h＜10 m)，C(10 m≤h＜15 m)，D(15 m≤h＜20 m)，E(h≥20 m)。根据郄光发(2006)的划分依据，按树高把树木分成大、中、小三类，大树h＞20 m、中等树木5 m≤h≤20 m、小树h＜5m。将胸径划分为6个等级:A(DBH＜10 cm)，B(10 cm≤DBH＜20 cm)，C(20 cm≤DBH ＜30 cm)，D(30 cm≤DBH＜40 cm)，E(40 cm≤DBH ＜50 cm)，F(DBH≥50 cm)。同时，按胸径把树木分成大、中、小三类，大树DBH＞30 cm、中等树木10 cm≤DBH≤30 cm、小树DBH＜10 cm。(2)灌木和草本层:记录样方内灌木及草本植物的物种名称、高度、盖度。树高＜2 m，胸径＜2.5 m的乔木幼树归为灌木层植物统计。

(1)重要值

重要值是用来表示种在群落中地位和作用的综合数量指标，其计算公式如下:

乔木种的重要值=(相对密度+相对优势度+相对频度)/3

灌草种的重要值=(相对高度+相对盖度)/2

(2)物种多样性

①Shannon-Wiener物种多样性指数:

目前最广泛用于测定物种多样性的是Simpson指数和Shannon-Wiener指数。一般认为Shannon-Wiener指数对生境差异的反映更为敏感(彭少麟等，1983)，本文采用Shannon-Wiener指数来测算各群落的物种多样性，公式为(马克平等，1995;阎海平等，2001):

式中:Pi为种i的相对重要值;S为种i所在标准群落的总种数，即物种丰富度指数。

②Margalef丰富度指数:

式中:S为物种的数目，N为总个体数。

③Pielou物种均匀度指数(李伟等，2008;秦伟，2006):

群落均匀度指群落中各个种的多度的均匀程度，即每个种个体数间的差异。其计算通常用实测多样性和最高多样性的比来表示。最高多样性即所有种的多度都相等时的多样性。采用以Shannon-Wiener多样性指数为基础的计算式:

式中:H为实测多样性指数;Hmax是理论上最大的多样性指数。

2.3 主要树种叶面积的估算

本次研究采用以下树木叶面积回归模型估算不同树种的叶面积量(Nowak，1994):

式中，Y为叶面积总量;H为树冠高度;D为树冠直径;S1=πD(H+D)/2

植物所覆盖的的土地面积为植物树冠投影面积S2(m2):S2=1/4πD2。因此，单株叶面积指数的计算公式为:ILA=Y/S2。

3 结果与分析

3.1 植物种类组成

根据调查结果，组成成都市沙河植物群落的树种主要有73个科、134个属、172个种，其中乔木41种，隶属于17科25属;灌木66种，隶属于25科44属;草本65种，隶属于31科65属。从属的统计分析来看，调查样地的种集中在少种属和单种属，分别占总属61.94%和29.85%，这说明在属的组成上具有很高的分散性;从科的统计分析来看，样地植物的科在少种科和单种科上相对集中，同时在蔷薇科、禾本科、菊科等一些世界性大科占有相对较大的比例。

综合分析表明，天竺桂(C.japonicum var.chekiangense)、银杏(G.biloba)、水杉(M.glyptostroboides)、香樟(C.camphora)、垂柳(S.babylonica)、桂花(O.fragrans)、黄葛树(F.virens)、山杜英(E.sylvestris)是研究区的基调树种。从乔木树种的使用比例来看，落叶乔木和常绿乔木种树的应用量几乎各占一半(表1，表2)。

由于同一人员行走、慢速跑步、快速跑步3种状态的步长会产生显著差异,对应的单步步长分别为0.74 m、1.01 m、1.70 m,相对于行走状态,单步步长的改变程度分别为0%、36%、130%[13]。所以本文的主要研究范围包括快速行走、慢速跑步、快速跑步。当运动速度增加至2 m/s后,行人开始跑步状态。我们将行人以1.5 m/s和1.75 m/s运动表征快速行走状态,以2 m/s～2.75 m/s表征行人慢速跑步状态,以3 m/s～4 m/s表征快速跑步状态。

表1 主要乔木树种组成

灌木中常绿灌木较多(表3，表4)，大约是落叶灌木的四倍，其中南天竹(Nandina domestica)、迎春(Jasiminum nudiflorum)和十大功劳(Manonia fortunei)的出现频率较高，均大于20%，小蜡(Ligustrum sinense)、黄花槐(Cassia surattensis)、杜鹃(Rhododendron simsii)、八角金盘(Fatsia japonica)、栀子(Gardenia jasminoides)的频率在10% ～20%之间，其余的都小于10%。

草本中(表5，表6)，多年生较一年生多，空心莲子草(Alternanthera philoxeroides)、蝴蝶花(Iris japonica)、沿阶草(Ophiopogon bodinieri)和小白酒(Conyza canadensis)的出现频率较高，大于20%，白三叶草(Trifolium repens)、马尼拉草(Zoysia matrella)、肾蕨(Nephrolepis cordifolia)、马唐(Digitaria sanguinalis)、美人蕉(Canna generalis)、天胡荽(Hydro-cotyle sibthorpioides)、马兰(Kalimeris indica)、蔊菜(Rorippa indica)的频率在10% ～20%之间，其余的小于10%。

