面向城市生物多樣性保護的參數化景觀設計研究

葉懷澤

翟 俊*

生物多樣性是人類賴以生存的重要支撐，對城市的生態平衡、可持續發展具有重大意義[1-2]，同時生物多樣性也是人居環境生態健康性的重要評價指標[3-4]。然而城市區域在人類劇烈且頻繁的活動干擾下，生態系統快速退化、自然生境不斷減少且破碎化程度加劇，城市生物多樣性面臨著急劇下降的現象[5]。在此背景下，城市生物多樣性保護研究成為社會關注熱點。諸多研究發現人類主導的景觀設計可以恢復并保護生物多樣性，甚至能提高當地生物多樣性[6-7]。這指明了一種有效的保護方式，即通過合理調控現有景觀生態系統及規劃設計新的景觀格局，可以減少生境的碎片化，并對生物多樣性及城市景觀產生積極的影響[8]，景觀規劃設計因此成為解決城市生物多樣性問題的有效途徑。但由于城市環境的復雜性，生物多樣性保護導向下的景觀規劃設計仍處于不斷探索的研究階段，研究思路及手段亟待新的突破。而目前從國內外城市發展歷程與前沿研究來看，參數化設計恰巧提供了一種新的思維方式和技術手段。

參數化作為一種媒介，可以在自然、技術與人類之間建立全面的聯系，對過程和結果進行把控和可視化[9]。面對城市社會的復雜性與變化性，基于參數化思維的設計更科學地解釋了場地與最終設計形態的關系和生成過程，使設計與場所的固有特征、規律及過程相耦合[10-11]。將參數化思維方法應用于城市景觀規劃設計，對城市生物多樣性的保護與提升也具有重要意義。因此，本文首先總結了基于城市生物多樣性保護的景觀規劃設計研究進展，其次通過對比國內外不同類型、不同尺度的研究案例，分析其參數化評估與設計模型的評價指標體系和具體應用的方法，最后對未來城市景觀生物多樣性研究趨勢進行展望，為城市生物多樣性保護的景觀規劃設計提供理論與實踐參考。

1 發展歷程

1.1 啟蒙階段

生物多樣性(biological diversity/biodiversity)是生物及其組成系統的總體多樣性和變異性，包括與此相關的各種生態過程的總和[12]。自20世紀80年代初，生物多樣性保護及相關研究便引起國際社會的普遍關注，中國的生物多樣性研究也隨之在生物物種保護價值、生態學特性、受威脅狀況、種質資源等方面逐漸興起[13]。得益于現代多種學科理論的快速發展，特別是地理科學、景觀生態學以及保護生態學的發展，生物多樣性的內涵不再局限于傳統生物多樣性研究的生態系統多樣性、物種多樣性和遺傳多樣性3個方面，而是擴展到地理環境、生物棲息地的差異性與多樣性[4]。同時，隨著風景園林學科理論與實踐邁向現代科學的快速發展，其關注領域也逐漸由傳統的花園營造、空間組織轉向區域、國土空間規劃設計，從更大的格局思考風景園林在人居環境建設中的作用。特別是在景觀生態學的理論指導下，出現了對景觀多樣性的探討，包括景觀在結構、功能及其時間變化方面的多樣性[14]。

在此研究過程中，有學者證明了生物量多樣性與景觀多樣性有較密切的聯系[15]，加上傳統生物多樣性保護注重于個別物種的保護而忽視了物種生存環境的構建并不能達到很好的效果，這促進了生物多樣性保護途徑從以物種為中心的自然保護途徑向景觀生態規劃設計途徑的轉換[16-17]。與此同時，基于生物多樣性保護的景觀規劃設計相關理論和方法也逐步發展起來。

1.2 發展階段

隨著城市化發展進程，無序擴張的發展模式和自然資源的非可持續利用，生境破碎化以及景觀異質性下降，對物種內的遺傳變異和物種豐富度產生了負面影響[18]，促使其向生物多樣性低的系統的轉換，對全球生物多樣性產生了重大影響[19-20]。城市面臨著生物多樣性喪失、自然生境面積減少、生境破碎化、生態系統脆弱等嚴重生態問題[21]。為了促進城市發展朝著良性、可持續的方向演進，生物多樣性保護不再是簡單地將自然收容于有限數量的保護區中[22]、管理特定的綠地或保護和恢復城市內部的某些棲息地[23]，而是考慮城市生態網絡的構建，從整體上對城市生物多樣性進行規劃保護，因此基于城市生物多樣性保護的景觀規劃設計在世界各地逐漸開展(表1)。

