基于生態系統服務供需的景感尺度特征分析和應用

榮月靜,嚴 巖,趙春黎,朱婕緣,3,鄭天晨,王辰星,盧慧婷,章 文,4

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 中國科學院大學資源與環境學院, 北京 1000493 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 3610214 武漢理工大學資源環境工程學院, 武漢 430070

快速城市化使城市經濟繁榮發展,但往往以破壞原有森林、濕地、耕地為代價,嚴重影響自然生態環境,加之人類對自然資源、能源的不合理利用,造成城市水土流失、土地沙化、地質災害等生態風險以及人居環境惡化、資源緊缺等城市安全問題[1]。隨著生態文明建設的推進,當前土地城市化的進程有所減慢,但人類對于自然界生態系統服務需求逐步增加,對區域與城市可持續發展提出更新更高的要求[2-3]?！?030年可持續發展議程》提出要建設包容、安全、有抵御災害能力和可持續的城市和人類住區的目標,包括保護、養護、恢復和促進城市和人類住區內的生態系統、水、自然生境和生物多樣性,最大限度地減少它們對環境的影響,并轉向可持續的消費和生產模式[4]。因此,在實現城市可持續發展的大背景下,如何能夠更合理分配空間、如何更人性化地進行城市景觀設計,從而實現城鎮化與自然環境協調發展,提高人類福祉的滿意度,已成為當下城鎮化發展過程中亟待解決的關鍵問題。

20世紀90年代,我國學者將生態系統服務概念、內涵和價值引入國內,并提出生態系統服務與可持續發展具有聯系[5-6]。近些年,生態系統服務被認為是從自然生態系統流向人類社會系統的動態過程[7],人類感知系統通過生態系統服務需求進行表征,“景感生態學”的理念應運而生。景感生態學強調在規劃中需要考慮人類所處的自然環境以及人類的物理、心理感知等方面,通過景感營造分目標、分尺度配置土地利用格局,從而提升人類感知體驗滿意度與實現可持續發展的目標[8-9]。當前針對景感規劃的研究,以視覺為主導或偏好[10-12],包括嗅覺、聽覺、觸覺、味覺這五感[13-14]以及心理感知[15],在城市建筑設計、公園配置、社區配置等方面應用廣泛[16- 20]。

由于在不同尺度人類感知下的生態系統服務需求不同,因此不同尺度的景觀營造手段也相應不同。本文通過梳理生態系統服務供需與景感營造的尺度特征,探索從生態系統服務需求、關鍵指標體系、謎碼數據獲取分析到景感營造設計的多尺度景感營造框架。鑒于雄安新區是我國黨中央作出的重大歷史性戰略決策[21],其在快速城市化過程中,需要實現綠色生態、智慧與為居民提供優質生態系統服務為目標,是城市實現可持續發展的范例,本文以雄安新區為例,結合人類的感知,從社區、城市、流域、區域不同尺度的生態系統服務需求進行出發,充分挖掘區域定位、社會經濟發展現狀、生態環境基礎以及區域內居民福祉與感官要求,綜合權衡利益相關者的要求以及區域一體化發展愿景、地方政府意愿、區域內經濟發展愿景,探索雄安新區多尺度景觀營造手段與聯合路徑,從而為未來雄安新區以及面向可持續發展的綠色生態城市規劃提供科學的指導。

1 生態系統服務供需與景感營造尺度特征研究進展

1.1 生態系統服務供需尺度特征

生態系統服務是基于特定的生態系統結構、過程和功能產生的[21- 23],不同尺度的生態系統服務對不同尺度上的利益相關方來說具有不同的重要性,且涉及到不同尺度的生態過程[24-25]。目前國內外學者不同生態系統類型(森林、草地、濕地等)、流域、區域、國家的生態系統服務進行研究[26- 29],但多數對生態系統服務供需研究的空間尺度多為單一尺度,研究的時間尺度多靜態的快照式研究,忽視了生態系統服務供需的動態性和尺度效應。 近些年,在評估和測度生態系統服務,生態系統服務研究逐漸從供需關系角度,通過合理分配土地利用要素,驅動生態系統服務多尺度流動[30- 32],來提升生態系統服務供給水平,從而緩解生態系統服務供需矛盾、實現不同尺度可持續發展。同時有研究表明不同尺度的生態系統服務并非獨立存在,而是彼此聯系、互相影響[33],城市尺度的生態系統服務不僅是關于城市生態系統服務供給,同時來源于所在流域、所在區域的生態系統服務供給能力,在各個空間尺度上人類的需求和服務供給是互動的過程,人類不同尺度生態系統服務需求,會向政府和市場主體提出相應的訴求,從而引導政府為滿足相應的需求而采取措施提供相應的生態系統服務措施。綜上,生態系統服務是聯系人與自然、理解人地關系的橋梁,基于生態系統服務供需關系研究,從不同尺度上提升生態系統服務產生—傳遞—利用過程的完整性和持續性,是實現區域可持續發展的重要途徑。

