罗平城市绿地树种多样性与生态系统多功能性的关系

李晓红 彭建松 李帅锋

（1. 西南林业大学园林园艺学院，云南 昆明 650233；2. 西南林业大学森林城市研究院，云南 昆明 650233；3. 中国林业科学研究院资源昆虫研究所，云南 昆明 650233）

21 世纪生物多样性的丧失可能是生态系统变化的主要驱动力之一[1]。生物多样性的影响对各种自然生态系统将产生怎样的变化，是当前研究者们关注的重要命题之一[2]。1994 年的英国生态箱实验[3]将生物多样性与生态系统功能（BEF）研究联系起来，随后的研究显示出两者存在密切的正相关关系[4-6]。然而生态系统的重要价值不在于提供一种单一的功能，而在于它能够同时提供多种功能和服务。有研究表明更高的物种丰富度才能提供多种生态系统功能，不同物种丰富度和组成的群落可以最大化不同功能[7]。2007 年Hector 等[8]的研究结果表明，相比较单一生态系统功能，维持生态系统多功能性需要更多的物种数，两者之间的饱和关系也逐渐减弱[9]。近年来，我国学者也陆续开展了许多相关领域的研究，Li 等[10-11]对亚热带针叶林物种丰富与生态系统多功能的关系进行了研究，显示更高的物种丰富度促进了生态系统功能的供应。

在以往的相关研究中，大多都类似于金竹秀等[12]和李莉[13]对城区绿地植物多样性与生态效益分析，都是对单一生态系统功能进行研究，缺乏对生态系统功能的整体之间联系的研究，本研究基于单一生态系统功能的研究，将单一功能整合为生态系统多功能性指数来探究生物多样性与生态系统多功能性之间的关系和其影响因子的大小。此外，生态系统多功能性研究也大多以草地、湿地或天然森林生态系统为研究对象，对城市绿地生态系统的研究相对匮乏，并没有完全解决生物多样性在不同生态系统中的关系格局。本研究以位于滇东高原上的罗平县城市绿地为研究对象，基于生物多样性调查，获取植物多样性数据及绿地生态系统功能等基础数据，分析城市绿地生态系统中树种多样性与生态系统多功能性间的关系，以期为城市生物多样性保护提供科学依据，也为城市绿地植物配置提供更优选择。

1 研究区概况

罗平县位于云南省东部，滇、桂、黔三省结合处，地处东经103°57′～104°43′，北纬24°31′～25°25′。区域内最高海拔为2 468 m，是白腊山的主峰，最低处为阿沟河，海拔1 860 m，相对高差608 m。县城建成面积达2 100 hm2，人口为13.8 万，城区绿地率达35.9%，绿化覆盖率达40.9%，人均公园绿地面积为11.2 hm2。城区西北方向为山脉，西南、东北方向为大面积坝区。其总体上属亚热带季风气候，地形复杂，气候立体差异明显，年均气温16 ℃，历年平均降雨量为1 515 mm。河流均属珠江水系，土壤主要为黄壤、红壤、黄红壤等。县内旅游业发达，是一座集花、绿、水、商为一体的休闲度假旅游胜地和现代山水园林城市。

2 研究方法

2.1 样地选择与调查方法

在罗平县城区选取公园绿地、居住区绿地、单位附属绿地、校园绿地以及街旁绿地5 种绿地类型进行实地调查，每个绿地类型选择群落结构完整的3 个样地进行调查。公园绿地选择了健康主题公园、太液湖公园和液峰公园，居住区绿地选择了罗平县电力公司居住区、金海岸华庭别墅区和烟草公司小区，单位附属绿地选择了罗平县税务局、人民法院和教育体育局，校园绿地选择了九龙小学、西关小学和腊山二中，街旁绿地选择了鲁布革大道、腊山街和文笔路。每个样地设置3 个样方，样方大小为20 m×20 m，共设置45 个样方。在样方四角和中心区域设置5 个5 m×5 m 的灌木层样方，记录样方内高度≥1.5 m 植物的名称、冠幅、树高、胸径、枝下高等。

