人居环境的生态网络演进：从空间形态走向网络科学_黄勇.pdf

规划研究【文章编号】10063862(2023)0200121112城市发展研究 30 卷 2023 年 2 期 Urban Development Studies Vol30 No2 2023人居环境的生态网络演进:从空间形态走向网络科学黄勇1，2曾干1朱芝铮1(1重庆大学 建筑城规学院，重庆，400030;2重庆大学 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆，400030)【摘要】人居环境是由多个子系统组成的复杂系统，理解自然系统与其他系统间的复杂交互关系对于生态可持续发展至关重要。网络科学是研究复杂系统的重要科学，在定量刻画系统结构、动态变化、推动系统治理等方面具有巨大应用潜力。在网络科学视角下，从人居环境系统、城市、景观、区域四个角度，首先梳理了城乡规划学与生态学交叉领域中重要生态理论的学术研究脉络，基于网络类型将其演进过程总结为视觉轴线网络、公园绿地网络、生态系统网络、人居生态网络四个阶段。接着根据网络构成实质，在演进过程中进一步提炼出以空间连接关系、生态分室模型、生态服务过程和系统基础结构为核心的四种代表性网络研究方法。最后通过梳理类型与方法之间的基本关系，凝练出在政策决议和空间布局两个层面的空间规划干预措施，构建空间响应逻辑框架。研究旨在深化网络分析可用于描述人居环境系统、推进人居环境可持续发展的认识，促进网络科学在我国空间规划中的应用与实践。【关键词】人居环境;网络科学;生态网络;空间规划【中图分类号】TU984【文献标识码】A基金项目:国家重点研发计划“村镇空间扩展的时空模拟关键技术”(2018YFD1100804)人居环境科学强调五大系统和谐共处的可持续发展生态观，蕴涵丰富网络科学思想。网络科学是 21 世纪兴起的一门专门研究复杂网络系统的交叉科学，一般将个体抽象为节点，将个体间的关系抽象为边，强调从网络与联系的视角去认知与理解真实系统的运作规律12。无论自然或是人类，其组成要素之间永不休止地进行着各样自发的相互作用，这一点在人居环境发展中尤为明显3。从网络科学的视角去研究真实人居系统间的相互作用，是实现“研究实际问题时考虑各系统间的联系与结合”的人居环境科学要求的重要途径。生态学相关研究是人居环境规划的内在基础与重要组成，也是体现人居环境网络科学思想的重要载体3。生态学作为人居环境科学的外围基础学科之一，不仅关注自然系统内部的生态规律，同时也探索自然系统与经济社会的协调共生，从食物链、食物网等基本概念开始便尝试从网络与联系的角度去理解生物体与外部人居环境系统间的相互作用关系。人居环境规划大师盖迪斯、芒福德、道萨迪亚斯、吴良镛等人也都强调生态学与人类聚居建设的密切关系，并尝试用生态学原理去解释人类聚居活动的演变过程(表 1)。因此，本文立足人居环境科学大背景，在网络科学视角下，在城乡规划学与生态学交叉领域，首先从系统、城市、景观、区域四个角度梳理与人居环境相关的重要生态理论演进过程，根据网络类型划分演进阶段，并剖析其背后生态认知、网络建构、关注对象的转变过程。其次，根据网络构建实质，在演进过程中提炼出代表性的网络研究方法。接着，梳理类型与方法之间的基本关系，凝练出在政策决议和空间布局两个层面的空间规划干预措施，构建空间响应逻辑框架。最后，总结研究中发现的问题与未来可能研究方向，以期推动网络科学在人居环境科学、国土空间规划中的相关应用与实践。1人居环境的生态网络演进在网络科学视角下，从系统、城市、景观、区域四个角度梳理了与人居环境相关的重要生态理论的整体学术发展脉络，基于网络类型特征将其演进过程总结为萌芽期 视觉轴线网络(1619 世纪末)、转型期 公园绿地网络(19 世纪末1950 年代)、发展期 生态系统网络(1950 年代1990 年代)、成熟期 人居生态网络(1990 年代至今)四个阶段(图 1)。演进过程背后整体呈现从绿色空间黄勇等:人居环境的生态网络演进:从空间形态走向网络科学规划研究城市发展研究 30 卷 2023 年 2 期 Urban Development Studies Vol30 No2 202313表层现象到生态空间本底功能的生态认知转变，从形态轴线、空间网络、拓扑网络到复杂网络的网络建构转变，从自然系统内部主体互动到自然系统与社会经济系统内外互动的关注对象转变(图 2)。