蘇州穹窿山植物群落特征及其體感舒適度*

李婷芳 王利芬 劉 婷 高海青

1 蘇州大學金螳螂建筑學院 蘇州 215000

2 蘇州大學-蘇州園科生態建設集團建筑與城市環境協同創新中心 蘇州 215000

目前對于森林植物群落特征和體感舒適度的研究備受學者關注[1-2],張峰等[3]通過對山西歷山自然保護區的植物多樣性的研究,得出海拔與物種多樣性的關系為正相關等結論。陳曉熹[4]對廣東青云山自然保護區的森林植物群落進行了研究,調查共有木本植物216種,群落類型5個。烏日吉夫[5]將招虎山森林植物群落分為6種類型并計算其物種多樣性,結果發現共有61種喬木、116種灌木,6種群落的物種多樣性均不相同。姜宗香[6]研究了重慶市主城區公園綠地的群落結構、類型等與人體舒適度之間的關系,得出植物群落主要通過降低環境溫度影響人體舒適度。周俊靈[7]從群落基本特征、林內景觀評價、人體舒適度、空氣顆粒物濃度等方面研究了福州國家森林公園夏季風景林,結果表明,風景林的林型不同,對人體舒適度的影響也不同,夏季風景林的人體舒適度與溫度關系密切。陳澤良[2]通過研究得出廈門城郊森林公園內胸徑大的林分對風速有顯著的降低作用,平均胸徑、平均樹高與空氣顆粒物濃度成負相關但不顯著。

穹窿山有 “蘇州第一山”的美稱,穹窿山的植物是蘇州野生植物的重要組成部分。近年來,學者對穹窿山的自然資源[8]、植物資源[9]、植物群落組成與群落演替[10]進行了廣泛研究,但對于穹窿山植物群落特征與體感舒適度的調查研究較少。因此本文對穹窿山內的紫楠林、櫟類林、松林、毛竹林這4類主要植物群落的特征進行調查,并綜合評價不同植物群落的體感舒適度,以期為提升森林的保健功能和園林綠化植物配置提供理論依據。

1 研究地概況

穹窿山位于江蘇省蘇州市西郊,是蘇州西部丘陵的一部分。地貌屬于剝蝕、侵蝕的低山丘陵,山勢渾圓,坡度多為20°～25°。土壤以黃棕壤為主,偏酸性,pH5.0～5.5。年平均溫度15.9℃,7～8月溫度最高,均溫28.3℃,1月最低,均溫2.9℃～3.4℃;年平均降水量約1110mm,常年盛行東南風;無霜期為245d,短期寒害較常發生,年平均相對濕度為80%。穹窿山地屬北亞熱帶南緣,地帶性植被為常綠、落葉闊葉林,是繼江西廬山、安徽黃山、天目山以北出現的罕見的以木荷、紫楠為建群種的典型常綠落葉闊葉混交林種[8]。目前的植被是遭受破壞后恢復的次生植被,主要包括森林、灌叢兩類,森林包括常綠落葉闊葉混交林 (紫楠林)、落葉闊葉混交林 (櫟類林)、針葉林 (松林)及竹林 (毛竹林),其中紫楠林所在的茅蓬塢是蘇州唯一殘存的天然次生林[10]。

2 研究對象與方法

研究選取以紫楠、櫟、毛竹、松為主要樹種的4類群落為研究對象,每類群落選擇的樣方大小為10m×10m,重復3次,共計12個樣方。

2.1 調查方法

對12個樣方內的喬木 (胸徑≥2cm)進行調查,統計物種名稱、數量、樹高和胸徑等。在每個10m×10m的樣方內設置2個2m×2m的小樣方作為灌木層和草本層樣方,并統計灌木和草本的物種名稱、高度和蓋度等。在每個10m×10m的樣地內使用風速儀 (Testo410-2,生產企業為德圖儀器國際貿易 (上海)有限公司)、空氣質量檢測儀 (CEMDT-9880,生產企業為深圳市華盛昌科技實業股份有限公司)測量群落內的風速、溫度、相對濕度、空氣顆粒物數量,在距地面1.5m處進行測量 (測量風速在距地面2.0m處)。每個樣地內部分別選取3個不同位置 (每兩個位置的間距≥2m)進行測量,記錄數據并計算均值。

2.2 數據分析方法

1)物種重要值。重要值表示在群落中某物種優勢度的高低[11],能夠體現群落中某物種的地位及作用[12]。分別計算出每一塊樣地中喬木、灌木、草本物種的重要值,計算公式為[13]:喬木樹種重要值=(相對多度+相對高度+相對優勢度)/3;灌木樹種重要值=(相對密度+相對蓋度)/2;草本樹種重要值=(相對密度+相對蓋度)/2。其中,相對多度 (或密度)為某一種的個體數與所有種的總個體數之比;相對高度為某一種的高度之和與所有物種的總高度之比;相對蓋度為某一種的蓋度與所有種的總蓋度之比;相對優勢度為某一種的胸高斷面積之和與所有種的總胸高斷面積之比。

