城市绿色基础设施空间形态的GIS生态服务评价模型

汪洁琼 郑祺

1 引言

一直以来，“城市开发”与“环境可持续”如同“矛”与“盾”的关系，久久不能调和。从而促使大量策略性的研究与理论应运而生，这些理论包括紧凑型城市、多中心城市、低碳或零碳城市等等。在这一背景下，绿色基础设施（Green Infrastructure, GI）得到了关注和发展，认为其是能实现可持续的城市开发的有效途径之一。绿色基础设施被认为是一种能够指导土地利用和经济发展模式往更高效和可持续方向发展的重要战略，其核心是由自然环境决定土地利用，突出自然环境的“生命支撑”（life support）功能，将社区发展融入自然，从而建立系统化生态功能的网络结构[1]。近15年以来，欧美等发达国家在绿色基础设施理论架构、设计导则、实践应用等方面都取得了一定的进展，而我国在各个方面的研究还有一定的差距。本文强调绿色基础设施能承担多重生态服务功能，包括供应服务功能（如当地食物供应、淡水供应等）；支持服务功能（如在城市中支持野生动物栖息地、支持养分循环等)；调节功能（如气候调节、空气质量调节等）；文化服务功能（如娱乐、审美经验和灵感等）[2]。本文借助GIS数据分析模型，以支持生物多样性与碳调节两大与植被有关的生态服务为例，建立以生态服务为核心价值的客观评价方法，从而弥补了国内城市绿色基础设施量化评价方面的不足，从指标构建、量化评估方法论的角度，为进一步空间形态、布局优化、建设实施奠定了基础。

2 以生态服务为核心价值的正开发

在可持续理论方面，澳大利亚学者詹尼斯•博克兰德（Janis Birkeland）在2008年提出了一种重要的观点——提供生态服务的正开发（Positive Development）[3]。其观点认为，很多开发之所以导致对环境的破坏，很大程度上都是由于规划设计失误所导致的；若规划设计之初，能强调对生态服务的考虑，使其生态系统做功，就能对环境形成的积极影响，即“正开发”。其中，“生态服务”是用于描述“由自然系统提供的生态产品与服务”的简称[3]，其中包括“生产食物、调节当地和全球的气候、减少洪水、管理暴雨径流等等”[4]。博克兰德认为，通过“提供生态服务的设计”（Design for Eco-services），有可能再生或产生健康良好的生态系统，并能提供多样的生态产品与服务[3]。与当前城市可持续理论的主流措施不同，她的理论强调3个方面：

（1）以积极的态度面对开发：从可持续的角度看，往往会对城市开发秉持着一种消极、反对的观点，博克兰德却认为最负面的影响其实来源于对物质环境和社会机制的错误设计（见图1的白色箭头）；

（2）通过自然做功来增加生态价值：与紧凑型城市所暗示的线性减法模式不同，博克兰德强调通过生态基础的修复可以使其生态价值提升。如图1所示，向下的箭头表示能减少对开发负面影响的传统途径，而向上的箭头表示潜在的可提升生态基础和环境承载力以及可提供生态服务的设计[3]。规划设计本身可以借助生态服务的力量，在城市环境中让生态系统发挥作用，从而提高生态基础的环境承载力。

（3）低成本的生态革新：低成本与低科技的生态革新正是发展中国家所需要的。波尔曼（Perlman）与米尔德（Milder）指出生态服务的社会价值是无法估计的，如果自然生态系统自身不能提供例如防洪、水体净化、营养循环等等的功能，而是要通过工程的手段来实现，则需要数以万计的资金[5]。

在博克兰德之前，尽管有一些学者对于生态服务的作用进行了关注，但大多都是基于生态学和生物学的考量，例如克斯坦扎（Costanza）对17种生态服务进行了统计，从其折算后经济价值全球变化的角度，论述了生态服务的重要性[6]，出自城市规划与设计学科的研究寥寥无几[3,7]。其中，景观生态学通过结构（structure）、功能（function）和变化（change）三大特征来强调将城市及其景观看作一个有活力的生命体系统[8-9]。其中的功能和Birkeland所强调的生态服务类似，它是显示某一景观或生态系统是否健康的主要指标，但这些重要的生态服务在当前规划设计实践中并没有得到全面的理解和关注[10]。博克兰德（Birkeland）的观点突破了原有可持续理论界对于开发所持的消极观念，“正开发”既取代了长时间以来“低影响”、“零影响”为主旨的主流观点，也打破了原有生态学与规划设计专业各自为营的局面，认为生态服务效能的高低是检验规划设计成果优劣的标准，为可持续的理论与实践都提供了新的思路与出路。

