苏州穹窿山植物群落特征及其体感舒适度*

李婷芳 王利芬 刘 婷 高海青

1 苏州大学金螳螂建筑学院 苏州 215000

2 苏州大学-苏州园科生态建设集团建筑与城市环境协同创新中心 苏州 215000

目前对于森林植物群落特征和体感舒适度的研究备受学者关注[1-2],张峰等[3]通过对山西历山自然保护区的植物多样性的研究,得出海拔与物种多样性的关系为正相关等结论。陈晓熹[4]对广东青云山自然保护区的森林植物群落进行了研究,调查共有木本植物216种,群落类型5个。乌日吉夫[5]将招虎山森林植物群落分为6种类型并计算其物种多样性,结果发现共有61种乔木、116种灌木,6种群落的物种多样性均不相同。姜宗香[6]研究了重庆市主城区公园绿地的群落结构、类型等与人体舒适度之间的关系,得出植物群落主要通过降低环境温度影响人体舒适度。周俊灵[7]从群落基本特征、林内景观评价、人体舒适度、空气颗粒物浓度等方面研究了福州国家森林公园夏季风景林,结果表明,风景林的林型不同,对人体舒适度的影响也不同,夏季风景林的人体舒适度与温度关系密切。陈泽良[2]通过研究得出厦门城郊森林公园内胸径大的林分对风速有显著的降低作用,平均胸径、平均树高与空气颗粒物浓度成负相关但不显著。

穹窿山有 “苏州第一山”的美称,穹窿山的植物是苏州野生植物的重要组成部分。近年来,学者对穹窿山的自然资源[8]、植物资源[9]、植物群落组成与群落演替[10]进行了广泛研究,但对于穹窿山植物群落特征与体感舒适度的调查研究较少。因此本文对穹窿山内的紫楠林、栎类林、松林、毛竹林这4类主要植物群落的特征进行调查,并综合评价不同植物群落的体感舒适度,以期为提升森林的保健功能和园林绿化植物配置提供理论依据。

1 研究地概况

穹窿山位于江苏省苏州市西郊,是苏州西部丘陵的一部分。地貌属于剥蚀、侵蚀的低山丘陵,山势浑圆,坡度多为20°～25°。土壤以黄棕壤为主,偏酸性,pH5.0～5.5。年平均温度15.9℃,7～8月温度最高,均温28.3℃,1月最低,均温2.9℃～3.4℃;年平均降水量约1110mm,常年盛行东南风;无霜期为245d,短期寒害较常发生,年平均相对湿度为80%。穹窿山地属北亚热带南缘,地带性植被为常绿、落叶阔叶林,是继江西庐山、安徽黄山、天目山以北出现的罕见的以木荷、紫楠为建群种的典型常绿落叶阔叶混交林种[8]。目前的植被是遭受破坏后恢复的次生植被,主要包括森林、灌丛两类,森林包括常绿落叶阔叶混交林 (紫楠林)、落叶阔叶混交林 (栎类林)、针叶林 (松林)及竹林 (毛竹林),其中紫楠林所在的茅蓬坞是苏州唯一残存的天然次生林[10]。

2 研究对象与方法

研究选取以紫楠、栎、毛竹、松为主要树种的4类群落为研究对象,每类群落选择的样方大小为10m×10m,重复3次,共计12个样方。

2.1 调查方法

对12个样方内的乔木 (胸径≥2cm)进行调查,统计物种名称、数量、树高和胸径等。在每个10m×10m的样方内设置2个2m×2m的小样方作为灌木层和草本层样方,并统计灌木和草本的物种名称、高度和盖度等。在每个10m×10m的样地内使用风速仪 (Testo410-2,生产企业为德图仪器国际贸易 (上海)有限公司)、空气质量检测仪 (CEMDT-9880,生产企业为深圳市华盛昌科技实业股份有限公司)测量群落内的风速、温度、相对湿度、空气颗粒物数量,在距地面1.5m处进行测量 (测量风速在距地面2.0m处)。每个样地内部分别选取3个不同位置 (每两个位置的间距≥2m)进行测量,记录数据并计算均值。

2.2 数据分析方法

1)物种重要值。重要值表示在群落中某物种优势度的高低[11],能够体现群落中某物种的地位及作用[12]。分别计算出每一块样地中乔木、灌木、草本物种的重要值,计算公式为[13]:乔木树种重要值=(相对多度+相对高度+相对优势度)/3;灌木树种重要值=(相对密度+相对盖度)/2;草本树种重要值=(相对密度+相对盖度)/2。其中,相对多度 (或密度)为某一种的个体数与所有种的总个体数之比;相对高度为某一种的高度之和与所有物种的总高度之比;相对盖度为某一种的盖度与所有种的总盖度之比;相对优势度为某一种的胸高断面积之和与所有种的总胸高断面积之比。

