doi: 10.13209/j.0479-8023.2022.049
国家自然科学基金(51678002)资助
北京大学学报(自然科学版) 第58卷 第5期 2022年9月
Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 58, No. 5 (Sept. 2022)
收稿日期: 2021-10-12;
修回日期: 2022-04-28
摘要 为解决现有研究中评价体系缺乏生态学理论支撑, 缺乏针对场地设计尺度的水景观综合绩效评估, 在框架或指标的选取上完整性、典型性和可获得性不足等问题, 充分梳理景观绩效评价的 4 种体系, 探讨水生态系统服务的相关理论, 识别水生态系统服务类别及要素, 阐明水生态系统服务与景观绩效评价的逻辑关系。以水生态系统服务理论为理论依据, 结合国际景观绩效相关评价体系及指标, 构建一套兼具科学性与可操作性的水景观综合绩效评价指标体系, 共包含 5 类项目层、10 类准则层和 28 个指标项。研究结果可为水景观设计师优化设计策略提供科学依据。
关键词 水生态系统服务; 综合绩效; 设计生态学; 评价体系
随着城市建设与生态环境间矛盾的日益加剧, 可持续发展、优化人居环境等理念深入人心。通过人工设计生态关系, 修复、重建甚至创造基于自然的生态系统成为人居环境科学探讨的重要议题之一。其中, 具有基于自然的、以综合生态系统服务为导向的、科学与艺术完美结合的水景观设计越来越受重视。量化这些设计的生态、经济和社会价值变得十分重要, 需要充足的依据来指导未来的设计。同时, 对水景观综合绩效的评价也是景观设计学走向循证科学的必要途径[1]。
美国景观设计基金会(Landscape Architecture Foundation, LAF)、美国绿色建筑协会(US Green Building Council, USGBC)以及相关组织在在可持续发展、高质量发展等思潮下先后建立 POE (post occupancy evaluation), LEED (Leadership in Energy and Environmental Design), SITES (Sustainable Sites Initiative)和 LPS (Landscape Performance Series)评价体系, 并据此开展一系列实践活动[2–5]。沈洁等[6]参考美国风景园林基金会发布的 65 个已建成水景观绩效评价案例, 针对项目的规模、类型、评价指标和方法等进行统计分析, 建立针对场地设计尺度且符合我国国情的水景观绩效评价体系。罗毅等[1]将现行的景观绩效度量指标与生态系统服务指标、LEED-ND 指标、SITES 指标以及建筑绩效指标进行比较, 为改进景观绩效度量指标提出建议, 同时检验景观绩效评估中使用方法的可靠性和有效性。王云才等[7]针对现有景观评价体系无法适用于多尺度和多功能特性的景观空间绩效评价问题, 以生态系统服务理论为依据, 建立三大类 12 项评价准则和 33 项绩效指标的景观空间综合绩效评价指标体系。此外, 俞孔坚[8]、郝晟等[9]、吴宜洁等[10]和邓晔也等[11]针对若干人工设计生态系统, 开展一系列景观绩效研究, 取得大量实践成果。
总的来说, 国内外关于景观绩效的研究致力于关注水景观在生态、经济和社会方面的多重效应, 有少量研究者基于生态系统服务开展对景观绩效的研究。然而, 现有研究存在诸多问题, 如缺乏生态系统服务理论对景观绩效评估框架的机理解释, 缺乏针对场地设计尺度的综合绩效评估体系, 框架或指标选取的完整性、典型性和可获得性均不足等。针对这些问题, 本研究紧紧围绕水景观设计如何提升生态系统服务价值这一核心目的, 探讨水生态系统服务的理论, 介绍国内外景观绩效评价体系的发展历程和内涵, 进而阐释生态系统服务与景观绩效的关系。在此基础上, 提出水景观综合绩效评价框架以及指标体系, 以期为设计师进一步优化设计策略提供参考依据。
水生态系统是地球表面各类水域生态系统的总称, 是生态系统的重要组成类型。水生态系统具有服务功能, 即人类通过采集、开发和治理等方式从水生态系统中获得收益, 它是人类从水生态系统获得的所有福祉[12]。对水生态系统的研究大致分为 3个阶段。
