河北小五台山自然保护区群落结构及景观质量研究*

杨思佳,李明玥,史宝胜

(河北农业大学园林与旅游学院,河北 保定071000)

随着经济的发展,人们更加关注山区景观的建设与美化,通过对小五台山的野生植物群落景观进行调查研究,筛选出几种具有河北省山区特色且群落结构稳定的植物群落配置模式,以改善山区生态环境脆弱,景观效果差等现状,为建造具有河北省特色山区植物群落景观并形成特色鲜明的山地风景名胜区奠定基础[1]。贾黎明、陈鑫峰、李效文等[2-5]采用美景度评价法对北京城市森林及山区风景游憩林不同季节的景观进行评判,揭示影响森林景观美学价值的主要因子,据此为森林的景观建设及优化实践提供参考;蔡霞等[6]以淳安县森林为研究对象,筛选出适应力强的乡土树种,并设计24个近自然阔叶化树种的配置模式。在此基础上,本研究开展河北省小五台山的自然保护区群落结构及景观质量研究,以期为河北省山区植物景观建设、实现生态效益和美学价值的最大化提供一定的理论基础。

1 研究方法

1.1 研究区概况

小五台山国家级自然保护区位于河北省张家口市东南部 (114°47′-115°30′E,39°50′-40°07′N),地跨蔚县、涿鹿县,东与北京市门头沟区相连,南与河北省涞水县接壤。调研区域为小五台山区的一个分支区域,调研路线由山涧口行进至东台,位于小五台山东北部,海拔由1 300m至2 460m。

1.2 研究方法

1.2.1 群落结构调查方法与内容

2016年7-8月,于小五台山区山涧口区选定12个植物群落样方为研究对象,依植物垂直结构将其分为乔灌草、灌草、草3类。植物群落设置分别为30m×30m、5m×5m、3m×3m的样方。样方设定后,对样地边界点用GPS进行定位并记录,并对样方内的植物进行详细调查,包括样地概况(坡度、坡向、海拔)、群落类型、群落中树木种类、数量、高度等。调查主要内容包括乔木层每木调查、灌木层和草本层取样调查。

1.2.2 SBE的评价方法

通过实地调查 (8月和10月),对小五台山植物景观进行照片和相关数据采集,确定影响植物景观的评价因子,并通过美景度评价法 (SBE法)对植物景观美景度进行评价,通过进行美景度与景观因子的相关性分析,分析影响其美景度的主要构景要素,筛选出景观价值较高的植物群落。进而进行生态因子评价,为植物群落的筛选奠定基础。综合生态效应,分析群落特色,结合数据分析,提炼出植物群落配置模式5套,为模拟自然植物景观提供应用单元。总结出小五台山区景观的问题与不足,并提出改进意见。

1.2.3 SBE值问卷评判人员选取

本研究选取的评价人员为园林专业与风景园林专业的103名学生。

1.2.4 植物群落美景度评价方法

植物群落景观照片的拍摄与群落样方的调查同时展开,参考国内研究中常用的拍照方法[7],每个群落样方从8个角度进行取景。照片选取的原则是可以全面反映样地景观面貌[8-10]。

美景度评判标准采用-3-3的七分制,评分越高,表示景色越美,反之较差。评价结果的计算是根据不同参与者对幻灯片的评价值得到的SBE值[11-13]。计算过程用Excel软件处理[5]。

1.2.5 植物群落生态因子调查

2016年8、9、10月份在样地选取晴朗无风天气进行测定观察,进行光照强度、温湿度测定、负离子测定,为光强效益、降温增湿效益分析、负离子效益分析提供相关数据[14]。

(1)温湿度测定 用L9系列智能黑匣子测定温湿度,分别于8：00-9：00,12：00-13：00和16：00-17：00共3个时间段,用五点法定点测量,选择高度范围距地0m、1.00m、1.50m高度进行试验,取5点的平均值作为被测样方的温度及空气相对湿度。

(2)光照强度测定 用光照度计测定植物群落内的光强,与温湿度同时测定,在样方内选5个测定点,取每个测定点5个瞬时读数的平均值为观测值,再取观测点的平均值为该群落最后的光照强度。

(3)空气正负离子测定 测定时间从8：00-17：00每2h测定1次。在被测样方内选取3个观测点,东南西北4个方向分别取5个瞬间读数,取最终的平均值为该群落正、负离子的观测值。

采用日本空气净化协会提出的空气离子评议系数法 (安倍系数法)对空气质量进行分析,该评价方法的计算公式是单极性系数q=n+/n-,空气离子评议系数CI=(n-/1000)×(1/q),式中,n+表示空气正离子浓度,n-表示空气负离子浓度。

