韓寶龍,歐陽志云

中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085

自聯(lián)合國千年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估項目以來,生態(tài)系統(tǒng)對人類產(chǎn)生的惠益愈發(fā)為人們認可和重視。全社會對生態(tài)系統(tǒng)的認識也經(jīng)歷了從實物量(如林木蓄積量、植被覆蓋度)至功能量(如氣候調(diào)節(jié)能力、水源涵養(yǎng)能力),再至價值量(如生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,生態(tài)產(chǎn)品總值)的深化。

對于人口集聚的城市地區(qū)而言,生態(tài)系統(tǒng)不僅是人居環(huán)境的保障,更是社會經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)。雖然生態(tài)系統(tǒng)所提供的多數(shù)服務(wù)難以被公眾所直接觀察,但卻具有不可替代的重要性[1-2]。如城市綠地的蒸散和遮蔭功能極大的緩解了城市熱島效應(yīng),減少了電力消耗[3-4]；城市透水地表,尤其是濕地和下沉式綠地,極大的減少了暴雨時期的城市內(nèi)澇問題[5-6]；城市周邊的植被空間和河、湖、濕地涵養(yǎng)了水源、凈化了水質(zhì),使水資源能夠穩(wěn)定的供給[7-12]。諸如此類,生態(tài)系統(tǒng)提供了防風(fēng)固沙[13-14]、固定二氧化碳[15-16]、凈化空氣[17-18]、削減噪聲[19-20]等與城市發(fā)展息息相關(guān)的重要服務(wù)功能。

科學(xué)量化測度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力,不僅有利于提升公眾對生態(tài)系統(tǒng)重要性的認識,也有便于基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)開展現(xiàn)代城市生態(tài)管理。我國的生態(tài)功能區(qū)劃[21]、國家主體功能區(qū)劃中的重點生態(tài)功能區(qū)劃[22],以及全國、各省和各地的生態(tài)保護紅線劃定[23]等重點生態(tài)保護管理工作均是以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估結(jié)果為基礎(chǔ)開展。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估工作涉及生態(tài)、水文、氣象、地理信息等多個學(xué)科的知識,所用評估模型和軟件工具也十分多樣,有時需要在多個模型和工具間切換,過程十分繁瑣,技術(shù)門檻較高。當(dāng)前國際上較為常見的多元生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估工具包括(1)美國斯坦福大學(xué)自然資本項目(Natural Capital Project)開發(fā)的InVEST工具(生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和權(quán)衡的綜合評估工具,Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)[24]；(2)美國佛蒙特大學(xué)開發(fā)的ARIES工具(生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)人工智能,Artificial Intelligence for Ecosystem Services)[25],(3)美國地質(zhì)勘探局與美國科羅拉多州立大學(xué)合作開發(fā)的SolVES工具(生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)社會價值評估,social values for ecosystem services)[26](4)美國林業(yè)局開發(fā)的i-Tree套件[27]。

以上工具均為美國學(xué)者或企業(yè)開發(fā),以科學(xué)研究為出發(fā)點,為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估提供了便利,我國學(xué)者利用這些工具也有諸多高質(zhì)量研究產(chǎn)出。在專業(yè)科學(xué)研究中這些工具體現(xiàn)出了較好的應(yīng)用性,但在將這些計算工具應(yīng)用于我國各地政府的生態(tài)管理時,仍存在一些“水土不服”。主要體現(xiàn)在：(1)國外一些基于本地生態(tài)過程開發(fā)的模型,其模型(尤其是模型參數(shù))并未進行很好的中國化,在我國的適用性仍有待檢驗[28]；(2)有較高的專業(yè)知識門檻,一些輸入數(shù)據(jù)非中國可獲取的常規(guī)數(shù)據(jù),為國外各行業(yè)再加工的專業(yè)數(shù)據(jù),或未標(biāo)準(zhǔn)化提供的網(wǎng)絡(luò)抓取大數(shù)據(jù)；(3)有依靠主觀經(jīng)驗輸入的參數(shù),一些輸入?yún)?shù)的制作缺乏標(biāo)準(zhǔn),需要用戶主觀判斷輸入；(4)有對地理信息軟件的依賴性,輸入數(shù)據(jù)的制備和輸出數(shù)據(jù)的顯示需要依托其他地信類軟件。以上原因(詳見下文的“比較”章節(jié))降低了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估在我國從生態(tài)科學(xué)研究走向跨領(lǐng)域應(yīng)用和政府決策應(yīng)用的可行性和推廣意義。