3 提供支持生物多样性与碳调节的绿色基础设施

“绿色基础设施”的主张着眼于解决城市大规模水平化发展所导致的后果[12-13]，强调应将城市地区与其周边日益交融的自然景观看作一个整体[14]，强调绿地、景观或者生态空间在实现城市可持续方面的重要性[15-16]，并提出它们的价值应当等同于城市其他灰色基础设施（grey infrastructure），例如给排水系统和道路系统。目前，对于绿色基础设施有两种理解。第一种，将基础设施理解为城市的支撑系统，能提供潜在却重要的生态服务，绿地应当被看作是这系统的一部分。根据此理解，绿色基础设施被认为是相互联系的城市绿地空间，并与区域景观结构和城市中的其他用地类型进行整合。其中，俞孔坚等（2005）通过对于区域和城市景观结构的生态分析，绿色基础设施可以称为一种控制城市增长、优化城市形态和布局的有效途径[14]，安超、沈清基（2013）强调绿色基础设施所承担的生态绩效，并从该概念出发提出绿色基础设施网络构建的理论与方法[17]。第二种理解是将传统的灰色基础设施，例如道路等，进行生态化改造[18-19]，使传统的灰色基础设施更生态的过程，而并非仅限于技术标准上来评价。

另一方面，2005年出版的《新千年生态系统评估》报告中指出在过去的50年中，全球范围内与植被相关的生态服务，例如野生动植物提供、纤维提供、生物化学调节、区域与地方性气候调节、空气质量调节以及生物多样性支持等，都面临不同程度的退化危机[11]。对此，本文主张一个城市的绿色基础设施可以提供多重生态服务，例如通过城市绿地系统与区域景观结构的优化来维持生物多样性，或通过在高密度地区增加以绿色空间为基础的“冷岛”来调整碳排放。本文围绕绿色基础设施所能承担的支持生物多样性以及碳调节这两大生态服务展开研究，研究的核心是构建以生态服务为核心价值的城市绿色基础设施的客观评价方法，并在此基础上阐述城市绿色基础设施的空间形态与生态服务效能之间的耦合关系。本文强调研究对象之一是城市绿色基础设施的空间形态（physical form），由于生态服务的提供，不仅仅取决于大尺度的空间布局，精细尺度的形态也是关键。这里所指的“空间形态”包含宏观尺度的空间布局，例如土地利用布局、城市绿地的类型与布局等，也包含微观尺度的具体形态细节，例如建筑垂直绿化的位置、形态、品种，或滨水绿地作为种群栖息地等植被类型、种植方式等等。

3 水边的乡间住宅形成村落

4 沿海岸的滩涂湿地和点缀的水塘

4 构建GIS生态服务评价模型（GEEM）

科亚（Kaye）提出城市生态系统与非城市生态系统有本质的不同，大多数生态学家或生物学家所进行的生态服务方面的研究都是针对非城市生态系统，而不是城市生态系统[20]。因此本文研究的核心是提出适用于城市生态系统的“GIS生态服务评价模型”（GIS-based Eco-services Evaluation Model，简称GEEM），构建以生态服务为核心价值的城市绿色基础设施的客观评价方法。该模型是在《GIS Modeling and Analysis》[21]以及《GIS Modeling in Raster》[22]等GIS方面文献的基础上发展提出的。

GEEM的核心是基于GIS的数据化模型以及以光栅文件（raster）为主体的空间分析。它可用于评价城市绿色基础设施的空间形态对于生态服务的影响，包括5个主要步骤：定义核心生态服务、参数化（parameterisation）、输入数据的准备、光栅化（rasterisation）、叠加（overlay）和聚集化（aggregation），其中参数化是最重要的。在第4步光栅化过程中，需将原有的矢量化图纸转换成光栅化图纸。由于临港新城占地297km2，本研究经过反复测试，采用50m作为光栅化网格的最小单元，从而使最终图纸能直观、精确地显示研究成果。不同尺度的研究案例在选取网格单元时，应当不同。在作者早期研究的基础上，将这些参数称之为生态因子[23]，这些定义出的生态因子都是具有空间特征的，换句话说，就是它们可以通过ArcGIS的空间数据进行计算。通过作者个人的使用经验、对该方法的反复测试和修改，本文提出的GEEM可以直接运用于规划设计实践，因为只需要普通的空间数据（例如从AutoCAD转换的数据）即可实现。最终的评价结果可以用来指导城市开发中的决策[24]。本文重点阐述与绿色基础设施有关的两个生态服务——生物多样性的支持与碳调节——的GEEM参数化模型。

