复羽叶栾树植物群落特征及微气候效应的响应

丑琉懿，李宏归，廖飞勇

(1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；2.湖南省自然保护地风景资源大数据工程技术研究中心, 湖南 长沙 410004)

1 引言

城市化进程的加快和城市规模的扩大，气候下垫面的粗糙度受到影响和改变，产生了城市绿地的微气候效应。微气候是指在小尺度范围内的气候状况，包括空气温度、相对湿度、CO2浓度和负离子浓度等气候因子[1，2]。植物群落是城市绿地建设中不可或缺的构成要素，而科学合理的植物群落能够有效地改善局地的微气候[3，4]。近年来，学者们越来越注重植物群落对微气候效应的影响，主要集中在不同植物群落类型[5～7]、林分结构[8，9]、空间布局[10～12]及群落结构特征[13，14]与微气候效应的相关研究。目前，针对以特定园林绿化树种为优势种的人工植物群落，探究特定植物群落特征及微气候效应响应的研究还较少，本研究以复羽叶栾树(KoelreuteriabipinnataFranch.)为优势种的植物群落为研究对象，探究复羽叶栾树植物群落的植物构成特征、植株个体特征、群落结构类型特征、冠层结构特征和物种多样性特征，以及该群落空气温度、相对湿度、CO2浓度和负离子浓度微气候因子的响应，从微气候效应的角度为复羽叶栾树的植物应用和城市绿地系统植物群落配置提供相关参考依据。

2 材料与方法

2.1 试验地概况

研究样地均位于长沙(27°51′～28°41′N,111°53′～114°15′E)，湖南东部偏北，属亚热带季风气候，四季分明，春湿变化大，春末夏初雨水多，夏末伏秋高温久，寒冬较短暂；气候温和，年平均气温为17.4 ℃；降水丰沛，年均降水量1361.6 mm, 雨量集中于夏季[15]。

2.2 试验材料

试验材料为花桥湾绿地(QL01:28°04′N,113°37′E)、红星社区公园绿地(QL02:28°12′N,113°00′E)、徐特立故居绿地(QL03:28°07′N,113°29′E)和西湖公园绿地(QL04:28°21′N,112°94′E)4个研究样地内的复羽叶栾树植物群落，研究样地城市背景气象条件相似，且立地条件基本一致，内部地形地势平坦；土壤以地带性红壤为主；均临近道路，附近无大型建筑，位置分布如图1所示。

图1 研究样地位置分布示意

2.3 研究方法

(1)群落样方及标准木设置。每个研究样地内设置20 m×25 m典型植物群落样方，在样方中心区域选择3棵标准木，每棵标准木下设置1个测定采样点，每个研究样地3个测定采样点作为重复，并另设 1个非绿地测定点作为对照(CK)。

(2)群落植物构成特征研究。采用每木调查法，记录群落样方中所有植物的种类名称和数量，通过植物种类组成和不同层次植物分析群落植物构成特征。

(3)群落植株个体特征研究。使用测高仪(Vertex Laser Geo)测量植物的株高和冠幅，使用卷尺测量植物的胸径，分析群落植株生长的个体特征。

(4)群落结构类型特征研究。分析统计群落水平结构和垂直结构类型。

(5)群落冠层结构特征研究。使用植物冠层分析仪(LP-80 AccuPAR)测定叶面积指数(LAI)；使用相机保持在1.6 m高度垂直和水平方向植物群落冠层拍照，相片导入软件(Adobe Photoshop CC 2017)转灰度模式图像，统计群落冠层横断面、纵断面和天空影像的像素值，计算郁闭度、疏透度：

郁闭度=(1-天空影像的像素值)/群落冠层横断面像素值

(1)

疏透度=(1-天空影像的像素值)/群落冠层纵断面像素值

(2)

(6)群落物种多样性特征研究。参考赵中华等[16]综合大多数学者的分析方法，采用Margalef丰富度指数(R1)、Simpson优势度指数(λ)、Shannon-Wiener多样性指数(H)和Pielou均匀度指数(E)以上4类指数来分析复羽叶栾树植物群落物种多样性特征。

