基于生态服务-生态健康综合评估的城市生态保护规划研究

吴远翔

陆 明

金 华

潘晓钰

党的十九大报告指明了建设生态文明的整体方向和实施路径，并把“加大生态系统保护力度”作为生态建设的4个工作重点之一。习近平总书记提出：“坚持节约资源和保护环境的基本国策，像对待生命一样对待生态环境，实行最严格的生态环境保护制度”，说明中国的生态保护工作已迫在眉睫且意义重大。

在国土尺度和区域尺度的宏观层面上，通过不断的探索与实践，中央出台了一系列法规与

政策，有力保证了生态保护工作的顺利进行。2015年由环保部和中科院联合印发的《全国生态功能区划(修编版)》，标志着我国的生态保护工作由定性保护开始向定量保护发展。2015年环保部在前几版文件试行的基础上推出了《生态保护红线划定技术指南》，作为生态保护区空间划定的纲领性文件，确定了以重要功能区、敏感脆弱区和生物多样性保护区作为我国生态保护的重点区域[1]。城市尺度上，住房和城乡建设部于2016年推出了《国家园林城市系列指标》，对城市的生态环境和绿地系统规定了一系列用于管控的量化指标，但对于城市绿地的生态职能和保护空间划定并没有具体说明。

由于生态保护观念淡漠，在我国城市快速扩张过程中，对原有生态格局造成了较为严重的破坏[1]，导致城市建成区生态功能退化、生态安全出现危机[2]。在城市新区和城市扩张区，这种生态保护与开发建设间的矛盾表现得尤为尖锐。由于缺少对生态空间功能与服务价值的准确判断，出现了许多盲目开发和盲目保护的情况，如何对地区生态资源进行科学识别和准确划分，是生态保护规划工作的关键。

对于生态系统服务的研究，在1997年学者Constanza[3]和欧盟2005MEA(Millennium Ecosystems Assessment)的推动下取得了丰硕的成果，并在近10年与地理学、林学和风景园林等应用学科进行了大量学科交叉研究。从风景园林学科角度，学者应用生态服务理论，从景观空间绩效[4]、生态供需关系[5]和城乡规划体系应用[6]等不同视角进行了积极的研究与探索。本研究以哈尔滨空港新城为研究案例，以生态服务的量化评估作为识别区域生态资源的手段，提出城市尺度的生态空间分级识别方法与保护规划策略。研究成果可以量化评价生态空间的功能与绩效，为地区生态健康保护提供依据，避免在城市开发过程中对现有生态资源造成破坏。

1 人与自然协同发展观的城市生态保护规划方法

1.1 当前2种主要的生态保护规划方法

2014年Georgina在Science上撰文提出，在经历了20世纪60年代的环境危机以后，人们对自然环境保护的认识经历了4个发展阶段：关注自然本身的保护(nature for itself，60—70年代)、忽略人类影响的自然保护(nature despite people，80—90年代)、为人类服务的自然保护(nature for people，2000—2005年)，以及考虑人与自然共同发展的保护(people and nature，2010年至今)。与之相对应的，保护工作的关注重点从野生自然地区、濒危物种及栖息地、生态系统及其生态价值，到环境改变的弹性和适应性，发生了一系列转变[7]。

生态保护规划的本质是在空间上划定生态保护的区域和范围，并制定相应的保护策略和开发要求。环境保护观念的变化致使当前生态保护规划中存在着不同的理论与方法，其中影响力最大的方法有2种：以物种保护为核心的栖息地、廊道保护法，以及以生态职能为核心的功能区保护法[8-9](表1)。传统的物种保护法主要包括物种濒危机制、生物多样性热点地区、自然保护区理论、生境破碎化与生态建设工程，以及外来物种入侵5个方面[10]，分别从单一物种(濒危种)和多物种(生物多样性)2个层面进行物种保护。自然保护区、国家公园体系和基于景观生态学[11]的保护地识别等大量保护规划都是以物种为核心制定的保护规划。

由于物种保护法非常依赖物种分析和选取，以及物种数据的获取，专业性很强且不能体现生态的全部特征，1969年生态学家Cox提出了进行整体层面评估分析的生态系统保护法[9]，通过遥感数据获取生态系统的空间分布情况，并进行生态整体评估与特征分析，制定保护策略[12]。近几年，生态系统服务作为生态保护区划定的方法，以及验证生态保护绩效的辅助工具，在区域尺度和流域尺度的研究已颇有成效，如2011年肖燚等[13]的海南岛自然保护区体系规划方案，在国内首次将生态系统服务纳入区域性自然保护区体系规划的研究；江波等[14]提出了将生态系统服务作为生态保护区成效评估手段的技术框架；房志等[8]探究了流域尺度基于生物多样性与生态系统服务功能的保护区空间划定方法；孔令桥等[15]提出了流域尺度生态系统服务保护区空间划定方法；游旭等[16]则探究了县域尺度生态保护成效评估方法。

