景感生態學:生態安全研究與實踐的重要途徑

王麗娜,李 爽,吳 迪,鄧紅兵,吳 鋼

1 中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室,北京 1000852 中國科學院大學,北京 1000493 中科院建筑設計研究院有限公司, 北京 100086

景感生態學是指以可持續發展為目標,基于生態學的基本原理,將自然要素、物理感知、心理感知、社會經濟、過程與風險等相關要素綜合考慮,來研究土地利用規劃、建設與管理的科學[1- 3]。隨著現代科學技術的快速進步,以及土地開發利用所產生的各種環境問題備受重視,景感生態學的誕生有其必然性。從技術層面而言,景感是將物聯網、地理信息系統和專家系統綜合在一起的技術體系,這一體系能確保設計師的理念和其設計的規劃遵循自然法則[3],并有利于實現可持續發展的目標。科技的發展使得環境信息感知與融合成為生態環境科學研究的重要手段,基于個體感知或者公眾參與式的社會尺度傳感器網絡均可獲得所處環境的環境質量信息及其發育演化過程[4-5]。景感生態學是將景觀生態學和人們的愿景、社會的需求相融合的科學體系,其思想主要來源于土地利用規劃與建設、生態環境建設、受損生態環境的景感營造、生態服務的提升等實踐,也將指導和服務于這一實踐[1]。

由于人口增長、經濟發展以及快速工業化、城鎮化加速導致的一系列生態環境問題已開始影響到人類的愿景,威脅到人類的生存和發展,甚至威脅到區域乃至國家的生態安全。這些生態安全問題的出現,從根本上是不合理的資源和土地開發利用活動的結果[6]。而各種不合理資源和土地開發利用活動,往往是因為缺乏科學的資源和土地利用規劃及科學合理的監管[7- 9],景感生態學思想及其方法恰恰可為這些工作的研究和實踐提供有效途徑。

將景感生態學與生態安全研究相結合,需要回答“為什么”和“怎么辦”兩個問題。首先,不合理的資源和土地開發利用活動常常會帶來各種生態風險,從而導致生態安全方面的問題;而景感生態學的主要研究內容涉及土地利用,其目標是與可持續發展相關的人類愿景和社會需求。所以在生態安全研究特別是生態安全格局構建等關鍵問題中納入景感生態學的思想和方法是可能的,這種結合既可以從景感的角度和途徑去理解和開展生態安全研究,也可以通過景感生態學在生態安全研究上的應用來豐富和發展景感生態學的研究內容。而如何將景感生態學思想及主要方法應用于生態安全研究,將是本文要探討的關鍵內容。因此,本文在簡要解析生態安全內涵及其主要特點的基礎上,針對當前生態安全研究與實踐中存在的一些關鍵問題,提出了利用景感生態學思想及景感營造的技術方法來解決這些問題的具體途徑,以期為景感生態學的發展及生態安全研究的完善提供思路。

1 生態安全的內涵

生態安全是指人的生活、健康、安全、基本權利、生活保障來源、必要來源、社會次序、人類適應環境的能力等方面不受威脅的狀態,包括自然生態安全、經濟生態安全、社會生態安全[7-8]。生態安全作為一個如今受到廣泛關注的概念,其內涵豐富[8],不同研究者關注的重點也有所不同,無論如何,生態安全主要包括兩個方面含義：一是生態系統自身的安全,即其自身結構和功能是否保持完整和正常;二是生態系統對于人類生產生活的支撐服務安全,即生態系統在不對人類生產生活構成威脅的基礎上,其提供給人類生存所需的資源和服務是否持續且穩定[9]。

生態安全的另一面是生態風險;因此,不論是研究還是相關實踐,生態安全需要關注生態脆弱性和生態風險,同時還應該認識到生態安全的實現是一個動態過程,需要通過脆弱性的不斷改善,實現人與自然處于健康和有活力的和諧共生發展狀態[10]。也就是說,生態安全的科學本質是通過脆弱性分析與評價,利用各種手段不斷改善脆弱性,降低風險[11]。

