福州市不同类型绿地植被多样性与生态效益关联研究

申超,常红雨,林思平,方志伟*

1.福建农林大学林学院,福建福州350002

2.福建农林大学园林学院,福建福州350002

随着城镇化进程不断推进，城市的生态环境面临各种威胁，干热岛效应日益明显，城市绿地作为城市自然生产力的主体[1]，其生态效益的提高已经成为城市绿地建设的首要目标。生态效益是指自然界生态系统影响所及范围内，对人类的生产、生活条件和环境系统所产生的有益或有利的结果2]。1949年前苏联学者相继提出一系列对涵养水源、改善气候等生态效益的评价方法，随后生态效益的研究由最初的森林生态系统向其他生态系统扩展[3,4]。

城市绿地生态效益的研究大多集中在降温、增湿、固氮放氧、降噪、抗污染、生态保健、生物多样性保护等方面[4]。有研究证实城市绿地生态效益与绿地植被类型有一定的关系，1971年Fedeer发现城市绿地植被的光合作用和蒸腾作用能有效降低周围温度[5]；李辉、朱春阳等[6,7]通过研究北京[市绿地结构类型和降温效益的关系，证明草坪的增湿效益低于乔灌、乔灌草等绿地；Hashua-Bar等[8]对居民区的空气湿度进行研究，结果表明增加植被覆盖度可以提高空气湿度；吴云霄等[9]通过研究重庆市消光度与绿地植被结构的关系，证实了随着结构复杂度的增加，消光量也呈现增加的趋势；张茜[10]通过对福州市南江滨公园不同样地降温、增湿、挡风、遮光效益的研究，对公园绿地的建设提出建议。

目前对城市绿地生态效益的研究主要涉及各种类型的公园，关于生态效益与绿地植被多样性具体关系的研究甚少，且尚无对不同类型绿地生态效益的对比分析研究。笔者基于现有研究状况和不同类型绿地现状，分别分析其绿地植被物种多样性、降温效益、增湿效益、遮光效益和挡风效益。运用定性分析和相关性分析等方法，探究福州市不同类型绿地的生态效益大小及其与绿地植被物种多样性的关联性，指出现阶段不同类型绿地之间的差距，以期在城市绿地规划设计、维持绿地生态系统稳定和实现城市可持续发展等方面提供理论参考和依据。

1 调查区域

福州市位于福建省东部沿海闽江下游，资源丰富，气温适宜，雨量充沛，夏长冬短，年平均日照数为1700～1980 h，年降水量为900～2100 mm，年平均气温为16～20℃；年相对湿度约77%[11]。福州是国内外经济文化交流的重要枢纽城市，从生态市创建开始便不断加大生态文明建设，对生态环境质量的要求明显提高。研究表明从2005～2015年，福州市绿化覆盖率由36.02%增长到46.06%，经历了绿量快速增长的过程[12]。

《城市绿地分类标准》[13]（CJI／T85-2002）将城市绿地分为五大类，分别为：G1公园绿地、G2生产绿地、G3防护绿地、G4附属绿地以及G5其他绿地，其中公园绿地和附属绿地与人居环境联系最为紧密，故作为本文研究对象。所研究附属绿地主要包括居住区、商业区、工业区、道路区四种。每类绿地选取的调查点（见表1）主要位于福州市内聚集人较多、分类典型且便于观测的区域，调查内容包括绿地植被组成结构和生态效益基本观测数据。

表1 不同类型绿地调查点概况Table 1 Survey points of different types of green land

2 调查方法

2.1 不同类型城市绿地植被组成结构特征调查

2.1.1 居住区、商业区、工业区和公园绿地调查本次调查采用样方法[14]。在居住区、商业区、工业区和公园绿地这四类绿地中分别选取6个20×20 m的大样方进行乔木层的调查，在大样方的四角和中心位置设置4个5×5 m的样方进行灌木层的调查，在灌木层的每个样方内随机设置多个1×1 m的小样方进行草本层的调查。记录每个样方内的乔木层、灌木层、草本层植物的名称、数量、生长状况和样方内主要的植被层次结构。

2.1.2 道路区调查本次调查采用样带法。在道路区选取6段长度200 m范围内（宽度根据样地的实际宽度来算）的样方进行乔木层、灌木层、草本层的调查。记录每个样方内乔木层、灌木层、草本层植物的名称、数量和生长状况，并调查样方内主要的植被层次结构。

