城市森林公园不同植物群落特征对环境效应的影响.pdf
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1、投稿网址:2023 年 第23 卷 第26 期2023,23(26):11174-08科 学 技 术 与 工 程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2022-10-17修订日期:2023-06-16基金项目:山西省基础研究计划青年科学项目(202103021223117)第一作者:梁变凤(1971),女,汉族,山西静乐人,博士,副教授。研究方向:城市生态设计。E-mail:liangbianfeng 。通信作者:崔虎亮(1986),男,汉族,山西长治人,博士,讲师。研究方向:城市生态设计。E-mail:。
2、引用格式:梁变凤,何志强,崔虎亮.城市森林公园不同植物群落特征对环境效应的影响J.科学技术与工程,2023,23(26):11174-11181.Liang Bianfeng,He Zhiqiang,Cui Huliang.The environmental effects of different plant community structure parameters in urban forest parkJ.Science Technology and Engineering,2023,23(26):11174-11181.城市森林公园不同植物群落特征对环境效应的影响梁变凤,何志强,崔
3、虎亮(太原理工大学建筑学院,太原 030024)摘 要 研究城市森林公园不同植物群落的生态效应及其影响因素,能够为深入研究城市绿地植被结构优化提供参考。以太原市森林公园为研究对象,选取不同类型的植物群落 18 个,分析不同植物群落结构对温湿度、空气颗粒物(PM2.5、PM10)和空气负离子浓度的改善作用。研究结果表明,植物群落降温量均值达到2.51 6.98,增湿量均值达到4.96%39.23%,其中旱柳、旱柳+圆柏和油松+华北五针松的降温效果较好,而国槐+油松、国槐、青杨的增湿效果较好。在阻滞空气颗粒物方面,国槐、国槐+油松、青杨、青杨+华北五针松、忍冬和旱柳+圆柏等植物群落效果较差,其 P
4、M2.5和 PM10含量反而高于对照;白蜡、油松+华北五针松、油松和圆柏等植物群落阻滞空气颗粒物效果较好,其中 PM2.5阻滞量为 18.95 19.96,PM10阻滞量为 23.64 25.7。在增加空气负离子浓度方面,所有群落都有正向效应,其中山桃、青杨、忍冬效果较好,增量分别达到468.61、351.09、338.71 ions/cm3,旱柳+圆柏的效果较差,增量仅为 12.42 ions/cm3。可见,郁闭度与植物群落的降温增湿效应存在正相关关系,但植物群落的降温过程与增湿过程并不同步;叶面积指数的增加能够增加植物群落阻滞空气颗粒物的效果,但不利于空气负离子浓度的增加。关键词 植物群落
5、;降温增湿;空气颗粒物;空气负离子中图法分类号 S718.56 TU986.5+2;文献标志码 AThe Environmental Effects of Different Plant CommunityStructure Parameters in Urban Forest ParkLIANG Bian-feng,HE Zhi-qiang,CUI Hu-liang(College of Architecture,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)Abstract The ecological effects infl
6、uencing factors of different plant communities in urban forest parks could provide references forurban green space vegetation structure optimization.The literature chose Taiyuan Forest Park as the research object,and selected a to-tal of 18 different plant communities to analyze the improvement effe
7、ct of different plant community structures on temperature,humidi-ty,air particulate matter(PM2.5and PM10)and air anion concentration.As results,the temperatures of all the plant communitiesaveragely dropped from 2.51 to 6.98,and humidified averagely from 4.96%to 39.23%.Among them,Salix matsudana,Sal
8、ixmatsudana+Sabina and Pinus tabulaeformis+Pinus armandii show the best cooling effects,meanwhile Sophora japonica+Pinustabulaeformis,Sophora japonica,and Poplar show the best humidifying effects.In air particulate matter reduction,those plant commu-nities,such as Sophora japonica,Sophora japonica+P
