深圳大鹏新区典型自然与人工植物群落结构特征分析

2023-07-04 04:35余华金杨志明黄玉源李建仪李绮恒余欣繁秦介堂
福建农业科技 2023年1期
关键词:多样性

余华金 杨志明 黄玉源 李建仪 李绮恒 余欣繁 秦介堂

黃玉源,教授,博士,曾任广西大学教授,植物学学科带头人,国家自然科学基金项目评审专家,现作为高层人才引进,在仲恺农业工程学院任教授,同时兼任广西大学部分工作。主要从事生态学和植物系统与进化方面的研究,已主持国家自然科学基金项目2项、省市级及其他各类科研项目30多项,作为主编和副主编已出版著作7部,发表论文160多篇,获得政府、高校、学会等授予的科技进步奖、优秀成果等奖励和荣誉30多项。在国内环保系统率先进行策划和参与建立城市生态监测系统,并作为主要技术负责人率团队开展了长期、系统深入的生态调查和监测研究,取得较多成果,获得3个国家级科学研究平台。兼任《American Journal of Botany》审稿专家、中国植物学会苏铁分会理事、中国野生植物保护协会苏铁保育委员会委员、广东生态学会理事、深圳市环保局环境监测中心站顾问等。

摘 要:为了解自然、半自然与人工植物群落结构特征差异,采用随机结合典型的群落调查方法,选取深圳市大鹏新区3个典型植物群落进行结构及多样性的对比研究。结果表明:自然植物群落的均匀度、丰富度均高于半自然与人工植物群落,α-多样性指数特征为自然群落>半自然群落>人工群落;自然与半自然植物群落乔木层的植株高度与盖度成极显著正相关(P<0.01);人工植物群落生态优势度高,优势种突出,自然植物群落植物均匀度较高,植物间重要值差距缩小,优势种地位下降;自然植物群落垂直结构(地上部分)物种数量丰富且分布均匀,植物的生长充分利用垂直空间;自然植物群落中记录有土沉香、香港带唇兰、金毛狗、石仙桃国家二级保护植物,人工植物群落中有入侵植物南美蟛蜞菊。通过对比研究可知,自然植物群落结构稳定且多样性高,对自然植物群落的调查研究可为促进生态稳定及植被恢复提供参考。

关键词:自然植物群落;人工植物群落;植被结构;多样性;深圳大鹏新区

中图分类号:Q 948.1    文献标志码:A   文章编号:0253-2301(2023)01-0001-08

DOI: 10.13651/j.cnki.fjnykj.2023.01.001

Structural Characteristics Analysis of Typical Natural and Artificial Plant Communitiesin Dapeng New District of Shenzhen

YU Hua-jin1, YANG Zhi-ming1,2, HUANG Yu-yuan1,2*, LI Jian-yi1, LI Qi-heng3, YU Xin-fan3, QIN Jie-tang2

(1. College of Horticulture and Landscape Architecture, Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Guangzhou,

Guangdong 510225, China; 2. Shenzhen Maosen Ecological Sciences and Technology Co., Ltd., Shenzhen, Guangdong

518120, China; 3. National Field Scientific Observation and Research Station of Regional Ecological Environment

Change and Comprehensive Management in Guangdong Greater Bay Area/Scientific Observation and Research

Station of Ecological Environment in Rapid Urbanization Area of National Environmental Protection/Shenzhen

Ecological and Environmental Monitoring Center of Guangdong Province, Shenzhen, Guangdong 518049, China)

