劉 暉 李倉拴 王晶懋

人工環(huán)境規(guī)劃建設(shè)如何遵循自然規(guī)律，從最小擾動到恢復(fù)原有自然秩序，模擬營造近自然生態(tài)系統(tǒng)，以達(dá)到人與自然的和諧，需要辨析、轉(zhuǎn)化和運用生態(tài)學(xué)等自然科學(xué)中的可實踐知識，有效介入研究與設(shè)計實踐中，并產(chǎn)生生態(tài)效益。生境與植物群落景觀建構(gòu)，以營造具有和諧內(nèi)在關(guān)系的人工植物群落為目標(biāo)，使生境與群落得以在人工環(huán)境中應(yīng)用，達(dá)到一定生態(tài)周期中的最少維護與自組織演替，是城市綠地建設(shè)低影響開發(fā)的研究與實踐方向之一，本課題包含3個體系方面的研究。

邏輯研究：運用群落生態(tài)學(xué)中探究群落與生境相互關(guān)系為核心的知識體系，結(jié)合場地設(shè)計原理，建立建成環(huán)境生境類型與植物群落組構(gòu)的相關(guān)性和互適性的邏輯關(guān)系，構(gòu)建“多學(xué)科背景下建成環(huán)境生境與植物群落組構(gòu)的基礎(chǔ)理論邏輯論證體系”。

實驗性設(shè)計：針對影響場地生境主導(dǎo)因子日照和水文的生境類型劃分，面對地被植物群落演替的不確定性和設(shè)計的抗解性問題，探索“實驗性研究的因果變量與設(shè)計要素之間的關(guān)聯(lián)性實證體系”。

數(shù)字化景觀與技術(shù)：景觀規(guī)劃設(shè)計的科學(xué)屬性，是基于定量研究及數(shù)字化技術(shù)介入，是有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析與方案構(gòu)思的科學(xué)化技術(shù)途徑。需要不斷構(gòu)建“多維數(shù)字技術(shù)科學(xué)化認(rèn)知與應(yīng)用”的工具箱體系。

這三者構(gòu)成互相關(guān)聯(lián)的整體。課題組多年來基于生境營造理論方法研究，依托西北地區(qū)自然環(huán)境與社會發(fā)展特點，以實驗性設(shè)計研究作為路徑，通過數(shù)字化思維與技術(shù)的介入，聚焦干旱半干旱區(qū)城市建成環(huán)境場地生境類型劃分及生境營造問題，并通過海綿城市建設(shè)各類實踐項目的設(shè)計與實施及相關(guān)項目評價，探索低影響開發(fā)的科學(xué)化實踐路徑。

圖1 設(shè)計營造與生態(tài)知識2種研究范式之間的關(guān)系

圖2 南門花園光照及水文生境影響因子分析及生境類型分區(qū)

1 建成環(huán)境生境類型與植物群落的關(guān)系

1.1 設(shè)計營建類學(xué)科與生態(tài)學(xué)之間2種思維范式的轉(zhuǎn)換

將群落生態(tài)學(xué)知識轉(zhuǎn)化為植物群落組構(gòu)設(shè)計方法，需要研究范式的轉(zhuǎn)換。設(shè)計營建作為應(yīng)用型學(xué)科，與生態(tài)學(xué)等自然類學(xué)科有著不同的科學(xué)命題，其研究方法和思維方式存在較大的差異[1]。設(shè)計營造類學(xué)科以人的需求為核心，面向愿景和未來，并通過設(shè)計要素布局和工程技術(shù)手段創(chuàng)造物質(zhì)空間形態(tài)。生態(tài)學(xué)是研究生物與其棲息地之間關(guān)系的學(xué)科，主要通過揭示客觀現(xiàn)象及其內(nèi)在動因，探究規(guī)律，通過觀測、調(diào)查和分析研究來積累知識。長期的設(shè)計實踐中，生態(tài)學(xué)知識難以直接應(yīng)用到風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計，實踐知識缺口的背后是學(xué)科范式之間的鴻溝，建立互補和轉(zhuǎn)換關(guān)系是關(guān)鍵[2]。例如將群落生態(tài)學(xué)原理轉(zhuǎn)換為生態(tài)設(shè)計原理，關(guān)鍵是生境與場地之間、自然植物群落構(gòu)成與人工引導(dǎo)的植物組構(gòu)之間的關(guān)鍵主導(dǎo)因子的互補和轉(zhuǎn)換(圖1)。

