城市生境及其植物群落设计——西北半干旱区生境营造研究

刘晖 许博文 陈宇

生态学者的大量研究成果表明：城市生物多样性依赖于城市绿色空间的质量、规模和空间结构，其持有的生态系统服务功能对人类福祉具有重要价值。研究者对既有城市绿色空间生物多样性进行分析评价，形成基本共识：城市生境能够在区域和全球范围内支持地方特有的本地物种和其他濒危物种[1-2]，尤其是植物和无脊椎动物[3-4]；植物群落是城市生物多样性的基本保障[5-6]；城市绿色空间的各种尺度都具有生物多样性价值[7]90；绿色空间的异质性、多样性和连接度形成的空间格局，对城市生物多样性具有重要意义[8-11]。

笔者基于风景园林实践中相关生态学理论方法应用层面的系统梳理，结合课题组在西北半干旱区城市场地生境营造的理论与实验性研究探索，论述生态学介入规划与设计不同空间尺度的匹配关系及研究范式，提出城市生境及其植物群落设计的关键问题，探讨指向设计实践的风景园林生态学研究方法。

1 城市生境特征及其营造途径

1.1 城市生境内涵及特征

以城市生态学研究视角来解释城市生境的概念，可理解为以下3个方面。

1）城市生境是指城市范围内维持生命机体生存与繁衍的环境条件[12]。它可以表现为城市的植被，或植物群落，或生态系统[13]。大量的城市生态系统研究从植被的角度切入分析城市生境的形成和特征，因为植物是生态系统中的主要生产者，也是人类可实施干预的对象。城市生境所表现的植被无论是自生的，还是人类种植的，都可描述为一种植物物种的组成方式及其生长演替所适应的环境条件。与自然界的生境特点一样，相同的城市生境类型可具有相同的植被类型。

2）城市生境以城市绿色空间为载体[14]，呈分散、破碎和孤立的分布状态，具有典型性强、重复性高的特征。研究表明，生境破碎度是评价自然环境生态系统优劣的重要指标，但不适于对城市小型、分散绿地的生境质量进行评价。城市生境破碎而孤立，但并不代表其生物多样性的丧失。城市原有生境的有效保护修复和规划设计营建可带来更为丰富的生物多样性，直接或间接地服务于人类健康和幸福。

3）城市生境由独立绿化场地及其空间网络共同建构。这里既包含了城市建设用地中的绿地系统，也包含其他人工绿化形式，如屋顶绿化等。场地立地条件和绿化方式构成城市绿色空间体系的植被特征，影响着城市生物多样性的自组织①方式和演替规律，进而影响城市生态系统质量。

1.2 城市小尺度生境及其网络的生态价值

城市生态学研究认为城市提供的生态系统服务依赖于城市生境斑块的空间排列，特别是斑块的大小、连通性和异质性[7]92。同时，城市生境尺度依托于建成环境绿色空间的形态和结构，具有一定的空间单元层级性和系统性。尽管局部变量（如小型绿化场地）和较大规模变量（如城市或片区的绿色空间体系）如何影响城市生物多样性仍是一个存在争论的领域，并且城市生物多样性会随不同分类单元的规模依赖性而变化[7]93；但有证据表明，局部因素，尤其是斑块的尺寸和质量，对于城市生物多样性的保护至关重要[15]802,[16-17]。

城市小尺度生境斑块更加多样和复杂[18]89，同时，由于城市生境的破碎化和不连续性，城市物种更多地依赖于城市小尺度环境的生境空间体系。在小尺度范围内，生境特征、植被结构、管理强度和土壤微环境等因素可能是决定物种分布的关键因素[19]。在许多国家，小尺度绿地是城市绿地与城市生境空间体系的重要组成部分，可提供相当可观的城市生物多样性效益。从局部尺度绿地空间的评估成果来看，小尺度绿地更能体现城市绿地空间架构的多样性，具有改善小气候的潜力，社会价值较高[20]。同时有研究表明，城市中的小尺度花园是城市生物多样性保护的重要场所，其互相联系所构成的绿色空间网络能够在城市多个空间尺度上对生物多样性发挥保护作用[7]90。

1.3 城市“生境+植物群落”模式

“生境+群落”是自然生态系统的基本组成单位[21]，城市绿化场地及空间格局的“生境”与人工干预下的“植物群落”构成城市生态系统的基本生境单元。城市“生境+植物群落”模式中，绿化场地生境条件可以通过工程技术措施介入场地设计，绿化场地生境条件也称植物立地条件，即植物及其生存的非生物环境因子，如气候、土壤条件、水文等。植物群落可通过人工设计和建植形成。城市建成环境场地生境的类型化特征可使其被划分为多种生境类型，而其异质性特征则为多样化的植物群落建构提供条件。

