城市场地生境营造与植物群落设计评述*

王晶懋 刘 晖 范李一璇 樊亚妮

1 西安建筑科技大学建筑学院 西安 710055

2 西安建筑科技大学交叉创新研究院 西安 710055

随着各大城市的快速发展,城市化进程和建设速度不断加快,城市范围内的原有自然本底遭到了不同程度的破坏,自然生态环境受到了巨大影响。人类所处的物理环境大小是恒定的,但能够适宜物种生存的面积即生境日益减少,甚至逐渐丧失,因此,在全球城市化进程中迫切需要适合于城市绿地建设的生态设计方法。城市生态建设需要用多元化的设计语言,有针对性地提出设计方法:一方面,城市生态化建设的任务迫在眉睫；另一方面,目前国家对城市绿地系统规划的各项规范与要求,限定了城市绿地的面积和绿地率等基本指标,保障了居民对城市绿地的基础功能需要,但仅仅靠“达标”而完成的城市“填绿”工作无法使城市绿地发挥其应有的生态效益,从而导致城市建设与城市生态环境之间的矛盾更加突出。因此,国内学者开始探索如何协调城市发展与城市生态环境之间的关系,“生境营造”的理念及研究应运而生。

“生境营造”主要指在群落生态系统分析基础上的城市场地设计过程,是通过设计营建途径来改善适宜生物群落自然演替生境条件的生态设计理论与方法[1]。由于城市建成环境中存在多样的生境和生态系统,在场地尺度设计时也需要考虑场地中丰富的生态系统。生境营造主要包括场地原有生境分析及分区、建构循环供水链、群落生态种植设计、生境条件改善等过程,其中植物群落设计作为生境营造的重点环节,对不同城市生境产生深远的影响。植物群落是指在某一特定环境内,有规律的共同生活的各类植物的组合[2],一般来说,植物群落具有较为稳定的种类组成和结构。在生境营造过程中,应通过对场地所在城市乡土植物、自然野生植物群落和种类的搜集和调查等,选择适宜场地生境的植物群落进行人工组构的设计[3]。

本文在阅读国内外文献的基础上,梳理了城市生境和植物群落设计的相关研究进展,基于城市生境与植物群落之间的关系,对植物群落设计与城市生境多样性的关系及其在城市生境营造的应用前景进行分析,旨在解决当前城市发展中的现实问题,为城市生态化建设和设计实践提供参考。

1 城市生境的相关理论

1.1 城市生境营造的多维尺度

城市化进程促使城市原有的自然生境逐步丧失,本土物种逐渐减少,外来物种不断增加[4]。大量研究只关注城市中绿地宏观尺度的单一动植物栖息地规划设计,而中微观生境尺度的绿地生境营造却被忽视。规划师们在进行城市规划时常常从宏观的空间结构和用地功能出发,造成规划后的绿地往往以“填补缝隙”的方式来满足城市绿地率的硬性要求,城市绿地巨大的潜在生态效益被忽略,形成缺乏生态意义的“虚假网络”[5]。因此,只有通过多尺度、异质性的生境营造使不同的景观格局产生生态联系,才能为动植物创造良好的栖息地,为城市生物多样性的提高提供天然生态本底[6]。

1.2 城市建成环境中的生境营造

城市建成环境的定义非常广泛,涵盖了人类活动、物理设计和自然环境相结合的整个城市环境[7]。城市建成环境与城市发展和活动有着密切的关系,由建筑、道路、污染物、噪声、车辆和人流构成[8],其生态系统和生境受到较多的人为干扰[9]。城市建成环境中的生境营造旨在城市建成区,将群落生态系统与场地设计相结合,通过采用人工营建的方式改善多样化城市绿地空间下生物群落生存、演替的生境条件,从而达到提高场地的生物多样性和稳定性的目的[10]。

1.3 城市生境网络构建的发展

生境网络的概念起源于20世纪80年代的欧洲,侧重应用于野生动物栖息地保护,通过生物多样性保护与绿地系统规划,利用廊道将破碎化斑块构建成联通网络,构建自然、多样、高效的生态景观结构体系[11]。绿道网络、生态网络和生境网络之间存在承上启下的关系(图1),其中,“绿道网络”多在北美运用,“生态网络”常在欧洲使用,二者内涵基本相同,都是应用景观生态学理论从空间结构上解决环境问题的规划范式[12]。城市生境网络是以多元方式串联形成满足人们对美好生活需求的人性化绿色空间网络:从发展脉络追溯,是由线性生境廊道演变到复杂的生境网络系统；从规划空间尺度看,常用的3个尺度“区域—地方—场所”分别与“景观—生态区—生态成分”相对应[13]。

