基于景觀生態學的城市人居環境代謝研究范式與研究框架建構

李枝堅,張曉剛,曾 輝,常文靜

北京大學深圳研究生院城市規劃與設計學院, 深圳 518055

從物質代謝角度解析城市結構功能關系及相關的資源環境問題,是近年來城市生態環境效應研究的新思路,也是城市景觀生態安全格局建構和功能完善的重要基礎[1]。大規模城鎮建設和快速增加的城市人口,需要消耗大量資源并排出各種廢物,引發資源耗竭、環境污染等環境問題,以及交通擁擠、住房緊張、治安惡化等社會問題,嚴重威脅城市人居環境[2-3]。運用物質流分析方法可以深入探討社會經濟發展與資源消耗和環境污染之間的關系,從而為社會經濟發展過程中資源環境問題的解決提供科學依據[4-5]。目前城市化地區的物質代謝分析除不斷進行方法論完善外[6],對行業[7]、城市[8]乃至國家[9]等各個尺度的研究對象均開展了大量的實證研究,成為人為活動生態環境效應研究領域的熱點研究方向之一。

人居環境建設已經成為中國城市發展和當代生態學研究的新興命題[10],基于物質代謝研究成果,系統剖析城市人居環境問題,提升城市化過程的生態文明水準成為推動新型城市化發展的重要路徑選擇。現階段國際城市代謝研究的重點是整合自然系統(環境)與人類系統(社會經濟),全面分析城市和主要生產過程的資源利用與廢物排放,提高對城市過程與功能的整體理解,為城市規劃、設計人員和管理者提供機會,來改善城市化過程中各類負面生態環境效應[11]。相關研究工作的重點領域包括：特定產業類型或區域單元的代謝核算及流程分析[12-13]；適用于不同行業和區域特點的代謝模型研究與應用；以及將相關研究成果用于指導城市建設和管理的技術路徑與方法等[14-16]。

近年來,國內外學者開始嘗試將景觀生態學的基本概念和方法引入城市物質流分析,以期拓展相關研究的深度和廣度。例如,引入點、線、面概念,將城市景觀格局與生態代謝過程聯系起來,進而建立城市物質流分析模型框架[17]；建構網絡化的生態城市模型,量化分析物質流特征,厘清流的外部特征(輸入和輸出的大小和結構)以及內部特征(關鍵節點和生態關系)及其隨時間的變化[18]；從特定生態流的行為差異出發,分析生態流發生的背景系統的景觀特征,總結生態流的關鍵模式及其與背景景觀系統的契合程度,以達成更好地理解景觀格局和功能的目的[19]等。這些研究工作通常以城市或一個大尺度地域單元為研究對象,核心研究內容大致可以分成兩類,一類從物質流的角度重新認識景觀的結構、格局與功能,進而將二者整合為一類系統研究工作[20-21]；第二類大多基于城市代謝視角,利用網絡分析手段,嘗試弄清各類生態流的整體系統過程特征及其生態環境效應,尋求可持續的生態流管理手段和路徑[22-26]。

總結上述分析不難發現,由于人居環境建設問題極為復雜,物質代謝理論和方法在城市人居環境建構中的研究案例大多集中于某些具體的領域,整體研究工作還缺乏系統性。大多數研究工作通常針對單一功能過程或一個特定的尺度空間,缺乏合理的多尺度、多維度整體性研究,致使人居環境代謝研究的理論總結、方法論建構和決策應用方面難以形成有效的集成效應；另外具體研究工作中的格局—過程—尺度耦合問題,數據采集、儲存和分析問題以及效應調控和過程管控等關鍵學科發展問題的解決進展緩慢。針對上述問題,本文擬采用景觀生態學的理論和方法,嘗試整合傳統研究思路和成果,搭建一套綜合的研究范式和研究框架,以期有效解決上述各關鍵問題,推動城市人居環境代謝研究的發展。

