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Urban ecological infrastructure based on ecosystem services:status,problems and perspectives

基于生态系统服务的城市生态基础设施:现状、问题与展望



全 文 :
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿源卷 第 员期摇 摇 圆园员源年 员月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
卷首语院 复杂与永续 渊 玉 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
前沿理论与学科综述
城市复合生态及生态空间管理 王如松袁李摇 锋袁韩宝龙袁等 渊 员 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
海洋生态系统固碳能力估算方法研究进展 石洪华袁王晓丽袁郑摇 伟袁等 渊 员圆 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城市生态系统灵敏度模型评述 姚摇 亮袁王如松袁尹摇 科袁等 渊 圆猿 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城市生活垃圾代谢的研究进展 周传斌袁徐琬莹袁曹爱新 渊 猿猿 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
胶州湾生物鄄物理耦合模型参数灵敏度分析 石洪华袁沈程程袁李摇 芬袁等 渊 源员 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
渤海湾大型底栖动物调查及与环境因子的相关性 周摇 然袁覃雪波袁彭士涛袁等 渊 缘园 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
生物扰动对沉积物中污染物环境行为的影响研究进展 覃雪波袁孙红文袁彭士涛袁等 渊 缘怨 冤噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
密云水库上游流域生态系统服务功能空间特征及其与居民福祉的关系 王大尚袁李屹峰袁郑摇 华袁等 渊 苑园 冤噎
长岛自然保护区生态系统维护的条件价值评估 郑摇 伟袁沈程程袁乔明阳袁等 渊 愿圆 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
海岛陆地生态系统固碳估算方法 王晓丽袁王摇 嫒袁石洪华袁等 渊 愿愿 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
区域生态文明建设水平综合评估指标 刘某承袁苏摇 宁袁伦摇 飞袁等 渊 怨苑 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于生境质量和生态响应的莱州湾生态环境质量评价 杨建强袁朱永贵袁宋文鹏袁等 渊员园缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
员怨愿缘年以来黄河三角洲孤东海岸演变与生态损益分析 刘大海袁陈小英袁徐摇 伟袁等 渊员员缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
基于复合生态系统理论的海洋生态监控区区划指标框架研究 徐惠民袁丁德文袁石洪华袁等 渊员圆圆冤噎噎噎噎噎
我国环境功能评价与区划方案 王金南袁许开鹏袁迟妍妍袁等 渊员圆怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
资源与产业生态
生态产业园的复合生态效率及评价指标体系 刘晶茹袁吕摇 彬袁张摇 娜袁等 渊员猿远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
我国农业生态效率的时空差异 程翠云袁任景明袁王如松 渊员源圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
内蒙古半干旱生态脆弱矿区生态修复耦合机理与产业模式 陈玉碧袁黄锦楼袁徐华清袁等 渊员源怨冤噎噎噎噎噎噎
基于物质流分析方法的生态海岛建设研究要要要以长海县为例 陈东景袁郑摇 伟袁郭惠丽袁等 渊员缘源冤噎噎噎噎噎
再生渊污冤水灌溉生态风险与可持续利用 陈卫平袁吕斯丹袁张炜铃袁等 渊员远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于流域单元的海湾农业非点源污染负荷估算要要要以莱州湾为例 麻德明袁石洪华袁丰爱平 渊员苑猿冤噎噎噎噎噎
集约用海对海洋生态环境影响的评价方法 罗先香袁朱永贵袁张龙军袁等 渊员愿圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城乡与社会生态
基于生态系统服务的城市生态基础设施院现状尧问题与展望 李摇 锋袁王如松袁赵摇 丹 渊员怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎
北京城区道路系统路网空间特征及其与 蕴杂栽和 晕阅灾陨的相关性 郭摇 振袁胡摇 聃袁李元征袁等 渊圆园员冤噎噎噎噎
基于复合生态功能的城市土地共轭生态管理 尹摇 科袁王如松袁姚摇 亮袁等 渊圆员园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
重庆市森林生态系统服务功能价值评估 肖摇 强袁肖摇 洋袁欧阳志云袁等 渊圆员远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
渤海湾港口生态风险评估 彭士涛袁覃雪波袁周摇 然袁等 渊圆圆源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
达标污水离岸排海末端处置技术研究综述 彭士涛袁王心海 渊圆猿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆猿愿鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢圆愿鄢圆园员源鄄园员
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 北京奥林匹克公园要要要在高楼林立的大城市中袁办公楼尧居民区尧学校尧路网系统尧公园以及各种水泥尧沥青硬路面和
树木尧绿草地尧土面尧水面等等组成了复杂多样的城市生态景观袁居住着密集的人口并由于人们不断的尧强烈的干预袁
使这个城市生态系统显得尤其复杂而又多变遥 因此袁系统复杂性及灵敏度是困扰城市生态系统研究和管理的重要
因素袁建立灵敏度模型是致力于解决城市规划管理中的复杂性问题的有效方法袁网状思维与生物控制论观是其核
心袁也是灵敏度模型的思想基础遥 图为北京中轴线北端被高楼簇拥着的奥林匹克公园的仰山和龙型水系遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 1 期
2014年 1月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.1
Jan.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金面上资助项目(71273254)
收稿日期:2013鄄07鄄18; 摇 摇 修订日期:2013鄄09鄄29
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: lifeng@ rcees.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201307181908
李锋,王如松,赵丹.基于生态系统服务的城市生态基础设施:现状、问题与展望.生态学报,2014,34(1):190鄄200.
