基于風環(huán)境的景觀適宜性設(shè)計及森林生態(tài)修復(fù)*
——以澳門石排灣郊野公園彩虹山丘為例

錢萬惠 趙 慶 陳星澄 楊 清 王頌松 唐洪輝

1 廣東省林業(yè)科學(xué)研究院 廣州 510520

2 廣東省森林培育與保護利用重點實驗室 廣州 510520

3 北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院 北京 100083

在全球氣候變化的背景下，臺風、風暴潮、暴雨等極端天氣氣候事件頻繁發(fā)生?；浉郯拇鬄硡^(qū)(簡稱“大灣區(qū)”)沿海區(qū)域?qū)夂蜃兓浅Ｃ舾?，長期以來風害問題對大灣區(qū)沿海森林生態(tài)建設(shè)帶來威脅。近10年來，“天兔”“尤特”“天鴿”“山竹”等超強臺風使大灣區(qū)遭受大范圍且長時間的大風災(zāi)害，引發(fā)歷史最強風暴潮，大量樹木倒伏，城市森林受到破壞[1]。由此引發(fā)的城市森林環(huán)境質(zhì)量下降受到政府、社會各方關(guān)注，如何修復(fù)、構(gòu)建穩(wěn)定并具有一定抗風能力的城市森林成為亟需研究的課題。

圍繞規(guī)劃設(shè)計中的風環(huán)境問題，一些發(fā)達國家和地區(qū)主要針對城市通風、城市熱島、空氣污染等方面，通過CFD模擬與預(yù)測制定優(yōu)化策略。而國內(nèi)則主要圍繞宏觀尺度下城市通風廊道設(shè)計，中等尺度下居住區(qū)的風場進行景觀規(guī)劃、防護(風)林帶建設(shè)、樹種的抗風能力等方面進行研究，鮮有針對沿海區(qū)域基于風環(huán)境的森林生態(tài)修復(fù)進行研究及規(guī)劃設(shè)計[2－3]。

已有研究表明，運用科學(xué)合理的空間、植物群落布局手段改善場所風環(huán)境，具有綠色生態(tài)、適應(yīng)性佳、可操作性強等諸多優(yōu)勢[4]。本文通過澳門石排灣郊野公園彩虹山丘森林生態(tài)修復(fù)項目，探索基于風環(huán)境景觀適應(yīng)性的森林生態(tài)修復(fù)策略，使修復(fù)后的城市森林發(fā)揮良好的生態(tài)、社會效益，創(chuàng)造良好的景觀效果，最大程度滿足居民到森林中休閑游憩、自然觀察等需求，促進人與自然的和諧共生，為大灣區(qū)沿海區(qū)域森林生態(tài)修復(fù)提供技術(shù)支持與經(jīng)驗積累。

1 項目概況

1.1 澳門風環(huán)境概況

澳門三面環(huán)海，屬亞熱帶海洋性季風氣候，具有熱量豐富、高溫多雨的氣候特點，7—10月為臺風多發(fā)季節(jié)[5]。澳門盛行風向主要為3—5月、8—9月的東東南風(ESE)，10月至次年2月的北風(N)，全年平均風速為13.3 km/h(即3.70 m/s)，具體見表1[6]。

表1 澳門氣象數(shù)據(jù)(1981—2010年)

1.2 場地概況

彩虹山丘位于澳門石排灣郊野公園北部，規(guī)劃設(shè)計面積為32 000 m2。場地原為采石場，遺留崖壁為高陡邊坡，共7級開采平臺，地質(zhì)構(gòu)造為火成巖中的花崗巖，為中至粗粒、黑云母[7]。各層開采平臺陡坡坡面長度為57~336 m，邊坡斜度范圍為17°~85°，坡向均為北向，各級開采平臺海拔由高至低依次編號Ⅰ~Ⅶ級平臺(圖1)。受不利風場、秋冬降雨少濕度低、土壤貧瘠等多種因素影響，植物生長和居民活動均受制約。裸露巖石受雨水沖刷、風力、陽光照射等自然因素作用，還存在風化程度加劇的可能。為恢復(fù)彩虹山丘的生態(tài)、景觀、社會服務(wù)功能，澳門市政署計劃對其進行森林生態(tài)修復(fù)，在打造色彩豐富的森林景觀的同時，為毗鄰社區(qū)開辟綠色活動空間。

