讓自然參與設(shè)計：一種基于自然演替的城市自生群落改良設(shè)計途徑

李倉拴

劉 暉*

程愛云

陶嘉敏

李云昀

城市自生植被(spontaneous urban vegetation)在20世紀70年代被國外學者廣泛使用，泛指城市中自然定居的植物群體[1]。城市自生植被經(jīng)常出現(xiàn)在垃圾場、遺址、廢棄地以及建筑物拆除后的空地上，這與人們內(nèi)心渴望的整潔的、符合內(nèi)在美學規(guī)律的植物群落的外貌截然不同，其凌亂的視覺特征常常給人荒敗感。由于其物種組成多為城市一年生雜草型植物，不能提供傳統(tǒng)種植所具有的美學價值，故城市公共空間中的自生群落常被視為“雜草”[2]，公眾接受度較低[3]。但從生態(tài)學的角度來看，城市自生植被具有重要的價值與潛力。城市自生植被是城市生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)物，它與城市中的生境和生物渾然一體，并始終適宜場地條件[3]，有效利用場地的光照、水分和營養(yǎng)物質(zhì)等生境資源，最終發(fā)育成為獨特、復(fù)雜的棲息地，常常受到城市動物的青睞[2]。同時，城市自生植被可以有效地實現(xiàn)生態(tài)修復(fù)的許多目標，幾乎無須成本但能取得持久的成功，順應(yīng)城市自然過程的城市自生植被有能力和潛力為城市生態(tài)系統(tǒng)功能作出重大貢獻[3]。

按照Grime的生存策略理論，群落生態(tài)系統(tǒng)中競爭型植物(C型)、耐脅迫型植物(S型)、雜草型植物(R型)存在相生相克的關(guān)系，通過演化能形成穩(wěn)定的種間關(guān)系和群落生態(tài)系統(tǒng)[4]。但在城市化過程中自然生境遭到破壞，導致適應(yīng)低脅迫和低干擾的穩(wěn)定環(huán)境的C型植物和適應(yīng)高脅迫和低干擾的惡劣生境的S型植物大量消失，城市自生植物大多數(shù)都是適應(yīng)低脅迫和強干擾生境的R型植物[5]。但是，R型植物大多數(shù)開花不明顯，景觀效果不佳[4]，這也是城市自生群落不被公眾所接受的主要原因。

越來越多的研究關(guān)注城市自生植被的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，并探索其在城市公共空間的利用策略[1，6-8]。有研究表明，將人工栽培的園藝植物引入荒地群落中能夠獲得一定的定居[9]，因此在理論上，如果引入的植物能夠在自生群落中定居，勢必會與場地上的自生植物 “爭奪”生境資源與生態(tài)位，從而限制群落中的自生植物，提高群落的物種豐富度。引入開花明顯、花色豐富的園藝植物定居則能提高群落的美觀度，同時，可以減少建植時使用的植物數(shù)量和減輕除草工作量，從而節(jié)約建植和管理維護成本。但以上只是理論猜測，目前在應(yīng)用生態(tài)學領(lǐng)域，通過人工引入植物改良草地植被來提高群落生物量和牧草產(chǎn)量并已取得成功[10-11]，但在國內(nèi)外風景園林學科鮮有將應(yīng)用生態(tài)學和設(shè)計學相結(jié)合，通過改良來提高城市自生群落美學價值的應(yīng)用研究。基于城市自生群落的價值與問題及上述理論假設(shè)，本研究試圖通過實驗的途徑回答以下幾個問題：1)人工引入的栽培植物在城市自生群落中定居能力如何？2)人工引入的栽培植物能否限制自生群落中的一年生雜草植物？3)改良設(shè)計是否可以提升城市自生群落的美觀度和公眾接受度？4)改良設(shè)計是否可以提高群落物種豐富度？5)改良設(shè)計是否可以降低群落的建植與管理成本？

1 材料與方法

1.1 相關(guān)指標判定與評價

1.1.1 群落分層

本文對于草本植物群落的分層參考James Hitchmough[12]在群落設(shè)計中的分層原則和高陽等[13]對西北地區(qū)不同自然草地群落結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計，確定最高株高≤15cm的為一層，15cm＜最高株高≤40cm為二層，最高株高＞40cm為三層。

