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綠道生態價值研究進展及展望

2018-01-31 08:46:01妤,董
關鍵詞:物種景觀植物

蔡 妤,董 麗

北京林業大學 園林學院,國家花卉工程技術研究中心,城鄉生態環境北京實驗室,北京 100083

綠道(Green way)是沿著諸如河濱、溪谷、山脊線等自然走廊,或沿著廢棄鐵路線、溝渠、風景道路等人工走廊所建立的線型開敞空間,包括所有可供行人和騎車者進入的自然景觀線路和人工景觀線路[1]。綠道中的綠(Green)指被植被所圍繞;道(Way)指線性的通道,即人為開發的線性自然生態走廊。

不同背景綠道的使用功能存在差異,在歐洲人類使用的土地面積較大,綠道經常分布在城市、郊區、農村,很少建立在純自然環境中[2],綠道主要發揮景觀和游憩功能;在北美洲綠道主要承擔的是生態環境功能,綠道多分布在森林、山地、草原,或者被整合在河流和運河中,使用者的密度較低[3]。由此可見綠道是多功能復合載體,不僅具有景觀觀賞、休閑游憩、歷史文化保護、經濟發展、社會文化等功能,還承載著潛在的生態價值[4]。植物群體是綠道發揮生態價值的重要媒介,綠道與生態廊道的明顯區別為綠道所包含的植物并不是必須由自然植物群體組成[5],綠道中的植物多為人工栽培群體。

綠道的生態學意義體現在綠道可以通過合理的綠化種植調節城市微氣候,保護水、土壤等生物資源;形成內部獨立生境,構筑生物棲息地,與現有生境斑塊建立生境鏈、生境網,提供不同綠地間能量流和物質流的交換通道;減輕城市景觀破碎化程度,防止生境退化,進而保護生物多樣性。在城市內部綠地面積逐年減少,景觀破碎化日益嚴重的今天,綠道的生態價值也逐漸受到關注,目前國內外針對綠道的生態價值研究主要集中在改善微氣候、促進物種運動和保護生物多樣性三個方面。

1 改善微氣候

為綠色植物所覆蓋是綠道的主要特點之一,植物是生態效益的“生產者”,豐富的植物群體給綠地帶來了顯著的環境效能和生態效應。近些年,生態效益的研究對象主要集中在居住區綠地、公園綠地等斑塊式城市綠地,研究內容多為針對單種植物的多種指標或大尺度的單一指標計量研究[6]。綠道是城市綠地的重要組成部分,綠道內部的植物群體可能對改善城市空氣質量和氣象條件具有明顯作用[7],但針對綠道、生態廊道、帶狀綠地等廊道式綠地的生態效益相關研究較少,目前國內外綠道的環境效益研究主要集中在滯塵、雨洪管理、固碳釋氧、降溫增濕、凈化空氣等方面。

1.1 滯塵效益

植物是城市顆粒污染的重要過濾體,其自我凈化能力(滯塵能力)已經被國內外許多學者所證實[8,9]。綠道的植物群體可以吸附空氣中的粉塵[10],從而達到減塵作用,綠道內部的PM10平均濃度甚至可低于道路邊2~3倍[7]。國內雖然尚無對綠道滯塵效益的計量測定,但已有學者針對綠道的滯塵效益提出規劃策略,如郝麗君等從分區建設、建設要素、配置綠化植被和注入地域文化四個方面提出社區綠道降低PM2.5的規劃策略,認為應采用控制污染源、防止擴散、縮小污染范圍及有效吸附和收集等控制措施綜合考慮綠道建設[11]。

1.2 雨洪控制

建筑密度和硬質化鋪裝比例的逐年增長,原有的自然徑流和雨水匯集逐步被地表徑流和雨水管道輸運所替代,造成了城市內澇、地下水位下降、徑流污染等多種問題[12]。城市中的綠地是改善和恢復水循環系統的有效途徑,綠道在一定程度上可緩解減輕洪水管理的困難。王思思等[13]對中國城市綠道的雨洪管理的方法進行研究并應用在道路綠地示范項目中,綠道的雨洪控制利用系統對年徑流總量和年均污染物總量(TSS)的削減率分別不低于30%和40%。Lena等[14]研究發現河流兩側綠化帶可以凈化河流水質,10 m的草地可以減少95%吸附在沉積物上運動的磷元素,河畔林地及濕地系統可以通過反硝化作用去除水體中近100%的游離氮元素。綠道(尤其是濱水綠道)可以起到雨洪管理和水系保護的雙重效果。