圖1 場地航拍圖

1.3 場地風環(huán)境實測與CFD模擬

根據(jù)相關(guān)研究，室外風環(huán)境的舒適度按照人行高度1.5 m測定。風速小于5 m/s時體感較為舒適；在夏季，風速持續(xù)達到1.5 m/s時，有助降溫，身處戶外能感到比較舒適；風速在5~15 m/s時將會感到不舒適，影響戶外活動[8－9]。而風對植物的影響包括直接的機械刺激及風引起環(huán)境變化而產(chǎn)生的間接作用如機械作用、干旱作用[10]。風速大于8 m/s時小樹搖擺；風速大于17.2 m/s時樹枝折毀；風速大于24.5 m/s時樹木則可能倒伏，造成不可恢復(fù)的機械傷害[11]。

對風環(huán)境因子的趨利避害將直接影響本次生態(tài)修復(fù)的成效，前期調(diào)查采用手持氣象儀記錄各級平臺的風速，然后利用CFD軟件PHOENICS建立場地山體與周邊住宅群的計算模型，采用年均風速3.7 m/s，設(shè)定春夏盛行風向ESE、秋冬盛行風向N，分別進行模擬對比后發(fā)現(xiàn)模擬數(shù)值與實測數(shù)據(jù)基本相符(圖2)。

圖2 春夏、秋冬盛行風向下Ⅱ級、V級、Ⅶ級平臺人行高度處的風速分布圖

水平方向上，板式高層住宅樓和道路形成過風廊道，北風經(jīng)過群樓產(chǎn)生“狹管效應(yīng)”，風速增大。垂直方向上，風通過“爬坡效應(yīng)”和“渦流效應(yīng)”對場地產(chǎn)生不同程度的影響。模擬得出Ⅰ~Ⅶ級平臺承受的風速比重依次為100%，90.0%， 81.4%， 64.36%， 48.6%， 38.6%，28.5%，風速隨高度降低而減弱。春夏季，Ⅰ級平臺風速為6.85 m/s，對場地植被及居民活動干擾不大；而秋冬季Ⅰ級平臺風速至少達到7.31 m/s，將降低居民活動的意愿，植物也容易長期受風致機械刺激，較高的風速還將使?jié)穸冉档停o植被生長帶來威脅[12]。結(jié)合實測數(shù)據(jù)與風環(huán)境模擬得出2處典型風害區(qū)域:秋冬季Ⅰ級平臺北面、西北面的迎風面；秋冬季Ⅱ~Ⅶ級平臺面對群樓通風廊道的迎風面。所以，項目需要重點解決秋冬季N風對場地的不利影響。

2 規(guī)劃設(shè)計

2.1 規(guī)劃設(shè)計主題、目標與布局

彩虹山丘園區(qū)的規(guī)劃主題來源于“彩虹”，寄托了人們對彩虹般絢麗多彩的生活的向往，有著美好寓意。結(jié)合場地資源稟賦，重點針對園區(qū)進行風環(huán)境景觀適應(yīng)性設(shè)計，完成森林生態(tài)修復(fù)。在恢復(fù)園區(qū)綠色基調(diào)的基礎(chǔ)上，采用抗逆性佳的觀花、觀果、觀葉植物，打造色彩斑斕、花開不斷的森林四季景觀。

園區(qū)森林生態(tài)修復(fù)將遵循“最大限度恢復(fù)森林生態(tài)景觀”的理念，將不良風場區(qū)域疊加在園區(qū)上，充分考慮地形及周邊居民的需求，將Ⅰ級平臺規(guī)劃為多功能觀光游憩區(qū)，Ⅱ~Ⅶ級平臺為小型休閑活動空間。

2.2 生態(tài)修復(fù)策略

植物配置是改善風環(huán)境的一種靈活有效的方式。植物隨著季節(jié)更替發(fā)生周期性變化、發(fā)揮不同作用、具有引導(dǎo)氣流的功能，不同密度的植物群落還能通過改變氣流方向?qū)︼L力進行調(diào)整[13]。

Ⅰ級平臺作為面積和風速最大的區(qū)域，需針對冬季N風帶來的不利風場，從水平和垂直方向通過硬質(zhì)與軟質(zhì)景觀要素相結(jié)合的方式對風進行遮擋、引導(dǎo)、擠壓，并利用溫差產(chǎn)生局部風等方式削減不利風場，控制風速和風的質(zhì)量，優(yōu)化場地屬性。

