天津市臨港城市濕地植物群落特征及多樣性

萬媛媛, 李洪遠, 莫訓強, 呂鈴鑰, 鮑海泳, 楊佳楠

(1.南開大學 環境科學與工程學院, 天津 300350; 2.天津師范大學 城市與環境科學學院, 天津 300387)

天津市臨港城市濕地植物群落特征及多樣性

萬媛媛1, 李洪遠1, 莫訓強2, 呂鈴鑰1, 鮑海泳1, 楊佳楠1

(1.南開大學 環境科學與工程學院, 天津 300350; 2.天津師范大學 城市與環境科學學院, 天津 300387)

[目的] 探究城市濕地植被恢復的群落特征及物種多樣性格局，為城市濕地保護和恢復策略的制訂提供科學依據。 [方法] 采用樣方法對天津臨港恢復濕地的植物群落進行調查，計算群落植物種重要值，并利用組平均法聚類，分析物種多樣性格局。[結果] (1) 喬灌草各層主要優勢物種分別為國槐(Sophorajaponica)、刺槐(Robiniapseudocaacia)；檉柳(Tamarixchinensis)和蘆葦(Phragmitesaustralis)，灌木層中的檉柳重要值最大。 (2) 植被劃分為4組、17個群叢類型，過渡區廣布種斑塊頻度最大(32.7%)，以國槐+銀杏群落(Sophorajaponica+Ginkgobiloba)為主；濱水濕地斑塊群落頻度最小(17.3%)，以檉柳—蘆葦群落(Tamarixchinensis-Phragmitesaustralis)為主。 (3) Shannon-Wiener指數與Simpson指數總體變化趨勢較一致，最高值均出現在金葉榆—紫穗槐(Ulmuspumila-Amorphafruticosa)群落；Pielou均勻度指數≥0.8的樣方占樣方總數的53.8%；近水綠地斑塊豐富度指數強度較大，物種復雜度高。 (4) 調查中發現有刺槐、旱柳(Salixmatsudana)、火炬樹(Rhustyphina)等喬木更新苗出現，出現明顯的群落演替和自然更新現象。 [結論] 研究區植物種類豐富，近水綠地斑塊物種多樣性較高，但濕生植物群落總體優勢不明顯。

城市濕地; 天津市; 植物群落; 物種多樣性

對于水土資源相對匱乏的沿海城市來說，隨著城市基礎設施的擴建，城市濕地(urban wetland)在改善城市生態環境，豐富生物多樣性方面起到了關鍵作用。有研究[1]表明干旱區濕地的氣候調節功能尤為明顯，其每年調節氣候的生態服務價值能夠占濕地總生態服務價值的32%，是各項生態價值之首；城市濕地可以有效改善城市局部小氣候，崔麗娟等[2]對比距離濕地5 km處試驗觀測值，濕地最高可以降溫4.4 ℃，增濕12.8%，增加負氧離子濃度27.2%；蔣麗蓓等[3]研究發現城市濕地喬—草比裸地溫度降低0.32～0.73 ℃，降溫增濕效果優于喬—灌—草；Faulkner[4]研究表明城市濕地在對城市污染物的截留與轉化、改善水質等方面也發揮出巨大功用；崔麗娟等[5]發現安慶沿江濕地在進行人工造林后,增加了環境的異質性,進而提高了植物多樣性。目前，關于濕地植物群落組成和恢復的研究多集中于偏遠的人為影響相對較小的自然濕地生態系統，涉及濕地植物區系分析、濕地植被結構與格局變化和濕地植物生態功能等方面，對城市濕地則多集中在城市污水的濕地處理、城市濕地的生態服務功能和綜合評價、受損植物的修復、城市濕地植物造景、景觀生態規劃、地域特色塑造等方面。針對人類干擾相對頻繁的城市濕地，其植物群落形成與演替的過程與規律，濕地植物對城市環境的影響與響應，以及這些過程與濕地功能關系等的認識還存在許多空白。

