从空间结构和生态过程的关系角度看自然

庄优波/ZHUANG Youbo

从空间结构和生态过程的关系角度看自然

庄优波/ZHUANG Youbo

来自生态学领域的空间结构与生态过程的关系模型，是风景园林规划设计处理生态问题的重要依据。为了在庞杂的实验数据和实践案例中对关系模型进行更加系统化的解读和积累，尝试将关系模型总结为3种类型：基本原理型、案例知识型、落地方法型，并分析了各自特点、典型案例和相互关系。

空间结构，生态过程，自然，关系模型

1 研究背景：用空间结构的语汇搭建两个学科联系的桥梁

以解决生态问题为己任、直面当前的生态危机，是风景园林学立足于学科之林、并脱颖而出的重要途径。风景园林规划设计是一门应用学科，要解决生态问题，在认识论方面，要学习借鉴生态学领域已有的研究成果。

对规划设计领域来说，如何建立两个学科的联系，从而更好地借鉴生态学领域的研究成果呢？生态学有自己的一套语汇：主要是生态过程，如环境中水循环的蒸发、降雨、汇流过程，动植物的栖息、繁殖、迁徙过程，以及文化过程等。近几年，随着应用生态学和景观生态学的发展，生态过程的空间因素受到越来越多的重视，如栖息地的面积、迁徙的路线等。风景园林规划设计也有自己的一套语汇，主要是空间语言，包括土地利用的类型、布局和规模，地形、植被、水体的面积、形状、剖面、相互关系等。巴特·约翰逊（Bart Johnson）认为，在这两个学科中找到相同的语汇比较重要，同时提出，尽管两个学科特征存在较多的差异性，但是两者也能找到共同点，即空间语言[1]。比如，凯文·林奇在城市规划设计中认为城市可以由节点、地标、路径、分区、边界等要素进行描述；而在景观生态学里则提出通过斑块、廊道、基质、边缘等要素来描述景观，两者的语言相近，成为两个学科潜在的交流平台（图1）。

规划设计的一个重要目标在于，保护景观中的自然生态过程和功能，或减少人类对自然生态过程和功能的负面影响。要实现这一目标，景观规划设计很难直接作用于生态过程，一般都是间接作用，借助两个领域空间语言的相似性，通过调整空间布局、结构，从而调整生态结构，最后起到调整生态过程和功能的目的（图2）。

那么，景观规划设计应该怎么调整空间布局、结构呢，调整哪些结构要素、在哪些空间位置调整、调整的规模多大？在此过程中，到生态学领域去寻找可供借鉴的空间结构与生态过程的关系模型，是景观规划设计处理生态问题的重要依据。基于实地观察、实验观测，经典生态学有很多描述自然生态过程空间特征的案例，而且随着1980年代景观生态学的大发展，对景观结构和生态过程关系的研究更加丰富，涉及不同时空尺度和生态类型。

2 解读空间结构和生态过程的关系模型中遇到的难题

笔者参与了近10年的研究生生态学助教和教学工作，了解到风景园林学专业的研究生中，建筑学、城市规划、环境艺术等背景的一部分学生的生态学知识是比较缺乏的。尽管生态学领域有很多空间结构和生态过程的关系模型可供借鉴，但是目前尚无专门介绍这些关系的教材，大量、庞杂的实验数据、实践案例信息分散在各个版本生态学教材的各个章节中。因此，这些学生熟悉生态学语汇、积累知识和方法的过程是比较漫长的，并有一定盲目性。如何将空间结构和生态过程的信息进行系统化，形成一个解读学习的框架，在此基础上逐步积累充实，从而在面对不同生态问题时能够得心应手，是

教学和学习过程中一个很大的难题。

1 两个学科潜在的共同语言（图片来源：参考文献[1]：318）

2 生态学领域和规划设计领域关系示意图

3 将空间结构与生态过程的关系模型分为3类

为了将空间结构和生态过程的信息更好地进行系统化，笔者通过分析生态学领域相关知识，以及以往景观规划设计实践案例，尝试将空间结构和生态过程的关系模型大致总结为3种类型：基本原理型关系模型，案例知识型关系模型，落地方法型关系模型。

3.1 基本原理型关系模型

基本原理型关系模型的特点在于：定性描述的空间结构——笼统描述的生态过程。这一类模型旨在揭示空间结构和生态过程之间具有普遍意义的基本规则。往往由经验丰富的生态学家对不同生态系统生态过程在大量观察、实践的基础上，经过归纳、概括而得出，具有普遍适用性；但是，由于其不针对特定的生态系统和生态过程，包含的生态案例知识少，与实际地段的符合程度较低，在应用中需要根据个人经验和实际情况将其具体化。

这一类模型最典型的体现为：被称为“美国景观生态学之父”的理查德·福尔曼（Richard Forman）在《土地镶嵌》（land mosaics）提出的最佳景观格局模式（图3），包括几个大型的自然植被斑块，作为物种生存和水源涵养所必需的自然栖息环境，有足够宽和一定数目的廊道，用以保护水系和满足物种空间运动的需要，在建成区里有一些小的自然斑块和廊道，用以保证景观的异质性[2]。他认为，这一优先格局在生态功能上具有不可替代性，是所有景观规划的一个基础格局。