圖1 植物群落分層改良設(shè)計的理論模型

1.1.2 植物CSR生存策略的判定

本文對于場地自生植物和栽培植物的生存策略以Grime的CSR生存策略模型[14]為依據(jù)，綜合植物的原生生境特征、競爭力、耐脅迫能力和繁殖力等共同判定。

1.1.3 場地自生植物的公眾接受度評價

對于場地自生植物的公眾接受度通過照片結(jié)合實地訪問調(diào)查的方式，選取100位不同年齡的公眾對場地中的自生植物進行評價(0～100分)。接受度平均分≥50分的作為保留層植物，平均分＜50分的作為被限制層植物。

1.1.4 群落的美觀度和接受度評價

美觀度評價選取Jiang Yarong等[15]提出的問卷調(diào)查的方法，選取100位公眾對植物群落進行打分，群落的美觀度和接受度取平均值。

1.2 實驗材料

本研究選用能在西安地區(qū)良好適應(yīng)的植物，實驗苗木均是由本地苗圃提供的盆苗，同種植物采用相同的規(guī)格。為保證成活率，所有實驗苗木均在種植當天運至實驗場地。

1.3 實驗場地條件

實驗場地位于西安建筑科技大學校園的南門花園。南門花園建成于2015年，總面積830m2[16]。實驗場地位于南門花園中心位置，人為干擾較小。實驗選擇2個對照組，其一為自生群落，其二為群落組構(gòu)(南門花園的另一種植物群落設(shè)計模式，即完全由人工搭配物種)。實驗組與對照組相鄰，具有相似的生境條件，實驗組面積31m2。將實驗區(qū)劃分為1m×1m的網(wǎng)格，每個網(wǎng)格作為一個基本的實驗樣方[17]。場地自2015年5月建成后一直保持自然演替狀態(tài)，不進行任何人工干預(yù)。至2016年4月，對場地內(nèi)的自生植物進行統(tǒng)計分析。場地內(nèi)自生植物為20科38屬43種，其中鄉(xiāng)土植物40種，外來植物3種。統(tǒng)計結(jié)果顯示，分布于群落一層的植物9種，群落二層植物11種，群落三層植物15種，攀緣藤本4種，木本植物(幼苗)4種[18]。對場地自生植物的CSR生存策略進行判定，結(jié)果顯示，除了4種木本植物的幼苗外，場地中共有C型植物4種(9%)，S型植物3種(7%)，R型植物32種(74.4%)。場地自生植物群落的物種構(gòu)成與Grime的研究結(jié)論一致[4]，以R型植物為主，如菊科、豆科和禾本科等常見城市雜草植物。

1.4 實驗設(shè)計與實施

1.4.1 自生群落分層

2016年4月，測繪場地植物群落平面分布圖，并對場地自生植物的公眾接受度評價。結(jié)果顯示，有34種植物的公眾接受度大于≥50分，包括一年蓬(Erigeron annuus)、旋覆花(Inula japonica)和白花草木犀(Melilotus albus)等，共同組成保留層；有15種植物的公眾接受度＜50分，包括小蓬草(Conyza Canadensis)、鉆形紫菀(Aster subulatus)和野艾蒿(Artemisia lavandulaefolia)等，共同組成被限制層。

1.4.2 植物群落的分層改良設(shè)計

自然界的植物群落在垂直結(jié)構(gòu)上以層(layer)的方式存在，本實驗采用分層設(shè)計的方式對實驗組進行改良設(shè)計[19](圖1)，對照組不作處理。由于每個樣方的自生群落均無相同的，因此實驗未設(shè)計相同的組內(nèi)重復(fù)和對照。植物群落各分層改良設(shè)計方法如下。

1)限制設(shè)計層。

限制設(shè)計層分為光照限制層、生態(tài)位限制層和根莖限制層。植物之間的競爭主要為了獲取所需的生境資源，包括光照、空間和土壤中的水分、營養(yǎng)物質(zhì)。光照限制層選擇高度較高、葉面積較大，能對雜草型植物進行遮陰的物種。生態(tài)位限制層的物種選用與被限制植物有著相似生態(tài)位的植物，可以起到有效限制作用。根莖限制層選擇具有球根、鱗莖等根系發(fā)達的植物以爭奪雜草型植物土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)，從而起到限制其生長的作用。

2)美學特征改良層。

美學特征改良層分為冬季季相層、基調(diào)統(tǒng)一層和季節(jié)主題層。冬季西安地區(qū)大多數(shù)自生植物都蕭條衰敗，冬季季相層選用能在冬季保持常綠或枯而不倒的植物。基調(diào)統(tǒng)一層選用適宜群落三層的黃花月見草和一枝黃花作為基調(diào)植物，在不同的季節(jié)使群落景觀效果協(xié)調(diào)統(tǒng)一。季節(jié)主題層植物可以用花的質(zhì)感創(chuàng)造季節(jié)性主題[19]，實驗選擇與場地自生顯花植物花期互補的植物，使群落在4—11月花期連續(xù)。

