一種應(yīng)對氣候變化的適應(yīng)性城市植物配置方法

孫澤宇

代鵬飛

翟 俊*

中國是全球氣候變化的敏感區(qū)，極端天氣氣候事件趨多趨強，氣候風(fēng)險水平呈上升趨勢，這在2020年表現(xiàn)得尤為突出[1]。江蘇省特別是蘇南地區(qū)的氣候變化主要體現(xiàn)在：一是氣候變暖十分明顯，1961—2007年全省年平均氣溫升高了1.38℃，特別是冬季氣溫升高幅度最大，≤0℃的低溫日數(shù)明顯減少；二是極端天氣情況變化明顯，洪澇等災(zāi)害的頻次和強度有增加趨勢[2]。這些變化直接導(dǎo)致了植物立地環(huán)境的改變，除了對植物個體及群落的影響外，生物體之間對氣候變化的不同反應(yīng)還可能破壞群落間的相互作用，如覓食和授粉過程，而這些都是城市生態(tài)系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3]。

加拿大生態(tài)學(xué)家霍林(C.S.Holling)是第一個從生態(tài)角度對適應(yīng)性下定義的人，他認(rèn)為適應(yīng)性是系統(tǒng)在受到干擾情況下，能夠應(yīng)對干擾并保持其自身功能的能力[4]。植物是城市生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者，種植設(shè)計師和植物學(xué)家已經(jīng)開始認(rèn)識到有必要改進(jìn)植物選擇及配置方法，以應(yīng)對越來越不可預(yù)測的氣候變化[5-7]。然而，40多年來大多數(shù)的氣候適應(yīng)性研究都集中在應(yīng)對熱島效應(yīng)、海平面上升和風(fēng)暴潮等宏觀氣候問題的應(yīng)對策略上，聚焦于城市植物配置方法的研究仍然有限[8-9]。因此氣候適應(yīng)性城市植物配置方法，是為應(yīng)對城市日益加劇的氣候變化，借鑒生態(tài)學(xué)中對生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)對外界因素壓力的研究成果，結(jié)合瑪麗卡羅爾·亨特(MaryCarol Hunter)、恩里卡·達(dá)拉(Enrica Dall'Ara)等美國風(fēng)景園林師關(guān)于植物配置方法的實踐[6-7]，將生態(tài)適應(yīng)性的相關(guān)理論轉(zhuǎn)化為應(yīng)對氣候變化的城市植物配置實踐的一種指導(dǎo)方法。

1 配置方法的考慮要素

應(yīng)對氣候變化的適應(yīng)性植物配置方法的基礎(chǔ)是2個生態(tài)學(xué)的概念，即適應(yīng)性和抵抗力穩(wěn)定性。此外，針對當(dāng)前我國城市綠化樹種及景觀效果單調(diào)的現(xiàn)狀，結(jié)構(gòu)多樣性也是不容忽視的生態(tài)考慮要素。同時面對氣候變化帶來的影響，除了考慮生態(tài)方面的因素外，植物配置還要從審美與文化角度考慮植物群落變化導(dǎo)致的地方感缺失問題。

1.1 植物物種的適應(yīng)性

植物的適應(yīng)性描述了植物物種在一系列變化的環(huán)境條件下的表現(xiàn)。適應(yīng)性強的物種可以在更多樣化的環(huán)境條件下存活，進(jìn)而更好地行使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[10-11]。植物的適應(yīng)性表現(xiàn)在溫度、土壤濕度、城市污染容忍度、耐鹽度等多個方面。例如：景觀效果相似且同為棕櫚科的棕櫚(Trachycarpus fortunei)與蒲葵(Livistona chinensis)均為園林結(jié)合生產(chǎn)的優(yōu)良樹種，但棕櫚溫度適應(yīng)范圍遠(yuǎn)大于蒲葵，成為長江流域及其以北地區(qū)的重要綠化樹種。