2.2 不同类型城市绿地植被生态效益调查

本次调查采用仪器测量法。由于测量工作量大、时间长且数据收集有一定难度，本研究以降温效益、增湿效益、遮光效益和挡风效益四方面为主，探究福州市五个不同类型城市绿地区域生态效益的综合评价值。测量仪器主要有：干湿温度计、光照度计和数字式电感测速测定仪。

具体调查内容：选择晴朗的天气，分别在五类绿地中统一选取方圆10 m周围无建筑物遮挡的区域设置为试验点，与此同时在绿地区域外选择一处面积相同的调查点作为对照。每个调查区域统一选择在距离地面1.2 m处设置观测点，对光照强度、温度、湿度和风速进行观测，在观测的同时要保证每个观测点同时进行，每次测定时间限定在10～30 s内完成，重复3次并记录。测量时间为春分、夏至、秋分、冬至前后3 d，每天早上8：00开始，傍晚18：00点结束，并做好相应的记录。

3 数据处理

3.1 群落物种多样性指数

本文采用Margalef指数（R）、Shannon-wiener指数（H）和Pielou指数（J）来反映福州市所选不同类型绿地植被群落的物种多样性。具体公式如下：

Margalef指数（R）：

式中S表示物种数，N表示个体总数[15]

Shannon-wiener指数（H）：

式中Pi是第i种的比例多度，给定为Pi=Ni/N，N为个体总数，Ni为第i物种的个体数，i=1，2，3...，S。

Pielou指数（J）：

由于各生长型植被（乔木层、灌木层和草本层）在群落中所占的空间不同，对群落的结构、功能与稳定性等方面所起的作用也不同[17]，所以在计算群落总体多样性时，利用各层物种对群落总体多样性的贡献率来判定。本文采用高润梅等[18]的研究结果，依次赋予乔木层、灌木层、草本层的权重系数为0.5、0.3、0.2。

式中：S总为群落总体多样性指数，H1、H2、H3为各层的植物多样性指数，W1、W2、W3为各层的权重系数。

3.2 生态效益评价

生态效益的评价方法有多种，本文采用计算降低百分率的方法对降温效益、增湿效益、遮光效益和挡风效益分别计算，具体公式如下：

综合评价是依据隶属度理论进行定量评价的模糊数学方法,即对影响生态效益的多个指标做出一个总体效益大小的评价[19]。计算公式如下：

式中：X为功能区的某一指标计算值，Xmax为五个功能区中某一指标计算值的最大值Xmin为最小值，Xi表示该指标的隶属值。

4 结果分析

4.1 绿地植被结构特征分析

根据五类绿地植被数量结构特征的调查数据，利用（1～3）公式分别计算多样性指数。

4.1.1 不同类型绿地乔木层多样性指数比较从乔木层分析（如表2），公园绿地的Margalef指数（R）最高是公园绿地为3.3，其次是居民区、商业区、工业区，最低的是道路区为0；Shannon-wiener指数（H）最高的是公园绿地为1.3，其次是居民区、商业区、工业区，最低的是道路区为0；Pielou指数（J）最高的是居民区为0.48，其次是公园绿地、商业区、工业区，最低的是道路区为0。

表2 不同类型绿地乔木层物种多样性指数比较Table 2 Comparison of species diversity index of tree layer in different types of green land

4.1.2 不同类型绿地灌木层多样性指数比较从灌木层分析(如表)，Margalef指数（R）最高是公园绿地为3.23，其次是商业区、居民区、工业区，最低的是道路区为0.83；Shannon-wiener指数（H）最高的是公园绿地为1.42，其次是居民区、商业区、道路区，最低的是工业区为0.76；Pielou指数（J）最高的是道路区为0.65，其次是居民区、公园绿地、商业区，最低的是工业区为0.33。

表3 不同类型绿地灌木层物种多样性指数比较Table 3 Comparison of species diversity index of shrub layer in different types of green land

4.1.3 不同类型绿地草本层多样性指数比较从草本层分析（如表4），Margalef指数（R）最高是道路区为0.93，其次是公园绿地、居民区、工业区，最低的是商业区为0.32；Shannon-wiener指数（H）最高的是公园绿地为1.1，其次是道路区、居民区、工业区，最低的是商业区为0.68；Pielou指数（J）最高的是公园绿地为0.5，其次是商业区、道路区、工业区，最低的是居民区为0.44。

