绿道生态价值研究进展及展望
2018-01-31蔡妤,董丽
蔡 妤,董 丽
北京林业大学 园林学院,国家花卉工程技术研究中心,城乡生态环境北京实验室,北京 100083
绿道(Green way)是沿着诸如河滨、溪谷、山脊线等自然走廊,或沿着废弃铁路线、沟渠、风景道路等人工走廊所建立的线型开敞空间,包括所有可供行人和骑车者进入的自然景观线路和人工景观线路[1]。绿道中的绿(Green)指被植被所围绕;道(Way)指线性的通道,即人为开发的线性自然生态走廊。
不同背景绿道的使用功能存在差异,在欧洲人类使用的土地面积较大,绿道经常分布在城市、郊区、农村,很少建立在纯自然环境中[2],绿道主要发挥景观和游憩功能;在北美洲绿道主要承担的是生态环境功能,绿道多分布在森林、山地、草原,或者被整合在河流和运河中,使用者的密度较低[3]。由此可见绿道是多功能复合载体,不仅具有景观观赏、休闲游憩、历史文化保护、经济发展、社会文化等功能,还承载着潜在的生态价值[4]。植物群体是绿道发挥生态价值的重要媒介,绿道与生态廊道的明显区别为绿道所包含的植物并不是必须由自然植物群体组成[5],绿道中的植物多为人工栽培群体。
绿道的生态学意义体现在绿道可以通过合理的绿化种植调节城市微气候,保护水、土壤等生物资源;形成内部独立生境,构筑生物栖息地,与现有生境斑块建立生境链、生境网,提供不同绿地间能量流和物质流的交换通道;减轻城市景观破碎化程度,防止生境退化,进而保护生物多样性。在城市内部绿地面积逐年减少,景观破碎化日益严重的今天,绿道的生态价值也逐渐受到关注,目前国内外针对绿道的生态价值研究主要集中在改善微气候、促进物种运动和保护生物多样性三个方面。
1 改善微气候
为绿色植物所覆盖是绿道的主要特点之一,植物是生态效益的“生产者”,丰富的植物群体给绿地带来了显著的环境效能和生态效应。近些年,生态效益的研究对象主要集中在居住区绿地、公园绿地等斑块式城市绿地,研究内容多为针对单种植物的多种指标或大尺度的单一指标计量研究[6]。绿道是城市绿地的重要组成部分,绿道内部的植物群体可能对改善城市空气质量和气象条件具有明显作用[7],但针对绿道、生态廊道、带状绿地等廊道式绿地的生态效益相关研究较少,目前国内外绿道的环境效益研究主要集中在滞尘、雨洪管理、固碳释氧、降温增湿、净化空气等方面。
1.1 滞尘效益
植物是城市颗粒污染的重要过滤体,其自我净化能力(滞尘能力)已经被国内外许多学者所证实[8,9]。绿道的植物群体可以吸附空气中的粉尘[10],从而达到减尘作用,绿道内部的PM10平均浓度甚至可低于道路边2~3倍[7]。国内虽然尚无对绿道滞尘效益的计量测定,但已有学者针对绿道的滞尘效益提出规划策略,如郝丽君等从分区建设、建设要素、配置绿化植被和注入地域文化四个方面提出社区绿道降低PM2.5的规划策略,认为应采用控制污染源、防止扩散、缩小污染范围及有效吸附和收集等控制措施综合考虑绿道建设[11]。
1.2 雨洪控制
建筑密度和硬质化铺装比例的逐年增长,原有的自然径流和雨水汇集逐步被地表径流和雨水管道输运所替代,造成了城市内涝、地下水位下降、径流污染等多种问题[12]。城市中的绿地是改善和恢复水循环系统的有效途径,绿道在一定程度上可缓解减轻洪水管理的困难。王思思等[13]对中国城市绿道的雨洪管理的方法进行研究并应用在道路绿地示范项目中,绿道的雨洪控制利用系统对年径流总量和年均污染物总量(TSS)的削减率分别不低于30%和40%。Lena等[14]研究发现河流两侧绿化带可以净化河流水质,10 m的草地可以减少95%吸附在沉积物上运动的磷元素,河畔林地及湿地系统可以通过反硝化作用去除水体中近100%的游离氮元素。绿道(尤其是滨水绿道)可以起到雨洪管理和水系保护的双重效果。
1.3 固碳释氧