Li F, Wang R S, Zhao D.Urban ecological infrastructure based on ecosystem services:status,problems and perspectives.Acta Ecologica Sinica,2014,34
(1):190鄄200.
基于生态系统服务的城市生态基础设施:
现状、问题与展望
李摇 锋*,王如松,赵摇 丹
(中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京摇 100085)
摘要:城市生态基础设施是城市可持续发展的重要基础,也是建设生态城市的重要保证。 生态系统服务是城市生态基础设施建
设的核心与关键。 在快速城市化的背景下,保障生态基础设施的结构完整性和功能完善性尤为重要。 在阐述生态系统服务的
基础上,对生态基础设施的概念与类型进行了概述;从城市湿地生态基础设施、绿地生态基础设施以及城市地表硬化的生态工
程改造 3个方面对城市生态基础设施研究现状进行综述;对生态基础设施结构与功能评估方法进行了总结,对基于生态系统服
务的城市生态基础设施研究进行了综合评述,首次提出了城市表面生态学的概念与研究展望,为城市生态系统服务的强化与调
控提供了方法论指导。 城市生态基础设施与表面生态学的整合研究将对城市水文效应(内涝)、灰霾效应(PM2.5)、热岛效应、
水体污染与富营养化等备受关注的重大问题提供新的解决思路与科学方法。
关键词:城市;生态基础设施;表面生态学;生态系统服务;地表硬化
Urban ecological infrastructure based on ecosystem services:status,problems
and perspectives
LI Feng*, WANG Rusong, ZHAO Dan
State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco鄄Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China
Abstract: Cities are complex socio鄄economic鄄natural ecosystems dominated by human activities, which define land use
patterns. Urban ecological infrastructure is the important foundation of urban sustainable development and also the
substantial guarantee of eco鄄city development. Ecosystem service is the core and key of urban ecological infrastructure
construction. Ecosystem services provided by ecological infrastructure in urban areas include air purification, climate
regulation, noise reduction, waste treatment, food supply, water flow regulation and runoff mitigation, urban temperature
regulation, moderation of environmental extremes, pollination and seed dispersal, recreation and cognitive development,
animal sighting and ecosystem disservices. With rapid urbanization, it is of great importance to ensure the structural integrity
and functional perfection of the ecological infrastructure. The paper began with brief description about the concept and types
of the ecological infrastructure based on ecosystem services; then reviewed the research status of ecological infrastructure
from three aspects: 1) urban wetland ecological infrastructure; 2) urban green space ecological infrastructure; 3 )
ecological engineering and reconstruction of urban impervious surface; The influences of urbanization on urban wetlands and
green space were analyzed. The complex ecological effect and its evaluation methods of urban impervious surface, including
urban flooding, heat island effect, atmospheric haze, noise, water and soil pollution, habitant loss and biodiversity
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reduction, and biogeochemical cycle change, were also comprehensively summarized in this paper. At last it reviewed the
evaluation methods of structure and function of ecological infrastructure and comprehensively put forward the research
emphasis and perspectives of urban ecological infrastructure based on ecosystem services. The current problems of research
contents, viewpoint, methods and evaluation indicator system were point out. Finally, the concept and perspective of urban
surface ecology was advanced for the first time in this article which can provide methodology for enhancement and regulation
of urban ecosystem services. The integrated research of urban ecological infrastructure and surface ecology will provide new
resolving ideas and scientific methods for urban significant problems such as hydrologic effect (waterlogging), atmospheric
haze effect (PM2.5), heat island effect, water pollution and eutrophication. For future study, six perspectives on ecological
infrastructure were put forward in this article as follows: 1) Strengthening the quantitative evaluation of urban ecological
infrastructure to provide useful references for urban decision鄄making and management. 2) Enhancing the study on evaluation
model of functions of urban ecological infrastructure. 3) Emphasizing the intersecting and application of different majors and
subjects. 4) Paying more attention to the integration and system of urban ecological infrastructure. 5) Synthesizing urban
ecological infrastructure and municipal infrastructure as a organic whole at the city level. 6) Reinforcing and deepening the
study of urban surface ecology related to urban impervious surface to offer scientific approaches for urban environmental
issues, such as urban flooding, atmospheric haze effect (PM2.5), heat island effect, water pollution and eutrophication.
