趙伊琳,白梓彤 ,王 成,*,殷魯秦,孫振凱,張 昶,孫睿霖,徐 詩,邊 琦,孫寶強(qiáng)

1 中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所,國家林業(yè)和草原局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100091

2 國家林業(yè)和草原局城市森林研究中心,北京 100091

3 天津財(cái)經(jīng)大學(xué)藝術(shù)學(xué)院,天津 300222

“月出驚山鳥,時(shí)鳴春澗中”,“百囀千聲隨意移,山花紅紫樹高低”,正如古典文學(xué)中所描述的,聲景觀,尤其是生物聲景觀,早在古代就受到了人們的關(guān)注。在古典園林中,“聲音”成為了人們營造意境的重要手段。無錫寄暢園的八音澗是古人營造聲景觀,表現(xiàn)自然幽谷溪澗聲音之美的典型?？梢?從古至今,人們對(duì)于景觀的要求都不止局限在視覺上,優(yōu)美的聲景觀能帶給人更豐富而立體的體驗(yàn)[1]。

“聲景觀”——來自景觀中所有聲音的集合——這一術(shù)語在1969年首次被Southworth 在城市規(guī)劃領(lǐng)域文獻(xiàn)中使用[2-3]。聲景觀不是恒定的,其在空間和時(shí)間上都是異質(zhì)的。這種變化在每個(gè)生態(tài)系統(tǒng)(自然和城市)中都很普遍,可以通過特定的聲學(xué)特征來定義和表征[4]。“聲景生態(tài)學(xué)”這一研究領(lǐng)域及其理論框架于2011年由Bryan C. Pijanowski等正式提出[7],該領(lǐng)域強(qiáng)調(diào)聲音的生態(tài)特性及其時(shí)空模式[3]。聲景生態(tài)學(xué)研究通過記錄和量化聲音信息為解析區(qū)域景觀和生態(tài)特征、長期監(jiān)測動(dòng)物群落動(dòng)態(tài)、評(píng)估環(huán)境生物多樣性水平和生態(tài)完整性提供了新的研究理論與視角[5]。

將聲學(xué)數(shù)據(jù)從時(shí)域轉(zhuǎn)換為頻域(如通過傅里葉變換),提供了研究景觀中有機(jī)體信號(hào)流動(dòng)的新思路。聲學(xué)指標(biāo)可以作為跨時(shí)空尺度的生態(tài)系統(tǒng)功能的表征,能夠客觀地描述或評(píng)估聲景觀總體的表現(xiàn)和特征[8],作為表征生態(tài)系統(tǒng)功能的度量,其比傳統(tǒng)的物理調(diào)查具有更小的侵入性和更高的準(zhǔn)確度[6]。Boelman等開發(fā)的生物聲學(xué)指數(shù)(BIO),是錄音中頻譜振幅和頻帶數(shù)目的函數(shù)[9],該指數(shù)被證明與夏威夷森林中的鳥類數(shù)量密切相關(guān)[10-11]。聲學(xué)多樣性指數(shù)(ADI)[12]計(jì)算每個(gè)1 kHz頻帶信號(hào)功率占用的香農(nóng)多樣性指數(shù)。能夠有效反映聲學(xué)活動(dòng)總體差異,例如黎明合唱和夜間活動(dòng)之間或不同生境之間的區(qū)別[13]；歸一化聲景指數(shù)(NDSI)[14]已被證明可以反映景觀中的季節(jié)性和晝夜變化,能夠描述動(dòng)物與人類之間的相互作用[14],也被證明與生境中鳥類的存在有關(guān)[15]。

由于聲景生態(tài)學(xué)仍處于起步階段,因此存在許多研究空白,對(duì)這些部份的研究將使聲景技術(shù)在長期而有效的生態(tài)系統(tǒng)功能和生物多樣性監(jiān)測以及城市或綠地聲景觀規(guī)劃與管理方面從理論變成實(shí)際的應(yīng)用。隨著城市快速發(fā)展,越來越多的自然景觀轉(zhuǎn)換為城市景觀,在人類主導(dǎo)的系統(tǒng)中保持生態(tài)完整性將是一項(xiàng)至關(guān)重要的管理挑戰(zhàn)。因此,了解聲景觀時(shí)空動(dòng)態(tài)及其在城市地區(qū)中應(yīng)用于聲景觀監(jiān)測的潛力至關(guān)重要[16]。

