徐州城區道路綠地物種豐富度的空間分布特征

尤海梅，唐海嬌，張北贏，王 凈

(江蘇師范大學 地理測繪與城鄉規劃學院，江蘇 徐州 221116)

1 引言

生物多樣性是人類賴以生存的物質基礎。然而，隨著人類對地表環境改造的不斷加劇，生物棲息地的破碎化、退化和喪失等問題日趨嚴重，地表生物多樣性喪失速度空前。多年來，盡管人類在生物多樣性的保護和研究方面取得了相當的成果，但生物多樣性喪失的態勢并沒能從根本上遏制。生物多樣性仍然是當前相關學科研究的熱點和核心問題。

城市作為人類活動最為集中的區域，也是生物多樣性受威脅最為嚴重的地區。加強城市生物多樣性的研究和保護，對有效遏制地表生物多樣性的喪失具有重要意義。城市綠地是城市生物的主要棲息地，城市綠地植物多樣性是生物對城市環境適應程度的反映，了解城市綠地植物多樣性及其空間分布特征對于合理規劃布局城市綠地、維持和提高城市生物多樣性具有重要的現實指導意義。到目前為止，有關城市綠地植物多樣性的研究主要集中在綠地植物群落的種類組成、空間配置、環境效應等方面，較側重于對人工栽植的物種(如鄉土物種、外來物種、入侵物種)的研究，在野生植物的研究方面成果較少。野生植物是城市綠地物種多樣性的重要組成部分，是城市物種多樣性維持和增加的基礎。隨著傳統的將城市野生植物視為“雜草”的做法帶來的城市生物多樣性流失等問題的凸顯，野生植物對城市生物多樣性的保護作用也越來越受到重視。

徐州市作為全國東西、南北經濟聯系的重要城市，近年來在大力發展社會經濟的同時，高度重視城市綠地建設。但在傳統的城市綠地管理模式下，城市綠地物種多樣性仍難以提高。因此，本文以徐州城區道路綠地為研究對象，依據植物群落學調查數據，運用空間自相關和半變異函數方法，區分野生物種和人工栽植物種，對城區綠地植物豐富度的空間分布特征進行研究，旨在為城市綠地建設和城市生物多樣性保護提供理論參考。

2 研究區概況

徐州市位于江蘇省西北部，東經116°22′～118°40′、北緯33°43′～34°58′之間。地形以平原為主，地勢由西北向東南降低，中部和東部存在少數丘陵山地。徐州市地處暖溫帶半濕潤季風氣候區，光照充足，雨熱同期，年平均氣溫14 ℃，年均降水量900 mm左右。境內水系豐富，大小河流54條，縱橫交錯。徐州市土壤種類豐富，平原地區以砂土和粘土為主，丘陵地區以石灰土和淋溶褐土為主；地帶性植被為落葉闊葉林。到2016年末，徐州市土地總面積11764.89 km2，其中建成區面積261.0 km2；戶籍總人口1041.39萬人，市區人口337.65萬人；市區綠化覆蓋面積16507 hm2，建成區綠化覆蓋面積11436 hm2，建成區綠化覆蓋率43.8%。

3 研究方法

3.1 樣地設置

2016年7～8月在對徐州市區繞城公路內的道路綠地進行全面踏查的基礎上，選取典型調查樣地，進行了植物群落調查。首先，以市中心的古彭廣場為中心、以800 m的倍數為半徑畫同心圓，在同心圓的間隔帶內，沿著東西、南北兩條主干道的四個方向選取典型綠地，分別設置10個100 m2的調查樣地，共設置40塊樣地(圖1)。運用Braun-Blanquet群落調查法，對各綠地植物群落進行調查。記錄群落的郁閉度，各層的高度和總蓋度，分層記錄出現的植物種類、各種群的蓋度和多度，并標識植物的性質(是栽植的還是野生的)；同時，利用GPS對各調查樣地進行定位。對于不確定的物種，采集標本帶回實驗室，參照《中國高等植物志》、《江蘇植物志》進行辨識。

圖1 調查樣地分布

3.2 數據分析

3.2.1 空間自相關分析

空間自相關是指空間中具有一定客觀規律的空間變量在空間上的分布特征及對相鄰域的影響程度，可用于檢測空間分布特征。本文運用Moran’s I指數從全局和局部兩個層次，探討城區道路綠地物種豐富度的空間分布規律。

