西北干旱城市破碎化绿地生境的植物群落设计途径研究

李仓拴 刘晖 杨伊婷 李云昀

西北地区是中国水资源最匮乏的地区，城市年平均降雨量仅264.9～456.0mm[1]。城市建设带来的绿地面积的增加，加剧了城市供水负担，仅2016年绿化用水量已达到608 463万m3[2]。西北地区城市化与生态环境之间的矛盾和胁迫作用尤为突出，严重制约了城市生态建设的进程[3-4]。尽管西北地区大中城市的选址往往是在区域生态本底优越的地方，但城市绿地建设趋于模仿和符号化，使得干旱地区生态城市建设缺少实质性内涵，而健康优美的城市环境，更是西北城市人居生活的切实需求[5]。地域自然资源与环境的约束及人居环境建设的现实诉求，决定了需要探索适宜西北地区本土的城市绿地建设方法策略和技术途径[6]。

快速城市化带来了大规模破碎化的小尺度城市绿地，成为环境建设的发展趋势之一。2005—2015的10年间，全球28个特大城市绿地覆盖率总体增长4.11%，所增绿量表现在中小绿地空间更加均匀地分布[7]。城市破碎化绿地常被称之为微绿地（small green space，microsite），包括以城市附属绿地为主的小型公园绿地、街旁绿地等形式[8]。随着城市双修、城市微更新等理念的提出，破碎化绿地的价值成为近年来关注的热点[9-10]。但在西北城市建成环境现实实践中，由于缺少适宜的设计方法，这些绿地单元常以单一化种植简单填充，其生态功能和美学价值无法充分发挥。基于此，本文作者通过实验与实践研究探索具有普适性的西北城市破碎化绿地生境的适宜性设计途径。

1 西北干旱城市破碎化绿地生境现状与问题

1.1 破碎化：生态功能被阻断

生境破碎化是指原来连续成片的生境被分割、破碎，形成分散、孤立的岛状生境或生境碎片的现象[11]。随着破碎化因子作用持续不断地加剧，原有斑块与那些高度改变的逆退景观相互隔离，并逐渐退缩消失，最终发展成在生物地理学上所称的“生境岛屿”和“斑块生境”[11]。在城市化过程中，人工网络的结构越来越复杂，网络的通达性越来越高，将原有的完整的、连续的、系统的生境进行了人为的分割，使其呈现出高度破碎化以及生态作用与联系上的孤岛化特征[12]。

相比完整的生境，破碎化导致了一系列的生态学后果，包括生境丧失、生境连接度降低、物种灭绝、生物交互作用中断、部分昆虫的物种丰富度下降等[11]。破碎化导致城市绿地生境的不连续性，使得其生态功能被阻断。

1.2 尺度小：缺少适宜的设计实践途径

破碎化使得大斑块分解为小面积斑块[13]，统计显示，城市破碎化绿地尺度介于0.04～1.00hm2之间[8,14]。小尺度绿地为城市生境营造带来新的机遇，越来越多的研究证实，小斑块通过合理有效设计可以增加景观连通性，并为特有物种提供适宜生境[11]。

但在风景园林学科，以宏观尺度的景观生态规划实践成为风景园林学科研究的热点，以场地为对象的微观尺度设计研究未得到足够的重视，目前的研究仅集中在破碎化绿地的生态价值与潜力的认知方面[15-17]，结合生态学的场地尺度的生态设计方法与实践途径的研究较少。

1.3 多样化：但设计方式单一，生境资源被浪费

城市景观破碎化造成的一系列面积迥异的植被斑块相互交错，形成了异质性和多样化的景观[18]。由于城市建筑物、构筑物、乔木等的水平分布与高度变化，使得场地光照分布有着明显的异质性；降雨、地形与竖向、建筑排水与遮阴、植物遮阴等差异，导致场地水分条件的异质性[19]。光照和水分条件的异质性叠加形成了多样化的生境条件，使得城市生境比自然生境具有能够容纳更高生物多样性的潜力[18]。课题组在18m2的城市建筑阴生生境中引入15种野生乡土植物，观测2～3年能够稳定存活，验证了这一结论（图1）。

