城市化与城市边缘区的植物多样性：不同生活型植物的差异响应

作者单位：海南大学热带农林学院，海南大学生态学院，不列颠哥伦比亚大学林学院

出版期刊：Journal of Environmental Management

影响因子：IF₂₀₂₃=8.0

中科院分区（2023）：2区

出版时间：2024.11.06

DOI：https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2024.123151

研究背景

城市边缘地区通常是指建成城市地区的外围区域，是城乡之间的过渡区，是城市空间扩展的关键区域。通常植被覆盖率高，对城市环境的生态系统服务有着显著贡献。近年来，许多探讨城市化对生物多样性影响的研究多集中在城市建成区和更广泛的城市区域，往往忽视了城市边缘地区的独特条件。

研究区域

本文将以江东新区为研究区域，调查江东新区城市边缘区乔木、灌木和草本植物多样性的空间分布，以及它们各自对城市化的响应。江东新区位于中国海南省海口市东海岸（北纬19°53′–20°4′，东经110°22′–110°38′），覆盖208.53平方公里（图1）。

图1. 样地和研究区域。

研究方法

本研究采用空间平衡样本（SBS）方法，通过广义随机镶嵌分层算法生成200个样本点，对2022年江东新区的9种土地覆盖类型进行分层抽样，最终得到190个有效样地。每个样地的坐标通过手持式GPS在野外将其定位。研究使用物种、功能和系统发育多样性三种指标来评估植物多样性。此外，在研究中还进行了MAUP测试、植物多样性空间分析和影响因素分析。

结果与分析

植物多样性空间相关性的响应特征

本研究共调查到维管束植物530种，其中包括117种乔木、119种灌木和294种草本植物。木本植物（乔木和灌木）的物种和系统发育多样性在空间分布上呈现出较强的一致性，且其热点和冷点区域（特别是中部地区）均表现出显著重叠，表明存在共同的分布模式；然而，功能多样性则表现出不同的格局，乔木和灌木的功能多样性热点几乎没有重叠（图2）。相比之下，木本植物和草本植物的热点重叠最小，突出了不同植物形态之间独特的空间动态。

图2. 300m尺度植物多样性的热点分析。

植物多样性的影响因素

GeoD因子检测器表明，在100-500 m尺度上，所有植物生命形式的主要影响因子都是一致的：夜间光强度（NLI）、密度（POI）和道路密度（RD）（图 3）。然而，在700 m和1000 m尺度上，这些因素仅显著影响草本多样性（P＜0.05）。城市化因素对各尺度草本多样性的贡献度最高，表明草本植物对城市化更敏感。这些结果表明，城市化对不同植物生命形式的影响存在显著差异，各植物生命形式对城市化的响应模式亦呈现出多样性。

图3. GeoD交互检测器对不同空间尺度上植物多样性的探测结果。

GeoD交互模型表明，NLI和POI对植物多样性的综合影响最大，且NLI相关的双因子增强效应尤为显著，凸显了其对植物多样性空间分布的重要影响（图 4）。不透水面比例（PIS）等影响较小的因子通过交互作用显著增强了影响，揭示了城市边缘区植物多样性格局由多因素驱动的复杂性。此外，城市化因素的交互作用在不同植物生命形式间存在差异，其中草本多样性的交互作用强度显著高于乔木和灌木。

图4. GeoD因子检测器对植物多样性的影响结果。

空间格局不均匀的主要影响因素分析

城市化与植物多样性的关系因土地利用类型和植物生命形式而异（图5）：在西北部林地、草地和农田交织的区域，NLI与乔木和灌木多样性呈正相关，而与草本多样性呈负相关；在东南部以城市绿化物种为主的苗圃区，NLI与乔木、灌木和草本多样性的相关性呈现相似格局。总体而言，乔木和灌木多样性与城市化的空间关系相似，而草本与城市化的关系在东南部与木本植物相似，在其他区域则显著不同，凸显了城市化对不同植物生命形式影响的复杂性。

图5. 植物多样性GWR模型系数的空间映射。

本研究揭示了江东新区城市边缘地带城市化对乔木、灌木和草本植物多样性的复杂影响。不同植物生命形式在物种、功能和系统发育多样性上表现出显著的空间差异，表明城市生物多样性管理需考虑其特异性响应。城市化因素，如夜间光照强度、POI密度和道路密度，对植物多样性格局的形成起关键作用，其中草本植物对城市压力最为敏感。乔木和灌木对城市化的响应相似，而草本多样性则呈现相反趋势。

这些结果强调了制定针对性保护策略的重要性，以满足不同植物生命形式的需求。理解其多样化响应有助于优化城市规划和绿地设计，从而在快速发展的边缘区域维持和增强城市生物多样性。