生態基礎設施的效益評估綜述

石龍宇 ，尚曉琪 , ，趙洋

（1. 中國科學院城市環境研究所 城市環境與健康重點實驗室，福建 廈門 361021；2. 中國科學院城市環境研究所 廈門市城市代謝重點實驗室，福建 廈門 361021；3. 中國科學院大學 資源與環境學院，北京 100049）

近年來，中國的城市化快速提升，人民物質生活和城市建設也處于高速發展狀態。與此同時，不合理的人類活動加速了自然資源、能源以及基礎設施的消耗[1]，降低城市飲用水安全[2]，城市熱島效應加劇，導致極端天氣頻發[3]，從根本上改變地球氣候系統，影響區域生態系統穩定性、恢復力和可持續性[4-5]。城市越來越容易受到干旱、洪澇、極端降雨等全球環境變化的影響[3,6]，加之傳統的基礎設施大多呈破碎化狀態，物質、信息和能量之間的交互不足，導致如今低品質人居環境與人民高環境質量需求之間產生矛盾[7]。如何實現城市可持續發展逐漸成為關系到經濟社會可持續發展和人類福祉的重要議題。

自19世紀中期以來，學者們對生態系統服務、價值評估及其與人類福祉關系等主題的探討和研究不斷深入[8]。人類福祉的主要來源是生態系統服務，健康的生態系統服務能夠提供食物、飲用水、木材、燃料、肥料等物質資源[9]，也能夠通過物理、生物、化學作用發揮降噪、捕捉空氣污染物、降溫增濕、微氣候改善、滲蓄雨水、改善水質、提供生物棲息地等生態功能，從而維護環境質量[10-11]。在此基礎上，生態基礎設施還能夠提供審美享受、文化傳遞、放松解壓、科學研究與教育等非物質服務，這些效益大多為人類通過生態系統的物質環境間接產生的心理感知與身體反饋，在人類的健康與發展中不可或缺[12]。由自然要素組成的生態基礎設施（ecological infrastructure，EI）在提供區域所需基礎設施功能的同時，還能夠促進健康的城市生態系統[13-14]，增進能量供給與物質流通[15]，有助于人與自然的和諧、穩定、安全，是城市可持續發展建設的必然途徑[16-17]。

隨著人們保護生態環境意識的提高，學術界對生態基礎設施功能和價值分析、規劃與建設及其影響因素探究的研究不斷增加，國內學者對生態基礎設施的現狀、功能服務和實踐應用等進行了總結[18-22]，但較少有學者圍繞生態基礎設施效益評估進行梳理和方法總結，因此，本研究基于文獻回顧，整理了生態基礎設施概念發展、效益評估流程、評估內容及其評價方法，并對效益類型和評價方法進行分類和總結，討論了未來生態基礎設施的研究方向，以促進生態基礎設施效益評估的開展，為生態基礎設施效能改進和提升提供決策依據。