固碳释氧效益的研究方法多采用数学计算、计算机模拟进行定量评价。以数学计算为主的模型建立方法有评分叠加法、聚类分析法、模糊数学法等,适用于小尺度绿地效益评估;其中计算机模拟的主要方法是采用GIS等遥感手段进行城市模拟,利用CITY green模型进行生态效益评估,进而对生态效益进行经济量化[6],适用于大尺度绿地效益评估。一般而言,绿道多基于城市尺度进行规划,因此计算机模拟技术在绿道固碳释氧效益研究中得以有效应用,如徐容容等[15]采取GIS技术,运用CITY green模型对绿道生态效益进行评估,表明绿道对城市区域环境下的固碳释氧效益贡献显著。由于绿道的尺度较大,难以对绿道生态效益因子进行微尺度计量测定,数字化模拟技术填补了这一空缺,目前遥感技术(3S)、CITY green模型等广泛应用于城市尺度绿道环境效益评估中[16]。
1.4 减缓热岛效应
绿道作为城市的绿色廊道,不仅可以将城市郊区和外缘的自然气流引入城市内环境,为夏季的城市热气流交换创造良好条件,同时绿地本身的自然植被在一定程度上可以降温增湿,减缓城市的热岛效应。相较圆形、矩形、环状等斑块绿地,绿道作为带状绿地具有较强的减弱热岛效应的能力[17]。已有研究结果表明,绿道内部的平均气温显著低于路边对照组[7]。同时绿道宽度是影响降温增湿效益的关键因素,朱春阳等[18]对不同绿地宽度的降温增湿效益进行测定对比,认为城市带状绿地可以明显发挥温室效益的关键宽度为34 m左右。
1.5 净化空气
绿道的植被可以提高负离子浓度和植物杀菌素,起到净化空气和卫生保健的作用。Yoon等[7]的研究表明绿道内部的污染物CO、CO2、SO2、NOX等的平均浓度都比路边对照组小,且绿道内部的植物杀菌素和负离子浓度显著高于路边对照组。植物释放的非甲烷碳氢化合物(NMHC)对区域碳循环、城区氮氧化物、臭氧、颗粒物污染以及温室效应等都有着重要的积极作用,徐振强等[19]通过研究植物释放NMHC与大气环境之间的反馈机理,对城市绿道的建设提出科学化建议。绿道的宽度不同,净化空气效益也存在差异。绿道宽度为6~27 m时,绿地内部的负离子浓度效应不明显,绿地内部含菌量高于对照组,抑菌作用不明显;绿道宽度超过34 m时,绿地内部的负离子浓度效应明显,绿地的抑菌作用明显且趋于恒定;绿道宽度为80 m时,绿地内部的负离子浓度效应显著[20]。
2 促进物种运动
景观破碎化被认为是全球生物多样性的严重威胁,近几年来,景观改变和生境破碎化也成为了保护生物学研究的主要内容[21]。绿道作为“廊道”的重要组成部分,连接孤立生境斑块,缓解景观破碎化,为生物保护(植物和野生动物)作出了重要贡献。绿道通过促进斑块间的物种扩散,维持种群的增长,对保持和提高物种数量和多样性具有积极作用,在更大尺度上增强了种群的生存能力[22],绿道可以作为物种迁徙的临时栖息地已经被许多学者证实[23]。不同空间层级下绿道可供迁徙的目标物种也存在差异,区域级廊道宽度大于1200 m,目标物种为大型哺乳类动物;次区域级廊道为200~1200 m,目标物种为中小型哺乳动物;城市级廊道为60~200 m,目标物种为本土小型哺乳动物、鸟类;城市分区级廊道为30~60 m,目标物种为草本植物群落[24]。目前国外在绿道的促进物种运动功能方面研究较多,尤其在促进动物迁徙运动方面,已经取得了一定的成果,但国内在物种运动方面的研究尚处于起步阶段。
2.1 促进动物迁徙运动
尽管还没有证据显示城市绿道具有对植物和无脊椎动物进行扩散与迁移的作用,但已有研究表明有大量的中小型哺乳类动物通过绿道进行扩散与迁移[16]。鸟类利用绿道作为栖息地走廊进行迁徙也已经被学者证实[25],部分鸟类还利用绿道中作为迁徙中途停留的临时栖息地,Kohut[26]发现在春季和秋季迁移时在绿道中的鸟类数量显著增多,且林缘种类最为丰富。因此建设生境多样的绿道在很大程度上可以提高城市栖息地之间的连通性[27]。
绿道宽度是影响绿道迁徙目标物种的重要因子。滕明君等[28]认为小于30 m的廊道,可以降低无脊椎类动物的捕食几率,起到保护迁徙的作用,适合两栖类和爬行类动物的迁徙通道宽度一般为15~60 m,30~400 m宽的廊道可以明显增加鸟类丰富度,小型哺乳动物的迁徙通道适合宽度为12~200 m,而大型哺乳动物的宽度宜为200~600 m。
