許 超 孟 楠 王文靜 逯 非 石 煬

1 北京建筑大學(xué) 北京未來城市設(shè)計高精尖創(chuàng)新中心 城市大數(shù)據(jù)應(yīng)用研究中心建筑與城市規(guī)劃學(xué)院 北京 100044

2 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室 北京 100085

3 中國城市建設(shè)研究院有限公司 北京 100120

城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施(urban green infrastructure,UGI)是可以提供多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的“基礎(chǔ)設(shè)施”[1],包含城市內(nèi)部及周邊的自然、人工或半人工的植被、水域等區(qū)域[2]。人類對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的依賴既源于生態(tài)系統(tǒng)的供給能力,也源于社會對這些服務(wù)的需求[3],UGI構(gòu)成了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給端,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求即為社會要求或期望得到的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量[4],供需兩端是互相影響且存在關(guān)聯(lián)的體系。隨著城市化對生態(tài)系統(tǒng)過程和社會需求的影響[5],生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需體系出現(xiàn)不平衡,主要包括供需總量和空間配置兩個方面的失衡[6],這將導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可持續(xù)供給能力下降[7]、綠色資源的浪費(fèi)和不公平分配[8]、影響人類福祉[9]等諸多問題。通過生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求評估量化,分析二者的關(guān)聯(lián)性和耦合機(jī)制,明確供需匹配的平衡關(guān)系及空間特征,有助于調(diào)節(jié)供需失衡現(xiàn)狀、合理分配UGI資源,促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可持續(xù)管理[10]。

目前,關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配的研究多聚焦于區(qū)域或市域尺度,主要涉及綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)分區(qū)[11]、揭示城市化對城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的影響[5]、土地利用管理[3,12]、優(yōu)化區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需格局[13]等方面。但在供需矛盾特別突出的高密度城區(qū),由于數(shù)據(jù)類型和精度不足,需求端難以量化評估和空間制圖,供需單位不易匹配,供需耦合機(jī)制復(fù)雜等局限因素,相關(guān)研究相對較少。近年來,等量綱供需服務(wù)量化評估方法構(gòu)建[8]、基于需求閾值的額外需求評估[4]、供需匹配指標(biāo)構(gòu)建[14]等方面研究的開展,為解決這些問題提供了思路。

隨著澳門城市和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,出現(xiàn)了諸如淡水資源匱乏、臺風(fēng)和暴雨引起的內(nèi)澇頻發(fā)、城市熱島效應(yīng)加劇、二氧化碳排放逐年增加[15]、休閑游憩空間壓力增大等一系列問題。在建設(shè)美麗大灣區(qū),實現(xiàn)綠色低碳循環(huán)發(fā)展的背景下[16],日趨嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題亟待解決,人居環(huán)境亟需改善,城市生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量有待提高,人們對多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求更需要滿足[17],因此明確澳門UGI生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需兩端的匹配情況尤為重要。

本研究針對5項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),選取和構(gòu)建供需評估指標(biāo)及方法,評估各服務(wù)的供給量和需求量,明確供需關(guān)系和供需類型,總結(jié)不同分區(qū)的供需匹配特征,提出針對性的優(yōu)化建議,為UGI的保護(hù)、更新和建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)和參考。

1 研究區(qū)概況

澳門特別行政區(qū)位于我國南部沿海地區(qū),屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,全年雨水較多,年溫差較小,土地資源稀缺,是世界上人口密度最高的地區(qū)之一。本研究在24個分區(qū)[18]的基礎(chǔ)上,將研究區(qū)分為半島和離島2個組成部分(圖1),總面積為30.87 km2。

