适应城市增长的绿色基础设施生态系统服务优化

王云才

申佳可

彭震伟*

象伟宁

1 城市增长背景下的绿色基础设施供需失衡

1.1 城市增长背景下的绿色基础设施供需体系现状

绿色基础设施的研究与实践始于20世纪90年代中叶的美国。随着城市在规模、人口、建设等方面的增长，城市中关乎人类健康、福祉与发展的生态问题也随之增加[1]。在最近的10～15年里，为城市生态安全需求提供“生命支持服务”的绿色基础设施愈发成为一项热门的研究课题。Benedict和McMahon将绿色基础设施定义为“自然生命的支持系统”，并指出它包含所有城市周边及内部的绿色开放空间[2]，构成了城市生态系统服务的供给体系。然而，城市增长带来城市不断向外蔓延，对内侵蚀城市内部的绿色空间，使绿色基础设施在规模和种类上不断减少，空间结构连接性不断下降，导致绿色基础设施所提供的生态系统服务能力持续下降[3]。毫无疑问，城市绿色基础设施已无法满足城市增长对城市生态安全日益增长并不断变化的需要。另一方面，满足城市增长中的需求是保证城市可持续发展的途径之一，由此形成城市生态系统服务的需求体系。城市规模的扩大不仅提高了对绿色基础设施生态系统服务类型与总量的需求；而且提出了时间结构与空间结构需求。前者主要表现为大型及超大型城市季节性需求的增加，如南方城市在雨季的防洪防涝需求、北方城市在供暖季的雾霾防治需求等；后者主要表现为随着城市面积的扩张，对于更多配套绿地系统及开放空间体系的需求等。此外，城市规模的扩大与城市群的形成，使城市对绿色基础设施的需求从单体设施逐渐转为区域尺度上完善的绿色基础设施体系，从而实现城市间紧密的空间组织与功能联系[4]，提供更加综合且复杂的生态系统服务，因此需要更多作为生态系统服务载体的绿色基础设施做出适应城市增长需求的针对性响应。

1.2 绿色基础设施供需体系的不平衡矛盾

城市增长带来了城市生态系统服务供需失衡的矛盾。一方面，这一矛盾体现为供需总量上的失衡：城市化造成的空间侵占与空间破碎导致了现有绿色基础设施提供的生态系统服务能力下降；与此同时，城市可持续发展的过程需要更多生态系统服务的支持和绿色基础设施的承载。另一方面，这一矛盾体现为空间配置上的失衡：城市化带来的人口过度集中和生态空间损失，使市域范围成为生态系统服务高需求地区；然而，人口稀疏、生态空间保存较好的市郊及城市周边地区过剩的生态系统服务供给，无法与之形成空间上的匹配。总之，城市生态系统服务供需不平衡的矛盾在城市中表现为生态空间减少、生态空间破碎化、生物多样性降低、生态空间人工化、生态空间分布不均等问题，由此给城市带来一系列严重的影响，如暴雨洪涝、城市热岛等城市病，很大程度上威胁着城市及人民的安全，阻碍城市可持续发展，也为城市韧性的构建和人类福祉的提升带来极大挑战。面对这一供需不平衡矛盾，文章提出如下问题并进行讨论：什么是满足快速城市化地区城市生态安全需求的绿色基础设施？如何从城市生态安全所需生态系统服务的角度确定绿色基础设施的时空结构与具体功能？

2 城市增长与绿色基础设施的响应过程

在绿色基础设施这一概念提出并逐渐完善之前，城市中已出现扮演着绿色基础设施这一角色的生态空间。随着城市发展，生态空间类型扩充，绿色基础设施功能扩展，不仅限于城市开放空间或绿地所提供的功能，而向生态系统服务的方向演化。本文所探讨的绿色基础设施，涵盖所有城市中能够提供城市增长所需要生态系统服务的生态空间或设施；提供的生态系统服务分为支持服务、调节服务、供给服务和文化服务4类，包括：提供新鲜空气和水、安全庇护、环境净化、绿色生产、气候调节、游憩娱乐和遗产保护等功能[5]。

