李枝堅(jiān),張曉剛,曾 輝,常文靜

北京大學(xué)深圳研究生院城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)學(xué)院, 深圳 518055

從物質(zhì)代謝角度解析城市結(jié)構(gòu)功能關(guān)系及相關(guān)的資源環(huán)境問題,是近年來城市生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究的新思路,也是城市景觀生態(tài)安全格局建構(gòu)和功能完善的重要基礎(chǔ)[1]。大規(guī)模城鎮(zhèn)建設(shè)和快速增加的城市人口,需要消耗大量資源并排出各種廢物,引發(fā)資源耗竭、環(huán)境污染等環(huán)境問題,以及交通擁擠、住房緊張、治安惡化等社會(huì)問題,嚴(yán)重威脅城市人居環(huán)境[2-3]。運(yùn)用物質(zhì)流分析方法可以深入探討社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源消耗和環(huán)境污染之間的關(guān)系,從而為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中資源環(huán)境問題的解決提供科學(xué)依據(jù)[4-5]。目前城市化地區(qū)的物質(zhì)代謝分析除不斷進(jìn)行方法論完善外[6],對行業(yè)[7]、城市[8]乃至國家[9]等各個(gè)尺度的研究對象均開展了大量的實(shí)證研究,成為人為活動(dòng)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向之一。

人居環(huán)境建設(shè)已經(jīng)成為中國城市發(fā)展和當(dāng)代生態(tài)學(xué)研究的新興命題[10],基于物質(zhì)代謝研究成果,系統(tǒng)剖析城市人居環(huán)境問題,提升城市化過程的生態(tài)文明水準(zhǔn)成為推動(dòng)新型城市化發(fā)展的重要路徑選擇?，F(xiàn)階段國際城市代謝研究的重點(diǎn)是整合自然系統(tǒng)(環(huán)境)與人類系統(tǒng)(社會(huì)經(jīng)濟(jì)),全面分析城市和主要生產(chǎn)過程的資源利用與廢物排放,提高對城市過程與功能的整體理解,為城市規(guī)劃、設(shè)計(jì)人員和管理者提供機(jī)會(huì),來改善城市化過程中各類負(fù)面生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[11]。相關(guān)研究工作的重點(diǎn)領(lǐng)域包括：特定產(chǎn)業(yè)類型或區(qū)域單元的代謝核算及流程分析[12-13]；適用于不同行業(yè)和區(qū)域特點(diǎn)的代謝模型研究與應(yīng)用；以及將相關(guān)研究成果用于指導(dǎo)城市建設(shè)和管理的技術(shù)路徑與方法等[14-16]。

近年來,國內(nèi)外學(xué)者開始嘗試將景觀生態(tài)學(xué)的基本概念和方法引入城市物質(zhì)流分析,以期拓展相關(guān)研究的深度和廣度。例如,引入點(diǎn)、線、面概念,將城市景觀格局與生態(tài)代謝過程聯(lián)系起來,進(jìn)而建立城市物質(zhì)流分析模型框架[17]；建構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化的生態(tài)城市模型,量化分析物質(zhì)流特征,厘清流的外部特征(輸入和輸出的大小和結(jié)構(gòu))以及內(nèi)部特征(關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和生態(tài)關(guān)系)及其隨時(shí)間的變化[18]；從特定生態(tài)流的行為差異出發(fā),分析生態(tài)流發(fā)生的背景系統(tǒng)的景觀特征,總結(jié)生態(tài)流的關(guān)鍵模式及其與背景景觀系統(tǒng)的契合程度,以達(dá)成更好地理解景觀格局和功能的目的[19]等。這些研究工作通常以城市或一個(gè)大尺度地域單元為研究對象,核心研究內(nèi)容大致可以分成兩類,一類從物質(zhì)流的角度重新認(rèn)識(shí)景觀的結(jié)構(gòu)、格局與功能,進(jìn)而將二者整合為一類系統(tǒng)研究工作[20-21]；第二類大多基于城市代謝視角,利用網(wǎng)絡(luò)分析手段,嘗試弄清各類生態(tài)流的整體系統(tǒng)過程特征及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng),尋求可持續(xù)的生態(tài)流管理手段和路徑[22-26]。

