生态基础设施的效益评估综述

石龙宇 ，尚晓琪 , ，赵洋

（1. 中国科学院城市环境研究所 城市环境与健康重点实验室，福建 厦门 361021；2. 中国科学院城市环境研究所 厦门市城市代谢重点实验室，福建 厦门 361021；3. 中国科学院大学 资源与环境学院，北京 100049）

近年来，中国的城市化快速提升，人民物质生活和城市建设也处于高速发展状态。与此同时，不合理的人类活动加速了自然资源、能源以及基础设施的消耗[1]，降低城市饮用水安全[2]，城市热岛效应加剧，导致极端天气频发[3]，从根本上改变地球气候系统，影响区域生态系统稳定性、恢复力和可持续性[4-5]。城市越来越容易受到干旱、洪涝、极端降雨等全球环境变化的影响[3,6]，加之传统的基础设施大多呈破碎化状态，物质、信息和能量之间的交互不足，导致如今低品质人居环境与人民高环境质量需求之间产生矛盾[7]。如何实现城市可持续发展逐渐成为关系到经济社会可持续发展和人类福祉的重要议题。

自19世纪中期以来，学者们对生态系统服务、价值评估及其与人类福祉关系等主题的探讨和研究不断深入[8]。人类福祉的主要来源是生态系统服务，健康的生态系统服务能够提供食物、饮用水、木材、燃料、肥料等物质资源[9]，也能够通过物理、生物、化学作用发挥降噪、捕捉空气污染物、降温增湿、微气候改善、渗蓄雨水、改善水质、提供生物栖息地等生态功能，从而维护环境质量[10-11]。在此基础上，生态基础设施还能够提供审美享受、文化传递、放松解压、科学研究与教育等非物质服务，这些效益大多为人类通过生态系统的物质环境间接产生的心理感知与身体反馈，在人类的健康与发展中不可或缺[12]。由自然要素组成的生态基础设施（ecological infrastructure，EI）在提供区域所需基础设施功能的同时，还能够促进健康的城市生态系统[13-14]，增进能量供给与物质流通[15]，有助于人与自然的和谐、稳定、安全，是城市可持续发展建设的必然途径[16-17]。

随着人们保护生态环境意识的提高，学术界对生态基础设施功能和价值分析、规划与建设及其影响因素探究的研究不断增加，国内学者对生态基础设施的现状、功能服务和实践应用等进行了总结[18-22]，但较少有学者围绕生态基础设施效益评估进行梳理和方法总结，因此，本研究基于文献回顾，整理了生态基础设施概念发展、效益评估流程、评估内容及其评价方法，并对效益类型和评价方法进行分类和总结，讨论了未来生态基础设施的研究方向，以促进生态基础设施效益评估的开展，为生态基础设施效能改进和提升提供决策依据。

1 生态基础设施概念与分类

1.1 生态基础设施概念发展

生态基础设施概念发展主要经历了三个阶段，首先是从需求出发提出概念，其次是从结构组成发展概念，进而逐步开始融入价值功能拓展概念（图1）。由于生态环境逐步恶化，1984年，联合国教科文组织在“人与生物圈计划”（MAB）报告中首次提出生态基础设施的概念，并将其作为的生态城市规划的五项原则之一[23]，2013年“新型城市化的城市生态基础设施：工程与管理”论坛和2016年可持续基础设施国际会议进一步提升了学术界对生态基础设施的关注[24]。学术界中对生态基础设施的研究是从结构组成开始，认为EI是绿色廊道或是由绿道组成的“绿色骨架”[25]，逐渐有学者加入自然景观，认为EI是通过绿道走廊连接斑块从而构成的绿色网络[26-29]，随后生态基础设施的空间尺度被扩大，即由所有空间尺度多功能生态系统的所有自然、半自然和人工网络构成[30]，Li等[16]将灰色（非生物）景观以及出口（流出、处理或回收）等人工设施融入综合网络中。在概念发展的过程中，有学者也逐渐开始注重生态基础设施功能与服务的研究，认为其本质是城市所依赖的一切能为城市及其居民提供自然服务的自然系统，与灰色基础设施共同作用缓解城市气候恶化[11,31]，Childers等[32]认为具有生态结构和生态功能的所有城市组成均可称为生态基础设施，韩林桅等[22]认为生态基础设施是保持、改善和增加生态系统服务的条件和过程。生态基础设施结构组成随着概念的发展也逐渐丰富，由单一的绿道逐渐拓展到多尺度、多种类型基础设施组成的网状结构，然而至今其概念未形成统一的界定。与生态基础设施类似的术语有绿色基础设施（green infrastructure）、城市绿地系统（urban green system）、基于自然的解决方案（nature-based solutions）、海绵城市（sponge city）、可持续城市排水系统（sustainable urban drainage systems）等，这些术语大多侧重研究某一种或几种生态环境要素（例如水、绿地等），或者仅考虑某一个环节（例如源头控制、末端治理等），缺乏从生态环境要素与城市基础设施相关联角度的综合研究。因而本研究认同韩林桅等学者的定义[22]，生态基础设施是保持、改善和增加生态系统服务的条件和过程，条件指生态基础设施作为生态系统的组成要素和结构，过程指生态基础设施作为生态系统在物质循环和能量信息流动过程中提供的生态系统服务，如水质净化、降温增湿、气候调节等功能。

