面向城市可持續發展的自然解決途徑(NBSs)研究進展

劉佳坤,吝 濤,*,趙 宇,林美霞,邢 莉,李新虎,張國欽,葉 紅

1 中國科學院城市環境研究所,城市環境與健康重點實驗室, 廈門 361021 2 中國科學院大學, 北京 100049 3 廈門大學環境與生態學院, 廈門 361005

進入21世紀,全世界居住在城市的人口超過一半且呈上升趨勢,城市維持著全球上絕大部分經濟生產活動和機構的運轉[1]。然而,氣候災害(例如：暴風雨、極端氣候)、食品安全、水資源管理和人群健康等問題正逐漸成為城市實現可持續發展的重要,甚至主要挑戰[2-3]。傳統抵御自然災害的人造工程盡管成本巨大,但是效果其實并不理想,甚至會造成更大負面效應[4]。近年來,生態系統服務功能的優點被廣泛的證實,也越來越受到科學和決策層的重視[5- 10]。因此部分國家政府和世界組織機構開始通過學術科研,從大自然中尋求緩解城市生態環境壓力以及工業化引起的社會經濟問題的解決途徑[11]。國際自然保護聯盟(IUCN)經過內部專家討論曾于2002年提出了NBSs(Nature-based Solutions)的術語,但該理念并未正式形成和提出；2015年以歐盟委員會為核心組織的多學科專家團隊正式以政策的形式提出了自然解決途徑(Nature-based Solutions,NBSs)的概念,指“來源于自然并依托于自然的解決途徑,通過高效利用資源且具有較強適應性的方式來應對多樣化的挑戰,并確保同時帶來經濟、社會和環境效益[8]”。同年,歐盟提出基于自然解決途徑來實現以下四個目標：(1)可持續城市化、(2)修復退化的生態系統、(3)緩解和應對氣候變化、(4)提高風險管理和生態恢復力[11]。

自然解決途徑的概念非憑空而生,在很大程度上是從已有的概念中發展而來,尤其是生態系統服務[12]和藍綠基礎設施[13],其他還涉及自然農業系統[14]、生態工程[15]、天然保水措施[16]、生態系統管理[17]、恢復力[16]等。從某種程度上來說,自然解決途徑是一種創新的生態設計理念,從設計的層面強化生態意識,在滿足人類發展生存的基礎上,運用生態設計達到人與自然和諧共處、資源可持續利用的目的[18-19]。兩者都基于自然具有為人類生活和生產活動提供生態系統服務的功能[5-6,20-21]。但傳統生態設計雖然重視對生態系統服務功能的融合,并不將其作為主導,缺乏對生態學原理和智慧的充分理解和運用,以及對實現途徑的經濟性考量；而自然解決途徑則強調通過發揮自然生態系統自身服務功能,實現經濟、環境和社會更加可持續的解決方案。Keesstra等[22]人將NBSs與傳統工程設計對比的優勢總結為三個：(1)充分利用而不是改造和對抗自然力；(2)低經濟成本,適用于財力有限的地區；(3)尋求實現多種效益的綜合,而不是強調單個功能。簡而言之,自然解決途徑是一種基于生態學智慧的更有效和更具有成本效益的解決措施。

作為人類文明創造和傳承的主要棲息地,城市是實現可持續發展的主要場地,目前全球可持續發展面臨的主要挑戰也集中在城市之中,且當代城市發展越來越強調生態設計,通過建設“綠色”景觀代替 “灰色”景觀,從而恢復當地生態系統服務功能,實現富有彈性(Resilience)的生態系統和健康社會。目前中國知網(China National Knowledge Infrastructure, CNKI)數據庫中沒有與自然解決途徑研究相關的文獻,Web of Science數據庫中由中國作者發表的與NBSs相關的英文文獻也僅有10篇(截止于2018年12月31日)。基于此,本文首次對“自然解決途徑”全球范圍內的研究進行文獻回顧和文獻計量分析,通過對城市自然解決途徑的實例研究、熱點研究關鍵詞及主要研究力量進行調查分析,以期促進自然解決途徑研究及實踐在中國的發展,同時為城市生態設計和可持續發展提供新視野和新技術。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

