澳門城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配?

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(jì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)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(huì)對(duì)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(huì)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(duì)生態(tài)系統(tǒng)過程和社會(huì)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(gè)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(píng)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(duì)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(píng)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(duì)較少。近年來,等量綱供需服務(wù)量化評(píng)估方法構(gòu)建[8]、基于需求閾值的額外需求評(píng)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(tái)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(shí)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(duì)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(duì)5項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),選取和構(gòu)建供需評(píng)估指標(biāo)及方法,評(píng)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(duì)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(gè)分區(qū)[18]的基礎(chǔ)上,將研究區(qū)分為半島和離島2個(gè)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(jì)數(shù)據(jù)[21](澳門統(tǒng)計(jì)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(píng)估

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

2.2.1 水源涵養(yǎng)

使用水量平衡方程[23]評(píng)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(jì)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(píng)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(shí)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(jí)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(shí)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(shí)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(shí)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(píng)估固碳服務(wù)供給量(式5)。碳排放的評(píng)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(gè)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(gè)柵格的地上部分的碳儲(chǔ)量(kg)；Cbelowi為第i個(gè)柵格地下部分的碳儲(chǔ)量(kg)；Csoil i為第i個(gè)柵格土壤碳儲(chǔ)量(kg)；Cdeadi為第i個(gè)柵格死亡有機(jī)質(zhì)碳儲(chǔ)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(píng)估模型[33]的方法對(duì)研究區(qū)UGI的降溫能力進(jìn)行評(píng)估量化。通過對(duì)比有無UGI時(shí)地表溫度的變化情況評(píng)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(jì)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(gè)柵格模擬無UGI時(shí)的地表溫度(℃)；Hbi為第i個(gè)柵格模擬真實(shí)地表溫度(℃)。

式(8)中:DHR為熱島調(diào)節(jié)需求量(℃)；Ti為第i個(gè)柵格真實(shí)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(shí)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(píng)估的綠地?cái)?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(jì)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(gè)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(píng)價(jià)

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(xiàng)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(shí)表示供需處于供不應(yīng)求的赤字狀態(tài),大于0時(shí)表示供需處于供過于求的盈余狀態(tài),等于0時(shí)表示供需處于相等的平衡狀態(tài)。

將供給量與需求量評(píng)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(gè)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(jì)分析軟件中,分析各分區(qū)的5項(xiàng)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(xiàng)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)；基于各分區(qū)的5項(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)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(gè)類型；雨洪調(diào)節(jié)服務(wù)方面,只有臺(tái)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(tái)山區(qū)為高供給－高需求類型,剩余分區(qū)為其他3個(gè)類型；休閑游憩服務(wù)方面,只有臺(tái)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(gè)類型。

圖2 分區(qū)尺度的各項(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)服務(wù)之間；5項(xiàng)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(xiàng)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(gè)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(xiàng)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(xiàng)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(shí),做好現(xiàn)有UGI保護(hù),增加向周邊分區(qū)服務(wù)流動(dòng)的可能性[38]。第3類分區(qū)的UGI占比處于一般水平,各項(xiàng)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(cuò)配,需要針對(duì)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(cuò)配。基于相關(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(xiàng)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(huì)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(huì)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(cuò)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(gè)方面,各服務(wù)總體上都是協(xié)同關(guān)系,存在同時(shí)促進(jìn)多項(xiàng)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(duì)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(shí)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(diǎn)探索了與供給等量綱的需求量化評(píng)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(duì)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(huì)經(jīng)濟(jì)因素,尋求更加精細(xì)和準(zhǔn)確的量化評(píng)估和制圖方法,同時(shí)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。