基于生態安全的內涵及本質[6- 12],可知：

(1)生態安全不僅是一種狀態,也代表著一種過程,動態性是其重要的特征;這也說明生態安全是可以通過一定的科學手段進行調控的。評價是生態安全研究與實踐的基礎,但注意到并且針對生態安全的動態性來進行合理調控才是目的。

(2)生態安全是一個相對的概念。生態風險也許是經常存在的,但沒有絕對的生態安全,這也與生態安全強調以人為本以及具有一定的空間地域性有關。不同的對象對于風險可能有不同的感受、閾值或者對策,構建生態安全格局或者調控過程中除了普適性的原則外,還有基于自身心理及所處環境的愿景。生態安全雖然是一宏觀概念,但其強調尺度,生態風險往往具有區域性和局部性。

(3)生態安全雖然是相對的,但其目標的達成不是一蹴而就或一勞永逸,不同的環境和生態安全狀態下,人類對于生態安全的愿景也會有所不同。此外,由于生態安全的復雜性和難達性,構建生態安全格局以及維護生態安全均需要成本。

(4)生態安全某種程度上可以理解為對生態風險的防控,但有的生態風險是難以甚至是不可防控的,此時對于風險的規避是必要的,這需要完備的預測和預警手段。因此,對于風險的預測和預警也是生態安全研究的重要內容[12- 14]。

(5)生態安全研究更多是在生態系統、景觀及區域尺度上開展,生態系統評價、景觀格局分析以及區域生態學為生態安全研究提供了重要的支撐[15- 17]。景觀是生態安全研究中非常重要的尺度,景觀生態學的一些原理與方法是當前生態安全研究的主要遵循[16, 18- 19],景觀生態學的一些重要問題如景觀格局及其動態、尺度變化以及景觀異質性等也是生態安全研究中需要重點關注的問題。

2 景感生態學在生態安全領域的應用

Zhao等提出景感生態學以可持續發展為目標,遵循生態學的基本原理,且主要研究土地利用規劃、建設與管理[1],這很大程度上與生態安全的研究是契合的。生態安全既是可持續發展的目標之一,又是實現可持續發展的基礎。生態安全研究遵循生態學的基本原理,且土地利用特別是相關的生態安全評價、生態安全格局構建與維護、以及生態風險的預測預警是其主要內容[20- 26];在此過程中,注重土地格局—生態過程—生態服務系統的聯系[27]?？紤]到生態安全及景感均著眼于土地利用且均以可持續發展為目標,在合適的尺度(比如區域或者城市)和相似的研究內容(土地利用)上,兩者的研究有很大重合,可以考慮把景感生態學的思想和方法作為生態安全研究的有效手段和補充。

當前景感生態學頗具特色的研究手段和方法主要包括：趨善化模型(Melioration model)的建立,迷碼數據(Mix-Marching data)的獲取、存儲和處理,以及物聯網(Internet of Things)的應用[1]。這些同樣可以在生態安全研究中得到應用,且可能為當前生態安全研究的難點或關鍵問題提供解決途徑(圖1)。

趨善化模型[1- 28]的核心思想是“沒有最好的結果,只有更好的途徑”,體現了過程運行中的調控和不斷趨善,其最終實現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,進而實現綜合目標的不斷完善[1]。動態性和相對性是生態安全的重要特征,但在具體研究中卻因為缺乏相關模型,定量描述它們存在困難,因此往往被無意或有意忽略。雖然模型方法在生態安全研究一直被強調,比如多種模型用于生態安全評價[29-31],以及一些數量優化模型以及空間優化模型在區域生態安全格局構建上的應用[32-34],但這些模型在解決特定問題上同時具有優勢和局限性[35]?？紤]到生態安全問題是涉及多學科、多尺度、多層次的綜合性問題,且需強調動態性和相對性,也許確定性的最優化模型是不適合的,趨善化模型的思路有可能提供了一種解決方案。當然,這需要針對生態安全去發展相應的趨善化模型,同時將其與現有的模型結合起來,可以在方法及結果上提供比較與參考,更好地促進模型在生態安全研究領域的應用與發展。另外一種思路是利用現有的生態安全評價、預警、規劃及優化模型,通過模型模擬得到新的“行進”數據、目標與約束條件,經過評估,利用新的數據、目標與約束條件進行模擬,使得系統逐步實現更小的生態風險與更強的可持續性,從而實現良性循環的、動態的生態安全(圖1)。