Web of Science數據庫是美國科學情報研究所(Institute for Scientific Information, ISI)開發的引文數據庫,其收錄的文獻涉及學科多涵蓋范圍廣,且收錄了世界范圍內具有重大影響力的科研成果,Web of Science引文數據庫是目前全世界提供文獻回溯數據最強大的數據庫。本研究所使用的數據來源于Web of Science數據庫,數據采集時間為截止2018年12月31日。文獻檢索過程中以“NBS or nature-based solution or nature-based solutions”作為主題檢索的基本檢索條件,同時以“urban or city or cities”作為主題檢索的限制條件,以所有年份(1864—2018)的檢索結果作為最終數據來源,共檢索得到187篇文獻,其中來自于Web of Science核心數據庫的文獻有154篇。為確保Web of Science核心數據庫中檢索到的文獻均為與自然解決途徑相關的文章,對檢索到的數據進行數據清洗,剔除其中發表年限較早的與物理和化學領域研究相關的文獻(其涉及的NBS多指國家標準局(National Bureau of Standards))和部分與醫學研究領域相關的文獻(其涉及的NBS多指新生兒血點(newborn blood spot)),僅85篇文獻的研究內容與城市領域的自然解決途徑確切相關,以此作為最終數據源。

1.2 研究方法

文獻計量法是科學研究和情報學研究常用的方法之一。利用文獻計量法,可以了解某學科領域的發展方向與動態[23],在城市領域的研究中也有著廣泛的應用[24- 27]。VOSviewer是由Nees Jan van Eck和Ludo Waltman開發的用于文獻計量分析的可視化軟件,基于文獻共引和共被引原理[28],從整體把握研究對象探索整個領域的研究主題[29]。本研究利用VOSviewer軟件,對自然解決途徑研究的熱點話題、主要參與國和主要機構等進行文獻可視化分析。

2 城市自然解決途徑研究文獻計量分析

2.1 文獻回顧分析

圖1 2015—2018年間各年份發表的與城市NBSs相關的文章的數量Fig.1 The number of papers related to NBSs in cities published from 2015 to 2018

通過文獻回顧分析可以發現,歐盟是自然解決途徑這一概念的正式提出者和相關措施推廣實施的主要推動者。NBSs的概念提出后,2015年至2018年間有關城市NBSs的研究論文逐漸增多(圖1)。2015年僅有1篇文獻的研究主題與城市領域的NBSs相關。2016年增加到14篇,其中4篇論文從生態系統服務的角度對基于自然方式的解決途徑進行探討,3篇文章從應對氣候變化的視野對NBSs進行了研究討論,余下7篇文獻中有6篇文章以城市中的綠色基礎設施和自然生態基礎設施為切入點對NBSs進行研究。2017年有關城市NBSs研究的文章數量增加到34篇,其中涉及健康和人類福祉的研究論文占23.53%,關注氣候變化和自然解決途徑文章的占比為23.53%,以綠色基礎設施和生態系統服務為焦點對NBSs進行研究的文章占50%,另有少許文章從公共政策和社會適應力的角度對NBSs進行研究。2018年共有36篇文獻的研究主題與NBSs相關,其中超過一半的文獻(52.78%)是對NBSs的具體實證研究,16.67%的文章為對NBSs降低風險災害以及進行海岸帶防護的研究,部分文獻(13.89%)將政策與管理制度同NBSs相結合進行探索,少數文章提出在NBSs中應該強調利益相關者和市場公司作用。