為此,中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心結(jié)合在該領(lǐng)域的長期技術(shù)積累和服務(wù)中國地方政府的實際應(yīng)用需要,于2017年2月著手開展了我國第一個在線生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估平臺的開發(fā),并于2018年9月上線城市生態(tài)智慧管理系統(tǒng)(IUEMS,Intelligent Urban Ecosystem Management System)進行測試,于2019年9月面向全網(wǎng)免費提供在線計算服務(wù)。本文將介紹IUEMS的主要功能和體系結(jié)構(gòu),并與國際主流軟件進行對比,介紹IUEMS已經(jīng)開展的典型應(yīng)用,探討未來的建設(shè)發(fā)展方向。

1 城市生態(tài)智慧管理系統(tǒng)(IUEMS)概述

2017年《深圳市陸域生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查評估項目》啟動[29],是我國第一次系統(tǒng)性的對一個城市的生態(tài)系統(tǒng)進行摸底調(diào)查,其中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估工作是貫穿和聯(lián)系多個專項研究的重要工作之一,為了提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估工作的規(guī)范性,以及評估范式和評估結(jié)果在后續(xù)城市生態(tài)信息化管理工作中的可應(yīng)用性,由中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心集合多個項目資源,組織實施了IUEMS的頂層設(shè)計和專項開發(fā)工作,并在www.iuems.com上線供全網(wǎng)用戶免費使用。

IUEMS主要由4個方面的功能組成(見圖1)：①基于獨立模型的生態(tài)系統(tǒng)信息模型庫；②基于人工智能的耦合生態(tài)關(guān)系模擬器；③面向用戶的生態(tài)知識和數(shù)據(jù)共享平臺；④面向典型場景的專題生態(tài)決策支持系統(tǒng)。本文重點介紹和比較生態(tài)系統(tǒng)評估功能,即生態(tài)系統(tǒng)信息模型庫。

1.1 IUEMS的生態(tài)系統(tǒng)評估功能

生態(tài)系統(tǒng)信息模型庫(簡稱生態(tài)模型庫,EIM,Ecosystem Information Model)。生態(tài)模型庫由獨立的、可在線運行的模型組成,主要分為三類：①各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估模型,包括固碳釋氧、氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)等十余種典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)模型,其中部分生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)模型還有不同方法,如基于NPP(凈初級生產(chǎn)力)的固碳模型和基于生物量變化的固碳模型,以及基于固碳速率的固碳模型。②各類綜合指標(biāo)型評估模型,如人與自然耦合發(fā)展指數(shù)、生態(tài)資產(chǎn)指數(shù)、生態(tài)產(chǎn)品總值等。③其他輔助型模型,如城市人口集聚區(qū)邊界劃定、徑流分析、數(shù)據(jù)增強、投影轉(zhuǎn)換、分區(qū)統(tǒng)計等。根據(jù)用戶的數(shù)據(jù)情況,一些模型可能存在運行的先后依存關(guān)系,如當(dāng)用戶不掌握徑流空間數(shù)據(jù),在計算水源涵養(yǎng)服務(wù)模型前,就需要先運行徑流分析模型,以生成該數(shù)據(jù)。

