北方城市河流生态系统服务供需评价与优化*——以济南市兴济河为例

姜芊孜，梁雪原

引言

生态系统服务（Ecosystem Services，简写ES）指人类从生态系统结构、功能与生态过程中获取的自然效用，包括直接获取的供给、调节和文化服务，及维持其它服务所需的支持服务[1，2]。生态系统服务供给指特定地区在一定的时空条件下提供特定生态系统产品和服务的能力[3]。生态系统服务需求从人类对生态系统服务的消费、使用和偏好角度理解，目前普遍存在两种定义[3-6]。Burkhard 认为需求指一定时空范围内人类消费或使用生态产品和服务效能的总和[3]；Schrote 进一步理解为人类对特定生态系统服务的偏好，可能超过当前已消耗和使用的产品和服务[5，6]。生态系统服务供给和需求分别反映了自然生态系统供给能力和人类社会使用需求，供需关系则表征了二者在数量、空间和时间等方面的平衡或匹配状态[7，8]。城市河流指发源于城区或流经城区的河流或河段，是城市中重要的绿色基础设施和公共开放空间，具有丰富的自然因素和过程[9]。河流生态系统服务指人类直接或间接地从河流生态系统中获取的服务或利益[10，11]。快速城市化进程导致城市河流面临水质恶化、河水断流、洪涝灾害、生境质量差等问题，河流生态系统服务逐渐降低，难以满足城市居民日益增长的多种需求。

国内外生态系统服务供需研究内容聚焦于服务量化[12]、服务空间制图[13]、供需关系[14]和服务流动[15，16]。目前生态系统服务供需关系研究正逐渐增多[17]，研究尺度集中在省域市域[18，19]、流域[13]、区域[20]、国土[21]乃至全球[22]尺度上，城市河流尺度下的供需研究相对较少。国内学者对城市河流生态系统服务供需关系评估已有了初步探索[7，23-25]，研究对象多为南方城市河流[23-25]，对北方城市河流生态系统服务供需特征挖掘不足[7]。河流生态系统服务供需关系分析多采用供需比法[7]、雷达图法[23]和IPA[24]等方法，较少研究综合考虑供给水平和供需匹配特征，全面认知生态系统服务实际效能。

由于南北气候差异，北方河流属季节性河流，年径流变化大，生态系统服务受季节水量、河流物理结构特征和水利工程建设的影响较为显著[26]。丰水季河流易发生洪涝灾害，枯水季水量减少，水体净化和生境维持服务下降，河道断流导致原生生境消失[27]。为保障行洪安全，城市河流大多裁弯取直，并建设闸坝对水资源层层拦截。对于水量不足的北方城市河流而言，这些工程措施进一步影响河流生态系统，使其对外部干扰更加敏感[28]。本文构建了北方城市河流ES 供需评价体系，以济南市兴济河为例，通过ES 供需比、供需匹配—供给水平分布模型分析兴济河ES 供需匹配特征和实际效能，明确未来兴济河生态系统服务优化方向和重点，为促进北方城市河流可持续发展提供理论支撑和科学依据。

1 研究区域概况与数据采集

兴济河位于山东省济南市，属于小清河水系。该河流南起市中区兴隆山谷，自南向北流经市中区、槐荫区和天桥区后，在黄岗村汇入小清河。河流全长22km，流域面积139km2，河网密度约0.409km/km2。历史上，兴济河是一条季节性泄洪水道，两岸分布大量农田，其河道狭窄，水量小，但水质较好。20 世纪90 年代后，周边农田被建设用地取代，伴随工业污水排入，兴济河由清澈的河流变成了城市“臭水沟”，严重影响了城市形象，降低了周边居民生活质量。2018 年，《济南城市发展战略规划(2018-2050 年)》提出“一条河就是一道风景”的规划理念，计划在泰山和黄河之间构建多条南北向河流生态廊道。恢复城市河流原本生态功能、提升周边景观环境，对济南城区未来生态发展具有重要意义。