2.2 自然解決途徑在全球范圍的實施

對經過數據清洗后的文章進行整理,列出文獻中涉及的案例研究地(圖2)。85篇文獻中共選擇114個案例研究城市、地區或國家對NBSs進行研究探討,共涉及47個國家,占全球國家和地區總數的20.98%。從目前所發表的文獻來看,不同案例地區對NBSs應用研究的深度有明顯的差異,多數案例是對已有實施工程中采用的可以歸納為自然解決途徑的某些方法或者經驗的總結凝練,例如Morris等[30]對美國38個海岸帶防護案例進行了對比總結,把其中利用紅樹林、鹽沼、海草、貝類礁石等基于自然方式的修復措施歸為自然解決途徑；van der Jagt等[31]對歐盟5個成員國的城市社區花園進行了比較研究,指出城市社區花園能夠為居民提供娛樂休閑、接觸自然和種植健康食物的場所和機會,是建設彈性城市的有效自然解決途徑；Shafray和Kim[32]以首爾為案例研究地,通過對清溪川生態改造工程、首爾路自然環境修復工程以及小型社區花園修建工程的回顧研究,將融入自然生態要素的修復改造工程認為是提高城市空間再生力的重要自然解決途徑。其中,真正面向城市NBSs系統性研發案例比較少,如Versini等[33]以巴黎為案例研究地,得出城市藍綠基礎設施可以減少約90%的暴雨徑流量,藍綠基礎設施可以作為城市減少暴雨徑流的有效自然解決途徑；Rafael等[34]選擇波爾圖典型的城市建成區作為研究對象,得出“綠色”城區與“灰色”城區相比,自然解決途徑能夠減少約19%的氮氧化物和16%的PM10。本文獲取的114個案例城市、地區和國家中,基于城市尺度的案例研究地共72個,主要分布于5個大洲(歐洲、北美洲、亞洲、南美洲、大洋洲),其中絕大部分案例研究地位于歐洲地區,9.72%的案例研究城市位于亞洲,美洲占8.33%,大洋洲僅有澳大利亞的墨爾本被選作案例城市對NBSs進行研究。作為NBSs研究對象的47個國家中有26個國家位于歐洲地區,占總數的55.32%；美洲有10個國家(21.28%)；亞洲有9個國家,分別為中國、韓國、越南、蒙古、孟加拉、菲律賓、緬甸、新加坡和日本；非洲和大洋洲各一個國家,分別為南非和澳大利亞。涉及案例研究城市最多的國家是西班牙,共有24個城市作為NBSs的研究對象；瑞典7個,居第二位；英國6個,排第三；中國共有4個城市(北京、上海、重慶、嘉義)和一個地區(東部地區)參與NBSs的研究和探索；德國、羅馬尼亞和意大利各有3個城市被選作案例研究地對NBSs進行研究。從整體情況來看,目前歐洲是自然解決途徑研究和實踐的主戰場,其次亞洲和美洲國家作為案例研究地參與到自然解決途徑研究和實施的戰略之中,亞洲主要以中國為代表,目前非洲僅有少數國家或者城市被選作案例研究地對自然解決途徑進行案例研究。

圖2 城市領域NBSs案例研究地的全球分布Fig.2 Global distribution of case studies of NBSs research in urban area

2.3 研究熱點關鍵詞分析

對清洗后的數據進行處理,利用VOSviewer軟件進行可視化分析。85篇文獻中共記錄796個關鍵詞,選取其中出現頻次不小于5次的關鍵詞進行分析,共記錄27個。VOSviewer軟件將城市NBSs相關研究的關鍵詞自動歸納為4個族群,并用不同的顏色以示區分,表征不同研究熱點之間的關聯性(圖3)。藍色族群類關鍵詞主要包括生態系統服務、自然解決途徑、氣候變化和健康,表征當前城市NBSs主要是和生態系統服務以及氣候變化相關,同時也關注健康和可持續發展。紅色族群類關鍵詞主要有生物多樣性、管理和彈性,說明NBSs中關于生物多樣性的研究多涉及系統框架的治理與管理,同時注重彈性保護。綠色族群類關鍵詞主要為綠色基礎設施、區域和人類健康,表明NBSs研究中區域綠色基礎設施較為廣泛的聯系到人類健康和環境污染,同時也涉及城市規劃與服務。黃色族群類中的主要關鍵詞為城市、影響、效益和利益,說明城市尺度范圍的系統研究多考慮NBSs帶來的影響及其利益績效。

