從系統到景觀:區域物質流分析的景觀取向

張曉剛，曾 輝，2，*

(1.北京大學深圳研究生院深圳市循環經濟重點實驗室，深圳 518055;2.北京大學生態學系，北京 100871)

物質流過程是考察系統屬性的重要維度。物質流分析(MFA)是指在一定的時空范圍內，關于特定系統的物質通量和分布情況的系統測量和分析［1］。以“黑箱假設”為代表的系統思維作為一種簡化途徑，極大地促進了國家尺度MFA的標準化［2-5］，卻在區域層面MFA的推進過程中顯得捉襟見肘。綜述研究現狀我們不難發現，當前區域MFA在研究框架、指標體系、數據集成和管理應用等方面都不同程度地陷入了發展困境，而以“黑箱假設”與“系統隱喻”為基礎的產業生態學理論在區域MFA中的應用局限性不容忽視。放眼生態學視域，本文旨在對區域MFA發展困境的理論根源展開深入分析，并對區域MFA的景觀生態學取向加以探討，以完善區域物質流分析與管理的理論基礎。

1 區域物質流分析的發展現狀

MFA的基本思想可以追溯到100多年之前［6］，而后出現在多個研究領域［1，7］。隨著可持續發展理念的深入，MFA作為一種系統研究手段不斷發展成熟［8］，集成了整體物質流分析(bulk-MFA)、材料流分析(SFA)［9］、生命周期評價(LCA)等豐富的研究內涵［10］，并因客觀、量化、簡潔等優點而在全球、國家、區域等不同層次的經濟系統［7，11］和產業部門、工業園區或企業個體廣泛應用［12-13］，進而成為循環經濟、生態效率、低碳社會等可持續發展理念的重要評估手段。近年來，在產業生態學學科框架下［14-15］，國家MFA已實現標準化［2-5］，中小尺度的MFA研究需求凸顯［16］，區域層面的物質流、物質代謝［17-21］、資源流［22-24］等研究成為MFA的重點與熱點。然而就研究框架、指標體系、數據集成、管理應用等方面而言，區域MFA的推進還面臨區域管理的諸多挑戰，理論基礎依然薄弱。

(1)區域物質流分析的研究框架:國家層次的MFA雖然開展較晚，但立足宏觀經濟學思想與經濟系統的黑箱假設建構了有效的研究框架，迅速積累了豐富的案例研究［15，25］;因此，雖然區域 MFA 的基本思想可以追溯到更早的城市代謝概念［26-28］，并與生命周期評價(LCA)等研究方向相互交叉［14］，但其基本研究框架仍然被認為是國家層面MFA的黑箱假設的延伸［16］。就研究框架的發展現狀而言，大部分區域MFA的研究案例都是以輸入輸出表、材料流分析(SFA)、存量與流量模型(STAF)、區域動態模型等傳統研究框架為基礎開展的［29-30］，只有少量案例對研究框架做了簡單改進［16，31-32］。能否超越黑箱假設，建構有別于國家層面、基于區域以及城市特點的研究框架是區域MFA能否滿足區域管理實際需求的關鍵問題［16］。

(2)區域物質流分析的指標體系:區域MFA的指標體系沿用國家MFA物質分類和指標設計兩個建構環節:物質分類方面，結合通量分析的直接與間接的物質流過程(投入、輸出、儲存)對物質進行分類，并將物質種類的聚焦整合于SFA、LCA等研究框架;指標設計方面，則從輸入指標、輸出指標、消耗指標、平衡指標、強度和效率指標、綜合指數等指標類別來針對邊界過程和綜合特征進行評估［7，33］。總體而言，當前區域MFA的指標體系建構在現有研究框架基礎上已獲得充分擴展，一些案例雖在此基礎上有所改進［16］，但整體變動不大。考慮到城市MFA內部循環過程的復雜性和差異性，不同物質加和以及隱藏流系數的采用等問題上還存在著簡單假設［34］，在物質細分和指標綜合的手段之外，指標體系如何直接評估區域系統內部的物質流動細節仍然是區域MFA的嚴峻挑戰。

(3)區域物質流分析的數據集成:物質種類的多樣性和物質流過程的復雜性，使得區域MFA的實證研究常常面臨大量的數據獲取工作［8，35］。現有區域MFA 的數據集成綜合自上而下和自下而上［9，36］，定點和跟蹤模型［37-38］等多種數據獲取方式，發展了Excel、Gabi和 Umberto 等數據分析平臺［7］，并有望進一步拓展地質調查數據［39］等新的數據來源，以及地理信息系統(GIS)［14］等數據分析技術。2010年14期第5卷的《Journal of Industrial Ecology》“Environmental Applications of Information＆ Communication Technology”專刊刊發多篇文章［40-41］，全面展望了信息化時代產業生態學的發展趨勢。將互聯網等高新技術對接于區域MFA的數據獲取和信息集成過程是當前區域MFA的一個重要發展機遇。

