植物印记提取——以内蒙古大青山蒙椴为例

韩 鹏,白恒勤,刘 俊,刘冠志

(1.内蒙古农业大学 林学院,呼和浩特 010019；2.内蒙古自治区园艺研究所,呼和浩特 010010；3.内蒙古农业大学 生态环境学院,呼和浩特 010019)

植物印记提取
——以内蒙古大青山蒙椴为例

韩 鹏1,白恒勤1,刘 俊2,刘冠志3

(1.内蒙古农业大学 林学院,呼和浩特 010019；2.内蒙古自治区园艺研究所,呼和浩特 010010；3.内蒙古农业大学 生态环境学院,呼和浩特 010019)

为提高呼和浩特市绿地系统的生物多样性及城郊绿地的生态修复质量,引进新西兰低影响城市设计与开发(Low Impact Urban Design and Development,LIUDD)实践活动中所使用的植物印记法(plant signature approach),对当地园林应用前景优良的野生树种蒙椴(Tiliamongolica)进行植物印记提取,以获取并验证植物印记提取方法。选取大青山哈拉沁沟为研究地,以蒙椴景观群落为研究对象,采用线路调查、典型取样及现场实测等方法,选取该区域生态效益好、景观优良及地带性突出的蒙椴植物群落,进行生物多样性分析；选取生物多样性较高的群落,进行群落分布、空间结构特征及种群结构等基础数据分析；依据分析结果,提取该树种“植物印记”。

生物多样性；植物印记；蒙椴；生态修复

“植物印记”(plant signature)是新西兰为保护本土生物及提高生物多样性提出的种植设计理念[1-2],后发展成为该国建设“海绵城市”目标项目中植物景观设计的指导思想[3],并在随后展开的 “低影响城市设计与开发(Low Impact Urban Design and Development,LIUDD)” 行动中得以实践,并取得良好效果[4]。就性质而言,“植物印记”是抽象化的具体场所或植物群落,同时又是对当地植物景观特色的具体化[5]；“植物印记”是全部源自当地天然植物景观的植物配置模式,具有展现区域原有自然景观,对地带性景观代表性强并蕴含区域景观自然演变主要进程的独有功能性[3]；“植物印记”具有生态学及景观学双重属性,其生态效益主要表现为提升生物多样性、生态安全性及本地物种保护力度[3]等；其园林景观效益主要表现为突出景观地方特色及自然特性,提高景观观赏价值、丰富度及稳定性等。“植物印记”在国外的相关研究中,目前还停留在本土植物种类的配植及自然状态恢复方面,“印记”空间结构及其提取方法的研究还未开展[6-8],这是目前实践应用的主要难点。本研究采用生物多样性测定及群落空间分析的方法进行“印记”提取,创建 “植物印记”提取方法,推进其空间结构的研究并进行实践检验。

本研究以呼和浩特市(以下简称呼市)大青山前坡生态保护区景观建设项目[9](2016年城市园林绿化重点项目)为依托,以解决该项目由于呼市园林骨干树种及配植形式贫乏[10-11](该项目骨干树种为油松[12],如雅玛图森林公园线路调查显示油松纯林景观比例超过90%),所导致的生物多样性下降、景观单调及生态服务功能减弱等问题[13-15],并加强地带性植物群落的保护,为此,引进“植物印记”景观建设理念。在2011—2016年的前期研究[16-17]中,探明了呼市园林树木种类及应用概况、哈喇沁沟树种资源概况并对景观优势种进行了园林应用前景预测。本研究对“植物印记”提取方法展开研究,创建“植物印记”提取法,通过使用该方法对蒙椴(Tilia mongolica)进行了“植物印记”提取,以实现对“植物印记”提取法的实践检验,并获取蒙椴的“植物印记”,以服务于建设项目。

1 研究材料与研究方法

1.1 研究区概况

大青山前坡生态建设工程位于大青山南坡中段,呈东西走向,规划区东西长约45 km,南北平均宽约3.4 km,规划面积约150 km2。研究区:位于内蒙古大青山哈拉沁沟流域下游西侧,地理位置为40°54′48″～40°55′59″N,111°39′15″～111°42′27″E；地处呼市以北,阴山山脉中段,属于温带大陆性气候半干旱区；地形复杂、坡陡谷深、石土混杂,谷底高程1 300～1 450 m,山顶高程约1 900 m；年平均气温3.7℃,年平均降水量450 mm；土壤以淋溶灰褐土、粗骨土、灰褐土和草灌灰褐土4类为主[18]。大青山有木本植物超过110种[19]。研究区域北坡及西坡植被繁茂,东南坡向稀少[20]。哈拉沁沟位于规划区中部偏东,植物资源丰富,位置紧邻市区,生境与市区高度相似,适于进行园林学研究。