圖3 城市領域NBSs研究關鍵詞網絡圖Fig.3 key words network of NBSs research in urban area

排名前20的關鍵詞如表1所示(含等頻詞),其中出現頻率超過20次的有5個,10—20次之間的有5個,其余各關鍵詞的出現頻率均小于10次。根據關鍵詞出現頻率的高低,本文將NBSs相關研究熱點分為四類,其中出現頻率最高的是生態系統服務,代表性的工作包括：Camps-Calvet[35]和Langemeyer等[36]人對巴塞羅那27個城市園林的生態系統服務(共涉及生態系統產品、生態調節功能、棲息地支持和社會文化服務4個方面)進行研究,發現城市園林提供的社會文化服務價值最高,且老年人、低收入群體和移民是最大受益者,認為城市園林將成為應對城市政策挑戰和環境管理的重要自然解決途徑；Lafortezza等[37]評估了生態系統服務在不同空間和實踐尺度上的權衡和協同作用,指出生態系統服務應與高效的NBSs相結合。Kremer等[38]人通過對歐洲和美國7個案例城市生物多樣性和生態系統服務的比較研究,提出NBSs研究需要跨部門、跨學科,并在多尺度上開展,能夠為城市和土地管理提供堅實的科學依據。第2類高頻詞為綠色基礎設施,代表性的工作包括：Rafael[34]以波爾圖典型的城市建成區為研究對象,發現城市中的綠色基礎設施能夠有效的降低空氣污染物中氮氧化物和PM10的濃度,認為NBSs能夠有效的改善空氣質量促進城市環境的可持續性；Liquete等[39]對馬焦雷湖周邊地區多功能綠色基礎設施提供的環境、社會和經濟效益進行評估,認為綠色基礎設施在水凈化和防洪方面,相比灰色基礎設施而言具有相等甚至更好的效益；Green等[40]通過對溫哥華和倫敦典型案例的研究,認為投資綠色基礎設施可以增加生態系統的服務價值,降低其脆弱性以及減少應對氣候和環境變化的成本。氣候變化是第3類出現頻率較高的熱點詞匯,代表性的工作包括：Fink[41]從生態系統服務的角度闡述了NBSs在城市應對及適應氣候變化的重要性,認為NBSs有利于增進人類健康和福祉,同時也能夠緩解城市碳排并增強城市可持續性；Zimmermann等[42]人通過對阿根廷羅薩里奧在4個不同場景下洪水徑流系數的研究,認為改善城市綠色基礎設施能夠有效應對氣候變化引起的洪災；Kabisch等[16]人建立了評估NBSs有效性的指標,并探索了NBSs的現有障礙和潛在機會,認為NBSs是緩解氣候變化的有效工具。第4類熱點詞匯是人類健康與福祉,代表性的工作包括：Vujcic等[43]人通過跨學科聯合研究城市自然生態環境與人類心理健康的聯系,發現NBSs(園藝療法)能有效的幫助參與者改善壓力、抑郁和焦慮等狀況。Van den Bosch和Sang[44]對NBSs與城市人群生理健康的聯系進行了研究,發現基于自然方式的解決途徑能夠調節與心血管疾病相關的死亡率,有益于城市人群公共健康。

表1 城市領域NBSs研究中具有較強連接關系的關鍵詞

2.4 研究力量分析

2.4.1主要研究國家

本文通過文獻計量法分析參與NBSs研究的主要國家,發文數量排前20的國家如表2所示,其中6個國家的發文數量超過10篇,11個國家超過5篇。至2018年止,共有47個國家參與到自然解決途徑的研究領域中(圖4)。意大利在該領域中發表文章數量最多(17篇)；瑞典發文數量居第二位(16篇)；其次為美國(14篇)、德國(13篇)、荷蘭(11篇)和中國(10篇)。發文年份最早的國家為奧地利(2015年)；德國、英國、美國、挪威、比利時的平均發文年份為2016年；2017年初發文較多的國家主要是瑞典、荷蘭、瑞士、意大利和西班牙；中國、葡萄牙、蘇格蘭和澳大利亞是2017年下半年發表與自然解決途徑相關文章的主要國家；2018年發表與自然解決途徑相關文章的國家有立陶宛。意大利、瑞典、美國、德國和荷蘭在國家合作關系網絡圖譜中較為醒目,其發文數量均在10篇以上。瑞典的發文數量和文獻被引次數均排第二,德國累計發文數量13篇位居第四,但其總被引次數排名第一。從所發表文章的被引用次數來看,被引次數超過50次的有7個國家(德國、瑞典、荷蘭、奧地利、美國、意大利、比利時),意大利的發文數量雖然居第一,但其文獻被引次數遠遠落后于德國和瑞典。中國的發文數量與荷蘭僅相差1篇,但中國所發文章的被引次數卻遠遠落后于荷蘭；奧地利的發文數量不及荷蘭的一半,但其所發表文章的被引次數卻相差不大(表2)。

