1. 引言

有关研究表明:到2025年末全球将有超过60%的人口生活在城市里,2050年城市居民将 占70%,随着城市人口的急剧膨胀和建设用地的不断扩张,自然开敞空间的面积大幅减少，环境破碎化愈加严重,城市热岛效应、灰霾效应、雨洪雨污效应及水体富营养化等生态环境问题日益突出，直接影响了城市生态系统服务和人类福祉。因此,加强生态系统复合管理,优化和提升生态系统服务功能,构建可持续的城市生态系统，已成为全球关注的热点和焦点问题。城市基础设施状况是社会生产、人民生活和各种社会活动得以顺利进行的重要物质条件,是城市发展水平和文明程度的重要支撑。城市传统市政的“灰色基础设施”,由交通、市政、环卫以及其它确保工业化经济正常运作所必须的工程性和社会性公共设施构成,为整个城市经济的发展提供了基础条件,对于促进城市经济和其它各项城市事业的发展具有重要意义。然而,灰色基础设施往往是单一功能的设计,例如,河道以防洪为单一目的,被截弯取直和硬化,忽视了基础设施和城市开敞空间的协同与融合,以及它们还应具有的社会、审美和生态等方面的功能,进而严重影响了其对城市的整体贡献。频繁发生的城市洪涝、气象灾害及交通拥堵等现象一次次证实:光靠城市的“灰色基础设施”不仅无法解决城市的复杂问题,还将给城市带来了一系列的生态环境问题,如生态空间隔离、 生物多样性降低、开敞空间不足等。因此,许多城市对传统的灰色基础设施重新审视,适应性和功能复合性的城市基础设施。

城市绿地、湿地、农田、生态廊道等绿色空间具有重要的生态系统服务,对于维持城市生态平衡和改善城市环境具有无可替代的重要作用,越来越受到国内外学者们的关注。20世纪90年代中期,绿色基础设施的概念正式提出, 其核心是自然环境决定土地使用,是人们对自然生态系统“生命支撑”功能的充分肯定。一般认为,GI是由城市内或城市周围的公园、森林、湿地、保护区、绿带、泄洪道或其他生态 廊道组成的绿色网络系统,是基础设施工程的生态化,在雨水调控、防洪减灾、调节气候等 方面发挥着具有重要功能。目前,国内外学者们对GI的规划方法和工程构建方法做了大量研究,特别是在城市屋顶绿化、透水铺装和下沉式绿地等工程应用方面做了深入的实践。研究表明:透水人行道可以减少雨水径流量的70~90%,相当于草坪和林地的透水性能。屋顶绿化能有效降低室温3°C-6°C,不仅缓减城市热岛效应、节约用电,还具有蓄水减排、净化屋面径流污染和美化环境等诸多生态效益。然而,尽管“绿色基础设施”弥补了传统“灰色基础设施”的诸多不足,对于提高城市生态系统服务和生态品质具有一定的作用,但绿色基础设施不能完全代替灰色基础设施,不可摈弃灰色基础设施而独立存在。因此,城市生态系统需要更具复杂性的“生态基础设施”,将无生命的“灰色基础设施” 与有生命的“绿色基础设施”有机整合,形成协同共生、循环再生的基础设施支撑体系,以更好地维持城市生态服务功能的完整性及生命活力。

2.生态基础设施的概念和内涵

2.1 生态基础设施的概念的发展

生态基础设施一词最早见于联合国教科文组织的“人与生物圈计划”年发布的生态城市规划报告中,这里生态基础设施主要指自然景观和腹地对城市的持久支持能力。1990 年代,一些科学家和研究组织提升了生态基础设施的概念和内涵,将生态基础设施分为生态斑块、廊道及基质等3种组分,强调自然环境和生命支撑系统在城市土地利用规划(包括雨水花园、屋顶绿化和湿地等)以及促进环境健康方 面的重要作用。

我国俞孔坚课题组于2002年率先引入“生态基础设施”名词并将其应用于城市规划工作中。研究认为,城市生态基础设施是城市所依赖的自然系统,是城市及其居民持续获得自然生态服务的保障,也是城市及其居民能持续地获得自然服务的基础,这些生态服务包括提供新鲜空气、食物、体育、休闲娱乐、安全庇护以及 审美和教育等。其他学者研究提出了与 EI 概念相关的栖息地网络、生态廊道、绿色通道、 生境网络、环境廊道、生态网络、框架景观、生态结构等。经过二十多年的发展,城市生态基础设施的概念和优势受到越来越多科学家、工程师和决策 者的重视,也逐渐丰富和生态基础设施的内涵和意义。

