基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施:現(xiàn)狀、問(wèn)題與展望

李 鋒，王如松，趙 丹

(中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085)

城市是一類以人類活動(dòng)為中心的社會(huì)－經(jīng)濟(jì)－自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)［1］。城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施是提升城市生態(tài)系統(tǒng)健康水平和城市人居環(huán)境的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是社會(huì)賴以生存發(fā)展的基本物質(zhì)條件。然而隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展與人口增長(zhǎng)，城市擴(kuò)張迅速，土地硬化面積擴(kuò)大，使得城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)和服務(wù)功能發(fā)生了明顯改變，原來(lái)以植被為主的自然景觀逐漸被眾多的人工建筑物質(zhì)所取代［2］。瀝青、混凝土等不透水地面的增加，導(dǎo)致城市綠地和濕地生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的面積大幅減少，生境破碎化嚴(yán)重，并進(jìn)一步加劇了城市熱島效應(yīng)、灰霾效應(yīng)、雨洪雨污效應(yīng)及水體富營(yíng)養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，直接影響了城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和人居環(huán)境。據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2010年對(duì)351個(gè)城市進(jìn)行的專項(xiàng)調(diào)研結(jié)果顯示，2008—2010年間，全國(guó)62%的城市發(fā)生過(guò)城市內(nèi)澇，內(nèi)澇災(zāi)害超過(guò)3次以上的城市有137個(gè)。“去武漢看?！?、“到杭州觀水漫金山”、“坐北京地鐵賞水簾洞景”……頻發(fā)的城市內(nèi)澇使得越來(lái)越多的人認(rèn)識(shí)到:城市除了有市政設(shè)施以外，還需要有“生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施”［3－4］。保障生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)完整性和功能完善性，對(duì)于維持城市生態(tài)平衡和改善城市環(huán)境具有無(wú)可替代的重要作用，成為目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)［5－8］。

1 城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的概念與類型

1.1 城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的概念及內(nèi)涵

生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施(Ecological Infrastructure，EI)一詞最早見(jiàn)于聯(lián)合國(guó)教科文組織的“人與生物圈計(jì)劃”(MAB)1984年發(fā)布的生態(tài)城市規(guī)劃報(bào)告中，提出了生態(tài)城市規(guī)劃的五項(xiàng)原則:①生態(tài)保護(hù)戰(zhàn)略;②生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施;③居民生活標(biāo)準(zhǔn);④文化歷史的保護(hù);⑤將自然引入城市。這里生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施主要指自然景觀和腹地對(duì)城市的持久支持能力［9］。我國(guó)學(xué)者［10］于2002年引入了“生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施”(EI)名詞并將其應(yīng)用于城市規(guī)劃工作中，認(rèn)為城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施是城市所依賴的自然系統(tǒng)，是城市及其居民持續(xù)獲得自然生態(tài)服務(wù)的保障，也是城市及其居民能持續(xù)地獲得自然服務(wù)的基礎(chǔ)，這些生態(tài)服務(wù)包括提供新鮮空氣、食物、體育、休閑娛樂(lè)、安全庇護(hù)以及審美和教育等［10］。它不僅包括傳統(tǒng)的城市綠地系統(tǒng)的概念，還更廣泛地包含一切能提供上述自然服務(wù)的城市綠地系統(tǒng)、林業(yè)及農(nóng)業(yè)系統(tǒng)、自然保護(hù)地系統(tǒng)［11－12］。其他學(xué)者研究提出了與EI概念相關(guān)的棲息地網(wǎng)絡(luò)、生態(tài)廊道、綠色通道、生境網(wǎng)絡(luò)、環(huán)境廊道、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)、框架景觀、生態(tài)結(jié)構(gòu)等［13－14?。作者認(rèn)為城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施是指為人類生產(chǎn)和生活提供生態(tài)服務(wù)的自然與人工設(shè)施，保證自然和人文生態(tài)功能正常運(yùn)行的公共服務(wù)系統(tǒng)，它是社會(huì)賴以生存發(fā)展的基本物質(zhì)條件，具有重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，是城市及其居民持續(xù)獲得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的保障。它是具有凈化、綠化、活化、美化綜合功能的濕地(腎)、綠地(肺)、地表和建筑物表層(皮)、廢棄物排放、處置、調(diào)節(jié)和緩沖帶(口)，以及城市的山形水系、生態(tài)交通網(wǎng)絡(luò)(脈)等在生態(tài)系統(tǒng)尺度的整合，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)完善生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施，強(qiáng)化土地、水文、大氣、生物、礦物五大生態(tài)要素的支撐能力，維持濕地和綠地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能的完整性及生態(tài)服務(wù)功能，是城市可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，也是建設(shè)生態(tài)城市的重要保證。

1.2 生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施與綠色基礎(chǔ)設(shè)施的區(qū)別與聯(lián)系

