韓林桅, 張 淼,石龍宇

1 中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所城市環(huán)境與健康重點實驗室, 廈門 361021 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施(ecological infrastructure,以下簡稱EI)是針對市政灰色基礎(chǔ)設(shè)施(如道路、橋梁、鐵路、水熱氣電輸送管線等)、環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施(雨污管網(wǎng)、污水處理廠、垃圾處理廠)和社會基礎(chǔ)設(shè)施(如醫(yī)院、學(xué)校、文化、體育設(shè)施等)而提出的另一種支撐區(qū)域/城市可持續(xù)發(fā)展的必要的基礎(chǔ)設(shè)施?？焖俪鞘谢趲斫?jīng)濟發(fā)展的同時,也導(dǎo)致了城市人工建筑物以及不透水地面的增加,原有的森林、濕地等自然景觀逐漸被取代,進一步導(dǎo)致了城市熱島效應(yīng)、洪澇災(zāi)害、水體富營養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問題[1]。EI的概念應(yīng)運而生,其核心功能是提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[2]。EI規(guī)劃、設(shè)計和建設(shè)通過整合相關(guān)的生態(tài)過程與景觀結(jié)構(gòu),進而維持、改善和增加生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)能力。例如在海綿城市的建設(shè)過程中,城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施通過流量控制、洼地調(diào)蓄、滯留、過濾、滲透和生物處理等過程,處理水體污染物及減少地表徑流量,可維持和改善生態(tài)系統(tǒng)的水量調(diào)節(jié)以及水質(zhì)凈化服務(wù)；通過引入景感生態(tài)學(xué)的理論和方法,合理進行景感空間規(guī)劃和設(shè)計,可以增加生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的文化娛樂服務(wù),為城市水環(huán)境問題提供綜合、系統(tǒng)的解決途徑。

本文基于不同類型EI及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的已有研究成果,對不同空間尺度和類型EI所提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行了梳理,主要針對EI在徑流滯蓄、水質(zhì)凈化和氣候調(diào)節(jié)3個方面的服務(wù)能力及提升技術(shù)研究進展進行深入探討,并對現(xiàn)有EI服務(wù)能力評估方法進行比較分析,以期為EI的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)和評估提供決策參考。

1 EI概念辨析

1.1 EI的概念與內(nèi)涵

EI一詞最早見于聯(lián)合國教科文組織的“人與生物圈計劃”(MAB),是MAB年度報告中提出的生態(tài)城市規(guī)劃的五項原則之一,被描述為“作為城市空間組織框架的自然景觀和區(qū)域”,主要強調(diào)自然景觀和腹地對城市的持久支持能力[3]。20世紀90年代,景觀生態(tài)學(xué)家和規(guī)劃師認為EI 的重要作用在于將處于日益破碎化的都市景觀中孤立的自然區(qū)域聯(lián)結(jié)起來,并且北美與歐洲多國的政策與方案均采納了這種理論。在歐洲,EI經(jīng)常與生態(tài)網(wǎng)絡(luò)、廊道、保護廊道等進行替換,并且EI規(guī)劃通常基于特定物種棲息地的要求,包括建設(shè)新的自然保護區(qū)、廊道等[4]。21世紀初期,不同學(xué)者對EI 進行了定義,主要可以概括為具有維持自然生態(tài)過程,更新空氣與水體,以及保障居民福利的相互連接的自然生命支持系統(tǒng)[5- 7]。

在我國,近些年EI的內(nèi)涵得到了不斷的拓展與推廣。俞孔堅等[8]最早將EI概念應(yīng)用到中國城市空間規(guī)劃之中,認為EI從本質(zhì)上講是城市所依賴的自然系統(tǒng),包含一切能為城市及其居民提供自然服務(wù)的城市綠地系統(tǒng)、林業(yè)及農(nóng)業(yè)系統(tǒng)、自然保護地系統(tǒng)。李鋒等[1, 9]認為城市EI是指為人類生產(chǎn)和生活提供生態(tài)服務(wù)的自然與人工設(shè)施,并進一步具體將城市EI定義為藍色(水)、綠色(植被)、灰色(非生物)景觀,以及出口(流出、處理或回收)和干線(廊道)在生態(tài)系統(tǒng)尺度上的有機整體。在以上關(guān)于EI的定義中,一個很重要的方面是將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)思想與生態(tài)結(jié)構(gòu)相結(jié)合,使EI的概念更加清晰[2]。在總結(jié)已有EI概念的的基礎(chǔ)上,本文將EI定義為保持、改善和增加生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)必備的一系列條件和組合。其類型包括城市綠地、濕地、農(nóng)田、生物滯留池、綠色屋頂?shù)茸匀缓桶胱匀幌到y(tǒng),其主要功能是保障城市生態(tài)功能正常運行,并且其居民持續(xù)地獲得生態(tài)服務(wù),是城市可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)重要保障和支撐。

