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    生境营造的实验性研究(二):场地生境类型划分与分区

    关键词:风景园林;景观设计;城市绿地;生境营造;场地生境类型与分区;实验性研究

    Key words:landscape architecture; landscape design; urban green space; habitat-site design; habitat-site typology and zoning; experimental research

    摘要:破碎化的、孤立的城市附属绿地依然蕴含着生物多样性活力,这是土地的内在秩序,是不以人的意志为转移的生存智慧。在中国的西北地区,相对于以干草甸为主的自然景观原型生境特征,城市绿地具有更多样的、可优化的地被植物群落栖息演替的场地生境条件,而展示城市环境中土地的自然力量,需要借设计营建助一臂之力。生境营造的实践性研究是探索建成环境生态设计的方法和路径,场地的生境类型划分和分区是开展研究的重要基础。众多生境因子中,日照因子具有决定性影响。研究以西安建筑科技大学校园绿地为对象,研究采用参数化数字模拟和实验观测相结合的方法,通过对场地中植物在不同日照时数分区内生长形态和分布规律的分析,提出6种日照因子影响下的场地生境类型,及其生境分区的基本参数,并介入设计软件得以应用。

    Abstract:The fragmentation and isolated urban affiliated green space still contains the vitality of biodiversity. This is the internal order of the land, which is existed as the wisdom and isn't transferred by man's volition. Compared with the natural environment which mainly contained meadow landscape in the northwest region of China, there were more diverse and optimized condition of ground cover plant community prototypes in urban green space habitat. And it needs the help of the power of design and construction to present the natural dynamic of the land in the urban environment. The practical research of habitat planning explored the method of ecological design and the path in the built environment. Habitat-site typology and zoning in the urban green space was the important foundation of research. In the numerous habitat factors, the sunshine factor has the most influence and effect on the site. The research regarded the campus green spaces in Xi'an University of Architecture and Technology as object, through the method of parameterized digital simulation combining with experimental observation. Six habitat typology under the influence of sunshine factor and basic parameters of the habitat zoning were proposed by the analysis of the distribution regularity and growth form for plants in different sunshine time partition, which was application with design software intervention.

    内容:城市化建设带来大量破碎化的生态环境,但建成环境中的各类绿地空间,虽然相比原始生境条件有很大的差异,但场地中依然蕴含着生物多样性恢复的潜力,这种自然的秩序是不以人的意志为转移的物种生存智慧。传统的花园设计表达的是人类精神与文化影响下视觉感知的外在秩序。认知并展示土地的内在秩序,是今天景观设计的重要内容,需要人类智慧与自然智慧的合力。
    西北地区,相对于以干草甸为主的自然景观原型生境特征[1],城市建成环境中具有更多样的地被植物群落生境类型和可优化的生境条件,展示自然的力量,需要借设计营建助一臂之力。孤立的、场地尺度的绿地在城市中具有板块多、分布广、破碎化等特点,在西北城市绿地生态建设中,人工干预的小尺度绿地空间为植物群落的多样性提供了契机。生境营造的实践性研究是探索建成环境生态设计的方法和路径。研究采取“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”的实验工作模型,其中,对城市绿地中场地生境条件的科学认知、分类和营建优化,是场地生境营造各个环节中的第一步①。