1 研究背景：城市研究的兩種視角

1.1 人居環境視角的城市研究

“人居活動”特指生產活動以外的休息居住和休閑娛樂活動,或泛指人類生產和生活所需的一切有關活動[27]。人居環境強調“人居活動”的地域空間,在突出“人居活動”核心地位的同時,也強調支撐環境的重要性。人居環境學又被稱為人類聚居學,最早是由希臘著名的城市規劃學者道薩迪亞斯(Constantinos Apostolos Doxiadis,1913—1975)在20世紀50年代創立的。國外城市人居環境思想可以追溯到16 世紀歐洲的“烏托邦”理想,歷經萌芽期、雛形期和發展期[28],先后形成了物質空間規劃、人和可持續發展三個研究核心,以及城市規劃學派、人居環境學派、地理學派和生態學派等不同的學科派別[29]。

我國的人居環境思想發端于古代風水學思想[30]。20世紀90年代初,吳良鏞先生從當前我國城市化發展面臨的實際問題和理論需求出發,在參考和借鑒國外“人類聚居學”思想的基礎上,倡議并主持創建了以人與自然協調為中心,以居住環境為研究對象的人居環境科學,并首次提出了人居環境科學的基本框架[31]。該框架以五大系統(包含自然、人、社會、居住和支撐網絡)和五大層次(包含全球、區域、城市、社區和建筑)的概念體系歸納了城市人居環境的結構性特征；同時建議從建筑學、景觀學、地理學、生態學、社會學和環境科學等不同學科角度剖析“城市人居環境”問題。人居環境科學基本框架的提出為從學科交叉角度解決城市人居環境問題打開了思路；此后,人居環境科學整合地理學[32-33]、生態學[34-35]理論和方法獲得快速發展,并細分出“大城市邊緣區人居環境”[36-37]、“鄉村人居環境”[38]和“島嶼人居環境”[39]等不同人居環境科學研究的分支領域。

然而近30年來,盡管相關學科在人居環境研究,特別是城市人居環境的理論和實踐研究方面形成較好的積累,但并沒有使得這一研究領域凝練成長為一門綜合、獨立的新學科,還存在各學科基礎理論缺乏整合,定性與定量研究結合不足,理論與應用脫節等問題(表1)。這些問題一方面體現了城市人居環境問題的復雜性,需要進一步強化基本研究范式和理論支撐基礎；另外一方面也體現了這項研究工作強烈的實踐性色彩,需要有效解決理論與應用脫節問題,以指導各類人居環境的建設與實踐。

表1 當前城市人居環境研究存在的主要問題Table 1 Main problems of studies on urban human settlement

1.2 社會代謝視角的城市研究

代謝思想最早出現于醫學和生物學領域,而后經過學科遷移,現廣泛應用于生態學、社會學、人類學、地理學以及環境科學等自然科學和社會科學的諸多領域[36]。進入20世紀以來,工業化、城市化進程導致資源環境問題日益突出,代謝思想逐步發展成為環境科學和產業生態學的重要研究范式。社會代謝思想重視自然生態系統與社會生態系統的差別,并強調代謝是連接自然生態與社會經濟的重要過程。其核心內涵是將社會經濟系統看作不斷進行著物質和能量代謝的復合生態系統,將社會投入和社會產出與人類生產和人類消費相結合,從生物代謝角度考察社會現有的代謝狀況[46]。以代謝的視角進行各類物質空間的過程和現象研究,有助于合理串聯研究客體的結構和功能,及時發現二者之間存在的現實和潛在問題,采取適宜的措施加以應對,確保系統的有序正常運營。

城市代謝是社會代謝研究的重要應用領域。城市代謝分析將城市類比為生命系統,通過考察物質能量輸入、儲存和輸出等代謝過程來理解城市運轉的機制及其問題產生的根源。1965年, Wolman 首次將代謝方法用于城市物質、能量流動研究,建立了第一個城市代謝模型[47]。隨著可持續發展理念的傳播,城市代謝研究在國內外引起了廣泛關注,我國也于21世紀初開始城市代謝的實證和理論研究[48]。如今的城市代謝研究在概念框架、指標體系、數據集成和管理應用等方面都有了一定的發展,通過集成物質流分析、物料流分析、生命周期評價、能值分析、生態足跡評價等研究工具,憑借客觀、量化、簡潔的分析特點,城市代謝分析已經成為循環經濟、生態效率、低碳社會可持續發展等研究領域的重要評估手段,但在理論建構以及政策應用方面的研究還相對缺乏。

