被遺忘的城市“生境”：重慶市墻體自生植物調查分析

陳春諦

1 同濟大學建筑與城市規劃學院, 上海 200092 2 中國科學院重慶綠色智能技術研究院, 重慶 400714

到2050年全球城市化率將達到70%,將有60多億人口生活在城市環境中[1]。作為人為干擾最強烈的生態系統,雖然城市面積僅占全球陸地面積的2%—4%[2-3]卻承載著70%—90%的人類活動[4],是物質、能量流動和消耗的密集區；也是各類生態環境問題集中區。城市各類環境污染、不透水表面的擴張、自然生境消失,影響著社區、區域,甚至全球尺度上的生態系統。而另一方面,城市土地資源緊張且存在著諸多利用方式間的需求與矛盾。在現有格局下,通過轉變已硬質化的土地來新增城市生境,代價昂貴,可行性低。

然而城市是一個立體空間,包含著豐富的三維信息以及巨大的空間利用潛力,那么是否能夠成為城市潛在生境呢？當前國內學術界僅有的研究主要涉及屋頂綠化和墻面垂直綠化,但基本還是與傳統城市園林綠化相同的思路；在不了解自然生境中植物物種的組成、分布、群落構建方式等信息,盲目地按照人類審美意識,以裝飾為導向,不僅需要消耗大量資源(水、能源等),造成生態系統服務損害(Ecosystem Disservice), 例如外來物種入侵[5]、生物多樣性喪失、景觀單一等問題,反而加劇了城市在全球生態系統中的不利影響。

與大部分研究僅將該類硬質化表面作為容器不同,發達國家以及我國一些地區的城市生態學家、景觀設計師也開始關注該類型空間作為生境場所的可能性[6-9]；即作為基質能夠保育未經人工播種、栽培等措施而自發傳播、定居、生長,甚至形成群落和小型生態系統。本研究采用“自生植物(spontaneous species)”來指代該類植物。目前研究局限于古長城、歷史遺跡、名勝古跡等特殊墻體,如英國和法國古老教堂的外墻[7]、香港老城的石墻生境[10]、南京明城墻[9]以及荊州古城墻[11]的研究,卻缺少城市中數量眾多的普通墻體作為生境的研究。

20世紀70年代的研究認為,由于古跡墻體材料和結構類似于巖石,墻體自生植物主要是生長于資源貧瘠的巖石或懸崖生境中的物種[7]。但這一論點受到新近城市墻體研究的質疑。隨著城市快速發展,近年來的研究表明墻體自生植物不再以巖石種為主,而轉變為與城市公園、廢棄地等兼性共生的物種[12],可能是由于城市中自然生境不斷減少,使得剩余生境中的繁殖壓力增大所導致,這需要更多的研究來證實。除了植物自身的特性(如繁殖策略、傳播方式等),城市墻體生境能否供自生植物生長取決于多種因素,例如墻體物理結構、墻面小氣候、人類干擾強度等[7,13]。重慶是我國乃至世界典型山地人居環境的代表城市之一,高低錯落的地勢造就了大量的墻體,尤其以擋土墻居多,成為了一道獨特的風景線。由此,本文以重慶市主城區范圍內城市墻體為例,開展墻體自生植物的物種組成、分布格局以及影響因素的分析,以期為增強城市生物多樣性,提高城市生態系統服務為導向的物種篩選與生態設計、城市綠化管理提供科學依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

重慶市(105°11′ E—110°11′ E,28°10′ N—32°13′ N),位于我國西南山區。境內溝壑縱橫,地形復雜,山地丘陵面積占98%,素有“山城”之稱(圖1)。市主城區地處西南部長江與嘉陵江兩江交匯處,以渝中區所在地渝中半島為核心,向外輻射囊括了渝北、江北等主城九區,面積1329 km2,城市人口800多萬。全境屬于亞熱帶季風性濕潤氣候,年均氣溫18.3℃,年均降水1129.8 mm。市內地形起伏,高低相間,加之長江、嘉陵江穿插其中,形成了獨特的“山-水-城”景觀格局。境內植物資源豐富,有維管植物222科,1049屬,2310種,分別占全國維管植物的的51.3%,21.2%和5.3%,常綠闊葉林是主要的地帶性植被類型。主要樹種包括石櫟(Lithocarpusglaber)、黃葛(Ficusvirens)、北碚榕(Ficusbeipeiensis)、楓楊(Pterocaryastenoptera)、青岡(Cyclobalanopsisglauca)、香樟(Cinnamomumcamphora)等。