1 生態基礎設施概念與分類

1.1 生態基礎設施概念發展

生態基礎設施概念發展主要經歷了三個階段，首先是從需求出發提出概念，其次是從結構組成發展概念，進而逐步開始融入價值功能拓展概念（圖1）。由于生態環境逐步惡化，1984年，聯合國教科文組織在“人與生物圈計劃”（MAB）報告中首次提出生態基礎設施的概念，并將其作為的生態城市規劃的五項原則之一[23]，2013年“新型城市化的城市生態基礎設施：工程與管理”論壇和2016年可持續基礎設施國際會議進一步提升了學術界對生態基礎設施的關注[24]。學術界中對生態基礎設施的研究是從結構組成開始，認為EI是綠色廊道或是由綠道組成的“綠色骨架”[25]，逐漸有學者加入自然景觀，認為EI是通過綠道走廊連接斑塊從而構成的綠色網絡[26-29]，隨后生態基礎設施的空間尺度被擴大，即由所有空間尺度多功能生態系統的所有自然、半自然和人工網絡構成[30]，Li等[16]將灰色（非生物）景觀以及出口（流出、處理或回收）等人工設施融入綜合網絡中。在概念發展的過程中，有學者也逐漸開始注重生態基礎設施功能與服務的研究，認為其本質是城市所依賴的一切能為城市及其居民提供自然服務的自然系統，與灰色基礎設施共同作用緩解城市氣候惡化[11,31]，Childers等[32]認為具有生態結構和生態功能的所有城市組成均可稱為生態基礎設施，韓林桅等[22]認為生態基礎設施是保持、改善和增加生態系統服務的條件和過程。生態基礎設施結構組成隨著概念的發展也逐漸豐富，由單一的綠道逐漸拓展到多尺度、多種類型基礎設施組成的網狀結構，然而至今其概念未形成統一的界定。與生態基礎設施類似的術語有綠色基礎設施（green infrastructure）、城市綠地系統（urban green system）、基于自然的解決方案（nature-based solutions）、海綿城市（sponge city）、可持續城市排水系統（sustainable urban drainage systems）等，這些術語大多側重研究某一種或幾種生態環境要素（例如水、綠地等），或者僅考慮某一個環節（例如源頭控制、末端治理等），缺乏從生態環境要素與城市基礎設施相關聯角度的綜合研究。因而本研究認同韓林桅等學者的定義[22]，生態基礎設施是保持、改善和增加生態系統服務的條件和過程，條件指生態基礎設施作為生態系統的組成要素和結構，過程指生態基礎設施作為生態系統在物質循環和能量信息流動過程中提供的生態系統服務，如水質凈化、降溫增濕、氣候調節等功能。

圖1 生態基礎設施概念研究進展

1.2 生態基礎設施分類

當前生態基礎設施研究主要針對“綠色生態基礎設施”“藍色生態基礎設施”“藍綠色生態基礎設施”“水生態基礎設施”“濕地生態基礎設施”等類型開展，其中，水生態基礎設施與部分藍色基礎設施和藍綠色基礎設施所涵蓋范圍一致，藍綠色基礎設施則包含濕地生態基礎設施。為更清楚地區分生態基礎設施類型，本研究基于Childers等[32]的分類方式，結合當前生態基礎設施現狀，從生態結構和生態特征出發將生態基礎設施劃分為綠色、藍色、藍綠色和棕色四類，分別對應陸地生態特征、水生生態特征、陸地水生綜合特征和為開發利用四種生態基礎設施。其中，綠色基礎設施包括綠地、廊道、森林和城市公園等較為常見的綠色區域空間，綠色屋頂、社區花園、植草溝等低影響開發也是綠色基礎設施的范圍內[16,33]，藍色生態基礎設施指諸如溪流、河流、湖泊、水庫、池塘等開放地表水體[34-35]，藍綠色基礎設施則包含自然和人工濕地[32]，歐洲地區也常用藍綠色生態基礎設施表示城市可持續的雨洪管理設施[36]，本研究認為濕地和藍綠色生態基礎設施兼具陸地和水生特征，因而將生物滯留池等雨洪管理設施與自然和人工濕地一起劃為藍綠色基礎設施，而棕色基礎設施則包括未開發利用的空地、休閑農業用地、沙地等以土壤和沙地為主要組成的空間[32]。

2 生態基礎設施效益評估

多樣化組分和結構決定了生態基礎設施能夠提供調節、供給、支持和文化（或信息）四類服務[37-38]，其通過調節、支持和供給服務實現生態系統內部及外部的物質循環與能量傳遞，維持生態系統平衡，通過調節、文化和信息等服務對社會經濟和人類身心健康等產生直接或間接的影響[25]，使人類直接或間接獲得生態、社會經濟等效益[8,39]。結合已有研究，本文將生態基礎設施效益定義為生態基礎設施保持、改善和增加生態系統服務的條件和過程中產生對環境、社會和人類的正向影響[29,40]。與效益評估類似的表達還有價值評估，兩者都是對生態基礎設施的一項或多項生態系統服務或效益的量化與評價[41]，但后者多采用價值量方法衡量其效益情況。效益量化是生態基礎設施效益相互影響關系及其影響因素等研究的基礎性工作，而由于生態系統結構及其相互作用具有復雜性，如何科學有效地量化生態基礎設施效益這一問題仍未得到解決[42]，因而探究生態基礎設施效益評估具有長遠意義。

