基于生態服務-生態健康綜合評估的城市生態保護規劃研究

吳遠翔

陸 明

金 華

潘曉鈺

黨的十九大報告指明了建設生態文明的整體方向和實施路徑，并把“加大生態系統保護力度”作為生態建設的4個工作重點之一。習近平總書記提出：“堅持節約資源和保護環境的基本國策，像對待生命一樣對待生態環境，實行最嚴格的生態環境保護制度”，說明中國的生態保護工作已迫在眉睫且意義重大。

在國土尺度和區域尺度的宏觀層面上，通過不斷的探索與實踐，中央出臺了一系列法規與

政策，有力保證了生態保護工作的順利進行。2015年由環保部和中科院聯合印發的《全國生態功能區劃(修編版)》，標志著我國的生態保護工作由定性保護開始向定量保護發展。2015年環保部在前幾版文件試行的基礎上推出了《生態保護紅線劃定技術指南》，作為生態保護區空間劃定的綱領性文件，確定了以重要功能區、敏感脆弱區和生物多樣性保護區作為我國生態保護的重點區域[1]。城市尺度上，住房和城鄉建設部于2016年推出了《國家園林城市系列指標》，對城市的生態環境和綠地系統規定了一系列用于管控的量化指標，但對于城市綠地的生態職能和保護空間劃定并沒有具體說明。

由于生態保護觀念淡漠，在我國城市快速擴張過程中，對原有生態格局造成了較為嚴重的破壞[1]，導致城市建成區生態功能退化、生態安全出現危機[2]。在城市新區和城市擴張區，這種生態保護與開發建設間的矛盾表現得尤為尖銳。由于缺少對生態空間功能與服務價值的準確判斷，出現了許多盲目開發和盲目保護的情況，如何對地區生態資源進行科學識別和準確劃分，是生態保護規劃工作的關鍵。

對于生態系統服務的研究，在1997年學者Constanza[3]和歐盟2005MEA(Millennium Ecosystems Assessment)的推動下取得了豐碩的成果，并在近10年與地理學、林學和風景園林等應用學科進行了大量學科交叉研究。從風景園林學科角度，學者應用生態服務理論，從景觀空間績效[4]、生態供需關系[5]和城鄉規劃體系應用[6]等不同視角進行了積極的研究與探索。本研究以哈爾濱空港新城為研究案例，以生態服務的量化評估作為識別區域生態資源的手段，提出城市尺度的生態空間分級識別方法與保護規劃策略。研究成果可以量化評價生態空間的功能與績效，為地區生態健康保護提供依據，避免在城市開發過程中對現有生態資源造成破壞。

1 人與自然協同發展觀的城市生態保護規劃方法

1.1 當前2種主要的生態保護規劃方法

2014年Georgina在Science上撰文提出，在經歷了20世紀60年代的環境危機以后，人們對自然環境保護的認識經歷了4個發展階段：關注自然本身的保護(nature for itself，60—70年代)、忽略人類影響的自然保護(nature despite people，80—90年代)、為人類服務的自然保護(nature for people，2000—2005年)，以及考慮人與自然共同發展的保護(people and nature，2010年至今)。與之相對應的，保護工作的關注重點從野生自然地區、瀕危物種及棲息地、生態系統及其生態價值，到環境改變的彈性和適應性，發生了一系列轉變[7]。

生態保護規劃的本質是在空間上劃定生態保護的區域和范圍，并制定相應的保護策略和開發要求。環境保護觀念的變化致使當前生態保護規劃中存在著不同的理論與方法，其中影響力最大的方法有2種：以物種保護為核心的棲息地、廊道保護法，以及以生態職能為核心的功能區保護法[8-9](表1)。傳統的物種保護法主要包括物種瀕危機制、生物多樣性熱點地區、自然保護區理論、生境破碎化與生態建設工程，以及外來物種入侵5個方面[10]，分別從單一物種(瀕危種)和多物種(生物多樣性)2個層面進行物種保護。自然保護區、國家公園體系和基于景觀生態學[11]的保護地識別等大量保護規劃都是以物種為核心制定的保護規劃。

由于物種保護法非常依賴物種分析和選取，以及物種數據的獲取，專業性很強且不能體現生態的全部特征，1969年生態學家Cox提出了進行整體層面評估分析的生態系統保護法[9]，通過遙感數據獲取生態系統的空間分布情況，并進行生態整體評估與特征分析，制定保護策略[12]。近幾年，生態系統服務作為生態保護區劃定的方法，以及驗證生態保護績效的輔助工具，在區域尺度和流域尺度的研究已頗有成效，如2011年肖燚等[13]的海南島自然保護區體系規劃方案，在國內首次將生態系統服務納入區域性自然保護區體系規劃的研究；江波等[14]提出了將生態系統服務作為生態保護區成效評估手段的技術框架；房志等[8]探究了流域尺度基于生物多樣性與生態系統服務功能的保護區空間劃定方法；孔令橋等[15]提出了流域尺度生態系統服務保護區空間劃定方法；游旭等[16]則探究了縣域尺度生態保護成效評估方法。

