一种城市绿地物种耐荫性评价方法及城市绿地物种选择方法

摘要

本发明涉及一种城市绿地物种耐荫性评价方法及城市绿地物种选择方法，分别测量物种耐荫性相关的11个参数：表观量子效率、暗呼吸速率、光饱和点、光补偿点、净光合速率，气孔导度，胞间二氧化碳浓度，蒸腾速率、气孔限制、叶片的叶绿素含量相对值以及叶片的比叶面积。通过对上述参数进行主成分分析，计算主成分得分，隶属函数值、综合指标权重，获得综合耐荫性评价指数D值。对任意两个以上物种的耐荫综合评价指数进行计算，其中，综合耐荫性评价指数D值高的物种耐荫性强于综合耐荫性评价指数D值低的物种。本发明通过对常见绿地物种进行耐荫性综合评价，为城市绿地物种的筛选提供技术方法。

说明书

技术领域

本发明属于园林绿化物种筛选领域，具体而言，涉及一种城市绿地物种耐荫性的评价方法及城市绿地物种选择方法。

背景技术

城市绿地是城市生态环境建设的核心，对改善城市生态环境具有不可替代的作用，具有重要的生态、文化和社会价值。城市绿化物种是城市绿地系统的重要组成部分，在城市绿地建设过程中，绿地组成物种的生态适应性是决定物种在整个绿地中的适应性的关键因素。选择适合城市绿地生长的物种对改善城市生态环境，增强城市绿地抵抗自然灾害能力，提高城市宜居性和可持续发展，保护城市生物多样性以及促进植物群落和绿地系统稳定性具有重要意义。

耐荫参数是一系列与植物耐荫性相关的指标，表观量子效率(AQE)、暗呼吸速率(Rd)、光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)、净光合速率(Pn)，气孔导度(Cond)，胞间二氧化碳浓度(Ci)，蒸腾速率(Tr)、气孔限制 (Ls)、叶片的叶绿素含量相对值(SPAD)以及叶片的比叶面积(SLA)等与物种的耐荫性有一定的相关性。由于耐荫性是一种复合性状，受多种因素影响，仅通过单一耐荫参数或相关指标进行评价往往导致评价结果无法真实反映。

近年来，城市绿地的建设受到广泛关注，城市绿化面积、绿化物种数量和多样性不断增加，但在绿地建设中也出现了许多问题。以往物种的选择主要从物种的生命周期，形态特征，物候特征，繁殖特征，文化和科学价值等方面研究绿地物种的选择技术。对于相同或相似的环境条件，尽管物种生理生态参数对物种的生长和生态适应性影响较大，但从生理生态角度对不同物种的生态适应性进行分析的报道很少。物种光合作用的关键参数是物种生理生态学研究的基础，可以很好地反映物种对光环境的适应性，也是评估物种耐荫性的基础。

城市绿化物种需要在适宜的光照条件下进行光合作用，完成生长和发育过程。不同物种对外部光照环境条件的适应性不同，由于对不同物种生理和生态特性了解不足，经常会发生物种选择不当的情况。如：引入绿地物种不适合当地气候，绿地物种生长不良，极大地影响了城市绿地系统的功能。城市绿地中由于建筑物等外界环境的遮挡，导致光照不充足，如何在城区缺少光照的条件下达到最佳的城市绿化效果已成为亟待解决的问题，其次，为维持较高的绿地系统稳定性，绿地一般具有较为复杂的结构，处于群落下层的物种须具有较强的耐荫性。

物种耐荫性是物种能够在弱光条件下良好生长的重要指标，物种耐荫性与物种的生理生态指标、外界环境因素有着密切的联系，单一耐荫性指标仅能从某一水平上反映耐荫性的强弱。而物种耐荫性是由多个性状综合决定的，应用尽可能多的指标来进行综合评价，以更加准确反映物种的耐荫性。而现有技术中，还未有一种能够全面而客观评价城市绿地物种耐荫性的模型与方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种城市绿地物种耐荫性评价方法及城市绿地物种选择方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种城市绿地物种耐荫性评价方法，分别对至少两个物种的耐荫性综合评价指数进行计算，其中，耐荫性综合评价指数高的物种耐荫性强于耐荫性综合评价指数低的物种；每个物种的所述耐荫性综合评价指数计算方法包括如下步骤：测量多个耐荫参数，并以所述耐荫参数进行主成分分析，得到耐荫性综合指标和每个所述耐荫性综合指标的主成分得分；根据每个所述主成分得分计算每个所述耐荫性综合指标的隶属函数值以及综合指标权重；根据每个所述耐荫性综合指标的所述隶属函数值和所述综合指标权重计算耐荫综合评价指数。