2.1 生態基礎設施效益評價內容

實際上，在城市規劃建設中，在不同尺度上各類基礎設施并非完全剝離，而是相互組合，共同作用?；谝延行б嬖u估的研究，從效益作用對象出發，本研究將效益類型分為生態效益、社會經濟效益、心理效益，涵蓋了生態基礎設施對生態環境、社會經濟和文化以及人類三方面產生的影響，范圍更廣。

2.1.1 生態效益

以王效科等[40]提出的生態效益的狹義概念為準，即生態系統及其變化改善人們生存和生活生產環境的效益，尤其是在大氣、水、土壤等環境中促進物質循環和傳遞。例如綠色廊道、森林等綠色基礎設施提供遮陽庇蔭、防塵降噪、水源涵養等功能。在地球生物化學循環中，植物能夠捕捉空氣中的二氧化碳和污染物，進行碳儲存與碳吸收，改善空氣質量，還能降溫增濕，提供舒適的氣候條件，降低建筑溫度從而減少能源消耗[11,43]，還能保持土壤肥力，預防土壤侵蝕[22]。雨水花園、生物滯留池等雨洪管理設施能夠截留和滲透雨水，補給地下水的同時降低洪峰流量，緩解河流和洪水風險，過濾、沉淀和生物降解減少水中污染物[44]。此外，不同的生態基礎設施還為動物提供了更適宜更多樣化的棲息地，維護物種多樣性，提高生態系統的韌性和穩定性[45-46]。

2.1.2 社會經濟效益

社會經濟效益則注重生態系統對社會需求和經濟發展的影響，較為常見的是農產品、林下產品、木材、淡水資源等物質供給和環保教育、地方文化、特色園藝等非物質文化產物[47]，這些效益能夠促進地方社會發展和經濟產業結構優化。研究發現生態基礎設施的建設不僅為城市居民提供了更多鍛煉、運動和休閑娛樂的場所，其附屬的生態效益還間接提高了住宅和區域的經濟價值[7,48]。

2.1.3 心理效益

隨著社會和科技的快速發展，生活品質和精神滿足取代物質需求，成為人們新的追求目標，人類從與生態系統接觸中能夠獲得文化、心理和其他非物質效益，這對人類的身心健康影響逐漸深入[9]。研究發現綠化程度更高的城市或社區居民人們的健康觀念更高，心臟代謝狀況更好[49]，心理困擾和患精神疾病風險更低[35,50]，藍綠色空間對居民的抑郁和焦慮等心理健康具有潛在保護作用[51-52]。閑置地塊和沙地作為一種特殊的景觀，也能夠提供審美價值和休閑娛樂的功能[53]，從而使人身心放松，釋放壓力。優美空曠的環境在視覺上令人舒適和愉悅，也通過促進人們運動鍛煉[54]，從而保持身心健康，釋放壓力。

在已有研究中，大多數研究集中在地球生命支持系統的生態效益和經濟效益上，近年來逐漸增加了對社會文化服務效益的關注，而在生態基礎設施對人類心理健康的影響方面，仍關注較少[55]。