Key Words: urban; ecological infrastructure; surface ecology; ecosystem services; impervious surface
摇 摇 城市是一类以人类活动为中心的社会鄄经济鄄自
然复合生态系统[1]。 城市生态基础设施是提升城市
生态系统健康水平和城市人居环境的关键环节,是
社会赖以生存发展的基本物质条件。 然而随着经济
的高速发展与人口增长,城市扩张迅速,土地硬化面
积扩大,使得城市生态基础设施的结构和服务功能
发生了明显改变,原来以植被为主的自然景观逐渐
被众多的人工建筑物质所取代[2]。 沥青、混凝土等
不透水地面的增加,导致城市绿地和湿地生态基础
设施的面积大幅减少,生境破碎化严重,并进一步加
剧了城市热岛效应、灰霾效应、雨洪雨污效应及水体
富营养化等生态环境问题,直接影响了城市生态系
统服务和人居环境。 据住房和城乡建设部 2010 年
对 351 个城市进行的专项调研结果显示,2008—
2010年间,全国 62%的城市发生过城市内涝,内涝
灾害超过 3 次以上的城市有 137 个。 “去武汉看
海冶、“到杭州观水漫金山冶、“坐北京地铁赏水帘洞
景冶……频发的城市内涝使得越来越多的人认识到:
城市除了有市政设施以外,还需要有“生态基础设
施冶 [3鄄4]。 保障生态基础设施的结构完整性和功能完
善性,对于维持城市生态平衡和改善城市环境具有
无可替代的重要作用,成为目前国内外学者们关注
的热点[5鄄8]。
1摇 城市生态基础设施的概念与类型
1.1摇 城市生态基础设施的概念及内涵
摇 摇 生态基础设施(Ecological Infrastructure,EI)一词
最早见于联合国教科文组织的“人与生物圈计划冶
(MAB)1984年发布的生态城市规划报告中,提出了
生态城市规划的五项原则:淤生态保护战略;于生态
基础设施;盂居民生活标准;榆文化历史的保护;虞
将自然引入城市。 这里生态基础设施主要指自然景
观和腹地对城市的持久支持能力[9]。 我国学者[10]
于 2002年引入了“生态基础设施冶 (EI)名词并将其
应用于城市规划工作中,认为城市生态基础设施是
城市所依赖的自然系统,是城市及其居民持续获得
自然生态服务的保障,也是城市及其居民能持续地
获得自然服务的基础,这些生态服务包括提供新鲜
空气、食物、体育、休闲娱乐、安全庇护以及审美和教
育等[10]。 它不仅包括传统的城市绿地系统的概念,
还更广泛地包含一切能提供上述自然服务的城市绿
地系统、林业及农业系统、自然保护地系统[11鄄12]。 其
他学者研究提出了与 EI 概念相关的栖息地网络、生
态廊道、绿色通道、生境网络、环境廊道、生态网络、
框架景观、生态结构等[13鄄14医。 作者认为城市生态基
础设施是指为人类生产和生活提供生态服务的自然
与人工设施,保证自然和人文生态功能正常运行的
191摇 1期 摇 摇 摇 李锋摇 等:基于生态系统服务的城市生态基础设施:现状、问题与展望 摇
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公共服务系统,它是社会赖以生存发展的基本物质
条件,具有重要的生态系统服务,是城市及其居民持
续获得生态系统服务的保障。 它是具有净化、绿化、
活化、美化综合功能的湿地(肾)、绿地(肺)、地表和
建筑物表层(皮)、废弃物排放、处置、调节和缓冲带
(口),以及城市的山形水系、生态交通网络(脉)等
在生态系统尺度的整合,生态系统服务完善生态基
础设施,强化土地、水文、大气、生物、矿物五大生态
要素的支撑能力,维持湿地和绿地生态系统结构功
能的完整性及生态服务功能,是城市可持续发展的
重要基础,也是建设生态城市的重要保证。
1.2摇 生态基础设施与绿色基础设施的区别与联系
绿色基础设施始于 20世纪 90年代的美国马里兰
州绿道运动,1999 年美国保护基金会(Conservation
Fund)与农业部联合组建了由政府机构和非政府组
织成立了“GI 工作小组冶 (Green Infrastructure Work
Group),将绿色基础设施定义为:“GI 是我们国家的
自然生命支持系统 ( nation忆 s natural life support
system)———一个由水道、湿地、森林、野生动物栖息
地和其他自然区域,绿道、公园和其他保护区域,农
场、牧场和森林,荒野和其他维持原生物种、自然生
态过程和保护空气和水资源以及提高美国社区和人
民生活质量的荒野和开敞空间所组成的相互连接的
网络。冶 2001 年, 马 里 兰 州 推 行 了 绿 图 计 划
(Maryland忆s Green Print Program),发展了功能健全
的庞大绿色基础设施系统,并于 2005 年形成了相应
的绿色基础设施评价体系[15]。
随后,绿色基础设施传到西欧并得到进一步延
伸,2005 年英国的简·赫顿联合会 ( Jane Heaton
Associates)在其文章《可持续社区绿色基础设施》
(Green Infrastructure for Sustainable Communities)中
指出:“GI 是一个多功能的绿色空间网络,对于现有
