基于場地生境營造的城市風(fēng)景園林小氣候研究

王晶懋 劉 暉 宋菲菲 郭 鋒

隨著中國城市化水平的不斷提高，城市人口劇增造成了城市用地緊張的局面，這就促使更多的近郊農(nóng)田和林地被城市所吞噬，取而代之的是高大密集的建筑物、縱橫交錯的混凝土路面和星羅棋布的硬質(zhì)鋪裝廣場。這種城市建成環(huán)境中不均勻的下墊面狀況及人類活動排放出的廢氣和熱量，明顯改變了城市環(huán)境的氣流走勢與溫濕度條件，極易造成城市熱島效應(yīng)，嚴(yán)重制約了城市小氣候環(huán)境的自我調(diào)節(jié)能力，并大大降低了人居環(huán)境的舒適度[1]。城市綠地作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有顯著的生態(tài)綜合效益，是促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展的重要載體，并且在改善城市小氣候方面發(fā)揮著重要的生態(tài)調(diào)節(jié)功能。植物作為城市綠地的核心要素，可以通過遮陰與蒸騰效益改善場地的溫濕度狀況，其群落垂直結(jié)構(gòu)、水平結(jié)構(gòu)與覆蓋度直接決定了風(fēng)景園林小氣候調(diào)節(jié)的程度[2]。與此同時，特殊的城市小氣候條件也會直接影響植物生長狀況，例如城市熱島效應(yīng)會灼傷某些耐熱性不佳的植物葉片或枝干，從而限制植物正常的生長發(fā)育。因而在進(jìn)行城市場地空間的植物景觀設(shè)計時，應(yīng)該在城市景觀單元內(nèi)建立起“植物-地形-土壤-水文-人類活動”之間的聯(lián)系，使城市建成環(huán)境中的風(fēng)景園林小氣候環(huán)境更有利于生物棲息地的營建，發(fā)揮綠地冷島效應(yīng)，促進(jìn)城市生物多樣性的可持續(xù)發(fā)展。

1 城市建成環(huán)境中的小氣候概述

1.1 城市物理環(huán)境的小氣候特征

城市物理環(huán)境包括城市熱濕環(huán)境、光環(huán)境、聲環(huán)境、風(fēng)環(huán)境和大氣環(huán)境等[3]。城市物理環(huán)境中的小氣候一般體現(xiàn)在熱濕環(huán)境與風(fēng)環(huán)境方面。其中，城市熱濕環(huán)境是指城市區(qū)域空氣的溫度分布和濕度分布，隨著城市化的高速發(fā)展，城市區(qū)域的溫濕度特征也與郊區(qū)差別越來越大，因而出現(xiàn)了所謂的城市熱島效應(yīng)，直接影響城市區(qū)域建筑物室內(nèi)熱環(huán)境。城市風(fēng)環(huán)境是指城市區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速與風(fēng)向分布，城市內(nèi)大量的建筑、構(gòu)筑物使得城市具有立體化的下墊面層，其內(nèi)的風(fēng)速與風(fēng)向分布已完全不同于大氣環(huán)境系統(tǒng)，并且在樓間距密集的狹窄地帶易形成“城市峽谷效應(yīng)”。因此，城市小氣候受建筑布局、地形、方位、土壤性質(zhì)、植被覆蓋狀況等下墊面性質(zhì)的影響，并在人類活動的影響下形成了有別于郊區(qū)的局部氣候特征，使得在同一區(qū)域范圍內(nèi)的不同地區(qū)之間的氣候特征也不同，即在小尺度場地范圍內(nèi)與周邊環(huán)境氣候存在較大差異。

城市小氣候的環(huán)境特征是指受場地土壤、地形、降水、太陽輻射、地下水位、風(fēng)環(huán)境、動植物棲息等變化的影響，在小場地范圍內(nèi)所表現(xiàn)出的氣候變化特征[4]，各個氣候因子如日照、太陽輻射、溫濕度、風(fēng)速及風(fēng)向和降水等之間也存在一定的關(guān)聯(lián)性[5]。在生產(chǎn)力水平較為低下的農(nóng)業(yè)文明時期，人類活動對于城市環(huán)境的影響還不太明顯，城市小氣候與大氣環(huán)境氣候基本一致。但是工業(yè)文明之后，隨著城市建設(shè)規(guī)模的擴大與工業(yè)化的快速發(fā)展，城市的下墊面狀況與城市空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，加上人為熱的釋放和大氣污染的影響，使得現(xiàn)代城市內(nèi)部的溫濕度、風(fēng)等方面的特性發(fā)生了極大改變。整體表現(xiàn)出氣溫相對較高，白天濕度低、晚上濕度大，風(fēng)速小，太陽輻射弱，能見度差，降水多等特征[6]。