但在实践中并未有精细的生境类型划分，多数情况下为了施工的便捷性，仅靠已有的经验进行单一化的园艺种植，主要表现在单一物种、单一规格、单一行间距所形成的单一结构。这种种植方式不仅造成城市生境资源的浪费，而且导致植物景观缺乏变化。同时，种植的稳定性较差，在应对病虫害、气候变化方面缺乏弹性[18]，因而管理者不得不花费大量的成本进行除草和病虫害防治。

1.4 规模大：但潜力常被忽视

生境破碎化使得孤立的小斑块越来越多[11]，其规模不容小觑。由于物质循环、能量流动、信息传递和物种迁移都可以跨越破碎绿地生境的阻隔，破碎化的城市生境有潜力通过规划设计构建功能上连接的整体。因此，大规模的城市破碎化绿地具有多层次潜力。在生态功能方面，破碎化的小尺度生境具有构成城市生境体系[20]、维持本土物种种群[21]、营造城市生物多样性[22-24]、支持无脊椎动物多样性[25-26]、构建初级食物链[27]、构建城市动物栖息地网络[15-16]、改善小气候[17]、缓解热岛效应、削减暴雨径流、净化水源和空气、修复土壤污染等生态服务功能[8]。在社会价值方面，破碎化绿地具有微小、分散、就近、种类多、均匀度高、可达性强的特点，能够为城市居民提供便捷的交流、游憩空间，而且建设周期短，其灵活和随机分布的方式让高密度城市更人性化、更健康、更有活力[28]。但在目前，破碎化绿地单元的设计并不注重其在生态功能上的联系性与整体性，其消极填充的设计方式也无法焕发空间的活力和社会价值。

2 解决多样化诉求的生境营造与植物群落设计途径

Richard T.T.Forman认为在城市中可以通过对绿地进行内部设计，促进植物斑块通过频繁的生态流与运动相连接，建立一个有效运行的“整合型城市绿地系统”[29]。如何为大规模、破碎化、小尺度、多样化的城市绿地生境探索普适性的设计途径？破碎化，决定了绿地单元生态设计要具有功能连接的潜力；小尺度，决定了设计模式要有灵活性；生境多样化，决定了设计模式要有多变性；城市破碎化绿地的大规模，决定了生态设计模式要有普适性。

2.1 “生境营造+地被群落”设计模式

生境是连接自然与城市的“桥梁”，相似自然生境条件下具有相似的植物群落[30]。生境的相似性使得其可以被划分为多种生境类型[31]，生境的异质性为设计多样化的群落提供条件。

地被群落是城市生态系统结构中不可或缺的部分。研究结果表明，地被群落在营造城市生物多样性方面具有不可替代性，而且可以改善单一化的城市植被结构[22]。地被群落对于人们有着天然的吸引力，能够建立人与自然的情感联系，可以作为塑造文化、促进公众认知和自然教育的重要途径[32]。相比大体量的乔灌木群落，地被群落的最小设计尺度为1m×1m，能够适应狭小街区尺度空间，使其在破碎化城市绿地中具有较好的适宜性和应用性。

“生境+群落”是自然生态系统的基本组成单位[33]，此模式同样适宜于城市生态系统，有潜力作为城市绿地生态设计的基本单位。生境的选择和优化可以介入场地设计程序中，而植物群落可以通过人工设计和建植。课题组提出“生境营造+地被群落”设计模式，并按照此理论将校园中2个破碎化绿地单元改造为东楼花园（图2）和南门花园（图3）[19]。

2.2 “1m×1m”的基本尺度单元

生境破碎化是一种与尺度极其相关的过程，不同的尺度下所描述的生境破碎化不尽相同[34]。如何来确定“生境营造+地被群落”设计模式的基本尺度？该尺度既要足够精细以充分利用场地的生境资源，又要能包含一个完整的地被群落；既要适宜场地的异质性，又要能满足在破碎化小尺度场地中应用的普适性。