表 1人居环境中的网络观与生态观人物埃比尼泽霍华德帕特里克盖迪斯道萨迪亚斯吴良镛黄光宇赵万民代表作明日的田园城市4 进化中的城市5 人类聚居学6 人居环境科学导论3 生态城市理论与规划设计7 山地人居环境七论8 网络观城乡联系区域联系五大系统五大系统系统规划系统对象生态观城乡一体区域一体人类聚居整体人与自然可持续发展山地生态城市山地生态体系资料来源:作者根据相关文献整理图 1网络科学视角下重要生态理论的学术发展脉络资料来源:作者自绘1.1萌芽期(16 世纪至 19 世纪末)朴素生态观下以视觉连续性形成的视觉轴线网络轴线是构成形态网络的基础。在人居环境建设中，最早较明显体现出与网络相关的生态思想可以追溯到 16 世纪末欧洲古典园林的景观轴线与城市建设的林荫大道中(图 3)9。在文艺复兴所带来的经济与社会变革、欧洲君王们对于绝对君权的渴望下，建筑师与规划师们从美学与几何构图出发构建景观轴线服务城市建设，主要关注绿色轴线表面的城市美化与君权象征功能，体现出对人居生态环境最朴素与直接的认知观念。1.2转型期(19 世纪末1950 年代)形式生态规划研究黄勇等:人居环境的生态网络演进:从空间形态走向网络科学14城市发展研究 30 卷 2023 年 2 期 Urban Development Studies Vol30 No2 2023图 2网络科学视角下人居环境的生态网络演进资料来源:作者自绘观下以空间连续性形成的公园绿地网络图 3巴黎城市中轴线资料来源:参考文献 10轴线交织构成形态网络。从城市美化运动开始，学者们进一步用景观道路串联孤立绿地形成网络状公园体系，认识到空间形态上的连续性网络对于区域生态功能的重要性，关注点从绿地的美学价值向生态价值转变。1883 年，奥姆斯特德通过景观道路和滨河步行道将分散在波士顿的城市公园串联起来，产生了人居环境建设领域最早的生态网络 波士顿公园系统(图 4)9。埃利奥特设计的马萨诸塞州公园系统则在更大的区域尺度上将自然纳入到了城市公园系统规划中，表现出自然保护新思想(图 5)。到二十世纪初，将城市与自然区域连接起来的绿带系统被欧洲柏林、布拉格、布达佩斯等地广泛采用13。1.3发展期(1950 年代至 1990 年代)系统生态观下注重生态过程联系的生态系统网络将真实网络抽象为点与线，形成不依赖节点具体位置和边具体形态的拓扑网络16。随着战后科学技术的蓬勃发展，生态学全面步入现代生态学阶段。面对城市扩张带来的严重环境问题，学者们将生态学原理与网络拓扑特性结合，挖掘绿色空间背后的生态过程及其与聚居功能之间的相互联系，从对事物的“属性”特征转向对“关系”特征的关注。这一阶段的相关研究主要在以下两个领域展开。(1)在生态系统生态学领域，主要借助随机过程理论、运筹学、控制论、信息论等方法，通过建立分室模型对食物链、食物网中的物质循环与能量流动 进 行 网 络 分 析，形 成 生 态 网 络 分 析 方 法(ENA)19。生 态 网 络 分 析 方 法 于 1973 年 由Hannon 借鉴投入产出模型正式创立20，于 1993 年被国内学者韩博平系统引入国内21。2002 年Bodini 和 Bondavalli 首次将生态网络分析方法引入到城市生态系统22，构建了由各个社会经济部门与周围环境构成的物质能量传递网络，解决了长期以来城市生态学中物质能量研究的黑匣子问题(图6)23。在生态网络分析方法的基础上，奥多姆进一黄勇等:人居环境的生态网络演进:从空间形态走向网络科学规划研究城市发展研究 30 卷 2023 年 2 期 Urban Development Studies Vol30 No2 202315图 4波士顿公园系统资料来源:改绘自参考文献 9图 5马萨诸塞州公园系统规划图资料来源:参考文献 14步综合能学语言建立系统生态学理论，将对生态系统的研究拓展到一般经济系统24，于 1992 年被国内学者蓝盛芳引入国内25。(2)在景观生态学领域，着重分析不同生态系统组成的异质性地表空间单元的整体空间结构及其相互作用27。1986 年Forman 和 Godron 在结合岛屿生物地理学、复合种群理论等提出了作为描述景观生态系统“空间语言”的斑块廊道基质理论29。