生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)化導(dǎo)向下城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建研究*
——以濟(jì)南市西部新城為例

肖華斌 施俊婕 盛 碩 劉 瑩 XIAO Huabin, SHI Junjie, SHENG Shuo, LIU Ying

快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程下，我國城市人口日益增加，根據(jù)中國工程院《中國特色新型城鎮(zhèn)化發(fā)展戰(zhàn)略》研究，2033年我國城市人口將會(huì)達(dá)到9.75億[1]。城市無序擴(kuò)張導(dǎo)致一系列生態(tài)環(huán)境問題，如城市熱島效應(yīng)、灰霾霧霾天氣、城市河流黑臭水體、城市內(nèi)澇、生境破碎化等頻發(fā)。作為城市中承擔(dān)生態(tài)功能的重要空間載體，城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施是維持城市生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、緩解城市生態(tài)問題的重要途徑[2]。相比傳統(tǒng)的綠地系統(tǒng)概念，綠色基礎(chǔ)設(shè)施更廣泛地包含一切可以為城市提供供給、調(diào)節(jié)、支持、文化等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的林地、農(nóng)田、水域等自然生態(tài)系統(tǒng)，它既是城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的一部分，也是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要構(gòu)成[3]。綠色基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)揮的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能在促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、提升人居環(huán)境品質(zhì)方面皆有體現(xiàn)。以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提升為切入點(diǎn)構(gòu)建和優(yōu)化城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施，是精明管理城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施、維持城市生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、優(yōu)化人居環(huán)境質(zhì)量的重要手段。

1 綠色基礎(chǔ)設(shè)施與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)

1.1 綠色基礎(chǔ)設(shè)施的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能

綠色基礎(chǔ)設(shè)施（Green Infrastructure，GI）通常定義為一種可以保存自然生態(tài)系統(tǒng)的功能及價(jià)值，并為人類提供一系列生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相互關(guān)聯(lián)的綠地空間網(wǎng)絡(luò)[4]。綠色基礎(chǔ)設(shè)施核心特征包括3方面：組分上由綠色空間組成，形態(tài)上表現(xiàn)為互相聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可為城市提供多重生態(tài)服務(wù)功能[5]。因此，許多研究者將綠色基礎(chǔ)設(shè)施看作生態(tài)途徑下城市空間規(guī)劃的一種策略。

提供多樣化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)揮其生態(tài)價(jià)值和社會(huì)效益的途徑。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指人類從生態(tài)系統(tǒng)所獲得的直接或間接收益和福祉，是人類生存發(fā)展所必須的環(huán)境依托，包含水源涵養(yǎng)、固碳、遺產(chǎn)保護(hù)、美學(xué)感知、身心健康等一系列正向效益。部分城市通過構(gòu)建綠色網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將綠色基礎(chǔ)設(shè)施作為游憩和文化遺產(chǎn)保護(hù)的載體[6]。同時(shí)，城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施可明顯提高人居環(huán)境舒適程度，如通過降低周邊氣溫[7]、凈化空氣污染物[8]來實(shí)現(xiàn)小氣候調(diào)節(jié)，減少哮喘等疾病的發(fā)生[9]。

1.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的權(quán)衡與協(xié)同

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生、分配及被需求主體所使用的過程通過生態(tài)流來實(shí)現(xiàn)[10]，城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施格局破碎化會(huì)導(dǎo)致生態(tài)流中斷，降低其服務(wù)能力，引起生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需總量失衡、空間不匹配、類型不匹配等問題[11]，普遍存在于在快速城市化地區(qū)[12-13]。不同類別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的關(guān)鍵格局及過程不同，追求某些生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可能導(dǎo)致綠色基礎(chǔ)設(shè)施整體服務(wù)能力降低[14]，即生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡。基于此，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可劃分為不同聚類（ES Bundles），聚類內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值具有共現(xiàn)特征，關(guān)鍵源、核心廊道多具有空間一致性[15]。許多研究發(fā)現(xiàn)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給、支持、需求、文化內(nèi)部雖存在部分權(quán)衡關(guān)系，但滿足城市居民需求的部分功能發(fā)揮的關(guān)鍵格局具有空間一致性，供給服務(wù)和其他類別服務(wù)間以權(quán)衡關(guān)系為主，即供給效益高的綠色基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)節(jié)、文化及支持效益會(huì)相對較低；而調(diào)節(jié)服務(wù)高的地區(qū)往往具有較高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型多樣性[16-17]。

圖1 基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)化的GI構(gòu)建途徑

表1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型選取與相應(yīng)構(gòu)建途徑

2 基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)化的綠色基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建途徑

