从系统到景观:区域物质流分析的景观取向

张晓刚，曾 辉，2，*

(1.北京大学深圳研究生院深圳市循环经济重点实验室，深圳 518055;2.北京大学生态学系，北京 100871)

物质流过程是考察系统属性的重要维度。物质流分析(MFA)是指在一定的时空范围内，关于特定系统的物质通量和分布情况的系统测量和分析［1］。以“黑箱假设”为代表的系统思维作为一种简化途径，极大地促进了国家尺度MFA的标准化［2-5］，却在区域层面MFA的推进过程中显得捉襟见肘。综述研究现状我们不难发现，当前区域MFA在研究框架、指标体系、数据集成和管理应用等方面都不同程度地陷入了发展困境，而以“黑箱假设”与“系统隐喻”为基础的产业生态学理论在区域MFA中的应用局限性不容忽视。放眼生态学视域，本文旨在对区域MFA发展困境的理论根源展开深入分析，并对区域MFA的景观生态学取向加以探讨，以完善区域物质流分析与管理的理论基础。

1 区域物质流分析的发展现状

MFA的基本思想可以追溯到100多年之前［6］，而后出现在多个研究领域［1，7］。随着可持续发展理念的深入，MFA作为一种系统研究手段不断发展成熟［8］，集成了整体物质流分析(bulk-MFA)、材料流分析(SFA)［9］、生命周期评价(LCA)等丰富的研究内涵［10］，并因客观、量化、简洁等优点而在全球、国家、区域等不同层次的经济系统［7，11］和产业部门、工业园区或企业个体广泛应用［12-13］，进而成为循环经济、生态效率、低碳社会等可持续发展理念的重要评估手段。近年来，在产业生态学学科框架下［14-15］，国家MFA已实现标准化［2-5］，中小尺度的MFA研究需求凸显［16］，区域层面的物质流、物质代谢［17-21］、资源流［22-24］等研究成为MFA的重点与热点。然而就研究框架、指标体系、数据集成、管理应用等方面而言，区域MFA的推进还面临区域管理的诸多挑战，理论基础依然薄弱。

(1)区域物质流分析的研究框架:国家层次的MFA虽然开展较晚，但立足宏观经济学思想与经济系统的黑箱假设建构了有效的研究框架，迅速积累了丰富的案例研究［15，25］;因此，虽然区域 MFA 的基本思想可以追溯到更早的城市代谢概念［26-28］，并与生命周期评价(LCA)等研究方向相互交叉［14］，但其基本研究框架仍然被认为是国家层面MFA的黑箱假设的延伸［16］。就研究框架的发展现状而言，大部分区域MFA的研究案例都是以输入输出表、材料流分析(SFA)、存量与流量模型(STAF)、区域动态模型等传统研究框架为基础开展的［29-30］，只有少量案例对研究框架做了简单改进［16，31-32］。能否超越黑箱假设，建构有别于国家层面、基于区域以及城市特点的研究框架是区域MFA能否满足区域管理实际需求的关键问题［16］。

(2)区域物质流分析的指标体系:区域MFA的指标体系沿用国家MFA物质分类和指标设计两个建构环节:物质分类方面，结合通量分析的直接与间接的物质流过程(投入、输出、储存)对物质进行分类，并将物质种类的聚焦整合于SFA、LCA等研究框架;指标设计方面，则从输入指标、输出指标、消耗指标、平衡指标、强度和效率指标、综合指数等指标类别来针对边界过程和综合特征进行评估［7，33］。总体而言，当前区域MFA的指标体系建构在现有研究框架基础上已获得充分扩展，一些案例虽在此基础上有所改进［16］，但整体变动不大。考虑到城市MFA内部循环过程的复杂性和差异性，不同物质加和以及隐藏流系数的采用等问题上还存在着简单假设［34］，在物质细分和指标综合的手段之外，指标体系如何直接评估区域系统内部的物质流动细节仍然是区域MFA的严峻挑战。

(3)区域物质流分析的数据集成:物质种类的多样性和物质流过程的复杂性，使得区域MFA的实证研究常常面临大量的数据获取工作［8，35］。现有区域MFA 的数据集成综合自上而下和自下而上［9，36］，定点和跟踪模型［37-38］等多种数据获取方式，发展了Excel、Gabi和 Umberto 等数据分析平台［7］，并有望进一步拓展地质调查数据［39］等新的数据来源，以及地理信息系统(GIS)［14］等数据分析技术。2010年14期第5卷的《Journal of Industrial Ecology》“Environmental Applications of Information＆ Communication Technology”专刊刊发多篇文章［40-41］，全面展望了信息化时代产业生态学的发展趋势。将互联网等高新技术对接于区域MFA的数据获取和信息集成过程是当前区域MFA的一个重要发展机遇。