1)起步阶段。在 20 世纪 60 年代首次提出生态系统服务这一概念[13]。到 20 世纪 70 年代初, SCEP (Study of Critical Environmental Problems)[14]提出生态系统服务功能的理念, 论述生态系统对人类生态资源环境的服务功能, 包括调节气候和养分循环等, 对水生态系统服务研究具有里程碑式的意义。
2)初级阶段。一些发达国家和国际机构进行大量的研究, 提出全球生态系统公共服务功能、自然服务功能等理论, Ehrlich 等[15]将其确定为生态系统服务。关于生态系统服务的分类, 目前应用最广泛的是 2005 年联合国环境规划署发布的千年生态系统评估(millennium ecosystem assessment, MA)报告[16]提出的分类方法, 将其分为供给、调节、文化和支持服务 4 类。在国内, 2004 年欧阳志云等[17]参考 MA 的分类框架, 将水生态系统服务价值的直接价值视为提供产品价值, 将间接价值分为调节服务价值、支持服务价值和文化服务价值。
3)深入发展阶段。2005 年之后, 相关机构在生态环境价值体系以及评价方法上取得一些重大的突破。2012 年, Muller 等[18]采用 DPSIR 模型, 将经济社会等要素纳入生态系统服务评价体系, 重点关注其相互作用。2018 年, Czúcz 等[19]注意到 MA 框架存在重复计算问题, 构建部门–分类–组别–类别的CICES 框架结构。
综上所述, 水生态系统服务的评价指标体系不断优化, 评价模型研究发展迅猛, 为景观绩效评估框架及指标体系提供了坚实的理论基础。
水生态系统类型有不同的形态结构, 一般包括河流生态系统(山区河流和平原河流)、湖泊生态系统、水库生态系统、陂塘生态系统、水田生态系统(根据地形和土壤类型, 分为低洼水田、平原水田和梯田3类)以及沟渠生态系统。
根据 MA 的分类, 对水生态系统按供给服务、调节服务、文化服务及支持服务四大类进行分类 研究。
1)供给服务: 水生态系统为人类提供直接或间接的产品服务。生产者、消费者及分解者提供直接产品服务, 包括植物资源(可用做燃料、药材、食物或加工燃料)、动物资源(水产品和底栖动物)和微生物资源(浮游生物和细菌)[20]; 非生物环境则提供水资源和生产原料, 间接提供运输服务(河流和湖泊)和水力发电服务(水库及山区河流)。
2)调节服务: 从水生态系统调节过程中获得的各种收益, 包括生物环境调节以及非生物环境调节。其中, 生物环境调节主要体现在水质净化(水体生物吸收化学物质, 实现污染物迁移转化达到净化效果)、水土保持(植物资源实现对水土的保持)和调节气候(水面蒸发增湿降温、植物固氮释氧)等方面; 非生物环境调节体现在水文调节(削减洪峰、滞后洪水)、防洪减灾(防洪工程对人类的安全保障)和空气净化(蒸腾作用增加空气湿度和负离子, 并吸收粉尘)等方面。
3)文化服务, 包括审美启智、休闲游憩、历史文化传承和科普教育等服务[16]。自然生态系统是科学文化艺术灵感的源泉, 为教育及科学研究提供巨大的潜力, 在陶冶情操、丰富思维和开拓视野等方面发挥着不可替代的间接作用。
4)支持服务: 所有其他生态系统服务的生产所必需的服务, 包括元素循环(通过生态过程促使生物与非生物环境之间进行元素、水分和养分的循环)、土壤形成(植被生态系统可以减少土壤侵蚀)和初级生产(植物的光合作用实现有机生产和物质的积累)[21]。与供应、调节和文化服务的区别在于, 它们对人的影响是间接的, 或者是长期的。
绩效一词来源于生产管理领域, 是对生产效益的度量。普遍认为, 城市规划与设计领域的绩效评价可追溯至 1943 年《度量城市活动: 针对建议的评价管理标准之调查》[22]的发表。一个优秀的设计项目带来的效益是综合的, 是对生态系统服务能力的增强与提升。在设计过程中, 如果能够量化这些设计的生态、经济和社会价值, 对景观设计学科中循证设计的发展至关重要。景观绩效(landscape performance)这一概念最早见于 2010 年美国景观设计基金会(LAF)的景观绩效系列研究计划(LPS)。LPS 将其定义为“衡量景观解决方案在实现其预设目标的同时, 满足可持续性方面的效率的度量”[2]。它的理论构架建立在可持续发展的三要素上, 将在环境、经济和社会三方面获得的效益作为该项目的景观绩效[23–24]。