图1 生境网络格局发展框架

国内有关生境网络的研究主要集中在城市宏观尺度以及场地微观尺度。刘滨谊等[14]通过研究美国城市绿道建设历程,提出我国需要构建绿道网络体系,加强绿道之间的联系,建设多功能性绿道。贺坤等[15]在区域尺度下进行余姚市绿地生境格局优化,提出城市尺度下绿地生境网络系统构建的方法和策略。王晶懋等[16]以校园绿地作为城市街区单元生境网络构建模式的研究对象,基于生境营造的理论,对校园绿地生境网络的构成要素进行梳理和总结,并最终提炼出校园中生境网络的理想布局模式。国外有关绿地生境网络的研究较为丰富,但是目前大多研究仍停留在城市尺度的宏观层面。美国城市规划学专家Edward[17]运用景观格局指数对生境网络进行评价与分析,总结了生境网络构建存在的问题,并给出解决方法及建议。美国学者Steiner[18]指出生态网络规划需要有多学科理论和完善的政策、法律体系共同支撑。美国学者Kristen等[19]通过对鸟类迁徙的观察得出构建鸟类生态廊道的适宜宽度,提出了廊道内的人居模式与廊道外围的绿地类型。英国学者Nor等[20]通过整合绿地网络结构和斑块功能,揭示了两种鸟类(欧亚树雀和白眉黄臀鹎)在斑块间潜在的迁徙廊道和最佳路径,这对于保护生物多样性及优化城市绿地生境网络具有重要的推动作用。

城市生境多样性及连通性是城市生物多样性的必要条件[21],人工干预下的城市生态过程可以构建城市中的生境网络(图2),为部分种群提供区域—场地范围内的半自然生境斑块,形成有利于不同生物种群之间流通与联络的廊道。生境斑块与生境廊道皆包含了不同生境类型划分和植物群落设计,因此在提高城市生物多样性水平的同时,也维持着城市生态系统的物质平衡与循环。生境网络在保障不同生境间物种交流和能量交换、降低生境破碎化影响、支持物种长期生存等方面具有重要意义。

图2 城市生境网络构建途径

2 风景园林学指引下的城市场地生境营造

2.1 将生态学引入城市场地生境营造

生态学可以揭示场地内生物与环境之间的关系,风景园林能够协调场地尺度下人与自然的关系,从这个角度来看,生态学与风景园林的研究对象都涉及到场地。将生态学理论引入风景园林学科,其目的是赋予人与自然关系的生态内涵。

生境营造是通过人工营建适宜植物群落生长的场地生境条件来改善生物群落生存、演替的生境条件的生态设计理论与方法[22]。面对城市建成环境多样化异质性的生境条件,刘晖等[1]在城市建成环境中进行了实证研究,通过用生态学方法对场地进行生境分区,划分出生境类型。基于生态设计理论与方法,通过现场观测、生态本底评价、植物群落设计模式提取、计算机模拟等解决场地生态问题[23]。

2.2 城市生境尺度与类型划分

研究表明,城市破碎化小尺度生境使城市物种结构更加丰富化,荷兰通过自然保护区与生态廊道将破碎化的斑块生境进行整合,将大量小生境纳入国家生境网络规划中[24]。美国学者Walker[25]发现,在群落水平上,乡村生境比城市生境中的植物种类更为丰富,但在整个区域内,城市物种数量明显大于乡村。干靓[26]从人与自然全域叠合的视角提出“多重生境”的概念,将生境划分为近自然农林与水域生境、半自然公园绿地生境、半人工休闲绿化生境、人工硬质界面生境和人工废弃—自然演替生境,为在城市规划建设中保护生境和提升生物多样性提供参考。

在不同的时间尺度和空间尺度上,生境中物种的相似度水平和基因多样性也存在着一定的差异。在宏观尺度上,生物多样性保护在生境营建中具有两种途径:以物种为中心和以生态系统为中心。以物种为中心更侧重于对濒危物种本身的保护,以生态系统为中心则注重对自然栖息地和景观生态系统的整体保护,从而实现生物多样性保护的目标[27-28]。在中观尺度上,建筑物布局、道路交通、土地利用、绿地分布对生物多样性起着决定性作用,但诸多实践项目在中观尺度生境网络规划中忽略了对栖息地的保护,从而使生境营造出现破碎化、零散化。在小尺度生境范围内,风景园林要素中的地形条件、水文分布、植被结构等是决定物种分布的关键因子。因此,要结合风景园林要素选择合理的生境因子,并以此为依据划分生境类型,有针对性地探索影响生物多样性的关键因子。

3 基于城市生境营造的植物群落设计研究与启示

3.1 城市建成环境中的植物群落设计

当前城市建成环境中的植物群落设计日益凸显出一些问题,主要表现为植物群落不稳定、对场地生境适应性差、物种多样性减退及较高的养护成本等。具体为:1)植物生长状况较差。部分植物群落对场地土壤的适生性较差,出现成片枯萎死亡,生长状况没有达到预期。2)植物的适旱与耐积水性较差。暴雨后种植池能够蓄积雨水,其他大部分时间干旱,这对植物的适旱耐积水能力要求较高。3)后期养护成本较高。目前多采用传统的园艺种植方式,虽然植物群落可快速成景,但这种观赏性种植需要定期灌溉、施肥、除草、更新和置换,一旦失去持续养护,便会出现生长状况差、存活率低等现象[29],因此,此种植方式会高度依赖资源消耗,且对环境的改善作用微不足道。

