韓寶龍,束承繼,蔡文博,賈 倩,王效科,歐陽志云

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085 2 西南大學(xué)園藝園林學(xué)院,重慶 400100

不斷加快的城市化進(jìn)程,在緩解區(qū)域人為活動(dòng)壓力、集約利用土地資源、促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)高效發(fā)展的同時(shí),也會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響[1],如熱島效應(yīng)[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(zhì)化的城市地表環(huán)境還會(huì)導(dǎo)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(jìn)一步影響城市居民身心健康[8]。自生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)概念提出以來,城市管理者和廣大學(xué)者就城市綠地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)城市生態(tài)環(huán)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(shù)據(jù),評(píng)估了溫暖時(shí)期德國(guó)慕尼黑不同城市綠地生態(tài)系統(tǒng)的降溫效果,發(fā)現(xiàn)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(qū),地表溫度(LST)的降溫效果顯著且更強(qiáng)[9]；同樣利用地理空間數(shù)據(jù), Di等對(duì)20年來波波-迪烏拉索的城市化和LST進(jìn)行了時(shí)空上的研究,結(jié)果顯示綠色生態(tài)空間的LST確實(shí)低于鄰近不透水的城市化地區(qū)[10]；Zhang等利用北京市綠地空間第七次調(diào)查數(shù)據(jù),結(jié)合雨水徑流系數(shù)法和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法,對(duì)城市綠地減少雨水徑流的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了評(píng)估[11]；Villeneuve等利用NDVI數(shù)據(jù)和城市綠地空間數(shù)據(jù),結(jié)合加拿大死亡率數(shù)據(jù)庫(kù)的死亡記錄信息,對(duì)安大略地區(qū)綠地空間和人群致死率的關(guān)系進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)城市環(huán)境中的綠色空間與死亡率的長(zhǎng)期降低有關(guān)[12]。以上作者對(duì)于城市綠地-生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)系研究均基于城市大尺度遙感數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),從靜態(tài)角度分析特定土地利用類型對(duì)城市生態(tài)的影響,從動(dòng)態(tài)角度探討土地利用與城市生態(tài)發(fā)展的時(shí)空變化規(guī)律,這也是目前學(xué)界進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的主流方法,研究成果用于指導(dǎo)宏觀尺度上城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃的制定與修改。而在城市擴(kuò)張導(dǎo)致城市綠地破碎化的背景下,如何在微觀層面上開展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(guī)則分布的植物群落單元,既包括道路綠地、居住區(qū)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(tǒng)的基本單元,可作為研究對(duì)象以提高城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量,由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型眾多,本文所關(guān)注“城市”生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),重點(diǎn)圍繞城市人居環(huán)境需求開展,包括“緩解熱島效應(yīng)”、“調(diào)節(jié)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(hù)”；同樣,傳統(tǒng)的植被群落特征研究過于關(guān)注小尺度植物景觀美學(xué)效果,而忽略了其對(duì)城市整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的支撐功能。對(duì)植被群落特征-生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系進(jìn)行研究,諸如樹種組成、垂直結(jié)構(gòu)、分布形狀、群落面積、冠層密度等,可以從微觀[13]層面指導(dǎo)植被群落優(yōu)化,自下而上的強(qiáng)化城市綠地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,目前也已有部分學(xué)者從事這方面的研究,僅圍繞個(gè)別影響參數(shù),整體而言缺乏系統(tǒng)性。本文在大量查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,綜述了植被群落特征對(duì)于城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響機(jī)制,同時(shí)建立“植被群落特征因子對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響關(guān)系表”,對(duì)不同用地類型如何優(yōu)化植被群落特征以提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力提出了一般性原則,為今后深入開展相關(guān)研究工作奠定基礎(chǔ),為園林綠化部門的植被更新與維護(hù)提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 受植被群落特征影響的城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)依據(jù)其價(jià)值分類可概括的分為直接價(jià)值和間接價(jià)值,前者提供生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品,為人類提供食物、工業(yè)原材料、藥品等可以商品化的服務(wù)；后者支撐與維持人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境,如我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)城市產(chǎn)生的氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、水土保持、土壤肥力的更新與維持、營(yíng)養(yǎng)物的循環(huán)、二氧化碳的固定等難以商品化的服務(wù)[14]。本文主要結(jié)合植被群落特征(樹種特性、垂直結(jié)構(gòu)、水平結(jié)構(gòu)、冠層結(jié)構(gòu)等),對(duì)后者中受植被群落特征影響的城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行討論：緩解熱島效應(yīng)、調(diào)節(jié)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(hù),進(jìn)而從城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提升的角度探討植被群落優(yōu)化一般性原則。