綠色基礎(chǔ)設(shè)施始于20世紀(jì)90年代的美國(guó)馬里蘭州綠道運(yùn)動(dòng)，1999年美國(guó)保護(hù)基金會(huì)(Conservation Fund)與農(nóng)業(yè)部聯(lián)合組建了由政府機(jī)構(gòu)和非政府組織成立了“GI工作小組”(Green Infrastructure Work Group)，將綠色基礎(chǔ)設(shè)施定義為:“GI是我們國(guó)家的自然生命支持系統(tǒng)(nation's natural life support system)——一個(gè)由水道、濕地、森林、野生動(dòng)物棲息地和其他自然區(qū)域，綠道、公園和其他保護(hù)區(qū)域，農(nóng)場(chǎng)、牧場(chǎng)和森林，荒野和其他維持原生物種、自然生態(tài)過(guò)程和保護(hù)空氣和水資源以及提高美國(guó)社區(qū)和人民生活質(zhì)量的荒野和開(kāi)敞空間所組成的相互連接的網(wǎng)絡(luò)?！?001年，馬里蘭州推行了綠圖計(jì)劃(Maryland's Green Print Program)，發(fā)展了功能健全的龐大綠色基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，并于2005年形成了相應(yīng)的綠色基礎(chǔ)設(shè)施評(píng)價(jià)體系［15］。

隨后，綠色基礎(chǔ)設(shè)施傳到西歐并得到進(jìn)一步延伸，2005年英國(guó)的簡(jiǎn)·赫頓聯(lián)合會(huì)(Jane Heaton Associates)在其文章《可持續(xù)社區(qū)綠色基礎(chǔ)設(shè)施》(Green Infrastructure for Sustainable Communities)中指出:“GI是一個(gè)多功能的綠色空間網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于現(xiàn)有及將來(lái)的可持續(xù)社區(qū)的高質(zhì)量自然環(huán)境和已建環(huán)境有一定貢獻(xiàn)?！?006年，英國(guó)西北綠色基礎(chǔ)設(shè)施小組(The North West Green Infrastructure Think－Tank) 提出GI是一種由自然環(huán)境和綠色空間組成的系統(tǒng)，具有類型學(xué)、功能性、脈絡(luò)、尺度與連通性五大特征，并指出了綠色基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃程序。與美國(guó)不同，西歐的綠色基礎(chǔ)設(shè)施更側(cè)重于城市內(nèi)外綠色空間的質(zhì)量［16］，維持生物多樣性、野生動(dòng)物棲息地之間的聯(lián)系［17］等方面的意義。然而，綠色基礎(chǔ)設(shè)施更多強(qiáng)調(diào)綠地、濕地等生態(tài)用地與生態(tài)廊道的結(jié)合和網(wǎng)絡(luò)化，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。城市是一類以人類為中心的社會(huì)－經(jīng)濟(jì)－自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，城市自然子系統(tǒng)必須與經(jīng)濟(jì)和社會(huì)子系統(tǒng)相結(jié)合，并進(jìn)行系統(tǒng)整合，通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)自組織、自適應(yīng)、自循環(huán)和自恢復(fù)的能力保證整個(gè)城市生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)城市的健康、可持續(xù)發(fā)展。

因此，盡管“綠色基礎(chǔ)設(shè)施”彌補(bǔ)了傳統(tǒng)“灰色基礎(chǔ)設(shè)施”的諸多不足，對(duì)于提高城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和生態(tài)品質(zhì)具有一定的作用，但城市生態(tài)系統(tǒng)需要更具復(fù)雜性的“生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施”，將無(wú)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(jī)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，以維持城市生態(tài)服務(wù)功能的完整性及生命活力。

1.3 城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的類型與主導(dǎo)功能

城市濕地和綠地生態(tài)系統(tǒng)是城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的主要組成部分，提供著重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的類型及其主導(dǎo)服務(wù)功能如表1所示［18－20］。

2 城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)功能研究現(xiàn)狀

2.1 城市濕地生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施及其服務(wù)功能

2.1.1 濕地生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)功能

濕地被喻為“地球之腎”，是城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，不但具有豐富的資源，還具有重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)［21－22］，如調(diào)節(jié)水溫和徑流，防止或減緩洪、澇、漬、旱和改善環(huán)境，調(diào)節(jié)水量在時(shí)間、空間上的不均勻分布;為工農(nóng)業(yè)生態(tài)和飲水等生活用水提供水源;接納排水，并通過(guò)水體自凈與凈化，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)鹽和有機(jī)質(zhì)的流動(dòng)和循環(huán);供養(yǎng)生物、活化生境、繁衍水生動(dòng)植物，保障生物質(zhì)的生產(chǎn)，維護(hù)生物多樣性;調(diào)節(jié)氣候，特別是小氣候;溝通航運(yùn)，水力發(fā)電;緩沖干擾，吸塵、減噪，防止或減少熱島效應(yīng);美化景觀和凈化環(huán)境;以及為居民提供教育、美學(xué)、藝術(shù)、陶冶情操、游憩及休閑娛樂(lè)［23－24］;保障水及其中的一些物質(zhì)的遷移、轉(zhuǎn)化和循環(huán)，維持水生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。

