建筑與小區生物滯留設施植物群落景觀評價與植物配置分析
——以北京市通州區海綿城市試點區為例

韓 元， 劉 玲， 趙 利， 孟瑩瑩， 馮昶棟， 李雨晴

〔1.北控水務(中國)投資有限公司， 北京 100102； 2.河北大學 生命科學學院 生態與環境治理研究所, 河北 保定 071002；3.北京林業大學 水土保持學院， 北京 100083； 4.清華大學 環境學院， 環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室， 北京 100084〕

海綿城市(sponge city)作為一種新型城市水環境規劃理念，旨在使用不同的低影響開發(low impact development, LID)設施，實現資源與環境的協調發展[1]。LID設施主要功能是通過削減洪峰流量與徑流量，延長峰現時間量等，在源頭上對雨水進行處理，從而降低城市開發對自然水文循環系統的影響[2]。低影響開發技術在建筑與小區等城市空間具有很強實際應用效果，不僅處理源頭雨水徑流，而且注重一定景觀性而受到推崇。生物滯留技術作為最有效的LID技術之一，應用植物、微生物與土壤等復合屬性，達到凈化雨水和補充地下水的目的[3]。植物是生物滯留設施的重要組成部分，主要發揮雨水集蓄和生態景觀展示的功能。在生物滯留結構中，植物生長可以改良土壤結構、吸收營養物質、影響根際微生物與理化特征[4-9]。目前，國內外對于生物滯留設施的研究大多停留在其結構、蓄滯水量、污染削減等方面，對植物選擇配置、生態功能的研究相對較少。已有研究表明，雨水花園和生物滯留設施中植物對污染物去除效果與植物生長速度、生物量、根系發達程度具有正相關性[10-12]。因此對植物群落結構、景觀效果、雨水管理等功能進行綜合評估體系，是生物滯留設施植物景觀研究的熱點問題。

生物滯留設施中植被層是提供觀賞價值和景觀生態價值的來源[13]，同時具有截留雨水、降低地表徑流流速和徑流峰值、促進土壤滲透以及削減徑流中的污染物等多種功能。目前，通過植物的種類、應用頻度、觀賞特性、植物配置情況[14]進行低影響開發設施植物應用現狀的研究較多，但從生物多樣性角度評價生物滯留設施景觀效果研究相對較少。而在氣候條件、基質條件等多種因素影響下，植被對生物滯留設施調控過程的影響十分復雜[15]，生物滯留設施的徑流調控功能主要通過滯留雨水來實現，植被層截留雨水和基質層蓄滯作用是雨水滯留能力重要組成部分[14]。植被群落生物多樣性、生物量和覆蓋度等特征決定了生物滯留設施植被層的雨水截留能力，因而也會影響徑流調控效益。

隨著國家30個海綿城市試點區建設的推進，各試點區對于植物的應用和配置還處于摸索和總結期，未針對植物選擇與配置考慮效果與實踐的應用情況。為探討北京市通州區海綿城市試點區中生物滯留設施在植物選擇的適宜性與運行效果，結合通州地區降雨徑流特征、土壤和植物特點，本研究以北京市通州區海綿城市試點區為例，通過構建植物群落景觀評價模型，結合生物滯留設施植物樣本調查監測，對試點工程中15個典型生物滯留設施植物群落進行評價，以期為建筑與小區中選擇及優化生物滯留設施植物材料及配置提供參考依據。

1 研究區概況

研究區通州區位于北京城市副中心兩河片區，西南起北運河，北到運潮減河，東至規劃春宜路，總面積19.36 km2，建成區改造面積7.21 km2。通州區地處永定河、潮白河沖積洪積平原，地勢平坦。根據地勘測量建成區表層土質以粉質黏土為主，往下依次是細砂、中砂、粗砂等，綜合豎向滲透系數根據不同土質分布厚度有所區別，最大達到1.58×10-3cm/s，最小2.72×10-6cm/s。通州區屬大陸性季風氣候區，受冬、夏季風影響，形成春季干旱多風、夏季炎熱多雨，年平均溫度11.3 ℃，多年平均降水量541.3 mm。