城市熱島是指城市溫度高于周邊地區(qū)或農(nóng)村地區(qū)的一種現(xiàn)象,這種現(xiàn)象是城市化進(jìn)程中人類活動(dòng)與環(huán)境相互作用而形成的一種特殊的區(qū)域環(huán)境特征[15]。而城市綠地系統(tǒng)對(duì)于緩解城市熱島效應(yīng)具有公認(rèn)的顯著的效果。城市地表降溫增濕的實(shí)現(xiàn),主要來自于作為城市綠地系統(tǒng)基本單元的植被群落植物葉片的蒸騰作用、對(duì)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(dǎo)致了城市暴雨徑流現(xiàn)象的加劇,使得城市內(nèi)澇頻發(fā)[17],而城市綠地可從截留、蓄積、下滲等方面對(duì)降雨壓力進(jìn)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(jīng)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(diào)節(jié)徑流對(duì)污染物進(jìn)行截留,其內(nèi)部的植物組成對(duì)截留的污染物也有一定的消解作用[19]；在城市道路快速發(fā)展和居民汽車保有量持續(xù)上升的大背景下,城市交通噪音問題日益嚴(yán)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(jiǎn)便、易行、可靠的方法[20]；人居身心健康和生物多樣性指數(shù)是城市是否良性發(fā)展的重要判定指標(biāo),在城市居民自殺率上升[21]、環(huán)境污染誘發(fā)疾病頻發(fā)[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(huán)境問題的最優(yōu)解,是學(xué)界在研究城市綠地系統(tǒng)和植被群落設(shè)計(jì)時(shí)所必須要思考的。

植被群落特征對(duì)于上述6種城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給存在顯著的影響,如何進(jìn)行植被群落優(yōu)化以提升城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是值得學(xué)界思考和研究的問題。目前已有一些學(xué)者參與其中,采取不同的研究方法,對(duì)植物群落特征-城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能影響機(jī)制進(jìn)行了研究,并提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案。

2 植被群落對(duì)各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響

2.1 緩解熱島效應(yīng)

