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    生境营造的实验性研究

    关键词:风景园林;西北城市绿地;生境营造;地被植物群落组构;实验性研究

    Key words:andscape architecture; northwestern urban green space; habitat-site design; groundcover plant community fabric; experimental research

    摘要:城市化建设带来了新的生态过程,它紧密耦合于建筑、道路等人工设施所构建成的城市绿地空间格局中。针对西北自然环境生态原型特点及城市生态建设现实问题,基于“场地及本地生态原型基本资料-生境类型及分区-群落建植实验观测及反馈-计算机模拟参数提取和修订-工程实践应用”的实验研究方案,探究城市绿地中场地尺度下的生境营造方法,提出了12种场地生境类型及区划方法、地被植物群落组构的基本模式及其适宜的建植途径。

    Abstract:The urbanization construction brings the new ecological process, which is closely coupled with the urban green space structure constructed by artificial facilities of buildings and roads. Aiming at the characteristics of ecological prototype in northwest China and solving the problems of urban ecological construction, this experimental researches had been practiced to explore the approach of urban green space habitat-site design, by the process of "the basic data of site and local ecological prototype-habitat type and classification-experimental observation and feedback of community planting-extraction and revision of computer simulation parameters". The 12 types of site habitat and the methods of habitat classification were established. Furthermore, the models of groundcover plant community structure and avenue of suitable continuous planting were proposed.

    内容:西北地区的人居环境建设,是一个交织着复杂性与矛盾性的生态安全建设过程,是艰难地在生态恢复与生态恶化间走钢丝绳的过程,是在自然生态退化与人类需求增长的两难境地中进行矛盾抉择的过程[1-2]。根据自然地理的区域划分,中国西北地区多为森林草原、干草原、荒漠草原、高寒草原和山地草原等自然景观类型,而城市多分布在河道、川道等草木丰盛的绿洲之地[3]。近20年来,中国正经历着前所未有的城市化发展,原有的绿洲生态系统被大规模建设中的城市所替代。如何在城市绿地建设中采取必要的人工干预措施,依托城市建设来营建人工绿洲,从而实现一种伴随城市化发展的新的生态过程,加强城市各类绿地植物群落的生态服务性功能[4],可能是城市健康持续发展的必经之路。

    1  开展生境营造实验性研究的必要性
    1.1 “生境营造”概念的提出
    土建设计类学科和生态学科有着不同的核心知识领域,研究方法和思维方式也不尽相同。不论是建筑设计、城市设计还是风景园林,都要关注空间建构,以人的行为心理需要及社会、经济和文化发展为核心,注重工程科学技术实践应用,由此形成设计类学科研究的基本思维方法,简单地说,就是如何营建未来。生态学是认知生物与其栖息环境关系的知识体系,这是一门可以通过观测、调查和实证的科学,是揭示自然现象和规律的学科,是认知类学科。所以土建设计类学科和生态学科具有的思维方式不同,生态介入空间设计需要将这2门学科知识进行大跨度转化,更需要将认知与实验性研究介入对未来的营建。
    目前,学者普遍认可生态学与规划的紧密关系。一提及生态学,更多涉及大尺度的土地利用、环境保护和城乡规划等方面内容。但生态学的基本常识告诉我们,生态系统是存在于多尺度的环境中的,小尺度的空间环境中也存在着丰富的生态系统。城市建成环境中是否存在生态系统?答案是肯定的,只是有别于自然界的生态系统,它们与人类社会的经济、产业、文化活动错综复杂地交织在一起[5],那么这种生态系统是否可以被设计营建?
    生态系统的组分由生物群落和生境构成,生物群落包含植物群落和动物群落,生境由气候环境和土壤环境共同影响。“生境”(-ecotope,-biotope)被描述为生物个体、种群或群落生活和完成生命过程的空间或环境类型,生境特征决定着群落的类型,两者之间又相互影响[6-7]。生境的物理因子是由日照、大气温度、湿度、风,以及土壤的湿度、营养、温度等共同构成的[6],而这些生境因子与场地设计要素紧密相关。城市中的生境条件与自然环境不尽相同,如何形成适宜的生物群落,特别是植物群落,需要科学地认知城市的生境类型,通过人工营建适宜生物群落自然演替的场地生境条件,目的是通过适生群落栖息地所构成的多样化城市绿地空间,形成人工干预下安全的城市生态过程,提高城市人居生态环境质量[8-9]。通过生态学和设计营建学的结合,以及研究对象的尺度界定,课题组提出了“生境营造”的基本理念和研究思路。
    1.2  与西北城市生态本底条件相适应的生境营造 
    西北地区的城市化发展,在面对自然生态环境的特点和制约条件下,更需要在城市内部建立新的生态过程。当前,西北地区城市化建设规模较大、速度较快,侵蚀着绿洲生态环境,而西北城市绿地效仿东部发达地区,弱化甚至破坏了原有的生态系统。基于西北地区传统聚落的营建经验,城市建成环境中通过人工优化的场地,其生境类型多样性和升级条件优势度均优于周边自然环境,是构成城市生态环境的关键。西北城市绿地场地生境条件与自然环境的生境条件不同,通过场地水系、地形竖向、道路铺装、建筑与构筑物的优化布局与设计,可以通过人工介入的方式营建和改善植物群落生长演替所需要的生境因子,营造展示自然内在秩序的空间组织[9-10],为物种提供适宜的生长演替空间,为人居提供适宜的小气候环境(图1)。
    1.3  通过实验性研究建立理论方法与实践应用的联系
    城市绿地与自然环境的场地条件不同,因而需要用生态学方法对场地进行生境分区,划分出不同的生境类型。基于生态设计理论与方法,实验性的研究是通过现场观测、生态本底评价、植物群落组构与设计、植物群落建植、计算机模拟等来解决一定的生态问题,进而指导生态实践工程的开展。反过来,从生态实践工程的应用效果也可以提炼出实践应用经验,以促进完善生境营造的理论方法[10]。实验性研究将体现生态智慧的设计理论方法与体现生态实践性的工程应用建立起联系,并相互促进,初步实现了思维范式到研究范式的转换(图2)。