及将来的可持续社区的高质量自然环境和已建环境
有一定贡献。冶2006 年,英国西北绿色基础设施小组
(The North West Green Infrastructure Think鄄Tank)提
出 GI 是一种由自然环境和绿色空间组成的系统,具
有类型学、功能性、脉络、尺度与连通性五大特征,并
指出了绿色基础设施的规划程序。 与美国不同,西
欧的绿色基础设施更侧重于城市内外绿色空间的质
量[16],维持生物多样性、野生动物栖息地之间的联
系[17]等方面的意义。 然而,绿色基础设施更多强调
绿地、湿地等生态用地与生态廊道的结合和网络化,
忽略了绿色空间网络与城市市政基础设施以及城市
工程建设的耦合。 城市是一类以人类为中心的社
会鄄经济鄄自然复合生态系统,城市自然子系统必须与
经济和社会子系统相结合,并进行系统整合,通过生
态系统自组织、自适应、自循环和自恢复的能力保证
整个城市生态系统的稳定性,进而实现城市的健康、
可持续发展。
因此,尽管“绿色基础设施冶弥补了传统“灰色
基础设施冶的诸多不足,对于提高城市生态系统服务
和生态品质具有一定的作用,但城市生态系统需要
更具复杂性的“生态基础设施冶,将无生命的“灰色
基础设施冶与有生命的“绿色基础设施冶有机整合,
形成协同共生、循环再生的基础设施支撑体系,以维
持城市生态服务功能的完整性及生命活力。
1.3摇 城市生态基础设施的类型与主导功能
城市湿地和绿地生态系统是城市生态基础设施
的主要组成部分,提供着重要的生态系统服务。 城
市生态基础设施的类型及其主导服务功能如表 1
所示[18鄄20]。
2摇 城市生态基础设施服务功能研究现状
2.1摇 城市湿地生态基础设施及其服务功能
2.1.1摇 湿地生态基础设施的服务功能
湿地被喻为“地球之肾冶,是城市生态基础设施
的重要组成部分,不但具有丰富的资源,还具有重要
的生态系统服务[21鄄22],如调节水温和径流,防止或减
缓洪、涝、渍、旱和改善环境,调节水量在时间、空间
上的不均匀分布;为工农业生态和饮水等生活用水
提供水源;接纳排水,并通过水体自净与净化,促进
营养盐和有机质的流动和循环;供养生物、活化生
境、繁衍水生动植物,保障生物质的生产,维护生物
多样性;调节气候,特别是小气候;沟通航运,水力发
电;缓冲干扰,吸尘、减噪,防止或减少热岛效应;美
化景观和净化环境;以及为居民提供教育、美学、艺
术、陶冶情操、游憩及休闲娱乐[23鄄24];保障水及其中
的一些物质的迁移、转化和循环,维持水生态系统的
健康发展。
2.1.2摇 城市化对湿地生态基础设施及其服务功能的
影响
摇 摇 随着城市化水平的不断提高,带来了人口的急
291 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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表 1摇 城市生态基础设施的服务功能
Table 1摇 Service Functions of Urban Ecological Infrastructure
主要生态基础设施类型
Types of main ecological
infrastructure
生态系统服务
Ecosystem services
功能特征
Function characteristics
主要存在问题
Main problems
湿地、森林公园、自然保护区、生
态缓冲带
Wetlands, forest parks, natural
preserves, ecological buffer belts
调节气候、维持生物多样性和景
观完整性与娱乐文化
缓解热岛效应、维持生物多样
性、涵养水源,控制城市无序
膨胀
城市开发使湿地面积锐减,废水无
节制排放破坏湿地生态系统净化
能力,城市建设用地侵占损害其连
续性,从而使生物栖息地受到威胁
河流、湖泊、交通绿化带、园林绿
地、公园
Rivers, lakes, traffic green belt,
green space, parks
改善环境质量 减轻噪声、减少悬浮颗粒物、净
化水质
长期人工经营,自我演替能力弱,
植被生物多样性水平低、需要长期
损耗维护费用,河流、湖泊等湿地
受到不同程度的污染,功能减弱
小游园、街心绿地、居民区绿地、
单位绿地
Small parks, street green land,
residential green land,
institutional green land
维持社会稳定和谐 提供日常休闲游憩的场所;缓解
疲劳,减轻压力;提供交流机会
促进并维持社会完整性
长期人工经营,自我演替能力弱,
植被生物多样性水平低、需要长期
损耗维护费用
农田
Agriculture land
生产原材料、生态缓冲和娱乐
文化
生产粮食,和森林公园、生态保
护区一起作为城市郊区的绿色
开敞空间的一部分,对城市的生
态环境进行调节和缓冲,为城市
居民提供接触自然、体验农业以
及观光休闲的场所,促进城乡生
态文化的交流
建设用地侵占,且其生态系统服务
被人忽视,现代农业多功能经营方
式没有普及
剧增加和聚集、工业化及经济发展、城市规模不断增
大,这些都对城市湿地及水生态环境产生了巨大的