植物群落是植物个体按照一定结构组成的一个完整的自组织系统[22]，其具有稳定提高城市物种多样性和生态系统服务功能的潜力。设计师能够通过植物的种类、配置、组构和演替创造与生境具有互适性，并且兼具功能性、美观度和低维护成本的植物群落景观。由于城市生物多样性的营造须通过健康的植物群落才能得以实现，因此需要不同种类、配置和组构方式的植物群落来支持。

1.4 城市生境及其植物群落设计研究框架

生态学科关注生物多样性及其生境和群落，建筑类学科关注城市绿色空间系统中场地和植物景观设计，二者共同指向城市生物多样性及其带来的城市生态系统服务功能（图1）。场地生境条件评价与改善，以及生境的空间网络建构，可以作为城市绿色空间设计营建与城市生物多样性评价保护之间转化的桥梁。课题组基于群落生态学与场地设计的相关性，提出“生境营造”的概念：基于城市绿化场地中光照和水文等因子主导下的生境类型多样性和异质性评价，通过竖向和土壤的设计改善，优化生境条件，人工建构适宜的植物群落，并连续2～3年进行群落演替评估和持续性干预，使植物群落达到一定稳态和景观效果的设计方法。

2 半干旱区城市场地生境构建实验性研究

课题组多年来以西北半干旱地区城市场地生境及其地被植物群落景观组构开展大量的调查、实践与实验性研究，探索城市场地生境及其植物群落景观建构的设计方法，在城市场地生境类型划分、地被植物群落组构模式、连续性设计等方面，取得一定的研究成果和经验教训。

2.1 场地生境类型划分

城市场地生境类型划分及营造可通过光照、水文、地形、道路铺装和建构筑物的布局与优化设计来控制。利用人工建造改善生境因子，营造各类植物群落生长演替的环境条件，形成展示自然内在秩序的空间组织[23]。基于生境因子的理论分析和实验基地的观测研究，生境类型划分依据主要为日照特点和土壤含水率两方面的参数变化对植物群落演替的影响。在城市建成环境中建构筑物和乔木分布使得场地呈现出高度的光照异质性，而其下垫面特点和竖向关系使场地中的降水再分配，从而在场地形成明显的干湿分区。日照特点可根据场地周边建筑和乔木分布情况以及场地的纬度计算得出，场地干湿分区可通过对场地土壤含水率的长期监测进行划分。

课题组以场地日照特点、土壤含水率为划分依据对场地生境类型进行初步划分。通过实验观测，验证并界定影响日照因子的参数，借助AutoCAD计算机设计软件平台，采用C++编程设计工具箱，模拟日照因子影响下的生境分区[24]。并通过对实验场地设定监测点对其土壤含水率进行监测，按照土壤含水率的监测数据，以25%的土壤含水率为分界线，将场地划分为湿地和旱地两大类[25]。将场地中不同的日照因子和土壤含水率因子进行叠加，可得到阳生旱地、阳生湿地、建筑东照半阳生旱地、建筑东照半阳生湿地、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、植物阴生旱地和植物阴生湿地12种典型的城市生境类型[26]。

2.2 地被植物群落组构设计

地被植物群落是城市生态系统中的重要成分，在营造城市生物多样性方面具有不可替代性。根据西北半干旱区生境原型特征调查，结合实验研究的可行性，课题组选取地被植物群落组构作为研究对象。

参照场地设计及人体工程学尺度，选取1 m×1 m为基础样方。1 m×1 m的样方即可包含一个完整的地被植物群落生态系统[27]，相比大体量的乔灌木，这使地被植物群落在破碎化城市绿地中应用更加灵活多样。草地作为西北地区重要的自然植被类型[28]，包括灌丛草甸、山地草原、禾草草原、蒿类草原、荒漠草原、林下草地等多种类型[29]，这为城市植物群落设计提供了原型；草地群落的外观与内在的群落结构和种间关系可作为人工植物群落设计的依据。根据国内外在植物群落设计方面的研究发现，植物群落建植过程基本划分为4个步骤：场地准备、植物群落建植、群落演替及管理维护，其中人力与自然力的参与方式不同，植物群落设计可总结为8种模式[18]91。课题组选择“人工地被植物群落组构（空白场地—人工设计—自然演替—人工管理）”和“自生地被植物群落组构（自生群落—人工改良—自然演替—人工管理）”两种进行实验性研究（图2、3）。群落生态功能的发挥依赖于其结构[30]。完善而稳定的结构设计有利于群落充分使用场地生境资源，减少空白生态位（open niche），从而增加群落的抗杂草入侵性（稳定性）和生态效益。