但迄今為止,大多數(shù)聲景觀研究在自然保護(hù)區(qū)或森林中進(jìn)行,很少有研究描述高度城市化地區(qū)城市公園的聲景觀特征。此外,在城市尺度聲景觀的研究對(duì)植物特征的提取常常停留在景觀類型[16-17]、歸一化植被指數(shù)[17]或植被蓋度[18]等較宏觀的水平分布特征。而生境是生物活動(dòng)的直接環(huán)境,喬木群落的垂直異質(zhì)性與分層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性能夠極大的增加生物的棲息空間[19],目前仍缺乏對(duì)于植被結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)量化方法,這可能會(huì)影響對(duì)于植物環(huán)境與生物聲景觀關(guān)系的研究。因此,在本研究中,記錄并描述了北京五環(huán)內(nèi)二十個(gè)城市公園的聲景觀特征。此外,為了確定植被群落結(jié)構(gòu)對(duì)生物聲景觀的影響,將植被因子降維后用于植被結(jié)構(gòu)類型的劃分,解析植被結(jié)構(gòu)與生物聲景觀的關(guān)系。這些生態(tài)聲學(xué)指數(shù)隨后可服務(wù)于城市規(guī)劃者、社區(qū)決策者與開發(fā)商,以實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理綠地聲環(huán)境及監(jiān)測聲景觀變化。

1 研究方法

1.1 研究地點(diǎn)選擇

北京(115°24′—117°30′E,39°38′—41°05′N)是中國的首都和世界第二大城市。平均海拔43.5m。在城市發(fā)展過程中,北京城區(qū)形成典型的同心環(huán)結(jié)構(gòu),城市化梯度隨著環(huán)數(shù)增加而逐漸減小。截至2015年底,北京市常住人口達(dá)到2170.5萬人[20],人口密度隨著環(huán)數(shù)量的增加而逐漸減小。五環(huán)(城區(qū))內(nèi)的綠化面積占城市總面積的32.8%。城市公園是北京最重要的綠地。這些公園營建主要面向市民使用,同時(shí)兼具城市生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與生物多樣性改善的作用。因此,有必要研究城市公園不同植被結(jié)構(gòu)下生物聲景觀特征及城市綠化規(guī)劃與管護(hù)策略。北京五環(huán)內(nèi),沿北-南、西北-東南、西-東、西南-東北截面,根據(jù)北京市環(huán)狀分布格局從2環(huán)到5環(huán)(位于五環(huán)外沿的奧林匹克森林公園北園除外),選擇20個(gè)公園(圖1),面積從2 hm2到200 hm2不等。此后,基于公園面積聚類結(jié)果,在各公園內(nèi)選擇1—5個(gè)固定樣點(diǎn),共計(jì)60個(gè)。各樣點(diǎn)所處的坡向、海拔高度相似,以便于后續(xù)比較分析。由于空間具有自相關(guān)性,選擇的公園至少間隔1km。

圖 1 5環(huán)內(nèi)20個(gè)城市公園位置Fig.1 Location of 20 urban parks inside 5th ring road灰色圓點(diǎn)為20個(gè)城市公園：AS：奧林匹克森林公園(北園)；YD：玉東公園；HD：海淀公園；BJ：北極寺公園；SD：四得公園；LY：柳蔭公園；XL：興隆公園；RT：日壇公園；ZS：中山公園；YT：月壇公園；LL：玲瓏公園；LS：老山城市公園；XW：宣武藝園；LP：藺圃園；TT：天壇公園；FY：豐益公園；KD：看丹公園；FH：福海公園；LJ：老君堂公園；BH：碧海公園

1.2 聲音數(shù)據(jù)采樣方法

每處樣點(diǎn)放置1臺(tái)聲音采集器(Zoom H5,Zoom Inc.,千代田區(qū),東京,日本,System 2.40),于4月選擇晴朗無風(fēng)的4d進(jìn)行24h連續(xù)監(jiān)測(4月10日—4月14日),且所有樣地測定均確保同步進(jìn)行。

聲音采集器(Zoom H5),采樣率為44100Hz,采樣位為16bit,立體聲采樣,音頻格式為WAV。同時(shí)設(shè)置高通濾波器為220Hz,可消除部分電流雜音。Zoom H5是一款商用數(shù)字錄音設(shè)備,帶有兩個(gè)內(nèi)置單向電容麥克風(fēng),具有良好的聲音可靠性,并已成功用于其他聲景生態(tài)學(xué)研究[13, 15, 18, 21]。聲音采集器應(yīng)放置在群落中心位置,選擇長勢良好的喬木,固定在距地面2m位置。收音結(jié)束后,利用Python對(duì)聲音樣本進(jìn)行系統(tǒng)隨機(jī)抽樣,每隔15min采集1min[22],共得到345600段1min音頻文件。

