基于城市生态系统视角的城市景观基础设施设计理论方法研究

广州市城市规划勘测设计研究院 陈俊仲

自19世纪以来，由于快速城市化建设发展，自然景观逐渐被城市建设、基础设施侵蚀和割裂，扰乱了自然系统中众多的自然过程[1]。在全球气候变暖、极端天气多发的背景下，世界多数沿海城市化地区受到潮汐洪水、河流洪水等自然灾害威胁。在此背景下，城市景观基础设施，一种将建成区和城市基础设施与景观生态相融合的跨学科概念，受到广泛关注[2]。本文旨在从理解城市生态学与景观生态学相关理论入手，尝试理解城市生态系统的复杂性，回顾并探讨城市景观基础设施的相关理论、设计方法和过程的可能性。

一、理解城市生态系统的复杂性

城市生态系统作为一个融合经济、生态和社会的复杂系统，经历不断增长、积累、重组和更新的自适应过程，结构不断变化，充满不确定性[3]。城市生态系统的动态和模式需在时空维度下观察，Meyer提出“3x3x3”的时空模型，通过三个相隔十年以上的时间维度，在宏、中、微三个地理尺度下，观察景观、基础设施、建成环境三个物理层的动态来了解系统性变化，回顾、预测人类系统与自然系统间的变化与联系[4]。另一个被广泛接受的系统模型是非生物-生物-文化(ABC)资源模型[5]。该资源模型与景观生态学理论观点一致，揭示了人类发展需求引起非生物和生物系统间的相互作用。城市生态系统的动态与复杂性决定了城市景观基础设施成功的关键是将关键生态功能和文化功能在时空维度上结合起来[5]。

（一）城市生态学中对城市生态系统的理解

城市生态学理论是城市和生态理论的混合体，解释了城市生态系统的行为机制。城市生态学是研究城市生态系统中人类活动与生态过程的相互作用，并探索这些相互作用如何形成多种城市生态模式[6]。理解这些模式需运用POM（Pattern-Oriented Modelling）模型方法，需要通过多个尺度观察模式并检验城市生态系统的各类假设[7]。比如在时空维度上分析生态斑块和土地镶嵌体的结构和功能等是理解人类与生态系统相互作用的常用方法。此外，在这种自适应和非线性系统中，地方和区域的偶发事件偶尔也会引起系统适应性变化[6]。对地方和区域的偶发机会事件的分析对于理解和预测城市生态系统的后续影响与发展也尤为重要。

（二）景观生态学中对城市生态系统的理解

近二十年来，景观生态学已成为一门揭示景观空间结构和动态的综合学科，对景观生态学的回顾有助于阐明城市景观基础设施的景观生态学原则。1950年至1980年，得益于航拍发展，景观生态学一词首先被用来描述景观的具体空间格局，在这一阶段，景观生态学仅指区域生态。[8]自1980年开始进入“土地镶嵌体”阶段，景观生态学开始作为综合学科出现，涉及栖息地破碎化、廊道连接、定量方法、异质性和边界研究等在该阶段中，福尔曼的景观镶嵌模型（Landscape Mosaic Model）作为典型通用模型之一定义了景观生态学的基本三要素：斑块、廊道和矩阵[9]。斑块是一个相对均质的、区别于周围环境的非线性区域，应根据斑块的大小、数量和位置进行分析，以判断斑块对景观功能的利与弊[5]。斑块由廊道连接，廊道是一种区别于周围环境的、线性的土地覆盖类型，如河流、运河[9]。廊道确保景观连通性，缓解隔离和分裂，尤指生物迁移[8]。水系廊道的生态完整性也直接决定了气候变化引发的水文灾害下的生态表现。因此，廊道应该从连通性、宽度和类型学方面进行分析。最后一类是矩阵，指一定范围内的主要土地覆盖类型，其具有高度的连通性和连续性，在其景观环境中具有高度动态性[9]。除了基本三要素，景观生态的特征主要从三个方面来定义：结构、功能和变化趋势。景观生态结构指上述景观要素的空间格局。功能通过结构实现，代表动植物的运动，水、风、能源和物质的流动。变化趋势指随时间动态变化的结构和功能[8]。