本研究以兴济河河道、堤岸及两侧滨水绿地空间为研究范围。根据河流断面类型（图1）将研究区域划分为六段河道单元，自上游至下游依次为：兴隆水库—二环南路、二环南路—舜耕路、舜耕路—七里山路、七里山路—建新路、建新路—经十路、经十路—小清河。生态系统服务供给评价数据通过实地调研和Google Earth 遥感影像数据获取。需求评价数据通过在研究范围内发放问卷进行收集。2021 年1 月、3 月和5 月在研究范围内进行问卷调查，分别发放问卷40 份、60 份和50 份，共150 份，其中有效问卷128 份，问卷有效率85%。

图1 研究范围及河流断面

2 北方城市河流生态系统服务供需内涵与评价体系构建

2.1 供需评价指标选取与权重确定

2.1.1 评价指标选取

河流生态系统服务供给指河流通过自身物理结构、生态功能及生态过程，提供水体净化、水量调节、雨洪调节、生境维持、游憩休闲等服务[7]。确定调节、支持、文化3 种生态系统服务类型和7 种服务维度为研究对象。在城市河流共性特点上进一步考虑北方城市河流水量不足、季节性明显和生境敏感特点，甄选出17 个供给评价指标（表1）。其中水面覆盖率反映河流水量健康状况，河流蜿蜒度和河道连通性反映工程化改造对河流生境的影响，弹性景观反映河流不受季节影响提供游憩空间和设施的能力等。通过相关文献确定各供给指标的评分标准，5分表示供给能力最高，1分表示供给能力最低（表2）。

表1 生态系统服务供给评价指标与权重

表2 生态系统服务供给评价标准

本研究采纳Schrote 对生态系统服务需求的理解，定义河流生态系统服务需求为居民对北方城市河流生态系统服务的需求偏好，包括已消耗和期望获得的生态系统服务。需求评价以问卷调查方式展开，将供给指标转译为易于受访者理解和感知的需求指标，共14 个（表3）。

表3 生态系统服务需求评价指标与权重

2.1.2 指标权重确定

利用AHP 法，通过Yaaph 程序构建判断矩阵，确定各指标权重（表1、3）。首先，将每一服务类型下的维度分解为下一层级的指标，将指标按支配关系分为若干组；然后，通过这种递进的层级结构构建判断矩阵；最后，在判断矩阵中通过两两对比的方法，确定不同指标的重要性程度，得到不同维度和指标的权重，构建生态系统服务供需指标权重体系。指标的相对重要性通过咨询相关研究领域的专家获取[29]。

2.2 河流生态系统服务供需分析

2.2.1 生态系统服务供需匹配特征生态系统服务供需比（ESDR）可以用来反映不同区域的供需匹配特征[39]，计算公式为：

本研究中，S、D 指生态系统服务供给或需求评价得分；Smax、Dmax 是指生态系统服务供给或需求的最高分值，本研究均为5 分。ESDR＞0 表示生态系统服务供给满足需求，ESDR=0 表示供需平衡，ESDR＜0 表示供给未满足需求。通过ESDR 绝对值大小判断生态系统服务供需匹配程度，定义|ESDR|=0 为完全匹配，|ESDR|≤0.2 为供需基本匹配，|ESDR|＞0.2 为供需匹配程度较低，绝对值越大代表供需匹配程度越低（表4）。

表4 生态系统服务匹配程度等级划分

2.2.2 供需匹配—供给水平分布模型

通过引入供需匹配—供给水平分布模型，综合考虑河流的供需匹配程度和供给水平，评价河流生态系统服务实际效能。以供需匹配程度|ESDR|为横坐标，供给水平为纵坐标，供需匹配程度和供给水平高低临界值划分四象限（图2）。第I 象限——供给盈余区，生态系统服务供给水平高，供需匹配程度低，产生供给盈余；第II象限——高效匹配区，生态系统服务供给水平高且供需匹配程度高，供需匹配高效；第III 象限——低效匹配区，生态系统服务供给水平低，供需匹配程度虽高但低效；第IV 象限——服务薄弱区，生态系统服务供给水平和供需匹配程度均较低，生态系统服务薄弱。

图2 供需匹配—供给水平分布模型

3 兴济河生态系统服务供需特征分析

3.1 生态系统服务供需特征

根据各段河道单元长度占河流总长的比值确定各段河道单元的权重：兴隆水库—二环南路单元(0.16)、二环南路—舜耕路单元(0.10)、舜耕路—七里山路单元(0.10)、七里山路—建新路单元(0.19)、建新路—经十路单元(0.23)、经十路—小清河单元(0.22)。