圖1 重慶市地理位置及采樣點示意圖Fig.1 The location of the study area and sampling sites

1.2 研究方法

在前期調研的基礎上,于2017年9—11月在重慶主城九區中公園、道路、廣場、居住區、廢棄地等不同土地利用類型上共設置樣地45個,每個樣地中隨機選取2—4塊墻體,共調查120塊墻。調查類型為磚、石頭、混凝土構造的獨立墻、建筑墻以及擋土墻。由于預研發現金屬墻與木墻幾乎無植物生長,故在調查中排除。除去墻頂以下和墻基以上10 cm的墻面周圍區(可能存在邊緣效應),以每面墻作為一大樣方,記錄其中的喬木種以及株數和覆蓋度；再根據植物分布特征,以4×1 m(短邊與墻高平行)的小樣方對灌草層植物進行隨機取樣,取樣量根據墻體尺寸與植物分布的均勻性而定,每面布設2—4個小樣方,共計359個樣方,記錄物種名和覆蓋度。并對出現在墻面但未在樣方內的植物種進行記錄。

樣地調查包括：

(1)物種組成等信息：記錄每個樣方內的植物種名、覆蓋度、高度和長勢情況等。植物種名鑒定依據中國植物志[14]、《四川植物志》[15]和《重慶維管植物檢索表》[16]。

(2)記錄墻體所在的經緯度；測定墻境特征共22個墻境因子(表1)。大部分為現場測量判斷,例如墻體高度、長度、傾斜角、縫隙大小、密度等；墻體年齡通過訪問附近居住的老人以及查閱城市規劃歷史資料；一部分指標進行1—5程度打分評估,如墻面風化程度以僅出現裂縫但表面未脫落的定為最輕等級1；而墻體材料和墻縫粘合材料脫落面積50%以上的為等級5。所有程度評估由一名調查員完成,盡量減少誤差。

表1 調查的墻境特征及具體指標

1.3 數據處理

每面墻內所有小樣方的物種覆蓋度平均值作為該面墻的植被屬性；以120面墻的植物信息為基礎,構成樣方×物種覆蓋度矩陣,用于植被-生境關系分析。生境因子矩陣包含墻境特征的4大類因素組,共22個因子(表1)。分析之前,所有數據統一對數轉換進行標準化。利用R.2.11中vegan程序包的varpart函數進行方差分解,分離4類因素組對墻體自生植物分異格局的貢獻。對物種數據進行去趨勢對應分析(DCA),最大軸的梯度長度為6.2,大于3,固選擇單峰模型CCA對植被-生境因子的關系進一步分析,獲得各生境因子對植物格局的影響。DCA和CCA排序由CANOCO 5.0完成[17]。利用前向選擇法(Forward Selection)對生境因子進行篩選；因子的顯著性通過999次蒙特卡羅(Monte Carlo)檢驗,顯著水平設置在0.05。

2 結果與分析

2.1 城市墻境自生植物物種構成

調查共發現和確認維管植物70科149屬193種。其中菊科植物種類最豐富,其次是禾本科和蕁麻科植物,分別占本次調查總物種數的12.4%、5.2%和5.2%,是墻體環境下的自發植物的優勢科。單種屬、寡種屬數量最多,占總科目的32%(表2)。物種出現頻率最高的前10種是蜈蚣草(Pterisvittata, 78.3%)、井欄邊草(Pterismultifida, 49.3%)、構樹(幼苗)(Broussonetiapapyrifera, 45.4%)、貫眾(Cyrtomiumfortune, 42.1%)、黃葛樹(幼苗)(Ficusvirens, 41.5%)、黃鵪菜(Youngiajaponica, 30.4%)、華南毛蕨(Cyclosorusparasiticus, 22%)、酢漿草(Oxaliscorniculata, 19.5%)、北京鐵角蕨(Aspleniumpekinense, 18.9%)、蔊菜(Rorippaindica, 17.3%)等,形成了重慶市立面空間的自然綠化(圖2)。樣方的物種豐富度從1到29種,平均每個樣方7種植物；而每面墻的物種豐富度差異較大,介于3—39種,平均為13種。