群落生态学的研究表明，1m×1m即可包含一个完整的地被植物群落生态系统[35]。1m2的光照和水为植物群落的生长提供适宜的条件，能够孕育出完整的草本群落生态系统。群落生态学领域中地被群落调查与研究中常用1m×1m作为最小样方和基本尺度[36]。为了便于在城市生境中单元中的可复制性和应用性，课题组对于场地生境类型划分及植物群落设计模式研究均以1m×1m作为基本尺度。

3 城市破碎化绿地生境多样性分区与优化设计

3.1 城市破碎绿地生境多样性分析与分区

场地设计时，合理的生境分区有利于为场地匹配适宜的植物群落。课题组通过对城市生境条件的模拟表明，城市生境中异质性程度最高、变化最明显的主导生境因子是光照（图4）和水（图5），因此本文作者以此作为生境分区的依据[31]。

1 南门花园18m2蕨类植物引种区，现有15种乡土植物稳定存活18m2 introduction area of ferns in South Gate Garden,with 15 species of native plants in stable survival

2 由破碎化绿地改造而成的东楼花园East Building Garden transformed from fragmented green space

3 由破碎化绿地改造而成的南门花园South Gate Garden transformed from fragmented green space

4 夏至日实验场地正午阴影的正投影与植物的分布明显相关The orthographic projection of noontime shadows in experimental site of the Summer Solstice is obviously related to the distribution of plants

5 实验场地降雪后雨水分布呈现异质性The distribution of rain water shows heterogeneity after snowfall in the experimental site

光照条件决定植物群落平面布局及物种组成，如在南门花园中，场地自生植物的分布与光照异质性呈明显的相关性（图4）。研究将实验区划分为1m×1m的网格，通过分区软件（SHZ）和场地实测对生境进行模拟，结合植物学对于植物生长与光照条件的研究，将每日累计日照时数[0，4)小时的场地划分为阴生，将日照时数在[4，6)小时的划分为半阳生，[6，8]小时的划分为阳生[31]。场地的水分条件可根据竖向、建筑阴影、植物阴影、建筑排水、空调排水和地面覆盖的不同，划分为荫蔽干区、光照干区、积水湿区、径流湿区、荫蔽湿区、覆盖湿区6种类型[37]。场地设计时，结合光照条件和水分条件对场地进行生境分区。

3.2 城市破碎绿地生境优化设计

城市破碎化绿地场地生境条件与自然环境的生境条件不尽相同，城市绿地具有更多样的、可优化的、适宜地被植物群落栖息演替的生境条件。而展示城市环境中土地的自然力量，需要借设计营建助其一臂之力[19]。

设计可以在很大程度上改变场地的原有生境条件，和场地设计直接相关的生境条件包括光照条件、水分条件和土壤条件。可以改变光照条件的设计因素是建筑物、构筑物、乔灌木等竖向遮挡物的位置，与水分条件相关的设计因素是场地水系、地形与竖向、道路、建构筑物排水及空调排水等。对于土壤，可以通过添加剂来改善其特性，选择土壤覆盖物调节其保水能力。结合场地的现状生境条件，通过优化布局与设计等人工介入的方式营造更加丰富的城市生境多样性格局。

4 基于生境多样性的植物群落设计途径

4.1 多样化的西北地区自然植物群落原型

草地是西北地区主要的植物群落类型，随着海拔、地形、气候条件的变化所形成的生境异质性，呈现出丰富多彩的草地群落类型，包括灌丛草甸、山地草原、禾草草原、蒿类草原、荒漠草原、林下草地等[38]（表1）。

表1 西北地区自然群落原型及对应的城市Tab.1 Prototypes of natural communities in northwest China and corresponding cities

6 课题组目前实验的群落设计模式七Community design model VII of current experiment of the research group

7 课题组目前实验的群落设计模式八Community design model VIII of current experiment of the research group