2.1.2 城市化對(duì)濕地生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施及其服務(wù)功能的影響

隨著城市化水平的不斷提高，帶來(lái)了人口的急劇增加和聚集、工業(yè)化及經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市規(guī)模不斷增大，這些都對(duì)城市濕地及水生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了巨大的影響，導(dǎo)致濕地的萎縮以及功能的喪失。城市化帶來(lái)的植被減少、不透水面積增加、溫室氣體的排放、水域面積減少、污水的任意排放和水資源的不合理利用等導(dǎo)致自然水循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，水資源呈現(xiàn)總量上的缺乏與質(zhì)量上的退化甚至惡化，水環(huán)境承載能力超過(guò)其自身的極限，水環(huán)境結(jié)構(gòu)被破壞，水的時(shí)空分布、水分循環(huán)及水的理化性質(zhì)發(fā)生改變，水生態(tài)服務(wù)功能喪失［25－26］。我國(guó)南方多水地區(qū)已經(jīng)呈現(xiàn)水質(zhì)型缺水的趨勢(shì)，一些城市面臨“有水難用”的困境。如湖北省的武漢、黃石、鄂州、荊州、襄樊、十堰和荊門等城市的7個(gè)內(nèi)湖和11條納污河渠水質(zhì)絕大部分為劣V類，武漢市抽查的65個(gè)湖泊中有38個(gè)富營(yíng)養(yǎng)化，占58.5%。賀曉慧等［27］以黃河流域鄭州段為例，利用2002、2009兩期遙感影像分析城市化進(jìn)程下流域景觀的變化發(fā)現(xiàn)城市用水的增加導(dǎo)致上游水量的減少，流域面積以及部分濕地?cái)?shù)量的減少。

表1 城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)功能Table 1 Service Functions of Urban Ecological Infrastructure

與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者開(kāi)始對(duì)如何保護(hù)濕地水體等自然景觀進(jìn)行積極研究，并開(kāi)展了一些運(yùn)動(dòng)。1997年，美國(guó)馬里蘭州發(fā)起了名為“Smart Growth and Neighborhood Conservation”的運(yùn)動(dòng)，目的在于通過(guò)保護(hù)濕地水體、農(nóng)田、森林等在內(nèi)的自然開(kāi)放空間來(lái)恢復(fù)社區(qū)活力，其中的措施有為社區(qū)居民興建必要的公共設(shè)施如開(kāi)放空間、道路等，同時(shí)禁止城市建設(shè)對(duì)一些特定區(qū)域的侵占，如大型流域湖泊、農(nóng)田等［28］。Weber等［29］對(duì)美國(guó)馬里蘭州的綠色基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行了評(píng)價(jià)，通過(guò)分析網(wǎng)絡(luò)中心和連接廊道在地形區(qū)域內(nèi)的各種生態(tài)參數(shù)和發(fā)展過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)因素，測(cè)定區(qū)域內(nèi)的生態(tài)價(jià)值和脆弱性等級(jí)，提出濕地水體等的保護(hù)優(yōu)先次序及保護(hù)目標(biāo)。

可見(jiàn)，合理規(guī)劃城市濕地生態(tài)系統(tǒng)，恢復(fù)城市濕地，有機(jī)地將濕地水景、濕地動(dòng)植物景觀、濕地小氣候、濕地文化等與城市功能融為一體將會(huì)大大改善城市環(huán)境，提高城市環(huán)境容量與生態(tài)安全水平，充分發(fā)揮濕地作為城市基礎(chǔ)生態(tài)設(shè)施的重要生態(tài)服務(wù)功能。

2.2 城市綠地生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施及其服務(wù)功能

2.2.1 城市綠地生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)功能

綠地作為城市的“肺”，是城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施中不可或缺的重要組成部分，具有改善城市空氣質(zhì)量、調(diào)節(jié)小氣候、美化城市景觀等多種生態(tài)功能。隨著城市化進(jìn)程的加速和城市環(huán)境問(wèn)題的加劇，人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到城市綠地生態(tài)服務(wù)功能的重要性，在城市綠化建設(shè)中不僅關(guān)心綠地美化、觀賞、休憩等功能，更加注重綠地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)［30－32］，城市綠地已成為衡量城市生態(tài)可持續(xù)的重要標(biāo)準(zhǔn)［33－34］。在國(guó)內(nèi)外城市規(guī)劃和城市生態(tài)研究中，關(guān)于綠地最常見(jiàn)的4個(gè)專業(yè)術(shù)語(yǔ)就是城市綠地、城市綠色空間、城市開(kāi)敞空間和城市綠地系統(tǒng)［35］。在城市綠地系統(tǒng)概念及分類方面，雖然不同行業(yè)和學(xué)科有不同的認(rèn)識(shí)，但隨著人們對(duì)城市綠地生態(tài)服務(wù)功能認(rèn)識(shí)的不斷深化，城市綠地的概念也在發(fā)展變化。目前，人們對(duì)城市綠地的概念和內(nèi)涵有了更全面的認(rèn)識(shí)，即城市綠地系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的園林綠地概念，它是包括城市園林、城市森林、都市農(nóng)業(yè)和濱水綠地以及立體空間綠化在內(nèi)的綠色網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。城市綠地系統(tǒng)是城市綠色空間中以植被為主體，以土壤為基質(zhì)，以自然和人為因素干擾為特征，在生物和非生物因子協(xié)同作用下所形成的有序整體。其結(jié)構(gòu)包括喬木、灌木、草本植物、動(dòng)物、微生物以及土壤、水文、微氣候等物理環(huán)境［36］。