为收集科学的证据来支撑设计, 推进可持续景观设计的发展, 建筑和景观设计相关领域的组织提出许多景观绩效量化评价体系。目前, 影响力最大的评价体系有 4 种(表 1)。1)POE[5]: 兴起于 20 世纪 60 年代的建筑学领域, 从使用者满意度视角反馈设计方案的绩效评估。2)社区开发项目绿色能源与环境先锋认证(LEED-ND)[3]: 针对社区规划建设的可持续发展特征进行评价, 在评价项目可持续特征方面, 主要侧重环境效益和社会效益, 注重社区外延以及公共参与。3)可持续场地倡议(SITES)[4]: 关注场地的景观属性和建筑物与景观的集成, 以资源集约、生态修复、雨洪管理和调节气候等环境效益为主, 兼顾社会和经济效益。4)景观绩效系列(LPS)[2]: 提出“景观绩效”的概念, 构建一个开放性的景观绩效的可持续特征度量体系。
基于不同体系的评价因子研究结果表明, 虽然与景观绩效相关的 4 个评价体系框架不同, 但由于互相之间各有借鉴, 所以主要的评价对象与评价因子具有相似性。生态效益的因子主要类别集中在土地利用、水、栖息地、碳、能源及材料利用方面, 社会效益以游憩、宣传教育和灵感启迪等因子为主要研究方向, 目前对经济方面的研究较少。
生态系统服务(ecosystem services)是人类从生态系统获得的所有福祉[25]。景观是由植被、土壤、地形和水文等多要素构成的地表综合体, 是相互作用的生态系统的异质性镶嵌体[26]。生态系统是构成景观的重要功能单元, 生态系统服务是景观绩效评价的重要理论基础, 景观中的生态系统服务功能是景观绩效的重要组成部分。景观是包含自然景观与人文景观及其所处空间环境的整体人文生态系统。景观绩效中核心的价值评估是对景观提供的生态系统服务功能进行评价[27]。
表1 POE, LEED-ND, SITES和LPS评价体系特点
Table 1 Features of POE, LEED-ND, SITES, and LPS evaluation system
评价体系 提出年代评估属性 评估机制 评估内容 POE20世纪60年代末回顾性主观反馈式侧重使用者需求, 评估内容以社会效益为主[5] LEED-ND20世纪90年代末预估性等级评定的前馈式关注项目的区域环境和全生命周期[3] SITES21世纪初预估性等级评定的前馈式偏重环境效益, 兼顾社会效益, 关注项目的全生命周期[4] LPS21世纪10年代回顾性反馈式评估环境、社会和经济的综合效益[2]
1)生态系统服务能够揭示和表达景观功能。从生态系统服务的角度切入, 对景观进行解构, 能够清晰地反映景观的功能性。景观功能可以通过景观空间的结构以及镶嵌在结构之中的生态系统过程和功能进行体现, 景观多功能性的物质基础是生态系统服务的多样性[28]。参照生态系统服务的分类, 将景观服务功能划分为景观生产功能、景观调节功能、景观维持生境功能和景观信息功能[29]。
2)生态系统服务评价体系可以作为景观绩效指标评价的基础。对生态系统服务指标的科学量化能够系统性地评估由景观设计改变的生态系统服务价值[7]。本文依据生态系统服务分类方法的基本框架构建景观绩效评价指标体系框架。在景观绩效的逻辑框架下, 生态系统的供给服务、调节服务、支持服务和文化服务可优化为景观生产服务、景观调节服务、景观维持生境服务、景观信息服务以及景观经济服务 5种类型。生态系统服务产生的直接或间接价值为景观绩效的科学系统评价提供了量化途径, 能够反映提供生态系统服务的景观服务水平。
2.2.1框架研究
为了完善景观绩效的指标评价体系, 提出更加科学系统的景观综合绩效框架。本研究基于生态系统服务的体系框架(供给、调节、支持和文化服务)、LPS 评价体系(环境、经济和社会)和人类需求3 个层次(安全、物质和精神)构建景观综合绩效评价框架。
