植被群落特征對城市生態系統服務的影響研究進展

韓寶龍,束承繼,蔡文博,賈 倩,王效科,歐陽志云

1 中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 西南大學園藝園林學院,重慶 400100

不斷加快的城市化進程,在緩解區域人為活動壓力、集約利用土地資源、促進城市經濟高效發展的同時,也會對生態環境產生負面影響[1],如熱島效應[2]、交通噪音[3]、暴雨徑流[4]以及由此引起的面源污染[5]等問題；不僅如此,高度硬質化的城市地表環境還會導致城市的生物多樣性的降低[6]、植物景觀功能削弱[7]等,從而進一步影響城市居民身心健康[8]。自生態系統服務概念提出以來,城市管理者和廣大學者就城市綠地生態系統對城市生態環境問題緩解作用開展了許多研究,已取得較多研究成果。Alavipanah等利用遙感和土地利用/土地覆蓋(LULC)數據,評估了溫暖時期德國慕尼黑不同城市綠地生態系統的降溫效果,發現城市植被的降溫效果是非線性的,且植被覆蓋比例在70%到80%之間的地區,地表溫度(LST)的降溫效果顯著且更強[9]；同樣利用地理空間數據, Di等對20年來波波-迪烏拉索的城市化和LST進行了時空上的研究,結果顯示綠色生態空間的LST確實低于鄰近不透水的城市化地區[10]；Zhang等利用北京市綠地空間第七次調查數據,結合雨水徑流系數法和經濟評價方法,對城市綠地減少雨水徑流的經濟效益進行了評估[11]；Villeneuve等利用NDVI數據和城市綠地空間數據,結合加拿大死亡率數據庫的死亡記錄信息,對安大略地區綠地空間和人群致死率的關系進行了研究,發現城市環境中的綠色空間與死亡率的長期降低有關[12]。以上作者對于城市綠地-生態系統服務的關系研究均基于城市大尺度遙感數據和統計數據,從靜態角度分析特定土地利用類型對城市生態的影響,從動態角度探討土地利用與城市生態發展的時空變化規律,這也是目前學界進行生態系統服務研究的主流方法,研究成果用于指導宏觀尺度上城市綠地系統規劃的制定與修改。而在城市擴張導致城市綠地破碎化的背景下,如何在微觀層面上開展生態系統服務提升工作,值得思考。

“植被群落”泛指城市中常見的、具有明顯邊界的、按照一定規則分布的植物群落單元,既包括道路綠地、居住區綠地、公園綠地等,也包括城市郊野自然林地。植被群落作為組成城市綠地系統的基本單元,可作為研究對象以提高城市生態系統服務質量,由于生態系統服務類型眾多,本文所關注“城市”生態系統服務,重點圍繞城市人居環境需求開展,包括“緩解熱島效應”、“調節暴雨徑流”、“減少面源污染”、“削減交通噪音”、“人居身心健康”、“生物多樣性保護”；同樣,傳統的植被群落特征研究過于關注小尺度植物景觀美學效果,而忽略了其對城市整體生態系統服務的支撐功能。對植被群落特征-生態系統服務關系進行研究,諸如樹種組成、垂直結構、分布形狀、群落面積、冠層密度等,可以從微觀[13]層面指導植被群落優化,自下而上的強化城市綠地生態系統服務功能,目前也已有部分學者從事這方面的研究,僅圍繞個別影響參數,整體而言缺乏系統性。本文在大量查閱國內外相關研究結果的基礎上,綜述了植被群落特征對于城市生態系統服務功能的影響機制,同時建立“植被群落特征因子對城市生態系統服務影響關系表”,對不同用地類型如何優化植被群落特征以提高生態系統服務供給能力提出了一般性原則,為今后深入開展相關研究工作奠定基礎,為園林綠化部門的植被更新與維護提供科學指導。