城市綠地緩解熱島效應(yīng)服務(wù)能力主要受其基本構(gòu)成單元(植被群落)的植物類型、垂直結(jié)構(gòu)、水平結(jié)構(gòu)、冠層結(jié)構(gòu)等特征影響。植物種類不同,植物葉片的蒸騰作用、對(duì)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(yīng)用儀器分析法和樣點(diǎn)實(shí)測(cè)法,對(duì)不同植物的增濕降溫能力進(jìn)行了測(cè)定比較,發(fā)現(xiàn)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(jié)的變化而動(dòng)態(tài)變化；Smithers等[25]也從樹種層面,對(duì)不同樹種在世界溫帶地區(qū)提供城市降溫的相對(duì)能力數(shù)據(jù)進(jìn)行了整合,開發(fā)出了一種實(shí)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(shù)、反射率、氣孔導(dǎo)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(jié)構(gòu)特征無疑也會(huì)對(duì)群落整體的緩解熱島效應(yīng)能力產(chǎn)生影響。植被群落結(jié)構(gòu)一般可分為垂直結(jié)構(gòu)、水平結(jié)構(gòu)和冠層結(jié)構(gòu)。垂直結(jié)構(gòu)指植物群落的垂直配置狀態(tài),成層現(xiàn)象是其最顯著的特征。按植物的生活型把植被結(jié)構(gòu)從底部到頂部劃分為地被層、草本層、灌木層和喬木層4個(gè)基本層次[26]。實(shí)測(cè)法是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者常采用的方法[26-27]。陳朱等[28]在對(duì)上海市15個(gè)公園進(jìn)行進(jìn)行樣方實(shí)測(cè)后,對(duì)喬-灌-草、喬-草、草地3類群落結(jié)構(gòu)的減溫效果進(jìn)行測(cè)定比對(duì),發(fā)現(xiàn)不同植物群落結(jié)構(gòu)類型的降溫效果確存在差異,其中喬-灌-草復(fù)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(jié)構(gòu)對(duì)降溫增濕功能的影響機(jī)制時(shí),通過對(duì)24個(gè)典型綠地群落夏季降溫增濕效果的實(shí)測(cè),也得出了類似的結(jié)論；對(duì)于喬木、灌木、草本單獨(dú)三者之間降溫能力的比較,Sodoudi等[30]通過實(shí)測(cè)結(jié)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(shí)發(fā)現(xiàn),降溫能力依次為：?jiǎn)棠尽⒐嗄?、草本。水平結(jié)構(gòu)也是在進(jìn)行植被群落設(shè)計(jì)時(shí)需著重考慮的特征。水平結(jié)構(gòu)的構(gòu)成參數(shù)主要為斑塊形狀指數(shù)、斑塊面積和斑塊周長(zhǎng)等。斑塊面積和斑塊周長(zhǎng)對(duì)降溫能力的影響機(jī)制,學(xué)界研究所得結(jié)論較為相似,均一致認(rèn)為存在正相關(guān)關(guān)系[32-35],不過仍有部分學(xué)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(yīng)[36-37],綠地斑塊的降溫效應(yīng)在面積達(dá)到某一臨界值后便會(huì)趨于平緩,其中的影響機(jī)制還有待進(jìn)一步研究,斑塊形狀指數(shù)對(duì)于植被群落降溫效應(yīng)的影響,國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究結(jié)論分歧較大,存在正相關(guān)[35-36]、無明顯相關(guān)[38]、負(fù)相關(guān)[39]三種觀點(diǎn)。冠層結(jié)構(gòu)主要包含葉面積指數(shù)、冠幅、郁閉度等參數(shù),關(guān)于這3個(gè)參數(shù)對(duì)于植被群落降溫效應(yīng)的影響研究已經(jīng)非常成熟,研究證明葉面積指數(shù)、冠幅、郁閉度3個(gè)參數(shù)[40- 43]與植被群落降溫效應(yīng)之間存在正相關(guān)關(guān)系,且葉面積指數(shù)和郁閉度存在影響閾值。

2.2 調(diào)節(jié)暴雨徑流

已經(jīng)有許多學(xué)者就植被群落特征對(duì)于徑流削減的影響機(jī)制進(jìn)行了研究。植被群落主要通過截留蓄積、土壤改造來對(duì)暴雨徑流進(jìn)行調(diào)節(jié),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(duì)8種園林喬木林冠的雨水截留作用進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)在16場(chǎng)降雨中國(guó)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(fā)現(xiàn)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(chǎn)生的截留量的差異。在樹冠特征的研究基礎(chǔ)上,部分學(xué)者對(duì)植被群落的郁閉度與截留量之間的關(guān)系進(jìn)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(duì)暴雨的截留作用就越強(qiáng)。

植被群落根系對(duì)徑流的影響主要是通過改造土壤結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的,根系的存在可以疏松土質(zhì),降雨加速下滲[49],且一般根系發(fā)達(dá)、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(yōu)先流,從而維持土壤的滲透性能[50],唐正光[51]在研究中發(fā)現(xiàn),植被群落的根系層可以顯著提高群落內(nèi)的巖土體中大孔隙的數(shù)量和規(guī)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(duì)根長(zhǎng)密度和土壤飽和持水量關(guān)系的研究,發(fā)現(xiàn)了兩者之間存在正相關(guān)關(guān)系,間接說明了根長(zhǎng)密度高的植被群落對(duì)土壤的改造能力更強(qiáng),可以更好的減少地表徑流的產(chǎn)生。

2.3 減少面源污染

由降雨引起的地表產(chǎn)流含有懸浮物、營(yíng)養(yǎng)物、重金屬、毒性有機(jī)物等污染物,若沒有截留措施干預(yù),便會(huì)進(jìn)入水體,造成面源污染[53-54]。植被群落可從削減地表產(chǎn)流、污染物凈化兩方面來對(duì)面源污染進(jìn)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(chǎn)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(jìn)行了闡述,本節(jié)將對(duì)植被群落的污染物凈化能力進(jìn)行綜述。