    1  生境与生境类型
     “生境”一词最早是由美国Grinnell(1917)提出,指生物个体、种群或群落的组成成分能在其中完成生命过程的空间。生境类型是指在不同生态因子影响下,个体、种群或群落的分布、栖息和演替所需要的生境条件的空间类型。 “生境营造”主要指群落生态系统与场地设计相结合,通过人工营建来改善生物群落生存、演替的生境条件的生态设计理论与方法,目的是用适生群落栖息地所构成的多样化城市绿地空间,提高场地的生物多样性和稳定性[2-4]。在场地中划分不同的生境类型区域称为生境分区。
    场地中的生境影响因子有哪些?有何差别?绿地设计在注重行为活动分区、视觉景观效果的基础上,应强化生态因子的影响,如日照条件、建筑排水、地表汇水、土壤、大气环境等生态因子,它们共同决定场地中生境类型的多样性及物种群落生长。其中直接因子包括日照、水、土壤、大气、温度、湿度和生物等因子。间接因子如地形会改变直接因子。
    日照是生境类型及其分区的重要影响因子,自然水文条件对植物的生长状况和生理过程影响非常大,土壤的物理、化学和生物特性,对植物生长的影响非常重要,而风速影响空气的温湿度、植物蒸腾和空气中污染物的含量。地形间接影响场地的温度、湿度、日照、土壤、水文等因子,最终影响植物的生长。多种因子综合影响了场地生境类型。各种影响生境类型的生态因子中,往往只有1~2种因子起主导作用,称为主导因子。分析各生态因子对其他因子的影响和场地设计可人工干预的生态因子,确定光、水、土壤、风和地形为基于场地设计的生境类型划分的主要影响因子,其中日照因子的影响最大[5](表1)。

    2  实验性研究方案和内容
    2.1  西北城市绿地生境多样性调查
    通过调查分析,西北城市建成环境中附属绿地的生境条件具有多样性、可重复、可优化等特性,符合西北地区自然生态原型地被植物群落的尺度特征和场地生境条件,具有较为清晰的类型化特征。且城市建筑附属绿地和城市道路附属绿地的单元性重复频率和总体用地规模比较高,是研究的重要切入点。
    在城市绿地中,大学校园绿地具有绿地率高和自我修复时间长的特点,并具有更好的生态建设示范和公众教育的作用。同时,为了便于观测记录等工作,研究选取大学校园作为实验基地。
    为探究西北城市绿地中地被植物群落生境条件及其多样性特征,课题组选取具有可比性的青海大学、新疆大学、兰州大学和宁夏大学校园绿地样方,开展调查和测试。调查发现,在人为适当干预的校园绿地内,植物群落结构呈现出丰富多样的特点,并且在部分校园绿地中存在小型自然植物群落生态斑块。这些均证明在西北城市校园绿地中可以通过适当的干预,营造赋有自然和生态活力的校园绿地(图1)。
    2.2  场地生境营造实验性研究的基本程序
    “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”的实验工作模型,是遵循了设计的基本程序和内容。因而,提出“场地生境分区与优化-地被植物群落组构与设计-地被植物群落建植方式-3~5年春秋两季连续性设计介入与维护”的场地生境设计基本原理与程序,与一般景观设计程序有效衔接,具有较好的应用性(图2)。
    2.3  实验性研究场地建设
    课题组先后选址并建设西安建筑科技大学雁塔校区内(108°96'77"E,34°23'55"N)“南门花园”和“东楼花园”2处生境营造实验观测基地,用于开展生境营造的实验性研究。由于建筑物的影响,2个实验基地代表了建筑物附属绿地和道路旁一般绿地日照条件的典型特点,阴生和阳生,进而观测和验证日照因子影响下的场地生境类型划分与分区。南门花园场地东西向狭长,南侧部分有1~2层建筑物围挡,北侧和基地内分布着成排的悬铃木和雪松。基地西部阳光充足,东部受建筑和植物遮挡,有明显的过渡过程。东楼花园场地内大部分受到建筑和植物遮挡,西侧和南侧为4层建筑物,东侧为2层建筑物,并分布着若干悬铃木、杨树、槐树和构树等高大乔木。2个花园的建设均考虑场地的视觉景观和行为活动需求,设置花园的出入口、活动场地、游览路径等。在花园内重要的园路两侧种植景观效果较好的观赏类园艺植物。在生境条件与实验要求相符,同时不影响花园基本使用要求的地段设计种植实验区,如南门花园中,在阳光充足和建筑遮挡的区域设钢板花池实验区,在乔木遮挡的区域设自生演替实验区;东楼花园中,通过场地竖向的改变设置生物滞留池实验区,在建筑和乔木遮挡区域设阴生实验区(图3)。