城市綠地基礎(chǔ)設(shè)施的生態(tài)服務(wù)功能是指綠地系統(tǒng)為維持城市人類活動(dòng)和居民身心健康提供物態(tài)和心態(tài)產(chǎn)品、環(huán)境資源和生態(tài)公益的能力。它在一定的時(shí)空范圍內(nèi)為人類社會(huì)提供的產(chǎn)出構(gòu)成生態(tài)服務(wù)功效，主要包括:(1)凈化環(huán)境:凈化空氣、水體、土壤、固碳釋氧、吸收 CO2生產(chǎn)O2、殺死細(xì)菌、阻滯塵土、降低噪聲等;(2)調(diào)節(jié)小氣候:調(diào)節(jié)空氣的溫度和濕度，改變風(fēng)速風(fēng)向;(3)涵養(yǎng)水源:雨水滲透、保持水土等;(4)土壤活化和養(yǎng)分循環(huán);(5)維持生物多樣性;(6)景觀功能:組織城市的空間格局;(7)休閑、文化和教育功能;(8)社會(huì)功能:維護(hù)人們的身心健康，加強(qiáng)人們的溝通，穩(wěn)定人際關(guān)系;(9)防護(hù)和減災(zāi)功能:抵御大風(fēng)、地震等自然災(zāi)害［22，31－32，37］。城市綠色空間生態(tài)服務(wù)功能的強(qiáng)弱取決于綠地的數(shù)量、組成結(jié)構(gòu)、鑲嵌格局、分布特征、與周邊人工景觀的聯(lián)系以及管理水平等。

2.2.2 城市化對(duì)綠地生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施及其服務(wù)功能的影響

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市規(guī)模在不斷擴(kuò)大。城市中大量高樓大廈的拔地而起與建筑密度的不斷增大使得城市綠地和建筑物的競(jìng)爭(zhēng)異常激烈，城市綠地面積大為減少。城市森林作為城市生態(tài)系統(tǒng)中具有自凈功能的重要組分受到了城市化的強(qiáng)烈干擾，以森林為主的自然生態(tài)系統(tǒng)不斷被支解和蠶食［38］，不僅表現(xiàn)在景觀水平上的生境破碎化，更重要的是在小尺度的物種組成結(jié)構(gòu)的明顯反映［39］，生態(tài)系統(tǒng)面臨功能退化、生物多樣性喪失的危險(xiǎn)［40］?，F(xiàn)在發(fā)展中國(guó)家的城市化速度每年大約以7% 的速度增長(zhǎng)［41］，城市數(shù)量的增加和城市的外延式發(fā)展造成了大量的土地資源，尤其是耕地資源被征用［42］，導(dǎo)致林地、農(nóng)地面積減少，農(nóng)產(chǎn)品減產(chǎn)［43－44］。

目前城市綠地生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施普遍存在以下問(wèn)題:(1)面積不斷減少;(2)市內(nèi)和郊區(qū)分布極不均勻;(3)結(jié)構(gòu)層次單一，多樣性差;(4)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)無(wú)法滿足人們的需求。城市綠地系統(tǒng)是城市生態(tài)系統(tǒng)中非常重要的生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施，是維護(hù)和恢復(fù)城市生態(tài)環(huán)境及提高景觀活力的最有效措施，快速城市化對(duì)于城市綠地生態(tài)系統(tǒng)的影響已受到社會(huì)的普遍關(guān)注，迫切需要人們對(duì)城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估和管理。

2.3 城市地表硬化的生態(tài)工程改造

城市地表硬化是城市發(fā)展和擴(kuò)張的重要特征之一，也是人類對(duì)城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的干擾和破壞的集中表現(xiàn)［45］。城市以水泥、瀝青、混凝土等為主的硬化鋪裝，大多數(shù)為不透水層，嚴(yán)重阻礙土壤和大氣之間的物質(zhì)和能量的交換，改變了能量平衡、水分利用、養(yǎng)分循環(huán)、氣體交換等典型的生態(tài)過(guò)程，進(jìn)而對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和人居環(huán)境造成不同程度的影響［46］。