    2  实验基地的选址与建设
    根据研究思路和框架,建设生境营造实验基地。基地选择首先应满足城市典型附属绿地生境条件多样性和典型性的需求,其次是方便课题组每天的实验观测,因此选择现状建筑物北侧 “东楼花园”作为阴生生境实验基地(图3),面积约650m2。2014年,开始选址营建具有阳生生境条件的“南门花园”,2015年6月建成。南门花园位于校园南门的东侧,面积约830m2。基地狭长,周边建筑物为1~2层,西侧区域植物遮挡较少,光照充足(图3)。基于生态学中的生态因子理论对实验基地进行生境类型分区,并引种阳生旱地、阴生旱地、阴生湿地等植物群落,进行人工干预与自生演替组合,对群落的构建模式与演替状况进行观测与记录,获得数据的同时与计算机模拟结果进行对比,通过生境营造的实验性研究开展了场地生境营造的适宜性设计理论与方法的验证。
    2个实验基地之所以被称为花园,是因为它们不仅具有生境营造植物群落实验观测的功能,同时具有校园入口景观、基本的流线组织和视觉构景,以及夜景灯光设计等城市环境品质,体现景观设计的基本内涵。同时,花园标识解说牌,具有社会公共教育的角色,因而也称之为城市中的生境花园。场地生境营造是将生态效益与人的活动组织相互一体[11](图4)。