表1 國內外城市生物多樣性保護的景觀規劃途徑研究

在這一階段，國內外學者結合實際提出了一系列城市生物多樣性保護的景觀規劃途徑，以城市生物多樣性保護為導向的景觀規劃快速發展。但現有的研究多集中于大尺度的規劃和策略方面，且規劃層面的方法較為宏觀。如何全面落實城市宏觀、中觀和微觀上的多尺度規劃設計目標，尤其是利用參數化手段深入挖掘中小尺度的城市生物多樣性，仍缺少更有效的設計手段。

1.3 深入探索階段

計算機技術的快速發展產生的數字革命也為風景園林學科發展帶來了新的機遇。景觀參數化設計作為信息技術發展到一定階段的產物[29]，在風景園林數字化規劃設計流程中占據顯著位置，是未來最重要的發展方向之一。

目前，景觀參數化的研究關注點包括景觀數字化及模擬技術、風景園林分析評價與參數化設計兩大領域[30]。前者的發展帶動了生態輔助參數化設計技術，相應的軟件平臺也在不斷地建設中，并構成了較為完善的體系，包括基于氣象數據的分析、熱環境分析、風環境模擬、水環境模擬、光環境模擬等參數化生態環境分析[31]，其為后者的研究中引入了數字技術，以解決風景園林領域的實際問題。近年來，國內外對參數化景觀的研究關注重點也逐漸由景觀數字化及模擬技術轉向風景園林分析評價與參數化設計，為深入探索城市生物多樣性保護的景觀規劃設計方法提供重要基礎。

參數化設計不同于以往強調感性、審美為主導的設計，更注重科學理性分析。概言之，它是一種講求邏輯性描述關系的思想方法，通過將數學、幾何和算法邏輯等與設計問題相關聯從而認識事物本質，而不僅是將參數化作為一種技術工

2 參數化景觀設計系統案例研究

2.1 景觀設計生成系統

景觀設計生成系統(Generative Landscape Design System，GLDS)，是由希臘塞薩洛尼基的亞里士多德大學學者查蘭皮迪斯(E.Charalampidis)等人在一項塞薩洛尼基城市公共空間研究中提出，旨在通過自然過程、算法和統計分析，在提高城市綠色基礎設施發展和生態性能的同時提升生物多樣性[37]。GLDS由4個具有線性相關性的不同子系統組成，每個子系統由若干自組織策略的模型控制(圖1～4)。

圖1 地形生成子系統設計流程(作者改繪自參考文獻[37])

圖2 空間組織子系統設計流程(作者改繪自參考文獻[37])

圖3 遮陽結構生成子系統設計流程(作者改繪自參考文獻[37])

圖4 種植區生成子系統設計流程(作者改繪自參考文獻[37])

該系統的生物多樣性設計主要表現在：1)將具來輔助設計成果的實現[32]。特別是那些基于理解生態過程的參數化模型，對評估生物多樣性及指導景觀規劃設計有重要作用[33]。在這一階段，朱利葉斯·法布士(Julius Fabos)發展了定量景觀分析模型，威廉姆·瑪什(William Marsh)發展了與生物多樣性規劃密切相關的理論和技術手段[4]，羅德·巴奈特(Rod Barnett)利用Netlogo軟件模擬復雜系統運動對受颶風干擾后的生物多樣性恢復設計提供了有效參考[34]。同時學界也出現了一些城市中小尺度上生物多樣性保護的參數化景觀設計方法與案例(表2)，重點關注在實踐中如何協調生物多樣性保護與其他宏觀規劃設計目標之間關系。盡管這些研究案例有待不斷完善之處，但仍能對未來城市生物多樣性規劃設計提供寶貴的實踐經驗和啟示。生物多樣性與人類活動結合考慮，再利用自然過程、算法和統計分析的數學模型的基礎上，將設計方案的形態與其環境和生態性能直接聯系起來，合理規劃人群活動和植物空間形態；2)其子系統之間通過相互關聯、相互影響生成的形式；3)作為一種分析工具，利用如Rhinoceros、Ecotect、Grasshopper等參數化軟件，可提供關于陽光、太陽輻射、水文和地形對植物物種影響的相關反饋。