1.2 基于ES-EH(Ecosystem Service-Ecosystem Health)評估的城市生態保護法

當前生態保護方面的研究成果與實踐案例多集中在流域和區域等宏觀尺度，對于城市尺度的生態保護，大多沿用區域尺度保護的方法。如相關學者分別從物種保護[17]、生態敏感性評估[18]、生態足跡[19]、生態安全格局和生態服務[20-21]等不同方面進行了研究和探索。本文認為，城市與區域的差異不僅僅在于尺度上的不同，城市的環境特征、生態構成和生態職能都有著自身的發展規律[21]，不能完全照搬區域生態保護的方法，因此以人與自然協調發展為哲學基礎，提出將兼顧人類福祉和自然健康2個維度的ES-EH評估法作為城市生態保護規劃的方法(表1)。采用此方法，主要從以下4個方面進行考慮。

1)保護理念的差異。

人類對自然保護的認識決定了生態保護的觀念和方法。物種保護法是只關注自然本身(nature for itself,despite people)觀念的產物，生態功能法則是自然為人類服務(nature for people)觀念的產物。新時代提出的人與自然和諧共生、協調發展的觀念[7]呼喚著生態保護規劃新方法的誕生。本文提出的共生保護法綜合考慮了人類福祉和生態健康兩方面的因素，期望生態保護可以最大限度地保證人類與自然的共同繁榮，達到同時保護人與自然(people and nature)的目的。

表1 3種不同的生態保護規劃方法

2)城市生態環境特征。

對于城市尺度的生態保護，沒有采用傳統的物種保護法和生態功能法，根本原因還是城市生態環境與區域生態環境有本質的差別。城市的生態環境主要由大量的人工斑塊構成，表現出了高度的景觀異質性，人工擾動強烈，生態網絡破碎化嚴重[22]，生態環境不適宜進行大面積的物種保護；破碎的生態網絡使得建立完整、多層次的生物遷徙通道難度很大，并且核心棲息地的斑塊在周邊大量的人工干擾下也不容易滿足生物的棲息要求。

3)城市生態需求。

城市作為大量人流集聚區和區域經濟、文化、交通中心，生態需求與區域環境存在很大差別。《全國生態功能區劃(2015)》中提出，我國城鎮群生態環境“生態功能低下，人居環境惡化”，因此城市生態保護的根本目的是延續和加強生態服務職能、改善人居環境。本研究從城市發展的生態需求出發，選定生態服務因子劃定生態服務效率最高的區域。

4)城市生態服務。

生態系統是人類社會能夠健康、可持續發展的生命支撐系統，其提供的17種生態服務是人類賴以生存的物質基礎[3]，是改善城市生態環境的主體力量，進行生態保護的本源意圖是保證這些生態服務供給的充足性與持續性。對于城市地區而言，生態服務需求與區域環境有所不同。區域環境的生態保護通常選擇水源涵養、糧食生產等生態服務作為保護因子[8，13，16]，而這些生態服務不是城市最需要的服務類型。根據毛奇正和歐盟MEA的研究，城市中調節類服務和文化服務發揮的作用最大，支持服務較弱，供給服務則基本由城市外區域提供[23]。

圖1 空港新城用地現狀

表2 生態因子與權重值

1.3 ES-EH評估法的因子設定

物種保護法強調以物種為核心來保護自然的生態健康與可持續發展；生態功能法則強調保護生態服務最大的關鍵區域來造福人類。在一定程度上，ES-EH評估法是對現有物種保護法和生態功能法的一種綜合，即綜合考慮自然生態和人類服務進行生態保護。生物個體、群落及生態系統構成了城市生存發展的生命支撐系統[17]，保護生態系統的健康性和完整性是生態保護工作的基礎，同時，城市是人類社會的高密度集聚區，對生態服務的需求迫切、指向性強，因此本文認為，以上2個方面在城市生態保護中都十分重要，不可偏頗，因此選擇生態健康(包括生態活力、生態網絡結構、生態恢復力)和生態服務(包括調節服務、支持服務、文化服務)兩方面的6個因子作為評估因子(表2)。

