南京典型城市道路植物多样性与壤因子的耦合关系

徐晶园, 圣倩倩，王伟希，刘聪哲，祝遵凌,2*

(1.南京林业大学 南方现代林业协同创新中心，南京林业大学风景园林学院，江苏 南京 210037；2.南京林业大学艺术设计学院，江苏 南京 210037)

城市道路绿地因其辅助交通、调节道路微气候、改善土壤环境、提升道路景观等功能，成为城市生态系统不可或缺的一部分[1]。为提高城市土地资源的利用率，二维绿化逐渐向立体绿化的方向发展，复层结构的植物景观及生态效益日渐受重视[2]。科学的植物配置模式是发挥其生态效益的基础[3]，群落的物种多样性与土壤环境的协调程度反映出城市道路绿地生态系统的稳定性。植物通过代谢产生凋落物，与微生物共同调控土壤环境，是绿色、经济、持久的土壤修复措施[4]；良好的土壤环境为植被的生长提供充足的养分[5]。目前针对植物群落与土壤理化性质的影响研究多集中于退耕林地、生态修复、水土保持等领域[6-7]，对于城市道路绿地的土壤理化性质研究常见于交通对土壤环境影响及土壤肥力分析等方面[8-9]，关于城市道路绿地植物群落与土壤环境间联系的研究尚不多见。

植物-土壤系统的作用机制复杂，多数学者常采用相关性分析、多元线性回归探究生境中植物因子与土壤因子的关系[10]，这类方法的缺陷在于未能明确多种因子间相互作用程度，难以揭示植物群落正向演替的限制因子。考虑到道路交通尾气排放是大气污染物的主要来源之一，大气污染物通过干湿沉降进入土壤导致城市道路绿化带土壤环境质量下降[11]，进而影响植被的正常生长。因此，为改善城市道路环境，以南京市大气污染程度较为严重的3条城市道路为研究对象，引入常用于脆弱生态系统重建研究领域的灰色关联度分析方法[12-14]，研究不同类型群落的物种多样性与土壤因子的耦合关系，揭示植物群落正向演替的限制因子，并筛选出植物配置最优的群落类型，以期为城市道路土壤管护提供理论指导，为城市道路绿化景观再设计提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

江苏省南京市 (118°19′～119°24 ′E,31°54′～ 32°26 ′N)是长江三角洲主要中心城市之一，地貌特征以低山丘陵、湖泊为主，土壤类型多样，属亚热带季风气候区。南京城市建成区绿化覆盖率为46.31%[15]，主要植被类型为常绿、落叶阔叶混交林[16]。本研究根据江苏省南京市生态环境局提供的数据选取南京市大气污染程度排名靠前的3条城市道路[15]为研究对象，分别为浦口区的江北大道、江宁区的诚信大道和栖霞区的仙林大道(图1)。

图1 典型城市道路的区位图及采样点分布Fig.1 The location map and sampling map of typical urban roads

3条城市道路的断面形式均为四板五带式，其中：江北大道于1979年建成，全长约24 km，南北走向，是城市规划中区域路网的关节点，路侧绿化带的配置形式多样；诚信大道建于2003年，东西走向，全长约8.5 km，是江宁东山副城路网中的主骨架[17]，以自然式植物群落配置为主，植物郁闭度高；仙林大道建于2008年，东西走向，全长约10 km[18]，以“自然城市”为理念，是仙林大学城标志性景观大道[19]。

1.2 样地的设置与群落类别的划分

2018年6—8月，基于无人机航拍和实地勘察获取城市道路绿地信息并建立数据库[20]，总结选取坡度基本一致、植被建成时间超过10 a、具代表性的植物群落作为调查样地，共24个样地，采样点分布如图1B。设定样方面积为100 m2，长和宽根据道路的实际情况调整，群落内所有植物的基本信息如植物种类、规格、数量等均可由绿地信息系统得出,植物群落的垂直结构和样地的裸地率、经纬度、坡度及周边地区的用地情况等需进行实地调查。

将群落内同一生活型的植物称为一层片，是植物群落的形态特征[21]。为深入探究复层群落特征，清晰表述复层群落的复杂程度[22]，将不同类型的植物群落进行更直观的表述。其中具有4种生活型植物的群落“大乔+小乔+灌+草”归入4层群落(four-layer community, FC)；具有3种生活型植物的群落“大乔+小乔+草、大乔+灌+草、小乔+灌+草”归入3层群落(three-layer community, TC)；具有两种生活型植物的群落“大乔+草、灌+草”归入双层群落(double-layer community, DC)；“草坪草”纳入单层群落(single-layer community, SC)。

