让自然参与设计：一种基于自然演替的城市自生群落改良设计途径

李仓拴

刘 晖*

程爱云

陶嘉敏

李云昀

城市自生植被(spontaneous urban vegetation)在20世纪70年代被国外学者广泛使用，泛指城市中自然定居的植物群体[1]。城市自生植被经常出现在垃圾场、遗址、废弃地以及建筑物拆除后的空地上，这与人们内心渴望的整洁的、符合内在美学规律的植物群落的外貌截然不同，其凌乱的视觉特征常常给人荒败感。由于其物种组成多为城市一年生杂草型植物，不能提供传统种植所具有的美学价值，故城市公共空间中的自生群落常被视为“杂草”[2]，公众接受度较低[3]。但从生态学的角度来看，城市自生植被具有重要的价值与潜力。城市自生植被是城市生态系统的产物，它与城市中的生境和生物浑然一体，并始终适宜场地条件[3]，有效利用场地的光照、水分和营养物质等生境资源，最终发育成为独特、复杂的栖息地，常常受到城市动物的青睐[2]。同时，城市自生植被可以有效地实现生态修复的许多目标，几乎无须成本但能取得持久的成功，顺应城市自然过程的城市自生植被有能力和潜力为城市生态系统功能作出重大贡献[3]。

按照Grime的生存策略理论，群落生态系统中竞争型植物(C型)、耐胁迫型植物(S型)、杂草型植物(R型)存在相生相克的关系，通过演化能形成稳定的种间关系和群落生态系统[4]。但在城市化过程中自然生境遭到破坏，导致适应低胁迫和低干扰的稳定环境的C型植物和适应高胁迫和低干扰的恶劣生境的S型植物大量消失，城市自生植物大多数都是适应低胁迫和强干扰生境的R型植物[5]。但是，R型植物大多数开花不明显，景观效果不佳[4]，这也是城市自生群落不被公众所接受的主要原因。

越来越多的研究关注城市自生植被的生态系统服务功能，并探索其在城市公共空间的利用策略[1，6-8]。有研究表明，将人工栽培的园艺植物引入荒地群落中能够获得一定的定居[9]，因此在理论上，如果引入的植物能够在自生群落中定居，势必会与场地上的自生植物 “争夺”生境资源与生态位，从而限制群落中的自生植物，提高群落的物种丰富度。引入开花明显、花色丰富的园艺植物定居则能提高群落的美观度，同时，可以减少建植时使用的植物数量和减轻除草工作量，从而节约建植和管理维护成本。但以上只是理论猜测，目前在应用生态学领域，通过人工引入植物改良草地植被来提高群落生物量和牧草产量并已取得成功[10-11]，但在国内外风景园林学科鲜有将应用生态学和设计学相结合，通过改良来提高城市自生群落美学价值的应用研究。基于城市自生群落的价值与问题及上述理论假设，本研究试图通过实验的途径回答以下几个问题：1)人工引入的栽培植物在城市自生群落中定居能力如何？2)人工引入的栽培植物能否限制自生群落中的一年生杂草植物？3)改良设计是否可以提升城市自生群落的美观度和公众接受度？4)改良设计是否可以提高群落物种丰富度？5)改良设计是否可以降低群落的建植与管理成本？

1 材料与方法

1.1 相关指标判定与评价

1.1.1 群落分层

本文对于草本植物群落的分层参考James Hitchmough[12]在群落设计中的分层原则和高阳等[13]对西北地区不同自然草地群落结构的统计，确定最高株高≤15cm的为一层，15cm＜最高株高≤40cm为二层，最高株高＞40cm为三层。