    3  生境营造的实验性研究
    3.1  场地生境类型划分与分区的实验性研究
    1)场地生境类型的主要影响因子。基于建筑附属绿地场地生境条件的多样性和代表性特点,选取日照、水、土壤和风4个场地生境营造影响因子,通过理论研究、计算机模拟与实验观测相结合的方法,提出生境类型。生境营造的实验性研究需要将群落生态学中的生态因子理论引入场地生境分析中,通过改变或改善4个基本的生境因子和1个间接影响因子,进而影响不同类型生境群落的分布和生长演替(表1)。
    2)场地优化设计与场地生境划分。城市绿地生境条件与自然场地生境条件不同,但通过光照分区,水系、地形竖向、道路铺装、建筑与构筑物的优化布局与设计,可以利用并人工改善生境因子,营造各类植物群落生长演替的环境条件,形成展示自然内在秩序的空间组织,多样性生态系统具有了可能[10]。
    (1)日照因子影响生境分区:对人工建成环境的日照条件进行观测。研究发现,在人工建设环境中,建构筑物和乔木对场地日照条件的影响差别巨大。随着太阳在空中的位置移动,建筑、构筑物、围墙、大树、地形高差都会投下不同的阴影,方寸间阳生转为阴生生境条件,植物群落种类和形态发生明显改变。
    (2)水因子影响分区:对人工建成环境的水文条件进行实验性观测。研究发现,通过降雨、设备排水和人工灌溉3类水源,进行南门花园土壤含水率监测及分析。在南门花园中共设置22个监测点,对其土壤含水率进行监测,根据数据划分干湿区。
    (3)土壤因子影响分区:对人工建成环境的土壤条件进行实验性观测与划分。根据生境花园土壤类别的差异及植物种植的特点,在南门生境花园中共选择6个不同的测点,对其土壤容重、孔隙度、田间持水量、砾石含量、水解性氮、有效磷、速效钾、有机质、土壤pH等进行测定,依据所测的土壤理化指标进行生境分区。
    通过场地生境影响因子提取,基于生境因子的理论分析和实验基地的观测研究,生境类型划分最终表现在日照时长和土壤含水率两方面的参数变化对植物群落栖息演替的影响,形成12种典型的生境类型。经过计算机分析模拟与实验观测,进行南门花园场地生境分区,验证出12种生境类型均存在,即阳生旱地、阳生湿地、建筑东照半阳生旱地、建筑东照半阳生湿地,建筑西照半阳生旱地、建筑西照半阳生湿地,植物半阳生旱地、植物半阳生湿地、建筑阴生旱地、建筑阴生湿地、植物阴生旱地、植物阴生湿地。
    3.2  地被植物群落组构模式构建与适宜性建植途径
    1)西北地区代表性城市典型附属绿地类型中植物群落结构抽样调研。调查观测了西北地区乌鲁木齐、西宁、银川、兰州4个典型城市建成环境中4种不同生境条件下的植物群落结构特征,验证了西北城市建成环境地被植物群落组构层数和物种种数。阳生旱地平均组构层数2~3,物种数3~7;阳生湿地平均组构层数为3,物种数2~6;阴生旱地平均组构层数为2,物种数2~5;阴生湿地平均组构层数2~3,物种数3~8。
    2)开展典型生境类型植物群落组构和种植设计的实验观测研究。生态设计是一个动态的联系过程,这是由于植物个体及群落始终处于一个动态演替的过程。地被植物群从建植到生长演替到稳定状态,一般需要3~5年的时间,因此连续性设计就是一个不断完善的过程[7]。研究以南门花园实验基地为例,按照场地的生境条件,将其划分为5个区域:钢板花池人工植物群落种植区(阳生、半阳生和阴生旱地);乡土植物引种区(阳生旱地),引种秦岭乡土植物;乡土植物引种区(建筑阴生湿地),引种秦岭蕨类植物;自生演替区(阳生旱地),场地原生植被的自然演替;下凹式湿生植物群落种植区(建筑半阳生湿地)(图5)。
    3)基于稳定性、多样性、美观性、覆盖度和群落原型的相符度的评价原则,建立以冬季“枯而不倒”的群落形态为主要建群种、地被层-季节主题层-结构层3层群落组构的植物群落分层组构模式与建植途径[12]。
    人工植物群落的设计主要考虑植物群落的生态功能和美学功能2个方面。其中,植物群落的生态功能主要通过模拟西北地区成熟的自然植物群落的结构,其适宜的垂直结构层数为2~3,物种数宜为3~6,种间关系协调且稳定,包含所有生存策略。植物群落的美学设计主要从群落的外貌及季相变化出发,包括植物的株形、叶形、质感、花期及季相。群落实施完成之后,对其进行每月一次的实验观测,记录群落整体结构(每层高度、盖度)、群落平面图、群落美观度,并记录群落物种的高度、盖度、株数、密度等相关数据。
    通过2015年和2016年连续2年的季节性连续观测,并获取土壤状况、水文条件、植物选择、植物群落构建等方面的相关数据,分析植物群落的物种高度动态变化、群落分层盖度变化、群落物种丰富度、群落物种优势度的变化;在美学方面,对每个月的群落美观度进行打分,并采用层次分析法(AHP)进行综合评价。通过实验研究,验证了模拟西北地区自然植物群落结构分层设计是一种可行的生态设计方法,但其难点在于协调各群落物种的种间关系和建立符合大众审美需求的植物群落模式(图6)。
    3.3  初步建立基于CAD软件平台的场地生境分区计算机模拟分析软件模块
    通过不同类型城市建设绿地单元场地与植物群落设计,开展实践应用研究。根据场地生境分区的基本理论方法和实验数据,完成场地生境营造日照影响因子各类参数测试比较和应用性分析,提出日照、水、土壤和风环境的基本参数模型,推进生境营造基础理论的实践性研究与应用。

    4  结语
    城市化建设带来新的生态过程,这一过程与自然环境中的生态过程不同,它受制并耦合于城市物质空间形态和格局中。城市绿地空间是城市生态过程作用的主要场地,其中附属绿地与城市建筑、道路形成的空间格局紧密结合,并具有一定的规模和空间单元特点,是建成环境生态建设的重要内容。
    场地设计是地被植物群落发挥生态效益的重要途径。可根据场地生境营造的主要生境因子和生境类型及区划方法,营建生物群落栖息演替的空间和生存条件,其中植物种质资源和建植技术方式有待进一步与观赏园艺学开展合作研究。
    风景园林学科具有科学性内涵,研究基于“场地及本地生态原型基本资料-生境类型及分区-群落建植实验观测及反馈-计算机模拟参数提取和修订-工程实践应用”的实验研究方案,探究学科生态学特性的研究路径与现实应用需求,建立基础理论与实践应用的桥梁。

    注:文中图片均由作者拍摄或绘制。


    参考文献:
    [1] 刘滨谊,王南.应对气候变化的中国西部干旱地区新型人居环境建设研究[J].中国园林,2011,26(8):8-12.
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    [6] (美)Daubenmire R.植物群落:植物群落生态学教程[M].陈庆诚,李世英,译.北京:人民教育出版社,1981.
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    [12] Rainer T, West C. Planting in a post-wild world[M]. Timber Press, 2015.


    (编辑/李旻)