2 材料與方法

2.1 樣方調查

如表1所示，根據植物群落調查的樣地選擇及相關研究方法，2019年9月在對通州海綿城市試點區全面踏查的基礎上，選擇建筑與小區內已完工2 a以上且植物群落穩定的項目，同時以收集屋面和道路的雨水為主，進水水量及水質污染負荷等條件相似的綠地內的生物滯留設施進行調研。如表1，選出紫荊園、Bobo自由城、北京小學通州分校、荔景園、牡丹園5個示范工程中15個具有代表性的生物滯留設施通過調查和信息采集對植物群落景觀進行評價，在每個生物滯中設置3個1 m×1 m樣方，本研究共設置45個樣方。在每個樣方內分別統計草本植物物種的名稱、株數/叢數、蓋度、生長指標、綠化覆蓋率并拍攝照片。

(1) 植物生長指標。采用稱量生物量鮮重，采集樣方中每種植物，分別測定地上和地下部分鮮重。植物根系掃描系統，通過WinRHIZO根系分析系統分析植物根系，分析根系長度、直徑、面積、體積等。

(2) 植物季相。根據每種植物在四季的生長過程中，葉、花、果的形狀和色彩隨季節而變化，將季相變化分為無季相變化、2種、3種、4種和多種共計5種季相變化，分別評2，4，6，8，10分。

(3) 植物鄉土性。根據是否為鄉土植物常用植物、鄉土植物、長期栽培應用、新引進品種和入侵物種進行判斷，分別評10，8，6，4，2分。建設成本、養護需求根據工程設計中相關建設成本和養護成本進行評分。

表1 北京市通州區海綿城市試點區示范工程生物滯留設施概況

2.2 數據處理

植物豐富度指數是反映生物滯留設施中植物豐富程度的指標。物種多樣性指標是衡量一個地區植物多樣性的依據。

采用Margalef物種豐富度指數Dma：

Dma=(S-1)/lnN

(1)

Simpson指數：

(2)

Shannon-Weiner指數：

(3)

Pielou指數：

即JH′=H′/Hmax′

(4)

式中：S為所有物種數；N為所有物種數量總和；D為物種的Simpson指數；H′為物種的Shannon-Weiner指數；J為Pielou指數；Ni為某物種總數；Pi為屬于物種i的個體在全部個體中的比例。植物群落物種多樣性為實測值，對樣地中植物豐富度指數、均勻度指數和多樣性指數的平均值進行標準化處理，使其轉化為[0,1]區間的數值，綜合反映物種豐富度、均勻度和多樣性的平均水平。

3 評價體系構建

3.1 評價指標篩選與確定

為了評價生物滯留設施植物景觀設計的有效性，已有研究在植物景觀評價方法中將指標分為定性和定量兩大類，其中，在公園植物景觀評價模型體系中將準則層分為生態效益、美學質量和服務功能[16]。本研究在層次分析法中，初步選擇將生物滯留設施植物群落景觀作為評價體系的目標層，將生態功能、景觀效益、經濟效益3項作為評價體系的準則層。生態功能指標層各項因素大多能定量計算，考慮到植物群落穩定性、改善土壤功能、抗逆性等方面，選擇植物生物量、植物多樣性、植物覆蓋度、根系發達程度等作為生態功能指標。景觀效益指標層選擇群落配置、季相景觀、環境協調性等，作為植物群落美學和景觀方面評價因素。經濟效益指標層從建設成本、鄉土性、養護需求等方面進行評價。將所有初選指標以問卷的形式發送給園林設計、園林植物、生態環境等領域15位專家和高級技術人員，經過兩輪，確定了一級指標及3個二級指標；初步選取了15項三級指標，通過專家和專業技術人員打分法選擇最佳指標，發放問卷30份，回收27份，有效卷25份，按照得分由高到底的順序打分，選定10個三級指標，綜合前人研究成果，構建生物滯留設施植物群落AHP評價模型(見圖1)。

圖1 生物滯留設施植物群落景觀評價指標體系

3.2 評價指標的權重

層次分析法通過建立判斷矩陣及其一致性檢驗，根據矩陣的特征向量確定指標權重。層次結構模型判斷矩陣通常采用1—9標度法對每層指標進行兩兩比較。本研究采取專業人員群體判斷的方法是克服主觀因素影響，將15位專家對各指標的標度結果取平均值，得出準則層B對目標層A的判斷矩陣、指標層C1—C4對準則層B1的判斷矩陣、指標層C5—C7對準則層B2的判斷矩陣，指標層C8—C10對準則層B3的判斷矩陣(見表2)。