尽管生态系统服务的 4 种类型与景观生产、调节、维持生境和信息服务 4 种类型可一一对应, 但来自生态系统服务的绩效只是景观综合绩效的子集而非全部, 更多的非生态因素(如经济和社会)对福祉的影响更大。人类福祉既依赖生态系统服务, 也依赖社会资本的供应及其质量状况技术条件和人类制度[30]。因此, 需要将景观经济方面的服务价值纳入景观绩效评估体系。
景观绩效评价四大体系互有借鉴, 评价框架的侧重点和组织方式有所不同。POE 的评价框架中更关注使用者的心理感受; LEED-ND 和 SITES 更注重设计项目初期阶段的评估; LPS 则侧重景观项目的建成和使用后。POE 评价框架随建筑或场地的功能需求不同而因地制宜; LEED-ND 依据不同尺度(区域、社区和建筑)来组织; SITES 根据项目的生命周期(选址、概念设计、设计、建造和使用)而组织; LPS 则从可持续三角——环境、经济和社会 3 个方面综合评价景观绩效。
2.2.2指标筛选
在景观综合绩效的指标选取方面应充分考虑全面性与完整性, 能够全面覆盖各类水景观提供的各项功能。核心指标选取具有较好的典型性, 应尽量选择有代表性的服务指标。当指标的含义存在重复或是包含于其他指标的价值之内时, 应进行删除或调整。单项指标计算所需数据具有可获得性, 指标体系选用的指标应考虑现有科学技术水平、规程规范和实际工作中资料能否满足定量化过程。
LEED-ND, SITES 和 LPS 在生态环境效益方面选择的指标不同, 但都涉及土壤保护, 栖息地修复、水环境质量、节水和防洪等方面。在社会效益方面, 都以游憩和人类健康等因子为主。在经济方面, LPS 体系有较多关注, 主要涉及房产价值提升、建造运行维护费用节约和创造就业机会等内容。POE 评价指标的主观性较强, 关注使用者感受的指标, 相关的方法可作为景观综合绩效中信息服务评价的依据。生态系统服务评价体系则重点关注粮食原材料的供应、环境质量的调节、人类健康和审美娱乐等与人类自身福祉提升息息相关的内容。
为了综合评价景观设计对生态系统服务提升的绩效, 并试图将景观的服务功能与人类福祉提升对应, 本研究基于生态系统服务的四大类型, 并参考LAF 对景观绩效指标的分类(环境、经济和社会 3类), 将综合绩效归纳为相对应的 5 类: 在综合绩效的框架下, 将评价体系生态系统的供给服务、调节服务、支持服务和文化服务对应为景观生产服务、景观调节服务、景观维持生境服务和景观信息服务, 将 LPS 体系中的经济指标归结为景观经济服务。在每个绩效类型下, 根据各个评价准则, 选择具体的绩效指标, 用来评价 5 种维度在提供各类景观服务过程中的综合绩效。
相应地, 基于人类的 3 个需求层次(安全、物质和精神)[31], 景观所提供的生态系统服务可依次分为生态安全保障服务、物质产品生产服务和景观文化承载服务, 因此在这个逻辑上景观提供的 3 种递进服务可以通过景观的 5 个递进维度来体现。参考现有的空间绩效的细化指标(LEED, SITES 和 LAF)研究成果, 加入一些反映乡土景观特征与功能以及生态毒性削减效果方面的典型性指标, 使景观空间绩效的分析更为合理和全面。同时, 景观绩效指标体系参照 POE 中关于使用者感受相关指标, 并灵活运用其在数据获取中的陈述式、调查式和诊断式方法。相关指标的选取充分考虑研究的可行性和数据的可获得性, 从而构建一个兼具科学性与可操作性的景观综合绩效评价指标体系, 包含 5 类项目层、10 类准则层和 28 个指标项(表 2)。
景观综合绩效评价指标体系具体描述如下。
1)景观维持生境服务。景观提供的维持生境服务体现景观对健康生态系统的构建和维护。这个大类参考生态系统服务中关于支持服务的相关内容, 选取可量化的土壤保护以及物质循环两项指标。同时引入LEED-ND和SITES体系中关于场地选址的指标, 从而完善景观设计在场地尺度内关于生境的构建。具体包括场地构建、物质循环和栖息地保护三部分内容7小类指标。
