面向城市生物多样性保护的参数化景观设计研究

叶怀泽

翟 俊*

生物多样性是人类赖以生存的重要支撑，对城市的生态平衡、可持续发展具有重大意义[1-2]，同时生物多样性也是人居环境生态健康性的重要评价指标[3-4]。然而城市区域在人类剧烈且频繁的活动干扰下，生态系统快速退化、自然生境不断减少且破碎化程度加剧，城市生物多样性面临着急剧下降的现象[5]。在此背景下，城市生物多样性保护研究成为社会关注热点。诸多研究发现人类主导的景观设计可以恢复并保护生物多样性，甚至能提高当地生物多样性[6-7]。这指明了一种有效的保护方式，即通过合理调控现有景观生态系统及规划设计新的景观格局，可以减少生境的碎片化，并对生物多样性及城市景观产生积极的影响[8]，景观规划设计因此成为解决城市生物多样性问题的有效途径。但由于城市环境的复杂性，生物多样性保护导向下的景观规划设计仍处于不断探索的研究阶段，研究思路及手段亟待新的突破。而目前从国内外城市发展历程与前沿研究来看，参数化设计恰巧提供了一种新的思维方式和技术手段。

参数化作为一种媒介，可以在自然、技术与人类之间建立全面的联系，对过程和结果进行把控和可视化[9]。面对城市社会的复杂性与变化性，基于参数化思维的设计更科学地解释了场地与最终设计形态的关系和生成过程，使设计与场所的固有特征、规律及过程相耦合[10-11]。将参数化思维方法应用于城市景观规划设计，对城市生物多样性的保护与提升也具有重要意义。因此，本文首先总结了基于城市生物多样性保护的景观规划设计研究进展，其次通过对比国内外不同类型、不同尺度的研究案例，分析其参数化评估与设计模型的评价指标体系和具体应用的方法，最后对未来城市景观生物多样性研究趋势进行展望，为城市生物多样性保护的景观规划设计提供理论与实践参考。

1 发展历程

1.1 启蒙阶段

生物多样性(biological diversity/biodiversity)是生物及其组成系统的总体多样性和变异性，包括与此相关的各种生态过程的总和[12]。自20世纪80年代初，生物多样性保护及相关研究便引起国际社会的普遍关注，中国的生物多样性研究也随之在生物物种保护价值、生态学特性、受威胁状况、种质资源等方面逐渐兴起[13]。得益于现代多种学科理论的快速发展，特别是地理科学、景观生态学以及保护生态学的发展，生物多样性的内涵不再局限于传统生物多样性研究的生态系统多样性、物种多样性和遗传多样性3个方面，而是扩展到地理环境、生物栖息地的差异性与多样性[4]。同时，随着风景园林学科理论与实践迈向现代科学的快速发展，其关注领域也逐渐由传统的花园营造、空间组织转向区域、国土空间规划设计，从更大的格局思考风景园林在人居环境建设中的作用。特别是在景观生态学的理论指导下，出现了对景观多样性的探讨，包括景观在结构、功能及其时间变化方面的多样性[14]。

在此研究过程中，有学者证明了生物量多样性与景观多样性有较密切的联系[15]，加上传统生物多样性保护注重于个别物种的保护而忽视了物种生存环境的构建并不能达到很好的效果，这促进了生物多样性保护途径从以物种为中心的自然保护途径向景观生态规划设计途径的转换[16-17]。与此同时，基于生物多样性保护的景观规划设计相关理论和方法也逐步发展起来。

1.2 发展阶段

随着城市化发展进程，无序扩张的发展模式和自然资源的非可持续利用，生境破碎化以及景观异质性下降，对物种内的遗传变异和物种丰富度产生了负面影响[18]，促使其向生物多样性低的系统的转换，对全球生物多样性产生了重大影响[19-20]。城市面临着生物多样性丧失、自然生境面积减少、生境破碎化、生态系统脆弱等严重生态问题[21]。为了促进城市发展朝着良性、可持续的方向演进，生物多样性保护不再是简单地将自然收容于有限数量的保护区中[22]、管理特定的绿地或保护和恢复城市内部的某些栖息地[23]，而是考虑城市生态网络的构建，从整体上对城市生物多样性进行规划保护，因此基于城市生物多样性保护的景观规划设计在世界各地逐渐开展(表1)。

