福州市不同類型綠地植被多樣性與生態效益關聯研究

申超,常紅雨,林思平,方志偉*

1.福建農林大學林學院,福建福州350002

2.福建農林大學園林學院,福建福州350002

隨著城鎮化進程不斷推進，城市的生態環境面臨各種威脅，干熱島效應日益明顯，城市綠地作為城市自然生產力的主體[1]，其生態效益的提高已經成為城市綠地建設的首要目標。生態效益是指自然界生態系統影響所及范圍內，對人類的生產、生活條件和環境系統所產生的有益或有利的結果2]。1949年前蘇聯學者相繼提出一系列對涵養水源、改善氣候等生態效益的評價方法，隨后生態效益的研究由最初的森林生態系統向其他生態系統擴展[3,4]。

城市綠地生態效益的研究大多集中在降溫、增濕、固氮放氧、降噪、抗污染、生態保健、生物多樣性保護等方面[4]。有研究證實城市綠地生態效益與綠地植被類型有一定的關系，1971年Fedeer發現城市綠地植被的光合作用和蒸騰作用能有效降低周圍溫度[5]；李輝、朱春陽等[6,7]通過研究北京[市綠地結構類型和降溫效益的關系，證明草坪的增濕效益低于喬灌、喬灌草等綠地；Hashua-Bar等[8]對居民區的空氣濕度進行研究，結果表明增加植被覆蓋度可以提高空氣濕度；吳云霄等[9]通過研究重慶市消光度與綠地植被結構的關系，證實了隨著結構復雜度的增加，消光量也呈現增加的趨勢；張茜[10]通過對福州市南江濱公園不同樣地降溫、增濕、擋風、遮光效益的研究，對公園綠地的建設提出建議。

目前對城市綠地生態效益的研究主要涉及各種類型的公園，關于生態效益與綠地植被多樣性具體關系的研究甚少，且尚無對不同類型綠地生態效益的對比分析研究。筆者基于現有研究狀況和不同類型綠地現狀，分別分析其綠地植被物種多樣性、降溫效益、增濕效益、遮光效益和擋風效益。運用定性分析和相關性分析等方法，探究福州市不同類型綠地的生態效益大小及其與綠地植被物種多樣性的關聯性，指出現階段不同類型綠地之間的差距，以期在城市綠地規劃設計、維持綠地生態系統穩定和實現城市可持續發展等方面提供理論參考和依據。

1 調查區域

福州市位于福建省東部沿海閩江下游，資源豐富，氣溫適宜，雨量充沛，夏長冬短，年平均日照數為1700～1980 h，年降水量為900～2100 mm，年平均氣溫為16～20℃；年相對濕度約77%[11]。福州是國內外經濟文化交流的重要樞紐城市，從生態市創建開始便不斷加大生態文明建設，對生態環境質量的要求明顯提高。研究表明從2005～2015年，福州市綠化覆蓋率由36.02%增長到46.06%，經歷了綠量快速增長的過程[12]。

《城市綠地分類標準》[13]（CJI／T85-2002）將城市綠地分為五大類，分別為：G1公園綠地、G2生產綠地、G3防護綠地、G4附屬綠地以及G5其他綠地，其中公園綠地和附屬綠地與人居環境聯系最為緊密，故作為本文研究對象。所研究附屬綠地主要包括居住區、商業區、工業區、道路區四種。每類綠地選取的調查點（見表1）主要位于福州市內聚集人較多、分類典型且便于觀測的區域，調查內容包括綠地植被組成結構和生態效益基本觀測數據。

表1 不同類型綠地調查點概況Table 1 Survey points of different types of green land

2 調查方法

2.1 不同類型城市綠地植被組成結構特征調查

2.1.1 居住區、商業區、工業區和公園綠地調查本次調查采用樣方法[14]。在居住區、商業區、工業區和公園綠地這四類綠地中分別選取6個20×20 m的大樣方進行喬木層的調查，在大樣方的四角和中心位置設置4個5×5 m的樣方進行灌木層的調查，在灌木層的每個樣方內隨機設置多個1×1 m的小樣方進行草本層的調查。記錄每個樣方內的喬木層、灌木層、草本層植物的名稱、數量、生長狀況和樣方內主要的植被層次結構。

2.1.2 道路區調查本次調查采用樣帶法。在道路區選取6段長度200 m范圍內（寬度根據樣地的實際寬度來算）的樣方進行喬木層、灌木層、草本層的調查。記錄每個樣方內喬木層、灌木層、草本層植物的名稱、數量和生長狀況，并調查樣方內主要的植被層次結構。

