生态系统服务(ES)是指生态系统与生态过程所形成及维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用, 包括对人类生存及生活质量有贡献的有形产品和无形服务^[1], 是衔接城市居民生活福祉和生境斑块自然生态过程的核心概念^[2]。在所有ES类型中, 与水相关的ES(WES)对人类的生存和福祉最为重要^[3]。WES是指河流、湖泊、湿地等水生态系统及其生态水文过程为人类提供的直接或间接惠益^[4]。绿色基础设施(GI)是国家的自然生命支持系统：区域尺度, GI被视作相互连接的绿色空间网络, 包括“水道、湿地、森林、野生动物栖息地和其他自然区域, 绿道、公园和其他保护区域, 农场、牧场和森林, 荒野和开敞空间等”^[5]；城市与社区尺度, GI包括城市公园、社区花园、屋顶花园、小型水体和溪流、雨水花园、渗透沟渠、可渗水铺装、屋顶绿化等^[4]。作为区域与城市景观空间的重要组成^[6], GI不仅提供了休闲娱乐、维持身心健康、生态旅游与审美体验等多种文化服务^[7], 也提供了雨水调蓄、水质改善、地下水回补及生境维持等重要WES^[8]。相比生态基础设施, GI更加关注人在开放空间中的需求及所获得的惠益。然而, 绿色基础设施水生态系统服务(GIWES)供需间存在明显的时空异质特征, 导致WES从产生到受益的传递过程具有空间错位效应与时间滞后效应, WES的潜在供给向实际供给转化低效, 人类实际享用的WES有限^[9—11]。如空间上, 人口密度高的城市建成区水文化服务低供高需, 而人口稀疏、生态空间充足的区域则面临高供低需的问题；时间上, 淡水补给与洪水调蓄服务从供给区到受益区, 具有时间滞后效应。

目前, GIWES供需识别、测度及空间化研究散见于ES相关文献中, 针对GIWES的系统性研究较少。理论研究方面, 江波等^[12]阐述了ES供需内涵、供需耦合途径, 及供需耦合研究对流域水生态系统管理的启示。颜文涛等^[4]对GI洪水调节服务的供需内涵、主体构成及尺度关系进行了梳理, 总结了供需测度方法, 并构建了理论分析框架。实证研究方面, 刘颂等^[13]在城市尺度上利用WES供需关系矩阵法, 分析了嘉兴市水文调节服务的供需时空分异特征。Peng等^[14]对珠海市7项WES供需进行量化评价与均衡分析, 将林地、水田与鱼塘等供给能力强、供需匹配状态较好的区域作为城市生态用地优先保护区域。本文系统梳理了GIWES的供需概念内涵、评价内容、方法以及均衡分析方法, 并针对目前研究存在的不足, 提出了未来研究展望。研究有助于识别GIWES供需时空特征, 促进GIWES供给向人类福祉需求转化和供需均衡, 为WES导向下的GI规划、设计与管理提供科学依据。

1 相关研究进展

首先, 以“绿色基础设施”、“水生态系统服务”与“供需评价”等相关概念为主题进行专业检索, 获取中国知网(CNKI)与Web of Science(WoS)数据库中GIWES供需评价的相关文献。CNKI中检索文献共计398篇, 时间跨度2003—2022年, WoS中检索文献共计93篇, 时间跨度2010—2022年。其次, 利用Citespace.5.8.R1对检索文献进行分析得到中英文关键词共现与聚类分析图谱(图 1—2)。

