基于生态系统服务评估的长江武汉段城市河流廊道蓝绿空间优化

 

摘要：为推动城市河流保护修复和可持续性发展，该研究在长江生态大保护规划背景下选取武汉段作为研究对象，引入生态系统服务(ES)理论，基于ArcGIS软件和InVEST模型工具集,筛选计算了代表研究区综合特征的5个模块(生物多样性、微气候调节、水净化、审美质量、休闲与娱乐)，并通过可达性评估了其高值与人口之间的耦合度。结果显示区域ES与人口的空间匹配较为失衡，呈现区段梯度变化趋势。根据耦合度结果，建议划分4类优先区域，提出优化蓝绿空间格局和构建蓝绿空间网络的建议，目的为均衡区域的ES存量和激活ES流量。本研究的存量和流量测定评估体系能有效识别ES转化的薄弱区，助力区域综合效益提升，为城市河流廊道的空间优化提供参考。

 

长江经济带是联系中国东西方发展最重要的纽带，覆盖11个省市，支持超过全国40%的人口和经济总量①。近年来，该区域成为我国水环境问题最突出的地区之一，流域生态系统已难以依靠自身调节能力保持稳定的可持续发展，流域内约4亿人受到威胁。武汉作为长江经济带中游的最大都市与长江共生。长江武汉段沿线有10条河流入江，毗邻八大湖泊水系，是城市重要的饮用水源、生态轴线和通风廊道。为保护长江可持续发展，2016年《长江经济带发展规划纲要》、2017年《长江经济带生态环境保护规划》、2021年我国首部流域法《中华人民共和国长江保护法》等一系列政策法规接连对长江流域生态保护提出要求。武汉市也积极响应，陆续出台一系列实施意见和工作方案以落实长江大保护行动。

 

城市河流廊道包括河流本体和河岸带(相邻于水体的天然或人工覆盖区)，其中涵盖水、陆及其复合生态系统，是城市蓝绿空间交融的典型区域，也是城市河流提供生态系统服务的现实保障。生态系统服务(EcosystemService，ES)是指维持地球生命支持系统的生态系统功能所带来的利益[1]。它为城市居民减轻空气污染、缓解热岛效应、调节洪水灾害[2]、提供生产生活所需水资源、创造亲水娱乐机会、塑造历史文化、产生审美价值等[3]。

 

国内外ES研究多集中于较大尺度，如国家[3]、城市群[4]、流域[5]及城市[6]，其中城市尺度如绿色屋顶[7]、绿地系统[8]等，较少在城市区域、地方或斑块尺度上评估[9]，特别是城市中心水系廊道的ES价值没有引起应有的关注[10]。对于识别亟待优化的薄弱区，研究多集中于ES供需匹配，受数据获取限制，多针对特定问题特定地域搭建评估框架，如通过聚集、感知行为识别需求，与绿色基础设施服务范围及水平进行空间耦合，识别并分类其供需空间分异情况[11]；从满足人本需求角度量化评估ES价值，探讨与城市化相关的土地利用与ES供需之间的空间不匹配问题[12]；水生态系统供需服务评估体系[13]；武汉中心城区ES额外需求量化评估[14]等。

相关方法包括实证数据的统计和定量分析(ArcGIS、SWAT、InVEST、ESTIMAP、ARIES、EcoAIM、ESValue、Envisio、EPM和NAISI等模型软件)[32]，如利用InVEST模型对不同集水区多种水文ES的格局、权衡与协同进行时空量化[1]；包括基于过程的模拟模型和定性方法[如访谈、焦点小组讨论、专家打分法、公众参与地理信息系统(PPGIS)等][4]，如提出多标准空间决策支持系统(MC-SDSS)，通过专家意见探索流域ES的环境价值，确定需要采取缓解措施的关键区域[5]。

总之，该理论备受多学科共同认可和接受，具备多样化的分类系统、评估框架、指标、量化和空间定位方法，具备与规划决策链接的多年研究经验、数据、方法和工具[15]，能有效实现统筹多学科系统性评估并支持规划决策落地实施，且因相符的可持续发展理念而开始运用在风景园林规划与设计实践中[16]。

 

基于此，本文引入ES理论基于InVEST模型和ArcGIS软件搭建城市河流廊道蓝绿空间ES存量+流量评估框架，聚焦小尺度研究区域，仅考虑供给和传输，精准识别优先保护和利用区域，实现和规划的有效对接。

 

1研究数据与方法

 

1.1研究区域

 

根据国家、省、市相关政策要求，武汉市国土资源和规划局在上位规划《武汉城市总体规划(2010—2020)》指引下，参考各重要专项规划，在《武汉市规划优化建设“长江主轴”工作方案》基础上扩展划定约140km长江岸线，两侧各2~3km腹地，研究范围约1925.6km2的长江生态大保护规划区域，力求在保护河流廊道生态环境的基础之上，激发区域活力，优化综合效益(图1)。