(7)群落微气候环境因子研究。选择相对稳定、晴朗无风的天气，在每日8:00～18:00不同时间点每2 h测定1次。分别使用温湿度测定仪(台湾群特，Center313)、CO2浓度测试仪(TELAIRE公司，Telaire7001)和负离子测定仪(北京中仪远大科技有限公司, DLY-3)，手持仪器距地面1.6 m，于各测定点4个方位观测，待仪器读数稳定后读取3个数值，取平均值作为测定采样点的空气温度、相对湿度、CO2浓度和负离子浓度。

2.4 数据处理

试验数据用Microsoft Excel2021进行处理，Origin2021软件进行图形绘制。

3 结果与分析

3.1 群落植物构成特征分析

在所调查的4个样本植物群落中，共有31种维管束植物，分属于25科31属，其中裸子植物为4科4属4种，被子植物21科27属27种。从属、种的数量来看，木兰科最多，3属3种，其次为桑科、禾本科、菊科，2属2种，其余仅1属1种。表1表明：从树种类型来看，乔木有12种(常绿针叶树2种，落叶针叶树1种，常绿阔叶树4种，落叶阔叶树6种)，小乔木及灌木有9种，草本地被有9种。

表1 样本群落植物种类组成

3.2 群落植株个体特征分析

表2表明：植物群落中，植株高度、冠幅和胸径/地径等个体特征各有差异，4个复羽叶栾树植物群落的平均株高较高，高达9.42 m，平均冠幅4.56 m，平均胸径/地径在10.40 cm。其中，QL02大型乔木数量较多，植物群落中的复羽叶栾树、香樟和玉兰树木高大，枝叶繁盛，其平均株高和平均冠幅都最大，分别是10.13 m和5.31 m。从平均胸径来看，QL01复羽叶栾树数量占比最大，而该植物在生长地栽植年限较短，平均胸径相比其他植物群落最小，仅有10.47 cm；而QL04所在公园建成年限较久，复羽叶栾树、香樟、杜英、荷花玉兰和乐昌含笑这些植物生长年限较长，且植物生长长势较好，因此该植物群落平均胸径/地径最大，高达20.57 m。

表2 样本群落植株个体特征

3.3 群落结构类型特征分析

表3表明：所调查的4个样本植物群落在群落结构类型上组成有所不同。从群落垂直结构来看，不同植物生长型、生态幅度和适应性各有不同，为更好利用自然条件资源，分化为群落垂直分层现象，形成了在群落空间的垂直结构。其中，QL01和QL04为乔-草双层结构；QL02和QL03为乔-灌-草复层结构。从群落水平结构来看，由于植物群落所处环境的不同和植株个体特性的差异，不同植物小型组合类型在水平方向分化，形成不同的群落水平结构类型。其中，QL01乔木只有复羽叶栾树，其水平结构类型为落叶阔叶纯林；QL02和QL03以复羽叶栾树和玉兰等落叶阔叶乔木为主，且具有金钱松和罗汉松等针叶植物，为落叶针阔叶混交林；QL04群落水平结构类型为落叶阔叶混交林。

表3 样本植物群落结构类型

3.4 群落冠层结构特征分析

表4表明：郁闭度、疏透度和叶面积指数不同的指标反映了植物群落的冠层结构特征。4个样本植物群落林冠在水平面上高低错落，未能相互衔接，在垂直面上组成不同的郁闭状态，4个群落郁闭度均较高，在80%～90%左右，平均郁闭度达84.20%。其中，QL02和QL04群落植物树木高大，叶幕层紧密，平均冠幅较大，林冠层盖度较大，因此2个群落郁闭度也较高，分别为86.62%和89.59%。

植物群落垂直分层现象分化形成的群落垂直结构直接影响了纵断面的透光面积，体现了4个样本植物群落疏透度的差异性。其中，QL04疏透度最大，为41.71%，QL01次之，QL02最小，为26.03%。因植物群落垂直结构类型的影响，QL01和QL04显著大于QL02和QL03，结果表明乔-草双层结构植物群落的疏透度大于乔-灌-草复层结构。

群落中不同植物的生物学特性、植被的密度和环境因子的差异性，导致植物群落的叶面积指数不同，对植物光合作用、呼吸作用和蒸腾作用等生理生化过程有着直接的影响，是植物群落冠层最显著的特征之一。其中群落叶面积指数QL02最大，为2.35；QL01最小，为1.51。