2.2 效益評估框架

生態基礎設施的效益隨著組分結構及其生態系統服務能力變化而變化，具有多樣性和動態性，因而開展效益定量評估需要明確的評價框架來進行規范和指導。美國和德國較早開展了生態基礎設施實踐應用，并通過監測社區地表徑流量、峰流量和水質的變化評價生態基礎設施效益，反映城市雨洪改善情況，此外還頒布了指南和法律指導以激勵公眾積極參與生態基礎設施建設[56-57]。澳大利亞和新加坡則開發了WSC指數工具和ABC水計劃，設定了明確的城市雨水管理大目標、細分評價指標及具體的評價方法以進行雨洪管理設施效益評價[58]。自2014年起，中國住建部也陸續頒布了海綿城市建設技術指南和評價標準，詳細規定了海綿城市和低影響開發建設的技術標準和績效評價方式，以規范工程建設。在學術研究方面，Fu等[59]基于情景的規劃支持系統提出了一套綜合指標評價體系，并將評估過程嵌入城市韌性規劃支持系統中的綠色基礎設施績效（GIUR-PSS）評估體系中，評估不同綠色基礎設施提供的效益。

結合國內外學者的案例研究，本研究將生態基礎設施效益評價框架總結為以下步驟：（1）分析生態基礎設施及其周圍生態環境現狀，將其復雜的生態系統服務轉化為有限的效益[8]，確定評估目標和評估內容。（2）明確效益評估的類型，即效益分析是否考慮生態基礎設施的時間效益和投入成本。生態基礎設施的效益產生是持續性的，而長時間穩定的效益產生需要管理成本，因而評價前應明確效益評估類型為總收益（即只估算EI帶來的生態系統服務價值）、凈收益（即估算EI某時期成本與收益總和）、還是實際收益（即在凈收益的基礎上考慮折現率）。（3）基于前兩步，選取適當的評估方法、評價原則和指標，從而便于定性或定量化開展效益的評價。（4）分析效益并提出建議對策。依據評價指標獲取信息和數據資料，按流程進行效益評價，最終根據分析結果和評價目標對生態基礎設施提出建設或改進建議。

2.3 效益評價方法研究進展

評價方法的選擇決定著效益量化的結果，各評價方法對不同規模尺度和不同效益類型的適用性不同。目前，生態基礎設施效益評價從效益相關者角度可以分為兩類，一是從效益供給方出發，即生態基礎設施本身具有的功能和產生的效益，二是從受益者角度出發，即生態基礎設施對城市居民、社會經濟、產業發展等方面的影響。評價方法以定量為主，定性為輔，各方法適用范圍和評價側重點有所不同。

以效益供給方角度出發開展效益評價的研究較多，從生態基礎設施的生態組成和生態過程定性分析不同尺度的效益類型[60]，或運用物質量和情景模擬的方法量化效益大小，InVEST模型、i-TREE模型、CITYgreen模型、地理信息系統、市場價值法、功能價值法、當量因子法、能值分析和數學模型等方法都是常見的定量分析方法。InVEST模型通過情景模擬分析各類生態基礎設施水源涵養、固碳降溫、產品供給等生態和社會經濟效益[61]。CITYgreen模型和i-Tree模型主要用于評價樹木、森林的空氣質量改善、降雨截留、碳吸收和碳儲存、水質改善等生態系統服務功能[62-64]。Manuel等[65]運用GIS工具從滲透能力、葉面積指數等指標構建總綠地因子計算方法，從而評價生態基礎設施在城市防洪和降溫的效益情況?？讝|升和張灝[66]運用功能價值法評估張掖黑河濕地的洪水調蓄、固碳釋氧、旅游休閑、氣候調節、物質生產等生態服務功能價值?；谑袌鰞r值法的功能價值法和當量因子法相似，但前者核算自然資源實物量，后者則核算生態價值當量[67]。Nowak等[68]從葉面對大氣污染物的吸收和攔截作用出發運用數學模型計算了美國城市樹木在去除O3、PM10、NO2、SO2、CO方面的效益。Wang等[69]運用生命周期法從能量流動角度對屋頂綠化、綠道和樹林的環境性能進行評價，發現其主要在使用和維護階段節能以改善環境。同樣地，有學者運用系統動力學方法評估了七種生態基礎設施全生命周期的能值變化，對比分析其海洋富營養化、全球變暖潛能值等環境績效和經濟成本[70]。