植被群落組成中,不同植物對(duì)于面源污染的凈化能力各不相同。Read等[55]對(duì)原產(chǎn)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)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(duì)水質(zhì)(TN、TP)的凈化能力,TN、TP 濃度(以質(zhì)量濃度計(jì))為 2.08—3.03、0.56—0.77 mg/L時(shí),不同植物對(duì)水質(zhì)的凈化能力也存在一定的差異。在另外的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究中Read等[57]更進(jìn)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(guān)系,一般來說與最長(zhǎng)根的長(zhǎng)度、生根深度、總根長(zhǎng)和根質(zhì)量有關(guān),均為正相關(guān)。另外植被群落的種植密度也對(duì)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(duì)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(jī)氮去除效果進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)1600株/hm2楊樹人工林緩沖帶對(duì)徑流水中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的去除能力最強(qiáng),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(duì)N、P的自然凈化效果時(shí),也發(fā)現(xiàn)了植物密度和TN、TP去除率之間存在正相關(guān)系；種植密度同樣對(duì)植被群落的重金屬富集能力產(chǎn)生影響,朱勝男等[60]對(duì)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢測(cè),經(jīng)方差分析發(fā)現(xiàn),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(duì)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(jìn)行了研究,從面源污染防治試驗(yàn)結(jié)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(yōu)；劉宏偉等[65]對(duì)裸土、草本、喬+草三種樣地的重金屬去除效果研究后也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)論,喬木-草本植物混合配置樣地對(duì)銅離子的去除效果穩(wěn)定, 且平均去除率最高。

所以在進(jìn)行植被群落營(yíng)建或優(yōu)化時(shí),為實(shí)現(xiàn)其減少面源污染能力的最大化,可適當(dāng)考慮選用根系發(fā)達(dá)、根質(zhì)量高的樹種,同時(shí)適當(dāng)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(jié)合的復(fù)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(gòu)成。許多學(xué)者的研究已經(jīng)證實(shí)了植被覆蓋對(duì)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(wù)方面也表現(xiàn)出樹種和結(jié)構(gòu)的差異性,通過文獻(xiàn)搜集分析,我們可從這兩方面對(duì)植被群落的降噪機(jī)制進(jìn)行綜述。

