景感生態學原理及應用

董仁才,呂晨璨,翁 辰,張永霖

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 100085 2 中國科學院城市環境研究所, 廈門 361021 3 中國科學院大學, 北京 100049

生態文明是指具有保持和改善生態系統服務,并能夠為民眾提供可持續福利的文明形態[1]。美國紐約中央公園的設計者F.L.奧姆斯特德(Frederick Law Olmsted)提出,“自然有利于人類的健康與活力——這是一個科學事實”[2]；心理學家Stephen Kaplan認為,自然有如睡眠,使大腦休息和恢復,因為過程不需要意識的直接關注[3]。哈佛大學生物學家E. O. Wilson提出人類天生就有親近大自然的傾向,他認為人類在自然中更舒服,因為人類是在自然中進化的,在特定野生環境下,人類就像回到家一樣[4]。伴隨人類社會的發展和進步,人們對其周邊生態環境品質的追求不斷提升,更加注重環境質量改善帶給人們精神上和體驗上的慰藉和享受。在探索人與生態系統服務和福利問題上,景感生態學是能夠有效搭建人與環境之間相互理解和響應的橋梁[5]。景感生態學思想主張將人的感知,即視覺、嗅覺、聽覺、觸覺、味覺等物理感知以及心理感受納入到生態環境研究中,以人文本,從調動人體眼、耳、鼻、舌、身、意來感知自然、品悟自然,以實現人與自然共生共榮、可持續發展[1,5]。

景感生態學是生態學中近年來發展較快的分支之一,它參考現代生態學原理,突出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[6]。它以人為本研究生態學問題,尤其是針對生態系統服務對象和生態文明建設的愿景,注重人民群眾的滿意度、獲得感和幸福感。本文闡明景感生態學理論基礎,結合物聯網或物靈網[7]、景感營造實踐以及相關學科對生態系統的理解過程,對景感生態學原理與方法開展初步探索。

1 景感生態學基礎

1.1 景感生態學理論基礎

1.1.1復合生態系統理論

馬世駿和王如松先生“社會-經濟-自然復合生態系統”理論指出：生態系統是由社會、經濟、自然三個子系統構成的,具有整體、協調、循環、共生的特性[8]。這三個子系統相互依存、相互制約,并通過人為因素耦合成為復合系統[9]。生態學實際上是人類認識和改造世界的一種自然觀[10],越來越多的生態學家將人類活動納入到生態系統研究中,探討生態系統動態及受人類活動的影響,探尋人類與自然和諧相處的可持續發展途徑,提升人民群眾生態環境獲得感和滿意度成為生態文明建設的重要方向。

景感生態學研究在可持續發展這個愿景(目標)下,如何對復合生態系統進行營造,使得復合系統中的人們能夠產生相應的共鳴并形成相應的共同行為,進而推進和保障復合生態系統沿著可持續發展的愿景或目標不斷前行。它通過人們的“需求系統”作為切入點,在社會-經濟-自然復合生態系統的框架中分析和研究可持續發展[9],圍繞趨善化模擬與管理開展整體性、系統性、綜合性和交叉性的研究與實踐。

1.1.2可持續發展理論

景感生態學的誕生本身就是以可持續發展為目標的,其研究的目的是在保持、改善和增加生態系統服務的同時,更加注重和強調增加與可持續發展意識和理念的生態系統服務。景感生態學愿景是：人們在享用生態系統服務的同時,能自覺地共同行動,進一步地去保持、改善和增加生態系統服務,以保障可持續發展目標的實現。因為可持續發展的實現不僅需要科學技術的“硬”支撐,更需要與之相應的文化和倫理道德等方面的“軟”支撐[9]。

景感生態學本質上以人居環境中的土地利用及景感營造為基礎,以人類生存空間環境的品質提高為目的,最終實現人與周邊環境和諧共生,永續發展[5]。國際可持續發展的現實緊迫需求和科學技術快速發展的新形勢,需要嘗試一些新的途徑或建立一些新的框架來研究可持續發展的理論和實踐問題[9]。景感生態學研究宗旨與SDGs目標高度吻合,都瞄準保障人的基本需求,提升生態系統整體功能[11],尤其是針對SDG11目標,都旨在創造“包容、安全、有抵御災害能力和可持續的城市和人類住區”。可以說,景感生態學對推動落實可持續發展目標具有重要意義。

