一种应对气候变化的适应性城市植物配置方法

孙泽宇

代鹏飞

翟 俊*

中国是全球气候变化的敏感区，极端天气气候事件趋多趋强，气候风险水平呈上升趋势，这在2020年表现得尤为突出[1]。江苏省特别是苏南地区的气候变化主要体现在：一是气候变暖十分明显，1961—2007年全省年平均气温升高了1.38℃，特别是冬季气温升高幅度最大，≤0℃的低温日数明显减少；二是极端天气情况变化明显，洪涝等灾害的频次和强度有增加趋势[2]。这些变化直接导致了植物立地环境的改变，除了对植物个体及群落的影响外，生物体之间对气候变化的不同反应还可能破坏群落间的相互作用，如觅食和授粉过程，而这些都是城市生态系统正常运行的关键环节[3]。

加拿大生态学家霍林(C.S.Holling)是第一个从生态角度对适应性下定义的人，他认为适应性是系统在受到干扰情况下，能够应对干扰并保持其自身功能的能力[4]。植物是城市生态系统的初级生产者，种植设计师和植物学家已经开始认识到有必要改进植物选择及配置方法，以应对越来越不可预测的气候变化[5-7]。然而，40多年来大多数的气候适应性研究都集中在应对热岛效应、海平面上升和风暴潮等宏观气候问题的应对策略上，聚焦于城市植物配置方法的研究仍然有限[8-9]。因此气候适应性城市植物配置方法，是为应对城市日益加剧的气候变化，借鉴生态学中对生态系统应对外界因素压力的研究成果，结合玛丽卡罗尔·亨特(MaryCarol Hunter)、恩里卡·达拉(Enrica Dall'Ara)等美国风景园林师关于植物配置方法的实践[6-7]，将生态适应性的相关理论转化为应对气候变化的城市植物配置实践的一种指导方法。

1 配置方法的考虑要素

应对气候变化的适应性植物配置方法的基础是2个生态学的概念，即适应性和抵抗力稳定性。此外，针对当前我国城市绿化树种及景观效果单调的现状，结构多样性也是不容忽视的生态考虑要素。同时面对气候变化带来的影响，除了考虑生态方面的因素外，植物配置还要从审美与文化角度考虑植物群落变化导致的地方感缺失问题。

1.1 植物物种的适应性

植物的适应性描述了植物物种在一系列变化的环境条件下的表现。适应性强的物种可以在更多样化的环境条件下存活，进而更好地行使生态系统服务功能[10-11]。植物的适应性表现在温度、土壤湿度、城市污染容忍度、耐盐度等多个方面。例如：景观效果相似且同为棕榈科的棕榈(Trachycarpus fortunei)与蒲葵(Livistona chinensis)均为园林结合生产的优良树种，但棕榈温度适应范围远大于蒲葵，成为长江流域及其以北地区的重要绿化树种。

1.2 植物群落抵抗力的稳定性

抵抗力的稳定性是指一个生态系统在面对环境变化时保持其自身功能的能力，取决于生态系统结构的功能冗余度和对环境变化响应的多样性[12]。例如从抵抗力稳定性考虑，植物配置如果仅仅选择花期相近的植物来提供蜜源是不够的，必须在整个昆虫授粉季节都有植物提供足够的蜜源。同时，在一个季节的某一时段，必须有相异适应性的植物物种提供蜜源来应对可能发生的环境变化(图1)。

1.3 植物群落结构的多样性

结构的多样性描述了植物形态所提供的空间复杂性，通常应用于植物群落，而不是单一的个体。结构多样性虽然不直接应对气候变化，但乔木、灌木和地被植物的物理形态决定了一年四季中生物筑巢、觅食和繁殖所需要的空间[13]。支持生物多样性也就提升了群落抵抗力的稳定性。

1.4 植物群落的审美与文化

如何在气候变化下维持与乡土植物审美相匹配而带来的地方感和场所感，是城市植物景观提供高质量生态系统服务需要考虑的一个重要问题[14]。一些植物物种是一个地方的标志，如海南的椰子(Cocos nucifera)和南京的悬铃木(Platanus acerifolia)。在确定了本地标志性植物后，可以在种植设计中加入一些适应性更强且具有相似审美价值的乡土植物。既保证了生态系统服务功能，也保持了地方的场所感。

考虑到在文化和生态目标之间寻求平衡的复杂性，尤其是认识到气候变化可能带来的植物生存条件的改变。以上述生态文化特征为依据，在强调使用适应性强的乡土植物的基础上，允许引入流行的可苗圃繁育且非入侵性的外来植物，以实现生态目标同时提供更丰富的景观效果和社会文化服务[15]。例如纽约的高线公园，就是通过由乡土和外来野花草甸植物的混种，确保了从初春到晚秋，都有鲜花绽放，正所谓“源于自然，而高于自然”[16](图2)。

