基于场地小气候特征的草本植物群落设计研究

2018-09-05王晶懋刘晖吴小辉宋菲菲

风景园林 2018年4期

王晶懋刘晖吴小辉宋菲菲

自然界所拥有的生态系统，同样也存在于城市建成环境的小尺度空间之中，并且受人类活动的影响最为直接。动植物群落和生境共同构成了生态系统，日照、空气温湿度、风以及土壤湿度等生境因子与场地设计要素关系密切，因此城市小尺度空间环境的生态系统是能够被设计营建的[1]。Herbert A. Simon在《人工智能》（TheSciences of the Artificial）一书中根据场地尺度和比例的不同，将小型游园空间界定为小尺度城市景观[2]。城市小场地尺度绿地与城市居民的日常生活联系更为紧密，数量多且分布广泛，在城市中能够发挥重要的生态价值，能有效调节城市区域的温室效应，改善局部小气候状况。笔者以西安建筑科技大学南门花园建设为研究对象，在按照小气候因子划分场地生境分区的基础上，探讨如何基于场地小气候特征进行城市小尺度绿地内植物群落的设计，力求最大限度地发挥植物群落的生态效益。

1 城市风景园林小气候与场地生境营造的关系

1.1 多学科背景下的城市风景园林小气候研究

城市小气候是在人为的特殊下垫面的影响下所形成的。城市小气候特征主要是由下垫面类型、地形变化、植被状况、建筑布局等因素决定的[3]。目前，风景园林小气候的研究大多是农业小气候和森林小气候研究内容与方法的移植，属于观测、量化研究，成果多倾向于大尺度空间城市绿地的小气候特征，生态效益分析以及人体舒适度指标比较[4-6]。各类小气候研究的落脚点均是温度、湿度、降水、光照以及风向、风速等气象要素，而城市风景园林小气候与场地生境条件联系较为紧密，同时场地生境类型也受日照、降水、风环境等气象因子影响。

城市风景园林小气候受地形竖向设计、铺装选择、建筑物与构筑物布局等人工干预措施的影响，这种对场地环境进行人工干预或营建的方式是“生境营造”。因此，城市人居环境的改善可以通过运用多学科交叉方法，结合风景园林学、气象学、生态学和工程技术等学科专业知识，充分考虑与利用植物生长所需的水、光、热、养分等生境因子，制定基于小气候适应性的不同生境类型下植物群落设计策略与目标，从而形成人工干预下的植物群落栖息地（图1）。

1 通过场地生境营造指导植物群落设计Guiding the design of plant community through site habitat construction

1.2 结合场地生境营造进行植物群落构建

生境类型划分是通过生境因子构成研究确立基本的生境单元，从场地设计出发划分不同类型的生境单元，建立不同生境类型的基本设计方法，最终实现通过人工营建的方式来改善适宜生物群落自然演替生境条件[7]。应对“有形”的实体空间设计，生境单元可以作为场地植物种植设计的“有形”单元，通过对生境单元内的小气候环境及其规律研究，确立不同生境单元中的植物群落结构。

在场地生境营造的基础上进行植物群落构建，有利于从场地设计出发，结合场地空间形态结构、立地条件、原生植被等构建不同生境类型下的小气候空间单元，最终以场地的小气候特征为参照进行植物群落设计，为植物演替提供适宜的场地环境条件，从而提高城市绿地斑块的生物多样性。

2 研究方法

2.1 现场实验观测

以位于西安建筑科技大学雁塔校区的南门花园为研究对象，其占地面积为841m2，地理坐标为N 34°23'55"，E 108°96'77"。为了获取场地日照条件和风环境的基础数据，采用美国产自动气象站Onset HOBO进行观测，分别布置在场地内3个典型测点处，每5 min自动记录1次气象数据。另外，于南门花园中共设22个监测点，采用浙江托普TZS-2X多参数土壤水分测定仪测定各测点的土壤含水率，为场地土壤水分条件提供基础数据。

2.2 计算机模拟分析

在场地小气候条件实测的基础上，确定不同生态因子主导的场地生境分区理论参数，借助AutoCAD软件平台，以C++编程语言形成插入工具箱，模拟生境因子影响下的生境分区。该生境分区软件（SHZ）是以三维数字技术为基础，集成了生境营造实验性研究的理论数据模型，是对小尺度场地绿地空间中差异的生境条件的数字化图示表达[8]。