綠色基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建的核心步驟為識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)發(fā)揮的關(guān)鍵源地與源地間重要連接，主要有4種模式：垂直過程疊加、水平過程模擬、基于網(wǎng)絡(luò)分析的圖論分析以及幾何形態(tài)學(xué)分析[18]。景觀安全格局途徑結(jié)合水平及垂直生態(tài)過程分析，是目前綠色基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建中應(yīng)用較為廣泛的方法[19]。然而，該方法下的生態(tài)因子選擇、權(quán)重疊加賦值具有不確定性，現(xiàn)有研究生態(tài)因子廣泛包含了地質(zhì)災(zāi)害、水文調(diào)節(jié)、動(dòng)植物棲息地、文化遺產(chǎn)保護(hù)等多方面，但并未考慮諸多因子間權(quán)衡或協(xié)同關(guān)系，忽視了各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的功能優(yōu)化和結(jié)構(gòu)平衡。

本文從供給、支持、調(diào)節(jié)、文化4類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能出發(fā)，選取類別內(nèi)與城市生態(tài)、人類活動(dòng)息息相關(guān)的表征因子，在識(shí)別其各自生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)源的基礎(chǔ)上，基于景觀生態(tài)安全格局理論，構(gòu)建維持4類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的關(guān)鍵格局。同時(shí)，考慮建成區(qū)內(nèi)部及城郊地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)核心功能差異，分別賦予其不同權(quán)重，提升城市建成區(qū)內(nèi)部破碎斑塊的文化、調(diào)節(jié)功能，維持城郊地區(qū)大面積生態(tài)斑塊的供給、支持和調(diào)節(jié)功能（圖1，表1）。

圖2 西部新城水系分布圖

圖3 西部新城土地利用現(xiàn)狀圖

表2 水文調(diào)節(jié)安全格局劃定依據(jù)

3 濟(jì)南市西部新城區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

濟(jì)南市西部新城（以下簡稱“西部新城”）位于濟(jì)南市西北部，總面積約450 km2。區(qū)域內(nèi)有黃河、玉符河等多條自然水系及玉清湖水庫、崮云湖水庫2處水庫（圖2）。地勢南高北低，北部地勢平坦，以城市建設(shè)用地為主，南部丘陵地區(qū)坡度較大，植被覆蓋度較高。西部新城人文景觀以歷史文物為主，受城市建設(shè)、人為破壞等影響，大部分人文景觀破壞較為嚴(yán)重。2002年起，西部新城城市建設(shè)用地面積持續(xù)擴(kuò)張，生態(tài)空間被不同程度地侵占，城市生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)持續(xù)上升。

本文采取landsat8 OLI_TIRS第35條帶第122列中云量少、植被情況明顯的數(shù)字衛(wèi)星影像作為數(shù)據(jù)源。基于ENVI 5.1軟件，在選擇純度較高、分離性好的訓(xùn)練樣本基礎(chǔ)上，利用最大似然法將遙感影像分為城市建設(shè)用地、耕地、密林、疏林草地、水域及裸地6類（圖3），可滿足生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)源識(shí)別、綠色基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建及優(yōu)化的需求。

4 單一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型的西部新城綠色基礎(chǔ)設(shè)施

本文從供給、支持、調(diào)節(jié)、文化4個(gè)方面，選取各類別內(nèi)與城市生態(tài)穩(wěn)態(tài)、居民福祉提升緊密相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作為代表，依據(jù)景觀生態(tài)學(xué)中“生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)—過程—功能—服務(wù)”理論，模擬西部新城供給、支持、調(diào)節(jié)和文化4類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的空間，判別對各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流具有關(guān)鍵意義的景觀元素、空間位置及空間聯(lián)系，構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能優(yōu)化導(dǎo)向下的綠色基礎(chǔ)設(shè)施，并劃分為底線（嚴(yán)格控制）、滿意（彈性控制）、理想（結(jié)合用地適宜性評價(jià)有條件開發(fā)）3層次的GI格局。

4.1 供給服務(wù)優(yōu)化導(dǎo)向下的綠色基礎(chǔ)設(shè)施

西部新城內(nèi)大型綠色斑塊主要分布于城市近郊，其中林地、灌草地很少承擔(dān)物料生產(chǎn)、畜牧等功能，整體供給服務(wù)能力較弱。除黃河和玉清湖水庫承擔(dān)飲用水供給蓄存功能外，大部分生態(tài)空間并非濟(jì)南市物料及水資源核心供給區(qū)。供給服務(wù)功能流受人為管理、運(yùn)輸?shù)纫蛩赜绊戄^大，模擬較為困難。因此，進(jìn)行供給服務(wù)關(guān)鍵格局識(shí)別時(shí)，采用謝高地對生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)價(jià)值量評估量表[20]進(jìn)行評估。識(shí)別5 hm2以上的農(nóng)田、水域?yàn)樯鷳B(tài)源地（圖4），劃定其為底線格局，劃定林地為滿意格局，疏林草地等其他生態(tài)要素占據(jù)的空間為理想格局。同時(shí)依照對黃河干流、玉清湖水庫2處一級水源保護(hù)區(qū)周圍200 m內(nèi)區(qū)域進(jìn)行嚴(yán)格建設(shè)控制，得到多層次供給服務(wù)優(yōu)化導(dǎo)向下的綠色基礎(chǔ)設(shè)施（圖5）。