1.3 樣地植被調(diào)查

以采樣點(diǎn)為中心,設(shè)置20m×20m植被調(diào)查樣地。植被結(jié)構(gòu)調(diào)查分為2個(gè)垂直層次：(1)所有高于1.5m木本植物種類、胸徑(cm)、高度(m)、樹冠高(m)等[21]；(2)灌叢和地被層種類和數(shù)量。此外,測量并計(jì)算了樣地內(nèi)葉高多樣性(Foliage Height Diversity, FHD)[23-24]。為了避免主觀估計(jì)誤差,群落植被調(diào)查全部由2名調(diào)查員共同完成。根據(jù)Wunderle的研究,葉高多樣性(FHD)在每一個(gè)樣點(diǎn)的東、南、西、北四個(gè)方向每隔4m確定一點(diǎn)測量,每個(gè)方向3個(gè)測量點(diǎn),每個(gè)樣點(diǎn)共12個(gè)測量點(diǎn)。在各測量點(diǎn)記錄各高度水平空間(距離地面高度)是否有植物葉片,包括<0.5,0.6—1.0,1.1—2.0,2.1—4.0,4.1—6.0,6.1—8.0,8.1—10.0和>10m。最后,利用Shannon多樣性指數(shù)計(jì)算得到FHD[25]。其他計(jì)算的植被垂直變量還包含樹高變異指數(shù)(TCV)、喬木平均高度(TAH)、平均樹冠高(CAH)。植被結(jié)構(gòu)的水平方向變量包括：喬木層蓋度(TC)、喬木層α多樣性(TD)、灌木和地被層蓋度(SGC)及α多樣性(SGD)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1聲景觀分析

聲景觀中的不同實(shí)體如鳥類、兩棲動(dòng)物、哺乳動(dòng)物、風(fēng)和機(jī)械等產(chǎn)生不同頻率的聲音。生態(tài)系統(tǒng)中聲音主要包括三種:生物聲(Biopony)——有機(jī)體發(fā)出的生物聲音,通常為中高頻率(2—11kHz)；人工聲(Anyhrophony)——人類或人造物體產(chǎn)生的聲音,通常頻率較低(1—2kHz)；地球物理聲(Geophony)——自然過程(如風(fēng)和雨)產(chǎn)生的聲音,可能超越整個(gè)聲譜(1—11 kHz)[3, 7, 26]。

聲景觀分析使用R統(tǒng)計(jì)計(jì)算環(huán)境。通過soundecology包中的“multiple sounds”功能,在2—11,025HZ區(qū)間內(nèi)計(jì)算和可視化了共23040條聲音樣本。已排除0—1 kHz中的數(shù)據(jù),其很大程度上來自風(fēng)[27]。

(1)聲學(xué)指數(shù)計(jì)算

本研究中使用了聲景觀研究中被廣泛認(rèn)可的3個(gè)聲學(xué)指數(shù)：聲學(xué)多樣性指數(shù)(Acoustic Diversity Index,ADI)[13]、生物聲學(xué)指數(shù)(Bioacoustic Index,BIO)[9]、歸一化聲景指數(shù)(Normalized Difference Soundscape Index,NDSI)。ADI將聲譜劃分為多個(gè)頻帶,并計(jì)算每個(gè)頻帶中超過- 50db的聲音所占比例。BIO計(jì)算各頻段曲線下與分貝值相關(guān)的面積,即與聲級(jí)和鳥類所使用的頻帶數(shù)目相關(guān)的函數(shù)。NDSI通過計(jì)算人工聲與生物聲的比率衡量生境人為干擾程度[14],公式為：

其中生物聲被定義為2—11 kHz的頻率范圍,人工聲則被定義為屬于1—2kHz范圍。NDSI的低值表明人工聲優(yōu)勢,高值則表示生物聲優(yōu)勢。研究針對(duì)每個(gè)樣點(diǎn)的聲音數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,分別對(duì)各樣點(diǎn)聲學(xué)指數(shù)的日變化進(jìn)行可視化。黎明合唱是鳥類歌唱活動(dòng)的高峰,被定義為從日出前2h開始到此后2h結(jié)束的時(shí)期[18]。

(2)聲強(qiáng)度計(jì)算

基于R自動(dòng)計(jì)算的功率譜密度(Power Spectral Density, PSD)。所有的音頻文件被劃分為10個(gè)1 kHz頻率區(qū)間后計(jì)算- 50dbfs以上聲音的歸一化功率譜密度。計(jì)算每個(gè)頻率間隔的PSD值,可定量的描述其相對(duì)貢獻(xiàn),反映聲事件的功率隨時(shí)間和頻率的變化[28]。