樹種對(duì)于植被群落噪音削減能力的影響主要體現(xiàn)在植物樹冠特征、分枝點(diǎn)高低和葉面積指數(shù)等特征差異上。目前,有關(guān)樹種樹冠特征對(duì)整體植被群落降噪能力的影響的研究成果存在一定的爭(zhēng)議,存在針葉樹種強(qiáng)于闊葉樹種與闊葉樹種強(qiáng)于針葉樹種兩種觀點(diǎn)。Karbalaei等[66]在對(duì)不同樹種的降噪能力研究中,發(fā)現(xiàn)在夏季闊葉樹相較于針葉樹的降噪能力更強(qiáng),但吳淑杰等[67]和張明麗等[68]在各自的研究中都認(rèn)為針葉類樹種的降噪能力要強(qiáng)于闊葉類樹種,有學(xué)者[69-70]進(jìn)一步研究了不同噪聲頻率等級(jí)條件下,不同樹種的降噪能力,發(fā)現(xiàn)對(duì)于500 Hz—2 kHz之間的噪音,降噪能力受葉片數(shù)量影響較大,所以針葉類樹種的降噪效果更好,對(duì)于2kHz以上的高頻噪音,闊葉類樹種的降噪效果更好。對(duì)于葉面積指數(shù)、分枝點(diǎn)高低與樹種降噪能力之間關(guān)系的研究,張慶費(fèi)等[71]在對(duì)上海植物園樣地進(jìn)行實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上,對(duì)葉面積指數(shù)、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(gè)潛在因子進(jìn)行相對(duì)衰減量相關(guān)性分析后發(fā)現(xiàn),葉面積指數(shù)與平均枝下高2個(gè)因子的相關(guān)性位居前兩名,且葉面積指數(shù)越高、分枝點(diǎn)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(shí),也發(fā)現(xiàn)了相似的現(xiàn)象,且枝下高和葉面積指數(shù)2個(gè)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(jié)構(gòu)特征的影響。垂直結(jié)構(gòu)上,陳龍等[73]在5個(gè)寬度級(jí)別上分別對(duì)4類不同結(jié)構(gòu)綠地樣點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè),發(fā)現(xiàn)喬灌草復(fù)合結(jié)構(gòu)的道路綠地降噪能力要強(qiáng)于純喬木結(jié)構(gòu)或純灌木結(jié)構(gòu),純草坪結(jié)構(gòu)的降噪能力最弱,Karbalaei等[66]用同樣的方法測(cè)定了不同寬度級(jí)別上不同種類構(gòu)成綠地的降噪效果,發(fā)現(xiàn)喬灌復(fù)合結(jié)構(gòu)在100 m的寬度水平上降噪效果最強(qiáng),可降低44 dB；水平結(jié)構(gòu)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(qiáng)[74]；另外, Martínez-Sala等[75]在研究中證實(shí),對(duì)植物間進(jìn)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(chǎn)生的共振和衍射有關(guān),而明雷等[76]進(jìn)一步研究重慶主城區(qū)常見三種道路景觀植物的降噪效果后發(fā)現(xiàn),對(duì)單一植物種, 植物間交叉排列的綠化帶對(duì)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,植被群落特征對(duì)人居身心健康服務(wù)影響的研究起步較晚,城市居民壓力伴隨著城市化的發(fā)展不斷增加,越來越多的研究證實(shí)了人群身心健康與植被群落間存在正向關(guān)系[77],兩者之間的影響機(jī)理研究目前多集中在綠視率、芬多精以及生態(tài)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(píng)價(jià)公園綠道植被群落康養(yǎng)能力的主要因子,綠視率越高,植被群落康養(yǎng)能力得分越高,Boers等[79]以荷蘭烏特勒支為例,利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)研究了當(dāng)?shù)鼐裾系K患者的居住環(huán)境,發(fā)現(xiàn)綠色空間小、綠視率低的區(qū)域,精神障礙患者人數(shù)較高,從側(cè)面證實(shí)了綠視率與人群身心健康之間的正向關(guān)系,Nutsford等[80]通過對(duì)新西蘭焦慮/情緒障礙治療數(shù)量與綠地距離和社區(qū)內(nèi)綠地比例之間的關(guān)系進(jìn)行研究后,發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律,綠地可達(dá)性越高、社區(qū)綠地比例越高,焦慮/情緒障礙治療數(shù)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(xì)胞在自然狀態(tài)下釋放出的, 可對(duì)其他有機(jī)體產(chǎn)生影響的揮發(fā)性或非揮發(fā)性的氣態(tài)有機(jī)物VOCs, 它可以增強(qiáng)人體免疫力, 明顯抑制癌細(xì)胞生長(zhǎng), 具有特殊的醫(yī)學(xué)功能[81],林靜等[82]采樣測(cè)定了五種康養(yǎng)植物芬多精成分及含量,發(fā)現(xiàn)芬多精對(duì)環(huán)境保護(hù)和人體保健具有殺菌抑菌、凈化空氣、調(diào)節(jié)人體生理指標(biāo)等生態(tài)功能,Lim等[83]通過提取日本扁柏的芬多精經(jīng)過實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),芬多精可以有效地抑制血管平滑肌細(xì)胞的增殖和遷移,而后者正是動(dòng)脈粥樣硬化和血管成形術(shù)后再狹窄發(fā)生、發(fā)展的重要原因, Hiroaki等[84]在芬多精溶液的黑色素抑制效應(yīng)研究中發(fā)現(xiàn),芬多精溶液對(duì)于生物體的黑色素生成具有抑制作用。

重工業(yè)大發(fā)展背景下部分城市空氣質(zhì)量急劇下降,由此引發(fā)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(diào)查了巴塞羅那的39所學(xué)校校內(nèi)綠化度和空氣污染指數(shù),經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),學(xué)校內(nèi)部和周邊的綠化程度與學(xué)校內(nèi)部和周邊的空氣污染水平呈負(fù)相關(guān),政策制定者和健康專家應(yīng)從綠化角度出發(fā)出臺(tái)政策降低學(xué)生因空氣污染暴露的致死率,Shen等[22]以臺(tái)灣地區(qū)為研究對(duì)象,采用偏最小二乘模型,探討植被群落結(jié)構(gòu)特征通過凈化空氣污染物對(duì)呼吸道疾病致死率產(chǎn)生的不同影響,發(fā)現(xiàn)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(guān)系后發(fā)現(xiàn),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(jié)構(gòu)層次越豐富,對(duì)呼吸健康的效益就越大。