俞孔坚在此基础上结合 Knaapen 的最小累计阻力模型、博弈论、阈值等理论，提出了景观生态安全格局的研究方法30，其最小阻力面模型的构建方法被国内相关学者广泛采用并加以改进，成为当下景观生态网络的主要构建方法(图 7)。1.4成熟期(1990 年代至今)可持续发展观下注重生态与社会经济系统复杂关系的人居生态网络对大量真实系统复杂关系的拓扑抽象构成规则网络与随机网络之间的复杂网络31。在同时期复杂科学与可持续发展观念推动下，新世纪前后学者们开始从复杂网络角度将人居环境中自然系统与社会经济系统的复杂关系可视化，量化研究人与自然的供需关系与依赖关系。这一阶段的相关研究主要在以下两个领域展开。(1)在区域生态学领域，在联合国千年评估之后为避免生态服务价值重复计算问题34，36，量化生态受损区与受益区空间不匹配所产生的外部不经济性37，学者们将生态系统服务供需与空间位置进行耦合，提出生态系统服务流的概念38，并对其概念框架、量化模型、评估标准体系、空间制图等方面进行了广泛研究。其中，Fisher 等人定性描述了服务从提供到受益地区的传播模式，将生态服务流分为 3 类(图 8)39。Bagstad 通过构建 SPANS 模型，建立了生态系统服务空间传递过程与流动路径的量化研究方法40。Burkhard 等构建了生态系统服务供给、流和需求的评估指标体系，促进了生态系统服务流量化研究标准的普及41。Bar F 等以概念框架为基础进行生态服务量化制图，推动了生态服务流的规划运用42。(2)在社会生态学领域，主要关注受人类活动影响的生态治理问题，基于人类社会与生态资源的相互依赖关系，提出了社会生态系统的理论分析框架与网络量化研究方法。2009 年，奥斯特罗姆为解决长期困扰学界的生态系统治理问题提出了社会生态系统的理论分析框架47。2012 年，rjanBodin 等从复杂网络角度基于社会与生态的依赖关系提出了社会生态网络分析方法，将社会经济系统中的人、资源以及他们之间的空间依赖定义为节点和链接，弥补了社会生态系统量化研究的空缺(图 9)48，于 2021 年由国内学者张萌萌等引入国内49。2人居环境的代表性网络研究方法在生态网络演进的不同阶段中，根据网络构建实质提炼出以空间连接关系、生态分室模型、生态服务过程和系统基础结构为核心的四种代表性网络研究方法(图 10)。规划研究黄勇等:人居环境的生态网络演进:从空间形态走向网络科学16城市发展研究 30 卷 2023 年 2 期 Urban Development Studies Vol30 No2 2023图 6城市水系统流动网络资料来源:改绘自参考文献 22图 7景观生态安全格局模型资料来源:改绘自参考文献 30图 8生态服务流类型资料来源:改绘自参考文献 392.1基于空间连接关系的网络研究方法基于空间连接构建网络，着重考虑空间上其他系统对于自然系统发挥生态效应的空间阻隔作用，以景观生态网络相关研究为代表67。建立了抽象生态功能与实体空间形态之间的转换关系，是介于形态网络与拓扑网络之间的一种特殊网络。在城市或更小尺度在研究景观斑块时，一般注重其节点的几何形态问题。在市域或区域尺度分析廊道与整体结构时，往往将其视为拓扑网络进行分析51。其理论基础主要涉及地域分异理论、岛屿生物地理学、复合种群理论、“斑块廊道基质”理论等。一般使用最小阻力模型52、形态学空间格局方法(MSPA)53 进行模型构建，运用景观结构指数54、景观连通性、复杂网络等方法进行网络评价。通过识别重要生态空间，用于指导生物保护、生态修复、生态规划等领域55 的形态规划，具有浓厚的地理学色彩。黄勇等:人居环境的生态网络演进:从空间形态走向网络科学规划研究城市发展研究 30 卷 2023 年 2 期 Urban Development Studies Vol30 No2 202317图 9社会生态网络模型资料来源:改绘自参考文献 482.2基于生态分室模型的网络研究方法基于生态分室模型构建网络，着重考虑物质能量在自然系统与社会系统间的循环与流动关系，以城市生态网络相关研究为代表56。借鉴了生态系统中食物链、食物网、营养级、新陈代谢等概念，构建了基于功能关系的有向加权拓扑网络。为了更好地描述物质能量在系统内外的输入输出与耗散情况，一般使用生态学分室模型进行网络构建，使用上升性和环境元两类分析方法对网络整体与内部结构功能进行网络分析56。