1 受植被群落特征影響的城市生態系統服務

生態系統服務依據其價值分類可概括的分為直接價值和間接價值,前者提供生態系統產品,為人類提供食物、工業原材料、藥品等可以商品化的服務；后者支撐與維持人類賴以生存的生態環境,如我國生態系統對城市產生的氣候調節、水源涵養、水土保持、土壤肥力的更新與維持、營養物的循環、二氧化碳的固定等難以商品化的服務[14]。本文主要結合植被群落特征(樹種特性、垂直結構、水平結構、冠層結構等),對后者中受植被群落特征影響的城市生態系統服務進行討論：緩解熱島效應、調節暴雨徑流、減少面源污染、消減交通噪音、人居身心健康和生物多樣性保護,進而從城市生態系統服務提升的角度探討植被群落優化一般性原則。

城市熱島是指城市溫度高于周邊地區或農村地區的一種現象,這種現象是城市化進程中人類活動與環境相互作用而形成的一種特殊的區域環境特征[15]。而城市綠地系統對于緩解城市熱島效應具有公認的顯著的效果。城市地表降溫增濕的實現,主要來自于作為城市綠地系統基本單元的植被群落植物葉片的蒸騰作用、對太陽輻射的吸收反射作用以及群落整體的遮蔽降溫作用[16]；高速城市化的過程中,不透水地表面積的增加改變了城市下墊面條件,導致了城市暴雨徑流現象的加劇,使得城市內澇頻發[17],而城市綠地可從截留、蓄積、下滲等方面對降雨壓力進行緩解,而緩解能力則受基本單元植被群落特征的影響；面源污染一般是指污染物經過降雨或融雪的徑流,被沖刷和自然攜帶到河流、湖泊、濕地、濱岸和地下水中所形成的污染[18],而城市綠地不僅可以通過調節徑流對污染物進行截留,其內部的植物組成對截留的污染物也有一定的消解作用[19]；在城市道路快速發展和居民汽車保有量持續上升的大背景下,城市交通噪音問題日益嚴重,亟需解決。切斷傳播途徑是目前較為常見的解決措施,與修建聲屏障、防噪堤的高成本和低普及性相比,綠化帶消減交通噪音則成為一種簡便、易行、可靠的方法[20]；人居身心健康和生物多樣性指數是城市是否良性發展的重要判定指標,在城市居民自殺率上升[21]、環境污染誘發疾病頻發[22]、生物多樣性降低[23]等背景下,如何求得人與生物在城市中生活環境問題的最優解,是學界在研究城市綠地系統和植被群落設計時所必須要思考的。

植被群落特征對于上述6種城市生態系統服務的供給存在顯著的影響,如何進行植被群落優化以提升城市生態系統服務功能是值得學界思考和研究的問題。目前已有一些學者參與其中,采取不同的研究方法,對植物群落特征-城市生態系統服務功能影響機制進行了研究,并提出了相應的優化方案。

2 植被群落對各類生態系統服務的影響

2.1 緩解熱島效應

城市綠地緩解熱島效應服務能力主要受其基本構成單元(植被群落)的植物類型、垂直結構、水平結構、冠層結構等特征影響。植物種類不同,植物葉片的蒸騰作用、對太陽輻射的吸收反射作用及樹冠的遮蔽降溫作用也不盡相同。陳麗文等[16]和李鳳霞等[24]在各自的研究中分別應用儀器分析法和樣點實測法,對不同植物的增濕降溫能力進行了測定比較,發現不同植物在城市局部微氣候中降溫增濕的能力存在差異,且隨著季節的變化而動態變化；Smithers等[25]也從樹種層面,對不同樹種在世界溫帶地區提供城市降溫的相對能力數據進行了整合,開發出了一種實用的方法來選擇那些在這方面有最大潛力的樹種。這些植物增濕降溫能力的差異主要源自于它們冠幅、葉面積指數、反射率、氣孔導度等特征差異。