圖4 城市領域NBSs研究中涉及的國家(地區)合作網絡圖譜Fig.4 Map of national (province) cooperation networks of NBSs research in urban area

2.4.2主要研究機構

所發表的與城市自然解決途徑相關的文章共涉及233個機構,其中148個機構之間存在合作聯系(圖5)。但各個機構發文的數量并不高,現有發文數量不少于5篇的機構共有5個,分別是巴里大學(7篇)、密歇根州立大學(7篇)、斯德哥摩爾大學(6篇)、慕尼黑理工大學(5篇)、巴塞羅那自治大學(5篇)。發文數量排前20的機構中,有18家機構位于歐洲國家,僅密歇根州立大學和英屬哥倫比亞大學位于北美洲。德國共有4所科研學術機構的發文數量位于前20名,分別是柏林洪堡大學、慕尼黑理工大學、赫爾姆霍爾茨環境研究中心和德國綜合生物多樣性研究中心,其中慕尼黑理工大學和柏林洪堡大學的發文數分別為5篇和4篇,文獻被引用次數分別為70次和52次；赫爾姆霍爾茨環境研究中心和德國綜合生物多樣性研究中心的發文數量分別為3篇和2篇,文獻被引用次數均為46次(表3)。相比于其他科研機構所發文章的被引次數,德國目前在自然解決途徑研究領域擁有較大的影響力。此外,荷蘭的伊拉斯姆斯大學、巴塞羅那自治大學、瑞典斯德哥爾摩大學、挪威自然研究所、挪威生命科學大學所發文章的被引次數也相對較高。中國對NBSs研究的起步時間較晚,目前所發文章的被引次數整體較低；目前共有17所大學和科研機構參與自然解決途徑的研究,其中6所高校位于中國香港,其余高校分別位于北京(北京林業大學、中國林業科學院)、上海(上海交通大學、上海師范大學)、南京(東南大學)、浙江(浙江大學)、深圳(南方科技大學)、山東(山東大學)和重慶(重慶大學)。香港大學、香港教育大學和香港理工大學參與發表的文章數最多(共計6篇),且其被引次數也最高。

表2 NBSs研究領域中發表文章數量前20的國家

從發文機構的關系網絡圖譜中可以看出,2015年的發文機構主要是以環境保護和觀察中心(CRIOBE)為代表。 赫爾姆霍爾茨環境研究中心和德國綜合生物多樣性研究中心是2016年上半年發表與自然解決途徑相關文獻的主要機構；2016下半年對自然解決途徑研究的主要科研陣地則轉移到慕尼黑理工大學、挪威自然研究所、柏林洪堡大學、歐盟委員會和斯德哥爾摩大學等學術機構。2017年,以密歇根州立大學、羅茲大學、隆德大學、里斯本大學、英屬哥倫比亞大學、瑞典農業科學大學和香港大學、香港理工大學等為主的科研學術機構對自然解決途徑進行了研究。北京林業大學、瑞典皇家理工學院、上海交通大學和埃武拉大學等研究機構也成為后起之秀,在2018年積極的加入自然解決途徑的研究探索之中。

圖5 城市領域NBSs研究發文機構關系網絡圖譜Fig.5 Network map 之‘of the relationship between the organization of NBSs research in urban area