城市濕地是濕地研究中的薄弱環節,其研究的理論體系和方法體系還有待確立[6]。濕地植物群落的物種多樣性和豐富度一定程度上反映了考察區的生境特征、演替狀況和自然植被的恢復潛力，是濕地植被保護與恢復策略制定的基礎。對物種多樣性的研究可以更好的認識群落的組成、變化和發展，同時對植物群落的物種多樣性的測定也可以反映群落及其環境的保護狀況，對于控制和防御珍稀瀕危物種的喪失具有重要意義[7]。天津市臨港城市濕地土壤呈高鹽性，具有濱海次生濕地的獨特性和代表性。本文擬借鑒自然濕地植物群落特征分析的原理,在對天津臨港城市濕地恢復植物群落的演替實地調查的基礎上,研究城市濕地典型植物群落特征及多樣性分布格局,以期為維護和提高濱海鹽堿地區城市濕地植物多樣性和生態系統功能優化提供理論基礎和科學依據。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區概況

天津臨港城市濕地位于天津臨港工業區，地處渤海灣西岸，東至渤海十路，南至珠江道，西臨海濱大道，北起長江道，面積約63 hm2，屬溫帶、半濕潤大陸性季風氣候地區，四季分明，夏季濕熱多雨，冬季干冷少雪，年平均氣溫12.3 ℃，年平均降雨617 mm。臨港城市濕地曾為淺海灘涂，是在人工填海地上營造的，場地植被除了有少量大米草外，無其他植物，南端墊土區域生長有較多鹽生植物如堿蓬、蘆葦、濱藜等[8]。城市濕地整體造型為蝴蝶形狀，主要包括潛流濕地、調節湖、主體景觀湖與一定數量的小型淺灘區，為鳥類遷徙提供棲息地。濕地內湖面寬闊，以恢復受損生態系統為目的，利用污水處理廠污水作為濕地生態補水，濕地的綠地斑塊有人工管護，其形成與發育與自然濕地存在顯著差異，在城市濕地中具有代表性。濕地除原有植物群落外，于2011年9月建成初期引栽部分耐污、耐鹽能力強的園林植物[9]，使城市濕地兼具自然濕地與中國傳統園林之美。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地調查方法 2015年8月，在全面踏查的基礎上，分別在研究區調節塘、表潛流濕地、河道濕地等代表性地段，設置39個樣地，52個樣方。喬木樣方為10 m×10 m的大樣方，灌木5 m×5 m，草本1 m×1 m，同時用GPS定位，記錄樣方位置、高程等信息，并對園區內喬灌草搭配特征，數量、蓋度、株高、冠幅等進行常規調查，并對樣方生境、伴生種拍照記錄，用ArcGIS軟件完成采樣點分布圖。

1.2.2 數據處理及分析 在描述植物群落時,重要值是一個實用的綜合指標,常用于優勢種集中程度的分析[10],也用于植物群落的數量分類[11]。按照中國植被分類法[12]，以群落中各物種重要值為基礎構建樣方—植物種重要值矩陣，在R軟件中編寫程序，采用距離系數統計量進行系統聚類。系統聚類法也稱層次聚類，是聚類分析中應用最多的一種。通過比較物種間弦距離與單鏈聚合聚類、完全連接聚合聚類、組平均聚合聚類、和ward最小方差聚類4種聚類方法的同表型距離相關性，采用相關系數最大(0.947)的非加權組平均法(UPGMA)為最終聚類方法，聚類結果按照優勢種命名原則對植物群系和群叢進行命名，并計算52個樣方72種植物的物種豐富度、Shannon多樣性指數和Simpson多樣性指數和Simpson均勻度，繪制散點圖。重要值及物種多樣性計算方法為：

喬木層物種重要值=(相對頻度+相對密度+相對蓋度+相對顯著度)/4

灌草層物種重要值=(相對頻度+相對密度+相對蓋度+相對高度)/4

物種多樣性指數選用以下4個測度:

(1) Margalef豐富度指數=(S-1)/lnN

(2) Simpson多樣性指數=1-∑Pi2

(3) Shannon-Wiener 指數=-∑PilnPi

(4) Pielou均勻度指數=-∑PilnPi/lnS

式中：S——樣方中物種總數;Pi=Ni/N，Ni——第i個種在樣方中的重要值;N——樣方內所有種的重要值之和。

2 結果與分析

2.1 植物群落特征及重要值

樣方調查共記錄72種植物，隸屬30科58屬。其中，裸子植物3科3屬4種，松科1屬1種，柏科1屬2種，銀杏科1屬1種，單子葉植物5科9屬10種，雙子葉植物22科46屬58種。物種重要值按喬木層(1～33號)，灌木層(34～43號)，草本層(44～72號)的順序排列(表1)。

喬木層各植物種重要值介于0.022～0.409之間，國槐(Sophorajaponica)是建群種，重要值最高(0.409)，然后是刺槐(Robiniapseudocaacia)為0.295，速生楊(Populustomentosa)為0.259；灌木層檉柳(Tamarixchinensis)重要值為1.162，紫穗槐(Amorphafruticosa)、野薔薇(Rosamultiflora)和金銀木(Loniceraamaackii)次之；草本層蘆葦0.747重要值最大，其次是獐毛(Aeluropussinensis)和宿根天人菊(Gaillardiaaristata)。各層重要值按最高值排序依次為:灌木層(1.162)>草本層(0.747)>喬木層(0.409)，按平均值排序依次為:灌木層(0.267)>草本層(0.181)>喬木層(0.121)。

植物重要值在一定程度上反映物種在群落組成中的地位、作用及群落演替趨勢。由表1可以看出，當植物群落中，國槐、刺槐，速生楊、檉柳、蘆葦分布較多，該群落較穩定。

表1 研究區植物重要值及排序

續表1

24金葉國槐Sophorajaponica015160八寶景天Sedumspectabile010325金葉接骨木Sambucusracemosa015361苣荬菜Sonchusarvensis011126金枝國槐Sophorajaponica016162萱草Hemerocallisfulva011827白蠟Fraxinuschinensis017163紫松果菊Echinaceapurpurea011928青桐Firmianasimplex017864荷蘭菊Asternovi?belgii012729碧桃Prunuspersica018765紫花山萵苣Mulgediumtataricum013730毛白楊Populustomentosa019266藍花鼠尾草Salviafarinacea014131速生楊Populustomentosa025967白茅Imperatacylindrica018632刺槐Robiniapseudoacacia029568五葉地錦Parthenocissusquinquefolia019833國槐Sophorajaponica040969狗尾草Setariaviridis030834鳳尾絲蘭Yuccagloriosa013970宿根天人菊Gaillardiaaristata031335大葉黃楊Buxusmegistophylla014671獐毛Aeluropussinensis054736水蠟Ligustrumobtusifolium021872蘆葦Phragmitesaustralis0747

2.2 基于重要值的群落聚類分析

參考《中國植被》[12]的分類方法，以群落中各物種重要值為基礎，構建樣方—植物種重要值矩陣，采用距離系數統計量進行系統聚類，用以分析群落優勢種。

根據采樣地的水分條件，按濕地內不同斑塊與立地類型，結合城市濕地景觀多樣性的特點，將研究區植物分為4組，17個群叢類型，并根據群落優勢種命名，繪制聚類樹，聚類結果、斑塊分組及群叢類型結果詳見表2。

表2 研究區群叢類型及不同群落特征

根據采樣地水分、土壤等環境條件，及城市濕地景觀特征，將城市濕地植物群落按斑塊歸類(表2)，濱水濕地斑塊，主要分布在河道濕地、調節塘、潛流濕地，景觀湖的積水洼地或水域，多為原生灌木或草本植物，濕地植物特征明顯，生物量大，個體數量多。以檉柳—蘆葦群落為標志，常有香蒲、千屈菜、酸模葉蓼、長芒稗、堿蓬伴生，群落高度為2～3 m，長芒稗為外來歸化種，旱地作物雜草，為防止生物入侵，應多加關注；鹽漬化環境中檉柳可形成單優種群，天津地區與堿蓬組成共優種也比較常見。狗尾草群落呈斑塊狀分布，獨立成單優種群落，也見有與苣荬菜、蘆葦等構成共優種，與白茅，益母草等伴生，白茅屬于我國北方濱海鹽堿土地區主要的鹽生草甸群落植物。獐毛為潛流濕地優勢種，由于種子較豐富，成活率較高，沒有天敵，有擴大分布的趨勢。

