景感生態學方法與實踐綜述

唐立娜, 李 競, 邱全毅, 石龍宇, 王豪偉, 鄭拴寧

1 中國科學院城市環境研究所城市環境與健康重點實驗室, 廈門 3610212 中國科學院大學, 北京 100049

生態學經歷了幾十年的發展,其分支在時間進程上包括個體生態學、種群生態學、系統生態學、以及景觀生態學。幾乎針對所有研究對象,生態學也相應產生大量分支學科。不同于通過尺度變換或對象改變而直接衍生的生態學分支學科,景感生態學是以土地利用規劃與設計為切入點、以生態系統服務為核心內容、以可持續發展為目標的綜合性生態學分支學科。景感生態學參考了現代生態學原理,突出了中國傳統生態學理念,是對中國傳統文化和科學的高度概括和發揚。在過去四年里,景感生態學以解決實際問題為導向,在實踐中不斷發展成熟。本文目的是通過介紹景感生態學的理論發展和應用案例總結該學科的研究方法與實踐,為其進一步發展和廣泛應用提供參考。

1 景感生態學方法體系

1.1 景感生態學的概念與內涵

景感生態學(Landsenses Ecology)是指以可持續發展為目標,基于生態學的基本原理,從自然要素、物理感知、心理認知、社會經濟、過程與風險等方面,研究土地利用規劃、建設與管理的科學。自然要素包括光、熱、水、大氣、土壤、磁場、放射性和地形地貌等;物理感知是人們通過視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等感官對景感的感知;心理認知是人們通過物理感知進而形成的心理反應,包括安全、文化、倫理等維度。其中一些要素具備自然要素、物理感知或心理感知等多重屬性。這些要素出現與否和不同組合會導致不同的土地利用效果[1]。

在實踐中,人們通過適當的表現形式將其某一或某些愿景賦予或融入某種載體(Carrier),使其他人(包括他們自己)能夠從這一載體及其相關的表現形式領悟這一或這些愿景。這些愿景可以引導或規范人們的言行,以增進人與生態系統的互動和聯系,引導人們保持、改善和增加生態系統服務,進而促進和保障可持續發展的實現。我們把具有這種屬性的載體稱為景感(Landsense),把構思和構筑景感的整個過程稱為景感營造(Landsense Creation),把關于景感營造理論和方法的研究稱為廣義景感生態學(General Landsenses Ecology),或簡稱為景感學(Landsenseology)[2]。

1.2 景感生態學的學科框架

圖1 景感生態學的學科框架Fig.1 Subject frame of landsenses ecology

景感生態學主要從屬于自然科學,是生態學與規劃學的交叉學科,也涉及建筑學和環境科學等學科領域,主要服務于土地利用規劃管理,歸屬于生態規劃方法的一種。同時,景感生態學深度借鑒和融合中國傳統文化,以及心理學、美學和社會經濟學等人文科學。自然科學層面著重探索廣泛適用的一般性規律,人文科學層面著重探索個性化的局地特征及其形成的人文背景,兩個層面相輔相成。景感生態學的產生和發展得益于物聯網、人工智能等數字技術的發展。這些技術的廣泛和深度應用不僅為景感生態學提供了用于感知的傳感器,也為海量信息的處理、分析和應用提供了技術上的可能性。景感生態學關注的核心是居民福利,即通過景感營造進行土地規劃和設計,提高居民對生態系統服務的滿意度,進而實現可持續發展(圖1)[3]。

1.3 景感生態學的研究框架與范式

1.3.1景感生態學的核心思想

(1)生態系統服務和可持續發展

景感生態學是研究生態系統服務和可持續發展的有效途徑,也是聯系生態系統服務和可持續發展的橋梁[2]。從生態系統服務的視角分析,我們認為可持續發展是保持、改善和增加生態系統服務并能為人類當代和后代提供可持續福利的發展[4]。可持續生態系統和景觀能夠提供連續的生態系統服務,以確保人類社會達到它的目標和愿望[5]。

