河南农业大学郑州市文化路校区生境划分与营造

汤瑶， 郭玲子， 徐恩凯， 田国行

(河南农业大学风景园林与艺术学院，河南 郑州 450002)

由国务院批复，国家发展和改革委员会印发的《促进中部地区崛起“十三五”规划》文件中提到,支持郑州、武汉建设国家中心城市[1]。其中强调“生态环境质量总体改善：自然生态系统稳定性全面提升，物种资源丰富度和草原综合植被盖度增加，湿地保有量达到520 hm2，森林覆盖率达到38%以上[2]”等一系列要求。快速城市化过程在带动经济发展的同时，提高了城市下垫面的复杂性，建筑、水面、硬质铺装和植物的不同布局组合形成了丰富的城市空间，但也改变了城市冠层内大气循环和能量传递规律，在城市中衍生出不同的气候区，为生物提供不同于自然生境的特殊城市生境[3]。国内外针对绿地生境的研究目的和提升目标不同，梁闯[4]通过分析校园绿地生长所需的生态因子，来探讨如何提高校园小气候舒适度。冯嘉星[5]通过软件模拟来分析日照这一生态因子和场地的关系，而刘晖[6]则是通过试验观测来探讨不同日照条件对地被植物群落的影响。除了日照外，还有不少研究从土壤[7]、湿度[8]和风[9]等生态因子入手，探讨场地内该生态因子变化对绿地生长或环境的影响。冀倩茹[10]从绿地功能、绿地空间形态、土地利用分类上对绿地生境进行划分。但是，绿地的划分也割裂了各类绿地之间的联系，需调整原有的绿地格局，引入新的景观组分，重新恢复被人类活动中止或破坏的绿地之间的联系[11]。大学校园是集居住、办公、休闲活动和景观游览于一体的综合性单位，一般建校时间长，绿地率高，校内丰富的植物群落吸引了大量生物以此作为栖息地。作为城市绿地重要的组成部分，其承担着保护生物多样性、调节城市气候、维持城市生态系统等功能。河南农业大学郑州市文化路校区建校时间较久，校内雪松、广玉兰和重阳木等植物生长年份长，具有很大的观赏价值和保护价值，然而早期校园规划建设时通常将绿地作为附属的一部分，缺少科学的场地条件分析和空间设计，大面积集中式绿地较少，校园内多为建筑附属绿地，绿地生境虽稳定但生态效益的发挥有很大的局限性。本研究期望通过对地处河南郑州市的河南农业大学校园生境进行划分，将场地的生境条件进行归类，并对每类生境提出生境营造建议，为大学校园绿地建设和生境保护提供新的思路。

1 研究区概况

本试验选择河南农业大学(郑州市文化路校区)作为生境划分研究场地，研究区位于农业路与文化路交叉口，也是郑州市北二环和北三环的交界区。学校创建于1902年，共占地 21.5 hm2。本次调查选取了其70个样点，样点分布见图1。

图1 河南农业大学郑州市文化路校区调研样点分布图

2 划分依据

2.1 城市局地气候区划分

生境又称栖息地，不仅指生物的个体或种群生存繁衍的空间区域，也包括该空间区域的生态环境及各物种之间复杂的关系[3]。生态系统由生物群落和生境构成，生境由气候环境和土壤环境共同影响[12]。城市下垫面和城市空间改变了城市气候，在城市内部产生了丰富的气候类型，形成了局地气候区，为生物群落提供不同的气候环境。

城市局地气候区(Local climate zones，LCZ)针对城市表面进行划分，划分后的每一气候区内地表覆盖、结构、材料和人类活动都相对一致，每个LCZ的最小直径为400～1 000 m，即半径200～500 m，以便每一气候区的边界层完全位于其内部区域，不会和其他LCZ重叠[13-14]。城市空间的差异导致城市局地空气温度的差异，因此，LCZ不是依据气候统计数据或气候现象直接进行划分，而是根据城市空间形态进行分区。郭煜琛[15]在研究郑州市空间形态对城市热环境的影响时得出，STEWART等[13]划分的17种城市局地气候类型中，郑州市共有13种，包括7种建成型和6种地表覆盖型。根据其研究得出,河南农业大学郑州市文化路校区内共存在5种局地气候类型(图2)，分别是紧凑低层(LCZ-3)、开敞高层(LCZ-4)、开敞中层(LCZ-5)、开敞低层(LCZ-6)和密林区(LCZ-A)。

