西北干旱城市破碎化綠地生境的植物群落設計途徑研究

李倉拴 劉暉 楊伊婷 李云昀

西北地區是中國水資源最匱乏的地區，城市年平均降雨量僅264.9～456.0mm[1]。城市建設帶來的綠地面積的增加，加劇了城市供水負擔，僅2016年綠化用水量已達到608 463萬m3[2]。西北地區城市化與生態環境之間的矛盾和脅迫作用尤為突出，嚴重制約了城市生態建設的進程[3-4]。盡管西北地區大中城市的選址往往是在區域生態本底優越的地方，但城市綠地建設趨于模仿和符號化，使得干旱地區生態城市建設缺少實質性內涵，而健康優美的城市環境，更是西北城市人居生活的切實需求[5]。地域自然資源與環境的約束及人居環境建設的現實訴求，決定了需要探索適宜西北地區本土的城市綠地建設方法策略和技術途徑[6]。

快速城市化帶來了大規模破碎化的小尺度城市綠地，成為環境建設的發展趨勢之一。2005—2015的10年間，全球28個特大城市綠地覆蓋率總體增長4.11%，所增綠量表現在中小綠地空間更加均勻地分布[7]。城市破碎化綠地常被稱之為微綠地（small green space，microsite），包括以城市附屬綠地為主的小型公園綠地、街旁綠地等形式[8]。隨著城市雙修、城市微更新等理念的提出，破碎化綠地的價值成為近年來關注的熱點[9-10]。但在西北城市建成環境現實實踐中，由于缺少適宜的設計方法，這些綠地單元常以單一化種植簡單填充，其生態功能和美學價值無法充分發揮?；诖耍疚淖髡咄ㄟ^實驗與實踐研究探索具有普適性的西北城市破碎化綠地生境的適宜性設計途徑。

1 西北干旱城市破碎化綠地生境現狀與問題

1.1 破碎化：生態功能被阻斷

生境破碎化是指原來連續成片的生境被分割、破碎，形成分散、孤立的島狀生境或生境碎片的現象[11]。隨著破碎化因子作用持續不斷地加劇，原有斑塊與那些高度改變的逆退景觀相互隔離，并逐漸退縮消失，最終發展成在生物地理學上所稱的“生境島嶼”和“斑塊生境”[11]。在城市化過程中，人工網絡的結構越來越復雜，網絡的通達性越來越高，將原有的完整的、連續的、系統的生境進行了人為的分割，使其呈現出高度破碎化以及生態作用與聯系上的孤島化特征[12]。

相比完整的生境，破碎化導致了一系列的生態學后果，包括生境喪失、生境連接度降低、物種滅絕、生物交互作用中斷、部分昆蟲的物種豐富度下降等[11]。破碎化導致城市綠地生境的不連續性，使得其生態功能被阻斷。

1.2 尺度?。喝鄙龠m宜的設計實踐途徑

破碎化使得大斑塊分解為小面積斑塊[13]，統計顯示，城市破碎化綠地尺度介于0.04～1.00hm2之間[8,14]。小尺度綠地為城市生境營造帶來新的機遇，越來越多的研究證實，小斑塊通過合理有效設計可以增加景觀連通性，并為特有物種提供適宜生境[11]。

但在風景園林學科，以宏觀尺度的景觀生態規劃實踐成為風景園林學科研究的熱點，以場地為對象的微觀尺度設計研究未得到足夠的重視，目前的研究僅集中在破碎化綠地的生態價值與潛力的認知方面[15-17]，結合生態學的場地尺度的生態設計方法與實踐途徑的研究較少。

1.3 多樣化：但設計方式單一，生境資源被浪費

城市景觀破碎化造成的一系列面積迥異的植被斑塊相互交錯，形成了異質性和多樣化的景觀[18]。由于城市建筑物、構筑物、喬木等的水平分布與高度變化，使得場地光照分布有著明顯的異質性；降雨、地形與豎向、建筑排水與遮陰、植物遮陰等差異，導致場地水分條件的異質性[19]。光照和水分條件的異質性疊加形成了多樣化的生境條件，使得城市生境比自然生境具有能夠容納更高生物多樣性的潛力[18]。課題組在18m2的城市建筑陰生生境中引入15種野生鄉土植物，觀測2～3年能夠穩定存活，驗證了這一結論（圖1）。

