湯瑤， 郭玲子， 徐恩凱， 田國(guó)行

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林與藝術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450002)

由國(guó)務(wù)院批復(fù)，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)印發(fā)的《促進(jìn)中部地區(qū)崛起“十三五”規(guī)劃》文件中提到,支持鄭州、武漢建設(shè)國(guó)家中心城市[1]。其中強(qiáng)調(diào)“生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體改善：自然生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性全面提升，物種資源豐富度和草原綜合植被蓋度增加，濕地保有量達(dá)到520 hm2，森林覆蓋率達(dá)到38%以上[2]”等一系列要求。快速城市化過程在帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，提高了城市下墊面的復(fù)雜性，建筑、水面、硬質(zhì)鋪裝和植物的不同布局組合形成了豐富的城市空間，但也改變了城市冠層內(nèi)大氣循環(huán)和能量傳遞規(guī)律，在城市中衍生出不同的氣候區(qū)，為生物提供不同于自然生境的特殊城市生境[3]。國(guó)內(nèi)外針對(duì)綠地生境的研究目的和提升目標(biāo)不同，梁闖[4]通過分析校園綠地生長(zhǎng)所需的生態(tài)因子，來(lái)探討如何提高校園小氣候舒適度。馮嘉星[5]通過軟件模擬來(lái)分析日照這一生態(tài)因子和場(chǎng)地的關(guān)系，而劉暉[6]則是通過試驗(yàn)觀測(cè)來(lái)探討不同日照條件對(duì)地被植物群落的影響。除了日照外，還有不少研究從土壤[7]、濕度[8]和風(fēng)[9]等生態(tài)因子入手，探討場(chǎng)地內(nèi)該生態(tài)因子變化對(duì)綠地生長(zhǎng)或環(huán)境的影響。冀倩茹[10]從綠地功能、綠地空間形態(tài)、土地利用分類上對(duì)綠地生境進(jìn)行劃分。但是，綠地的劃分也割裂了各類綠地之間的聯(lián)系，需調(diào)整原有的綠地格局，引入新的景觀組分，重新恢復(fù)被人類活動(dòng)中止或破壞的綠地之間的聯(lián)系[11]。大學(xué)校園是集居住、辦公、休閑活動(dòng)和景觀游覽于一體的綜合性單位，一般建校時(shí)間長(zhǎng)，綠地率高，校內(nèi)豐富的植物群落吸引了大量生物以此作為棲息地。作為城市綠地重要的組成部分，其承擔(dān)著保護(hù)生物多樣性、調(diào)節(jié)城市氣候、維持城市生態(tài)系統(tǒng)等功能。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)鄭州市文化路校區(qū)建校時(shí)間較久，校內(nèi)雪松、廣玉蘭和重陽(yáng)木等植物生長(zhǎng)年份長(zhǎng)，具有很大的觀賞價(jià)值和保護(hù)價(jià)值，然而早期校園規(guī)劃建設(shè)時(shí)通常將綠地作為附屬的一部分，缺少科學(xué)的場(chǎng)地條件分析和空間設(shè)計(jì)，大面積集中式綠地較少，校園內(nèi)多為建筑附屬綠地，綠地生境雖穩(wěn)定但生態(tài)效益的發(fā)揮有很大的局限性。本研究期望通過對(duì)地處河南鄭州市的河南農(nóng)業(yè)大學(xué)校園生境進(jìn)行劃分，將場(chǎng)地的生境條件進(jìn)行歸類，并對(duì)每類生境提出生境營(yíng)造建議，為大學(xué)校園綠地建設(shè)和生境保護(hù)提供新的思路。

1 研究區(qū)概況

本試驗(yàn)選擇河南農(nóng)業(yè)大學(xué)(鄭州市文化路校區(qū))作為生境劃分研究場(chǎng)地，研究區(qū)位于農(nóng)業(yè)路與文化路交叉口，也是鄭州市北二環(huán)和北三環(huán)的交界區(qū)。學(xué)校創(chuàng)建于1902年，共占地 21.5 hm2。本次調(diào)查選取了其70個(gè)樣點(diǎn)，樣點(diǎn)分布見圖1。

圖1 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)鄭州市文化路校區(qū)調(diào)研樣點(diǎn)分布圖

2 劃分依據(jù)

2.1 城市局地氣候區(qū)劃分

生境又稱棲息地，不僅指生物的個(gè)體或種群生存繁衍的空間區(qū)域，也包括該空間區(qū)域的生態(tài)環(huán)境及各物種之間復(fù)雜的關(guān)系[3]。生態(tài)系統(tǒng)由生物群落和生境構(gòu)成，生境由氣候環(huán)境和土壤環(huán)境共同影響[12]。城市下墊面和城市空間改變了城市氣候，在城市內(nèi)部產(chǎn)生了豐富的氣候類型，形成了局地氣候區(qū)，為生物群落提供不同的氣候環(huán)境。