Abstract: In order to understand the differences in the structural characteristics of natural, semi-natural and artificial plant communities, three typical plant communities in Dapeng New District of Shenzhen were selected to comparatively study the structure and diversity of plant communities by using the random combined with typical community investigation method. The results showed that the evenness and richness of natural plant community were higher than those of semi-natural and artificial plant communities, and the α-diversity index character was natural community>semi-natural community>artificial community. There was a significant positive correlation between plant height and coverage of tree layer in the natural and semi-natural plant communities (P<0.01). The ecological dominance of the artificial plant community was high, and the dominant species were prominent. The plant evenness of the natural plant community was high, the important value gap between plants was narrowed, and the status of the dominant species was decreased. The species in the vertical structure (aboveground part) of natural plant community were abundant and evenly distributed, and the vertical space was fully utilized for plant growth. In the natural plant community, Aquilaria sinensis, Tainia hongkongensis, Polypodium barometz, and Pholidota chinensis were recorded as the national secondary protected plants, while in the artificial plant community, the invasive plant Wedelia trilobata was recorded. Through the comparative study, it could be seen that the structure of natural plant community was stable and the diversity was high. The investigation and study of natural plant community could provide reference for promoting the ecological stability and the vegetation restoration.

Key words: Natural plant community; Artificial plant community; Vegetation structure; Diversity; Dapeng New District in Shenzhen City

近30年来我国城市建筑面积大幅度增加,森林资源被过度开发利用,自然植物群落逐渐受到侵蚀,同时被整齐划一、物种多样性低的人工植物群落取代,随之而来的是植物生长年限缩短、生物多样性降低、群落结构稳定性下降、城市热岛效应加剧等问题。为提高城市居民的舒适度和幸福感,保护生态系统与人体健康,当下迫切需要保护自然植物群落、构建自然化植物群落[1]。关于城市植物群落的研究目前主要集中在园林植物应用[2]、植物多样性调查[3]、植物与土壤影响机制[4]等方面,而针对自然、半自然、人工植物群落的对比研究较少。

自然植物群落是由植物之间以及植物与环境之间自行发展、演变形成的植物群体,而自然化植物群落是以自然植物景观群落为蓝本、以自然群落中所蕴含的生态学法则为指导,在城市建植类似自然环境的人工植物群落[5]。深入了解自然植物群落的结构与多样性、进一步保护生物多样性,可为城市建设自然化植物群落提供基础数据[6]。植物群落是城市绿地系统的重要组成部分,稳定的植物群落结构在绿地生态效益与服务功能等方面起到关键作用[7]。植物群落物种多样性反映物种丰富程度,是物种层次上的表现形式。物种多样性研究对探讨和验证物种多样性发生与维持机制起到重要作用[8],也是目前及将来植被生态领域的重点关注方向。本研究通过对比分析深圳大鹏新区典型自然植物群落和人工植物群落组成、结构及多样性等特征,进一步探究自然林与人工林优劣,为深圳市及岭南地区构建稳定和高生物量的自然化植物群落、自然林保护与林地恢复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研究地大鹏新区位于深圳市东南部,三面环海,年降水量约1 846 mm,年平均气温22.5℃,月平均气温最高在7月,最低在1月。属于南亚热带季风气候,夏季高温多雨,降雨主要集中在7月至8月,全年相对湿度较大。大鹏新区是国家生态文明建设示范区、国家生态文明先行示范区,森林覆盖率达77.58%,野生植物種类占深圳市的70%。本研究选取3个典型植物群落作为研究对象。群落I位于大鹏新区坝光白沙湾路两侧,道路东侧为白沙湾海湾,南靠排牙山;群落Ⅱ位于大鹏新区南澳新东路沙浦村,七娘山西北面;群落Ⅲ位于大鹏新区南澳的七娘山东北面,海拔为145.8 m。2021年9月至12月期间对该3个植物群落进行调查,群落详细信息见表1。

1.2 样方设置

采用随机结合典型调查法进行样方设置,在大鹏新区内选取3个典型群落,根据国际不同地区、植被类型和气候带的最小面积取样法则[9-11],亚热带地区植物群落设置样方总面积在400~500 m2即可满足调查到群落内各层次所有种类。本次调查设置每个群落的样方总面积为600~700 m2,乔木层选取2~3个样方,每个样方面积为200~300 m2,样方内高度4 m以上的乔木植株记入乔木层,高度低于4 m的木本植物和幼苗则计入灌木层;灌木层在乔木层的上述样方内设5~6个4 m×4 m的小样方,草本样方在每个灌木层样方设置4个以上1 m×1 m的小样方[12]。测定及记录样方内乔灌草植物的种类名称、数量,每株植物的高度、胸径(乔木)、冠幅等指标。

