建成环境道路绿带生境特征研究

汪瑞军 成玉宁

1 研究背景

1.1 道路绿带空间因素

生境是植物生存与发展所需生态条件的集合，以空间为载体，并受到不同尺度上空间变化的影响。建成环境属于人工营建的空间体系，绿地作为其中的主要组成部分，在空间形态上表现出多样性与类型化的特征，并随之产生了植物生境条件的差异。道路绿带在建成环境中兼具绿地与交通设施的双重属性，后者的标准化设计将其塑造成为严格的线性空间，由此产生的以高度规则化与约束性为主的空间属性不仅是绿带生境特征形成的基础，也让空间与生境之间的作用关系得以比较清晰地表现。

作为交通设施附属绿地的组成部分[1]，道路绿带以分车带的形式最为常见，包括中分带、侧分带和行道树绿带[2]2。与绿带相关的主要空间因素包括所在街谷的空间形态及其自身的位置、宽度和植被结构。街谷是道路两侧建筑物与路面围合形成的类似“峡谷”的空间[3]，其形态特征塑造了道路绿带的直接外部环境。绿带位置是指绿带在道路平面中的布局，中分带位于道路中心线附近，距离两侧建筑最远。绿带宽度与分车带属性相关，通常中分带宽度较大，而城市区域、道路等级以及建设年代等因素也会对其产生影响，宽度的大小直接影响到绿带土壤的容量与封闭程度。为满足视线引导、荫庇和空间组织等交通空间需求以及尽可能多地提高绿视率，绿带的种植形式常以灌木密植配合乔木等距行植为主，表现出线性空间的统一性与秩序感。相关设计规范对绿带植被空间组织和种类选择等也均有所要求与建议[2]6，与其他绿地相比体现出较强的规范化与模式化特征。

1.2 道路空间环境研究

街谷形态变化产生的影响是关于道路空间局地环境研究的关注重点，所在地的纬度、街谷走向和横断面高宽比等空间因素都会影响谷内的小气候环境[4-5]。光照分析主要通过几何计算[6]或软件模拟[7]完成，包含风热条件和温湿度等在内的气象因子可以通过测量仪器进行历史数据记录，也可以利用基于计算流体力学开发的相关软件实现模拟与预测[8]。而这些研究的主旨大多在于公共空间的环境质量，侧重于人对环境的需求变化、体感舒适度与空气污染等问题[9-11]，以绿地作为对象的详细研究相对较少。关于绿地土壤环境的研究则多见于以城市绿地分类为依据的采样调查，涉及不同地区的不同绿地类型间土壤性状的对比[12-14]，比较局限于整体分析，而缺乏对相关性状形成与变化的研究以及从空间关联的角度展开的讨论。

笔者以南京市为例，通过软件模拟和采样调查的方法分析道路绿带的主要生境因子特征及其与相应空间因素之间的量化关系，旨在提升绿带植物群落设计的科学性，同时也为通过空间设计来干预和营造植物生境提供参考依据。

2 研究对象与方法

南京市主城区位于北纬32°04′左右，属于北亚热带长江中下游气候区，年均降雨量为1 106 mm，属湿润气候型[15]，土壤基底主要为下蜀黄土母质上发育的黄棕壤[16]，自然背景环境和城市发展特征具有长江中下游地区城市群的典型代表性。以南京市建设或改造完成10年以上、环境稳定、特征典型的城区路段为研究对象。调查工作于夏末（2019年9月中下旬）晴好天气集中展开，共对27条道路的各型绿带进行取样调查（东西向13条，命名为DX01～DX13；南北向14条，命名为NB01～NB14）。