兴济河整体生态系统服务供给评分2.63，供给水平中等。3 种服务类型供给相差不大，处于中等水平，其中支持服务供给最高（表5）。7 种维度中小气候调节供给水平较高，雨洪管理、栖息地健康和服务设施供给水平中等，水体净化、游憩机会和亲水程度供给水平最低，供给水平排序为：小气候调节（3.78）＞服务设施（3.38）＞雨洪管理（2.98）＞栖息地健康（2.86）＞游憩机会（2.25）＞水体净化（2.00）＞亲水程度（1.84）（表6）。进一步对比六段河道单元生态系统服务供给（图3）：自上游到下游，三类服务供给均不理想，调节服务供给变化小，维持在中等水平，支持服务和文化服务供给先升后降，仅有少数河段供给达到较高水平。在服务维度方面，除服务设施供给水平逐渐提升，其他服务维度供给先升后降。

表5 生态系统服务供需评价得分

表6 各维度生态系统服务供需评价得分

图3 各单元生态系统服务供给变化趋势

兴济河整体生态系统服务的公众需求水平中等，公众对文化服务需求最高,其次为支持服务,调节服务需求最低（表5）。7 种维度中，公众对服务设施、游憩机会和水体净化的需求水平较高，对小气候调节、栖息地健康和亲水程度需求水平中等，对雨洪管理需求水平较低，需求水平排序为：游憩机会（3.83）＞水体净化（3.70）＞服务设施（3.59）＞亲水程度（3.24）＞栖息地健康（3.15）＞小气候调节（2.58）＞雨洪管理（2.36）（表6）。比较六段河道单元的生态系统服务公众需求水平（图4）：自上游到下游，各类型和各维度的生态系统服务需求变化呈先降后升趋势。

图4 各单元生态系统服务需求变化趋势

3.2 生态系统服务供需匹配特征分析

兴济河整体生态系统服务供需比-0.11，供低于需，供需基本匹配。3 种服务类型供均低于需，供需匹配程度由高到低依次为调节服务〉支持服务〉文化服务（图5）。这一结论与已有研究保持一致[7]。

图5 生态系统服务供需匹配特征

7 种维度中，供高于需的仅有雨洪管理和小气候调节，供需匹配程度由高到低依次为：服务设施＞栖息地健康＞雨洪管理＞小气候调节＞亲水程度＞游憩机会＞水体净化（图6）。

图6 各维度生态系统服务供需匹配特征

比较六段河道单元生态系统服务供需比（图5、6）：（1）从生态系统服务整体来看，供高于需的单元仅建新路—经十路和舜耕路—七里山路，供需匹配程度最高的是七里山路—建新路，最低的是兴隆水库—二环南路。（2）调节服务侧，舜耕路—七里山路供高于需，其他河道单元供低于需。六段河道单元供需基本匹配，其中舜耕路—七里山路和建新路—经十路匹配程度最高。根据各维度匹配结果，六段河道单元小气候调节和雨洪管理供高于需，水体净化供给亟需提升。（3）支持服务侧，舜耕路—七里山路和七里山路—建新路供高于需，供低于需的单元中兴隆水库—二环南路、二环南路—舜耕路和经十路—舜耕路匹配程度不理想，未来需着重打造良好的栖息地环境。（4）文化服务侧，仅建新路—经十路单元供高于需。供低于需的单元中兴隆水库—二环南路和二环南路—舜耕路单元匹配程度极低，应在游憩机会、服务设施和亲水程度三方面全方位提高文化服务供给能力；舜耕路—七里山单元匹配程度也不理想，未来应着重打造游憩空间和游憩设施。

3.3 生态系统服务实际效能分析

通过供需匹配—供给水平分布模型，在河流整体和河流分段两个尺度上分析兴济河生态系统服务实际效能。

3.3.1 河流整体生态系统服务实际效能

对兴济河整体的生态系统服务实际效能进行分析（图7、8）。兴济河整体匹配低效，调节服务和支持服务属于低效匹配，文化服务薄弱。进一步对服务维度分析可以看出，小气候调节和服务设施维度，分别位于第I 和II象限，分属于供给盈余和高效匹配，说明目前这两个维度的服务状态较为理想。雨洪管理和栖息地健康程度位于第III 象限，属于低效匹配，说明目前服务状态尚可，但供给侧可进一步优化提升，以达到服务理想状态。水体净化、游憩机会和亲水程度三个维度属于服务薄弱状态，说明目前服务状态极不理想，供给水平低，而且无法满足公众对这些维度的需求。