此外,IUEMS的生態(tài)模型庫的適用范圍并不局限于“城市”地區(qū),這里IUEMS(城市生態(tài)智慧管理系統(tǒng))名中的“城市”是指該系統(tǒng)的一些模型結(jié)合了城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估的特定需求,如景觀溢價模型、路側(cè)噪聲削減模型等；其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)模型均可在“非城市”(自然空間為主的區(qū)域)應(yīng)用。

目前該生態(tài)模型庫已經(jīng)上線模型38項(含數(shù)據(jù)預(yù)處理模型,該數(shù)量會根據(jù)新模型上線和舊模型優(yōu)化保持動態(tài)變化),每個模型均配有技術(shù)說明文檔,多數(shù)模型數(shù)學(xué)方法引自國家或地方技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[30-33],部分模型的數(shù)學(xué)方法為在研測試模型。所有模型都可通過在線預(yù)約免費使用。

1.2 IUEMS的其他功能

人工智能生態(tài)耦合關(guān)系模擬器(簡稱生態(tài)大腦,EcoBrain, Brain of coupled Ecosystem),以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為依托,對柵格化的生態(tài)系統(tǒng)地理信息數(shù)據(jù)進行多圖層(輸入)對一圖層(輸出)的空間神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析,實現(xiàn)連續(xù)數(shù)值的回歸關(guān)系擬合,以及離散數(shù)值的類別關(guān)系擬合。受限于人工智能運算對硬件的巨大占用,需郵件申請審核后使用。

生態(tài)知識共享平臺(簡稱生態(tài)共享平臺,E-Sharing,Ecological knowledge and data Sharing platform),向公眾介紹傳播生態(tài)學(xué)知識和生態(tài)評估技術(shù),包括微信公眾號定期推送的文章和學(xué)術(shù)活動信息、微信客服的在線問答、獲授權(quán)播放的各類生態(tài)專業(yè)知識視頻和公共數(shù)據(jù)。

生態(tài)管理決策應(yīng)用平臺(簡稱生態(tài)應(yīng)用平臺,EzEco, Easy Ecosystem management),針對當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估的常見應(yīng)用需求,提供了配色出圖、分析情景生成器、多情景結(jié)果可視化對比,以及使用戶能夠一次性計算多個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的“敏捷計算”功能。除“敏捷計算”需要申請審核外,其他均自主預(yù)約使用。

圖1 IUEMS功能結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Functions of IUEMS

1.3 IUEMS的操作特點

IUEMS旨在降低生態(tài)系統(tǒng)評估的使用門檻,讓更多的人能夠了解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和生態(tài)系統(tǒng)狀況,應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)評估結(jié)果,為了兼顧不同群體在不同場景的使用需求,IUEMS的操作形成了以下特征。

(1)基于網(wǎng)盤數(shù)據(jù)的無人值守計算。為每個用戶提供私人網(wǎng)盤空間,通過網(wǎng)盤中轉(zhuǎn)個人電腦輸入數(shù)據(jù)和平臺計算結(jié)果數(shù)據(jù)。避免了高頻數(shù)據(jù)的重復(fù)上傳(如基本每個生態(tài)服務(wù)評估均會用到的生態(tài)系統(tǒng)分類圖數(shù)據(jù)),可關(guān)閉本地計算機進行云端無人值守計算。

(2)計算過程的步驟化。IUEMS中每個生態(tài)評估模型按照技術(shù)路線的主要步驟,進行逐步輸入輸出。有利于使用者明白評估模型的科學(xué)邏輯,同時,可以下載各步驟的中間結(jié)果,便于對結(jié)果開展溯源分析。

(3)計算數(shù)據(jù)的空間可視化。IUEMS的所有計算過程中,其輸入地理信息數(shù)據(jù)和輸出(計算結(jié)果)的地理信息數(shù)據(jù)都可以即時的在操作頁面顯示,方便用戶對數(shù)據(jù)的加載狀態(tài)和數(shù)據(jù)可靠性做出基本判斷(見圖2)。

