文献阅读 | 维持全球城市淡水生态系统服务的自然基础设施

题目

Natural Infrastructure in Sustaining Global Urban Freshwater Ecosystem Services 

作者

Min Gon Chung, Kenneth A. Frank, Yadu Pokhrel, Thomas Dietz, and Jiangguo Liu

期刊

Nature Sustainability

时间

2021年10月

一作

单位

Center for Systems Integration and Sustainability, Department of Fisheries and Wildlife, Michigan State University, East Lansing, MI, USA; Sierra Nevada Research Institute, University of California, Merced, CA, USA.

链接

https://doi.org/10.1038/s41893-021-00786-4

研究背景

在过去的几十年里，快速的城市化给世界各地的城市带来了许多与水相关的问题，包括水资源短缺、水质低下、洪水和能源短缺。随着城市人口和收入水平的增加，人为设计的水利设施，如大坝和处理设施——已经例行地建造起来，以满足城市日益增长的淡水需求。通过建造基础设施对自然河流系统进行改造，增加了居民用水的安全性，但会导致淡水生物多样性的丧失、水质差和栖息地退化。自20世纪早期以来，近90%的城市供水流域的水质出现了下降，包括由于人类活动(例如农业土地利用的变化)造成的氮和磷的增加。水质的恶化直接影响城市的饮用水和娱乐用水。

然而，基于自然的解决方案不断提供淡水的生态系统服务，以帮助实现《生物多样性公约》的爱道目标和联合国可持续发展目标(SDGs)。自然(或绿色)基础设施是基于自然的解决方案的应用，利用自然和半自然特征的网络，为人类和自然系统提供多重效益。由于水来源于自然和半自然特征，在城市及其水源流域已经存在自然的水基础设施。例如，在指定地区增加流域保护活动(如保护区和对流域服务的投资)可以作为一种自然基础设施，潜在地减少已建成的基础设施的负面影响，这些基础设施降低了淡水生物多样性，破坏了渔业，并使当地人民流离失所。

对流域服务的投资是一种更广泛的保护策略，通过受益人和提供生态系统服务区域的所有者之间的激励机制来提供和加强淡水生态系统服务。热带地区森林和湿地的储水可以增加淡水供应、防洪和水力发电的能力。在流域服务投资下的流域保护区的能力也可以通过保持较高的淡水生态系统服务和生物多样性来帮助满足城市日益增加的淡水需求。此外，在城市中通过减少不透水表面面积、增加城市绿地和绿色屋顶等自然基础设施，可以为淡水供应和减少洪水带来好处。

随着全球范围内保护区和流域服务投资的迅速增加，作为自然基础设施的流域保护区网络可以通过向城市提供各种淡水生态服务来补充已建成的基础设施。这种关系值得关注，因为在保持基础设施效益的同时，保护健康的淡水生态系统是一项复杂的挑战。随着城市不仅越来越依赖周围的流域，而且越来越依赖远处的流域，已建成的基础设施建设(例如大坝和引水渠)之间的关系变得更加复杂。虽然自然供水基础设施是一种可持续的、具有成本效益的传统建设基础设施的替代方案，但自然基础设施需要更多的空间，而且自然基础设施的能力可能无法满足城市日益增长的淡水生态系统服务需求。此外，人们对为城市提供淡水生态系统服务的人造基础设施和自然基础设施之间的全球关系知之甚少。因此，在城市水资源管理和规划中，自然基础设施往往被忽视。

为了填补这一重要的知识空白，我们试图回答两个问题:(1)就全球城市的淡水生态系统服务供应而言，人造基础设施和自然基础设施之间的关系是什么?（2）源头流域和城市的社会经济和环境因素对城市淡水生态系统服务供应变化的有哪些贡献? 与这些问题相关的工作假设是：(1)现有的自然基础设施在许多情况下通过改善已建基础设施的能力，有助于增强淡水生态系统服务的流向城市;(2)城市和源头流域的环境和社会经济因素调节了这些益处，在不同的城市和源头流域采取不同的行动。