(4)区域物质流分析的管理应用:区域MFA为区域发展战略的制定提供了宝贵的定量依据［42］。生态效率、循环经济、低碳社会等区域可持续发展理念融合于区域MFA指标体系的构建过程中，可以为政府决策制定直接提供参考［43］。然而从根本上讲，指标层面的应用指向是一种宏观的评估，超越了区域物质流过程真实环节与区域发展的具体机制。国外学者联系区域MFA和土地利用变化、城市形态开展的研究分析［44-46］尚未引起国内产业生态学和景观生态学界的太多关注［47-48］;另外一些整合MFA与人文社会科学的研究工作［49-53］日益受到重视，而国内只有刘凌轩等［54］建立的物质流管理时空轴模型对这一思想有所反映。如何从指标层面的宏观评估走向机制性的考察研究，将研究成果内部落实到具体的物质、空间、过程和主体［7-8］，是区域MFA的应用目标。

2 区域物质流分析的景观取向

2.1 区域“系统”的理论分析

理论是方法的基础，概念是理论的核心。将区域和城市等复杂对象划分社会、经济、自然3个维度考查是开展宏观研究的重要策略，而这一策略下形成的“社会-经济-自然复合生态系统”则成为宏观生态学研究最为重要的综合性概念［55］。长期以来，将自然生态系统与社会经济系统的类比与对比一直是产业生态学重要的理论基础，企业、产业部门、产业共生、产业生态系统从不同层面暗含生物体、种群、群落以及生态系统的隐喻(图1)，而循环经济理念则完全反映了社会经济系统对于自然生态系统的模仿［56-59］。由此看来，“系统”是区域 MFA的概念基础，基于“系统”概念构建研究框架并在区域MFA中贯彻自然生态系统研究范式也是理所当然。进而区域MFA理论和方法论的最终完善也将依赖于区域物质流过程复杂性的充分认识和“系统”概念的深入剖析。

然而事实上，不同于“生态系统”概念的初创时代［60］，对于如今“系统”概念的全面回顾必然涉及非线性与复杂性科学的最新成果，即使是对“生态系统”的充分述评也常常要回溯到生态哲学的视域范围。由于这一问题的复杂和艰巨性，本文不能也不必要对此展开全面阐述，但有必要概括一些框架式的要点作为开展理论分析的基础:(1)非线性与复杂性科学的研究，通常将对象划分为物质、生物、社会层面;(2)根据Laszlo的广义进化思想［61］，从物理学系统到化学系统、生态系统、再到文化系统是一个不同组织水平之间的突变跃迁过程;(3)虽然生态学通常被认为是一门反映整体论的学科，但其具体研究和哲学层面都普遍存在着一种“秘密的还原论”，其中生态的系统化，以及“生态系统”的滥用本身也是一种认识论和本体论的双重还原［62-63］;(4)根据生态学组织层次理论，生态系统在种群、群落层次之上，包含生物生存的物质环境;景观在生态系统之上，区域在景观之上［64］;(5)关于人类是否属于生态系统的概念之中，一直存在争论［65］。基于以上要点，仿照杜思对可持续发展的系统分析手法［66］，将相关思想加以整合，并直观表现如图1。

图1 “产业生态学中的隐喻”与“生态组织层次”的图式Fig.1 Schematic diagrams of metaphor in industrial ecology and ecological organization levels