1.2 建成環(huán)境生境特征

城市建成環(huán)境的生境條件與自然環(huán)境不盡相同，如何形成適宜的植物群落，需要科學(xué)地認(rèn)知城市生境在尺度、類型與空間格局上的特征。城市生境存在于建成環(huán)境中綠地尺度之中，場地的生境類型劃分，需要確定其異質(zhì)性特征的主要影響因子作為依據(jù)，其中包含環(huán)境影響因子和場地設(shè)計因子。

在諸多的生境因子中，主導(dǎo)生境因子對地被植物群落組構(gòu)起著決定性作用。建成環(huán)境的建構(gòu)筑物和喬木分布使得場地的光照條件呈高度異質(zhì)性，可根據(jù)場地周邊建筑和喬木分布情況和場地的緯度條件計算得出[3]。光照條件場地中水分分布的差異主要受到豎向關(guān)系和土壤物理性能的影響，豎向影響匯水分區(qū)，下墊面影響徑流特征。豎向和地形的人工塑造導(dǎo)致了場地中均勻降水后的再分配，土壤決定著存水時間，最終在場地不同區(qū)域形成了明顯的干濕分區(qū)。

課題組對場地生境條件的劃分以日照因子為主要劃分和限定依據(jù)，水因子為次要劃分依據(jù)。根據(jù)研究，城市建成環(huán)境日照生境可劃分成為6種基本類型，即陽生、建筑西照半陽生、建筑東照半陽生、植物半陽生、建筑陰生、植物陰生；水文生境可劃分為2種基本類型，即旱地和濕地[4]。如圖2所示是對南門花園生境營造實驗基地的光照和水文條件分析所形成的生境類型分區(qū)。

1.3 地被植物群落組構(gòu)

建成環(huán)境生境營造與植物群落設(shè)計，是建立在設(shè)計與生態(tài)學(xué)在研究對象的相關(guān)性上，即場地與生境。同時，群落生態(tài)學(xué)普遍認(rèn)為“相同的生境條件具有相似的群落”，這使得植物群落景觀建構(gòu)研究具有可行性。

群落指位于同一地段的多個物種種群的群聚[5]。植物群落往往是生物群落的一個特定組成部分。根據(jù)相關(guān)概念及人工建構(gòu)的需求，建成環(huán)境人工干預(yù)下的植物群落，是指具有穩(wěn)定的物種組成、功能結(jié)構(gòu)和外部特征，并且可以在較長時間內(nèi)保持相對穩(wěn)定的植物群聚①。地被植物群落可以被視為是其整體植物群落中的地被層片②，基于此，課題組研究對象界定在西北城市建成環(huán)境場地尺度下的地被植物群落。

地被植物群落的結(jié)構(gòu)是其生態(tài)功能的支撐?？臻g結(jié)構(gòu)是資源分配方式、競爭關(guān)系、繁殖策略以及對環(huán)境適應(yīng)模式的表征，空間結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心是物種在空間組構(gòu)模式，其內(nèi)容包括組成群落的植物種類、群落物種的比例和數(shù)量、組成物種之間的關(guān)系、種源及其建植方式。時間結(jié)構(gòu)是群落隨時間的演替過程，而群落的演替過程存在不確定性[6-7]，設(shè)計的核心在于如何在最短時間內(nèi)使群落趨向相對穩(wěn)定的自組織狀態(tài)，能夠自我完善并彈性適應(yīng)人為干擾和外部環(huán)境變化。基于此，城市環(huán)境中地被植物群落的營建過程應(yīng)包括植物定植階段、發(fā)展控制階段和穩(wěn)定維持階段。

2 實驗研究因果變量與設(shè)計要素的關(guān)聯(lián)性實證研究

2.1 植物群落的復(fù)雜性與不確定性問題

生態(tài)設(shè)計實踐在復(fù)雜性中尋求確定性，而實驗性研究是實現(xiàn)這一目的的重要途徑。對于地被植物群落設(shè)計的抗解性而言，順應(yīng)自然力演替是最佳解決途徑。成功的地被植物群落組構(gòu)模式，是在自然力演替中經(jīng)過植物群落組構(gòu)與場地生境條件之間互適性的實驗實證而篩選出來的。同時，近自然植物群落的色彩、質(zhì)感、季相和生物多樣性，能否被公眾感知、理解和接受，是實踐應(yīng)用的又一挑戰(zhàn)。因此，針對公眾審美社會偏好的植物群落形態(tài)及其與環(huán)境協(xié)調(diào)性的設(shè)計方法，以及城市生物多樣性展示與闡釋的標(biāo)識系統(tǒng)設(shè)計，亦十分重要(圖3)。