1.1.3環境-行為關系理論

“良好生態環境是最公平的公共產品,是最普惠的民生福祉”。人們越來越關注日常環境健康問題,渴望回歸自然,呼吸新鮮空氣,對綠色生存環境的需求不斷提高[12]。環境-行為關系學中的喚醒理論、環境應激理論、適應水平理論和行為場景理論等都對景感生態學有直接支撐作用。環境刺激對人產生的直接效果是提高喚醒水平,無論刺激是令人愉快還是不愉快的,喚醒理論試圖說明喚醒與情緒、績效的關系。環境刺激與感覺評價的關系也正是景感營造的機理。基于環境應激理論,在景感營造中幫助環境使用者避免不必要的環境應激,有利于人的健康,有利于提高生活質量和社會穩定[13]。行為場景理論或生態心理學把環境與行為看作是雙向作用的、生態上相互依存的整體單元,遵循整體主義的指導思想,認為“生態系統(整個生物圈乃至宇宙)中一切事物都是相互聯系、相互作用的,人類只是其中的一部分”[13]。景感生態學更加強調人與生態系統服務、需求和福利之間的相互關系,促使環境與行為關系分析直接轉化為“愿景-景感-景感營造-共鳴-愿景”這一過程。

未來景感生態學需要基于環境物聯網建立人體舒適性的標準,當外部環境變化時,人類舒適性能夠適時改變,并對生態環境變化過程能夠實時預警,形成環境與行為信息化、定量化和交互式反饋。逐步完善“以人為本”的關鍵感知技術,包括光、熱、水、大氣、土壤、磁場、放射性和地形地貌,并采用先進的信息化手段,實現對自然資源調查、生態產品普查、環境質量監測中有感官功能的數據成果進行集成、處理、表達和統一管理。

1.2 景感生態學研究范疇

1.2.1景感生態學定義

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,從自然要素、物理感知、心理認知、社會經濟、過程與風險等相關方面,研究土地利用規劃、建設與管理的科學。近年來,又繼續進行了拓展,如將構思和構筑景感的整個過程稱為景感營造(landsense creation),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)[5]。隨著研究的深入,景感生態學內涵也會進一步擴展和豐富。

1.2.2景感生態學基本概念

結合近年來的文獻和研究實踐,筆者整理、匯總并規范了景感生態學的相關概念。具體包括如下方面：

(1)景感：一種特定的場景,在一定時間、空間范圍內,人們的愿景與特定載體之間所構成的相互關聯和作用的整體。

(2)載體：也稱寄托體,處于特定場景內的地塊、建筑物、構筑物、生物體、符號、藝術品等,也包含其時空組合等。在以視覺為核心的景觀生態研究中,景感載體主要是斑塊、廊道和基質；在以聽覺為核心的聲景生態研究中,景感的載體主要是聲源、傳聲通道等。

(3)愿景：生命體面向種群永續發展的一種心愿,多指人類對美好生態環境的向往和可持續發展的期待。

(4)景感通道：愿景與載體之間感知關系傳遞方式。景感通道的有效性在于愿景與載體之間是否實現共鳴,環境物聯網是呈現景感通道的技術。

(5)景感尺度：載體與愿景相互依存的時空尺度,景感生態的研究尺度具有跨時空尺度的聯想特征,具有遙相關(teleconnection)屬性。

(6)感知元素：蘊含在寄托體內,能夠被人的各種感官所感受的物理量或精神因素,如光、熱、溫度、濕度、聲、風等,也包括情感、意愿和愿景等。

(7)景感營造：也稱創感模式,是通過生態工程或技術手段建立和增強人對周邊環境特征的主被動感受或認知的過程。

(8)景感指數：用于評價(或品鑒)景感生態質量的指標,可以定性或量化。例如綠視率、舒適度、滿意度等。

1.2.3景感生態學研究對象

結合景感生態學思想和演化過程,筆者認為景感生態學的研究對象主要包括景感結構、景感功能、景感通道和景感營造等方面。

(1)景感結構：載體或寄托體在時間和空間上的位置、方位、排列和組合等形式,以及為拓展景感通道而預留的時空“接口”等；

(2)景感功能：側重于生態系統服務的美學和文化價值,以及如何利用生態系統功能緩解壓力,治愈疾病,提高舒適性、可持續性等；此外,也包括其他生物體的對周邊環境的感知特性。