然而,作为一个崭新的概念,目前的研究更多地停留在概念与定性分析阶段,定量的研究较为缺乏。此外,城市化是一个包括经济、环境、社会和人文等多因素作用的结果,生态基础设施作为其重要的一项内容,应该从多角度多尺度综合考虑,统筹安排,单方面强调生态基础设施建设的做法也不可取。王如松院士认为生态基础设施应包括流域汇水系统和城市排水系统、区域能源供给和光热耗散系统、城市土壤活力和土地渗滤系统、城市生态服务和生物多样性网络、城市物质代谢和循环系统、区域大气流场和下垫面生态格局等。通过城市的水、土、气、生、矿五大生态要素的支撑能力,以及肾(湿地)、肺(绿地)、皮(地面及建筑物表面)、口(资源和废 弃物进出口)、脉(交通和水系)五类生态设施的服务功能,维持城市生态系统的活力和可持续性。城市生态基础设施是肾、肺、皮、口、脉在生态系统尺度上的有机整合,为城市生产、生活活动提供必要的生态服务。

2.2 生态基础设施相关概念辨析

生态基础设施、灰色基础设施、绿色基础设施及生态网络等概念的内涵、关注点有很大不同,但相互之间存在一定的联系。灰色基础设施是一种完全人工化的刚性基础设施,往往成本较高,且仅具有单一功能。与灰色基础设施相比,绿色基础设施是以自然环境为基底的 生命支撑系统,更具灵活性和功能复合性,建设和维护成本相对较低。 生态基础设施将灰色基础设施和绿色基础设施中的各类要素进行整合,进而形成更综合、稳定、可持续的基础设施。作为城市生态系统健康、可持续发展的基本支持系统,城市生态基础设施更强调城市人工子系统与自然子系统之间以及系统各要素之间的相互关联、相互协调和有机整合。因此,生态基础设施汲取了前两类基础设施各自的优点,使整个系统的服务功能趋于最大化。而生态网络指生态系统内生物组织由对抗或共生作用所形成的物种关系网络,强调物种之间的连接和生物多样性的保护。

3. 城市生态基础设施的结构和功能

完善健康的城市生态基础设施为人类生产和生活提供了生态服务的物质工程设施和公共服务系统,保证了自然和人文生态功能正常运行,是社会赖以生存发展的基本物质条件。保障生态基础设施的结构完整性和功能完善性,保证适宜的生态服务用地规模和格局,对于维持城市生态平衡和改善城市环境具有无可替代的重要作用。城市生态基础设施包括肾(湿地)、肺(绿地)、皮(地面及建筑物表面)、口(资源和废弃物进出口)、脉(交通和水系) 五大部分(见图 1)。

(1)肾:包括河流、湖泊、水库、坑塘等湿地和水域。城市湿地被誉为“自然之肾”, 具有城市其他生态系统不可替代的多种生态服务功能,如蓄洪防旱、调节径流、降解污染、 净化水质、保持生物多样性以及娱乐观赏等,是城市生态基础设施的重要组成部分。

(2)肺:包括城市森林、园林绿地、都市农业、绿色廊道、滨水绿地以及立体空间绿化等在内的绿色空间系统。绿地作为城市的“肺”,是城市生态基础设施中不可或缺的重要 组成部分,具有改善城市空气质量、调节小气候、美化城市景观等多种生态功能。

(3)皮:包括软化与活化的城市地表、墙面、路面、河床、堤坝等。经过生态改造 之后,城市原来的不透水地表转变为“会呼吸”的铺装表面,提高了城市土壤存储、调节、过滤和生物质生产等生态服务功能,避免硬化地表的诸多不利影响。