近水綠地斑塊，多出現在近水的廊道、亭臺附近，優勢種與伴生種重要值均較大。如紫穗槐獨立成為單優種，也見與金葉榆兩種構成共有種，考察區內伴生種喬木層有杏樹，石榴，碧桃，國槐，灌木層常與水蠟，金葉女貞，鳳尾絲蘭伴生，也見有地膚，堿蓬，構成完整的喬灌草景觀群落。宿根天人菊、荷蘭菊也是夏秋兩季主要觀賞性草本植物。復合人工林斑塊多是京津地區綠化、美化常用的園林植物群落。過渡區廣布種斑塊內植物種分布范圍廣泛，濱水濕地，近水綠地與人工林的過渡地帶皆有分布，且多為廊道或亭邊小道附近，斑塊內優勢群落出現頻率最大，為32.7%，絨毛白蠟為天津的市樹，耐寒、耐鹽堿、耐干旱；刺槐—龍柏群落中，刺槐為主要優勢種，考察區多處見刺槐、火炬樹更新苗，估計曾為栽培植物，后逸為野生，主要伴生種為泡桐，欒樹，桑樹，灌木層優勢種為龍柏，伴生種為藍花鼠尾草。

分析基于聚類的群落熱圖可以考察群落聚類的效果，也可以清楚的比較物種距離和樣方間的關系。本研究區內樣方間物種重復性不高，聚類效果較好；52個樣方中，出現頻率最高的植物是國槐(占總樣方數21.2%)，其次是刺槐(17.3%)和速生楊(17.3%)，均出現在復合人工林斑塊；灌木層中，紫穗槐和檉柳出現頻率最高(5.8%)，分別分布在近水綠地斑塊和濱水濕地斑塊；檉柳—蘆葦+扁稈藨草群落的蘆葦(11.5%)在草本層中重要值最高，頻率也最多。樣方11內植物種類最多，主要來自于金葉榆—紫穗槐群落，但該群落樣方(樣方11，14，26)中，除優勢種植物金葉榆、紫穗槐外，其他伴生植物重要值均較小，推測它們與優勢種關聯性較小，在演替過程中可能會消失；另外，單優種群落優勢種重要值差異較大，除濱水濕地斑塊外，在其他斑塊中均有分布。

3 物種豐富度與多樣性

圖1列出了各樣方物種豐富度與多樣性的變化曲線，Margalef豐富度指數在0～0.833之間，大于0.5的樣方有樣方5，9，18，19，除濱水濕地斑塊外的其他斑塊均有分布，峰值出現在近水綠地斑塊的龍爪桑群落(樣方9)，Margalef豐富度指數接近0.1的樣方有11個，多分布在濱水濕地斑塊；Shannon-Wiener指數與Simpson總體指數變化趨勢較一致，最高值均出現在金葉榆—紫穗槐群落的樣方11，分別為8.114，6.745，但群落總體多樣性指數不高；Pielou均勻度指數在0.289～0.997之間，樣方17均勻度最低，樣方17和樣方23處于調節湖近水淺灘，蘆葦數量極多，與旱柳、中亞濱藜、地膚等伴生種相比數量差異明顯，造成樣方內物種分布不均勻，Pielou均勻度指數≥0.8的樣方占樣方總數的53.8%，群落總體分布較均勻，空間異質性不高。