1.2 多尺度景感營造與規劃研究進展

廣義的景感生態學研究景感營造理論和方法,為促進和保障可持續發展的實現提出了新的思路和方向。隨著人類文明的進步以及人們認知、觀念和需求不斷發生變化和擴展,規劃的時空尺度不斷擴大,人類初始階段根據自身改善生活和增加生產的目的,首先規劃自身居住的社區,逐漸地,在城市、流域、區域甚至全球等不同尺度進行規劃[34- 36]。由于人類在不同尺度的感知需求不同,因而不同尺度景感營造與規劃存在差異化。如：(1)在區域尺度,人們更加關注風景的秀美、風沙的治理、空氣質量等對人類視覺、嗅覺、味覺造成美感或危害而產生的需求,因而會向政府提出相應的訴求,政府制定政策通過建設自然保護區、風景名勝區、風沙源治理工程[37-38]、山水林田湖草工程[39]、空氣質量提升措施[40]來提升人們對于區域環境問題的滿意度,也能夠提升人類對于區域的整體印象。(2)在流域尺度,流域水資源、河流水質、河流水生態是生活在周邊與下游的居民切身所能感受到的重要指標[41],河流的美感、水流聲音、水質、氣味、流量等[42]均會通過視覺、聽覺、味覺、嗅覺、觸覺以及心理感知使人們產生景感需求,決策者通過流域水土保持治理[43-44]、水生態治理[45-46]、水環境整治[47]、河段河岸的修復[48],來保障流域的水生態安全與提升流域層面人類的福祉。(3)在城市尺度,公園或社區內部樹、灌木和草坪,水體,雕塑等景觀的塑造,以及土地利用規劃,無不是結合游憩體檢和人的需求層次,探求一種能充分接近自然的空間結構,達到人類“賞心悅目”的目標。近幾年通過街景圖像,記錄城市動態、現象和變化規律來表征城市視覺空間,通過綠視率探討城市居民城市視覺空間的偏好和選擇[49- 52],城市綠地[53]、城市公園[54-55]、城市生態基礎設施[56]作為城市自然景觀的重要組成部分,在營造城市休閑空間[57,58]、維系城市生態平衡、提升城市品味與形象等方面具有重要作用。(4)在社區尺度,基于居民日常休閑、游憩、居住的五感與心理感知的需求,合理地進行綠色生態社區規劃[59-60],對居住區外部空間通過景感規劃[61],合理搭配和配置空間與景感要素,能夠滿足不同年齡、不同類型居民的需求,極大提升社區居民福祉[62]。綜上,不同尺度居民的物理感知和心理感知在發生的變化,感知系統呈現顯著的尺度效應,只有在不同尺度基于感知系統,合理與精準的進行景感規劃與營造,才能精準滿足自然生態系統與人類社會經濟系統的供需平衡,才能在可持續管理中發揮重要的作用。

2 基于生態系統服務供需的多尺度景感營造

2.1 多尺度景感營造與規劃框架

生態系統服務供需與景感營造在空間上均具有尺度效應,在多尺度景感營造過程中,充分考慮生態系統服務供需平衡的理念與目標,綜合考慮多尺度供給、調節、支持和休閑等生態系統服務,將人們在不同時間、不同地點的感知和認知融入同一景感中,將能夠有效地實現自然-社會經濟的協同發展和人類福祉的提升。通過生態系統服務供需與景觀營造規劃的尺度特征分析,結合政策導向與民眾需求,不同空間所涉及評價指標體系具有明顯差異性。本文基于自然-社會經濟復合系統的理論[6]與景感規劃[8]的思路,增加多尺度綜合協調,從而構建基于生態系統服務供需關系的多尺度景感營造與規劃框架(圖1)。框架縱向體現從區域—流域—城市—社區尺度具體細化,橫向體現從生態系統服務需求探索-關鍵指標體系構建-多源感知數據獲取-景感營造與規劃設計的具體流程,以此來實現不同尺度逐步優化景觀格局結構,調整自然供給水平與人類生態系統服務需求的平衡,達到可持續發展的愿景。值得注意的是依據景感規劃達到最終可持續發展的目標,不是一個一蹴而就的過程,而是一個修復-改善-提升的過程。依據社區-城市-流域-區域的多尺度規劃,能夠全面地實現城市居民不同尺度生態系統服務需求,通過趨善型模型,關注每個尺度居民利益和需求的變化,將約束和目標交織在一起,通過關鍵生態過程調整逐步改善規劃方案以達到生態系統服務供需的平衡,從而實現可持續發展。