上述分析表明,人居環境和社會代謝視角的城市研究在各自領域獲得了多年的積累,已經有了長足發展。但對于城市這一復雜研究對象而言,兩種視角還缺乏必要整合,城市人居環境代謝研究還顯得零散[49-51],相關的理論發展和實踐應用也尚未引起充分重視。我國現階段的城市化過程已經進入以生態文明建設為核心的全新發展階段,針對城市人居環境建設領域各類迫切的目標和任務要求,人居環境科學研究亟待創新研究范式,高效解決研究中的各類理論和方法論問題,及時凝練和總結具有實踐指導意義的科研成果,為我國今后的城市化發展進程提供強有力的科學支撐。

2 城市人居環境代謝研究的概念框架

基于生態學原理和方法的城市人居環境研究一直存在兩種視角,從中觀生態學(生態系統生態學)的角度來看,人居環境研究是以人為核心物種的生態學研究；從宏觀生態學(景觀生態學)的角度來看,人居環境研究是物質空間的格局和過程研究,而代謝分析是其結構和功能解構的重要手段。兩種視角下城市人居環境研究的分歧反映了城市生態學理論基礎的分化,體現了基于景觀生態學和生態系統生態學兩個不同生態學分支學科的城市認知方式和城市解構模式的差異[52]。整體而言,基于生態系統生態學原理的城市人居環境代謝研究多關注物質能力的流特征和分析,屬于典型的過程研究思路；而基于景觀生態學原理和方法的城市人居環境代謝研究,可以有效地整合格局、過程、尺度、功能等地域分異特征,研究成果能夠更好地反應代謝過程的時空分異特征、生態環境效應及其驅動機制,進而為區域可持續發展決策提供扎實的基礎研究支撐[15-17,20-21]。

2.1 從“城市(產業生態)代謝”到“城市人居環境代謝”

根據上述分析結果,引入景觀生態學原理可以從格局-過程-尺度-功能層面全面解析城市人居環境代謝的時空動態演化特征,建立科學的尺度推演規則,進而從根本上完善城市代謝的理論基礎[52]。本文利用景觀生態學的基本原理,在整合傳統城市代謝研究思路的基礎上,嘗試提出一個帶有景觀生態學特色的城市人居環境代謝綜合研究范式。鑒于傳統的城市代謝是以產業生態過程為核心的代謝研究,本文在建構基于景觀生態學的“城市人居環境代謝研究范式”時,更加關注人居環境過程在城市代謝中的支配作用,并力爭在理念、學科、概念和邏輯等方面都體現出與傳統范式不同的特征：

(1)在發展理念方面：不單純強調解決城市產業發展中環境問題,而更加強調保障城市中人的健康生存和全面發展；

(2)在學科依據方面：從以工業化和工業代謝為焦點的產業生態學,轉移到以城市化和景觀動態為焦點的景觀生態學；

(3)在概念體系方面：遵循常用的景觀結構和功能解構方法[17-20],強調用“社會”呼應“經濟”,用“人”呼應“企業”,用“景觀”呼應“系統”,用“消費”呼應“生產”,用“居住”呼應“工作”,用“空間循環”呼應“時間循環”,用“等級(系統)理論”呼應“黑箱系統理論”；

(4)在邏輯思想層面：強調用“經驗整合”匹配“抽象邏輯”；用“整合還原論思想的整體論”取代“秘密的還原論”。

在完成上述各項準備工作之后,就可以發展一種基于景觀生態學基本概念框架和基本理論的城市人居環境研究新范式(圖1)。與傳統重視過程的產業代謝研究范式相比,這一關于城市人居環境這種特定物質空間的研究方式在發展理念、學科依據、概念體系和邏輯思想等各個層面都滿足了科學研究范式的基本條件要求。景觀生態學作為側重異質性空間“格局—過程”研究的宏觀生態學分支學科,用于作為城市人居環境代謝研究的學科基礎,不僅能夠有效解析復雜人居環境系統的結構與功能關系,還可以通過有效的格局優化手段,為緩解乃至根除人居環境建設過程的各種矛盾創造有利條件。