但在實踐中并未有精細的生境類型劃分，多數情況下為了施工的便捷性，僅靠已有的經驗進行單一化的園藝種植，主要表現在單一物種、單一規格、單一行間距所形成的單一結構。這種種植方式不僅造成城市生境資源的浪費，而且導致植物景觀缺乏變化。同時，種植的穩定性較差，在應對病蟲害、氣候變化方面缺乏彈性[18]，因而管理者不得不花費大量的成本進行除草和病蟲害防治。

1.4 規模大：但潛力常被忽視

生境破碎化使得孤立的小斑塊越來越多[11]，其規模不容小覷。由于物質循環、能量流動、信息傳遞和物種遷移都可以跨越破碎綠地生境的阻隔，破碎化的城市生境有潛力通過規劃設計構建功能上連接的整體。因此，大規模的城市破碎化綠地具有多層次潛力。在生態功能方面，破碎化的小尺度生境具有構成城市生境體系[20]、維持本土物種種群[21]、營造城市生物多樣性[22-24]、支持無脊椎動物多樣性[25-26]、構建初級食物鏈[27]、構建城市動物棲息地網絡[15-16]、改善小氣候[17]、緩解熱島效應、削減暴雨徑流、凈化水源和空氣、修復土壤污染等生態服務功能[8]。在社會價值方面，破碎化綠地具有微小、分散、就近、種類多、均勻度高、可達性強的特點，能夠為城市居民提供便捷的交流、游憩空間，而且建設周期短，其靈活和隨機分布的方式讓高密度城市更人性化、更健康、更有活力[28]。但在目前，破碎化綠地單元的設計并不注重其在生態功能上的聯系性與整體性，其消極填充的設計方式也無法煥發空間的活力和社會價值。

2 解決多樣化訴求的生境營造與植物群落設計途徑

Richard T.T.Forman認為在城市中可以通過對綠地進行內部設計，促進植物斑塊通過頻繁的生態流與運動相連接，建立一個有效運行的“整合型城市綠地系統”[29]。如何為大規模、破碎化、小尺度、多樣化的城市綠地生境探索普適性的設計途徑？破碎化，決定了綠地單元生態設計要具有功能連接的潛力；小尺度，決定了設計模式要有靈活性；生境多樣化，決定了設計模式要有多變性；城市破碎化綠地的大規模，決定了生態設計模式要有普適性。

2.1 “生境營造+地被群落”設計模式

生境是連接自然與城市的“橋梁”，相似自然生境條件下具有相似的植物群落[30]。生境的相似性使得其可以被劃分為多種生境類型[31]，生境的異質性為設計多樣化的群落提供條件。

地被群落是城市生態系統結構中不可或缺的部分。研究結果表明，地被群落在營造城市生物多樣性方面具有不可替代性，而且可以改善單一化的城市植被結構[22]。地被群落對于人們有著天然的吸引力，能夠建立人與自然的情感聯系，可以作為塑造文化、促進公眾認知和自然教育的重要途徑[32]。相比大體量的喬灌木群落，地被群落的最小設計尺度為1m×1m，能夠適應狹小街區尺度空間，使其在破碎化城市綠地中具有較好的適宜性和應用性。

“生境+群落”是自然生態系統的基本組成單位[33]，此模式同樣適宜于城市生態系統，有潛力作為城市綠地生態設計的基本單位。生境的選擇和優化可以介入場地設計程序中，而植物群落可以通過人工設計和建植。課題組提出“生境營造+地被群落”設計模式，并按照此理論將校園中2個破碎化綠地單元改造為東樓花園（圖2）和南門花園（圖3）[19]。

2.2 “1m×1m”的基本尺度單元

生境破碎化是一種與尺度極其相關的過程，不同的尺度下所描述的生境破碎化不盡相同[34]。如何來確定“生境營造+地被群落”設計模式的基本尺度？該尺度既要足夠精細以充分利用場地的生境資源，又要能包含一個完整的地被群落；既要適宜場地的異質性，又要能滿足在破碎化小尺度場地中應用的普適性。