1.2 植物群落抵抗力的穩(wěn)定性

抵抗力的穩(wěn)定性是指一個生態(tài)系統(tǒng)在面對環(huán)境變化時保持其自身功能的能力，取決于生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的功能冗余度和對環(huán)境變化響應(yīng)的多樣性[12]。例如從抵抗力穩(wěn)定性考慮，植物配置如果僅僅選擇花期相近的植物來提供蜜源是不夠的，必須在整個昆蟲授粉季節(jié)都有植物提供足夠的蜜源。同時，在一個季節(jié)的某一時段，必須有相異適應(yīng)性的植物物種提供蜜源來應(yīng)對可能發(fā)生的環(huán)境變化(圖1)。

1.3 植物群落結(jié)構(gòu)的多樣性

結(jié)構(gòu)的多樣性描述了植物形態(tài)所提供的空間復(fù)雜性，通常應(yīng)用于植物群落，而不是單一的個體。結(jié)構(gòu)多樣性雖然不直接應(yīng)對氣候變化，但喬木、灌木和地被植物的物理形態(tài)決定了一年四季中生物筑巢、覓食和繁殖所需要的空間[13]。支持生物多樣性也就提升了群落抵抗力的穩(wěn)定性。

1.4 植物群落的審美與文化

如何在氣候變化下維持與鄉(xiāng)土植物審美相匹配而帶來的地方感和場所感，是城市植物景觀提供高質(zhì)量生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需要考慮的一個重要問題[14]。一些植物物種是一個地方的標(biāo)志，如海南的椰子(Cocos nucifera)和南京的懸鈴木(Platanus acerifolia)。在確定了本地標(biāo)志性植物后，可以在種植設(shè)計中加入一些適應(yīng)性更強且具有相似審美價值的鄉(xiāng)土植物。既保證了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，也保持了地方的場所感。

考慮到在文化和生態(tài)目標(biāo)之間尋求平衡的復(fù)雜性，尤其是認(rèn)識到氣候變化可能帶來的植物生存條件的改變。以上述生態(tài)文化特征為依據(jù)，在強調(diào)使用適應(yīng)性強的鄉(xiāng)土植物的基礎(chǔ)上，允許引入流行的可苗圃繁育且非入侵性的外來植物，以實現(xiàn)生態(tài)目標(biāo)同時提供更豐富的景觀效果和社會文化服務(wù)[15]。例如紐約的高線公園，就是通過由鄉(xiāng)土和外來野花草甸植物的混種，確保了從初春到晚秋，都有鮮花綻放，正所謂“源于自然，而高于自然”[16](圖2)。

圖1 展示在整個生長季節(jié)，蝴蝶所需資源的功能冗余和響應(yīng)多樣性的選擇，最大限度保證了7、8月的蜜源，其中圖中橫柱表示花期(作者改繪自參考文獻(xiàn)[6])

圖2 紐約高線公園上的野花草甸群落

2 配置方法的實施步驟

實施該方法首先需要一份反映植物物種特性和適應(yīng)性特征的植物名錄。通過對植物的這些屬性進(jìn)行編碼建立植物數(shù)據(jù)庫，植物數(shù)據(jù)庫可考慮的屬性見表1。然后依據(jù)植物數(shù)據(jù)庫中的屬性編碼，結(jié)合配置場地情況，選擇符合抵抗力穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)多樣性、滿足美學(xué)、文化和成本要求的植物物種，實現(xiàn)應(yīng)對氣候變化的城市植物配置目標(biāo)。

2.1 植物物種特性編碼

植物物種特性編碼應(yīng)包括植物的形態(tài)特征、生長周期、生長習(xí)性等內(nèi)容[6]。編碼數(shù)據(jù)參考《中國植物志》全文電子版[17]、《園林樹木學(xué)》[18]《園林樹木1600種》[19]《園林花卉學(xué)》[20]《應(yīng)對氣候變化的園林植物選擇原理與方法》[21]《中國蝶類志》[22]等資料。

