生態系統服務優化導向下城市綠色基礎設施構建研究*
——以濟南市西部新城為例

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

快速城鎮化進程下，我國城市人口日益增加，根據中國工程院《中國特色新型城鎮化發展戰略》研究，2033年我國城市人口將會達到9.75億[1]。城市無序擴張導致一系列生態環境問題，如城市熱島效應、灰霾霧霾天氣、城市河流黑臭水體、城市內澇、生境破碎化等頻發。作為城市中承擔生態功能的重要空間載體，城市綠色基礎設施是維持城市生態系統穩態、緩解城市生態問題的重要途徑[2]。相比傳統的綠地系統概念，綠色基礎設施更廣泛地包含一切可以為城市提供供給、調節、支持、文化等生態系統服務的林地、農田、水域等自然生態系統，它既是城市復合生態系統的一部分，也是城市基礎設施的重要構成[3]。綠色基礎設施發揮的生態系統服務功能在促進社會經濟發展、改善生態環境質量、提升人居環境品質方面皆有體現。以生態系統服務提升為切入點構建和優化城市綠色基礎設施，是精明管理城市綠色基礎設施、維持城市生態系統穩態、優化人居環境質量的重要手段。

1 綠色基礎設施與生態系統服務

1.1 綠色基礎設施的生態系統服務功能

綠色基礎設施（Green Infrastructure，GI）通常定義為一種可以保存自然生態系統的功能及價值，并為人類提供一系列生態系統服務的相互關聯的綠地空間網絡[4]。綠色基礎設施核心特征包括3方面：組分上由綠色空間組成，形態上表現為互相聯系的網絡系統，可為城市提供多重生態服務功能[5]。因此，許多研究者將綠色基礎設施看作生態途徑下城市空間規劃的一種策略。

提供多樣化生態系統服務是城市綠色基礎設施發揮其生態價值和社會效益的途徑。生態系統服務指人類從生態系統所獲得的直接或間接收益和福祉，是人類生存發展所必須的環境依托，包含水源涵養、固碳、遺產保護、美學感知、身心健康等一系列正向效益。部分城市通過構建綠色網絡系統，將綠色基礎設施作為游憩和文化遺產保護的載體[6]。同時，城市綠色基礎設施可明顯提高人居環境舒適程度，如通過降低周邊氣溫[7]、凈化空氣污染物[8]來實現小氣候調節，減少哮喘等疾病的發生[9]。

1.2 生態系統服務功能的權衡與協同

生態系統服務產生、分配及被需求主體所使用的過程通過生態流來實現[10]，城市綠色基礎設施格局破碎化會導致生態流中斷，降低其服務能力，引起生態系統服務供需總量失衡、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[12-13]。不同類別生態系統服務流的關鍵格局及過程不同，追求某些生態系統服務可能導致綠色基礎設施整體服務能力降低[14]，即生態系統服務間的權衡。基于此，生態系統服務可劃分為不同聚類（ES Bundles），聚類內生態系統服務價值具有共現特征，關鍵源、核心廊道多具有空間一致性[15]。許多研究發現，生態系統服務供給、支持、需求、文化內部雖存在部分權衡關系，但滿足城市居民需求的部分功能發揮的關鍵格局具有空間一致性，供給服務和其他類別服務間以權衡關系為主，即供給效益高的綠色基礎設施調節、文化及支持效益會相對較低；而調節服務高的地區往往具有較高的生態系統服務類型多樣性[16-17]。

圖1 基于生態系統服務優化的GI構建途徑

表1 生態系統服務類型選取與相應構建途徑

2 基于生態系統服務優化的綠色基礎設施構建途徑

綠色基礎設施構建的核心步驟為識別生態系統服務發揮的關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、基于網絡分析的圖論分析以及幾何形態學分析[18]。景觀安全格局途徑結合水平及垂直生態過程分析，是目前綠色基礎設施構建中應用較為廣泛的方法[19]。然而，該方法下的生態因子選擇、權重疊加賦值具有不確定性，現有研究生態因子廣泛包含了地質災害、水文調節、動植物棲息地、文化遺產保護等多方面，但并未考慮諸多因子間權衡或協同關系，忽視了各類生態系統服務的功能優化和結構平衡。