(4)口:主要指污染物排放口及其周边的生态缓冲带和处置设施的还原净化体系的集成化与生态化,包括污染排放、人工处置系统、自然缓冲系统、循环反馈系统。

(5)脉:山形水系是和交通网络是城市生态系统的骨架和经脉。合理和疏通经脉有助于缓解交通堵塞、排水不畅、空气污染等城市生态环境问题。

4. 城市生态基础设施的整合方法

目前,肾功能衰竭、肺功能减退、皮功能失调、肠胃消化不良、经络不畅已经构成了城市生态健康问题。在城市生态系统的尺度,对城市生态基础设施的肾肺皮口脉等组成部分进 行配置和整合能够有效提高其整体的生态服务功能,对于改善城市人居环境和降低城市自然灾害具有重要意义。

4.1 各要素内部的整合

4.1.1 肾：湿地

在湿地生态基础设施的规划和建设中,要加强湿地与河流之间的联系以及各类湿地之间的整合。河流和湖泊之间的联系能够促进水体内的物质循环、能量流动和物种交换,提高 水体的自净能力、调蓄能力、纳污能力......有助于保护城市水生生物的多样性,维护 水生态 系统的完整性。相反,城市河流和湖泊之间的阻塞将直接导致湿地功能的退化和生物多样性的衰退，从而加剧城市生态环境保护和社会经济发展的矛盾。

此外,通过有机整合和合理布局不同类型、不同功能的湿地,充分发挥湿地的多种生态系统服务,对于有效解决城市水体富营养化、洪涝灾害、生物多样性降低等城市生态环境问题具有重要作用。

4.1.2 肺:绿地

目前,大多数城市的绿化重形式不重功能、重数量不重质量,走入形式化的误区,城市绿地破碎化、单调化日趋严重,生态服务功能明显下降。因此,在城市绿地生态基础设施规划中,应当使离散分割的城市绿地通过生态廊道相连接,形成完整的绿色空间网络体系。将城市绿地和湿地相结合,变景观绿地为功能绿地,使绿地的功能从单纯怡神悦目的景观功能向涵养水资源、净化水环境、调节微气候的复合生态功能转化。

4.1.3 皮:城市地表

城市大量的硬化的路面、建筑物表面,沟渠,堤岸严重阻碍土壤和大气之间的物质和能量的交换,改变了能量平衡、水分利用、养分循环、气体交换等典型的生态过程,进而对城市生态系统服务和人居环境造成不同程度的影响(赵丹等,2010)。然而,将硬质的不透水铺装改为透水型铺装,将平面绿化改为立体绿化将有效地降低城市硬化地表带来的负面生 态效益,打破城市“水泥森林”的窘况,进而提高城市生态系统服务和人居环境。

4.1.4 口:排放口

传统的排污系统,如伦敦、巴黎“集中式排污管道”,把城市里所有的污染物、污水全部运到郊区去。当郊区环境承载力足够大时,这种做法确实能够净化和分解一部分废弃物和污染物,但大多时候严重增加郊区的环境压力,导致郊区环境容量严重超载的现象。而新型的 “口”生态基础设施是一种生态净化、处置、循环、再生的系统,通过人工设施和生态设施的 有机结合,达到减量化、无害化、资源化、产业化和社会化。例如,集城市污水、垃圾、粪 便、固体和危险废弃物代谢的运输、储存、净化、处理和循环再生为一体的静脉循环系统, 将单一污染排放转变向生态系统循环,对于减少三废排放量,降低环境污染具有重要意义。

4.1.5 脉:交通主干道及河流水系

山形水系是和交通网络是城市生态系统的骨架和经脉。目前,城市摊大饼的格局已成为 城市化过程中的无奈模式,但也是城市无度扩张的必然趋势。这种格局虽然具有一定的社会经济合理性,反映了紧凑型城市发展的需求,但是生态效率低下,生态服务功能疲软,造成 城市景观破碎、交通拥堵、风水失调等问题,并导致了一系列的“城市病”。因此,未来的城 市发展必须从功能上进行调整,打破板结的“大饼”格局,疏浚、活化城市人、物、气、水的 流通网络,特别是城区的风道、水道、交通和静脉网线。

4.2 各要素之间的整合

城市生态基础设施各要素之间不是孤立存在的,而是通过相互联系、有机整合发挥其更 高效、更多元的生态功能。由此,各要素的统一规划、设计、施工和管理对于城市生态基础设施的整合显得尤为重要。以合肥市水污染治理为例,巢湖的污染98%来自于外源污染,其中面源污染占71%,是城市污染的主要源头(见表 1)。在合肥市生态基础设施规划中,通过分析城市和农村面源污染的来源和形成机制,提出活化城市地表、面源入土不入湖、肾肺皮口联动,废物生态排放等生态修复的新理念,通过恢复城市湿地的“肾功能”,变死水为活水,增加湿地的调蓄净化能力;改善的“皮”(地表)渗透能力,变硬化为软化,增强土壤的自然净化能力;同时使城市脉(河道)通畅、流动并在排放口周围设置一定的自然缓冲净化地带等一系列的生态工程措施,大幅度削减了面源污染,保证入湖水质全面达标。