图1 植物群落分层改良设计的理论模型

1.1.2 植物CSR生存策略的判定

本文对于场地自生植物和栽培植物的生存策略以Grime的CSR生存策略模型[14]为依据，综合植物的原生生境特征、竞争力、耐胁迫能力和繁殖力等共同判定。

1.1.3 场地自生植物的公众接受度评价

对于场地自生植物的公众接受度通过照片结合实地访问调查的方式，选取100位不同年龄的公众对场地中的自生植物进行评价(0～100分)。接受度平均分≥50分的作为保留层植物，平均分＜50分的作为被限制层植物。

1.1.4 群落的美观度和接受度评价

美观度评价选取Jiang Yarong等[15]提出的问卷调查的方法，选取100位公众对植物群落进行打分，群落的美观度和接受度取平均值。

1.2 实验材料

本研究选用能在西安地区良好适应的植物，实验苗木均是由本地苗圃提供的盆苗，同种植物采用相同的规格。为保证成活率，所有实验苗木均在种植当天运至实验场地。

1.3 实验场地条件

实验场地位于西安建筑科技大学校园的南门花园。南门花园建成于2015年，总面积830m2[16]。实验场地位于南门花园中心位置，人为干扰较小。实验选择2个对照组，其一为自生群落，其二为群落组构(南门花园的另一种植物群落设计模式，即完全由人工搭配物种)。实验组与对照组相邻，具有相似的生境条件，实验组面积31m2。将实验区划分为1m×1m的网格，每个网格作为一个基本的实验样方[17]。场地自2015年5月建成后一直保持自然演替状态，不进行任何人工干预。至2016年4月，对场地内的自生植物进行统计分析。场地内自生植物为20科38属43种，其中乡土植物40种，外来植物3种。统计结果显示，分布于群落一层的植物9种，群落二层植物11种，群落三层植物15种，攀缘藤本4种，木本植物(幼苗)4种[18]。对场地自生植物的CSR生存策略进行判定，结果显示，除了4种木本植物的幼苗外，场地中共有C型植物4种(9%)，S型植物3种(7%)，R型植物32种(74.4%)。场地自生植物群落的物种构成与Grime的研究结论一致[4]，以R型植物为主，如菊科、豆科和禾本科等常见城市杂草植物。

1.4 实验设计与实施

1.4.1 自生群落分层

2016年4月，测绘场地植物群落平面分布图，并对场地自生植物的公众接受度评价。结果显示，有34种植物的公众接受度大于≥50分，包括一年蓬(Erigeron annuus)、旋覆花(Inula japonica)和白花草木犀(Melilotus albus)等，共同组成保留层；有15种植物的公众接受度＜50分，包括小蓬草(Conyza Canadensis)、钻形紫菀(Aster subulatus)和野艾蒿(Artemisia lavandulaefolia)等，共同组成被限制层。

1.4.2 植物群落的分层改良设计

自然界的植物群落在垂直结构上以层(layer)的方式存在，本实验采用分层设计的方式对实验组进行改良设计[19](图1)，对照组不作处理。由于每个样方的自生群落均无相同的，因此实验未设计相同的组内重复和对照。植物群落各分层改良设计方法如下。

1)限制设计层。

限制设计层分为光照限制层、生态位限制层和根茎限制层。植物之间的竞争主要为了获取所需的生境资源，包括光照、空间和土壤中的水分、营养物质。光照限制层选择高度较高、叶面积较大，能对杂草型植物进行遮阴的物种。生态位限制层的物种选用与被限制植物有着相似生态位的植物，可以起到有效限制作用。根茎限制层选择具有球根、鳞茎等根系发达的植物以争夺杂草型植物土壤中的营养物质，从而起到限制其生长的作用。

2)美学特征改良层。

美学特征改良层分为冬季季相层、基调统一层和季节主题层。冬季西安地区大多数自生植物都萧条衰败，冬季季相层选用能在冬季保持常绿或枯而不倒的植物。基调统一层选用适宜群落三层的黄花月见草和一枝黄花作为基调植物，在不同的季节使群落景观效果协调统一。季节主题层植物可以用花的质感创造季节性主题[19]，实验选择与场地自生显花植物花期互补的植物，使群落在4—11月花期连续。