影响,导致湿地的萎缩以及功能的丧失。 城市化带
来的植被减少、不透水面积增加、温室气体的排放、
水域面积减少、污水的任意排放和水资源的不合理
利用等导致自然水循环生态系统遭到破坏,水资源
呈现总量上的缺乏与质量上的退化甚至恶化,水环
境承载能力超过其自身的极限,水环境结构被破坏,
水的时空分布、水分循环及水的理化性质发生改变,
水生态服务功能丧失[25鄄26]。 我国南方多水地区已经
呈现水质型缺水的趋势,一些城市面临“有水难用冶
的困境。 如湖北省的武汉、黄石、鄂州、荆州、襄樊、
十堰和荆门等城市的 7 个内湖和 11 条纳污河渠水
质绝大部分为劣 V类,武汉市抽查的 65 个湖泊中有
38个富营养化,占 58.5%。 贺晓慧等[27]以黄河流域
郑州段为例,利用 2002、2009 两期遥感影像分析城
市化进程下流域景观的变化发现城市用水的增加导
致上游水量的减少,流域面积以及部分湿地数量的
减少。
与此同时,国内外一些学者开始对如何保护湿
地水体等自然景观进行积极研究,并开展了一些运
动。 1997 年,美国马里兰州发起了名为 “ Smart
Growth and Neighborhood Conservation冶的运动,目的
在于通过保护湿地水体、农田、森林等在内的自然开
放空间来恢复社区活力,其中的措施有为社区居民
兴建必要的公共设施如开放空间、道路等,同时禁止
城市建设对一些特定区域的侵占,如大型流域湖泊、
农田等[28]。 Weber 等[29]对美国马里兰州的绿色基
础设施进行了评价,通过分析网络中心和连接廊道
在地形区域内的各种生态参数和发展过程中的风险
因素,测定区域内的生态价值和脆弱性等级,提出湿
地水体等的保护优先次序及保护目标。
可见,合理规划城市湿地生态系统,恢复城市湿
地,有机地将湿地水景、湿地动植物景观、湿地小气
候、湿地文化等与城市功能融为一体将会大大改善
城市环境,提高城市环境容量与生态安全水平,充分
发挥湿地作为城市基础生态设施的重要生态服务
功能。
2.2摇 城市绿地生态基础设施及其服务功能
2.2.1摇 城市绿地生态基础设施的服务功能
绿地作为城市的“肺冶,是城市生态基础设施中
不可或缺的重要组成部分,具有改善城市空气质量、
调节小气候、美化城市景观等多种生态功能。 随着
城市化进程的加速和城市环境问题的加剧,人们越
391摇 1期 摇 摇 摇 李锋摇 等:基于生态系统服务的城市生态基础设施:现状、问题与展望 摇
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来越认识到城市绿地生态服务功能的重要性,在城
市绿化建设中不仅关心绿地美化、观赏、休憩等功
能,更加注重绿地生态系统服务[30鄄32],城市绿地已成
为衡量城市生态可持续的重要标准[33鄄34]。 在国内外
城市规划和城市生态研究中,关于绿地最常见的 4
个专业术语就是城市绿地、城市绿色空间、城市开敞
空间和城市绿地系统[35]。 在城市绿地系统概念及
分类方面,虽然不同行业和学科有不同的认识,但随
着人们对城市绿地生态服务功能认识的不断深化,
城市绿地的概念也在发展变化。 目前,人们对城市
绿地的概念和内涵有了更全面的认识,即城市绿地
系统不同于传统的园林绿地概念,它是包括城市园
林、城市森林、都市农业和滨水绿地以及立体空间绿
化在内的绿色网络系统。 城市绿地系统是城市绿色
空间中以植被为主体,以土壤为基质,以自然和人为
因素干扰为特征,在生物和非生物因子协同作用下
所形成的有序整体。 其结构包括乔木、灌木、草本植
物、动物、微生物以及土壤、水文、微气候等物理
环境[36]。
城市绿地基础设施的生态服务功能是指绿地系
统为维持城市人类活动和居民身心健康提供物态和
心态产品、环境资源和生态公益的能力。 它在一定
的时空范围内为人类社会提供的产出构成生态服务
功效,主要包括:(1)净化环境:净化空气、水体、土
壤、固碳释氧、吸收 CO2生产 O2、杀死细菌、阻滞尘
土、降低噪声等;(2)调节小气候:调节空气的温度和
湿度,改变风速风向;(3)涵养水源:雨水渗透、保持
水土等;(4)土壤活化和养分循环;(5)维持生物多
样性;(6)景观功能:组织城市的空间格局;(7)休
闲、文化和教育功能;(8)社会功能:维护人们的身心
健康,加强人们的沟通,稳定人际关系;(9)防护和减
灾功能:抵御大风、地震等自然灾害[22,31鄄32,37]。 城市
绿色空间生态服务功能的强弱取决于绿地的数量、
组成结构、镶嵌格局、分布特征、与周边人工景观的
联系以及管理水平等。
2.2.2摇 城市化对绿地生态基础设施及其服务功能的
影响
随着我国城市化进程的加快,城市规模在不断
扩大。 城市中大量高楼大厦的拔地而起与建筑密度
的不断增大使得城市绿地和建筑物的竞争异常激
烈,城市绿地面积大为减少。 城市森林作为城市生
态系统中具有自净功能的重要组分受到了城市化的
强烈干扰,以森林为主的自然生态系统不断被支解
和蚕食[38],不仅表现在景观水平上的生境破碎化,
更重要的是在小尺度的物种组成结构的明显反
映[39],生态系统面临功能退化、生物多样性丧失的
危险[40]。 现在发展中国家的城市化速度每年大约
以 7% 的速度增长[41],城市数量的增加和城市的外
