生态系统服务需求视角下的澳门城市绿色基础设施管理研究

许 超

孟 楠

逯 非

刘晓明*

欧阳志云

城市绿色基础设施(Urban Green Infrastructure，UGI)具有提供水资源供给、雨洪管理、气候调节和休闲游憩等多种生态系统服务(Ecosystem Service，ES)的重要功能[1]。随着城市的发展，人们对UGI提供的ES需求越来越大[2]。这些需求主要指人类消耗、使用或需要和期望的服务功能量，通常可以分为服务的实际使用或消费、降低风险，以及偏好和价值3种类型[3]，同时又包括物质需求、安全需求和精神需求3个层次[4]。不同层次的服务需求有着不同的量化评估方法，其中安全需求侧重于调节服务，通过结合社会和经济系统的暴露度、脆弱性和潜在风险进行评估量化[5-6]，社会经济指标在其中的作用不容忽视[7]；精神需求侧重于文化服务，是指景观、生态系统或历史遗产等提供的精神美学满足和审美体验等非物质性利好[8]，可以通过识别人们的娱乐活动行为和特定喜好进行评估[9]。在城市中，调节和文化服务与人类的联系尤为紧密[8，10]，对城市人居环境产生着更为显著的影响。量化并明确ES需求的空间格局，识别和审视服务保护优化的优先区域和差异性[11]，对科学管理UGI和提高人类福祉起着重要作用[12]。

目前，整合ES需求的综合评估已经成为一种较为成熟的ES研究模式，但常见于区域尺度的研究，且多是为构建生态安全格局[3]和土地利用规划管理[13]等提供决策支持。近年来，城市尺度上的综合评估逐渐成为研究热点，并开始探索如何通过UGI管理改善需求状态。Meerow等[14]通过评估底特律6种ES的需求程度构建UGI的规划模型，为UGI选址和效益最大化提供参考和决策依据；顾康康等[15]选取5种反映ES需求的指标对合肥市的UGI进行多功能评估，以此来识别高需求区域并分析不同服务之间的关系，为UGI的布局和多功能优化提供指导；Lovell等[16]从多种ES的角度探讨了UGI多功能性的重要性，鼓励利益相关者参与UGI的规划和管理，以求为更广大的群体提供福祉。但以上研究在评估数据精度和空间化上仍有改善空间，评估方法上仅使用环境指标，而忽略了社会经济指标对服务需求评估的影响，导致评估结果不能真实反映与不同需求者特征相关的潜在差异，在整合多功能分析后，如何针对性地进行UGI分类管理等也有待深入探讨。随着澳门的城市发展，不透水地表不断压迫城市生态空间[17]，导致城市热岛效应显著[18]、道路交通噪声问题突出[19]、局部洪涝灾害风险加剧[20]，以及休憩空间服务压力不断增大[21]，城市ES的重要性需要得到更多关注。然而关于澳门的ES研究却极少，仅有李金平等[22]进行了不同时期生态系统服务价值变化的研究。因此，本文基于澳门的城市发展特点、问题和生态系统特征，结合遥感解译、实地调研和数据分析等手段，评估了各分区热岛调节、雨洪调节和噪声消减3种调节服务，以及休闲游憩、景观美学2种文化服务的需求情况。通过评估结果识别不同区域对各种服务需求的差异，得出补充和优化ES的空间分布和类别优先级；总结澳门不同分区UGI服务需求的规律和特征，从一定程度上反映出自然、社会和经济三者之间的耦合关系；并提出不同角度的管理策略，以求有效改善需求供给之间的平衡状态。

1 研究区概况

中国澳门特别行政区(113°31＇33″～113°35＇43″E，22°06＇39″～22°13＇06″N)位于我国南部沿海珠三角地区，北接广东省珠海市，西邻横琴岛，是世界上人口密度最大的地区之一，据统计其城市化率已达到100%[23]。经过多年的填海造地，澳门已由原来的三岛变为半岛和离岛的两岛格局。本文以澳门历年统计年鉴的23个统计分区为基础，其中路环区由路氹填海区①和圣方济各堂区组成，由于二者景观格局和特征差异较大，故将路环区拆分为两部分形成24个分区②(图1)进行研究，各分区的UGI分布存在差异(图2)，研究区总面积为30.87km2。

2 研究方法及数据

利用澳门自然、社会和经济三方面的多源数据，评估24个分区的热岛调节、雨洪调节、噪声消减、休闲游憩和景观美学5种ES的需求情况，其中3种调节服务通过构建脆弱性指标反映需求程度，2种文化服务通过服务压力和关注度指标反映需求程度。