表2 評價指標權重及一致性檢驗結果

B1，B2，B3的一致性比率CR均小于0.1，通過了一致性檢驗。其中，準則層指標對目標層的權重分別為0.648 3，0.229 7，0.122 0，C11—C14對B1的權重分別為0.466 8，0.277 6，0.160 3，0.095 3，C21—C23對B2的權重分別為0.539 6，0.297 0，0.163 4，C31—C33對B3的權重分別為0.625 0，0.238 5，0.136 5。準則層、指標層的權重相乘得出指標層指標對于目標層的權重分別為0.302 6，0.180 0，0.103 9，0.061 8，0.123 9，0.068 2，0.037 5，0.076 3，0.029 1，0.016 7，層次總排序的CR<0.1，也通過了一致性檢驗。

3.3 評價指標量化與評價分級

生物滯留設施植物群落景觀作為評價體系的目標層，通過景觀綜合評價指數法統計和分析準則層和指標層評價結果，確定各植物群落評價因子的水平值，與評價因子的權重值相乘，得到各植物群落的綜合評分值。運用公式CEI=S/SO×100%，將生物滯留設施植物群落景觀劃分為不同等級(CEI為綜合評價指數；S為評價分數值；SO為理想值)，并以差值百分比分級法劃分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，共4個等級[17](見表3)。

表3 生物滯留設設施植物群落景觀評價等級

4 生物滯留設施植物群落景觀評價

4.1 生態功能評價

4.1.1 生物多樣性評價 本研究選擇Marglef豐富度、Simpson多樣性、Shannon-Wienner多樣性和Pielou均勻度綜合評價生物滯留設施中草本植物多樣性水平。如圖2所示，Bobo自由城調查樣地的Marglef豐富度指數最高，指數值為2.24～2.57，其次為牡丹園，Marglef豐富度指數為1.89～2.14，紫荊園豐富度指數平均值最低，僅為1.10，表明Bobo自由城草本植物多樣性更為豐富，紫荊園和荔景園草本植物種類較為單一。不同工程中的生物滯留設施中草本植物的植物Shannon-Wienner多樣性指數，與豐富度指數的差異性基本一致(見圖3)。其中，草本植物Simpson多樣性、Shannon-Wienner多樣性和Pielou均勻度指數最高的是Bobo自由城，多樣性指數分別為2.09，0.86，0.87。Shannon-Wienner多樣性指數最低紫荊園，數值為1.52。Simpson多樣性和Pielou均勻度指數最低的為北京小學通州分校，數值分別為0.67，0.72。根據多樣性指數，可以有針對性地調整植物配置。

注：橫坐標上數字1，2，3為樣地代碼。下同。

4.1.2 植物生物量和覆蓋度評價 圖4所示為不同生物滯留設施植物生長情況，結果顯示，地上生物量由大到小排序為：荔景園>紫荊園>牡丹園>北京小學通州分校>Bobo自由城，地下生物量由大到小排序為：北京小學通州分校>荔景園>紫荊園>牡丹園>bobo自由城。北京小學通州分校植物地下生物量顯著高于其他示范點。北京小學通州分校各樣地平均植物地下生物量為7 071±1 824 g，顯著高于其他4個試點植物地下生物量(p<0.05)。荔景園植物各樣地平均地上生物量為9 431±3 940 g，Bobo自由城各樣地平均地上生物量為3 916±491 g，顯著低于其他試點植物地上生物量(p<0.05)。荔景園樣地1的植物地上生物量顯著大于其他樣地，主要是蘆葦和千屈菜地上生物量顯著高于其他植物，兩種植物的地上生物量之和占樣地總地上生物量的83%。