延式发展造成了大量的土地资源,尤其是耕地资源
被征用[42], 导致林地、 农地面积减少, 农产品
减产[43鄄44]。
目前城市绿地生态基础设施普遍存在以下问
题:(1)面积不断减少;(2)市内和郊区分布极不均
匀;(3)结构层次单一,多样性差;(4)生态系统服务
无法满足人们的需求。 城市绿地系统是城市生态系
统中非常重要的生态基础设施,是维护和恢复城市
生态环境及提高景观活力的最有效措施,快速城市
化对于城市绿地生态系统的影响已受到社会的普遍
关注,迫切需要人们对城市生态基础设施进行科学
的评估和管理。
2.3摇 城市地表硬化的生态工程改造
城市地表硬化是城市发展和扩张的重要特征之
一,也是人类对城市生态基础设施的干扰和破坏的
集中表现[45]。 城市以水泥、沥青、混凝土等为主的
硬化铺装,大多数为不透水层,严重阻碍土壤和大气
之间的物质和能量的交换,改变了能量平衡、水分利
用、养分循环、气体交换等典型的生态过程,进而对
城市生态系统服务和人居环境造成不同程度的
影响[46]。
2.3.1摇 城市地表硬化的复合生态效应
由于城市建设过程中大量采用水泥、柏油、混凝
土等材质覆盖土壤表面,形成封闭地表,在造成大片
田野、耕地、水域等自然生态基础设施消失的同时,
也使得我们生存依赖的大地环境彻底“硬化冶,从而
堵塞了大地的“呼吸冶,割裂了人与自然的直接联系,
给城市生态和环境带来了显著的不利影响。
(1)城市水分失衡和内涝
不透水的硬化覆盖使土地失去蓄水功能,下渗
能力降低,而洪峰流量显著增加,不仅造成极大的水
资源浪费,而且还使城市地面形成有雨就涝、无雨就
旱的恶性循环[47鄄48]。 同时,暴雨条件下地表径流的
加剧将增加城市排水的压力,加剧洪涝灾害,阻断雨
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水对地下水的补充。
(2)城市热岛和干岛效应
城市硬化面积的不断扩大,使得下垫面粗糙度
增大,反射率减小,地面长波辐射损失减少,致使在
同样天气条件下吸收和储存更多的太阳辐射,从而
改变了城市下垫面的热力属性,是引发城市热岛效
应的重要原因之一[49鄄51]。 另外,城市自然蒸发、蒸腾
量比郊区小,空气含水汽量少,近地面有限的水汽通
过湍流不断上传扩散,使城区的绝对湿度比郊区小,
形成“城市干岛冶。
(3)灰霾效应和噪声污染
随着硬化地表面积的不断扩张,城市植被覆盖
率逐渐减少,加之城市热岛效应的加重,悬浮颗粒物
沉降难,空气质量难以改善。 同时,硬化了的表面会
反射噪音,进而加重城市的噪音污染。
(4)城市水体的污染加重
城市的硬质下垫面占大多数,径流系数较大,形
成径流的时间短,地下入渗量小,对污染物的冲刷强
烈。 城市暴雨径流的形成冲刷屋面建筑材料、建筑
工地、路面垃圾和城区雨水口的垃圾和污水、汽车产
生的污染物、大气干湿沉降等,将这些污染物快速地
带入了城市河道,造成水体污染和水环境恶化。
(5)影响土壤质量和生境
城市硬化的地面,阻断了地下与地面以上空气
的交流,使水、肥、气、热等条件不能满足植物的正常
生长与发育,直接影响城市植被的健康。 城市硬化
后的地面还会减少土地中动物和微生物生存的机
会,从而毁灭地表生态、减少地面土层有机质的补
充,加重城市土地的退化,进而降低土壤功能,影响
生物的生境[52]。
(6)改变生物地球化学循环
城市土地利用的变化,特别是地表硬化及各种
生产活动对生态系统生物化学循环,尤其是温室效
应、水体富营养化等生态环境问题有着显著的影
响[53]。 城市暴雨径流污染和面源污染已成为当今
世界上主要的污染问题。 而生物地球化学循环又是
一个连锁反应的过程,因此,地表硬化对其中某一环
节或转化过程的影响,将导致整个循环的失衡和
改变。
2.3.2摇 城市地表硬化的生态效应评估
(1)城市不透水面的提取
城市硬化地表指数(Impervious Surface Index,简
称为 ISI)是指单位面积硬化地表的面积比例。 ISI
一般通过以下方法提取:1)对航片或者高分辨率的
卫片目视解译,该方法精度很高,但需要巨大的人
力、物力,成本高[54];2)直接从现有的土地利用 /覆
盖图转化,该方法便捷快速,但依赖于研究区是否有
土地利用 /覆盖数据,而且其空间分辨率受限于原数
据精度[55];3)均一象元估测,利用计算机自动分类
获取,该方法假设象元完全被一种地物类型所覆盖,
忽视象元内部的异质性[56];4)混和象元估测,即通
常所说的亚象元分类法[57鄄58]。
(2)城市地表硬化生态效应的评估方法
目前对于城市地表硬化的生态效应的研究主要
集中于城市地表硬化对城市热岛效应和城市洪峰径
流的影响,对硬化下土壤质量、碳氮循环及微生物性
质的研究鲜见报道。 在城市不透水面引起城市雨洪
效应方面,应用的模型主要包括:美国环保局的暴雨
雨水管理模型(SWMM),美国陆军工程兵团的蓄水、
处理与溢流模型( STORM),水文计算模型(HSP)
等[59鄄60]。 在城市不透水面与热岛效应的研究方面,
则主要通过遥感提取定量分析城市不透水面与城市
热岛之间的关系[61鄄62]。 对于城市地表硬化对土壤质
量及碳氮循环的研究,主要采用实地采样测定的方
法,如 Steve 等[63]对美国纽约硬化下土壤与绿地中