機構Organization文章數Documents被引次數Citations總聯系強度Total link strength機構Organization文章數Documents被引次數Citations總聯系強度Total link strength密歇根州立大學(Michigan state university)730140英屬哥倫比亞大學(University of British Columbia)411146巴里大學(University of Bari Al-do Moro)730139里斯本大學(University of Lisbon)4227斯德哥爾摩大學(Stockholms univer-sitet)64274伊拉斯姆斯大學(Erasmus University)35235慕尼黑理工大學(Technische Universit?t München)57056赫爾姆霍爾茨環境研究中心(Helmholtz-Centre for Environmental Research-UFZ)34624巴塞羅那自治大學(Universitat Autònoma de Barcelona) 54246瑞典農業科技大學(Swedish University of Agricultural Sciences)310148柏林洪堡大學(Humboldt university)45252佛羅倫薩大學(University of Florence)3418挪威自然研究所(Norwegian Institute for Nature Research)44243國立羅薩里奧大學(Universidad Nacional de Rosario)334挪威生命科學大學(Norwegian University of Life Sciences)44243瓦格寧根大學(Wageningen University)3229瑞典隆德大學(Lunds universitet)43418德國綜合生物多樣性研究中心(German Centre for Integra-tive Biodiversity Research)2465羅茲大學(University of Lodz)42316世界自然保護聯盟(International Union for Conservation of Nature)23831

3 結論與展望

NBSs是近幾年生態學應用研究的熱點,其理念是綜合考慮經濟、環境和社會效益,引入自然生態系統服務功能用來修復、恢復甚至提升城市生態基礎設施水平,進而解決城市面臨的可持續發展挑戰。本文基于VOSviewer文獻計量分析軟件對城市背景下自然解決途徑研究的熱點關鍵詞、主要研究國家、機構、關鍵作者,以及自然解決途徑案例研究地在全球范圍的分布進行了全面的分析。發現：

(1)歐盟是自然解決途徑這一概念的正式提出者和發展的主要推動者。2015年至2018年有關城市NBSs的研究論文逐漸增多,從目前來看,多數案例是對已有實施工程中采用的可以歸納為自然解決途徑的某些方法或者經驗的總結凝練。自然解決途徑的案例研究地分布于全球6個大洲(歐洲、北美洲、亞洲、南美洲、大洋洲、非洲),歐洲的案例研究地最多,美洲和亞洲對開展自然解決途徑研究和實施的發展潛力巨大。

(2) 根據與城市NBSs相關研究熱點從高到低主要涉及生態系統服務、綠色基礎設施、氣候變化、人群健康與福祉。不同研究熱點之間相關關聯,形成四個族群：生態系統服務、自然解決途徑、氣候變化和健康,生物多樣性、管理和彈性,綠色基礎設施、區域和人類健康,城市、影響、效益和利益。

(3)城市自然解決途徑研究的主要力量主要聚集在歐洲地區,其中德國和瑞典目前在城市自然解決途徑研究領域占主導地位,目前,中國對于自然解決途徑的研究處于初期起步階段,所發文章的影響力暫時較低,現有研究力量主要集中在香港特別行政區。

自然解決途徑的提出為生態設計注入了新鮮的血液,提供了新的視野和技術方法,強調對自然資源的高效利用,降低對自然環境的破壞和影響,從而實現可持續發展,提升城市恢復力和實現城市長久可持續發展的有效措施。自然解決途徑的研究與生態設計的發展相輔相成,生態設計可以看作是自然解決途徑的實踐應用,自然解決途徑的研究又能為生態設計提供更多的理論支撐和前沿技術手段。在自然解決途徑引起全球學者廣泛關注的背景下,中國應該積極的投身自然解決途徑研究中,具體實踐中結合生態設計的思想和原則以緩解中國城市在快速城市化過程中面臨的壓力和挑戰,從而實現城市的可持續發展,提升人類福祉和共同利益。未來中國應該鼓勵和促進相關利益者的介入,促進國內更多的高校和科研學術機構參與其中,提高國內公眾對自然解決途徑的認知水平。將自然解決途徑的思想和生態設計的理念納入城市規劃和管理體系,通過對自然解決途徑具體案例的實施和研究為其提供充分有力的科技支撐,并結合更多的案例研究豐富和完善適用于中國的自然解決途徑的理論和實踐研究體系。