图1 生态基础设施概念研究进展

1.2 生态基础设施分类

当前生态基础设施研究主要针对“绿色生态基础设施”“蓝色生态基础设施”“蓝绿色生态基础设施”“水生态基础设施”“湿地生态基础设施”等类型开展，其中，水生态基础设施与部分蓝色基础设施和蓝绿色基础设施所涵盖范围一致，蓝绿色基础设施则包含湿地生态基础设施。为更清楚地区分生态基础设施类型，本研究基于Childers等[32]的分类方式，结合当前生态基础设施现状，从生态结构和生态特征出发将生态基础设施划分为绿色、蓝色、蓝绿色和棕色四类，分别对应陆地生态特征、水生生态特征、陆地水生综合特征和为开发利用四种生态基础设施。其中，绿色基础设施包括绿地、廊道、森林和城市公园等较为常见的绿色区域空间，绿色屋顶、社区花园、植草沟等低影响开发也是绿色基础设施的范围内[16,33]，蓝色生态基础设施指诸如溪流、河流、湖泊、水库、池塘等开放地表水体[34-35]，蓝绿色基础设施则包含自然和人工湿地[32]，欧洲地区也常用蓝绿色生态基础设施表示城市可持续的雨洪管理设施[36]，本研究认为湿地和蓝绿色生态基础设施兼具陆地和水生特征，因而将生物滞留池等雨洪管理设施与自然和人工湿地一起划为蓝绿色基础设施，而棕色基础设施则包括未开发利用的空地、休闲农业用地、沙地等以土壤和沙地为主要组成的空间[32]。

2 生态基础设施效益评估

多样化组分和结构决定了生态基础设施能够提供调节、供给、支持和文化（或信息）四类服务[37-38]，其通过调节、支持和供给服务实现生态系统内部及外部的物质循环与能量传递，维持生态系统平衡，通过调节、文化和信息等服务对社会经济和人类身心健康等产生直接或间接的影响[25]，使人类直接或间接获得生态、社会经济等效益[8,39]。结合已有研究，本文将生态基础设施效益定义为生态基础设施保持、改善和增加生态系统服务的条件和过程中产生对环境、社会和人类的正向影响[29,40]。与效益评估类似的表达还有价值评估，两者都是对生态基础设施的一项或多项生态系统服务或效益的量化与评价[41]，但后者多采用价值量方法衡量其效益情况。效益量化是生态基础设施效益相互影响关系及其影响因素等研究的基础性工作，而由于生态系统结构及其相互作用具有复杂性，如何科学有效地量化生态基础设施效益这一问题仍未得到解决[42]，因而探究生态基础设施效益评估具有长远意义。

2.1 生态基础设施效益评价内容

实际上，在城市规划建设中，在不同尺度上各类基础设施并非完全剥离，而是相互组合，共同作用。基于已有效益评估的研究，从效益作用对象出发，本研究将效益类型分为生态效益、社会经济效益、心理效益，涵盖了生态基础设施对生态环境、社会经济和文化以及人类三方面产生的影响，范围更广。

2.1.1 生态效益

以王效科等[40]提出的生态效益的狭义概念为准，即生态系统及其变化改善人们生存和生活生产环境的效益，尤其是在大气、水、土壤等环境中促进物质循环和传递。例如绿色廊道、森林等绿色基础设施提供遮阳庇荫、防尘降噪、水源涵养等功能。在地球生物化学循环中，植物能够捕捉空气中的二氧化碳和污染物，进行碳储存与碳吸收，改善空气质量，还能降温增湿，提供舒适的气候条件，降低建筑温度从而减少能源消耗[11,43]，还能保持土壤肥力，预防土壤侵蚀[22]。雨水花园、生物滞留池等雨洪管理设施能够截留和渗透雨水，补给地下水的同时降低洪峰流量，缓解河流和洪水风险，过滤、沉淀和生物降解减少水中污染物[44]。此外，不同的生态基础设施还为动物提供了更适宜更多样化的栖息地，维护物种多样性，提高生态系统的韧性和稳定性[45-46]。