1.2 EI與綠色基礎(chǔ)設(shè)施的聯(lián)系與區(qū)別

綠色基礎(chǔ)設(shè)施(green infrastructure,以下簡稱GI)最初出現(xiàn)在1994年美國佛羅里達州的土地保護報告中[5],原文解釋為“支持本地動、植物物種的當?shù)鼐坝^和生態(tài)系統(tǒng)；可以維持清潔空氣、水、漁業(yè)以及其他自然資源，并維持吸引人們到弗羅里達旅游和定居的自然美景”[10],強調(diào)自然景觀與資源保護。1999年,在美國保護基金會(The Conservation Fund)和美國農(nóng)業(yè)部林務(wù)局(USDA Forest Service)領(lǐng)導(dǎo)下的GI工作小組提出了GI的定義：“我們國家的自然生命支持系統(tǒng)——由受保護的土地和水體組成的相互連接的網(wǎng)絡(luò)。它可以支持本地物種生存、維持自然生態(tài)過程、保持空氣和水資源質(zhì)量，并有利于美國社區(qū)與人民的健康和生活質(zhì)量”[7],強調(diào)相互連接的綠色空間網(wǎng)絡(luò)體系[11]。此后,越來越多的研究使用GI來描述更廣義的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),包括作物生產(chǎn),抵御災(zāi)害,娛樂功能等[12- 19]。

EI與GI概念并無本質(zhì)區(qū)別,但各有側(cè)重。一些學(xué)者對兩者的概念進行了區(qū)分。首先,在概念起源方面,EI最初常與生態(tài)網(wǎng)絡(luò)、生態(tài)廊道等生物多樣性保護的常用措施進行替換,強調(diào)核心區(qū)、廊道等組分對生物多樣性的保護作用[20],而GI最早出現(xiàn)在美國佛羅里達州土地保護報告中,強調(diào)自然景觀與資源保護[4, 21]。此外,李鋒等[1]認為GI忽略了綠色空間網(wǎng)絡(luò)與城市市政基礎(chǔ)設(shè)施以及城市工程建設(shè)的耦合,而EI將無生命的“灰色基礎(chǔ)設(shè)施”與有生命的“綠色基礎(chǔ)設(shè)施”有機整合,形成協(xié)同共生、循環(huán)再生的基礎(chǔ)設(shè)施支撐體系。欒博等[22]認為EI主要以景觀生態(tài)學(xué)理論為基礎(chǔ),強調(diào)宏觀空間格局的連通性與完整性,但一定程度上忽視了格局內(nèi)部的綠色空間質(zhì)量,而GI兼顧空間戰(zhàn)略和實施技術(shù)。本文認為GI側(cè)重于空間連通性,強調(diào)水系、綠道等組成的網(wǎng)絡(luò)對城市發(fā)展的支撐能力；而EI側(cè)重于系統(tǒng)性和完整性,從生態(tài)系統(tǒng)的水、土、氣、聲、風(fēng)等全要素協(xié)同角度維持、改善和提高城市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

目前EI與GI兩者的內(nèi)涵已經(jīng)逐漸趨同[2],都具有提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的生命支持系統(tǒng)的涵義[22],并且呈現(xiàn)多目標、多功能的趨勢[2]。大多數(shù)文章中EI和GI所指代的內(nèi)涵已經(jīng)接近一致,因此本文中對二者并未進行嚴格的區(qū)分。