群落生態學的研究表明，1m×1m即可包含一個完整的地被植物群落生態系統[35]。1m2的光照和水為植物群落的生長提供適宜的條件，能夠孕育出完整的草本群落生態系統。群落生態學領域中地被群落調查與研究中常用1m×1m作為最小樣方和基本尺度[36]。為了便于在城市生境中單元中的可復制性和應用性，課題組對于場地生境類型劃分及植物群落設計模式研究均以1m×1m作為基本尺度。

3 城市破碎化綠地生境多樣性分區與優化設計

3.1 城市破碎綠地生境多樣性分析與分區

場地設計時，合理的生境分區有利于為場地匹配適宜的植物群落。課題組通過對城市生境條件的模擬表明，城市生境中異質性程度最高、變化最明顯的主導生境因子是光照（圖4）和水（圖5），因此本文作者以此作為生境分區的依據[31]。

1 南門花園18m2蕨類植物引種區，現有15種鄉土植物穩定存活18m2 introduction area of ferns in South Gate Garden,with 15 species of native plants in stable survival

2 由破碎化綠地改造而成的東樓花園East Building Garden transformed from fragmented green space

3 由破碎化綠地改造而成的南門花園South Gate Garden transformed from fragmented green space

4 夏至日實驗場地正午陰影的正投影與植物的分布明顯相關The orthographic projection of noontime shadows in experimental site of the Summer Solstice is obviously related to the distribution of plants

5 實驗場地降雪后雨水分布呈現異質性The distribution of rain water shows heterogeneity after snowfall in the experimental site

光照條件決定植物群落平面布局及物種組成，如在南門花園中，場地自生植物的分布與光照異質性呈明顯的相關性（圖4）。研究將實驗區劃分為1m×1m的網格，通過分區軟件（SHZ）和場地實測對生境進行模擬，結合植物學對于植物生長與光照條件的研究，將每日累計日照時數[0，4)小時的場地劃分為陰生，將日照時數在[4，6)小時的劃分為半陽生，[6，8]小時的劃分為陽生[31]。場地的水分條件可根據豎向、建筑陰影、植物陰影、建筑排水、空調排水和地面覆蓋的不同，劃分為蔭蔽干區、光照干區、積水濕區、徑流濕區、蔭蔽濕區、覆蓋濕區6種類型[37]。場地設計時，結合光照條件和水分條件對場地進行生境分區。

3.2 城市破碎綠地生境優化設計

城市破碎化綠地場地生境條件與自然環境的生境條件不盡相同，城市綠地具有更多樣的、可優化的、適宜地被植物群落棲息演替的生境條件。而展示城市環境中土地的自然力量，需要借設計營建助其一臂之力[19]。

設計可以在很大程度上改變場地的原有生境條件，和場地設計直接相關的生境條件包括光照條件、水分條件和土壤條件?？梢愿淖児庹諚l件的設計因素是建筑物、構筑物、喬灌木等豎向遮擋物的位置，與水分條件相關的設計因素是場地水系、地形與豎向、道路、建構筑物排水及空調排水等。對于土壤，可以通過添加劑來改善其特性，選擇土壤覆蓋物調節其保水能力。結合場地的現狀生境條件，通過優化布局與設計等人工介入的方式營造更加豐富的城市生境多樣性格局。

4 基于生境多樣性的植物群落設計途徑

4.1 多樣化的西北地區自然植物群落原型

草地是西北地區主要的植物群落類型，隨著海拔、地形、氣候條件的變化所形成的生境異質性，呈現出豐富多彩的草地群落類型，包括灌叢草甸、山地草原、禾草草原、蒿類草原、荒漠草原、林下草地等[38]（表1）。

表1 西北地區自然群落原型及對應的城市Tab.1 Prototypes of natural communities in northwest China and corresponding cities

6 課題組目前實驗的群落設計模式七Community design model VII of current experiment of the research group

7 課題組目前實驗的群落設計模式八Community design model VIII of current experiment of the research group