1.2 新型城鎮(zhèn)化建設(shè)背景下的城市風(fēng)景園林小氣候

由于目前我國城鎮(zhèn)化是在人口多、資源相對短缺、生態(tài)環(huán)境比較脆弱、城鄉(xiāng)區(qū)域發(fā)展不平衡的背景下推進(jìn)的，因此為了遵循城鎮(zhèn)化發(fā)展規(guī)律、促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，我國制定了《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014—2020年)》，這順應(yīng)了現(xiàn)代城市發(fā)展的新理念、新趨勢，能夠推動城市綠色發(fā)展，加快綠色城市建設(shè)步伐。在新型城鎮(zhèn)化建設(shè)背景下，城鎮(zhèn)發(fā)展面臨著巨大的環(huán)境壓力，而氣候要比其他任何自然要素在自然和人類活動的涵蓋范圍方面都要廣，氣候能夠影響城市生物棲息地的水文條件、生物多樣性、生物群落的演替等，它是塑造城市綠地空間格局的決定因素，也是形成場地不同生境條件的根本原因[7]。風(fēng)景園林作為城市建設(shè)不可或缺的角色，不再僅是追求視覺審美的藝術(shù)效果，而是要以氣候?qū)W為理論基礎(chǔ)，使風(fēng)景園林設(shè)計成為一種調(diào)節(jié)氣候變化和營造適宜的戶外活動空間的有效途徑，充分發(fā)揮其在改善城市生態(tài)環(huán)境方面的重要作用。

圖1 城市小氣候與城市風(fēng)景園林小氣候的形成

城市建成環(huán)境中由不同的建筑群體和城市外部空間構(gòu)成了不同的城市空間形態(tài)[8]，并影響著城市物理環(huán)境的日照、風(fēng)等小氣候因子。在建筑物、道路、廣場等所構(gòu)成的城市空間形態(tài)中，植物、地形、水體、鋪裝、構(gòu)筑物等風(fēng)景園林設(shè)計要素共同影響了這一特定環(huán)境下的小氣候特征，形成了有別于廣義風(fēng)景園林小氣候特征的，但在風(fēng)景園林小氣候范疇之內(nèi)的城市風(fēng)景園林小氣候(圖1)。風(fēng)景園林小氣候與城市風(fēng)景園林小氣候具有一定的差別，首先，二者所涉及的范圍不同。風(fēng)景園林涉及的范圍更為廣泛，不僅涵蓋城市中的小庭院、公園景觀和城市綠地系統(tǒng)，而且包括城郊及鄉(xiāng)村的自然景觀，因此風(fēng)景園林小氣候不僅存在于城市的人工建成環(huán)境中，而且也可見于城郊鄉(xiāng)村的自然環(huán)境；城市風(fēng)景園林所涉及的區(qū)域以城市建成環(huán)境為主，因此城市風(fēng)景園林小氣候是伴隨著建筑物、道路、廣場、綠地、河道等的建設(shè)應(yīng)運而生的。其次，二者所研究目標(biāo)的評價主體不同。風(fēng)景園林小氣候的改善與否，一般是以人為研究主體，將人所處的小尺度范圍的氣候環(huán)境中感到的舒適度作為評價依據(jù)[9]；而城市風(fēng)景園林小氣候則更多地關(guān)注城市建成環(huán)境中建筑物、構(gòu)筑物、地形、鋪裝、植物、水體等共同作用下所形成的場地空間對于生物多樣性的影響，以是否適宜作為動植物棲息地為評價依據(jù)。最后，二者的影響因素不同，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為城市小氣候主要受建筑物布局、下墊面性質(zhì)、綠地空間格局等城市外部開放空間設(shè)計的影響，在這一背景下，風(fēng)景園林小氣候主要受場地內(nèi)風(fēng)景園林要素配置、植物群落構(gòu)建、建筑空間布局等影響，宏觀尺度上的城市綠地系統(tǒng)布局和微觀尺度上的風(fēng)景園林設(shè)計要素都會影響風(fēng)景園林小氣候；城市風(fēng)景園林小氣候與場地生境條件的聯(lián)系較為緊密，不同生境條件下的動植物種類也不盡相同，同時場地生境類型也受日照、降水、風(fēng)環(huán)境等氣象因子影響，因此適宜的城市風(fēng)景園林小氣候條件可以在一定程度上改善場地的生物多樣性狀況。反過來，采取符合生態(tài)設(shè)計理念的構(gòu)筑物設(shè)計、植物種植設(shè)計、水體設(shè)計、土壤優(yōu)化設(shè)計等生境營造手法也可以影響城市風(fēng)景園林小氣候。