圖1 基于景感的生態安全研究框架圖Fig.1 Research framework of ecological security based on landsenses ecology

趨善化模型需要“混合”數據(mixing data)和“行進”數據(marching data)的支持,這兩類數據合稱為迷碼數據[1]。在生態安全評價與格局構建工作中,因其復雜性,經常會用到多來源、多尺度、多類型的數據[2],這屬于“混合”數據的使用(圖2)。由于景感更注重于人與自然的協調性,這一方面需要更多的數據收集、分析與挖掘方法,另一方面要求充分利用居民的感覺數據[2]。研究表明,在有利益相關者知識的參與基礎上,通過共同思考與合作學習的規劃方式更有助于綜合規劃?！靶羞M”數據則是事先不知道或者無法采集,在研究或者實施過程中出現的數據?！靶羞M”數據與趨善化模型密不可分,它有可能是模型運行中原有數據的變化與更新,也可能是新產生的一類數據[1],比如趨善化模型模型得到的階段性結果。這些變化與更新的原有數據或者階段性結果又可作為新的數據集使用于趨善化模型,構成一個“目標逐漸趨善、數據不斷行進”的反饋過程(圖1)?！靶羞M”數據是一個新的概念,其應用在當前是一個新的課題?？紤]到生態的安全動態性,一些復雜的研究需要“行進”數據或者迷碼數據的支持才能有效地開展,因此迷碼數據的獲取是重要前提。

圖2 基于景感的迷碼數據結構圖Fig.2 Structure of Mix-Marching data based on landsenses ecology

物聯網則是獲取迷碼數據的有效手段之一,它可保證對生態及相關動態過程進行長期、實時、原位的觀測,從而為趨善化過程與模型的實現提供了可行的途徑[1, 36]。針對生態安全需要考慮的要素或指標,設計數據采集器,通過物聯網手段可以為趨善化模型以及常規模型提供海量生態環境實時數據,這是客觀的“感”。同時物聯網還可以使得出現在研究區域及其附近的人成為數據提供者,其提供的數據除了生態環境實時數據外,還可以包括數據提供者對于這些數據的評價以及對周圍環境的主觀感知,這符合生態安全強調以人為本的理念。不同的對象對于風險可能有不同的感受、閾值或者對策,這在以前的生態安全研究中是難以有效定量的,而物聯網手段則提供了一種可能。另外,通過物聯網進行實時監測并傳輸到系統平臺進行綜合分析,可以更好地實現對于生態風險的預警與規避,這在中國西南地區地質災害的一些預警工作中已得到有效應用,并且可以通過物聯網實現人人參與數據提供與災情判斷[37]。

3 結語

隨著科學的發展和技術手段的豐富,以及對人及其感知的重視,景感生態學的誕生有其必然,這也是應用生態學在相關方面的發展。景感生態學源于土地利用規劃與建設,但應該并不局限于土地利用規劃與建設,還可以為其他一些學科和領域提供一種新的視角和途徑。當然,景感生態學作為本身還需要得到足夠的發展,豐富其理論體系、分析方法和技術手段;值得指出的是,通過一些學者的努力,景感生態學的內涵與外延通過與生態系統服務和可持續發展更有效的結合得到擴展[38]。

在追求的目標、遵循的原理、研究尺度及內容上,景感生態學與生態安全有許多契合的地方。景感生態學的主要研究手段和方法可以在生態安全研究中得到應用,且能夠為解決當前生態安全研究的難點或關鍵問題提供思路。相信隨著景感生態學研究的深入,其關注的重點從土地利用擴展到與國土生態安全格局構建及生態系統服務等內容的相結合,更好地將人的感知和福利同土地利用、生境質量和生態安全結合起來,為區域可持續發展提供其作為一個學科的貢獻。