圖2 IUEMS項目計算功能界面Fig.2 User interface of IUEMS

(4)盡可能降低操作門檻。一是數(shù)據(jù)錄入和輸出均有提示信息,提示要點和單位；為每個模型均配技術(shù)文檔和操作視頻。二是在網(wǎng)盤提供樣例數(shù)據(jù)和共享調(diào)用數(shù)據(jù)。三是“敏捷計算”功能可實現(xiàn)任意多個生態(tài)評估模型的“一次性輸入輸出”。四是提供數(shù)據(jù)預(yù)處理工具和出圖工具,減少使用過程中的軟件轉(zhuǎn)換。

2 IUEMS與當(dāng)前主流生態(tài)服務(wù)評估軟件的對比

由于各軟件平臺均有各自有不同的拓展功能場景,本文僅以共性的生態(tài)服務(wù)評估功能為對比的領(lǐng)域,選取InVEST(3.9.0)、ARIES(0.11.0.281)、SolVE(ArcGIS 插件3.0)、i-Tree ECO(6.0.23)與IUEMS的EIM功能(2021年10月31日版)進行對比,主要考慮①操作邏輯,②已有生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)模型,③模型輸入數(shù)據(jù)的可獲得性,④結(jié)果的空間精度,以及⑤操作界面友好度五個方面。以下僅說明各自特點,不做判斷優(yōu)劣。

2.1 在操作邏輯上的異同

InVEST、SolVE,以及ARIES的本地部分都是安裝程序在本地計算機進行計算,其中SolVE是以插件形式基于ArcGIS或QGIS軟件進行計算,ARIES本地部分需要聯(lián)網(wǎng)確認賬號才能計算,ARIES在線平臺也需要在本地啟動客戶端進行賬號確認才能使用。而i-Tree ECO 的本地客戶端僅用于上傳數(shù)據(jù)和校驗數(shù)據(jù),以及讀取計算結(jié)果文件,計算功能完全在云端。IUEMS則無任何本地安裝需求,在網(wǎng)上平臺上傳數(shù)據(jù)后,即可云計算,計算完成后可下載數(shù)據(jù)至本地。

i-Tree控制云算力分配的方法為用戶任務(wù)排隊,即用戶提交數(shù)據(jù)后即算發(fā)起計算任務(wù),但需在后臺排隊依次完成,完成需要等待時間不定；而IUEMS控制云算力的方法是以“天”為單位提前預(yù)約使用,每人可同時申請10天占用,預(yù)約后可直接使用,當(dāng)天總預(yù)約使用人數(shù)滿額后,只能通過郵件申請?zhí)厥馐褂谩?/p>

此外,相較其他四個軟件,IUEMS按照主要計算步驟對計算過程進行逐步分解,使用戶能夠獲取中間過程文件,便于結(jié)果分析。

2.2 在評估模型上的異同

五款軟件對比版本中,InVEST有生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)模型22個,IUEMS有相關(guān)模型22個,ARIES有相關(guān)模型8個,SolVE有相關(guān)模型12個。其中SolVE模型多以社會價值為主(文化服務(wù)價值類),并且模型分析結(jié)果為研究區(qū)內(nèi)的相對價值分布,其數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)均是基于最大熵模型；而其他四款軟件的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)模型以調(diào)節(jié)服務(wù)為主,且多為生物物理過程模型,少部分為回歸擬合模型。其中i-Tree模型主要是分析植被的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),相對其他模型而言,分析模型更為微觀,生物物理過程特征更詳細。同時,IUEMS中的大多數(shù)調(diào)節(jié)服務(wù)模型均與中國行業(yè)或地方標(biāo)準(zhǔn)中的模型保持一致[30-33]。

