從模型到應用：基于生態系統服務權衡的鄉村生態修復規劃工具研究

董楠楠 王怡琪 Harald Zepp Lars Gruenhagen Malte Bührs Christin Busch 魏維軒

（1.同濟大學建筑與城市規劃學院，上海 200092；2.波鴻魯爾大學地理學系，波鴻 44801；3.ILS-國家和城市發展研究所有限公司，多特蒙德 D-44135）

在全球范圍內的氣候變化背景下，具有多種功能和服務價值的鄉村生態空間成為當下國際生態規劃研究與合作的關注熱點之一。為實現鄉村生態空間的精準管理與規劃，中德雙方圍繞聯合課題“生態系統服務概念在德國魯爾與中國大都市區韌性發展模式下的綠色基礎設施規劃應用”進行了深入探索。在土地利用與土地覆蓋類型的基礎上，進一步識別了生物群落類型，并基于調節、供給、文化三大生態系統服務類型，選取了評估生態系統服務供需權衡的指標和對應權重，構建了鄉村生態空間規劃場景下的生態系統服務價值評測模型。以上海市水庫村為例，運用該課題的評測模型，初步評估了典型鄉村生態規劃場景下的生態系統服務價值。最后，從應用尺度、研究范圍以及操作流程三個方面總結了該評測模型的優化方向。

鄉村；生態修復；生態系統服務；供需權衡；決策輔助工具

1 研究背景

1.1 鄉村生態修復的研究趨勢

鄉村地區作為城鄉人居環境的生態基底，在城鎮化的過程中面臨著景觀格局破碎化[1]、鄉村生態系統服務能力降低[2]、生態環境質量惡化[3]等諸多問題。面對氣候變化的全球挑戰，鄉村生態空間的保護與修復已成為當下國內外的研究熱點話題。聯合國糧農組織（Food and Agriculture Organization，FAO）在“促進有助于加強糧食安全和營養的可持續農業和糧食體系的生態農業及其他創新方法”中提到，發展生態農業需密切關注與鄉村生態系統服務評估與生物多樣性保護等方面的協調發展[4]。全球環境基金（Global Environment Facility，GEF）在面向可持續發展的中國農業生態系統創新性轉型項目中也強調了通過科學規劃農業生態景觀，實現農業生態系統循環與生物多樣性保護的重要意義[5]。

國外鄉村生態治理與修復的研究重點關注特定鄉村空間場景下，鄉村生態修復實踐對當地生態系統服務綜合價值的影響。如在鄉村河流生態空間類型研究中關注水質和生物多樣性的現狀與河岸帶植被生長潛力的評估[6-8]。在農田生態空間類型中，多數研究將農業發展與生物多樣性保護相結合，從而促進農業可持續發展[9-11]。而在鄉村林地生態空間類型中，研究重點集中在從變更土地利用類型的角度，恢復林地的綜合生態功能與價值[12-13]。

自2017年國內提出鄉村振興戰略以來，鄉村生態問題愈加受到重視。在此背景下，當前國內鄉村生態修復研究注重在鄉村振興視角下，探索基于“三生”空間的解決路徑與發展模式，從而指導實際的工程應用實踐[14-15]。近年來，在全域土地綜合整治與環境專項治理的政策指引下，國內學者還圍繞鄉村用地規劃調整中如何精準識別修復分區展開了系列研究[16]，并強調需要綜合考慮多元生態系統服務的過程[17]。其中，鄉村河道[18]和濕地景觀[19-20]是國內學者重點研究的空間類型。