（三）城市生态系统中的城市景观要素的示例

表1罗列了景观镶嵌模型中各城市景观要素的示例。可通过时间维度来观察哪些人工基础设施阻碍景观连续性，如铁路、公路等，阻碍生态活动并造成景观碎片化，来分析哪些人类活动破坏生物和非生物过程，如开荒和封土。该方法也利于确定哪些景观结构和元素需要维护或修复以恢复生态功能。这些信息有助于评估建设项目以及景观保护计划的必要性，为改变土地利用性质提供依据。

表1 根据景观镶嵌模型分类的城市景观要素示例[5]

二、城市景观基础设施设计理论方法

（一）从“网络”到“节点”

城市生态系统在空间上是网络和节点要素在多尺度、多层次的空间组合[2]。”城市景观基础设施设计方法，将围绕“网络”和“节点”来展开：“网络”指“流动空间”，是连接、交互和信息交换的物理结构，是在较大尺度上的区域战略结构；“节点”指“场所空间”，是人类活动与生态过程的交互场所[10]，是在较小尺度中作为城市景观基础设施的组成部分，指符合景观结构承载力的城市建设项目作为“场所空间”置入到区域结构中。

（二）网络：作为区域战略结构的城市景观基础设施

城市景观基础设施强调在人类主导的景观中实现生态系统功能，作为结构化系统实现动态发展[11]。城市景观基础设施设计是构建景观本身为未来创造条件的过程，而不是在景观中添加建筑的过程，其设计强调多功能性、整合性和连通性、时序策略和跨学科等特征[2]。城市景观基础设施设计需要指明须维护或修复的生态系统服务，并需尊重社会需求和价值观，满足人的使用需求[12]。因此，城市景观基础设施有助于综合实现社会、经济和生态系统紧密交互、可持续的城市化。

城市景观基础设施有三个典型领域——交通、绿地和水系基础设施[2]。第一个领域包括交通、能源供应、废物处理和信息通信等设施。当这类设施融合科学技术、生态功能、美学和社会价值等多种功能时，可为未来城市发展创造条件，转化为具有公共景观功能的交通空间。第二个领域是成体系的绿地网络，能维护生态系统价值，创造社会经济效益。通过识别景观特征，创建由绿地斑块、走廊和矩阵组成的相互连接的系统。绿色景观基础设施对于提高建筑环境的生态功能有重要意义。最后一类指水系，在全球变暖，极端天气多发的背景下，该领域的设计重点是防洪系统和城市排水系统。如英国的可持续排水系统（SuDs），多阶段实现雨水管理。源头强调控制和渗透，减少流入河流或排水管网的水量。中端强调预处理和输送，指排水系统和生物沼泽系统净化并快速排放到水道和含水层。最后是储存，即雨水的滞留，指可淹没空间和蓄水水体。由此看出，城市景观基础设施的设计是一种跨尺度的区域战略结构设计[13]。

（三）节点：符合景观结构承载力的城市建设项目

“节点”是城市景观基础设施的重要组成部分，场所空间需要依附城市景观基础设施结构来进行组织[2]。这些场所空间作为具体的城市建设项目，其规划和建设过程需要充分考虑景观结构的生态承受力，以下将简要介绍基于景观承载力的城市规划设计的经典原则。

第一个经典例子是盖迪斯的山谷断面（The Valley Section），强调综合考虑区域环境来安排城市建设。该模型考虑到地质和地貌特征，根据自然环境的条件在空间上对自然活动、人类活动和城市功能区进行安排。另一个经典例子是麦克哈格的《设计结合自然》。通过将生态、历史、社会等多要素图层叠加，总结景观环境特征，是一种评估城市规划符合景观承载力的工具。该著作提供了一套经典标准评估自然系统的约束条件，和城市景观开发的潜在影响和协同作用，评价系统包括气候、地质、地貌、水文、土壤学、植被、野生动物和土地利用等，评估土地利用的潜在价值，根据承载能力布局城市功能与建设项目，即“网络”中的“节点”[14]。

三、结论

城市生态系统作为复杂系统，需通过时空维度的分析了解系统动态和模式。城市生态学和景观生态学提供了理论工具，如POM模型和Land Mosaic模型，用于解读城市生态系统中的信息，理解建成环境与景观之间的交互动态。城市景观基础设施是在时空维度下对城市生态系统的设计，以增强生态服务并提供社会功能的手段。其设计强调“流动空间”和“场所空间”，即基于景观承载力的交通、绿色、蓝色景观基础设施和城市规划设计的整合。城市景观基础设施实践证明单一目的、学科的规划建设已不符合可持续发展要求，对城市生态系统进行动态、跨学科的空间干预越发重要[2]。