2.1 适应城市增长的绿色基础设施功能发展与演变

在城市发展过程中，绿色基础设施始终作为满足城市增长需求的回应，是提供城市生态安全所需生态系统服务的主要来源。处于不同发展阶段，城市需要的生态功能不同，城市发展过程中的需求变化塑造了绿色基础设施在功能类型、空间布局、服务内容及构建理念等方面的演变(表1)。

表1 适应城市增长的绿色基础设施(GI)功能发展与演变

1)以满足人类宜居需求为出发点：公园与开放空间。19世纪中期—20世纪中期，在工业革命的浪潮下，大量人口从乡村涌入城市，持续性的城市增长导致乡村土地空间的吞噬和自然景观的破坏[6]，人们急需安全的生态环境与宜居的生活空间。这一阶段的绿色基础设施由公园、森林、湿地、农田、城区公共绿地等一系列开放空间组成，这些开放空间以绿楔、绿块、绿核、环形绿廊等多种空间形式环绕分布于城市周边[7]，形成控制城市无序蔓延与城市合并的“绿色控制带”，发挥着防止耕地和乡村被继续侵蚀和改善城市内部公共环境等功能。2)以满足生物保护需求为出发点：绿道与生态网络。20世纪中期至末期，城市化的加快使自然景观退化与破碎化现象日趋严重[6]。农业景观与自然景观的损失，以及由这种损失所带来的生态系统服务能力下降，为城市内部的绿色空间带来极大压力。为了弥补由乡村自然空间的丧失和破碎所导致的生态、生产和文化功能空缺，减少空间破碎化来的生态影响，这一阶段出现了“连接”理念下进行规划建设的绿道、生态廊道和生态网络等绿色基础设施。通过线性土地要素的连接，零星分散于城市内部及周边的绿地被有机联合，减少了景观的破碎度，由此防止自然区域破碎及物种灭亡，增强城乡间联系，并加强城乡绿地的生态、生产与文化功能[8]。3)以满足精明增长需求为出发点：网络化与绿色技术。进入21世纪，全球范围的城镇化现象使城乡生产、生态、生活空间缺乏统筹协调和一体化发展，巨型城市内大量传统的灰色工程设施和少量绿色基础设施只能单目标地解决局部问题，生态系统服务效益低下，城市社会生态系统出现阻碍城市可持续发展的系统性失调[9]。这一阶段，绿色基础设施在不同尺度上2种理念的指导下发展：区域及城市尺度上，以“融合”为理念，通过构建“节点-连接-网络”空间结构，将城市空间融解在绿色基础设施塑造的绿色自然空间中[6]；场地尺度上，以“转化”为理念，通过将城市中的工程基础设施从灰色向绿色转化，改善并恢复城市生态系统服务功能。

2.2 适应城市增长的绿色基础设施结构演变与发展

在任何一个发展阶段，分析并确定绿色基础设施的功能与结构——解决“应包含哪些要素”“各要素应以何种格局来呈现”的问题，都是绿色基础设施规划的重点与核心。目前在景观尺度上构建绿色基础设施的方法及其形成的绿色基础设施结构主要包含以下几种(表2)。1)基于垂直生态过程的“千层饼模式相加法”。以传统生态学为理论基础，通过对环境中现有景观单元内如地质、土壤、水文、植被、动物等要素信息进行图层叠加，根据综合适宜性评价结果，基于现有的林地、水域湿地、森林、生态廊道等生态要素，选择最佳契合点作为“枢纽”或“中心”， 从而形成“点-线-面”叠加结构的绿色基础设施网络[10]。2)基于水平生态过程的“生态绩效”空间分析法。以景观生态学为理论基础，首先，根据现有环境因素计算水平运动的“阻力”，并利用GIS“最小费用”模型进行廊道适宜性分析，确定廊道位置及格局[11]；其次，通过模拟水平运动过程，确定空间中的关键作用点与空间关系，从而形成景观安全格局，即潜在的绿色基础设施“点-线-面”网络[12]。3)基于图论的“廊道连通性评估”方法。以图论及网络分析为建立和分析景观连接性的有效工具[13]，首先，通过将环境中已有的生态栖息地和进行的物种扩散等生态过程，分别简化为图论意义下的“节点”和“连接”，由此衍生出不同复杂度和连接性的网络拓扑结构[14]；其次，对网络结构进行廊道连通性评估，并选择连接度高、费用率低的最优方案形成由节点及其连接所形成的绿色基础设施网络[15]。4)基于形态学的“形态学空间格局分析法”(MSPA)。以几何形态学为理论基础，提取绿色基础设施要素为“前景”，其他要素为“背景”， 经二值图像栅格化处理后将“前景”划分为7种形态学格局分析要素，包括桥、环、分支、边缘、孔、岛和中心，并依据形态学空间格局分析法的“中心”和“桥”，即“枢纽”和“廊道”构建绿色基础设施网络[16]。