(2)景感營造

景感營造是廣義景感生態學的核心,可以把人和生態系統服務及可持續發展緊密地聯系起來。景感營造及景感生態學研究目的是在保持、改善和增加“通常意義”的生態系統服務的同時,更加注重增加有關“可持續發展意識及其相關理念”的生態系統服務。可持續發展的實現不僅需要科學技術的“硬”支撐,更需要相應的文化和倫理道德等方面的“軟”支撐。“可持續發展意識及其相關理念”可以促使人們遵守可持續發展的共同行為規范,使其在享用生態系統服務的同時,自覺地共同行動,進而推動保持、改善和增加生態系統服務,確保可持續發展目標的實現。景感營造的原則主要包括①愿景呈現的雙向性,一方面是設計者將其愿景融入景感,另一方面是其他人能夠通過這一景感領悟這一愿景并對其產生共鳴;②方位的脈勢順應性,景感營造中,可以根據載體及關聯生態系統的特點和山水脈勢、愿景展現脈勢(心理脈勢)以及景感空間要素布局的需要,人為主觀設定景感要素的位置和方向;③時空組合的多尺度性,景感營造中可以把人們在不同時間和地點的感知和認知融入同一景感中;④物理感知的系統性,人們的視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺等物理感知功能作為一個系統是無法拆分的,而且常常相互影響。生態系統作為一個整體也是不可拆分的;⑤心理認知的整體性,物理感知的系統性和人們的文化素養、社會經濟層次、知識水平等要素決定了人們心理認知的整體性;⑥物理感知與心理認知的交互性,人們的物理感知和心理認知是相互關聯、相互作用且密不可分的;⑦不同文化之間的差異性,景感營造中應優先考慮不同地區和不同群體的傳統、偏好及文化的差異性;⑧營造過程的漸進性,景感營造很難一次完成,需要逐步地改進或完善[2]。

(3)趨善化模型

由于土地利用規劃、建設與管理涉及多方面因素,是一個長時期、連續的、協調、反饋和完善的過程,而且在這一過程中會出現意想不到的情況和變化,尤其是基于景感生態學的土地利用規劃與建設。一次規劃不可能完整至善,只能沿著既定的方向不斷推進和完善,即趨善化的過程[1]。因此,景感認知和營造過程具有趨善化的特點,其研究中應當采用趨善化模型。

趨善化模型的核心思想是“沒有最好的結果,只有更好的途徑”[4]。趨善化模型運用優化模型思想的精髓,它強調和體現過程及過程運行中的調控和趨善,追求的目標不是單一或某一階段的優化,而是強調目標與約束條件的同步交叉、相互協同與調控,進而推動目標的不斷完善[1]。

1.3.2景感生態學的研究框架

景感生態學的一般性研究方法主要可以概括為3個步驟。一是物聯網監測,即采用物聯網等技術手段獲取多途徑、多源、多尺度、動態更新的數據,并通過與其他來源的數據進行耦合共同形成迷碼數據(包括混合數據和行進數據)。二是趨善化分析,即采用趨善化模型對景感營造過程進行分析,基于模型運行過程中的模擬預測和風險分析,在目標與約束條件之間的同步交叉、相互協同過程(即實現途徑和目標不斷優化調整)中,使得結果不斷趨向“最優”。三是景感營造,即實施針對性的規劃、設計、建設、管理方法,并構建它們之間的有機組織營造景感,研究通過景感營造推動生態系統服務的保持、改善和提升的方法,最終實現可持續發展。

景感生態學思想主要來源于土地利用規劃與建設,傅伯杰等利用景觀生態學原理指導土地可持續利用評價[6],它也將自然地服務于土地利用規劃與建設。土地利用規劃、建設與管理是一個長時期、連續的、協調、反饋和完善的過程[1]。同理,景感營造通常是一個長時間持續不斷的過程,需要在實施過程中根據情況的變化加以調整、改進和完善。景感營造過程中對生態系統服務內涵、人類與生態系統的關系、及人與人之間的關系等變化和趨勢的預判將成為景感營造面臨的一個挑戰[2]。

景感營造的漸進性就是相對于這種不斷變化的過程而言的。為了適應這一不斷變化的過程,關于景感營造的研究需要采用趨善化模型及其相關總體分析框架[1]。而涉及過程的研究通常要考慮過程風險的問題,即要進行風險分析并制定相應的應對方案。同時,景感營造的過程特征決定了相應數據的過程特征。部分景感營造需要的數據很難通過傳統辦法獲取,新方法獲取數據的質量與傳統辦法相比往往不一致,所以景感營造研究更需要采用行進數據和混合數據,即謎碼數據[1]。也就是說,景感學研究采用的趨善化模型需要謎碼數據作為支撐[2]。

1.3.3景感的表征

景感主要通過物理感知和心理認知兩類指標進行表征(表1)。由于受感官敏感性、教育背景、個人偏好、情緒波動等多種因素影響,不同人對同一景感會形成不同的物理感知和心理認知,其中心理認知的差異較物理感知更大。例如,安全和安全感是兩個不同的概念。安全是客觀狀態,安全感是安全主體對自身安全狀態的自我意識。自我意識與客觀的安全狀態有時比較一致,有時則相差甚遠。