1.3 固碳釋氧

固碳釋氧效益的研究方法多采用數學計算、計算機模擬進行定量評價。以數學計算為主的模型建立方法有評分疊加法、聚類分析法、模糊數學法等,適用于小尺度綠地效益評估;其中計算機模擬的主要方法是采用GIS等遙感手段進行城市模擬,利用CITY green模型進行生態效益評估,進而對生態效益進行經濟量化[6],適用于大尺度綠地效益評估。一般而言,綠道多基于城市尺度進行規劃,因此計算機模擬技術在綠道固碳釋氧效益研究中得以有效應用,如徐容容等[15]采取GIS技術,運用CITY green模型對綠道生態效益進行評估,表明綠道對城市區域環境下的固碳釋氧效益貢獻顯著。由于綠道的尺度較大,難以對綠道生態效益因子進行微尺度計量測定,數字化模擬技術填補了這一空缺,目前遙感技術(3S)、CITY green模型等廣泛應用于城市尺度綠道環境效益評估中[16]。

1.4 減緩熱島效應

綠道作為城市的綠色廊道,不僅可以將城市郊區和外緣的自然氣流引入城市內環境,為夏季的城市熱氣流交換創造良好條件,同時綠地本身的自然植被在一定程度上可以降溫增濕,減緩城市的熱島效應。相較圓形、矩形、環狀等斑塊綠地,綠道作為帶狀綠地具有較強的減弱熱島效應的能力[17]。已有研究結果表明,綠道內部的平均氣溫顯著低于路邊對照組[7]。同時綠道寬度是影響降溫增濕效益的關鍵因素,朱春陽等[18]對不同綠地寬度的降溫增濕效益進行測定對比,認為城市帶狀綠地可以明顯發揮溫室效益的關鍵寬度為34 m左右。

1.5 凈化空氣

綠道的植被可以提高負離子濃度和植物殺菌素,起到凈化空氣和衛生保健的作用。Yoon等[7]的研究表明綠道內部的污染物CO、CO2、SO2、NOX等的平均濃度都比路邊對照組小,且綠道內部的植物殺菌素和負離子濃度顯著高于路邊對照組。植物釋放的非甲烷碳氫化合物(NMHC)對區域碳循環、城區氮氧化物、臭氧、顆粒物污染以及溫室效應等都有著重要的積極作用,徐振強等[19]通過研究植物釋放NMHC與大氣環境之間的反饋機理,對城市綠道的建設提出科學化建議。綠道的寬度不同,凈化空氣效益也存在差異。綠道寬度為6~27 m時,綠地內部的負離子濃度效應不明顯,綠地內部含菌量高于對照組,抑菌作用不明顯;綠道寬度超過34 m時,綠地內部的負離子濃度效應明顯,綠地的抑菌作用明顯且趨于恒定;綠道寬度為80 m時,綠地內部的負離子濃度效應顯著[20]。

2 促進物種運動

景觀破碎化被認為是全球生物多樣性的嚴重威脅,近幾年來,景觀改變和生境破碎化也成為了保護生物學研究的主要內容[21]。綠道作為“廊道”的重要組成部分,連接孤立生境斑塊,緩解景觀破碎化,為生物保護(植物和野生動物)作出了重要貢獻。綠道通過促進斑塊間的物種擴散,維持種群的增長,對保持和提高物種數量和多樣性具有積極作用,在更大尺度上增強了種群的生存能力[22],綠道可以作為物種遷徙的臨時棲息地已經被許多學者證實[23]。不同空間層級下綠道可供遷徙的目標物種也存在差異,區域級廊道寬度大于1200 m,目標物種為大型哺乳類動物;次區域級廊道為200~1200 m,目標物種為中小型哺乳動物;城市級廊道為60~200 m,目標物種為本土小型哺乳動物、鳥類;城市分區級廊道為30~60 m,目標物種為草本植物群落[24]。目前國外在綠道的促進物種運動功能方面研究較多,尤其在促進動物遷徙運動方面,已經取得了一定的成果,但國內在物種運動方面的研究尚處于起步階段。

2.1 促進動物遷徙運動

盡管還沒有證據顯示城市綠道具有對植物和無脊椎動物進行擴散與遷移的作用,但已有研究表明有大量的中小型哺乳類動物通過綠道進行擴散與遷移[16]。鳥類利用綠道作為棲息地走廊進行遷徙也已經被學者證實[25],部分鳥類還利用綠道中作為遷徙中途停留的臨時棲息地,Kohut[26]發現在春季和秋季遷移時在綠道中的鳥類數量顯著增多,且林緣種類最為豐富。因此建設生境多樣的綠道在很大程度上可以提高城市棲息地之間的連通性[27]。