9、inus tabulaeformis,Populus cathayana,Populus cathayana+Pinus armandii,Lonicera japonica and Salix matsudana+Sabina vulgaris,have the bad effect with PM2.5and PM10contents higher than control,re-spectively.At the same time,Fraxinus pekinensis,Pinus tabulaeformis+Pinus armandii,Pinus tabulaeformis and
10、 Sabina vulgarishave better effects on air particulate matter reduction,with PM2.5decrease values from 18.95 to 19.96 and PM10decrease values from23.64 to 25.7,respectively.In aspect of increasing the air anion concentration,all the plant communities have a positive effect.Thethree plant communities
11、,Peach,Poplar and Honeysuckle,show the best effects and the increase values are 468.61,351.09 and338.71 ions/cm3,respectively.Meanwhile Salix matsudana+Sabina vulgaris have the worst effects,and the increase value is 12.42ions/cm3only.In conclusion,there is a positive correlation between canopy dens
12、ity and the cooling and humidifying effects for plantcommunities,but the cooling and humidifying processes are not simultaneously.The increase of leaf area index could increase the effecton reducing air particulate matter,but no beneficial for air anion concentration.Keywords plant community;reducin
13、g temperature and increasing humidity;air particulate matter;negative air ions投稿网址: 城市森林公园是城市生态系统的重要组成部分,在净化局地空气质量1-2、改善城市小气候3-4、营造城市休闲空间5、提升城市居民生活质量6等方面具有明显的作用。城市绿地通过降温增湿作用能够改善城市小气候,而植物群落是发挥降温增湿作用的基本单元。研究表明,不同树种、不同植被配置以及不同绿量的植物群落其降温增湿效应也不尽相同7-8。与此同时,植物的种类、高度、叶片表面积等均会影响空气颗粒物的浓度2,9。空气负离子(negative air
14、 ions,NAI)由植物光合作用形成的光电效应而产生,具有显著的生态保健功能,逐渐成为衡量植物群落生态功能的重要指标10。但是,植物种类、高度、郁闭度等生物特征以及海拔、水体、坡向等地理特征均可影响到空气负离子浓度及其空间分布11-13。中外有关生态效应研究多集中于内部因素和外部因素综合作用14,其中,内部因素包括植物群落的群落郁闭度、冠层高度、林分种类等15-18,外部因素包括海拔、地形地势、周边用地类型等19-21。而从植物群落内部因素出发,研究不同植物群落结构生态效应影响的研究鲜有报道。因此,以植物群落结构对降温增湿、阻滞空气颗粒物(PM2.5 和PM10)、增加 NAI 等的影响为研
15、究切入点,对于解析城市森林公园植物配置的生态功能调控机制具有直接作用。现以太原市森林公园 18 种不同植物群落为研究对象,该公园总体地势平缓,全园海拔高差小于50 m,可以排除地形坡向、坡度、海拔高差等外部因素对植物群落环境效应的影响,这为本次研究提供了较为理想的样地条件。在全面调查植物群落结构特征的基础上,通过定点监测不同植被结构群落内温湿度、PM2.5、PM10、NAI 等环境效应指标,探讨不同植物群落结构与环境效应的关系及其相关影响因素,从而为城市绿地植物结构的优化和城市空气质量改善提供借鉴。1 研究方法1.1 研究区概况太原市森林公园(3753N 3754 N,11231E 11233
16、 E)位于山西省太原市北部尖草坪区,占地 200 hm2,园内有人工湖泊 25.73 hm2,蓄水量达28 104m3,栽植树种超过 6.5 万株。该公园是典型城市森林公园,周边用地已具备明显的城市建成区特点,包括高校、住宅区、城市快速路、商业用地等。1.2 样地选择选择不同群落结构的植物群落共计 18 个,可分为落叶阔叶林、针阔混交林、针叶林 3 种类型,以及乔木、亚乔木、灌木 3 种不同的优势种类型(表 1)。其中,落叶阔叶乔木林包括国槐林(GH)、青杨林(QY)、白蜡林(BL)、毛白杨+青杨林(MBQ)、毛白杨林(MB)、栾树+垂柳林(LSC)、旱柳林(HL)7 个样点;落叶阔叶亚乔木林
17、包括山桃林(ST)1 个样点;落叶阔叶灌木林包括暴马丁香林(BM)、忍冬林(RD)表 1 样地植物群落结构Table 1 The plant community structure in sample plots植物群落名称林分类型胸径 DBH地径/cm冠层高度 H/m郁闭度 CD叶面积指数 LAI国槐林(GH)落叶阔叶林31.5 3.317.75 2.220.360.72 0.02国槐+油松(GHY)针阔混交林30.67 6.117.83 0.247.17 0.29、1.8 0.30.490.67 0.01青杨林(QY)落叶阔叶林30.5 3.008.67 2.080.410.67 0.03