据此划分依据，江北大道各群落的垂直结构有大乔+小乔+灌+草(A2、A3、A4)，大乔+灌+草(A5、A7)，大乔+小乔+草(A1)，草坪草(A6)；诚信大道各群落的垂直结构有大乔+小乔+灌+草(B1、B2、B3)，小乔+灌+草(B4、B5、B6)，草坪草(B7)；仙林大道各群落的垂直结构有大乔+小乔+灌+草(C4、C8、C10)，大乔+灌+草(C5)，大乔+小乔+草(C9)，小乔+灌+草(C6)，大乔+草(C3、C7)，灌+草(C2)，草坪草(C1)。各城市道路的植物群落基本信息见表1。

表1 样地植物群落基本信息

表1(续)

1.3 土样采集与分析

基于五点采样法[23]，在样地内挖掘5个土壤剖面。采集0～40 cm深度的土壤样品(包括环刀和剖面土样)，将5份剖面子样充分均匀混合成1个土壤样品，约为1 kg，装入聚乙烯采样袋，填写标签信息后带回南京林业大学土壤实验室。在室温下自然风干土样，剔除其中的杂质，研磨后分别过孔径2.00、0.15 mm的尼龙筛，保存备用。

土壤pH分析采用玻璃电极法；土壤含水量(soil water content, SWC)和土壤容重(bulk density, BD)的测定采用烘干法(105 ℃，12 h)和环刀法；土壤有机质含量(organic matter, OM)分析采用重铬酸钾容量法；土壤全氮含量(total nitrogen, TN)采用开式消煮法测定，土壤全磷含量(total phosphorus, TP)采用硫酸-高氯酸消煮-钼锑抗比色法测定，土壤全钾含量(total potassium, TK)采用氢氟酸-高氯酸消煮-火焰光度计法测定，土壤水解氮含量(available nitrogen, AN)采用碱解-扩散法测定，土壤速效磷含量(available phosphorus, AP)采用双酸浸提-钼锑抗比色法测定，土壤速效钾含量(available potassium, AK)采用乙酸铵提取-火焰光度法测定[23]。

1.4 物种多样性测度方法

1.5 耦合度分析方法

采用灰色关联分析对植物群落的物种多样性和土壤理化性质进行耦合。对各指标的数值进行区间值化，去除量纲，然后基于下列公式计算物种多样性和土壤理化性质之间的关联系数[25]：

γ[xi(k),xj(k)]=

其中：γ[xi(k),xj(k)]为第k个植物群落的植物多样性指标j和土壤理化性质指标i的关联系数，xi(k)、xj(k)分别为土壤理化性质i和物种多样性j规范化后的值，ρ是分辨系数，取值范围为[0,1]，常取0.5。设定关联度区分：0<γ≤0.35 为弱关联，0.35<γ≤0.65为中关联，0.65 <γ≤0.85为较强关联， 0.85<γ≤1.0为极强关联。

1.6 数据处理

以Arc-GIS处理城市道路绿地的数据，结合AutoCAD和Photoshop等辅助软件将3条城市道路的区位图和采样点可视化。用Excel 2010简单处理实验数据，用SPSS 20.0对土壤理化性质进行单因素方差分析(One-way ANOVA)，用最小显著差异法(LSD)检验不同结构层次群落下土壤理化性质的差异显著性，显著水平均为P< 0.05。

2 结果与分析

2.1 样地物种多样性分析

群落生态系统稳定性多以物种多样性来度量[26]。在样地调查的基础上，分析3个样地群落物种多样性指标，结果见表2。

由表2可知，3条城市道路中，植物群落随层次结构的增加，Richness指数(R)、Shannon-Wiener指数(H)和Pielou指数(J)总体上呈现增大的趋势，一定程度上说明丰富的层次结构有利于群落生态系统的稳定性。

表2 江北大道、诚信大道、仙林大道不同类型群落的物种多样性比较

2.2 样地土壤理化性质分析

3条城市道路绿化带中的4层群落土壤含水率均最高；仙林大道土壤含水率随植物层次结构的增加呈现显著加大的趋势(表3)。3层群落下的土壤容重普遍较低，土壤pH、土壤全磷变化规律复杂。土壤有机质和土壤全氮含量变化趋势相似，普遍随植物层次增加而增加，在仙林大道上差异显著。速效态养分中，3层群落下土壤水解氮、土壤速效磷含量普遍较高，与4层群落间差异不显著。土壤速效钾含量随植物群落结构层次增加而上升，4层群落多显著大于其他类型群落。3层群落下土壤全钾含量最高，层次结构丰富的群落，其土壤全钾含量显著大于单层群落。

表3 不同类型群落下土壤理化特征分析(均值±标准误)