圖3 生物滯留設施植物多樣性指數

圖4 生物滯留設施植物地上和地下生物量

4.1.3 植物根系發達程度 植物根系形態分布與土壤環境密切相關，通過植物根系生長情況，也可反映土壤結構、基質養分等微環境特征[18]。表4為不同生物滯留設施試點土壤中植物根系生長的影響情況。根系長度是決定根系固定土壤、吸收水分和養分的重要指標，通過對比各樣方，牡丹園植物根系長度最大，各樣方植物根系總長度的平均值為945 cm，其次為北京小學通州分校的植物根系總長的平均值為850 cm，顯著高于其他處理組(p<0.05)。根系生長與基質養分條件具有相關性，植物根系生長與土壤養分含量在一定范圍內呈正相關；然而在缺乏營養的土壤或基質條件下，根系通過外延以汲取養分，擴大分布范圍以維持植物生長需要[19]。

表4 植物覆蓋度與根系指標

根系表面積反映植物吸收土壤中水分和養分的能力，根系吸收營養物質能力與表面積呈正相關。如結果所示，北京小學通州分校植物根系表面積最大，同根系長度一致，Bobo自由城植物根系表面積最小。根系表面積大，吸收根際土壤養分量相對較大，結合植物地上和地下部分生物量數據，根系表面積大的處理組，地下生物量也顯著高于其他處理組，植物對養分的吸收使根系生物量積累。根體積作為決定根系空間分布的重要指標，可以反映植物生長情況及植物固土效果，根體積數據與根系長度和根系表面積不完全一致，北京小學通州分校試點植物根體積最大，各樣地植物根系總體積平均值為267 cm3，而根系體積相對較大的紫荊園和Bobo自由城，根系長度和根系表面積卻顯著低于其他3個試點，說明土壤養分條件低導致根系外延生長，但由于養分狀況差，植物根系生物量無法累積，所以導致對照組根體積較小，與根系長度呈反比。根體積、根部質量較大的植物，根吸收養分多分配至植物根系部分，可以促進植物耐旱性[20]。

4.1.4 生態功能綜合評價 生物滯留設施植物生態功能評價從生物多樣性、植物生物量、植物覆蓋度和植物根系4個方面進行綜合評價(見表5)，其中，生物多樣性是生物滯留設施植物群落景觀評價的關鍵性指標。通過綜合分析15個樣地植物相關指標，北京小學通州分校各樣地植物生態功能綜合評價指標得分最高，草本植物種類為19種，其中玉簪、八寶景天、千屈菜、鳶尾為耐濕植物；假龍頭花、萱草、荷蘭菊、費菜等植物耐旱且適應能力強；也存在自然演替的當地植物狗尾草、灰綠藜(Chenopodiumglaucum)、堇菜(Violaverecumda)等。根據層次分析法分析結果表明，生物滯留設施的植物生態功能還取決于植物生長情況、植物覆蓋情況，同時應該考慮植物對環境的適應能力，而植物根系分布情況對植物抗性、土壤滲透性、雨水凈化功能具有密切影響[21]。研究表明草本植物的莖葉具有降水截留作用，并且對最大雨水截留量與植被的株高、覆蓋度和生物量呈正相關關系[22]。因此，在相同的基質層配置情況下，地上植被生物量和覆蓋度大的生物滯留設施對雨水滯留能力高。北京小學通州分校和荔景園從植物地上部分生長狀況與景觀配置角度，其雨水滯留和洪峰削減能力更具優勢。植物對地表徑流的凈化效果，一部分是由植物地上部分以及表層根系的欄截作用，其次是由植物根系對營養物質的吸收能力決定的，其中，降雨期間生物滯留設施對雨水污染物的去除主要是通過土壤和植物根系的過濾、截留和吸附等作用。根據評價結果，紫荊園生物滯留設施中植物根系發達程度優于其他試點。

表5 生態功能指標綜合評價

4.2 景觀效益與經濟效益評價

通過定量計算和定性評價打分，得出各生物滯留設施景觀效益、經濟效益評價因子的得分(見表6)。植物配置評分最高的是Bobo自由城3個樣地，牡丹園的樣地植物季相景觀和景觀層次性評分最高，紫荊園植物配置、季相景觀和景觀層次性評分均最低。紫荊園、荔景園、牡丹園生物滯留設施建設成本、鄉土性兩項指標的評分，均高于Bobo自由城和北京小學通州分校。北京小學通州分校的養護需求最高，相反該指標的評分最低。