總結(jié)上述分析不難發(fā)現(xiàn),由于人居環(huán)境建設(shè)問題極為復(fù)雜,物質(zhì)代謝理論和方法在城市人居環(huán)境建構(gòu)中的研究案例大多集中于某些具體的領(lǐng)域,整體研究工作還缺乏系統(tǒng)性。大多數(shù)研究工作通常針對單一功能過程或一個(gè)特定的尺度空間,缺乏合理的多尺度、多維度整體性研究,致使人居環(huán)境代謝研究的理論總結(jié)、方法論建構(gòu)和決策應(yīng)用方面難以形成有效的集成效應(yīng)；另外具體研究工作中的格局—過程—尺度耦合問題,數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存和分析問題以及效應(yīng)調(diào)控和過程管控等關(guān)鍵學(xué)科發(fā)展問題的解決進(jìn)展緩慢。針對上述問題,本文擬采用景觀生態(tài)學(xué)的理論和方法,嘗試整合傳統(tǒng)研究思路和成果,搭建一套綜合的研究范式和研究框架,以期有效解決上述各關(guān)鍵問題,推動(dòng)城市人居環(huán)境代謝研究的發(fā)展。

1 研究背景：城市研究的兩種視角

1.1 人居環(huán)境視角的城市研究

“人居活動(dòng)”特指生產(chǎn)活動(dòng)以外的休息居住和休閑娛樂活動(dòng),或泛指人類生產(chǎn)和生活所需的一切有關(guān)活動(dòng)[27]。人居環(huán)境強(qiáng)調(diào)“人居活動(dòng)”的地域空間,在突出“人居活動(dòng)”核心地位的同時(shí),也強(qiáng)調(diào)支撐環(huán)境的重要性。人居環(huán)境學(xué)又被稱為人類聚居學(xué),最早是由希臘著名的城市規(guī)劃學(xué)者道薩迪亞斯(Constantinos Apostolos Doxiadis,1913—1975)在20世紀(jì)50年代創(chuàng)立的。國外城市人居環(huán)境思想可以追溯到16 世紀(jì)歐洲的“烏托邦”理想,歷經(jīng)萌芽期、雛形期和發(fā)展期[28],先后形成了物質(zhì)空間規(guī)劃、人和可持續(xù)發(fā)展三個(gè)研究核心,以及城市規(guī)劃學(xué)派、人居環(huán)境學(xué)派、地理學(xué)派和生態(tài)學(xué)派等不同的學(xué)科派別[29]。

我國的人居環(huán)境思想發(fā)端于古代風(fēng)水學(xué)思想[30]。20世紀(jì)90年代初,吳良鏞先生從當(dāng)前我國城市化發(fā)展面臨的實(shí)際問題和理論需求出發(fā),在參考和借鑒國外“人類聚居學(xué)”思想的基礎(chǔ)上,倡議并主持創(chuàng)建了以人與自然協(xié)調(diào)為中心,以居住環(huán)境為研究對象的人居環(huán)境科學(xué),并首次提出了人居環(huán)境科學(xué)的基本框架[31]。該框架以五大系統(tǒng)(包含自然、人、社會(huì)、居住和支撐網(wǎng)絡(luò))和五大層次(包含全球、區(qū)域、城市、社區(qū)和建筑)的概念體系歸納了城市人居環(huán)境的結(jié)構(gòu)性特征；同時(shí)建議從建筑學(xué)、景觀學(xué)、地理學(xué)、生態(tài)學(xué)、社會(huì)學(xué)和環(huán)境科學(xué)等不同學(xué)科角度剖析“城市人居環(huán)境”問題。人居環(huán)境科學(xué)基本框架的提出為從學(xué)科交叉角度解決城市人居環(huán)境問題打開了思路；此后,人居環(huán)境科學(xué)整合地理學(xué)[32-33]、生態(tài)學(xué)[34-35]理論和方法獲得快速發(fā)展,并細(xì)分出“大城市邊緣區(qū)人居環(huán)境”[36-37]、“鄉(xiāng)村人居環(huán)境”[38]和“島嶼人居環(huán)境”[39]等不同人居環(huán)境科學(xué)研究的分支領(lǐng)域。