1.2 研究材料

根据“植物印记”的特点及应用要求,应选取自然属性、地带性、观赏性及可识别性均较高的树种。本研究选取蒙椴为研究对象:首先,前期研究结果显示蒙椴在呼市地区尚未普遍使用,具有良好的园林应用前景,故研究价值较高；其次,该树种观赏价值较高,生态适应性较强[21-22]；第三,蒙椴季相变化显著,景观特色鲜明[23-24],可识别度高。

研究区内蒙椴分布于海拔1 300～1 700 m的中低山带的次生林中,多与山杨(Populusdavidiana)、白桦(Betulaplatyphylla)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、蒙古荚蒾(Viburnummongolicum)及辽东栎(Quercusliaotungensis)等针阔叶乔木树种混生[21]。

1.3 调查方法

采用线路调查与重点样地调查相结合的调查方法,实地勘察按照样地设置、GPS定位、现场拍照和测量记录的程序进行,调查从沟口,沿沟向北,顺山坡林间空隙向西,到达山顶。由于木本植物群落形态突出,目测识别率高,故根据调查线路、海拔及生境的不同,沿线挑选木本植物密度较高、种类较多且包含蒙椴的群落,以蒙椴为中心,设置若干个20 m×20 m的样圆。照此步骤,最终共调查有效样圆24个(图1)。以单个样方为单位,采用每木调查法,记录并实测样地中出现的树种、位置、株数、冠幅、株高、生长状况、生境及景观效果等相关数据,并拍照和采集标本。调查时间从2015年6月下旬开始,确定样地,编号整理,现场实测,实地拍照及绘制平面图,到2016年8月初结束。通过调查获取研究地的树种构成、群落结构及群落多样性等原始数据,以样圆圆心为拍摄点,对群落外观进行拍照取样。

图1 研究区样地分布

1.4 样地处理

为使 “植物印记”的生物多样性达到丰富或较丰富,对蒙椴群落进行生物多样性分析,选取生物多样性较高的群落,作为“植物印记”模本,构建接近自然属性且生物多样性较高的蒙椴人工景观植物群落。依据样地树种调查结果,选取符合研究需要的蒙椴植物群落,确定有效样圆；对样圆进行生物多样性测定,依据生物多样性测定结果,进行排序及分级,选取多样性指数为丰富及较丰富的景观群落,解析其群落空间结构,提取“植物印记”。

生物多样性指数计算采用Simpson多样性指数(diversity index):

Shannnon-Weiner指数H′[25]:

(1)

式中:H′是多样性指数,S是种的总数,Pi是样本中属于i种所占的比例。多样性指数越大,则景观多样性越高。

数据标准化处理采用极差法[26]:

(2)

式中:F(Hi)为多样性指数数据标准化值,Hi为第i项的实测值,Himin为i项实测值中的最小值,Himax为实测值中的最大值。

1.5 空间结构解析

以蒙椴为方位参照,对群落进行空间解析,建立空间模本。依据各样地生物多样性的分级结果,挑选出多样性高的样地,采用角尺度及样线处理相结合的方法[27],进行空间结构分析。角尺度是用来描述相邻木围绕参照树均匀性的指标,具有较强的空间解析能力。以蒙椴作为样圆几何圆心,以此为交点做东西方向及南北方向两条垂直剖线,将样圆分成4个区域(NE,NS,SE和SW),对各区域内不同种树种的出现频度、相对频度及距离样圆中心的距离进行计算,依据计算结果,创建植物群落空间模式,即为该树种的植物印记。为提高精准度,也可将区域进一步划分为不同方位的8个区域,即NE1,NE2,NS1,NS2,SE1,SE2,SW1和SW2(图2)。此次为阶段性研究,将进行4个区域(NS,NS,SE和SW)的研究。

图2 研究区蒙椴群落空间解析图

频度数据标准化处理[26]:

式中:F(Fi)为相对频度数据标准化值,Fi为第i项的实测值,Fimin为i项实测值中的最小值,Fimax为实测值中的最大值。

2 结果与分析

2.1 树种构成及分类

24处样地共记录到木本植物18种(表1),进行分类分析。

2.2 群落生物多样性及分级

各样地生物多样性分析结果如图3所示。依据计算结果,将多样性状况划分为4个等级,即丰富(>0.65)、较丰富(0.65～0.40)、一般(0.40～0.20)和贫乏(<0.20)[26]。生物多样性较丰富的样地排序为样地5>样地13>样地14>样地7>样地20>样地6>样地15>样地8>样地4>样地9。

表1 大青山哈拉沁沟蒙椴群落伴生树种种类 分布 方位及株数

图3 研究区蒙椴样地多样性指数

2.3 植物印记提取

树种频度分布如图4、表2所示。

为获取“植物印记”树种的相对位置,对高频度树种进行中心距离测定,依据现场调查结果,对各样地高频度树种的中心距进行平均值计算,计算结果如表3所示。

图4 研究区树种分区频度排序

表2 树种频度区域分布分级

表3 高频度树种中心距

2.4 植物印记模型

“植物印记”如图5所示。

印记1为理论层面的典型印记,4个区域的树种皆为出现频度最高的树种；印记2 适合于实际运用,树种选择范围更广,生物多样性更高。

3 结论与讨论

图5 蒙椴植物印记模式

“植物印记”源自对天然植物群落的提炼,因而与自然界植物群落景观相似度相对较高。对蒙椴植物印记的采集表明:通过合理设置研究区并进行针对性的调查,可精准采集“植物印记”。研究区宜选取植被状况良好,且靠近绿化用地的区域；本研究采用的典型取样法适用于园林研究；由于大青山前坡工程东西跨度大,因此,“植物印记”的精准度随着与研究区距离的增大而逐渐下降。另大青山前坡绿化项目的骨干树种较多,因此,对其他树种印记的采集还有待完成。

本研究为阶段性研究,是对前期研究[16-17]的深化,前期的研究仅局限于乡土树种的选择,本研究引入空间结构特征研究,以天然林为模板,因此,就树种组成及空间结构而言,更接近于天然景观,因而实践性与精准度都得以提高。

明确优势乡土树种“植物印记”的价值并科学使用,可有效缓解呼市城市绿地乡土树种相对较少、应用方式单调及景观趋同的缺陷,对于营造地方特色园林景观,优化群落景观结构,维护生态安全、提高生物多样性及保持城市绿地生态系统健康具有重要意义。鉴于此,建议在生态修复过程中,对天然状态的 “植物印记”予以保留。

研究误差主要是由于典型取样法、生物多样性计算、群落各树种的相对频度计算及未计算伴生树种与蒙椴的距离所造成的。后续研究工作拟将距离参数作为主要研究对象,并进行8个区域的研究,以采集更为精准的植物印记。

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Plant Signature Extraction—A Case Study ofTiliamongolica

HAN Peng1,BAI Hengqin1,LIU Jun2,LIU Guanzhi3

(1.ForestryCollege,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010019,China;2.InnerMongoliaResearchInstituteofHorticulture,InnerMongolia010010,China;3.CollegeofEcologyandEnvironmentalScience,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010019,China)

Our research aims to create an approach for obtaining the plant signature of an area.This was developed in New Zealand as a central concept for plant arrangement in the practice of Low Impact Urban Design and Development (LIUDD).This technique was implemented to improve ecological restoration in suburban area of Hohhot.This research is focused on the commonly occurring ornamental tree speciesTiliamongolicagrowing in Halaqingou stream valley of Daqingshan Mountain.Route investigation,typical sampling methods and plot investigation methods were used on this wild dominant tree species in forest populations.The best grownTiliamongolicacommunities with high ecological benefits,beautiful view and obvious zonality were chosen for survey.The biodiversity levels of theTiliamongolicacommunities were clarified by analyzing their biodiversity indexes.Those communities with high standard of biodiversities were targeted to discover their distribution patterns,spatial structure feature and species composition.Accurate plant signatures were established from the preceding information.

biodiversity,plant signature,Tiliamongolica,ecological restoration

2017-03-29；

2017-04-14

内蒙古自然科学基金(2015MS0386)；博士科研启动基金(203/206027)

韩鹏 (1971-),男,黑龙江哈尔滨人,博士,主要从事园林植物及景观设计方面的研究工作。 Email:hanpeng71@163.com

白恒勤(1963-),男,内蒙古人,副教授,硕导,主要从事风景园林教学和科研工作。 Email:baihengqin@126.com

S812;S792.36

A

1002-6622(2017)02-0074-07

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.02.013