植被群落作為不同種類植物組成的綜合體,其結構特征無疑也會對群落整體的緩解熱島效應能力產生影響。植被群落結構一般可分為垂直結構、水平結構和冠層結構。垂直結構指植物群落的垂直配置狀態,成層現象是其最顯著的特征。按植物的生活型把植被結構從底部到頂部劃分為地被層、草本層、灌木層和喬木層4個基本層次[26]。實測法是目前國內外學者常采用的方法[26-27]。陳朱等[28]在對上海市15個公園進行進行樣方實測后,對喬-灌-草、喬-草、草地3類群落結構的減溫效果進行測定比對,發現不同植物群落結構類型的降溫效果確存在差異,其中喬-灌-草復合型降溫效果最好；高吉喜等[29]在研究北京城市綠地群落結構對降溫增濕功能的影響機制時,通過對24個典型綠地群落夏季降溫增濕效果的實測,也得出了類似的結論；對于喬木、灌木、草本單獨三者之間降溫能力的比較,Sodoudi等[30]通過實測結合ENVI-met模型模擬以及Duncan等[31]通過遙感影像研究不同植被類型的降溫程度時發現,降溫能力依次為：喬木、灌木、草本。水平結構也是在進行植被群落設計時需著重考慮的特征。水平結構的構成參數主要為斑塊形狀指數、斑塊面積和斑塊周長等。斑塊面積和斑塊周長對降溫能力的影響機制,學界研究所得結論較為相似,均一致認為存在正相關關系[32-35],不過仍有部分學者在研究過程中注意到了植被斑塊面積與降溫能力之間的閾值效應[36-37],綠地斑塊的降溫效應在面積達到某一臨界值后便會趨于平緩,其中的影響機制還有待進一步研究,斑塊形狀指數對于植被群落降溫效應的影響,國內外學者研究結論分歧較大,存在正相關[35-36]、無明顯相關[38]、負相關[39]三種觀點。冠層結構主要包含葉面積指數、冠幅、郁閉度等參數,關于這3個參數對于植被群落降溫效應的影響研究已經非常成熟,研究證明葉面積指數、冠幅、郁閉度3個參數[40- 43]與植被群落降溫效應之間存在正相關關系,且葉面積指數和郁閉度存在影響閾值。

2.2 調節暴雨徑流

已經有許多學者就植被群落特征對于徑流削減的影響機制進行了研究。植被群落主要通過截留蓄積、土壤改造來對暴雨徑流進行調節,受樹冠特征、郁閉度、根系特征等諸多因素的影響。

其中截留蓄積可分為林冠截留和枯落物截留兩部分。游宇等[44]對8種園林喬木林冠的雨水截留作用進行研究,發現在16場降雨中國槐、雪松及銀杏的總林冠截留體積明顯大于其他 5 種樹木,且在不同降雨量條件下,針葉喬木林冠截留率始終高于大型和小型闊葉喬木；而尹劍紅[45]在11種園林地被植物冠層截留特征的研究中,也發現了單位面積條件下,不同園林地被植物因冠層特征的不同產生的截留量的差異。在樹冠特征的研究基礎上,部分學者對植被群落的郁閉度與截留量之間的關系進行了研究[46-48],研究表明植被群落郁閉度越大,林冠和枯落物對暴雨的截留作用就越強。

植被群落根系對徑流的影響主要是通過改造土壤結構來實現的,根系的存在可以疏松土質,降雨加速下滲[49],且一般根系發達、須根粗壯的植物能通過膨脹、延伸等作用在土壤中形成大孔隙通道,并能延伸至土壤表面形成優先流,從而維持土壤的滲透性能[50],唐正光[51]在研究中發現,植被群落的根系層可以顯著提高群落內的巖土體中大孔隙的數量和規模,從而大大提高了巖土體的降雨入滲能力；李建興等[52]也通過對根長密度和土壤飽和持水量關系的研究,發現了兩者之間存在正相關關系,間接說明了根長密度高的植被群落對土壤的改造能力更強,可以更好的減少地表徑流的產生。

2.3 減少面源污染

由降雨引起的地表產流含有懸浮物、營養物、重金屬、毒性有機物等污染物,若沒有截留措施干預,便會進入水體,造成面源污染[53-54]。植被群落可從削減地表產流、污染物凈化兩方面來對面源污染進行控制,其效果受植物種類、種植密度、群落層次等因素制約。削減地表產流2.2部分已從植被群落的截留蓄積和土壤改造兩方面進行了闡述,本節將對植被群落的污染物凈化能力進行綜述。