    3  日照因子生境类型划分的理论模型
    城市附属绿地中,日照因子对场地生境类型划分及其分区受建构筑物和乔灌木的形态及分布和乔灌木种类的影响。随着一天内太阳的移动和不同季节日照角的变化,阴影区不断改变,同时,植物季节性生长对光照的需求不同,因而日照因子生境类型划分及分区的研究,具有很多不确定因素。研究工作依托相关学科研究成果,并通过实验基地进行实证。
    3.1  日照因子影响下的生境类型
    日照对植物生长的影响,Hardiman L提出需要全日照的植物开花或结果时最适宜每天6~8小时的直射日照。需要部分日照的植物,通常适宜每天4~6小时直射日照[6]。Hopkins T M和 Miller C M把全日照定义为每天直射日照时间大于6小时,部分直射日照定义为4.5~6小时,部分阴影定义为3~4.5小时,全阴影定义为0~3小时[7]。David Berle提出全阳生植物需要至少每天6~8小时的直射光;阴生植物需要少于4小时的直射光;中生(半阳生/半阴生)植物需要4~6小时的直射光(David)①。Hansen G和Alvarez E提出全阳生场地每天日照时长大于6小时[8]。另外,根据国外著名园艺网站介绍的种植经验,日照影响下的场地可划分为全阳生、半阳生、半阴生和全阴生区域,其中,全阳生区需每天6~8小时的日照,半阳生区需4~6小时日照,半阴生区需2~4小时日照,全阴生区需0~2小时日照②。
    基于以上研究成果归纳,关键性日照时数节点为0小时、4小时和6小时。研究提出理论上日照生境类型可划分为阳生生境(6小时及以上)、半阳生生境(4~6小时)、阴生生境(0~4小时)。
    3.2 场地中建构筑物和乔灌木对日照生境类型划分的影响分析
    场地中建构筑物和乔灌木的遮挡对日照生境条件影响最大。建构筑物等对日照的遮挡更强,日照生境类型相对简单。乔灌木与建筑物不同,由于树冠中叶片间存在空隙,具有一定的透光率,并随着季相变化,日照对场地影响不尽相同。所以日照生境类型应区分建筑和植物2种类型。即:阳生(6小时及以上)、建筑半阳生(4~6小时)和建筑阴生(0~4小时),植物半阳生(4~6小时)和植物阴生(0~4小时)生境。
    3.3  日照因子的季节性和一天中不同时间段对生境类型划分的影响分析  
    中国古人提出的土圭日影法,测定日照对场地的影响划定二十四节气,提出日南至、日北至的概念,表示一年中的夏至日和冬至日。一年中二十四节气是代表太阳高度变化的转折点,其中春分、夏至、秋分和冬至日最具代表性。夏至日在一年中正午太阳高度角最大,阴影最小;冬至日正午太阳高度角最小,阴影最大;春分和秋分日是一年中昼夜平分的时间节点[9-10]。在一年中,春分时节作物开始萌发,进入生长阶段。“春分种菜”“春分种麻种豆”“春分有雨家家忙,先种瓜豆后插秧”等谚语体现出古人在日照与植物生长关系方面的传统智慧。春分日对植物萌发生长最为关键,是研究观测的主要时间节点。
    一天中,植物的“上午生长期有效光合作用”最强的时间段为8:00—11:00,下午高温强光辐射时,光合作用下降[11]。上、下午太阳的位置对称于正午,太阳高度角和方位角的数值相同[12]。选择春分日8:00—16:00为研究时间段。由于上、下午日照对植物生长影响不同,建筑半阳生生境类型应相对建筑物的影响划分东照和西照区域。即:建筑东照半阳生(4~6小时)、建筑西照半阳生(4~6小时)。相比建筑物,乔灌木对场地上下午日照影响区别较小,因而不加以区分。