表6 植物景觀效益與經濟效益指標得分

4.3 植物群落景觀綜合評價

各生物滯留設施生態功能、景觀效益、經濟效益評價因子的得分和綜合評價結果見表7。牡丹園生物滯留設施植物景觀綜合評價得分最高，排名第一，其次為北京小學通州分校、Bobo自由城和荔景園，紫荊園綜合評價得分最低。從評價結果看，Ⅰ級生物滯留設施植物景觀5個，占評價樣方的33.3%；Ⅱ級植物景觀4個，占評價樣方的26.7%；Ⅲ級景觀5個，占評價樣方的33.3%；Ⅳ級景觀1個，占評價樣方的6.7%。北京市通州區海綿城市試點區生物滯留設施植物群落景觀總體處于較高水平。

牡丹園、北京小學通州分校、Bobo自由城的部分生物滯留設施調查樣地的植物群落景觀評價Ⅰ級，植物群落整體生長狀況極好，群落內的多年生草本搭配比例協調，群落結構穩定，植物季相配置豐富。自然演替的當地植物種類豐富，能與引進的植物種間競爭和諧，使植物景觀富有差異性和生態豐富性。適度的養護管理可以保持植物生態系統的物種多樣性和結構功能穩定，群落層次富有變化且植物種類間過渡自然，能很好的與周邊環境相協調[23]。

植物景觀評價Ⅰ級的牡丹園，從植物配置結構來看，包括株高大于1 m的蘆葦、千屈菜，也有株高小于10 cm的千根草(Euphorbiathymifolia)、酢漿草。根據植物季相特征，花期4—6月的鳶尾、馬藺等4種，花期7—10月的金雞菊、八寶景天、玉簪等5種。

北京小學通州分校、荔景園等生物滯留設施調查樣地中植物景觀評價為Ⅱ級，植物群落結構較為合理，植物整體生長狀況較好，植物種類較豐富，物種多樣性和季相色彩變化較為豐富，植物景觀功能與周邊環境相協調。

Bobo自由城、荔景園和紫荊園的部分生物滯留設施調查樣地的植物群落景觀評價為Ⅲ級，植物群落尚保持一定的生態穩定，但植物整體生長狀況一般，植物多樣性和植物搭配比例協調性相對較差，當地一年生植物狗尾草、牛筋草(Eleusineindica)等更新較多，景觀配置的植物在群落內部植物種間競爭中處于劣勢，生態系統的結構功能和生物多樣性不好，季節觀賞性一般。

表7 生物滯留設施植物景觀綜合評價得分

紫荊園的生物滯留設施有一處調查樣地植物景觀評價為Ⅳ級。植物生長狀況較差，植物配置不協調，植物多樣性較差，當地植物和引進植物種類均較少，且長勢不好，植物配置單一且季相景觀變化不明顯。

4.4 生物滯留設施植物群落景觀優化配置策略

生物滯留設施植物景觀配置在保障雨水管理和徑流污染控制的前提下，從提升植物群落生態適宜性和景觀功能角度進行優化配置[21]。隨著景觀設計引入新自然主義草本植物景觀概念，海綿城市景觀設計更加注重植物景觀生態美學，可持續、低維護的自然主義生態種植[24]。生物滯留設施種植主要是選取在可以適應場地原生境條件的同時，也能夠與系統中的各生物要素和非生物要素協同共生的植物品種，通過混植來展示植物的自然野趣的景觀視覺效果，強調群落多樣性的建立與表達[25]。針對我國海綿城市建設特征，植物景觀配置需要考慮本土植物和引入植物的生態功能。根據評價結果與分析，為5個示范工程中生物滯留設施植物群落景觀提供可參考的優化配置模式。

(1) 紫荊園。調查樣地草本植物種類為12種，其中，引入植物主要包括狼尾草、馬藺、千屈菜、萱草、玉簪等，植物演替生長的本土植物包括牛筋草、蘿藦(Metaplexisjaponica)等。在適當的人為養護條件下，人工種植引入植物仍處于主導地位，沒有過度的本土植物演替生長。在現有植物基礎上進一步優化植物群落配置，主要考慮植物的形態和層次，季相景觀的豐富程度，通過配置不同花期的植物，突出夏、秋兩季可觀賞性。生物滯留設施的草本植物，與綠地景觀中常綠與落葉樹種相結合，整體喬、灌、草搭配比例協調，植物栽植與地形很好的相結合，發揮涵養水分、保持水土的功能[22]。