本文從供給、支持、調節、文化4類生態系統服務功能出發，選取類別內與城市生態、人類活動息息相關的表征因子，在識別其各自生態系統服務源的基礎上，基于景觀生態安全格局理論，構建維持4類生態系統服務流的關鍵格局。同時，考慮建成區內部及城郊地區生態系統服務核心功能差異，分別賦予其不同權重，提升城市建成區內部破碎斑塊的文化、調節功能，維持城郊地區大面積生態斑塊的供給、支持和調節功能（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狀圖

表2 水文調節安全格局劃定依據

3 濟南市西部新城區域概況與數據來源

濟南市西部新城（以下簡稱“西部新城”）位于濟南市西北部，總面積約450 km2。區域內有黃河、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，以城市建設用地為主，南部丘陵地區坡度較大，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、人為破壞等影響，大部分人文景觀破壞較為嚴重。2002年起，西部新城城市建設用地面積持續擴張，生態空間被不同程度地侵占，城市生態風險持續上升。

本文采取landsat8 OLI_TIRS第35條帶第122列中云量少、植被情況明顯的數字衛星影像作為數據源。基于ENVI 5.1軟件，在選擇純度較高、分離性好的訓練樣本基礎上，利用最大似然法將遙感影像分為城市建設用地、耕地、密林、疏林草地、水域及裸地6類（圖3），可滿足生態系統服務源識別、綠色基礎設施構建及優化的需求。

4 單一生態系統服務類型的西部新城綠色基礎設施

本文從供給、支持、調節、文化4個方面，選取各類別內與城市生態穩態、居民福祉提升緊密相關的生態系統服務作為代表，依據景觀生態學中“生態系統結構—過程—功能—服務”理論，模擬西部新城供給、支持、調節和文化4類生態系統服務流的空間，判別對各生態系統服務流具有關鍵意義的景觀元素、空間位置及空間聯系，構建生態系統服務功能優化導向下的綠色基礎設施，并劃分為底線（嚴格控制）、滿意（彈性控制）、理想（結合用地適宜性評價有條件開發）3層次的GI格局。

4.1 供給服務優化導向下的綠色基礎設施

西部新城內大型綠色斑塊主要分布于城市近郊，其中林地、灌草地很少承擔物料生產、畜牧等功能，整體供給服務能力較弱。除黃河和玉清湖水庫承擔飲用水供給蓄存功能外，大部分生態空間并非濟南市物料及水資源核心供給區。供給服務功能流受人為管理、運輸等因素影響較大，模擬較為困難。因此，進行供給服務關鍵格局識別時，采用謝高地對生態系統供給服務價值量評估量表[20]進行評估。識別5 hm2以上的農田、水域為生態源地（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要素占據的空間為理想格局。同時依照對黃河干流、玉清湖水庫2處一級水源保護區周圍200 m內區域進行嚴格建設控制，得到多層次供給服務優化導向下的綠色基礎設施（圖5）。

4.2 調節服務優化導向下的綠色基礎設施

水文調節、熱島緩解與維持城市生態系統平衡、提升城市環境舒適度息息相關。分別識別2類功能生態源地（圖6），構建調節服務優化導向下的綠色基礎設施。在水文調節服務方面，識別區域內主要河道、水庫為生態源地，沿河周邊林地、草地為潛在調蓄區，結合研究區域高程、坡度及用地現狀，多層次調節服務優化導向下的綠色基礎設施（表2）。由于研究區域內南水北調干渠以輸送清潔水源為主，在構建水文調節安全格局時不考慮其調蓄功能。

由西部新城夏季地表溫度反演結果分析得出（圖7），研究區域內平均地表溫度為32.2℃，極高與極低溫差達到26.4℃。強熱島空間集中分布在工業聚集區，研究區域內水域、植被覆蓋區域溫度較低，形成冷島空間。熱島效應緩解格局構建以冷島空間為生態源地，依照不同用地類型對空氣流動阻滯程度確定阻力系數，建立冷空氣流動最小累積阻力模型。從底線、滿意、理想3個層面構建滿足熱島效應緩解需求的安全格局，同時保留城市建成區內部綠色斑塊，以調節城市小氣候（圖8）。