通过分析物质能量在系统内外的传递过程、网络整体特征与节点特性，用于指导社会经济系统中资源的宏观调控与风险管控57。2.3基于生态服务过程的网络研究方法基于生态服务过程构建网络，着重考虑生态系统服务在自然系统与人类社会系统之间的空间供需关系，以生态服务流相关研究为代表50，是一种根据逻辑关系形成的服务网络。一般通过服务路径属性网络 SPAN58、贝叶斯网络59、混合单粒子拉格朗日积分轨迹模型60、水资源供给服务流动模型61 等空间分布式模型构建传递路径，明确生态服务传递过程机制，用于指导区域生态修复、生态补偿与生态安全建设。2.4基于系统基础结构的网络研究方法基于复杂系统基础结构构建网络，着重考虑自然系统与人类系统之间如物理联系、行为关系、合作关系、权属关系等依赖关系，以社会生态网络相关研究为代表49，一般同时涉及自然节点与人类节点两类对象，是一种根据逻辑关系构成的复杂网络。主要通过密度、连通度、介数、社团划分等描述性方法62 与构建块、指数随机图模型63 等统计模拟方法对复杂网络进行分析。通过对网络关键节点、重要特征的识别，指导生态资源治理64、重要物种保护65、生态保护政策制定66。3生态网络研究的空间响应逻辑四种代表性网络研究方法集中产生于演进过程的后两个阶段。在生态系统网络阶段，分别从生态空间连续与物质能量传递两个角度产生了以空间连续性和生态分室模型为核心的网络研究方法。在人居生态网络阶段，从社会经济自然系统可持续发展的角度产生了以生态服务过程和系统基础结构为核心的研究方法。通过梳理演进阶段与研究方法之间的基本关系，凝练出在政策决议和空间布局两个层面的空间规划干预措施，尝试构建整体的空间响应逻辑框架(图 11)。政策决议层面，从约束、调配、治理、协调四个维度共同推动城市生态治理。以空间连接关系为规划研究黄勇等:人居环境的生态网络演进:从空间形态走向网络科学18城市发展研究 30 卷 2023 年 2 期 Urban Development Studies Vol30 No2 2023图 10网络科学视角下重要生态研究方法资料来源:作者自绘核心的网络研究方法通过识别重要生态空间和潜在生态威胁，帮助制定物种保护、生态栖息地保护、土地管理等空间约束性策略67。以生态分室模型为核心的网络研究方法通过探索资源消耗、废弃物排放、资源回收之间的关联关系，量化城市产业结构、能源结构及重要资源节点，帮助决策者明确资源循环过程中的关键问题，进而制定产业发展、能源利用等相关指标体系与管控措施68。以生态服务过程为核心的网络研究方法通过明确生态系统服务的产生地、转移与需求地，帮助政策制定者了解片区的社会经济自然复合系统是否处于可持续发展状态，片区人口是否都能有效获得足够的生态系统服务，从而进一步对问题区域的城市发展制定规定性政策法规(例如，执行上限和更严格的绿色基础设施比率)和经济激励措施(例如，生态补偿、环境税、补贴和支付)等关键措施42，协调社会经济发展与自然资源保护。以系统基础结构为核心的网络研究方法通过揭示社会关系、社会行为与资源治理成效间的相互关系，帮助管理者优化土地管理制度、运作组织架构与生态治理体系49。空间干预层面，通过对土地利用、基础设施、人口规模、道路交通等要素的优化布局，提升城市综合生态服务能力与治理成效。以空间连接关系为核心的网络研究方法在“斑块廊道基质”模式下本身便具有很强的空间属性，其识别出的斑块、廊道与空间网络可直接与城市用地相匹配，进而指导绿地空间布局。以生态分室模型为核心的网络研究方法是对物质能量循环的抽象建构，网络本身并不具有空间属性，但通过网络分析可以指导土地、重大基础设施、水源等关键转换节点的容量配置。同时，也有许多学者通过土地利用转型构建城市生态网络，其结果可以在宏观上指导土地利用结构与空间布局6970。传统的生态系统服务研究成果只能用于对生态系统本身进行干预，而以生态服务过程为核心的网络研究方法通过量化和映射流量，帮助规划者了解生态系统服务的方式、流量、人类客群、服务内容。通过明确导致供需不平衡的重要路径、关键节点和供需差额，指导资源、设施、人口、交通等规划要素的空间配置与容量调控40，平衡区域服务供需。以系统基础结构为核心的网络研究方法通过探索社会系统与生态系统相互依存的稳定结构，指导政府、机构团体、居民点等用户的空间布局与规模容量，帮助划定空间权属范围与管理边界，提升用户相互作用格局与生态连接度之间的空 间、功 能、权 属 匹 配 程 度，加 强 环 境 治 理成效7172。