2.6 生物多樣性保護(hù)

城市生物多樣性是植被群落質(zhì)量的重要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),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(shí)現(xiàn)城市擴(kuò)張過程中的人與自然和諧發(fā)展,需為城市生物多樣性保護(hù)創(chuàng)造適宜的生境條件。植被群落作為城市綠地系統(tǒng)的基本組成單元,其特征的改變會(huì)第一時(shí)間影響到生物的棲息狀態(tài),我們可從食源性植物、入侵植物風(fēng)險(xiǎn)、植物多樣性三方面探討植被群落特征對(duì)生物多樣性保護(hù)的影響。

食源植物不僅可以為鳥類等動(dòng)物提供棲息之地,還對(duì)動(dòng)物的生存與繁殖具有重要作用。冼麗鏵等[87]調(diào)查了廣州市12處城市綠地食源樹種的應(yīng)用,觀察鳥類及蜂蝶類的取食情 況,發(fā)現(xiàn)其主要取食部位為植物的花蜜、果實(shí)與嫩葉,觀賞與被取食的時(shí)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(tài)性的基礎(chǔ)上,對(duì)于鳥類等動(dòng)物的取食具有重要的意義,根據(jù)王勇等[88]對(duì)植被群落種類組成以及對(duì)鳥類等動(dòng)物的研究,在城市生態(tài)系統(tǒng)中,對(duì)食源植物的合理利用和開發(fā)不僅有助于形成視覺、聽覺、嗅覺相結(jié)合的生態(tài)景觀,豐富市民的感官和體驗(yàn)感,還有利于鳥類等動(dòng)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(duì)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、植被結(jié)構(gòu)和食物資源的可得性進(jìn)行了量化分析,運(yùn)用路徑分析法分析了它們對(duì)所有鳥類、食腐動(dòng)物和食蟲動(dòng)物物種豐富性的直接和間接影響,發(fā)現(xiàn)植被結(jié)構(gòu)和食物資源的可得性對(duì)生物物種豐富度模式具有顯著的影響。

隨著全國(guó)各地貿(mào)易往來的不斷頻繁以及人們對(duì)觀賞植物資源的引種、培育和利用,植被群落結(jié)構(gòu)不斷豐富,城市生物多樣性逐漸增加,大量外來植物被引進(jìn)到城市之中[90]。但由于全國(guó)各地不同植物所需的生長(zhǎng)環(huán)境不同,許多植物及其品種在引種后使得城市中鄉(xiāng)土植物失去一定程度的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì),對(duì)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(huì)造成城市中生物多樣性減少的現(xiàn)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(fā)現(xiàn),入侵植物上的昆蟲的豐富度通常較低；van Hengstum等[95]認(rèn)為入侵植物會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)貏?dòng)植物群落產(chǎn)生重大影響,且對(duì)56項(xiàng)關(guān)于植物入侵對(duì)節(jié)肢動(dòng)物群落豐富度影響的研究進(jìn)行了元分析,發(fā)現(xiàn)節(jié)肢動(dòng)物多樣性的喪失通常與植物物種豐富度的喪失直接相關(guān),而入侵植物的擴(kuò)散是多樣性和豐富度降低的主要驅(qū)動(dòng)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(hù)。Heyman[96]在瑞典西南部的韋斯特拉-戈塔蘭縣進(jìn)行的管理試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),如果大面積清除林下植物,會(huì)對(duì)鳥類的數(shù)量產(chǎn)生負(fù)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(diào)查示范草原建立2年、4年和6年后土壤微生物和土壤動(dòng)物群的表現(xiàn),研究植物多樣性和關(guān)鍵功能群的存在對(duì)土壤生物群的影響變化,發(fā)現(xiàn)植物的多樣性,從物種和數(shù)量上來說,對(duì)微生物多樣性是一個(gè)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(gè)案,同時(shí)先取市內(nèi)有代表性的5個(gè)生態(tài)園林區(qū)作對(duì)比進(jìn)行植物多樣性調(diào)查,計(jì)算物種多樣性指數(shù)(SW指數(shù)),并把計(jì)算結(jié)果分別與園區(qū)內(nèi)其它生物多樣性的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)鳥類、其他小型動(dòng)物的種類數(shù)隨植物SW指數(shù)上升呈現(xiàn)增高趨勢(shì),即植物多樣性決定動(dòng)物物種豐富程度。