2)物种多样性。测定的物种多样性指标为物种丰富度指数 (S)、Simpson多样性指数 (D)、Shannon-Wiener多样性指数 (H)和Pielou均匀度指数 (J)[14-15]:S=样地内的物种数量;D=1-H=-∑PilnPi;J=H/lnS。其中,Pi为样方内某物种的个体数与样方中所有物种数总和之比,S为样方内的物种数量。

3)空气颗粒物。空气颗粒物是指在空气中悬浮的固体微粒物质。使用空气质量检测仪测量空气中直径分别为2.5um的颗粒物,重复3次。通过测量的数据分别得出4种群落中的PM2.5数值,并将其与一、二级浓度限值对比[16]。

4)体感舒适度等级。通过温度、相对湿度、风速这3种数据综合评价体感舒适度等级(S)[17]:S=0.6×|T-24|+0.07×|HR-70|+0.5×|V-2|。其中,S代表综合舒适度指数,T代表温度 (℃),HR代表相对湿度 (%),V代表距地面2.0m高处风速 (m·s-1)。体感舒适度等级划分标准为S≤4.55表示 “很舒适”,4.55＜S≤6.95表示 “舒适”,6.95＜S≤9.00表示 “不舒适”,S＞9.00表示 “极不舒适”。

5)数据处理。用Excel2013和SPSS18.0进行数据处理和统计分析。

3 结果与分析

3.1 不同植物群落结构特征

植物群落的结构特征包括群落内植物的种类、重要值和物种多样性。

3.1.1 不同植物群落中植物种类与重要值

在调查的紫楠林中共有10种植物的重要值大于10.00%(表1),隶属9科10属:乔木有4种,按重要值大小排序为紫楠 (Phoebesheareri)＞榉树 (Zelkovaserrata)＞栓皮栎 (Quercusvariabilis)＞香樟 (Cinnamomumcamphora),其中紫楠的平均高度为10.01m,平均胸径为10.32cm;灌木有4种,按重要值大小排序为杜鹃 (Rhododendronsimsii)＞南天竹 (Nandinadomestica)＞箬竹(Indocalamustessellatus)＞八角金盘 (Fatsia japonica),杜鹃的平均高度为75.09cm;草本有2种,按重要值大小排序为毛花点草 (Nanocnidelobata)＞过路黄 (Lysimachiachristinae),毛花点草的平均高度为20.83cm。

栎类林中共有10种植物的重要值大于10.00%(表1),隶属9科9属:乔木共有5种,按重要值大小排序为白栎 (Quercus fabri) ＞榉树＞栓皮栎＞构树 (Broussonetiapapyrifera)＞枫香,白栎的平均高度为20.78m,平均胸径为55.50cm;灌木共有2种,按重要值排序为苎麻 (Boehmeria nivea)＞常春藤,苎麻的平均高度为69.95cm;草本有3种,按重要值大小排序为野芝麻＞毛花点草＞薤白 (Alliummacrostemon),野芝麻的平均高度为41.67cm。

毛竹林中共有3种植物的重要值大于10.00%(表1),隶属2科3属:分别是毛竹、络石、牛筋草,毛竹的重要值高达93.37%。毛竹的平均高度为11.82m,平均胸径为7.54cm,络石的平均高度为18.81cm,牛筋草的平均高度为31.51cm。

松林中共有4种植物的重要值大于10.00%(表1),隶属4科4属:分别为马尾松、络石、红花檵木 (Loropetalumchinensevar.rubrum)和黑足鳞毛蕨。马尾松的平均高度为16.81m,平均胸径为18.39cm,络石的平均高度为13.80cm,黑足鳞毛蕨的平均高度为29.99cm。

3.1.2 不同植物群落中的物种多样性

紫楠林、栎类林、松林、毛竹林乔木层的S,D,H,J值如表2所示。在物种丰富度指数 (S)方面,栎类林和松林的S值最高,达到了13;其次为紫楠林,毛竹林最低。在Simpson多样性指数 (D)方面,从大到小依次为栎类林、紫楠林、松林、毛竹林;栎类林的D值为0.86,毛竹林的D值为 0.06。在 Shannon-Wiener多样性指数(H)方面,栎类林乔木的H值最高,达到了2.19;其次为松林、紫楠林,毛竹林最低,为0.18。在Pielou均匀度指数 (J)方面,从大到小依次为栎类林、紫楠林、松林、毛竹林;栎类林的J值达到了0.91,毛竹林为0.10。