1994年鄉村生態景觀保護框架（The Conservation of Rural Ecological Landscapes Framework，CRELF）中提出按照鄉村景觀單元類型進行生態功能的評估[21]。如何準確評估鄉村生態效益，探索有效的生態修復途徑是當下鄉村生態研究的熱點之一[22-23]。其中，生態系統服務供需匹配是有效發揮鄉村生態效益的前提條件[24]。目前應用較為廣泛的以Costanza與千年生態系統服務構建的指標體系為主，主要分為供給、支持、調節與文化服務4類[25]。國內外鄉村地區生態系統服務供需研究主要涉及鄉村生態水環境[26]、鄉村生態旅游[27]、鄉村游憩服務[3]、鄉村景觀風貌[28]等領域。生態模型法和市場價值法在較大尺度的鄉村生態空間應用較為廣泛[29]；小尺度的鄉村生態效益研究主要通過實地調研結合參與法，確定特定鄉村生態空間類型（如水環境[30]、生態農園[27]）中的生態系統服務評價因子，構建其分級分類的評價指標并進行綜合評價。

1.2 國際化背景下的生態修復工具研究合作

隨著全球化的不斷深入，跨國和跨地區的合作愈發成為當今應對氣候變化挑戰的重要趨勢。國際農發基金（International Fund for Agricultural Development，IFAD）在支持鄉村地區恢復自然生態系統和生物多樣性方面進行了探索與實踐[31]；歐盟各國在恢復退化的生態系統并減輕鄉村地區生物多樣性喪失方面展開了積極合作[32]；在國際組織的引領下，非洲國家之間開展了鄉村地區生態系統修復項目，旨在防止鄉村空間的土地荒漠化和生態系統退化等問題[33]。隨著國際間合作關系的加深，如何將基于不同地區治理經驗的知識和經驗進行轉移轉化甚至共同創造新的工具，成為新形勢下國際合作的新趨勢。首先，國際合作伙伴之間相關政策規定的差異和技術轉移的挑戰，限制了研究合作的深度。其次，不同地區、不同項目的不同需求，也增加了跨國合作研究關于標準化流程設計與使用推廣方面的困難，限制了知識和標準體系與地方實踐場景的結合轉化。

作為解決這一合作問題的嘗試，德國聯邦教育與研究部（Bundesministerium für Bildung und Forschung，BMBF）于2017年設置了面向國際技術合作的“城市地區可持續發展項目”（Sustainable Development of Urban Regions，SURE）系列，該項目研究已經進行了7年半的研究與實踐，圍繞可持續性以及韌性兩大主題，促進德國研究團隊與中國及東南亞研究團隊探索相應的技術工具，解決亞洲地區因城市化、自然資源過度使用以及氣候變化等因素帶來的問題。該系列項目目前在研課題10項，經過了概念階段之后，目前已進入了研發測試階段。

2 模型：基于生態系統服務供需以及協同權衡的生態修復工具研究

2.1 IMECOGIP課題背景

作為SURE系列課題之一，IMECOGIP課題由德國波鴻魯爾大學（Ruhr-Universit?t Bochum）Harald Zepp教授團隊主持開展，其全稱為生態系統服務概念在德國魯爾與中國大都市區韌性發展模式下的綠色基礎設施規劃應用（Implementation of the ecosystem services concept in green infrastructure planning to strengthen the resilience of the Metropole Ruhr and Chinese megacities，IMECOGIP）。IMECOGIP課題于2019年啟動，課題組成員來自不同的學科領域，例如城市生態學、風景園林學、地理學、社會學、地理空間信息科學等。在跨學科合作支持下，IMECOGIP課題嘗試不僅為城市規劃師、景觀師以及相關企業提供便捷的生態系統服務評測數字工具，進行生態現狀基底及未來潛力的勘查與識別，還能夠為政府部門提供不同規劃方案環境績效的模擬及比較，從而輔助以生態發展為導向的規劃決策。

IMECOGIP課題研究的核心思路是基于土地利用及土地覆蓋類型（Land Use and Land Cover，LULC）的空間數據，進行綠色基礎設施（Green Infrastructure，GI）的生態系統服務（Ecosystem Service，ES）供需識別及評估研究?；赒GIS軟件，開發了一個開源的工具箱，結合研究地區的氣候、文化以及社會經濟特征，此工具箱能夠評估及權衡在不同土地利用方案或發展條件下，城鄉綠色基礎設施的生態系統服務能力；并且基于評估的結果，提出基于自然的解決提升方案（Nature-based Solution，NbS）（圖1）。