綠道寬度是影響綠道遷徙目標物種的重要因子。滕明君等[28]認為小于30 m的廊道,可以降低無脊椎類動物的捕食幾率,起到保護遷徙的作用,適合兩棲類和爬行類動物的遷徙通道寬度一般為15~60 m,30~400 m寬的廊道可以明顯增加鳥類豐富度,小型哺乳動物的遷徙通道適合寬度為12~200 m,而大型哺乳動物的寬度宜為200~600 m。

綠道在保護和促進動物遷徙方面的貢獻已經成為評估綠道規劃選線是否合理的關鍵因素。近幾年來,在綠道的前期選線中,綠道的動物遷徙功能已經成為景觀設計師考慮的重點。以往在物種保護管理項目中多采用最小累積阻力模型(Minimum Cumulative Resistance,MCR)設計動物遷徙廊道,把動物穿過不同景觀界面所耗費的成本量化為阻力,最后選取源之間阻力累積值最小的路徑[29]。目前最小累積阻力模型在國內外綠道的規劃設計和實踐中得到了有效應用[30,31]。

2.2 促進植物擴散運動

綠道對促進草本植物的物種擴散運動具有顯著作用[24]。植物與動物不同,動物自身具有能動性,而絕大部分植物只能通過其他外部媒介來完成散布,植物擴散提高了植物散布體存活的可能性,減少本地競爭,對植物種群的延續具有重要意義。植物擴散包括種子離開母樹、到達適合萌發的地點和幼苗建成3個過程[32],種子擴散是植物擴散的關鍵階段和唯一機會,種子擴散(Seed dispersal)的傳統定義為種子離開母樹的運動[33],種子擴散對于促進基因流動和植物種群基因結構更新具有重要貢獻。

種子的形態和結構的不同預示著擴散方式存在差異,例如營養豐富的果實通過吸引脊椎或無脊椎動物進行擴散,包括萵苣(Lactucasativa)、蒼耳(Xanthiumsibiricum)、打碗花(Calystegiahederacea)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、胡枝子(Lespedezabicolor)、老鸛草(Geraniumwilfordii)、鼠李(Rhamnus davurica)等;具翅和羽等特征的種子依賴風力進行傳播,包括飛蓬(Erigeronacer)、草地風毛菊(Saussurea amara)、野艾蒿(Artemisialavandulaefolia)、小花碎米薺(Cardamineparviflora)、獨行菜(Lepidiumapetalum)、繁縷(Stellariamedia)、夏枯草(Prunellavulgaris)等。

綠道寬度不同,植物擴散目標種也表現一定的差異性。寬度為12~60 m的綠道,可以滿足草本植物的擴散,寬度為30~200 m的綠道,可以滿足喬木種子的擴散傳播[28]。綠道不同于斑塊綠地,受寬度限制呈線性分布,擁有極高的邊緣/中心比率(Ratio of edge to interior),周邊環境對綠道內部生境干擾強烈。同時綠道承載著休閑游憩功能,受人為活動的影響較大,人為活動不僅會對種子產生攜帶行為,而且還會影響植物群體中鳥類[34]、昆蟲類等動物的采食等活動,進而影響植物擴散。劉炳亮[35]對人工廊道中具有不同擴散模式的植物多樣性分析結果表明,具有強烈干擾的人工廊道對風擴散群體和動物擴散群體產生了不同的干擾效應,動物擴散物種呈現明顯消極響應,風擴散物種表現了積極適應性,認為人工廊道可能對于植物的運動生態學產生影響,進而改變群落構成。

綠道的植物擴散運動的影響因子較多,甚至可以產生“滲透干擾效應”[35],因此國內外鮮有綠道對植物擴散促進作用的積極效應研究,學者的注意力多集中在綠道、廊道等帶狀綠地可以加速外來物種的快速入侵方面[36]。例如周青青[37]對不同寬度廊道的入侵物種進行分析,表明飛機草(Eupatorium odoratum)和假臭草(Praxelis clematidea)更容易入侵寬度6 m的廊道,馬櫻丹(Lantana camara)更容易入侵寬度2 m的廊道,且飛機草、馬櫻丹、假臭草都較容易入侵密度較大的廊道。

3 保護生物多樣性

綠道對于城市中的生物多樣性保護具有重要意義[38]。合理的設計,綠道可以為新熱帶區的候鳥、食蟲動物、和森林內部鳥類提供棲息地[39],景觀結構的完整性能夠在一定程度上減小甚至抵消因景觀破碎化對物種多樣性帶來的影響,尤其對提高野生生物多樣性方面具有重要貢獻[40]。隨著研究的深入,人們發現綠道的寬度、綠道的植被覆蓋程度以及臨近區域的土地利用狀況、人行道的數量等,均直接影響著綠道內部種群數量和分布情況。