1.3 植物群落斑塊及格局對城市風(fēng)景園林小氣候的影響

在全球變暖的氣候背景下，城市小氣候的變化趨勢是氣溫升高，降水增加，蒸發(fā)量增大，這種城市氣候變化所帶來的不利影響日益成為人類關(guān)心的熱點問題。因此，需要針對城市的這種生態(tài)特點，研究如何通過人工營造城市風(fēng)景園林小氣候來改善城市小氣候，并提升城市附屬綠地的生態(tài)服務(wù)功能。城市發(fā)展過程中在考慮人的同時，要兼顧生物多樣性空間，城市化的過程中一定有自然過程，如果群落生態(tài)學(xué)以各種形式、各種尺度介入城市中，使城市具有自己的生物多樣性，勢必會改善城市風(fēng)景園林小氣候條件。

在城市環(huán)境中，植物群落設(shè)計能夠直接影響降溫增濕效應(yīng)。植物可以通過蒸騰作用改善其周邊的小氣候條件，并且不同的灌層結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生不同的溫濕度狀況，在城市生態(tài)環(huán)境中起著重要作用[10]。植被通過植物蒸騰作用降低了葉片表面溫度從而降低了空氣溫度，植物群落還可以降低來自墻壁、屋頂、窗戶等反射的太陽輻射。植物減少了建筑的長波輻射交換，降低了建筑物表面的溫度，減少了建筑能耗，最有效的冷島效應(yīng)策略是：在干旱地區(qū)將地被植物與樹蔭相組合，形成植物群落，可使氣溫降低2℃[11-12]。研究證明，公園的冷島效應(yīng)強度主要受其內(nèi)部的植被結(jié)構(gòu)影響[13]。因此，基于風(fēng)景園林要素營建形成的植物群落斑塊與格局有利于緩解城市熱島效應(yīng)[14]，利用植物的降溫增濕作用可以改善與調(diào)節(jié)城市小氣候(圖2)。

圖2 城市小氣候與城市風(fēng)景園林小氣候的關(guān)系

2 城市風(fēng)景園林小氣候與生境營造的融合

2.1 場地生境營造會影響城市風(fēng)景園林小氣候

城市中的生境條件與自然環(huán)境不盡相同，且小氣候和場地立地條件受人工干擾較大，因此要在城市建成環(huán)境中為動植物群落營造適宜的棲息環(huán)境，有必要通過人工干預(yù)的手段改善城市風(fēng)景園林小氣候，為動植物群落提供更好的棲息場所。適宜的城市風(fēng)景園林小氣候可以使更多適生群落形成多樣化的城市綠地空間，形成人工干預(yù)下的城市生態(tài)過程，提高城市綠地的生物多樣性水平[15]。這種對場地環(huán)境進(jìn)行人工干預(yù)或營建的方式，可以看作是“生境營造”，具體是指通過人為實體空間設(shè)計，改變植物生長的水、光、熱、養(yǎng)分等生態(tài)因子，創(chuàng)造適合植物及群落生長演替的環(huán)境條件，營造展示自然內(nèi)在秩序的空間組織，為物種提供適宜的生長演替空間[16]。因此，在分散于城市各個角落的綠地斑塊上開展場地生境營造勢必會影響城市風(fēng)景園林小氣候。

基于場地生境營造的城市風(fēng)景園林小氣候研究將群落生態(tài)理論與場地設(shè)計相結(jié)合，根據(jù)場地生境因子構(gòu)成，從場地設(shè)計的角度劃分不同類型的生境單元，最終實現(xiàn)通過人工營建的方式改善適宜生物群落自然演替的生境條件[17]，改變且改善該生境條件下的風(fēng)景園林小氣候。因此，基于場地生境營造的基本理論和方法，場地生境單元可以作為城市風(fēng)景園林小氣候研究的“有形”單元，通過觀測與分析生境單元內(nèi)的小氣候狀況及變化特征，研究如何通過生境營造的手段改善城市綠地斑塊的小氣候條件。