2.3.1 城市地表硬化的復(fù)合生態(tài)效應(yīng)

由于城市建設(shè)過(guò)程中大量采用水泥、柏油、混凝土等材質(zhì)覆蓋土壤表面，形成封閉地表，在造成大片田野、耕地、水域等自然生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施消失的同時(shí)，也使得我們生存依賴的大地環(huán)境徹底“硬化”，從而堵塞了大地的“呼吸”，割裂了人與自然的直接聯(lián)系，給城市生態(tài)和環(huán)境帶來(lái)了顯著的不利影響。

(1)城市水分失衡和內(nèi)澇

不透水的硬化覆蓋使土地失去蓄水功能，下滲能力降低，而洪峰流量顯著增加，不僅造成極大的水資源浪費(fèi)，而且還使城市地面形成有雨就澇、無(wú)雨就旱的惡性循環(huán)［47－48］。同時(shí)，暴雨條件下地表徑流的加劇將增加城市排水的壓力，加劇洪澇災(zāi)害，阻斷雨水對(duì)地下水的補(bǔ)充。

(2)城市熱島和干島效應(yīng)

城市硬化面積的不斷擴(kuò)大，使得下墊面粗糙度增大，反射率減小，地面長(zhǎng)波輻射損失減少，致使在同樣天氣條件下吸收和儲(chǔ)存更多的太陽(yáng)輻射，從而改變了城市下墊面的熱力屬性，是引發(fā)城市熱島效應(yīng)的重要原因之一［49－51］。另外，城市自然蒸發(fā)、蒸騰量比郊區(qū)小，空氣含水汽量少，近地面有限的水汽通過(guò)湍流不斷上傳擴(kuò)散，使城區(qū)的絕對(duì)濕度比郊區(qū)小，形成“城市干島”。

(3)灰霾效應(yīng)和噪聲污染

隨著硬化地表面積的不斷擴(kuò)張，城市植被覆蓋率逐漸減少，加之城市熱島效應(yīng)的加重，懸浮顆粒物沉降難，空氣質(zhì)量難以改善。同時(shí)，硬化了的表面會(huì)反射噪音，進(jìn)而加重城市的噪音污染。

(4)城市水體的污染加重

城市的硬質(zhì)下墊面占大多數(shù)，徑流系數(shù)較大，形成徑流的時(shí)間短，地下入滲量小，對(duì)污染物的沖刷強(qiáng)烈。城市暴雨徑流的形成沖刷屋面建筑材料、建筑工地、路面垃圾和城區(qū)雨水口的垃圾和污水、汽車產(chǎn)生的污染物、大氣干濕沉降等，將這些污染物快速地帶入了城市河道，造成水體污染和水環(huán)境惡化。

(5)影響土壤質(zhì)量和生境

城市硬化的地面，阻斷了地下與地面以上空氣的交流，使水、肥、氣、熱等條件不能滿足植物的正常生長(zhǎng)與發(fā)育，直接影響城市植被的健康。城市硬化后的地面還會(huì)減少土地中動(dòng)物和微生物生存的機(jī)會(huì)，從而毀滅地表生態(tài)、減少地面土層有機(jī)質(zhì)的補(bǔ)充，加重城市土地的退化，進(jìn)而降低土壤功能，影響生物的生境［52］。

(6)改變生物地球化學(xué)循環(huán)

城市土地利用的變化，特別是地表硬化及各種生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)生物化學(xué)循環(huán)，尤其是溫室效應(yīng)、水體富營(yíng)養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題有著顯著的影響［53］。城市暴雨徑流污染和面源污染已成為當(dāng)今世界上主要的污染問(wèn)題。而生物地球化學(xué)循環(huán)又是一個(gè)連鎖反應(yīng)的過(guò)程，因此，地表硬化對(duì)其中某一環(huán)節(jié)或轉(zhuǎn)化過(guò)程的影響，將導(dǎo)致整個(gè)循環(huán)的失衡和改變。

2.3.2 城市地表硬化的生態(tài)效應(yīng)評(píng)估

(1)城市不透水面的提取

城市硬化地表指數(shù)(Impervious Surface Index，簡(jiǎn)稱為ISI)是指單位面積硬化地表的面積比例。ISI一般通過(guò)以下方法提取:1)對(duì)航片或者高分辨率的衛(wèi)片目視解譯，該方法精度很高，但需要巨大的人力、物力，成本高［54］;2)直接從現(xiàn)有的土地利用/覆蓋圖轉(zhuǎn)化，該方法便捷快速，但依賴于研究區(qū)是否有土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)，而且其空間分辨率受限于原數(shù)據(jù)精度［55］;3)均一象元估測(cè)，利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類獲取，該方法假設(shè)象元完全被一種地物類型所覆蓋，忽視象元內(nèi)部的異質(zhì)性［56］;4)混和象元估測(cè)，即通常所說(shuō)的亞象元分類法［57－58］。