4.2 調(diào)節(jié)服務(wù)優(yōu)化導(dǎo)向下的綠色基礎(chǔ)設(shè)施

水文調(diào)節(jié)、熱島緩解與維持城市生態(tài)系統(tǒng)平衡、提升城市環(huán)境舒適度息息相關(guān)。分別識(shí)別2類功能生態(tài)源地（圖6），構(gòu)建調(diào)節(jié)服務(wù)優(yōu)化導(dǎo)向下的綠色基礎(chǔ)設(shè)施。在水文調(diào)節(jié)服務(wù)方面，識(shí)別區(qū)域內(nèi)主要河道、水庫為生態(tài)源地，沿河周邊林地、草地為潛在調(diào)蓄區(qū)，結(jié)合研究區(qū)域高程、坡度及用地現(xiàn)狀，多層次調(diào)節(jié)服務(wù)優(yōu)化導(dǎo)向下的綠色基礎(chǔ)設(shè)施（表2）。由于研究區(qū)域內(nèi)南水北調(diào)干渠以輸送清潔水源為主，在構(gòu)建水文調(diào)節(jié)安全格局時(shí)不考慮其調(diào)蓄功能。

由西部新城夏季地表溫度反演結(jié)果分析得出（圖7），研究區(qū)域內(nèi)平均地表溫度為32.2℃，極高與極低溫差達(dá)到26.4℃。強(qiáng)熱島空間集中分布在工業(yè)聚集區(qū)，研究區(qū)域內(nèi)水域、植被覆蓋區(qū)域溫度較低，形成冷島空間。熱島效應(yīng)緩解格局構(gòu)建以冷島空間為生態(tài)源地，依照不同用地類型對空氣流動(dòng)阻滯程度確定阻力系數(shù)，建立冷空氣流動(dòng)最小累積阻力模型。從底線、滿意、理想3個(gè)層面構(gòu)建滿足熱島效應(yīng)緩解需求的安全格局，同時(shí)保留城市建成區(qū)內(nèi)部綠色斑塊，以調(diào)節(jié)城市小氣候（圖8）。

4.3 支持服務(wù)優(yōu)化導(dǎo)向下的綠色基礎(chǔ)設(shè)施

綠色基礎(chǔ)設(shè)施破碎度增加、連接度降低、邊緣效應(yīng)變化等干擾都會(huì)影響到其支持服務(wù)，導(dǎo)致生物多樣性降低。通過選擇敏感性指示物種，構(gòu)建其安全格局，可作為支持服務(wù)優(yōu)化導(dǎo)向下的綠色基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建依據(jù)。

本文選取東方白鶴和黃鼬作為指示物種（表3），將識(shí)別出的連貫的農(nóng)田、灌草叢片區(qū)、大面積水域濕地作為生態(tài)源地（圖9），以及灘涂、林地及自然灌草叢為主邊緣區(qū)。邊緣區(qū)寬度劃定參照朱強(qiáng)等人對景觀規(guī)劃中生態(tài)廊道寬度[21]的研究，側(cè)重對大規(guī)模城市建成區(qū)500 m以外地帶的保護(hù)，突出郊野地區(qū)的生態(tài)功能，消減人類活動(dòng)及邊緣效應(yīng)帶來的干擾。

圖6 調(diào)節(jié)服務(wù)生態(tài)源地識(shí)別

圖7 熱島強(qiáng)度空間分布識(shí)別

圖8 調(diào)節(jié)服務(wù)優(yōu)化導(dǎo)向下的綠色基礎(chǔ)設(shè)施

圖9 支持服務(wù)生態(tài)源地識(shí)

表3 指示物種特征及棲息地保護(hù)需求

東方白鶴覓食時(shí)對水邊灌草叢有較高的依賴性，在識(shí)別其源地（距離大型水庫、坑塘等200 m內(nèi)的林地與灌草叢）的基礎(chǔ)上，基于最小累積阻力模型，模擬不同的土地利用類型對其從源向外擴(kuò)散過程中產(chǎn)生的阻力，確定安全格局。針對黃鼬棲息地保護(hù)需求，具體構(gòu)建底線、滿意、理想3個(gè)層級棲息地保護(hù)格局標(biāo)準(zhǔn)。等權(quán)重疊加2種指示物種棲息地保護(hù)格局，得到西部新城支持服務(wù)優(yōu)化導(dǎo)向下的綠色基礎(chǔ)設(shè)施（圖10）。