2.2 基于場地生境營造的城市風(fēng)景園林小氣候特點

基于場地生境營造的城市風(fēng)景園林小氣候更專注為動植物群落營造適宜的小氣候環(huán)境，具體特點包括以下幾點。

1)城市風(fēng)景園林小氣候的基本單元是在生境單元劃分的基礎(chǔ)上確立的，通過空間形態(tài)結(jié)構(gòu)、生物群落、立地條件等構(gòu)建不同生境類型下的城市風(fēng)景園林小氣候。

2)營造適宜的城市風(fēng)景園林小氣候需要結(jié)合場地設(shè)計手法，運用生境營造的理論與方法改變或改善場地生境因子，從而創(chuàng)造新的城市宜居環(huán)境與生物多樣性。

3)基于場地生境營造的城市風(fēng)景園林小氣候原理補充并完善了城市綠地的規(guī)劃設(shè)計方法，是應(yīng)對全球氣候變化、城市熱島效應(yīng)、霧霾天氣等氣候災(zāi)害的重要途徑。

2.3 通過場地生境營造改善城市風(fēng)景園林小氣候的途徑

以往的風(fēng)景園林小氣候適宜性設(shè)計更側(cè)重于如何為人提供宜居的環(huán)境，而基于場地生境營造的城市風(fēng)景園林小氣候更側(cè)重于如何為動植物群落提供適宜的棲息場所，是以城市綠地斑塊中不同類型的生境單元為研究對象，建立與風(fēng)景園林學(xué)科相交叉的基本理論模型，進(jìn)而探索生境營造理念下改善城市風(fēng)景園林小氣候的途徑。

在城市建成環(huán)境中采取生境營造的設(shè)計手法可以改善生物群落的棲息地環(huán)境，一方面可以改善場地內(nèi)的小氣候條件，另一方面也能夠促進(jìn)提升城市生物多樣性水平。因此，城市人居環(huán)境的改善應(yīng)當(dāng)以適當(dāng)?shù)娜斯じ深A(yù)方式對影響城市小氣候的因素進(jìn)行優(yōu)化[18]，通過運用多學(xué)科交叉的設(shè)計方法，結(jié)合風(fēng)景園林學(xué)、氣象學(xué)、生態(tài)學(xué)和工程技術(shù)等學(xué)科專業(yè)知識，從場地生境營造入手，在改善場地生境因子的同時，促進(jìn)形成具有生態(tài)多樣性的、可持續(xù)發(fā)展的場地空間[19]，并在地域氣候條件的基礎(chǔ)上建立符合城市風(fēng)景園林小氣候特征的生境類型。在場地生境營造的基礎(chǔ)上改善城市風(fēng)景園林小氣候，有利于從場地設(shè)計本身出發(fā)，結(jié)合場地空間形態(tài)、立地條件、原生植被等構(gòu)建不同生境類型下的小氣候空間單元，通過人工干預(yù)場地小氣候因子的方式，營造有益于動植物生活的小氣候條件，為動植物群落演替提供適宜的場地環(huán)境[20]，從而提高城市綠地斑塊的生物多樣性(圖3)。

圖3 在場地生境營造的基礎(chǔ)上改善風(fēng)景園林小氣候的途徑

3 城市風(fēng)景園林小氣候與植物種植設(shè)計的關(guān)系

3.1 城市風(fēng)景園林小氣候與植物種類選擇

城市綠地的生態(tài)效益不僅會受到綠地面積、植物群落結(jié)構(gòu)的影響，而且植物種類組成也是重要的影響因素之一。植物種類選擇作為場地生境營造的一項重要內(nèi)容，其核心原則就是適地適樹。適地適樹不是單純只重視鄉(xiāng)土植物，而是需要認(rèn)清場地生境條件最適合什么樣的植物生長，也就是說植物的選擇并不一定要選擇場地原有的植物。在進(jìn)行場地生境營造過程中，任何一項人工干預(yù)都可能會不可避免地改變場地原有的地形、土壤、水文、小氣候、光照、風(fēng)環(huán)境等生境條件[21]，因此在進(jìn)行植物種類選擇時，應(yīng)充分了解和收集場地最初的基址條件，并對生境營造后的城市風(fēng)景園林小氣候條件進(jìn)行模擬分析，然后將二者進(jìn)行對照分析，以便最終選擇更符合場地生境條件的植物種。為了實現(xiàn)適地適樹的建設(shè)原則，這就需要設(shè)計師具有在項目場地附近甄選參考場地的能力，以參考場地的植物群落和小氣候條件為參考來選擇合適的植物種類，并對其生長狀況做出評價。