2.1 热岛调节

采用遥感影像进行地表温度反演获取温度分布(图3)。首先选取影像质量较好、无云层遮挡、热岛效应较为显著的2016年9月18日(2017年无合适影像)Landsat 8 OLI/TIRS(轨道号122/45)遥感影像数据，在ENVI 5.3软件中进行辐射定标、大气校正和影像裁剪等预处理，并利用辐射传输方程法[24]进行地表温度反演。

热岛调节需求使用基于反演的地表温度和分区相关人口指标评估城市热脆弱性[25]的方法得出，脆弱性越高的分区热岛调节需求越大，计算公式如下：

式中，DHR为热岛调节需求；Pdensity为分区人口密度，人/km2；P65+为分区65岁以上人口占比，%；T为在ArcGIS 10.2中以分区为单元统计的反演温度平均值，℃。

2.2 雨洪调节

使用基于能值理论计算分区暴露强度、敏感性和适应能力评估洪涝灾害脆弱性[26-27]的方法反映各分区对雨洪调节的需求差异，脆弱性越高的分区需求越大，计算公式如下：

式中，DRR为雨洪调节需求；i为使用SCS水文模型[26]计算年降雨径流(图4)后通过能值换算得出的分区暴露强度，无量纲；M为结合不同土地利用类型的能值计算的分区敏感性，sej；N为综合分区人口密度、14岁以下和65岁以上人口比例、人均收入、千人就学人口，以及千人医疗人口③数据的能值转换评估的分区适应能力，sej。

图1 研究区域

2.3 噪声消减

以澳门环保局2017年24h平均等效连续A声级监测数据[19]为基础进行分区噪声消减需求评估，由于该数据基于500m×500m网格进行噪声分布情况模拟(图5)，因此首先在ArcGIS 10.2中通过最邻近法重采样将栅格单元格改变为1m×1m，然后通过分区统计获取分区环境平均噪声值(dB)。

研究表明，环境噪声与儿童及老年的生理和心理健康质量呈负相关[28]，他们是受噪声影响更为严重的脆弱人群。故使用分区的14岁以下及65岁以上人口指标结合分区环境噪声值评估分区环境噪声脆弱性，脆弱性越高的分区噪声消减需求越大，计算公式如下：

式中，DNA为噪声消减需求；P14-为分区14岁以下人口占比，%；P65+为分区65岁以上人口占比，%；N为在ArcGIS 10.2中以分区为单元统计的环境噪声平均值(dB)。

图2 UGI覆盖类型

图3 地表温度反演

图4 径流系数

图5 噪声监测结果

图6 休闲游憩绿地分布

图7 2012—2018年Flickr数据核密度分析

图8 分区尺度5种服务的需求程度评估

2.4 休闲游憩

由于研究区面积小、绿地分散，各分区特别是半岛地区的绿地可达性良好[29]，因此休闲游憩需求主要因人口密集和绿地规模不足产生。结合实地调研情况，参考澳门自然网④在录的休闲游憩绿地和《澳门特别行政区绿化区》⑤地图中的公园区域整合得到休闲游憩服务绿地评估数据(图6)。在ArcGIS 10.2中以分区边界做4级(100、200、300、400m)缓冲区，分别统计每个区段的绿地面积，并由近至远赋值，再结合每个分区的人口数据评估得出各分区的休闲游憩服务压力，压力指数越大，则分区需求越大，计算公式如下：

式中，DLR为休闲游憩需求；P为分区人口，人；A0为分区内绿地面积，m2；A100M为分区边界至100m缓冲区内的绿地面积，m2；A200M、A300M、A400M分别为100～200、200～300、300～400m缓冲区内的绿地面积，m2。

2.5 景观美学

相比审美偏好调查或回归模型，使用社交网站的地理标记照片评估景观美学需求是更为直接合理的方法[30]。Flickr是全球范围内影响力最大的照片公开社交网站，利用该平台的数据识别人们更关注的休闲娱乐区域已经成为一种新的评估方法[31]。