圖1 基于生態系統服務供需的多尺度景感營造與規劃框架Fig.1 Multi-scale landsenses construction and planning framework based on supply and demand of ecosystem services

2.2 多尺度景感營造應用過程

多尺度景感營造應用過程涵蓋生態系統服務需求、關鍵指標體系,謎碼數據獲取與挖掘分析、景感營造與規劃4個重要的流程。由于不同尺度人類感知需求不同,造成生態系統服務供需不同,依據不同尺度生態系統服務供需的差異性,構建相應尺度的景感指標體系,對所對應的謎碼數據進行深度挖掘與評估,剖析不同尺度造成生態系統服務供需不平衡問題,并進行回溯探索成因,通過多尺度因地制宜的景感營造,提升生態系統服務能力以滿足多尺度的相關政府、企業與居民利益；另一方面,通過約束相關利益者的行為,減少對自然界生態系統功能的削弱以達到生態系統服務供需平衡的目的。具體景感營造的尺度特征分析見圖2。

圖2 基于生態系統服務供需的景感營造尺度特征Fig.2 The scale characteristics of landsense elements and ecosystem services

(1)人類感知下的生態系統服務需求

景感生態以生態學原理為基礎,考慮自然元素、物理感知、心理感知、社會經濟視角、過程風險等相關要素。自然元素包括光、溫度、水、土壤、地磁、地形地貌等。視覺、嗅覺、聽覺、味覺、光和觸感(如風速、風向、溫度、濕度等)都屬于物理感知；心理感知包括宗教、文化、視覺、隱喻、安全、社區關系、幸福感等要素。由于景感要素結合人的物理心理需求受到個人的影響較大,基于不同尺度相關部門、企業、居民相關利益者需求的差異性,將景感營造需要考慮的自然要素、人類物理感知、心理感知等的需求與生態系統供給、調節與文化服務相聯系,能夠將景感要素的思考轉移到生態系統服務需求上。

(2)多尺度指標體系構建

基于多尺度人類生態系統服務功能需求,構建多尺度下景感營造的生態系統服務指標體系。在區域尺度,相關利益者更加關注供給和調節型生態系統服務；流域尺度關注水資源供給、水環境質量、水源涵養、面源污染、洪水調蓄等生態系統服務；城市尺度關注空氣凈化、生物多樣性、交通噪音削減、休閑游憩、文化審美等需求；社區尺度需要滿足社區內部區域休閑游憩需求、降塵減噪需求、文化審美功能等。

(3)謎碼數據獲取與分析

景感分析與應用考慮對景感相關的自然要素、物理感知、心理感知相關動態過程進行長期、實時和現場的觀察,城市規劃者和設計者需要從蓬勃發展的城市中得到更多的“混合型數據”或稱之為“謎碼數據”,包括實驗、觀測、監測、推演、遙感解譯、統計、經驗、替代、問卷調查和心理數據等[8],在智慧城市的建設中,物聯網通過城市的基礎設施對謎碼數據進行高效監測,然后將信息實時傳輸到后端海量存儲系統,通過進一步數據挖掘分析,為后續的景感營造規劃提供技術支撐。