2 研究方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

本研究主要使用的數(shù)據(jù)有:土地利用數(shù)據(jù)(1 m分辨率)[19],包括UGI(林地、灌叢、草地、濕地、人工水面、湖/塘/庫)、不透水地表C(建筑、道路、廣場)和未利用地；土地屬性矢量數(shù)據(jù)(澳門土地工務(wù)運(yùn)輸局),包括住宅用地、公共設(shè)施用地、商業(yè)金融業(yè)用地、工業(yè)用地等；數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)[20]；根據(jù)landsat影像處理得到的歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)(NDVI)和地表溫度反演數(shù)據(jù)(LST)；氣象數(shù)據(jù)(澳門地球物理暨氣象局)；統(tǒng)計數(shù)據(jù)[21](澳門統(tǒng)計暨普查局)；由高德地圖爬取的建筑(含樓層數(shù))矢量數(shù)據(jù)；人口密度空間化數(shù)據(jù)[22]等。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需評估

研究選取5項關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行供需評估,并針對每項服務(wù)構(gòu)建相同量綱的供給量和需求量評估指標(biāo)(表1)。

2.2.1 水源涵養(yǎng)

使用水量平衡方程[23]評估水源涵養(yǎng)服務(wù)的供給量(式1)。需求量由2017年澳門水務(wù)局和環(huán)境統(tǒng)計的住宅用水、商業(yè)用水、工業(yè)用水和公共機(jī)構(gòu)用水量[24]構(gòu)成(式2),結(jié)合各類用地地塊上的建筑面積(占地面積乘以樓層數(shù))進(jìn)行水量需求空間分配。

式(1)中:SWP為水源涵養(yǎng)供給量(m3)；P為年均降雨量(mm)；Ri為地表徑流量(mm)；ET為蒸散發(fā)量(mm)；Ai為i類土地利用類型(林地、灌叢、草地和濕地)的面積(m2)；i為研究區(qū)第i類土地利用類型；n為研究區(qū)土地利用類型總數(shù)。

式(2)中:DWP為水源涵養(yǎng)需求量(m3)；Ddomestic、Dcommercial、Dindustrial、Dpublic分別是住宅用地、商業(yè)用地、工業(yè)用地和公共機(jī)構(gòu)用地的耗水量(m3)。

2.2.2 雨洪調(diào)節(jié)

使用暴雨徑流方程[25]評估雨洪調(diào)節(jié)服務(wù)的供給量(式3)。結(jié)合澳門土地資源稀缺的實際情況,雨洪調(diào)節(jié)的需求程度以能夠改善區(qū)域的可行性優(yōu)先級來反映。因此,本研究依據(jù)?海綿城市建設(shè)技術(shù)指南?[26]內(nèi)的年徑流總量控制率要求來量化雨洪調(diào)節(jié)的服務(wù)需求。澳門屬于?指南?內(nèi)劃分的V區(qū),其年徑流量控制率目標(biāo)α為60%≤α≤85%。結(jié)合澳門城市建設(shè)實際情況,取60%作為需求目標(biāo)和總控制率進(jìn)行指標(biāo)分解,通過控制指標(biāo)分解[27]可以將總控制目標(biāo)落實分解到各類用地,這既體現(xiàn)了不同地塊控制目標(biāo)的合理性和差異性,也實現(xiàn)了需求量的空間化(式4)。

式(3)中:SFR為雨洪調(diào)節(jié)供給量(m3)；Pri為暴雨降雨量(mm)；Rri為暴雨徑流量(mm)；Ai為i類土地利用類型(林地、灌叢、草地和濕地)的面積(m2)；i為研究區(qū)第i類土地利用類型；n為研究區(qū)土地利用類型總數(shù)。

式(4)中:DFR為雨洪調(diào)節(jié)需求量(m3)；P為年均降雨量(mm)；ρi為i類土地利用類型的徑流系數(shù)；RCRj為j類土地屬性類型的年徑流總量控制率(%)；Aj為j類土地屬性類型面積(m2)；j為研究區(qū)第j類土地屬性類型；n為研究區(qū)土地屬性類型總數(shù)。

2.2.3 固碳

在InVEST模型的固碳模塊[28]中輸入澳門的土地利用分類數(shù)據(jù)和不同類型的碳密度數(shù)據(jù)[29－31],評估固碳服務(wù)供給量(式5)。碳排放的評估參考了IPCC的方法[32]和類似研究[12],由2017年居民日常生活、交通運(yùn)輸和工業(yè)生產(chǎn)3個主要的碳排放來源[24]作為總需求量(式6)。將居民日常生活排放量按照人口數(shù)量分配到各住宅和商住地塊,將交通運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放量按照地塊面積分配給除居住和工業(yè)地塊之外的其他地塊,將工業(yè)、發(fā)電、廢物焚化、燃料供應(yīng)、污水處理的碳排放量按照建筑面積分配到各工業(yè)用地地塊。