1.4.2樣地植被類型劃分

為了識(shí)別和解釋僅城市公園(n=60)樣地中聲景觀與植被的關(guān)系,創(chuàng)建了聲學(xué)指數(shù)與植被因子的斯皮爾曼(Spearman)相關(guān)矩陣,并指導(dǎo)后續(xù)分析。

為了進(jìn)一步解釋樣地植被對(duì)聲景觀影響,選擇相關(guān)性分析中統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著的因子進(jìn)行進(jìn)一步分析：對(duì)樣地的6個(gè)植被變量進(jìn)行主成分分析(PCA)和最大方差法歸一化旋轉(zhuǎn)以方便解釋。PCA將6個(gè)變量轉(zhuǎn)換為三個(gè)主要成分(前三軸(Dim1—Dim3)解釋了總方差的70%以上)。確定了三個(gè)軸中絕對(duì)負(fù)載值> 0.5的植被變量.

為了進(jìn)一步劃分植被結(jié)構(gòu)類型,通過k-means聚類算法對(duì)Dim1—Dim3進(jìn)行聚類分析。通過計(jì)算不同樣本間植物信息的歐式距離來判斷個(gè)案間的相近關(guān)系,依據(jù)解釋變量方差的積累值的閾值(“手肘法”,Elbow Method)進(jìn)行k值的選擇。使用V值,即簇內(nèi)距與簇間距的比值作為聚類結(jié)果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),通過比較不同k值對(duì)于V值的影響,選擇最佳K值。據(jù)此,將采樣點(diǎn)進(jìn)行聚簇,并按聚類分布圖統(tǒng)計(jì)出所有樣地植被類別。使用Kruskal-Wallis(K-W檢驗(yàn))與多重比較,分析各樣地類型中聲景觀的特征與差異。本節(jié)數(shù)據(jù)分析與可視化基于Python 3.9.0平臺(tái)。

2 結(jié)果與分析

2.1 城市公園聲景觀日動(dòng)態(tài)

2.1.1城市公園聲學(xué)指數(shù)日變化特征

在聲景觀音頻錄制期間,繪制每天24h內(nèi)NDSI、BIO、ADI指數(shù)的變化圖(圖2)。為方便比較,指數(shù)已進(jìn)行歸一化處理?？傮w來說,三種聲學(xué)指數(shù)的日變化模式呈現(xiàn)相似的模式,揭示了與之相對(duì)應(yīng)的生態(tài)過程[7, 29]。具體變化過程來看,NDSI和ADI變化趨勢都呈現(xiàn)單峰型,BIO則呈現(xiàn)多峰分布。所有聲學(xué)指數(shù)在黎明鳥類合唱時(shí)上升,在5：00—6：00達(dá)到最高峰,之后逐步下降,直到鳥類傍晚合唱時(shí)再次略微上升。其中ADI逐步下降,直到第二日清晨的黎明合唱前至最低值,此后迅速上升。NDSI則于傍晚7：00左右降至最低點(diǎn),此后波動(dòng)上升,在黎明合唱前出現(xiàn)短暫的小幅下降,此后繼續(xù)上升至峰值。

圖2 歸一化聲學(xué)指數(shù)(NDSI、BIO、ADI)的日變化 Fig.2 Daily variation normalized acoustic indices (NDSI, BIO, ADI)

所有聲學(xué)指數(shù)都能準(zhǔn)確反映出黎明合唱——在溫帶國家,這一春季最明顯的鳥類保衛(wèi)繁殖區(qū)域、試圖吸引伴侶或召集同伴的生態(tài)活動(dòng)。正如歸一化植被指數(shù)(NDVI)評(píng)價(jià)植被健康一樣,NDSI綜合考慮生態(tài)系統(tǒng)生物聲和人為干擾,因此被用來評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況[18]。NDSI顯示了北京城市公園內(nèi)人類活動(dòng)在傍晚20：00達(dá)到一天中的高峰,這反映了北京公園人類活動(dòng)的實(shí)際情況,也符合其他關(guān)于城市公園公眾行為研究[30]。夜間較高的NDSI反映了該指數(shù)對(duì)夜間生物活動(dòng)敏感,例如直翅目昆蟲等[31]。黎明前NDSI的小幅下降可能代表了從夜間聲學(xué)信號(hào)向白天不同信號(hào)種類的過渡。綜合來看,NDSI的日變化模式為聲學(xué)生態(tài)位假說提供了支持[32]：兩棲動(dòng)物和昆蟲傾向于在夜間發(fā)信號(hào)以規(guī)避鳥類及掠食者,因?yàn)槁晫W(xué)生態(tài)位是動(dòng)物爭奪聲音維度空間的有限資源[15]。