(4)多尺度景感營造規劃

基于生態系統服務供需的尺度特征,相應地景感營造呈現相同的尺度效應,且通過不同尺度下差異化的景感營造,從而實現滿足區域與個體全面的可持續發展。區域尺度層面的景感營造以重要生態系統、生態過渡帶、生態廊道為依托,施行山水林田湖草一體化生態保護修復來提升區域生態系統服務能力；流域尺度依據水文調節和河流健康的需求,施行流域水土保持措施、水環境治理、水源涵養林的種植、河流生態廊道修復、河岸帶修復等,以及構建河濱資源、濕地景觀,來提升流域尺度水質凈化、水資源供給等生態系統服務需求；城市尺度,可通過建設城市綠色基礎設施、優化植物配置、生態通風廊道、城市森林、農田、雨水花園、雨水濕塘、滲透溝渠、可滲透鋪裝、城市公園、休閑地、街心綠地、小型水體和溪流、噴泉、屋頂花園、交通綠化帶,滿足城市中人類對于城市尺度景觀綠化、污染凈化與生態休閑等方面的生態需求。社區尺度,可通過社區園林配置、社區生態走廊、營造綠色緩沖區、交通沿線綠化帶等進行景感營造,滿足社區小尺度對景觀價值、文化審美、休閑游憩與消減交通噪音的需求。

3 雄安新區多尺度景感生態規劃框架

雄安新區推動京津冀一體化協調發展與新區綠色生態的戰略目標的實現,可雄安新區作為推動京津冀一體化協同發展我國黨中央作出的重大歷史性戰略決策,承接北京非首都功能疏解初心,建設綠色生態宜居新城是雄安新區的目標?！逗颖毙郯残聟^規劃綱要》提出將淀水林田湖草生態空間作為一個生態共同體進行統一保護、統一修復。通過政策的解讀與科學的梳理,通過統籌資源要素,協調空間布局,完善基礎設施,營造良好環境。依托自然生態現狀,立足區域資源條件,統籌森林、水系、濕地、草地等生態要素,協調人類對周邊環境的感知,通過借助載體、改造載體和新建載體的景感營造方式提高生態系統服務。因此,基于生態系統服務供需的多尺度景感框架指導下,構建雄安新區社區-新區-大清河流域-京津冀區域多尺度景感規劃設計,能夠全面地將生態系統服務、社會經濟、政策導向、居民福祉聯系在一起,更加系統實現區域與城市環境質量與人類生活福祉的提升(圖3)。

圖3 社區-城市-流域-區域”尺度聯合景感營造與規劃Fig.3 “Community-city-basin-region” scale joint landscape construction and planning

3.1 社區尺度

起步區社區營造需充分考慮社區居民日常休閑、游憩、居住的五感與心理感知的需求,更好地結合當地自然資源,注重生態性原則,對居住區外部空間通過景感規劃,滿足不同年齡、不同類型居民的需求,極大提升社區居民福祉[62]。如(1)盡量少做硬地鋪裝設計,以植物綠化為主,植物優選鄉土樹種,采用自然式與規則式配置相結合,利用不同的植物群落配置,形成景觀,追求建筑、植物和設施等的和諧一致[63]。(2)通過社區內部宅旁綠地的設計具備隔音減噪的作用,又可以增加氧氣供給、固氮和其他生態功能。(3)社區附近營造曲線綠化帶和環形綠化帶,減少來自交通干道的噪音污染,通過交通沿線綠化帶形成林網,使社區被森林所包圍,有效保護居住區減少夏季和冬季大風的損害。(4)社區內部修建生態走廊可以讓人產生生理和心理上兩種滿足感,既可降低熱島感覺,又提高綠地可達性。(5)社區內部廣場用地用于滿足村民日常的休閑、娛樂、健身、互動、游戲等活動。(6)通過建筑物色彩和自然聲音營造使人有貼近自然過程和貼近生活的感覺。

3.2 雄安新區尺度

雄安新區快速城市化區域,景感營造中應充分考慮城市生態環境質量提升、生態休閑、徑流緩解、降塵減噪、文化審美需求,將景觀和新區淀水林田湖自然結合,充分利用地形,開辟視線走廊,借自然風光,盡可能地增加綠化質量[64]與水體清澈,能夠提高游憩體驗品質[65]。如(1)盡量保留河道兩側現有植被,補種當地鄉土樹種,合理搭配喬灌草,營造多樣的植物群落結構,提高景觀多樣性。(2)對天然的河道、林地等廊道重點保護,以及通過人工干預手段,增加城市內河湖濱綠帶、道路附屬綠地、帶狀公園、防護林等,構建天然生態廊道與河流沿岸緩沖區,有效提升生境質量、抗擊自然災害與減緩環境污染。(3)通過白洋淀沿岸林地、濕地構建水陸共生的復合生境,營造生物棲息地；(4)結合新區規劃高鐵、高速等交通干線,建造生物涵洞,提高生態系統連通性,降低對生態系統的干擾。(5)需要注重海綿城市建設,城市生態基礎設施通過流量控制、洼地調蓄、滯留、過濾和滲透等過程,處理水污染物及減少地表徑流量,可維持和改善生態系統的水量調節以及水質凈化服務。