由图1的图式对比可以清晰地看到，不同于现有MFA研究中将自然生态系统与社会经济系统看作是区域层次下两个相异却平行的子系统，整合复杂性科学、广义进化论的生态组织层次表明随着生态系统、景观到区域层次的逐级上升，复杂性不断递增。由此，反观当前区域MFA乃至产业生态学的类比逻辑和“系统”理论本身，实际上是一种跨越景观层次的系统化还原，和较低层次生态系统范式在较高的区域层次研究中的借用。这种还原与借用(或者说隐喻)由于绕开了人类的感官世界而将自然科学客观、量化和简洁的方法论特征赋予了MFA，表现出极强的可操作性，但其在逻辑与理论基础上的缺陷却不容忽视［59，67-68］。一方面，区域作为社会-经济-自然复合生态系统，复杂程度远超自然生态系统，区域系统化思维从生态系统层次直通区域层次虽然强化了物质层面的特征，但却忽视了人类对于物质景观的感知，以及由此进化而来的社会系统中独有的制度、文化、风俗、习惯等因素的作用，弱化了区域物质流过程的认知维度;另一方面，区域作为结构与功能耦合的动态系统，与自然生态系统中的生产者、消费者和分解者角色存在显著的结构差异，社会经济系统与自然生态系统的简单类比逻辑虽然保留了系统在功能层面的共性，但却忽视了物质流动驱动机制的差异，以及人为活动有意塑造的景观异质性的重要性，弱化了区域物质流过程的空间维度。实际上，循环经济理念所强调的社会经济系统与自然生态系统相比的非闭环和流通途径过长等问题［7］恰恰反映了两个系统在认知维度和空间维度的异构特征，而景观层次的认知和空间维度往往是社会经济系统得以构建的心理与结构基础。因此，景观层次应当成为建构区域MFA研究框架的重要概念。

2.2 景观生态学原理的引入

但凡对生态学发展全局有所了解的人都无法否认，在生态系统生态学以外，发端于人文地理学，整合生态学与地理学概念基础的景观生态学已经发展为宏观生态学领域另一个极端重要的研究分支［69］。景观生态学十分强调空间格局、生态学过程与尺度之间的相互作用，将人类活动与生态系统结构和功能相整合是景观生态学的学科特点和研究优势［69-70］。景观生态学的“生态过程”概念，不仅包含地表空间的物质流动与循环，还集合了物种流、能量流、信息流等不同的自然、人文过程［71-73］。由此可见，景观生态学原理不仅在概念上与区域MFA有所交叉，其引入还将显著地拓展区域MFA概念框架的认知和空间维度。

邬建国在阐述景观生态学对可持续性科学的潜在贡献时，对景观生态学的学科优势做过简明的阐述［74］。综合这一阐述，如图2所示，也有理由相信将景观生态学原理引入区域MFA改变单纯以“系统”概念为基础的解构取向具有显见的理论优势:(1)将“生态系统”与“区域”之间的“景观”层次引入区域MFA，强调了自然生态系统和社会经济系统的结构差异，有助于促进区域物质流系统等级层次的建构;(2)景观作为人-地交互的最小空间尺度，能够保全环境-经济-社会系统的耦合关系［74］，与多功能景观、景观经济学等景观生态学最新研究领域［75］建立联系;(3)MFA的流的概念与景观生态学的源、汇概念［76］结合，将大量的物质存量和流量会以斑块、廊道等景观形式存在或被感知并向三维空间扩展，使得原本无形的数量概念落实到了有形的空间实体，将“系统中的物质流”重构为“时空中的物质流”;(4)在景观尺度，物质流动过程的行为机制更容易考察，还可以开展针对性环境-社会-经济观测、调查和实验，深入的剖析物质流动与社会行为机制的相互关系，并开展主观与客观数据的集成分析;(5)大量的物质流过程往往伴随景观动态，景观层次的物质流分析，更有利于考察物质流过程中生态环境效应的时空分异;(6)由于区域MFA社会维度和空间维度的拓展，更有利于MFA与社会生态学研究相结合，并与生态足迹、可持续生计［77］等其他区域评价与分析方法开展机制和模型预测方面的结合，为区域管理提供依据，促进区域可持续发展。

图2 “系统”与“景观”:区域解构的两种取向Fig.2 “System”and“Landscape”:two orientations of regional decomposition

2.3 从系统到景观:区域物质流过程的空间结构

由于时间维度往往在社会系统中社会化、个性化，基于“系统”思想对区域内部物质流过程时间维度的解构，尽管可行但却并不完善。相对而言，区域内部物质贮存流动的空间结构则清晰容易辨识，可以结合景观生态学原理对其加以解构。纵览景观生态学的理论和概念体系，将空间解构的具体理论锁定在斑块-廊道-基质模式、斑块动态理论以及等级理论(进一步介绍参见相关文献)［78-80］。