2.1.2 社会经济效益

社会经济效益则注重生态系统对社会需求和经济发展的影响，较为常见的是农产品、林下产品、木材、淡水资源等物质供给和环保教育、地方文化、特色园艺等非物质文化产物[47]，这些效益能够促进地方社会发展和经济产业结构优化。研究发现生态基础设施的建设不仅为城市居民提供了更多锻炼、运动和休闲娱乐的场所，其附属的生态效益还间接提高了住宅和区域的经济价值[7,48]。

2.1.3 心理效益

随着社会和科技的快速发展，生活品质和精神满足取代物质需求，成为人们新的追求目标，人类从与生态系统接触中能够获得文化、心理和其他非物质效益，这对人类的身心健康影响逐渐深入[9]。研究发现绿化程度更高的城市或社区居民人们的健康观念更高，心脏代谢状况更好[49]，心理困扰和患精神疾病风险更低[35,50]，蓝绿色空间对居民的抑郁和焦虑等心理健康具有潜在保护作用[51-52]。闲置地块和沙地作为一种特殊的景观，也能够提供审美价值和休闲娱乐的功能[53]，从而使人身心放松，释放压力。优美空旷的环境在视觉上令人舒适和愉悦，也通过促进人们运动锻炼[54]，从而保持身心健康，释放压力。

在已有研究中，大多数研究集中在地球生命支持系统的生态效益和经济效益上，近年来逐渐增加了对社会文化服务效益的关注，而在生态基础设施对人类心理健康的影响方面，仍关注较少[55]。

2.2 效益评估框架

生态基础设施的效益随着组分结构及其生态系统服务能力变化而变化，具有多样性和动态性，因而开展效益定量评估需要明确的评价框架来进行规范和指导。美国和德国较早开展了生态基础设施实践应用，并通过监测社区地表径流量、峰流量和水质的变化评价生态基础设施效益，反映城市雨洪改善情况，此外还颁布了指南和法律指导以激励公众积极参与生态基础设施建设[56-57]。澳大利亚和新加坡则开发了WSC指数工具和ABC水计划，设定了明确的城市雨水管理大目标、细分评价指标及具体的评价方法以进行雨洪管理设施效益评价[58]。自2014年起，中国住建部也陆续颁布了海绵城市建设技术指南和评价标准，详细规定了海绵城市和低影响开发建设的技术标准和绩效评价方式，以规范工程建设。在学术研究方面，Fu等[59]基于情景的规划支持系统提出了一套综合指标评价体系，并将评估过程嵌入城市韧性规划支持系统中的绿色基础设施绩效（GIUR-PSS）评估体系中，评估不同绿色基础设施提供的效益。

结合国内外学者的案例研究，本研究将生态基础设施效益评价框架总结为以下步骤：（1）分析生态基础设施及其周围生态环境现状，将其复杂的生态系统服务转化为有限的效益[8]，确定评估目标和评估内容。（2）明确效益评估的类型，即效益分析是否考虑生态基础设施的时间效益和投入成本。生态基础设施的效益产生是持续性的，而长时间稳定的效益产生需要管理成本，因而评价前应明确效益评估类型为总收益（即只估算EI带来的生态系统服务价值）、净收益（即估算EI某时期成本与收益总和）、还是实际收益（即在净收益的基础上考虑折现率）。（3）基于前两步，选取适当的评估方法、评价原则和指标，从而便于定性或定量化开展效益的评价。（4）分析效益并提出建议对策。依据评价指标获取信息和数据资料，按流程进行效益评价，最终根据分析结果和评价目标对生态基础设施提出建设或改进建议。

2.3 效益评价方法研究进展

评价方法的选择决定着效益量化的结果，各评价方法对不同规模尺度和不同效益类型的适用性不同。目前，生态基础设施效益评价从效益相关者角度可以分为两类，一是从效益供给方出发，即生态基础设施本身具有的功能和产生的效益，二是从受益者角度出发，即生态基础设施对城市居民、社会经济、产业发展等方面的影响。评价方法以定量为主，定性为辅，各方法适用范围和评价侧重点有所不同。