72種植物的Shannon-Wiener指數和Margalef豐富度指數的強度分布如圖2所示，圖中圓形區域的大小反映指數值的強弱。物種豐富度指數與多樣性指數的分析結果存在差異，主要體現在調節湖、表潛流濕地與河道濕地。兩個指數的強度最大值均出現在表潛流濕地，調節湖周圍的原生草本植物群落Margalef豐富度指數較大，強度較大的點多于Shannon-Wiener指數，強度大小分化較明顯；Shannon-Wiener指數除集中在表潛流濕地的部分樣方外，指數強度差異不大，但Shannon-Wiener指數強度較大的點，Margalef豐富度指數不一定也較大，Shannon-Wiener多樣性指數和Margalef豐富度指數強度圖與群落樣方多樣性與豐富度指數的數值分析(圖1)較一致。

圖1 研究區群落樣方多樣性指數和均勻度指數

注：圓形區域的大小反映指數的強弱。圖2 研究區多樣性指數和豐富度指數強度

4 討論與結論

4.1 討 論

物種多樣性是群落功能復雜性和穩定性的重要量度指標，人為干擾對群落的影響可以通過群落結構和物種多樣性的變化直接表現出來，不同干擾強度下群落結構和多樣性特征不同[13]。研究區近水綠地斑塊為半自然植物群落類型，豐富度指數和多樣性指數的峰值多出現在近水綠地斑塊(樣方9，11)，其物種豐富度指數強度也較大，明顯高于其他濕地類型。城市濕地受人為干擾影響較大，人類活動干擾[14]和外來植物〔如互花米草(Spartinaalterniflora)〕入侵[15]都對濕地物種多樣性產生明顯影響。關于人為干擾強度，很多研究認為中度干擾下的物種多樣性有增加的趨勢，即“中度干擾假說”。根據中度干擾假說，中等程度的干擾頻率能維持較高的物種多樣性；在干擾后群落的恢復過程中，恢復中期物種豐富度最大[16]。

從群落數量特征和多樣性上看，群落的多樣性及均勻度不僅反映了群落發育的階段和穩定性，也反映了群落的生境特性。Pielou均勻度指數的較低值出現在濱水濕地斑塊(樣方17，22，24，34)，說明濱水濕地斑塊空間異質性較強；Pielou指數≥0.8的樣方占樣方總數的一半以上，說明單優種群落比例大，數量穩定，如復合人工林斑塊(樣方41，51，52)的速生楊群落。有關速生型人工林對生物多樣性的影響存在諸多爭議，Weih等[17]對瑞典中南部楊樹種植區域的研究表明，與農用地相比，低齡楊樹人工林生物多樣性下降15%；Boothroyd-Roberts等[18]對加拿大魁北克濕地的研究表明，楊樹人工林能提高林下草本、灌木以及當地物種多樣性。王國梁等[19]對黃土高原丘陵溝壑區植被恢復與重建后的物種多樣性研究表明，人工純林具有很強抵抗其他喬灌物種入侵和定居其中的能力，對林下草本有很強的控制作用。人工純林的郁閉度、密度較大，容易影響自生草本的演替。濱水濕地斑塊的樣方23，Margalef豐富度指數較小接近0.1，但Pielou指數均勻度>0.5，因此Shannon-Wiener指數也較大；物種豐富度小，物種均勻度大也可能造成較高的Shannon-Wiener多樣性指數，與前人的研究結果一致。

植物群落分布特征既是多種因素(主要包括氣候、土壤、水分、地形等)長時間共同影響的結果，也是植物本身的生物學特性對生長環境長期適應的結果[20]。一個較成熟的群落往往具有較高的物種多樣性、較高的均勻度和較低的重要值。臨港城市濕地樣方調查群落總體，物種豐富度和Shannon-Wiener指數較大，均勻度較高，群落組成較成熟，但單優種群落多，除濱水濕地外，大量地被草本為人工菊科植物，密度很高。通常來說，在生境恢復到自然狀態時，自然植被即可恢復，調查中發現有刺槐、旱柳、火炬樹等喬木更新苗出現(樣方13，17，20，28，29)，這些更新苗物種是易于與天然群落結合的鄉土樹種[21]，在生態系統恢復中具有很大優勢，群落自然更新現象明顯。