圖1 范式變遷：從“城市(產業生態)代謝”到“城市人居環境代謝”Fig.1 Paradigm Shift: from “urban industrial ecology metabolism” to “metabolism of urban human settlement”

2.2 城市人居環境物質能量代謝的研究框架

在上述范式變遷分析的基礎上,綜合分析城市人居環境代謝的研究需求,結合景觀生態學原理,可以將研究過程劃分為理論認知,方法建構和決策應用3個步驟,進而搭建起關于城市人居環境物質能量代謝研究的整體框架(圖2)。

圖2 城市人居環境物質能量代謝的研究框架Fig.2 Conceptual framework for energetic and material metabolic analysis on urban human settlement

1)城市人居環境物質能量代謝的理論認知：人居環境科學的學科體系涉及知識層次眾多,城市人居環境代謝研究也同樣涉及諸多學科。有效解析城市人居環境代謝過程,要對不同學科的人居環境認知加以整合,既要完善傳統城市代謝思想中自然生態系統與社會經濟系統的對比研究成就,還要有效融合現有人居環境科學學科體系的不同概念。鑒于景觀生態學具有整合傳統生態學、地理學和景觀設計學的學科綜合特征,以及強調空間格局、生態過程和尺度相互作用關系的研究特色,成為建構新的城市人居環境物質能量代謝研究框架的理想理論支撐體系。引入景觀生態學原理,有助于解析城市(區域)物質能量代謝過程的空間結構,完善城市(區域)物質能量代謝的認知圖式,對于加深城市人居環境物質能量代謝的理論認知、識別核心研究命題具有重要意義[34]。目前的工作重心是,如何根據人居環境問題研究的需要,以景觀生態學理論為核心,在合理整合其他學科理論成果的基礎上,建構一套能夠切實用于支撐人居環境研究的理論基礎,推動人居環境學科加速發展和成熟。

2)城市人居環境物質能量代謝的方法建構：不同于傳統廣泛基于黑箱假設基礎上建構的城市代謝分析框架,城市人居環境物質能量代謝需要在理論認知的基礎上充分剖析城市人居環境物質能量代謝的內部過程,整合城市人居環境科學的時空層次性解構思路,在家庭到城市的不同層次廣泛開展研究案例研究。事實上,針對家庭[53-54]、住宅[55-57]、住區[58-61]等不同空間尺度的物質能量代謝研究都已經有一定的積累,但相關研究還未整合在一個城市人居環境代謝的宏觀分析框架之下,通過進一步對輸入輸出表(Input-Output Table)、區域動態模型(Regional dynamic model)、材料流分析(substance flow analysis, SFA)、存量與流量模型(Stock and Flow, STAF)、生命周期評價(Life Cycle Analysis, LCA)以及能值分析(Energy Analysis)、火用分析(Exergy Analysis)等不同代謝分析手段的整合,可以建構一套完整、科學、有效體現城市人居環境結構和功能特征的物質能量代謝分析方法,這也是今后城市人居環境代謝問題方法論研究重點和難點。

3)城市人居環境物質能量代謝的決策應用：基于系統思想建構的城市代謝分析范式在決策應用領域的參考價值十分有限,而基于景觀生態學原理的城市人居環境物質能量代謝研究則充分體現了格局-過程的觀點,一方面通過對城市人居環境空間層次的劃分,可以實現城市人居環境空間結構的剖析和空間責任主體的匹配,結合代謝過程研究為建筑-景觀-城市規劃與設計提供參考；另一方面,通過引入3S技術、物聯網、網絡通信等高新技術可以實時監控城市人居環境中的物質流、能量流、勞力流、資金流和信息流過程,建構城市人居環境物質能量代謝研究的虛擬分析平臺。由此看來,基于景觀生態學的城市人居環境研究框架可以實現優越的開放性和包容性,可以很方便地與各種新的技術手段和應用目標實現無縫銜接,進而打通基礎研究和實際應用之間的隔閡,為城市人居環境建設的各種決策過程,提供強有力的支持。