人工地被植物群落组构以群落生态学中的“层片”理论为依据，设计上采用“结构层+季节主题层+地面覆盖层”3层垂直结构。文献研究表明，西北地区自然草地物种丰富度指数为2.7～6.0[31]，课题组通过调查获取西北地区典型城市不同生境半自然植物群落物种丰富度，其中阳生旱地生境为3～7，阳生湿地生境为2～6，阴生旱地生境为2～5，阴生湿地生境为3～8，均与西北地区自然草地物种丰富度相吻合，因此人工地被植物群落1 m×1 m样方物种数可确定为3～8种。每个样方群落实验中选择1个建群种作为结构层植物，搭配2～3种季节主题层植物。同时，由于地面覆盖层具有土壤保湿的重要功能，是人工地被植物群落组构的关键，因此在组构实验中采取砾石和松鳞替代地面覆盖层植物。人工地被植物群落组构是一种以景观效果为主、生态功能为辅的地被植物群落设计模式，适宜于校园绿地、居住区绿地以及城市开放空间等以景观效果要求为主、生态功能诉求为辅的场地。

自生地被植物群落组构采用“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，以植物群落设计美学原理和种间竞争原理为依据，向演替中的城市自生植物群落中引入栽培植物，并按照分层的方式对群落进行改良。自生地被植物群落组构能够在有效利用城市自生植物群落生态功能的同时兼顾其美学特征，并有潜力成为一种新的植物群落景观设计模式[32]。这种模式在城市河道生态修复、简单式大面积屋顶绿化、湿地公园植物景观设计等方面具有较好的应用前景。

2.3 街区尺度城市生境空间格局构建

街区生境单元是城市生境网络的重要组成部分，具有典型性、类型化、重复性和可实施性等特点。城市生态学家指出，整个城市可以看作是一个生态系统，而城市中的一部分亦然。街区单元作为构成城市规划建设的基本单元，具有可规划实施价值。中国现代城市规划街区单元一般由城市道路划分和围合，不同用地性质按照规范设计，空间形态具有相似性和重复性。同时，典型街区的尺度（100～500 m）与景观生态学研究中最小景观镶嵌的尺度（1 km×1 km）范围相吻合。研究表明，街区中规划绿道、公园和广场的生态设计规模最大范围约为2 000 m，最佳范围约为300 m[33-35]。

相比于自然和乡村景观，城市街区景观镶嵌体包含的要素较为复杂，其生境主要依托于街区单元绿色空间体系，与建构筑物和道路铺装等人工覆盖物构成空间图底关系（图4）。同时由于规划建设单元中的街区绿地和道路绿地的空间特征趋同，使得城市街区景观镶嵌体具有典型性特征，成为城市生境网络建构的有效途径。

街区单元因用地性质和规划建设方式不同而具有不同的空间特征。1）通过城市街区空间格局、规划控制指标及生境条件的理论研究和案例调研，课题组初步筛选出建筑外环境空间、公园绿地及广场空间和滨河及道路带状空间3类街区生境单元。根据街区用地性质和建设模式形成的绿色空间结构特性，城市街区生境单元包含居住建筑小区、大学校园、办公商业街区、公园绿地、广场或开放绿地、道路和滨河带7种空间格局单元类型。2）针对街区单元中生境绿地率指标、生境绿地空间分布、水文空间过程、城市小气候分布特征及土壤类型分布特征的影响因子，运用GIS等软件分析和计算机模拟，建立数据库，提出典型城市街区生境单元模型（图5），进而对街区生境单元中的生境构成要素与场地设计影响因子进行分析，提炼出街区内不同绿地生境斑块的典型构成要素。3）运用Mapping分析法对街区生境单元的空间特征，如尺度、规模、形状和空间位置等要素进行相关指数分析，揭示生物多样性提高与典型空间要素的相关关系。

3 结论与思考

城市生物多样性的研究存在于多个学科和实践领域中，针对中国城市绿化建设特点及需求，城市生境及其植物群落设计可作为风景园林学科介入城市生物多样性研究的切入点，该领域研究的核心问题在于：

