生態系統服務需求視角下的澳門城市綠色基礎設施管理研究

許 超

孟 楠

逯 非

劉曉明*

歐陽志云

城市綠色基礎設施(Urban Green Infrastructure，UGI)具有提供水資源供給、雨洪管理、氣候調節和休閑游憩等多種生態系統服務(Ecosystem Service，ES)的重要功能[1]。隨著城市的發展，人們對UGI提供的ES需求越來越大[2]。這些需求主要指人類消耗、使用或需要和期望的服務功能量，通常可以分為服務的實際使用或消費、降低風險，以及偏好和價值3種類型[3]，同時又包括物質需求、安全需求和精神需求3個層次[4]。不同層次的服務需求有著不同的量化評估方法，其中安全需求側重于調節服務，通過結合社會和經濟系統的暴露度、脆弱性和潛在風險進行評估量化[5-6]，社會經濟指標在其中的作用不容忽視[7]；精神需求側重于文化服務，是指景觀、生態系統或歷史遺產等提供的精神美學滿足和審美體驗等非物質性利好[8]，可以通過識別人們的娛樂活動行為和特定喜好進行評估[9]。在城市中，調節和文化服務與人類的聯系尤為緊密[8，10]，對城市人居環境產生著更為顯著的影響。量化并明確ES需求的空間格局，識別和審視服務保護優化的優先區域和差異性[11]，對科學管理UGI和提高人類福祉起著重要作用[12]。

目前，整合ES需求的綜合評估已經成為一種較為成熟的ES研究模式，但常見于區域尺度的研究，且多是為構建生態安全格局[3]和土地利用規劃管理[13]等提供決策支持。近年來，城市尺度上的綜合評估逐漸成為研究熱點，并開始探索如何通過UGI管理改善需求狀態。Meerow等[14]通過評估底特律6種ES的需求程度構建UGI的規劃模型，為UGI選址和效益最大化提供參考和決策依據；顧康康等[15]選取5種反映ES需求的指標對合肥市的UGI進行多功能評估，以此來識別高需求區域并分析不同服務之間的關系，為UGI的布局和多功能優化提供指導；Lovell等[16]從多種ES的角度探討了UGI多功能性的重要性，鼓勵利益相關者參與UGI的規劃和管理，以求為更廣大的群體提供福祉。但以上研究在評估數據精度和空間化上仍有改善空間，評估方法上僅使用環境指標，而忽略了社會經濟指標對服務需求評估的影響，導致評估結果不能真實反映與不同需求者特征相關的潛在差異，在整合多功能分析后，如何針對性地進行UGI分類管理等也有待深入探討。隨著澳門的城市發展，不透水地表不斷壓迫城市生態空間[17]，導致城市熱島效應顯著[18]、道路交通噪聲問題突出[19]、局部洪澇災害風險加劇[20]，以及休憩空間服務壓力不斷增大[21]，城市ES的重要性需要得到更多關注。然而關于澳門的ES研究卻極少，僅有李金平等[22]進行了不同時期生態系統服務價值變化的研究。因此，本文基于澳門的城市發展特點、問題和生態系統特征，結合遙感解譯、實地調研和數據分析等手段，評估了各分區熱島調節、雨洪調節和噪聲消減3種調節服務，以及休閑游憩、景觀美學2種文化服務的需求情況。通過評估結果識別不同區域對各種服務需求的差異，得出補充和優化ES的空間分布和類別優先級；總結澳門不同分區UGI服務需求的規律和特征，從一定程度上反映出自然、社會和經濟三者之間的耦合關系；并提出不同角度的管理策略，以求有效改善需求供給之間的平衡狀態。

1 研究區概況

中國澳門特別行政區(113°31＇33″～113°35＇43″E，22°06＇39″～22°13＇06″N)位于我國南部沿海珠三角地區，北接廣東省珠海市，西鄰橫琴島，是世界上人口密度最大的地區之一，據統計其城市化率已達到100%[23]。經過多年的填海造地，澳門已由原來的三島變為半島和離島的兩島格局。本文以澳門歷年統計年鑒的23個統計分區為基礎，其中路環區由路氹填海區①和圣方濟各堂區組成，由于二者景觀格局和特征差異較大，故將路環區拆分為兩部分形成24個分區②(圖1)進行研究，各分區的UGI分布存在差異(圖2)，研究區總面積為30.87km2。

2 研究方法及數據

利用澳門自然、社會和經濟三方面的多源數據，評估24個分區的熱島調節、雨洪調節、噪聲消減、休閑游憩和景觀美學5種ES的需求情況，其中3種調節服務通過構建脆弱性指標反映需求程度，2種文化服務通過服務壓力和關注度指標反映需求程度。