城市局地氣候區(qū)(Local climate zones，LCZ)針對(duì)城市表面進(jìn)行劃分，劃分后的每一氣候區(qū)內(nèi)地表覆蓋、結(jié)構(gòu)、材料和人類活動(dòng)都相對(duì)一致，每個(gè)LCZ的最小直徑為400～1 000 m，即半徑200～500 m，以便每一氣候區(qū)的邊界層完全位于其內(nèi)部區(qū)域，不會(huì)和其他LCZ重疊[13-14]。城市空間的差異導(dǎo)致城市局地空氣溫度的差異，因此，LCZ不是依據(jù)氣候統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或氣候現(xiàn)象直接進(jìn)行劃分，而是根據(jù)城市空間形態(tài)進(jìn)行分區(qū)。郭煜琛[15]在研究鄭州市空間形態(tài)對(duì)城市熱環(huán)境的影響時(shí)得出，STEWART等[13]劃分的17種城市局地氣候類型中，鄭州市共有13種，包括7種建成型和6種地表覆蓋型。根據(jù)其研究得出,河南農(nóng)業(yè)大學(xué)鄭州市文化路校區(qū)內(nèi)共存在5種局地氣候類型(圖2)，分別是緊湊低層(LCZ-3)、開敞高層(LCZ-4)、開敞中層(LCZ-5)、開敞低層(LCZ-6)和密林區(qū)(LCZ-A)。

圖2 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)鄭州市文化路校區(qū)局地氣候區(qū)分布圖Fig.2 Map of Zhengzhou Wenhua Road campus of Henan Agricultural University for local climate differentiation

2.2 城市空間組成

城市空間是指城市內(nèi)部由建筑、構(gòu)筑物、道路、植被、硬化鋪裝和水面等多種要素通過不同組合形式界定或圍合而成的空間[16]。根據(jù)城市空間各要素組合情況可將城市空間分成6大類，分別是由建筑和硬質(zhì)鋪裝組成的生境、由建筑和綠地組成的生境、綠地型生境、水體型生境、廣場(chǎng)型生境和城市荒野生境。

2.3 城市空間形態(tài)

除了城市空間的組成產(chǎn)生氣候差異進(jìn)而影響生態(tài)因子，導(dǎo)致綠地生境改變的另一個(gè)原因是城市空間的形態(tài)，城市空間形態(tài)指城市內(nèi)部空間的形式與狀態(tài)，以及其形成和演變的內(nèi)在機(jī)制[16-17]。一般選取建筑高度、建筑密度、植被指數(shù)、不透水率等城市空間形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行描述。高層建筑相較于低層建筑，會(huì)產(chǎn)生更大的陰影面積；密度較大的建筑群相對(duì)于零散建筑群更不利于風(fēng)循環(huán)；在植物群落結(jié)構(gòu)中，喬灌草搭配的群落在阻擋強(qiáng)風(fēng)，疏導(dǎo)城市熱循環(huán)效果最佳，僅有地被層的綠地效果最差；綠地或可透水鋪裝相比較硬質(zhì)鋪裝具有更好的保溫效果。城市空間形態(tài)和空間組成影響城市局地氣候，城市局地氣候又調(diào)節(jié)著生態(tài)因子，進(jìn)而改變城市生境。

2.4 場(chǎng)地設(shè)計(jì)要素對(duì)生態(tài)因子的影響

即使在同一氣候類型下，由于場(chǎng)地環(huán)境條件和空間類型不同，植物生長(zhǎng)所需的生態(tài)因子也會(huì)改變，產(chǎn)生微氣候，而這些生態(tài)因子又與建筑、道路和水系等場(chǎng)地設(shè)計(jì)有關(guān)。局地氣候區(qū)的劃分，只對(duì)氣候環(huán)境做了一個(gè)大致的分類，未涉及到綠地外的建筑陰影、光照條件和風(fēng)環(huán)境等場(chǎng)地條件，因此還需在局地氣候的分區(qū)下，結(jié)合場(chǎng)地設(shè)計(jì)對(duì)綠地生境進(jìn)行細(xì)分。植物生長(zhǎng)所需的光照、濕度、溫度等，與場(chǎng)地條件有關(guān)。建筑陰影可為綠地降溫增濕，建筑墻體既可阻擋垂直風(fēng)侵襲，又可與其他建筑配合形成回流風(fēng)，產(chǎn)生“峽谷效應(yīng)”，降低溫度；鋪裝地面的坡度坡向可改變水的流向和流速，產(chǎn)生積水點(diǎn)或沖刷點(diǎn)。因此，場(chǎng)地內(nèi)的各種空間類型或結(jié)構(gòu)形態(tài)都可通過選擇或替換景觀元素，或是改變景觀地形[4]，來(lái)改變場(chǎng)地生態(tài)因子，創(chuàng)造更適宜生境。