3)生態(tài)功能改良層。

生態(tài)功能改良層分為結(jié)構(gòu)完善層和蜜源植物層。結(jié)構(gòu)完善層的設(shè)計填補群落中空缺的生態(tài)位，從而限制雜草型植物生存空間。蜜源植物層選用西安地區(qū)常見蝴蝶、蜜蜂和蜻蜓的寄主植物。

物種搭配考慮3個因素。首先，所選物種觀賞效果佳。顯花植物選擇花朵顯著花色明顯的植物，非顯花植物選擇葉型美觀、質(zhì)感與自生植物相協(xié)調(diào)的具有冬季季相的物種。其次，所選植物中鄉(xiāng)土植物與外來植物各占一半，其中鄉(xiāng)土植物31種，外來植物32種。最后，改良植物選擇與自生植物生存策略互補的C型與S型植物，用以限制場地上的R型自生植物，同時保證每個樣方中均有C型、S型、R型植物(圖2)。實驗選用的改良植物共有63種，包含C型植物40種，S型植物23種。設(shè)計時為保留層植物預(yù)留生長所需空間。分層設(shè)計后，合并所有層優(yōu)化調(diào)整后生成最終的實驗方案(圖3)。

1.5 實驗管理

圖2 栽培植物與自生植物的CSR分布

對實驗組和對照組采用不同的管理方式。在除草方面，對照組人工群落組構(gòu)定期清除群落中的所有雜草植物，對照組自生群落采取不除草處理，實驗組清除群落中出現(xiàn)的木本植物幼苗及攀緣藤本。在澆水方面，對照組人工群落組構(gòu)在需水時進行補水，對照組自生群落采取不澆水處理，實驗組在施后一個月內(nèi)缺水時補水，隨后停止?jié)菜?。實驗組和對照組的清理方式相同，清理對象主要包括群落的自生演替過程中會出現(xiàn)枯枝和落入場地落葉。

1.6 數(shù)據(jù)觀測與收集

在實驗實施時，記錄實驗組與對照組(人工群落組構(gòu))使用苗木的數(shù)量、單價、施工人數(shù)及時長。實驗實施后3年，對群落進行連續(xù)性觀測與統(tǒng)計，頻率為每月1次。統(tǒng)計內(nèi)容主要為各樣方群落結(jié)構(gòu)、物種組成、物種特性和群落美觀度與接受度。群落結(jié)構(gòu)的主要記錄指標為層高、層蓋度和層優(yōu)勢種，群落組成物種特性記錄自生植物和栽培植物的株數(shù)、密度、株高、蓋度、開花量、花色種類和葉色種類。公眾對群落的美觀度評價與接受度在每年5—10月進行，以問卷調(diào)查的方式進行統(tǒng)計，發(fā)放問卷100份，其中專業(yè)人士50份，非專業(yè)人士50份。同時在每次管理維護時記錄澆水量、澆水人數(shù)、澆水時長、除草人數(shù)和除草時長。

1.7 統(tǒng)計分析

采用Excel 2007和SPSS 23.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析。雙變量相關(guān)性分析采用皮爾遜(Pearson)相關(guān)性檢驗，表中數(shù)據(jù)為群落物種重要值的相關(guān)性，r值為皮爾遜相關(guān)系數(shù)，取值范圍為[-1，1]；p值是顯著性，p＜0.05時表示相關(guān)顯著(＊)。利用AutoCAD 2015、Photoshop CS6和OriginPro 2016作圖。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 栽培植物在城市自生群落中的定居能力

實驗實施3年后，對引入的63種栽培植物的定居情況進行統(tǒng)計分析。結(jié)果表明，穩(wěn)定定居的植物有39種，定居率為61.9%。其中有23.8%的栽培植物(15種)株數(shù)增加(圖4)，14.3%的栽培植物(9種)的株數(shù)保持不變，23.8%的栽培植物(15種)定居但株數(shù)減少，38.1%的栽培植物(24種)從群落中消失。這說明大多數(shù)改良的物種可以在群落中定居，且不同的植物在自生群落中的定居能力有所差異。其中，C型植物存活比例(63.42%)略高于S型植物(60.87%)；存活的40種植物種，有23種為鄉(xiāng)土植物，占57.5%；17種為外來植物，占43.5%。總體而言，鄉(xiāng)土植物(78%)在自生植物群落中建立優(yōu)勢的可能性明顯大于外來植物(57%)。