基于元耦合框架(相邻和遥远系统内部和之间的环境和社会经济相互作用)，该研究开发了一个源头流域和城市之间淡水生态系统服务流的概念性框架来理解自然与城市供水网络基础设施的方法(图1)。淡水生态系统服务的流从源分水岭(发送系统)(接收系统)组成一个城市供水网络的城市。一般来说，淡水生态系统服务供应源有不止一个(图1)。这个概念框架与我们的多层次分析相结合，使我们能够同时在流域和城市层面上模拟影响。

图1：城市和源头流域之间淡水生态系统服务流的概念框架

本文在这里使用的特定的多级模型是一个以自我为中心的网络模型,其中多个流域与每个城市的特点以及他们的关系 (例如,距离)是模仿在1级(发送系统)和城市的特点是模仿在2级(接收系统)。变量的集合提供给我们发送和接收系统允许我们研究如何构建自然基础设施源水域可以集成增强全球城市提供淡水生态系统服务(全球317个城市和2113分水岭),控制网络的地理因素，流域特色和城市特色。此外，网络分析允许我们将不同类型的邻近和遥远的水源集水区包括在一起，如果这些集水区通过河流流动、引水渠或流域间转移向城市提供淡水生态系统服务。

研究方法

城市和流域的选择。本文首先选择了全球50%以上的依赖于地表水的城市，使用城市水地图数据库。城市水图还涵盖了不同类型的调水，如跨流域调水和城市引水渠。根据世界城市化前景数据，2000年至2010年，每个入选城市的平均人口超过30万人。对于城市的城市范围，本文使用了定义城市行政区域的全球管理数据库。对于未在全球行政数据库中定义的城市，本文使用Schneider等人53根据中分辨率成像光谱仪(MODIS)卫星数据绘制的全球城市范围图。对于每个城市，本文确定了三种类型的水源流域:(1)淡水源流域(淡水供应和泥沙调节)；(2)洪水流域；(3)水电流域。由于淡水生态系统服务产生于源头流域，并对城市有益，源头流域通过淡水生态系统服务流直接或间接地与城市相连(图1)。水源流域、河网和水流方向是根据美国地质调查局HydroSheds数据库指定的，分辨率为30弧秒。

淡水源流域为城市提供地表水。城市不仅依赖周围的流域，而且依赖远处的流域获取淡水资源。淡水源流域的地表水由取水点向城市输送。淡水源流域也是泥沙流影响城市淡水质量的流域。虽然城市水图是现有的最佳全球数据集，可用于识别从水源流域到城市的水转移，但我们注意到，城市水图涵盖了城市地区最大市政当局的主要水源地，因此，公用事业供水地区的服务边界不一定总是与全球城市范围地图和全球行政数据库边界相匹配。

淡水生态系统服务。本文研究了与城市水相关需求密切相关的四种淡水生态系统服务:淡水供应、泥沙调节、洪水缓解和水电生产。这四种生态系统服务从源头流域流向城市，并被划分为供应和调节生态系统服务。供应生态系统服务包括淡水供应和水电生产。生态系统调节包括泥沙调节和洪水缓解。除了水力发电，本文使用了淡水生态系统服务的全球建模数据。这些数据集利用当地和区域的观测数据来产生其输出数据。

淡水供应。在本研究中，供应城市的淡水供应是指流经一条河流的年平均地表水量。从取水点抽取地表水，输送到城市。本文使用15个模型模拟来量化从水源流域到城市的地表水供应量。我们提取了取水点的15个模型的年平均值，并计算了每个水源流域15个模型组合的中值。我们使用多模型模拟，而不是来自单一模型的结果，以解释模型和输入数据产生的不确定性。全球水文模型通过在全球0.5°(~50 km)网格单元中考虑大多数自然地表和地下水文过程(例如，蒸散发、地表和地下径流以及上游排放)来模拟水资源的可用性。水管理活动还反映了不同部门的水需求，包括农业(灌溉和畜牧业)、工业(制造业和热能)和公共(家庭使用)部门在时变的社会经济条件下(例如人口、国内总产值和土地利用)的需求。然而，流程表示的级别因模型而异。例如，一些模型考虑了地下水流量和最小环境流量要求，表示为河道中维持的最小流量，其他的则不包括这种能力。由于一些模型没有考虑从水源流域的深层地下水中抽取的水，它们可能低估了城市的淡水供应。