国内研究呈现：(1)对GI价值量化与管理保护研究较多, 自2013年InVEST模型应用于ES评价起^[15—16], GI物质量化研究呈上升趋势。(2)早期研究多关注湿地、河流与森林等区域尺度GI, 自2013年西安市绿地ES及空间格局研究起^[17], 对城市绿地、公园等城市与社区尺度GIES的关注持续上升。(3)2015年起, 绿地生态网络建设^[2]、流域规划管理^[11]、GI规划^[18]与生态网络构建^[19]等关键词出现, 研究更加关注不同尺度下如何耦合人类社会发展与自然生态系统以促进生态空间优化。(4)对屋顶花园、透水铺装等小尺度GIWES的研究较少。国外研究呈现：(1)有关GIES量化评价-供需均衡分析-规划设计的研究框架较多。(2)对GI的雨洪调节服务研究较为深入, 研究对象多为城市绿地、雨水花园与屋顶农业^[21]等城市与社区尺度GI。(3)注重GI在城市可持续发展与生态韧性方面的应用, 如运用基于自然的解决方案对城市GI进行规划设计以缓解城市水问题^[22—24]。国内外研究呈现出如下共性：(1)WES分类研究多基于水生态系统功能、过程、类型与人类最终收益等进行探讨^[25]。(2)持续关注气候与土地利用变化影响下WES变化特征及保护管理措施。(3)在ES供需评价与GI规划设计相结合方面取得了初步进展, 但多数研究仅考虑单项WES评价指标, 系统梳理GIWES的研究并不多见。

2 概念内涵、评价内容与方法 2.1 概念内涵

如表 1所示, GIWES包括四大类、八中类服务类型^[26]。根据ES供需相关研究^[27], GIWES供给主要指由不同尺度的GI所提供的水资源、水产品及与水相关的ES, 由实际供给、潜在供给和总量供给构成。GIWES需求主要指人类对不同尺度GI所提供的水资源、水产品及与水相关的ES消费与使用, 由实际需求、潜在需求和总量需求构成。

2.2 评价内容与方法

如表 2, GIWES供给评价多集中在区域、城市和流域尺度, 测度单元包括土地利用单元、流域/生境等环境单元、行政单元或栅格单元等。供给评价需明确不同类型的评价指标, 筛选评价模型, 进行数据收集、计算与模型模拟。所需基础数据包括土地覆盖/土地利用、土壤属性、气候与降水、环境基础设施等。GIWES需求评价可通过不同维度体现：一是经济维度, 指直接或间接的使用、消费或从生态系统服务产品及服务中获益；一是社会维度, 通过人的愿望、偏好或需求来体现^[32]。因此需求评价常用的指标包括消费、偏好、感知或经济价值指标等。对于水的供给服务需求通常基于直接使用和消费进行量化^[33]。对水调节服务的需求量化常用社会和经济对生态系统状态潜在变化的暴露和损害进行表示^[34—36]。对水的支持服务和文化服务的需求多用偏好和价值属性来表示。

2.2.1 调节服务

调节服务供给评价包括雨洪调节、水质净化及水土保持等。较多研究利用SWAT、KINEROS、STREAM等水文模型, 通过模拟截留、入渗和地表径流等水文过程评价调节服务^[34—36]。如Wang等^[37]应用SWAT模型量化评价了流域尺度下GI的水质净化、水土保持、洪水调蓄的服务供给。也可利用土地利用矩阵评价法, 如Cai等^[38]邀请专家对不同土地覆盖类型的三种调节服务打分, 通过整合土地覆盖类型分值与面积评价调节服务供给。也可以结合上述两种评价方法, 如Stüerck等^[36]利用STREAM模型结合地形、降雨、土壤、植被等计算洪水调节的实际供给, 利用情景分析结合土地覆盖、土地利用与管理等计算增强的调节服务作为潜在供给；Nedkov等^[34]利用水文模型KINEROS和AGWA计算流域尺度内洪峰河流流量和不同土地覆盖类型调节洪水能力的数据, 结合专家经验、土地利用等, 对洪水调节ES供给进行量化和制图。除此之外, 运用经验统计模型法、生态模型中的InVEST与ARIES等也可对调节服务展开评价。如Wei等^[39]在流域尺度运用水土流失方程、水量平衡方程量化水土保持、水量调节等服务的供给；Gaglio等^[40]利用InVEST模型量化模拟了自然保护区单元内的水调节服务供给。