本文對各軟件生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)名稱的翻譯為直譯,并未刻意統(tǒng)一。這是因為對于相似名稱的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),各軟件的數(shù)學(xué)模型所表達的生物物理過程基本一致,但是在產(chǎn)出結(jié)果數(shù)據(jù)時角度不同,如InVEST中的產(chǎn)水模型中的“基流”對應(yīng)的是IUEMS中的水源涵養(yǎng)服務(wù)。由于這種不完全一一對應(yīng)的情況比較普遍,所以本文不再比較五款軟件各服務(wù)數(shù)學(xué)模型間的區(qū)別,只在下文對比InVEST和IUEMS的模型對應(yīng)關(guān)系。

2.3 在數(shù)據(jù)取得方式上的異同

SolVE為完全基于用戶自有本地化調(diào)查數(shù)據(jù)計算,并需要用戶將調(diào)查結(jié)果進行數(shù)字化,無共享數(shù)據(jù)庫。ARIES的網(wǎng)絡(luò)功能部分則僅需要用戶指定研究區(qū)域和時間范圍,其網(wǎng)絡(luò)平臺基于軟件方自有數(shù)據(jù)直接完成計算(或?qū)σ延谐晒姆謪^(qū)統(tǒng)計)；其本地客戶端需要用戶自備數(shù)據(jù)。i-Tree ECO的計算數(shù)據(jù)主要基于軟件方組織的共享數(shù)據(jù),用戶可以共享數(shù)據(jù)以滿足數(shù)據(jù)不足地區(qū)(無論時間還是空間,中國地區(qū)數(shù)據(jù)均相對匱乏)的計算需要,用戶需提供的數(shù)據(jù)多為本地化的氣象數(shù)據(jù)和精細植被特征數(shù)據(jù)。

InVEST無共享數(shù)據(jù)庫,數(shù)據(jù)部分為美國相關(guān)行業(yè)的公開專業(yè)數(shù)據(jù)(如季節(jié)性產(chǎn)水模型中的土壤水文分組數(shù)據(jù)、徑流曲線數(shù)據(jù)),其他需輸入的地信數(shù)據(jù)多為NASA和其他歐美遙感產(chǎn)品平臺可免費提供的遙感產(chǎn)品(如美國航天局提供的植被地表蒸散量數(shù)據(jù)、地物覆蓋數(shù)據(jù)),但是也存在大量需要主觀判斷的半定性和定性經(jīng)驗參數(shù)(如城市降溫模型中的綠地的最大降溫距離參數(shù)),以及中國地區(qū)難獲取的外國社交平臺大數(shù)據(jù)(休閑娛樂模型中的訪客數(shù)量是基于圖片共享網(wǎng)站Flickr的圖片地理標(biāo)記數(shù)據(jù))。IUEMS有共享數(shù)據(jù)庫,用戶可以在平臺直接調(diào)用,同時,用戶需要錄入的數(shù)據(jù)均為在中國地區(qū)可以獲取的數(shù)據(jù),輸入數(shù)據(jù)的格式也均為中國科研機構(gòu)和政府部門使用的常見格式。

2.4 在結(jié)果空間精度上的異同

InVEST、IUEMS的數(shù)據(jù)空間精度均取決于用戶輸入數(shù)據(jù)的空間精度,簡而言之會向空間分辨率最高的輸入計算數(shù)據(jù)靠齊；而ARIES網(wǎng)絡(luò)功能部分的名義分辨率由用戶輸入(用于根據(jù)實際分辨率重采樣),實際分辨率則由后天原始數(shù)據(jù)的分辨率決定(普遍弱于250m和500m),本地客戶端的分辨率可以人工調(diào)整；i-Tree ECO所提供的報告主要為研究區(qū)內(nèi)的總結(jié)果(多為柱狀圖),因而不涉及到空間分辨率,其空間精度取決于原始調(diào)查數(shù)據(jù)的詳細程度。SolVE的結(jié)果數(shù)據(jù)空間分辨率為用戶自定義的空間插值分辨率。