表1 国内外城市生物多样性保护的景观规划途径研究

在这一阶段，国内外学者结合实际提出了一系列城市生物多样性保护的景观规划途径，以城市生物多样性保护为导向的景观规划快速发展。但现有的研究多集中于大尺度的规划和策略方面，且规划层面的方法较为宏观。如何全面落实城市宏观、中观和微观上的多尺度规划设计目标，尤其是利用参数化手段深入挖掘中小尺度的城市生物多样性，仍缺少更有效的设计手段。

1.3 深入探索阶段

计算机技术的快速发展产生的数字革命也为风景园林学科发展带来了新的机遇。景观参数化设计作为信息技术发展到一定阶段的产物[29]，在风景园林数字化规划设计流程中占据显著位置，是未来最重要的发展方向之一。

目前，景观参数化的研究关注点包括景观数字化及模拟技术、风景园林分析评价与参数化设计两大领域[30]。前者的发展带动了生态辅助参数化设计技术，相应的软件平台也在不断地建设中，并构成了较为完善的体系，包括基于气象数据的分析、热环境分析、风环境模拟、水环境模拟、光环境模拟等参数化生态环境分析[31]，其为后者的研究中引入了数字技术，以解决风景园林领域的实际问题。近年来，国内外对参数化景观的研究关注重点也逐渐由景观数字化及模拟技术转向风景园林分析评价与参数化设计，为深入探索城市生物多样性保护的景观规划设计方法提供重要基础。

参数化设计不同于以往强调感性、审美为主导的设计，更注重科学理性分析。概言之，它是一种讲求逻辑性描述关系的思想方法，通过将数学、几何和算法逻辑等与设计问题相关联从而认识事物本质，而不仅是将参数化作为一种技术工

2 参数化景观设计系统案例研究

2.1 景观设计生成系统

景观设计生成系统(Generative Landscape Design System，GLDS)，是由希腊塞萨洛尼基的亚里士多德大学学者查兰皮迪斯(E.Charalampidis)等人在一项塞萨洛尼基城市公共空间研究中提出，旨在通过自然过程、算法和统计分析，在提高城市绿色基础设施发展和生态性能的同时提升生物多样性[37]。GLDS由4个具有线性相关性的不同子系统组成，每个子系统由若干自组织策略的模型控制(图1～4)。

图1 地形生成子系统设计流程(作者改绘自参考文献[37])

图2 空间组织子系统设计流程(作者改绘自参考文献[37])

图3 遮阳结构生成子系统设计流程(作者改绘自参考文献[37])

图4 种植区生成子系统设计流程(作者改绘自参考文献[37])

该系统的生物多样性设计主要表现在：1)将具来辅助设计成果的实现[32]。特别是那些基于理解生态过程的参数化模型，对评估生物多样性及指导景观规划设计有重要作用[33]。在这一阶段，朱利叶斯·法布士(Julius Fabos)发展了定量景观分析模型，威廉姆·玛什(William Marsh)发展了与生物多样性规划密切相关的理论和技术手段[4]，罗德·巴奈特(Rod Barnett)利用Netlogo软件模拟复杂系统运动对受飓风干扰后的生物多样性恢复设计提供了有效参考[34]。同时学界也出现了一些城市中小尺度上生物多样性保护的参数化景观设计方法与案例(表2)，重点关注在实践中如何协调生物多样性保护与其他宏观规划设计目标之间关系。尽管这些研究案例有待不断完善之处，但仍能对未来城市生物多样性规划设计提供宝贵的实践经验和启示。生物多样性与人类活动结合考虑，再利用自然过程、算法和统计分析的数学模型的基础上，将设计方案的形态与其环境和生态性能直接联系起来，合理规划人群活动和植物空间形态；2)其子系统之间通过相互关联、相互影响生成的形式；3)作为一种分析工具，利用如Rhinoceros、Ecotect、Grasshopper等参数化软件，可提供关于阳光、太阳辐射、水文和地形对植物物种影响的相关反馈。