BIO在黎明合唱后小幅下降后仍保持較高數(shù)值,直到正午。這可能與人群在城市公園內(nèi)的活動(dòng)相關(guān)。這點(diǎn)驗(yàn)證了[33]在英國城市地區(qū)的研究結(jié)果。BIO基于頻譜幅度的變化來計(jì)算的,反映了景觀中聲音的強(qiáng)度。BIO被證明與鳥類發(fā)聲次數(shù)[34]和鳥類物種豐富度相關(guān)[9]。但當(dāng)直接在城市地區(qū)應(yīng)用BIO時(shí),其結(jié)果可能被人聲干擾。因此,本文在進(jìn)行后期分析時(shí),只采用未受到人聲干擾的黎明期間數(shù)據(jù)。ADI測量聲譜熵多樣性[13],與鳥類多樣性和物種活動(dòng)有關(guān)[35]。BIO和ADI在16：00—19：00的小幅上升,反映了北京城市公園內(nèi)鳥類群落的傍晚合唱,而二者較低的夜間值表明其對(duì)北京城市公園的夜間生物聲不夠敏感。

總體而言,北京城市公園生物聲的日變化顯著,由鳥類鳴聲主導(dǎo),具有明顯的黎明合唱特征。

2.1.2城市公園聲景觀強(qiáng)度特征

將PSD在24h內(nèi)的變化情況進(jìn)行匯總,可視化沿頻率區(qū)間的聲強(qiáng)(圖3)。最低頻率功率值(1—2 kHz)在日出后波動(dòng)上升,在晚上8時(shí)達(dá)到峰值,并在黎明前保持穩(wěn)定,然后在日出前下降到最低點(diǎn)。與1—2 kHz相比,2—11 kHz(生物聲)的PSD日變化呈現(xiàn)相反模式。2—3 kHz的聲景強(qiáng)度峰值出現(xiàn)在凌晨5—6時(shí),這段時(shí)間正好是日出時(shí)間。之后急劇下降,然后隨著波動(dòng)緩慢下降,直到第二天黎明。3—4 kHz除在傍晚有相對(duì)更明顯的波動(dòng)上升外,與2—3 kHz具有非常相似的模式。4—5 kHz則重點(diǎn)突出了鳥類的傍晚合唱。這可能反映了春季雌性到達(dá)繁殖地時(shí),雄性開始減少黎明合唱,而在黃昏合唱期間具有更明顯的歌聲。該部分聲音變化特征可能反映了雄性鳥類生殖期鳴聲規(guī)律變化[36]。總體來看,2—5 kHz變化規(guī)律符合鳥類活動(dòng)。5—11 kHz區(qū)間具有相似的模式：在夜間持續(xù)波動(dòng)上升,直到黎明前(凌晨4時(shí))達(dá)到最高值,在日出后急劇下降,然后在6—7時(shí)之間保持相對(duì)平穩(wěn)。

圖3 共10個(gè)頻率區(qū)間內(nèi)聲功率譜密度日變化Fig.3 Power Spectral Density daily variation of all 10 frequency intervals圖中虛線標(biāo)注了每個(gè)頻率區(qū)間一天中的強(qiáng)度峰值及其所對(duì)應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)

2.1.3城市公園聲學(xué)生態(tài)位特征

基于ANH假設(shè),聲景觀內(nèi)不同頻率的聲強(qiáng)變化可能反映了不同聲學(xué)群落的信息。因此,為了進(jìn)一步揭示不同類型聲音的變化,反映聲音生態(tài)位,本研究可視化了1—2 kHz,2—5 kHz, 5—11 kHz頻率區(qū)間在一天中占全部聲景觀的比例,以及其中聲學(xué)生態(tài)位的變化(圖4)。最低頻率功率值(1—2 kHz)在一天中一直占據(jù)最大比重,最高達(dá)到90%以上,表明大部分時(shí)間人工聲主導(dǎo)了城市公園聲景觀,主要包括車輛噪音、交談聲、廣場舞等。此外,本研究發(fā)現(xiàn)聲學(xué)生態(tài)位存在重合現(xiàn)象。在1—2 kHz發(fā)現(xiàn)了黑斑側(cè)褶蛙(Pelophylaxnigromaculatus)和長耳鸮 (Asiootus)在夜間出現(xiàn),但最低頻區(qū)間的主要音源仍是人工聲。