(2)城市地表硬化生態(tài)效應(yīng)的評(píng)估方法

目前對(duì)于城市地表硬化的生態(tài)效應(yīng)的研究主要集中于城市地表硬化對(duì)城市熱島效應(yīng)和城市洪峰徑流的影響，對(duì)硬化下土壤質(zhì)量、碳氮循環(huán)及微生物性質(zhì)的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。在城市不透水面引起城市雨洪效應(yīng)方面，應(yīng)用的模型主要包括:美國(guó)環(huán)保局的暴雨雨水管理模型(SWMM)，美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)的蓄水、處理與溢流模型(STORM)，水文計(jì)算模型(HSP)等［59－60］。在城市不透水面與熱島效應(yīng)的研究方面，則主要通過(guò)遙感提取定量分析城市不透水面與城市熱島之間的關(guān)系［61－62］。對(duì)于城市地表硬化對(duì)土壤質(zhì)量及碳氮循環(huán)的研究，主要采用實(shí)地采樣測(cè)定的方法，如Steve等［63］對(duì)美國(guó)紐約硬化下土壤與綠地中碳氮含量對(duì)比分析表明:城市硬化下0—15 cm的土壤碳氮含量分別減少66%和95%。

3 生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)與功能評(píng)估方法

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究是當(dāng)今自然與城市生態(tài)系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)之一［22，64－65］。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可以定義為“自然生態(tài)系統(tǒng)及其構(gòu)成物種支持和實(shí)現(xiàn)人類生命活動(dòng)的條件和過(guò)程”［22］，它表現(xiàn)為一些物質(zhì)能量和信息流，這些流來(lái)源于自然資本儲(chǔ)量同人造資本和人類資本服務(wù)的結(jié)合，以產(chǎn)生人類福利［20］。Daily等［22］根據(jù)現(xiàn)已掌握的研究材料對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的內(nèi)涵進(jìn)行了歸納，總結(jié)出如下幾個(gè)方面:生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品的產(chǎn)出、生物多樣性的發(fā)生和維持、氣候和生命的維護(hù)、洪水和干旱的緩減、生物地化循環(huán)、生物生長(zhǎng)所需各種養(yǎng)分的供給、生物傳粉、自然害蟲控制、種子傳播或散布以及對(duì)人的美學(xué)和精神調(diào)節(jié)作用。Costanza等13人1997年5月在Nature雜志上發(fā)表的有關(guān)全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的估計(jì)［20］，他們將生態(tài)服務(wù)功能分為氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、擾動(dòng)調(diào)節(jié)、水調(diào)節(jié)、水供給、控制侵蝕和保持沉積物、土壤形成、養(yǎng)分循環(huán)、廢物處理、傳粉、生物控制、避難所、食物生產(chǎn)、原材料、基因資源、休閑、文化等17個(gè)類型，按16種主要生境類型分類，估計(jì)出每年全球生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值的下限約33萬(wàn)億美元，說(shuō)明自然生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人類提供了巨大的生態(tài)服務(wù)功能，而目前快速城市化和不科學(xué)、不合理的管理方法造成了自然生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的明顯降低和退化。因此，需要將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)理論與方法應(yīng)用于人類的決策管理之中，特別是在人類密集活動(dòng)的城市區(qū)域［20，22］。

3.2 生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施景觀結(jié)構(gòu)評(píng)估方法和模型

分析生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的空間結(jié)構(gòu)的差異對(duì)于評(píng)估生態(tài)服務(wù)功能具有重要意義。城市生態(tài)服務(wù)與機(jī)理的研究需要一些新的方法來(lái)定量景觀空間格局，以比較不同景觀、分辨具有特殊意義的景觀結(jié)構(gòu)差異，以及確定格局和功能過(guò)程的相互關(guān)系等。景觀格局?jǐn)?shù)量研究方法分三類:(1)用于景觀組分特征分析的景觀空間格局指數(shù);如斑塊面積、斑塊數(shù)、單位周長(zhǎng)的斑塊數(shù)、邊界密度等。(2)用于景觀整體分析的空間格局模型分析;如空間自相關(guān)分析和一些統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。(3)用于模擬景觀格局動(dòng)態(tài)變化的景觀模擬模型，如CITYgreen模型、地理加權(quán)回歸模型、次序Logit回歸模型、邏輯斯蒂回歸模型等。而最小累積阻力模型(Minimal Cumulative Resistance)被認(rèn)為是景觀水平上進(jìn)行景觀連接度評(píng)價(jià)最好的工具之一［68］。它通過(guò)單元最小累積阻力的大小可判斷該單元與源單元的“連通性”和“相似性”，通?！霸窗邏K”對(duì)于生態(tài)過(guò)程是最適宜的，近年該模型已經(jīng)應(yīng)用到城市生態(tài)安全格局、城市生態(tài)規(guī)劃及城市適宜生態(tài)用地的核算中。