表4 样本植物群落冠层结构

3.5 群落物种多样性特征分析

表5表明：丰富度指数R1最大值出现在QL02，为4.28。主要是该植物群落位于社区公园，林分进行过改造，群落植物进行了合理搭配，乔木类植物高大且品种丰富。丰富度指数R1最小的是QL01，为1.41，其原因可能在于该群落为复羽叶栾树纯林，乔木种类单一，且草本植物种间竞争较大，导致物种丰富度小。优势度指数λ的排序为QL01>QL02>QL03>QL04，呈梯度变化。多样性指数H和均匀度指数E的最大值都出现在QL02，分别为4.67和1.59，最小值都出现在QL01,分别为1.55和0.75，这可能与植物群落林分密度有关。

表5 样本植物群落物种多样性

3.6 群落微气候效应因子分析

3.6.1 植物群落的空气温度和相对湿度

图2和图3表明，复羽叶栾树植物群落内部的空气温度和相对湿度明显低于对照点，表现出“城市冷岛”作用，均有明显的降温增湿效果。不同复羽叶栾树植物群落之间降温增湿效果也存在差异，各植物群落平均温度差值分别为1.62 ℃、4.37 ℃、2.41 ℃和3.32 ℃，平均湿度差值分别为3.47%、7.56%、4.72%和5.39%，降温增湿效果QL02>QL04>QL03>QL01。所调查植物群落中，QL02郁闭度(86.62%)最高，丰富度指数(4.28)最大，降温增湿效果最显著。

3.6.2 植物群落的CO2浓度

图4表明，复羽叶栾树植物群落CO2浓度均低于对照点，群落植物昼间光合作用吸收CO2、释放O2，表现出植物群落的固碳释氧能力。不同复羽叶栾树植物群落之间CO2浓度存在差异，固碳释氧能力也有所不同，各植物群落平均CO2浓度分别为389 mg/L、373 mg/L、369 mg/L和381 mg/L，QL01>QL04>QL02>QL03，群落平均CO2浓度差值幅度在10 mg/L左右，差异并不显著。

时间 图2 各样地平均温度差值比较

时间 图3 各样地平均湿度差值比较

时间 图4 各样地平均CO2浓度比较

3.6.3 植物群落的负离子浓度

图5表明，通过各样地空气负离子浓度比较，各植物群落内空气负离子浓度都高于对照点，表明复羽叶栾树植物群落对清洁空气环境有较好的生态效益。各群落平均空气负离子浓度分别为540个/cm3、904个/cm3、848个/cm3和659个/cm3，QL02、QL03浓度较高，QL04适中，QL01最低。QL02和QL03中复羽叶栾树数量占比最大，其为二回羽状复叶，叶片在植物群落冠层中形成叶幕结构，可以对太阳辐射进行有效截留，形成了群落内外和冠层上下温湿度差的不同小气候环境，促进了负离子的产生。

时间 图5 各样地空气负离子浓度比较

4 讨论与结论

本研究探究了复羽叶栾树植物群落的植物构成特征、植株个体特征、群落结构类型特征、冠层结构特征和物种多样性特征，以及该群落空气温度、相对湿度、CO2浓度和负离子浓度微气候因子的响应后，得出以下结论：

(1)4个复羽叶栾树植物群落内共有25科31属31种维管束植物，其中被子植物21科27属27种，裸子植物种类少,植物资源较为丰富。

(2)降温增湿效果QL02>QL04>QL03>QL01，CO2浓度QL01>QL04>QL02>QL03，负离子浓度QL02>QL03>QL04>QL01，植物群落内植物种数量越多，其群落结构组成越复杂，郁闭度越高，对太阳辐射热的有效阻隔和水分蒸发的保留越有利，从而起到更好的降温增湿效果；提升了植物的光合作用效率，固碳释氧能力更强；促进了植物光电效应，提高了负离子浓度，加强了清洁空气的作用。

(3)其中QL02(复羽叶栾树+香樟+玉兰-紫薇+鸡爪槭+杜鹃+海桐+绣球荚蒾-结缕草+红花酢浆草)是物种丰富度指数最高、植物群落结构最复杂的群落，其微气候效应的响应最佳。

本研究量化、系统化地阐述了复羽叶栾树植物群落特征及植物群落中微气候因子的响应，但是植物的生长状态、生长势对微气候因子是有一定影响的，随着植物个体的生长以及植物群落的演变，植物群落微气候效应也会发生动态变化。因此，针对于某一特定群落的定位监测、定量化研究和长期的持续观测研究是非常有必要的，其季节变化、年度变化规律还有待后续探究。