在Rhino軟件中建立河南農(nóng)業(yè)大學(xué)鄭州市文化路校區(qū)的校園建筑模型，然后通過Ladybug參數(shù)化插件中的Ladybug sunlight hours analysis建立電池組，對(duì)校園內(nèi)日照時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行分析[18]，以此推斷校園建筑對(duì)光照的遮擋情況，模擬界面見圖3。由于天空視域因子(Sky view factor，SVF)拍攝日為2020-09-24，因此在日照模擬分析時(shí)，分別選擇2020-03-24、2020-06-24、2020-09-24和2020-12-24這4 d的8:00—18:00進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果見圖4。此外，還選擇3月、6月、9月和12月4個(gè)月份模擬該月內(nèi)8:00—18:00的日照總時(shí)數(shù)，模擬結(jié)果見圖5。通過模擬結(jié)果分析可得出,最南側(cè)一排建筑對(duì)場(chǎng)地陰影影響最大，除夏季外，幾乎無(wú)光照射入。此外，對(duì)場(chǎng)地光照影響較大的建筑還有圖書館、工程樓和機(jī)電教學(xué)實(shí)驗(yàn)樓等。

圖3 Ladybug模擬日照時(shí)長(zhǎng)時(shí)的工作界面

圖4 Ladybug模擬單日日照結(jié)果圖

圖5 Ladybug模擬單月日照結(jié)果圖

對(duì)河南農(nóng)業(yè)大學(xué)鄭州市文化路校區(qū)內(nèi)場(chǎng)地空間構(gòu)成、場(chǎng)地性質(zhì)、場(chǎng)地氣候環(huán)境、人工干預(yù)程度和場(chǎng)地優(yōu)勢(shì)植物種類等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并提出相應(yīng)的生境營(yíng)造策略。場(chǎng)地條件分析和生境營(yíng)造策略見表1。

表1 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)鄭州市文化路校區(qū)場(chǎng)地條件分析和生境營(yíng)造策略

續(xù)表1

2.5 空間圍合程度

天空視域因子(skyviewfactor，SVF)是用于描述城市三維幾何結(jié)構(gòu)的城市形態(tài)參數(shù)之一，指夜晚從城市地面發(fā)出的長(zhǎng)波輻射，一部分被樹木、建筑物等障礙物阻擋并吸收，另外一部分則被射向天空，這部分被釋放的輻射與總的輻射比被稱為SVF[19-20]。SVF影響著場(chǎng)地接收和發(fā)射熱輻射的能力，因此太陽(yáng)波段入射量和反射量與城市空間圍合程度有關(guān)。在進(jìn)行綠地布局設(shè)計(jì)時(shí)，可通過提高植物間的高度差來(lái)提高風(fēng)速，或增加植物數(shù)量提高場(chǎng)地濕度條件[21-22]。

通過Ladybug模擬的日照時(shí)長(zhǎng)分析僅考慮建筑對(duì)光照的影響，未考慮植物或者其他構(gòu)筑物等遮光因素，因此還需參考SVF。校園的SVF數(shù)據(jù)通過植物冠層儀(CI-110)進(jìn)行測(cè)量獲取，植物冠層儀可用于測(cè)量天空開闊度和葉面積指數(shù)(Leaf area index，LAI)，LAI指單位面積內(nèi)葉片面積占總面積的比率，可表示植物葉片對(duì)場(chǎng)地光照的遮擋情況。冠層儀前端的廣角鏡頭可拍攝出魚眼鏡頭圖像，配合手柄處的24個(gè)PAR光合有效輻射傳感器，可得出進(jìn)入場(chǎng)地的光輻射量占總太陽(yáng)輻射量的比例。將魚眼照片導(dǎo)入Rhino，選擇Ladybug中的Ladybug gen cumulative sky mtx操作選項(xiàng)，可對(duì)魚眼照片進(jìn)行日照軌跡分析，日照軌跡線中呈白色的區(qū)域指太陽(yáng)光可以照射到場(chǎng)地的時(shí)間，黑色則指在該時(shí)間段內(nèi)無(wú)太陽(yáng)光照射。由于調(diào)研時(shí)間的局限性，本次拍攝僅在2020-09-24進(jìn)行，未考慮不同季節(jié)植物落葉情況對(duì)SVF和LAI的影響。將植物冠層儀拍攝的照片導(dǎo)入Photoshop軟件進(jìn)行處理，可更好的區(qū)分天空和非天空區(qū)域的邊界，照片示例分析見表2。校園空間圍合程度分析見圖6。