3.2 植物群落結(jié)構(gòu)對城市風(fēng)景園林小氣候的影響

目前我國城市植被大多是由人工綠化構(gòu)建的，很少是在植被自然演替過程中形成的，這也是導(dǎo)致城市綠化植物種類貧乏、單調(diào)，生物多樣性低的癥結(jié)所在[22]，許多城市的綠化建設(shè)都面臨這一問題。城市綠地斑塊的生物種類少且生物鏈單一極易造成城市生態(tài)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，并引發(fā)一系列城市問題，其中就可能會包含對城市小氣候的影響。相關(guān)研究結(jié)果表明[23-25]，裸地的小氣候狀況相對于植物群落內(nèi)的小氣候要差很多，植物群落結(jié)構(gòu)豐富的生境比植被類型單一的生境具有更好的小氣候條件。因此，在將來的城市綠化中要注重增加植物多樣性，在維持城市生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)城市風(fēng)景園林小氣候條件。

另外，一些學(xué)者還對不同演替階段植物群落的小氣候特征進(jìn)行了研究[26-27]，結(jié)果表明，隨著植物群落演替的進(jìn)行，場地內(nèi)氣溫、濕度、光照強度等小氣候因子以及土壤溫度及濕度的波動性減弱且穩(wěn)定性增強，生境條件更有利于植物的生長發(fā)育，同時也推動了植物群落演替的順暢進(jìn)行。由此可以推斷在新建的城市綠地斑塊中，采用生境營造手法所構(gòu)建的地被植物群落組構(gòu)比傳統(tǒng)的植物種植模式具有更強的自然演替能力，所形成的城市風(fēng)景園林小氣候具有更好的溫濕度狀況。

3.3 基于場地設(shè)計的植物種植設(shè)計策略

城市風(fēng)景園林小氣候的因子包括風(fēng)、日照、降水等，這些因子直接或間接受到場地設(shè)計要素的影響，因此可以通過對地形、鋪裝、水體、建筑物、構(gòu)筑物等要素的合理設(shè)計與應(yīng)用，為動植物群落營造適宜的小氣候環(huán)境[28]。在進(jìn)行場地植物種植設(shè)計時，可以采取人工整地的方式改變土壤水分、地形等，通過建筑物及構(gòu)筑物布局改變?nèi)照諘r長及風(fēng)環(huán)境[29-30]。因此，結(jié)合場地風(fēng)景園林要素的合理設(shè)計，能夠優(yōu)化生境營造下城市風(fēng)景園林小氣候的各項因子，從而為動植物群落營造適宜的生長環(huán)境(圖4)。

圖4 場地風(fēng)景園林要素對城市風(fēng)景園林小氣候的影響

表1 場地設(shè)計要素影響下不同氣候區(qū)的植物種植設(shè)計策略

由于在不同的氣候區(qū)，日照、風(fēng)、水等小氣候因子對植物生長的影響程度也不同，因此需要合理利用場地設(shè)計要素對小氣候因子的影響來指導(dǎo)植物種植設(shè)計策略(表1)，以保障在各種場地生境條件下所種植的植物都能正常生長。

4 結(jié)語

城市發(fā)展過程中在考慮人的同時，要兼顧具有生物多樣性的空間，城市化的過程中一定有自然過程，如果群落生態(tài)學(xué)以各種形式、各種尺度介入城市中，城市具有自己的生物多樣性，勢必會改善城市風(fēng)景園林小氣候條件?；趫龅厣碃I造的城市風(fēng)景園林小氣候研究從小尺度場地空間入手，將場地生境營造與城市風(fēng)景園林小氣候建立起聯(lián)系，通過采取人工干預(yù)的方式優(yōu)化場地空間環(huán)境，在滿足可持續(xù)景觀設(shè)計的前提下，為植物群落生長營造一個能夠更好地應(yīng)對場地氣候變化風(fēng)險且符合植物生長需求的小氣候條件。從場地的生態(tài)設(shè)計入手，在考慮場地尺度、地域特點以及生物多樣性等方面的前提下，通過合理利用場地設(shè)計要素，使日照、風(fēng)、水等小氣候因子更加有利于營造多樣的植物群落模式，并以此來指導(dǎo)植物種植設(shè)計，這也能夠為生物群落營造適宜的場地小氣候條件。將生態(tài)學(xué)以生物群落的方式介入適宜的場地中，進(jìn)而改善了周邊的生態(tài)環(huán)境。

注：文中圖片均由作者繪制。