3.3 大清河流域尺度

大清河流域尺度,為滿足流域水資源、河流水質、河流水生態是生活在周邊與下游的居民切身所能感受到的指標需求,從提升水生態觀感與觸感、消除水體異味、保障水生態安全與提升生存環境質量幾個方面進行景感營造。(1)通過涵蓋拒馬河、潴龍河、唐河、府河、瀑河、漕河、清水河的全流域貫通的生態水系網絡建設,通過改善水質、修復河濱資源、濕地景觀,保障流域內居民的水生態觀感及觸感等的生態福利,同時起到凈化水質、消除水體異味的作用。(2)考慮地形因素和水文特征,大清河流域河岸帶修復需要重點修復河流生態廊道,將河道及其周圍環境的自然特征與河道沿線的景觀融為一體。(3)流域內濕地規劃通過地下及地表徑流濕地和生態池塘的景觀來提升水環境功能。(4)在不同生態功能分區運用不同護岸模式合理植被配置,通過植物生態配置,豐富群落層次結構,優化群落生態功能,增強流域內生態系統穩定性。

3.4 京津冀區域尺度

京津冀平原區,城鎮或城市集中,人口密集,為滿足區域人們對于風景秀美、空氣質量、減少風沙天氣等的需求,從提升凈化空氣、防風固沙、調節氣溫、修復生態廊道等途徑進行景感營造。如(1)京津冀境內太行山東麓與燕山南坡的夏季風迎風坡上,降水量充沛,植被生長茂密,自然生態環境良好,是凈化空氣和固碳釋氧等服務的供應地；太行山區西北坡和燕山山區北坡是冬季風迎風坡,與冬季西北風或北風風向垂直,能夠阻擋北來的寒潮,降低南下的冷空氣或大風風速,通過太行山與燕山被自然保護與修復,提升防風固沙或調節氣溫等服務。(2)通過區域整體實施山水林田湖草生態修復工程,保護區域自然生態系統和生物多樣性,保障雄安新區生態系統健康、大氣環境與水環境的安全。(3)通過強化燕山—太行山生態安全屏障、京津保濕地生態過渡帶建設,以及區域內河流生態廊道、林地生態廊道的構建,改善生態斑塊之間的聯系,減弱區域內城市基礎設施的生態屏障效應。

4 結論與建議

生態系統服務是人類感知需求與自然生態系統進行物質與能量交流的重要橋梁,且生態系統供需匹配度能夠很好地體現人類社會系統對自然生態系統的反饋。多尺度的景感規劃是規劃者依據人類對生態系統服務需求的愿景,針對多尺度的自然環境進行改造進而滿足人類的需求,并且在這種愿景下,人類同時需要規范自身的行為,從而達到“人與自然環境”和諧統一。通過社區-城市-流域-區域多尺度的共同聯合景感營造下,逐步逐層優化,區域、流域尺度優化福祉逐漸滲透到城市和社區尺度,城市和社區尺度福祉逐漸輻射到區域和流域尺度,從而共同實現人類生存和精神需求滿足,保障區域-流域-城市-社區生態安全,提升人類福祉。

多尺度景感規劃之間具有強烈的相關性,但小尺度的規劃不能直接延續到大尺度,大尺度的規劃同樣不能在小尺度上落地,每個尺度又具有獨立性,因此需要從不同尺度上進行聯合景感營造,才能最終實現城市可持續發展。在此基礎上,我們提出指導不同尺度景感營造與規劃實現目標的原則。首先,不同尺度規劃方案要分別考慮相應尺度下自然和人類需求。其次,規劃區域內景感營造要素要考慮與人類感知下的生態系統服務權衡協同相關聯,以及規劃設計是否滿足可持續發展理念。第三,規劃必須考慮人們未來需求的擴展,如對環境的物理感知和心理感知。第四,在不同尺度下,應確定相應的主導功能定位,使生態系統服務最大化。第五,加強不同尺度的關聯性,通過不同尺度規劃設計的聯合,共同實現人類福祉滿足、改善和提升。