2 EI的主要服務(wù)功能及提升技術(shù)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)一般指生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)過程所形成和維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用[23-24]。EI是城市居民獲得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的基本保障,目前已有學(xué)者對EI提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行了討論[1, 9, 17, 25- 28]。由于人類從生態(tài)系統(tǒng)獲利的大小與生態(tài)系統(tǒng)的時空尺度有著密切的關(guān)系,因此對于不同尺度EI服務(wù)功能的研究可以為EI的評價與規(guī)劃指導(dǎo)提供更為清晰明確的依據(jù)。如李鋒等[1]從區(qū)域和城市/社區(qū)2個尺度對EI及其提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行了劃分。此外,Bolund等[25]指出一種EI可以提供多種生態(tài)服務(wù)。本文在已有研究基礎(chǔ)上,從區(qū)域和城市/社區(qū)2個尺度,以及調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)、文化服務(wù)、供應(yīng)服務(wù)4個方面對EI提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行了總結(jié)(表1)。并結(jié)合目前城市化過程中面臨的城市內(nèi)澇、水污染與熱島效應(yīng)等主要問題,重點對EI的徑流滯蓄、水質(zhì)凈化和氣候調(diào)節(jié)服務(wù)能力以及提升技術(shù)進行了討論。

表1 EI提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)

EI： 生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施Ecological infrastructure

2.1 EI的徑流滯蓄功能與提升技術(shù)

2.1.1EI的徑流滯蓄功能研究進展

城市建設(shè)將大量自然可滲透地面轉(zhuǎn)變?yōu)橛不牟煌杆孛?改變了生態(tài)系統(tǒng)原有的自然水循環(huán),造成地表徑流系數(shù)的增加[29]。城市綠地、濕地、透水性鋪裝等EI可以對城市硬化地面進行改造,利用植被覆蓋區(qū)域的活地被物和腐殖質(zhì)層增加雨水下滲量及下滲速度,或利用下凹式綠地等結(jié)構(gòu)形態(tài)對雨水進行緩存、滲蓄,調(diào)控降雨-徑流關(guān)系,減少徑流量,延長匯流時間。研究表明,城市地區(qū)的植被覆蓋可以將徑流系數(shù)從60%降低到5%—15%[29]。英國大曼徹斯特的模擬實驗發(fā)現(xiàn),居民區(qū)綠地覆蓋增加10%可減少地表徑流的4.9%,再增加10%類似綠地覆蓋,可減少地表徑流的5.7%[30]。

2.1.2EI徑流滯蓄功能提升技術(shù)研究進展

目前,EI徑流滯蓄功能提升技術(shù)主要包括植被種類選擇、填料基質(zhì)篩選與EI結(jié)構(gòu)坡度設(shè)計等。

(1)植被種類選擇

植被的抗旱能力和持水性能是主要的選擇標準,并且要考慮植被在不同氣候條件下的適宜性。一些學(xué)者認為高度更高、直徑更大以及莖、根部生物量更大的植被具有更好的持水性能[31],并且有研究對不同氣候條件下適宜的植被種類進行了總結(jié),以亞洲為例,蘆葦、燈草、香蒲屬和荸薺屬植被較為常見,景天屬植物因為其抗旱能力被廣泛應(yīng)用在世界范圍內(nèi)的簡單式綠色屋頂中。

(2)基質(zhì)填料篩選

在基質(zhì)中添加有機物、增加基質(zhì)層深度均可以增加綠色屋頂?shù)挠晁Ａ袈蕪亩鴾p小雨水徑流。研究發(fā)現(xiàn),在基質(zhì)中添加有機物質(zhì)可以提高基質(zhì)的持水性能。有研究表明,在10cm深的礦渣基質(zhì)中添加40%(體積比)的生物炭可以額外蓄存2.3cm的雨水[32],硅酸鹽顆粒和水凝膠也可以顯著提高礦渣基質(zhì)或碎屋頂陶瓦的持水性能[34]。此外,Getter等[31]提出基質(zhì)厚度和植物種類的匹配是綠色屋頂成功實施的重要條件。美國密歇根州中南部對25種肉質(zhì)植物進行的7年追蹤實驗發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的植被群落出現(xiàn)在2.5cm厚的基質(zhì)層條件下[34]。

(3)EI結(jié)構(gòu)坡度設(shè)計

減小屋頂坡度等措施可以增加綠色屋頂?shù)挠晁Ａ袈蕪亩鴾p小雨水徑流,植被、基質(zhì)、結(jié)構(gòu)坡度等要素間不同組合的徑流滯蓄效果是主要的研究趨勢。有研究表明,減小屋頂坡度和基質(zhì)層深度可以明顯減少雨水徑流量,在所有實驗情景中4cm基質(zhì)深度和2%坡度的屋頂具有最大的雨水保留率[35]。