基于城市環境特征、城市生態需求和實施操作的考慮，ES-EH評估法的因子選擇與傳統的物種保護法和生態功能法有著較大的差異，原因如下。

1)物種保護法需要確定焦點物種或指示物種，并研究其生活習性以劃定棲息地范圍(保護斑塊)和遷徙通道(保護廊道)，此方法專業性強、數據量大、獲取數據較為困難，強調物種保護但缺乏對整個生態系統的全面考慮[9]。另外，城市是人工擾動與作用十分強烈的地區，在城市內建設棲息地和遷徙廊道進行物種保護的實施難度很大。應用生態健康性理論，采用生態活力、生態網絡結構和生態恢復力3個決定生態健康的因子[24]作為保護自然的因子，可以較為全面地對生態系統的整體結構和重要區域進行保護。這3個因子的計算可以通過地表覆蓋(landcover)數據完成，其數據獲取容易、計算相對簡單、精度滿足要求且可操作性強；同時，3個因子的計算分析結果可以通過ArcGIS進行空間制圖，方便后續的空間管控和保護區范圍劃定。

2)目前生態功能法的研究主要集中在區域尺度，多選擇水源涵養、水土保持、糧食生產和土壤維護等生態服務作為保護因子[8，13，16]，這些因子對區域生態安全至關重要，但對城市生態而言并不完全契合。城市當前面臨的主要環境問題是空氣質量差、熱島效應嚴重、城市內澇和樹種單一導致的生態系統脆弱、固體污染物增多[22]和游憩設施缺乏等，通過對城市生態問題的解析，選取了對城市空氣質量、微氣候、污染防治和娛樂休憩等方面有重大影響的調節服務(氣體調節、氣候調節、廢物處理)、支持服務(保持土壤、維持生物多樣性)和文化服務(提供美景服務、延續歷史文化)3個因子作為評估因子。

2 研究案例

根據發改委、交通部的“十三五”發展規劃，哈爾濱太平國際機場是國家重點建設的七大國際樞紐機場之一，是東北地區唯一的國際樞紐機場。空港新城依托國際機場，位于哈爾濱中心區西側20km處，占地面積171.6km2(圖1)。根據《哈爾濱空港新城發展戰略規劃》，新城包括臨空經濟區、航空公司總部基地、物流樞紐區、免稅服務區、航空主題樂園、生活服務區和生態農業區七大功能板塊。《哈爾濱空港新城發展戰略規劃》中把高品質的生態環境作為臨空經濟區、航空公司總部基地、航空主題樂園和生活服務區發展的優勢資源與強力支撐。

新城區現狀主要由農田(69.9%)、村莊(11.5%)和生態用地(17.2%)構成，有較好的自然生態基底。區內有太平湖水庫和八一水庫，人工開鑿的運糧河連接2個水庫，并匯入城區北側的松花江；區內有混交林、針葉落葉林和坑塘水面若干，農田周邊有較為完備的帶狀防護林，機場與市區連通的高速公路兩側各有25～35m寬的綠化隔離帶。案例的數據來源是國土局土地二調的地表覆蓋(landcover)數據和現場踏勘，由地表覆蓋數據生成基地用地現狀圖(圖1)。由于新城區開發需求量很大，又有相當數量的基本農田不可開發，因此土地資源十分寶貴，開發建設與生態保護的矛盾突出。如何識別區域內的核心生態資源、科學劃定保護邊界、實現生態績效和生態健康的雙贏，是新城區發展面臨的難題。

3 基于生態服務-系統健康評估的生態保護規劃

多因子加權疊加法是生態空間識別與分類最常使用的方法。從協調人與自然共同發展的視角出發，選擇生態因子并進行量化計算與空間制圖；然后在ArcGIS平臺上進行加權疊加，識別出地區改善城市生態和維護生態健康的重要空間；最后經分析整理劃定保護區并提出相應的管理策略。

圖2 空港新城生態因子評級

3.1 因子選擇與權重值設定

針對城市生態問題和生態保護的目標，根據前文論述，選取調節服務等6個因子[24-28]作為生態評估因子(表2)。

在因子的權重設定上，對生態系統服務和生態健康2類因子各賦予50%權重，表示人與自然的同等重要地位。生態系統服務類因子中調節服務與文化服務對改善城市生態環境作用重大，賦值0.2[23]；支持服務相對較小，賦值0.1。根據生態系統健康性測度的研究①[29]，農田活力值很高但需要大量的人工護理，而農田不應該作為生態保護的重要對象，因此對生態活力賦值0.1，對生態網絡結構和生態恢復力賦值0.2(表2)。