碳氮含量对比分析表明:城市硬化下 0—15 cm 的土
壤碳氮含量分别减少 66%和 95%。
3摇 生态基础设施结构与功能评估方法
3.1摇 生态系统服务
生态系统服务研究是当今自然与城市生态系统
研究的热点之一[22,64鄄65]。 生态系统服务可以定义为
“自然生态系统及其构成物种支持和实现人类生命
活动的条件和过程冶 [22],它表现为一些物质能量和
信息流,这些流来源于自然资本储量同人造资本和
人类资本服务的结合,以产生人类福利[20]。 Daily
等[22]根据现已掌握的研究材料对生态系统服务的
内涵进行了归纳,总结出如下几个方面:生态系统产
品的产出、生物多样性的发生和维持、气候和生命的
维护、洪水和干旱的缓减、生物地化循环、生物生长
所需各种养分的供给、生物传粉、自然害虫控制、种
子传播或散布以及对人的美学和精神调节作用。
591摇 1期 摇 摇 摇 李锋摇 等:基于生态系统服务的城市生态基础设施:现状、问题与展望 摇
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Costanza等 13人 1997 年 5 月在 Nature 杂志上发表
的有关全球生态系统服务价值的估计[20],他们将生
态服务功能分为气体调节、气候调节、扰动调节、水
调节、水供给、控制侵蚀和保持沉积物、土壤形成、养
分循环、废物处理、传粉、生物控制、避难所、食物生
产、原材料、基因资源、休闲、文化等 17个类型,按 16
种主要生境类型分类,估计出每年全球生态服务功
能价值的下限约 33万亿美元,说明自然生态系统对
人类提供了巨大的生态服务功能,而目前快速城市
化和不科学、不合理的管理方法造成了自然生态系
统服务的明显降低和退化。 因此,需要将生态系统
服务理论与方法应用于人类的决策管理之中,特别
是在人类密集活动的城市区域[20,22]。
3.2摇 生态基础设施景观结构评估方法和模型
分析生态基础设施的空间结构的差异对于评估
生态服务功能具有重要意义。 城市生态服务与机理
的研究需要一些新的方法来定量景观空间格局,以
比较不同景观、分辨具有特殊意义的景观结构差异,
以及确定格局和功能过程的相互关系等。 景观格局
数量研究方法分三类:(1)用于景观组分特征分析的
景观空间格局指数;如斑块面积、斑块数、单位周长
的斑块数、边界密度等。 (2)用于景观整体分析的空
间格局模型分析;如空间自相关分析和一些统计学
方法。 (3)用于模拟景观格局动态变化的景观模拟
模型,如 CITYgreen 模型、地理加权回归模型、次序
Logit回归模型、逻辑斯蒂回归模型等。 而最小累积
阻力模型(Minimal Cumulative Resistance)被认为是
景观水平上进行景观连接度评价最好的工具之
一[68]。 它通过单元最小累积阻力的大小可判断该
单元与源单元的“连通性冶和“相似性冶,通常“源斑
块冶对于生态过程是最适宜的,近年该模型已经应用
到城市生态安全格局、城市生态规划及城市适宜生
态用地的核算中。
3.3摇 生态基础设施服务功能评估方法和模型
针对生态基础设施及其服务功能的类型和特
点,学者们采用了不同的服务功能价值的评估方
法[20,22,69鄄70]。 总体可分为物质量和价值量两种评估
方法。 其中,物质量评价能够比较客观地评价不同
的生态系统所提供的同一项服务能力的大小,但是
各种服务功能之间难以统一用一个综合指标来表
示,而价值量方法对给世人敲响警钟是非常有效的,
但是估算出的价值由于估算方法本身在理论上还有
待完善,而且结果存在主观性与随机性,所以不是非
常准确,但其有利于决策者进行评价和判断。 常见
的价值量评价方法有:费用支出法、市场价值法、机
会成本法、影子工程法、恢复与保护费用法、旅行费
用法、享乐价格法等。 目前,国内外学者们应用了更
多的模型和方法用于生态系统服务的评估,如美国
斯坦福大学“Natural Capital冶项目组开发的 InVEST
软件,把握了较好的总体格局,并用可视化表达直观
地体现了人类活动对生境的威胁程度和影响范围;
生态足迹模型客观反映人类对生态系统(生态基础
设施)的需求与供给之间的矛盾,指示自然资源的压
力状态;VER模型(Ecological Value at Risk)将生态
服务价值的定量化与生态风险分析的数学模型相结
合,可以进行基于生态服务价值的生态风险分析
研究。
总体而言,国外已发展了一些关于生态系统服
务及价值评估方法,目前,国内多数相关研究仅限于
某区域的生态系统服务的概述式评估,多数套用现
成公式计算服务功能,少数以地理信息系统为技术
支撑对区域生态服务功能进行了定量评估,如索安
宁基于遥感技术对于辽河三角洲生态系统服务进行
评估研究[71]。 可见新技术与方法正逐渐被用于区
域生态系统服务评估,评估越来越定量化、精细化、
模型化,并且将生态系统服务评估与决策相结合已
成为生态系统服务的总体发展方向。 准确、有效的
定量评估城市城市生态基础设施的生态服务价值,
利于规划者和政府对湿地和绿地生态效益的经济价
值有更直观的、新的认识和了解,为其提供一些辅助
决策的参考信息,成为当地城市及区域规划部门的
重要决策工具。
4摇 结论与讨论