全局空間自相關是對地理要素屬性值在整個區域的空間特征的測度，可用于檢測變量的屬性值在整個區域空間上是否具有相關性和規律性。全局Moran’s I指數的計算公式為：

局部空間自相關是對相鄰空間單元間空間變量的相關程度的反映，可用于識別變量的屬性值在空間上的聚集或離散區域。局部Moran’s I指數的計算公式為：

式中，Ii為局部空間自相關指數，其它變量的含義同全局空間自相關公式。本文依據Ii，結合LISA聚集圖，將綠地植物群落物種豐富度的空間分布分為HH、LL、HL和LH四種類型。其中，HH型和LL型表示某樣地植物群落與其周邊植物群落的物種豐富度差異較小，表現為都較高或都較低；而HL型和LH型表示某樣地植物群落與其周圍植物群落的物種豐富度差異較大，一方的物種豐富度較高(或較低)，而另一方的物種豐富度較低(或較高)。

3.2.2 半變異函數

半方差函數是用于空間相關性分析的最常用工具，其計算公式(Matheron，1963)為：

式中，r(h)為半變異值；h為樣點間的間隔距離；N(h)為間隔距離為h時的樣點對總數；Z(xi)和Z(xi+h)分別是物種豐富度Z(x)在空間位置xi和xi+h處的實測值。

半變異差函數的三個重要參數塊金值、基臺值和塊金效應可用于定量描述物種豐富度的空間分布特征。塊金值(CO)是h=0時的半變異值，表示隨機部分引起的變異；基臺值(CO+C)表示區域化變量的最大變異，值越大表明總的空間異質性程度較高。塊金效應[CO/(CO+C)]反映塊金值占總的空間異質程度的大小，該值越大，表示空間相關性越弱、由隨機因素的影響越大，該值<25%、25%～75%、>75%可分別表示變量的空間相關性較強、中等和較弱。此外，空間相關性在不同方向上往往具有差異，為明確道路綠地物種豐富度在不同方向上的特征(即各向異性)，本文以市中心為原點，按東南西北4個方向分別計算半變異值。

4 結果與分析

4.1 物種組成

本次調查的道路綠地中共出現植物123種，隸屬于61科114屬，其中，人工植物31科45屬45種，野生物種49科98屬107種(表1)。由表1可知，綠地植物群落不同層次的物種組成差異較大，各層中出現的科、屬、種的數量均呈現喬木層(19科26屬26種)<灌木層(26科35屬36種)<草本層(40科78屬88種)的規律。喬木層中的植物全部為人工栽植物種；灌木層中，人工栽植的植物共有14科18屬18種，野生物種14科18屬18種；草本層中，人工栽植的共有8科11屬11種，野生物種38科76屬86種。喬、灌、草三層中人工栽植物種所占的比例分別為100.00%、53.85%和20.00%，呈依次降低的趨勢。

4.2 物種豐富度

鑒于城市道路綠地植物群落中，喬木層和灌木層人工栽植物種的比例較大、無法反映物種豐富度的自然分布規律，本文僅在群落、草本層和草本層野生三個水平上分析綠地的物種豐富度。從圖2可以看出，三個水平上植物豐富度的變化趨勢大體一致，均沿市中心向市郊方向呈波動增加的趨勢；同時，草本層與草本層野生物種豐富度的差值總體呈現出市中心區域小于郊區的特點，說明從市中心向郊區方向，栽植的草本植物種類逐漸增多。

表1 徐州城區道路綠地物種組成

圖2 城市道路綠地物種豐富度的城郊梯度變化

4.3 物種豐富度的空間分布特征

4.3.1 全局空間自相關

由表2可知，群落、草本層和野生草本層三個水平上的物種豐富度的全局Moran’s I值均大于0，介于0.4-0.6之間，說明其物種豐富度在空間上均具有正的相關性，存在空間聚集區(p<0.005)，聚集程度中等；三個水平上物種豐富度的空間相關程度由大到小依次為：群落>草本層>野生草本層。