3)生态功能改良层。

生态功能改良层分为结构完善层和蜜源植物层。结构完善层的设计填补群落中空缺的生态位，从而限制杂草型植物生存空间。蜜源植物层选用西安地区常见蝴蝶、蜜蜂和蜻蜓的寄主植物。

物种搭配考虑3个因素。首先，所选物种观赏效果佳。显花植物选择花朵显著花色明显的植物，非显花植物选择叶型美观、质感与自生植物相协调的具有冬季季相的物种。其次，所选植物中乡土植物与外来植物各占一半，其中乡土植物31种，外来植物32种。最后，改良植物选择与自生植物生存策略互补的C型与S型植物，用以限制场地上的R型自生植物，同时保证每个样方中均有C型、S型、R型植物(图2)。实验选用的改良植物共有63种，包含C型植物40种，S型植物23种。设计时为保留层植物预留生长所需空间。分层设计后，合并所有层优化调整后生成最终的实验方案(图3)。

1.5 实验管理

图2 栽培植物与自生植物的CSR分布

对实验组和对照组采用不同的管理方式。在除草方面，对照组人工群落组构定期清除群落中的所有杂草植物，对照组自生群落采取不除草处理，实验组清除群落中出现的木本植物幼苗及攀缘藤本。在浇水方面，对照组人工群落组构在需水时进行补水，对照组自生群落采取不浇水处理，实验组在施后一个月内缺水时补水，随后停止浇水。实验组和对照组的清理方式相同，清理对象主要包括群落的自生演替过程中会出现枯枝和落入场地落叶。

1.6 数据观测与收集

在实验实施时，记录实验组与对照组(人工群落组构)使用苗木的数量、单价、施工人数及时长。实验实施后3年，对群落进行连续性观测与统计，频率为每月1次。统计内容主要为各样方群落结构、物种组成、物种特性和群落美观度与接受度。群落结构的主要记录指标为层高、层盖度和层优势种，群落组成物种特性记录自生植物和栽培植物的株数、密度、株高、盖度、开花量、花色种类和叶色种类。公众对群落的美观度评价与接受度在每年5—10月进行，以问卷调查的方式进行统计，发放问卷100份，其中专业人士50份，非专业人士50份。同时在每次管理维护时记录浇水量、浇水人数、浇水时长、除草人数和除草时长。

1.7 统计分析

采用Excel 2007和SPSS 23.0软件对数据进行统计和分析。双变量相关性分析采用皮尔逊(Pearson)相关性检验，表中数据为群落物种重要值的相关性，r值为皮尔逊相关系数，取值范围为[-1，1]；p值是显著性，p＜0.05时表示相关显著(＊)。利用AutoCAD 2015、Photoshop CS6和OriginPro 2016作图。

2 实验结果与分析

2.1 栽培植物在城市自生群落中的定居能力

实验实施3年后，对引入的63种栽培植物的定居情况进行统计分析。结果表明，稳定定居的植物有39种，定居率为61.9%。其中有23.8%的栽培植物(15种)株数增加(图4)，14.3%的栽培植物(9种)的株数保持不变，23.8%的栽培植物(15种)定居但株数减少，38.1%的栽培植物(24种)从群落中消失。这说明大多数改良的物种可以在群落中定居，且不同的植物在自生群落中的定居能力有所差异。其中，C型植物存活比例(63.42%)略高于S型植物(60.87%)；存活的40种植物种，有23种为乡土植物，占57.5%；17种为外来植物，占43.5%。总体而言，乡土植物(78%)在自生植物群落中建立优势的可能性明显大于外来植物(57%)。