光照、温度、水和土壤是与植物生长密切相关的主要非生物因子[17]，其中温度变化主要体现在季节变换与昼夜交替上，或与建成环境整体相关，更多的属于背景环境条件，因此不在研究之列。考虑到道路空间的峡谷效应对局地风场的显著性影响，将局地风环境也纳入生境分析之中。故选取光照因子、局地风环境、土壤水因子、土壤理化属性4项主要生境因子为研究指标，对道路绿带的生境特征进行调查与分析。光照与局地风环境分析分别利用地理信息系统软件ArcGIS中的太阳辐射模块和计算流体力学（computational fluid dynamics，简称CFD）软件Phoenics完成，前者的模拟时段为植物生长旺盛的夏半年（春秋分之间），后者的背景条件则依据南京市相关历史气象信息。因夏半年街谷光照与风场变化均以东西向和南北向为最大差异，其余处于二者之间[4,6,18]，为精简分析过程和突出重点内容，模拟分析将主要针对上述两个走向。土壤调查的测量与取样深度为20 cm。数据处理与分析通过Excel与SPSS软件完成。

另外，土壤理化属性的分析还包括与相同时间段内其他绿地类型调查结果的比较，以在更广的空间尺度上了解道路绿带的土壤环境特征。其他绿地类型包括：公园绿地、单位附属绿地、居住区绿地、滨水绿地和广场绿地，它们与道路绿带一起构成了建成环境的主要绿地空间。

3 研究结果

3.1 光照因子

根据不同植物对光照条件的需求，光照时数常被作为划分光照条件的重要指标。不同学者从种植经验和光合有效辐射累积等角度提出了相应的分类区间[19-21]，笔者在此基础上结合南京市的太阳辐射变化规律，将光照条件的理论划分标准设为：在每日08：00—16：00，受光照直射6～8 h为全阳生环境，4～6 h为半阳生环境，2～4 h为半阴生环境，0～2 h为全阴生环境，4 h为阳生与阴生环境的理论分界值。

3.1.1 街谷空间影响

对东西向道路不同街谷高宽比（H/W）进行模拟（图1）。模拟路型为双向四车道，含中分带、侧分带及行道树绿带，平面布局依据相关规范要求[22]，建筑退让道路红线设置为：＜50 m多层及小高层建筑6 m、50～75 m高层建筑10 m、75～100 m高层建筑15 m[23]。随着高宽比的增加，半阳区（4～6 h）与半阴区（2～4 h）的范围逐渐增大。阴生范围（＜4 h）与各绿带关系表现为：A段（H/W=0.5）几乎不受影响，B段（H/W=1）覆盖南行道树绿带，C段（H/W=2）覆盖南侧分带，D段（H/W=3）受退让红线增加的影响表现与C段相近。D段建筑高度已＞100 m属于超高层建筑，更大高宽比连续界面极少出现，缺少实际意义，故不做分析。

与东西向相比，南北向道路的情况更复杂。因建筑多以南北朝向布局，南北走向道路两侧建筑界面常以山墙面为主，尤其在居住用地集中的区域，产生了建筑界面是否连续这一变量。连续界面H/W ≥1时，F段（H/W=1）和I段（H/W=2）半阴区可覆盖所有绿带；而当H/W不变，任意一侧界面不连续时［G、H段（H/W=1）］建筑遮阴效果明显下降，多数绿带处于全阳区域。J段两侧建筑高度差异较大，西侧H/W=0.5，东侧H/W=2，与对应高宽比且建筑高度一致时的E段（H/W=0.5）和I段相比表现出折中状态，绿带基本处于半阳区域（图2）。由此可见水平和垂直层面上的建筑界面连续性都会对街谷光照产生影响。

3.1.2 乔木冠层影响

有研究表明大多数道路绿地乔木树种的遮阴率都能达到80%～90%以上[24-25]。遮阴模拟中树冠可近似视为实体。结合道路绿化的统一与规则化特征，线性方向上的栽植密度或株间距成为乔木冠层影响中下层植被光照条件的主要因素。