2)景观调节服务。用以体现水景观具有消化外界干扰的韧性[16]。生态系统内部具有自我调节能力, 其结构越复杂, 物种数越多, 自我调节能力越强。在生态系统服务的框架下构建此项目层, 同时引入 LPS 中关于生态环境的相关要素指标, 加入与人类健康或人体感受密切相关的环境健康评价指标, 构建景观调节服务这个大类。具体包括景观所提供的稳定生态环境以及环境健康服务两部分内容5 小类指标。
表2 景观绩效指标体系
Table 2 Landscape performance indicator system
目标层项目层准则层指标层指标说明文献 基于生态系统服务的景观综合绩效景观维持生境服务场地构建选址合理性选择棕地或荒地作为开发用地, 选择非机动车和公共交通的场地[3] 土壤保护制定并传达土壤管理计划, 保留健康土壤和适当植被 物质循环碳、氮循环固碳、氮能力[16] 氧循环释氧能力 栖息地保护种群及物种多样性生态系统类型在景观中所占比例, 由丰富度、均匀度和优势度组成[2] 栖息地创建保护和恢复生物栖息环境的多样性, 保留并恢复本地动植物群落 景观调节服务生态环境环境质量大气、水、土壤环境质量等[16] 改善小气候效益景观对于温度、湿度和风速等的影响, 乡土植物使用的生态效益 水资源蓄积调节雨洪管理, 改变水的空间分布特征[2] 环境健康人类疾病爆发率与生态环境相关的疾病爆发概率[16] 生态毒性削减率水、大气中有害物质的急性毒性、遗传毒性的风险削减效果[32] 景观供给服务—食品作物产量粮食、蔬菜、水产品等[16] 加工原料各种生产要素(如肥料、饲料、造纸、纤维等)原材料 水资源水资源供给 景观信息服务历史文化传承文化遗产保留度当地历史文化遗产、习俗和技艺等的保留程度[2] 因地制宜乡土材料使用率在建设过程中使用乡土材料、植物的比例[2] 历史建筑完整度对传统建筑的保留完好程度[7] 主观认知使用者满意度景观可以给游人带来的物质满足和心理感受[5] 景观视觉效果景观是否符合大众审美[16] 旅游休闲宣教效益景观空间作为休闲场所与教育基地所带来的效益[16] 心理治疗/精神价值景观带给使用者心理感受以及智慧启迪[2] 景观经济服务—旅游收入景观旅游所带来的经济增长量[2] 就业人数增长率景观空间的设计、建造以及后期的维护管理所创造的就业机会 房产价值景观提升对土地价值的提升 节约建造运行与维护费用就地取材、废物利用以及节能所带来的价值[4]
3)景观供给服务。用以体现景观对人类生产生活所必要的基本资源与物质的提供。依据生态系统服务中关于供给服务的相关内容, 构建景观生产服务大类。由于更多地关注场地尺度景观所提供的服务, 因此对生态系统供给服务中提供的运输和发电等服务不予考虑。景观提供的具体服务包括食物作物产量、加工原料、水资源三小类指标。
4)景观信息服务。景观提供的景观信息服务体现生态系统的文化功能, 主要指生态系统因其独特的组成或结构而使人类从中获得的非物质效益。以生态系统服务中文化服务作为框架, 同时引入POE 中关于使用者评价的相关指标及评价方法构建景观信息服务大类。提供的具体服务包括历史文化传承、因地制宜发展和主观认识三部分内容 9 小类指标。
5)景观经济服务。景观经济服务体现景观服务相关的货币收益, 弥补了生态系统服务中缺乏的非生态因素。依据 LSP 和 SITES 中经济价值的相关指标, 构建景观经济服务大类。其中, 针对建成后水景观项目的运行维护成本往往被忽视, 应纳入景观经济服务中的重点考虑指标。包括旅游收入、就业人数增长率、房产价值、节约建造运行与维护费用四小类指标。
本研究针对现有景观绩效评估框架存在的问题, 阐明景观绩效评估研究的重要性, 创新性地提出基于水生态系统服务理论的水景观综合绩效评估体系。
本文对比研究生态系统服务理论和国际景观绩效评估研究演进中涌现的 4 种体系(POE, LEED, SITES 和 LPS)的发展历程, 总结各体系的主要特点及适用性。在评估属性方面, POE 和 LPS 属于回顾性评价, LEED-ND 和 SITES 属于预估性评价。在评估内容方面, POE 侧重使用者需求, LEED-ND 和SITES 的评估内容偏重环境效益, 同时关注项目的全生命周期, 经济效益体现不明显。LPS 则旨在评估环境、社会和经济的综合效益。同时, 4 种体系主要的评价对象和评价因子具有相似性。