2.2 栽培植物對自生群落中的一年生雜草植物的限制作用

實驗3年后，場地中的43種自生植物有24種物種消失，占55.8%，存活19種，存活率為44.19%。有8種植物存活且株數(shù)增加；有2種存活且株數(shù)持平；有9種存活但株數(shù)減少。一年生雜草植物的減少是否因為受到了栽培植物的抑制？選取E5樣方作為分析對象，分析2017年5—10月栽培植物和自生植物重要值的相關(guān)性。結(jié)果表明，有17組栽培植物與自生植物在群落中的重要值呈明顯的負相關(guān)(表1)。同時，相關(guān)關(guān)系也可以發(fā)生在任何2個相同或不同的層之間。總體而言，改良植物對自生植物的限制作用十分顯著，在2016—2018年3年中，改良植物與自生植物之間共分析出746對負相關(guān)關(guān)系。這說明，有針對性地引入改良植物可以對自生植物形成有效的限制作用。

2.3 改良設(shè)計對群落物種豐富度的提高作用

改良群落在2016、2017、2018年7月平均物種豐富度分別為14.39 、9.87、9.61，對照組自生群落同期物種豐富度分別為4.53、4.22、4.19，改良群落的平均物種豐富度分別為自生群落的3.18、2.34、2.29倍。改良設(shè)計對群落的物種豐富度的提高作用顯著。

2.4 改良設(shè)計對城市自生群落的美觀度和公眾接受度的提升作用

分析2017年公眾對實驗組和對照組的美觀度和接受度。結(jié)果表明，公眾對改良群落的美觀度評價明顯高于自生群落。在一年中，改良群落的美觀度在4月呈上升趨勢，在6月達到最高值(77分)，此后逐漸下降至9月達到55分，進入11月后小于50分。城市自生群落的美觀度呈相似的趨勢，但最高值為37.8分。二者的美觀度差值在21.6～39.2分之間。通過改良設(shè)計可以將群落的美觀度提升29.4%。

相比城市自生群落，公眾對改良后的群落接受度明顯提高。2017年4月，僅有32%的受訪者表示接受城市中使用自生群落，有55%的公眾可以接受城市中使用改良群落，二者相差23%；7月，由于開花植物較多，公眾對2類群落的接受度均達到全年最高值，分別為39%和75%(圖5)；進入秋冬季節(jié)，公眾對2類群落的接受度均有所下降。公眾對改良群落的接受度始終高于城市自生群落，差值最小為18%(10—11月)，差值最大時為36%(7月)。通過改良設(shè)計可以將群落的公眾接受度提高24%，這說明通過改良設(shè)計可以顯著提高群落在城市公共空間中的公眾接受度。

2.5 改良設(shè)計對建植和管理維護成本的降低作用

群落的成本包含苗木購買、建植、澆水、除草4個部分。為了確定改良是否可以降低維護成本，將其與群落組構(gòu)的成本進行對比。在苗木購買方面，群落組構(gòu)苗木成本最低的樣方為56元/m2，最高為394元/m2，平均197.75元/m2；改良式群落最低為28元/m2，最高為212元/m2；平均82.66元/m2。苗木購買成本改良式群落僅為群落組構(gòu)的41.8%，每平方米可節(jié)約成本115.09元，僅占總成本的58.2%。在澆水方面，群落組構(gòu)年成本為5.08元/m2，改良式植物群落為0.82元/m2，僅占群落組構(gòu)的16.1%；在除草方面，群落組構(gòu)組構(gòu)年成本為9元/m2，改良式植物群落為2.9元/m2，占32.2%。相比群落組構(gòu)，改良后的群落可以節(jié)約58.2%的建植成本，降低83.9%的澆水成本和67.8%的除草成本，群落的管理維護總成本為群落組構(gòu)的26.4%。