(4)區域物質流分析的管理應用:區域MFA為區域發展戰略的制定提供了寶貴的定量依據［42］。生態效率、循環經濟、低碳社會等區域可持續發展理念融合于區域MFA指標體系的構建過程中，可以為政府決策制定直接提供參考［43］。然而從根本上講，指標層面的應用指向是一種宏觀的評估，超越了區域物質流過程真實環節與區域發展的具體機制。國外學者聯系區域MFA和土地利用變化、城市形態開展的研究分析［44-46］尚未引起國內產業生態學和景觀生態學界的太多關注［47-48］;另外一些整合MFA與人文社會科學的研究工作［49-53］日益受到重視，而國內只有劉凌軒等［54］建立的物質流管理時空軸模型對這一思想有所反映。如何從指標層面的宏觀評估走向機制性的考察研究，將研究成果內部落實到具體的物質、空間、過程和主體［7-8］，是區域MFA的應用目標。

2 區域物質流分析的景觀取向

2.1 區域“系統”的理論分析

理論是方法的基礎，概念是理論的核心。將區域和城市等復雜對象劃分社會、經濟、自然3個維度考查是開展宏觀研究的重要策略，而這一策略下形成的“社會-經濟-自然復合生態系統”則成為宏觀生態學研究最為重要的綜合性概念［55］。長期以來，將自然生態系統與社會經濟系統的類比與對比一直是產業生態學重要的理論基礎，企業、產業部門、產業共生、產業生態系統從不同層面暗含生物體、種群、群落以及生態系統的隱喻(圖1)，而循環經濟理念則完全反映了社會經濟系統對于自然生態系統的模仿［56-59］。由此看來，“系統”是區域 MFA的概念基礎，基于“系統”概念構建研究框架并在區域MFA中貫徹自然生態系統研究范式也是理所當然。進而區域MFA理論和方法論的最終完善也將依賴于區域物質流過程復雜性的充分認識和“系統”概念的深入剖析。

然而事實上，不同于“生態系統”概念的初創時代［60］，對于如今“系統”概念的全面回顧必然涉及非線性與復雜性科學的最新成果，即使是對“生態系統”的充分述評也常常要回溯到生態哲學的視域范圍。由于這一問題的復雜和艱巨性，本文不能也不必要對此展開全面闡述，但有必要概括一些框架式的要點作為開展理論分析的基礎:(1)非線性與復雜性科學的研究，通常將對象劃分為物質、生物、社會層面;(2)根據Laszlo的廣義進化思想［61］，從物理學系統到化學系統、生態系統、再到文化系統是一個不同組織水平之間的突變躍遷過程;(3)雖然生態學通常被認為是一門反映整體論的學科，但其具體研究和哲學層面都普遍存在著一種“秘密的還原論”，其中生態的系統化，以及“生態系統”的濫用本身也是一種認識論和本體論的雙重還原［62-63］;(4)根據生態學組織層次理論，生態系統在種群、群落層次之上，包含生物生存的物質環境;景觀在生態系統之上，區域在景觀之上［64］;(5)關于人類是否屬于生態系統的概念之中，一直存在爭論［65］。基于以上要點，仿照杜思對可持續發展的系統分析手法［66］，將相關思想加以整合，并直觀表現如圖1。

圖1 “產業生態學中的隱喻”與“生態組織層次”的圖式Fig.1 Schematic diagrams of metaphor in industrial ecology and ecological organization levels