2.2 不同類型城市綠地植被生態效益調查

本次調查采用儀器測量法。由于測量工作量大、時間長且數據收集有一定難度，本研究以降溫效益、增濕效益、遮光效益和擋風效益四方面為主，探究福州市五個不同類型城市綠地區域生態效益的綜合評價值。測量儀器主要有：干濕溫度計、光照度計和數字式電感測速測定儀。

具體調查內容：選擇晴朗的天氣，分別在五類綠地中統一選取方圓10 m周圍無建筑物遮擋的區域設置為試驗點，與此同時在綠地區域外選擇一處面積相同的調查點作為對照。每個調查區域統一選擇在距離地面1.2 m處設置觀測點，對光照強度、溫度、濕度和風速進行觀測，在觀測的同時要保證每個觀測點同時進行，每次測定時間限定在10～30 s內完成，重復3次并記錄。測量時間為春分、夏至、秋分、冬至前后3 d，每天早上8：00開始，傍晚18：00點結束，并做好相應的記錄。

3 數據處理

3.1 群落物種多樣性指數

本文采用Margalef指數（R）、Shannon-wiener指數（H）和Pielou指數（J）來反映福州市所選不同類型綠地植被群落的物種多樣性。具體公式如下：

Margalef指數（R）：

式中S表示物種數，N表示個體總數[15]

Shannon-wiener指數（H）：

式中Pi是第i種的比例多度，給定為Pi=Ni/N，N為個體總數，Ni為第i物種的個體數，i=1，2，3...，S。

Pielou指數（J）：

由于各生長型植被（喬木層、灌木層和草本層）在群落中所占的空間不同，對群落的結構、功能與穩定性等方面所起的作用也不同[17]，所以在計算群落總體多樣性時，利用各層物種對群落總體多樣性的貢獻率來判定。本文采用高潤梅等[18]的研究結果，依次賦予喬木層、灌木層、草本層的權重系數為0.5、0.3、0.2。

式中：S總為群落總體多樣性指數，H1、H2、H3為各層的植物多樣性指數，W1、W2、W3為各層的權重系數。

3.2 生態效益評價

生態效益的評價方法有多種，本文采用計算降低百分率的方法對降溫效益、增濕效益、遮光效益和擋風效益分別計算，具體公式如下：

綜合評價是依據隸屬度理論進行定量評價的模糊數學方法,即對影響生態效益的多個指標做出一個總體效益大小的評價[19]。計算公式如下：

式中：X為功能區的某一指標計算值，Xmax為五個功能區中某一指標計算值的最大值Xmin為最小值，Xi表示該指標的隸屬值。

4 結果分析

4.1 綠地植被結構特征分析

根據五類綠地植被數量結構特征的調查數據，利用（1～3）公式分別計算多樣性指數。

4.1.1 不同類型綠地喬木層多樣性指數比較從喬木層分析（如表2），公園綠地的Margalef指數（R）最高是公園綠地為3.3，其次是居民區、商業區、工業區，最低的是道路區為0；Shannon-wiener指數（H）最高的是公園綠地為1.3，其次是居民區、商業區、工業區，最低的是道路區為0；Pielou指數（J）最高的是居民區為0.48，其次是公園綠地、商業區、工業區，最低的是道路區為0。

表2 不同類型綠地喬木層物種多樣性指數比較Table 2 Comparison of species diversity index of tree layer in different types of green land

4.1.2 不同類型綠地灌木層多樣性指數比較從灌木層分析(如表)，Margalef指數（R）最高是公園綠地為3.23，其次是商業區、居民區、工業區，最低的是道路區為0.83；Shannon-wiener指數（H）最高的是公園綠地為1.42，其次是居民區、商業區、道路區，最低的是工業區為0.76；Pielou指數（J）最高的是道路區為0.65，其次是居民區、公園綠地、商業區，最低的是工業區為0.33。

表3 不同類型綠地灌木層物種多樣性指數比較Table 3 Comparison of species diversity index of shrub layer in different types of green land

4.1.3 不同類型綠地草本層多樣性指數比較從草本層分析（如表4），Margalef指數（R）最高是道路區為0.93，其次是公園綠地、居民區、工業區，最低的是商業區為0.32；Shannon-wiener指數（H）最高的是公園綠地為1.1，其次是道路區、居民區、工業區，最低的是商業區為0.68；Pielou指數（J）最高的是公園綠地為0.5，其次是商業區、道路區、工業區，最低的是居民區為0.44。