 

由于研究尺度过大或过小都会脱离行政属地管理，对规划落地的实际指导价值带来影响[17]，因此既往研究建议ES评价单元应与行政单元相匹配以提高评估结果适用性[15]。本研究选取上位划定的长江生态大保护规划区域作为研究范围，以便评估结果与规划决策链接，为后期精准优化做铺垫。

 

1.2研究方法

 

 

生态系统服务存量(EcosystemServicePotential)指生态系统(包括其过程和功能)提供ES的潜力，无须考虑人类的实际认可或使用[8]。本研究中，笔者参考各版ES定义和描述，筛选符合城市河流廊道特征并直接影响居民福祉的ES指标，根据空间数据的可获取性和映射所需的评估细节调整子指标集，最终定义五模块六指标(表1)并依托InVEST模型②和ArcGIS软件完成评估。该指标框架能在城市河流廊道尺度量化并映射蓝绿空间所提供的ES存量。

 

 

研究所用基础数据主要为各权威机构测试验证并开源的科学数据(表1)。

 

InVEST-HQ模型③所需“LULC”来源见表1，所需威胁因子量表考虑城市河流廊道特殊性，补充威胁因子“港口”(port)、“航道”(lane)。威胁因子的栅格形式数据，来源于LULC、矢量路网数据(表1)及基于开源地图(OSM)的手动编辑。威胁因子对生境类型的影响程度通过表2体现，具体数值参考既往针对长江中下游流域，基于InVEST模型的生物多样性研究，以及InVEST模型开发者提供的范例数据[18-20]。

 

 

InVEST-UC模型所需“LULC、蒸散量数据”见表1，“生物物理系数量表”见表2。其他所需参数“参考空气温度”(Tref)、“城市热岛效应的幅度”(UHImax)、“平均相对湿度(0~100％)”参考本土气象数据和研究数据，分别赋值为22℃、3.86℃[21-22]、77.83%[23]。

 

InVEST-NDR和SDR模型所需栅格数据“LULC、DEM”见表1，所需相关生物物理系数量表见表2。由于不具备实地监测校正条件，笔者主要参考经过同行审阅发表的相关文献以及InVEST模型开发者提供的范例数据选取均值，并在模型试运行校准过程中微调以找到合适赋值[24-26]。

 

其中NDR所需“养分径流代理”根据模型指南简化为年降水量数据(表1)，SDR所需“降水侵蚀力指数R”采用王万中等计算得出的年R值估算关系式对年降水量数据(表1)进行计算所得[27]，所需“土壤可蚀性因子K”，将土壤质地空间分布数据(表1)按照砂粒、粉粒、黏粒含量分别赋值计算所得。本研究主要考虑地表养分持留状况，因此“溶解养分在养分总量中的比例”设置为0。其他所需参数均采用默认值，影响数据“排水层”选择矢量路网数据(表1)。

 

生态系统文化服务(CES)评估依托ArcGIS核密度分析和加权叠加，依据既往高被引文献[15，28]对筛选指标赋分(表3)并叠加。

 

所需数据：1)审美质量-自然特征依托“LULC”(表1)，参考OSM和相关规划资料手动标注；

 

2)休闲与游憩-蓝绿基础设施如1)标注场地中的历史景观点、市区级公园、相关规划划定湿地自然保护区、滨水江滩公园绿地、武汉市绿道网络规划中主要的城市和郊野绿道；游憩设施见表1矢量路网及POI数据，港口如1)标注。

 

 

生态系统服务流量(EcosystemServiceFlow)指向受益人提供ES的比率，即某一特定地区和时间内，受益人实际使用的ES和生态系统的其他产出。ES流是ES实际输出的保障，决定生态系统提供特定服务的能力，对其进行评估能够为生态保护和供需补偿提供宝贵启示，例如提供区域ES流量分析方法，帮助改进不同行政区划的生态补偿政策[29]；量化土地利用变化对淡水ES流量影响，进行土地利用管理、水再分配和生态补偿[30]；基于ES流量、流边界、流方向、分配原则及其修正因子4个多维指标，识别在满足洪涝调节服务需求方面重要性高的生态空间纳入保护优先级[31]。ES流在供需之间建立空间关系，对ES传递起重要作用，对其量化强调受益者获取量，侧重计算运输成本，耗散成本等。

研究通过ArcGIS热点分析识别ES存量高值区，网络分析识别受益者到高值区的可达性来获取区域ES流量。热点分析(Getis-OrdGi*)工具主要用于识别具有统计显著性的高值(热点)和低值(冷点)空间聚类，在既往研究中常被用于识别、定义和表达ES功能区域的空间分布[32]。而扩展组块网络分析(OD成本矩阵)则可根据起始点到目的点的最小网络阻抗对连接进行升序排列。评估所需人口数据、矢量路网数据见表1。