然而近30年來,盡管相關(guān)學(xué)科在人居環(huán)境研究,特別是城市人居環(huán)境的理論和實(shí)踐研究方面形成較好的積累,但并沒有使得這一研究領(lǐng)域凝練成長為一門綜合、獨(dú)立的新學(xué)科,還存在各學(xué)科基礎(chǔ)理論缺乏整合,定性與定量研究結(jié)合不足,理論與應(yīng)用脫節(jié)等問題(表1)。這些問題一方面體現(xiàn)了城市人居環(huán)境問題的復(fù)雜性,需要進(jìn)一步強(qiáng)化基本研究范式和理論支撐基礎(chǔ)；另外一方面也體現(xiàn)了這項(xiàng)研究工作強(qiáng)烈的實(shí)踐性色彩,需要有效解決理論與應(yīng)用脫節(jié)問題,以指導(dǎo)各類人居環(huán)境的建設(shè)與實(shí)踐。

表1 當(dāng)前城市人居環(huán)境研究存在的主要問題Table 1 Main problems of studies on urban human settlement

1.2 社會(huì)代謝視角的城市研究

代謝思想最早出現(xiàn)于醫(yī)學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域,而后經(jīng)過學(xué)科遷移,現(xiàn)廣泛應(yīng)用于生態(tài)學(xué)、社會(huì)學(xué)、人類學(xué)、地理學(xué)以及環(huán)境科學(xué)等自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的諸多領(lǐng)域[36]。進(jìn)入20世紀(jì)以來,工業(yè)化、城市化進(jìn)程導(dǎo)致資源環(huán)境問題日益突出,代謝思想逐步發(fā)展成為環(huán)境科學(xué)和產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)的重要研究范式。社會(huì)代謝思想重視自然生態(tài)系統(tǒng)與社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)的差別,并強(qiáng)調(diào)代謝是連接自然生態(tài)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的重要過程。其核心內(nèi)涵是將社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)看作不斷進(jìn)行著物質(zhì)和能量代謝的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),將社會(huì)投入和社會(huì)產(chǎn)出與人類生產(chǎn)和人類消費(fèi)相結(jié)合,從生物代謝角度考察社會(huì)現(xiàn)有的代謝狀況[46]。以代謝的視角進(jìn)行各類物質(zhì)空間的過程和現(xiàn)象研究,有助于合理串聯(lián)研究客體的結(jié)構(gòu)和功能,及時(shí)發(fā)現(xiàn)二者之間存在的現(xiàn)實(shí)和潛在問題,采取適宜的措施加以應(yīng)對,確保系統(tǒng)的有序正常運(yùn)營。

城市代謝是社會(huì)代謝研究的重要應(yīng)用領(lǐng)域。城市代謝分析將城市類比為生命系統(tǒng),通過考察物質(zhì)能量輸入、儲(chǔ)存和輸出等代謝過程來理解城市運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)制及其問題產(chǎn)生的根源。1965年, Wolman 首次將代謝方法用于城市物質(zhì)、能量流動(dòng)研究,建立了第一個(gè)城市代謝模型[47]。隨著可持續(xù)發(fā)展理念的傳播,城市代謝研究在國內(nèi)外引起了廣泛關(guān)注,我國也于21世紀(jì)初開始城市代謝的實(shí)證和理論研究[48]。如今的城市代謝研究在概念框架、指標(biāo)體系、數(shù)據(jù)集成和管理應(yīng)用等方面都有了一定的發(fā)展,通過集成物質(zhì)流分析、物料流分析、生命周期評(píng)價(jià)、能值分析、生態(tài)足跡評(píng)價(jià)等研究工具,憑借客觀、量化、簡潔的分析特點(diǎn),城市代謝分析已經(jīng)成為循環(huán)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效率、低碳社會(huì)可持續(xù)發(fā)展等研究領(lǐng)域的重要評(píng)估手段,但在理論建構(gòu)以及政策應(yīng)用方面的研究還相對缺乏。

上述分析表明,人居環(huán)境和社會(huì)代謝視角的城市研究在各自領(lǐng)域獲得了多年的積累,已經(jīng)有了長足發(fā)展。但對于城市這一復(fù)雜研究對象而言,兩種視角還缺乏必要整合,城市人居環(huán)境代謝研究還顯得零散[49-51],相關(guān)的理論發(fā)展和實(shí)踐應(yīng)用也尚未引起充分重視。我國現(xiàn)階段的城市化過程已經(jīng)進(jìn)入以生態(tài)文明建設(shè)為核心的全新發(fā)展階段,針對城市人居環(huán)境建設(shè)領(lǐng)域各類迫切的目標(biāo)和任務(wù)要求,人居環(huán)境科學(xué)研究亟待創(chuàng)新研究范式,高效解決研究中的各類理論和方法論問題,及時(shí)凝練和總結(jié)具有實(shí)踐指導(dǎo)意義的科研成果,為我國今后的城市化發(fā)展進(jìn)程提供強(qiáng)有力的科學(xué)支撐。