2.5 在操作界面友好度上的異同

五款軟件的操作界面均較為友好,且都有輸入提示信息,但ARIES的本地客戶端計算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時,需額外撰寫代碼編程。InVEST、ARIES、SolVE和IUEMS均有計算進度提示,但i-Tree ECO僅在計算完成后郵件通知結(jié)果。InVEST的地信結(jié)果無可視化顯示頁面,ARIES、IUEMS可在平臺內(nèi)展示,SolVE通過依托的地信軟件展示,i-Tree ECO基本無地圖展示。ARIES、i-Tree ECO、SolVE提供計算結(jié)果的報告,InVEST、IUEMS則不提供自動報告。此外,IUEMS的實操幫助更為詳細,在每個模型計算界面均提供視頻操作鏈接和技術(shù)說明文檔。以上內(nèi)容見表1。

表1 IUEMS與主流生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估軟件比較

2.6 InVEST和IUEMS在模型上的對應(yīng)關(guān)系

由于InVEST和IUEMS都是種類更為全面的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估平臺,此處將二者的模型對應(yīng)關(guān)系進行梳理(見表2)。特別說明的是,IUEMS的模型均以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為輸出對象,但一些InVEST模型并不直接輸出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估結(jié)果,需要進一步加工才能得到。如IUEMS中輸出的是海岸帶防護服務(wù)量,而InVEST為脆弱性分級,需進一步分析才能得到防護量。此外,二者即使模型概念能夠匹配,所采用的數(shù)學(xué)模型也不一定完全一致。如IUEMS的緩解熱島效應(yīng)模型為回歸模型,而InVEST中的城市降溫模型為經(jīng)驗參數(shù)模型。并且,兩個模型平臺各存在一些對方?jīng)]有涉及到的特殊模型。

表2 IUEMS與InVEST軟件的模型對應(yīng)關(guān)系

3 IUEMS的應(yīng)用實踐

在IUEMS開發(fā)期間,與來自北京、上海、廣州、深圳等多個城市,覆蓋高校科研、規(guī)劃咨詢、信息技術(shù)、公益組織等多個行業(yè)的十余家單位開展了測試合作,平均每個模型工具被運行測試百次以上。

在IUEMS上線面向全網(wǎng)投入使用后,穩(wěn)定的單位和個人在線用戶已過千人,已直接服務(wù)于北京、廣東深圳、浙江麗水、黑龍江齊齊哈爾、云南昆明、云南普洱、遼寧大連、山東平度、重慶城口、重慶廣陽島等各地政府的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估相關(guān)工作。

以下結(jié)合IUEMS在《深圳市陸域生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查評估項目》和《深圳市生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)總值(GEP)評估》中的應(yīng)用情況,對各類典型應(yīng)用加以介紹。

3.1 典型生態(tài)工程的建設(shè)潛力與生態(tài)效益評估

利用IUEMS平臺生態(tài)模型庫(EIM)功能評估了深圳典型海綿工程(路側(cè)下沉綠地及屋頂綠化)的建設(shè)潛力及潛在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效益(見圖3)。研究認為在2018年降雨和實際徑流削減情景下,(1)潛在的路側(cè)下沉綠地建設(shè)能夠帶來徑流削減能力提升10.34%,暴雨期徑流削減能力提升1.86%；(2)在進行充分的屋頂綠化條件下,屋頂綠化能夠提供的徑流削減量約為當(dāng)前總削減量的4.76%,暴雨時期徑流削減量為當(dāng)前總暴雨削減量的12.70%；(3)充分屋頂綠化情況下,屋頂綠化暴雨徑流削減價值為17.20億元/年,同時考慮屋頂綠化的固碳和氣候調(diào)節(jié)三項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值后,該值為28.28億元/年；(4)據(jù)此計算,當(dāng)屋頂綠化工程存續(xù)期(考慮年維護成本)大于8年時,投入產(chǎn)出平衡；當(dāng)工程存續(xù)期為20年時,凈收益約為257.65億元。