图2 河南农业大学郑州市文化路校区局地气候区分布图Fig.2 Map of Zhengzhou Wenhua Road campus of Henan Agricultural University for local climate differentiation

2.2 城市空间组成

城市空间是指城市内部由建筑、构筑物、道路、植被、硬化铺装和水面等多种要素通过不同组合形式界定或围合而成的空间[16]。根据城市空间各要素组合情况可将城市空间分成6大类，分别是由建筑和硬质铺装组成的生境、由建筑和绿地组成的生境、绿地型生境、水体型生境、广场型生境和城市荒野生境。

2.3 城市空间形态

除了城市空间的组成产生气候差异进而影响生态因子，导致绿地生境改变的另一个原因是城市空间的形态，城市空间形态指城市内部空间的形式与状态，以及其形成和演变的内在机制[16-17]。一般选取建筑高度、建筑密度、植被指数、不透水率等城市空间形态指标进行描述。高层建筑相较于低层建筑，会产生更大的阴影面积；密度较大的建筑群相对于零散建筑群更不利于风循环；在植物群落结构中，乔灌草搭配的群落在阻挡强风，疏导城市热循环效果最佳，仅有地被层的绿地效果最差；绿地或可透水铺装相比较硬质铺装具有更好的保温效果。城市空间形态和空间组成影响城市局地气候，城市局地气候又调节着生态因子，进而改变城市生境。

2.4 场地设计要素对生态因子的影响

即使在同一气候类型下，由于场地环境条件和空间类型不同，植物生长所需的生态因子也会改变，产生微气候，而这些生态因子又与建筑、道路和水系等场地设计有关。局地气候区的划分，只对气候环境做了一个大致的分类，未涉及到绿地外的建筑阴影、光照条件和风环境等场地条件，因此还需在局地气候的分区下，结合场地设计对绿地生境进行细分。植物生长所需的光照、湿度、温度等，与场地条件有关。建筑阴影可为绿地降温增湿，建筑墙体既可阻挡垂直风侵袭，又可与其他建筑配合形成回流风，产生“峡谷效应”，降低温度；铺装地面的坡度坡向可改变水的流向和流速，产生积水点或冲刷点。因此，场地内的各种空间类型或结构形态都可通过选择或替换景观元素，或是改变景观地形[4]，来改变场地生态因子，创造更适宜生境。

在Rhino软件中建立河南农业大学郑州市文化路校区的校园建筑模型，然后通过Ladybug参数化插件中的Ladybug sunlight hours analysis建立电池组，对校园内日照时长进行分析[18]，以此推断校园建筑对光照的遮挡情况，模拟界面见图3。由于天空视域因子(Sky view factor，SVF)拍摄日为2020-09-24，因此在日照模拟分析时，分别选择2020-03-24、2020-06-24、2020-09-24和2020-12-24这4 d的8:00—18:00进行模拟，模拟结果见图4。此外，还选择3月、6月、9月和12月4个月份模拟该月内8:00—18:00的日照总时数，模拟结果见图5。通过模拟结果分析可得出,最南侧一排建筑对场地阴影影响最大，除夏季外，几乎无光照射入。此外，对场地光照影响较大的建筑还有图书馆、工程楼和机电教学实验楼等。

图3 Ladybug模拟日照时长时的工作界面

图4 Ladybug模拟单日日照结果图

图5 Ladybug模拟单月日照结果图

对河南农业大学郑州市文化路校区内场地空间构成、场地性质、场地气候环境、人工干预程度和场地优势植物种类等进行现场调研获取基础数据，并提出相应的生境营造策略。场地条件分析和生境营造策略见表1。

表1 河南农业大学郑州市文化路校区场地条件分析和生境营造策略

续表1

2.5 空间围合程度

天空视域因子(skyviewfactor，SVF)是用于描述城市三维几何结构的城市形态参数之一，指夜晚从城市地面发出的长波辐射，一部分被树木、建筑物等障碍物阻挡并吸收，另外一部分则被射向天空，这部分被释放的辐射与总的辐射比被称为SVF[19-20]。SVF影响着场地接收和发射热辐射的能力，因此太阳波段入射量和反射量与城市空间围合程度有关。在进行绿地布局设计时，可通过提高植物间的高度差来提高风速，或增加植物数量提高场地湿度条件[21-22]。