图7 河流及各河道单元整体供需匹配—供给水平分布模型结果

图8 兴济河整体供需匹配—供给水平分布模型结果

3.3.2 河流分段生态系统服务实际效能

对各河段整体生态系统服务效能进行分析（图7、9）。兴隆水库—二环南路服务薄弱，其它单元供需匹配低效。兴隆水库—二环南路、二环南路—舜耕路和经十路—小清河单元生态系统服务效能低于兴济河整体水平，未来应对这三段河道单元进行重点优化提升。

图9 各河段服务类型供需匹配—供给水平分布模型结果

调节服务方面，各河道单元的调节服务均位于第IV象限，属于低效匹配。对调节服务各维度实际效能进一步分析。水体净化方面，各河道单元均位于第IV 象限,属于服务薄弱，这表明该维度是各河道单元均需改善的重点。小气候调节方面，多数河道单元状态理想，属于供给盈余或高效匹配，兴隆水库—二环南路状态尚可，属于低效匹配。雨洪管理方面，多数河段状态尚可，属于低效匹配，舜耕路—七里山路状态不理想，雨洪管理服务薄弱。可以看出，水体净化维度是对各河段调节服务实际效能的负面影响最大。

支持服务方面，多数河段服务薄弱，七里山路—建新路状态相对较好，属于高效匹配。舜耕路—七里山路和建新路—经十路状态尚可，属于低效匹配状态。

文化服务方面，建新路—经十路匹配高效，其他河道单元匹配低效或服务薄弱。对文化服务各维度实际效能进一步分析。游憩机会方面，多数河道单元服务薄弱，七里山路—建新路和建新路—经十路状态尚可，属于低效匹配。服务设施方面，建新路—经十路和经十路—小清河单元状态理想，属于供给盈余，舜耕路—七里山路和七里山路—建新路单元状态尚可，属于低效匹配，兴隆水库—二环南路和二环南路—舜耕路单元状态较差，属于服务薄弱。亲水程度方面，七里山路—建新路和建新路—经十路为低效匹配，其他河道单元服务薄弱。可以看出，游憩机会和亲水程度维度服务薄弱的河段较多，这两个维度对文化服务有着较大的负面影响。

3.4 分析总结

根据上述研究结果，明确了兴济河整体生态系统服务效能、需重点改造的河段单元和需重点提升的生态系统服务类型和维度。兴济河整体供给水平较低，供需匹配低效，其中兴隆水库—二环南路、二环南路—舜耕路和经十路—小清河单元对河流整体生态系统服务的负面影响最大，是未来景观改造的重点单元。服务类型方面，三种服务类型均供需匹配低效，未来应从三种服务出发全面提高服务供给，达到供需匹配高效状态，其中文化服务是提升兴济河生态系统服务供给的重要环节。该结论与已有济南城市河流生态系统服务研究结论一致[7]。服务维度方面,对于北方城市河流生态修复而言，水质净化是基础，生境多样性是核心，文化性服务是关键[11]。相比之下，南方城市河流更注重雨洪管理维度的优化提升[23]，造成这种差异的原因在于南北方气候与降水量的显著不同。温润的气候和充足的降水使南方河流通常保持水量充沛的状态，其水体自净和生境恢复能力远高于北方河流，加之北方城市河流滨水空间利用不足，其游憩文化功能未被充分挖掘。北方城市要充分考虑在干旱缺水的条件下如何塑造河流的弹性景观，在确保河流水体自净和生境恢复能力的同时，为居民提供丰富的游憩服务。因此，水体净化、栖息地健康、游憩机会和亲水程度是兴济河亟需提升的四大服务维度。