由圖1的圖式對比可以清晰地看到，不同于現有MFA研究中將自然生態系統與社會經濟系統看作是區域層次下兩個相異卻平行的子系統，整合復雜性科學、廣義進化論的生態組織層次表明隨著生態系統、景觀到區域層次的逐級上升，復雜性不斷遞增。由此，反觀當前區域MFA乃至產業生態學的類比邏輯和“系統”理論本身，實際上是一種跨越景觀層次的系統化還原，和較低層次生態系統范式在較高的區域層次研究中的借用。這種還原與借用(或者說隱喻)由于繞開了人類的感官世界而將自然科學客觀、量化和簡潔的方法論特征賦予了MFA，表現出極強的可操作性，但其在邏輯與理論基礎上的缺陷卻不容忽視［59，67-68］。一方面，區域作為社會-經濟-自然復合生態系統，復雜程度遠超自然生態系統，區域系統化思維從生態系統層次直通區域層次雖然強化了物質層面的特征，但卻忽視了人類對于物質景觀的感知，以及由此進化而來的社會系統中獨有的制度、文化、風俗、習慣等因素的作用，弱化了區域物質流過程的認知維度;另一方面，區域作為結構與功能耦合的動態系統，與自然生態系統中的生產者、消費者和分解者角色存在顯著的結構差異，社會經濟系統與自然生態系統的簡單類比邏輯雖然保留了系統在功能層面的共性，但卻忽視了物質流動驅動機制的差異，以及人為活動有意塑造的景觀異質性的重要性，弱化了區域物質流過程的空間維度。實際上，循環經濟理念所強調的社會經濟系統與自然生態系統相比的非閉環和流通途徑過長等問題［7］恰恰反映了兩個系統在認知維度和空間維度的異構特征，而景觀層次的認知和空間維度往往是社會經濟系統得以構建的心理與結構基礎。因此，景觀層次應當成為建構區域MFA研究框架的重要概念。

2.2 景觀生態學原理的引入

但凡對生態學發展全局有所了解的人都無法否認，在生態系統生態學以外，發端于人文地理學，整合生態學與地理學概念基礎的景觀生態學已經發展為宏觀生態學領域另一個極端重要的研究分支［69］。景觀生態學十分強調空間格局、生態學過程與尺度之間的相互作用，將人類活動與生態系統結構和功能相整合是景觀生態學的學科特點和研究優勢［69-70］。景觀生態學的“生態過程”概念，不僅包含地表空間的物質流動與循環，還集合了物種流、能量流、信息流等不同的自然、人文過程［71-73］。由此可見，景觀生態學原理不僅在概念上與區域MFA有所交叉，其引入還將顯著地拓展區域MFA概念框架的認知和空間維度。

鄔建國在闡述景觀生態學對可持續性科學的潛在貢獻時，對景觀生態學的學科優勢做過簡明的闡述［74］。綜合這一闡述，如圖2所示，也有理由相信將景觀生態學原理引入區域MFA改變單純以“系統”概念為基礎的解構取向具有顯見的理論優勢:(1)將“生態系統”與“區域”之間的“景觀”層次引入區域MFA，強調了自然生態系統和社會經濟系統的結構差異，有助于促進區域物質流系統等級層次的建構;(2)景觀作為人-地交互的最小空間尺度，能夠保全環境-經濟-社會系統的耦合關系［74］，與多功能景觀、景觀經濟學等景觀生態學最新研究領域［75］建立聯系;(3)MFA的流的概念與景觀生態學的源、匯概念［76］結合，將大量的物質存量和流量會以斑塊、廊道等景觀形式存在或被感知并向三維空間擴展，使得原本無形的數量概念落實到了有形的空間實體，將“系統中的物質流”重構為“時空中的物質流”;(4)在景觀尺度，物質流動過程的行為機制更容易考察，還可以開展針對性環境-社會-經濟觀測、調查和實驗，深入的剖析物質流動與社會行為機制的相互關系，并開展主觀與客觀數據的集成分析;(5)大量的物質流過程往往伴隨景觀動態，景觀層次的物質流分析，更有利于考察物質流過程中生態環境效應的時空分異;(6)由于區域MFA社會維度和空間維度的拓展，更有利于MFA與社會生態學研究相結合，并與生態足跡、可持續生計［77］等其他區域評價與分析方法開展機制和模型預測方面的結合，為區域管理提供依據，促進區域可持續發展。

圖2 “系統”與“景觀”:區域解構的兩種取向Fig.2 “System”and“Landscape”:two orientations of regional decomposition

2.3 從系統到景觀:區域物質流過程的空間結構

由于時間維度往往在社會系統中社會化、個性化，基于“系統”思想對區域內部物質流過程時間維度的解構，盡管可行但卻并不完善。相對而言，區域內部物質貯存流動的空間結構則清晰容易辨識，可以結合景觀生態學原理對其加以解構。縱覽景觀生態學的理論和概念體系，將空間解構的具體理論鎖定在斑塊-廊道-基質模式、斑塊動態理論以及等級理論(進一步介紹參見相關文獻)［78-80］。