1.3 分析方法

植物群落结构特征评价,分别计算基于乔灌草3个层次及群落整体的重要值和平均高度、盖度等,以及Simpson物种多样性指数、Shannon-Wiener物种多样性指数、Simpson生态优势度指数、Pielou均匀度指数,Odum物种丰富度指数、Menhinnick物种丰富度指数[13-15]。

1.3.1 重要值计算方法

乔木层植物重要值=(相对密度+相对频度+相对显著度)/300;灌木层和草本层植物重要值=(相对密度+相对频度+相对盖度)/300;其中:相对密度=某一种的个体数/全部种个体数×100;相对频度=某一种的频度之和/全部种的频度之和×100;相对显著度=某一树种的胸高断面积之和/所有树种的总胸高断面积之和×100;相对密度=某一物种的盖度之和/全部物种的盖度之和×100。

1.3.2 生物多样性指数计算方法

生物多样性是指某区域生物组成中的多样化和变异性程度,也反映物种生境的生态复杂性;α-多样性指数含丰富度和均匀度等指标。

Simpson物种多样性指数D1:

D1=1-∑si=1Ni(Ni-1)N(N-1);(i=1,2,……,n)(下同)

式中,s为植物的种类数,N为全部种类的个体数,Ni为样地内某种类个体数。

Shannon-Wiener物种多样性指数H:H=-∑si=1Pi1nPi

式中,Pi为Ni为种类i的个体数与N为全部种类的个体数的比值。

Simpson生态优势度指数D2:

D2=∑si=1Ni(Ni-1)N(N-1)

该指标越高,则表明多样性越低。

Pielou均匀度指数J:J=Hlns

式中,H为Shannon-Wiener香农-维纳指数,S为样地中物种的总数,Ni为种i的个体数,N为样地中某层所有物种的个体数之和。

1.3.3 丰富度指数计算方法:

Odum物种丰富度指数R1:R1=s1nN

Menhinnick物种丰富度指数R2:R2=1ns1nN

式中:S为物种数,N为全部种的个体数。

2 结果与分析

2.1 3个植物群落物种组成特征分析

在调查的3个群落中,群落Ⅰ为人工植物群落,即人工林,共有植物23科、34属、34种,其中乔木1种、灌木9种、草本24种,种类最多的菊科植物6种,茜草科4种次之。乔木层复羽叶栾树Koelreuteria bipinnata(重要值为1,下同)为优势种,该群落乔木层植物仅有1种。灌木层中优势种红纸扇Mussaenda erythrophylla(0.46)、次优势种蓝花草Ruellia simplex(0.26)、垂枝红千层Callistemon viminalis(0.08)居重要值第3,红纸扇的密度高达4.11株·m-2,自然生长的南洋楹Falcataria moluccana和越南叶下珠Phyllanthus cochinchinensis为该群落灌木层的偶见种,整体平均高度为0.14 m。草本层中优势种为结缕草Zoysia japonica(0.30),草本中结缕草和紫娇花Tulbaghia violacea为人工种植种类,其余22种为自然生长,数量较少。有二级严重入侵物种南美蟛蜞菊Sphagneticola trilobata。