2.1 熱島調節

采用遙感影像進行地表溫度反演獲取溫度分布(圖3)。首先選取影像質量較好、無云層遮擋、熱島效應較為顯著的2016年9月18日(2017年無合適影像)Landsat 8 OLI/TIRS(軌道號122/45)遙感影像數據，在ENVI 5.3軟件中進行輻射定標、大氣校正和影像裁剪等預處理，并利用輻射傳輸方程法[24]進行地表溫度反演。

熱島調節需求使用基于反演的地表溫度和分區相關人口指標評估城市熱脆弱性[25]的方法得出，脆弱性越高的分區熱島調節需求越大，計算公式如下：

式中，DHR為熱島調節需求；Pdensity為分區人口密度，人/km2；P65+為分區65歲以上人口占比，%；T為在ArcGIS 10.2中以分區為單元統計的反演溫度平均值，℃。

2.2 雨洪調節

使用基于能值理論計算分區暴露強度、敏感性和適應能力評估洪澇災害脆弱性[26-27]的方法反映各分區對雨洪調節的需求差異，脆弱性越高的分區需求越大，計算公式如下：

式中，DRR為雨洪調節需求；i為使用SCS水文模型[26]計算年降雨徑流(圖4)后通過能值換算得出的分區暴露強度，無量綱；M為結合不同土地利用類型的能值計算的分區敏感性，sej；N為綜合分區人口密度、14歲以下和65歲以上人口比例、人均收入、千人就學人口，以及千人醫療人口③數據的能值轉換評估的分區適應能力，sej。

圖1 研究區域

2.3 噪聲消減

以澳門環保局2017年24h平均等效連續A聲級監測數據[19]為基礎進行分區噪聲消減需求評估，由于該數據基于500m×500m網格進行噪聲分布情況模擬(圖5)，因此首先在ArcGIS 10.2中通過最鄰近法重采樣將柵格單元格改變為1m×1m，然后通過分區統計獲取分區環境平均噪聲值(dB)。

研究表明，環境噪聲與兒童及老年的生理和心理健康質量呈負相關[28]，他們是受噪聲影響更為嚴重的脆弱人群。故使用分區的14歲以下及65歲以上人口指標結合分區環境噪聲值評估分區環境噪聲脆弱性，脆弱性越高的分區噪聲消減需求越大，計算公式如下：

式中，DNA為噪聲消減需求；P14-為分區14歲以下人口占比，%；P65+為分區65歲以上人口占比，%；N為在ArcGIS 10.2中以分區為單元統計的環境噪聲平均值(dB)。

圖2 UGI覆蓋類型

圖3 地表溫度反演

圖4 徑流系數

圖5 噪聲監測結果

圖6 休閑游憩綠地分布

圖7 2012—2018年Flickr數據核密度分析

圖8 分區尺度5種服務的需求程度評估

2.4 休閑游憩

由于研究區面積小、綠地分散，各分區特別是半島地區的綠地可達性良好[29]，因此休閑游憩需求主要因人口密集和綠地規模不足產生。結合實地調研情況，參考澳門自然網④在錄的休閑游憩綠地和《澳門特別行政區綠化區》⑤地圖中的公園區域整合得到休閑游憩服務綠地評估數據(圖6)。在ArcGIS 10.2中以分區邊界做4級(100、200、300、400m)緩沖區，分別統計每個區段的綠地面積，并由近至遠賦值，再結合每個分區的人口數據評估得出各分區的休閑游憩服務壓力，壓力指數越大，則分區需求越大，計算公式如下：

式中，DLR為休閑游憩需求；P為分區人口，人；A0為分區內綠地面積，m2；A100M為分區邊界至100m緩沖區內的綠地面積，m2；A200M、A300M、A400M分別為100～200、200～300、300～400m緩沖區內的綠地面積，m2。

2.5 景觀美學

相比審美偏好調查或回歸模型，使用社交網站的地理標記照片評估景觀美學需求是更為直接合理的方法[30]。Flickr是全球范圍內影響力最大的照片公開社交網站，利用該平臺的數據識別人們更關注的休閑娛樂區域已經成為一種新的評估方法[31]。