进一步，所述物种的个数大于或等于三个时，将得到的每个物种的耐荫综合评价指数进行聚类分析，并将所述物种分为强耐荫物种、一般耐荫物种和不耐荫物种。

进一步，所述耐荫参数为，表观量子效率、暗呼吸速率、光饱和点、光补偿点、净光合速率，气孔导度，胞间二氧化碳浓度，蒸腾速率、气孔限制、叶片的叶绿素含量相对值以及叶片的比叶面积。

进一步，包括如下步骤：

S1、测量物种光合光响应曲线；

S2、采用直角修正模型拟合光响应曲线，得到光响应参数：表观量子效率，暗呼吸速率，光饱和点，光补偿点；

S3、在物种达到光饱和时记录物种的净光合速率，气孔导度，胞间二氧化碳浓度，蒸腾速率和气孔限制；

S4、测量叶片叶绿素含量相对值，计算物种叶片比叶面积；

S5、对所述步骤S1～S4中测得的所有物种的所有耐荫参数进行主成分分析；根据因子载荷矩阵、特征根计算得到主成分载荷矩阵，并根据特征根选择i个进行分析评价使用的主成分,所述主成分为耐荫性综合指标，计算每个耐荫性综合指标的主成分得分；

S6、通过每个耐荫性综合指标的特征根、贡献率、累计贡献率以及主成分得分计算隶属函数值以及综合指标的权重，获得每个物种的耐荫性综合评价指数D值。

进一步，所述步骤S1中的光响应曲线的测量方法为：使用光合作用仪测定不同物种叶片的光响应曲线，其中，仪器的流速为500mol/s，CO

进一步，所述步骤S2中，直角修正模型公式为公式(1)：

其中，α是光响应曲线的初始斜率，即物种的表观量子效率；β和γ是抑制系数和饱和系数，I是光合有效辐射，Rd是暗呼吸率。

进一步，所述步骤S5中，所述主成分载荷矩阵通过公式(2)计算得到，所述公式(2)为，

其中，U为主成分载荷矩阵，A为因子载荷矩阵，λ为特征根；

以特征根大于1为标准选择进行分析评价使用的主成分。

进一步，所述步骤S6中，先将每个所述耐荫参数进行标准化处理，再通过标准化的每个所述耐荫参数计算每个耐荫性综合指标的主成分得分对应的每个主成分，根据公式(3)计算每个耐荫性综合指标的隶属函数值，所述公式(3)为，

μ(i)＝(Zi-Zimin)/(Zimax-Zimin)； (3)

其中，μ(i)是隶属函数值，Zi为第i个耐荫性综合指标的主成分得分，Zimax和Zimin分别为所有物种中，第i个耐荫性综合指标的主成分得分的最大值和最小值；i＝1,2,3,......,n。

进一步，所述步骤S6中，所述综合指标权重通过公式(4)进行计算，所述公式(4)为，

其中，Wi为第i个耐荫性综合指标权重，Pi为第i个耐荫性综合指标的贡献率，n为耐荫性综合指标总个数。

进一步，所述步骤S6中，所述耐荫综合评价指数通过公式(5)进行计算，所述公式(5)为，

其中，D为物种耐荫综合评价指数，μ(i)是第i个耐荫性综合指标的隶属函数值，Wi为第i个耐荫性综合指标权重。

一种城市绿地物种选择方法，使用如上所述的城市绿地物种耐荫性评价方法对城市绿地物种的耐荫性进行评价，并选择强耐荫物种和/或一般耐荫物种作为城市绿地使用的物种。

本发明的技术方案的有益效果在于，通过对耐荫参数进行主成分分析，能够得到最能反应物种耐荫性的综合性耐荫指标，即将物种对光强、气孔因子、光合作用限制和自我保护能力作为物种耐荫性的综合评价指标，使分析结果更具客观性和有效性；同时，根据本发明的技术方案能够筛选出耐荫性良好的物种，保证了绿地建设中物种的良好生长，有效降低了因物种选择不当造成的损失，极大地提高了了城市绿地系统的功能。