综上可知,栎类林和松林乔木层的S值最高,栎类林乔木层的D值、H值和J值最高,毛竹林乔木层的S,D,H,J值均最低。

3.2 不同植物群落中空气颗粒物浓度

从图1可知,紫楠林、栎类林、松林、毛竹林植物群落内部的PM2.5浓度均处在一级浓度限值(35ug·m-3)与二级浓度限值 (75ug·m-3)之间,其中紫楠林内部的PM2.5浓度最高,为(47.00±3.30)ug·m-3,栎类林内部的PM2.5浓度最低,为 (36.50±0.24)ug·m-3,松林为(42.50±9.66)ug·m-3,毛竹林为 (43.50±3.07)ug·m-3,但四者相差不显著。

表1 不同植物群落中主要物种及重要值%

表2 不同植物群落物种多样性指数

图1 不同植物群落的空气颗粒物浓度

植物对空气中的颗粒物有较强的吸附作用,因此能够在一定程度上降低空气的颗粒物浓度[18]。森林群落的空气质量良好,对人体健康有一定的益处。

3.3 不同植物群落的体感舒适度

紫楠林、栎类林、松林、毛竹林的体感舒适度等级均为 “很舒适”,体感舒适度指数均小于4.55(表3)。紫楠林的平均综合舒适度指数为3.01,栎类林为1.97,松林为2.09,毛竹林为3.48,其中,栎类林的综合舒适度指数最低,表明舒适程度最高,毛竹林的综合舒适度指数最高,表明舒适程度最低,但4类群落差异并不显著。

根据表3数据可知,综合舒适度指数大小与平均温度、距地面2.0m高处平均风速大小呈正相关趋势,与相对湿度大小呈负相关趋势。又因为综合舒适度指数大小与体感舒适度成反比,所以体感舒适度越高的植物群落在降低环境温度、增加空气湿度、降低风速的方面效果越好。

表3 不同植物群落的体感舒适度

4 结论与讨论

4类植物群落中,紫楠林中紫楠的重要值最高,栎类林中白栎和栓皮栎的重要值最高,毛竹林中毛竹的重要值最高,松林中马尾松的重要值最高,均为群落中的绝对优势种。

在物种多样性方面,栎类林和松林乔木层的物种丰富度指数最高,其次是紫楠林;栎类林乔木层的多样性指数和均匀度指数最高,松林和紫楠林乔木层的多样性指数和均匀度指数位于第二层次;毛竹林乔木层的物种丰富度指数、多样性指数和均匀度指数均为最低。因为物种丰富度指数能够体现某一生境内物种的丰富程度,物种多样性指数能够反映某一生境内群落的复杂程度[12],所以群落的物种丰富度指数越高,其物种越丰富;物种多样性指数越高,群落越复杂。由此可知,在4类植物群落中,栎类林物种最丰富,群落最复杂;毛竹林物种最少,群落最简单;其次为松林、紫楠林。

所测群落的PM2.5浓度均在一、二级浓度限值之间,群落内部空气质量优良的顺序为:栎类林＞松林＞毛竹林＞紫楠林,但相差并不显著,表明森林群落空气质量优良。

在体感舒适度等级方面,4类植物群落均为“很舒适”,舒适度高低顺序为:栎类林＞松林＞紫楠林＞毛竹林,但四者差异不显著。由此可知,穹窿山的环境良好舒适,有利于人们的身体健康。

张明丽等[19]在对上海市植物群落降温增湿效果的研究中得出,结构越复杂的群落降温增湿作用越明显;王憬帆[20]通过研究北京植物群落对人体舒适度的影响,得出群落植物结构越复杂,改善气候和人体舒适度的效果越好。以上研究结果与本研究得出的规律类似:本研究中4种植物群落的物种丰富度指数与植物群落的体感舒适度呈极显著负相关 (r=-0.993**),多样性指数D,H与体感舒适度也呈明显的负相关关系 (r=-0.833和r=-0.884)。栎类林乔木层的物种最丰富、群落最复杂 (物种丰富度指数和多样性指数最高),因此,栎类林降温增湿和降低风速的效果最好而体感舒适度最高;而毛竹林乔木层的物种丰富度指数和多样性指数均为最低,即在4类群落中其物种最少、结构最简单,因此毛竹林的降温增湿、降低风速作用最弱,体感舒适度最低;其次为松林、紫楠林。

穹窿山的植物种类较为丰富,物种丰富度、多样性、均匀度均较高,对苏州市园林绿化和植物群落配置有一定的借鉴意义。景区内野生植物资源和乡土树种丰富,如毛竹、野栗、枫香、榔榆等,可以对其进行适当的开发 (在城市中的园林绿地加以种植),有利于丰富植物种类和提高植物群落的稳定性。此外,还可在园林绿化中增加观花植物的运用,如穹窿山景区内的毛鹃、白鹃梅、诸葛菜等,合理配置乔灌草,使植物群落的垂直结构层次更加丰富。