地被植物群落基本實驗樣方的確定，是實驗研究展開的基礎(chǔ)。群落生態(tài)學(xué)領(lǐng)域常用種-面積曲線來確定群落的“最小面積”(minimal area)[8]，地被植物調(diào)查與研究中常用1m×1m作為最小面積和基本尺度[9-10]，即在該尺度下總能包含一個完整的地被群落單位。實驗的基本尺度需保證地被群落的完整性，還要便于在實踐中重復(fù)與組合，因此本研究選擇1m×1m作為樣方的基本形態(tài)。

2.2 2種地被植物群落組構(gòu)模式：“人工組構(gòu)”與“自生組構(gòu)”

目前國際上以“自然參與”為途徑的設(shè)計研究與實踐存在不同的植物群落設(shè)計模式，其共同特征是讓設(shè)計的群落能夠發(fā)生自然演替，以趨近穩(wěn)態(tài)。課題組針對我國綠化建設(shè)的實踐需要，確定2種模式作為實驗對象，即“人工地被植物群落組構(gòu)”和“自生地被植物群落組構(gòu)”。

人工地被植物群落組構(gòu)實驗設(shè)置于陽生和陰生2個實驗基地中。陽生生境實驗基地設(shè)置光照、土壤和覆蓋物3種生境變量，共產(chǎn)生44個實驗樣方。為了保證實驗性景觀的整體性，對實驗場地中樣方以外的部分進(jìn)行補充設(shè)計(圖4)。陰生生境采用相似的實驗方法，劃分為3種生境類型，設(shè)置22個實驗樣方。自生地被植物群落組構(gòu)位于陽生生境實驗基地，共劃分為2種生境類型，設(shè)置31個不同的實驗樣方(圖4)[11]。

通過近3年的實驗觀測和統(tǒng)計分析等研究，2種地被植物群落組構(gòu)模式在生態(tài)功能、美感度和維護管理方式上各有不同。人工地被植物群落組構(gòu)適合以視覺景觀為主要考慮、人工干預(yù)比較多的環(huán)境，該模式設(shè)計與實施關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)層、地被層、季節(jié)層的分層式人工干預(yù)方式。在西北半干旱地區(qū)，地被層未形成時可以用人工覆蓋物保持土壤水分，季節(jié)主題層起著豐富群落景觀效果作用，結(jié)構(gòu)層是點綴性的視覺焦點。自生植物群落組構(gòu)模式通過人工干預(yù)措施，分期向城市自生群落中植入適宜的植物種類，增加植物群落的美感度和生物多樣性。由于群落中存在部分自生植物，該模式的視覺效果更富自然野趣，適宜以生態(tài)功能為首要考慮、人工干預(yù)比較少的環(huán)境。

2.3 地被植物群落景觀建構(gòu)的社會偏好

地被植物群落感知與社會偏好研究的目的在于反饋地被植物群落的設(shè)計方法與應(yīng)用途徑。根據(jù)活動在場地發(fā)生的頻率，將其分為高頻行為、中頻行為與偶發(fā)性行為。2個花園場地中分別安裝了3個攝像頭對不同場景進(jìn)行連續(xù)性的拍攝記錄。在2017年8月—2018年7月這12個月份中，讀取視頻每天進(jìn)入場地的人數(shù)，分析人與地被植物的互動頻率以及人在場地中的行為規(guī)律。

圖3 生境營造實驗性設(shè)計的研究框架

圖4 南門花園實驗基地2種地被植物群落組構(gòu)實驗樣方分布

分析結(jié)果表明，一年中不同月份，人們在園內(nèi)駐足停留時間長短會因區(qū)域而有所不同，其原因是受到植物生長特性中易被感知特征的影響。開花是最重要的被感知特征，但與花的形態(tài)和顏色無明顯關(guān)系。此外，色彩和質(zhì)感鮮明的銹蝕鋼板及礫石覆蓋物也是被感知的主要因素。在夏季，植物的質(zhì)感與生長勢成為被感知重要因素；進(jìn)入秋冬季節(jié)，大部分植物開始枯萎，開花植物依舊會成為整個場地中的焦點，常綠植物和枯而不倒的植物也會引來游人的長時間駐足觀看。另外，調(diào)查結(jié)果表明，有效的標(biāo)識系統(tǒng)對人的行為影響和植物群落的接受度起到重要的促進(jìn)作用。

3 數(shù)字化監(jiān)測、分析與設(shè)計

建成環(huán)境生境及其群落景觀建構(gòu)的復(fù)雜性、不確定性，可以通過數(shù)字化技術(shù)加以更有效地“破解”。無論是在實驗性研究過程，還是設(shè)計實踐應(yīng)用，都需要基于數(shù)字化的量化思維邏輯和數(shù)字技術(shù)的支持。目前，本課題主要開展了基于生境營造的數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。