植被群落組成中,不同植物對于面源污染的凈化能力各不相同。Read等[55]對原產于澳大利亞的20種植物的水污染物(總氮(TN)、總磷(TP))凈化效果進行了實驗研究,發現各植物間的凈化能力存在顯著差異；楊帆等[56]研究了10種不同植物對水質(TN、TP)的凈化能力,TN、TP 濃度(以質量濃度計)為 2.08—3.03、0.56—0.77 mg/L時,不同植物對水質的凈化能力也存在一定的差異。在另外的一項實驗研究中Read等[57]更進一步提出了不同植物種類間根系特征差異與面源污染凈化能力差異之間的關系,一般來說與最長根的長度、生根深度、總根長和根質量有關,均為正相關。另外植被群落的種植密度也對其面源污染控制能力有一定影響,呂建等[58]在河岸緩沖帶對三種種植密度(400株/hm2、1000株/hm2和1600株/hm2)的楊樹人工林的無機氮去除效果進行了研究,發現1600株/hm2楊樹人工林緩沖帶對徑流水中銨態氮和硝態氮的去除能力最強,而400株/hm2緩沖帶去除效果較差；胡穎[59]在研究河流、溝渠旁植物群落對N、P的自然凈化效果時,也發現了植物密度和TN、TP去除率之間存在正相關系；種植密度同樣對植被群落的重金屬富集能力產生影響,朱勝男等[60]對30 m×20 m、25 m×20 m、20 m×20 m 3種不同種植行間距的紫蘇群落鉛富集能力進行了實驗檢測,經方差分析發現,鉛富集量總體上隨種植密度的增大而增大。另外,植物群落配置方式也是制約面源污染控制能力的因素之一[61-63],吳健等[64]對草+灌、草+喬、草+灌+喬三種配置方式的固體懸浮物、TN、TP三種面源污染的去除效果進行了研究,從面源污染防治試驗結果來看,選擇的三種植被組合模式以草+灌+喬的群落配置模式為最優；劉宏偉等[65]對裸土、草本、喬+草三種樣地的重金屬去除效果研究后也發現了類似的結論,喬木-草本植物混合配置樣地對銅離子的去除效果穩定, 且平均去除率最高。

所以在進行植被群落營建或優化時,為實現其減少面源污染能力的最大化,可適當考慮選用根系發達、根質量高的樹種,同時適當增大種植密度,且盡量避免群落植物生活型單一化,可采用喬+灌+草結合的復合式群落配置模式。

2.4 削減交通噪音

城市中交通噪音主要由來往車輛的喇叭聲、胎噪及道路施工等組分構成。許多學者的研究已經證實了植被覆蓋對于交通噪音的削減作用[66-68]。同樣的,植被群落在交通噪音削減服務方面也表現出樹種和結構的差異性,通過文獻搜集分析,我們可從這兩方面對植被群落的降噪機制進行綜述。

樹種對于植被群落噪音削減能力的影響主要體現在植物樹冠特征、分枝點高低和葉面積指數等特征差異上。目前,有關樹種樹冠特征對整體植被群落降噪能力的影響的研究成果存在一定的爭議,存在針葉樹種強于闊葉樹種與闊葉樹種強于針葉樹種兩種觀點。Karbalaei等[66]在對不同樹種的降噪能力研究中,發現在夏季闊葉樹相較于針葉樹的降噪能力更強,但吳淑杰等[67]和張明麗等[68]在各自的研究中都認為針葉類樹種的降噪能力要強于闊葉類樹種,有學者[69-70]進一步研究了不同噪聲頻率等級條件下,不同樹種的降噪能力,發現對于500 Hz—2 kHz之間的噪音,降噪能力受葉片數量影響較大,所以針葉類樹種的降噪效果更好,對于2kHz以上的高頻噪音,闊葉類樹種的降噪效果更好。對于葉面積指數、分枝點高低與樹種降噪能力之間關系的研究,張慶費等[71]在對上海植物園樣地進行實測的基礎上,對葉面積指數、平均枝下高、平均高度、蓋度、平均冠幅、平均間距、裸地率、平均胸徑8個潛在因子進行相對衰減量相關性分析后發現,葉面積指數與平均枝下高2個因子的相關性位居前兩名,且葉面積指數越高、分枝點越低,降噪效果越好,巴成寶[72]利用回歸分析研究不同大小喬木植株減噪能力時,也發現了相似的現象,且枝下高和葉面積指數2個因子與減噪能力之間的R2分別為0.964和0.953。