表2 墻境自生植物物種組成

圖2 重慶墻境自生植物 (拍攝：楊陽)Fig.2 Spontaneous vegetation established on walls of Chongqing city (Photographed by Yang Yang)

2.2 墻境自生植物生活型特征

墻境自生植物生活型豐富,共包含6種(表3),幾乎囊括陸生植物常見生活型。以多年生和一、二年生草本植物占絕對優勢(70%),分別占統計植物種的33.7%、26.4%；出乎預期,灌木和喬木也占較大比重(20.7%)。相比其他平面生境的自生植物,很明顯墻境中蕨類和藤本植物非常豐富,分別占統計植物種的12.4%和6.7%。

表3 墻境植物生活型

2.3 城市墻體生境特征

本研究共調查120塊生長自生植物的墻體,絕大部分分布在渝中區、沙坪壩區、巴南區等舊城區；相比而言,渝北區等新區則比較少。因為有植物的墻體大多聚集在公園綠地、居民點和各大高?？蒲性核?調查中我們也詢問過城市園林綠化工人和物業管理者,并未有定期清理墻面的規定。絕大部分墻體受到不同程度的風化,最輕等級占17.5%；最嚴重的占13.3%。所有墻體類型中,擋土墻最多,占全部的84%,其余為建筑墻和獨立墻,數量相當,分別為10和9塊。66%為正方形或長方形石頭堆砌的石砌墻,28%為磚墻,水泥墻體僅占6%。大部分墻的高度在2 m以內(占45%)；高于4 m以上的墻占23%,主要有建筑墻和擋土墻組成。僅有2.5%的墻因為自身方位、環境遮陰和緊鄰水源等情況,處于極度潮濕的狀態(表面有明顯的液態水存在),絕大部分(73%)表現為一般濕潤(無液態水,但手觸有濕潤感)。除了水泥墻面沒有粘合材料,絕大部分的石砌墻和磚墻通過石灰水泥灰漿粘合(占79.2%),而新近的墻體多采用水泥粘合(11.7%),僅有少數墻體磚、石塊處于開放狀態,無材料粘合。整體來說,重慶市內各種新老建筑并存,墻體特征差異較大,表明墻體作為潛在生境所提供的生存要素也比較豐富多樣。

2.4 墻境植物分布的主要影響因素

方差分解的結果表明,4大類墻境特征因素組共解釋其上自生植物組成與空間分布變化的14.4%,剩下85.6%屬于未解釋部分。從各因素組的解釋能力可以看出(表4),墻體固有屬性引起的植物組成與分異格局最大(7.1%),其次為連接縫屬性、墻體外在屬性和管理措施。其中連接縫屬性與其他因素組的交互作用最強(0.7%)；相比之下,管理措施的影響與其他的交互作用微乎其微。

表4 生境因素組的解釋能力

所有解釋量均通過檢驗,P< 0.05

圖3 墻體自生植物CCA排序圖Fig.3 CCA ordination for spontaneous vegetation on walls of Chongqing CitySl：墻體傾斜,Slop；Co：墻面顏色, Color；Hi：墻體高度,Height；Ma：墻體構造材料,Material；CaMa：連接縫材料,Crack material；Casi：縫隙大小,Crack size；Hu：墻體濕度,Humidity；Wicov：藤蔓覆蓋度,Vine coverage；Sh：墻體遮陰率,Shade；We：墻體風化程度,Weathering degree；Man：粗放管理程度,Management；Di：人類干擾程度,Disturbance degree；Caden：連接縫密度,Crack density