2.2 植物物種適應(yīng)性編碼

除了種植設(shè)計師通?？紤]的植物特性外，這份植物數(shù)據(jù)庫還需要根據(jù)植物習(xí)性，分析植物所能適應(yīng)的環(huán)境類型，確定植物在不利環(huán)境中的生存能力。例如溫度適應(yīng)性特征表明一種植物在耐寒區(qū)分布的情況，展現(xiàn)了一個物種抵御溫度變化的能力，數(shù)值范圍從1到10，數(shù)值越大表明該物種溫度適應(yīng)性越強；土壤水分適應(yīng)性特征是植物可接受的水分的多少(干、濕、積水)的總和，取值范圍從1到3，較高的數(shù)值表明一種植物在氣候變化引起的降雨量增加的情況下生存的可能性更大[23]。在每種適應(yīng)性中，數(shù)值較高則表明在城市環(huán)境中，該植物物種有更大的能力來應(yīng)對相應(yīng)的氣候變化。編碼數(shù)據(jù)參考《中國園林綠化樹種區(qū)域規(guī)劃》[24]、美國農(nóng)業(yè)部(USDA)植物耐寒分區(qū)系統(tǒng)[25]、英國皇家園藝協(xié)會(RHS)植物耐寒分區(qū)系統(tǒng)[26]、《中國生物物種名錄2020版》[27]等數(shù)據(jù)源。

2.3 生態(tài)與審美多維度配置植物

1)群落抵抗力穩(wěn)定性配置。在植物數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，適應(yīng)性植物配置的關(guān)鍵是對抵抗力穩(wěn)定性的考慮。抵抗力穩(wěn)定性包括功能冗余度和對環(huán)境變化的響應(yīng)多樣性。例如，針對授粉活動提高植物群落的抵抗力穩(wěn)定性，在選擇長花期的物種的同時，還要盡可能增加同一時期群落中開花的植物種類，這些種類要有耐旱與耐澇等相異的適應(yīng)性，以應(yīng)對不可預(yù)測的氣候變化[6]。

2)群落結(jié)構(gòu)多樣性配置。包括樹木、灌木和草本植物的空間形式。

3)地方審美配置。強調(diào)使用鄉(xiāng)土植物，但允許配置可苗圃繁育且非入侵性的外來植物。

3 植物配置及效果比較

3.1 2組適應(yīng)性植物配置方案

以下2個方案展示了以蘇南地區(qū)立地條件為基礎(chǔ)，在滿足文化和美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的同時對生態(tài)目標(biāo)的考慮。研究選取了一種城市常見的綠地類型——道路側(cè)分帶為方案實施場地，即一邊是車行道另一邊是人行道的種植空間。植物配置希望實現(xiàn)以下2個目標(biāo)。

1)安全：選擇高度合適的道路綠化植物，道路路口處留出距地面1～2m的區(qū)間，以確保駕駛者有一個安全視野區(qū)。

2)生態(tài)：由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)涵蓋面廣，本文選取蝶類為評價植物配置方案生態(tài)效益的指示動物。演示在蘇南地區(qū)降水量波動的情況下，適應(yīng)性植物配置是如何持續(xù)行使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的。

根據(jù)上述目標(biāo)結(jié)合場地情況，篩選出了15種植物進(jìn)行植物配置，其中大多數(shù)是鄉(xiāng)土樹種，同時出于實用性和成本的考慮，一些在當(dāng)?shù)睾苁軞g迎的外來物種也被包括在內(nèi)(前提是它們已被認(rèn)定為非入侵植物，并且很容易從附近的苗圃獲得)。