调节服务的需求评价多针对于雨洪调节、水质净化。主要评价方法为问卷调查法、土地利用矩阵评价法和经验统计模型法。如Castro等^[41]利用问卷调查法收集受访者对美国中南部的凯厄米希河流域ES的重要性排序, 以此衡量流域内调节服务的需求。Cai等^[38]基于专家对水土保持、洪水调节和水质净化服务的需求评分, 结合土地覆盖面积量化ES需求。Stüerck等^[36]利用洪涝灾害的敏感性区域作为洪水调节服务需求的空间指标, 以损害估计模型(DSM)和GDP损失作为服务需求。除上述方法之外, 亦可选择特定指标如不透水铺装比例^[42]或根据数字化高程模型与土地利用数据^[34]来评价雨洪调节服务的需求。

2.2.2 供给服务

供给服务主要为淡水的补充与供给, 评价指标包括地下水回补量、产水量、水的可再生能力等, 测度单元包括流域、行政单元尺度等。水文模型评价法应用较多, 如Wang等^[37]、Chen等^[43]运用SWAT模型对流域产水量进行估算；Quintas-Soriano等^[35]用APLIS模型模拟维持水基流量的潜在含水层补给；Boithias等^[44]、Kroll等^[45]通过土壤覆盖类型、降雨量、植被蒸腾量、环境流量、土壤特性等指标计算人类可获得的水供给服务；Karabulut等^[46]利用水的可再生能力衡量水的供给服务, 指标包括地表水资源、可获取的绿水、地下水资源回补量等。除此之外, 还可应用生态系统服务模型评价法对GI的水供给能力进行评价。

供给服务的需求评价指标为需水量, 通过经验统计模型估算用水量表征淡水供给的需求。如Karabulut等^[46]利用水的使用衡量水供给服务的需求, 指标包括公众用水、农业用水、畜牧业用水、能源用水、工业用水、环境基流需要、实际的绿水消耗等。也可以利用土地利用/土地覆被数据矩阵评价法对供给服务的需求进行量化。如Chen等^[43]利用延河流域的土地利用数据和农业、工业、生活、林牧渔业和畜牧业的年用水量统计数据, 建立土地利用类型与用水量之间的关联, 评价和绘制与土地利用变化相关的供水服务需求。除此之外, 社会文化偏好评价法亦可衡量公众对流域内淡水供应的需求^[41]。

2.2.3 支持服务

支持服务主要指水在维持滨水生境与野生动物多样性方面的服务, 可用滨水生境评价表征服务供给, 测度单元为生境单元。利用InVEST模型中的生境质量模块对栖息地环境质量进行评价^[39], 或运用BCI模型模拟受威胁物种的保护水平表征栖息地维持质量^[42]。也可利用生态位模型(MaxEnt)对未知区域的物种分布概率进行预测, 表征物种分布的适宜程度^[47]。此外还可利用山地河流生境快速评价模型^[48]、城市河流滨岸带生境综合指数^[49]等生境评价模型展开评价。支持服务的需求评价主要集中于对动植物栖息地的需求, 测度单元多为流域/生境等环境单元尺度, 评价方法主要为问卷调查法。如Wei等^[39]利用问卷调查法获取栖息地支持服务在所有ES中的重要性占比, 表征利益相关者对于该服务的需求水平。

2.2.4 文化服务

与水相关的文化服务包括游憩、审美、教育及心理疗愈等。主要评价方法有土地利用矩阵评价法和货币价值评价法。如Egarter等^[50]以美学体验为例, 利用基于专家的土地利用矩阵分析表征意大利Puez-Geisler自然公园的文化服务的供给潜力。Kulczyk等^[51]提出游憩服务的供给包括环境基础(景观、固有景观潜力、服务景观潜力)和支持要素(休闲娱乐服务设施), 识别、标记了马苏里安湖27种基于水的游憩服务类型并量化了货币价值。除此之外, 还可利用休闲游憩潜力、可达性等指标评价文化服务供给^[52]。