在这种关系模型的指导下，很多规划设计在实际地段中模拟了类似的空间结构，以实现对应的生态过程和生态功能。例如，福尔曼自己主持的波士顿康科德（Concord）镇的开放空间规划[3]、西班牙巴塞罗那区域规划[4]等。

另外，理查德·福尔曼在《景观和土地利用规划中的景观生态学原理》中总结了4大类55个原理，说明斑块、边缘、廊道、镶嵌体等空间结构与生态过程、功能的关系，并用简明的图示形式表达，也是这一关系模型的典型体现[5]。很多规划设计在实际地段中模拟了其中的空间结构，以实现对应的生态过程和生态功能。例如，斑块原理5：斑块面积越大，呈现多样的生境类型的可能性就越高，物种多样性也就越高。AECOM在波特兰市的住区规划设计项目[6]，在生态方面遵循了这一关系模型，获得了ASLA2011年规划设计奖。

3 最佳景观格局模式（图片来源：参考文献[3]: 452）

3.2 案例知识型关系模型

案例知识型关系模型的特点在于：定性/定量描述的空间结构——特定的生态过程。往往由生态学家对某一特定生态系统、生态过程在大量观察、实践的基础上，经过归纳、概括而得出。由于对特定生态过程和空间结构的描述往往结合了具体案例，因此生态学信息最为丰富；在实际地段应用的落地性也比较强。学习过程中收集到这一类关系模型的量通常非常大，可以对其进一步细分，例如依据生态系统类型（山地-平原-湿地等）、生态过程类型（水文-大气-植物-动物-人文等）、空间结构尺度（区域-景观-生态系统-群落-物种等）、空间结构类型（斑块-廊道-镶嵌体等）。

在定性描述的关系模型方面，伊恩·麦克哈格的《设计结合自然》里面的第一个案例[7]可以作为典型代表，即关于沙丘生态系统的空间结构和生态过程的描述（图4）。作者详细阐述了沙丘的几个重要组成部分，以及各个部分所发挥的生态功能，并重点提出几大重要的空间结构和生态过程关系：沙丘的连续性与海潮入侵的关系，如果沙丘在结构上存在断裂点、薄弱点，海潮入侵就会在那里发生；地下水位高度与滨草生长的关系，如果地下水位下降，沙丘北坡发挥固沙功能的滨草就会缺水死亡，导致沙丘不稳。麦克哈格认为，这些认识早已为生态学家所掌握，而规划设计者和管理者却没有及时应用。他认为，保护这些特定的空间结构和生态过程的关系应成为海滩用地布局和设施规划的前提条件，并将其应用在具体的地段即新泽西海滩。国内也可以找到很多定性描述的案例。例如，梯田生态系统中梯田湿地景观“森林-村庄-梯田-河流”的垂直空间结构和水的涵养-使用-污染-净化-汇集的水循环过程之间的关系[8]。又例如，2009年第46届IFLA学生竞赛获奖作品“化冢为家——阻止沙漠蔓延的绿色基础设施”[9]，运用“沙山筑井”这一沙漠奇特现象所反映的空间结构-生态过程关系模型。

在定量描述的关系模型方面，肖笃宁等[10]基于前人研究成果，对我国5种特定地域农业景观中的空间-生态过程关系进行了总结，包括湿地基塘体系、沙地田-草-林体系、平原区农田防护林网络体系、南方丘陵区多水塘体系、黄土高原农-林-草立体镶嵌体系等。每一景观中的重要生态关系均可以量化，例如，平原区农田防护林网络体系，林带占耕地的6%，防护效果比较理想，近地表风速可降低30%～50%，相对湿度提高15%～25%。另一典型案例为，俞孔坚等[11]收集了国外多名学者关于廊道宽度与各种生态功能的关系的研究，包括不同学者提出的生物保护廊道的适宜宽度，以及不同学者提出的保护河流生态系统的适宜廊道宽度，并总结为简化的量化数据。

3.3 落地方法型关系模型

前述两类关系模型的空间结构，如何落到规划设计的实际地段中？与关注原理基础和案例知识相比，这一环节的重要性往往被忽略。有些关系模型的空间结构比较简单，落地方法单一，借助已经掌握的土地利用、土壤植被覆盖、动物栖息地范围、坡度坡向等图就能满足要求；有些空间结构比较复杂，生态过程受到多种空间结构特征的共同影响，需要通过人为的方法把实际地段中的多种影响因素综合起来。

这一关系模型的典型体现为：将适宜性分析的方法应用在大熊猫栖息地的案例[12]，大熊猫栖息过程受到多种空间结构特征的影响，包括食物来源（冷箭竹和拐棍竹优先，其他竹类次之）、海拔（2000m～3000m最佳，此外上下1000m次之）、地形坡度（20°以下最佳，20°～30°次之）等，通过因子权重评价的方法，得到综合的空间结构特征与大熊猫栖息地之间的关系。从而为在实际地段确定保护区的功能分区、核心区的边界划分等提供了重要依据。