植被群落的降噪能力也受結構特征的影響。垂直結構上,陳龍等[73]在5個寬度級別上分別對4類不同結構綠地樣點進行實測,發現喬灌草復合結構的道路綠地降噪能力要強于純喬木結構或純灌木結構,純草坪結構的降噪能力最弱,Karbalaei等[66]用同樣的方法測定了不同寬度級別上不同種類構成綠地的降噪效果,發現喬灌復合結構在100 m的寬度水平上降噪效果最強,可降低44 dB；水平結構上,綠地的降噪能力主要受寬度影響,一般來說綠地寬度越大,其降噪能力就越強[74]；另外, Martínez-Sala等[75]在研究中證實,對植物間進行合理的排列、布置可以有效地改善它們的隔聲降噪能力, 這與聲波在傳播中與植物帶枝葉所產生的共振和衍射有關,而明雷等[76]進一步研究重慶主城區常見三種道路景觀植物的降噪效果后發現,對單一植物種, 植物間交叉排列的綠化帶對交通噪聲的衰減效果比平行排列好。

2.5 人居身心健康

相較于上述生態系統服務功能,植被群落特征對人居身心健康服務影響的研究起步較晚,城市居民壓力伴隨著城市化的發展不斷增加,越來越多的研究證實了人群身心健康與植被群落間存在正向關系[77],兩者之間的影響機理研究目前多集中在綠視率、芬多精以及生態效益提升帶來的疾病降低3方面。

黃俐琳等[78]將綠視率作為評價公園綠道植被群落康養能力的主要因子,綠視率越高,植被群落康養能力得分越高,Boers等[79]以荷蘭烏特勒支為例,利用統計數據研究了當地精神障礙患者的居住環境,發現綠色空間小、綠視率低的區域,精神障礙患者人數較高,從側面證實了綠視率與人群身心健康之間的正向關系,Nutsford等[80]通過對新西蘭焦慮/情緒障礙治療數量與綠地距離和社區內綠地比例之間的關系進行研究后,發現了同樣的規律,綠地可達性越高、社區綠地比例越高,焦慮/情緒障礙治療數量越低。

芬多精(phytoncidere), 又名植物殺菌素 (phytoncide), 是指植物的花、葉、木材、根、芽等油性細胞在自然狀態下釋放出的, 可對其他有機體產生影響的揮發性或非揮發性的氣態有機物VOCs, 它可以增強人體免疫力, 明顯抑制癌細胞生長, 具有特殊的醫學功能[81],林靜等[82]采樣測定了五種康養植物芬多精成分及含量,發現芬多精對環境保護和人體保健具有殺菌抑菌、凈化空氣、調節人體生理指標等生態功能,Lim等[83]通過提取日本扁柏的芬多精經過實驗后發現,芬多精可以有效地抑制血管平滑肌細胞的增殖和遷移,而后者正是動脈粥樣硬化和血管成形術后再狹窄發生、發展的重要原因, Hiroaki等[84]在芬多精溶液的黑色素抑制效應研究中發現,芬多精溶液對于生物體的黑色素生成具有抑制作用。