利用選出的15種植物作為配置材料，以下2個方案都符合了上述的設(shè)計目標(biāo)。其中方案A的配置僅包括6種植物，雖然更容易種植和養(yǎng)護(hù)，但是相比之下，沒有完全實現(xiàn)方案B所具有的適應(yīng)性功能。2組方案的景觀效果見圖3、4，冬季的景觀效果見圖5。這2個方案中的植物種類與物種屬性的數(shù)據(jù)見表2。

3.2 2組方案效果比較

3.2.1 適應(yīng)性

2種配置中選擇的植物都表現(xiàn)出較強的適應(yīng)性。溫度上，抗寒能力跨越至少3個區(qū)，平均是4個區(qū)，最靠南的可接受熱帶綠化區(qū)溫度(Ⅸ)。通過使用適應(yīng)性強的植物來應(yīng)對氣候變化，2個方案中使用的大部分植物都能適應(yīng)蘇南地區(qū)未來更溫暖的氣候變化趨勢，同時也能夠應(yīng)對不確定的極寒氣候。同樣在所選植物的花期與水分的適應(yīng)性方面也都盡可能地考慮不同氣候的變化可能性。

3.2.2 功能冗余

以指示性昆蟲蝴蝶為指標(biāo)，2組配置方案均為蝴蝶提供了生境(寄主、蜜源、棲息地)[22]。方案A 3—10月都能提供蜜源，其中4、9和10月有2種開花植物；5—8月(整個夏季)有3種開花植物。相比之下方案B 2—11月都能提供蜜源，每月開花植物也要多于方案A，表現(xiàn)出更大的功能冗余(圖6)。此外，與方案A相比，方案B中的植物配置所具有的對鳥類提供果實和全年棲息地的功能冗余更大。

3.2.3 響應(yīng)多樣性

連續(xù)幾年出現(xiàn)異常的高溫和降雨是未來氣候變化的可能趨勢，城市植物配置需要在這樣氣候變化的大背景下考慮如何提升生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。應(yīng)對雨天潮濕，方案B更好地為蝶類及鳥類提供了所需資源(圖7)。但11月—翌年2月，這2種設(shè)計方案都無法可靠地提供資源保障。提供滿足生物多樣性的一般經(jīng)驗原則，是在一開始就選擇適應(yīng)性最強的植物，因此這2個方案還需要進(jìn)一步完善。

圖3 方案A的夏季景觀效果、植物名錄與配置圖

圖4 方案B的夏季景觀效果、植物名錄與配置圖

圖5 方案A、B冬季景觀效果

3.2.4 結(jié)構(gòu)多樣性

以上2種配置方式都能滿足結(jié)構(gòu)多樣性的標(biāo)準(zhǔn)，包括喬木、灌木和多年生草本植物的空間形式，且這2種配置方式的空間復(fù)雜性一年四季都存在。其中方案B在冬季有12種植物比方案A的4種植物提供了更多的結(jié)構(gòu)多樣性。因為所有的植物都符合溫度適應(yīng)性的標(biāo)準(zhǔn)，所以2個方案中的每種植物對棲息地復(fù)雜性都有可靠的貢獻(xiàn)。

4 總結(jié)與討論

應(yīng)對氣候變化的適應(yīng)性城市植物配置方法，是在對植物特性編碼的基礎(chǔ)上，通過對群落抵抗力穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)多樣性、審美文化等因素的綜合考慮來指導(dǎo)植物配置，而不是試圖根據(jù)氣候變化的具體預(yù)測來配置相應(yīng)植物(未來是很難準(zhǔn)確預(yù)測的)，這樣的配置思路更有可能提高植物群落的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效益[29]。