2 城市人居環(huán)境代謝研究的概念框架

基于生態(tài)學(xué)原理和方法的城市人居環(huán)境研究一直存在兩種視角,從中觀生態(tài)學(xué)(生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué))的角度來看,人居環(huán)境研究是以人為核心物種的生態(tài)學(xué)研究；從宏觀生態(tài)學(xué)(景觀生態(tài)學(xué))的角度來看,人居環(huán)境研究是物質(zhì)空間的格局和過程研究,而代謝分析是其結(jié)構(gòu)和功能解構(gòu)的重要手段。兩種視角下城市人居環(huán)境研究的分歧反映了城市生態(tài)學(xué)理論基礎(chǔ)的分化,體現(xiàn)了基于景觀生態(tài)學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)兩個(gè)不同生態(tài)學(xué)分支學(xué)科的城市認(rèn)知方式和城市解構(gòu)模式的差異[52]。整體而言,基于生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)原理的城市人居環(huán)境代謝研究多關(guān)注物質(zhì)能力的流特征和分析,屬于典型的過程研究思路；而基于景觀生態(tài)學(xué)原理和方法的城市人居環(huán)境代謝研究,可以有效地整合格局、過程、尺度、功能等地域分異特征,研究成果能夠更好地反應(yīng)代謝過程的時(shí)空分異特征、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制,進(jìn)而為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展決策提供扎實(shí)的基礎(chǔ)研究支撐[15-17,20-21]。

2.1 從“城市(產(chǎn)業(yè)生態(tài))代謝”到“城市人居環(huán)境代謝”

根據(jù)上述分析結(jié)果,引入景觀生態(tài)學(xué)原理可以從格局-過程-尺度-功能層面全面解析城市人居環(huán)境代謝的時(shí)空動(dòng)態(tài)演化特征,建立科學(xué)的尺度推演規(guī)則,進(jìn)而從根本上完善城市代謝的理論基礎(chǔ)[52]。本文利用景觀生態(tài)學(xué)的基本原理,在整合傳統(tǒng)城市代謝研究思路的基礎(chǔ)上,嘗試提出一個(gè)帶有景觀生態(tài)學(xué)特色的城市人居環(huán)境代謝綜合研究范式。鑒于傳統(tǒng)的城市代謝是以產(chǎn)業(yè)生態(tài)過程為核心的代謝研究,本文在建構(gòu)基于景觀生態(tài)學(xué)的“城市人居環(huán)境代謝研究范式”時(shí),更加關(guān)注人居環(huán)境過程在城市代謝中的支配作用,并力爭在理念、學(xué)科、概念和邏輯等方面都體現(xiàn)出與傳統(tǒng)范式不同的特征：

(1)在發(fā)展理念方面：不單純強(qiáng)調(diào)解決城市產(chǎn)業(yè)發(fā)展中環(huán)境問題,而更加強(qiáng)調(diào)保障城市中人的健康生存和全面發(fā)展；

(2)在學(xué)科依據(jù)方面：從以工業(yè)化和工業(yè)代謝為焦點(diǎn)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué),轉(zhuǎn)移到以城市化和景觀動(dòng)態(tài)為焦點(diǎn)的景觀生態(tài)學(xué)；

(3)在概念體系方面：遵循常用的景觀結(jié)構(gòu)和功能解構(gòu)方法[17-20],強(qiáng)調(diào)用“社會(huì)”呼應(yīng)“經(jīng)濟(jì)”,用“人”呼應(yīng)“企業(yè)”,用“景觀”呼應(yīng)“系統(tǒng)”,用“消費(fèi)”呼應(yīng)“生產(chǎn)”,用“居住”呼應(yīng)“工作”,用“空間循環(huán)”呼應(yīng)“時(shí)間循環(huán)”,用“等級(jí)(系統(tǒng))理論”呼應(yīng)“黑箱系統(tǒng)理論”；

