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广州市青山绿地—城市林带林区生态功能研究

2011-09-05 02:03 来源:2007年中南林业科技大学博士学位论文

吴敏

摘要:城市森林生态系统对维持城市生态系统平衡、保护城市生态环境发挥着巨大的作用。城市森林生态系统是城市绿地的主体部分,是改善城市生态环境的主要贡献者。以森林生态系统为主体的生态环境建设已经列入当前大珠江三角洲城市化及区域可持续发展战略,在区域社会、经济与环境协调、稳定、可持续发展中发挥重要作用。 本论文以广州地区“青山绿地-城市林带林区”工程为研究对象,采用定位监测与对比试验、平行实验相结合的研究方法,对其林带结构和生态功能进行了系统研究,结果可为“生态广州”城市发展提供科学的新观点和新思路,并为我国的城市林业生态发展提供科学依据。

1、“青山绿地-城市林带林区”斑块的景观多样性指数为2.3889,均匀性指数为0.7619。斑块类型丰富,分布均匀,但各斑块之间差异较大。为加强城市林带林区近自然森林的建设,提高林带的多样性指数,完善林带生态系统的结构和功能,进一步发挥城市林带的环境生态效益,应扩大林带次生阔叶林斑块的面积,改善林带斑块的群落组成结构,增加林带植物种类。

2、对广州市13条公路林带工程8块各0.2hm2森林群落样地的对比研究表明:6a生林带地上生物固碳量平均达39.5 t.hm-2,分别是3a生与4a生林带固碳量的8.6倍和7.9倍;6a生林带年净吸储大气中CO2为26.3 t.hm-2,年释氧量为19.2t·hm-2·a-1;较3-4a生林带林分高出4.3-5.3倍,说明城市林带森林群落的固碳释氧环境生态功能;6a生林带地上生物吸储固定N量在285.8-371.5kg·hm-2之间,平均为328.7kg·hm-2,是3-4a生林带林分N吸储量的11.8-14.6倍;6a生林带地上生物吸储固定S量在73.6-75.9 kg·hm-2之间,平均为74.8 kg·hm-2,是3-4a生林带林分生物S吸储的11.7-15.2倍;6a生林带地上生物年净吸储大气中NO2、SO2分别为163.2、19.3kg·hm-2·a-1;而3-4a生林带林分地上生物年平均净吸储大气中NO2、SO2分别为30.5、3.7km·hm-2·a-1,由此可见,6a生林带森林群落已经具备完整的群落特征,在缓解城市温室气体、机动车尾气碳水化合物污染负荷方面具有显著的生态服务功能,并且这种功能随着林分生长演替将日趋显著。

3、对不同群落生物固定金属元素Cu、Pb、Cd、Hg量的比较发现:机场路林带固定重金属元素量最高,固定Cu、Pb、Cd、Hg量分别为:463.5g·hm-2、221.1g·hm-2、3.3 g·hm-2、2.3 g·hm-2。6a生林带地上生物年平均固定Pb、Cu量分别为36.5 g·hm-2、71.1 g·hm-2,而3a生的分别为4.9 g-hm-2、18.4 g·hm-2。表明林带具有吸储重金属污染物的功能。

4、对26个林带树木器官的化学分析结果表明:有机C在树干中的含量高于在枝、叶中的含量,而其余6种化学元素(N、S、Cu、Pb、Cd、Hg)表现为叶枝干的趋势。S、Pb、Cu在叶片中的含量分别是树干的4.9倍、3.3倍和1.8倍;这一规律与林带生物量吸储积累化学物量的趋势(干枝叶)相反。

5、6a生20m宽林带消减空气SO2、NO2含量分别达到35.5%和33.8%,是3a生的2.96倍和16.9倍;不同林龄20m宽林带小气候特征差异显著:3~4a生林带降低气温0.6°C、增加空气湿度1.7%,而6a生林带则降低气温2.0℃、增加空气湿度2.0%。相比之下6a生林带在降温增湿效应分别是相应3-4a生的3.3倍、1.2倍,降低风速功能更显著可达到50%。

6、不同宽度林带的生态功能存在较大差异:20m林带较10m林带净化SO2、NO2 NO浓度的能力分别提高了7.6%、3.3%和9.9%。林带可有效地消减污染气体浓度,与无林带对照区相比,20m林带净消减SO2和NO2分别为20.0%和27.6%。