爬取在Flickr網站⑥以“澳門”為關鍵詞搜索的2012—2018年約4萬個照片地理標記數據作為基礎數據庫，基于數據中的“標簽(tags)”剔除與“風景(landscape)”無關的數據，再基于人工判讀篩選照片編號(photoID)進行二次剔除。將有效數據的坐標信息導入ArcGIS 10.2，對標記點進行核密度分析，可以清晰地得出關注熱度的分布差異(圖7)。通過分區統計使用分區邊界疊加統計標記點數量，以每個分區的標記點密度表征景觀美學需求程度，標記點密度越大，則景觀美學需求越大，計算公式如下：

式中，DLA為景觀美學需求；Npoint為分區的標記點個數，個；A為分區面積，km2。

2.6 相關分析和聚類分析

基于R語言對評估數據進行相關性分析，探討24個分區的5種服務需求，以及研究區的社會、經濟和自然指標之間的相關性。另外，在對每個分區的5種服務需求值進行歸一化處理后，使用K均值算法(K-means)進行聚類分析[32]，并基于識別出的不同簇，將24個分區進行類型劃分。

3 結果與分析

3.1 需求分布

通過ArcGIS 10.2軟件將各分區的5種服務需求評估值用自然斷點法分為5級(圖8)進行比較，發現不同區域間各種需求存在一定的空間分布差異。熱島調節需求較大的是新橋區、荷蘭園區、高士德及雅廉訪區等；雨洪調節需求較大的是臺山區、黑沙環新填海區、黑沙環及祐漢區等；噪聲消減需求較大的是臺山區、黑沙環新填海區、黑沙環及祐漢區等；休閑游憩需求較大的是下環區、新橋區、高士德及雅廉訪區等；景觀美學需求較大的是沙梨頭及大三巴區、中區、外港及南灣湖新填海區等。總體而言，各種服務需求大的區域多集中在半島地區，需求大的區域即為UGI的服務優化和補充優先區。

3.2 相關分析

1)由各種服務需求間的相關性分析(圖9)可知：熱島調節與其余4種需求都呈正相關，與休閑游憩最為顯著；雨洪調節與噪聲消減、休閑游憩呈顯著正相關；休閑游憩與除了景觀美學的其他3種需求都呈顯著正相關。以上綜合說明除了景觀美學之外的其他需求在空間上均存在一定的協同效應。

2)由各分區的服務需求程度及其社會、經濟、自然指標之間的相關性分析(圖9)可知：除了景觀美學之外均與人口密度呈顯著正相關，即人口聚集的分區對服務的需求較大；分區房價與熱島調節、景觀美學需求呈負相關；人均收入與熱島調節、雨洪調節和休閑游憩需求呈負相關；高等教育人口占比與除景觀美學之外的需求均呈較顯著負相關；分區面積與熱島調節需求呈一定負相關；UGI區內占比與除景觀美學之外的4種需求都呈明顯負相關。而景觀美學與其他指標的相關性均不明顯。

3)社會、經濟和自然指標之間也顯示出一定的相關性(圖9)，它們共同反映出研究區不同需求程度分區的一些特點，如高需求分區面積較小、缺乏UGI、人口密度高、房價低、人均收入和教育水平較低、人居環境較差；低需求分區面積較大、UGI充足、人口密度低、房價高、人均收入和教育水平較高、人居環境良好。

圖9 各分區服務需求及其他指標之間的相關性矩陣

3.3 聚類分析

分區尺度上的聚類分析將24個分區按照需求差異分成5類分區群(圖10)：第一類包括新橋區等7個分區，它們對5種服務的需求都很大，且都集中在半島地區；第二類包括東望洋區等5個分區，這5個分區對景觀美學有很大需求，而對其他4種服務的需求不顯著；第三類包括望廈及水塘區等4個分區，這4個分區對5種服務的需求程度一般；第四類包括荷蘭園區等5個分區，它們對除景觀美學之外的4種服務的需求均較大；第五類包括海洋及小潭山區等3個分區，這3個分區對5種服務的需求最低。

4 結論與討論

本文基于5種ES的需求評估，從分區尺度分析不同服務需求程度的分布差異與關聯性，并通過聚類分析揭示5類特征明顯的分區群，以求提出具有針對性的管理策略。研究表明，5種服務需求的空間分布存在一定差異，但總體來看，需求較大的區域主要集中在土地資源稀缺的半島地區；不同服務需求之間存在一定的協同效應，針對各分區特征優化UGI的需求功能、構建多功能型UGI可有效改善需求；各分區和5類分區群在需求程度和類別上存在差異(圖11)，還需通過服務功能的權衡進行UGI的優化；處于高需求狀態的第一類(48.6%)和第四類(23.9%)分區群的人口占總人口的72.5%，多為相對弱勢群體。基于此，可以從以下不同角度探討UGI的管理策略。