表2 城市小尺度視角下生物多樣性保護的參數化景觀設計

該系統是一種支持城市小尺度范圍內綠地空間提升生物多樣性的有效途徑，但目前該系統生物多樣性保護的功能特征并不明顯，若能通過植被與其他物種適宜生存的生境結合考慮創造棲息地花園將更大化激發該系統功能。如瑪麗卡羅爾·亨特(MaryCarol Hunter)將蝴蝶授粉特性及鳥類棲息與植被綜合考慮，以設計支持鳥類和蝶類共同棲息的生境[39]；查德·霍索恩(Chad Hawthorne)根據蝴蝶生命周期的蝴蝶生活史、蝴蝶需求和蝴蝶行為生成蝴蝶棲息花園中的植被類型結構。因此，在景觀設計生成系統中設置與其他子系統密切相關的物種活動分析子系統，將進一步增強該系統的生物多樣性保護功能。

2.2 生態模式設計系統

生態模式設計系統(Eco-model Design System，EMDS)由上海土人及同濟大學的伊格納西奧·洛佩斯(Ignacio López)等人在上海管弄公園的實踐中所提出，是一種景觀設計與計算技術、遙感技術等整合應用的概念方法[38]。EMDS通過數據疊加方法來推斷和分析場地內各元素的關系，以幫助設計師對環境進行評估和設計。該模型采用了在大規模區域設計中主要應用技術，并將類似的技術應用到很大程度上未深入探索的中小尺度環境中，旨在突破當代城市多樣性保護中偏重大尺度的規劃，進而探討中小尺度場地的生物多樣性設計。

EMDS應用可分為：1)測繪；2)環境模擬與分析；3)數據疊加；4)生態模型設計4個步驟(表3)。該系統在場地的綜合數字模型的測繪基礎上，對場地內植物物種對遮陰、洪澇、風和高低溫的耐受性進行分析歸類，并對場地中的太陽輻射、風流和水徑流進行模擬分析，進而將上述分析數據重分為高、中、 低3種類型且以圖表呈現。最終通過疊加數據得到場地氣候適宜分區，以此指導植物選擇和場地設計(圖5)。

表3 生態模式設計步驟方法總結[37]

圖5 生態區模式設計系統應用實踐——上海管弄公園(作者改繪自參考文獻[38])

該系統的生物多樣性規劃設計重點表現在：1)將生物多樣性與氣候環境結合考慮，將植物對環境之間的耐受性作為分區重點；2)強調生態區域的功能設計，設計以生態功能為主導的景觀格局；3)通過參數化平臺改進和補充系統信息，對景觀與城市生物多樣性的持續研究大有裨益。

同GLDS系統，EMDS系統若能把植物物種對各種生態環境的耐受性分析與其他物種結合考慮，進而利用參數化疊加形成的生態區將為場地提供更多的生物多樣性。

2.3 景觀生物多樣性規劃設計系統

景觀生物多樣性規劃設計系統(The Landscape Biodiversity Planning & Design System，LBPDS)，是由國際知名設計公司AECOM于2013年提出[36]。這是一個通過規劃、設計的整合提高區域生物多樣性和生境效益的設計系統，旨在幫助指導城市環境中的生境保護、恢復、城市形態和景觀改善，適用范圍包括城市森林、私人和公共領域景觀以及社區開放空間等。與從城市宏觀角度出發的新加坡城市生物多樣性指數不同，LBPDS中提出的景觀生物多樣性指數(Landscape Biodiversity Index，LBI)作為更為具體指導景觀實踐的指標，是一種增強生物多樣性、生態系統服務和實現特定區域保護的手段，讓設計師可以通過定量的方式對城市景觀進行詳細且全面的評估。

LBI應用的基本原則是將規劃設計的景觀生物多樣性與具有本地生物多樣性的參考生態系統進行比較，干預區域在結構和模式上與該生態系統或棲息地的相似性越大，其LBI就越高，每個指標的LBI得分由1～5分劃分[40]。評分系統涵蓋景觀生物多樣性的多個指標性能。基本指標依據項目歷史情況、實證文獻或專家建議等進行設置，包括景觀的結構和格局特征，如優先物種、棲息地質量、連通性和總棲息地面積等。同時利用計算分析及Autocad繪圖軟件進行評估，提出適應于項目場地的閾值。由于LBI評價指標針是對當地生態和優先級保護事項進行的“校準”，因此可以應用于多尺度場地，以評估當地生物多樣性相關效能并指導景觀生物多樣性規劃設計系統的具體應用。應用LBPDS包括分析和規劃步驟，具體可分為6個部分：1)現場評估；2)LBI模型校準；3)現有條件LBI基準測量；4)衡量備選方案的LBI評分；5)創建景觀指導方針(如有必要)；6)進行詳細的景觀設計(圖6)。