附图说明

图1为本发明的城市绿地物种耐荫性的评价方法实施例中对各物种的耐荫性评价的聚类分析图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一种城市绿地物种耐荫性评价方法，分别对至少两个物种的耐荫性综合评价指数进行计算，其中，耐荫性综合评价指数D值高的物种耐荫性强于耐荫性综合评价指数D值低的物种；每个物种的所述耐荫性综合评价指数计算方法包括如下步骤：测量多个耐荫参数，并以所述耐荫参数进行主成分分析，得到每个所述主成分的得分(Zi)；根据每个所述主成分的得分计算每个所述主成分的隶属函数值以及综合指标权重；根据每个所述主成分的所述隶属函数值和所述综合指标权重计算耐荫综合评价指数(D值)，对 D值进行聚类分析得到物种耐荫性强弱分组。

本发明的上述方法，通过对耐荫参数进行主成分分析，能够得到最能反应物种耐荫性的综合性耐荫指标，克服了传统仅凭经验进行耐荫性评价的局限性，从物种对光强、气孔因子、光合作用限制和自我保护能力的角度评价物种的耐荫性，可以较为客观地理解物种的耐荫特性；同时，本发明的方法能够用于筛选耐荫性较强的绿地物种，降低因物种筛选不当造成的损失。

本发明的耐荫参数为，表观量子效率(AQE)、暗呼吸速率(Rd)、光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)、净光合速率(Pn)，气孔导度(Cond)，胞间二氧化碳浓度(Ci)，蒸腾速率(Tr)、气孔限制(Ls)、叶片的叶绿素含量相对值(SPAD)以及叶片的比叶面积(SLA)。

本发明的评价方法包括如下步骤：

S1、测量物种光合光响应曲线；光响应曲线的测量方法为：使用光合作用仪测定不同物种叶片的光响应曲线，其中，仪器的流速为500mol/s，CO

使用人工红蓝光源控制光合有效辐射(PAR，μmol·m

S2、采用直角修正模型拟合光响应曲线，得到光响应参数：表观量子效率(AQE)，暗呼吸速率(Rd)，光饱和点(LSP)，光补偿点(LCP)；

直角修正模型公式为公式(1)：

其中，α是光响应曲线的初始斜率，即物种的表观量子效率(AQE,μ mol·m

S3、在物种达到光饱和时记录物种的净光合速率(Pn)，气孔导度(Cond)，胞间二氧化碳浓度(Ci)，蒸腾速率(Tr)和气孔限制(Ls)。

S4、测量叶片叶绿素含量相对值(SPAD)，计算物种叶片比叶面积(SLA)；使用SPAD-502叶绿素仪测量物种叶片的相对含量值(SPAD)；比叶面积(SLA) 为叶片单面面积与其干重之比；其中，采用烘干法测量叶片干重：在105℃的烘箱中杀青1小时后，将温度调至80℃干燥至恒重，称重干燥的叶子重量。

S5、采用SPSS21.0软件进行主成分分析；根据因子载荷矩阵、特征根(Eigenvalue)计算得到主成分载荷矩阵，并根据贡献率(Proportion)、累计贡献率(Cumulative)以及特征根(Eigenvalue)选择n个进行分析评价使用的主成分，每个主成分为耐荫性综合指标；并计算每个耐荫性综合指标的主成分得分Zi；其中，i＝1,2,3,......,n；主成分载荷矩阵通过公式(2)计算得到，所述公式(2)为，

其中，U为主成分载荷矩阵，A为因子载荷矩阵，λ为特征根，i＝1,2, 3,......,n。

主成分得分Zi的计算方式为，将每个耐荫参数进行标准化，再根据公式进行计算。

S6、通过每个主成分的特征根(Eigenvalue)、贡献率(Proportion) 以及累计贡献率(Cumulative)计算隶属函数值以及综合指标的权重，获得耐荫性综合评价指数D值，通过系统聚类分析得出物种耐荫性等级。

先将每个耐荫参数进行标准化处理，再通过标准化的每个耐荫参数计算 i＝1,2,3,......,n对应的每个综合指标的主成分得分，根据公式(3) 计算每个主成分的隶属函数值，所述公式(3)为，