(4)在邏輯思想層面：強(qiáng)調(diào)用“經(jīng)驗(yàn)整合”匹配“抽象邏輯”；用“整合還原論思想的整體論”取代“秘密的還原論”。

在完成上述各項(xiàng)準(zhǔn)備工作之后,就可以發(fā)展一種基于景觀生態(tài)學(xué)基本概念框架和基本理論的城市人居環(huán)境研究新范式(圖1)。與傳統(tǒng)重視過程的產(chǎn)業(yè)代謝研究范式相比,這一關(guān)于城市人居環(huán)境這種特定物質(zhì)空間的研究方式在發(fā)展理念、學(xué)科依據(jù)、概念體系和邏輯思想等各個(gè)層面都滿足了科學(xué)研究范式的基本條件要求。景觀生態(tài)學(xué)作為側(cè)重異質(zhì)性空間“格局—過程”研究的宏觀生態(tài)學(xué)分支學(xué)科,用于作為城市人居環(huán)境代謝研究的學(xué)科基礎(chǔ),不僅能夠有效解析復(fù)雜人居環(huán)境系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系,還可以通過有效的格局優(yōu)化手段,為緩解乃至根除人居環(huán)境建設(shè)過程的各種矛盾創(chuàng)造有利條件。

圖1 范式變遷：從“城市(產(chǎn)業(yè)生態(tài))代謝”到“城市人居環(huán)境代謝”Fig.1 Paradigm Shift: from “urban industrial ecology metabolism” to “metabolism of urban human settlement”

2.2 城市人居環(huán)境物質(zhì)能量代謝的研究框架

在上述范式變遷分析的基礎(chǔ)上,綜合分析城市人居環(huán)境代謝的研究需求,結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)原理,可以將研究過程劃分為理論認(rèn)知,方法建構(gòu)和決策應(yīng)用3個(gè)步驟,進(jìn)而搭建起關(guān)于城市人居環(huán)境物質(zhì)能量代謝研究的整體框架(圖2)。

圖2 城市人居環(huán)境物質(zhì)能量代謝的研究框架Fig.2 Conceptual framework for energetic and material metabolic analysis on urban human settlement

1)城市人居環(huán)境物質(zhì)能量代謝的理論認(rèn)知：人居環(huán)境科學(xué)的學(xué)科體系涉及知識(shí)層次眾多,城市人居環(huán)境代謝研究也同樣涉及諸多學(xué)科。有效解析城市人居環(huán)境代謝過程,要對不同學(xué)科的人居環(huán)境認(rèn)知加以整合,既要完善傳統(tǒng)城市代謝思想中自然生態(tài)系統(tǒng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的對比研究成就,還要有效融合現(xiàn)有人居環(huán)境科學(xué)學(xué)科體系的不同概念。鑒于景觀生態(tài)學(xué)具有整合傳統(tǒng)生態(tài)學(xué)、地理學(xué)和景觀設(shè)計(jì)學(xué)的學(xué)科綜合特征,以及強(qiáng)調(diào)空間格局、生態(tài)過程和尺度相互作用關(guān)系的研究特色,成為建構(gòu)新的城市人居環(huán)境物質(zhì)能量代謝研究框架的理想理論支撐體系。引入景觀生態(tài)學(xué)原理,有助于解析城市(區(qū)域)物質(zhì)能量代謝過程的空間結(jié)構(gòu),完善城市(區(qū)域)物質(zhì)能量代謝的認(rèn)知圖式,對于加深城市人居環(huán)境物質(zhì)能量代謝的理論認(rèn)知、識(shí)別核心研究命題具有重要意義[34]。目前的工作重心是,如何根據(jù)人居環(huán)境問題研究的需要,以景觀生態(tài)學(xué)理論為核心,在合理整合其他學(xué)科理論成果的基礎(chǔ)上,建構(gòu)一套能夠切實(shí)用于支撐人居環(huán)境研究的理論基礎(chǔ),推動(dòng)人居環(huán)境學(xué)科加速發(fā)展和成熟。