1.1 胶质瘤组织标本的来源 301例 WHO Ⅱ～Ⅳ级脑胶质瘤标本来自 CGGA 中登记的 2005年1月至 2012年12月接受手术切除的患者，其中男180例、女 121例。所有组织标本和患者随访信息的采集均经过北京天坛医院伦理委员会审核批准。

表4 不同类型绿地草本层物种多样性指数比较Table 4 Comparison of species diversity index of herb layer in different types of green land

综上所述，福州市不同类型绿地植被群落多样性指数在不同层次上存在较大的差异。Margalef指数（R）在灌木层和草本层的排序为：公园绿地＞商业区＞居住区＞工业区＞道路区，在乔木层的排序是公园绿地＞居住区＞商业区＞工业区＞道路区；Shannon-wiener指数（H）在乔木层的排序为：公园绿地＞商业区＞居住区＞工业区＞道路区，在灌木层的排序为：公园绿地＞商业区＞居住区＞道路区＞工业区，在草本层的排序为：公园绿地＞道路区＞工业区＞商业区＞居住区；Pielou指数（J）在乔木层的排序为：商业区＞公园绿地＞居住区＞工业区＞道路区，在灌木层的排序为：道路区＞商业区＞公园绿地＞居住区＞工业区，草本层的排序为：公园绿地＞居住区＞道路区＞工业区＞商业区。根据公式（4）计算五个类型绿地植被群落总体物种多样性指数S总，可得到植被群落总体物种多样性排序为公园绿地（1.3）＞商业区（1.18）＞居住区（1.04）＞工业区（0.86）＞道路区（0.57）。

4.2 功能区绿地植被生态效益分析

（1）根据仪器测定的数据计算五个类型绿地生态因子的年平均观测值和年平均对照值。由公式（5～8）计算五个不同类型绿地的降温效益、增湿效益、遮荫效益和挡风效益。（表5）

表5 不同类型绿地生态效益值Table 5 Ecological benefits value of different types of green land

（2）采用隶属函数值法（9），计算五个功能区生态效益的平均隶属值，并根据得分高低进行排序（表6）。

表6 不同类型绿地生态效益平均隶属函数值Table 6 Average membership function value of ecological benefit in different types of green land

综上所述，从五个类型绿地生态效益值（表5）来看，公园绿地在降温、增湿和遮荫三个方面的生态效益远远大于其他几个功能区，分别达到8.2%、9.3%、96%，在挡风效益上略小于商业区和居住区。商业区和居住区的生态效益值处于中间位置，而且两者差距不大。道路区和工业区的生态效益值偏低，说明这两个类型的绿地植被由于种类单一、结构简单，没有表现出较好的生态效益。

从五个类型绿地生态效益平均隶属函数值（表6）可以得出生态效益的排序如下：公园绿地（0.98）＞商业区（0.57）＞居住区（0.49）＞工业区（0.31）＞道路区（0.03）。结合绿地植被结构特征调查数据，发现公园绿地植被数量较多，植被种类丰富，植被层次结构复杂，但道路区和工业区在这几方面均有不足。

4.3 生态效益平均隶属函数值（Xi）与群落总体多样性指数（S总）相关性分析

根据公式（4）计算五个不同类型绿地植被群落总体多样性指数S总，并利用Spss20.0软件对绿地植被群落总体多样性指数S总与生态效益平均隶属函数值Xi做相关性分析（表7）。

表7 Xi与S总相关性分析Table 7 Correlation analysis between Xiand S总

由Xi与S总相关性分析可以得出，不同类型绿地的生态效益值与其植被群落物种多样性呈显著正相关，显著度为0.01（P≤0.05）且相关系数为0.958。表明植被群落的物种多样性越大，其改善绿地的生态效益也就越大，更加有利于改善整个区域的生态环境。

5 讨论

在分析城市绿地植被群落总体多样性与生态效益综合评价相关性的研究结果时，发现在城市绿地植被规划建设和绿地生态效益评价中，尚存在一些需要探究和研讨的问题。

（1）生态效益的观测指标不仅局限于文中测量的四种，还可通过降温增湿、固碳放氧、滞尘降噪等多方面综合评价城市绿地的生态效益[3]。在城市绿地生态效益研究中，通过层次分析法（AHP），建立城市绿地生态效益评价指标体系，构建城市绿地生态效益影响因子模型，对该类绿地的生态效益进行评价，可为城市绿地植被规划建设和绿地生态效益评价提供理论依据；