2.7 總結(jié)

在進(jìn)行城市生態(tài)空間與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系研究時(shí),土地利用/土地覆蓋(LULC)憑借獲取的便捷性、呈現(xiàn)的直觀性,一直被廣泛運(yùn)用,研究成果的應(yīng)用多停留在指導(dǎo)宏觀層面的綠地系統(tǒng)規(guī)劃,而在城市綠地斑塊逐漸破碎化的趨勢(shì)下,為實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能穩(wěn)步提升,微觀層面的植被群落優(yōu)化研究應(yīng)受到重視。

從上述內(nèi)容看,植被群落特征對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響因子可以歸為兩大類：樹種與結(jié)構(gòu),其中樹種因子又包含葉面積指數(shù)、分枝點(diǎn)高低、根系特征、樹冠特征、化學(xué)物質(zhì)生成等若干因子,結(jié)構(gòu)因子包含垂直結(jié)構(gòu)、水平結(jié)構(gòu)、冠層結(jié)構(gòu)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(yīng),葉面積指數(shù)、冠幅、郁閉度、群落面積和周長(zhǎng)等參數(shù)與植被群落的降溫效應(yīng)均存在正向關(guān)系,不過葉面積指數(shù)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(guān),所以可通過加強(qiáng)植被群落的截留蓄積能力同時(shí)增強(qiáng)調(diào)節(jié)暴雨徑流服務(wù)與減少面源污染服務(wù),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(qiáng),此外,根系強(qiáng)弱、根長(zhǎng)密度大小與群落的調(diào)節(jié)暴雨徑流服務(wù)能力之間存在正向關(guān)系,最長(zhǎng)根的長(zhǎng)度、生根深度、總根長(zhǎng)和根質(zhì)量與群落的減少面源污染服務(wù)能力之間存在正向關(guān)系,且科學(xué)的群落種植密度與多層次配置模式也可增強(qiáng)群落的減少面源污染服務(wù)能力；樹種層面,植被群落對(duì)交通噪音的削減能力主要受植物體分枝點(diǎn)高度、葉面積指數(shù)和樹冠特征的影響,且低分枝點(diǎn)、高葉面積指數(shù)的植物具有更強(qiáng)的噪音削減能力,而面對(duì)不同的噪音頻率時(shí),不同樹冠特征的植物表現(xiàn)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(fā)量的植物體對(duì)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(guān)系,除此之外,外來入侵植物對(duì)本地生態(tài)環(huán)境的破壞,打破原有的生態(tài)平衡,會(huì)造成生物多樣性降低,而在科學(xué)合理的樹種規(guī)劃指導(dǎo)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(huán)境,進(jìn)而增加了生物多樣性。

在進(jìn)行以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提升為目的的植被群落優(yōu)化時(shí),需遵循整體最優(yōu)原則,即以群落主體功能為主,制定優(yōu)化方案調(diào)整植被群落內(nèi)部各項(xiàng)特征因子,實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的整體提升。除以上綜述內(nèi)容介紹的各服務(wù)主要影響因子,在查閱大量學(xué)術(shù)研究成果的基礎(chǔ)上,編制表1說明城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)-植被群落特征因子關(guān)系表,可為今后植被群落營(yíng)建與更新提供技術(shù)指導(dǎo)。

3 討論

城市綠地破碎化背景下如何提升城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)成為廣大學(xué)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(tǒng)遙感數(shù)據(jù)研究城市生態(tài)系統(tǒng)變化以指導(dǎo)宏觀層面的綠地系統(tǒng)規(guī)劃外,學(xué)者們還需關(guān)注微觀尺度的植被群落數(shù)據(jù),研究植被群落特征差異與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化之間的關(guān)系,從微觀層面指導(dǎo)城市管理者制定完善的植被群落整體優(yōu)化策略,也為宏觀尺度的綠地系統(tǒng)規(guī)劃的有效實(shí)施奠定基礎(chǔ)。相關(guān)的研究嘗試與成果已經(jīng)出現(xiàn),張德順等[99]以上海市為例建立了 “植物功能性狀-生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)”評(píng)價(jià)框架,為園林樹種的選擇和樹種規(guī)劃提供了一種客觀理性的方法；Lavorel等[100]通過對(duì)法國(guó)阿爾卑斯山中部Villar d′Are`ne南面山坡生態(tài)空間進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn),基于非生物變量和植物特征構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估模型,相較于單純LULC數(shù)據(jù)更能精細(xì)地表現(xiàn)相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)屬性。本文綜述了目前學(xué)界關(guān)于植被群落特征如何影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的主流觀點(diǎn),多為定性研究,將來或許可以進(jìn)一步探索參數(shù)化、空間化后的植被群落特征與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的量化關(guān)系?；谝陨蟽?nèi)容,在符合景觀要求的條件下,面向生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提升的植被群落優(yōu)化可遵循以下幾個(gè)原則：