按空气质量评价系数可将空气质量分为5个等级 (表1),CI值越小,表明空气受到的污染越严重,CI值越大,表明空气越清洁,空气质量越好。

表1 空气质量等级Tab.1 Air quality grade

2 结果与分析

2.1 群落组成和结构分析

2.1.1 群落组成

在调查的12个植物群落样方中,共统计到植物种类140种,分属于34科96属,其中乔木7种,灌木19种,草本114种。

样方中,植物种类丰富的有:菊科 (Asteraceae,12属17种),蔷薇科 (Rosaceae,10属15种),禾本科 (Gramineae,11属14种),伞形科(Umbelliferae,8属8种),毛茛科 (Ranunculaceae,7属14种),百合科 (Liliaceae,6属8种),豆科 (Leguminosae,5属6种),共占调查总数的59%,参照 《小五台植物志》确定这7个科均属于小五台山区的优势科。

2.1.2 结构分析

研究中12个植物群落景观的基本情况见表2。不同群落由海拔1 300m至海拔2 460m逐渐升高,12个群落较均匀地分布于不同海拔范围;坡向以北坡为主,坡度均在40°以下;乔木林林分密度有差距,其中密度最大的为红桦 (Betula albosinensis)林,2 033株/hm2,最稀疏的为落叶松 (Larix gmelinii) 林,633株/hm2。

2.2 美景度分析

经过对评判反应值的统计和标准化处理,得到各景观类型的SBE值 (表3)。由表3可知,所调查的群落共分为3类,将群落的SBE值按照景观类型进行比较:乔灌草复层结构群落景观SBE值:落叶松林＞白桦 (Betula platyphylla)林＞红桦林＞针阔混交林＞白杄+落叶松 (Picea meyeri+Larix gmelinii)林＞油松 (Pinus tabuliformis)林。灌木丛群落景观SBE值:绣线菊 (Spiraea salicifolia)灌丛＞胡枝子 (Lespedeza bicolor)灌丛＞美蔷薇(Rosa bella)灌丛＞虎榛子 (Ostryopsis davidiana)灌丛。亚高山草甸群落SBE值:草甸2＞草甸1。通过对比得知,评分值较高的均是季相变化丰富的植物群落。

表2 标准地基本情况Tab.2 Basic information of the sample plot

表3 不同植物群落的SBE值Tab.3 SBE of different plant communities

2.3 生态因子分析

对12个植物群落的空气负氧离子等生态指标进行统计分析 (表4)。由表4可知,随着海拔的变化,温度起伏不显著,介于14.69-19.47℃之间,森林群落的温度低于草甸及灌木丛群落,表明复层结构群落有明显的降温作用。随着海拔的降低,湿度呈现递增的趋势。随海拔降低,光强为递减趋势,复层结构群落的光强远低于灌丛及草甸群落,表明树林的遮光效果较好;正负离子数与湿度均呈现出递增的趋势,且两者关系较大。负离子数由910个/cm3升至1 840个/cm3,正离子数由870个/cm3升至2 520个/cm3。白杄+落叶松林、落叶松林、油松林3个针叶林群落的空气离子评议系数均低于1.00,为B级,表明针叶林的空气清洁程度为一般;阔叶林及灌丛林的空气负离子评议系数均大于1.00,为A级,均达到 “最清洁”的程度,其中白桦林的评议系数最高。

将群落的空气离子评议系数按照群落类型进行比较,乔灌草复层结构:白桦林＞针阔混交林＞红桦林＞落叶松林＞油松林＞白杄+落叶松林;灌木丛群落:虎榛子灌丛＞绣线菊灌丛＞美蔷薇灌丛＞胡枝子灌丛;亚高山草甸群落:草甸2＞草甸1。

所调查的植物群落的空气清洁程度均达到B级,即一般清洁程度。经分析得出空气清洁程度与海拔关系不大,阔叶林的空气清洁度高于针叶林的清洁度。

表4 不同植物群落的生态指标Tab.4 The ecological index of different plant communities

2.4 优良配置模式

根据对小五台山自然保护区植物群落调查、群落结构特征分析、群落景观美景度评价及生态效益测定分析,得出美景度与生态因子之间呈一定的正相关,因为12个群落空气影响因子均达到一般清洁程度,差异不显著,因此从景观美学角度出发筛选出5种自然植物群落的配置模式[15-16],分别为红桦林群落、白桦林群落、绣线菊群落、胡枝子群落及草甸2群落。

2.4.1 红桦林群落配置

该群落乔木的种植密度为2 033株/hm2。灌木层的优势种为红丁香 (Syringa villosa)和绣线菊,二者比例为1∶1,可在5-6月份形成景观价值高的花灌木景观。群落的草本层中,选用东方草莓(Fragaria orientalis)、披针叶苔草 (Carex lanceolata)作为优势种,砧草 (Galium boreale)、防风(Saposhnikovia divaricata)、金莲花 (Trollius chinensis)、黄精 (Polygonatum sibiricum)作为伴生种;其中金莲花在春季形成的草花景观其观赏效果极佳,东方草莓既可以夏季观花又可以秋季观果。