圖1 IMECOGIP工具箱開發的核心思路Fig.1 Core conceptual framework for the development of the IMECOGIP toolbox

2.2 IMECOGIP工具模型的研究重點

IMECOGIP工具模型的研究重點之一是評測指標的選取。按照歐洲環境署發布的生態系統服務國際通用分類標準（The Common International Classification of Ecosystem Services，CICES），將生態系統服務評測指標體系分為了調節（regulation service）、供給（provision service）以及文化服務（cultural service）三大類，可細分為24項指標（表1）。圖2展示了IMECOGIP工具箱包含的各項評估指標，以及各指標現階段的開發完成情況。在具體組成方面，IMECOGIP工具箱由針對不同的生態系統服務指標進行價值計算的模塊組成?，F階段已投入應用的模塊包括冷卻強度（cooling intensity）、空氣凈化效果（air filtration）、徑流管理（flow regulation）、碳固定（carbon sequestration）等生態系統服務評測模塊。

表1 IMECOGIP工具箱生態系統服務評測指標體系介紹說明Tab.1 Description of the IMECOGIP toolbox ecosystem services evaluation indicator system

圖2 IMECOGIP工具箱的生態系統服務評測指標體系Fig.2 Ecosystem services evaluation indicator system of the IMECOGIP toolbox

針對所選的評測指標，于2019年10月邀請了17位來自高校、規劃部門、市級政府的國際專家人員，圍繞LULC分類對應的各項生態系統服務能力重要性進行評級（圖3）。在收集了各個專家的評分后，對所有分數通過平均意見分數法（Mean Opinion Score，MOS）進行了最小—最大標準化，并通過計算得到了不同類型LULC對應的每項生態系統服務重要性評級量表。為了驗證結果的可靠性，對每類LULC對應的生態系統服務平均評級與各評級的標準差進行回歸分析，為測算研究區域綜合的生態系統服務供需水平提供了科學驗證結果[34]。

圖3 按土地利用和土地覆蓋等級劃分的上海生態系統服務重要性分級[34]（源于CICES 5.1）Fig.3 Graded significance of ES (derived from CICES 5.1) by LULC class for Shanghai

2.3 IMECOGIP工具模型的流程構架

IMECOGIP工具模型的設計構思是構建了一個從“知識”到“數據和方法”再到“信息”的邏輯閉環，從而實現了從科研到實踐的應用轉化。通過建立一個基于標準數字底座與工作流的應用操作框架，IMECOGIP工具箱實現了對于多尺度、多背景、多源數據的規范化管理與評測。具體的運行流程為：（1）用戶通過在QGIS平臺上輸入待研究區域的基礎數據，并按照相應要求進行標準化處理；（2）根據項目的不同場景和生態修復的具體需求，在工具箱提供的模型基礎上，用戶可以自行調整對應的參數與公式，從而構建精準化的綜合生態系統服務評測模型（圖4）；（3）經過評測模型的運算，可以得到研究區域的生態系統服務評估結果，結果以空間分析圖和評分圖表的形式清晰直觀地呈現（圖5）。值得一提的是，在圖表展示的評估結果中，大多數模塊參考的土地利用類型是林地，因為其在提供眾多生態系統服務方面表現出最高的水平，因此被賦值為1；其他土地利用方案取值均為對比此方案下的相對數值，賦值范圍為0 ～1。但是用戶可根據基地的具體情況進行調整，然后將偏離默認值的情況記錄在案并說明理由。統一比較基準并進行相對賦值的方法，不僅使得IMECOGIP工具箱的評測結果更加直觀清晰，還方便了同一基地不同方案的遴選。

圖4 IMECOGIP工具箱的生態系統服務價值評測邏輯構架圖Fig.4 Logical framework diagram for ES evaluation in IMECOGIP toolbox