4.2 結 論

(1) 臨港城市濕地樣方調查共記錄72種植物，隸屬30科58屬，雙子葉植物22科46屬58種，所占比率最大。喬灌草各層群落優勢植物種分別為國槐、刺槐，檉柳和蘆葦，重要值最大的植物為檉柳，出現在灌木層。

(2) 通過重要值聚類，結合實地考察情況，將研究區植物分為4組，17個群叢類型，過渡區廣布種斑塊頻度最大(32.7%)，以國槐+銀杏群落為主；濱水濕地斑塊群落頻度最小(17.3%)，以檉柳—蘆葦群落為主，濕生植物群落優勢不明顯。

(3) 物種多樣性研究表明，Shannon-Wiener指數與Simpson指數總體變化趨勢較一致，最高值均出現在金葉榆—紫穗槐群落；Pielou均勻度指數≥0.8的樣方占樣方總數的53.8%；近水綠地斑塊豐富度指數強度較大，物種復雜度高。

(4) 調查中發現有刺槐、旱柳、火炬樹等喬木更新苗出現，有明顯的群落演替和自然更新現象。

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Plant Community Characteristics and Diversity of Urban Wetland at Lingany District of Tianjin City

WAN Yuanyuan1, LI Hongyuan1, MO Xunqiang2, Lü Lingyue1, BAO Haiyong1, YANG Jianan1

(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,NankaiUniversity,Tianjin300350,China; 2.CollegeofUrbanandEnvironmentalScience,TianjinNormalUniversity,Tianjin300387,China)

[Objective] The plant community characteristics and species diversity patterns in restored urban wetland were researched to provide scientific basis for urban wetland protection and restoration strategies of vegetation.[Methods] Plant community of restored urban wetland at Lingany District of Tianjin City was investigated using quadrat sampling method. Species diversity-patterns was analyzed through group average clustering with data of important values. [Results] (1) The community’s dominant species of tree layer, shrub layer layer and herb layer wereSophorajaponicaandRobiniapseudoacacia,Tamarixchinensis, andPhragmitescommunis. In shrub layer,Tamarixchinensishad the maximum important value. (2) Vegetation was divided into 4 groups, 17 cluster types. Widespread species in the transitional area owned the biggest frequency(32.7%);Sophorajaponica+ginkgocommunity accounted for the largest proportion;Tamarixchinensis-Phragmitesaustraliscommunity accounted for the largest proportion in waterfront wetland patch which had the smallest frequency(17.3%). (3) The overall change trend of Shannon-Wiener diversity and Simpon diversity was consistent. The highest value appeared inUlmuspumila-Amorphafruticosacommunity. The ratio of ≥0.8 Pielu evenness accounted for 53.8% of the total sample plots, and species richness of water-around green patches showed greater intensity. (4)Robiniapseudoacacia,SalixmatsudanaandRhustyphinaseedlings were found, which meaning community succession and natural regeneration emerged. [Conclusion] Plant species is very abundant in overall research area, water around green patches own high species diversity and the dominance of hygrophyte community is not obvious.

urban wetland； Tianjin City； plant community； species diversity

2016-03-06

2016-05-15

國家自然科學基金青年項目“雙向演替下消落帶濕地碳匯波動機制及其影響因素”(41301096)

萬媛媛(1991—),女(漢族),天津市武清區人,碩士研究生,研究方向為生態恢復。E-mail:wanyuanyuan@mail.nankai.edu.cn。

李洪遠(1963—),男(漢族),天津市武清區人,博士,教授,博士生導師,主要從事濕地和恢復生態學方面研究。E-mail:eialee@nankai.edu.cn。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.055

A

1000-288X(2016)06-0326-07

Q145

文獻參數： 萬媛媛, 李洪遠, 莫訓強, 等.天津市臨港城市濕地植物群落特征及多樣性[J].水土保持通報，2016,36(6)：326-332.