王晶懋 劉暉 吳小輝 宋菲菲

自然界所擁有的生態(tài)系統(tǒng)，同樣也存在于城市建成環(huán)境的小尺度空間之中，并且受人類活動的影響最為直接。動植物群落和生境共同構成了生態(tài)系統(tǒng)，日照、空氣溫濕度、風以及土壤濕度等生境因子與場地設計要素關系密切，因此城市小尺度空間環(huán)境的生態(tài)系統(tǒng)是能夠被設計營建的[1]。Herbert A. Simon在《人工智能》（TheSciences of the Artificial）一書中根據(jù)場地尺度和比例的不同，將小型游園空間界定為小尺度城市景觀[2]。城市小場地尺度綠地與城市居民的日常生活聯(lián)系更為緊密，數(shù)量多且分布廣泛，在城市中能夠發(fā)揮重要的生態(tài)價值，能有效調(diào)節(jié)城市區(qū)域的溫室效應，改善局部小氣候狀況。筆者以西安建筑科技大學南門花園建設為研究對象，在按照小氣候因子劃分場地生境分區(qū)的基礎上，探討如何基于場地小氣候特征進行城市小尺度綠地內(nèi)植物群落的設計，力求最大限度地發(fā)揮植物群落的生態(tài)效益。

1 城市風景園林小氣候與場地生境營造的關系

1.1 多學科背景下的城市風景園林小氣候研究

城市小氣候是在人為的特殊下墊面的影響下所形成的。城市小氣候特征主要是由下墊面類型、地形變化、植被狀況、建筑布局等因素決定的[3]。目前，風景園林小氣候的研究大多是農(nóng)業(yè)小氣候和森林小氣候研究內(nèi)容與方法的移植，屬于觀測、量化研究，成果多傾向于大尺度空間城市綠地的小氣候特征，生態(tài)效益分析以及人體舒適度指標比較[4-6]。各類小氣候研究的落腳點均是溫度、濕度、降水、光照以及風向、風速等氣象要素，而城市風景園林小氣候與場地生境條件聯(lián)系較為緊密，同時場地生境類型也受日照、降水、風環(huán)境等氣象因子影響。

城市風景園林小氣候受地形豎向設計、鋪裝選擇、建筑物與構筑物布局等人工干預措施的影響，這種對場地環(huán)境進行人工干預或營建的方式是“生境營造”。因此，城市人居環(huán)境的改善可以通過運用多學科交叉方法，結合風景園林學、氣象學、生態(tài)學和工程技術等學科專業(yè)知識，充分考慮與利用植物生長所需的水、光、熱、養(yǎng)分等生境因子，制定基于小氣候適應性的不同生境類型下植物群落設計策略與目標，從而形成人工干預下的植物群落棲息地（圖1）。

1 通過場地生境營造指導植物群落設計Guiding the design of plant community through site habitat construction

1.2 結合場地生境營造進行植物群落構建

生境類型劃分是通過生境因子構成研究確立基本的生境單元，從場地設計出發(fā)劃分不同類型的生境單元，建立不同生境類型的基本設計方法，最終實現(xiàn)通過人工營建的方式來改善適宜生物群落自然演替生境條件[7]。應對“有形”的實體空間設計，生境單元可以作為場地植物種植設計的“有形”單元，通過對生境單元內(nèi)的小氣候環(huán)境及其規(guī)律研究，確立不同生境單元中的植物群落結構。

在場地生境營造的基礎上進行植物群落構建，有利于從場地設計出發(fā)，結合場地空間形態(tài)結構、立地條件、原生植被等構建不同生境類型下的小氣候空間單元，最終以場地的小氣候特征為參照進行植物群落設計，為植物演替提供適宜的場地環(huán)境條件，從而提高城市綠地斑塊的生物多樣性。