(3)景感通道：通過技術手段或渠道使自然要素、物理感知、心理認知緊密聯系,形成有效的溝通,以達到提高生態系統功能、增強可持續發展能力的目標。設計者在通過景感表現自己愿景的同時,也希望這一愿景引起人們的共鳴而形成共同紐帶。

(4)景感營造：通過創造載體、點綴載體、橋接愿景與載體,實現創感模式,傳遞景感所承載的生態信息、生態設計思路,以及實現相同景物給不同受眾帶來的感知差異化。

1.2.4景感生態學研究內容

生態學實際上是人類認識和改造世界的一種自然觀[10]。景感生態學是在剖析人類與自然和諧共生的感性、理性和智性認知。截止目前,筆者認為景感生態學主要研究內容應包括如下幾個方面：

(1)如何通過景感營造釋放、傳遞和提高生態系統服務與價值：人對生態系統的感受潛力是無限的,直接索取生態系統產品供給和支撐服務的需求是初步愿望,全方位深層次感受生態系統服務巨大潛力才是本質。景感生態學思想主要來源于土地利用規劃與建設,它首先服務于土地利用規劃與建設[5],但未來更多地將服務于多維生態空間的可持續性利用。

(2)多種感知相互交融促進功能提升機理：人作為景感營造最終的服務對象之一,具有豐富的環境感知能力,其體驗結果是多種感官共同作用的結果,而且與環境受體人本身的接受能力、應激水平密切相關。隨著人類對自然界認識的不斷深入,人們對生態環境質量的需求越來越細膩和感性,探索精細化、多樣化配置極為重要。

(3)景感生態相生相克交織而成的協調性原理：景感營造是一個復雜的過程,無論是景感格局、景感通道、景感氛圍都是多重生態組分共同作用的結果。其內部過程中存在復雜的相生相克過程,如何有效使主體的體驗滿意度達到最佳,則需要基于既定服務對象的評價方法與過程,結合“謎碼數據”進行深入分析[5]。

(4)景感生態與環境物靈網技術融合：景感生態學是一門生態學與物聯網技術相結合的新型交叉學科。物聯網技術的發展使人們對生態系統服務的體驗更加深刻,實現了生態環境價值的量化表達,景感生態信息的收集、存儲、轉換、放大、顯示和分析需要物聯網技術加以實現。景感生態系統建設和物聯網建設是一個有機整體,將形成萬物互聯的物靈網(ZeroSpace Interconnection of Things, ZeroIoT 或ZeroSIT)。物聯網是物靈網現在的具體表現形式,物靈網將實現信息采集、傳輸、處理、模擬、預警、應用等的“零”間隔(ZeroSpace),是物聯網未來發展的方向[7]。

1.2.5景感生態學與其他學科關系

景感生態學主要研究和解決與生態文明建設與區域可持續發展的相關生態學問題,因此,其首先符合“可持續生態學”這一主干學科方向特征,其學科定位在研究人與自然、人與環境的關系,并將所掌握生態系統功能知識服務于人居環境建設的“知行合一”,兼具理論生態學和應用生態學研究方向。

普遍認為景感生態學與風景園林學關系更為相近,因為中國古典園林善于利用感官感知“清風明月”與“近水遠山”,營造集視、聽、嗅、觸四位于一體的園林環境[14],正如前述景感生態學繼承了濃厚的中國古典哲學思想,但景感生態學孕育于現代信息技術和傳感器技術,其更多研究方法在于還原、解析或定量化分析。

一些學者還認為,景感生態學與環境行為學高度相關。這里需要說明的是景感生態學屬于生態學學科范疇,而環境行為學或環境心理學屬于心理學范疇,兩種學科方向從不同角度強調客觀載體與主觀愿景的相互關系；景感生態學重點研究的對象是人的感知、心理、情感、行為與城市、建筑、環境之間的關系與相互作用。景感生態學的研究理念尤其有助于提高公眾對生態環境的滿意度、獲得感,進而有助于促進生態文明建設,實現“美麗中國”、“健康中國”和“平安中國”。