3 供需平衡下的绿色基础设施生态系统服务优化概念框架

目前，城市中绿色基础设施实践面临着生态系统服务供需不平衡的矛盾：总量上，绿色基础设施生态系统服务的供应量小于需求量；空间上，绿色基础设施生态系统服务供需结构不相匹配。基于上一章文献综述，发现绿色基础设施的现有研究存在以下三方面不足：1)强调生态系统的供给角色而鲜少关注城市对生态系统服务的真实需求；2)重视形态塑造与数量增加而忽视了生态系统服务的提供是否有所提高；3)集中在局部结构与单一功能的层面上而对整体时空结构关系缺乏研究。

图1 基于供需平衡的绿色基础设施生态系统服务优化概念框架

立足于城市绿色基础设施在研究与实践上体现出的功能弱化与结构失衡两大突出问题，构建基于供需平衡的绿色基础设施生态系统服务优化概念框架，作为进一步架构实施框架的基础(图1)。一方面，针对绿色基础设施功能弱化的问题，以城市中生态系统服务存在的供需关系为切入点，对绿色基础设施生态系统服务供需机制进行优化，通过对供需平衡机制的模拟以及对供需水平的测度与评价，对生态系统服务的供需平衡机制加以调控，实现绿色基础设施的功能提升。另一方面，针对绿色基础设施结构失衡的问题，以城市中绿色基础设施现有时空结构为切入点，对绿色基础设施的时空格局进行优化，并进一步通过绿色基础设施构建城市的生态安全格局，使绿色基础设施在时间分配及空间布局上形成供给与需求的匹配，实现绿色基础设施的用地优化。

供需平衡下的绿色基础设施生态系统服务优化概念框架，以目前绿色基础设施存在于实践与研究两方面的问题为出发点寻找对应优化切入点，从而形成优化实施过程中4个核心功能模块：1)绿色基础设施生态系统服务供需平衡模块；2)绿色基础设施生态系统服务供需水平测度与评价模块；3)绿色基础设施生态系统服务功能提升与时空格局优化模块；4)具有高效绿色基础设施生态系统服务的城市生态安全格局构建模块。

4 基于供需平衡的绿色基础设施生态系统服务优化实施框架

为构建满足城市增长所需的绿色基础设施格局，文章基于上述概念框架中的四大核心模块，初步构建适应城市增长的绿色基础设施生态系统服务优化的实施框架(图2)。

4.1 绿色基础设施生态系统服务供需平衡及调控机制

立足于城市群、城市和社区3个尺度，一方面，以现有提供生态系统服务的绿色基础设施为对象，针对绿色基础设施提供生态系统服务的方式、生态系统服务类型、规模、结构等方面的供给特征，把握影响生态系统服务供给的关键因素，确定绿色基础设施生态系统服务供给的影响机制与服务水平。另一方面，以城市或社区中政府、企业、居民等各类利益相关主体和城市参与者为对象，针对生态系统服务的需求特征及其在需求类型、规模和结构等方面的变化规律，把握影响生态系统服务需求的关键因素，确定绿色基础设施生态系统服务的需求影响机制与服务水平。基于供需平衡的动态过程，确定多个尺度上各类供需主体的系统特征、空间结构和变化规律，得到各尺度的供需平衡模式以及供需主体的功能结构与运行机制，提出建立于供需平衡基础上的耦合理论模型；并由此探究区域绿色基础设施生态系统服务的韧性区间和动态平衡能力，形成以韧性为核心的绿色基础设施生态系统服务供需平衡调控机制。