重工業大發展背景下部分城市空氣質量急劇下降,由此引發的呼吸道疾病成為目前城市居民所要面臨的重大致死疾病之一。Dadvand等[85]調查了巴塞羅那的39所學校校內綠化度和空氣污染指數,經研究發現,學校內部和周邊的綠化程度與學校內部和周邊的空氣污染水平呈負相關,政策制定者和健康專家應從綠化角度出發出臺政策降低學生因空氣污染暴露的致死率,Shen等[22]以臺灣地區為研究對象,采用偏最小二乘模型,探討植被群落結構特征通過凈化空氣污染物對呼吸道疾病致死率產生的不同影響,發現通過增加植被群落的最大綠色斑塊百分比可以降低肺炎和慢性呼吸道疾病的死亡率,熊林云[86]在研究上海市郊城市綠地特性與居民呼吸健康關系后發現,居民所在周邊綠地植被覆蓋度越高,居民呼吸健康狀況越好,且植被群落結構層次越豐富,對呼吸健康的效益就越大。

2.6 生物多樣性保護

城市生物多樣性是植被群落質量的重要評判標準,不斷升高的硬化地表面積擠壓了原有城市生物生存空間。為實現城市擴張過程中的人與自然和諧發展,需為城市生物多樣性保護創造適宜的生境條件。植被群落作為城市綠地系統的基本組成單元,其特征的改變會第一時間影響到生物的棲息狀態,我們可從食源性植物、入侵植物風險、植物多樣性三方面探討植被群落特征對生物多樣性保護的影響。

食源植物不僅可以為鳥類等動物提供棲息之地,還對動物的生存與繁殖具有重要作用。冼麗鏵等[87]調查了廣州市12處城市綠地食源樹種的應用,觀察鳥類及蜂蝶類的取食情 況,發現其主要取食部位為植物的花蜜、果實與嫩葉,觀賞與被取食的時間主要集中在春夏季,以香樟、羊蹄甲、木槿、海桐等植物為主；食源植物在兼顧觀賞性和生態性的基礎上,對于鳥類等動物的取食具有重要的意義,根據王勇等[88]對植被群落種類組成以及對鳥類等動物的研究,在城市生態系統中,對食源植物的合理利用和開發不僅有助于形成視覺、聽覺、嗅覺相結合的生態景觀,豐富市民的感官和體驗感,還有利于鳥類等動物的生存繁殖,豐富城市生物多樣性；Ferger等[89]以坦桑尼亞的乞力馬扎羅山為例,沿海拔870—4550 m的梯度記錄了鳥類物種的豐富性,并對當地的氣候條件、植被結構和食物資源的可得性進行了量化分析,運用路徑分析法分析了它們對所有鳥類、食腐動物和食蟲動物物種豐富性的直接和間接影響,發現植被結構和食物資源的可得性對生物物種豐富度模式具有顯著的影響。

隨著全國各地貿易往來的不斷頻繁以及人們對觀賞植物資源的引種、培育和利用,植被群落結構不斷豐富,城市生物多樣性逐漸增加,大量外來植物被引進到城市之中[90]。但由于全國各地不同植物所需的生長環境不同,許多植物及其品種在引種后使得城市中鄉土植物失去一定程度的生長優勢,對城市生物多樣性具有極大危害, 如馬纓丹[91]、野罌粟[92]、含羞草等[92],會造成城市中生物多樣性減少的現象[93]。Bezemer等[94]比較受入侵植物影響生境中本地植物和入侵植物上的昆蟲多樣性分布后發現,入侵植物上的昆蟲的豐富度通常較低；van Hengstum等[95]認為入侵植物會對當地動植物群落產生重大影響,且對56項關于植物入侵對節肢動物群落豐富度影響的研究進行了元分析,發現節肢動物多樣性的喪失通常與植物物種豐富度的喪失直接相關,而入侵植物的擴散是多樣性和豐富度降低的主要驅動因素。