2 研究方法

2.1 現(xiàn)場實驗觀測

以位于西安建筑科技大學雁塔校區(qū)的南門花園為研究對象，其占地面積為841m2，地理坐標為N 34°23'55"，E 108°96'77"。為了獲取場地日照條件和風環(huán)境的基礎數(shù)據(jù)，采用美國產(chǎn)自動氣象站Onset HOBO進行觀測，分別布置在場地內(nèi)3個典型測點處，每5 min自動記錄1次氣象數(shù)據(jù)。另外，于南門花園中共設22個監(jiān)測點，采用浙江托普TZS-2X多參數(shù)土壤水分測定儀測定各測點的土壤含水率，為場地土壤水分條件提供基礎數(shù)據(jù)。

2.2 計算機模擬分析

在場地小氣候條件實測的基礎上，確定不同生態(tài)因子主導的場地生境分區(qū)理論參數(shù)，借助AutoCAD軟件平臺，以C++編程語言形成插入工具箱，模擬生境因子影響下的生境分區(qū)。該生境分區(qū)軟件（SHZ）是以三維數(shù)字技術為基礎，集成了生境營造實驗性研究的理論數(shù)據(jù)模型，是對小尺度場地綠地空間中差異的生境條件的數(shù)字化圖示表達[8]。

3 基于小氣候因子的場地生境類型劃分

3.1 場地氣候特征

所研究場地處于暖溫帶半濕潤大陸性季風區(qū)，氣候特征為冬季寒冷，風小，少雨雪；夏季炎熱多雨，伏旱突出，多雷雨大風；春秋較短，夏冬較長。年平均氣溫13.0℃～13.7℃，年降水量522.4～719.5 mm，7—9月為降水集中月份。年日照時數(shù)1 646.1～2 114.9 h。年平均風速為1.3～2.6 m/s，春季風速較大，秋季風速較小，全年盛行風向以東北風為主。

3.2 場地生境因子分析

本研究將群落生態(tài)學中的生態(tài)因子理論引入場地生境分析中，場地中的生境因子包括：日照條件、建筑排水、地表匯水、土壤、大氣環(huán)境等，它們互相影響并共同決定了場地的生境類型。日照是生境分區(qū)的重要影響因子，土壤水分條件及理化性質(zhì)直接決定了植物的狀況，另外，受場地建筑物布局的影響，場地風環(huán)境也間接影響著空氣的溫濕度和植物蒸騰效應等，從而影響場地的小氣候狀況。這些生境因子綜合影響了場地生境類型，但是這些生境因子中，一般只有2～3種因子對場地環(huán)境的影響較大。通過現(xiàn)場實測與分析，可以確定日照條件、土壤水分條件和風環(huán)境是決定該場地生境類型劃分的主要影響因子。但是，西安市大風日出現(xiàn)的頻率較小，并且持續(xù)時間短，城區(qū)風速仍然屬于微風范圍，對植物生長的影響較小。在綜合分析各生態(tài)因子對其他因子影響的基礎上，考慮在場地設計中某些生態(tài)因子是否可被人工干預，最終認定日照因子和水因子是主導因子，對于劃分場地生境類型和確定植物群落設計策略起著主導作用。

2 南門花園日照因子生境分區(qū)The zoning of sunshine factor habitat in South-gate garden

3 南門花園土壤干濕狀況The dry and wet condition of soil in South-gate garden

3.3 場地日照因子生境分區(qū)

在城市建成環(huán)境中，場地的構筑物和植物對該區(qū)域日照條件有很大的影響，太陽方位角在一天中的變化會直接影響場地陰影的分布，并且直接影響植被的日照條件，由無遮擋區(qū)域的陽生條件轉變?yōu)殛幧鷹l件。除晝夜外，隨著季節(jié)的替換，日照條件也會隨之變化。任何一個地區(qū)的一天內(nèi)，上午和下午太陽的位置對稱于正午，上午偏東，方位角為負值；下午偏西，方位角為正值。根據(jù)南門花園的實測結果，采用Hardiman L.和David Berle的分類方法，將場地生境初步分為全陽生（6～8 h）、半陽生（4～6 h，不包含6 h）、常陰生（0～4 h，不包含4 h）[9]。日照的影響因素為建筑物和喬木，因此將半陽生分為植物半陽生、東照半陽生和西照半陽生（圖2）。

3.4 場地水因子生境分區(qū)