式(5) 中:SCS為固碳供給量(kg)；Cabovei為第i個柵格的地上部分的碳儲量(kg)；Cbelowi為第i個柵格地下部分的碳儲量(kg)；Csoil i為第i個柵格土壤碳儲量(kg)；Cdeadi為第i個柵格死亡有機(jī)質(zhì)碳儲量(kg)。

式(6)中:DCS為固碳需求量(kg),Ddomestic,Dtraffic,Dindustrial分別是居民生活碳排放(kg)、交通運(yùn)輸碳排放(kg)和工業(yè)生產(chǎn)碳排放(kg)。

2.2.4 熱島調(diào)節(jié)

UGI的降溫能力與內(nèi)部及周邊的自然環(huán)境類型、土地利用方式及規(guī)模等因素密切相關(guān)。本研究使用綜合土地利用數(shù)據(jù)、NDVI和DEM構(gòu)建地表溫度評估模型[33]的方法對研究區(qū)UGI的降溫能力進(jìn)行評估量化。通過對比有無UGI時地表溫度的變化情況評估熱島調(diào)節(jié)服務(wù)供給量(式7)。根據(jù)馬盼等[34]的研究方法計算得出澳門的舒適體感溫度范圍為17.85~22.85℃,并以此作為熱島調(diào)節(jié)需求的目標(biāo)取值范圍。由于影響體感溫度的氣溫與地表反演溫度不同,進(jìn)一步采用公式換算[33]得出熱島調(diào)節(jié)服務(wù)需求的地表溫度目標(biāo)區(qū)間為22.59~28.90℃,并將28.90℃作為判斷降溫需求與否的閾值(式8)。

式(7)中:SHR為熱島調(diào)節(jié)供給量(℃)；Hai為第i個柵格模擬無UGI時的地表溫度(℃)；Hbi為第i個柵格模擬真實地表溫度(℃)。

式(8)中:DHR為熱島調(diào)節(jié)需求量(℃)；Ti為第i個柵格真實地表溫度(℃)；T′為熱島調(diào)節(jié)需求量閾值28.90℃,當(dāng)差值為負(fù)數(shù)時取0。

2.2.5 休閑游憩

將基于澳門自然網(wǎng)[35]、 ?澳門特別行政區(qū)綠化區(qū)?地圖和澳門地圖繪制暨地圖局公開的綠地矢量數(shù)據(jù)[36]整合為休閑游憩服務(wù)評估的綠地數(shù)據(jù),以各分區(qū)的綠地面積代表休閑游憩服務(wù)的供給量(式9)?；诟鞣謪^(qū)人口總數(shù)和人均綠地面積計算休閑游憩服務(wù)需求量,人均綠地面積參考澳門特別行政區(qū)城市總體規(guī)劃(2020—2040)[37]的規(guī)劃目標(biāo)取3.6 m2(式10)。

式(9)中:SRR為休閑游憩供給量(m2)；Apartitioned green space為各分區(qū)的綠地面積 (m2)。

式(10)中:DRR為休閑游憩需求量(m2)；POPi為第i個柵格的人口密度(人·m－2)；3.6為規(guī)劃目標(biāo)人均綠地面積(m2/人)。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配評價

使用供需比(ESDR)指標(biāo)[14]反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求的匹配關(guān)系,包括供不應(yīng)求(赤字)、供過于求(盈余)和供需相等(平衡)3種關(guān)系(式11):

式(11)中:ESDR為每項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比；S為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量；D為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求量；Smax為供給最大值；Dmax為需求最大值。當(dāng)ESDR值小于0時表示供需處于供不應(yīng)求的赤字狀態(tài),大于0時表示供需處于供過于求的盈余狀態(tài),等于0時表示供需處于相等的平衡狀態(tài)。