2.2 生态系统功能测定方法

三维绿量是生物生产力的基础，影响植物的生态环境效益，能准确反映群落构成的合理性和城市绿地的生态功能水平[14]；降温和增湿作为体现人体舒适度感应和城市小气候改善的重要指标，对建设生态城市具有重要意义[15]；植物降噪在城市噪音污染日趋严重的今天，有着巨大的实用和现实意义[16]；美景度评价是景观评价中的一个指标，反映群落景观的美观程度。

三维绿量采用“以平面量模拟立体量”的方法进行测定，参照刘常富等[17]对沈阳城市森林三维绿量测算的方法，用径-高模式计算相应树种的三维绿量。此测量方法测量三维绿量精确度较高，平均误差仅为6.25%[18]。降噪以扩音音响最大音量103 dB 为固定声源，以群落边缘的声源为起点向群落内拉皮尺至15 m 处，用UT353 迷你噪音仪（优利德，中国）进行测量，每个样方重复3 次，取其平均值[16]。降温增湿同样采用空白对照法，每个样地中选择1 块开阔无植被区域作为对照点，采用温湿度计观测样方内的温湿度值，选择晴朗高温、无风或弱风的日期为观测日，控制气象因素的干扰，观测时间从09：00—17：00，每隔2 h 观测1 次，每个观测点取3 次测值的平均值为测定值[19-20]。美景度采用美景度评价法（SBE）分析测定[21]。

2.3 生态系统多功能性指数分析方法

本研究采用Gleason 指数（G）、Simpson 指数（D）、Shannon-Wiener 指数（H）和Pielou指数（J）来共同表征城市绿地的树种多样性；在表达城市绿地的树种多样性的平均水平时，采用综合指数（K）来表征。

由于对生态系统多功能性的研究方法尚无一个统一标准，而各方法之间又各有优缺点，因此本研究使用了较为直观的平均值法来进行评价。平均值法是将选定功能的测定值进行标准化，计算样方中指标的标准值（Z分值），得到一个能够代表所有测量功能的平均指数，通常称为“多功能性指数”，多功能性指数（Mi）的计算公式为[22]：

式中：F表示总共测定的功能数；fi表示功能i测定出来的值；ri是将fi转化为正值的函数；g是将所有测定值标准化。

2.4 数据分析

利用SPSS 20.0 对数据进行单样本K-S 检验，确定参数是否符合正态分布。对所有指标进行Spearman 相关性分析，分别对生态系统单一功能和生态系统多功能性与树种多样性指数进行线性回归分析。

3 结果与分析

3.1 城市绿地树种多样性分析

计算全部样地的树种多样性指数，按照划分的不同绿地类型进行群落树种多样性的比较分析，结果见表1。

表1 不同绿地类型树种多样性指数比较Table 1 Comparison of tree species diversity indexes of different green space types

由表1 可知，5 种不同绿地类型中，公园绿地的Gleason 指数、Simpson 指数、Shannon-Wiener指数和Pielou 指数都是最高的，而校园绿地则是最低的。按照Gleason 指数（G）从高到低的排序为：公园绿地＞街旁绿地＞居住区绿地＞单位绿地＞校园绿地。按照Simpson 指数（D）比较：公园绿地＞单位绿地＞街旁绿地＞居住区绿地＞校园绿地；按照Shannon-Wiener 指数（H）比较：公园绿地＞街旁绿地＞单位绿地＞居住区绿地＞校园绿地；按照Pielou 指数（J）比较：公园绿地＞单位绿地＞街旁绿地＞居住区绿地＞校园绿地；根据多样性综合指数（K）可以得出：公园绿地（1.76）＞街旁绿地（1.68）＞居住区绿地（1.64）＞单位绿地（1.59）＞校园绿地（1.33）。公园作为城市居民日常锻炼休闲的主要场所，环境优良，群落内植物种类繁多，以乔灌草多层次搭配。街旁绿地的树种多样性也表现较好，能够最为直观地影响城市绿地的景观特点和城市面貌。居住区绿地和单位绿地这2 类绿地由于人类活动频繁，硬化设施相对较多，可供绿地面积少，因此树种多样性指数低于公园绿地与街旁绿地。校园绿地树种多样性为表现最差的绿地，忽视了学生群体的需求。