1.1 膠質瘤組織標本的來源 301例 WHO Ⅱ～Ⅳ級腦膠質瘤標本來自 CGGA 中登記的 2005年1月至 2012年12月接受手術切除的患者，其中男180例、女 121例。所有組織標本和患者隨訪信息的采集均經過北京天壇醫院倫理委員會審核批準。

表4 不同類型綠地草本層物種多樣性指數比較Table 4 Comparison of species diversity index of herb layer in different types of green land

綜上所述，福州市不同類型綠地植被群落多樣性指數在不同層次上存在較大的差異。Margalef指數（R）在灌木層和草本層的排序為：公園綠地＞商業區＞居住區＞工業區＞道路區，在喬木層的排序是公園綠地＞居住區＞商業區＞工業區＞道路區；Shannon-wiener指數（H）在喬木層的排序為：公園綠地＞商業區＞居住區＞工業區＞道路區，在灌木層的排序為：公園綠地＞商業區＞居住區＞道路區＞工業區，在草本層的排序為：公園綠地＞道路區＞工業區＞商業區＞居住區；Pielou指數（J）在喬木層的排序為：商業區＞公園綠地＞居住區＞工業區＞道路區，在灌木層的排序為：道路區＞商業區＞公園綠地＞居住區＞工業區，草本層的排序為：公園綠地＞居住區＞道路區＞工業區＞商業區。根據公式（4）計算五個類型綠地植被群落總體物種多樣性指數S總，可得到植被群落總體物種多樣性排序為公園綠地（1.3）＞商業區（1.18）＞居住區（1.04）＞工業區（0.86）＞道路區（0.57）。

4.2 功能區綠地植被生態效益分析

（1）根據儀器測定的數據計算五個類型綠地生態因子的年平均觀測值和年平均對照值。由公式（5～8）計算五個不同類型綠地的降溫效益、增濕效益、遮蔭效益和擋風效益。（表5）

表5 不同類型綠地生態效益值Table 5 Ecological benefits value of different types of green land

（2）采用隸屬函數值法（9），計算五個功能區生態效益的平均隸屬值，并根據得分高低進行排序（表6）。

表6 不同類型綠地生態效益平均隸屬函數值Table 6 Average membership function value of ecological benefit in different types of green land

綜上所述，從五個類型綠地生態效益值（表5）來看，公園綠地在降溫、增濕和遮蔭三個方面的生態效益遠遠大于其他幾個功能區，分別達到8.2%、9.3%、96%，在擋風效益上略小于商業區和居住區。商業區和居住區的生態效益值處于中間位置，而且兩者差距不大。道路區和工業區的生態效益值偏低，說明這兩個類型的綠地植被由于種類單一、結構簡單，沒有表現出較好的生態效益。

從五個類型綠地生態效益平均隸屬函數值（表6）可以得出生態效益的排序如下：公園綠地（0.98）＞商業區（0.57）＞居住區（0.49）＞工業區（0.31）＞道路區（0.03）。結合綠地植被結構特征調查數據，發現公園綠地植被數量較多，植被種類豐富，植被層次結構復雜，但道路區和工業區在這幾方面均有不足。

4.3 生態效益平均隸屬函數值（Xi）與群落總體多樣性指數（S總）相關性分析

根據公式（4）計算五個不同類型綠地植被群落總體多樣性指數S總，并利用Spss20.0軟件對綠地植被群落總體多樣性指數S總與生態效益平均隸屬函數值Xi做相關性分析（表7）。

表7 Xi與S總相關性分析Table 7 Correlation analysis between Xiand S總

由Xi與S總相關性分析可以得出，不同類型綠地的生態效益值與其植被群落物種多樣性呈顯著正相關，顯著度為0.01（P≤0.05）且相關系數為0.958。表明植被群落的物種多樣性越大，其改善綠地的生態效益也就越大，更加有利于改善整個區域的生態環境。

5 討論

在分析城市綠地植被群落總體多樣性與生態效益綜合評價相關性的研究結果時，發現在城市綠地植被規劃建設和綠地生態效益評價中，尚存在一些需要探究和研討的問題。

（1）生態效益的觀測指標不僅局限于文中測量的四種，還可通過降溫增濕、固碳放氧、滯塵降噪等多方面綜合評價城市綠地的生態效益[3]。在城市綠地生態效益研究中，通過層次分析法（AHP），建立城市綠地生態效益評價指標體系，構建城市綠地生態效益影響因子模型，對該類綠地的生態效益進行評價，可為城市綠地植被規劃建設和綠地生態效益評價提供理論依據；