生物聲中2—5 kHz的鳥類鳴聲占據(jù)了主導(dǎo)地位。鳥類的聽覺敏感頻率在1—4 kHz[37],而城市鳥類最主要的鳴聲頻率在2.3和2.4 kHz之間[38],例如北京最常見的鳥類喜鵲(Picapica)和四聲杜鵑(Cuculusmicropterus)。他們的合唱為黎明前后生物聲在一天中的最高占比貢獻(xiàn)了主要力量。而4—5 kHz的傍晚合唱由于此時(shí)也處于高強(qiáng)度的人工聲,其在整體聲景觀中未能得到明顯表現(xiàn)。5—11 kHz所貢獻(xiàn)的絕對(duì)聲音雖然能量非常低,但他們?nèi)阅芄餐从沉嗽谝归g主導(dǎo)聲景觀的昆蟲的鳴聲規(guī)律[18],例如聲音最響亮的蟋蟀(Grylloidea)、螽斯(Tettigoniidae)等。昆蟲發(fā)出的聲音比鳥類的聲音頻率高,也出現(xiàn)不同的峰值時(shí)間段,說明在城市背景下各自占有不同的聲學(xué)生態(tài)位(圖4)。

圖4 北京城市公園聲強(qiáng)(watts/kHz)相對(duì)比例及其生態(tài)位日變化圖Fig.4 Percent of total soundscape power (watts/kHz) and acoustic niches variation for frequency intervals

2.2 樣地植被特征對(duì)聲景觀的影響

樣地植被特征因子與聲學(xué)指標(biāo)的相關(guān)性分析證實(shí)了植被與聲景特征之間的顯著關(guān)系(表1)。在植被結(jié)構(gòu)復(fù)雜的樣地中,NDSI較高,這些植物群落具有復(fù)雜的分層結(jié)構(gòu),無論是喬木層或灌草層,都具有較高的覆蓋度。BIO則在具有高大喬木以及更高喬木樹冠的樣地中更高。相似地,在具有高大喬木的植被類型中,聲學(xué)多樣性(ADI)也更高。這反映了城市生境中大樹對(duì)聲學(xué)群落的具有重要的正面作用。大樹能夠提供更多的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性[39-40],包括較大的樹冠,枯死的樹枝和空洞,這些小樹所不能具有的結(jié)構(gòu)能夠?yàn)闊o脊椎動(dòng)物、爬行動(dòng)物、鳥類和哺乳動(dòng)物提供重要的食物和生境資源[41]。但灌草層的植物多樣性則對(duì)ADI具有一定負(fù)面影響。這可能是因?yàn)橛休^多灌草多樣性的地塊往往種植草坪,具有很高的人為管護(hù)強(qiáng)度,包括隨季節(jié)更替地被,高頻率的修剪、除草、農(nóng)藥的使用。這些人為干擾影響城市野生動(dòng)物活動(dòng),尤其是地面筑巢物種,因此其聲學(xué)多樣性也相應(yīng)地減少。

表1 聲學(xué)指數(shù)和樣地植被變量的斯皮爾曼秩相關(guān)矩陣(n=60)Table 1 Spearman rho correlation of habitat factors with acoustic indices (n=60)

2.3 植被與聲景觀的關(guān)系

2.3.1植被類型組成

根據(jù)相關(guān)分析結(jié)果,選擇對(duì)聲學(xué)指數(shù)具有影響的六個(gè)樣地植被變量進(jìn)行進(jìn)一步分析(雖然變量TC也在統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著,但由于其相關(guān)系數(shù)過小,因此予以剔除)。PCA將六個(gè)變量轉(zhuǎn)換為三個(gè)主要成分(其解釋了總方差的70%以上)。確定了三個(gè)PC中絕對(duì)負(fù)載值> 0.5的植被變量(表2)。

表2 樣地植被變量的主成分分析結(jié)果Table 2 Principal component analysis of the variables that responded to the vegetation structure

變量TAH和CAH控制第一軸(Dim 1,絕對(duì)載荷>0.6,表1),并且它們的組合得到相關(guān)性的支持(r=0.73,P<0.001)。因此,Dim 1主要區(qū)分了樣地植被中喬木層高度。變量SGC、FHD和TCV區(qū)分了第二軸(Dim 2,絕對(duì)載荷>0.5)。TCV主要定義了樣地中喬木層的垂直復(fù)雜度,SGC衡量灌木和地被層,FHD則綜合衡量了樣地喬灌草層的垂直結(jié)構(gòu)。因此本研究確定了Dim 2主要與樣地的垂直復(fù)雜度相關(guān)。Dim 3反應(yīng)了灌草層多樣性信息。

進(jìn)一步,依據(jù)PCA結(jié)果,通過 k-means算法對(duì)植物群落進(jìn)行劃分。聚類最佳k值為3,即60個(gè)樣地被劃分為3種具有植被結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的植被類型,樣地聚簇結(jié)果如圖5。劃分的4種樣地植被類型分別為：灌草層發(fā)達(dá)型(SG型,n=30)、垂直結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)型(V型,n=22)、高大喬木型(T型,n=8)。