2)城市人居環(huán)境物質(zhì)能量代謝的方法建構(gòu)：不同于傳統(tǒng)廣泛基于黑箱假設(shè)基礎(chǔ)上建構(gòu)的城市代謝分析框架,城市人居環(huán)境物質(zhì)能量代謝需要在理論認(rèn)知的基礎(chǔ)上充分剖析城市人居環(huán)境物質(zhì)能量代謝的內(nèi)部過程,整合城市人居環(huán)境科學(xué)的時(shí)空層次性解構(gòu)思路,在家庭到城市的不同層次廣泛開展研究案例研究。事實(shí)上,針對家庭[53-54]、住宅[55-57]、住區(qū)[58-61]等不同空間尺度的物質(zhì)能量代謝研究都已經(jīng)有一定的積累,但相關(guān)研究還未整合在一個(gè)城市人居環(huán)境代謝的宏觀分析框架之下,通過進(jìn)一步對輸入輸出表(Input-Output Table)、區(qū)域動(dòng)態(tài)模型(Regional dynamic model)、材料流分析(substance flow analysis, SFA)、存量與流量模型(Stock and Flow, STAF)、生命周期評(píng)價(jià)(Life Cycle Analysis, LCA)以及能值分析(Energy Analysis)、火用分析(Exergy Analysis)等不同代謝分析手段的整合,可以建構(gòu)一套完整、科學(xué)、有效體現(xiàn)城市人居環(huán)境結(jié)構(gòu)和功能特征的物質(zhì)能量代謝分析方法,這也是今后城市人居環(huán)境代謝問題方法論研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3)城市人居環(huán)境物質(zhì)能量代謝的決策應(yīng)用：基于系統(tǒng)思想建構(gòu)的城市代謝分析范式在決策應(yīng)用領(lǐng)域的參考價(jià)值十分有限,而基于景觀生態(tài)學(xué)原理的城市人居環(huán)境物質(zhì)能量代謝研究則充分體現(xiàn)了格局-過程的觀點(diǎn),一方面通過對城市人居環(huán)境空間層次的劃分,可以實(shí)現(xiàn)城市人居環(huán)境空間結(jié)構(gòu)的剖析和空間責(zé)任主體的匹配,結(jié)合代謝過程研究為建筑-景觀-城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)提供參考；另一方面,通過引入3S技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)通信等高新技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控城市人居環(huán)境中的物質(zhì)流、能量流、勞力流、資金流和信息流過程,建構(gòu)城市人居環(huán)境物質(zhì)能量代謝研究的虛擬分析平臺(tái)。由此看來,基于景觀生態(tài)學(xué)的城市人居環(huán)境研究框架可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的開放性和包容性,可以很方便地與各種新的技術(shù)手段和應(yīng)用目標(biāo)實(shí)現(xiàn)無縫銜接,進(jìn)而打通基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用之間的隔閡,為城市人居環(huán)境建設(shè)的各種決策過程,提供強(qiáng)有力的支持。

3 城市人居環(huán)境代謝研究的關(guān)鍵問題

3.1 “格局-過程-尺度耦合”問題

景觀生態(tài)學(xué)十分重視“格局-過程-尺度-等級(jí)”的共軛耦合關(guān)系。如圖3所示,景觀生態(tài)學(xué)的等級(jí)斑塊動(dòng)態(tài)思想(Hierarchical Patch Dynamic Paradigm,HPDP)[62],可以有效解析城市人居環(huán)境物質(zhì)能量代謝過程的空間結(jié)構(gòu)。格局、過程、等級(jí)的研究需要同時(shí)考慮空間尺度、時(shí)間尺度和組織尺度問題,城市人居環(huán)境物質(zhì)能量代謝研究則要對不同時(shí)空尺度的格局、過程和組織加以剖析,具體以人體層次的代謝過程向外逐漸延伸,包括：(1)家庭尺度的“家庭物理結(jié)構(gòu)-家庭物質(zhì)能量代謝過程-家庭成員”相互匹配,輸入各類消費(fèi)品、電力、燃?xì)?輸出垃圾和費(fèi)水,存貯為家居；(2)住宅尺度的“住宅空間格局-住宅物質(zhì)能量代謝過程-住宅住戶”相互匹配,輸入建筑材料、燃?xì)?、電?輸出建筑垃圾,存貯為建筑體；(3)社區(qū)尺度的“社區(qū)景觀格局-社區(qū)物質(zhì)能量代謝-社區(qū)業(yè)主”相互匹配,輸入社區(qū)用品、降水,輸出公共廢物、廢水,存貯為社區(qū)外觀；(4)組團(tuán)尺度的“組團(tuán)景觀格局-組團(tuán)物質(zhì)能量代謝過程-組團(tuán)群體” 相互匹配,輸入公共用品,輸出垃圾、廢氣,存貯為組團(tuán)形態(tài)；(5)城市尺度的“城市景觀格局-城市物質(zhì)能量代謝過程-城市市民”相互匹配,輸入產(chǎn)業(yè)原料,輸出產(chǎn)品、廢物、廢水廢氣,存貯為城市資產(chǎn)。