3.1 景觀空間格局對生物多樣性的影響

景觀空間格局(Landscape Spatial Pattern)是大小和形狀各異的景觀要素在空間上的排列和組合,也是空間異質性的體現[41]。綠道作為城市景觀結構要素(基質-斑塊-廊道)中廊道的關鍵類型,是城市綠色網絡的重要組成部分。當景觀格局的完整性增加時,城市野生動植物棲息地得以加強,野生動植物生存空間與機會也將增加[42]。Serif等[43]以四種哺乳動物為指示性物種對土耳其的生態廊道進行長期研究,結果顯示物種多樣性核心區域(Key biodiversity areas)通過廊道進行連接之后,確實可以保護和維持區域內最小可生存種群(Minimum viable population)的繁衍。同時生境斑塊之間的連通性和景觀格局的完整性,可以減少人類對野生動物的分布、種群過程和交流的影響[44]。

構建連續性的生態空間網絡是保護生物多樣性的重要策略,基于網絡分析法的生物保護網絡結構設計包括土地覆蓋/利用評估、野生動物評估、生境評估、連接度分析、網絡生成、網絡分析及優化等步驟[28]。歐洲于2000年成立歐洲生態網組織,將景觀空間格局列入綠道規劃體系內,其宗旨就是保護景觀網絡的連通性,保護、增強和恢復關鍵生態系統及生境物種,綠道規劃中也多采用斑塊分析、廊道結構分析和網絡結構來分析比較生態網絡規劃方案的優劣[45]。國內在綠道景觀功能格局方面的研究雖然起步較晚,但發展速度較快,定性和定量評估城市綠道的景觀空間格局、景觀生態功能等相關研究已經逐步展開[46],為城市的可持續發展提供有力保證。

3.2 綠道寬度對生物多樣性的影響

寬度對于綠道的功能發揮有重要制約作用,隨著綠道寬度減小,哺乳動物的數量將大大減少。在不足100 m寬的綠道中,城市鳥類和邊緣鳥類最為常見,相反的在小于50 m的綠道中,森林內部鳥類也不會出現。一些森林內部鳥類如綠紋霸鹟(Empidonax virescens),長嘴啄木鳥(Picoides villosus)、棕林鶇(Hylocichla mustelina)等,只在超過100 m的綠道中出現,地面筑巢鳥如黑白森鶯(Mniotilta varia),白眉灶鶯(Parkesia motacilla)和橙頂灶鶯(Seiurus aurocapilla)等,只在超過300 m的綠道中出現[39]。Budd[47]的濕地變遷研究表明,河岸植被的最小寬度為27.4 m時才能滿足野生動物對生境的需求。Juan等[48]分析樹籬廊道和物種多樣性關系,結果顯示當寬度大于12 m時,植物多樣性平均為狹窄樹籬的兩倍以上。

一般將寬度達到12 m的線性綠地看作帶狀綠地,是草本植物保護和鳥類棲息的最小寬度;對于寬度在12~30.15 m的綠道而言,生物多樣性仍然較低;綠道寬度達到61~91.15 m時,生物多樣性較高且具有較多內部物種[49]。因此從理論上來看,綠道的寬度越大,綠道的寬度效應表現越好,進而與種源棲息地相連接形成生態網絡體系。

3.3 綠道植被對生物多樣性的影響

綠道植被的密度、群落結構、群落郁閉度、物種豐富度等對鳥類種群數量和分布具有明顯影響。鳥類的數量隨著樹木的密度變化而變化,在綠化好的綠道中鳥的種群密度將增加,并且綠道所采用的綠化布置形式及周圍建筑密度等,也會直接影響到小型哺乳動物及鳥類生存[50-51]。在棲息地中,植物的蓋度越大鳥類群落的密度和多樣性也越大[52]。灌木層與草本層的豐富度越高,城市內鳥類的多樣性和豐富度也越高,棲息地中喬木的樹齡、喬木平均株高及灌木密度等均會對鳥類豐富度產生積極影響[53]。草本層的種植對于蝴蝶、蜜蜂等昆蟲類的多樣性保護具有重要作用,Christine[54]對綠道和道路花帶中的指示物種蝴蝶和大黃蜂的種類多樣性進行了比較,發現綠道并沒有明顯發揮促進昆蟲類生物多樣性的作用,認為在綠道的邊緣地帶中應重視野花組合的應用。