表1：3种空间结构与生态过程关系模型的特征一览表

这一关系模型的另一个典型体现为：将阻力模型的方法运用到丹霞山雉类运动的案例[13]。影响雉类运动的空间结构特征之一为不同的土地利用类型，包括农田、草地、灌丛、针叶林、混交林、季雨林残存斑块等；另外一个空间特征为源的位置和相互距离；运用最小累积阻力模型的计算方法综合上述两个方面空间特征来确定雉类的潜在运动趋势。

除了适宜性分析、阻力面模型外，公式化定量方法还有很多种，计算机模型也可以纳入此类。例如，卡尔·斯坦尼茨在《变化景观的多解规划》[14]、以及地理-设计（Geo-design）理论中的解释模型、影响模型等可以通过计算机软件将生态过程反映在实际地段中。

4 结论和讨论

4.1 3种关系模型的关系

4 沙丘生态结构与过程（图片来源：参考文献[7]: 16-17）

3种模型的主要特征各不相同（表1）。来源不同，适用范围也不同。从基本原理型、案例知识型到落地方法型，反映了从认识论到方法论不断深入的过程；在研究对象上从非特定生态系统、特定类型的生态系统，以及规划设计实际地段，反映了从理论到实践的过程。解读一个规划设计案例时，我们也许会发现3种模型都存在，都极为重要；也许发现仅有一种关系模型得到了重视和重点阐述，其他关系模型相对被忽略。以这3种关系模型作为框架，对不同规划设计案例进行生态学解读，为生态学知识和方法的积累提供了思路。

4.2 关系模型的解读强调对生态过程的关注

在关系模型的解读中，应强调对生态过程的关注，否则，规划设计者也许慢慢忘记了关系模型的来源，忘记了生态过程，机械照搬空间模式，就难以解决实际问题。一些规划在没有对地段生态过程特点分析掌握的基础上，机械地设置生态廊道，而不管廊道是为了何种生态过程。这些都是我们要尽量避免的。

4.3 关系模型的解读强调对实际地段空间结构和生态过程的掌握

在生态学应用上有一些误区，好像掌握了一些生态学知识和方法，对具体地段不甚了解也能对其进行规划设计。例如，经常看到学生套用生态安全格局方法中的雉类运动趋势，分析他自己地段的阻力面，但是他并不确定雉类是否是其所在地段的关键生态过程。通过对3种关系模型落地性的分析可知，尽管关系模型可以作为思路框架提供参考，但是如何落地，还是要依赖于规划设计者自身对实际地段的空间结构和生态过程的充分了解。

[1] Johnson, Bart R., Kristina Hill. Ecology and Design: Frameworks for Learning[M]. Washington, DC: Island Press, 2002: 314-318.

[2] 傅伯杰，等. 景观生态学原理及应用[M]. 第二版.北京：科学出版社，2011: 189-190.

[3] Richard T.T. Forman. Land Mosaics: The Ecology of Landscapes and Regions[M]. Cambridge/New York: Cambridge University Press, 1995: 461-469.

[4] Richard T.T. Forman. Urban Regions: ecology and planning beyond the city[M]. Cambridge: 2008.

[5] Dramstad, W.E., Olson, J.D., R.T. Forman. Landscape Ecology Principles in Landscape Architecture and Land-Use Planning[M]. Washington: Island Press, 1996.

[6] AECOM. Integrating Habitats: "Growing Together" [OL]. ASLA. [2013-12-20]. http://www.asla. org/2011awards/406.html.

[7] 伊恩·麦克哈格. 设计结合自然[M]. 天津：天津大学出版社， 2008: 12-23.

[8] 角媛梅，程国栋，肖笃宁. 哈尼梯田文化景观及其保护研究[J]. 地理研究. 2002(11): 733-741.

[9] 王川，崔庆伟，许晓青，庄永文. 化冢为家——阻止沙漠蔓延的绿色基础设施[J]. 中国园林，2009(12): 40-42.

[10] 肖笃宁等. 景观生态学[M]. 北京：科学出版社，2003：170-175.

[11] 朱强，俞孔坚，李迪华. 景观规划中的生态廊道宽度[J]. 生态学报，2005(9): 2406-2412.

[12] 陈利顶，刘雪华，傅伯杰. 卧龙自然保护区大熊猫生境破碎化研究[J]. 生态学报，1999(5): 291-297.

[13] 俞孔坚. 生物保护的景观生态安全格局[J]. 生态学报，1999(1): 8-15.

[14] [美]卡尔·斯坦尼茨. 变化景观的多解规划[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2008.

The Relationship Between Spatial Structure and Ecological Process

"Spatial structure" and "ecological process" models from the field of ecology are important to the field of landscape planning and design when dealing with ecological issues. From complex experimental data and practice cases, three types of relationship models are can be extracted: the Fundamentals type, Case Knowledge type and Location Method type. This article reviews characteristics, case studies and relationship models for each type.

spatial structure, ecological process, nature, relationship models

国家自然科学基金（51278266）

清华大学建筑学院

2014-01-01