2.2 EI的水質(zhì)凈化功能與提升技術(shù)

2.2.1EI的水質(zhì)凈化功能研究進展

城市屋頂、道路、停車場等不透水地面上附集了多種污染物,在降雨過程中這些不透水地面促進了地表徑流的形成,并攜帶污染物最終進入河流、地下水等受納水體。人工濕地、雨水花園、綠色屋頂?shù)菶I利用植物、微生物、基質(zhì)等的過濾、吸附或生物化學(xué)等過程,對污水或雨水在流入受納水體前進行截留滯蓄,并對C、N、P等營養(yǎng)物質(zhì)以及懸浮物、病原體等進行去除,從而達到水質(zhì)凈化的效果。已有研究證明,生物滯留池、人工濕地等EI對于懸浮物、營養(yǎng)物質(zhì)、碳氫化合物和重金屬以及與人類健康密切的病原細菌、藥物等具有顯著的去除效果[36-37]。人工濕地通?？梢匀コ钗鬯?0%—99%的有機物、92%—95%的細菌、30%—80%的N和20%—70%的P[38]。埃及開羅北部污水處理廠附近種植有美人蕉、蘆葦和塞浦路斯草紙莎草的垂直人工濕地對COD、BOD和TSS的平均去除率分別達到88%、90%、92%[40]。

2.2.2EI水質(zhì)凈化功能提升技術(shù)研究進展

影響EI污染物去除效率的主要影響因素包括水文狀況、進水方式、植被和填料選擇等。

(1)水文狀況調(diào)節(jié)技術(shù)

水文狀況影響生物群落的組成和生物化學(xué)過程,以及污染物的遷移。目前對于水質(zhì)凈化功能的研究對象主要為人工濕地,增加水力停留時間、選擇批量進水方式可以通過增加接觸時間和曝氣促進對污染物的降解作用。研究表明,足夠的水力停留時間是對污染物進行充分處理與去除的基本保障[37],并且過快的徑流速率可能會使沉積物中的污染物再次懸浮[40]。此外,批量進水方式可以通過增加曝氣進而促進生物降解作用,因此相比連續(xù)進水方式對藥物等污染物的去除效果更為顯著[37]。近年來利用浮動介質(zhì)反應(yīng)器和電化學(xué)方法去除污染物的研究逐漸增多。

(2)植被選擇技術(shù)

高吸附能力是植被的選擇標準,可以根據(jù)不同的污染類型可以不同吸附性能的植被。一些學(xué)者認為植被對于TN、TP的去除率分別處于14.29%—51.89%和10.76%—34.17%的水平[41]。有研究表明金沙草和六角蓮對人工濕地中的重金屬具有良好的吸附性能[43]。

(3)基質(zhì)選擇技術(shù)

復(fù)合基質(zhì)以及生物炭、有機質(zhì)等添加劑可以提高基質(zhì)的吸附性能?；|(zhì)的選擇標準主要為高滲透系數(shù)和吸附能力,因為低滲透性可能會導(dǎo)致系統(tǒng)堵塞,低吸附能力也會影響基質(zhì)對污染物的長期凈化效果。目前基質(zhì)主要包括天然材料、人工材料和工業(yè)廢料3種類型[41],并且廢棄物等經(jīng)濟、環(huán)保的材料越來越受歡迎。工業(yè)廢料中明礬污泥的使用較為廣泛,對P具有較強的吸附能力,1g干污泥可以吸附14.3mg P[43]。在人工濕地中,相比碎石、大理石和沸石,鐵渣是最好的除P材料[39]。復(fù)合基質(zhì)由于其具有微生物附著的活性表面以及高滲透系數(shù),因此吸附能力一般優(yōu)于單一基質(zhì)。在基質(zhì)中混合添加劑也可以提高吸附效果,例如添加生物炭的人工濕地對 COD、TN、NH3、NO3-N,、TP、PO4的去除效果相比僅使用礫石的人工濕地顯著提高[38]。護根、可可泥炭、海藻等有機質(zhì)也可以提高基質(zhì)對重金屬的吸附效果。此外,有研究證明浮動介質(zhì)反應(yīng)器或者電化學(xué)裝置可以提高對TN、TP的去除效果[44-46]。

