景观生态规划中的空间机制分析方法与应用途径

兰泽青，岳邦瑞,2，王敬儒

(1.西安建筑科技大学 建筑学院，陕西 西安 710055；2.西部建筑科技国家重点实验室，陕西 西安 710055)

景观生态规划是在空间上协调人与自然关系的重要途径，空间机制是揭示如何通过空间手段实现景观功能的重要议题，需要在大尺度景观中更多地考虑空间格局、生态过程与景观功能之间相互作用关系，从而“增强规划设计成果的科学性”[1].“格局-过程-功能”的相互作用与耦合关系是揭示空间格局演变规律与驱动机制的基础[2]，空间格局是生态过程的载体，生态过程导致空间格局的异质性与变化，同时空间格局也对生态过程产生影响，格局与过程的相互作用决定了景观的服务功能[3].景观生态规划正是通过遵循生态过程来连接现实格局与规划功能[4].

空间机制不仅体现在景观空间配置的变迁，还体现在景观中物质循环和能量流动等所引发的生态过程的时空变化[5]，格局与过程相互作用及耦合关系是这一类研究的核心与重点[6].格局-过程耦合机制主要通过两种途径来认知，分别是直接观测与系统模拟[8].直接观测通常适用于小尺度景观空间，系统模拟与分析则主要作为大尺度景观空间的研究依据.自然生态变化的机理或机制，是生态过程的主要开展形式[7]，也是系统模拟的理论依据.格局与过程在现实世界中相互作用表现出非线性的耦合与反馈关系[8]，因此难以有效言明其中的因果关系和因果规律.这导致规划设计对机制只能理解“作用结果”，不能理解“作用过程”，景观空间中生态关系实质性研究内容被较少关注，宏观空间格局与微观生态过程耦合关系产生不适，使规划设计成果对功能产生的生态效益“无暇追求”[9]，甚至景观功能在使用中产生偏差[10].

科学哲学中“机制”是解释系统内部内在联系原因和相互作用关系的工具[11]，可用以揭示系统内部因子间的因果关系及因果模式[12].本研究引入科学哲学中对“机制”概念的解析与系统模拟方法，尝试通过空间机制来认知、揭示大尺度景观中“格局-过程-功能”之间相互作用关系的因果关系和因果模式，推动景观生态规划从“生态设计”走向“设计生态”的新途径[13].

1 “空间机制”的内涵

“机制”(Mechanism)概念是17、18世纪机械论自然哲学的重要遗产[14]，原用于解释机器的构造与动作原理，后常被用以解释复杂系统下要素间相互联系、互为因果的关联过程和运作方式.地理学、景观生态学等学科认为景观空间中的因果模式存在于“格局-过程-功能”的相互作用中[15-16].风景园林中为加强对机制的理解与应用，Nassauer与Opdam提出将景观生态学中“格局-过程”机制融合入风景园林之中形成“格局-过程-设计”机制[17]，Termorshuizen和Opdam认为“景观服务”是机制的延续[18]，景观生态学中也将“格局-过程”的相互作用机制进一步拓展为“格局-过程-服务-可持续性”范式[19]，为风景园林对“格局-过程-功能”空间机制的理解提供了理论依据[20-21].

景观规划设计的目的就是利用自然的生态过程使空间格局与景观功能产生耦合，从而使整个人类营建的复合生态系统(景观)在时空结构与能流、物流、信息流等都达到最佳状态[22].然而受限于生态过程难以理解，数据难以获取，导致目前对机制的系统化、定量化、理论化的耦合关系研究尚不多见[5].科学哲学中，“机制”是展开系统内部“黑箱”的理解方式，机制内涵的因果关系与因果模式被用以揭示“X如何导致Y”的问题[23]，通过系统模拟的方法，能够揭示“格局-过程-功能”机制中的相互作用关系及因果规律.空间格局、生态过程与景观功能之间呈现一个驱动与反馈的关系，通过格局与过程的耦合趋势可以对景观功能进行情景化分析，来预测功能的可能性，反过来功能在时空尺度上的变化过程也可以作为空间格局土地利用优化配置的依据[24].