該方法更好地維護(hù)了城市生態(tài)系統(tǒng)功能，因為生態(tài)系統(tǒng)各組成部分之間具有高度的依賴性，即使是一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(如授粉者棲息地)的恢復(fù)也會對生態(tài)系統(tǒng)健康產(chǎn)生積極效應(yīng)。這里介紹的應(yīng)對氣候變化的適應(yīng)性植物配置方法可以作為生態(tài)恢復(fù)的一張?zhí)幏剑驗樗С稚锒鄻有圆⒛芫徑獬鞘猩鷳B(tài)系統(tǒng)受到的各種不良影響，同時還創(chuàng)造了增強城市綠色網(wǎng)絡(luò)連接度的可能性，從而促進(jìn)地方和區(qū)域環(huán)境的健康發(fā)展[30-31]。

該方法強調(diào)把美學(xué)考慮與生態(tài)考慮放在平等的位置上。要使生態(tài)的種植設(shè)計得到當(dāng)?shù)厥鼙娫谖幕系慕邮芎烷L期認(rèn)可，那么美學(xué)目標(biāo)是不可或缺的[15]。實施該方法，不會改變設(shè)計師的創(chuàng)意設(shè)計過程，他們可以應(yīng)用植物去自由地創(chuàng)造豐富的空間形式、顏色和紋理，以及感官體驗的時序，從而確保四季最佳的審美效果。只是在這些創(chuàng)意過程以外，設(shè)計師必須清楚地認(rèn)識到他們所選擇的植物品種，還需要滿足生態(tài)的邏輯關(guān)系，所謂Eco-logical(邏輯)。

圖6 方案A、B的季節(jié)資源和審美存在度(按月份表示蜜源和花色供應(yīng)的功能冗余情況)

圖7 方案A、B對高降雨量淹水情況響應(yīng)評估(有色方格表示植物能夠提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，空的方格表示當(dāng)土壤保持濕潤時，失去生態(tài)功能的植物)

不可否認(rèn)，該方法也存在不足之處。因為廣泛使用適應(yīng)性強的植物可能在以下幾個方面導(dǎo)致生物多樣性降低：首先，隨著對植物適應(yīng)性要求的增加，潛在可挑選的植物種類會減少；其次，隨著強適應(yīng)性物種使用的增加，維持生態(tài)系統(tǒng)功能健全所需的物種多樣性也會減少；最后，設(shè)計項目的規(guī)劃目標(biāo)也會導(dǎo)致生物多樣性的降低。例如方案A和B配置的所有植物都是耐澇和耐旱的。要滿足這些生態(tài)的目標(biāo)，就會導(dǎo)致潛在的植物物種名單大大減少。因此在選擇適應(yīng)性強的植物種類的同時，需要提高鄉(xiāng)土植物的開發(fā)與馴化工作，不斷擴(kuò)充可選植物清單的數(shù)量。同時該方法還需要建立系統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)管理規(guī)范。不同于建筑，植物是有生命的。因此，一個好的種植設(shè)計還應(yīng)該包含一個有效的管理計劃，以確保未來形式和功能的可持續(xù)[32]。氣候變化使得養(yǎng)護(hù)管理更加關(guān)鍵，因此需要制定包括如何替換表現(xiàn)不佳的植物物種、如何控制長勢旺盛的植物，以及如何在其他生態(tài)系統(tǒng)成員(如授粉者、人類)的需求改變時添加新的植物物種等行動的相關(guān)指南。

表1 植物數(shù)據(jù)庫應(yīng)考慮的因素列表[6，23]

本文探討的應(yīng)對氣候變化的適應(yīng)性城市植物配置方法擴(kuò)大了我們對城市生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)和平衡機制的理解，促進(jìn)了設(shè)計師與生態(tài)學(xué)家的合作。該方法同時關(guān)注適應(yīng)性、抵抗力穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)多樣性和審美文化，既是一種植物選擇方式與綠化空間營造的新嘗試，又是一種切實可行且操作性很強的有效方法，為適應(yīng)氣候變化的城市植物配置提供了一種新思路。氣候變化不會停止，因此我們創(chuàng)新的步伐也不能停滯。

表2 方案A、B的植物名錄[17，21-28]

注：文中圖片除注明外，均由作者拍攝或繪制。