5.城市生态基础设施的复合生态管理

城市是一类以人为主体的社会—经济—自然的复合生态系统(马世骏和王如松,2004)。 城市生态基础设施的复合生态管理需要从生态规划、生态工程建设和生态管理等层面出发,采取有效的适应性管理方法,使得城市生态基础设施结构得以完善,功能进一步提高,进而 提高城市生态系统服务和人居生活品质。

5.1 生态规划

由于城市的建设往往侵占原有的自然生态系统,对原来生态系统应有的水、植被和土壤造成不同程度的占用和破坏,因此,在城市生态基础设施的生态规划中,应该考虑如何生态补偿的问题,即如何对城市的建设对过程中所造成的自然资源的损耗、污染的排放及生态 品质的恶化进行补偿,进而减少对城市生态环境的破坏,维持城市生态系统平衡。

另外,城市空间规划只按照建设用地的控制性详规对建设用地进行控制,缺乏针对生态用地的结构、功能和恢复效果等方面的生态控制详规。因此,有必要建立一套完备的生态控制性详规的控制指标,如地表径流、地下水位平衡、生态占水的补偿、地表植被的变迁等多项指标对生态占用进行测量,并通过控制性详细规划进行生态补偿,以保证城市建设与生态环境保护协调发展。

5.2 生态工程

为保障城市建设过程中进一步推进生态基础设施的贯彻落实,有必要对城市生态基础设 施进行标准化和规范化。尽管,目前国内外学者在城市生态基础设施的工程设计和实践应用等方面做了不少尝试也有较好的示范效果,城市生态基础设施标准和规范的缺乏,阻碍其进一步推广和发展。

针对城市肾、肺、皮、口、脉某一单项生态基础设施的工程设计及规范虽然已有较多的研究和探讨,但对于不同自然资源条件和城市生态环境特点的城市生态基础设施的主要技术和模式的选择以及适应性的工程设计方法还鲜见报道。另外,缺乏基于城市生态系统服务的生态基础设施的系统集成和整合方法。城市生态基础设施是一个统一有机整体,不同组分之 间紧密联系、协同共生、互相补充,其中某一部分滞后或失衡,都会造成生态服务功能整体 贡献率的降低。因此,有必要建立一套适应性的城市生态基础设施整合规范,以指导不同城市进行城市基础设施的工程设计和建设,进而为城市的社会经济发展提供可靠的支撑和保障。

5.3 生态管理

城市生态基础设施是一类集多种要素为一体的综合基础支撑体系,涵盖山、水、林、田、 湖等自然要素和交通、市政设施等人工要素。因此,城市生态基础设施的管理必须首先破解现行条块分割的管理体制和模式,避免职能交叉、管制空白等问题,从分割走向整合、从分隔走向联动、从单一的部门管制转向综合性的整体调控。在城市生态基础设施生态管理中有必要引入专门的管理机构,对生态基础设施的设计、建设、运行、维护等各个环节进行监督 和管理,以保障整个系统结构和功能的完整性。

6. 小结

城市生态基础设施建设是城市可持续发展的重要基础,是城市居民的生活品质的重要保 障。随着社会的进步和城市现代化的发展,具有前瞻性的城市生态基础设施建设有着非常重要的战略意义。完善的城市生态基础设施建设是现代城市建设的需要,也是建设生态城市的重要保证。因此,有必要建设完整的城市生态基础设施体系,从系统尺度上进行肾肺皮口脉的有机整合,从而有效地提高其城市生态服务功能。另外,应从城市生态规划、生态工程和生态管理等方向进行适应性的复合生态管理,将单一的生物环节、物理环节、经济环节和社 会环节组装成一个有强生命力的生态系统,从技术革新、体制改革和行为诱导入手,调节城 市生态基础设施的系统结构与功能,进而促进社会、经济、自然的协调发展。