城市化下的残余耕地杂草多样性分析

2023-07-10冉秋月陈悦栋巍阚东扬王崇云

杂草学报 2023年1期

冉秋月陈悦栋巍阚东扬王崇云

摘要：城區耕地是一种正在消失的城市土地利用类型，其物种多样性对于城市生态系统组成、结构和功能具有重要影响作用。以云南省昭通市昭阳区玉米田为研究对象，采用样地调查法获得草本杂草植物物种信息，选用杂草Simpson物种多样性指数（D）、Simpson优势度指数（C）和Partrick丰富度指数（R）等3个指数表示物种多样性，再根据距城市中心距离值和道路影响范围的方法量化城市化等级。结果显示：昭阳区城区残余玉米田杂草以禾本科和菊科为主，且外来物种数＞本地物种数；从Simpson多样性指数（D）来看，调查区玉米田杂草多样性呈现南北纵向高于西北横向，并在西南角出现物种多样性较高的小区域；随着城市化程度的加剧，杂草物种多样性变低；在不同道路宽度等级下，距离道路越远，其Simpson优势度指数（C）值越大，杂草群落优势度越明显。因此，建议在城市扩张进程中修建城市斑块绿地，从而提高城市生态系统服务功能。

关键词：城市化；杂草多样性；残余耕地；生物多样性

中图分类号：S451文献标志码：A文章编号：1003-935X（2023）01-0027-08

Analysis on Weed Diversity of Residual Cultivated Land Under Urbanization

—Taking the Corn Field in Zhaoyang District as an Example

RAN Qiu-yue¹，CHEN Yue¹，DONG Wei¹，KAN Dong-yang¹，WANG Chong-yun²

（1.School of Agriculture and Life Sciences，Zhaotong Unicersity，Zhaotong 657000，China；

2.Institute of Ecology and Geobotany，Yunnan University，Kunming 650091，China）

Abstract：The cultivated land is one of the disappearing urban land type.Its species diversity has an important impact on the composition，structure and function of urban ecosystem. This paper took the corn cultivated land in Zhaoyang District Zhaotong City Yunnan province as the research object，used the sample plot survey method to obtain the species information of herbaceous weeds，selectd three indexes of weed Simpson species diversity index （D），Simpson dominance index （C） and partrick richness index （R） to represent the species diversity，and then quantified the urbanization level according to the distance from the city center and the influence range of roads. The results showed that the weeds were mainly Gramineae and Compositae in the residual corn fields in Zhaoyang District，and the number of alien species was more than that of native species； From the Simpson diversity index （D），the weed diversity in the North-South vertical direction washigherthanthatin the northwest horizontal direction，and there was a small area with higher specie diversity in the southwest corner. The specie diversity of weeds was lower with the aggravation of urbanization. Under different road width grades，the farther away from the road，the greater the Simpson dominance index （C） value，and the more obvious the dominance of weed community. It was suggested to build patch green space in the process of urban expansion so as to improve the service function of ecosystem.

Key words：urbanization；weed diversity；residual cultivated land；biodiversity

收稿日期：2022-03-29

基金项目：云南省教育厅科学研究基金（编号：2019J1141）。

作者简介：冉秋月（1992—），女，新疆喀什人，硕士研究生，讲师，研究方向为植被生态学。E-mail：1730066591@qq.com。

耕地是城市土地利用类型之一，耕地杂草物种多样性是城市物种多样性的重要组成部分^［1-3^］，在增绿、涵养水源、气体调节、土壤有机质积累等方面为城市提供生态服务功能^［^2-3^］。在城市化进程下，这类特殊土地的数量及面积逐年减少^［⁴^］，因面积小、粮食产量低不影响当地粮食安全和农业经济发展，往往最终转化为城市建设用地，从而丧失其生态作用及价值。近年来，经济发展驱动下的城市化问题在昭通市昭阳区主城区日益突显，城区耕地用地逐渐过渡为城市建设用地^［5^］。城市耕地面积的减少直接导致城市植被多样性降低以及城市生态系统功能丧失^［^6-7^］。杂草作为耕地最主要的植物类群，是耕地生物多样性的重要组成部分，城区残余耕地多为城市居民自用的半弃耕地，因缺少人为干扰多呈现半自然生长状态，对比农村耕地具有较高物种多样性，了解城市主城区残余耕地杂草类型及其在城市化扩张背景下的多样性格局研究，对于城市生态系统的探索具有重要意义。玉米是昭通市第一大粮食作物^［^8-9^］，也是城区残余耕地主要种植作物之一。本试验以昭阳区主城区为研究范围，通过调查城区城市化下残余玉米地杂草的物种组成特征及其多样性分布格局，探讨城市扩张下残余耕地杂草生存状况，进一步了解并完善城市即将消失的植物类型体系，以期为维护城市植物多样性和提高城区农业生态系统管理水平提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 调查区域概况