在城市建成环境中,植物群落设计是调和人为审美秩序和自然内在秩序的重要途径。植物群落设计需要聚焦在最短时间内使群落趋向相对稳定的自组织状态,从而更好适应外部环境变化和人为干扰[30]。生境的选择和优化可以介入场地设计程序之中,采用拟自然设计和最小限度干预的方式[31],塑造多样化、动态化的城市植物群落景观[32]。基于生境营造理念,通过优化植被布局与改善场地生境条件进行植物群落设计,将会促进植物在城市建成环境中的合理应用,进而提升植物群落的生态服务功能。

3.2 城市生境多样性与植物群落设计的联系

城市生境多样性与城市绿地系统中所容纳生物资源的丰富程度有一定联系,城市生境多样性的保护可以通过绿地建设来实现。研究城市绿地中植物群落的物种丰富度现状及其影响规律,科学构建植物群落是实现保护和建设城市生境多样性的重要途径。美国城市生态学专家Richard[33]认为在城市中可以通过优化绿地布局,建立一个有效运行的“整合型城市绿地系统”。城市生境多样性代表了城市环境内生境类型的丰富程度,生境类型丰富度越高则生境多样性水平越高。通过控制生态因子营造出相应的场地微环境,在满足植物群落正常生长需求的同时,也丰富了场地生境类型,这能够在一定程度上改善城市生境多样性。与此同时,在进行城市建成环境场地生境营造过程中,可通过适宜性植物群落设计来改善场地的生境状况。合理的植物群落结构能发挥更好的降温增湿效应,有效调节场地微气候条件；不同植物种类在场地内不同生态位的合理分布,能够搭建资源利用互补的种间关系[34],在维持群落稳定的同时,也在一定程度上提高了场地生物多样性水平。

不同生境类型所对应的适生植物群落结构也不同,这就需要与之相匹配的植物群落设计方法。基于植物和土壤、地形、日照、温度、降水量等场地生境因子之间的关系,采用近自然的人工种植方式,营造出结构稳定、功能突出、养护成本低、景观价值高的复层植物群落,这样既避免了植被结构及功能单一,又构建出多物种和谐共生的立体植物群落[35],从而优化生境多样性和自然度水平,增加植物群落的物种多样性及景观的观赏性[36]。在设计实践方面,刘晖等[30]以“人工地被植物群落组构”和“自生地被植物群落组构”为研究对象,将场地生境营造模式应用到城市建成环境中,在校园绿地中营造了以1 m2作为植物群落组构及设计的基本生境单元,这种小尺度绿地空间为植物群落的多样性设计和建成环境中的破碎化绿地建设开辟了新的途径。

关于植物群落生态设计方法研究与实践,涉及到“生境与最适物种”“个体生态量与群落生态效应”“群落食物链结构优化”等方面[37],这些研究大多体现在种植设计的方法层面,并将植物群落的外表形态和结构作为研究主体。另外,景观设计师也提出了一些关于植物群落设计的方法,但大多只注重植物景观的视觉美观效果,忽视了植物群落的生态功能和价值[38]。而对于城市生态学发展非常重要的生境研究,往往集中于特定类型的城市区域,在植物群落设计方法和与其相关的生境营造研究还没有形成成熟的体系。因此,迫切需要融合多学科知识开展场地综合设计,结合设计结果实施、设计方案原则、学术研究语境,在转换思维模式的基础上,构建可实证的生境营造实验性研究与设计语言的转换框架(图3)。生境营造将生态学理论转化为设计语言,通过设计语言的表达将生态学理论应用于实践,建立可以指导实践的生态学基础理论的生态设计语言体系[39]。

图3 生境营造实验性研究与设计语言的转换框架

3.3 人工植物群落设计在城市生境营造中的应用前景

自然植物群落的外观与内在的群落结构和种间关系,可为城市植物群落设计提供原型[40],并作为人工植物群落设计的依据。以生境营造理论为指导进行植物种植设计,可有效改善城市生物多样性,并可为无脊椎动物及昆虫提供栖息环境；具有固碳及应对气候变化等生态系统服务功能；能够节约场地管理维护成本；是连接自然、促进公众认知和自然教育的重要途径。随着景观设计师对城市生境理解的加深,在进行植物种植设计时应更加注重植物的生境适应性。近几十年来,动态的、可持续的、强调生态功能的自然主义植物群落营建在欧洲和北美的城市景观中渐成趋势,但在特定的城市绿色空间内扭转生物多样性丧失或增加生物多样性的指导方针仍然欠缺[41]。

4 结语

城市生境和栖息地是城市生态与生物多样性的重要基础,研究适合城市生境类型划分与网络构建的方法,并逐渐形成城市生境多样性完整的研究体系,是将来城市生境营造研究的重点内容之一。在城市建成环境下,需要综合考虑场地生境条件的模拟、分析、预测与植物群落连续性设计的必然联系,为提出绿地空间生态设计理论与生境营造方法创造条件。未来研究仍需要基于自然生境要素提取影响城市生境的因子,并开展关于城市场地生境营造与植物群落设计的科学实验及设计实践,为城市生物多样性保护提供理论与实践依据,从而维护城市生态系统的可持续发展。