群落Ⅱ为荒废10余年的荔枝林,属于半自然植物群落,共有植物25科、46属、53种,其中乔木3种、灌木37种、草本13种,大戟科植物高达10种,菊科植物5种。乔木中由优势种荔枝Litchi chinensis(0.68),次优势种马占相思Acacia mangium(0.19)、白楸Mallotus paniculatus(0.14)3种植物构成,且乔木层中的植物在灌木层中可见一定数量小苗。灌木层优势种银柴Aporosa dioica(0.20)、次优势种荔枝(0.13),在无人为干扰的情况下,灌木的种类和数量均高于群落Ⅰ,出现菝葜Smilax china、细轴荛花Wikstroemia nutans、假鹰爪Desmos chinensis等层间植物。草本种数仅为群落I的二分之一,在种的数量上重要值最大的是鬼针草Bidens pilosa(0.27)。该群落阳生草本种类减少,出现阴生植物山麦冬Liriope spicata、山菅兰Dianella ensifolia。

植物种类数最多的是群落Ⅲ,该群落为自然群落,共有植物36科、63属、80种,其中乔木17种、灌木45种、草本18种。茜草科植物6种,樟科、紫金牛科、大戟科植物分别有5种。喬木层中优势物种浙江润楠Machilus chekiangensis(0.23)重要值最大,其次为水团花Adina pilulifera(0.10)、山油柑Acronychia pedunculata(0.09)。乔木种类远多于群落Ⅰ,有11种植物出现在灌木层中,占灌木层总种数的24.4 %。灌木层中重要值最大的为罗伞树Ardisia quinquegona(0.09),共15种植物仅有1株,其中水团花Adina pilulifera、润楠Machilus nanmu、土沉香Aquilaria sinensis等物种在乔木层可见。金毛狗Cibotium barometz(0.27)是草本层中的优势种,草本植物18种较群落I的26种少,比群落Ⅱ的13种多。该群落草本层的阴生植物明显较群落Ⅰ和群落Ⅱ多,包括金毛狗、单叶新月蕨Pronephrium simplex、石仙桃Pholidota chinensis、乌毛蕨Blechnum orientale、崖姜Aglaomorpha coronans等阴生草本植物;蕨类植物9种,占草本的50 %,兰科植物有3种。该群落有土沉香、香港带唇兰Tainia hongkongensis、金毛狗、石仙桃为国家二级保护植物。

2.2 3个植物群落的乔木层结构特征对比分析

2.2.1 乔木层重要值分析

由表2可知,群落Ⅰ乔木层1种植物,各方面指标单一化。群落Ⅱ为半自然植物群落,乔木层具备了3种木本植物,其密度和胸径等指标较好,荔枝重要值0.68依然占据较大的优势,优势种地位突出,物种间个体数差异明显。群落Ⅲ乔木层有17种植物最为丰富,极少数种类占巨大优势地位的现象转变,各植物种类均衡生长后植物间重要值差距缩小,这是生物多样性状况好的最主要特征。半自然与人工植物群落乔木层物种数较少且优势种突出,相对比自然植物群落可见群落I植被种植较之单一,营造的景观效果简单,而群落Ⅲ的物种多样性丰富,群落结构最稳定。

2.2.2 乔木层胸径分析

表2可知,3个群落乔木层优势种平均胸径均超过15 cm,群落Ⅱ的荔枝平均胸径(19 cm)最大。群落Ⅱ平均胸径最大的是马占相思(24.43 cm),所有植物平均胸径均超过10 cm。整体来看,群落Ⅲ乔木层平均胸径≥15 cm的乔木有4种,在[0,5)cm区间有4种植物,[5,10)cm区间7种植物占41.18 %。其中平均胸径较大的有润楠(45.00 cm)与山杜英(41.00 cm),群落Ⅲ自然林的林龄较大。

2.2.3 乔木层高度与盖度相关性分析

各群落乔木层植株高度与盖度变化群落见图1。群落Ⅰ乔木层平均高度为8.85 m,且植株个体高度差异较小,人为干扰其生长高度。群落Ⅱ乔木层平均高度为8.88 m,其中马占相思的平均高度最高14.33 m,荔枝的平均高度4.36 m,群落前期人工管理控制其高度。群落Ⅲ的乔木层平均高度7.19 m,各种类的平均高度在4~11 m均有植物分布,可见乔木层在垂直结构(地上部分)分布均匀,各物种之间形成较稳定的资源分配结构。