在Ⅰ級平臺北面利用硬質(zhì)景觀構(gòu)筑物景觀長廊阻擋勁風、形成弱風區(qū)，這既方便居民休閑游憩，又能使新栽植物更快扎根。平臺西北面則宜采用稀疏結(jié)構(gòu)的觀賞性植物組團群落對風環(huán)境進行改善，稀疏結(jié)構(gòu)透風系數(shù)為0.3~0.5，其有效防風距離最遠，可達25H(H為林帶高度)。稀疏結(jié)構(gòu)林帶使風速被迅速削減形成弱風區(qū)(其有效防風距離為3~5H)，從而為居民營造出一個風力較小的活動空間(圖3)[14]。該平臺速生與慢生樹種的數(shù)量比例為2∶3。首先通過先鋒樹種如黃槿(Hibiscus tiliaceus)、尖葉杜英(Elaeocarpus apiculatus)、大腹木棉(Ceiba speciosa)等快速恢復(fù)園區(qū)的綠色基調(diào)；再通過海南紅豆(Ormosia pinnata)、秋楓(Bischofia javanica)等慢生樹種構(gòu)建園區(qū)基本的植物群落，為后續(xù)的自然演替奠定基礎(chǔ)。常綠、落葉樹種的數(shù)量比例為4∶1。落葉開花樹種如木棉(Bombax ceiba)、大腹木棉、黃花風鈴木(Handroanthus chrysanthus)等花葉不同期、冬季落葉的特性既能提升景觀效果，又能實現(xiàn)冬季樹形過風，還可為居民提供秋冬季林下日光浴場所。

圖3 Ⅰ級平臺風環(huán)境景觀適應(yīng)性生態(tài)修復(fù)策略

Ⅱ~Ⅶ級平臺承受風速相對較小，為平衡有限的空間及居民活動的需求，規(guī)劃營造小型休閑活動空間。首先，垂直方向上建造種植池、景墻等硬質(zhì)景觀要素對風進行引導(dǎo)、削弱。然后采用透風結(jié)構(gòu)的綠籬與栽植攀援植物相結(jié)合的方法削減風力，透風系數(shù)大于0.5，平臺外側(cè)等距列植喬木鐵冬青(Ilex rotunda)、福木(Garcinia spicata)削減風力，其矮小的樹形恰好形成與人行高度相匹配的弱風區(qū)，且慢生的特性能保證活動空間的穩(wěn)定性。每級平臺內(nèi)外側(cè)栽植攀援植物，通過上攀下垂的方式使山體陡坡復(fù)綠，柔化空間，其葉片還可以提高坡面粗糙度，進一步削減風力(圖4)。

圖4 Ⅱ~Ⅶ級平臺風環(huán)境景觀適應(yīng)性生態(tài)修復(fù)策略

2.3 樹種選擇

樹種選擇堅持適地適樹原則，優(yōu)選抗風能力強、景觀效果好的樹種，并綜合考慮其管養(yǎng)難度、林蔭效果、恢復(fù)能力。在不利風場區(qū)域，利用樹種總體抗風、樹形過風性良好、根系深廣、直根系、枝條柔韌等特性達到抗風效果[15]；再擇優(yōu)選用耐土壤貧瘠、耐干旱樹種，以應(yīng)對土壤養(yǎng)分不足和秋冬季降雨少濕度低的現(xiàn)實情況。

Ⅰ級平臺主要栽植觀花或常綠樹形優(yōu)美的抗風樹種如木棉、大腹木棉等，實現(xiàn)園區(qū)四季花開爛漫的景象。同時，搭配選擇根系發(fā)達如黃槿、假蘋婆(Sterculia lanceolata)等樹種，利用其濃密的樹冠削減風力。Ⅱ~Ⅶ級平臺主要栽植抗逆性強的常綠抗風樹種及攀援植物。常綠抗風樹種鐵冬青、福木有根系發(fā)達、總體抗風的特性，能較好地生長在回填土深1m以上的種植池內(nèi)，但施工過程應(yīng)使用埋地樹木支撐裝置等措施提高苗木存活率。平臺兩側(cè)栽植爬山虎(Parthenocissus tricuspidata)、薜荔(Ficus pumila)等使山體復(fù)綠，搭配栽植炮仗花(Pyrostegia venusta)、使君子(Quisqualis indica)等開花攀援植物，花期幾乎覆蓋全年，既豐富坡面色彩，又呼應(yīng)設(shè)計主題“彩虹”。彩虹山丘園區(qū)選用的抗風樹種及其特性詳見表2。