爬取在Flickr网站⑥以“澳门”为关键词搜索的2012—2018年约4万个照片地理标记数据作为基础数据库，基于数据中的“标签(tags)”剔除与“风景(landscape)”无关的数据，再基于人工判读筛选照片编号(photoID)进行二次剔除。将有效数据的坐标信息导入ArcGIS 10.2，对标记点进行核密度分析，可以清晰地得出关注热度的分布差异(图7)。通过分区统计使用分区边界叠加统计标记点数量，以每个分区的标记点密度表征景观美学需求程度，标记点密度越大，则景观美学需求越大，计算公式如下：

式中，DLA为景观美学需求；Npoint为分区的标记点个数，个；A为分区面积，km2。

2.6 相关分析和聚类分析

基于R语言对评估数据进行相关性分析，探讨24个分区的5种服务需求，以及研究区的社会、经济和自然指标之间的相关性。另外，在对每个分区的5种服务需求值进行归一化处理后，使用K均值算法(K-means)进行聚类分析[32]，并基于识别出的不同簇，将24个分区进行类型划分。

3 结果与分析

3.1 需求分布

通过ArcGIS 10.2软件将各分区的5种服务需求评估值用自然断点法分为5级(图8)进行比较，发现不同区域间各种需求存在一定的空间分布差异。热岛调节需求较大的是新桥区、荷兰园区、高士德及雅廉访区等；雨洪调节需求较大的是台山区、黑沙环新填海区、黑沙环及祐汉区等；噪声消减需求较大的是台山区、黑沙环新填海区、黑沙环及祐汉区等；休闲游憩需求较大的是下环区、新桥区、高士德及雅廉访区等；景观美学需求较大的是沙梨头及大三巴区、中区、外港及南湾湖新填海区等。总体而言，各种服务需求大的区域多集中在半岛地区，需求大的区域即为UGI的服务优化和补充优先区。

3.2 相关分析

1)由各种服务需求间的相关性分析(图9)可知：热岛调节与其余4种需求都呈正相关，与休闲游憩最为显著；雨洪调节与噪声消减、休闲游憩呈显著正相关；休闲游憩与除了景观美学的其他3种需求都呈显著正相关。以上综合说明除了景观美学之外的其他需求在空间上均存在一定的协同效应。

2)由各分区的服务需求程度及其社会、经济、自然指标之间的相关性分析(图9)可知：除了景观美学之外均与人口密度呈显著正相关，即人口聚集的分区对服务的需求较大；分区房价与热岛调节、景观美学需求呈负相关；人均收入与热岛调节、雨洪调节和休闲游憩需求呈负相关；高等教育人口占比与除景观美学之外的需求均呈较显著负相关；分区面积与热岛调节需求呈一定负相关；UGI区内占比与除景观美学之外的4种需求都呈明显负相关。而景观美学与其他指标的相关性均不明显。

3)社会、经济和自然指标之间也显示出一定的相关性(图9)，它们共同反映出研究区不同需求程度分区的一些特点，如高需求分区面积较小、缺乏UGI、人口密度高、房价低、人均收入和教育水平较低、人居环境较差；低需求分区面积较大、UGI充足、人口密度低、房价高、人均收入和教育水平较高、人居环境良好。

图9 各分区服务需求及其他指标之间的相关性矩阵

3.3 聚类分析

分区尺度上的聚类分析将24个分区按照需求差异分成5类分区群(图10)：第一类包括新桥区等7个分区，它们对5种服务的需求都很大，且都集中在半岛地区；第二类包括东望洋区等5个分区，这5个分区对景观美学有很大需求，而对其他4种服务的需求不显著；第三类包括望厦及水塘区等4个分区，这4个分区对5种服务的需求程度一般；第四类包括荷兰园区等5个分区，它们对除景观美学之外的4种服务的需求均较大；第五类包括海洋及小潭山区等3个分区，这3个分区对5种服务的需求最低。

4 结论与讨论

本文基于5种ES的需求评估，从分区尺度分析不同服务需求程度的分布差异与关联性，并通过聚类分析揭示5类特征明显的分区群，以求提出具有针对性的管理策略。研究表明，5种服务需求的空间分布存在一定差异，但总体来看，需求较大的区域主要集中在土地资源稀缺的半岛地区；不同服务需求之间存在一定的协同效应，针对各分区特征优化UGI的需求功能、构建多功能型UGI可有效改善需求；各分区和5类分区群在需求程度和类别上存在差异(图11)，还需通过服务功能的权衡进行UGI的优化；处于高需求状态的第一类(48.6%)和第四类(23.9%)分区群的人口占总人口的72.5%，多为相对弱势群体。基于此，可以从以下不同角度探讨UGI的管理策略。