通过Ladybug模拟的日照时长分析仅考虑建筑对光照的影响，未考虑植物或者其他构筑物等遮光因素，因此还需参考SVF。校园的SVF数据通过植物冠层仪(CI-110)进行测量获取，植物冠层仪可用于测量天空开阔度和叶面积指数(Leaf area index，LAI)，LAI指单位面积内叶片面积占总面积的比率，可表示植物叶片对场地光照的遮挡情况。冠层仪前端的广角镜头可拍摄出鱼眼镜头图像，配合手柄处的24个PAR光合有效辐射传感器，可得出进入场地的光辐射量占总太阳辐射量的比例。将鱼眼照片导入Rhino，选择Ladybug中的Ladybug gen cumulative sky mtx操作选项，可对鱼眼照片进行日照轨迹分析，日照轨迹线中呈白色的区域指太阳光可以照射到场地的时间，黑色则指在该时间段内无太阳光照射。由于调研时间的局限性，本次拍摄仅在2020-09-24进行，未考虑不同季节植物落叶情况对SVF和LAI的影响。将植物冠层仪拍摄的照片导入Photoshop软件进行处理，可更好的区分天空和非天空区域的边界，照片示例分析见表2。校园空间围合程度分析见图6。

表2 植物冠层仪拍摄照片分析表

图6 校园天空视域因子分布图Fig.6 Sky view factor distribution diagram of university campus

3 结果与分析

依据5个划分依据，河南农业大学郑州市文化路校区生境划分结果分别是(1)建筑旁绿地生境：(围合空间)建筑阴影+硬质铺装；(半开敞空间)建筑阴影+硬质铺装；(围合空间)建筑南或北面全阴影+绿地；(半开敞空间)建筑南或北面全阴影+绿地；(围合空间)建筑东面或西面全阴影；(半开敞空间)建筑东面或西面半阴影；(半开敞空间)建筑南面无阴影(2)道路绿地生境：(围合空间)道路全阴影；(半开敞空间)道路全阴影；(半开敞空间)道路半阴影；(围合空间)道路半阴影(3)(半开敞空间)边界型绿地生境(4)广场或室外运动场生境：(开敞空间)硬质广场或运动场；(半开敞空间)硬质广场或运动场(5)(围合空间)群落型绿地生境共15种生境。同时，建筑旁绿地生境占20.4%，道路绿地生境占23.5%，边界型绿地生境占6.1%，广场或室外运动场生境占36.7%，群落型绿地生境占13.3%。生境分区结果见图7。

图7 河南农业大学郑州市文化路校区生境划分分区结果

4 结论

通过Ladybug里的日照分析插件，结合场地实测SVF数据，将河南农业大学郑州市文化路校区校园生境进行了划分，总结得出以下结论：

(1)河南农业大学郑州市文化路校区校园内共存在5种局地气候区类型，分别是紧凑低层气候区、开敞高层气候区、开敞中层气候区、开敞低层气候区、密林气候区。

(2)校园中最多的生境类型为建筑旁绿地生境，共有7种。

(3)校园中面积最大的生境类型为室外运动场生境，占36.7%。

(4)建筑旁绿地生境主要受建筑遮光影响，因此在生境营造中根据日照情况选择对应生长习性的植物，同时增加地形变化，形成汇水区和排水区，产生不同的土壤湿度环境；道路两侧建筑楼间距影响道路绿地生境的日照环境和风环境；广场或室外运动场多采用硬质铺装，绿地率低，硬质铺装相比绿地来说比热容小，温度和湿度环境变化较快；边界绿地受城市道路上的汽车尾气污染，且管理相对粗放；群落型绿地生境质量最好，植物种类多长势好，为校园内鸟类、昆虫或微生物提供丰富的栖息地，维持了生物多样性发展。

相较传统的根据场地功能分区来进行植物选择，先通过场地生境条件进行生境分区再对绿地生境进行提升则具有更好的科学性和生态性。生境划分通过对场地空间构成和类型进行了梳理和分类，找出可通过人工干预改变生态因子的设计方式，使城市绿地在城市特殊生境中朝着正演替方向发展，为城市绿地系统的构建提供了新的思路。然而，生境营造是一个缓慢的过程，短时间内较难比较出生境前后的变化，需要长期对绿地各生态指标进行监测和统计分析。建立数据库、制定一套科学的生境评价指标体系是后期的主要研究内容。