圖6 LBPDS在波爾圖保羅瓦拉達花園中的應用(作者改繪自參考文獻[41])

該系統的生物多樣性規劃設計重點表現在：1)以生物多樣性保護為主導，利用LBI評估指導景觀規劃設計，并強調本土生態和優先級保護事項；2)以生境垂直結構和水平格局為LBI指標框架，在此基礎上可針對場地特征增加生物多樣性評價指標；3)可評估從自然到城市的任何類型景觀中的生物特征；4)將植物群落設計于景觀營造作為關鍵，通過不同的開發策略保護和增強生物多樣性及生境連通性，實現人與自然的共榮。

3 啟示與展望

3.1 構建豐富城市生物多樣性的景觀設計方法

生物多樣性為人類社會及生態系統帶來的福祉在越來越多的研究中得到驗證，以多樣性為核心的生境規劃設計正逐漸成為最具潛力的需求領域[41]。目前中國仍處于城市化快速發展階段，生物多樣性保護的理念和方法正在以物種遺傳保護為核心逐步發展到以景觀規劃設計保護為核心。因此，如何通過景觀設計來保護與恢復城市生物多樣性，將發展為風景園林學科的重要研究與實踐領域。近來許多國內外項目規劃設計中都將生物多樣性作為目標之一，但在具體實踐中仍有諸多可以改善之處，在理論和技術方法上也需要進一步探索。

3.2 加強生物多樣性的多尺度、多類型研究與多學科交叉

由于生物多樣性與生態系統的結構復雜，其自身功能和過程之間，以及與社會文化經濟之間存在著復雜的關系，僅從單一尺度和類型考慮是遠遠不夠的，需要從研究個別空間走向研究城市綠地結構甚至綠地網絡，多尺度嵌套亟須充分討論和論證[42]。此外生物多樣性保護的景觀途徑多集中在適應性植物物種選擇方面，對更復雜生境組成仍需進一步考慮。同時，應該提倡以更廣闊的視野審視生物多樣性戰略，強調綜合生態系統服務效益，如固碳、水質改善、緩解城市熱島效應及其他社會文化效益等。這就需要多學科交叉，多專業融合。如將景觀規劃設計與水利工程、交通基礎設施工程、農業及林業活動以及城市開發建設等統籌兼顧，提升生物多樣性保護景觀途徑的廣度與普適性[43]。

3.3 完善生物多樣性保護的評估與監管機制

生物多樣性保護是一項系統且長期的工程，不僅需要建立穩定、有效的設計模型與系統，更需要完善評估和監管機制[44]，形成彈性、動態的反饋調節體系，并逐步發展一套適合中國國情和區域氣候環境特點的評估概念框架和監測管理模式。目前現有的評估體系仍需不斷完善，如在景觀生物多樣性規劃設計系統的實際應用中，若城市景觀已經發生很大變化的情況下，很難建立一個參考生境去校準指標進而指導生物多樣性設計；再者目前的評估系統多針對植被而言，而對昆蟲、鳥類和魚類等不同種群生物多樣性提出的設計方法也多基于植被多樣性，對物種自身的關注不夠；同時針對社會文化因素的評分如何參數化，如何利用關鍵的社會因素做到適應性協作景觀管理，提供廣大公眾參與評估與監管的途徑，這些問題仍需在未來的發展中不斷完善。

3.4 提倡大數據背景下生物多樣性保護的參數化應用研究

在大數據時代，參數化技術手段蓬勃發展。參數化為城市生物多樣性保護的景觀途徑帶來的不僅是研究方法的革新，更重要的是思維方式的轉變。從以上生物多樣性參數化應用的研究案例可以看出，目前應用還多局限于生物多樣性評估、編碼整理及生態環境模擬等, 評估指標體系和模型方法還存在諸多的局限性和適應性問題。因此加強實時監控與反饋，依據氣候變化模擬推演，預測未來更準確的城市生物多樣性變化趨勢，制定積極適宜的應對策略并做好示范性應用，可以使未來城市景觀更具有科學性、前瞻性和可持續性。