（2）在不同类型的城市绿地植被多样性的调查中，本文选取Margalef指数（R），Shannonwiener指数（H），Pielou指数（J）来分别反映植被物种的丰富度、多样性和均匀度。三种指数相差很大，根据相关研究结果[20]表明，在常用的几种物种多样性指数的方法中，Shannon-wiener多样性指数（H）对于测定城市植物群落多样性较为合适有效。因此本文选取Shannon-wiener多样性指数（H）作为不同类型绿地植被群落多样性的标准，其他几种多样性指数是否更能反映不同类型绿地植被群落的多样性仍需要进一步的论证；

（3）不同类型的城市绿地，其植被结构特征不同，达到的生态效益也存在较大差异。对比以往研究，本文从不同类型城市绿地的植被特征和生态效益观测指标入手，探寻植被多样性与生态效益的相关性，深入分析不同类型绿地的生态效益。由于本次调查条件有限，仅研究了公园绿地和部分主要附属绿地，对其它绿地类型在植被多样性调查与生态效益评价的相关问题还有待进一步论证。

6 结论与建议

6.1 结论

（1）福州市不同类型绿地植被群落的多样性

研究结果显示，公园绿地的多样性指数均较大，其植被群落总体物种多样性指数达到1.3，说明该区域绿地植被群落在丰富度、多样性和均匀度三个方面都有很好的体现。结合实地考察，于山公园内有数量繁多和种类丰富的植物，其中以乔木居多，而且在配置上以多层次为主，双层为辅，很少出现单层的植被群落。居住区和商业区的植被群落总体物种多样性指数小于公园绿地，分别为1.04和1.18，说明这两个区域在丰富度、多样性和均匀度方面表现一般，结合实地考察，鼓楼居民区和东街口商业区主要以人类活动为主，可供绿地面积较少，且以乔木和灌木为主。工业区和道路区的植被群落总体物种多样性指数比较低，只有0.86和0.57。结合实地考察，浦上工业区和五一中路植物数量和种类较少，而且层次以双层和单层为主，其中五一中路的植物配置以灌草为主，缺少高大乔木的栽植。

（2）福州市不同类型绿地生态效益

研究结果显示，公园绿地的生态效益最大，其值为0.98，是居住区和商业区的两倍，工业区的三倍，远远大于道路区，说明该区域绿地植被对环境有很大的改善作用。植物群落的光合作用和蒸腾作用可以有效的改善区域的温度和湿度。植物冠幅和群落层次可以有效的改善透过区域的光照和通过区域的风速。通过生态效益平均隶属值和群落总体多样性指数的相关性分析可得到，生态效益的大小与群落总体多样性指数存在显著正相关的关系，说明不同类型绿地植被物种多样性是影响其生态效益的主要因素。通过测得的数据和人类宜居的环境条件发现，居住区和商业区的生态效益最适合人类活动，其温度值、湿度值、光照条件和通风状况均有利人类的身体健康。

6.2 建议

就福州市现状而言，不同类型绿化植被的面积和物种搭配上仍需进一步改善。

（1）居住区作为居民主要的休憩空间，应该在有限的空间内，增加绿地植被的面积，改善居住区的小气候，力求温度、湿度和通风等条件达到适宜人类的标准。在植被种类的选择上以落叶林为主，夏季可以有效的减少太阳辐射，冬季可以增加室内的光照；

（2）商业区作为居民的工作空间，每天的人流量和车流量较大，应该加大绿化植被的面积，减少区域内的温室气体，形成适宜工作的生态环境。在植被种类选择和配置上应选择颜色鲜艳的植被和多层次的结构；

（3）工业区是城市发展的重要组成部分，也是城市污染最严重的区域，所以应该大力加大绿化植被的种植面积，在此基础上强调植被的种类和结构。此区域的树种应多以绿色乔木和灌木为主，配以相应的指示树种，有效的降低区域内温度，吸收区内的温室气体和有毒气体，减轻对周边居民和其他类型区域的影响；

（4）道路区作为特殊的区域，其绿化植被所占用的空间有限，建议将重点放在绿化植被的结构上，形成多层次、多物种的类型，同时可以将“垂直挂绿”、“见缝插绿”引入到道路区绿化植被的建设中。道路区的绿地是五个绿地类型中生态环境效应最差的区域，应该在条件允许的情况下加大城市内道路绿地区的数量。

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