圖3 城市人居環(huán)境物質(zhì)能量代謝的“格局-過程-尺度-等級(jí)”問題Fig.3 Problems of urban human settlement on “pattern-process-scale-hierarchy”t: 時(shí)間, time, t1,t2,t3表示時(shí)間序列,越來越久；s: 空間, space, s1,s2,s3表示空間等級(jí),范圍越來越大

城市人居環(huán)境的物質(zhì)能量代謝過程發(fā)生在不同的時(shí)空層次當(dāng)中,受到不同行為主體的綜合行為的驅(qū)動(dòng)[63],同時(shí)也為不同的行為主體提供服務(wù)。當(dāng)然,不同時(shí)空層次的物質(zhì)能量代謝過程還會(huì)產(chǎn)生差異化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng),并在宏觀的時(shí)空層次積累。由于不同的代謝層次在地表空間中呈依次包含關(guān)系,較高代謝層次會(huì)對較低層次的代謝過程產(chǎn)生約束,而較低層次的代謝過程也能夠?qū)^高層次的代謝產(chǎn)生影響。城市人居環(huán)境物質(zhì)能量代謝過程的刻畫需要從不同層次物質(zhì)能量格局動(dòng)態(tài)過程的描述性分析著手,深入剖析特定代謝層次的行為主體與主體行為物質(zhì)能量代謝的影響過程,進(jìn)而總結(jié)和探討城市人居環(huán)境物質(zhì)能量代謝過程的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)機(jī)制。還有一個(gè)需要關(guān)注的問題是,現(xiàn)階段各種人居環(huán)境代謝研究重點(diǎn)進(jìn)行可度量的輸入、存儲(chǔ)和輸出變量分析,不同尺度的背景自然環(huán)境差異影響在模型建設(shè)和具體分析過程中考量較少,這是目前研究工作的一個(gè)明顯漏洞,建議在今后的研究工作中予以必要的重視。

3.2 數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存與分析問題

對城市人居環(huán)境物質(zhì)能量代謝內(nèi)在過程的整體剖析,需要以規(guī)?；臄?shù)據(jù)獲取、儲(chǔ)存和分析技術(shù)為依托。隨著3S技術(shù)在代謝分析乃至產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的初步應(yīng)用[64-65],信息化已經(jīng)成為城市代謝研究的重要發(fā)展趨勢?；诰坝^生態(tài)學(xué)原理建構(gòu)的城市人居環(huán)境代謝研究框架,有更加完善的“信息化”理論支撐基礎(chǔ)和最新的數(shù)據(jù)分析技術(shù)接入接口,20世紀(jì)80年代初計(jì)算機(jī)、3S技術(shù)、模型等重大技術(shù)手段進(jìn)步曾經(jīng)及大地促進(jìn)了現(xiàn)代景觀生態(tài)學(xué)的發(fā)展。隨著三維景觀遙感技術(shù)[66]、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(Internet of Things, IOT)、網(wǎng)絡(luò)分析、大數(shù)據(jù)分析等新興信息技術(shù)和數(shù)據(jù)分析手段的引入,以及智慧城市(社區(qū)、建筑)、大規(guī)?，F(xiàn)代信息基礎(chǔ)設(shè)施和智能社會(huì)建設(shè)工作的推進(jìn),城市人居環(huán)境物質(zhì)能量代謝分析、預(yù)測和管理的硬件基礎(chǔ)支撐條件必將得到快速發(fā)展,進(jìn)而為城市人居環(huán)境科學(xué)的發(fā)展創(chuàng)造更加有利的條件。

3.3 效應(yīng)調(diào)控與過程管理問題

城市人居環(huán)境物質(zhì)能量代謝分析關(guān)注的是城市系統(tǒng)的物質(zhì)和能量維度,但從代謝機(jī)制來看,人員、資金和信息等其他過程在城市人居環(huán)境代謝過程中發(fā)揮著更加重要的作用。城市人居環(huán)境代謝過程不僅存在類似于生態(tài)系統(tǒng)或生物體代謝的自組織過程,還依賴于其他組織過程的政策、文化、資本等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的影響。如圖4所示,城市人居環(huán)境不僅存在結(jié)構(gòu)上的層次性,還存在功能上的層次性：在城市人居環(huán)境的不同景觀層次中,能量流、物質(zhì)流、物種流、勞力流、資金流、信息流等不同類型的生態(tài)過程貫穿其中,在滿足人類物質(zhì)、生物、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、精神等不同層次需求的同時(shí),還時(shí)時(shí)刻刻發(fā)生著復(fù)雜的相互作用。