1.2 基于ES-EH(Ecosystem Service-Ecosystem Health)评估的城市生态保护法

当前生态保护方面的研究成果与实践案例多集中在流域和区域等宏观尺度，对于城市尺度的生态保护，大多沿用区域尺度保护的方法。如相关学者分别从物种保护[17]、生态敏感性评估[18]、生态足迹[19]、生态安全格局和生态服务[20-21]等不同方面进行了研究和探索。本文认为，城市与区域的差异不仅仅在于尺度上的不同，城市的环境特征、生态构成和生态职能都有着自身的发展规律[21]，不能完全照搬区域生态保护的方法，因此以人与自然协调发展为哲学基础，提出将兼顾人类福祉和自然健康2个维度的ES-EH评估法作为城市生态保护规划的方法(表1)。采用此方法，主要从以下4个方面进行考虑。

1)保护理念的差异。

人类对自然保护的认识决定了生态保护的观念和方法。物种保护法是只关注自然本身(nature for itself,despite people)观念的产物，生态功能法则是自然为人类服务(nature for people)观念的产物。新时代提出的人与自然和谐共生、协调发展的观念[7]呼唤着生态保护规划新方法的诞生。本文提出的共生保护法综合考虑了人类福祉和生态健康两方面的因素，期望生态保护可以最大限度地保证人类与自然的共同繁荣，达到同时保护人与自然(people and nature)的目的。

表1 3种不同的生态保护规划方法

2)城市生态环境特征。

对于城市尺度的生态保护，没有采用传统的物种保护法和生态功能法，根本原因还是城市生态环境与区域生态环境有本质的差别。城市的生态环境主要由大量的人工斑块构成，表现出了高度的景观异质性，人工扰动强烈，生态网络破碎化严重[22]，生态环境不适宜进行大面积的物种保护；破碎的生态网络使得建立完整、多层次的生物迁徙通道难度很大，并且核心栖息地的斑块在周边大量的人工干扰下也不容易满足生物的栖息要求。

3)城市生态需求。

城市作为大量人流集聚区和区域经济、文化、交通中心，生态需求与区域环境存在很大差别。《全国生态功能区划(2015)》中提出，我国城镇群生态环境“生态功能低下，人居环境恶化”，因此城市生态保护的根本目的是延续和加强生态服务职能、改善人居环境。本研究从城市发展的生态需求出发，选定生态服务因子划定生态服务效率最高的区域。

4)城市生态服务。

生态系统是人类社会能够健康、可持续发展的生命支撑系统，其提供的17种生态服务是人类赖以生存的物质基础[3]，是改善城市生态环境的主体力量，进行生态保护的本源意图是保证这些生态服务供给的充足性与持续性。对于城市地区而言，生态服务需求与区域环境有所不同。区域环境的生态保护通常选择水源涵养、粮食生产等生态服务作为保护因子[8，13，16]，而这些生态服务不是城市最需要的服务类型。根据毛奇正和欧盟MEA的研究，城市中调节类服务和文化服务发挥的作用最大，支持服务较弱，供给服务则基本由城市外区域提供[23]。

图1 空港新城用地现状

表2 生态因子与权重值

1.3 ES-EH评估法的因子设定

物种保护法强调以物种为核心来保护自然的生态健康与可持续发展；生态功能法则强调保护生态服务最大的关键区域来造福人类。在一定程度上，ES-EH评估法是对现有物种保护法和生态功能法的一种综合，即综合考虑自然生态和人类服务进行生态保护。生物个体、群落及生态系统构成了城市生存发展的生命支撑系统[17]，保护生态系统的健康性和完整性是生态保护工作的基础，同时，城市是人类社会的高密度集聚区，对生态服务的需求迫切、指向性强，因此本文认为，以上2个方面在城市生态保护中都十分重要，不可偏颇，因此选择生态健康(包括生态活力、生态网络结构、生态恢复力)和生态服务(包括调节服务、支持服务、文化服务)两方面的6个因子作为评估因子(表2)。