以效益供给方角度出发开展效益评价的研究较多，从生态基础设施的生态组成和生态过程定性分析不同尺度的效益类型[60]，或运用物质量和情景模拟的方法量化效益大小，InVEST模型、i-TREE模型、CITYgreen模型、地理信息系统、市场价值法、功能价值法、当量因子法、能值分析和数学模型等方法都是常见的定量分析方法。InVEST模型通过情景模拟分析各类生态基础设施水源涵养、固碳降温、产品供给等生态和社会经济效益[61]。CITYgreen模型和i-Tree模型主要用于评价树木、森林的空气质量改善、降雨截留、碳吸收和碳储存、水质改善等生态系统服务功能[62-64]。Manuel等[65]运用GIS工具从渗透能力、叶面积指数等指标构建总绿地因子计算方法，从而评价生态基础设施在城市防洪和降温的效益情况。孔东升和张灏[66]运用功能价值法评估张掖黑河湿地的洪水调蓄、固碳释氧、旅游休闲、气候调节、物质生产等生态服务功能价值。基于市场价值法的功能价值法和当量因子法相似，但前者核算自然资源实物量，后者则核算生态价值当量[67]。Nowak等[68]从叶面对大气污染物的吸收和拦截作用出发运用数学模型计算了美国城市树木在去除O3、PM10、NO2、SO2、CO方面的效益。Wang等[69]运用生命周期法从能量流动角度对屋顶绿化、绿道和树林的环境性能进行评价，发现其主要在使用和维护阶段节能以改善环境。同样地，有学者运用系统动力学方法评估了七种生态基础设施全生命周期的能值变化，对比分析其海洋富营养化、全球变暖潜能值等环境绩效和经济成本[70]。

生态基础设施受益者主要分为城市居民和社会环境两个维度。问卷调查是了解城市居民从生态基础设施中受益情况的常用方式，调查了解居民满意度评分或支付意愿量化效益价值[71-75]，从而了解居民对效益的偏好、关注和感知状况，评价大多关注身体健康、心理健康、美学和放松释压等功能。国外有学者调查了智利、法国、德国、葡萄牙、西班牙等城市居民绿地效益感知状况，采用最大差异测量法分析调查结果发现不同城市、不同社会文化背景的居民对景观、绿地等生态基础设施的效益价值感知和评级不同[71-72]。有学者采用支付意愿的方式评估美国某镇森林设施的经济价值，结果发现游客们更愿意为保护和增加森林的休闲娱乐和土地利用价值支付费用[74]；Derkzen等[13]调查了鹿特丹两个社区的居民对家庭、社区、城市三个维度的生态基础设施在城市降温、防洪、空气净化、休闲娱乐和审美方面的效益感知，从而分析居民对蓝色和绿色生态基础设施的偏好。Jim & Shan[76]运用多元方差方法分析，发现中国广州不同社会经济状况的居民对绿地的环境、经济和社会效益的感知有显著差异，但总体上人们更加关注绿地对家庭和个人健康的影响。Yuen & Hien[50]访谈了新加坡居民对屋顶花园的感知，发现人们更关注美学、美化环境和休闲放松的效益。

社会环境维度的效益评估通过计算社会经济、生态环境质量等方面代表性指标，结合外在因素的变化，运用综合方法间接分析生态基础设施的效益及其影响。常见的方法有SWMM模型、市场价值法、灰色系统、层次分析法等。付喜娥[77]运用模拟市场法中的条件价值法估算消费者对苏州某景区生态基础设施支付意愿和接受补偿意愿，构建回归模型分析影响因素以探究提高其社会效用的途径。Yang等[78]基于等时线和SWMM模型分析海绵城市建设前后降雨径流过程，评估生态基础设施在控制雨水方面的表现。改进的灰色系统模型和层次分析法相结合可以基于监测数据评估海洋、流域等大尺度生态基础设施的物质转化、水质净化、提供栖息地、生物多样性等生态效益[62,79]。

目前，国内外从效益供给方评估效益的方法和研究相对较为丰富、成熟，评估内容和效益类型较为全面，量化的结果更适用于对比分析不同生态基础设施的效益情况，但大多评估方法易受到参数设置、模型选取和数据需求的影响。从受益者角度评估的方法受主观性影响更大，调查对象的选择、范围和样本量对评估结果都会有较大影响，但当样本量具有一定代表性时，评价结果一定程度上能够反映居民对生态基础设施的感受及生态基础设施对居民、社会经济和生态空间等方面的影响。然而所有的评估方法均在指标这一环节存在较强的主观性影响，且该主观性的影响随着效益研究内容的增加而增大。本研究对常见的效益评估方法、评价内容及局限性总结如表1所示。除了本研究总结的方法外，学者们仍在不断开发和改进生态基础设施效益评估方法，如Multi-Hydro分布式降雨径流模型[80]、机器学习与RHESSYS水文模型结合[81]、维也纳绿色和开放空间因子（GEF-V模型）等方法也可以用于评估生态基础设施某一项或多项效益[82]，以提高评价结果的有效性、可靠性和适用性。