1）生态学与风景园林学之间研究范式的转化，需要将生态学研究变量及变量关系转化为设计变量及变量关系，即设计要素和要素之间的关系。

在实践应用中需将生态系统的空间性表达出来，因此基于设计的生态学知识原理转化研究显得尤为重要。学科交叉时研究范式必须进行桥梁式的转换，寻找“桥梁”是该领域研究的关键。课题组提出的城市建成环境的生境营造研究方法将生态学研究变量及变量关系转化为设计变量及变量关系，旨在人工营建适宜生物群落自然演替的场地生境条件及城市基本生境单元，通过适生群落栖息地所构成的多样化城市绿地空间形成人工干预下安全的城市化生态过程[36]。

2）“生境+植物群落”景观建构的实验性研究方法是理论与实践之间的转化的途径。

风景园林是注重实践的学科，其根本的使命在于实践。实验性研究是设计研究中“设计即是研究”的一种类型。针对生态问题，国际设计界近年出现了几个新的词汇“试验设计学”“设计生态学”等。这些说法的核心就是设计项目是生态理论尝试的过程与途径，空间设计可以作为理论科研的小型“试验场”[37]13。这样的研究成果必须要在实践中获得，而实验性研究就是一种成本更低的研究途径。实验性研究可模拟、可重复、可控制，也可接受实验的失败。“试验设计”强调小尺度而非大规模的设计、强调以理论为依据而非仅假设的设计、强调风险可控避免不计后果的设计。国外有学者也将此称作即使失败也很安全（safe to fail）的设计[37]13。以实验设计为基础的空间建构与未来设计是风景园林专业的强项与核心，也是能够和其他学科对接的焦点[38]。

课题组近5年实验实践研究发现，大量非传统园艺植物和野生植物具有良好的适应性和视觉景观效果，但市场苗源相对匮乏，对其引种育苗，并进一步进行群落组构实验和推广工作亟待开展。与此同时，如何基于社会—生态系统视角探索公众对于城市生物多样性感知方式和视觉审美偏好及其在不同地域文化和社会经济群体间的差异将是下一步研究的重点。

3）建立城市建设与城市生态系统之间的空间匹配关系。

城市生态环境建设是风景园林学科的重要命题，适宜该尺度的生态学知识转化研究和生态设计研究应该被重视。景观生态学提供了城市绿地生态学所需要的多尺度空间的理论和工具，但针对城市绿色空间生物多样性保护，仍需要继续研究物种生活史以及物种对当地和景观因素的反应[15]802。不同的种群在不同空间尺度上感知并响应景观结构，这取决于种群物种的移动能力、生活史特征、生命阶段和物种季节等诸多因素[7]93,[39]。但是，城市规划建设与生态过程尺度层级不匹配在城市生态系统中普遍存在。对于一些分类群（例如土壤生物），其部分种群可在小尺度花园中生存和活动，然而许多提供重要生态系统服务（例如授粉和种子传播）的大型或移动分类群在比单个花园（即花园群和相邻的城市绿地）更广泛的范围内活动。为适当考虑多数分类群的规模依赖性，很可能需要在多个空间尺度上进行研究和管理[7]93。

城市生态系统各层次尺度中，街区单元中的绿化场地因具有生境多样、分布广、重复性高的特点而具有普遍性价值。街区单元作为城市生境单元，只有街区内破碎化绿化用地的植物群落多样性丰富且绿地之间生态学意义上具有有效连通性，才能发挥更大的生态效益。基于最小成本路径法，以障碍影响指数、景观连接度指数或景观结构指数等为主要影响因子进行计算分析，可建立城市街区生境单元网络建设的优化指标。

笔者通过建构风景园林学科在城市生境及其植物群落设计领域的基础理论和研究框架，探索指向风景园林规划设计的城市生物多样性营建方法，旨在解决中国城市绿化设计方式单一、绿色空间和生境资源浪费的现实问题，进而为城市生境营造和修复提供契机，使城市绿色空间在提高城市生物多样性的同时，提供更广泛的生态系统服务功能，为人类健康和福祉做出持续贡献。

注释(Note)：

① 自组织（self-organizing）的概念来源于“生态系统的自组织”，即生态系统这一开放系统，通过与外界进行物质及能量交换，自发调整生物与环境及生物与生物的关系，建立起相互联系、相互依赖并能完成特定功能的有序结构，且拥有不断向前发展和进化的自然过程和行为。

图片来源(Sources of Figures)：

图3-1由李仓拴拍摄，其他图片均由作者绘制或拍摄。