前向選擇法刪除了9個不顯著因子(墻面粗糙度、墻體長度、墻面方位、墻體年齡、墻基部硬化程度、苔蘚/地衣覆蓋度、墻面貼面程度、連接縫降解程度、墻體類型,具體見附件)。通過顯著性檢驗的13個生境因子與CCA排序軸的相關系數可知(表A,見附表),墻體遮陰率、墻體高度、墻體濕度與藤蔓覆蓋度等與CCA第1軸相關性最強。這些因子彼此存在一定的相關性,均與墻體自身濕度有關；表明水分因子在決定墻面植物組成與分布的諸多因子中起著主要作用。圖3中沿第1軸的物種分布可以看出：蕨類植物、木本樹木的幼苗和一些喜濕喜陰植物(如山芥碎米薺、絞股藍等),多沿該軸正方向；而稍大些的喬木樹種則分布在負方向,這也印證了該軸與水分因子相關。第2 軸與縫隙大小、墻體高度、縫隙材料等相關性較高,表明墻體連接縫的相關屬性對于墻體植物的空間分布也至關重要。相應地,一些植物,如白簕、構樹、柚樹等更傾向于分布在縫隙較大的墻面。這2個軸特征值最大,分別為0.7382和0.5952,共解釋植物組成與分布變化的10.73%。

在所有因子中,墻體高度、藤蔓覆蓋度和墻體遮陰率3個因子對植物分異格局的解釋量最大,分別為4.0%、3.8%、3.5%(表5)。而與管理措施相關的因子解釋量均較小,表明人類干擾在墻體自生植物中不起主要影響。

表5 墻境因子對墻體自生植物變化的解釋能力

Hi：墻體高度,Height；Wicov：藤蔓覆蓋度,Vine coverage；Sh：墻體遮陰率,Shade；Ma：墻體構造材料,Material；Sl：墻體傾斜,Slop；Casi：縫隙大小,Crack size；Hu：墻體濕度,Humidity；CaMa：連接縫材料,Crack material；Di：人類干擾程度,Disturbance degree；Man：粗放管理程度,Management；Co：墻面顏色, Color；We：墻體風化程度,Weathering degree；Caden：連接縫密度,Crack density

3 討論

3.1 城市墻境自生植物的組成特征

異質性是自然界普遍存在的現象,即使是完全硬質化、通常認為不具生命特征的城市墻體,無論在基質材料(石塊、磚塊等)、微地形(磚塊大小、縫隙密度等)、面積,以及所處的周圍環境,均表現很強的異質性,具有生境潛力,可作為城市生態空間的有效補充,豐富城市生物多樣性。我們以山城——重慶市為例,對墻面自生植物的研究支持這一結論。相比城市二維平面用地上的自生植物或野生植物,如寧波市區自生植物48科101屬129種[18]；上海中心城區的32科89屬107種[19]；西安市區37科75屬95種[20]；北京奧林匹克森林公園32科98屬128種[21],作為下墊面條件更為苛刻的墻體支持自生植物共70科149屬193種。同樣有文獻報道南京古城墻擁有70科125屬159種自生植物[9]；而香港舊石墻保有的自生樹木約17科28種[22]?？赡艿脑蚴?上述城市地處亞熱帶濕潤氣候區,本身的生物資源就非常豐富。此外重要的一點是,當前城市園林綠化語境下,自生植物通常被認作有害雜草,而城市綠地進行高頻率的維護管理工作,采用除草劑或者人工去除自生植物。相比之下,城市墻體所受到的干擾少一些,尤其在水、熱等資源豐盈的南方城市,立面空間的生物多樣性可能并不遜色于平面空間?？傮w來看,重慶市墻境自生植物以菊科,禾本科和蕁麻科為物種數最多的三大優勢科,與很多城市自生植物研究相似,同樣以菊科和禾本科為主。但是與平面生境不同是,墻體上喜陰喜濕的蕨類植物,例如鱗毛蕨科、鳳尾蕨科、姬蕨科、中國蕨科、鐵角蕨科、蕨科、鐵線蕨科、陵齒蕨科占有很大比例,這一點也得到南京古石墻研究的印證[9]；反映出墻體作為生境的獨特性。

優勢種來看,整個墻境廣泛分布的、出現頻率40%以上的物種包括蜈蚣草(78.3%)、井欄邊草(49.3%)、構樹(45.4%)、貫眾(42.1%)、黃葛樹(41.5%),很明顯蕨類植物占優勢。即使與相近緯度和氣候條件的城市平面生境上的優勢物種組成也不盡相同,例如寧波城區以升馬唐 (Digitariasanguinalis),酢漿草(Oxaliscorniculata),鐵莧菜(Acalyphaaustralis),狗牙根(Cynodondactylon),喜旱蓮子草(Alternantheraphiloxeroides),小飛蓬(Conyzacanadensis)為優勢物種[18]；杭州城區以構樹(Broussonetiapapyrifera)、欒樹(Koelreuteriapaniculata)、楓楊(Pterocaryastenoptera),麥冬(Ophiopogonjaponicus)、葎草(Humulusscandens)、常春藤(Hederanepalensis)為出現頻率最高的物種[23]。可以看出,平面環境下的自生植物以旱生為主,且有些具有入侵特性(如葎草),如果沒有人類持續管理,在平面生境各種資源相對豐富的條件下,很容易形成絕對優勢種群,加速其他物種的滅絕,反而會破壞城市生物多樣性。