2.3 EI的氣候調(diào)節(jié)功能與提升技術(shù)

2.3.1EI的氣候調(diào)節(jié)功能研究進展

EI可以通過遮陽以及植物蒸騰和雨水蒸發(fā)作用等緩解城市熱島效應(yīng)。研究表明城市公園的平均溫度相比無綠化區(qū)域低1℃[47],英國曼徹斯特的案例研究證明若高密度居民區(qū)和城鎮(zhèn)中心的綠地面積增加10%,可以避免未來80年內(nèi)大約4℃的溫度增加[30]。此外,綠色屋頂對太陽輻射的反射率為0.7—0.85,相比瀝青、焦油和礫石屋頂0.1—0.2的反射率,可以大大降低有效太陽輻射[48]。

2.3.2EI的氣候調(diào)節(jié)功能提升技術(shù)研究進展

增加太陽輻射反射率以及水分蒸發(fā)蒸騰量有助于加強EI對熱島效應(yīng)的緩解作用。目前EI氣候調(diào)節(jié)功能的研究對象主要為綠色屋頂與可滲透路面。

(1)綠色屋頂設(shè)計技術(shù)

綠色屋頂氣候調(diào)節(jié)功能的主要影響因素包括植被、基質(zhì)以及灌溉與排水系統(tǒng)。其中植被的生長狀況決定了綠色屋頂建設(shè)的成功與否[31]。由于屋頂并不是植被理想的生存環(huán)境,因此植被的耐旱、耐貧瘠、快速繁殖、無需維護等特征成為主要選擇標準。景天屬在簡單式綠色屋頂(以草坪、地被、小型灌木和攀援植物等為主的綠色屋頂)中被廣泛使用,7cm的基質(zhì)足以維持其生長[32]。水蘇屬的冷卻性能明顯優(yōu)于大多數(shù)物種,對葉片表面冷卻能力比景天屬高5℃、可對冠層下方的基質(zhì)冷卻12℃,對冠層上方的空氣冷卻1℃[49]。并且多種植被的混合種植可以加強綠色屋頂?shù)膶嵤┬Ч?。在基質(zhì)的選擇方面,除了基質(zhì)的持水性能對于水分蒸發(fā)量的影響,基質(zhì)的持水性能、吸附能力以及基質(zhì)的體積、深度對基質(zhì)中水分和養(yǎng)分的影響也會進一步影響植被的生長狀況。此外,目前對于排水系統(tǒng)的使用增加,主要有排水板和排水顆粒材料兩種類型,可以為綠色屋頂系統(tǒng)提供水氣平衡。研究顯示在沒有排水管的綠色屋頂設(shè)計中,雨水的蒸發(fā)量變大,帶來的降溫效果更加明顯[50]。而灌溉系統(tǒng)可以增加綠色屋頂?shù)恼舭l(fā)量從而提高綠色屋頂?shù)慕禍匦Ч?/p>

(2)可滲透路面設(shè)計技術(shù)

可滲透路面的氣候調(diào)節(jié)功能主要通過增加路面水分蒸發(fā)量和減少太陽輻射吸收量來實現(xiàn),主要措施為在路面材料中添加高熱容材料增加表面蓄熱能力或透水/保水性添加劑增加蒸發(fā)水量,以及增加路面反照率或增加植被或人工遮陽設(shè)備來減少對太陽輻射的吸收量[51]。

綜合以上分析,EI的徑流滯蓄、水質(zhì)凈化和氣候調(diào)節(jié)服務(wù)能力主要受到植被、基質(zhì)填料以及EI結(jié)構(gòu)與運行方式的影響。此外,EI的服務(wù)能力還與當?shù)貧夂颉⒔涤甑纫蛩叵嚓P(guān)。例如綠色屋頂在炎熱干燥的氣候條件下對熱島效應(yīng)的調(diào)節(jié)效果最好,并且在夜晚的調(diào)節(jié)效果優(yōu)于白天,可以實現(xiàn)1.58℃的降溫[48]。在對北歐綠色屋頂實施效果的模擬研究中,景天屬植被在最寒冷潮濕地區(qū)的最佳儲水能力為25mm,而在較為溫暖干旱地區(qū)的最佳儲水能力為40—50mm[52]。并且在EI的長期實施過程中,基質(zhì)填料可能會發(fā)生堵塞問題而影響對污染物的吸附效果。因此,加強對不同氣候區(qū)開展長期的野外實驗與監(jiān)測有利于對EI在實際條件中的服務(wù)能力進行準確評估。