圖5 應用IMECOGIP工具箱對德國波鴻地區進行碳固定生態系統服務價值評估的標準化成果展示Fig.5 Standardized presentation of the results of carbon sequestration ES evaluation in Bochum, Germany, using IMECOGIP toolbox

IMECOGIP工具箱還能實現標準化的數據流管理，針對不同項目背景，首先制定和發布通過統一的數據標準，并結合規則約束、系統控制等手段，對項目的數據，例如文件命名、數據格式、坐標系設置等方面進行規范化處理。再在經過數據標準化處理的項目文件中，導入工具箱的各個模塊并進行運算。標準化的數據流，能夠實現工具箱內部數據的完整性、有效性、一致性、規范性、開放性。統一的數字底座與操作流程，大大減少了IMECOGIP工具箱的基礎數據處理量，提升了后續工具箱內部各項生態系統服務模塊運算，以及成果展示和輸出的處理效率。同時，這不僅為用戶提供了在數據收集與處理階段的步驟與參考，方便其選用工具箱進行生態系統服務的供需評測；同時還允許用戶按照自身需求更改各項參數信息與計算公式，實現針對不同項目各項生態系統服務指標的精準評測。

3 場景：面向中國鄉村生態修復的工具應用

當下中國鄉村地區生態系統服務供需研究不僅針對不同類型生態修復工程中土地利用變化對農業產出、水土調節與鄉村旅游等生態系統服務能力的影響評價[35]，而且開始重視對于生態修復工程綜合性的生態效益（如生產供給、氣候調節、生物多樣性水平提高與美學景觀服務[36]等）的精準評估。通過對鄉村生態空間的生態系統服務能力進行定性與定量的評估，能夠為鄉村空間規劃、生態保護與修復、土地管理和自然資源利用等決策過程提供參考與指導[37]。

3.1 基于中國鄉村生態空間的LULC分類體系構建

土地利用與土地覆蓋類型是IMECOGIP工具箱進行生態系統服務供需評測的基礎。IMECOGIP課題組在德國現有的土地利用分類標準基礎上，結合國土空間規劃、《用途管制用地分類指南（試行）》、《上海市控制性詳細規劃技術準則（2016年修訂版）》，以及《上海市城市總體規劃（2017-2035年）》等政策文件，對以上海為代表的鄉村生態空間中的用地類型與生物群落類型進行了轉譯與識別，即將中國鄉村用地類型分為了森林、濕地、居住用地等13個大類（表2），并進一步細分為135個具體的生物群落類型（biotope type）。

表2 IMECOGIP工具箱針對中國鄉村空間的用地類型分類細則Tab.2 Detailed LULC classification for China rural areas by IMECOGIP toolbox

為了驗證IMECOGIP工具箱在中國鄉村修復場景下的可行性，以上海市金山區漕涇鎮水庫村為例，在2022年的現狀用地與未來規劃兩個場景下，對全村域范圍的生態系統服務價值進行了評測。首先通過遙感影像轉譯與地塊類型識別，得到水庫村2022年的現狀用地數據（圖6）；通過重新定義并分類規劃文件中的土地利用數據，得到水庫村未來的用地規劃圖（圖7）。

圖6 上海市水庫村2022年用地遙感影像圖Fig.6 Remote sensing image of Shuiku Village, Shanghai, 2022

圖7 上海市水庫村未來用地規劃圖Fig.7 Future landuse plan of Shuiku Village, Shanghai

考慮到水庫村是一個以農業用地（agricultural land）為主導用地類型的鄉村，為進一步細化水庫村的農業用地分類，結合目前水庫村中實際的作物類型和耕種信息（圖8），得到了在水庫村用地分類基礎上更精準的生物群落類型數據。同時，通過查閱文獻，整理并計算得到了水庫村現有作物在一年不同月份中的葉面積指數（Leaf Area Index，LAI）以及作物系數（Crop Coefficient，Kc）（圖9）。這些生態空間信息的補充，大大增強了工具箱在具體農業生產場景下評測各項生態系統服務的準確性與科學性。