根據(jù)南門花園地面不同的集水方式，場地的水源主要包括降水收集、人工補水、設備排水3類。

1）降水收集—建筑屋頂與低洼地的收集水。

場地水分來源主要是自然降水，降雨或降雪易在場地內(nèi)的低洼地形成匯水區(qū)，尤其是夏季降雨多時，集水效果更為明顯。周邊的建筑屋頂所承接的降水可以通過落水管補給場地用水。

2）人工補水—灌溉設施。

場地內(nèi)設置若干灌溉設施，在降水量較少的時期進行人工補水，并可以在人工水渠的導引下排入場地的低洼區(qū)域。

3）設備排水—空調(diào)滴水。

設備排水主要是指建筑外墻的空調(diào)外掛機所產(chǎn)生的冷凝水，鑒于西北半干濕地區(qū)的氣候特征，空調(diào)在夏季使用更為頻繁，滴水也常見于夏季。

按照土壤含水率的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以25%的土壤含水率（W）為分界線，將場地劃分為濕地和旱地兩大類。其中濕地生境類型包括積水濕區(qū)：降雨后形成明顯積水的區(qū)域；蔭蔽濕區(qū)：遮蔽物（植物、構筑物）附近土壤W≥25%的區(qū)域；覆蓋濕區(qū)：覆蓋物（礫石、草本）附近土壤W≥25%的區(qū)域；徑流濕區(qū)：徑流過程后土壤W≥25%的區(qū)域。旱地生境類型包括蔭蔽干區(qū)：遮蔽物（植物、構筑物）附近土壤W＜25%的區(qū)域；光照干區(qū)：受光后土壤W＜25%的區(qū)域（圖3）。

將6—9月視為雨季，其余月份視為旱季。再結合場地內(nèi)坡向、徑流、匯水、遮蔽物及覆蓋物的影響，將土壤干濕狀況劃分為旱季、雨季水因子生境分區(qū)。南門花園旱季水因子生境分區(qū)包括旱地、人工補水濕地、設備排水濕地（圖4），旱季水因子生境分區(qū)包括旱地、樹下旱地、人工補水濕地、設備排水濕地、建筑落水濕地、洼地匯水濕地（圖5）。

3.5 場地風因子生境分區(qū)

在自動氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎上，采用Phoenics軟件對南門花園的風環(huán)境進行分析。西安城市春季室外平均溫度為14.81℃、平均氣壓為101.52 kPa、平均風速為2.14 m/s、主導風向為東北風，由于西安市春季主導風向的平均風速較大，故以春季為例對南門花園的風環(huán)境狀況進行模擬。計算機軟件的分析圖顯示場地在受周邊建筑影響下的平均風速較小，主要分為無風區(qū)和適風區(qū)2個分區(qū)（圖6）。另外，通過軟件模擬顯示南門花園靠近建筑拐角處的風速相對大一些，稱之為建筑邊角風。

3.6 場地生境類型劃分

基于3種場地生境因子的觀測研究，生境類型劃分表現(xiàn)在日照時長和土壤含水率2個方面的參數(shù)變化對植物群落棲息演替的影響，經(jīng)過計算機分析模擬與實驗觀測，采用參數(shù)化數(shù)字模擬和實驗觀測相結合的方法[7]，能夠驗證南門花園存在9種典型的生境類型（圖7），即：建筑東照半陽生旱地、建筑西照半陽生旱地、建筑西照半陽生濕地；植物半陽生旱地、植物半陽生濕地；建筑陰生旱地、建筑陰生濕地；植物陰生旱地、植物陰生濕地。

4 草本植物群落設計策略

4.1 針對場地小氣候因子的草本植物群落設計要求

場地小氣候因子包括日照、降水、氣溫、風等，因此從小氣候因子入手分析南門花園的適應性植物種植設計。結合小氣候因子的特殊性與差異性，草本植物群落的種植設計應具有以下要求：1）日照：有效利用太陽輻射，根據(jù)日照時長，選擇適宜的陽生、陰生草本植物；2）氣溫：注重調(diào)節(jié)場地溫濕度效應，采取合理的植物配置方式影響熱量循環(huán)過程；3）降水：依據(jù)降水對場地土壤干濕狀況的影響，選擇適宜的旱生、濕生草本植物；4）風：結合場地風環(huán)境狀況，在進行植物種植設計時盡量避免在形成建筑邊角風的地方栽種植物。