昭阳区位于云南省东北部省辖昭通市境内（103.1°～103.9°E，27.1°～27.6°N），是昭通市唯一的市辖区和行政中心所在地，也是昭通市政治、经济、文化、信息中心，同时还是云南、贵州、四川3省结合部省际中心城市。其平均海拔 1 950 m，为典型的高原湖泊盆地，城区地势起伏平缓，独特的地理位置和环境条件造就昭阳区逐渐成为云南连接长江经济带和成渝经济带的重要通道。2017年底，城市建成区面积达 43.05 km²，城区人口40万人。城市化扩张问题日渐凸显，扩张方向基本为典型的南北扩张。昭阳区属于典型的正在飞速发展的新兴城市，农业作为昭阳市核心产业，耕地物种多样性和城市化进程两者之间的平衡对于城市发展方向具有重要的指导作用，因此昭阳区是研究城市化进程下植被物种多样性现状的理想区域。

1.2 数据采集与分析

1.2.1 数据采集方法

采用“x”取樣法针对城市化中心及向外辐射4 km的玉米耕地2个研究区进行野外实地调查，共完成36个调查样点（表1）180个样方，每个样方1 m×1 m，记录样方GPS信息、杂草物种名、高度、盖度、植株数量，并用七级目测法记录每种杂草出现的优势度等级。

1.2.2 物种多样性计算

参照《中国杂草志》《中国植物志》《中国杂草原色图鉴》对野外调查的杂草进行鉴定分类；根据中国植物物种信息数据库（http：//db.kib.ac.cn，2020）进行本地种和外来种的鉴定。

基于样地野外调查数据计算样地杂草物种多样性。使用α多样性下的Simpson指数D来计算调查样点的物种多样性，用Simpson优势度指数（C）表示物种优势度，用样地物种数来表示物种丰富度（R）。借助ArcGis 10.4软件核密度分析工具（ArcToolbox→Spatial Analyst→密度分析→核密度分析）完成调查样地点Simpson优势度指数（C）、Simpson多样性指数（D）、Partrick丰富度指数（R）热力分布图。

Simpson物种多样性指数（D）：

Simpson优势度指数（C）：

Partrick丰富度指数（R）：

R=S。

式中：S为样方内物种总数；p_i为第i种的个体数n_i占调查物种个体总数n的比例，即p_i=n_i/n；i=1，2，3，…，n。

1.2.3 R语言的hmisc包回归分析

数据标准化后，利用R语言的hmisc包中的rcor函数，采取Pearson算法计算各个变量之间的矩阵距离。计算得出的结果的R值大于0.99，说明具有较高的可信度。

1.3 城市化等级划分

1.3.1 最短距离定义城市化程度

确立城市化等级是本研究过程的基础，利用ArcGis 10.4软件目视解译Landsat遥感卫星影像（空间分辨率为 30 m），通过研究区土地硬化面积解译确定出城市化中心区域。定义调查样地点距离城市化中心区域边缘的最短距离值表示调查点受城市化影响的程度，若调查样地在城市化中心区域，则用最短距离负值表示，利用最短距离值表示受城市化影响的程度，距离值与城市化程度相反。

1.3.2 道路Buffer定义城市化程度

道路作为城市化发展推动下的必然产物，交通路线的密集程度与城市化发展程度有着密切的联系^［10^］，道路扩张范围往往与城市发展方向有较高的重合度。本研究以昭阳区主要交通道路和二级道路为道路路线代表，利用ArcGis 10.4软件（ArcToolbox→Analysis Tools→Proximity→Buffer）分别建立Ⅰ（0.5 km）、Ⅱ（1 km）、Ⅲ（3 km）等3个等级影响范围，不同等级代表道路的城市化程度：Ⅰ（0.5 km）＞Ⅱ（1 km）＞Ⅲ（3 km），以探索道路这一城市化指标和玉米耕地植物物种多样性之间的关系。

2 结果与分析

2.1 昭阳区玉米地杂草种类

由表2可知，所调查的玉米耕地杂草共有29科62属67种，其中菊科属数、种数最多，为13属14种；其次是禾本科，有12属13种；蓼科和紫草科分别是3属5种和3属3种；其余杂草为2科2属和1科1属，有19种植物为单科单属植物。