圖8 水庫村作物耕種時間Fig.8 Crop cultivation time in Shuiku Village

圖9 水庫村作物對應的葉面積指數（LAI）與作物系數（Kc）Fig.9 Crop-specific Leaf Area Index (LAI) and Crop Coefficients (Kc) in Shuiku Village

通過結合水庫村的各項生態基底數據，并運用工具箱提供的生態系統服務評測模型，構建了針對水庫村的冷卻強度、徑流管理以及碳固定的生態系統服務價值評測模型。以評測冷卻強度生態系統服務價值為例，此項生態系統服務的定義為，當額外能量輸入并導致水汽從充分飽和的1 m3空氣中逸出時，該空氣冷卻到的溫度（K）[38]。使用基于能量平衡的方法[39]，確定了基于蒸散量（Evapotranspiration，ET）以及作物系數的計算公式，并以環境溫度（ambient temperature）、生物群落類型、土壤特征（soil characteristics）、以及初始土壤水分狀況（initial soil water conditions）為計算參數，構建了冷卻強度生態系統服務價值評測模型?；谒畮齑?022年現狀及規劃的用地信息，進一步識別了水庫村的生物群落類型，并從上海市氣象局獲取了水庫村的氣象數據。以這些數據為模型運算基礎，成功實現了對水庫村在現狀土地利用方案下冷卻強度生態系統服務價值的評測（圖10）。

圖10 水庫村2022年現狀土地利用方案下的冷卻強度服務評測Fig.10 Evaluation of cooling intensity under the current land use plan in Shuiku Village in 2022

4 總結與討論

IMECOGIP工具箱在中國鄉村場景中的應用成果表明，鄉村土地利用規劃可以結合生態系統服務價值的供需評測，銜接“多規合一”改革，響應覆蓋全域全要素、差別管控的國土空間用途管制體系要求，從而為不同生態空間類型中生態系統服務價值供需失衡的重點區域提出精準化的修復策略。

同時，IMECOGIP課題通過精準識別不同用地分類體系下的生態系統服務供需要求，基于同一個標準的LULC分類體系，將不同應用場景中的用地類型進行了整合和統一。這不僅為不同國家、地區提供了生態數據標準化處理的規則，打破了工具箱在不同任務需求、項目背景下的使用壁壘，還解決了由于計算基準不同，而難以直接進行生態系統服務供需評測結果橫向比較的應用技術難點。

在該課題項目的應用測試過程中，可以看出需要從空間信息格式、評測邊界、工作流程等方面進一步完善研究模型在具體地方性研究場景中的應用。由于中德兩國在具體的用地數據分類中存在一定差異，因此在以土地利用規劃用地類型作為LULC的基礎數據識別過程中，需要將各類型地塊內土地覆被類型細分定義。在研究應用范圍方面，IMECOGIP課題關注了項目范圍內的生態系統服務評測，鑒于生態系統服務流傳遞過程的復雜性與跨尺度性特征，對于研究范圍外的生態服務影響區域尚未納入識別和評測邊界中。相比于德國的鄉村生態修復中較為清晰的專項單元（如土地利用管理、生態環境治理、鄉村景觀和生物的多樣性維護等[40]），中國目前的鄉村生態修復項目具有綜合治理特點[41]，不僅包括農田林網、灌溉排水、坡岸防護和水質凈化等專項工程，甚至延伸到鄉村人居環境改善中的相關基礎設施等綜合整治工程，存在利益主體眾多、涉及專業跨度較大和實施時序不一致的工作機制特點，需要在應用中構建相應的數據標準與結構，統籌基底調查、生態監測等規范文件，滿足相應的工具應用條件。

注：圖1-圖7，圖9-圖10由IMECOGIP課題組繪制，圖8由作者繪制。