绿道在保护和促进动物迁徙方面的贡献已经成为评估绿道规划选线是否合理的关键因素。近几年来,在绿道的前期选线中,绿道的动物迁徙功能已经成为景观设计师考虑的重点。以往在物种保护管理项目中多采用最小累积阻力模型(Minimum Cumulative Resistance,MCR)设计动物迁徙廊道,把动物穿过不同景观界面所耗费的成本量化为阻力,最后选取源之间阻力累积值最小的路径[29]。目前最小累积阻力模型在国内外绿道的规划设计和实践中得到了有效应用[30,31]。
2.2 促进植物扩散运动
绿道对促进草本植物的物种扩散运动具有显著作用[24]。植物与动物不同,动物自身具有能动性,而绝大部分植物只能通过其他外部媒介来完成散布,植物扩散提高了植物散布体存活的可能性,减少本地竞争,对植物种群的延续具有重要意义。植物扩散包括种子离开母树、到达适合萌发的地点和幼苗建成3个过程[32],种子扩散是植物扩散的关键阶段和唯一机会,种子扩散(Seed dispersal)的传统定义为种子离开母树的运动[33],种子扩散对于促进基因流动和植物种群基因结构更新具有重要贡献。
种子的形态和结构的不同预示着扩散方式存在差异,例如营养丰富的果实通过吸引脊椎或无脊椎动物进行扩散,包括莴苣(Lactucasativa)、苍耳(Xanthiumsibiricum)、打碗花(Calystegiahederacea)、蒙古栎(Quercusmongolica)、胡枝子(Lespedezabicolor)、老鹳草(Geraniumwilfordii)、鼠李(Rhamnus davurica)等;具翅和羽等特征的种子依赖风力进行传播,包括飞蓬(Erigeronacer)、草地风毛菊(Saussurea amara)、野艾蒿(Artemisialavandulaefolia)、小花碎米荠(Cardamineparviflora)、独行菜(Lepidiumapetalum)、繁缕(Stellariamedia)、夏枯草(Prunellavulgaris)等。
绿道宽度不同,植物扩散目标种也表现一定的差异性。宽度为12~60 m的绿道,可以满足草本植物的扩散,宽度为30~200 m的绿道,可以满足乔木种子的扩散传播[28]。绿道不同于斑块绿地,受宽度限制呈线性分布,拥有极高的边缘/中心比率(Ratio of edge to interior),周边环境对绿道内部生境干扰强烈。同时绿道承载着休闲游憩功能,受人为活动的影响较大,人为活动不仅会对种子产生携带行为,而且还会影响植物群体中鸟类[34]、昆虫类等动物的采食等活动,进而影响植物扩散。刘炳亮[35]对人工廊道中具有不同扩散模式的植物多样性分析结果表明,具有强烈干扰的人工廊道对风扩散群体和动物扩散群体产生了不同的干扰效应,动物扩散物种呈现明显消极响应,风扩散物种表现了积极适应性,认为人工廊道可能对于植物的运动生态学产生影响,进而改变群落构成。
绿道的植物扩散运动的影响因子较多,甚至可以产生“渗透干扰效应”[35],因此国内外鲜有绿道对植物扩散促进作用的积极效应研究,学者的注意力多集中在绿道、廊道等带状绿地可以加速外来物种的快速入侵方面[36]。例如周青青[37]对不同宽度廊道的入侵物种进行分析,表明飞机草(Eupatorium odoratum)和假臭草(Praxelis clematidea)更容易入侵宽度6 m的廊道,马樱丹(Lantana camara)更容易入侵宽度2 m的廊道,且飞机草、马樱丹、假臭草都较容易入侵密度较大的廊道。
3 保护生物多样性
绿道对于城市中的生物多样性保护具有重要意义[38]。合理的设计,绿道可以为新热带区的候鸟、食虫动物、和森林内部鸟类提供栖息地[39],景观结构的完整性能够在一定程度上减小甚至抵消因景观破碎化对物种多样性带来的影响,尤其对提高野生生物多样性方面具有重要贡献[40]。随着研究的深入,人们发现绿道的宽度、绿道的植被覆盖程度以及临近区域的土地利用状况、人行道的数量等,均直接影响着绿道内部种群数量和分布情况。