圖3 深圳典型海綿工程的建設(shè)潛在區(qū)域Fig.3 Potential area for spongy city engineerings

3.2 城市多元生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其價值評估

利用IUEMS平臺生態(tài)模型庫(EIM)功能,完成了深圳市“十三五”期間各年13項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其價值(生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)總值)的空間化評估。評估結(jié)果顯示：(1)2020年氣候調(diào)節(jié)服務(wù)使深圳當(dāng)年減少了約680億度降溫能耗,相當(dāng)于全年用電量的70%；該項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值占GEP比最大,為37%。(2)“十三五”期間,GEP總體穩(wěn)步增長,年均增速2.24%(見圖4)；但2020年由于疫情對文化旅游產(chǎn)業(yè)的影響,使生態(tài)文化旅游服務(wù)價值出現(xiàn)大幅下降,拖累全年GEP增長。(3)深圳生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)呈現(xiàn)東高西低的特征,生態(tài)系統(tǒng)文化服務(wù)呈現(xiàn)西高東低的特征,反映出西部城市片區(qū)需要加強城市內(nèi)部生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),東部郊野片區(qū)需要進一步加強的生態(tài)文旅設(shè)施建設(shè)(見圖5)。

圖4 深圳市“十三五”期間生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)總值(GEP)結(jié)構(gòu)與變化/億元Fig.4 The changes of GEP at Shenzhen (from 2016 to 2020)

圖5 深圳市2020年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間分布特征Fig.5 Distribution of ecosystem service value at Shenzhen (Year 2020)

3.3 深圳市重點生態(tài)保護區(qū)與優(yōu)先開發(fā)區(qū)域識別

利用IUEMS平臺生態(tài)管理決策應(yīng)用功能(EzEco)評估并識別2020年深圳市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值占比最大的前五種調(diào)節(jié)服務(wù)類型,分別取其數(shù)值從大到小前五分位所分布區(qū)域進行并集,得到深圳市重點生態(tài)保護區(qū)域(見圖6),該區(qū)域占全市陸域面積53.04%,區(qū)域內(nèi)提供的GEP占全市GEP的87.12%。

圖6 深圳市生態(tài)系統(tǒng)重點保護區(qū)識別Fig.6 Identification of the important ecosystem area at Shenzhen

此外,在經(jīng)濟發(fā)展優(yōu)先情景下(通過CA-Markov模擬),通過將68 km2的新增建成區(qū)域分配至GEP低值區(qū)域(優(yōu)先開發(fā)區(qū)),使全市GEP年度損失減少33.68億元。優(yōu)先開發(fā)區(qū)面積占全市陸域面積3.40%(圖7),僅提供了1.92%的生態(tài)服務(wù)價值。

圖7 深圳市城市建設(shè)優(yōu)先開發(fā)區(qū)識別Fig.7 Identification of prior developing area at Shenzhen

4 思考與展望

4.1 生態(tài)系統(tǒng)評估軟件相較細分學(xué)科專業(yè)軟件的區(qū)別

InVEST、ARIES與IUEMS等作為綜合性的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評估軟件,與i-Tree(植被領(lǐng)域)、SWAT(水文領(lǐng)域)、CALPUFF(大氣領(lǐng)域)等各細化學(xué)科的專業(yè)軟件比較,前者建立在生態(tài)系統(tǒng)的各類中宏觀過程機理上,后者建立在各學(xué)科的中微觀機理上,適用用戶和情景有明顯區(qū)別。

前者綜合性生態(tài)系統(tǒng)評估軟件的比較優(yōu)勢在于①同一軟件覆蓋的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型多,學(xué)習(xí)時間成本低；②體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)形成的關(guān)鍵過程,簡潔易懂,能用于主要特征和問題辨識,便于利益相關(guān)方的管理決策；③對各細分學(xué)科領(lǐng)域的數(shù)據(jù)和專業(yè)知識要求不高,使數(shù)據(jù)資源薄弱的地方和跨領(lǐng)域人士更易使用。