3.2 城市绿地单一生态系统功能分析

不同绿地类型生态功能评价见表2。由表2可知，绿量从高到低依次为：街旁＞公园＞单位＞居住区＞校园；降温效应从高到低依次为：居住区＞公园＞街旁＞单位＞校园；增湿效应从高到低的排序为：居住区＞公园＞单位＞街旁＞校园；降温和增湿这2 个生态功能均在居住区绿地表现为最高，公园绿地次之，而校园绿地则表现最差。降噪效益从高到低依次为：单位＞公园＞居住区＞街旁＞校园；美景度评价的排序为：街旁＞校园＞居住区＞单位＞公园。

表2 不同绿地类型生态功能Table 2 Ecological functions of different green space types

3.3 城市绿地各调查因子相关性分析

通过对全部样方调查指标进行汇总整理，结果见表3。由表3 可知，P均＞0.05，说明数据均属于正态分布。根据相关性分析方法进一步探讨树种多样性对生态系统功能的影响，城市绿地树种多样性与生态系统功能的双变量相关性分析结果见表4。

表3 罗平各样地调查指标描述性统计Table 3 Descriptive statistics of survey indicators for various plots in Luoping

表4 城市绿地各调查因子相关矩阵分析Table 4 Correlation matrix analysis of various survey factors of urban green space

由绿地结构的相关分析可知（表4），胸径与物种丰富度指数（G）和Simpson 指数（D）存在显著负相关关系，与绿量呈极显著负相关关系；树高与胸径存在极显著正相关关系；冠幅与树种丰富度指数（G）、Simpson 指数（D）、Shannon-Wiener 指数（H）和降噪存在显著正相关关系，与增湿存在极显著正相关关系。由此可知绿地结构的其他因子与树种多样性的关系非常密切，在一定程度上影响着生态系统功能的发挥。

由树种多样性与生态系统功能的相关分析可知（表4），物种丰富度指数（G）与绿量、降温、增湿均存在极显著正相关关系，与降噪和美景度无显著相关关系；Simpson 指数（D）与绿量和降噪存在极显著正相关关系，与降温和增湿存在显著正相关关系，与美景度无显著相关关系；Shannon-Wiener 指数（H）与绿量、降温、增湿、降噪均存在极显著正相关关系，与美景度无显著相关关系；物种均匀度指数（J）与绿量和降噪呈极显著正相关，与降温、增湿和美景度无显著相关关系。由此可知树种多样性对部分单一生态系统功能是有一定影响的，在城市绿地建设中注重植物的多样性搭配，能够让群落有效发挥其生态服务功能。

由于美景度与所有树种多样性指数都没有显著的相关关系，因此不再把美景度计入生态系统多功能性指标中进行计算。

3.4 树种多样性指数与生态系统单一功能的关系

树种多样性指数与生态系统功能的线性回归分析结果见图1。城市绿地树种丰富度指数（G）与绿量和增湿有极显著的正相关关系（P＜0.01），其解释量分别为45.9%和36%；与降温存在极显著正相关关系（P＜0.01），其解释量为26.1%；与降噪无明显相关关系。Simpson 指数（D）与绿量有极显著的正相关关系（P＜0.01），其解释量为35.2%，与增湿和降噪存在极显著的正相关关系（P＜0.01），其解释量分别为30.8%和30.6%；与降温存在显著正向的相关关系（P＜0.05），解释量为12.2%。Shannon-Wiener 指数（H）与三维绿量和增湿效应也呈极显著正相关（P＜0.01）；与降温和降噪有着极显著的正相关关系（P＜0.01），解释量分别为21.2%和23.6%。均匀度指数（J）与三维绿量和降噪都呈现极显著的正相关关系（P＜0.01），解释量分别为28%和30.7%；与增湿存在显著正相关关系（P＜0.05），解释量为18.9%；而降温效应与树种均匀度指数无显著的相关关系。

3.5 树种多样性与生态系统多功能性的关系

本研究共选取了绿量、降温、增湿和降噪4 种生态系统功能共同表征生态系统多功能性，树种多样性与生态系统多功能性的线性回归结果见图2。城市绿地生态系统多功能性指数与物种丰富度指数、Simpson 指数、Shannon-Wiener 指数和均匀度指数间都呈极显著的正相关关系（P＜0.01），随着树种多样性的增加，生态系统多功能性也极显著增加，其解释量分别为61%、57.6%、69.4%、45%。可以看出对生态系统多功能性响应变化最高的是Shannon-Wiener 指数，往后依次为树种丰富度指数、Simpson 指数和树种均匀度指数。与单一生态系统功能相比，树种多样性对多功能性的解释量更大，影响程度更高。