需求评价内容侧重于对审美、游憩活动的需求, 可采用公众美学偏好^[52]、开展水资源活动的意愿^[51]以及到访率来表征对水文化ES的需求。评价方法以问卷调查为主。如Vierikko等^[53]通过面对面半结构化访谈的方式研究了芬兰万塔市的Kuusijarvi湖泊夏季和非夏季游客对于水文化服务不同的游憩需求。Assmuth等^[54]以赫尔辛基大都会地区为例, 由不同部门的12个专家采用“角色椅”法对12个人群亚类进行观察分析, 从游客的角度考虑了不同人群对蓝色基础设施的娱乐使用需求。除此之外, 还可通过问卷调查获取受访者对提高河湖水水质, 以进行游泳、划船或钓鱼等活动的支付意愿, 由此反映出的社会偏好, 常被用于绘制ES需求图^[55]。

2.3 评价方法优缺点对比与选取原则

如表 3, GIWES供需评价方法可分为生态模型法、价值评价法、参与调查法和经验模型法。生态模型法能够较好的揭示生态机理, 模拟生态过程, 基于环境图层与参数对生态功能进行定量评价, 反馈运算过程并将数据结果可视化。然而该方法所需数据量较大, 数据处理过程较为复杂, 评价结果易受模型内部算法与经验参数设置影响, 模拟结果的验证方法不足。价值评价法操作较为简单, 可评价供需双方, 评价结果无量纲差异, 便于比较, 适用尺度较广。参与调查法能够较为真实的反映公众的需求水平, 但耗时费力, 具有主观性影响。参数模型/公式方法简单易操作, 所需运算数据类型相对较少, 但对生态功能与生态过程的表征较差。

通过梳理归纳傅伯杰等^[56]、姜芊孜等^[57]、陈尚等^[58]学者关于ES评价体系设立原则的研究结果, 针对评价方法选用提出如下4项原则：(1)可操作性原则。对目标测度服务的评价科学合理, 评价方法操作便捷, 量化过程数据可获取并具有权威性, 量化结果客观性强。(2)可对比性原则。便于对比不同测度服务类型、相同服务类型供需的量化结果, 可对GIWES的区域差异与不同GI类型的WES差异进行探究。(3)尺度适宜性原则。适用于相应的研究区域尺度。(4)可推广性原则。评价方法选用与组合可形成范式, 易被大多数人理解应用。各评价方法关键参数的确定应基于研究区域的生态特征, 尽可能与生态功能、过程相贴合。

3 供需服务均衡分析

WES供需均衡分析包括动态与静态分析^[43]。生态系统服务流(ESF)是ES供需动态均衡分析的重要途径, 可反映ES在不同空间尺度下的传递时间、方向、速度、依托载体与ES受益区可获得的最终服务量^[70]。该特征量将ES产生区(SPA)与受益区(SBA)联系起来, 对ES转移规律进行分析, 揭示供需动态均衡状况。空间分布式模型可直观反映ES传递过程, 但所需数据较多, 测算过程存在一定困难^[71]。

供需静态均衡分析包括数量与空间均衡分析。数量均衡分析有数学模型法与统计图法。数学模型法应用较多, 主要利用数学公式对栅格数据进行计算。(1)相对极差/偏差法：利用供需差值除以供需最大值的平均数计算供需服务偏离程度, 基于结果划分为盈余、赤字、平衡三类状态^[72—73]。(2)差值法：将供需服务栅格数据结果直接作差反映供需均衡状况^{[38, 74]}。(3)比值法：将供需比值结果作为识别供需差异的基础^{[43, 75]}。由相对极差/相对偏差公式计算得出的供需均衡数值无量纲, 能够将值域控制在-2—2范围内, 便于供需等级划分；差值法对价值评价法与专家评价矩阵法较为适用, 基于价值评价法的差值计算可体现供需价值差异, 结果通俗易懂, 可为管理者提供决策参考, 基于专家评价矩阵法的供需差值为整数且值域范围为-5—5, 可较为直观的体现各区域服务类型数量供需匹配程度；比值法所得结果值大于0且值域范围较广, 对供需严重不均衡的识别较为方便。若缺少供需服务评价结果的栅格数据, 可运用统计图法如雷达图^[76]、条形图^{[55, 77]}与象限图^[2]等进行供需数量均衡分析。