將供給量與需求量評估值進(jìn)行z-score標(biāo)準(zhǔn)化[11],基于標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果劃分象限反映供給與需求的匹配類型。以供給為x軸,需求為y軸劃分4個象限,Ⅰ象限代表高供給－高需求,Ⅱ象限代表低供給－高需求,Ⅲ象限代表低供給－低需求,Ⅳ象限代表高供給－低需求。

在R語言統(tǒng)計分析軟件中,分析各分區(qū)的5項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給值、需求值、ESDR值及分區(qū)UGI占比、C占比之間的相關(guān)性,明確各項指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)；基于各分區(qū)的5項服務(wù)ESDR值進(jìn)行K-means聚類分析,總結(jié)不同類別分區(qū)的供需匹配特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系和類型

由圖1可知,整體上各項服務(wù)在多數(shù)分區(qū)處于供不應(yīng)求的赤字狀態(tài),半島比離島更顯著,每項服務(wù)赤字最顯著的分區(qū)都在半島。水源涵養(yǎng)服務(wù)的所有分區(qū)供不應(yīng)求,高士德及雅廉訪區(qū)(a)最顯著；熱島調(diào)節(jié)服務(wù)只有圣方濟(jì)各堂區(qū)(b)、固碳服務(wù)只有東望洋區(qū)(c)和海洋及小潭山區(qū)(d)處于供過于求的盈余狀態(tài),部分分區(qū)赤字嚴(yán)重；雨洪調(diào)節(jié)和休閑游憩服務(wù)供需狀況稍好,有近一半分區(qū)供過于求,盈余最顯著的分區(qū)是圣方濟(jì)各堂區(qū)。

圖1 分區(qū)尺度的各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系

由圖2可知,研究區(qū)的供需類型以低供給－高需求、高供給－低需求、低供給－低需求3種為主。水源涵養(yǎng)服務(wù)方面,沒有分區(qū)為高供給－高需求類型,各分區(qū)較平均的分布于其他3個類型；雨洪調(diào)節(jié)服務(wù)方面,只有臺山區(qū)為高供給－高需求類型,外港及南灣湖新填海區(qū)和望廈及水塘區(qū)為低供給－低需求類型,其他分區(qū)都為低供給－高需求和高供給－低需求類型；熱島調(diào)節(jié)服務(wù)方面,只有氹仔舊城及馬場區(qū)為高供給－高需求類型,大部分分區(qū)為低供給－高需求和高供給－低需求類型；固碳服務(wù)方面,只有臺山區(qū)為高供給－高需求類型,剩余分區(qū)為其他3個類型；休閑游憩服務(wù)方面,只有臺山區(qū)和沙梨頭及大三巴區(qū)為高供給－高需求類型,剩余分區(qū)為其他3個類型。

圖2 分區(qū)尺度的各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需象限分布

3.2 相關(guān)性分析

由圖3可知,在供給方面5項服務(wù)的協(xié)同性最強(qiáng),尤其是水源涵養(yǎng)、雨洪調(diào)節(jié)和固碳之間；5項服務(wù)與UGI占比都有較顯著正相關(guān)關(guān)系,與C占比有較顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。需求方面只有部分服務(wù)的協(xié)同性較強(qiáng),如熱島調(diào)節(jié)與雨洪調(diào)節(jié)之間,雨洪調(diào)節(jié)與水源涵養(yǎng)之間,休閑游憩與其他4項服務(wù)之間；5項服務(wù)與UGI占比、C占比之間的關(guān)系則與供給方面相反。ESDR方面的總體情況與供給相似,即各服務(wù)之間是協(xié)同關(guān)系,與UGI占比正相關(guān),與C占比負(fù)相關(guān)。

圖3 分區(qū)尺度的供給、需求、ESDR等各項指標(biāo)的相關(guān)性矩陣(??代表P<0.01；?代表P<0.05)

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配特征

通過K-means聚類分析后將24個分區(qū)分為4類(表2),隨著4類分區(qū)UGI占比的降低和C占比的增加,供需赤字的服務(wù)類型有所增加,供需類型由高供給－低需求向低供給－低需求、低供給－高需求轉(zhuǎn)變。