圖 5 樣地在PCA排序軸(Dim1—3)上的2維和3維展開圖Fig.5 The 2-D and 3-D distribution of sampling sites in PCA圖中三種顏色代表聚類分析結(jié)果：黃色為SG型、綠色為V型、紫色為T型

2.3.2不同樣地植被類型中聲景觀特征

所有樣地植被類型中,黎明時(shí)段的聲學(xué)指數(shù)都顯著高于全日值(圖6),反映了鳥類黎明合唱(dawn chorus)充滿活力,聲音更大,頻率更高的特點(diǎn)。對(duì)聲學(xué)指數(shù)進(jìn)行非參數(shù)獨(dú)立樣本克魯斯卡爾.沃利斯(K-W)檢驗(yàn)和多重比較結(jié)果表明,在95%置信區(qū)間內(nèi),BIO和NDSI在三種樣地植被類型中具有顯著差異(BIO:χ2=14.8,P<0.001; ADI:χ2=20.7,P<0.001)。NDSI在黎明合唱期間數(shù)值受到樣地植被垂直結(jié)構(gòu)變化的最大影響。NDSI在具有發(fā)達(dá)植被垂直結(jié)構(gòu)的V型樣地植被類型中最高,而在具有高大喬木,疏林草地的T型樣地植被類型中最低。與NDSI不同,BIO則在T型中最高,在灌草層發(fā)達(dá)但喬木層低矮的SG型中最低。ADI則在不同植被類型間未發(fā)現(xiàn)顯著差異。結(jié)果表明不同結(jié)構(gòu)的植被,可能導(dǎo)致不同的生物群落,同時(shí)形成種類豐富的聲景觀。

圖6 聲學(xué)指數(shù)在不同樣地植被類型間的差異Fig.6 Differences of acoustic indices in different vegetation types

3 討論

本研究量化(圖2、3)并可視化(圖3)了北京二十個(gè)城市公園內(nèi)60個(gè)樣地的聲景觀特征與動(dòng)態(tài),可以將其視為北京城市公園聲景觀研究的基線記錄。隨著聲音數(shù)據(jù)被量化為聲景觀模式并通過這些聲指數(shù)的可視化,可以更好地總結(jié)出一種有效的方法,以跟蹤和評(píng)估隨時(shí)間和空間變化生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況,并更好地理解聲景觀在生態(tài)過程中的作用[7]。

本研究對(duì)1—11kHz所有頻率段在24h的變化模式的可視化能夠反應(yīng)包括鳥類、昆蟲等聲學(xué)群落的活動(dòng)與相關(guān)的生態(tài)過程,其中幾乎所有頻率段都強(qiáng)調(diào)了非常清晰的黎明合唱,其具有一天中最高的功率,這與以前的研究非常一致[15, 17, 21, 42]。此外,每個(gè)頻率段不同的模式為聲學(xué)生態(tài)位假說提供了支持。這是聲學(xué)群落分配聲音資源的結(jié)果[12]。研究表明,動(dòng)物可以調(diào)節(jié)其呼叫頻率以適應(yīng)嘈雜和復(fù)雜的聲學(xué)環(huán)境,從而減少噪聲干擾。

長期以來,植被結(jié)構(gòu)在鳥類組合的決定中起著重要作用[43]。大多數(shù)關(guān)于聲景觀的研究都在自然保護(hù)區(qū)或森林中進(jìn)行研究,這是首個(gè)探討北京城市地區(qū)聲景觀與植被關(guān)系的定量研究。研究結(jié)果證明了在城市環(huán)境中,植被結(jié)構(gòu)同樣對(duì)聲景觀具有重要作用,這與前人的發(fā)現(xiàn)一致[15, 28, 44]。此外,相比于水平特征,植被垂直結(jié)構(gòu)對(duì)聲景觀具有更明顯的影響。當(dāng)垂直異質(zhì)性越強(qiáng),冠層高度不均勻或植被多層時(shí),生物聲強(qiáng)度以及聲學(xué)多樣性也越強(qiáng)。除了為鳥類和其他野生動(dòng)物提供更豐富的棲息地和食物資源,公園中復(fù)雜的垂直植物空間也可能因?yàn)橄拗乒娺M(jìn)入,為城市野生動(dòng)物提供躲避人類活動(dòng)的避難所。NDSI是衡量生物聲景觀和人類干擾強(qiáng)度的綜合指標(biāo),其在V型植被類型中的顯著升高可以證明這一點(diǎn)。在更開放的植被環(huán)境中較低NDSI,也反映了人們對(duì)公園中散布著高大樹木的開放景觀的偏好[45]。大樹是城市公園的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)[39]。隨著大樹數(shù)量的增加,它們對(duì)聲學(xué)群落的積極影響也增加了。Chitra等人提出與其他植被結(jié)構(gòu)相比,喬木是影響公園整體聲景觀的最重要變量[46]。大樹能為無脊椎動(dòng)物和脊椎動(dòng)物提供更更富的食物和微生境資源,比如更多的花朵、花粉,花蜜,種子等[39, 40]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,高大樹木T型植被類型在所有公園中最少,反映了北京城市公園中大樹的損失。而城市環(huán)境中大樹的損失可能產(chǎn)生深遠(yuǎn)的生態(tài)后果,是生態(tài)可持續(xù)性的巨大威脅[47]。