圖3 區域物質流過程的空間結構［81-82］Fig.3 Spatial structure of regional material flow process

如圖3所示，基于等級斑塊動態范式(HPDP)思想［80］，整合斑塊-廊道-基質模式、斑塊動態理論與等級理論［81］，對區域MFA的空間維度進行了解構。其要點包涵6個方面:(1)區域被劃分為區域、景觀、斑塊、單體等4個層級，各個層級有若干空間單元，根據特定的研究對象和目的，空間層級和空間單元還可以在此基礎上加以修飾;(2)不同層級看似是離散的，但這只是邏輯概念上的離散，在真實世界中層級之間的界面有時是模糊的，并且通過頻繁的物質、能量、信息流動聯系在一起;(3)不同層級的物質流動速率存在差異，表現為時間維度的時滯、延遲等現象，層級跨越的能量消耗呈非線性變化;(4)層級內部空間單元間的物質流動通過該層級的通道(或是廊道、步道、管道)完成;不同層級的通道可以通過節點連成一體，形成功能網絡［82］，物質流動又形成超循環結構［83-84］;(5)不同層級物質流動與貯存對應于相應層級的景觀動態過程;(6)本文的解構實際上是二維地表空間的高維解構，空氣流動、降水、地質過程等三維空間中不受二維地表網絡結構約束的物質流過程，表現為層級間跳躍的物質流，使巢式等級系統復雜化為非巢式等級系統。

2.4 從系統與景觀:區域物質流過程的認知圖式

景觀生態原理的引入不僅有助于明晰區域MFA的空間結構，還將通過建構認知維度強化物質流過程的機制性理解。前已述及，產業生態學原理中系統思想的借用(或者說是隱喻)由于繞開了人類的感官世界而將自然科學客觀、量化和簡潔的方法論特征賦予了社會經濟系統的研究當中。然而不同于自然生態系統研究中觀察者與被觀察對象的分離關系，社會經濟系統中觀察者常常是被觀察對象的組成部分，因此對于社會經濟系統的觀察結論常常與觀察者在社會系統中的位置有關，使得系統復雜性不僅由系統內部多種多樣的組份以及組份間復雜的相互作用決定，而且受到觀察者的理解、興趣和能力的影響［85-86］。如果說在自然生態系統的研究過程當中“黑箱假設”是受制于研究者對于研究對象的認知局限性的話，那么在包含觀察者自身的社會經濟系統中的“黑箱假設”則反映了研究者對于自身認知與行為機制的漠視。如圖4所示，反映自然科學與抽象思維取向的“系統”思想作為一種“閉著眼睛的思維”，將社會經濟系統類比為與自然生態系統相似的客觀考察對象，在剝離主觀體驗和形象思維的同時，也超越了研究者以外社會公眾認知與改造物質環境的心理過程，因此永遠無法揭示區域“黑箱”內部普通社會成員作用下物質流過程的真實機制。而如圖4所示，在認識到“系統”思想的認知局限性的基礎上，景觀生態學取向下對于區域物質流過程的考察，則更加強調生物體(人)之間通過視覺信息要素建構的認知網絡在區域物質流過程中的支配作用。事實上，區域物質流分析的景觀生態學取向，是將研究的關注點從物質流量的核算轉向社會主體與物質流過程的交互作用，以呼應認知科學的生態學轉向［87］，在建構景觀之間物質流過程的同時，強化了景觀內部人類與物質環境的耦合關系，為區域物質流過程的機制性分析和管理發展了一種更具整合性的認知圖式。

圖4 “系統”與“景觀”:區域物質流過程的兩種認知圖式Fig.4 “System”and“Landscape”:two cognitive orientations of regional material flow process

3 討論

通過以上的分析，簡要說明了基于“景觀”概念建構的區域MFA取向是一個與傳統MFA截然不同的發展方向，然而受制于現有的研究條件，這一取向還遠未成為一種趨勢。結合當前區域MFA的最新研究案例，從以下幾個方面對區域MFA的景觀取向展開進一步探討。

3.1 多尺度MFA的綜合研究框架

區域MFA旨在考察區域物質流動過程，而這一過程也是在區域各個主體行為作用下的空間過程［7-8］。通過建構區域MFA的景觀取向，可以將原本被視為“黑箱”的區域系統劃分為不同的空間層級，將不同的空間層級劃分為不同的空間單元，而不同的空間單元又對應特定的行為主體。無論是城市代謝研究、生命周期評價抑或工業園區的MFA都可以進行空間化的解讀，對應于單一層級單一單元的幾類主體、多層級多單元的幾類主體或單一層級多單元多主體的綜合作用，也可根據所處的空間單元的具體情況對環境影響進行量化評估。事實上，針對工業園區［36］、社區［88-89］、建筑單體［90-91］以及家庭［92-93］等小尺度的代謝研究都已出現，但發展程度不一，其中尤以社區尺度的MFA研究案例最少，在我國受到的關注最為缺乏［88］;多層次綜合研究在國內外都不多見，僅在面向時間維度的“社會代謝的多尺度 綜 合 評 估 (MSIASM)”［94-96］框 架 下 有 所 發展［97-98］，但針對小尺度MFA開展研究，還需根據層次特點對該研究框架進一步完善。就目前的趨勢來看，為了更好地理解區域內部的物質流過程，整合MSIASM構建以景觀(社區)為核心層次的多尺度綜合研究將成為當前區域MFA的關鍵發展方向。