2)物種多樣性。測定的物種多樣性指標為物種豐富度指數 (S)、Simpson多樣性指數 (D)、Shannon-Wiener多樣性指數 (H)和Pielou均勻度指數 (J)[14-15]:S=樣地內的物種數量;D=1-H=-∑PilnPi;J=H/lnS。其中,Pi為樣方內某物種的個體數與樣方中所有物種數總和之比,S為樣方內的物種數量。

3)空氣顆粒物。空氣顆粒物是指在空氣中懸浮的固體微粒物質。使用空氣質量檢測儀測量空氣中直徑分別為2.5um的顆粒物,重復3次。通過測量的數據分別得出4種群落中的PM2.5數值,并將其與一、二級濃度限值對比[16]。

4)體感舒適度等級。通過溫度、相對濕度、風速這3種數據綜合評價體感舒適度等級(S)[17]:S=0.6×|T-24|+0.07×|HR-70|+0.5×|V-2|。其中,S代表綜合舒適度指數,T代表溫度 (℃),HR代表相對濕度 (%),V代表距地面2.0m高處風速 (m·s-1)。體感舒適度等級劃分標準為S≤4.55表示 “很舒適”,4.55＜S≤6.95表示 “舒適”,6.95＜S≤9.00表示 “不舒適”,S＞9.00表示 “極不舒適”。

5)數據處理。用Excel2013和SPSS18.0進行數據處理和統計分析。

3 結果與分析

3.1 不同植物群落結構特征

植物群落的結構特征包括群落內植物的種類、重要值和物種多樣性。

3.1.1 不同植物群落中植物種類與重要值

在調查的紫楠林中共有10種植物的重要值大于10.00%(表1),隸屬9科10屬:喬木有4種,按重要值大小排序為紫楠 (Phoebesheareri)＞櫸樹 (Zelkovaserrata)＞栓皮櫟 (Quercusvariabilis)＞香樟 (Cinnamomumcamphora),其中紫楠的平均高度為10.01m,平均胸徑為10.32cm;灌木有4種,按重要值大小排序為杜鵑 (Rhododendronsimsii)＞南天竹 (Nandinadomestica)＞箬竹(Indocalamustessellatus)＞八角金盤 (Fatsia japonica),杜鵑的平均高度為75.09cm;草本有2種,按重要值大小排序為毛花點草 (Nanocnidelobata)＞過路黃 (Lysimachiachristinae),毛花點草的平均高度為20.83cm。

櫟類林中共有10種植物的重要值大于10.00%(表1),隸屬9科9屬:喬木共有5種,按重要值大小排序為白櫟 (Quercus fabri) ＞櫸樹＞栓皮櫟＞構樹 (Broussonetiapapyrifera)＞楓香,白櫟的平均高度為20.78m,平均胸徑為55.50cm;灌木共有2種,按重要值排序為苧麻 (Boehmeria nivea)＞常春藤,苧麻的平均高度為69.95cm;草本有3種,按重要值大小排序為野芝麻＞毛花點草＞薤白 (Alliummacrostemon),野芝麻的平均高度為41.67cm。

毛竹林中共有3種植物的重要值大于10.00%(表1),隸屬2科3屬:分別是毛竹、絡石、牛筋草,毛竹的重要值高達93.37%。毛竹的平均高度為11.82m,平均胸徑為7.54cm,絡石的平均高度為18.81cm,牛筋草的平均高度為31.51cm。

松林中共有4種植物的重要值大于10.00%(表1),隸屬4科4屬:分別為馬尾松、絡石、紅花檵木 (Loropetalumchinensevar.rubrum)和黑足鱗毛蕨。馬尾松的平均高度為16.81m,平均胸徑為18.39cm,絡石的平均高度為13.80cm,黑足鱗毛蕨的平均高度為29.99cm。

3.1.2 不同植物群落中的物種多樣性

紫楠林、櫟類林、松林、毛竹林喬木層的S,D,H,J值如表2所示。在物種豐富度指數 (S)方面,櫟類林和松林的S值最高,達到了13;其次為紫楠林,毛竹林最低。在Simpson多樣性指數 (D)方面,從大到小依次為櫟類林、紫楠林、松林、毛竹林;櫟類林的D值為0.86,毛竹林的D值為 0.06。在 Shannon-Wiener多樣性指數(H)方面,櫟類林喬木的H值最高,達到了2.19;其次為松林、紫楠林,毛竹林最低,為0.18。在Pielou均勻度指數 (J)方面,從大到小依次為櫟類林、紫楠林、松林、毛竹林;櫟類林的J值達到了0.91,毛竹林為0.10。