圖3 改良設(shè)計實驗方案

圖4 實驗3年后改良植物存活率統(tǒng)計

圖5 植物群落改良設(shè)計后的景觀效果

3 討論

物種豐富度是衡量群落生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要指標，是群落多樣性和動物多樣性的基礎(chǔ)[20]。探討如何通過設(shè)計來提高城市種植的物種豐富度和生態(tài)服務(wù)功能是風景園林學研究的熱點，但目前缺乏可操作性的實踐方法[21]，本研究的目標之一是在群落設(shè)計的框架內(nèi)提高城市物種多樣性。馬文紅和方精云調(diào)查中國北方地區(qū)草地群落物種多樣性，得知單位面積內(nèi)的物種豐富度為4～35種，平均物種豐富度為14種[22]。2017年3月各實驗樣方植物物種豐富度為7～16，其中≥14的有5個樣方，占16.13%。這說明通過改良設(shè)計可以讓自生植物群物種豐富度達到與自然草地群落相似的水平。Fischer等[23]研究表明，改良后群落的物種豐富度存在不同程度的下降，第三年的物種數(shù)約為第二年的83.96%～91.54%。本實驗中，第三年實驗組平均物種豐富度約為第二年的86.58%，與其研究相一致。但改良對群落內(nèi)自生植物物種豐富度并無明顯影響，2017年3月各樣方自生植物物種豐富度為1～6，平均4.32；2018年3月為2～8，平均4.81，這說明改良設(shè)計可以延續(xù)自生群落內(nèi)的植物物種。改良2年后，群落內(nèi)的栽培植物豐富度下降明顯，2017年3月各樣方栽培植物物種豐富度為4～11，平均6.26；2018年3月為2～8，平均4.36，降幅為1.9。因此，群落整體物種豐富度下降是由于引入的栽培植物的物種豐富度下降所引起的。Fischer等[23]在柏林的實驗研究表明，通過改良設(shè)計使得實驗組第二年物種豐富度相比對照組(自生群落)提高了1.5～1.67倍，第三年為1.55～1.886倍。本研究將群落物種豐富度提高至更高的倍數(shù)，第二年為2.34倍，第三年為2.29倍，這說明通過改良設(shè)計在提高自生群落的物種豐富度方面有更多的潛力。物種豐富度的增加能夠提高地被植物群落的生態(tài)系統(tǒng)功能，主要表現(xiàn)在多樣的物種使不同的生境資源得到更有效的利用[20，24]，更高的植物多樣性也能增加營養(yǎng)級別的多樣性[25]，有利于構(gòu)建初級食物鏈[26]。改良設(shè)計、群落的物種豐富度及鄉(xiāng)土植物比例(76.4%)均顯著提高，有利于增強群落的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

開花數(shù)量、色彩和物種豐富度是影響公眾對植物群落感知及美觀度評價的重要因素[15]。本研究通過引入開花明顯、色彩豐富的栽培植物來提高群落的開花數(shù)量、色彩變化及物種豐富度。結(jié)果表明，花朵數(shù)量與公眾對群落的美觀度(r=0.864，p=0.006)和接受度(r=0.877，p=0.004)評價呈高度正相關(guān)，進一步驗證了王志芳等[27]的結(jié)論，但王志芳等認為色彩不是影響公眾對草本群落的主要偏好因子，而在本研究中，花色對公眾的美觀度(r=0.741，p=0.036)和接受度(r=0.889，p=0.003)具有顯著作用。群落的色彩包括葉色和花色兩部分，葉色與公眾的美觀度(r=-0.420，p=0.310)和接受度(r=-0.554，p=0.154)并無明顯關(guān)系。Petra Lindemann-Matthies等[24]的研究表明，植物多樣性本身對人類具有吸引力，城市公眾對草本群落的美觀度評價隨著物種豐富度的增加而增加。本研究中，公眾對改良群落的美觀度(r=0.774，p=0.024)和接受度(r=0.811，p=0.015)與群落的物種豐富度呈正相關(guān)，進一步論證了這一觀點。Marco等[28]調(diào)查研究顯示，公眾因城市中的自生植物缺乏開花植物及色彩變化而對其漠不關(guān)心或反感，在本研究中公眾對場地自生植物的平均接受度僅為32%。通過改良設(shè)計引入開花明顯、色彩豐富的園藝植物，使得一半以上的(平均接受度為55%)公眾接受在城市景觀中應(yīng)用改良群落。

表1 栽培植物和自生植物重要值的相關(guān)性

自生群落是場地歷史的一部分，改良設(shè)計將自然演替的自生群落作為設(shè)計起點，群落自然演替過程引入城市植物群落設(shè)計，接納“雜草”作為場地景觀的一部分。實驗研究證明，改良設(shè)計是一種有效提高城市自生植物群落美學特性和生態(tài)功能的途徑，有潛力作為一種新的植物群落設(shè)計模式，有望在城市公共空間、濕地公園及大尺度群落生態(tài)修復(fù)方面發(fā)揮更大的作用。本研究在跨學科研究范式中做出嘗試，由于群落的復(fù)雜性和動態(tài)性，將生態(tài)學理性思維與設(shè)計學科的感性思維相結(jié)合是研究的難點，需要更多的實驗性研究。

注：文中圖片均由作者拍攝或繪制。