本文的發現與同樣是亞熱帶溫暖濕潤氣候的珠江三角洲墻體優勢物種高度相似,共同的優勢種包括蜈蚣草、井欄邊草和構樹[24]。與相近緯度的南京古石墻優勢物種相似,共同的優勢物種包括構樹,井欄邊草和貫眾。同樣,構樹也是香港墻境喬木樹種的優勢種。雖然氣候等諸多環境因素會影響城市墻境的物種組成,但類似于平面生境,我們猜測也有一些物種因其自身的傳播、繁殖等性狀的適應性極強,而會廣泛分布全國墻境。當然這一猜測還需要更多不同氣候、環境背景下,城市墻境自生植物功能性狀的解析來支持。

但就所有物種來說,重慶墻體與南京石墻上植物的相似程度不高,少于25%。這可能與本地環境下的“種子庫”有很大關系。例如,黃葛樹是重慶市市樹,在城區各類型綠地廣泛栽培。該樹屬于?？崎艑?生命力極強,依靠繁殖體如枝條即可傳播繁殖,且種子是漿果類,鳥類等小型動物喜食繼而通過排泄起到傳播的作用。在重慶濕潤氣候下,在貧瘠的墻體即可定居且成為優勢物種。而該物種在同緯度的南京、荊州的研究中則未見報道。同樣,蜈蚣草是重慶園林綠化常見蕨類植物,本地種子庫豐富,依靠分株或者孢子粉繁殖,很容易從城市栽培環境“逃逸”進入立面空間,也是“溢出效應”(spillover)的體現。這一發現與其他研究類似[25],墻體一般與周邊環境有相似的植物種類。該結論也與“城市懸崖”假設(Urban Cliff Hypothesis)相悖。該假設認為城市墻體環境與自然界中的懸崖巖石類似,因此保育特殊的巖石種[26]。然而,本研究的結果更傾向于物種庫的集團效應(mass effect),即由于物種多度差異(保育豐富物種的城市各類型園林綠地vs裸露“貧瘠”的墻面環境)所引起的物種從“源”(平面生境)擴散到“匯”(立面墻體)。

3.2 墻境自生植物的影響因素

墻體作為潛在生境也取決于城市墻體自身與周邊的環境特征。本研究所選取的4大類特征共計22個因子對墻境自生植物組成與分布變化的總解釋量不高。植物傳播、定居與群落構建是一個綜合復雜的過程；一方面是環境篩選作用,另一方面也受物種自身和各種隨機過程的影響。其次,盡管我們的研究選取了涉及墻體的眾多特征,但還局限于本地小尺度生境的影響因素,沒有考慮更大尺度,例如周邊景觀的潛在影響因素。已有研究指出墻體周圍若存在生物多樣性保育良好的公園綠地、自然保護地等,可以為墻體持續不斷地提供“種子源”,進而影響其上植物的組成和結構[9]。因此,在后續的研究中加入墻體所在地周邊景觀因素可能提高影響因素的解釋量,更好地描述墻體自生植物分異格局。

4類特征中墻體固有屬性對植物組成與分布的解釋量最大,連接縫屬性和墻體外在屬性次之,管理措施最小,符合預期。其中,墻體高度、藤蔓覆蓋度和墻體遮陰率是植物變化的主要影響因子。墻體高度是一個非常直觀的因子,較符合經驗觀察。由于山城環境特殊,用地緊張,所以樓房密度普遍比平原城市高,無論何種朝向,低矮的墻均不易受陽光照射,在陰濕的環境下墻面植物更茂密。而越往高墻處,遮陰效果越差,并且可能處于風口,更進一步阻止了植物的定居。這點類似孤立的古城墻研究結論,即陰面的墻體植物比陽面保育有更多樣的自生植物[11]。城市墻體所處的特殊環境也解釋了為何墻面方位對自生植物沒有顯著影響,這一點與香港城墻上的木本植物研究結論類似[22]。