圖4 城市人居環(huán)境代謝的功能層次及其互動(dòng)機(jī)制Fig.4 Functional levels of metabolism on urban human settlement and its coordination mechanism

進(jìn)一步解析分析表明,城市人居環(huán)境當(dāng)中的各種過程按照自身的運(yùn)動(dòng)(流動(dòng))規(guī)律發(fā)揮作用。物質(zhì)流和能量流過程是城市人居環(huán)境代謝分析考察的重點(diǎn),自然生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)流和能量流過程以垂直方向流動(dòng)為主、水平方向?yàn)檩o；社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的物質(zhì)流、能量流過程以水平為主、垂直方向?yàn)檩o。通過對物質(zhì)流和能量流的管理,充分利用垂直方向的物質(zhì)能量,減少水平方向的物質(zhì)能量需求,特別是跨區(qū)域長距離高密度的物質(zhì)能量傳輸需求,是現(xiàn)階段城市發(fā)展走向生態(tài)化的主要路徑選擇。人員流、資金流和信息流在城市人居環(huán)境當(dāng)中有獨(dú)特的時(shí)空過程,以人居環(huán)境建設(shè)為目標(biāo)的人員流、資金流和信息流調(diào)控不僅可以間接調(diào)控城市人居環(huán)境的物質(zhì)能量代謝過程,還能通過非物質(zhì)性福利的調(diào)整,來促進(jìn)城市人居環(huán)境建設(shè)水平的提升。因此,對城市人居環(huán)境建設(shè)進(jìn)行合理的效應(yīng)與過程管控,是人居環(huán)境管理工作目標(biāo)達(dá)成的重要保障因素。

4 結(jié)語

人居環(huán)境視角和社會(huì)代謝視角的城市研究在各自的領(lǐng)域都已形成了多年的研究積累,但從城市的復(fù)雜性和綜合性來看,兩種研究視角的整合具有理論和實(shí)踐的雙重必要性。我國城市化發(fā)展的主體思路正經(jīng)歷著深刻的變化,單純凸顯生產(chǎn)功能的城市化發(fā)展思想已經(jīng)為全面推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的新興城市化發(fā)展思路所取代。在日益注重城市“生產(chǎn)、生活和生態(tài)”格局與功能建設(shè)的背景下,人居環(huán)境建設(shè)工作在今后我國城市化進(jìn)程中的角色和地位將越來越重要。鑒于目前城市人居環(huán)境建設(shè)工作還缺乏成熟的模式、標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)程,進(jìn)一步強(qiáng)化相關(guān)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究就成為亟待解決的關(guān)鍵問題。搭建新的城市人居環(huán)境代謝研究范式,積極推進(jìn)針對城市人居環(huán)境問題的跨學(xué)科研究,無疑應(yīng)成為今后城市生態(tài)學(xué)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。

本文提出的基于景觀生態(tài)學(xué)基本原理和概念框架的城市人居環(huán)境代謝研究范式,是一個(gè)不同于城市“產(chǎn)業(yè)生態(tài)”代謝研究的新研究范式。這一范式可以從多尺度和多維度反應(yīng)城市人居環(huán)境代謝過程的結(jié)構(gòu)、功能、特征和問題,厘清城市人為活動(dòng)和各種資源環(huán)境問題的關(guān)聯(lián)關(guān)系,整合多學(xué)科的知識(shí)和技術(shù)手段,解析城市人居環(huán)境的時(shí)空動(dòng)態(tài)演化過程及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制,為城市人居環(huán)境研究學(xué)科的發(fā)展和完善創(chuàng)造有利條件。通過建構(gòu)基于景觀生態(tài)學(xué)的城市人居環(huán)境物質(zhì)能量代謝研究框架,還可以有效解決城市人居環(huán)境物質(zhì)能量代謝中的格局-過程-尺度問題,數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存與分析問題和效應(yīng)調(diào)控與過程管理問題,對于完善城市代謝研究方法,促進(jìn)城市人居環(huán)境建設(shè)具有重要的參考和借鑒意義。