4.1 支持生物多样性的八大生态因子

绿色基础设施可以支持或过滤种群。景观生态学家强调“斑块—基质—廊道”的空间结构能在大尺度状态下维持种群的稳定功能[5,8-9]，Hough和Spirn都认为本土植物的种群和它们的生态演替过程是维持城市中种群丰富度的关键[25-26]。通过文献综述，以下提出与支持生物多样性该生态服务功能有关的8大生态因子：

其中

BD表示支持生物多样性的生态服务，Pt表示斑块类型, Ps表示斑块大小, Ed表示边界,Ct 表示廊道类型, Co表示廊道连结度，Hc表示人工廊道, Sp表示植被种群, 以及Su表示生态演替过程。这些生态因子中，Hc与BD是反相关关系。通过在ArcGIS中对这些生态因子进行乘法与除法的相关叠加运算，可以量化评价不同空间形态的绿色基础设施支撑生物多样性的高低。

4.2 碳调节的四大生态因子

绿色基础设施可以通过两种途径来提供有效的碳调节功能——减轻城市热岛效应和利用树和土壤来进行碳中和[11]。通过对于城市生物地理化学专业、林学、造林学以及城市生态学的文献研究[27-28]，本文提出碳调节该生态服务是与以下4大生态因子有关：

其中，

RC表示碳调节的生态服务，Ue表示城市热岛效应，Sa表示地块面积，Tc表示平均的树冠覆盖率（Average Tree Crown Cover），Tp表示健康或大树的比例（the percentage of healthy/larger trees）。通过在ArcGIS中对这些生态因子进行乘法叠加运算，可以计算出不同形态下，对RC该生态服务的提供程度。

5 上海临港新城城市开发前后不同的生态服务效能评价

上海临港新城是长三角地区城市扩张、新城开发的典型。新城开发前的临港，西部是一片农田基质，东部是滩涂湿地，其中点缀着若干森林斑块和村落（图2-4）。

上海临港新城东片区借鉴了霍华德“花园城市”的空间形态，一直以来，这种理想的空间形态受到规划界、设计界褒贬不一的评价。本文力求从生态服务的角度，针对其绿地的空间形态提出评价。根据《临港新城总体规划》[29]以及《临港新城绿地专业规划》[30]，新城将规划建立起新的城市绿地系统，包括公共绿地（19.7km2），防护绿地（10.9km2），以及少量的结构性绿地和生态绿地，绿地总面积占新城的20.8%[30]。城市绿色基础设施以“生态壳、生态廊道和生态核”（图5）的空间形态存在。其中“生态壳”由大治河防护带（北）、沿海防护带（东）和利马河防护带（西）构成；“生态廊道”是指沪芦大道和两港大道；“生态核”是指在东西之间的临港森林以及在东部居住区内的锲形绿地[30]。

通过GEEM，研究对临港新城城市化前的状态以及城市绿地系统规划的方案进行了评价和对比，其评价结果可总结如下：

在支持生物多样性方面（图6），首先，评价结果表明对于生态敏感的斑块和廊道的识别和保护要比城市绿地的形状和空间布局更为重要。临港东部的滩涂湿地在支持生物多样性方面功能显著，但在新的总体规划中却没有受到重视，而且是全然抹去了。尽管《临港新城总体规划》和此后的《临港城市绿地专业规划》都提出要建设83km2的城市绿地，但绿地数量的多少并没有改变规划在编制过程中，忽略临港现有的植被状况，进而将其看作一张白纸来做的事实。在东部的锲形绿化和海岸湿地公园中虽然有部分滩涂湿地得以保留，为野生鸟类和其他种群提供了生存的可能性，但是，这依然取决于这些滩涂湿地能被很好的保护，并且在将来也不会为了视觉的美观和干净整洁而被重新翻新种植。不幸的是，目前的规划方案没有提供该方面保护的强制性内容。其二，生态壳的形态（城市的防风绿地）和生态核（临港森林）能很好的支持生物多样性，因为他们和区域的绿色廊道系统联系在一起，并与上海整体的绿地系统联系在一起。第三，临港森林，作为生态核，却被一条高等级的公路一分为二。值得注意的是，当前虽然很多规划方案都会提出生态廊道的概念，但大多是指高速公路或主要车行干道。过分强调人工快速干道的廊道是对生态廊道的误解。因为高速和中间有隔离带的人工廊道在种群运动中，起到的更多的是阻碍作用，它会阻止动物的迁徙，甚至导致他们的死亡。对于高速和中间有隔离带的道路而言，更重要的其实是安装护栏、地下生物通道或地上生物通道以供种群通过。