空间均衡分析可通过ES制图与对比分析法实现。ES制图是利用自然间断点分级法或根据相应阈值将数学模型分析法得出的栅格数据结果划分为不同水平等级, 并将各测度单元与水平等级用不同图例进行表示。该方法可较为直观的反映出研究区不同空间位置的WES的平衡状态。对比分析法需结合供需数量均衡分析结果, 识别各子研究区域内部的服务供需匹配状态, 再将各子研究区之间的供需差异程度进行对比, 快速得出WES供需空间均衡结果。

目前关于WES供需动态均衡分析文献较少, 无法识别SPA、SBA的具体位置, 缺少对ESF传输与变化过程的研究, 在城市生态环境变化情况下无法为维持WES供需动态均衡提供解决措施。关注WES供需静态均衡分析的文献相对较多, 部分研究根据供需主体的数量差异与空间分异特征进行生态空间优化, 为GI的构建提供参照。

4 结论与展望

ES供给与需求是生态学、地理学领域的研究前沿与热点, 随着城市规划、风景园林领域学者对GIES研究的深入, 亟需在供给与需求视角下展开相关理论探讨与实证研究。通过对中国知网与Web of Science数据库进行主题检索, 分析GIWES供需领域491篇相关文献。研究内容方面, 国外注重GI在缓解城市水问题方面的应用, 国内聚焦GIWES价值评价、GI管理保护与空间优化。空间尺度方面, 国外研究集中于城市与社区尺度, 国内聚焦区域与流域尺度, 近年来对城市与社区尺度关注上升。服务类型方面, GIWES系统性研究较少, 已有研究聚焦调节、供给服务, 针对雨洪调节、水质净化、水土保持与淡水补给等服务类型构建了供需评价体系, 但测度指标的合理性与系统性仍需进一步加强。评价方法方面, 多利用生态模型法评价服务供给, 利用问卷调查与经验模型统计法评价服务需求。但生态模型法存在模型参数校正困难、部分服务模拟结果难以验证等问题；问卷调查法适用于小尺度研究范围, 数据结果易受参与者主观性影响；经验模型统计法可整合社会指标数据反映需求总量, 但缺少对利益相关者真实需求的关注。供需均衡分析方面, 数量与空间的静态均衡研究较多, 动态均衡研究有待深入, ESF传递过程的定量研究较为缺乏。

基于上述研究现状与发展动态分析发现, 未来GIWES供需评价研究应从体系构建、供需评价、评价精度、均衡分析与空间优化五方面进一步深入。(1)构建多尺度GIWES供需评价指标体系。针对区域、城市与社区尺度GI, 识别GIWES的供给与需求主体, 构建供需测度指标与评价体系。(2)探索GIWES供需评价的集成方法。目前, 供需评价的涉及方法、尺度较多, 面临整合多种评价结果与方法的困难, 应加强集供需评价于一体的生态模型研发。(3)提高GIWES供需评价精度。对比多个评价方法选取最佳评价方案, 建立标准化的数据收集处理与运算分析流程, 提高地理空间数据、统计数据与监测数据等量化数据的精度, 规范量化数据的插值分析、重采样分析与叠加分析等空间处理过程, 结合研究区域特征修正相关参数。(4)加强GIWES供需动态均衡分析研究。加强对空间分布式模型的研发应用, 实现WES从供给区到需求区动态过程模拟。(5)探索GIWES优化策略。将GIWES供需评价结果纳入不同尺度GI规划、设计与管理中, 探索区域、城市和社区尺度GIWES提升的优化策略。