4.3 支持服務優化導向下的綠色基礎設施

綠色基礎設施破碎度增加、連接度降低、邊緣效應變化等干擾都會影響到其支持服務，導致生物多樣性降低。通過選擇敏感性指示物種，構建其安全格局，可作為支持服務優化導向下的綠色基礎設施的構建依據。

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

圖6 調節服務生態源地識別

圖7 熱島強度空間分布識別

圖8 調節服務優化導向下的綠色基礎設施

圖9 支持服務生態源地識

表3 指示物種特征及棲息地保護需求

東方白鶴覓食時對水邊灌草叢有較高的依賴性，在識別其源地（距離大型水庫、坑塘等200 m內的林地與灌草叢）的基礎上，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散過程中產生的阻力，確定安全格局。針對黃鼬棲息地保護需求，具體構建底線、滿意、理想3個層級棲息地保護格局標準。等權重疊加2種指示物種棲息地保護格局，得到西部新城支持服務優化導向下的綠色基礎設施（圖10）。

4.4 文化服務優化導向下的綠色基礎設施

保護西部新城的歷史遺產、特色景觀是發揮綠色基礎設施生態系統文化服務的重要條件。識別研究區域內歷史遺產、山體、濕地、城市綠地等要素的文化服務源地（圖11），以滿足歷史遺產保護、特色景觀保護、人居環境提升的文化服務安全格局目標（表4，圖12）。

5 生態系統服務優化導向下西部新城綠色基礎設施構建

綠色基礎設施在空間分布、規模面積、功能質量等方面存在城鄉范圍內區域差異[22]，城市建成區內部綠色斑塊破碎度高，生態風險大，以發揮游憩、美學及小氣候調節等調節和文化功能為主；而城郊區域綠色網絡連接度高，斑塊面積大，可以發揮生態保育、糧食生產、水文調節等生態系統供給和支持服務功能。結合單一類型生態系統服務類型的綠色基礎設施格局，對西部新城城市建成區內部、城郊地帶賦予不同的權重（表5），滿足城市建成區內部對文化和調節功能的需求，突出城郊地帶供給和支持功能。

圖10 支持服務優化導向下的綠色基礎設施

圖11 文化服務生態源地識別

圖12 文化服務優化導向下的綠色基礎設施

圖13 生態系統服務優化導向下西部新城綠色基礎設施

疊加單一生態系統服務優化導向的綠色基礎設施，整合破碎斑塊、孔洞，以增加生態系統穩定性，易于規劃控制。構建3層級安全水平的綠色基礎設施格局，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設施作為西部新城綠色骨架及城市擴張剛性底線，具有理想安全水平的綠色基礎設施作為城市發展彈性邊界，維持區域生態系統安全，為城市居民提供生態系統服務。西部新城生態系統服務源地集中于西北側沿黃地帶、南側丘陵地帶及北大沙河、玉符河生態廊道周邊。結合生態系統服務優化導向下的綠色基礎設施，沿黃河、北大沙河及玉符河構建3條生態廊道，劃定農林供給服務區、濕地支持服務區、城市文化服務區和丘陵調節服務區為重點保護片區。

表4 文化服務安全格局保護目標與景觀特征

表5 城市建成區內部、城郊地帶單因子格局權重賦值

6 結語

綠色基礎設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系統服務來體現。生態系統服務產生機制多樣，各類服務間邏輯關系復雜，將生態系統服務功能納入城市綠色基礎設施構建尚處于探索階段。本文嘗試從供給、需求、支持、文化4類生態系統服務出發，構建其各自功能發揮的安全格局。在進行綠色基礎設施構建時，分別對建成區內部空間、城郊地帶進行因子疊加，突出建成區內部破碎綠地的人居環境優化、歷史遺存保護的功能，保護城郊地帶耕地、水域的生產和調節功能，為濟南市西部新城劃定城市增長邊界、優化生態空間提供依據。