7、不同天气类型、不同林带宽度消减SO2的时空特征不同:晴天,10m林带对SO2的消减率从10:00的50%逐渐降低到14:00的15%,再逐渐增加到18:00的45%左右,而阴天则是从9:00的20%逐渐增加到18:00的55%。晴天在10~20m林带内,消减率随林带宽度的增加而增加(45%~55%),在20~30m林带内,消减率随林带宽度的增加而减小(46%~20%),其中20m林带在10:00和18:00消减空气S02浓度效率最高;而在雨季的阴天,随着林带宽度的逐渐增加,10~30m林带消减S02效率随时间呈倾斜式增加(25%~70%);宽度30m林带在15:00~8:00消减S02浓度效率最高,因此,形成了两类天气最佳消减S02浓度的时空特点。

8、不同天气情况下,不同宽度林带消减NO2效应的时空特征反映出:在晴天10:00~12:00时的不同宽度林带中,10m宽林带消减NO2效率最高,达到55%,随林带宽度增加消减效率逐渐减小。在12:00~14:00时,30m林带在消减NO2效率最大,为85.6%,而且增加的梯度大于10m、20m宽的林带。在阴天,林带从10~30m宽度,消减N02效率在9:00~12:00时从32%倾斜式递增至82%,在12:00~17:00时,林带空间消减N02效率增大至85%,此后至18:00时消减率减少到75%;因此这两类天气林带最大消减率分布在12:00~17:00时段。

9、在晴天,10m宽林带9:00~14:00时对公路侧气温减小幅度从0.6℃逐渐增加到1:3℃,在14:00~18:00时回落到0.8℃;20m宽林带降低气温的幅度从9:00的1.1℃逐渐增加到14:00的2.1℃,再逐渐减小到18:00的0.8℃;30m林带降低气温的幅度从9:00的0.1℃增至14:00的2.5℃、再回落至18:00的1.0℃;14:00是10m-30m宽林带降低气温最大时间分水线、其中30m林带处是最低气温涡;在9:00-11:00时段,10-20m林带气温降低幅度随林带宽度的增加而增加,而20-30m林带气温减低幅度随林带宽度的增加而减小;14:00-18:00时段,10-30m林带降低气温逐渐增大。随林带宽度的递增,在阴天的9:00-15:00时段,10-30m林带降温值分布从9:00的0.7°C、15:00的1.0℃向12:00的0.1℃(30m林带)逐渐递减;15:00-18:00时段,10-30m林带降温值逐渐减小。

10、6a生林带土壤C储量达91t.hm-2,是3a生林带林分群落的1.8倍,林带对重金属污染元素消减作用明显。

11、研究区域森林土壤中重金属As、Cu、Zn含量与土壤中过氧化氢酶呈显著的负相关,与脲酶、酸性磷酸酶呈负相关,仅与蛋白酶呈正相关,但相关性不显著。土壤中过量的重金属元素强烈抑制土壤过氧化氢酶的活性,表明土壤过氧化氢酶活性可以灵敏的反映土壤重金属污染状况。因此,过氧化氢酶活性可以作为一个表征森林土壤中As、Cu、Zn污染状况的指标。

12、不同林带对噪声的衰减效果不同,其关系可用幂函数方程y=axb进行模拟。在5种植物配置不同的林带中,乔-灌-草类型的林带比只有单一乔木结构的林带对噪声的削减作用明显,差值最大可达12.5dB。 本论文的创新点主要有:确立了广州城市森林不同林带建设宽度模式对温度、大气环境污染因子SO2、NO2、噪音的削减效率,为城市森林的建设提供指导性作用,建立营造“生态效益最优、景观效益最优、管理成本最优”的城市森林建设理念,很好地处理了城市与自然相结合的关系;研究分析了城市森林建设中应用多树种混交林的科学性和必要性,并提出了几种华南地区城市的主要人工混交林模式;率先提出了对大城市的综合性林业生态建设工程进行环境生态效益的同步监测、功能分析和评价的理念,对科学评价城市生态环境建设提供了科学依据。

关键词:城市林带 林带结构 林带功能 生态监测 生物固定

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