生態基礎設施受益者主要分為城市居民和社會環境兩個維度。問卷調查是了解城市居民從生態基礎設施中受益情況的常用方式，調查了解居民滿意度評分或支付意愿量化效益價值[71-75]，從而了解居民對效益的偏好、關注和感知狀況，評價大多關注身體健康、心理健康、美學和放松釋壓等功能。國外有學者調查了智利、法國、德國、葡萄牙、西班牙等城市居民綠地效益感知狀況，采用最大差異測量法分析調查結果發現不同城市、不同社會文化背景的居民對景觀、綠地等生態基礎設施的效益價值感知和評級不同[71-72]。有學者采用支付意愿的方式評估美國某鎮森林設施的經濟價值，結果發現游客們更愿意為保護和增加森林的休閑娛樂和土地利用價值支付費用[74]；Derkzen等[13]調查了鹿特丹兩個社區的居民對家庭、社區、城市三個維度的生態基礎設施在城市降溫、防洪、空氣凈化、休閑娛樂和審美方面的效益感知，從而分析居民對藍色和綠色生態基礎設施的偏好。Jim & Shan[76]運用多元方差方法分析，發現中國廣州不同社會經濟狀況的居民對綠地的環境、經濟和社會效益的感知有顯著差異，但總體上人們更加關注綠地對家庭和個人健康的影響。Yuen & Hien[50]訪談了新加坡居民對屋頂花園的感知，發現人們更關注美學、美化環境和休閑放松的效益。

社會環境維度的效益評估通過計算社會經濟、生態環境質量等方面代表性指標，結合外在因素的變化，運用綜合方法間接分析生態基礎設施的效益及其影響。常見的方法有SWMM模型、市場價值法、灰色系統、層次分析法等。付喜娥[77]運用模擬市場法中的條件價值法估算消費者對蘇州某景區生態基礎設施支付意愿和接受補償意愿，構建回歸模型分析影響因素以探究提高其社會效用的途徑。Yang等[78]基于等時線和SWMM模型分析海綿城市建設前后降雨徑流過程，評估生態基礎設施在控制雨水方面的表現。改進的灰色系統模型和層次分析法相結合可以基于監測數據評估海洋、流域等大尺度生態基礎設施的物質轉化、水質凈化、提供棲息地、生物多樣性等生態效益[62,79]。

目前，國內外從效益供給方評估效益的方法和研究相對較為豐富、成熟，評估內容和效益類型較為全面，量化的結果更適用于對比分析不同生態基礎設施的效益情況，但大多評估方法易受到參數設置、模型選取和數據需求的影響。從受益者角度評估的方法受主觀性影響更大，調查對象的選擇、范圍和樣本量對評估結果都會有較大影響，但當樣本量具有一定代表性時，評價結果一定程度上能夠反映居民對生態基礎設施的感受及生態基礎設施對居民、社會經濟和生態空間等方面的影響。然而所有的評估方法均在指標這一環節存在較強的主觀性影響，且該主觀性的影響隨著效益研究內容的增加而增大。本研究對常見的效益評估方法、評價內容及局限性總結如表1所示。除了本研究總結的方法外，學者們仍在不斷開發和改進生態基礎設施效益評估方法，如Multi-Hydro分布式降雨徑流模型[80]、機器學習與RHESSYS水文模型結合[81]、維也納綠色和開放空間因子（GEF-V模型）等方法也可以用于評估生態基礎設施某一項或多項效益[82]，以提高評價結果的有效性、可靠性和適用性。