对东西向绿带乔木冠层遮阴情况进行模拟（图3），相关参数设置为：乔木冠幅6 m，树高8 m，冠下高3 m，绿带宽度2 m。夏至日时，随着株距的增大，乔木遮阴形成的阴生范围保持着较高的连续性，株距为冠幅的2倍时，下方绿带仍全部处于阴生环境中。春秋分日时，太阳高度角的减小使树冠投影向北偏移，减弱了对绿带的遮阴效果，并且偏移所产生的影响随着株距的增大而逐渐增强，当株间距达到1.75倍冠幅时，绿带处于阳生环境的面积开始多于阴生环境。综合来看，株距小于1.5倍冠幅的东西向单排乔木产生的遮阴可使其下方绿带在夏半年始终处于光照＜4 h的阴生环境中。

对南北向绿带进行模拟（图4）。乔木遮阴形成的阴生范围（＜4 h）小于树冠垂直投影面积，夏至日时仅在相邻树冠相互重叠时才能形成连续的冠下阴生环境；春秋分日时乔木的遮阴效果更弱，始终仅能形成间断的阴生范围，当株距达到1.5倍冠幅时下方绿带已大部分处于阳生环境。

当同路段两条绿带的乔木树冠相接形成封闭式拱廊时，乔木遮阴的影响显著提升（图5）。无论道路走向如何，下方绿带在夏半年完全处于日照＜2 h全阴环境，东西向绿带更是以光照0 h全阴环境为主。

综合以上分析，东西向道路中街谷形态对绿带光照的影响相对较小，高宽比产生的阴影变化主要作用于南侧绿带，乔木冠层对中下层植被的遮阴效果比较显著；南北向道路中街谷形态的作用较大，高宽比和建筑界面的连续性同为重要的影响因素，乔木冠层遮阴的影响则相对较小。

3.2 局地风环境

街谷形态是局地风环境特征形成的主要决定因素。当街谷走向与主导风向平行时会形成所谓的峡谷效应或峡层效应，气流的可通过区域受限，流体的连续性促使其加速通过街谷，形成槽流风；当街谷走向与主导风向垂直时，气流会从周围的通风口和建筑顶层上迅速通过，在谷内形成静风区；当道路走向与主导风向成其他偏角时，两种效应都会出现但程度不同，偏角越接近垂直方向，静风区的范围就越大，越接近平行方向，峡谷效应就越显著。对于街谷的断面形态，模拟分析表明：街谷与风向垂直时所形成的谷内静风环境不会因高宽比的改变而发生变化，而平行时所形成的槽流风则与高宽比和背景风速均有所关联。

此外，风环境的变化还会从一些微观层面对植物生长产生影响。叶表风有助于气孔周围水蒸气的扩散，提升空气的水分不饱和程度，进而增大水汽扩散梯度与叶片内外的水蒸气气压差。一定范围内风速的增大会对植物的蒸腾作用起促进作用[29-30]，过大则会引起气孔的关闭。

3.3 土壤水因子

所有样地的平均土壤含水量为13.32%（体积含水量），东西向道路均值为13.67%，南北向为13.00%，整体差异很小。就此阶段性数据而言已接近区域土壤的萎蔫系数，属于水分缺乏状态[31]。东西向道路中，南侧分带平均含水量为14.42%，略大于北侧分带的12.56%，DX04以外的各样地中均为南侧分带较大，中分带与南侧分带接近；南北向道路中，东侧分带均值为13.01%，西侧分带为12.90%，在各样地间互有高低，未表现出显著的分化（图7）。该结果一定程度上反映出与光照条件的联系，东西向南侧分带受建筑或乔木遮阴而处于阴生环境的可能性最高，绿地蒸散小，含水量相对较高。

将含水量数据与绿带宽度进行相关性分析，同路段侧分带空间形态一致，含水量以平均值参与计算，结果显示二者在0.05水平上显著正相关（r=0.401），两组数据的曲线回归分析显示对数模型的拟合优度最高（图8）。

宽度过小会增强绿带土壤的封闭程度，包括地表层面与地下层面，后者与道路基础对绿带土壤下界面的封闭有关，而乔木冠层对雨水的截留比例也会因宽度减小而增加，这些都是形成上述分析结果的可能原因。与其他绿地类型进行比较（表1），道路绿带的平均含水量处于最低水平且差异较显著，除了严格围合的边界限制了水分输入以外，植物满栽所产生的较大耗水量也是重要原因之一。相对最小的变异系数从侧面反映出绿带空间的高度规则化特征。