2.3 样地植物因子与土壤因子耦合关联分析

3条城市道路中各植物群落的物种多样性与土壤因子的关联度如表4所示，整体上看，植物因子与土壤因子的平均关联度均大于0.80，各指标间联系紧密，耦合作用较强。从表4可以看出，3条城市道路的植物因子的关联系数均值为0.80～0.85，对土壤因子的作用明显；不同城市道路植物群落物种多样性的平均关联系数以Pielou指数(J)较高，Shannon-Wiener指数(H)次之、Richness指数(R)较小，土壤因子更易影响植物的分布，对植物种类的影响较小。土壤因子中，对物种多样性作用较强的前6名为土壤全钾、土壤容重、土壤有机质、土壤全氮、土壤全磷和土壤pH，这些因子的平均关联系数大多大于0.90，与物种多样性的关联度极强。土壤速效钾的平均关联系数最低，属于弱关联的范畴，对植物生长的影响较小。

表4 植物因子与土壤因子的耦合矩阵

计算3条城市道路的耦合度发现，其耦合度均为0.80～0.90(表5)，属于良好协调发展模式，植物群落的物种多样性与土壤因子内部系统的耦合协调程度良好。从不同类型群落的耦合度均值来看，群落层次结构的数量与耦合度大小呈正相关，4层群落的耦合度均值居于首位。

表5 不同类型群落下土壤-植物系统的协调度

3 讨 论

由于群落内不同生活型绿化植物对资源利用的差异，导致不同类型群落对局部环境的影响效应不同[27]。与单层群落草坪草相比，层次结构丰富的群落能充分吸收不同深度的土壤水分和养分，通过凋落物返还有机质和土壤养分，形成植物-土壤的协同作用。在营造良好的小气候环境、改善植物生长条件方面意义重大。

土壤理化性质受多种因素的共同影响，包括成土母质、气候变化、植被因素和人为干扰等[28]。本研究发现，4层群落土壤含水率均最高，植物群落层次的增加意味着植被覆盖面积的增加，一定程度上可以减缓植物的蒸腾作用；而且不同生活型的植物根系分布规律不同，充分占据着地下空间，为土壤涵养足够的水分[29]。土壤pH的空间异质性强，容易受到环境因素的影响[29]。土壤全磷大都属于无机磷，成土母质的风化及矿物质组成是其主要的影响因素[30]。土壤有机质和土壤全氮主要来源于生物残体的分解，植物群落的层次结构越丰富，植物的绿量越大，越有助于土壤有机物的积累[31]。因此土壤有机质和土壤全氮含量变化趋势相似，普遍随植物层次结构的增加而增加。速效态养分中，土壤速效钾含量随植物群落结构层次增加而呈上升的趋势，4层群落显著大于其他类型的群落。但土壤水解氮、土壤速效磷含量在3层群落下普遍最高。植物利用是氮、磷等速效态养分减少的重要原因[32-33]，采样期间是植物生长最旺盛的时期，植物数量多，需要的速效态养分较多，植物吸收完成后，速效态土壤养分未及时返还土壤，打破了土壤-植物之间的氮、磷平衡，从而造成4层群落的土壤水解氮和速效磷含量比3层群落的低。

3条城市道路中，物种多样性与土壤因子关联度均较强，土壤的整体环境有利于绿化植被的生长[34]。土壤因子的改变更易影响植物的分布均匀程度，土壤全钾、土壤容重、土壤有机质、土壤全氮、土壤全磷和土壤pH是植物生长的关键因子，因此在日常养护管理中，可适当增加土壤全钾、土壤有机质、土壤全氮和土壤全磷的含量，增大土壤容重，调节土壤pH，有利于提高土壤因子与物种多样性的耦合协调程度，促进群落的正向演替，使城市道路绿地生态系统从良好协调发展模式向优质协调推进。

植物群落物种多样性与土壤因子的耦合度最大值均出现在4层群落中，群落的耦合度与植物层次结构的数量呈正相关，说明植物群落的结构层次越丰富，物种多样性与土壤因子的耦合协调程度越高，植物群落的稳定性和抵御干扰能力越强。考虑到城市道路土壤人为干扰大，尤其是道路施工阶段，部分碎石块、废砂浆等建筑垃圾会被填埋在路旁土壤中，导致绿化带土壤环境质量下降、层状结构发生变化。因此，为维持绿化带植物的正常生长，促进群落的正向演替，结构层次不够丰富的植物群落需要实施更有效的人工干预手段和更精细的养护管理措施，但这与“节约型园林”的建设要求相违背。据此，在城市道路绿化景观建设中，在考虑环境条件和交通需要的基础之上，植物群落的构建应首先推荐结构丰富的4层群落。