黄勇等:人居环境的生态网络演进:从空间形态走向网络科学规划研究城市发展研究 30 卷 2023 年 2 期 Urban Development Studies Vol30 No2 202319图 11生态网络研究的空间响应逻辑框架资料来源:作者自绘4结论本文立足人居环境科学大背景，在网络科学视角下，首先梳理了城乡规划学与生态学交叉领域中重要生态理论的学术研究脉络，基于网络类型将其演进过程总结为视觉轴线网络、公园绿地网络、生态系统网络、人居生态网络四个阶段，通过梳理其中生态认识、网络建构、关注对象的转变过程，发现其整体呈现从空间形态走向网络科学的演变趋势。接着根据网络构成实质，进一步提炼出以空间连接关系、生态分室模型、生态服务过程和系统基础结构为核心的四种代表性网络研究方法。最后通过梳理类型与方法之间的基本关系，凝练出在政策决议和空间布局两个层面的空间规划干预措施，构建整体空间响应逻辑框架，为国土空间规划的实践与应用提供帮助。将人居环境系统概念化为网络去理解子系统间的复杂作用，为洞悉系统行为机制、量化网络结构、识别关键节点提供了有效途径，是理解人居环境生态规律的重要视角。然而，相关研究目前仍然存在以下不足。首先，目前大部分重要理论多源自国外研究，时间跨度长达四十余年。在国外特殊发展背景下的理论产物是否能满足当下国内社会发展需求，是国内学者在使用时必须考虑的首要问题。其次，尽管四种典型网络研究方法已经较为成熟，但生态系统服务流网络、社会生态网络由于规划研究黄勇等:人居环境的生态网络演进:从空间形态走向网络科学20城市发展研究 30 卷 2023 年 2 期 Urban Development Studies Vol30 No2 2023数据获取较为困难、方法模型尚未普及等原因，在国内的实证研究还较为少见，也并未被运用于实际规划决策当中。此外，抽象的网络研究如何具体落实在空间决策中仍然是需要解决的重要问题，当前的相关研究更多仍被运用于政策决议之上。为进一步推动网络科学在人居环境系统中的实践与应用，未来的相关研究可从以下方面展开。首先，探讨不同网络研究方法之间的协同与融合。目前国内的生态规划主要采用景观生态网络方法，从空间形态连续性出发构建生态网络，缺少对物质能量流动、生态服务供给、社会生态治理等重要生态过程的综合考虑。未来的研究可以进一步对当下生态规划方法进行优化，尝试结合其他网络思想构建新范式。其次，尝试将网络研究方法与空间规划相结合。在本文所构建的空间响应逻辑框架基础上，未来学者可进一步梳理不同方法内在机理间的相互联系，根据关注重点尝试将其与不同层次类型的空间规划相结合，运用在我国具体社会生态工程之中。【参考文献】1方锦清，汪小帆，郑志刚，等 一门崭新的交叉科学:网络科学(上)J 物理学进展，2007(03):2393432刘涛，陈忠，陈晓荣 复杂网络理论及其应用研究概述J系统工程，2005(06):173吴良镛 人居环境科学导论M 北京:中国建筑工业出版社，2001:1041054埃比尼泽霍华德 明日的田园城市M 金经元，译 北京:商务印书馆，20005帕特里克格迪斯 进化中的城市:城市规划与城市研究导论M 李浩，译 中国建筑工业出版社，20126DOXIADIS C A Ekistics:an introduction to the science ofhuman settlements M London:Hutchinson，19687黄光宇，陈勇 生态城市理论与规划设计方法 M 北京:科学出版社，20028赵万民 山地人居环境七论M 北京:中国建筑工业出版社，20159曲艺，陆明 生态网络规划研究进展与发展趋势 J 城市发展研究，2016，23(08):2936 10张京祥 西方城市规划思想史纲M 南京:东南大学出版社，2005 11马振兴，胡泽，张伟，等 中、外文“生态学”一词之最初起源及定义考证 J 生物学通报，2017(11):911 12TOLL C Luftbildplan und kologische BodenforschungJZeitschrift der 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