植物是組成植被群落空間的基本單元,多樣化的植物組成也有助于植被群落生物多樣性的保護。Heyman[96]在瑞典西南部的韋斯特拉-戈塔蘭縣進行的管理試驗中發現,如果大面積清除林下植物,會對鳥類的數量產生負面影響,且與“成片”清理的地塊相比,“完全”清除林下的地塊,林下繁殖鳥的總密度下降更多；Eisenhauer等[97]通過調查示范草原建立2年、4年和6年后土壤微生物和土壤動物群的表現,研究植物多樣性和關鍵功能群的存在對土壤生物群的影響變化,發現植物的多樣性,從物種和數量上來說,對微生物多樣性是一個非常重要的因素,且功能群落豐富度,是影響土壤生物群落的最重要的植物群落屬性；彭李菁等[98]選取廣州市信園為研究個案,同時先取市內有代表性的5個生態園林區作對比進行植物多樣性調查,計算物種多樣性指數(SW指數),并把計算結果分別與園區內其它生物多樣性的調查結果進行分析,發現鳥類、其他小型動物的種類數隨植物SW指數上升呈現增高趨勢,即植物多樣性決定動物物種豐富程度。

2.7 總結

在進行城市生態空間與生態系統服務關系研究時,土地利用/土地覆蓋(LULC)憑借獲取的便捷性、呈現的直觀性,一直被廣泛運用,研究成果的應用多停留在指導宏觀層面的綠地系統規劃,而在城市綠地斑塊逐漸破碎化的趨勢下,為實現生態系統服務功能穩步提升,微觀層面的植被群落優化研究應受到重視。

從上述內容看,植被群落特征對生態系統服務的影響因子可以歸為兩大類：樹種與結構,其中樹種因子又包含葉面積指數、分枝點高低、根系特征、樹冠特征、化學物質生成等若干因子,結構因子包含垂直結構、水平結構、冠層結構等若干因子。植被群落主要通過植物體的蒸騰作用與群落整體的遮蔽作用緩解熱島效應,葉面積指數、冠幅、郁閉度、群落面積和周長等參數與植被群落的降溫效應均存在正向關系,不過葉面積指數和郁閉度存在影響閾值；暴雨徑流與面源污染均與降雨量有關,所以可通過加強植被群落的截留蓄積能力同時增強調節暴雨徑流服務與減少面源污染服務,針葉喬木林冠截留率普遍大于大型和小型闊葉喬木,郁閉度越高,群落截留蓄積能力也就越強,此外,根系強弱、根長密度大小與群落的調節暴雨徑流服務能力之間存在正向關系,最長根的長度、生根深度、總根長和根質量與群落的減少面源污染服務能力之間存在正向關系,且科學的群落種植密度與多層次配置模式也可增強群落的減少面源污染服務能力；樹種層面,植被群落對交通噪音的削減能力主要受植物體分枝點高度、葉面積指數和樹冠特征的影響,且低分枝點、高葉面積指數的植物具有更強的噪音削減能力,而面對不同的噪音頻率時,不同樹冠特征的植物表現不一,500 Hz—2 kHz之間的噪音,針葉類樹種的降噪效果更好, 2 kHz以上的高頻噪音,闊葉類樹種的降噪效果更好；在提升城市人居身心健康方面,高芬多精揮發量的植物體對人群生理健康具有更好的改善效果,高綠視率的城市綠地可以極大的改善城市居民的精神心里狀況,而高植被覆蓋度可以明顯的降低肺炎和慢性呼吸道疾病的死亡率；城市生物多樣性與城市所用樹種中食源植物的占比同樣存在正向關系,除此之外,外來入侵植物對本地生態環境的破壞,打破原有的生態平衡,會造成生物多樣性降低,而在科學合理的樹種規劃指導下,增加植物物種多樣性為更多的潛在適生生物提供了合適的生活環境,進而增加了生物多樣性。

在進行以生態系統服務提升為目的的植被群落優化時,需遵循整體最優原則,即以群落主體功能為主,制定優化方案調整植被群落內部各項特征因子,實現生態系統服務的整體提升。除以上綜述內容介紹的各服務主要影響因子,在查閱大量學術研究成果的基礎上,編制表1說明城市生態系統服務-植被群落特征因子關系表,可為今后植被群落營建與更新提供技術指導。