3.3 生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)功能評(píng)估方法和模型

針對(duì)生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施及其服務(wù)功能的類型和特點(diǎn)，學(xué)者們采用了不同的服務(wù)功能價(jià)值的評(píng)估方法［20，22，69－70］?？傮w可分為物質(zhì)量和價(jià)值量?jī)煞N評(píng)估方法。其中，物質(zhì)量評(píng)價(jià)能夠比較客觀地評(píng)價(jià)不同的生態(tài)系統(tǒng)所提供的同一項(xiàng)服務(wù)能力的大小，但是各種服務(wù)功能之間難以統(tǒng)一用一個(gè)綜合指標(biāo)來(lái)表示，而價(jià)值量方法對(duì)給世人敲響警鐘是非常有效的，但是估算出的價(jià)值由于估算方法本身在理論上還有待完善，而且結(jié)果存在主觀性與隨機(jī)性，所以不是非常準(zhǔn)確，但其有利于決策者進(jìn)行評(píng)價(jià)和判斷。常見(jiàn)的價(jià)值量評(píng)價(jià)方法有:費(fèi)用支出法、市場(chǎng)價(jià)值法、機(jī)會(huì)成本法、影子工程法、恢復(fù)與保護(hù)費(fèi)用法、旅行費(fèi)用法、享樂(lè)價(jià)格法等。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們應(yīng)用了更多的模型和方法用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評(píng)估，如美國(guó)斯坦福大學(xué)“Natural Capital”項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)的InVEST軟件，把握了較好的總體格局，并用可視化表達(dá)直觀地體現(xiàn)了人類活動(dòng)對(duì)生境的威脅程度和影響范圍;生態(tài)足跡模型客觀反映人類對(duì)生態(tài)系統(tǒng)(生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施)的需求與供給之間的矛盾，指示自然資源的壓力狀態(tài);VER模型(Ecological Value at Risk)將生態(tài)服務(wù)價(jià)值的定量化與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析的數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，可以進(jìn)行基于生態(tài)服務(wù)價(jià)值的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析研究。

總體而言，國(guó)外已發(fā)展了一些關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及價(jià)值評(píng)估方法，目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)相關(guān)研究?jī)H限于某區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的概述式評(píng)估，多數(shù)套用現(xiàn)成公式計(jì)算服務(wù)功能，少數(shù)以地理信息系統(tǒng)為技術(shù)支撐對(duì)區(qū)域生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行了定量評(píng)估，如索安寧基于遙感技術(shù)對(duì)于遼河三角洲生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行評(píng)估研究［71］?？梢?jiàn)新技術(shù)與方法正逐漸被用于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估，評(píng)估越來(lái)越定量化、精細(xì)化、模型化，并且將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估與決策相結(jié)合已成為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的總體發(fā)展方向。準(zhǔn)確、有效的定量評(píng)估城市城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的生態(tài)服務(wù)價(jià)值，利于規(guī)劃者和政府對(duì)濕地和綠地生態(tài)效益的經(jīng)濟(jì)價(jià)值有更直觀的、新的認(rèn)識(shí)和了解，為其提供一些輔助決策的參考信息，成為當(dāng)?shù)爻鞘屑皡^(qū)域規(guī)劃部門的重要決策工具。

4 結(jié)論與討論

濕地(腎)和綠地(肺)生態(tài)系統(tǒng)是城市重要的生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施，能促進(jìn)城市居民身心健康和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為人類社會(huì)提供著重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，如凈化環(huán)境、涵養(yǎng)水源、保持水土、調(diào)節(jié)氣候、固碳釋氧、維持生物多樣性等，是城市生態(tài)系統(tǒng)健康、可持續(xù)發(fā)展的重要保障。然而，城市化帶來(lái)的植被減少、水域面積減少、不透水面積增加、溫室氣體的排放、污水的任意排放和不合理用水等導(dǎo)致城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)和功能遭到破壞，生態(tài)服務(wù)功能顯著下降，直接影響著城市生態(tài)環(huán)境和人居生活品質(zhì)。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施及其服務(wù)功能已有部分研究，但還不成體系，仍存在一些問(wèn)題和不足:

(1)在研究?jī)?nèi)容上，我國(guó)缺乏城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)理論、技術(shù)體系與管理方法的研究，對(duì)城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)與功能的生態(tài)耦合關(guān)系與調(diào)控機(jī)理尚不明確，缺乏對(duì)其綜合的功能評(píng)估模型和格局優(yōu)化方法。

(2)在研究角度上，目前國(guó)內(nèi)外大多學(xué)者只關(guān)注生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施中濕地或綠地某一方面的內(nèi)容，重?cái)?shù)量輕質(zhì)量，同時(shí)缺乏對(duì)城市地表硬化的生態(tài)效應(yīng)研究，缺乏整體性和系統(tǒng)性的綜合考慮以及城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的綜合管理模式與系統(tǒng)調(diào)控方法