（2）在不同類型的城市綠地植被多樣性的調查中，本文選取Margalef指數（R），Shannonwiener指數（H），Pielou指數（J）來分別反映植被物種的豐富度、多樣性和均勻度。三種指數相差很大，根據相關研究結果[20]表明，在常用的幾種物種多樣性指數的方法中，Shannon-wiener多樣性指數（H）對于測定城市植物群落多樣性較為合適有效。因此本文選取Shannon-wiener多樣性指數（H）作為不同類型綠地植被群落多樣性的標準，其他幾種多樣性指數是否更能反映不同類型綠地植被群落的多樣性仍需要進一步的論證；

（3）不同類型的城市綠地，其植被結構特征不同，達到的生態效益也存在較大差異。對比以往研究，本文從不同類型城市綠地的植被特征和生態效益觀測指標入手，探尋植被多樣性與生態效益的相關性，深入分析不同類型綠地的生態效益。由于本次調查條件有限，僅研究了公園綠地和部分主要附屬綠地，對其它綠地類型在植被多樣性調查與生態效益評價的相關問題還有待進一步論證。

6 結論與建議

6.1 結論

（1）福州市不同類型綠地植被群落的多樣性

研究結果顯示，公園綠地的多樣性指數均較大，其植被群落總體物種多樣性指數達到1.3，說明該區域綠地植被群落在豐富度、多樣性和均勻度三個方面都有很好的體現。結合實地考察，于山公園內有數量繁多和種類豐富的植物，其中以喬木居多，而且在配置上以多層次為主，雙層為輔，很少出現單層的植被群落。居住區和商業區的植被群落總體物種多樣性指數小于公園綠地，分別為1.04和1.18，說明這兩個區域在豐富度、多樣性和均勻度方面表現一般，結合實地考察，鼓樓居民區和東街口商業區主要以人類活動為主，可供綠地面積較少，且以喬木和灌木為主。工業區和道路區的植被群落總體物種多樣性指數比較低，只有0.86和0.57。結合實地考察，浦上工業區和五一中路植物數量和種類較少，而且層次以雙層和單層為主，其中五一中路的植物配置以灌草為主，缺少高大喬木的栽植。

（2）福州市不同類型綠地生態效益

研究結果顯示，公園綠地的生態效益最大，其值為0.98，是居住區和商業區的兩倍，工業區的三倍，遠遠大于道路區，說明該區域綠地植被對環境有很大的改善作用。植物群落的光合作用和蒸騰作用可以有效的改善區域的溫度和濕度。植物冠幅和群落層次可以有效的改善透過區域的光照和通過區域的風速。通過生態效益平均隸屬值和群落總體多樣性指數的相關性分析可得到，生態效益的大小與群落總體多樣性指數存在顯著正相關的關系，說明不同類型綠地植被物種多樣性是影響其生態效益的主要因素。通過測得的數據和人類宜居的環境條件發現，居住區和商業區的生態效益最適合人類活動，其溫度值、濕度值、光照條件和通風狀況均有利人類的身體健康。

6.2 建議

就福州市現狀而言，不同類型綠化植被的面積和物種搭配上仍需進一步改善。

（1）居住區作為居民主要的休憩空間，應該在有限的空間內，增加綠地植被的面積，改善居住區的小氣候，力求溫度、濕度和通風等條件達到適宜人類的標準。在植被種類的選擇上以落葉林為主，夏季可以有效的減少太陽輻射，冬季可以增加室內的光照；

（2）商業區作為居民的工作空間，每天的人流量和車流量較大，應該加大綠化植被的面積，減少區域內的溫室氣體，形成適宜工作的生態環境。在植被種類選擇和配置上應選擇顏色鮮艷的植被和多層次的結構；

（3）工業區是城市發展的重要組成部分，也是城市污染最嚴重的區域，所以應該大力加大綠化植被的種植面積，在此基礎上強調植被的種類和結構。此區域的樹種應多以綠色喬木和灌木為主，配以相應的指示樹種，有效的降低區域內溫度，吸收區內的溫室氣體和有毒氣體，減輕對周邊居民和其他類型區域的影響；

（4）道路區作為特殊的區域，其綠化植被所占用的空間有限，建議將重點放在綠化植被的結構上，形成多層次、多物種的類型，同時可以將“垂直掛綠”、“見縫插綠”引入到道路區綠化植被的建設中。道路區的綠地是五個綠地類型中生態環境效應最差的區域，應該在條件允許的情況下加大城市內道路綠地區的數量。

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