图1 展示在整个生长季节，蝴蝶所需资源的功能冗余和响应多样性的选择，最大限度保证了7、8月的蜜源，其中图中横柱表示花期(作者改绘自参考文献[6])

图2 纽约高线公园上的野花草甸群落

2 配置方法的实施步骤

实施该方法首先需要一份反映植物物种特性和适应性特征的植物名录。通过对植物的这些属性进行编码建立植物数据库，植物数据库可考虑的属性见表1。然后依据植物数据库中的属性编码，结合配置场地情况，选择符合抵抗力稳定性、结构多样性、满足美学、文化和成本要求的植物物种，实现应对气候变化的城市植物配置目标。

2.1 植物物种特性编码

植物物种特性编码应包括植物的形态特征、生长周期、生长习性等内容[6]。编码数据参考《中国植物志》全文电子版[17]、《园林树木学》[18]《园林树木1600种》[19]《园林花卉学》[20]《应对气候变化的园林植物选择原理与方法》[21]《中国蝶类志》[22]等资料。

2.2 植物物种适应性编码

除了种植设计师通常考虑的植物特性外，这份植物数据库还需要根据植物习性，分析植物所能适应的环境类型，确定植物在不利环境中的生存能力。例如温度适应性特征表明一种植物在耐寒区分布的情况，展现了一个物种抵御温度变化的能力，数值范围从1到10，数值越大表明该物种温度适应性越强；土壤水分适应性特征是植物可接受的水分的多少(干、湿、积水)的总和，取值范围从1到3，较高的数值表明一种植物在气候变化引起的降雨量增加的情况下生存的可能性更大[23]。在每种适应性中，数值较高则表明在城市环境中，该植物物种有更大的能力来应对相应的气候变化。编码数据参考《中国园林绿化树种区域规划》[24]、美国农业部(USDA)植物耐寒分区系统[25]、英国皇家园艺协会(RHS)植物耐寒分区系统[26]、《中国生物物种名录2020版》[27]等数据源。

2.3 生态与审美多维度配置植物

1)群落抵抗力稳定性配置。在植物数据库的基础上，适应性植物配置的关键是对抵抗力稳定性的考虑。抵抗力稳定性包括功能冗余度和对环境变化的响应多样性。例如，针对授粉活动提高植物群落的抵抗力稳定性，在选择长花期的物种的同时，还要尽可能增加同一时期群落中开花的植物种类，这些种类要有耐旱与耐涝等相异的适应性，以应对不可预测的气候变化[6]。

2)群落结构多样性配置。包括树木、灌木和草本植物的空间形式。

3)地方审美配置。强调使用乡土植物，但允许配置可苗圃繁育且非入侵性的外来植物。

3 植物配置及效果比较

3.1 2组适应性植物配置方案

以下2个方案展示了以苏南地区立地条件为基础，在满足文化和美学标准的同时对生态目标的考虑。研究选取了一种城市常见的绿地类型——道路侧分带为方案实施场地，即一边是车行道另一边是人行道的种植空间。植物配置希望实现以下2个目标。

1)安全：选择高度合适的道路绿化植物，道路路口处留出距地面1～2m的区间，以确保驾驶者有一个安全视野区。

2)生态：由于生态系统服务涵盖面广，本文选取蝶类为评价植物配置方案生态效益的指示动物。演示在苏南地区降水量波动的情况下，适应性植物配置是如何持续行使生态系统服务功能的。

根据上述目标结合场地情况，筛选出了15种植物进行植物配置，其中大多数是乡土树种，同时出于实用性和成本的考虑，一些在当地很受欢迎的外来物种也被包括在内(前提是它们已被认定为非入侵植物，并且很容易从附近的苗圃获得)。

利用选出的15种植物作为配置材料，以下2个方案都符合了上述的设计目标。其中方案A的配置仅包括6种植物，虽然更容易种植和养护，但是相比之下，没有完全实现方案B所具有的适应性功能。2组方案的景观效果见图3、4，冬季的景观效果见图5。这2个方案中的植物种类与物种属性的数据见表2。

3.2 2组方案效果比较

3.2.1 适应性

2种配置中选择的植物都表现出较强的适应性。温度上，抗寒能力跨越至少3个区，平均是4个区，最靠南的可接受热带绿化区温度(Ⅸ)。通过使用适应性强的植物来应对气候变化，2个方案中使用的大部分植物都能适应苏南地区未来更温暖的气候变化趋势，同时也能够应对不确定的极寒气候。同样在所选植物的花期与水分的适应性方面也都尽可能地考虑不同气候的变化可能性。