(3)在研究方法方面，大多停留在概念與定性分析階段，定量的研究較少。對(duì)于生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)功能的評(píng)估，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者采用直接套用生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)來(lái)分析不同用地類型的生態(tài)服務(wù)功能，由于研究不夠深入，方法不統(tǒng)一導(dǎo)致結(jié)果有差異，同時(shí)缺乏可視化、直觀化的模型，對(duì)InVEST等模型應(yīng)用較少，特別缺乏在城市生態(tài)管理領(lǐng)域的應(yīng)用;

(4)在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系方面，針對(duì)城市濕地及綠地基礎(chǔ)設(shè)施的生態(tài)服務(wù)功能，在不同時(shí)間及空間尺度上仍未建立功能全面、系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

因此，研究城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)功能評(píng)估模型、網(wǎng)絡(luò)格局優(yōu)化方法以及綜合管理模式，并進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)控，對(duì)于改善城市環(huán)境、提高城市生態(tài)服務(wù)功能和維護(hù)城市生態(tài)安全具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義，可為城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、功能強(qiáng)化與生態(tài)管理提供科學(xué)依據(jù)。

5 研究展望

城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施是社會(huì)賴以生存發(fā)展的基本物質(zhì)條件，具有重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，是城市及其居民持續(xù)獲得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的保障。在快速城市化的進(jìn)程中，保障生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的健康與完整迫在眉睫。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施及其服務(wù)功能的研究仍存在問(wèn)題與不足，基于以上綜合分析提出今后的研究展望:

(1)加強(qiáng)對(duì)于城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)功能的定量研究，在此基礎(chǔ)上建立不同時(shí)間及空間尺度上功能全面、系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，準(zhǔn)確、有效地定量評(píng)估城市城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的生態(tài)服務(wù)價(jià)值，供城市決策管理參考。

(2)加強(qiáng)城市基礎(chǔ)設(shè)施功能評(píng)估模型方面的研究。應(yīng)當(dāng)推廣InVEST等模型在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用，并且結(jié)合實(shí)際情況對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)，加強(qiáng)模型在城市生態(tài)管理領(lǐng)域的應(yīng)用。

(3)注重不同學(xué)科之間的交叉與應(yīng)用。生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施及其生態(tài)服務(wù)功能的研究涉及到生態(tài)學(xué)、社會(huì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等多個(gè)學(xué)科，結(jié)合多學(xué)科的研究方法有助于從多個(gè)角度對(duì)生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行深入探討及綜合管理，建立系統(tǒng)的調(diào)控方法。

(4)必須重視城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的整體性與系統(tǒng)性，加強(qiáng)對(duì)城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)與功能的生態(tài)耦合關(guān)系的研究。應(yīng)當(dāng)將腎(濕地)、肺(綠地)、皮(地表)、口(污染排放)、脈(生態(tài)廊道)五大要素整合為一體，將城鎮(zhèn)與鄉(xiāng)村基礎(chǔ)設(shè)施整合，同時(shí)注重不同空間尺度生態(tài)服務(wù)功能的差別與銜接，從而形成一個(gè)健康高效的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

(5)必須整合城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施與市政基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。在未來(lái)應(yīng)將生態(tài)與市政基礎(chǔ)設(shè)施有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，即把城市濕地、綠地、軟化地表、生態(tài)廊道與城市給排水系統(tǒng)、道路、交通以及各種污染物排放口等聯(lián)系起來(lái)，形成一個(gè)有機(jī)的城市基礎(chǔ)設(shè)施工程網(wǎng)絡(luò)，以有效緩減和應(yīng)對(duì)城市災(zāi)害的發(fā)生(如城市雨洪和內(nèi)澇問(wèn)題)，提高城市安全與健康的生態(tài)品質(zhì)。

(6)加強(qiáng)和深化城市表面生態(tài)學(xué)研究。作者認(rèn)為城市表面生態(tài)學(xué)是研究城市建筑物、構(gòu)筑物等人工表面結(jié)構(gòu)、形態(tài)、過(guò)程的物理、化學(xué)、生物相互作用機(jī)理及其與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間關(guān)系的一門城市生態(tài)學(xué)科。它研究地皮、墻皮、路面、屋頂、河床、堤壩等硬化地表的復(fù)合生態(tài)效應(yīng)，以及生態(tài)工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)與管理方法，旨在優(yōu)化城市地表結(jié)構(gòu)，整合城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施，強(qiáng)化城市生態(tài)服務(wù)功能。城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施與表面生態(tài)學(xué)的整合研究將對(duì)城市水文效應(yīng)(內(nèi)澇)、灰霾效應(yīng)(PM2.5)、熱島效應(yīng)、水體污染與富營(yíng)養(yǎng)化等備受關(guān)注的重大問(wèn)題提供新的解決思路與科學(xué)方法。

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