3 EI生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力評估

EI是多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提供者,對EI的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力進行有效評估,并將評估結(jié)果與城市規(guī)劃管理與項目設(shè)計等相結(jié)合,是世界各國城市正在探索和實踐的重要課題[28]。目前已有學(xué)者對城市森林、綠地、濕地、湖泊、防護林、公園等EI的服務(wù)能力進行了評估,評估方法主要包括物質(zhì)量評估法、價值量評估法、能值評估法以及模型模擬法。

3.1 物質(zhì)量評估法

物質(zhì)量評估法直接用物質(zhì)量大小來衡量生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平,可以分為功能價值法(基于單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價格的方法)和當量因子法(基于單位面積價值當量因子的方法)2類[53]。功能價值法利用EI的資源資料或監(jiān)測數(shù)據(jù)、面積和相應(yīng)的生態(tài)學(xué)參數(shù)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)所形成或提供的各種實物量進行定量評估；當量因子法通過構(gòu)建不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價值當量,然后乘以生態(tài)系統(tǒng)的分布面積得出價值總量[53]。我國學(xué)者謝高地結(jié)合國內(nèi)外的研究,建立了基于專家知識的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估體系,提出了“中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當量因子表”[54]。功能價值法建立了環(huán)境變量與EI服務(wù)價值之間的相關(guān)關(guān)系,計算過程較為復(fù)雜,對數(shù)據(jù)要求高,適用于小區(qū)域范圍；當量價值法操作過程簡單,對數(shù)據(jù)要求小,但當量因子表主要基于專家知識建立,主觀性較強,適用于區(qū)域和全球尺度的EI服務(wù)能力評估。

3.2 價值量評估法

價值量評估法通過貨幣衡量生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,常用的評估方法可以分為直接市場價值法、替代市場價值法和假象市場價值法[55-57](表2)。直接市場價值法用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中可以直接在交易中體現(xiàn)的價值的評估,又分為市場價值法和費用支出法。替代市場價值法以“影子價格”和消費者剩余來表達生態(tài)服務(wù)的經(jīng)濟價值,包括替代成本法、影子工程法、機會成本法、旅行費用法等；假想市場價值法以支付意愿來表達生態(tài)服務(wù)功能的經(jīng)濟價值,主要有條件價值法。一般對沒有市場交易的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值采用替代市場價值法,對既沒有直接市場交易,也沒有替代產(chǎn)品進行換算的生態(tài)系統(tǒng)功能服務(wù)采用假象市場價值法。在實際評估工作中,針對不同的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)特點選取合適的方法。如姜劉志等[58]采用替代成本法、影子工程法等對深圳市福田區(qū)城市綠地的土壤保持、涵養(yǎng)水源、環(huán)境凈化、固碳釋氧、調(diào)節(jié)氣候、維持生物多樣性、景觀游憩等7項生態(tài)服務(wù)價值進行評價。荊貝貝等[59]利用市場價值法、影子工程法和條件價值法等,定量評估了防護林帶的凈化大氣環(huán)境、調(diào)節(jié)溫濕度和涵養(yǎng)水源等15項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。此外,EI的休閑文化服務(wù)價值日益受到關(guān)注,主要采用條件價值法進行評估[60]。直接市場價值法具有實際的市場價格,核算較為客觀、但需要足夠的實物數(shù)據(jù)和市場數(shù)據(jù)等作為支撐；替代市場價值法對數(shù)據(jù)的要求較低,但計算出來的價值通常是巨大的,不具備市場運行條件；假想市場價值法從消費者角度進行評估,解決了直接市場和替代市場數(shù)據(jù)缺乏的問題,但存在主觀性較強、結(jié)果不穩(wěn)定等問題[23, 61]。

3.3 能值分析法

能值分析理論最早由國際生態(tài)學(xué)者Odum提出,以太陽能為評價標準,將各種形式的物質(zhì)和能量通過一定的換算系數(shù)轉(zhuǎn)化成太陽能當量,從而確定EI的服務(wù)價值[53]。已有學(xué)者利用能值分析方法對城市森林、河流、湖泊、沼澤、水庫等的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行了評估[53, 62]。能值分析法具有計算簡單、資料獲取容易,并且量綱統(tǒng)一、熱力學(xué)方法嚴密性等優(yōu)點,但更適用于核算來自太陽能、風(fēng)能等自然生態(tài)系統(tǒng)的貢獻方面,對文化服務(wù)價值的評估較為薄弱[63]。能值轉(zhuǎn)換率是能值分析的重要參數(shù),然而目前研究使用的能值轉(zhuǎn)換率在來具有優(yōu)勢適合較大范圍區(qū)域的能值分析,對于較小區(qū)域或個體的能值分析,其研究適用性和能值數(shù)據(jù)可得性都值得商榷[53]。此外,不同區(qū)域生產(chǎn)水平的差異決定人類經(jīng)濟產(chǎn)品的能值轉(zhuǎn)換率有較大差別,因此能值指標的選擇和確定需要與研究區(qū)域的經(jīng)濟投入與產(chǎn)出相關(guān)聯(lián),在具體實踐中不斷地修正和完善[53]。