在碳调节方面，中国的城市往往采取的是高层高密度的紧凑型方式，这也意味着更高的建筑密度、随之增加的城市热岛效应，以及由此带来的、增加的能源消耗和碳排放（图7）。通过图8（左）和（右）的对比，表明在城市开发前临港的西片区拥有较高的碳调节（RC）的生态服务效能，在规划后，这种效能也没有太多的丧失。绿地率和合适的城市绿地空间（例如垂直花园或屋顶花园）能有效的改善城市微气候，并减轻城市热岛效应。通过规划，在临港的绿地系统中，东部的锲形绿地可以提供更多的冷岛效应。在建筑群中小型绿地的尺寸可能不足以支撑生物多样性，却可能有效地调节碳排放。

表1 碳储存和碳固存的计算

通过表1的计算，临港在建设初期（当种植的树木比较年轻、树径小的时期）能每年提供大致7 654t碳储存（carbon storage）以及172t碳固存（carbon sequestration），随着树木的不断成长，碳储存最终将增加到12 795t，但每年的碳固存量会随着时间的推移而递减，最终减少到固存36t/年。

5 小结：城市绿色基础设施的空间形态优化途径

本文提出绿色基础设施是一种能在城市范围内提供生态服务的有效途径，借助GIS数据分析模型构建以生态服务为核心价值的客观、量化的评价模型，提出影响生物多样性的支持的八大生态因子以及碳调节的四大生态因子，通过对上海临港新城城市开发前后的对比，论证了该评价模型——GEEM的可行性，并阐述了生态服务效能与城市绿色基础设施空间形态之间的耦合机理。

6 将Pt, Ps, Ed, Ct和Hc叠合后的整体BD

7 城市热岛效应的计算机模拟

8 将Ue, Sa和Tc叠合后的整体RC ：该RC的计算不包括Tp健康或大树的比例（the percentage of healthy/larger trees）该生态因子，因为临港新城大部分乔木都是新移植的，可以被认为近似相似，而且在基础资料方面缺乏该生态因子的精确数据。

表2 基于评价结果城市绿色基础设施空间形态与生态服务效能的小结

通过对案例的评价，可以看出临港新城目前采用的规划方案并没有很好地考虑植被在生态服务方面的贡献。事实上，较高的绿地率以及视觉美观的绿地形态并不意味着高的生态效能。如表2所总结的，在支持生物多样性（BD）和碳调节（RC）方面，要求在大尺度和精细尺度两个方面，同时对绿色基础设施的空间形态进行优化。在支持生物多样性（BD）方面，城市绿色基础设施应当重视识别并保护生态重要性高的斑块，尽可能地增加其面积，并注重维护其边界的不规则性以及由此带来的生物多样性；自然廊道方面，尽可能的识别和保护现有的廊道，通过增加新的廊道来联结斑块，并减少廊道的时断时续；不应过分强调道路廊道的生态重要性，反之要正确的认识其在种群迁移等方面的阻碍作用，尽可能的减少大型人工廊道的密度，避免其割断生态敏感的斑块，可在精细尺度上通过增加安装篱笆、生物桥等来改进人工廊道的设计；引进生态演替的思想，最大化本土种群，尽可能地使种群自然过度、自然生长，并减少人工干预的可能性。在碳调节（RC）方面，高密度建筑周边150m范围内增加绿地、屋顶花园、在建筑西侧增加垂直绿化，以此减少热岛效应；增加树冠覆盖率，重视大树与新树的平衡比例等，提出平时规划设计所忽略的优化策略，这些也是本文的价值所在。

城市绿色基础设施已成为实现可持续的城市开发的有效途径之一。本文所提出的GEEM，为城市绿色基础设施的客观、量化评价提供了一种途径和思路。其中生态服务的参数化还亟待进一步的补充和完善；目前案例中所针对的空间形态还偏向以植被为主，与雨洪管理结合的城市绿色基础设施方面，还亟待进一步研究；空间形态与生态服务效能之间的耦合机理还亟待进一步的探索、总结和阐述；不同生态因子之间的权重关系还亟待进一步研究。

注释：

表1基于参考文献[27-28] 进行计算；表2作者绘制；图1引自参考文献[3];图2数据来源: 基于当地主管部门提供的MapInfo数据, 作者在ArcGIS中制图；图3-4作者拍摄；图5引自参考文献[30]第35页；图6-8作者绘制；

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