3 討論

城市綠地破碎化背景下如何提升城市生態系統服務成為廣大學者與城市管理者所面臨的一大難題。除了基于土地利用/植被覆蓋、NDVI、NPP等傳統遙感數據研究城市生態系統變化以指導宏觀層面的綠地系統規劃外,學者們還需關注微觀尺度的植被群落數據,研究植被群落特征差異與生態系統服務變化之間的關系,從微觀層面指導城市管理者制定完善的植被群落整體優化策略,也為宏觀尺度的綠地系統規劃的有效實施奠定基礎。相關的研究嘗試與成果已經出現,張德順等[99]以上海市為例建立了 “植物功能性狀-生態系統服務”評價框架,為園林樹種的選擇和樹種規劃提供了一種客觀理性的方法；Lavorel等[100]通過對法國阿爾卑斯山中部Villar d′Are`ne南面山坡生態空間進行研究后發現,基于非生物變量和植物特征構建的生態系統服務評估模型,相較于單純LULC數據更能精細地表現相關的生態系統屬性。本文綜述了目前學界關于植被群落特征如何影響生態系統服務的主流觀點,多為定性研究,將來或許可以進一步探索參數化、空間化后的植被群落特征與生態系統服務之間的量化關系。基于以上內容,在符合景觀要求的條件下,面向生態系統服務提升的植被群落優化可遵循以下幾個原則：

表1 植被群落特征因子對城市生態系統服務影響關系表

(1)在以緩解熱島效應服務為主體功能的城市區域,如分布在城市內的山體、公園、綠地等,進行植被群落構建時,在樹種規劃上應選擇高反射率、高氣孔導度的樹種,垂直方向豐富群落結構層次,水平方向盡可能擴大群落配置面積,適當提高種植密度和喬木覆蓋度,冠層結構上增加葉面積指數、郁閉度和冠幅,同時林緣線設計不應執著于規則式延伸,適當結合自然,收放自如。

(2)在以暴雨徑流調節為主體功能的城市區域,如降水集中區域、臺風多發區、城市低洼區域等,進行植被群落構建時,樹種規劃上應選擇根系發達的深根性針葉樹種,采用多層次、復合式群落配置模式,水平結構上適當提高群落面積、種植密度、喬木覆蓋度,冠層結構上增加葉面積指數、郁閉度和冠幅。

(3)在以減少面源污染為主體功能的城市區域,如農業區、工業區等,面向截留蓄積能力提升的植被群落構建方法與暴雨徑流調節植被群落構建方法相同,此外,應考慮長度、生根深度、總根長和根質量較大的污染凈化能力較高的樹種。

(4)在以削減交通噪音為主體功能的城市區域,如城市主干道、鐵路、車站旁,進行植被群落構建時,樹種規劃上應選擇分枝點較低的樹種,同時根據實地噪聲頻率,選擇針葉樹種(500 Hz—2 kHz)或闊葉樹種(2 kHz以上),垂直方向采用多層次、復合式群落配置模式,水平方向除了適當提高群落面積、種植密度和喬木覆蓋度外,排列方式以交叉排列為優,冠層結構上同前四種服務一樣,增加葉面積指數、郁閉度和冠幅。

(5)在以維持人居身心健康為主體功能的城市區域,如醫院、養老院、居民社區、學校等,進行植被群落構建時,樹種規劃上應選擇芬多精揮發含量豐富的樹種,垂直方向進行群落配置時,應提高群落綠視率。

(6)在以生物多樣性保護為主體功能的城市區域,如城市公園綠地、郊野森林公園、居住區游園等,進行植被群落構建時,基于人與自然和諧共生理念,樹種規劃上應考慮植物的可食性,花、果、葉等可為生物提供食物來源,同時要重視入侵植物的防治工作,維護群落內部的生態穩定性,此外,應科學的提高群落內植物多樣性,為更多的生物提供合適的生存環境。

(7)在進行面向城市生態系統服務提升的植被群落優化時,要遵循整體最優原則,同時兼顧實地的主要生態系統服務功能。許多生態系統服務提升的群落優化方案存在相似性,在進行實際群落構建時可統籌考慮,共同提升。