景感的表征在公園品質提升、城市生態規劃等方面具有應用價值和推廣意義。針對北京市典型城市公園生態系統文化服務與人們感知之間的關聯關系的研究表明,景感要素的重要性存在差異,不僅與要素的感知難易程度有關,也與居民感官的感知尺度有關,這從提升人們對城市公園景感滿意度的角度,為城市公園的規劃和管理提供了依據和建議[7]。在京津冀生態關鍵區域的典型城鄉交錯帶的規劃中,研究者基于景感特征指標將生態信息融入城市規劃過程,闡明了生態規劃融入居民感覺信息的挑戰性和重要性[8]。

表1 景感的表征指標

2 景感生態學研究進展

2.1 基于景感生態學的生態環境保障系統方案

景感生態學可以把人類福祉與生態系統服務及可持續發展緊密聯系起來,進而為開發建設活動提供生態環境保障系統方案。趙景柱等人基于景感生態學,提出城市“生態基礎設施建設、生態系統修復、環境協同治理、資源循環利用”四位一體的景感生態保障系統方案,即(1)在生態基礎設施核心區和廊道辨識的基礎上,分析城市生態建設過程中的薄弱環節;(2)采用近自然的方法,從生態系統整體的角度開展生態修復;(3)統籌考慮水、土、氣、聲、風等各種環境要素,實現環境協同治理;(4)針對開放性的城市復合生態系統,開發資源循環利用技術,實現廢棄物減量化和無害化。

景感生態保障系統方案在雄安新區、粵港澳大灣區等國家重要示范區開展了應用示范。粵港澳大灣區生態保障系統方案以城市可持續發展為目標,注重不同時空尺度的耦合,遵循時空組合的多尺度性、不同文化間的差異性等原則,整合了宏觀—中觀—微觀尺度生態基礎設施體系,基于GIS空間分析技術,分別以粵港澳大灣區、惠州市、沐瀝河流域為研究對象,構建了不同尺度的“生態核心區—生態廊道”基礎設施體系。景感生態規劃技術在雄安新區生態基礎設施的規劃、設計、建設、管理等方面均發揮了指導作用。規劃過程中,在大清河流域、雄安新區全域、雄安新區起步區3個尺度下,辨識并分析生態環境脆弱問題及薄弱環節,制定近期、中期、遠期規劃目標,以可持續發展的眼光謀劃城市生態基礎設施建設大方向;設計過程中,緊扣規劃目標,在保持、改善和增加生態系統服務的同時,將可持續發展理念進一步細化并融入適當載體,拉近民眾與可持續發展理念的距離;通過生態基礎設施的建設將愿景具象化,切實改善人居環境,并充分發揮教育、引導作用,增強民眾可持續發展意識,使得人們在享用生態系統服務的同時,自覺地共同行動,推進保持、改善和增加生態系統服務,確保可持續發展目標的實現。

2.2 景感生態規劃與設計

景感生態規劃是指以景感生態學為主要理論基礎,將生態措施作為修復與建設的主要途徑,綜合考慮當地自然條件和人們的生活、生產和文化等內容,促進和保障區域可持續發展的規劃,簡稱為“景感規劃”[1]。

景感生態規劃是景感生態學最早發展的分支。2016年出版的SCI專輯《景感生態學與面向可持續發展的生態規劃》中,不僅在國際上首次提出了景感生態學和景感生態規劃的概念,也形成了較為完善的景感規劃框架,明確了景感規劃的基本原則[1],強調規劃人員需要充分了解人類的感官反應,包括美感、聽覺、品味、嗅覺、觸覺、風、方向和心理反應八種感官類型,認為從人類感官信息中獲取的各種數據在規劃生態與可持續城市方面具有巨大潛力[10]。其他學者分別從景觀格局優化[11]、微氣候空間規劃[12]、水環境規劃[13]、濕地恢復[14]、河岸帶生態修復與護岸建設[15]、聲景規劃[16]、廢棄物處置[17]、生態系統服務提升[18]和環境物聯網設計[19]等方面,在世界文化遺產京杭大運河香河段開展了一系列基于景感規劃框架的專項規劃工作。

石龍宇等以北京市城市副中心通州區西集鎮為研究對象,提出了城鄉交錯帶景感生態規劃的基本思路,強調將生態信息融入城市規劃過程的重要性,認為景感生態學方法有助于生態規劃師理解居民的感受、想法和意見。將感知數據融入規劃過程,既不會降低設計的藝術性,也不會影響企業的經濟效益[8]。Zheng 等基于景感規劃框架和環境物聯網技術,開展崇明島景感生態工業園規劃與設計研究,涉及光伏發電,淡水養殖,觀光農業等內容,為傳統工業園區的生態資產和產業整合提供增值服務,并研究為其他工業園區提供產業規劃和景感營造的理論和技術示范,也為產業生態化、生態產業化和景感特色化創建了示范園[20]。