μ(i)＝(Zi-Zimin)/(Zimax-Zimin)； (3)

其中，μ(i)是隶属函数值，Zi主成分得分，Zimax和Zimin分别为所有物种中，第i个主成分得分的最大值和最小值。

综合指标权重通过公式(4)进行计算，所述公式(4)为，

其中，Wi代表第i个主成分在所有主成分中的重要性，Pi代表第i个主成分的贡献率。

耐荫综合评价指数通过公式(5)进行计算，所述公式(5)为，

其中，μ(i)是隶属函数值，Zimax和Zimin分别为所有物种中，第i 个耐荫性综合指标的主成分得分的最大值和最小值，D为物种耐荫综合评价指数。

本发明的一种城市绿地物种选择方法，使用如上所述的城市绿地物种耐荫性评价方法对城市绿地物种的耐荫性进行评价，并选择强耐荫物种和/或一般耐荫物种作为城市绿地使用的物种。

在选择城市绿地物种时，预先对该绿地范围的条件进行评估，得到该绿地范围适合的物种耐荫性，再根据上述评价方法对城市绿地物种的耐荫性进行评价，得到适合种植于该绿地范围的物种，使物种的耐荫性与绿地环境条件匹配。

以下实施例为，采用本发明的城市绿地物种耐荫性的评价方法对47种城市绿地常见物种的耐荫性进行评价。

实施例

本发明实施例为了减少由环境条件的不同引起的误差，试验测量物种均位于中国科学院北京植物园内。测量对象如下：杜仲、银杏、望春玉兰、鹅掌楸、元宝枫、丝棉木、山桃、肥皂荚、国槐、核桃、锐齿槲栎、山茱萸、刺楸、柿树、青檀、西府海棠、紫叶李、美人梅、碧桃、北京丁香、雪柳、文冠果、冻绿、脱皮榆、流苏、榆叶梅、华北珍珠梅、鸡麻、连翘、金叶女贞、蝟实、锦带花、金银忍冬、琼花、香荚蒾、紫薇、紫荆、黄栌、木槿、接骨木、冬青卫矛、胶东卫矛、棣棠、南蛇藤、月季、多花紫藤、早园竹。

具体的评价步骤如下：

分别测量每个物种的11个耐荫性参数：净光合速率(Pn)，气孔导度 (Cond)，胞间二氧化碳浓度(Ci)，蒸腾速率(Tr)，气孔限制(Ls)，比叶面积(SLA)，相对叶绿素含量(SPAD)，表观量子效率(AQE)，暗呼吸速率(Rd)，光饱和点(LSP)和光补偿点(LCP)。

采用Microsoft Excel 2016软件进行数据分析；采用SPSS 21.0软件进行主成分分析，具体分析过程如下：

主成分分析：以11个耐荫性参数为基础，采用SPSS 21.0软件计算因子载荷矩阵、特征根和贡献率，具体结果如表1所示；并通过以下公式计算得出主成分载荷矩阵，具体的主成分载荷矩阵如表2所示：

根据表2，主成分分析可以将11个耐荫性参数分为3个综合指标，前三项综合指标的贡献率分别为39.569％、23.776％和10.946％，累计贡献率为 74.291％，特征根均大于1，因此，以前三项主成分作为物种耐荫性综合评价的主要因子。

在第一主成分中，LSP、Pn、Cond和Tr的系数相对较大，分别为0.378、 0.423、0.446和0.385。这些指标主要反映物种对光强和气孔因子的响应。第二主成分中，Rd、LCP、SPAD、Ci、SLA和Ls的系数较大，分别为0.414、 0.323、0.407、-0.411、-0.382和0.411，主要反映了物种叶片的光合作用限制和自我保护能力。第三主成分中，AQE系数相对较大，为0.804，主要反映了物种利用弱光的能力。基于前三个主成分分析结果，将物种对光强、气孔因子、光合作用限制和自我保护能力作为物种耐荫性的综合评价指数，也就是说上述综合评价指标分别对应主成分1、2和3。

表1因子载荷矩阵

表2耐荫参数主成分载荷矩阵

表3物种耐荫性综合评价结果

分别对以上11个参数进行标准化处理可得：ZAQE，ZRd，ZLSP，ZLCP， ZSPAD，ZPn，ZCond，ZCi，ZTr，ZSLA和ZLs，计算每个主成分的得分：