表1 生态基础设施效益评估方法及其分类

3 总结

社会经济的快速发展促进人们对精神文化需求和生活质量要求剧增，但粗犷的生产和建设方式也导致城市环境污染与生态破坏，兼具生态、社会经济和心理效益的生态基础设施是缓解该矛盾的途径之一，科学有效的效益评估更是推进国内生态基础设施实践应用的基础。通过对国内外生态基础设施研究的回顾，从需求、结构组成和功能三个层次梳理了生态基础设施概念的发展过程，基于已有研究将生态基础设施划分为绿色、蓝色、蓝绿色和棕色四类，并结合各类生态基础设施的特点将效益内容划分为生态效益、社会经济效益和心理效益。当前研究大多关注其生态效益和经济效益，近年来对社会效益的研究逐渐丰富，对居民心理效益方面的关注也有所增加。此外，本研究对常用的效益评估方法进行总结，并根据评价角度将其分为效益供给方和受益者两个方面，研究发现各方法在一定程度上都会受到主观性的影响，而不同角度在指标选择、参数设定、数据资料和模型设定等方面的影响程度不同。生态基础设施效益评估研究的梳理为今后生态基础设施效益评估拓展和应用提供了工作基础，也为海绵城市、宜居城市的规划者和决策者提供支持。

4 研究展望

生态基础设施既能够保障社会发展，提供人类福祉，也为生态系统稳定、生物多样性提供了支持，有助于建设高质量的人居环境，为 “以人为本” 的可持续城市建设提供了新思路。尽管生态基础设施相关研究较为丰富，但在效益评估研究与城市实践应用方面仍有待推进，基于前文分析，本文提出以下发展方向：

（1）挖掘多尺度、多类型的生态基础设施的效益，加快评估方法综合化、标准化。生态基础设施的组成结构与组分比例和规模决定了其效益内容和大小，除了当前已有较多研究的生态和社会经济效益，各组分之间也会相互影响，从而产生更丰富的协同效益或互斥作用，例如园艺型的生态基础设施对于城市居民具有更强的审美作用和放松释压等心理效益，且不同植物类型组合可能会降低农作物产量等负面影响，而质量低下的生态基础设施会阻碍其对生态系统服务的调节[60]。因此深入研究不同尺度、不同类型生态基础设施的效益有助于推进生态工程的实践应用。此外，复杂的效益需要综合性、标准化的评估方法，这将有助于对比分析不同类型生态基础设施效益情况，从而促进高效的生态基础设施的规划和推广，推进可持续城市建设。

（2）逐步完善生态系统服务监测技术与体系，提高效益评估的有效性和可靠性。生态基础设施的现状分析和基础数据会在较大程度上影响效益评估结果，无论是模型模拟的参数设定还是物质量和价值量的模型计算，基础而全面的生态数据有利于研究生态基础设施在空间上的异质性。同时，实时数据还能够为模拟模型的参数校准提供依据，降低评估中的主观性。因此，运用现代化、精准的传感器监测生态基础设施在大气、水、土壤和植物等方面的指标，运用物联网和大数据等技术实时传输和储存信息，形成具有综合性、持续性、实时性的生态基础设施监测数据库，为更科学的生态基础设施效益评估提供可能，也为可持续性城市建设提供数据支持。

（3）为实现“以人为本”“人民满意”的城市，规划者和决策者应更关注城市和居民对生态系统服务的需求和偏好，实现供需平衡，促进公众参与。城市化过程中，人们对生活品质和精神文化的需求随着生活水平的提升而提高，建设宜居城市不仅需要考虑城市发展规划，更需要关注城市的主体——居民在物质和精神各方面需求。充分发挥生态基础设施对环境问题改善、城市可持续发展建设和居民生身心健康等各方面的效益[35]。决策者应基于生态学原理分析建设区域附近居民对环境现状的感知与城市建设的需求，进而设计相应规划和建设目标。这将为生态基础设施的设计与规划提供更合理的决策支撑，也助于实现居民生活、社会发展和生态环境的供需平衡，提升居民在城市建设中的参与感与积极性。