“空间机制”是用以解释格局需要通过何种指定环境条件下相互联系、相互作用的过程才能达到指定功能的因果机制，对“空间机制”的内涵理解为：景观生态规划中“格局-过程-功能”三者之间的因果关系.“机制”通常以文字、图形或数学公式来表达[11]，空间机制的因果模式可表述为数学式(1).

y=f(x)

(1)

式中：x为空间变量(自变量)，即不同要素集合与组合方式形成的各类型空间格局；y为目标变量(因变量)，即不同目标集合形成的多功能耦合的景观服务功能；f是因果关系所反映的机制，即特定空间变量集合(格局)与特定目标变量集合(功能)之间的因果关系集合(图1).整体因果模式中最重要的环节是指向自变量向目标变量转化的“因果关系f”，“因果关系f”是空间机制的研究重点.

图1 空间变量与目标变量之间的因果关系

2 “空间机制”的外延

大尺度景观空间中因果关系呈现出复杂现象交织的因果链，因果链是空间中各要素相互作用关系的集合，“格局-过程-功能-可持续性”范式中的相互作用机制是当前大尺度景观研究中一种较为完善的因果链表述[25](图2).

图2 景观可持续性范式研究中的相互作用机制

“格局-过程-功能”因果机制呈现出A→X→B的因果模式，三者具有明确的因果关联与作用过程.通常在只关注因果效应时，只会对格局-功能(A→B)加以认知.而因果链条不展开分析，会对因果规律产生未知反馈，从而影响规划设计目标的完成.所以需要通过机制来分析A→X→B的因果模式全貌，加强层次分析与减少时滞效应(图3)，为系统模拟提供可靠依据.

图3 机制的作用：加强层次分析与减少时滞

“空间机制”通过因果模式解释空间中复杂因果链的工作形式(图4)，基于因果关系作为过程实在本体的研究基础上[26-27]，提出因果链在因果关系中存在四类模式[28]：①单一因果模式，因果作用单一、恒定.格局A引发过程B导致功能C；②独立多元因果模式，相邻且异质景观单元A1与A2，产生两种以上过程并在区域中形成功能C；③链式多元因果模式，当整体景观中存在相互关联且非均质的两种格局形式时，其呈现链式反映并形成因果关系；④节制性多元因果模式，景观单元A1通过过程B1对整体区域功能C产生影响，同时景观单元A2引发的生态过程B2对B1产生影响，被认为生态过程B1受景观单元A2的节制(moderate).

图4 空间机制下的四类因果模式

3 “空间机制”的分析方法——过程追踪法

“过程追踪”是“一种试图接近隐藏在现象背后的机制或微观基础的方法”[29]，通过回溯特定格局产生特定功能的发生过程，挖掘空间机制的因果关系.过程追踪将大尺度景观运行机制内各环节与因果链条展开，讨论因果链条在转化格局到功能的过程中的顺序、路径以及反馈影响.过程追踪法包括：因果顺序、过程路径与反馈效应.

(1)因果顺序

因果顺序是在概念上清楚因果模式中起因与结果之间可能的决定关系.因果模式中现象起因与结果之间存在时间上的滞后，这形成了顺应过程推进的因果链接[30]，“滞后时间”使过程发生的起始与结果在时间上并不对称，这种在微观层次上没有中介因素或极少受中介因素影响的过程关系，其先后顺序易于分辨，且产生因果顺序.在空间中通常存在两种因果顺序方向：水平过程与垂直过程(表1).

表1 空间中普遍存在的过程关系

复杂情况下过程可能包含两组变量或多变量间的双向或多向决定关系，对多个变量间复杂顺序方向还可能存在诸如环形(多变量间相互决定)、并列(某些变量互不关联，但又构成其他变量的起因或导致其结果)等情形.过程关系的确定，明确了格局中过程发生的顺序和各个关键节点的作用关系，使过程在因果模式中的展开方向、顺序得到了确定.

(2)过程路径

“路径”将复杂过程通过直观的反映变得清晰和简洁.在确定过程关系的方向与顺序后，变量间相互作用的路径与性质也会随之显现.

“景观过程”中过程路径通常以“流”来完成生物、物质、信息等空间各组成要素与格局之间相互作用的关系[31].“流”以动态路径带动景观中格局与功能的相互作用，例如海滩景观格局中，除潮汐带来的物质流、能量流及其相关生物流变化这些被视为“外部过程”(格局以外)的“流”(图5)，格局中还存在着“内部过程”(格局以内)的诸多“流”，如沉积物的固定、特殊水土条件变化导致的水文过程、生物或化学过程等等[32].图5也展现了海滩格局内部“流”的路径分析，包括：①水文过程带来的物质流路径，沙滩内受地形地貌影响，汇水单元朝向海洋方向形成一个清晰路径；②沉积物的固定，受重力影响沉积物沉积下渗，在垂直方向上进行运动，最终形成一个固定的过程路径.