表2 主要乔木树种的重要值及出现频率

总体表明，成都市沙河植物群落通过绿化规划设计，植物配置大多较强地表现出人们的审美意思，有着观赏性强的特点。草本植物多数为乡土植物，适应本地的气候条件，生长良好，盖度高。研究区植物群落比较简单，树种组成单一，保护树种仅有银杏一种，这样的群落结构不但稳定性相对较差，其生态功能也会受到较大影响。

3.2 径阶结构分析

由图1可以看出，树木在胸径等级上呈现“两头少、中间多”的数量分布格局，大、中、小径级树木之比为57∶971∶290。树木的平均胸径为12.53 cm，其中有64.34%的树木径级小于平均径级水平。大径级树木主要集中在石楠、国槐、榆树等3个树种。绝大多数树木集中在10～20 cm的径阶区间范围，其间数量达828株，占调查总量的62.82%。依数量排序径阶依次为:＜10 cm的290株，占调查总量的22.00%;20 cm～30 cm的143株，占调查总量的10.85%;30 cm～40 cm的34株，占调查总量的2.58%;40 cm～50 cm的15株，占调查总量的1.14%;＞50 cm的8株，占调查总量的0.61%。由此可见，研究区树木多以中小径级为主，大径级的树木所占比例很小。说明该植物群落仍处于快速生长期，其生态功能作用还有较大的发展空间。

表3 主要灌木树种组成

图1 主要树木各径阶分布

表4 主要灌木树种的重要值及出现频率

3.3 垂直结构分析

由图2可以看出，树木在高度等级上呈现“两头少，中间多”的数量分布格局，研究区树木种数随着立木层次的不断增高逐渐递减，且不同立木层次树种数量相差较大，大、中、小树种所占的数量分别为7∶921∶390。研究区树木的平均高度为6.29 m，其中有42.76%的树木高于平均树高水平。树种集中分布在5 m～10 m的空间范围，占总数的62.27%;其次是＜5 m的立木区间，占29.26%;10 m～15 m等区间占6.90%;15 m～20 m区间占1.05%;＞20 m所占比例最少，为0.53%。说明研究区立木层次总体高度偏低，而且层次简单，当然这与树木的年龄有直接关系，整体的年龄偏低是树木高度偏低的主要原因，从而减少了沙河树木绿量。

表5 主要草本组成

图2 不同高度等级树木数量分布

表6 主要草本的重要值及出现频率

3.4 物种多样性分析

物种丰富度是用来衡量群落内物种的丰富程度，数值越大说明丰富度越高。如图3所示，植物群落在不同层片上，物种丰富度指数大致呈现灌木层＞草本层＞乔木层的特点，乔木的丰富度指数为6.02，灌木为9.78，草本为9.63，灌木与草本层大致相近。说明群落整体的物种数量主要受灌木层和草本层丰富度的影响。

图3 物种丰富度指数、多样性指数和均匀度指数

从图3可知，就研究区植物的总体而言，Shannon-wiener多样性指数总的趋势为灌木层＞草本层＞乔木层，乔木层的 Shannon-Wiener指数为3.56，灌木层的多样性指数为3.94，草本层的多样性指数为3.75。乔木层、灌木层和草本层的Shannon-Wiener指数均在3～4之间，低于亚热带常绿阔叶林的4～5，这主要与分布种类较少，不同树种分布不均匀有关。说明群落结构相对简单，组织水平较低，树种的丰富度和个体数量分布均匀度均不高。

3.5 主要树种叶面积指数分析

叶面积大小对净化空气、防污滞尘、降低噪音等综合环境效应有很大影响，因此应当多选择单株叶面积较大的树种以增加对环境的贡献率。由表7可知，各树种三维绿量除山杜英、水杉差异不显著，其他差异较显著，而单株叶面积除香樟和黄葛树差异不显著，其他差异较显著。垂柳的三维绿量最高，为42.86 m3，依次是香樟、黄葛树、银杏、桂花、天竺桂、水杉，山杜英的三维绿量最低，为3.12 m3。单株叶面积，垂柳最高为49.71 m2，其次是黄葛树、香樟、银杏、天竺桂、桂花、水杉，山杜英最低为8.69 m2。表明植株三维绿量越大，其总叶面积就越大。叶面积指数水杉最高，为8.01，依次为银杏、山杜英、香樟、垂柳、天竺桂、黄葛树，桂花最低为2.86。水杉的平均单位体积叶面积最高为4.62 m2·m－3，依次是天竺桂、山杜英、桂花、银杏、黄葛树，垂柳最低为1.16 m2·m－3，这反映了水杉枝叶茂密，树冠郁闭度较高;垂柳枝叶相对分散，导致其单位体积内的叶面积最低。单位体积叶面积取决于该植株单位体积的大小，因此叶面积越大，其单位体积叶面积不一定大。