3.2 生態服務測算與生態網絡健康性評估

生態服務的測算方法目前主要有價值量法、物質量法和模型計算法3種[30-31]，價值量法由于計算方式簡單、結果直觀、可以統一計量不同類型的生態服務，而得到較為廣泛的應用，并被作為生態資產評估的主要手段。根據謝高地對中國本土生態服務的量化修正研究成果[32]，采用價值量法對地區的生態服務進行量化計算(表3)，并對數據進行重新分類，統一標準[33]，完成空間制圖(圖2、3)。

生態系統活力的計量，通常通過植被的凈初級生產力(NPP值)進行表達，根據陳雅敏等的研究[29]，不同地表植被的NPP值存在很大差異。生態組織結構中對生態健康影響最大的是重要的生態斑塊和連接這些斑塊的廊道[24]，根據景觀生態學原理，將地段中的生態斑塊與廊道劃分為2級。生態恢復力是指生態系統受到外界干擾后維持原有功能和結構的能力，通常采用不同植被的恢復力系數[24]進行測度。根據基地的地表覆蓋數據(圖1)計算各生態因子的物質量(表3)，并在ArcGIS中完成空間制圖(圖2、4)。

3.3 生態保護空間的識別

將6個因子計算得到的單因子數據圖導入ArcGIS的柵格計算器進行加權疊加計算，得到最終的生態空間識別圖(圖5)。

3.4 生態保護區的劃定與管控

通過對保護區生態功能的計算(表4)可以發現：劃定的保護區占總面積的10.36%，保護區保留了53.49%的生態調節、89.04%的文化服務和15.69%的生態支持功能，以及6.35%的凈初級生產力、71.85%的重要生態結構和61.91%的生態高恢復力地區。從計算結果分析可知：1)保護區規劃以約10%的生態用地保留了大部分的生態調節、文化服務、重要生態結構和高恢復力地區，說明此方法保護效率較高，滿足了城市建設區以有限的面積最大程度保護生態的要求；2)地段內現狀有大量農田，而農田的生態支持功能和凈初級生產力值很高，導致保護區在這2個指標上優勢不明顯。

根據生態空間分級識別結果，將地段內的一級空間和二級空間劃為生態保護區(圖6)。其中一級保護區由八一水庫、太平湖、運糧河、河道兩側濕地及大塊林地組成，是區域內的重要生態源地，建議設為城市規劃的禁建區，實行嚴格的生態保護，禁止一切開發建設。二級保護區主要由坑塘濕地、小塊林地和次要河道組成，建議設為城市規劃的限建區，可以進行少量開發以滿足人們的休憩娛樂需求。

4 結語

保護生態、改善城市人居環境已成為城市開發建設者與管理者的共識，但在具體的操作實施過程中卻有著相當的難度。城市生態保護要保護什么，怎樣劃定保護空間，如何以最小的用地保護最大的生態功能，這些問題如果不能得到清晰準確的回答，生態保護將無法擺脫缺乏科學依據的盲目保護狀態。為解決上述問題，從城市生態問題和生態保護目標出發，得到以下研究成果。

1)區別于傳統生態保護的以自然保護為核心的物種保護法和以人類利益為核心的生態功能法，基于人與自然協調發展的保護理念，針對城市生態需求提出了ES-EH評估的城市生態保護規劃方法。

圖3 生態服務評估分區

圖4 生態健康評估分區

圖5 基于ES-EH綜合評估的生態空間分區

圖6 空港新城生態保護規劃

表3 空港新城各生態因子計算結果

表4 空港新城保護區生態功能統計

2)根據生態系統服務理論和生態健康性評估方法，提出了以調節服務、文化服務、支持服務、生態活力、生態網絡結構和生態恢復力6個生態因子作為城市生態保護的空間劃定因子，識別出人類福祉價值最高空間和生態健康影響最大空間作為生態保護空間，并以哈爾濱空港新城為例進行了實踐應用與案例驗證。

與模型計算、物種分析等生態保護方法相比，本方法具有數據采集難度小、計算相對簡單、兼顧人與自然等優點，可以對地段的生態資源進行量化評估并完成空間制圖，推廣起來較容易。同時應該看到，城市環境受到強烈的人工干擾和影響，其生態保護的難度和復雜程度比區域尺度保護要大得多。本研究提出的保護方法對生態保育的效果和環境影響的作用，還需要通過實施一段時期后的跟蹤反饋和環境數據監測進行驗證。期望在后續的研究中，可以通過實踐檢驗進一步完善改進，為協調城市發展與生態保護的矛盾作出貢獻。

注：文中圖片均由作者繪制。

注釋：

①近年也有學者提出生態健康評價應包括四方面內容，即除了生態活力、生態網絡結構、生態恢復力以外，再增加生態系統服務的評價[24]。而對于生態系統服務的影響，本研究已做了考慮，因此在生態健康評價中不再重復計量。