湿地(肾)和绿地(肺)生态系统是城市重要的
生态基础设施,能促进城市居民身心健康和社会经
济的发展,为人类社会提供着重要的生态系统服务,
如净化环境、涵养水源、保持水土、调节气候、固碳释
氧、维持生物多样性等,是城市生态系统健康、可持
续发展的重要保障。 然而,城市化带来的植被减少、
水域面积减少、不透水面积增加、温室气体的排放、
污水的任意排放和不合理用水等导致城市生态基础
691 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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设施的结构和功能遭到破坏,生态服务功能显著下
降,直接影响着城市生态环境和人居生活品质。
目前国内外关于城市生态基础设施及其服务功
能已有部分研究,但还不成体系,仍存在一些问题和
不足:
(1)在研究内容上,我国缺乏城市生态基础设施
的基础理论、技术体系与管理方法的研究,对城市生
态基础设施结构与功能的生态耦合关系与调控机理
尚不明确,缺乏对其综合的功能评估模型和格局优
化方法。
(2)在研究角度上,目前国内外大多学者只关注
生态基础设施中湿地或绿地某一方面的内容,重数
量轻质量,同时缺乏对城市地表硬化的生态效应研
究,缺乏整体性和系统性的综合考虑以及城市生态
基础设施的综合管理模式与系统调控方法
(3)在研究方法方面,大多停留在概念与定性分
析阶段,定量的研究较少。 对于生态基础设施服务
功能的评估,国内外大多数学者采用直接套用生态
服务价值系数来分析不同用地类型的生态服务功
能,由于研究不够深入,方法不统一导致结果有差
异,同时缺乏可视化、直观化的模型,对 InVEST 等模
型应用较少,特别缺乏在城市生态管理领域的应用;
(4)在评价指标体系方面,针对城市湿地及绿地
基础设施的生态服务功能,在不同时间及空间尺度
上仍未建立功能全面、系统的评价指标体系。
因此,研究城市生态基础设施的服务功能评估
模型、网络格局优化方法以及综合管理模式,并进行
系统调控,对于改善城市环境、提高城市生态服务功
能和维护城市生态安全具有重要的理论和现实意
义,可为城市生态基础设施的结构优化、功能强化与
生态管理提供科学依据。
5摇 研究展望
城市生态基础设施是社会赖以生存发展的基本
物质条件,具有重要的生态系统服务,是城市及其居
民持续获得生态系统服务的保障。 在快速城市化的
进程中,保障生态基础设施的健康与完整迫在眉睫。
目前国内外关于城市生态基础设施及其服务功能的
研究仍存在问题与不足,基于以上综合分析提出今
后的研究展望:
(1)加强对于城市生态基础设施服务功能的定
量研究,在此基础上建立不同时间及空间尺度上功
能全面、系统的评价指标体系,准确、有效地定量评
估城市城市生态基础设施的生态服务价值,供城市
决策管理参考。
(2)加强城市基础设施功能评估模型方面的研
究。 应当推广 InVEST等模型在国内的应用,并且结
合实际情况对模型进行改进,加强模型在城市生态
管理领域的应用。
(3)注重不同学科之间的交叉与应用。 生态基
础设施及其生态服务功能的研究涉及到生态学、社
会学、经济学等多个学科,结合多学科的研究方法有
助于从多个角度对生态基础设施进行深入探讨及综
合管理,建立系统的调控方法。
(4)必须重视城市生态基础设施的整体性与系
统性,加强对城市生态基础设施结构与功能的生态
耦合关系的研究。 应当将肾(湿地)、肺(绿地)、皮
(地表)、口(污染排放)、脉(生态廊道)五大要素整
合为一体,将城镇与乡村基础设施整合,同时注重不
同空间尺度生态服务功能的差别与衔接,从而形成
一个健康高效的生态网络。
(5)必须整合城市生态基础设施与市政基础设
施网络。 在未来应将生态与市政基础设施有机地结
合起来,即把城市湿地、绿地、软化地表、生态廊道与
城市给排水系统、道路、交通以及各种污染物排放口
等联系起来,形成一个有机的城市基础设施工程网
络,以有效缓减和应对城市灾害的发生(如城市雨洪
和内涝问题),提高城市安全与健康的生态品质。
(6)加强和深化城市表面生态学研究。 作者认
为城市表面生态学是研究城市建筑物、构筑物等人
工表面结构、形态、过程的物理、化学、生物相互作用
机理及其与生态系统服务之间关系的一门城市生态
学科。 它研究地皮、墙皮、路面、屋顶、河床、堤坝等
硬化地表的复合生态效应,以及生态工程的规划、设
计与管理方法,旨在优化城市地表结构,整合城市生
态基础设施,强化城市生态服务功能。 城市生态基
础设施与表面生态学的整合研究将对城市水文效应
(内涝)、灰霾效应(PM2.5)、热岛效应、水体污染与
富营养化等备受关注的重大问题提供新的解决思路
与科学方法。
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叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
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主摇 摇 办摇 中国生态学学会
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