表1 道路绿带土壤含水量与其他绿地类型的比较Tab. 1 Comparison of soil moisture in road greenbelts and other green space types

土壤含水量属于波动性较高的因子，受多种环境因素的影响，建成环境中还包含人为管理的成分。为提高分析结果对真实情况的反映程度，首先是调查时间选择在雨季刚刚结束的夏末，且在降雨结束后的晴好天气，以减小人工灌溉的影响；其次是通过增加样本数量来稀释个体差异，各型绿地调查样点均在50个以上。虽然开放环境难以控制的背景条件减弱了定量分析的准确性，但其结果在整体比较和程度分析上仍具有一定的理论意义。

3.4 土壤理化属性

3.4.1 紧实度

土壤紧实度范围为271.38～543.80 N·cm-2，平均值为391.51 N·cm-2，不足5%的绿带超过500 N·cm-2，该值为测量仪器（T YD-2）的基本量程上限，表征不利于植物生长的较高水平。绿带位置、宽度等空间因素均未与紧实度的变化表现出显著的关联，东西向均值为393.30 N·cm-2，南北向均值为400.45 N·cm-2，几乎相当。从与其他绿地类型的比较（图9-1）来看，绿带土壤紧实度整体水平处于中间位置，变异系数最小。

3.4.2 酸碱度

土壤酸碱度（pH值）均值为7.82，检测样本中，pH值在7.0～7.5区间的占3.12%，7.5～8.0区间的占78.13%，8.0～8.5区间的占18.75%，绝大多数土壤呈碱性。方向和位置因素未表现出与pH值的显著关联。绿带宽度与pH值的相关性分析显示二者在0.05水平上显著负相关（r=－0.365），曲线回归分析结果仍然为对数模型拟合优度最高（图10）。

绿带周围硬质设施所使用的人工材料会向土壤中释放以硅酸盐为主的碱性物质，从而引起土壤pH值的升高，宽度越小的绿带边界指数（边长/面积）越大，理论上受此影响越强，同时，宽度小的绿带土壤容量小，自身的化学平衡能力较弱，加剧了土壤的碱化。与其他绿地类型进行整体比较（图9-2），道路绿带的pH值最高，且仅其平均水平达到了碱性范畴，碱化成为绿带土壤属性的一个突出特征，变异系数与滨水绿地相近，处于最低位置。

3.4.3 养分特征

养分特征分析的主要指标是土壤中碱解氮、磷酸盐和钾盐的含量，它们属于三大养分元素中易被植物吸收的有效部分。考虑到土壤酸碱环境的变化对植物生长发育、营养物质吸收和转化过程的重要影响，也将其纳入分析的指标体系中。各指标评价标准参考第二次全国土壤普查养分分级标准及以往的相关研究[32-34]，分级归属依照的是隶属度原则（表2），综合指数的计算采用内梅罗综合指数法。

表2 养分指标评价的分级拐点值Tab. 2 Grade inflection point of soil nutrient indexes evaluation

结果表明，碱解氮的含量水平较低，所有样本均属于III级水平，总均值及58.06%的样本数值甚至低于土壤普查分级标准中的极缺水平（30 mg·kg-1）[32]；磷酸盐和钾盐的含量均很高，I级水平样本占绝对主导（表3）。综合指数方面，6.45%的绿带属于贫瘠范围（内梅罗指数＜0.9），93.55%的绿带属于一般范围（0.9～1.8），绝大多数分布在1.00～1.10区间内，整体养分水平不高。

表3 样地土壤养分特征分析与评价Tab. 3 Analysis and evaluation of soil nutrient characteristics of sample sites