图1 树种多样性与不同生态系统功能的关系Fig. 1 Relationship between tree species diversity and different ecosystem functions

图2 树种多样性与生态系统多功能间的关系Fig. 2 Relationship between tree species diversity and multi-functionality of ecosystem

4 结论与讨论

对罗平县城市绿地树种多样性与生态系统功能研究发现，树种多样性综合指数（K）依次为公园绿地（1.76）＞街旁绿地（1.68）＞居住区绿地（1.64）＞单位绿地（1.59）＞校园绿地（1.33），各类绿地的树种多样性指数差异不显著。从三维绿量、降温、增湿、降噪和美景度来看，各类绿地所发挥的最显著生态系统功能不同，这与不同绿地类型代表性植物不一样是一致的。

在对城市绿地各调查因子的相关矩阵分析中发现，随着胸径的增加，树种丰富度指数、Simpson 指数和Shannon-Wiener 指数显著下降，可能是因为胸径的增加使样地内的物种数逐渐减少，优势种的显著性逐渐明显，这与丁涛等[23]的研究结果相吻合。随着冠幅的增加，树种丰富度指数、Simpson 指数和Shannon-Wiener 指数显著上升，从而也对增湿和降噪产生了一定的影响。由此表明部分绿地结构因子通过对树种多样性的影响从而影响某些生态系统功能，但影响程度不如树种多样性的影响程度显著，因此树种多样性通过绿地结构因子影响生态系统功能的实际情况还待进一步研究。

在探究城市绿地树种多样性与生态系统单一功能的关系中发现，树种丰富度指数对绿量、增湿、降温存在积极的正向影响，对降噪影响不显著；Simpson 指数和Shannon-Wiener 指数对绿量、降温、增湿和降噪均存在显著的正相关关系；均匀度指数（J）对三维绿量、降噪和增湿都有显著的积极影响，对降温的生态系统功能解释力较弱。树种丰富度指数、Simpson 指数和Shannon-Wiener 指数都对三维绿量的影响最大，而树种均匀度对降噪的影响最大，这很可能说明树种多样性是通过三维绿量来影响生态系统功能的。

本研究首次探究了城市绿地生态系统中树种多样性与生态系统多功能性的关系，发现物种丰富度指数、Simpson 指数、Shannon-Wiener 指数和物种均匀度指数与生态系统多功能性存在极显著的正相关关系（P＜0.01），其中 Shannon-Wiener指数的解释量最高，为69.4%。在熊定鹏等[24]、张文馨等[25]、黄小波等[26]和刘阳等[27]对物种多样性与生态系统多功能性关系的研究中，也表明物种多样性与生态系统多功能性存在显著相关关系，但解释量最高的为物种丰富度指数，其原因可能是选择的生态系统和表征生态系统多功能性的因子不同造成的差异。除此以外，在本研究中树种多样性对多功能性的解释量也要高于对单一功能的解释量，印证了只孤立地考虑单一生态系统功能往往可能会低估了树种多样性的价值贡献[8,28]。表明了在城市绿地生态系统中要同时维持多种功能需要更多的物种数和数量来支撑，越高的树种多样性可以发挥更好的多功能性。而物种均匀度对生态系统多功能性的影响相对较小，表明群落植被均匀度的影响不是主要的。

本研究表明，在城市绿地生态系统中，越高的树种多样性越能够维持高水平的生态系统多功能性，强调了树种多样性对生态系统多功能性的重要意义。对生物多样性的可持续保护不能只考虑单一的生态系统功能，而应该把握好生态系统多功能性与树种多样性的关系格局。前人研究表明了在生态系统保护的趋势上，树种多样性是一个不可或缺的评估指标。本研究仅用了平均值法测度生态系统多功能指数来对城市绿地树种多样性与生态系统多功能性的关系进行探讨，以后还应用不同的生态系统多功能测度方法来探究它们之间的关系。