基于城市环境特征、城市生态需求和实施操作的考虑，ES-EH评估法的因子选择与传统的物种保护法和生态功能法有着较大的差异，原因如下。

1)物种保护法需要确定焦点物种或指示物种，并研究其生活习性以划定栖息地范围(保护斑块)和迁徙通道(保护廊道)，此方法专业性强、数据量大、获取数据较为困难，强调物种保护但缺乏对整个生态系统的全面考虑[9]。另外，城市是人工扰动与作用十分强烈的地区，在城市内建设栖息地和迁徙廊道进行物种保护的实施难度很大。应用生态健康性理论，采用生态活力、生态网络结构和生态恢复力3个决定生态健康的因子[24]作为保护自然的因子，可以较为全面地对生态系统的整体结构和重要区域进行保护。这3个因子的计算可以通过地表覆盖(landcover)数据完成，其数据获取容易、计算相对简单、精度满足要求且可操作性强；同时，3个因子的计算分析结果可以通过ArcGIS进行空间制图，方便后续的空间管控和保护区范围划定。

2)目前生态功能法的研究主要集中在区域尺度，多选择水源涵养、水土保持、粮食生产和土壤维护等生态服务作为保护因子[8，13，16]，这些因子对区域生态安全至关重要，但对城市生态而言并不完全契合。城市当前面临的主要环境问题是空气质量差、热岛效应严重、城市内涝和树种单一导致的生态系统脆弱、固体污染物增多[22]和游憩设施缺乏等，通过对城市生态问题的解析，选取了对城市空气质量、微气候、污染防治和娱乐休憩等方面有重大影响的调节服务(气体调节、气候调节、废物处理)、支持服务(保持土壤、维持生物多样性)和文化服务(提供美景服务、延续历史文化)3个因子作为评估因子。

2 研究案例

根据发改委、交通部的“十三五”发展规划，哈尔滨太平国际机场是国家重点建设的七大国际枢纽机场之一，是东北地区唯一的国际枢纽机场。空港新城依托国际机场，位于哈尔滨中心区西侧20km处，占地面积171.6km2(图1)。根据《哈尔滨空港新城发展战略规划》，新城包括临空经济区、航空公司总部基地、物流枢纽区、免税服务区、航空主题乐园、生活服务区和生态农业区七大功能板块。《哈尔滨空港新城发展战略规划》中把高品质的生态环境作为临空经济区、航空公司总部基地、航空主题乐园和生活服务区发展的优势资源与强力支撑。

新城区现状主要由农田(69.9%)、村庄(11.5%)和生态用地(17.2%)构成，有较好的自然生态基底。区内有太平湖水库和八一水库，人工开凿的运粮河连接2个水库，并汇入城区北侧的松花江；区内有混交林、针叶落叶林和坑塘水面若干，农田周边有较为完备的带状防护林，机场与市区连通的高速公路两侧各有25～35m宽的绿化隔离带。案例的数据来源是国土局土地二调的地表覆盖(landcover)数据和现场踏勘，由地表覆盖数据生成基地用地现状图(图1)。由于新城区开发需求量很大，又有相当数量的基本农田不可开发，因此土地资源十分宝贵，开发建设与生态保护的矛盾突出。如何识别区域内的核心生态资源、科学划定保护边界、实现生态绩效和生态健康的双赢，是新城区发展面临的难题。

3 基于生态服务-系统健康评估的生态保护规划

多因子加权叠加法是生态空间识别与分类最常使用的方法。从协调人与自然共同发展的视角出发，选择生态因子并进行量化计算与空间制图；然后在ArcGIS平台上进行加权叠加，识别出地区改善城市生态和维护生态健康的重要空间；最后经分析整理划定保护区并提出相应的管理策略。

图2 空港新城生态因子评级

3.1 因子选择与权重值设定

针对城市生态问题和生态保护的目标，根据前文论述，选取调节服务等6个因子[24-28]作为生态评估因子(表2)。

在因子的权重设定上，对生态系统服务和生态健康2类因子各赋予50%权重，表示人与自然的同等重要地位。生态系统服务类因子中调节服务与文化服务对改善城市生态环境作用重大，赋值0.2[23]；支持服务相对较小，赋值0.1。根据生态系统健康性测度的研究①[29]，农田活力值很高但需要大量的人工护理，而农田不应该作为生态保护的重要对象，因此对生态活力赋值0.1，对生态网络结构和生态恢复力赋值0.2(表2)。