表2 彩虹山丘園區(qū)選用的主要抗風樹種及其特性

3 森林生態(tài)修復(fù)預(yù)期效果

本次森林生態(tài)修復(fù)選擇了適合園區(qū)立地條件的20余種南亞熱帶鄉(xiāng)土闊葉樹種，通過其抗風、抗鹽堿、抗貧瘠特性，合理搭配慢生、速生樹種，初步構(gòu)建園區(qū)的植物群落生態(tài)系統(tǒng)，使山體陡坡的植被覆蓋率顯著提高，發(fā)揮降低風速、減少風蝕的作用。通過營造植物生境及利用帶狀園區(qū)較好的邊緣效應(yīng)促進群落自然演替；利用食源性樹種吸引動物，從而逐步提高生物多樣性。修復(fù)后的森林隨著不斷的自然演替，將進一步發(fā)揮調(diào)節(jié)小氣候、凈化空氣、降塵減噪、減緩地表徑流、改良土壤等作用，園區(qū)生態(tài)質(zhì)量將得到提升[16－17]。

項目的實施將提高園區(qū)樹種多樣性，通過常綠與落葉、觀花與觀葉樹種結(jié)合運用，恢復(fù)園區(qū)綠色基調(diào)，有效弱化山體陡坡帶來的視覺壓抑感；利用植物花色、葉色的季相變化營造色彩豐富的四季森林景觀，突出設(shè)計主題“彩虹”。對喬灌草進行立體搭配，形成優(yōu)美舒適、多樹種、多層次、多效益的城市森林生態(tài)景觀，成為社區(qū)的一道綠色屏障。

通過對風環(huán)境因子的趨利避害，科學(xué)構(gòu)建植物群落與完善基礎(chǔ)設(shè)施，園區(qū)將成為“人－自然－城市”和諧共生的綠色基礎(chǔ)設(shè)施，滿足居民觀光賞景、休閑游憩、娛樂健身、自然教育等需求，進而提升社會大眾生態(tài)保護意識[18]。

4 結(jié)語

生態(tài)修復(fù)是一項復(fù)雜、長期的工程[19]。目前，在大灣區(qū)沿海區(qū)域，針對不利風場下的城市公園森林生態(tài)修復(fù)案例并不多。利用CFD軟件確認不利風場，制定修復(fù)方案并進行模擬預(yù)測是一種科學(xué)可行的規(guī)劃設(shè)計方法。為評價本次森林生態(tài)修復(fù)的成效，未來還需對園區(qū)進行定期監(jiān)測:一是監(jiān)測建設(shè)前后園區(qū)的風環(huán)境因子及其他微氣候因子，評價植物群落對風環(huán)境及微氣候改善的有效性，深入探究植物群落高寬比、冠線高低變化等群落形態(tài)對風環(huán)境及微氣候的影響[20]。二是監(jiān)測各個樹種在園區(qū)風環(huán)境中的長勢、地上地下生物量及適應(yīng)性表現(xiàn)等因子，綜合評價樹種的抗風性及景觀性。此外，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)進一步探究經(jīng)受風致機械刺激的植物，可能傾向于分配更多能量給根系提升錨定力，并通過縮短莖、葉柄或葉片呈現(xiàn)植物矮化現(xiàn)象的發(fā)生機理[21]。結(jié)合評估結(jié)果，繼續(xù)加深對風環(huán)境景觀適應(yīng)性的理論研究，適時補充相應(yīng)的管護和提升措施，促進園區(qū)最終形成良性的、可自然演替的近自然林。

未來，森林生態(tài)修復(fù)還應(yīng)積極納入小氣候動態(tài)信息技術(shù)協(xié)助規(guī)劃設(shè)計[22]。結(jié)合Arcgis等信息技術(shù)疊加耦合不同層次的空間環(huán)境特征，推動多學(xué)科合作制定方案，進一步提升大灣區(qū)沿海區(qū)域森林生態(tài)修復(fù)技術(shù)[23－24]。