绿带宽度与上述3项养分元素含量之间不具有显著相关性。土壤养分元素的变化涉及各种生化过程，不确定性较高，很难表现出与空间因素之间较为明确的关联。但在养分指标之间的相关性分析中，碱解氮含量与pH值在0.05水平上显著负相关（r=－0.424），说明通过调节土壤的酸碱度能够对氮素含量产生影响。原因可能与微生物的适宜生活环境有关，土壤微生物一般最适宜的pH值是6.5～7.5之间的中性范围，过酸或过碱都会严重抑制其活动[35]，而土壤中氮元素主要来自有机质分解，磷元素和钾元素很大程度上受到成土母质的影响[36]，因此碱性程度越高越不利于氮素在土壤中的释放。这可能也是道路绿带在与其他绿地的比较中碱解氮含量处于最低水平的主要原因之一（图9-3）。磷酸盐和钾盐则处于中间水平，且二者在各绿地类型中普遍较高，均值均超过了I级标准。变异系数的比较中道路绿带始终处于最低和次低的位置（图9-4）。

4 生境适应性设计

生境适应性设计是指通过对生境的认知和营造协调生物群落与生存空间关系的过程。绿地生境适应性设计的实质是实现植物种植设计与场地设计之间的双向适应。种植设计需要符合场地的生境特征，而场地设计也应从满足植物生长环境的角度出发发挥其生境营造的作用。任何设计终将落实到空间层面，空间因素在绿地生境特征的形成中扮演着重要的角色，对于二者关联规律的研究是完成生境适应性设计的关键。

道路绿带的光照与局地风环境主要受到所在街谷空间形态的影响，包括走向与断面高宽比，而这些对于绿带设计而言属于不可控因素，种植设计对于场地条件的适应占主导。光照因子方面，了解和适应街谷空间变化对光照的作用规律是种植设计的主要内容，而在利用乔木层调节和塑造光照条件时还应注意街谷走向对其遮阴效果的影响。针对街谷空间的局地风环境特征，绿带设计应重点关注与地区极端天气频发季节主导风向平行的路段，尤其是街谷高宽比较大的迎风口区域，以规避可能发生的风害带来的破坏，具体措施包括绿带的合理退让、选择抗风性强的树种以及组织导风性植被结构等。

土壤水因子和理化属性与绿带自身的空间属性关联更为密切，这为通过场地设计来调整绿带生境创造了条件，有助于改善类型层面的空间特征所引起的生境限制。与土壤含水量和酸碱度的显著相关性表明了宽度因素在一定程度上对二者的调节作用，适当增加绿带宽度有助于含水量的增加和抑制pH值的上升。宽度与这两个因子的最优拟合曲线均为对数模型，拟合曲线随着横坐标的增加由急变缓，拐点均出现在2 m左右，为宽度优化提供了一个具有参考意义的理论界值。对于水因子的调节还可以通过雨水收集的方法从周边环境中获得补充，将绿带建设与地表径流管理相结合，其内在机理是恢复平衡态的水分循环。相关技术方法与工程措施近年来得到了广泛的研究与应用，但需注意综合考虑在地条件和绿带承载力，以免过犹不及。另外，种植设计本身的调整也会对土壤环境的改善起到作用，改变满栽堆砌式的栽植方式能够减小对雨水和植物残体截留的比例，同时减少对水分和养分的消耗。

道路绿带的生境适应性设计将传统线性空间绿化所追求的视觉秩序延伸到了生态层面，只有当自然的内在秩序得到满足时才能产生稳定、可持续和富有生命力的植物景观。

5 结语

陆地上的任何一种环境都有其适宜生长的植物群落，自然环境中决定权在于自然选择，而在建成环境中则更多的由人为主导，并形成了各种满足人为需求的绿地。绿地建设中被加速过的人工选择能否很好地替代自然选择，取决于自然过程内在的适应性机制有没有得到充分的认知与表达，对于生境特征及其与空间关系的研究正是探寻该适应性机制的过程。绿地的营建既要建设自然之表，也要建设自然之里。

图表来源(Sources of Figures and Tables)：

文中图表均为作者绘制。