表2 植物冠層儀拍攝照片分析表

圖6 校園天空視域因子分布圖Fig.6 Sky view factor distribution diagram of university campus

3 結(jié)果與分析

依據(jù)5個(gè)劃分依據(jù)，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)鄭州市文化路校區(qū)生境劃分結(jié)果分別是(1)建筑旁綠地生境：(圍合空間)建筑陰影+硬質(zhì)鋪裝；(半開敞空間)建筑陰影+硬質(zhì)鋪裝；(圍合空間)建筑南或北面全陰影+綠地；(半開敞空間)建筑南或北面全陰影+綠地；(圍合空間)建筑東面或西面全陰影；(半開敞空間)建筑東面或西面半陰影；(半開敞空間)建筑南面無(wú)陰影(2)道路綠地生境：(圍合空間)道路全陰影；(半開敞空間)道路全陰影；(半開敞空間)道路半陰影；(圍合空間)道路半陰影(3)(半開敞空間)邊界型綠地生境(4)廣場(chǎng)或室外運(yùn)動(dòng)場(chǎng)生境：(開敞空間)硬質(zhì)廣場(chǎng)或運(yùn)動(dòng)場(chǎng)；(半開敞空間)硬質(zhì)廣場(chǎng)或運(yùn)動(dòng)場(chǎng)(5)(圍合空間)群落型綠地生境共15種生境。同時(shí)，建筑旁綠地生境占20.4%，道路綠地生境占23.5%，邊界型綠地生境占6.1%，廣場(chǎng)或室外運(yùn)動(dòng)場(chǎng)生境占36.7%，群落型綠地生境占13.3%。生境分區(qū)結(jié)果見圖7。

圖7 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)鄭州市文化路校區(qū)生境劃分分區(qū)結(jié)果

4 結(jié)論

通過Ladybug里的日照分析插件，結(jié)合場(chǎng)地實(shí)測(cè)SVF數(shù)據(jù)，將河南農(nóng)業(yè)大學(xué)鄭州市文化路校區(qū)校園生境進(jìn)行了劃分，總結(jié)得出以下結(jié)論：

(1)河南農(nóng)業(yè)大學(xué)鄭州市文化路校區(qū)校園內(nèi)共存在5種局地氣候區(qū)類型，分別是緊湊低層氣候區(qū)、開敞高層氣候區(qū)、開敞中層氣候區(qū)、開敞低層氣候區(qū)、密林氣候區(qū)。

(2)校園中最多的生境類型為建筑旁綠地生境，共有7種。

(3)校園中面積最大的生境類型為室外運(yùn)動(dòng)場(chǎng)生境，占36.7%。

(4)建筑旁綠地生境主要受建筑遮光影響，因此在生境營(yíng)造中根據(jù)日照情況選擇對(duì)應(yīng)生長(zhǎng)習(xí)性的植物，同時(shí)增加地形變化，形成匯水區(qū)和排水區(qū)，產(chǎn)生不同的土壤濕度環(huán)境；道路兩側(cè)建筑樓間距影響道路綠地生境的日照環(huán)境和風(fēng)環(huán)境；廣場(chǎng)或室外運(yùn)動(dòng)場(chǎng)多采用硬質(zhì)鋪裝，綠地率低，硬質(zhì)鋪裝相比綠地來(lái)說(shuō)比熱容小，溫度和濕度環(huán)境變化較快；邊界綠地受城市道路上的汽車尾氣污染，且管理相對(duì)粗放；群落型綠地生境質(zhì)量最好，植物種類多長(zhǎng)勢(shì)好，為校園內(nèi)鳥類、昆蟲或微生物提供豐富的棲息地，維持了生物多樣性發(fā)展。

相較傳統(tǒng)的根據(jù)場(chǎng)地功能分區(qū)來(lái)進(jìn)行植物選擇，先通過場(chǎng)地生境條件進(jìn)行生境分區(qū)再對(duì)綠地生境進(jìn)行提升則具有更好的科學(xué)性和生態(tài)性。生境劃分通過對(duì)場(chǎng)地空間構(gòu)成和類型進(jìn)行了梳理和分類，找出可通過人工干預(yù)改變生態(tài)因子的設(shè)計(jì)方式，使城市綠地在城市特殊生境中朝著正演替方向發(fā)展，為城市綠地系統(tǒng)的構(gòu)建提供了新的思路。然而，生境營(yíng)造是一個(gè)緩慢的過程，短時(shí)間內(nèi)較難比較出生境前后的變化，需要長(zhǎng)期對(duì)綠地各生態(tài)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析。建立數(shù)據(jù)庫(kù)、制定一套科學(xué)的生境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是后期的主要研究?jī)?nèi)容。