表1 不同服务功能侧重型UGI的优化途径及5类分区群的UGI管理策略

1)资源稀缺条件下的UGI建设。

第一、第四类分区的高需求主要由UGI规模严重不足引起，但是由于土地资源稀缺，大规模拓展建设UGI难以实现。因此，存量背景下需要继续开发剩余空间并将其转换为立体交通绿地、口袋公园、垂直绿化和屋顶绿化等形式的“微绿地”[21]，增加绿斑密度，构建微绿体系，实现生态效益的最大化[23]；外港及南湾湖填海区、路氹填海区和黑沙环填海区是3个不同时期的填海区，其中外港及南湾湖填海区的服务需求最低，其合理的土地利用方式和UGI覆盖比例是重要的影响因素。以此为鉴，在未来的填海造地模式下要控制不透水地表的比例，保证UGI的数量和规模；还要避免“硬质”填海，充分合理利用岸线资源，提倡利用功能湿地填海模式拓展生态岸线，构建滨海生态屏障[33]。

2)基于功能优化的UGI更新。

诸多研究表明UGI的ES表达与其类型[34]、空间分布[35]和生物物理特征[36]等方面存在联系，因此可以基于这些方面针对现有UGI提出相应的功能优化途径(表1)。由于5种服务需求既有程度上的差异，又有空间上的协同，所以UGI的优化应包含权衡和协同2个层面。从权衡层面来看，基于评估结果确定需求的优先级后，可以通过不同功能的优化途径针对性地改善需求突出的服务类型。如第二类分区群在景观美学上有突出需求，可以侧重更新观赏型UGI；第四类分区群对除景观美学之外的其他4种需求更高，提升其内在功能就更具有针对性。从协同层面来看，5种服务功能侧重型UGI的优化途径也各有交集，在条件适宜的情况下，将现有功能单一的UGI更新为多功能型UGI[42]可以在一定程度上缓解多种服务需求，特别是第一、第四类分区群。

3)城市发展背景下的UGI保护。

对于需求相对较低的第三类分区群和需求最低的第五类分区群来说，面对澳门城市发展不断带来的生态环境压迫，保护现有的UGI资源尤为重要。要在这2类分区群内划定城市生态保护边界，严格控制城市开发，特别是针对因城市化发展被持续蚕食的青洲山、望厦山、西望洋山、大潭山和小潭山等原有自然资源[43]，以及目前人为干扰相对较少的路环山和路氹城生态保护区一区。

4)UGI的社会公平性改善。

城市中弱势群体聚集的区域往往拥有更少的绿色空间，自然资源的分配存在一定的不公平性[44]。正如研究结果表明，第一、第四类分区群的人口大多是收入低、教育水平低、老幼比重大的相对弱势群体，而UGI比重大的区域又都位于居住条件较好的高房价分区。这种公平性需要改善，因为生态环境的退化和社会劣势因素的结合会导致公共健康方面的差距不断加大，特别是在不同社会经济群体之间[45]。要充分考虑社会、经济因素对UGI管理建设的影响，将它们纳入管理决策，针对特定服务需求加强干预[16]，才能更有效地增强城市弹性，改善人居环境，降低社会脆弱性[14]。还要鼓励当地居民特别是弱势群体参与UGI的规划设计，切实明确和改善各方面需求。

本文基于分区的ES需求评估探讨了该视角下UGI的管理策略，相比于现有管理模式加强了对生态内涵的考量，拓展了服务受益者需求导向的管理思路，提高了UGI管理的针对性和科学性，但由于数据获取和评估方法的局限，研究仍有进一步探索的空间。此外，需求评估只是ES研究的一部分，后续还需结合供给方面进行供需平衡和空间匹配的深入研究，探讨更加细致的管理内容。

图10 分区尺度聚类分析

图11 各分区服务需求及UGI比例差异

注：文中图片均由作者绘制。

注释：

①因路氹填海区没有居住人口，相关指标以离岛的综合平均值作为参考值。

②来源：2017年澳门统计年鉴，澳门统计局网页：https://www.dsec.gov.mo/zh-MO/。研究区域不包含澳门大学珠海校区和新城A区。

③来源：2016年中期人口统计详细结果。详见https://www.dsec.gov.mo/zh-MO/Statistic?id=104。

④来源：https://nature.iam.gov.mo/c/park/list。

⑤来源：澳门地籍局2018年出版《澳门特别行政区绿化区》。

⑥来源：http://flickr.com/。