8 群落設計模式七（右）、模式八（左）植物群落景觀Plant community landscape of community design model VII (right) and community design model VIII (left)

植物群落設計可以師法西北地區自然群落原型，我們應如何向自然群落學習？內在秩序和外在秩序是植物群落的2類特征。內在秩序即群落不可見的“生態”，包括群落的結構、物種組成及種間關系。學習自然群落的內在秩序可以賦予人工群落生態的內涵，增強植物群落的生態功能和穩定性。外在秩序即可見的“外貌”，包括色彩、質感、季相及可感知的生物多樣性[39]。抽象提煉自然群落的外在秩序可以再現公眾對于自然群落的共同記憶[40]。多樣化的自然群落可以作為群落設計的原型，設計師可以以此來塑造既具生態服務功能又符合城市公眾審美訴求的植物群落景觀。

4.2 多種植物群落設計模式

植物群落是復雜的自組織系統，群落的設計是個抗解性問題[41]，因而只有自然參與演替和種間競爭后的人工群落才是真正意義上的群落。本文作者按照群落建植過程中人力與自然力的分工，將群落設計分為8種模式：1）模式一：自生群落—自生演替—不管理，其設計和管理過程均由自然力完成，即城市自生植被，但公眾接受度較低[42]；2）模式二：自生群落—自生演替—人工管理，通過管理使得城市自生群落轉變為具有審美優勢的植被，以柏林工業大學Norbert Kühn教授為代表[43]；3）模式三：自生群落—人工改良—不管理，以應用生態學領域的牧草改良和生態修復實踐為代表；4）模式四：空白場地—自生演替—不管理（與模式一相似，但場地由人工準備）；5）模式五：空白場地—自生演替—人工管理（與模式二相似，但場地由人工準備）；6）模式六：空白場地—人工實驗篩選—低維護，通過實驗篩選穩定性較高和抗雜草入侵性的植物群落，以謝菲爾德大學James Hitchmough和Nigel Dunnett教授為代表[30]；7）模式七：空白場地—人工設計—人工管理，通過人工設計和管理創造彈性可持續群落，以美國學者 Thomas Rainer和 Claudia West為代表[40]；8）模式八：自生群落—人工改良—人工管理，通過在自生群落中增加園藝植物來提高群落的美學價值，以柏林工業大學Norbert Kühn及Leonie K.Fischer教授為代表[43-44]。

課題組選擇模式七（人工植物群落組構）和模式八（自生群落改良設計）進行實驗性研究。模式七采用“結構層+季節主題層+地面覆蓋層”的3層垂直結構（圖6），模式八采用“限制設計層+美學特征改良層+生態功能改良層”的分層改良設計方式[41]（圖7）。經過2.5～3.5年的連續性觀測，證明這2種模式在西北城市建成環境是可行的。設計模式的多樣性是城市植物群落多樣性的基礎，不同的設計模式其生態功能、外貌、建植方式、成本不同，設計時可以根據場地訴求做出選擇。

9 東樓陰生生境花園植物群落實驗與景觀設計Experiment and landscape design of plant communities in shady habitat garden of East Building

10 東樓陰生生境花園中植物群落景觀Plant community landscape in shady habitat garden of East Building

11 兩類群落設計模式季相變化Seasonal changes of two types of community design patterns11-1 春季Spring11-2 夏季Summer11-3 秋季Autumn11-4 冬季Winter

4.3 多樣性動態性的城市植物群落景觀

城市建成環境的異質性帶來的生境多樣性是群落多樣性的“容器”，在不同的生境類型下可以選擇不同的植物群落設計模式。以南門花園為例，模式七實驗區劃分5種生境類型，實驗選擇4種1m×1m植物群落設計模式（圖8）；模式八實驗區劃分為2種生境類型，每種生境選擇10余種1m×1m群落改良設計模式（圖8）。此外，植物群落可以選擇不同的裝置如鋼板花池、花壇，結合綠籬、草坪等園藝種植，覆以礫石、松鱗、陶粒等覆蓋物，產生豐富變化的植物景觀。在東樓花園中，采用模式七組構4種植物群落，并搭配小葉黃楊（ Buxus sinica）綠籬及玉簪（Hosta plantaginea）、腎蕨（Nephrolepis auriculata ）等植物為主的園藝種植（圖9、10）。