藤蔓覆蓋度和墻體遮陰率與表面濕度有直接關系。降雨是直接水源,是植物生長所需。但是對于墻面自生植物,據我們觀察,更重要的是充分利用空氣中和墻體的“濕氣”。亞熱帶城市,空氣濕度大,重慶年平均相對濕度70%—80%,在全國屬于高濕區,這使得墻體植物能夠從空氣中獲得足夠水分；而重慶夏季炎熱,太陽輻射強度大,有中國“四大火爐”之稱。尤其在近些年全球氣候變化,極端氣溫頻發的背景下,營造陰濕環境是植物繁殖體能夠定居于墻體環境的關鍵環節。墻境是一類非常特殊的生境,植物所需的營養物質幾乎均來自于外界,因此受外界環境干擾大,具有很大的偶然性；相比平面空間,墻上自生植物組成與分布可能有高度不確定性和更高的周轉速率,相應的影響因素也會不同,這有待進一步長時間且不同季節追蹤研究。

3.3 城市園林綠化啟示

隨著國內對城市生態的重視,越來越多的設計師認識到“野草之美”[27]。而城市大量存在立面空間,墻體提供豐富且具有較高觀賞價值的本土野生植物,例如多樣的蕨類、何首烏、雞矢藤等可用于觀葉,垂穗商陸可觀果,忍冬可觀花等,以及一些頗具野趣觀賞價值的植物,如狗尾草、蒿、夏至草、風輪菜等。近些年,歐美國家對城市綠化墻體的研究逐步轉入“活墻(living wall)”[28]。相比傳統的栽培攀援植物為綠墻,活墻更強調應用本土植物,且物種豐富多樣形成群落,并以此為基礎,吸引鳥類、蝴蝶、甲蟲等小型動物,進而形成微型生態系統,無論是對建筑體的節能減排[29],還是對整個城市保育生物多樣性、減緩熱島效應等都具有重要作用。而墻境自生植物物種庫能夠為城市其他豎向類型的野趣生境(例如邊坡、建筑陽臺、立交橋、立柱等)的營建篩選適宜植物。

在一些氣候適宜的城市,園林綠化管理者應轉變視角,不是所有的非栽培植物需要一律鏟除。當然,有一些喬木類植物因為自重較大且根深葉茂,會損壞墻體[30]；而一些植物具入侵特性。因此應結合植物種類(例如不同生活型、鄉土或入侵植物等不同來源)制定有針對性的管理措施,給予鄉土野生植物適宜的生存空間,允許“自然做功”,充分利用鄉土植物的“自發性”營建低維護景觀,以最小的物質能量等資源消耗成本,提升城市生態系統服務。

4 結論

我國自古便有筑墻習慣,大到萬里長城、各類型城邦的圍墻,小到家家戶戶的院墻,已有幾千年的歷史。即使到今天,除了建筑物的墻體,各類型的獨立圍墻也非常多,包括企事業單位、工廠、學校,各樓盤小區等,依舊擔負著劃分界限和安全的作用。不斷增加的豎向空間也為城市園林綠化開拓了新空間。本文以典型山城代表——重慶市為例,探索了城市普通墻體作為生境的潛力。研究發現自生維管植物70科149屬193種,并不遜色于平面城市綠地所保育的自生植物,很多鄉土植物具有較高的生態系統服務,例如本文調查的早熟禾(Poaannua)、地果(Ficustikoua)等為鳥類等小型動物提供食物來源、遷徙途中的跳腳石,進而提升城市生物多樣性。我們的調研中也發現有大面積植物覆蓋的墻體出現鳥類、蝴蝶、甲殼蟲以及一些軟體無脊椎小動物。對這些非傳統生境及其自發組建的“生態系統”需要不同季節,不同地域、氣候、環境的更多研究來支撐,以啟發城市生態設計,尋求可持續、多樣化、低成本城市景觀的實現途徑。

致謝：西南大學碩士研究生:楊陽、何云云、曾思源、陳祖培等幫助調研,西南大學園藝園林學院王海洋和劉元平教授給予支持,特此致謝。