4 南門花園旱季水因子生境分區(qū)The zoning of water factor of dry season in South-gate Garden

5 南門花園雨季水因子生境分區(qū)The zoning of water factor of rainy season in South-gate Garden

6 春季南門花園實驗基地風因子分區(qū)The zoning of wind factor of spring in Southgate Garden

7 南門花園生境類型劃分The zoning of habitat type in South-gate Garden

4.2 設計策略與目標

場地的植物群落設計基于小氣候適應性設計原則，根據(jù)植物的生活習性和場地基址條件，設計相應的植物配置模式，形成形態(tài)各異、特色鮮明的植物景觀，在體現(xiàn)生態(tài)性設計的同時，滿足人們觀賞游憩的需求[10]。

植物群落設計主要考慮日照、氣溫、降水、風4個方面對植物生長的影響。根據(jù)場地的生境類型劃分，針對不同生境分區(qū)的小氣候特征，以及建筑物和喬木對小氣候的影響，以“結構層—季節(jié)主題層—地被層”為群落組構模式提出了相應的草本地被植物群落設計策略與目標；結合不同生境區(qū)域小氣候特征，配合不同的地表覆蓋物類型，為群落生態(tài)設計提供適宜途徑（表1）。

4.3 草本植物群落模式構建

草本植物群落模式構建以人工植物群落設計為基準，不僅要考慮到植物群落的生態(tài)功能，而且要考慮其美學功能[11]。首先，植物群落生態(tài)功能是通過參照西北地區(qū)成熟自然草本植物群落的結構而發(fā)揮的，其垂直結構一般為2～3層，物種數(shù)為3～6種，存在互利共生的穩(wěn)定種間關系。其次，植物群落的美學功能主要由群落的外貌及季相變化特征體現(xiàn)，它隨著節(jié)氣的更迭而呈現(xiàn)不同的面貌，因此在進行植物群落構建時要注重植物的株型、葉色、花色及光影的變化[12]。

植物群落模式構建需要建立在適應場地小氣候條件的基礎上，按照穩(wěn)定性、多樣性、美觀性的構建原則，以冬季“枯而不倒”的草本植物群落形態(tài)為主要建群種（圖8），形成以“地被層—季節(jié)主題層—結構層”為主體的草本植物群落分層組構模式（圖9）。這種植物群落構建模式在增加場地物種多樣性與植物群落美觀度的同時，能夠形成一種新的種間關系平衡狀態(tài)，并且能夠在一定程度上改良土壤水分、物理性質(zhì)和微生物狀態(tài)。另外，這種草本植物群落模式的構建也減少了除草和澆水帶來的人力與物力消耗，從而降低管理維護的成本[13]。

5 結語

本研究嘗試在場地生境分區(qū)和小氣候特征的基礎上，通過緊密結合自然過程、生境特征和人類行為構建草本植物群落模式，營造出結構穩(wěn)定、功能突出、養(yǎng)護成本低、景觀價值高的植物景觀，不斷積累符合場地小氣候特征的草本植物群落設計策略，使城市小尺度綠地在有效實現(xiàn)美化環(huán)境功能的同時，調(diào)節(jié)場地小氣候，合理利用雨洪資源，形成一種新型的景觀設計模式，為可持續(xù)生態(tài)設計方法和生境營造的發(fā)展開辟新的突破點。

表1 基于小氣候適應性的不同生境類型草本植物群落設計策略與目標Tab. 1 Herbaceous plant community design strategies and objectives for different habitat types based on microclimatic adaptability

8 冬季“枯而不倒”的草本植物群落形態(tài)The herbaceous plant community form of “dry but not fallen” in winter

9 草本植物群落分層組構模式The stratified fabric model of the herbaceous plant community

注釋：

圖1、6由王晶懋繪制；圖2～5、7由吳小輝繪制；圖8由李倉拴拍攝；圖9由王晶懋拍攝；表1由王晶懋繪制。