8 群落设计模式七（右）、模式八（左）植物群落景观Plant community landscape of community design model VII (right) and community design model VIII (left)

植物群落设计可以师法西北地区自然群落原型，我们应如何向自然群落学习？内在秩序和外在秩序是植物群落的2类特征。内在秩序即群落不可见的“生态”，包括群落的结构、物种组成及种间关系。学习自然群落的内在秩序可以赋予人工群落生态的内涵，增强植物群落的生态功能和稳定性。外在秩序即可见的“外貌”，包括色彩、质感、季相及可感知的生物多样性[39]。抽象提炼自然群落的外在秩序可以再现公众对于自然群落的共同记忆[40]。多样化的自然群落可以作为群落设计的原型，设计师可以以此来塑造既具生态服务功能又符合城市公众审美诉求的植物群落景观。

4.2 多种植物群落设计模式

植物群落是复杂的自组织系统，群落的设计是个抗解性问题[41]，因而只有自然参与演替和种间竞争后的人工群落才是真正意义上的群落。本文作者按照群落建植过程中人力与自然力的分工，将群落设计分为8种模式：1）模式一：自生群落—自生演替—不管理，其设计和管理过程均由自然力完成，即城市自生植被，但公众接受度较低[42]；2）模式二：自生群落—自生演替—人工管理，通过管理使得城市自生群落转变为具有审美优势的植被，以柏林工业大学Norbert Kühn教授为代表[43]；3）模式三：自生群落—人工改良—不管理，以应用生态学领域的牧草改良和生态修复实践为代表；4）模式四：空白场地—自生演替—不管理（与模式一相似，但场地由人工准备）；5）模式五：空白场地—自生演替—人工管理（与模式二相似，但场地由人工准备）；6）模式六：空白场地—人工实验筛选—低维护，通过实验筛选稳定性较高和抗杂草入侵性的植物群落，以谢菲尔德大学James Hitchmough和Nigel Dunnett教授为代表[30]；7）模式七：空白场地—人工设计—人工管理，通过人工设计和管理创造弹性可持续群落，以美国学者 Thomas Rainer和 Claudia West为代表[40]；8）模式八：自生群落—人工改良—人工管理，通过在自生群落中增加园艺植物来提高群落的美学价值，以柏林工业大学Norbert Kühn及Leonie K.Fischer教授为代表[43-44]。

课题组选择模式七（人工植物群落组构）和模式八（自生群落改良设计）进行实验性研究。模式七采用“结构层+季节主题层+地面覆盖层”的3层垂直结构（图6），模式八采用“限制设计层+美学特征改良层+生态功能改良层”的分层改良设计方式[41]（图7）。经过2.5～3.5年的连续性观测，证明这2种模式在西北城市建成环境是可行的。设计模式的多样性是城市植物群落多样性的基础，不同的设计模式其生态功能、外貌、建植方式、成本不同，设计时可以根据场地诉求做出选择。

9 东楼阴生生境花园植物群落实验与景观设计Experiment and landscape design of plant communities in shady habitat garden of East Building

10 东楼阴生生境花园中植物群落景观Plant community landscape in shady habitat garden of East Building

11 两类群落设计模式季相变化Seasonal changes of two types of community design patterns11-1 春季Spring11-2 夏季Summer11-3 秋季Autumn11-4 冬季Winter

4.3 多样性动态性的城市植物群落景观

城市建成环境的异质性带来的生境多样性是群落多样性的“容器”，在不同的生境类型下可以选择不同的植物群落设计模式。以南门花园为例，模式七实验区划分5种生境类型，实验选择4种1m×1m植物群落设计模式（图8）；模式八实验区划分为2种生境类型，每种生境选择10余种1m×1m群落改良设计模式（图8）。此外，植物群落可以选择不同的装置如钢板花池、花坛，结合绿篱、草坪等园艺种植，覆以砾石、松鳞、陶粒等覆盖物，产生丰富变化的植物景观。在东楼花园中，采用模式七组构4种植物群落，并搭配小叶黄杨（ Buxus sinica）绿篱及玉簪（Hosta plantaginea）、肾蕨（Nephrolepis auriculata ）等植物为主的园艺种植（图9、10）。