因此,在城市公園建設(shè)中,保留原生植被群落以及“近自然”的植物規(guī)劃理念是可取的。然而,當(dāng)前大部分公園的植物規(guī)劃仍以“審美”為主要目的。本研究表明,設(shè)計(jì)公園時(shí),植物的選擇以及豐富的植被群落結(jié)構(gòu)對(duì)于維持城市野生動(dòng)物群落至關(guān)重要。由于喬木是最重要的植被結(jié)構(gòu)之一[39, 48],因此其樹種、規(guī)格的選擇,以及食源性樹種的合理種植至關(guān)重要。

北京的深度綠化工程,例如“百萬畝平原造林”為候鳥提供了更多的棲息地,但是如果沒有合理的城市森林管理策略,城市生物多樣性的收益預(yù)期則會(huì)大大降低[49]。因此,除了不斷推進(jìn)綠化工程,本文建議重視城市森林的有效管理。

高強(qiáng)度的管護(hù)和隨季節(jié)更替地被植物在城市公園中很常見,以這種方式創(chuàng)造的優(yōu)美景觀確實(shí)可以吸引游客并達(dá)到增加綠色娛樂價(jià)值的效果[50]。此外,北京城市公園常使用農(nóng)藥控制昆蟲爆發(fā),這將嚴(yán)重影響城市野生動(dòng)物,尤其是鳥類的繁殖[51]。地被層也是鳥類食物來源地之一[52],建議在保留供游客休憩草坪區(qū)域的基礎(chǔ)上,在公園的部份區(qū)域減少人為管護(hù)強(qiáng)度,允許地被長高、緩掃落葉、有機(jī)地表覆蓋的使用[53],將有利于例如,地面巢鳥類如普通燕鷗,或地面捕食鳥類,如家麻雀(Passerdomesticus)等鳥類筑巢與覓食[54]。此外,這些措施也可以一定程度上改善除鳥類外的其他生物,例如蝴蝶或昆蟲的生境質(zhì)量[49]。這些舉措具有促進(jìn)城市生物多樣性的潛力,但是需要系統(tǒng)的監(jiān)測和評(píng)估,以確保實(shí)現(xiàn)積極的效果。本研究為利用聲學(xué)指數(shù)作為植被狀況對(duì)生物多樣性價(jià)值的替代方法提供了證據(jù),顯示了聲景觀方法作為評(píng)估城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的快速工具的潛力。

4 結(jié)論

對(duì)城市綠化的監(jiān)控不足,無法滿足其對(duì)生物多樣性供應(yīng)和生態(tài)系統(tǒng)支持的關(guān)鍵作用。在北京沒有聲景觀歷史數(shù)據(jù)的情況下,本文首次對(duì)城市公園聲景觀數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)地收集與統(tǒng)計(jì),分析了春季聲景觀的時(shí)間動(dòng)態(tài)變化與跨頻率區(qū)間變化特征,結(jié)果反映了不同聲學(xué)群落的存在與活動(dòng),驗(yàn)證了聲學(xué)生態(tài)位假說。本研究結(jié)果可以基準(zhǔn),進(jìn)一步與物種數(shù)據(jù)結(jié)合。相關(guān)和主成分分析表明,不同結(jié)構(gòu)的植被,導(dǎo)致不同的生物群落,同時(shí)形成種類豐富的聲景觀；其中,植物群落的垂直結(jié)構(gòu)對(duì)聲景觀質(zhì)量和多樣性具有更重要作用。這種關(guān)系可以用于景觀規(guī)劃以及衡量管理策略對(duì)生物多樣性的進(jìn)展和影響。本研究在發(fā)展低成本城市生態(tài)系統(tǒng)資源評(píng)估,和低侵入性生物多樣性管理方面具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值,能夠指導(dǎo)相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃和決策制定。