綜上可知,櫟類林和松林喬木層的S值最高,櫟類林喬木層的D值、H值和J值最高,毛竹林喬木層的S,D,H,J值均最低。

3.2 不同植物群落中空氣顆粒物濃度

從圖1可知,紫楠林、櫟類林、松林、毛竹林植物群落內部的PM2.5濃度均處在一級濃度限值(35ug·m-3)與二級濃度限值 (75ug·m-3)之間,其中紫楠林內部的PM2.5濃度最高,為(47.00±3.30)ug·m-3,櫟類林內部的PM2.5濃度最低,為 (36.50±0.24)ug·m-3,松林為(42.50±9.66)ug·m-3,毛竹林為 (43.50±3.07)ug·m-3,但四者相差不顯著。

表1 不同植物群落中主要物種及重要值%

表2 不同植物群落物種多樣性指數

圖1 不同植物群落的空氣顆粒物濃度

植物對空氣中的顆粒物有較強的吸附作用,因此能夠在一定程度上降低空氣的顆粒物濃度[18]。森林群落的空氣質量良好,對人體健康有一定的益處。

3.3 不同植物群落的體感舒適度

紫楠林、櫟類林、松林、毛竹林的體感舒適度等級均為 “很舒適”,體感舒適度指數均小于4.55(表3)。紫楠林的平均綜合舒適度指數為3.01,櫟類林為1.97,松林為2.09,毛竹林為3.48,其中,櫟類林的綜合舒適度指數最低,表明舒適程度最高,毛竹林的綜合舒適度指數最高,表明舒適程度最低,但4類群落差異并不顯著。

根據表3數據可知,綜合舒適度指數大小與平均溫度、距地面2.0m高處平均風速大小呈正相關趨勢,與相對濕度大小呈負相關趨勢。又因為綜合舒適度指數大小與體感舒適度成反比,所以體感舒適度越高的植物群落在降低環境溫度、增加空氣濕度、降低風速的方面效果越好。

表3 不同植物群落的體感舒適度

4 結論與討論

4類植物群落中,紫楠林中紫楠的重要值最高,櫟類林中白櫟和栓皮櫟的重要值最高,毛竹林中毛竹的重要值最高,松林中馬尾松的重要值最高,均為群落中的絕對優勢種。

在物種多樣性方面,櫟類林和松林喬木層的物種豐富度指數最高,其次是紫楠林;櫟類林喬木層的多樣性指數和均勻度指數最高,松林和紫楠林喬木層的多樣性指數和均勻度指數位于第二層次;毛竹林喬木層的物種豐富度指數、多樣性指數和均勻度指數均為最低。因為物種豐富度指數能夠體現某一生境內物種的豐富程度,物種多樣性指數能夠反映某一生境內群落的復雜程度[12],所以群落的物種豐富度指數越高,其物種越豐富;物種多樣性指數越高,群落越復雜。由此可知,在4類植物群落中,櫟類林物種最豐富,群落最復雜;毛竹林物種最少,群落最簡單;其次為松林、紫楠林。

所測群落的PM2.5濃度均在一、二級濃度限值之間,群落內部空氣質量優良的順序為:櫟類林＞松林＞毛竹林＞紫楠林,但相差并不顯著,表明森林群落空氣質量優良。

在體感舒適度等級方面,4類植物群落均為“很舒適”,舒適度高低順序為:櫟類林＞松林＞紫楠林＞毛竹林,但四者差異不顯著。由此可知,穹窿山的環境良好舒適,有利于人們的身體健康。

張明麗等[19]在對上海市植物群落降溫增濕效果的研究中得出,結構越復雜的群落降溫增濕作用越明顯;王憬帆[20]通過研究北京植物群落對人體舒適度的影響,得出群落植物結構越復雜,改善氣候和人體舒適度的效果越好。以上研究結果與本研究得出的規律類似:本研究中4種植物群落的物種豐富度指數與植物群落的體感舒適度呈極顯著負相關 (r=-0.993**),多樣性指數D,H與體感舒適度也呈明顯的負相關關系 (r=-0.833和r=-0.884)。櫟類林喬木層的物種最豐富、群落最復雜 (物種豐富度指數和多樣性指數最高),因此,櫟類林降溫增濕和降低風速的效果最好而體感舒適度最高;而毛竹林喬木層的物種豐富度指數和多樣性指數均為最低,即在4類群落中其物種最少、結構最簡單,因此毛竹林的降溫增濕、降低風速作用最弱,體感舒適度最低;其次為松林、紫楠林。

穹窿山的植物種類較為豐富,物種豐富度、多樣性、均勻度均較高,對蘇州市園林綠化和植物群落配置有一定的借鑒意義。景區內野生植物資源和鄉土樹種豐富,如毛竹、野栗、楓香、榔榆等,可以對其進行適當的開發 (在城市中的園林綠地加以種植),有利于豐富植物種類和提高植物群落的穩定性。此外,還可在園林綠化中增加觀花植物的運用,如穹窿山景區內的毛鵑、白鵑梅、諸葛菜等,合理配置喬灌草,使植物群落的垂直結構層次更加豐富。