18、青杨+华北五针松(QYH)针阔混交林28.33 2.3112.88 1.658 2.65、2.13 0.500.910.65 0.07暴马丁香(BM)落叶阔叶灌木4.45 0.852.7 0.620.980.74 0.07华北五针松(HB)针叶林14.67 2.081.67 0.150.630.70 0.08忍冬(RD)落叶阔叶灌木9.1 0.821.63 0.130.630.73 0.08山桃(ST)落叶亚乔木10.17 1.041.83 0.250.440.62 0.06油松林(YS)针叶林19 1.633.3 1.160.680.87 0.12白蜡林(BL)落叶阔叶乔木12.25 3.5
19、75.03 0.410.930.88 0.02油松+白皮松(YSB)针叶林11.67 1.1512.5 0.712.93 0.12、1.5 0.420.2580.80 0.11油松+华北五针松(YSH)针叶林18.67 1.1513 1.154 1.00、2.83 0.240.710.87 0.02毛白杨+青杨(MBQ)落叶阔叶乔木36.67 9.2934 2.6511.5 0.8、11.67 0.760.700.68 0.01栾树+垂柳(LSC)落叶阔叶乔木15.77 1.3619.67 1.155.83 1.61、5.33 1.230.331.01 0.26旱柳(HL)落叶阔叶乔木22 3
20、.087.43 0.430.440.53 0.03旱柳+圆柏(HLY)针阔混交林22 1.7313.38 2.257.47 0.35、0.73 0.060.370.89 0.05圆柏(YB)针叶林19.75 2.210.8 0.290.290.89 0.09毛白杨(MB)落叶阔叶林47.33 2.0810.33 2.930.500.86 0.05对照点(CK)水泥路面 注:乔木测量胸径;灌木测量地径;胸径/地径和冠层高度在计算群落结构参数的生态效应分析时取均值。571112023,23(26)梁变凤,等:城市森林公园不同植物群落特征对环境效应的影响投稿网址:2 个样点;针阔混交林包括国槐+油松
21、林(GHY)、青杨+华北五针松林(QYH)、旱柳+圆柏林(HLY)3 个样点;针叶林包括华北五针松林(HB)、油松林(YS)、油松+白皮松林(YSB)、油松+华北五针松林(YSH)、圆柏林(YB)5 个样点。样地大小设定为20 m 20 m,记录乔木树种,实地测定植物群落胸径/地径、冠层高度等指标;并利用植物冠层图像分析仪(FK-G20,石家庄)测定植物群落郁闭度和叶面积指数。与此同时,选择森林公园西门入口广场为对照点(CK),该对照点周围开阔无遮挡,下垫面为水泥地面,且游人量大。1.3 环境指标测量方法1.3.1 实地测量2022 年 67 月,选择晴朗无风的天气,利用便携式空气负离子仪(O
22、NETEST-502-XP-A,深圳)测定不同样点的空气负离子浓度,测量范围 0 1.2 107ions/cm3,从 8:0018:00 每隔 10 min 测量1 次,仪器架测高度距地面约1.5 m;同步测量温度、湿度、PM2.5和 PM10等环境指标,其中,温度测量范围-60 65,湿度测量范围 0 100%。每个样点连续测量 3 d。1.3.2 数据分析利用 R 语言开展植物群落结构参数的生态效应分析工作,主要包括 Q 型聚类分析和 Pearson 相关分析。环境指标的相关计算公式如下。降温量=对照点温度均值-样点温度均值(1)增湿量=样点湿度均值-对照点湿度均值(2)阻滞空气颗粒物量=
23、对照点颗粒物均值-样点颗粒物均值(3)增 NAI 量=样点 NAI 均值-对照点 NAI 均值(4)2 结果分析2.1 不同植物群落环境效应的日间变化规律由图 1 可知,所有样点均在 15:0016:00 时段达到全天最高温度以及全天最低空气湿度。8:0010:00 是各植物群落升温幅度较大的时段,但对照的温度明显高于其他样点,8:00 时温度为 27.5,10:00 达到 35.6,升温幅度 8.1;而同一时段内,升温幅度最大的是旱柳林,温度由 13.4 升至24.6,升温幅度达到 11.2,其次是旱柳+圆柏林,温度由 14.2 升至 24.8,升温幅度为 10.6;而升温幅度最小的是白蜡林
24、,温度由 23 升至27.1,升温幅度为 4.1。由此可见,植物群落的降温效应比较明显。不同植物群落的空气湿度均呈现下降趋势,降幅最大的是青杨林,从8:00的69.4%降至 16:00 的 35.1%,同一时段对照点空气湿度由 35.8%降至 11.6%;17:0018:00 时段,空气湿度开始缓慢回升,其中回升效果较明显的是毛白杨林,从 29.8%升至 33%。不同植物群落的 PM2.5和 PM10日变化并不一致,青杨林和青杨+华北五针松林的 PM2.5和 PM10大致呈下降趋势,2 个群落 8:0010:00 时段的 PM2.5和PM10含量较高,且均在 18:00 达到全天最低值;国槐林
25、和国槐+油松林呈先上升后下降、然后再上升的趋势,即 12:0013:00 时段达到最高值,然后开始下降,至16:00 后再次上升;而其他植物群落空气颗粒物变化大致呈下降趋势,但变化较为平稳。NAI 方面,不同植物群落呈现的变化规律不一致,且波动较大。总体来看,青杨林、青杨+华北五针松林、忍冬林等植物群落呈现 U 形变化,两个峰值出现在 8:0010:00 和 17:0018:00 时段,而12:0014:00 时段浓度最低;暴马丁香林、旱柳林、旱柳+圆柏林等群落呈现单峰型变化,峰值出现在17:0018:00 时段;其余群落的空气负离子变化较为平稳。2.2 不同植物群落的环境效应差异比较从表 2
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