表2 城市小尺度视角下生物多样性保护的参数化景观设计

该系统是一种支持城市小尺度范围内绿地空间提升生物多样性的有效途径，但目前该系统生物多样性保护的功能特征并不明显，若能通过植被与其他物种适宜生存的生境结合考虑创造栖息地花园将更大化激发该系统功能。如玛丽卡罗尔·亨特(MaryCarol Hunter)将蝴蝶授粉特性及鸟类栖息与植被综合考虑，以设计支持鸟类和蝶类共同栖息的生境[39]；查德·霍索恩(Chad Hawthorne)根据蝴蝶生命周期的蝴蝶生活史、蝴蝶需求和蝴蝶行为生成蝴蝶栖息花园中的植被类型结构。因此，在景观设计生成系统中设置与其他子系统密切相关的物种活动分析子系统，将进一步增强该系统的生物多样性保护功能。

2.2 生态模式设计系统

生态模式设计系统(Eco-model Design System，EMDS)由上海土人及同济大学的伊格纳西奥·洛佩斯(Ignacio López)等人在上海管弄公园的实践中所提出，是一种景观设计与计算技术、遥感技术等整合应用的概念方法[38]。EMDS通过数据叠加方法来推断和分析场地内各元素的关系，以帮助设计师对环境进行评估和设计。该模型采用了在大规模区域设计中主要应用技术，并将类似的技术应用到很大程度上未深入探索的中小尺度环境中，旨在突破当代城市多样性保护中偏重大尺度的规划，进而探讨中小尺度场地的生物多样性设计。

EMDS应用可分为：1)测绘；2)环境模拟与分析；3)数据叠加；4)生态模型设计4个步骤(表3)。该系统在场地的综合数字模型的测绘基础上，对场地内植物物种对遮阴、洪涝、风和高低温的耐受性进行分析归类，并对场地中的太阳辐射、风流和水径流进行模拟分析，进而将上述分析数据重分为高、中、 低3种类型且以图表呈现。最终通过叠加数据得到场地气候适宜分区，以此指导植物选择和场地设计(图5)。

表3 生态模式设计步骤方法总结[37]

图5 生态区模式设计系统应用实践——上海管弄公园(作者改绘自参考文献[38])

该系统的生物多样性规划设计重点表现在：1)将生物多样性与气候环境结合考虑，将植物对环境之间的耐受性作为分区重点；2)强调生态区域的功能设计，设计以生态功能为主导的景观格局；3)通过参数化平台改进和补充系统信息，对景观与城市生物多样性的持续研究大有裨益。

同GLDS系统，EMDS系统若能把植物物种对各种生态环境的耐受性分析与其他物种结合考虑，进而利用参数化叠加形成的生态区将为场地提供更多的生物多样性。

2.3 景观生物多样性规划设计系统

景观生物多样性规划设计系统(The Landscape Biodiversity Planning & Design System，LBPDS)，是由国际知名设计公司AECOM于2013年提出[36]。这是一个通过规划、设计的整合提高区域生物多样性和生境效益的设计系统，旨在帮助指导城市环境中的生境保护、恢复、城市形态和景观改善，适用范围包括城市森林、私人和公共领域景观以及社区开放空间等。与从城市宏观角度出发的新加坡城市生物多样性指数不同，LBPDS中提出的景观生物多样性指数(Landscape Biodiversity Index，LBI)作为更为具体指导景观实践的指标，是一种增强生物多样性、生态系统服务和实现特定区域保护的手段，让设计师可以通过定量的方式对城市景观进行详细且全面的评估。

LBI应用的基本原则是将规划设计的景观生物多样性与具有本地生物多样性的参考生态系统进行比较，干预区域在结构和模式上与该生态系统或栖息地的相似性越大，其LBI就越高，每个指标的LBI得分由1～5分划分[40]。评分系统涵盖景观生物多样性的多个指标性能。基本指标依据项目历史情况、实证文献或专家建议等进行设置，包括景观的结构和格局特征，如优先物种、栖息地质量、连通性和总栖息地面积等。同时利用计算分析及Autocad绘图软件进行评估，提出适应于项目场地的阈值。由于LBI评价指标针是对当地生态和优先级保护事项进行的“校准”，因此可以应用于多尺度场地，以评估当地生物多样性相关效能并指导景观生物多样性规划设计系统的具体应用。应用LBPDS包括分析和规划步骤，具体可分为6个部分：1)现场评估；2)LBI模型校准；3)现有条件LBI基准测量；4)衡量备选方案的LBI评分；5)创建景观指导方针(如有必要)；6)进行详细的景观设计(图6)。