3 基于小气候因子的场地生境类型划分

3.1 场地气候特征

所研究场地处于暖温带半湿润大陆性季风区，气候特征为冬季寒冷，风小，少雨雪；夏季炎热多雨，伏旱突出，多雷雨大风；春秋较短，夏冬较长。年平均气温13.0℃～13.7℃，年降水量522.4～719.5 mm，7—9月为降水集中月份。年日照时数1 646.1～2 114.9 h。年平均风速为1.3～2.6 m/s，春季风速较大，秋季风速较小，全年盛行风向以东北风为主。

3.2 场地生境因子分析

本研究将群落生态学中的生态因子理论引入场地生境分析中，场地中的生境因子包括：日照条件、建筑排水、地表汇水、土壤、大气环境等，它们互相影响并共同决定了场地的生境类型。日照是生境分区的重要影响因子，土壤水分条件及理化性质直接决定了植物的状况，另外，受场地建筑物布局的影响，场地风环境也间接影响着空气的温湿度和植物蒸腾效应等，从而影响场地的小气候状况。这些生境因子综合影响了场地生境类型，但是这些生境因子中，一般只有2～3种因子对场地环境的影响较大。通过现场实测与分析，可以确定日照条件、土壤水分条件和风环境是决定该场地生境类型划分的主要影响因子。但是，西安市大风日出现的频率较小，并且持续时间短，城区风速仍然属于微风范围，对植物生长的影响较小。在综合分析各生态因子对其他因子影响的基础上，考虑在场地设计中某些生态因子是否可被人工干预，最终认定日照因子和水因子是主导因子，对于划分场地生境类型和确定植物群落设计策略起着主导作用。

2 南门花园日照因子生境分区The zoning of sunshine factor habitat in South-gate garden

3 南门花园土壤干湿状况The dry and wet condition of soil in South-gate garden

3.3 场地日照因子生境分区

在城市建成环境中，场地的构筑物和植物对该区域日照条件有很大的影响，太阳方位角在一天中的变化会直接影响场地阴影的分布，并且直接影响植被的日照条件，由无遮挡区域的阳生条件转变为阴生条件。除昼夜外，随着季节的替换，日照条件也会随之变化。任何一个地区的一天内，上午和下午太阳的位置对称于正午，上午偏东，方位角为负值；下午偏西，方位角为正值。根据南门花园的实测结果，采用Hardiman L.和David Berle的分类方法，将场地生境初步分为全阳生（6～8 h）、半阳生（4～6 h，不包含6 h）、常阴生（0～4 h，不包含4 h）[9]。日照的影响因素为建筑物和乔木，因此将半阳生分为植物半阳生、东照半阳生和西照半阳生（图2）。

3.4 场地水因子生境分区

根据南门花园地面不同的集水方式，场地的水源主要包括降水收集、人工补水、设备排水3类。

1）降水收集—建筑屋顶与低洼地的收集水。

场地水分来源主要是自然降水，降雨或降雪易在场地内的低洼地形成汇水区，尤其是夏季降雨多时，集水效果更为明显。周边的建筑屋顶所承接的降水可以通过落水管补给场地用水。

2）人工补水—灌溉设施。

场地内设置若干灌溉设施，在降水量较少的时期进行人工补水，并可以在人工水渠的导引下排入场地的低洼区域。

3）设备排水—空调滴水。

设备排水主要是指建筑外墙的空调外挂机所产生的冷凝水，鉴于西北半干湿地区的气候特征，空调在夏季使用更为频繁，滴水也常见于夏季。

按照土壤含水率的监测数据，以25%的土壤含水率（W）为分界线，将场地划分为湿地和旱地两大类。其中湿地生境类型包括积水湿区：降雨后形成明显积水的区域；荫蔽湿区：遮蔽物（植物、构筑物）附近土壤W≥25%的区域；覆盖湿区：覆盖物（砾石、草本）附近土壤W≥25%的区域；径流湿区：径流过程后土壤W≥25%的区域。旱地生境类型包括荫蔽干区：遮蔽物（植物、构筑物）附近土壤W＜25%的区域；光照干区：受光后土壤W＜25%的区域（图3）。

将6—9月视为雨季，其余月份视为旱季。再结合场地内坡向、径流、汇水、遮蔽物及覆盖物的影响，将土壤干湿状况划分为旱季、雨季水因子生境分区。南门花园旱季水因子生境分区包括旱地、人工补水湿地、设备排水湿地（图4），旱季水因子生境分区包括旱地、树下旱地、人工补水湿地、设备排水湿地、建筑落水湿地、洼地汇水湿地（图5）。