4.4 文化服務(wù)優(yōu)化導(dǎo)向下的綠色基礎(chǔ)設(shè)施

保護(hù)西部新城的歷史遺產(chǎn)、特色景觀是發(fā)揮綠色基礎(chǔ)設(shè)施生態(tài)系統(tǒng)文化服務(wù)的重要條件。識(shí)別研究區(qū)域內(nèi)歷史遺產(chǎn)、山體、濕地、城市綠地等要素的文化服務(wù)源地（圖11），以滿足歷史遺產(chǎn)保護(hù)、特色景觀保護(hù)、人居環(huán)境提升的文化服務(wù)安全格局目標(biāo)（表4，圖12）。

5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)化導(dǎo)向下西部新城綠色基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建

綠色基礎(chǔ)設(shè)施在空間分布、規(guī)模面積、功能質(zhì)量等方面存在城鄉(xiāng)范圍內(nèi)區(qū)域差異[22]，城市建成區(qū)內(nèi)部綠色斑塊破碎度高，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大，以發(fā)揮游憩、美學(xué)及小氣候調(diào)節(jié)等調(diào)節(jié)和文化功能為主；而城郊區(qū)域綠色網(wǎng)絡(luò)連接度高，斑塊面積大，可以發(fā)揮生態(tài)保育、糧食生產(chǎn)、水文調(diào)節(jié)等生態(tài)系統(tǒng)供給和支持服務(wù)功能。結(jié)合單一類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型的綠色基礎(chǔ)設(shè)施格局，對西部新城城市建成區(qū)內(nèi)部、城郊地帶賦予不同的權(quán)重（表5），滿足城市建成區(qū)內(nèi)部對文化和調(diào)節(jié)功能的需求，突出城郊地帶供給和支持功能。

圖10 支持服務(wù)優(yōu)化導(dǎo)向下的綠色基礎(chǔ)設(shè)施

圖11 文化服務(wù)生態(tài)源地識(shí)別

圖12 文化服務(wù)優(yōu)化導(dǎo)向下的綠色基礎(chǔ)設(shè)施

圖13 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)化導(dǎo)向下西部新城綠色基礎(chǔ)設(shè)施

疊加單一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)化導(dǎo)向的綠色基礎(chǔ)設(shè)施，整合破碎斑塊、孔洞，以增加生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，易于規(guī)劃控制。構(gòu)建3層級安全水平的綠色基礎(chǔ)設(shè)施格局，其中底線格局面積52.11 km2，占總面積的11.9%；適宜格局（包含底線格局）面積168.59 km2，占總面積的38.5%；理想格局（包含適宜格局）面積286.38 km2，占總面積的65.4%（圖13）。將具有底線安全水平的綠色基礎(chǔ)設(shè)施作為西部新城綠色骨架及城市擴(kuò)張剛性底線，具有理想安全水平的綠色基礎(chǔ)設(shè)施作為城市發(fā)展彈性邊界，維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)安全，為城市居民提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。西部新城生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)源地集中于西北側(cè)沿黃地帶、南側(cè)丘陵地帶及北大沙河、玉符河生態(tài)廊道周邊。結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)化導(dǎo)向下的綠色基礎(chǔ)設(shè)施，沿黃河、北大沙河及玉符河構(gòu)建3條生態(tài)廊道，劃定農(nóng)林供給服務(wù)區(qū)、濕地支持服務(wù)區(qū)、城市文化服務(wù)區(qū)和丘陵調(diào)節(jié)服務(wù)區(qū)為重點(diǎn)保護(hù)片區(qū)。

表4 文化服務(wù)安全格局保護(hù)目標(biāo)與景觀特征

表5 城市建成區(qū)內(nèi)部、城郊地帶單因子格局權(quán)重賦值

6 結(jié)語

綠色基礎(chǔ)設(shè)施是城市增長剛性控制、彈性精明管理的重要手段，其功能主要通過提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)來體現(xiàn)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生機(jī)制多樣，各類服務(wù)間邏輯關(guān)系復(fù)雜，將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能納入城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建尚處于探索階段。本文嘗試從供給、需求、支持、文化4類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)出發(fā)，構(gòu)建其各自功能發(fā)揮的安全格局。在進(jìn)行綠色基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建時(shí)，分別對建成區(qū)內(nèi)部空間、城郊地帶進(jìn)行因子疊加，突出建成區(qū)內(nèi)部破碎綠地的人居環(huán)境優(yōu)化、歷史遺存保護(hù)的功能，保護(hù)城郊地帶耕地、水域的生產(chǎn)和調(diào)節(jié)功能，為濟(jì)南市西部新城劃定城市增長邊界、優(yōu)化生態(tài)空間提供依據(jù)。