3.2 生态服务测算与生态网络健康性评估

生态服务的测算方法目前主要有价值量法、物质量法和模型计算法3种[30-31]，价值量法由于计算方式简单、结果直观、可以统一计量不同类型的生态服务，而得到较为广泛的应用，并被作为生态资产评估的主要手段。根据谢高地对中国本土生态服务的量化修正研究成果[32]，采用价值量法对地区的生态服务进行量化计算(表3)，并对数据进行重新分类，统一标准[33]，完成空间制图(图2、3)。

生态系统活力的计量，通常通过植被的净初级生产力(NPP值)进行表达，根据陈雅敏等的研究[29]，不同地表植被的NPP值存在很大差异。生态组织结构中对生态健康影响最大的是重要的生态斑块和连接这些斑块的廊道[24]，根据景观生态学原理，将地段中的生态斑块与廊道划分为2级。生态恢复力是指生态系统受到外界干扰后维持原有功能和结构的能力，通常采用不同植被的恢复力系数[24]进行测度。根据基地的地表覆盖数据(图1)计算各生态因子的物质量(表3)，并在ArcGIS中完成空间制图(图2、4)。

3.3 生态保护空间的识别

将6个因子计算得到的单因子数据图导入ArcGIS的栅格计算器进行加权叠加计算，得到最终的生态空间识别图(图5)。

3.4 生态保护区的划定与管控

通过对保护区生态功能的计算(表4)可以发现：划定的保护区占总面积的10.36%，保护区保留了53.49%的生态调节、89.04%的文化服务和15.69%的生态支持功能，以及6.35%的净初级生产力、71.85%的重要生态结构和61.91%的生态高恢复力地区。从计算结果分析可知：1)保护区规划以约10%的生态用地保留了大部分的生态调节、文化服务、重要生态结构和高恢复力地区，说明此方法保护效率较高，满足了城市建设区以有限的面积最大程度保护生态的要求；2)地段内现状有大量农田，而农田的生态支持功能和净初级生产力值很高，导致保护区在这2个指标上优势不明显。

根据生态空间分级识别结果，将地段内的一级空间和二级空间划为生态保护区(图6)。其中一级保护区由八一水库、太平湖、运粮河、河道两侧湿地及大块林地组成，是区域内的重要生态源地，建议设为城市规划的禁建区，实行严格的生态保护，禁止一切开发建设。二级保护区主要由坑塘湿地、小块林地和次要河道组成，建议设为城市规划的限建区，可以进行少量开发以满足人们的休憩娱乐需求。

4 结语

保护生态、改善城市人居环境已成为城市开发建设者与管理者的共识，但在具体的操作实施过程中却有着相当的难度。城市生态保护要保护什么，怎样划定保护空间，如何以最小的用地保护最大的生态功能，这些问题如果不能得到清晰准确的回答，生态保护将无法摆脱缺乏科学依据的盲目保护状态。为解决上述问题，从城市生态问题和生态保护目标出发，得到以下研究成果。

1)区别于传统生态保护的以自然保护为核心的物种保护法和以人类利益为核心的生态功能法，基于人与自然协调发展的保护理念，针对城市生态需求提出了ES-EH评估的城市生态保护规划方法。

图3 生态服务评估分区

图4 生态健康评估分区

图5 基于ES-EH综合评估的生态空间分区

图6 空港新城生态保护规划

表3 空港新城各生态因子计算结果

表4 空港新城保护区生态功能统计

2)根据生态系统服务理论和生态健康性评估方法，提出了以调节服务、文化服务、支持服务、生态活力、生态网络结构和生态恢复力6个生态因子作为城市生态保护的空间划定因子，识别出人类福祉价值最高空间和生态健康影响最大空间作为生态保护空间，并以哈尔滨空港新城为例进行了实践应用与案例验证。

与模型计算、物种分析等生态保护方法相比，本方法具有数据采集难度小、计算相对简单、兼顾人与自然等优点，可以对地段的生态资源进行量化评估并完成空间制图，推广起来较容易。同时应该看到，城市环境受到强烈的人工干扰和影响，其生态保护的难度和复杂程度比区域尺度保护要大得多。本研究提出的保护方法对生态保育的效果和环境影响的作用，还需要通过实施一段时期后的跟踪反馈和环境数据监测进行验证。期望在后续的研究中，可以通过实践检验进一步完善改进，为协调城市发展与生态保护的矛盾作出贡献。

注：文中图片均由作者绘制。

注释：

①近年也有学者提出生态健康评价应包括四方面内容，即除了生态活力、生态网络结构、生态恢复力以外，再增加生态系统服务的评价[24]。而对于生态系统服务的影响，本研究已做了考虑，因此在生态健康评价中不再重复计量。