2.2 昭阳区玉米地杂草物种来源

此次所调查的67种玉米耕地杂草中本地种和外来种分别为26种和41种，分别占总数的38.81%和61.19%。其中，外来种有空心莲子草（Alternanthera philoxeroides）、牛筋草（Eleusine indica）、荞麦（Fagopyrum esculentum）、早熟禾（Poa annua）、酢漿草（Oxalis corniculata）、繁缕（Stellaria media）、稗（Echinochloa crusgalli）、车轴草（Galium odoratum）、圆叶牵牛（Ipomoea purpurea）、千里光（Senecio scandens）、聚合草（Symphytum officinale）、小蓬草（Erigeron canadensis）、紫菀（Aster tataricus）、鬼针草（Bidens pilosa）、苦苣菜（Sonchus oleraceus）、牛膝菊（Galinsoga parviflora）、紫茉莉（Mirabilis jalapa）、婆婆纳（Veronica polita）、苋（Amaranthus tricolor）、香丝草（Erigeron bonariensis）、曼陀罗（Datura stramonium）、苍耳（Xanthium strumarium）、马鞭草（Verbena officinalis）、紫苜蓿（Medicago sativa）、落葵薯（Anredera cordifolia）、耳草（Hedyotis auricularia）。

2.3 昭阳区玉米地杂草分布特点

耕地杂草物种的具体分布对于物种多样性的保护具有重要意义^［11^］，借助ArcGis 10.4软件核密度分析工具（ArcToolbox→Spatial Analyst→密度分析→核密度分析）完成调查样地点：Simpson优势度指数（C）、Simpson多样性指数（D）、Partrick丰富度指数（R）热力分布图，结果见图2。其中，Simpson指数（C）用来表示物种优势度，在调查范围内，玉米耕地杂草在调查区中部偏向西北（省耕山水新区）位置优势度高于昭阳区其他地区，可见杂草物种在新城区的生长及分布优于老城区。从Simpson多样性指数（D）来看，调查区玉米耕地杂草多样性呈现南北纵向高于西北横向，并在西南角出现高物种多样性小区域，总体在城区呈现点状分布，即多样性分布和扩张相对较均匀。但从Partrick均匀度指数（R）来看，调查区域的物种丰度较均匀，没有较明显的分布特点。

2.4 城市化梯度上杂草多样性

2.4.1 中心城区城市化程度对杂草多样性的影响

图3是调查样地位置点距离城市化中心的最短直线距离示意图，利用一元回归分析完成调查样地3个典型的物种多样性指数受海拔和城市化程度影响的显著性分析，结果见图4。结果显示，距城市中心距离值与物种丰富度指数R存在显著正相关，玉米耕地农田物种丰富度随着城市化程度加深而减少，另外调查样点的海拔与物种丰富度指数存在正相关关系，即在研究区范围内，耕地物种丰富度随着海拔的增高而呈现增高的趋势。

2.4.2 道路城市化程度对杂草多样性的影响

3个等级的缓冲区结果如表3所示，不同距离等级下杂草Simpson物种多样性、Partrick丰富度指数差异不大，即道路对周围耕地杂草物种生长指数影响较小。从Simpson优势度指数可以看出，距离道路越宽，杂草优势度指数越高，值从0.136 0增长到0.148 9，即城市化影响越小的耕地，其杂草多样性优势度越明显。

3 讨论与结论

3.1 调查样地物种组成特点

本研究通过调查城区残余玉米地植物物种多样性，发现昭阳区玉米地杂草物种主要以菊科和禾本科为主，其属数/种数分别为13个/14个和 12个/13 个，这一调查结果与杜浩等的研究结果^［12-13^］相近。另外调查结果显示，本地种数量少于外来种，说明在自然生长状态下，外来种作为入侵种，其入侵性往往更能适应本地环境而长期生存，也对本地种生存产生了一定的影响，特别是莲子草、牛筋草、荞麦、早熟禾、酢浆草等^［14^］。

3.2 城市化与杂草物种多样性

昭阳区作为“正青春”的新型发展城市之一，在经济发展的趋势作用下，城区复杂的土地类型正在经历过渡为较为简单土地类型的局面，部分耕地因附有的特殊“经济价值”而被转化为建筑用地，城区耕地类型的“消失”导致耕地上生长的植物也在消失，城市化发展不会漏掉一块耕地，而城市生态系统却十分需要这仅存的本地物种长居的物种斑块作为生态网络的“跳板”，城市化的小面积斑块因其低农业经济收入和高昂的征收费用最终成为“正青春”城市发展的牺牲品。通过研究发现，城市化进程下的昭阳区耕地面积减少导致物种多样性降低，距离城市中心地区越远，玉米耕地物种多样性越高，相反，越靠近或位于城市中心，其物种多样性越低，城市化发展的方向和物种多样性之间具有显著关系。

城市道路的修建和扩张是城市化发展下的部分体现，我们往往认为城市化程度越高，城市道路网络越复杂^［15^］。本研究发现，道路对耕地杂草物种多样性的影响体现在杂草优势度上，距离城市道路网络区越远，城市耕地杂草群落优势度越明显。城市中心的建立和扩张往往以牺牲城市生态系统中物种数为结果，使得生态效益和经济效益往往不能共存，若在加快城市化扩张进程下，修建生态绿地斑块、维持其较高物种多样性，对于城市生态系统的结构和功能，特别是生态服务功能上具有明显的改善作用。

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