图6 LBPDS在波尔图保罗瓦拉达花园中的应用(作者改绘自参考文献[41])

该系统的生物多样性规划设计重点表现在：1)以生物多样性保护为主导，利用LBI评估指导景观规划设计，并强调本土生态和优先级保护事项；2)以生境垂直结构和水平格局为LBI指标框架，在此基础上可针对场地特征增加生物多样性评价指标；3)可评估从自然到城市的任何类型景观中的生物特征；4)将植物群落设计于景观营造作为关键，通过不同的开发策略保护和增强生物多样性及生境连通性，实现人与自然的共荣。

3 启示与展望

3.1 构建丰富城市生物多样性的景观设计方法

生物多样性为人类社会及生态系统带来的福祉在越来越多的研究中得到验证，以多样性为核心的生境规划设计正逐渐成为最具潜力的需求领域[41]。目前中国仍处于城市化快速发展阶段，生物多样性保护的理念和方法正在以物种遗传保护为核心逐步发展到以景观规划设计保护为核心。因此，如何通过景观设计来保护与恢复城市生物多样性，将发展为风景园林学科的重要研究与实践领域。近来许多国内外项目规划设计中都将生物多样性作为目标之一，但在具体实践中仍有诸多可以改善之处，在理论和技术方法上也需要进一步探索。

3.2 加强生物多样性的多尺度、多类型研究与多学科交叉

由于生物多样性与生态系统的结构复杂，其自身功能和过程之间，以及与社会文化经济之间存在着复杂的关系，仅从单一尺度和类型考虑是远远不够的，需要从研究个别空间走向研究城市绿地结构甚至绿地网络，多尺度嵌套亟须充分讨论和论证[42]。此外生物多样性保护的景观途径多集中在适应性植物物种选择方面，对更复杂生境组成仍需进一步考虑。同时，应该提倡以更广阔的视野审视生物多样性战略，强调综合生态系统服务效益，如固碳、水质改善、缓解城市热岛效应及其他社会文化效益等。这就需要多学科交叉，多专业融合。如将景观规划设计与水利工程、交通基础设施工程、农业及林业活动以及城市开发建设等统筹兼顾，提升生物多样性保护景观途径的广度与普适性[43]。

3.3 完善生物多样性保护的评估与监管机制

生物多样性保护是一项系统且长期的工程，不仅需要建立稳定、有效的设计模型与系统，更需要完善评估和监管机制[44]，形成弹性、动态的反馈调节体系，并逐步发展一套适合中国国情和区域气候环境特点的评估概念框架和监测管理模式。目前现有的评估体系仍需不断完善，如在景观生物多样性规划设计系统的实际应用中，若城市景观已经发生很大变化的情况下，很难建立一个参考生境去校准指标进而指导生物多样性设计；再者目前的评估系统多针对植被而言，而对昆虫、鸟类和鱼类等不同种群生物多样性提出的设计方法也多基于植被多样性，对物种自身的关注不够；同时针对社会文化因素的评分如何参数化，如何利用关键的社会因素做到适应性协作景观管理，提供广大公众参与评估与监管的途径，这些问题仍需在未来的发展中不断完善。

3.4 提倡大数据背景下生物多样性保护的参数化应用研究

在大数据时代，参数化技术手段蓬勃发展。参数化为城市生物多样性保护的景观途径带来的不仅是研究方法的革新，更重要的是思维方式的转变。从以上生物多样性参数化应用的研究案例可以看出，目前应用还多局限于生物多样性评估、编码整理及生态环境模拟等, 评估指标体系和模型方法还存在诸多的局限性和适应性问题。因此加强实时监控与反馈，依据气候变化模拟推演，预测未来更准确的城市生物多样性变化趋势，制定积极适宜的应对策略并做好示范性应用，可以使未来城市景观更具有科学性、前瞻性和可持续性。