4 供需匹配导向下兴济河生态系统服务优化策略

基于上述评价分析结果，从水质提升、生境恢复、空间营造三方面提出兴济河调节服务、支持服务和文化服务的优化策略。

4.1 水质提升——维持健康水量，构建湿地系统，提升调节服务

水体净化服务薄弱导致兴济河整体及各河道单元调节服务供给低、供需匹配低效。从维持健康水量、构建湿地系统两个方面出发，提高水体净化能力。通过增设滨水绿地面积和雨水设施数量，滞蓄下渗雨水，补给地下水；同时提高生态化驳岸比例，恢复地下水和河道水交换的生态过程，保证枯水季地下水对河道的补给。此外，构建挺水—浮水—沉水水生植物群落，营建河流湿地系统，可以降低水体污染物含量。兴济河主要污染源是城市地表径流和生活污水，水体总氮总磷含量超标，导致河流富营养化。建议选择降解总氮总磷效果显著的水生植物，如挺水植物芦苇和菖蒲，浮叶植物睡莲和荇菜，沉水植物菹草、黑藻和金鱼藻等。

4.2 生境恢复——改造河流形态，营造多样生境，提升支持服务

拓宽河流空间、恢复河岸侵蚀与淤积作用和布置自然元素是城市河流生境恢复的重要条件[40，41]。受周边建设用地限制，兴济河难以大范围改变河流蜿蜒度，尽量局部营造近自然河流形态，打造多样化生境。对于腹地空间宽敞的上游河道单元，建议拓宽河道，拆除小型堤坝与渠化驳岸，营造缓坡入水驳岸和河岸砾石滩，塑造不规则河岸边缘，以恢复河流侵蚀淤积过程，促进横向的河流—河岸带物质能量交换和纵向的深潭浅滩生境格局形成，为动植物生长繁殖提供场所。对于腹地空间较窄的下游河道单元，通过河道内布置石块、砾石群或枯木等自然元素，调整水速水向等水文条件，恢复河流泥沙动力，营造多样化生境。

4.3 空间营造——丰富滨水空间，塑造弹性景观，提升文化服务

兴济河文化服务提升应注重满足公众对多样化滨水游憩空间需求和与水亲密互动期望。因此从打造多样化游憩空间、营造弹性景观两方面出发，丰富滨水空间，满足居民对文化服务的需求。对于腹地空间宽敞的上游河道单元，应以打造自然野趣的河流为设计理念，游憩空间避免大面积硬质铺装。建议通过构建木栈道、水上汀步、林间小路和亲水弹性步道等低影响游憩步道系统，设置观景亭、观鸟亭等小型游憩空间，栽植乡土植物形成野趣景观等措施，打造融于环境的游憩体系。对于腹地较窄的下游河道单元，建议打造“亲水—观水—望水”的多层级弹性步道系统，优化桥下空间作为弹性亲水空间，打造岸上高地多功能广场空间，满足不同群体的活动需求。

结论

城市河流承载着丰富的自然要素与生态过程，是城市发展的生命线。河流生态修复对促进城市可持续发展具有重要意义。研究以北方城市河流生态系统服务供需为切入点，构建了生态系统服务供需评价体系，通过生态系统服务供需比和供需匹配—供给水平分布模型分析河流生态系统服务供需匹配特征和生态系统服务实际效能，明确文化服务是兴济河生态系统服务提升的重点类型，净化水质、营造健康栖息地、增加游憩和亲水机会是需要重点提升的四个服务维度，为促进北方城市河流可持续发展提供理论支撑与科学依据。研究引入供需匹配—供给水平分布模型，综合考虑生态系统服务供给水平和供需匹配特征，认知河流生态系统服务实际效能，明确河流存在的生态问题。本文仍然存在一些不足，如通过实地调研和问卷调查展开的供需评价结果主观性较强，后续研究将进一步结合POI 数据、水质监测空间数据、内涝点空间数据、社交媒体数据等城市空间大数据，定量评估河流生态系统服务供需，并进行空间制图与表达。此外，针对北方城市河流文化服务薄弱的问题，未来将通过问卷调查数据和社交媒体多源数据，构建北方城市河流游憩使用人群的人口画像，并探索性别、年龄、收入、受教育程度等人口特征指标与文化服务偏好之间的相关性。

图、表来源

图1～9：作者绘制；

表1～3：作者基于对参考文献[23,30～38]的信息进行整理绘制；

表4：作者基于对参考文献[39]的信息进行整理绘制；

表5、6：作者依据研究结果绘制。