表7 单株三维绿量、叶面积、叶面积指数、单位体积叶面积

4 讨论

树种的选择以及确定不同树种之间的适宜比例是构建沙河森林廊道合理结构的重要环节，能确定城市森林的水平结构。同时结合速生和慢生树种以及深根性和浅根性的树种进行配置，兼顾短期和长期的要求，增加群落稳定性，提高林带的护岸和吸收能力。城市森林树种结构、组成方面研究相对较多，但基于城市河流森林廊道群落结构特征方面研究相对较少，城市森林研究人员与设计工作者，以及林业工作者都对其结构特点认识颇少，在现有结构优化上也缺乏合理的建设性意见，影响了城市河流森林廊道的构建质量和技术发展进程。研究缺乏长期制约着城市森林建设的技术，未能很好的未雨绸缪，来增强森林培育技术对城市景观美化与生态环保功能的指导性。

目前研究区内在树种组成、径级和立木层次上相对不合理。主要表现在树种单一，少数几种树种在数量上占了极大比例，在景观效果上显得相对单调，造成群落稳定性不高;树木径级偏低，大树较少，仅少数树种胸径大于30 cm;立木层次简单，这与树木的年龄有直接关系，整体的年龄偏低是树木高度偏低的主要原因，从而减少了沙河树木的绿量。彭镇华(2003)认为衡量城市森林结构稳定性的指标包括树种结构、年龄结构、径阶结构和健康结构，其中树种结构又分为乔灌草比例、常绿落叶树种比例、乡土外来树种比例等。从树木所发挥的各种效益上看，大树占据着较大的优势，其所形成的森林也具有更大的效益。因此，应加强中心城区河流森林廊道的科学管护，加强保育，优化林分结构与水肥管理，使树木的胸径与高度逐渐增加，逐渐提高河流廊道城市森林的质量。

作为重点开发区，人工种植树种作为人类适度利用自然生物资源和保存种质的场所。沙河森林廊道作为水肥充足的主导性场所，珍稀濒危保护物种的种类很少，仅有银杏，在未来河流森林廊道建设与沙河自身优化管理时，需要突出这种珍稀濒危生物种质的保存功能，以便充分发挥重点开发区城市森林在禁止、限制开发区中生物资源(尤其是珍稀濒危种类)人工保育与科学利用的作用。

选择要符合当地的自然条件，以乡土河岸树种为主，形成具有自身特点的绿地景观，但比重不宜过大，一般不超过树种总量的10～15%(Kielbaso，1988)。沙河森林廊道群落大都为人工群落，林内人行道路密布，树种多样性指数相对较低，树种丰富度和个体数量分布均匀度不高，但乔灌草结构相对合理，水肥拦蓄高校复层结构明显，具有较强的生态环保、景观美学功能，缺点在于景观斑块狭小，功能受到结构规模的限制较为明显，但这与区内人口密集、工厂小区居多的经济社会发展现状有关。针对中心城区河流森林廊道特点与功能优化需求，建议逐渐增加河流廊道的景观规模，减少水泥硬化比重，逐渐提高提高该区森林板块规模，并通过适当的工程保蓄水肥措施，在人与自然紧密相处城区河流，形成生物生态+工程拦蓄相结合的河流森林廊道模式，培育自我优化与改良的近自然化或半自然化的河流森林廊道，同时具有环保、生态与美学功能。

叶面积大小对净化空气、防污滞尘、降低噪音等综合环境效应有很大影响，因此应当多选择单株叶面积较大的树种以增加对环境的贡献率。河岸植被带的三维绿量能反映森林群落的结构与功能总体状况，评价能更全面、更准确的反映城市河流廊道在城市生态方面的作用。树高的分布能为森林层次的丰富奠定基础，一般在相同面积下，树木越高则能为更多的树种提供生存空间，从而增加垂直结构的丰富度，进而增加单位面积的绿量。城市森林建设需要突出高大乔木的主体地位(彭镇华，2006)，以高效改善与利用河流廊道的充足的水热资源，增强生态与环保功能。以优化水平种类组成来增加多样性，优化空间复层结构来增加“光、温、土、气、容”利用和污染物转化能力，并在叶面积与指数上形成高效合理的绿量配置，优化片林结构和增强功能。沙河森林廊道在多样性、组成上并未显示优越性，其本身作为工程建设的产物更具有实用性与实效性，能为该区域森林功能增强与营造连续绿脉上发挥增益性作用。

关于河流廊道相关生态群落研究，涉及到一些自然河流(王薇，李传奇，2003;周华荣，肖笃宁，2006;李静羽，2011;吴后建等，2009)，对城市河流群落特征研究还很缺乏。城市森林研究中也未能重视河流自身作为规模化城市森林建设载体的作用，对河流森林廊道的群落结构研究很少。河流自身在发挥绿脉贯通与城乡一体化城市森林构建中意义明显。三分造、七分管，良好的城市森林逐渐在科学管护中逐渐优化和维护，并以优化模式为标准，逐渐形成结构适宜、规模得当、景色宜人、林水相依、林路相伴的人与自然紧密相处的河流森林廊道，在重点开发区中心城市生态环保功能增强与景观美学优化中增强规模，形成近自然化的绿脉系统。

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