3 城市人居環境代謝研究的關鍵問題

3.1 “格局-過程-尺度耦合”問題

景觀生態學十分重視“格局-過程-尺度-等級”的共軛耦合關系。如圖3所示,景觀生態學的等級斑塊動態思想(Hierarchical Patch Dynamic Paradigm,HPDP)[62],可以有效解析城市人居環境物質能量代謝過程的空間結構。格局、過程、等級的研究需要同時考慮空間尺度、時間尺度和組織尺度問題,城市人居環境物質能量代謝研究則要對不同時空尺度的格局、過程和組織加以剖析,具體以人體層次的代謝過程向外逐漸延伸,包括：(1)家庭尺度的“家庭物理結構-家庭物質能量代謝過程-家庭成員”相互匹配,輸入各類消費品、電力、燃氣,輸出垃圾和費水,存貯為家居；(2)住宅尺度的“住宅空間格局-住宅物質能量代謝過程-住宅住戶”相互匹配,輸入建筑材料、燃氣、電力,輸出建筑垃圾,存貯為建筑體；(3)社區尺度的“社區景觀格局-社區物質能量代謝-社區業主”相互匹配,輸入社區用品、降水,輸出公共廢物、廢水,存貯為社區外觀；(4)組團尺度的“組團景觀格局-組團物質能量代謝過程-組團群體” 相互匹配,輸入公共用品,輸出垃圾、廢氣,存貯為組團形態；(5)城市尺度的“城市景觀格局-城市物質能量代謝過程-城市市民”相互匹配,輸入產業原料,輸出產品、廢物、廢水廢氣,存貯為城市資產。

圖3 城市人居環境物質能量代謝的“格局-過程-尺度-等級”問題Fig.3 Problems of urban human settlement on “pattern-process-scale-hierarchy”t: 時間, time, t1,t2,t3表示時間序列,越來越久；s: 空間, space, s1,s2,s3表示空間等級,范圍越來越大

城市人居環境的物質能量代謝過程發生在不同的時空層次當中,受到不同行為主體的綜合行為的驅動[63],同時也為不同的行為主體提供服務。當然,不同時空層次的物質能量代謝過程還會產生差異化的生態環境效應,并在宏觀的時空層次積累。由于不同的代謝層次在地表空間中呈依次包含關系,較高代謝層次會對較低層次的代謝過程產生約束,而較低層次的代謝過程也能夠對較高層次的代謝產生影響。城市人居環境物質能量代謝過程的刻畫需要從不同層次物質能量格局動態過程的描述性分析著手,深入剖析特定代謝層次的行為主體與主體行為物質能量代謝的影響過程,進而總結和探討城市人居環境物質能量代謝過程的內在驅動機制。還有一個需要關注的問題是,現階段各種人居環境代謝研究重點進行可度量的輸入、存儲和輸出變量分析,不同尺度的背景自然環境差異影響在模型建設和具體分析過程中考量較少,這是目前研究工作的一個明顯漏洞,建議在今后的研究工作中予以必要的重視。

3.2 數據采集、儲存與分析問題

對城市人居環境物質能量代謝內在過程的整體剖析,需要以規模化的數據獲取、儲存和分析技術為依托。隨著3S技術在代謝分析乃至產業生態學領域的初步應用[64-65],信息化已經成為城市代謝研究的重要發展趨勢。基于景觀生態學原理建構的城市人居環境代謝研究框架,有更加完善的“信息化”理論支撐基礎和最新的數據分析技術接入接口,20世紀80年代初計算機、3S技術、模型等重大技術手段進步曾經及大地促進了現代景觀生態學的發展。隨著三維景觀遙感技術[66]、物聯網技術(Internet of Things, IOT)、網絡分析、大數據分析等新興信息技術和數據分析手段的引入,以及智慧城市(社區、建筑)、大規模現代信息基礎設施和智能社會建設工作的推進,城市人居環境物質能量代謝分析、預測和管理的硬件基礎支撐條件必將得到快速發展,進而為城市人居環境科學的發展創造更加有利的條件。