表2 4類分區(qū)的供需匹配及相關(guān)特征

根據(jù)表2,從供給端看,第1類和第2類分區(qū)的UGI占比雖處于較高水平,供給能力較強(qiáng),但各項服務(wù)的高供給并沒有匹配到高需求區(qū)域上,且存在2項服務(wù)供需赤字,需要在關(guān)注赤字服務(wù)的供需關(guān)系優(yōu)化的同時,做好現(xiàn)有UGI保護(hù),增加向周邊分區(qū)服務(wù)流動的可能性[38]。第3類分區(qū)的UGI占比處于一般水平,各項服務(wù)整體處于低需求狀態(tài),存在一定的高供給－低需求錯配,需要針對處于赤字狀態(tài)的服務(wù)類型,探討相應(yīng)的UGI更新策略。第4類分區(qū)的UGI占比處于較低水平,集中在研究區(qū)主要的高需求區(qū)域,所有服務(wù)都處于供需赤字狀態(tài),并存在低供給－高需求的空間錯配?；谙嚓P(guān)性分析(圖3)可知,所有服務(wù)供給均是協(xié)同關(guān)系,因此,通過UGI建設(shè)提升其占比來協(xié)同優(yōu)化多項服務(wù)的供需匹配是最直接高效的策略。從需求端看,一方面可以通過調(diào)整優(yōu)化各分區(qū)不同土地屬性類型如住宅、商業(yè)金融業(yè)、工業(yè)等用地的布局和規(guī)模,以減少分區(qū)內(nèi)在服務(wù)需求量或引導(dǎo)供需空間匹配。另一方面,在土地調(diào)整受限或收效甚微的情況下,通過制定宏觀策略以減少整體服務(wù)需求量會是更有效的優(yōu)化途徑。如通過節(jié)約用水,提高水資源利用率,建設(shè)節(jié)水型社會以減少水源涵養(yǎng)服務(wù)的需求量；通過節(jié)能減排,提高能源利用率,打造綠色低碳城市以減少固碳服務(wù)的需求量等。

4 結(jié)語

研究區(qū)各服務(wù)的供需關(guān)系存在空間異質(zhì)性且需要進(jìn)一步優(yōu)化,特別是半島的供需赤字關(guān)系亟待改善；各服務(wù)的供需空間錯配較為明顯,應(yīng)同步考慮協(xié)調(diào)空間匹配；在供給、需求和ESDR3個方面,各服務(wù)總體上都是協(xié)同關(guān)系,存在同時促進(jìn)多項服務(wù)供需匹配的可能性；建議根據(jù)4類分區(qū)的供需匹配特征從供需兩端進(jìn)行針對性優(yōu)化。

研究聚焦的是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需矛盾最為突出的高密度城區(qū),在關(guān)鍵服務(wù)類型選擇上側(cè)重考慮研究區(qū)的突出問題和主要訴求。為了更真實地反映供需匹配的數(shù)量和空間差異,通過整合建筑樓層數(shù)據(jù)、人口空間化數(shù)據(jù)和土地屬性等方面重點探索了與供給等量綱的需求量化評估和空間制圖方法?；诠┬桕P(guān)系及類型的異質(zhì)性、關(guān)聯(lián)性等內(nèi)容,盡可能充分揭示研究區(qū)供需匹配的內(nèi)在特征,提出的優(yōu)化建議可以服務(wù)于澳門UGI的保護(hù)、更新和建設(shè)。目前研究仍存在一定的局限,未來需從供給端深入探討UGI規(guī)模、類型以及位置等因素對服務(wù)供給的影響機(jī)制,從需求端關(guān)聯(lián)行為偏好、滿意程度、支付意愿等更多社會經(jīng)濟(jì)因素,尋求更加精細(xì)和準(zhǔn)確的量化評估和制圖方法,同時還應(yīng)考慮不同服務(wù)之間的重要性權(quán)衡,加強(qiáng)多尺度、多維度的綜合研究。