2.2 栽培植物对自生群落中的一年生杂草植物的限制作用

实验3年后，场地中的43种自生植物有24种物种消失，占55.8%，存活19种，存活率为44.19%。有8种植物存活且株数增加；有2种存活且株数持平；有9种存活但株数减少。一年生杂草植物的减少是否因为受到了栽培植物的抑制？选取E5样方作为分析对象，分析2017年5—10月栽培植物和自生植物重要值的相关性。结果表明，有17组栽培植物与自生植物在群落中的重要值呈明显的负相关(表1)。同时，相关关系也可以发生在任何2个相同或不同的层之间。总体而言，改良植物对自生植物的限制作用十分显著，在2016—2018年3年中，改良植物与自生植物之间共分析出746对负相关关系。这说明，有针对性地引入改良植物可以对自生植物形成有效的限制作用。

2.3 改良设计对群落物种丰富度的提高作用

改良群落在2016、2017、2018年7月平均物种丰富度分别为14.39 、9.87、9.61，对照组自生群落同期物种丰富度分别为4.53、4.22、4.19，改良群落的平均物种丰富度分别为自生群落的3.18、2.34、2.29倍。改良设计对群落的物种丰富度的提高作用显著。

2.4 改良设计对城市自生群落的美观度和公众接受度的提升作用

分析2017年公众对实验组和对照组的美观度和接受度。结果表明，公众对改良群落的美观度评价明显高于自生群落。在一年中，改良群落的美观度在4月呈上升趋势，在6月达到最高值(77分)，此后逐渐下降至9月达到55分，进入11月后小于50分。城市自生群落的美观度呈相似的趋势，但最高值为37.8分。二者的美观度差值在21.6～39.2分之间。通过改良设计可以将群落的美观度提升29.4%。

相比城市自生群落，公众对改良后的群落接受度明显提高。2017年4月，仅有32%的受访者表示接受城市中使用自生群落，有55%的公众可以接受城市中使用改良群落，二者相差23%；7月，由于开花植物较多，公众对2类群落的接受度均达到全年最高值，分别为39%和75%(图5)；进入秋冬季节，公众对2类群落的接受度均有所下降。公众对改良群落的接受度始终高于城市自生群落，差值最小为18%(10—11月)，差值最大时为36%(7月)。通过改良设计可以将群落的公众接受度提高24%，这说明通过改良设计可以显著提高群落在城市公共空间中的公众接受度。

2.5 改良设计对建植和管理维护成本的降低作用

群落的成本包含苗木购买、建植、浇水、除草4个部分。为了确定改良是否可以降低维护成本，将其与群落组构的成本进行对比。在苗木购买方面，群落组构苗木成本最低的样方为56元/m2，最高为394元/m2，平均197.75元/m2；改良式群落最低为28元/m2，最高为212元/m2；平均82.66元/m2。苗木购买成本改良式群落仅为群落组构的41.8%，每平方米可节约成本115.09元，仅占总成本的58.2%。在浇水方面，群落组构年成本为5.08元/m2，改良式植物群落为0.82元/m2，仅占群落组构的16.1%；在除草方面，群落组构组构年成本为9元/m2，改良式植物群落为2.9元/m2，占32.2%。相比群落组构，改良后的群落可以节约58.2%的建植成本，降低83.9%的浇水成本和67.8%的除草成本，群落的管理维护总成本为群落组构的26.4%。