2.4.2 白桦林群落配置

白桦既是群落的建群种,也是乔木层的优势种,群落的种植密度为911株/hm2。在灌木层中,美蔷薇、毛榛 (Corylus mandshurica)及红丁香作为优势种,三者种植比例为1∶1∶1,于夏季形成观赏价值高的花卉灌木景观,其中美蔷薇深红色的蔷薇果在秋季会形成独特的观果景观。在草本层,优势种选用东方草莓、披针叶苔草,宽叶苔草(Carex siderosticta)、糙苏属 (Phlomis)、峨参属(Anthriscussylvestris)植物作为伴生种。其中糙苏是夏季草花景观中的重要植物,东方草莓是作为既可观花又可观果的地被。

2.4.3 绣线菊灌丛配置

灌木层选用2种绣线菊——土庄绣线菊 (Spiraea pubescens)和三裂绣线菊 (Spiraea trilobata)作为优势种,于初夏形成白色花卉景观;草本层为小苔草 (Carex parva)、大叶猪殃殃 (Galium davuricum)、细叶苔草 (Carex rigescens)、艾蒿 (Artemisia argyi)、白莲蒿 (Artemisia sacrorum)、东方草莓、糙苏和东亚唐松草 (Thalictrum minus var.hypoleucum),草本植物的重要值相差不大,可根据需要调整各种草本植物所占比例。8种草本花期分布于3-10月,其中东亚唐松草主要形成春季花卉景观,糙苏形成夏季观花景观,东方草莓作为地被。

2.4.4 胡枝子灌丛配置

胡枝子作为灌木层优势种。草本层的白莲蒿、龙芽草 (Agrimonia pilosa)、地榆 (Sanguisorba officinalis)、老鹳草 (Geranium wilfordii)、沙参属(Adenophora)、东亚唐松草、大油芒 (Spodiopogon sibiricus)、叉分蓼 (Polygonum divaricatum)可调整植物所占比例;其中东亚唐松草作为春季观花植物,龙芽草、地榆、老鹳草、沙参及叉分蓼形成夏秋季花卉景观。

2.4.5 草甸2群落配置

草甸群落中,蹄叶橐吾 (Ligularia fischeri)和东方草莓作为建群的优势种,峨参、垂穗披碱草(Elymus nutans)、紫羊茅 (Festuca rubra)、珠芽蓼(Polygonum viviparnm)、白缘蒲公英 (Taraxacum platypecidum)、卷耳属 (Cerastium)、葛缕子 (Carum carvi)作为伴生种。其中东方草莓、紫羊茅作为地被,蹄叶橐吾、珠芽蓼、白缘蒲公英、卷耳、葛缕子是形成春夏花卉景观的主要植物。

3 结论与讨论

小五台山植物群落的空气清洁度均呈良好的状态,但不同植物群落的空气质量仍有一定差异,阔叶林的空气质量好于针叶林。乔灌草复层结构群落中的空气离子评议系数较大的群落类型有白桦林群落、针阔混交林群落和红桦林群落;灌木丛群落评议系数较高的为虎榛子灌丛和绣线菊灌丛群落;草甸2群落的评议系数高于草甸1。针叶林群落的空气离子评议系数均低于阔叶林群落。

不同植物群落内负离子含量有差异,海拔和空气湿度对空气负离子的影响显著。随着海拔的降低,空气湿度与负离子数的变化呈现增加趋势。

根据不同植物群落的美景度调查和评价,提炼出5种植物群落配置模式,分别为红桦林群落、白桦林群落、绣线菊群落、胡枝子群落及草甸2群落。从美景度较高的红桦林群落、白桦林群落及草甸等自然植物群落中发掘出可用于山地植被恢复的配置模式。仿白桦林群落的配置模式可采用乔灌草相结合的结构,乔木层可采用白桦纯林,灌木层为美蔷薇、毛榛、红丁香,草本地被为披针叶苔草、东方草莓、宽叶苔草、糙苏、峨参等。

综合所有指标,筛选出以景观美学为基础的自然植物群落配置模式,与张佳平等[17]、刘小冬等[18]对山地风景林的植被进行调查,从观赏性、生态性及空间结构等方面分析,筛选出骨干树种的群落配置模式相统一。与张巧明等[19]为林地恢复与建设提供的科学依据相一致。这对河北省山区特色生态景观的恢复与建设具有一定的指导作用,也为近自然园林的构建提供了借鉴,应用于实际前,还需对提炼出的植物有关温度、土壤等环境因子的适应性进行研究与确定。在接下来的工作中,需对植物群落适应性进行进一步的研究,真正地做到将研究应用于实践中,为模拟野生植物景观提供应用单元。