图3 区域物质流过程的空间结构［81-82］Fig.3 Spatial structure of regional material flow process

如图3所示，基于等级斑块动态范式(HPDP)思想［80］，整合斑块-廊道-基质模式、斑块动态理论与等级理论［81］，对区域MFA的空间维度进行了解构。其要点包涵6个方面:(1)区域被划分为区域、景观、斑块、单体等4个层级，各个层级有若干空间单元，根据特定的研究对象和目的，空间层级和空间单元还可以在此基础上加以修饰;(2)不同层级看似是离散的，但这只是逻辑概念上的离散，在真实世界中层级之间的界面有时是模糊的，并且通过频繁的物质、能量、信息流动联系在一起;(3)不同层级的物质流动速率存在差异，表现为时间维度的时滞、延迟等现象，层级跨越的能量消耗呈非线性变化;(4)层级内部空间单元间的物质流动通过该层级的通道(或是廊道、步道、管道)完成;不同层级的通道可以通过节点连成一体，形成功能网络［82］，物质流动又形成超循环结构［83-84］;(5)不同层级物质流动与贮存对应于相应层级的景观动态过程;(6)本文的解构实际上是二维地表空间的高维解构，空气流动、降水、地质过程等三维空间中不受二维地表网络结构约束的物质流过程，表现为层级间跳跃的物质流，使巢式等级系统复杂化为非巢式等级系统。

2.4 从系统与景观:区域物质流过程的认知图式

景观生态原理的引入不仅有助于明晰区域MFA的空间结构，还将通过建构认知维度强化物质流过程的机制性理解。前已述及，产业生态学原理中系统思想的借用(或者说是隐喻)由于绕开了人类的感官世界而将自然科学客观、量化和简洁的方法论特征赋予了社会经济系统的研究当中。然而不同于自然生态系统研究中观察者与被观察对象的分离关系，社会经济系统中观察者常常是被观察对象的组成部分，因此对于社会经济系统的观察结论常常与观察者在社会系统中的位置有关，使得系统复杂性不仅由系统内部多种多样的组份以及组份间复杂的相互作用决定，而且受到观察者的理解、兴趣和能力的影响［85-86］。如果说在自然生态系统的研究过程当中“黑箱假设”是受制于研究者对于研究对象的认知局限性的话，那么在包含观察者自身的社会经济系统中的“黑箱假设”则反映了研究者对于自身认知与行为机制的漠视。如图4所示，反映自然科学与抽象思维取向的“系统”思想作为一种“闭着眼睛的思维”，将社会经济系统类比为与自然生态系统相似的客观考察对象，在剥离主观体验和形象思维的同时，也超越了研究者以外社会公众认知与改造物质环境的心理过程，因此永远无法揭示区域“黑箱”内部普通社会成员作用下物质流过程的真实机制。而如图4所示，在认识到“系统”思想的认知局限性的基础上，景观生态学取向下对于区域物质流过程的考察，则更加强调生物体(人)之间通过视觉信息要素建构的认知网络在区域物质流过程中的支配作用。事实上，区域物质流分析的景观生态学取向，是将研究的关注点从物质流量的核算转向社会主体与物质流过程的交互作用，以呼应认知科学的生态学转向［87］，在建构景观之间物质流过程的同时，强化了景观内部人类与物质环境的耦合关系，为区域物质流过程的机制性分析和管理发展了一种更具整合性的认知图式。

图4 “系统”与“景观”:区域物质流过程的两种认知图式Fig.4 “System”and“Landscape”:two cognitive orientations of regional material flow process

3 讨论

通过以上的分析，简要说明了基于“景观”概念建构的区域MFA取向是一个与传统MFA截然不同的发展方向，然而受制于现有的研究条件，这一取向还远未成为一种趋势。结合当前区域MFA的最新研究案例，从以下几个方面对区域MFA的景观取向展开进一步探讨。

3.1 多尺度MFA的综合研究框架

区域MFA旨在考察区域物质流动过程，而这一过程也是在区域各个主体行为作用下的空间过程［7-8］。通过建构区域MFA的景观取向，可以将原本被视为“黑箱”的区域系统划分为不同的空间层级，将不同的空间层级划分为不同的空间单元，而不同的空间单元又对应特定的行为主体。无论是城市代谢研究、生命周期评价抑或工业园区的MFA都可以进行空间化的解读，对应于单一层级单一单元的几类主体、多层级多单元的几类主体或单一层级多单元多主体的综合作用，也可根据所处的空间单元的具体情况对环境影响进行量化评估。事实上，针对工业园区［36］、社区［88-89］、建筑单体［90-91］以及家庭［92-93］等小尺度的代谢研究都已出现，但发展程度不一，其中尤以社区尺度的MFA研究案例最少，在我国受到的关注最为缺乏［88］;多层次综合研究在国内外都不多见，仅在面向时间维度的“社会代谢的多尺度 综 合 评 估 (MSIASM)”［94-96］框 架 下 有 所 发展［97-98］，但针对小尺度MFA开展研究，还需根据层次特点对该研究框架进一步完善。就目前的趋势来看，为了更好地理解区域内部的物质流过程，整合MSIASM构建以景观(社区)为核心层次的多尺度综合研究将成为当前区域MFA的关键发展方向。