主成分得分的计算公式为，

Zi＝UAQEi*ZAQE+URdi*ZRd+ULSPi*ZLSP+ULCPi*ZLCP+USPADi*ZSPAD+UPn i*ZPn+UCondi*ZCond+UCi*ZCi+UTri*ZTr+USLAi*ZSLA+ULsi*ZLs。

其中，Z为每个耐荫参数标准化后的值。

根据上述公式的具体计算过程为：

Z1＝0.005*ZAQE+0.266*ZRd+0.378*ZLSP+0.227*ZLCP+0.124*ZSPAD+0.4 23*ZPn+0.446*ZCond+0.296*ZCi+0.385*ZTr-0.137*ZSLA-0.295*ZLs

Z2＝0.248*ZAQE+0.414*ZRd-0.033*ZLSP+0.323*ZLCP+0.407*ZSPAD+0.0 35*ZPn-0.108*ZCond-0.411*ZCi+0.004*ZTr-0.382*ZSLA+0.411*ZLs

Z3＝0.804*ZAQE+0.244*ZRd+0.028*ZLSP-0.221*ZLCP+0.147*ZSPAD-0.1 08*ZPn-0.056*ZCond+0.218*ZCi-0.177*ZTr+0.285*ZSLA-0.221*ZLs

根据以下公式计算每个主成分对应的隶属函数值：

μ(i)＝(Zi-Zimin)/(Zimax-Zimin)；

本实施例中，i＝1,2,3；Zimin为表3中第i列的Z值中的最小值；Zimax 为表3中第i列的Z值中的最大值，μ(i)的具体计算结果为：

μ1＝(Z1-(-4.63))/(5.71-(-4.63))；

μ2＝(Z2-(-3.37))/(3.08-(-3.37))；

μ3＝(Z3-(-2.71))/(2.12-(-2.71))。

根据以下公式计算每个主成分的综合指标权重：

W1＝39.569/74.291＝0.532；W2＝23.776/74.291＝0.316；

W3＝10.496/74.291＝0.143。

根据以下公式计算该物种的综合评价指数D值计算：

D＝μ1*0.532+μ2*0.316+μ3*0.143。

通过上述过程分别计算每个物种的D值，并根据D值对各绿地物种的耐荫性进行排序。

对各物种的耐荫性分析结果为，根据表3中的数据显示，紫荆的D值最大，为0.7994，表明其耐荫性最强；早园竹的D值最小，为0.1930，表明其耐荫性最弱。表3的分析结果，可以确定物种的耐荫性，作为城市绿地耐荫物种的筛选依据。

聚类分析：利用SPSS软件对不同物种的耐旱性综合评价指数D值进行系统聚类分析，聚类方法采用Ward法，并采用平方Euclidean距离。

如图1所示，当距离小于5时，可将本实施例中的47个绿化物种分为3 类：强耐荫物种、一般耐荫物种和不耐荫物种：

强耐荫物种：紫荆，柿树，木槿，紫薇；

一般耐荫物种：山桃，北京丁香，月季，流苏，西府海棠，香荚蒾，碧桃，冬青卫矛，冻绿，国槐，黄栌，丝棉木，雪柳，金叶女贞，连翘，胶东卫矛，紫叶李，杜仲，文冠果，金银忍冬，银杏；

不耐荫物种：美人梅，锐齿槲栎，核桃，刺楸，脱皮榆，青檀，接骨木，多花紫藤，榆叶梅，锦带花，华北珍珠梅，南蛇藤，望春玉兰，蝟实，鹅掌楸，琼花，山茱萸，肥皂荚，棣棠，鸡麻，元宝枫，早园竹。

本发明的评价方法，通过测定相同环境条件下物种光合作用关键参数、叶绿素相对含量和比叶面积等，采用统计学方法进行综合分析，对常见绿地物种的耐荫性进行评价，为不同光照条件下绿地物种的筛选提供理论依据，降低城市绿地建设过程中因物种选择不当造成的损失。

在考虑传统绿地筛选指标和方法的基础上，本发明着重从物种生理生态学的角度评价常见绿地物种对光照强弱的适应性。通过建立物种耐荫评价体系，构建稳定和可持续的城市绿地系统，最大限度地提高绿地的生态，文化和社会效益。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。