图3 改良设计实验方案

图4 实验3年后改良植物存活率统计

图5 植物群落改良设计后的景观效果

3 讨论

物种丰富度是衡量群落生态系统服务功能的重要指标，是群落多样性和动物多样性的基础[20]。探讨如何通过设计来提高城市种植的物种丰富度和生态服务功能是风景园林学研究的热点，但目前缺乏可操作性的实践方法[21]，本研究的目标之一是在群落设计的框架内提高城市物种多样性。马文红和方精云调查中国北方地区草地群落物种多样性，得知单位面积内的物种丰富度为4～35种，平均物种丰富度为14种[22]。2017年3月各实验样方植物物种丰富度为7～16，其中≥14的有5个样方，占16.13%。这说明通过改良设计可以让自生植物群物种丰富度达到与自然草地群落相似的水平。Fischer等[23]研究表明，改良后群落的物种丰富度存在不同程度的下降，第三年的物种数约为第二年的83.96%～91.54%。本实验中，第三年实验组平均物种丰富度约为第二年的86.58%，与其研究相一致。但改良对群落内自生植物物种丰富度并无明显影响，2017年3月各样方自生植物物种丰富度为1～6，平均4.32；2018年3月为2～8，平均4.81，这说明改良设计可以延续自生群落内的植物物种。改良2年后，群落内的栽培植物丰富度下降明显，2017年3月各样方栽培植物物种丰富度为4～11，平均6.26；2018年3月为2～8，平均4.36，降幅为1.9。因此，群落整体物种丰富度下降是由于引入的栽培植物的物种丰富度下降所引起的。Fischer等[23]在柏林的实验研究表明，通过改良设计使得实验组第二年物种丰富度相比对照组(自生群落)提高了1.5～1.67倍，第三年为1.55～1.886倍。本研究将群落物种丰富度提高至更高的倍数，第二年为2.34倍，第三年为2.29倍，这说明通过改良设计在提高自生群落的物种丰富度方面有更多的潜力。物种丰富度的增加能够提高地被植物群落的生态系统功能，主要表现在多样的物种使不同的生境资源得到更有效的利用[20，24]，更高的植物多样性也能增加营养级别的多样性[25]，有利于构建初级食物链[26]。改良设计、群落的物种丰富度及乡土植物比例(76.4%)均显著提高，有利于增强群落的生态系统服务功能。

开花数量、色彩和物种丰富度是影响公众对植物群落感知及美观度评价的重要因素[15]。本研究通过引入开花明显、色彩丰富的栽培植物来提高群落的开花数量、色彩变化及物种丰富度。结果表明，花朵数量与公众对群落的美观度(r=0.864，p=0.006)和接受度(r=0.877，p=0.004)评价呈高度正相关，进一步验证了王志芳等[27]的结论，但王志芳等认为色彩不是影响公众对草本群落的主要偏好因子，而在本研究中，花色对公众的美观度(r=0.741，p=0.036)和接受度(r=0.889，p=0.003)具有显著作用。群落的色彩包括叶色和花色两部分，叶色与公众的美观度(r=-0.420，p=0.310)和接受度(r=-0.554，p=0.154)并无明显关系。Petra Lindemann-Matthies等[24]的研究表明，植物多样性本身对人类具有吸引力，城市公众对草本群落的美观度评价随着物种丰富度的增加而增加。本研究中，公众对改良群落的美观度(r=0.774，p=0.024)和接受度(r=0.811，p=0.015)与群落的物种丰富度呈正相关，进一步论证了这一观点。Marco等[28]调查研究显示，公众因城市中的自生植物缺乏开花植物及色彩变化而对其漠不关心或反感，在本研究中公众对场地自生植物的平均接受度仅为32%。通过改良设计引入开花明显、色彩丰富的园艺植物，使得一半以上的(平均接受度为55%)公众接受在城市景观中应用改良群落。

表1 栽培植物和自生植物重要值的相关性

自生群落是场地历史的一部分，改良设计将自然演替的自生群落作为设计起点，群落自然演替过程引入城市植物群落设计，接纳“杂草”作为场地景观的一部分。实验研究证明，改良设计是一种有效提高城市自生植物群落美学特性和生态功能的途径，有潜力作为一种新的植物群落设计模式，有望在城市公共空间、湿地公园及大尺度群落生态修复方面发挥更大的作用。本研究在跨学科研究范式中做出尝试，由于群落的复杂性和动态性，将生态学理性思维与设计学科的感性思维相结合是研究的难点，需要更多的实验性研究。

注：文中图片均由作者拍摄或绘制。