表2 價值量評估各方法比較

3.4 模型模擬法

模型模擬法是通過對生態(tài)系統(tǒng)過程和機理的充分理解建立模型,輸入所需的生物物理等數(shù)據(jù)計算EI的服務(wù)能力生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。這些模型均有各自的適用范圍和局限性。由美國斯坦福大學(xué)“Natural Capital”項目組開發(fā)的InVEST模型可根據(jù)土地利用/覆被圖的時空變化來模擬陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量、農(nóng)作物產(chǎn)量、生境質(zhì)量和稀有性等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的動態(tài)變化,并用可視化表達直觀地體現(xiàn)了人類活動對生境的威脅程度和影響范圍[1],適用于區(qū)域和城市尺度[64],是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估發(fā)展最成熟、應(yīng)用最多的模型[63]；由美國林務(wù)局設(shè)計和開發(fā)的i-Tree模型可以用來量化和評估城市樹木和森林所提供的污水凈化、碳固定、減少碳排放、控制雨水徑流等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),包含i-Tree Eco,i-Tree Landscape,i-Tree Hydro等7種不同應(yīng)用程序[65],被廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外城市林地的研究中。相比INVEST模型,i-Tree模型的研究尺度相對靈活,可適用于街區(qū)場地等小尺度[64],國內(nèi)有學(xué)者運用i-TREE對城市行道樹、林地等的生態(tài)效益進行了評估[66-67]；VER模型(Ecological Value at Risk) 可以將生態(tài)服務(wù)價值的定量化與生態(tài)風(fēng)險分析的數(shù)學(xué)模型相結(jié)合,側(cè)重于生態(tài)服務(wù)價值的生態(tài)風(fēng)險分析研究[1]。此外,SWMM模型為常用的雨水管理模型,其中的LID(Low-impact development,低影響開發(fā))模塊可用于植草溝、綠色屋頂?shù)?種低影響開發(fā)措施在某次降水事件或長期的水量和水質(zhì)模擬[68]。模型模擬法的優(yōu)點在于可移植性,不受空間尺度和時間限制,可以根據(jù)不同年份的動態(tài)數(shù)據(jù)進行不同場景下的評估分析,并且彌補了單純計算對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布不均勻性的忽略,但是計算過程需要更加全面的數(shù)據(jù)支持和對模型的運用限制因素的充分了解。

目前對EI服務(wù)能力的主要評估方法是先對EI的物質(zhì)量或功能量進行量化,之后運用市場價值法、替代成本法、機會成本法等計算其價值量[29],少數(shù)研究利用模型對區(qū)域生態(tài)服務(wù)功能進行定量評估。城市生態(tài)系統(tǒng)的棲息地面積較小、生態(tài)價值相對較低,并且人工濕地、城市公園等半自然生態(tài)系統(tǒng)相比自然生態(tài)系統(tǒng)具有自身特色,既模仿自然生態(tài)系統(tǒng)又具有較為明確的實施目標,因此在價格設(shè)定原則上不可直接照搬天然生態(tài)系統(tǒng)的價格。吳佳妮[69]采用市場價值法設(shè)定了綠色基礎(chǔ)設(shè)施經(jīng)濟價值的評估模型,并將評價指標分為自然設(shè)施(天然森林、天然濕地、草原、湖泊)和半自然設(shè)施(人工林、人工濕地、水庫、城市綠地面積)兩類,將半自然設(shè)施的單位價值設(shè)定為自然設(shè)施單位價值的50%。此外,目前對EI服務(wù)能力的評估主要從生態(tài)服務(wù)提供者即城市生態(tài)系統(tǒng)的角度進行直接度量,而從生態(tài)服務(wù)接收者即城市居民的角度,根據(jù)人類對生態(tài)服務(wù)的感知進行間接度量的研究較少。EI的規(guī)劃建設(shè)一方面依據(jù)生態(tài)學(xué)原理,更重要的是依據(jù)城市居民對EI服務(wù)功能的感知和認知規(guī)律,滿足城市居民的多方面需求[70]。因此加強居民對EI服務(wù)能力的感知和滿意度的研究可以為EI的規(guī)劃與設(shè)計提供重要參考。