表1 植被群落特征因子對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響關(guān)系表

(1)在以緩解熱島效應(yīng)服務(wù)為主體功能的城市區(qū)域,如分布在城市內(nèi)的山體、公園、綠地等,進(jìn)行植被群落構(gòu)建時(shí),在樹種規(guī)劃上應(yīng)選擇高反射率、高氣孔導(dǎo)度的樹種,垂直方向豐富群落結(jié)構(gòu)層次,水平方向盡可能擴(kuò)大群落配置面積,適當(dāng)提高種植密度和喬木覆蓋度,冠層結(jié)構(gòu)上增加葉面積指數(shù)、郁閉度和冠幅,同時(shí)林緣線設(shè)計(jì)不應(yīng)執(zhí)著于規(guī)則式延伸,適當(dāng)結(jié)合自然,收放自如。

(2)在以暴雨徑流調(diào)節(jié)為主體功能的城市區(qū)域,如降水集中區(qū)域、臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)、城市低洼區(qū)域等,進(jìn)行植被群落構(gòu)建時(shí),樹種規(guī)劃上應(yīng)選擇根系發(fā)達(dá)的深根性針葉樹種,采用多層次、復(fù)合式群落配置模式,水平結(jié)構(gòu)上適當(dāng)提高群落面積、種植密度、喬木覆蓋度,冠層結(jié)構(gòu)上增加葉面積指數(shù)、郁閉度和冠幅。

(3)在以減少面源污染為主體功能的城市區(qū)域,如農(nóng)業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)等,面向截留蓄積能力提升的植被群落構(gòu)建方法與暴雨徑流調(diào)節(jié)植被群落構(gòu)建方法相同,此外,應(yīng)考慮長(zhǎng)度、生根深度、總根長(zhǎng)和根質(zhì)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(qū)域,如城市主干道、鐵路、車站旁,進(jìn)行植被群落構(gòu)建時(shí),樹種規(guī)劃上應(yīng)選擇分枝點(diǎn)較低的樹種,同時(shí)根據(jù)實(shí)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(fù)合式群落配置模式,水平方向除了適當(dāng)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(yōu),冠層結(jié)構(gòu)上同前四種服務(wù)一樣,增加葉面積指數(shù)、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(qū)域,如醫(yī)院、養(yǎng)老院、居民社區(qū)、學(xué)校等,進(jìn)行植被群落構(gòu)建時(shí),樹種規(guī)劃上應(yīng)選擇芬多精揮發(fā)含量豐富的樹種,垂直方向進(jìn)行群落配置時(shí),應(yīng)提高群落綠視率。

(6)在以生物多樣性保護(hù)為主體功能的城市區(qū)域,如城市公園綠地、郊野森林公園、居住區(qū)游園等,進(jìn)行植被群落構(gòu)建時(shí),基于人與自然和諧共生理念,樹種規(guī)劃上應(yīng)考慮植物的可食性,花、果、葉等可為生物提供食物來源,同時(shí)要重視入侵植物的防治工作,維護(hù)群落內(nèi)部的生態(tài)穩(wěn)定性,此外,應(yīng)科學(xué)的提高群落內(nèi)植物多樣性,為更多的生物提供合適的生存環(huán)境。

(7)在進(jìn)行面向城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提升的植被群落優(yōu)化時(shí),要遵循整體最優(yōu)原則,同時(shí)兼顧實(shí)地的主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。許多生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提升的群落優(yōu)化方案存在相似性,在進(jìn)行實(shí)際群落構(gòu)建時(shí)可統(tǒng)籌考慮,共同提升。