乔木层总盖度为群落Ⅲ>群落Ⅱ>群落Ⅰ,群落Ⅱ乔木层总株数为26,群落Ⅲ共60株,群落Ⅱ盖度313.75 %与群落Ⅲ的337.93 %相差不大。由此可见,植物对空间利用达到最大值,群落的盖度达到饱和度后不再继续增加。群落1表现为植株高度与盖度的反比关系,其他两个群落的乔木均表现为植株的高度与其植株的盖度成极显著正相关(P<0.01),群落Ⅲ乔木层平均高度大于10 m的种类有浙江润楠(10.38 m)、润楠(17 m)、山杜英(14.7 m),而这3个种类的平均种盖度分别为13.25 %、14.30 %、28.00 %,群落中植株较高的植物种类盖度也相对较大。

2.3 3个植物群落的生物多样性特征对比分析

从表3可知,群落Ⅰ乔木为单一种,群落Ⅱ乔木D1、H′与群落Ⅲ差异显著;群落Ⅰ灌木层D1、H′值较低,群落Ⅱ与群落Ⅲ差异不大;群落Ⅰ草本层的R1(3.65)、R2(0.48)较群落Ⅲ的R1(3.97)、R2(0.64)低,单从种类数来看群落Ⅰ草本24多于群落Ⅲ的18,而物种丰富度指数却相反,群落Ⅰ的物种种类较多,但种数量分布不均匀,生态优势度指数较高,优势种的地位突出;群落Ⅲ的草本种类数量分布较均匀,物种丰富度较高,群落Ⅲ草本D1(0.84)物种多样性较群落ⅡD1(0.81)高,群落Ⅲ D2(0.16)低于群落Ⅰ D2(0.55)。温海洋

[12]对深圳大鹏新区建成区植物群落结构与植物多样性研究显示,建设路群落乔木层1种植物与本文群落Ⅰ乔木层数量一致,建设路群落的灌木层物种多样性(0.83)与草本层物种多样性较本文群落Ⅰ高;其鹏飞路群落乔木层同样为3种,但其物种多样性(0.67)较本研究群落Ⅱ(0.40)高,生态优势度(0.35)较本研究群落Ⅱ(0.60)低,可见群落Ⅱ内乔木物种数量分布越不均匀,优势种的地位突出。

从群落的总指标来看,群落Ⅰ的D2最大,物种多样性指数和物种丰富度指数较低。群落Ⅱ共有植物种类53种,乔灌草3个层次的多樣性指数和丰富度指数均高于群落Ⅰ。群落Ⅲ有80种,群落Ⅲ的总物种数量较群落Ⅱ高,但在群落整体的D1、H′上与群落Ⅱ相差不大,高于群落I较多。以荔枝为-银柴-鬼针草为乔灌草层优势种的群落ⅡD2(0.07)比群落Ⅲ D2(0.03)值高,群落内物种数量分布越不均匀,优势种的地位越突出。群落ⅡI的物种多样性指数、物种丰富度指数、均匀度指数在3个群落中最高,不仅种类数量高,分布也相对均匀。戴文龙[13]对上海崇明东滩的自然群落与人工群落的调查结果显示,自然群落比人工恢复群落的生态功能总体要高。本研究调查的3个植物群落中,自然植物群落植物种数分布较均匀,在没有人为干扰情况下,乔灌草3个自然层相互协调处于相对平衡状态,形成稳定的群落结构。