景感生態學的產生和發展還得益于物聯網、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多樣化感知傳感器,也為海量信息的處理、分析和應用提供了技術上的可能性[6]。

2 景感營造與分析

2.1 載體與愿景共融特征

生態系統是個復雜巨系統,生態系統的復雜性來源于時間和空間的異質性和大量組分間的非線性相互作用[15—16]。在有限的時空范圍內,景感能夠從多種角度為人和其他生物體受體提供多種感受,促使景感生態系統功能的最大化體現。景感組合模式及生態學過程猶如在用餐過程中演奏、播放和諧的音樂,可以優化人們的用餐環境,強化人們對食物的感官體驗一樣,多種環境要素相互組合搭配能夠提高景感生態服務功能。

圖1 景感功能與滿意度相互關系示意圖 Fig.1 Schematic Diagram of the Relationship Between Landsenses Function and Satisfaction

但是,人體感官所能承受的各種環境物理量的有一個最佳美學閾值,超出這個閾值,過低或過高都會產生負面作用。依據環境心理學及環境行為學的相關基礎理論,只有適度的刺激量才能讓身處環境中的人產生愉悅及舒適感,激發人相應的心理變化；當環境刺激量不足的情況下,就可能達不到相應的喚醒水平,從而使身處其中的人感受不到環境所帶來的舒適感及滿意度(或生態福利)。而當環境刺激量過載的情況下,身處其中的人由于過度的環境復雜度及過多的信息接入,而使得其感受到壓力和不適。參考環境刺激與滿意度理論繪制景感功能與滿意度相互關系示意圖(圖1)。

當前,營造一個滿足不同受體認知的場景,或者說如何從用戶滿意度視角評價景感生態系統給予人的服務功能和價值是否高效,已經成為當前生態建設與修復中的研究熱點,這也正是景感生態學關于景感體驗評價研究的重點。

2.2 景感營造原則

景感營造是協調景感載體與愿景的過程,景感生態學對于所研究的系統,首先要明確愿景或目標內涵,之后依據愿景對載體進行營造,營造過程與結果使得人們能夠產生相應的共鳴并形成相應的共同行為,進而實現或趨向系統的愿景[17]。宏觀尺度上表現在促進土地利用規劃走向人地和諧,微觀尺度上面臨提高人居環境的宜居、舒適和安全性。基于景感理念的生態規劃是一項系統工程,需要充分應用景感生態學原理及其它相關學科的知識,以生態系統整體優化為目標,通過空間載體、景感通道配置與強化景感生態服務過程,改善人類活動與周邊環境的相互作用。趙景柱等認為景感營造原則包括如下8個方面：愿景呈現的雙向性、方位的順脈性、時空組合的多尺度性、物理感知的系統性、心理認知的整體性、物理感知與心理認知的交互性、不同文化之間的差異性、營造過程的漸進性。在景感營造的實踐中,應根據實際情況系統地、綜合地運用這些原則[17]。

景感營造首先強調對景感格局的優化,提高載體或寄托體的多功能特性,盡量實現“一景多感、多景一感”,提高服務人群的覆蓋面。促使小品、意境、符號等景感要素的數量及其空間分布合理,使信息流、物質流與情感流相互交融,豐富生態環境要素的美學價值。同時,建立信息發布、預警、管控平臺對生態環境的狀態與變化數據進行可視化表達,有效“喚醒”與“創感”,也可以促進人們全方位感受景物的特點,“即時得景”。

目前,在景感生態規劃的各個要素中,地形地貌可以說是最為重要的空間對象或載體。景感生態規劃區的場地要充分體現天地人合一或“人、建筑、自然”合一的思想。景感生態設計過程中,應強調所有構筑物、小品應能引導和激發人體生理及心理感官的積極響應,提升舒適感與生態體驗。