3.1 生境營造實驗研究的數(shù)字技術(shù)應(yīng)用

1)場地生境影響因子信息采集與處理。

場地尺度內(nèi)部的觀測和測量主要以各類定點傳感器監(jiān)測、圖像采集設(shè)備及數(shù)據(jù)采集為主，該部分研究是對生境類型及其影響因子，包括光照時長、土壤含水率與徑流匯水、小氣候的時空分布，以及植物群落形態(tài)的相關(guān)性和互適性的驗證[12](表1)。

2)運用ArcGIS數(shù)據(jù)采集對場地生境空間格局的分析。

研究通過ArcGIS來構(gòu)建具有時間和空間屬性的數(shù)據(jù)庫，用該軟件配合其他相關(guān)軟件對獲取的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，能夠更直觀、更便捷地總結(jié)出不同街區(qū)類型中綠地的組合模式。如圖5所示，通過ENVI、eCognition等和GIS結(jié)合來對西安城市綠地信息進(jìn)行處理和分析。其次，利用GIS對物理環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化模擬，以實現(xiàn)對場地環(huán)境的預(yù)判等。

圖5 eCognition結(jié)合GIS軟件對西安城市綠地信息的提取

圖6 “場地生境分區(qū)軟件(SHZ)”界面

針對某一場地進(jìn)行生境影響研究時，通過場地信息采集-場地信息處理-場地信息分析的步驟，采用多個儀器設(shè)備或軟件平臺與GIS合作來完成(表2)。

3)地被植物群落實驗數(shù)據(jù)平臺建構(gòu)。

數(shù)據(jù)平臺的建立基于多年的觀測記錄，包含植物群落組構(gòu)及230余種植物的基本信息數(shù)據(jù)庫。目前完成南門花園和東樓花園2個實驗基地中2種地被植物群落組構(gòu)模式的基本信息，包括多度、高度、蓋度、層高度、層蓋度、物種數(shù)、個體特征、物種組成、平面圖、美觀度、接受度、建植成本、管理維護成本和社會偏好等。通過大數(shù)量和長周期的地被群落及植物個體數(shù)據(jù)，搭建地被植物群落實驗數(shù)據(jù)平臺，作為地被植物群落設(shè)計的數(shù)據(jù)統(tǒng)計來源與素材庫。

表1 主要傳感器設(shè)備的定點測試內(nèi)容、方式及數(shù)據(jù)處理一覽

3.2 數(shù)字技術(shù)輔助下的生境設(shè)計

1)基于軟件編程的場地生境分區(qū)。

低影響開發(fā)形成的新的水文生態(tài)系統(tǒng)與水生境條件。根據(jù)西安地區(qū)降雨量，利用SWWM軟件的分析，計算豎向地形影響下的場地地表徑流、匯水分區(qū)與濕地時空分布特征。場地光照生境分區(qū)依據(jù)不同生境影響因子的理論參數(shù)，通過實驗觀測，驗證并界定影響因子參數(shù)，借助AutoCAD計算機設(shè)計軟件平臺，以C++編程語言形成插入的工具箱，模擬生境因子影響下的生境分區(qū)，依托實驗基地開展“相關(guān)研究理論參數(shù)分析-初步觀測驗證-計算機參數(shù)化模擬-連續(xù)性觀測驗證”的研究工作，促進(jìn)場地生境分區(qū)軟件(SHZ)研發(fā)[13-14](圖6)。

2)數(shù)字技術(shù)輔助地被植物群落景觀設(shè)計與模擬。

本研究識別場地生境的異質(zhì)性、規(guī)律性和相似性，在相似的生境類型中匹配相似的植物群落，解決了復(fù)雜性和抗解性的問題。地被植物群落組構(gòu)模式可選用平面設(shè)計定性策略以確定平面布局，采取結(jié)構(gòu)層+季節(jié)主題層+地被層的立面設(shè)計方式。自生地被植物組構(gòu)模式以場地自生群落的問題分析為基礎(chǔ)，結(jié)合平面設(shè)計定量與定性策略，采取限制設(shè)計層+美學(xué)特征改良層+生態(tài)功能改良層的立面設(shè)計方式[15]。2種模式分別采取物種搭配、物種選擇、地面覆蓋物選擇的方法，設(shè)置物種數(shù)、物種比例和種植密度的定量設(shè)計參數(shù)并確定設(shè)計方案。本研究提出的2種模式的設(shè)計方法包括定性的設(shè)計方法與定量參數(shù)，均可通過計算機繪圖與表達(dá)介入施工圖設(shè)計中，便于落實到實踐程序中。