3.3 效應調控與過程管理問題

城市人居環境物質能量代謝分析關注的是城市系統的物質和能量維度,但從代謝機制來看,人員、資金和信息等其他過程在城市人居環境代謝過程中發揮著更加重要的作用。城市人居環境代謝過程不僅存在類似于生態系統或生物體代謝的自組織過程,還依賴于其他組織過程的政策、文化、資本等社會經濟因素的影響。如圖4所示,城市人居環境不僅存在結構上的層次性,還存在功能上的層次性：在城市人居環境的不同景觀層次中,能量流、物質流、物種流、勞力流、資金流、信息流等不同類型的生態過程貫穿其中,在滿足人類物質、生物、社會、經濟、精神等不同層次需求的同時,還時時刻刻發生著復雜的相互作用。

圖4 城市人居環境代謝的功能層次及其互動機制Fig.4 Functional levels of metabolism on urban human settlement and its coordination mechanism

進一步解析分析表明,城市人居環境當中的各種過程按照自身的運動(流動)規律發揮作用。物質流和能量流過程是城市人居環境代謝分析考察的重點,自然生態系統中的物質流和能量流過程以垂直方向流動為主、水平方向為輔；社會經濟系統中的物質流、能量流過程以水平為主、垂直方向為輔。通過對物質流和能量流的管理,充分利用垂直方向的物質能量,減少水平方向的物質能量需求,特別是跨區域長距離高密度的物質能量傳輸需求,是現階段城市發展走向生態化的主要路徑選擇。人員流、資金流和信息流在城市人居環境當中有獨特的時空過程,以人居環境建設為目標的人員流、資金流和信息流調控不僅可以間接調控城市人居環境的物質能量代謝過程,還能通過非物質性福利的調整,來促進城市人居環境建設水平的提升。因此,對城市人居環境建設進行合理的效應與過程管控,是人居環境管理工作目標達成的重要保障因素。

4 結語

人居環境視角和社會代謝視角的城市研究在各自的領域都已形成了多年的研究積累,但從城市的復雜性和綜合性來看,兩種研究視角的整合具有理論和實踐的雙重必要性。我國城市化發展的主體思路正經歷著深刻的變化,單純凸顯生產功能的城市化發展思想已經為全面推進生態文明建設的新興城市化發展思路所取代。在日益注重城市“生產、生活和生態”格局與功能建設的背景下,人居環境建設工作在今后我國城市化進程中的角色和地位將越來越重要。鑒于目前城市人居環境建設工作還缺乏成熟的模式、標準和技術規程,進一步強化相關的基礎和應用研究就成為亟待解決的關鍵問題。搭建新的城市人居環境代謝研究范式,積極推進針對城市人居環境問題的跨學科研究,無疑應成為今后城市生態學研究的重點領域。

本文提出的基于景觀生態學基本原理和概念框架的城市人居環境代謝研究范式,是一個不同于城市“產業生態”代謝研究的新研究范式。這一范式可以從多尺度和多維度反應城市人居環境代謝過程的結構、功能、特征和問題,厘清城市人為活動和各種資源環境問題的關聯關系,整合多學科的知識和技術手段,解析城市人居環境的時空動態演化過程及其驅動機制,為城市人居環境研究學科的發展和完善創造有利條件。通過建構基于景觀生態學的城市人居環境物質能量代謝研究框架,還可以有效解決城市人居環境物質能量代謝中的格局-過程-尺度問題,數據采集、儲存與分析問題和效應調控與過程管理問題,對于完善城市代謝研究方法,促進城市人居環境建設具有重要的參考和借鑒意義。