表2 道路綠地物種豐富度的全局空間自相關分析結果

4.3.1 局部空間自相關

從相鄰綠地間物種豐富度的相關程度來看，三個水平上的物種豐富度大都沒有明顯的空間關聯(27～28個，占67.50%～70.00%)，具有顯著相關的都不足半數(表3)。其中，表現為顯著正相關的HH型(各有4個，分別占10.00%)和LL型(分別有7～8個，占17.50%～20.00%)明顯多于表現為顯著負相關的LH型(各有1個，占2.50%)和HL型(僅草本層有1個，占2.50%)。由圖3可以看出，三個水平上，物種豐富度呈HH型的集中分布在城市東部，LL型的主要分布在城市中心區域，反映了城市道路綠地物種豐富度具有明顯的東部多、中部少的分布特點。

表3 城市道路綠地物種豐富度局部空間自相關類型的統計結果

4.3.3 各向異性分析

從表4可以看出，三個水平上的物種豐富度的最優擬合模型均為高斯模型。基臺值大小順序均為群落>草本層>野生草本層，表明群落物種豐富度的空間變異程度最高，野生草本層的最低。群落和草本層的物種豐富度基臺效應值介于25%～75%之間(分別為35.64%和25.98%)，草本層野生的基臺效應值小于25%(為7.96%)，說明群落和草本層的物種豐富度都具有中等程度的空間相關性，且它們的空間差異都是由結構性和隨機性因素共同引起的；而野生草本層的物種豐富度具有較強的空間相關性，其空間變異主要是由結構性因素引起的；從基臺效應值可以看出，三個水平上物種豐富度受隨機因素影響程度的大小順序為草本層>群落>野生草本層。

由圖4可以看出，野生草本層的物種豐富度在東西南北四個方向上的半變異函數曲線呈現不同的變化規律，表明物種豐富度在不同方向上具有不同的結構性特征和內在聯系。各方向的半變異函數曲線，在整體上都呈現出隨著距離的增加，半變異值逐漸變大的趨勢。各方向半變異函數曲線的初始值基本一致，說明在距離600 m左右的范圍內，各方向上的物種豐富度的空間關聯性較為一致，隨著距離增加，各方向半變異函數曲線走勢發生分歧。東、西兩方向的半變異曲線，在距離600～2800 m左右時增幅較小，隨后增幅逐漸變大；北向的半變異曲線，在距離600～2000 m左右時，半變異值增加緩慢，在距離2000～2800 m左右時略有下降，距離在4500 m后增幅加大；南向的半變異曲線，在600～2000 m左右時，半變異值緩慢降低，在2000～2800 m左右時變大，在2800～3500 m左右時再次降低，3500 m后再次增加。

表4 綠地物種豐富度的半變異函數最優擬合模型及參數

圖4 野生草本層物種豐富度在不同方向上的半變異函數曲線

5 結語

徐州城區道路綠地的植物種類組成相對較低，每塊樣地平均出現25個物種，且1/3以上為人工栽植物種。栽植物種的比例呈現喬木層>灌木層>草本層的特點，即野生(自生)的物種更多地分布在草本層，綠地物種豐富度的變化也主要體現在草本層。可見，在城市綠地建設中，只有重視對城市綠地野生物種的保護，才能有效提高城市生物多樣性。

群落、草本層和野生草本層三個水平上的物種豐富度都隨城郊梯度而變化，也就是沿著市中心向郊區方向，物種豐富度呈逐漸增加的趨勢。而且，物種豐富度在空間分布上存在聚集區，豐富度較高的綠地明顯聚集在城市東向區域，而豐富度較低的群落則明顯集中分布在城市中心區域。物種豐富度的空間分布差異，在群落和草本層水平上受結構性因素和隨機因素的共同影響，在野生草本層水平上主要受結構性因素的影響。不同方向上，道路綠地的物種豐富度具有不同的結構性特征。總的來看，各方向半變異函數曲線的初始值基本一致，且在距離600～2000 m范圍內變化緩慢，說明在距離2000 m的范圍內各方向上的物種豐富度的空間關聯性較為一致；在2000 m之后隨著距離增加，各方向半變異函數曲線的走勢和變幅差異較大，各向異性表現突出。

城市道路綠地物種豐富度，一方面受綠地物種組成配置的影響，調查中發現大多數人工栽植的植物都能夠通過種子繁殖、傳播的途徑在城市綠地中定居下來。另一方面，受綠地周邊景觀結構的影響，景觀結構不僅反映用地結構，尤其是植物種源地的綠地多少，徐州城區道路綠地物種豐富度的高區出現在東向，這與研究范圍的東部分布有大面積的植被有關；而且，綠地周邊的景觀結構還影響著植物種子在空間上的傳播。