后者各學(xué)科細分專業(yè)軟件的比較優(yōu)勢在于①數(shù)據(jù)需求更為細致,細分領(lǐng)域的專業(yè)知識涉及更多；②由于對該領(lǐng)域的細節(jié)刻畫豐富,可服務(wù)于工程設(shè)計和施工。

4.2 當(dāng)前制約我國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估應(yīng)用工作的主要困難

在與IUEMS用戶交流使用情況時發(fā)現(xiàn),當(dāng)前制約我國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估應(yīng)用工作的主要困難在于：①相關(guān)輸入數(shù)據(jù)難獲取,用戶既不掌握獲取渠道,也無法對數(shù)據(jù)質(zhì)量做出判斷；②一些國外模型的數(shù)據(jù)需求,其沒有對應(yīng)的中國區(qū)數(shù)據(jù)基礎(chǔ),如果用全球數(shù)據(jù)產(chǎn)品則空間分辨率不足；③用戶對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的形成機理和計算邏輯沒有深刻理解,導(dǎo)致“可算,不可解釋”；④用戶對地理信息及其軟件操作的知識掌握不足,不能有效制備數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)等。

4.3 IUEMS將不斷完善服務(wù)我國生態(tài)系統(tǒng)評估與應(yīng)用的能力

(1)進一步降低數(shù)據(jù)獲取門檻。IUEMS將通過生態(tài)知識共享平臺分享免費數(shù)據(jù)獲取渠道；共享更多制備好的公共數(shù)據(jù)供用戶直接調(diào)用；引入高質(zhì)量的數(shù)據(jù)源,滿足客戶高時空分辨率數(shù)據(jù)的定制需求；增加更多的數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊,降低對地信軟件的依賴。

(2)進一步加快新模型開發(fā)。IUEMS將進一步加大生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)模型的研發(fā),加大與科研同行的交流,吸收更多具有普適性的中國本地化模型進入到EIM體系；加強生態(tài)系統(tǒng)的社會服務(wù)價值評估模型開發(fā),補齊我國相關(guān)工作的短板。

(3)面向其他行業(yè)開發(fā)易用工具。IUEMS將面向我國生態(tài)產(chǎn)品總值核算需求,擴大GEP一鍵版(GEP pro)服務(wù)范圍,讓更多非生態(tài)研究領(lǐng)域人士了解生態(tài)產(chǎn)品價值,能夠計算生態(tài)產(chǎn)品價值；同時,面向我國國土空間規(guī)劃中生態(tài)分析需求,逐步推出具有生態(tài)保護紅線劃定、生態(tài)重要性區(qū)域識別等功能的生態(tài)空間規(guī)劃套件(EPLAN),讓更多城市規(guī)劃師能夠輕松開展生態(tài)分析。

(4)探索提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分析產(chǎn)品。IUEMS也將學(xué)習(xí)ARIES、i-Tree的服務(wù)內(nèi)容,向用戶提供一些已經(jīng)計算完成的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)品,鼓勵用戶分享自己的分析產(chǎn)品。為更多生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)應(yīng)用人員免除分析過程,使其能夠直接獲取數(shù)據(jù)開展應(yīng)用。

致謝：感謝四年來參與IUEMS學(xué)術(shù)把關(guān)、數(shù)學(xué)模型開發(fā)和實踐應(yīng)用的數(shù)十位國內(nèi)外專家和研究生,包括多次為IUEMS提供建議的美國斯坦福大學(xué)自然資本項目的InVEST團隊；感謝IUEMS軟件編程團隊及參與測試的數(shù)十家合作單位；感謝為IUEMS提供應(yīng)用實踐機會的政府部門和機構(gòu)。