任何基于生態學理論的種植方式都必須充分體現變化的概念[30]，地被群落的形態、色彩、質感及物種多樣性處于周期性動態變化過程中。南門花園中2類群落設計模式模擬西北地區自然群落原型，春季群落的色彩以綠色為主，點綴少許開花植物（圖11-1）；夏季色彩豐富且有變化，開花植物較多（圖11-2）；秋季色彩以秋色葉的黃色為主，開花植物減少（圖11-3）；冬季部分植物枯而不倒，有景可觀（圖11-4）。植物群落的多樣性和動態性可以塑造自然群落的“空間”與“時間”，帶給城市公眾持續而完整的自然體驗（圖12）。

4.4 低成本高效益的彈性可持續群落

群落的管理維護成本與其“非自然”屬性成正比。相比一般的園藝種植，群落式種植可以降低苗木購買與建植、澆水和除草3個部分的成本。選用的鄉土植物能夠適應本地自然降雨條件，顯著減少澆水量。通過群落的結構設計減少空白生態位，增加群落的抗雜草入侵性，從而降低除草成本。在觀測期內，模式七的建植、澆水和除草為一般園藝種植的97.3%、65.7%、58.4%，模式八的建植、澆水和除草為一般園藝種植的43.2%、8.3%、18.8%。2類群落設計模式在應對極熱、極寒、極旱等氣候變化時具有一定的韌性。創造性管理中人力與自然力交互作用于群落，是一個再創造的過程[40]，以達到可持續性的目的。

同時，物種豐富度的增加能夠提高草本群落的生態服務功能，群落建植2.5～3.5年后，模式七群落物種豐富度為3，模式八群落物種豐富度最小為5，最大為14，平均為9.2。2類群落模式具有維持更多鄉土物種的潛力，其中模式七鄉土植物比例為66.7%，模式八為76.4%。群落建植后為無脊椎動物提供了食物和棲息地，2類群落模式吸引大量無脊椎動物如點玄灰蝶（Tongeia filicaudis）、黃鉤蛺蝶（Polygonia c-aureum）、斐豹蛺蝶（Argynnis hyperbius）、柑橘鳳蝶（Papilio xuthus）、長喙天蛾（Macroglossum corythus luteata）等。

5 結語

1m×1m的“生境營造+地被群落”作為生境營造的基本單元，可以成為城市生態系統的“細胞”，在破碎化的城市生境中生長、復制、連接、擴散，在城市生態系統的不同尺度和層級上發揮更大的效益。適宜不同生境的多種群落模式可以充分利用異質性的城市生境，塑造多樣化動態化的城市植物群落景觀，降低管理維護成本，提高群落的可持續性和生態服務功能。多尺度多層次城市綠地單元構成的生境網絡可以形成在結構上“破碎化”但在功能上連續的城市生物多樣性格局，作為城市綠色基礎設施的重要組成部分，帶來更高的生態系統服務功能和社會效益，提高西北干旱城市人居環境質量。筆者梳理出的8種基本植物群落設計模式，除課題組已經在實驗的2種設計模式外，其他模式尚未開展實踐研究，需要結合場地的實驗性研究探索具體的設計、建植、管理維護的方法。同時，群落的美學設計需將西北城市公眾的審美需求和景觀偏好融入植物群落設計實驗和實踐中，營造具有地域特色的植物景觀。

12 模擬西北地區自然原型的植物群落帶給公眾多樣化的自然體驗Simulation of diversified natural experiences brought to the public by natural archetypal plant communities in northwest China

注釋：

圖1由陳宇攝，圖2～3、5～12由李倉拴攝，圖4由馮敬攝，圖9由李倉拴設計群落實驗、李莉華設計植物景觀并繪圖；表1由李倉拴根據中國植被區劃和中國地圖整理，其中表1中區劃編號為中國植被區劃中對區劃類型的編號，植被區劃類型為森林的，其自然原型為林下草本群落。