構建景感生態園區首先需要實現游客和周邊居民能在視覺、嗅覺、聽覺、味覺、光覺、觸覺等物理感知層面,邊界、區域、路徑、節點、標志等心理認知,以及交流、參與、組織、創造等行為體驗等方面達到綜合體驗效果。要探索對復合生態系統進行營造,使得復合生態系統中的人們能夠產生相應的積極的共鳴并形成相應的共同行為,進而推進和保障復合生態系統沿著可持續發展的愿景或目標不斷前行。

2.3 景感指數分析

一個好的景感生態系統,首先是一個能夠自我不斷趨于完善的生態系統,包括具備自組織、自恢復能力；其次,是能夠對外部系統提供多方位的生態系統服務功能,包括反哺給自然環境本身；最后,能夠提供面向不同層次用戶物理感知、心理認知及行為體驗的多元化景感供給功能。景感生態學近年來發展迅速,除了給生態學帶來一些新概念新理論外,也在定量化研究人類感知方面不斷發展,例如綠視率、滿意度和聲景等的研究[18]。這需要建立先進的感知系統并定量化描述景感時空格局,解析、比較和優化不同類型景感生態系統。景感生態學因其研究對象和方法的特殊性,宜采用以“品鑒”為主的評價方法。

目前,景感生態學中定性與定量評價(品鑒)指標體系和方法有多種,下列指標從整體上起到準確的認識和把握作用,感覺多樣性(豐度)、感知組合度、互動度、易感度、刺激頻度、回味度、驚喜感、距離感、重疊度、覆蓋面等,這些品鑒指標豐富了景感生態的內涵(表1)。

表1 景感指數或評價指標體系

3 景感生態學應用

如何利用景感生態學的原理和方法來解釋、指導和應對當前生態恢復、生態建設和可持續發展目標實現所存在的具體問題是景感生態學的使命擔當。開展景感生態規劃、建設景感生態園區、恢復受損生態空間均是景感生態應用實踐的重要形式。下面通過目前較為成熟的幾種景感生態學應用加以闡述。

3.1 經典景感生態園區建設

景感生態學應用的經典場景是位于我國海濱城市廈門的中國科學院城市環境研究所園區。該園區從整體基底布局到一石一木的細節,從獨具特色的雨污資源綜合利用系統到生態環境物聯網系統,都對景感生態學的原理、方法和技術進行了充分的應用和示范。園區內低碳和零排放生產生活方式、發展定位和愿景與周邊地形地貌相協調,相關建筑物、構筑物、園林小品與其園區文化內涵相統一。這種景感營造與其作為目前國際唯一的專門從事城市環境綜合研究的國立研究機構匹配度、回味度、獲得感等均有較強體驗。

圖2 基于360度全景圖像的城市環境場景感知 Fig.2 Urban environment scene perception based on 360-degree panoramic images

筆者采用自主研發的先進360度全景影像成像技術[19],一體化地呈現該園區山、水、城等關鍵景感元素和景感格局場景(圖2)。這種全景影像能夠系統表現人與周邊環境的相互關系和作用機理,以直觀可視化的方式表現出自然本底、方位特征、景感通道、植被景觀、建(構)筑物、建設者愿景等景感元素特征。該園區具體詳細景感指數及內涵可訪問相關網頁(http://www.iue.ac.cn/)。

3.2 綠色視野與綠視率分析

人類對于外部環境感知信息的85%源自于視覺感受,綠色的視野對人的健康有著顯著影響。目前,我國城市發展逐步從“增量擴張”向“存量優化”轉變,需要在有效利用城市有限土地的同時提高生態系統服務水平,從景感生態學的角度來說,對城市生態空間內綠化的視覺感知優化成為了亟待解決的問題。實踐中,營造林蔭大道、開展立體綠化等,都是增強綠視率指數、提高人居環境綜合綠量的有效應用,也是當前景感營造普遍的應用之一。城市街道綠化為行人提供著隔離噪聲、減少灰塵、吸收廢氣、增濕降溫、固碳釋氧和增添美感等重要生態系統服務功能,花園式屋頂綠化能夠對人的感官感知產生多樣化的積極影響,橋體立體綠化的影響范圍廣,并且能夠有效降低汽車噪音、凈化汽車尾氣,這些都對于居民身心健康具有重要作用[20]。總之,利用景感營造技術指導城市綠化建設,讓人民群眾的滿眼皆綠,時時見綠,心中增綠,才能不斷提高獲得感和幸福感[12],有助于實現城市可持續發展。