表1 生態基礎設施效益評估方法及其分類

3 總結

社會經濟的快速發展促進人們對精神文化需求和生活質量要求劇增，但粗獷的生產和建設方式也導致城市環境污染與生態破壞，兼具生態、社會經濟和心理效益的生態基礎設施是緩解該矛盾的途徑之一，科學有效的效益評估更是推進國內生態基礎設施實踐應用的基礎。通過對國內外生態基礎設施研究的回顧，從需求、結構組成和功能三個層次梳理了生態基礎設施概念的發展過程，基于已有研究將生態基礎設施劃分為綠色、藍色、藍綠色和棕色四類，并結合各類生態基礎設施的特點將效益內容劃分為生態效益、社會經濟效益和心理效益。當前研究大多關注其生態效益和經濟效益，近年來對社會效益的研究逐漸豐富，對居民心理效益方面的關注也有所增加。此外，本研究對常用的效益評估方法進行總結，并根據評價角度將其分為效益供給方和受益者兩個方面，研究發現各方法在一定程度上都會受到主觀性的影響，而不同角度在指標選擇、參數設定、數據資料和模型設定等方面的影響程度不同。生態基礎設施效益評估研究的梳理為今后生態基礎設施效益評估拓展和應用提供了工作基礎，也為海綿城市、宜居城市的規劃者和決策者提供支持。

4 研究展望

生態基礎設施既能夠保障社會發展，提供人類福祉，也為生態系統穩定、生物多樣性提供了支持，有助于建設高質量的人居環境，為 “以人為本” 的可持續城市建設提供了新思路。盡管生態基礎設施相關研究較為豐富，但在效益評估研究與城市實踐應用方面仍有待推進，基于前文分析，本文提出以下發展方向：

（1）挖掘多尺度、多類型的生態基礎設施的效益，加快評估方法綜合化、標準化。生態基礎設施的組成結構與組分比例和規模決定了其效益內容和大小，除了當前已有較多研究的生態和社會經濟效益，各組分之間也會相互影響，從而產生更豐富的協同效益或互斥作用，例如園藝型的生態基礎設施對于城市居民具有更強的審美作用和放松釋壓等心理效益，且不同植物類型組合可能會降低農作物產量等負面影響，而質量低下的生態基礎設施會阻礙其對生態系統服務的調節[60]。因此深入研究不同尺度、不同類型生態基礎設施的效益有助于推進生態工程的實踐應用。此外，復雜的效益需要綜合性、標準化的評估方法，這將有助于對比分析不同類型生態基礎設施效益情況，從而促進高效的生態基礎設施的規劃和推廣，推進可持續城市建設。

（2）逐步完善生態系統服務監測技術與體系，提高效益評估的有效性和可靠性。生態基礎設施的現狀分析和基礎數據會在較大程度上影響效益評估結果，無論是模型模擬的參數設定還是物質量和價值量的模型計算，基礎而全面的生態數據有利于研究生態基礎設施在空間上的異質性。同時，實時數據還能夠為模擬模型的參數校準提供依據，降低評估中的主觀性。因此，運用現代化、精準的傳感器監測生態基礎設施在大氣、水、土壤和植物等方面的指標，運用物聯網和大數據等技術實時傳輸和儲存信息，形成具有綜合性、持續性、實時性的生態基礎設施監測數據庫，為更科學的生態基礎設施效益評估提供可能，也為可持續性城市建設提供數據支持。

（3）為實現“以人為本”“人民滿意”的城市，規劃者和決策者應更關注城市和居民對生態系統服務的需求和偏好，實現供需平衡，促進公眾參與。城市化過程中，人們對生活品質和精神文化的需求隨著生活水平的提升而提高，建設宜居城市不僅需要考慮城市發展規劃，更需要關注城市的主體——居民在物質和精神各方面需求。充分發揮生態基礎設施對環境問題改善、城市可持續發展建設和居民生身心健康等各方面的效益[35]。決策者應基于生態學原理分析建設區域附近居民對環境現狀的感知與城市建設的需求，進而設計相應規劃和建設目標。這將為生態基礎設施的設計與規劃提供更合理的決策支撐，也助于實現居民生活、社會發展和生態環境的供需平衡，提升居民在城市建設中的參與感與積極性。