3.1 景观空间格局对生物多样性的影响
景观空间格局(Landscape Spatial Pattern)是大小和形状各异的景观要素在空间上的排列和组合,也是空间异质性的体现[41]。绿道作为城市景观结构要素(基质-斑块-廊道)中廊道的关键类型,是城市绿色网络的重要组成部分。当景观格局的完整性增加时,城市野生动植物栖息地得以加强,野生动植物生存空间与机会也将增加[42]。Serif等[43]以四种哺乳动物为指示性物种对土耳其的生态廊道进行长期研究,结果显示物种多样性核心区域(Key biodiversity areas)通过廊道进行连接之后,确实可以保护和维持区域内最小可生存种群(Minimum viable population)的繁衍。同时生境斑块之间的连通性和景观格局的完整性,可以减少人类对野生动物的分布、种群过程和交流的影响[44]。
构建连续性的生态空间网络是保护生物多样性的重要策略,基于网络分析法的生物保护网络结构设计包括土地覆盖/利用评估、野生动物评估、生境评估、连接度分析、网络生成、网络分析及优化等步骤[28]。欧洲于2000年成立欧洲生态网组织,将景观空间格局列入绿道规划体系内,其宗旨就是保护景观网络的连通性,保护、增强和恢复关键生态系统及生境物种,绿道规划中也多采用斑块分析、廊道结构分析和网络结构来分析比较生态网络规划方案的优劣[45]。国内在绿道景观功能格局方面的研究虽然起步较晚,但发展速度较快,定性和定量评估城市绿道的景观空间格局、景观生态功能等相关研究已经逐步展开[46],为城市的可持续发展提供有力保证。
3.2 绿道宽度对生物多样性的影响
宽度对于绿道的功能发挥有重要制约作用,随着绿道宽度减小,哺乳动物的数量将大大减少。在不足100 m宽的绿道中,城市鸟类和边缘鸟类最为常见,相反的在小于50 m的绿道中,森林内部鸟类也不会出现。一些森林内部鸟类如绿纹霸鹟(Empidonax virescens),长嘴啄木鸟(Picoides villosus)、棕林鸫(Hylocichla mustelina)等,只在超过100 m的绿道中出现,地面筑巢鸟如黑白森莺(Mniotilta varia),白眉灶莺(Parkesia motacilla)和橙顶灶莺(Seiurus aurocapilla)等,只在超过300 m的绿道中出现[39]。Budd[47]的湿地变迁研究表明,河岸植被的最小宽度为27.4 m时才能满足野生动物对生境的需求。Juan等[48]分析树篱廊道和物种多样性关系,结果显示当宽度大于12 m时,植物多样性平均为狭窄树篱的两倍以上。
一般将宽度达到12 m的线性绿地看作带状绿地,是草本植物保护和鸟类栖息的最小宽度;对于宽度在12~30.15 m的绿道而言,生物多样性仍然较低;绿道宽度达到61~91.15 m时,生物多样性较高且具有较多内部物种[49]。因此从理论上来看,绿道的宽度越大,绿道的宽度效应表现越好,进而与种源栖息地相连接形成生态网络体系。
3.3 绿道植被对生物多样性的影响
绿道植被的密度、群落结构、群落郁闭度、物种丰富度等对鸟类种群数量和分布具有明显影响。鸟类的数量随着树木的密度变化而变化,在绿化好的绿道中鸟的种群密度将增加,并且绿道所采用的绿化布置形式及周围建筑密度等,也会直接影响到小型哺乳动物及鸟类生存[50-51]。在栖息地中,植物的盖度越大鸟类群落的密度和多样性也越大[52]。灌木层与草本层的丰富度越高,城市内鸟类的多样性和丰富度也越高,栖息地中乔木的树龄、乔木平均株高及灌木密度等均会对鸟类丰富度产生积极影响[53]。草本层的种植对于蝴蝶、蜜蜂等昆虫类的多样性保护具有重要作用,Christine[54]对绿道和道路花带中的指示物种蝴蝶和大黄蜂的种类多样性进行了比较,发现绿道并没有明显发挥促进昆虫类生物多样性的作用,认为在绿道的边缘地带中应重视野花组合的应用。