綠視率這一指標用于測量人的視覺尺度下綠色植被所占視域面積的比例,將傳統的地表平面測度提升到城市三維綠化空間范圍,更符合人的感知模式,對森林城市、綠道建設立體空間評估具有重要意義。張永霖和董仁才等(2018)采用了海量的街景圖片數據集和綠視率(GVI)量化了北京六環內街道綠化水平[21]；定量化分析了北京五環內居民區附近的道路綠地,并結合房價數據,利用深度學習分析道路綠化水平對房價的影響。研究結果顯示,道路綠視率水平與相鄰房產價值呈正相關關系,綠視率分析為居住區視覺環境優化提供了科學依據和方法參考[22—23]。

3.3 生態環境損害評估

上述綠視率分析是測度周邊環境通道給予人的愉悅刺激,提高綠視率的景感生態應用可以理解為增強景感指數。而景感生態在生態環境損害鑒定評估中的應用則是量化環境污染、生態破壞給予人的不愉悅刺激,是一種分析景感功能減弱的應用。呂晨璨等(2020)研究發現,大多生態環境損害行為都會破壞生態系統美感,使其喪失美學價值,給公眾感知和環境福利造成較大沖擊[24]。例如散、亂、污、臟、差、煩、躁、悶、臭、憋、瘆、嗆、眩等公眾投訴的表述就是一種具體體現(圖3)。生態環境損害鑒定評估的過程中,基線確認、污染物溯源、損害程度和范圍認定等多個環節均需要開展此類監測和訪談工作[25]。實踐中,首先在發現生態環境損害案件的線索時,要充分應用景感生態學原理,結合公眾感知、輿情分析采集居民感覺信息；其次,在開展生態環境損害鑒定評估過程中,還需要充分考慮生態環境損害行為對案發區環境質量、公眾愿景和心理落差等帶來的價值量損失。

在制定恢復方案的環節中,也應根據生態環境損害的類型、范圍和程度,明確生態環境恢復目標[26],將被破壞的生境作為載體,在恢復生態功能的同時增加更多的景感元素[27]。采用景感生態學的研究方法既有利于加強人們對生態系統服務的理解,提升保護生態的動力,也有利于抵制生態環境損害行為。

圖3 生態環境損害與公眾感知示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Eco-environmental Damage and Public Perception

總之,景感生態學中的概念、理論和方法對解決實際的環境、生態和心理學問題都有很大的應用價值。景感生態學的應用未來將突出體現在以下幾點：(1)在有限的空間范圍內,營造多樣化的景感生態體驗,充分滿足人民群眾對生態產品的需求；(2)強調人與生態系統相知和互動的重要性,采用元宇宙理念和技術應該是一個重要應用方向；(3)增強不同受眾與不同場景條件下,對同一對象的差異化分解,提高覆蓋面和公平性[28]。

4 結語

景感生態學是一門新型交叉學科,是復合生態系統理論、可持續發展目標、人對生態系統服務認知與現代信息技術耦合的產物。景感生態學的基本概念、原理和思路對解決當前人類面臨的生態環境問題和提高人居環境品質具有巨大的應用潛力。景感指數可以幫助規劃建設者理解公眾的感受、想法和意見,并將感知類數據融入規劃過程,在不降低規劃與設計的藝術性和科學性的同時,充分體現公眾對于良好生態的愿景,從而為人與自然和諧共生提供支撐[29—30]。景感營造更“接地氣”,充分體現“以人為本”的安全性、健康性、舒適性和綠色發展愿景,能不斷提高著人民群眾對生態文明建設的獲得感和滿意度。

當然,目前,景感生態學在學科特點和理論體系等方面尚不完善,還存在一些誤解和歧義,但正如景感營造是一個漸進過程一樣,景感生態學原理和方法也終將逐步趨于成熟和“顯山露水”,景感生態學必將是促進人與自然和諧相處的橋梁。

致謝：中國科學院城市環境研究所趙景柱研究員對本研究給予幫助，特此致謝。