4 研究展望

EI的主要功能是保障城市生態(tài)功能正常運行,并且其居民持續(xù)地獲得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。自EI概念提出至今,EI規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)與評估技術(shù)得到不斷改進和完善。但現(xiàn)有研究中仍然存在一些問題,例如缺少不同尺度EI之間的相互作用研究,長期野外實驗與實地監(jiān)測較少,基于居民主觀視角的EI服務(wù)能力評估較少等?；谇拔姆治鎏岢鑫磥鞥I的幾點研究方向：

(1)EI的多尺度協(xié)調(diào)規(guī)劃。不同尺度EI的內(nèi)涵與提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有一定的差異,針對性的規(guī)劃方法對于保證EI的實施極為重要。區(qū)域尺度上的環(huán)境問題都源于小尺度上的現(xiàn)象與過程,而大尺度上的改變也會影響小尺度的現(xiàn)象和過程[71],因此應(yīng)在對不同尺度EI的服務(wù)功能與相互作用機制進行深入分析的基礎(chǔ)上制定連續(xù)、系統(tǒng)的多層次規(guī)劃格局,如俞孔堅等[72]分別從宏觀尺度(>100km2)的總體規(guī)劃、中觀尺度(>10km2)的控制性規(guī)劃以及微觀尺度(<10km2)的修建性規(guī)劃對浙江臺州市的EI進行了綜合設(shè)計[2]。

(2)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的EI生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力智能監(jiān)測體系。EI的徑流滯蓄、水質(zhì)凈化、氣候調(diào)節(jié)等服務(wù)能力受區(qū)域氣候、降雨等多種因素影響。此外,EI作為一個區(qū)域或城市的生態(tài)基底,其空間范圍是由自然與人工系統(tǒng)的空間耦合情況決定的,不同的地物類型具有不同的生態(tài)服務(wù)功能,同一要素也會因為所處空間屬性的不同而擁有明顯不同的生態(tài)服務(wù)功能[73]。因此,有必要對典型氣候區(qū)與發(fā)展階段的EI服務(wù)能力進行現(xiàn)場監(jiān)測,對EI的實際雨水截留率,N、P等污染物的去除率與降溫效果等進行準確的量化[74]。物聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)等各種傳輸網(wǎng)絡(luò)可以將城市主要EI監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳送到后臺進行海量存儲,并在綜合考慮區(qū)域地形地貌與植被覆蓋的基礎(chǔ)上,通過計算、數(shù)據(jù)挖掘和模擬分析,實現(xiàn)對水資源(流量)、水環(huán)境(COD、溶解氧、氨氮、濁度、水溫等)、土壤(濕度、滲透系數(shù)等)和微氣候(溫度、濕度等)的實時在線監(jiān)測,形成針對性與實時性應(yīng)用的智能反饋系統(tǒng),從而為城市面源污染治理和EI維護提供更為準確的決策支持,最大程度發(fā)揮EI的服務(wù)能力。

(3)基于景感生態(tài)學(xué)的EI服務(wù)能力評估方法。EI模擬自然生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),主要目的是為城市居民提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。當前研究主要從生態(tài)系統(tǒng)角度對EI服務(wù)能力進行客觀評估,對城市居民的主觀感知和滿意度的調(diào)查相對較少。景感生態(tài)學(xué)是指以可持續(xù)發(fā)展為目標,基于生態(tài)學(xué)的基本原理,從自然要素、物理感知、心理感知、社會經(jīng)濟、過程與風(fēng)險等相關(guān)方面,研究土地利用規(guī)劃、建設(shè)與管理的科學(xué)[75]。城市居民是EI規(guī)劃建設(shè)的真正利益相關(guān)者,采用景感生態(tài)學(xué)的理論和方法,從物理和心理等方面全方位地評價居民對城市環(huán)境的滿意程度,將居民的共同感知目標融入EI規(guī)劃,可以為EI建設(shè)提供更加豐富、全面的數(shù)據(jù)類型與決策依據(jù),最大程度發(fā)揮EI的服務(wù)功能[76]。