(2) Bobo自由城。調查樣地草本植物種類為18種，引入植物種類豐富，包括鼠尾草、天人菊、黑心金光菊、松果菊、萱草、八寶景天等，植物花期長，可做到三季有花可賞，植物種類搭配合理。本土植物有狗尾草、牛筋草、莧菜、千根草等演替生長，種間競爭和諧，引入植物生長狀況良好，提高物種多樣性。

(3) 北京小學通州分校。植物配置豐富，草本植物19種，根據地形變化搭配不同植物，草本植物群落種植比例適宜，以假龍頭花、費菜、玉簪、鳶尾等引入植物為主，季相變化明顯，植物配置層次過渡自然。

(4) 荔景園。草本植物群落物種為14種，豐富程度相對較低，本土植物狗尾草、諸葛菜(Orychophragmusviolaceus)、牛筋草、委陵菜(Potentillachinensis)等生長旺盛，對引入植物生長具有較強競爭作用，為優化群落內部植物物種協調，可增加種植鳶尾、八寶景天、菊花、萱草等植物，增加不同季節景觀植物多樣性。

(5) 牡丹園。調查區域植物物種豐富，調查范圍內草本植物20種，錯落有致，草本植物群落更好的體現新自然主義景觀。引入植物生長狀況良好，與本土植物間競爭和諧。草本植物配置構圖協調，具有較高觀賞價值。

5 討論與結論

植物景觀是綠色雨水基礎設施中具有生命力的要素，具有多樣性變化及動態變化的特征。植物群落是生物滯留設施中重要的構成單位，不同的物種組成、生長特性、配置形式對生物滯留設施的生態效益和景觀價值具有重要影響。通過建立生物滯留設施植物群落景觀評價體系，通過定量和定向的指標分析、驗證試點區生物滯留設施的建設應用現況具有指導及反饋的意義。從結果分析得到以下結論：

(1) 總結關于通州區海綿城市試點區生物滯留設施植物群落景觀總體處于較高水平，Ⅰ級生物滯留設施植物景觀5個，占評價樣方的33.3%；Ⅱ級植物景觀4個，占評價樣方的26.7%；Ⅲ級景觀5個，占評價樣方的33.3%；Ⅳ級景觀1個，占評價樣方的6.7%。從多樣性指數分析可知，Simpson指數反映物種集中程度，本研究5個試點指數值差異較小。Shannon-Wiener可反映稀有種的多樣性指數，在bobo自由城調查樣地的指數數值顯著高于其他試點樣地。Pielou指數與Simpson指數有很高一致性，各海綿城市試點植物均勻度較一致。各試點調查樣地草本植物豐富度相似，植物物種集中性較一致。

(2) 15個樣地共有常用草本植物達到20種，植物配置多考慮耐濕耐淹、雨水凈化、季相變化等生態和景觀功能；其中實際應用中評價效果較好、適宜性高的植物包括玉簪、千屈菜、八寶景天和狼尾草等，季相景觀出現頻率較高的植物包括鳶尾、八寶景天、荷蘭菊等。研究結果與馮夢珂[21]關于北京市生物滯留設施植物景觀研究結論一致。

(3) 通過調查與評價結果與分析，提出5個示范項目生物滯留設施植物景觀優化配置：注重低影響開發設施與植物配置功能的匹配、重視鄉土植物開發與利用構建植物群落、考慮植物的層次和形態，增加不同季節植物景觀的多樣性等。

在后續生物滯留設施植物配置中，應科學地進行規劃，加強本土植物和引入植物演替特征研究及篩選。加強生物滯留設施的跟蹤和調查，進一步研究分析植物對基質結構特征、污染物凈化的響應關系，在保證植物多樣性豐富的同時，營造物種穩定、功能健全的生態系統，實現生物滯留設施的健康運行，及時的總結和評價通州海綿城市試點區的經驗對北京地區生物滯留設施植物群落景觀建設提供實踐參考依據。