表1 不同服務功能側重型UGI的優化途徑及5類分區群的UGI管理策略

1)資源稀缺條件下的UGI建設。

第一、第四類分區的高需求主要由UGI規模嚴重不足引起，但是由于土地資源稀缺，大規模拓展建設UGI難以實現。因此，存量背景下需要繼續開發剩余空間并將其轉換為立體交通綠地、口袋公園、垂直綠化和屋頂綠化等形式的“微綠地”[21]，增加綠斑密度，構建微綠體系，實現生態效益的最大化[23]；外港及南灣湖填海區、路氹填海區和黑沙環填海區是3個不同時期的填海區，其中外港及南灣湖填海區的服務需求最低，其合理的土地利用方式和UGI覆蓋比例是重要的影響因素。以此為鑒，在未來的填海造地模式下要控制不透水地表的比例，保證UGI的數量和規模；還要避免“硬質”填海，充分合理利用岸線資源，提倡利用功能濕地填海模式拓展生態岸線，構建濱海生態屏障[33]。

2)基于功能優化的UGI更新。

諸多研究表明UGI的ES表達與其類型[34]、空間分布[35]和生物物理特征[36]等方面存在聯系，因此可以基于這些方面針對現有UGI提出相應的功能優化途徑(表1)。由于5種服務需求既有程度上的差異，又有空間上的協同，所以UGI的優化應包含權衡和協同2個層面。從權衡層面來看，基于評估結果確定需求的優先級后，可以通過不同功能的優化途徑針對性地改善需求突出的服務類型。如第二類分區群在景觀美學上有突出需求，可以側重更新觀賞型UGI；第四類分區群對除景觀美學之外的其他4種需求更高，提升其內在功能就更具有針對性。從協同層面來看，5種服務功能側重型UGI的優化途徑也各有交集，在條件適宜的情況下，將現有功能單一的UGI更新為多功能型UGI[42]可以在一定程度上緩解多種服務需求，特別是第一、第四類分區群。

3)城市發展背景下的UGI保護。

對于需求相對較低的第三類分區群和需求最低的第五類分區群來說，面對澳門城市發展不斷帶來的生態環境壓迫，保護現有的UGI資源尤為重要。要在這2類分區群內劃定城市生態保護邊界，嚴格控制城市開發，特別是針對因城市化發展被持續蠶食的青洲山、望廈山、西望洋山、大潭山和小潭山等原有自然資源[43]，以及目前人為干擾相對較少的路環山和路氹城生態保護區一區。

4)UGI的社會公平性改善。

城市中弱勢群體聚集的區域往往擁有更少的綠色空間，自然資源的分配存在一定的不公平性[44]。正如研究結果表明，第一、第四類分區群的人口大多是收入低、教育水平低、老幼比重大的相對弱勢群體，而UGI比重大的區域又都位于居住條件較好的高房價分區。這種公平性需要改善，因為生態環境的退化和社會劣勢因素的結合會導致公共健康方面的差距不斷加大，特別是在不同社會經濟群體之間[45]。要充分考慮社會、經濟因素對UGI管理建設的影響，將它們納入管理決策，針對特定服務需求加強干預[16]，才能更有效地增強城市彈性，改善人居環境，降低社會脆弱性[14]。還要鼓勵當地居民特別是弱勢群體參與UGI的規劃設計，切實明確和改善各方面需求。

本文基于分區的ES需求評估探討了該視角下UGI的管理策略，相比于現有管理模式加強了對生態內涵的考量，拓展了服務受益者需求導向的管理思路，提高了UGI管理的針對性和科學性，但由于數據獲取和評估方法的局限，研究仍有進一步探索的空間。此外，需求評估只是ES研究的一部分，后續還需結合供給方面進行供需平衡和空間匹配的深入研究，探討更加細致的管理內容。

圖10 分區尺度聚類分析

圖11 各分區服務需求及UGI比例差異

注：文中圖片均由作者繪制。

注釋：

①因路氹填海區沒有居住人口，相關指標以離島的綜合平均值作為參考值。

②來源：2017年澳門統計年鑒，澳門統計局網頁：https://www.dsec.gov.mo/zh-MO/。研究區域不包含澳門大學珠海校區和新城A區。

③來源：2016年中期人口統計詳細結果。詳見https://www.dsec.gov.mo/zh-MO/Statistic?id=104。

④來源：https://nature.iam.gov.mo/c/park/list。

⑤來源：澳門地籍局2018年出版《澳門特別行政區綠化區》。

⑥來源：http://flickr.com/。