表2 适应城市增长的绿色基础设施(GI)结构演变与发展

图2 基于供需平衡的绿色基础设施生态系统服务优化实施框架

4.2 绿色基础设施生态系统服务供需水平测度评价及调控机制

绿色基础设施生态系统服务供需水平的测度与评价是获悉供给水平的真实现状以及具体需求的规模与总量。供需水平的测度指标选取应基于城市中现有绿色基础设施的规模、类型、结构特征和管理方式等方面；对于需求水平来讲，城市功能类型、产业结构特征、地理环境条件、社会形态和地方文化等需求主体的特征和空间分布是指标选取要考虑的因素[17]。其次，确定绿色基础设施生态系统服务供需平衡模型的阈值效应。以区域及城市中现有绿色及灰色基础设施为对象，分析生态系统服务供给的阈值效应；以城市中需求主体的时空分布特征和规律为基础，在维持需求主体的基本功能前提下，研究对生态系统服务需求的阈值效益。结合生态系统服务供需动态特征，绿色基础设施生态系统服务的供给水平可以采用供给冗余度指数对其供给的韧性效能进行评估；绿色基础设施生态系统服务的需求水平可以采用需求效度指数对其需求效能进行评估。并采用平衡效度指数实现对绿色基础设施生态系统服务供需平衡效度的评价。

4.3 绿色基础设施生态系统服务功能提升与时空格局优化与调控机制

针对区域绿色基础设施的特征、规模与结构、供给结构与功能以及需求结构与功能等分析和调控参数和关键环节，建立绿色基础设施生态系统服务韧性调控体系；另一方面，探讨区域绿色基础设施生态系统服务的时间、空间特征和结构特征及其匹配规律，建立通过时空优化和结构优化提升生态系统服务功能的技术依据。面对城市增长带来的不确定性冲击，城市需要在时间与空间结构上具有冗余度的绿色基础设施，通过时间的预留和空间的储备为城市生态安全提供足够的韧性。因此需要建立高效绿色基础设施生态系统服务功能与类型、时间、结构和空间匹配机制，以及高效绿色基础设施生态系统服务韧性的典型空间模式和组织模式，提出生态系统服务供需规模、类型、结构和管理等调控要素，形成以冗余度为核心提升绿色基础设施生态系统服务功能的结构调控技术。

4.4 具有高效绿色基础设施生态系统服务的城市生态安全格局构建与调控机制

依据绿色基础设施生态系统供需平衡机制、测度评价结果和功能优化与调控技术，确定满足城市-区域一体化格局中城市与区域生态安全的绿色基础设施类型、规模及结构，建立多类型高效绿色基础设施类型的筛选标准和多尺度绿色基础设施的耦合技术，构建保障城市生态安全的绿色基础设施生态系统服务网络。结合绿色基础设施生态系统服务功能和综合利用特征，以网络交融化、节点复合化和功能综合化的尺度镶嵌体为出发点，构建多尺度、多层面和多类型的韧性绿色基础设施综合体体系和廊道体系，将城市生态安全格局在空间上加以落实。以用地优化为核心，建立绿色基础设施与自然环境和人文资源保护、市政基础设施、城市防灾减灾等传统规划内容的融合方法、格局调控机制和一体化实施途径。

5 结论与讨论

城市增长过程中所面临的种种生态问题与城市困扰，其根源在于城市生态系统服务供需失衡这一根本性矛盾。因此，基于生态系统服务功能供需平衡体系下的绿色基础设施的规划设计和生态安全格局构建具有重要的现实意义。城市真正需要的生态系统服务的绿色基础设施建设落实在3个尺度的时空组织与结构优化当中，还需要将概念转化并落实为具体的生态实践，这包括：1)对绿色基础设施生态系统服务供需动态平衡过程模式与实现机制的探究，2)对绿色基础设施生态系统服务供需水平测度与评价指标及模型的确定，3)对绿色基础设施生态系统服务功能具体技术手段的提升等，以上研究内容是真正将基于高效生态系统服务供需平衡机制的绿色基础设施规划加以落实的关键。

在进一步的研究中，需依据各个尺度上具体的规划目标与规划策略，通过功能与结构的调整探索高效生态系统服务的韧性调控过程，研发典型城市化区域绿色基础设施生态服务功能提升技术，揭示绿色基础设施的区域生态安全格局构建的基本规律和依据，为我国城市化的健康发展和城市-区域生态耦合协调发展提供依据。

注：文中图片均由作者绘制。