本文阐释水生态系统服务理论支持水景观绩效评估框架的机理, 揭示了生态系统服务能够揭示和表达景观功能与评价体系可以作为景观绩效指标评价基础之间的内在逻辑关系。
在设计生态学视角下, 本文构建了一个兼具科学性与可操作性的水景观综合绩效评价框架以及指标体系。在综合绩效的框架下, 以景观生产服务、景观调节服务、景观维持生境服务、景观信息服务和景观经济服务为景观提供五大类基本服务的项目层。在指标的选取上, 参考相关研究成果进行优化, 共包含 10 类准则层和 28 个指标项。
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Comprehensive Performance Evaluation Framework of Water Landscape with the Orientation of Water Eco-system Service
Abstract The existing landscape performance evaluation research has problems such as the lack of ecological theory support in the evaluation system, the lack of comprehensive performance evaluation of water landscape according to the scale of site design, the completeness of the selection of framework or indicators, and the lack of typicality and availability. Therefore, the authors fully combed the four existing systems of landscape performance evaluation. At the same time, the related theories of water ecosystem services were studied, the types and elements of water ecosystem services were identified, and then the logical relationship between water ecosystem services and landscape performance evaluation were clarified. Based on the water ecosystem service theory, combined with the relevant international landscape performance evaluation system and indicators, the authors built a scientific and operable comprehensive performance evaluation index system for water landscapes, including 5 types of project layers, 10 types of criteria layers and 28 indicators. The relevant results are expected to provide a basis for the optimization of design strategies for water landscape designers.
Key words water ecosystem services; comprehensive performance; design ecology; evaluation system