    4  实验性研究论证
    4.1  计算机模拟场地生境类型分区
    根据实验场地特点和日照因子生境类型影响参数的理论数值,课题组编制研发了“场地生境分区软件”(基于SUN7.1日照分析软件开发)。并对南门花园和东楼花园进行日照生境分区模拟,模拟结果显示6种生境类型均存在。南门花园以阳生和半阳生生境类型为主,东楼花园以建筑阴生和植物阴生生境类型为主(图4、5)。
    4.2  日照因子观测试验样地选取与实验方案
    在软件模拟的基础上进行验证观测分析。选取南门花园中植物群落实验区,观察植物群落自生演替与日照因子影响的关系,验证“植物阴生”与“植物半阳生”计算机模拟生境分区的科学性(图6)。将实验区划分为1×1m的网格,记录测试区在一天中每个网格的积累日照时数,测定统计2个模拟生境区内不同生态型地被植物的分布与生长情况。测试工作在2016年的春分日前后进行,测试日的气象状况为晴朗少云,全天记录时间为8:00—16:00。随后以2周为周期进行地被植物群落形态的观测记录。通过对实验区内不同日照时数下地被植物的分布、生长状况和生态型的对照分析,验证了理论分区与软件模拟的准确性。
    4.3  成果分析
    通过对场地日照时数的实地观测,发现乔木对场地日照时数的影响实际状况和软件模拟结果接近吻合(图7)。实测结果发现日照时数为4~6小时(不包含6小时)的区域植株的平均生长量高于0~4小时(不包含4小时)区域。在场地中生长状况良好的阳生类植物,如一年蓬、八宝景天、白三叶、刺儿菜、假龙头、分药花、三七景天、婆婆纳等主要分布在日照时数为4~6小时(不包含6小时)的区域;喜荫类植物,如葱兰、聚合草、吉祥草、桔梗、蛇莓等主要分布在日照时数为0~4小时(不包含4小时)(图8、9)。
    根据对南门花园实测结果分析,在乔灌木遮挡形成的阴影区内,理论划分的日照因子影响下的场地生境类型具有合理性和准确性。采用同样的试验方法观测验证建筑阴生半阳生生境类型划分的准确性。
    综上,场地日照因子影响下的生境类型划分为阳生生境(6小时及其以上)、建筑东照半阳生生境(4~6小时,不包含6小时)、建筑西照半阳生生境(4~6小时)、建筑阴生生境(0~4小时,不包含4小时)、植物半阳生生境(4~6小时,不包含6小时)、植物阴生生境(0~4小时,不包含4小时)。

    5  结语
    场地的生境类型划分与分区方法,是生境营造实验性研究的第一步,对于场地设计中如何合理利用和优化营造不同类型生境条件,具有重要的实践意义。研究目前初步完成了日照因子中时长对生境类型划分和生境分区的理论与实验论证研究,光照强度及其他生境影响因子如水文、土壤和风因子影响正在观测实验进行中,同时乔木的阴影区受乔木种类及树冠形态、密度等因素影响,也正在进一步研究观测中。研究同时还开展了不同生境类型地被植物群落组构的实验观测研究,进而论证生境类型与分区的合理性和科学性。另外,由于地被植物群落演替一般需要3~5年,研究在植物群落适应性和演替稳态的观测等方面存在不足,有待进一步研究。

    注:文中图片除注明外,均由吴小辉绘制。

    参考文献:
    [1] 刘晖,李莉华,徐鼎黄.自然环境条件影响下的西北城市绿地生境营造途径[J].西安建筑科技大学学报:自然科学版,2016(4):556-561;567.
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    [6] Hardiman L. The Many Shades of Sunlight[J]. Horticulture, 2000.
    [7] Hopkins T M, Miller C M. Systems and methods for detecting and translating sunlight exposure data: US, US20050230598[P]. 2005.
    [8] Hansen G, Alvarez E. Landscape Design: Analyzing Site Conditions[J]. Environmental Horticulture, 2016.
    [9] 邵海荣,周道英.建筑物的遮阴效应及对绿化的影响[J].北京林业大学学报,1996(2):37-44.
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    [11] 薛智德,张乾功,朱清科,等. 灌丛内人工林窗的相对光照强度和土壤水分条件[J]. 中国水土保持科学,2008(4):54-58.
    [12] 王国安,米鸿涛,邓天宏,等.太阳高度角和日出日落时刻太阳方位角一年变化范围的计算[J].气象与环境科学,2007,30(S1):161-164.
    (编辑/金花)