3.2.2 功能冗余

以指示性昆虫蝴蝶为指标，2组配置方案均为蝴蝶提供了生境(寄主、蜜源、栖息地)[22]。方案A 3—10月都能提供蜜源，其中4、9和10月有2种开花植物；5—8月(整个夏季)有3种开花植物。相比之下方案B 2—11月都能提供蜜源，每月开花植物也要多于方案A，表现出更大的功能冗余(图6)。此外，与方案A相比，方案B中的植物配置所具有的对鸟类提供果实和全年栖息地的功能冗余更大。

3.2.3 响应多样性

连续几年出现异常的高温和降雨是未来气候变化的可能趋势，城市植物配置需要在这样气候变化的大背景下考虑如何提升生物多样性和生态系统服务功能。应对雨天潮湿，方案B更好地为蝶类及鸟类提供了所需资源(图7)。但11月—翌年2月，这2种设计方案都无法可靠地提供资源保障。提供满足生物多样性的一般经验原则，是在一开始就选择适应性最强的植物，因此这2个方案还需要进一步完善。

图3 方案A的夏季景观效果、植物名录与配置图

图4 方案B的夏季景观效果、植物名录与配置图

图5 方案A、B冬季景观效果

3.2.4 结构多样性

以上2种配置方式都能满足结构多样性的标准，包括乔木、灌木和多年生草本植物的空间形式，且这2种配置方式的空间复杂性一年四季都存在。其中方案B在冬季有12种植物比方案A的4种植物提供了更多的结构多样性。因为所有的植物都符合温度适应性的标准，所以2个方案中的每种植物对栖息地复杂性都有可靠的贡献。

4 总结与讨论

应对气候变化的适应性城市植物配置方法，是在对植物特性编码的基础上，通过对群落抵抗力稳定性、结构多样性、审美文化等因素的综合考虑来指导植物配置，而不是试图根据气候变化的具体预测来配置相应植物(未来是很难准确预测的)，这样的配置思路更有可能提高植物群落的生态系统服务效益[29]。

该方法更好地维护了城市生态系统功能，因为生态系统各组成部分之间具有高度的依赖性，即使是一种生态系统服务(如授粉者栖息地)的恢复也会对生态系统健康产生积极效应。这里介绍的应对气候变化的适应性植物配置方法可以作为生态恢复的一张处方，因为它支持生物多样性并能缓解城市生态系统受到的各种不良影响，同时还创造了增强城市绿色网络连接度的可能性，从而促进地方和区域环境的健康发展[30-31]。

该方法强调把美学考虑与生态考虑放在平等的位置上。要使生态的种植设计得到当地受众在文化上的接受和长期认可，那么美学目标是不可或缺的[15]。实施该方法，不会改变设计师的创意设计过程，他们可以应用植物去自由地创造丰富的空间形式、颜色和纹理，以及感官体验的时序，从而确保四季最佳的审美效果。只是在这些创意过程以外，设计师必须清楚地认识到他们所选择的植物品种，还需要满足生态的逻辑关系，所谓Eco-logical(逻辑)。

图6 方案A、B的季节资源和审美存在度(按月份表示蜜源和花色供应的功能冗余情况)

图7 方案A、B对高降雨量淹水情况响应评估(有色方格表示植物能够提供生态系统服务，空的方格表示当土壤保持湿润时，失去生态功能的植物)

不可否认，该方法也存在不足之处。因为广泛使用适应性强的植物可能在以下几个方面导致生物多样性降低：首先，随着对植物适应性要求的增加，潜在可挑选的植物种类会减少；其次，随着强适应性物种使用的增加，维持生态系统功能健全所需的物种多样性也会减少；最后，设计项目的规划目标也会导致生物多样性的降低。例如方案A和B配置的所有植物都是耐涝和耐旱的。要满足这些生态的目标，就会导致潜在的植物物种名单大大减少。因此在选择适应性强的植物种类的同时，需要提高乡土植物的开发与驯化工作，不断扩充可选植物清单的数量。同时该方法还需要建立系统的养护管理规范。不同于建筑，植物是有生命的。因此，一个好的种植设计还应该包含一个有效的管理计划，以确保未来形式和功能的可持续[32]。气候变化使得养护管理更加关键，因此需要制定包括如何替换表现不佳的植物物种、如何控制长势旺盛的植物，以及如何在其他生态系统成员(如授粉者、人类)的需求改变时添加新的植物物种等行动的相关指南。

表1 植物数据库应考虑的因素列表[6，23]

本文探讨的应对气候变化的适应性城市植物配置方法扩大了我们对城市生态系统循环和平衡机制的理解，促进了设计师与生态学家的合作。该方法同时关注适应性、抵抗力稳定性、结构多样性和审美文化，既是一种植物选择方式与绿化空间营造的新尝试，又是一种切实可行且操作性很强的有效方法，为适应气候变化的城市植物配置提供了一种新思路。气候变化不会停止，因此我们创新的步伐也不能停滞。

表2 方案A、B的植物名录[17，21-28]

注：文中图片除注明外，均由作者拍摄或绘制。