3.5 场地风因子生境分区

在自动气象站监测数据的基础上，采用Phoenics软件对南门花园的风环境进行分析。西安城市春季室外平均温度为14.81℃、平均气压为101.52 kPa、平均风速为2.14 m/s、主导风向为东北风，由于西安市春季主导风向的平均风速较大，故以春季为例对南门花园的风环境状况进行模拟。计算机软件的分析图显示场地在受周边建筑影响下的平均风速较小，主要分为无风区和适风区2个分区（图6）。另外，通过软件模拟显示南门花园靠近建筑拐角处的风速相对大一些，称之为建筑边角风。

3.6 场地生境类型划分

基于3种场地生境因子的观测研究，生境类型划分表现在日照时长和土壤含水率2个方面的参数变化对植物群落栖息演替的影响，经过计算机分析模拟与实验观测，采用参数化数字模拟和实验观测相结合的方法[7]，能够验证南门花园存在9种典型的生境类型（图7），即：建筑东照半阳生旱地、建筑西照半阳生旱地、建筑西照半阳生湿地；植物半阳生旱地、植物半阳生湿地；建筑阴生旱地、建筑阴生湿地；植物阴生旱地、植物阴生湿地。

4 草本植物群落设计策略

4.1 针对场地小气候因子的草本植物群落设计要求

场地小气候因子包括日照、降水、气温、风等，因此从小气候因子入手分析南门花园的适应性植物种植设计。结合小气候因子的特殊性与差异性，草本植物群落的种植设计应具有以下要求：1）日照：有效利用太阳辐射，根据日照时长，选择适宜的阳生、阴生草本植物；2）气温：注重调节场地温湿度效应，采取合理的植物配置方式影响热量循环过程；3）降水：依据降水对场地土壤干湿状况的影响，选择适宜的旱生、湿生草本植物；4）风：结合场地风环境状况，在进行植物种植设计时尽量避免在形成建筑边角风的地方栽种植物。

4 南门花园旱季水因子生境分区The zoning of water factor of dry season in South-gate Garden

5 南门花园雨季水因子生境分区The zoning of water factor of rainy season in South-gate Garden

6 春季南门花园实验基地风因子分区The zoning of wind factor of spring in Southgate Garden

7 南门花园生境类型划分The zoning of habitat type in South-gate Garden

4.2 设计策略与目标

场地的植物群落设计基于小气候适应性设计原则，根据植物的生活习性和场地基址条件，设计相应的植物配置模式，形成形态各异、特色鲜明的植物景观，在体现生态性设计的同时，满足人们观赏游憩的需求[10]。

植物群落设计主要考虑日照、气温、降水、风4个方面对植物生长的影响。根据场地的生境类型划分，针对不同生境分区的小气候特征，以及建筑物和乔木对小气候的影响，以“结构层—季节主题层—地被层”为群落组构模式提出了相应的草本地被植物群落设计策略与目标；结合不同生境区域小气候特征，配合不同的地表覆盖物类型，为群落生态设计提供适宜途径（表1）。

4.3 草本植物群落模式构建

草本植物群落模式构建以人工植物群落设计为基准，不仅要考虑到植物群落的生态功能，而且要考虑其美学功能[11]。首先，植物群落生态功能是通过参照西北地区成熟自然草本植物群落的结构而发挥的，其垂直结构一般为2～3层，物种数为3～6种，存在互利共生的稳定种间关系。其次，植物群落的美学功能主要由群落的外貌及季相变化特征体现，它随着节气的更迭而呈现不同的面貌，因此在进行植物群落构建时要注重植物的株型、叶色、花色及光影的变化[12]。

植物群落模式构建需要建立在适应场地小气候条件的基础上，按照稳定性、多样性、美观性的构建原则，以冬季“枯而不倒”的草本植物群落形态为主要建群种（图8），形成以“地被层—季节主题层—结构层”为主体的草本植物群落分层组构模式（图9）。这种植物群落构建模式在增加场地物种多样性与植物群落美观度的同时，能够形成一种新的种间关系平衡状态，并且能够在一定程度上改良土壤水分、物理性质和微生物状态。另外，这种草本植物群落模式的构建也减少了除草和浇水带来的人力与物力消耗，从而降低管理维护的成本[13]。

5 结语

本研究尝试在场地生境分区和小气候特征的基础上，通过紧密结合自然过程、生境特征和人类行为构建草本植物群落模式，营造出结构稳定、功能突出、养护成本低、景观价值高的植物景观，不断积累符合场地小气候特征的草本植物群落设计策略，使城市小尺度绿地在有效实现美化环境功能的同时，调节场地小气候，合理利用雨洪资源，形成一种新型的景观设计模式，为可持续生态设计方法和生境营造的发展开辟新的突破点。

表1 基于小气候适应性的不同生境类型草本植物群落设计策略与目标Tab. 1 Herbaceous plant community design strategies and objectives for different habitat types based on microclimatic adaptability