3.2 物质流动过程的时空集成研究

景观生态学的发展极大地得益于3S技术的完善和普及［99-100］。地理信息系统在MFA乃至产业生态学领域已经有所应用，然而基于景观生态学原理建构的区域MFA研究取向，则通过认知与空间维度的完善强化了区域MFA基础理论的“信息化”程度。三维景观遥感技术［101-102］之于物质存量考察，全球定位系统(GPS)、物联网技术(IOT)之于定点、跟踪模型［37-38］都将发挥重要的作用。特别是全新的Web2.0时代，实时涌现的海量自发地理信息(VGI)将为开展区域MFA提供源源不断的信息资源。模型研究是整体论的［103］，囿于区域环境-经济系统的复杂性［14，104］，MFA 的建模研究发展滞后［7，105］，然而近几年以北京师范大学张妍、杨志峰为代表的学者整合生态网络分析与城市代谢开展了十分有益的建模研究［106-107］。景观生态学理论引入区域 MFA，则将有助于进一步整合空间模型，对区域物质流过程开展全方位的模型考察。相信在不远的未来，伴随智慧城市(社区、建筑)以及感知中国的建设，海量的物质流数据以及其他信息资源将整合于三维可视的虚拟平台加以综合研究，进而成为开展区域和城市物质流过程分析、预测和管理的基础。

3.3 物质流动过程的空间行为管理

尽管当前的区域物质流过程在竖直维度上的复杂性不断增加，但考虑到当前的能量条件，地表景观在可预见的未来都将是物质流动和贮存最为重要的空间载体。对地表景观物质流过程的管理和干预，将有效地促进物质流过程的良性循环和合理分布，从而最大限度地降低物质流过程的环境效应，增强物质流过程的社会经济效益。与传统区域MFA构建综合性宏观评估指标或是生命周期评价中强调生产者责任延长等管理应用取向不同，区域MFA的景观取向将为区域管理提供更加全面的决策依据:(1)社会经济的物质流过程的行为主体是人，其信息搜集和决策过程受制于认知环境和思维能力，其行为作用下的物质流动也有特定空间范围，区域MFA的景观取向建立了物质空间流动和主体行为空间的联系;(2)层级穿越对应正向物流与逆向物流过程，区域MFA空间层级的纵向联系(垂直结构)对应物质流管理的组织模式［108］，便于分割政府、企业、零售商、消费者、第三方等主体管理责任;区域MFA空间单元的横向联系(水平结构)对应物质流管理的运行模式，便于优选固定式、分散式、柔性管理、网络管理等具体运营形式;(3)结合人文社会科学开展研究，空间范围与行为群体明确，责任认定与问题症结清晰，对于决策制定的细节设计有重要价值;(4)基于景观的区域MFA研究，还将为城市规划与设计提供科学依据［109-110］。

4 结语

生态环境问题的日益突出和可持续发展理念的深入，带来了生态学的繁荣与混乱。通过对物质对象的关注，区域MFA将为区域管理提供更加科学的决策依据。既有的产业生态学框架下，产业共生领域的相对清晰和MFA研究的严重交叉［14］，让我们轻易联想到基础生态学中种群生态学范式与生态系统生态学范式的鲜明对照［80］。而将景观生态学原理引入区域MFA，则是希望用全新的视角来审视区域物质流过程。与其说从“系统”取向转变为“景观”取向，是“生态系统生态学范式”和“景观生态学范式”在应用生态学层面的竞争，不如说是对区域MFA理论基础的进一步完善。然而学科的发展总是相互促进的，也不应避讳，产业生态学在功能与物质研究层面的优势正是当前以格局分析为主要研究范式的景观生态学所欠缺的，探讨区域MFA的景观取向的另一个目的，在于融合景观生态学原理的同时，拓展当前景观生态学的过程研究。

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