图5 海滩中各种形式的“流”

(3)反馈效应

反馈是指机制所在系统某部分发生变化，并且该变化在系统其他部分形成效应链之后，该部分在原发生部分产生的影响[33].反馈效应存在于自变量与目标变量之间，影响与调节格局(A)到功能(B)的效应，生态学认为正反馈刺激着系统机制发生进一步变化，负反馈则为机制运转提供了稳定性.实际上反馈效应是我们理解介入变量的一个方式，它产生于机制运作之中，并且可能改变机制的运作规律.

反馈效应意味着机制本身具有创造新奇、传递新奇和扩散新奇的能力[34]，尤其是复杂过程耦合情况下，机制的内部与外部产生诸多变量，格局在复杂过程的带动下有变化的可能性，能够形成效应链，最终经过过程的传递导向功能，使其发生改变.

4 “空间机制”的应用途径——情景模拟法

“空间机制”的因果模式展开后可以得到确凿的因果链条与可信的过程追踪.但自然科学技术原理向风景园林规划设计语言的转译过程中[35]，这种揭示方法与景观生态规划实践存在错位，简易的叠图逻辑在复杂的空间系统中，难以对机制形成全面的认知.情景化感知图示能够帮助使用者达成认知与空间组构的一致性[36]，能够有效描述机制中的因果关系.结合景观生态规划实践的场地本身，将“空间机制”进行情境化模拟是实现将因果关系准确迁移场地的有效途径.

该方法包括三个步骤：地域化情景表征的因果关系——情景化过程追踪分析——景观功能导向的关键变量情景化分析(表2).

表2 情景模拟法的步骤

在进行情景模拟之前有一个先决条件，首先需要明确该场地的机制所反映的是四类因果模式中的哪一种.具体步骤包括：①代入地域化的情景表征后，对格局特征的因果关系梳理，确定空间格局所关联的生态过程有哪些；②通过情景化过程追踪分析中，明确过程发生的因果顺序、路径和可能存在的反馈效应；③指向景观功能的关键变量，即影响格局与功能之间关系的关键过程是什么，在哪里发生，影响量是多大.通过对整体运转规律的揭示，指向功能，完成空间优化——对空间格局中造成过程产生的景观单元的空间要素再排布.

三个步骤将地域化的情景代入因果模式所反映的具体机制之中，揭示影响格局与功能间相互作用的关键因果关系是什么.以图6为例，地块A处于河道交汇处，河流冲击以及岸线的侵蚀是该格局变化的主要影响因素，主要原因是地表径流，地块B则受地表水体带来岸线侵蚀和径流的沉积物堆积等问题.然而径流并非影响生态过程的唯一因素，地形地貌带来的岸线侵蚀与物质流运移也直接影响了水土保持与水陆交互，图7中A-A与B-B剖切面显示该区域因果模式呈现为“独立多元因果模式”，C-C剖切面则因为养分作用的参与呈现“节制性多元因果模式”.因此第一步通过地域化情景表征分析当地的主要因果关系是径流及其带动的养分过程.第二步过程追踪分析，从源头上理清水文过程的顺序、路径以及相关养分过程造成的局部反馈.第三步，针对该格局的情景化分析，三个节点分别指向景观功能对其的不同需求，完成优化策略.

图6 情景模拟中对地域化情景特征的认知

图7 情景模拟的过程追踪

5 结论

“空间机制”有助于理解和认识景观生态规划所涉及的“格局-过程-功能”相互作用关系与机理，对诸如绿色基础设施规划、生态安全格局构建等实践活动具有重要意义[37].本研究通过科学哲学中因果机制分析方法的引入，明确了“空间机制”概念的内涵与外延，总结了机制所涉及的4类因果模式，以及过程追踪作为展开因果链的重要途径.实践中则通过情景模拟完成“空间机制”从认知向实践的转化，为“空间机制”的系统模拟提供理论依据.

本研究工作尚处于初级阶段，仍需更多实践例证进行支撑佐证.在风景园林学内部也存在着“空间机理/肌理”、“景观机理/肌理”等概念用以解释规划设计中普遍应用的自然规律，“空间机制”与类似概念尚无明确的概念边界.但对“空间机制”或类似概念的探索与认知，正符合风景园林学人通过认知与利用自然界中基本机制达到“仿生”自然生态系统，来实现人类可持续发展的目的[38]，因此规划设计仍需加强对自然界基本机制和运行机理的深入探究.