4 設(shè)計流程與應(yīng)用

4.1 地被植物群落組構(gòu)模式的應(yīng)用

圖7 “人工地被植物生境島”在白馬河公園中

表2 通過GIS場地生境影響因子信息提取和分析步驟

目前課題組展開3種類型的實踐應(yīng)用。第一類是灃西新城海綿城市建設(shè)中生物滯留設(shè)施地被植物群落設(shè)計應(yīng)用，主要針對道路抗污染性功能植物群落設(shè)計及建筑環(huán)境景觀為主的植被群落設(shè)計，完成一系列實踐項目，主要問題是政府和公眾的接受度，以及建植管理人員的專業(yè)性。根據(jù)整體的調(diào)研和實踐工作，編制完成《西咸新區(qū)海綿城市生物滯留設(shè)施地被植物種植設(shè)計與維護技術(shù)導(dǎo)則》。第二類實踐是可介入公共環(huán)境、集生態(tài)和美學(xué)為一體的“人工地被植物生境島”設(shè)計模式，并在灃西新城中心綠廊和白馬河公園中實施(圖7)。第三類是河道景觀、鄉(xiāng)村環(huán)境建設(shè)中的生物多樣性修復(fù)與生境營造類實踐項目。前2類實踐是以人工地被植物群落組構(gòu)為主的生境營造與種植設(shè)計。

4.2 建成環(huán)境植物群落建構(gòu)

建成環(huán)境生境營造與植物群落景觀建構(gòu)的設(shè)計方法，是從設(shè)計、建植到維護的整體過程的研究，蘊含了設(shè)計與研究、實驗與實踐、定性與定量之間的關(guān)系，是各學(xué)科知識、實驗因果變量和設(shè)計要素之間的轉(zhuǎn)換。這項研究的基本框架一開始就定位在可操作的設(shè)計流程中，框架中各項分支研究內(nèi)容和目標(biāo)應(yīng)落實于可操作設(shè)計語言(圖8)。

圖8 建成環(huán)境生境營造與植物群落景觀建構(gòu)設(shè)計流程、設(shè)計語匯與研究路徑一覽圖(注：各框中色調(diào)深淺代表本課題研究的主次性)

5 結(jié)語

建成環(huán)境生境營造與植物群落景觀建構(gòu)涉及多學(xué)科領(lǐng)域，需要做相關(guān)整合研究，并借助數(shù)字技術(shù)，建立系統(tǒng)化的設(shè)計思維。

跨學(xué)科知識的運用建立在思維方式轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)之上，構(gòu)建可實證的理論邏輯框架。生境營造模式語言既不同于設(shè)計語言，又比實踐語言蘊含了更為緊密的生態(tài)學(xué)屬性，生境營造將生態(tài)學(xué)語言與設(shè)計語言相結(jié)合，建立基于生態(tài)學(xué)原理又能直接指導(dǎo)實踐的生態(tài)設(shè)計語言體系。

取得研究方法的突破，既要極大耐心地面對植物群落生命周期的“慢”，和數(shù)字化時代技術(shù)帶來的“快”；又要認(rèn)知每一棵植物、群落及其生境個性之“小”，和任何一個尺度中生態(tài)系統(tǒng)之“大”。在生態(tài)研究和實踐的復(fù)雜性、不確定性和抗解性中，找到確定的入口和路徑。實驗性研究將實踐與研究合二為一，通過變量控制的方法探究并解決實踐中存在的問題，是數(shù)字化科學(xué)思維的基礎(chǔ)，而數(shù)字化技術(shù)是實現(xiàn)這一目的的快捷有效的途徑。

注：文中圖片均由作者繪制。

注釋：

① 植物群聚，如果一些植物被觀察到生長在一起，那么這些植物可以被稱之為一個植物群聚。植物群聚的概念最為廣泛，只要是植物被組合生在一起就可以稱之為是一個植物群聚，這個植物群聚有可能是經(jīng)歷了很長時間演變自然形成的，也有可能是在很短的一段時間內(nèi)由于偶發(fā)因素形成的，也可能是人工種植組合形成的，并且在人工管理下生長和保持。

② 層片概念有幾種不同的解釋，最廣為接受的定義是指可能含有不同植物種類的，在植物群落中發(fā)揮相似功能作用的，具有相同生活型的植物組合，一些學(xué)者認(rèn)為層片是植物群落最基本的結(jié)構(gòu)單元。