此外,Schiller等[55]通过对指示哺乳动物种类(鹿、狐狸等)绿道中存在数量的调查,发现有更多的森林覆盖、更宽的廊道、更多的自然栖息地和更好的森林连通性的绿道可以显著提高野生动物的保护程度。Kang等[56]表明保护绿道周边的原始栖息地生境,对快速提升绿道的生物多样性具有积极意义。因此保持绿道边缘结构的多样性、曲折度的适宜性、宽度和形状的合理性以及边缘效应可以对过滤外部有害因素和发挥绿道生态功能起到重要作用[57]。
4 绿道生态价值研究展望
从发展历程上来看,国外的绿道从宏观的战略规划到微观的具体设计体系均较为完善,且规划尺度涉及地方、区域到国家,甚至洲际尺度,景观空间格局完整。而我国从20世纪90年代才开始陆续在广州、深圳、上海、北京等一线城市进行大规模的绿道建设,并逐步向中小城市延伸,绿道规划尺度多集中在社区尺度、区级尺度和市级尺度,涵盖尺度相对较小。从空间结构上看,我国绿道建设旨在沟通和连接空间分布上较为孤立和分散的生态景观单元,且由于用地性质等原因,局部地段没有足够的空间满足植被种植,采用宽度不足20 m的联络型绿道代替,绿化层次单一,甚至部分联络型绿道出现了仅有单层乔木种植或地被种植的情况,在一定程度上限制了整个绿道网络生态价值的发挥。综合来看,国内绿道的功能更侧重于景观美化、休闲游憩、文化保护等方面,对绿道的生态价值功能的关注和研究相对较少。
绿地的环境效益是普遍化现象,各种形式的绿地均能发挥一定的环境效益,但是绿道作为一种线性绿地,其生态效益应具有一定的局限性和优越性。局限性在于绿道的宽度、周边环境等,不同宽度下的绿道降温增湿、净化空气能力有明显区别。优越性在于绿道的连通性、分布位置等,绿道可以作为城市风廊,连接市中心和郊区,实现气流交换,显著缓解城市的热岛效应,绿道也可以作为风障,在工业区等特殊地段起到降风减尘的作用,明显区别于其他类型绿地。从现有研究来看,对绿道的环境效益研究多为普遍化效益,鲜有对绿道自身特点所带来的特殊环境效益研究。
国外在绿道的促进物种运动和保护生物多样性方面的研究较为成熟,已经形成一定的体系,动物运动方面的研究多以鹿、狐狸、鸟类等指示物种作为研究对象,追踪物种迁徙路径,分析种群分布情况,植物运动方面多以植物扩散的影响因子为研究重点,如鸟类对植物扩散的促进作用以及人为干扰对植物传播的影响[34]等。国内在物种迁徙和生物保护方面的研究相对薄弱,目前多采用鸟类作为研究对象,研究范围主要集中在受干扰较少的自然保护区绿地[35]、公园绿地等生境良好的斑块中,在生境复杂、干扰因素较多的绿道中的研究较少。尽管绿道对于促进物种运动、保护和维持生物多样性具有重要意义,但是绿道仍存在着潜在的负面效益,国内外在一些争议问题上的研究仍止步不前。绿道的建设将孤立的生境斑块连接起来,在一定程度上可能会加速外来物种的快速入侵[36],同时物种在绿道中的运动促进了斑块之间的基因流和物质流交换,也可能导致景观的均质。也有学者认为绿道加速了一些疾病的蔓延,以及外来捕食者和其他一些干扰的扩散,从而对目标种的生存或散布不利[58]。因此在研究绿道效益时,应从客观角度采用辨证思维对绿道的生态价值进行分析和验证。我国的绿道规划时间短,建设成效快,对绿道的实际生态效益评估是目前亟待解决的关键问题之一,完整而严谨的效益观测不仅可以作为绿道规划的数据支撑,同时也可以为后续绿道建设的推进提供理论基础。
随着可持续发展、生态设计、低成本管理等理念提出,如何构建低成本的群落模式越来越受国内外学者的关注[59-60]。群落生态设计的核心是群落生态关系的模拟,主要包括生境与最适宜的生物物种、个体生态量与群落生态效应、群落食物链设计、植物的种间关系与相生相克四个主要关系体系[61]。合理的植物群落空间比例分配,不仅可以为绿量计算提供科学合理的依据,还能对绿道生态价值的发挥提供绿化基础[62,63]。因此,有效针对绿道的生态群落模式研究也是未来绿道生态价值研究的重点,对今后绿道建设和生态型绿道在我国的理论创新和实践具有重要的生态学意义。
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