2.3 其他主要方向

在文化維度方面,Zhao 等指出景感生態學或景感學強調將人的物理感知、心理認知和可持續發展概念整合到區域生態環境研究和規劃建設管理中,這是對古代樸素的生態思想與可持續發展意識的繼承和發展。中國傳統的詩書畫蘊含著人們對美好生活環境的向往,展現了創作者對生態系統和樸素生態概念的感知。景感生態學反映出一種愿景,即當代人可以在高度城市化的空間中獲得理想的生活環境并實現可持續發展。受中國古代傳統藝術創作的啟發,景觀規劃師能夠突破特定空間尺度的局限性,在有限的規劃空間內展示生態系統元素的相對尺度和方向,展現了生態系統的完整性[21]。

在視覺維度方面,Shao 等研究了土地利用規劃中視覺感知的最優空間尺度,將人眼的雙眼視角和距離與手機相機的視場相結合,以確定最佳的視覺感受,并總結提出了基于光學理論和可視化技術的最佳視覺感知概念,最終為土地使用規劃者、建筑師和可持續性學者提供最佳視覺建議[9]。Xu 等研究了居民景觀偏好的影響因素,結果表明,人們對城市化景觀的偏好比自然景觀更高。人們居住地區的城市化水平越高,對自然景觀的喜愛度越高。此外,人口越年輕,對自然景觀的偏好越明顯[22]。

在聽覺維度方面,Dong 等從聲景設計的角度出發,基于EIoT的噪聲監測數據,分析了京杭大運河香河段的聲環境類型和特征,并提出了一種交通噪聲控制模型,以改善敏感區域的聲環境[10]。

在觸覺維度方面,平潭綜合實驗區的風環境舒適感及其生態效應研究,針對高密度住宅區面臨的局地大風及其引起的細沙漫城、海灘利用率底等問題提出了系統化解決方案,有效防止了風沙對沿海防護林帶的吞噬[23-24]。

2.4 進展評述

景感生態學的產生一方面得益于生態學的發展和中國傳統文化的積淀,另一方面也來源于城市可持續發展實踐的需求牽引。自2016年首次提出至今,景感生態學已形成了較為明晰的概念、學科框架和核心思想,研究方法已初具雛形,在研究實踐方面也進行了有益探索。

景感生態規劃是最先提出發展得相對迅速的研究方向,當前關注重點是基于景感表征指標實現對人們滿意度的度量。從景感表征維度看,聲景的研究歷史較長,是聽覺維度中較為成熟的研究方向;關于風環境舒適度和溫濕度舒適度的研究是觸覺維度研究的主要切入點;心理認知的研究相對較薄弱,在中國古代傳統藝術創作中探究當代景觀規劃的啟示是開拓性的嘗試。國家重要示范區開展的景感生態保障系統方案是景感生態學的重要實踐,項目預計可實現流域年徑流總量控制率達75%,消除黑臭水體且水質穩定達到功能區標準,河流周邊居民環境滿意度達到90%以上,有效降低區域生態風險。

3 景感生態學研究展望

3.1 景感表征指標體系的發展與完善

景感指標至少應當包括物理感知和心理認知兩個層面。目前針對物理感知指標有一定研究,而心理認知的研究較為薄弱,其系統指標體系還未建立。指標體系是對系統認識景感的重要抓手,是評價景感營造優劣的工具,是景感生態學急需發展和完善的方面。

3.2 物聯網、迷碼數據和人工智能的融合發展

景感生態學的理論研究和實際應用需要對生態及相關動態過程進行長期、實時、原位的觀測,物聯網對于此類觀測不可或缺。通過物聯網及其他手段獲取的數據是迷碼數據[1],也就是說這些數據是多源、異構且不斷改進的。當前人工智能技術快速發展,為數據處理和分析提供了有效的技術方法。利用物聯網、迷碼數據、人工智能的深度融合,促進數據高效快捷的獲取、處理、分析和應用,是推動景感生態學發展的重要動力。

3.3 城市規劃與設計中的景感營造

景感生態學是受各種傳統規劃與建筑思想的啟發而在理論研究和實踐過程中自然形成的[1]。景感營造是城市規劃與設計踐行景感生態學最重要的手段,也是城市管理者保持、改善和增加生態系統服務,實現可持續發展的有效途徑。