任何基于生态学理论的种植方式都必须充分体现变化的概念[30]，地被群落的形态、色彩、质感及物种多样性处于周期性动态变化过程中。南门花园中2类群落设计模式模拟西北地区自然群落原型，春季群落的色彩以绿色为主，点缀少许开花植物（图11-1）；夏季色彩丰富且有变化，开花植物较多（图11-2）；秋季色彩以秋色叶的黄色为主，开花植物减少（图11-3）；冬季部分植物枯而不倒，有景可观（图11-4）。植物群落的多样性和动态性可以塑造自然群落的“空间”与“时间”，带给城市公众持续而完整的自然体验（图12）。

4.4 低成本高效益的弹性可持续群落

群落的管理维护成本与其“非自然”属性成正比。相比一般的园艺种植，群落式种植可以降低苗木购买与建植、浇水和除草3个部分的成本。选用的乡土植物能够适应本地自然降雨条件，显著减少浇水量。通过群落的结构设计减少空白生态位，增加群落的抗杂草入侵性，从而降低除草成本。在观测期内，模式七的建植、浇水和除草为一般园艺种植的97.3%、65.7%、58.4%，模式八的建植、浇水和除草为一般园艺种植的43.2%、8.3%、18.8%。2类群落设计模式在应对极热、极寒、极旱等气候变化时具有一定的韧性。创造性管理中人力与自然力交互作用于群落，是一个再创造的过程[40]，以达到可持续性的目的。

同时，物种丰富度的增加能够提高草本群落的生态服务功能，群落建植2.5～3.5年后，模式七群落物种丰富度为3，模式八群落物种丰富度最小为5，最大为14，平均为9.2。2类群落模式具有维持更多乡土物种的潜力，其中模式七乡土植物比例为66.7%，模式八为76.4%。群落建植后为无脊椎动物提供了食物和栖息地，2类群落模式吸引大量无脊椎动物如点玄灰蝶（Tongeia filicaudis）、黄钩蛱蝶（Polygonia c-aureum）、斐豹蛱蝶（Argynnis hyperbius）、柑橘凤蝶（Papilio xuthus）、长喙天蛾（Macroglossum corythus luteata）等。

5 结语

1m×1m的“生境营造+地被群落”作为生境营造的基本单元，可以成为城市生态系统的“细胞”，在破碎化的城市生境中生长、复制、连接、扩散，在城市生态系统的不同尺度和层级上发挥更大的效益。适宜不同生境的多种群落模式可以充分利用异质性的城市生境，塑造多样化动态化的城市植物群落景观，降低管理维护成本，提高群落的可持续性和生态服务功能。多尺度多层次城市绿地单元构成的生境网络可以形成在结构上“破碎化”但在功能上连续的城市生物多样性格局，作为城市绿色基础设施的重要组成部分，带来更高的生态系统服务功能和社会效益，提高西北干旱城市人居环境质量。笔者梳理出的8种基本植物群落设计模式，除课题组已经在实验的2种设计模式外，其他模式尚未开展实践研究，需要结合场地的实验性研究探索具体的设计、建植、管理维护的方法。同时，群落的美学设计需将西北城市公众的审美需求和景观偏好融入植物群落设计实验和实践中，营造具有地域特色的植物景观。

12 模拟西北地区自然原型的植物群落带给公众多样化的自然体验Simulation of diversified natural experiences brought to the public by natural archetypal plant communities in northwest China

注释：

图1由陈宇摄，图2～3、5～12由李仓拴摄，图4由冯敬摄，图9由李仓拴设计群落实验、李莉华设计植物景观并绘图；表1由李仓拴根据中国植被区划和中国地图整理，其中表1中区划编号为中国植被区划中对区划类型的编号，植被区划类型为森林的，其自然原型为林下草本群落。