3 讨论与结论

自然林、半自然林、人工干扰的林地和人工林哪种生物多样性高,国际上还存在争议[14-15],但近年来更多野外实地测定与大量的数据表明,自然林的植物多样性最高,半自然林次之,人为干扰林或人工林最低,本研究与其他学者结果一致[16-17]。本研究的群落各层次及整体多样性(含丰富度)、均匀度指标上都表现为群落Ⅲ>群落Ⅱ>群落Ⅰ,自然林高于半自然林,更为明显地高于人工林。已有研究表明,群落受到部分砍伐等人为干扰后,林窗出现让外面的种子得以进入和繁殖,其多样性会出现先增后减的现象[18],这是因为进入的主要是草本和灌木植物,当群落结构受到破坏和生物量大幅下降,群落环境在短时间产生剧烈变化可能导致群落内珍稀植物丢失[19],因而大部分受到强烈人为干扰和破坏的群落其多样性会比自然林或经过长时期自然恢复的半自然林低。通过了解当地与恢复有关的传统生态知识和增加植被调查研究、增加自然及半自然植物群落的保护,这有利于深层次的发现环境-植物-动物之间相互作用的规律,对促进生态稳定和已受到破坏的植被进行恢复起到了重要作用[20],为植物和动物提供更多自然生存空间

[21],进而更好地保持水土、增加大气湿度、含氧量,最大幅度地吸收CO2,以更快地实现各地的碳中和目标,同时净化大气中的其他污染物,丰富各类动物和微生物的多样性[22]。

经分析得出,自然与半自然植物群落的乔木高度与其盖度成显著正相关,经过修剪的群落I乔木层枝叶量少,植物亚层的镶嵌作用削弱,植株高度与盖度呈反比关系。本研究显示,从3个群落的盖度来看,群落Ⅲ>群落Ⅱ>群落Ⅰ,即自然群落>半自然群落>人工群落,自然群落和半自然群落乔木层的盖度值分别是人工群落近13倍和近12倍。植物群落从人工→半自然→自然的演替过程,其物种多样性及丰富度提高、生态优势度降低、群落盖度增加使群落环境发生变化,草本植物由阳生植物为主导主转变为较多阴生植物[23],各层次形成稳定的协同关系,群落总体处于相对稳定阶段。在城市绿地植物群落的构建时应采用“人工形成-自然演替-适当人工调控”的发展方式,以自然生长为主,人工干扰为辅的管理策略[24],在提高植物群落物种多样性的情况下可增加每个层次更多的亚层,从而提高各层次范围面积空间的枝叶镶嵌性和丰富了枝叶量,增加单位面积上的生物量,大幅度提高各方面的生态效益。乔木层在生态方面效益最大,在景观上更是骨架作用,在植物群落构建时以乔木为主,灌木为辅,草本点缀的设计种植方式[25],将被系统的复杂性提炼成简化的分层模型,使我们能够模仿自然植物群落结构并确保所选物种在垂直空间和时间上和谐共存[26]。

此次调查统计发现群落Ⅰ入侵植物南美蟛蜞菊,是我国华南地区具有严重危害的入侵物种,对本土草本植物生长造成危害。群落Ⅱ与群落Ⅲ均未记录到侵入植物,且群落Ⅲ调查记录到国家保护植物土沉香、香港带唇兰、金毛狗、石仙桃。有研究显示受人为过度干扰的植物群落更易受到入侵植物的负面影响,而无人为干扰且结构稳定的群落对入侵植物具有更强防御[27]。在构建自然化植物群落时提高乡土植物的使用率,本土植物相比外来引进物种更具有适应当地气候的优势,能够与环境中其他物种形成相对稳定的依存关系,从而提高群落抵御外来植物的侵害[28-29]。

城市建设不能丢失好的生态环境,单一、重复的景观绿化并不能满足大众的需求,生态价值上更是人们所追求的,重发展轻生态的做法随之暴露出城市空间格局上的问题也越来越多。科学分析植物群落多样性及各指数能有效避免并找寻某些不合理因素,去创造更具有现代化城市感观效果的景观特色,而不是单一堆砌复杂的植物种群,因此合理种植植物有利于物种多样性稳定和生态环境的健康持续发展。

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(责任编辑:柯文辉)

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