此外,Schiller等[55]通過對指示哺乳動物種類(鹿、狐貍等)綠道中存在數量的調查,發現有更多的森林覆蓋、更寬的廊道、更多的自然棲息地和更好的森林連通性的綠道可以顯著提高野生動物的保護程度。Kang等[56]表明保護綠道周邊的原始棲息地生境,對快速提升綠道的生物多樣性具有積極意義。因此保持綠道邊緣結構的多樣性、曲折度的適宜性、寬度和形狀的合理性以及邊緣效應可以對過濾外部有害因素和發揮綠道生態功能起到重要作用[57]。

4 綠道生態價值研究展望

從發展歷程上來看,國外的綠道從宏觀的戰略規劃到微觀的具體設計體系均較為完善,且規劃尺度涉及地方、區域到國家,甚至洲際尺度,景觀空間格局完整。而我國從20世紀90年代才開始陸續在廣州、深圳、上海、北京等一線城市進行大規模的綠道建設,并逐步向中小城市延伸,綠道規劃尺度多集中在社區尺度、區級尺度和市級尺度,涵蓋尺度相對較小。從空間結構上看,我國綠道建設旨在溝通和連接空間分布上較為孤立和分散的生態景觀單元,且由于用地性質等原因,局部地段沒有足夠的空間滿足植被種植,采用寬度不足20 m的聯絡型綠道代替,綠化層次單一,甚至部分聯絡型綠道出現了僅有單層喬木種植或地被種植的情況,在一定程度上限制了整個綠道網絡生態價值的發揮。綜合來看,國內綠道的功能更側重于景觀美化、休閑游憩、文化保護等方面,對綠道的生態價值功能的關注和研究相對較少。

綠地的環境效益是普遍化現象,各種形式的綠地均能發揮一定的環境效益,但是綠道作為一種線性綠地,其生態效益應具有一定的局限性和優越性。局限性在于綠道的寬度、周邊環境等,不同寬度下的綠道降溫增濕、凈化空氣能力有明顯區別。優越性在于綠道的連通性、分布位置等,綠道可以作為城市風廊,連接市中心和郊區,實現氣流交換,顯著緩解城市的熱島效應,綠道也可以作為風障,在工業區等特殊地段起到降風減塵的作用,明顯區別于其他類型綠地。從現有研究來看,對綠道的環境效益研究多為普遍化效益,鮮有對綠道自身特點所帶來的特殊環境效益研究。

國外在綠道的促進物種運動和保護生物多樣性方面的研究較為成熟,已經形成一定的體系,動物運動方面的研究多以鹿、狐貍、鳥類等指示物種作為研究對象,追蹤物種遷徙路徑,分析種群分布情況,植物運動方面多以植物擴散的影響因子為研究重點,如鳥類對植物擴散的促進作用以及人為干擾對植物傳播的影響[34]等。國內在物種遷徙和生物保護方面的研究相對薄弱,目前多采用鳥類作為研究對象,研究范圍主要集中在受干擾較少的自然保護區綠地[35]、公園綠地等生境良好的斑塊中,在生境復雜、干擾因素較多的綠道中的研究較少。盡管綠道對于促進物種運動、保護和維持生物多樣性具有重要意義,但是綠道仍存在著潛在的負面效益,國內外在一些爭議問題上的研究仍止步不前。綠道的建設將孤立的生境斑塊連接起來,在一定程度上可能會加速外來物種的快速入侵[36],同時物種在綠道中的運動促進了斑塊之間的基因流和物質流交換,也可能導致景觀的均質。也有學者認為綠道加速了一些疾病的蔓延,以及外來捕食者和其他一些干擾的擴散,從而對目標種的生存或散布不利[58]。因此在研究綠道效益時,應從客觀角度采用辨證思維對綠道的生態價值進行分析和驗證。我國的綠道規劃時間短,建設成效快,對綠道的實際生態效益評估是目前亟待解決的關鍵問題之一,完整而嚴謹的效益觀測不僅可以作為綠道規劃的數據支撐,同時也可以為后續綠道建設的推進提供理論基礎。

隨著可持續發展、生態設計、低成本管理等理念提出,如何構建低成本的群落模式越來越受國內外學者的關注[59-60]。群落生態設計的核心是群落生態關系的模擬,主要包括生境與最適宜的生物物種、個體生態量與群落生態效應、群落食物鏈設計、植物的種間關系與相生相克四個主要關系體系[61]。合理的植物群落空間比例分配,不僅可以為綠量計算提供科學合理的依據,還能對綠道生態價值的發揮提供綠化基礎[62,63]。因此,有效針對綠道的生態群落模式研究也是未來綠道生態價值研究的重點,對今后綠道建設和生態型綠道在我國的理論創新和實踐具有重要的生態學意義。

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