3.2 物質流動過程的時空集成研究

景觀生態學的發展極大地得益于3S技術的完善和普及［99-100］。地理信息系統在MFA乃至產業生態學領域已經有所應用，然而基于景觀生態學原理建構的區域MFA研究取向，則通過認知與空間維度的完善強化了區域MFA基礎理論的“信息化”程度。三維景觀遙感技術［101-102］之于物質存量考察，全球定位系統(GPS)、物聯網技術(IOT)之于定點、跟蹤模型［37-38］都將發揮重要的作用。特別是全新的Web2.0時代，實時涌現的海量自發地理信息(VGI)將為開展區域MFA提供源源不斷的信息資源。模型研究是整體論的［103］，囿于區域環境-經濟系統的復雜性［14，104］，MFA 的建模研究發展滯后［7，105］，然而近幾年以北京師范大學張妍、楊志峰為代表的學者整合生態網絡分析與城市代謝開展了十分有益的建模研究［106-107］。景觀生態學理論引入區域 MFA，則將有助于進一步整合空間模型，對區域物質流過程開展全方位的模型考察。相信在不遠的未來，伴隨智慧城市(社區、建筑)以及感知中國的建設，海量的物質流數據以及其他信息資源將整合于三維可視的虛擬平臺加以綜合研究，進而成為開展區域和城市物質流過程分析、預測和管理的基礎。

3.3 物質流動過程的空間行為管理

盡管當前的區域物質流過程在豎直維度上的復雜性不斷增加，但考慮到當前的能量條件，地表景觀在可預見的未來都將是物質流動和貯存最為重要的空間載體。對地表景觀物質流過程的管理和干預，將有效地促進物質流過程的良性循環和合理分布，從而最大限度地降低物質流過程的環境效應，增強物質流過程的社會經濟效益。與傳統區域MFA構建綜合性宏觀評估指標或是生命周期評價中強調生產者責任延長等管理應用取向不同，區域MFA的景觀取向將為區域管理提供更加全面的決策依據:(1)社會經濟的物質流過程的行為主體是人，其信息搜集和決策過程受制于認知環境和思維能力，其行為作用下的物質流動也有特定空間范圍，區域MFA的景觀取向建立了物質空間流動和主體行為空間的聯系;(2)層級穿越對應正向物流與逆向物流過程，區域MFA空間層級的縱向聯系(垂直結構)對應物質流管理的組織模式［108］，便于分割政府、企業、零售商、消費者、第三方等主體管理責任;區域MFA空間單元的橫向聯系(水平結構)對應物質流管理的運行模式，便于優選固定式、分散式、柔性管理、網絡管理等具體運營形式;(3)結合人文社會科學開展研究，空間范圍與行為群體明確，責任認定與問題癥結清晰，對于決策制定的細節設計有重要價值;(4)基于景觀的區域MFA研究，還將為城市規劃與設計提供科學依據［109-110］。

4 結語

生態環境問題的日益突出和可持續發展理念的深入，帶來了生態學的繁榮與混亂。通過對物質對象的關注，區域MFA將為區域管理提供更加科學的決策依據。既有的產業生態學框架下，產業共生領域的相對清晰和MFA研究的嚴重交叉［14］，讓我們輕易聯想到基礎生態學中種群生態學范式與生態系統生態學范式的鮮明對照［80］。而將景觀生態學原理引入區域MFA，則是希望用全新的視角來審視區域物質流過程。與其說從“系統”取向轉變為“景觀”取向，是“生態系統生態學范式”和“景觀生態學范式”在應用生態學層面的競爭，不如說是對區域MFA理論基礎的進一步完善。然而學科的發展總是相互促進的，也不應避諱，產業生態學在功能與物質研究層面的優勢正是當前以格局分析為主要研究范式的景觀生態學所欠缺的，探討區域MFA的景觀取向的另一個目的，在于融合景觀生態學原理的同時，拓展當前景觀生態學的過程研究。

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