沉积物的监管。本研究从基于WBMsed全球水文模型的全球悬沙通量模型中获得了结果，以代表城市淡水供应的地表水质量。本文提取了2000 - 2010年各城市取水点的年平均悬浮沉积物量。虽然悬浮沉积物对维持下游地区的淡水生态系统(例如创造自然生境)至关重要，但悬浮沉积物使水质恶化，因此造成城市水处理的额外费用。

防洪减灾。本研究使用重现期为100年的全球洪水灾害图来确定在城市地区发生河流洪水的概率。利用二维水动力模型描述了漫滩的水流过程，并解释了河道的几何形状。这些洪水灾害图以30弧秒(~1公里)的网格单元显示洪水的范围和深度，网格单元基于全球洪水感知系统的水文信息。在此模型的基础上，我们计算了每个洪水流域的洪泛面积占城市总洪泛面积的比例，并将该比例作为流域和城市特征的函数进行了预测。

水电生产。全球发电厂数据库提供发电量在1mw以上的正在运行的水电大坝的地理位置。该数据库覆盖了全球水电部门大约89%的装机容量。该数据集提供了水力发电的点位置，本文汇总了每个水电流域的水电大坝装机容量。

水源流域与城市特征。为了研究从源流域到城市的四种淡水生态系统服务流的特征，本文收集了关于大坝、流域保护活动(自然基础设施解决方案)、源流域和城市的环境因素和社会经济因素的数据。本文的指标是源流域的水坝密度和城市的不透水表面分数(作为已建基础设施的衡量指标)。自然基础设施解决方案包括水源流域的保护区和城市的流域服务投资方案。由于许多保护区位于远离城市的地区，我们也使用了三种可供选择的模型。第一个替代模型包括非保护区的森林和湿地覆盖。第二个替代模型包括非保护区和保护区的湿地和森林覆盖。第三种选择模型包括水库储水量而不是大坝密度。

对于3种不同类型的源流域(淡水源、洪水和水电)，本文分别获得了流域和非流域的森林和湿地覆盖、大坝密度和水库蓄水量、灌区和流域的地理特征等信息。本文排除了没有空间边界的保护区，这些保护区由世界保护区数据库提供。我们选择了合法指定并在国家或次国家层面积极管理的陆地保护区。我们还包括了所有分配的、未报告的或未分配到国际自然保护联盟管理类别的保护区，因为许多国家并不一贯地应用或使用国际自然保护联盟管理类别。由于许多保护区在空间上相互重叠，我们将保护区边界分解以避免重复计算问题。然后，利用ArcGIS 10.3.对每个分水岭的边界进行多边形剖分。

自我中心网络分析。本文使用多层模型应用于自我中心网络分析，以估计每个自变量对来自源头流域的淡水生态系统服务流对城市的贡献。在淡水生态系统服务流的基础上，自我中心网络分析允许包括城市和不同类型的水源流域的变量，如果这些流域通过建造和自然基础设施向城市提供淡水生态系统服务。因此，这种自我中心网络分析能够估计不同分析层次上的关系——流域、城市以及流域与城市之间的关系(图1)。由于城市通常有多个源流域，它们形成了一个自我中心网络:ego是城市(接收淡水生态系统服务系统)，alters是源头流域(发送淡水生态系统服务系统)。

一级模型涵盖的影响流域的特点(i)和联系(i, j)和二级模型包括城市的特点的影响(j)。在1级,本文分别将森林覆盖率、湿地覆盖率、大坝密度（或者水库储水能力）灌溉区、集水区、城市到流域的距离、高度和斜率作为函数变量构建了保护区（或者非保护区，或者两者）的淡水生态系统服务流的模型。这些代表了水源流域的关键因素。为了估计单个城市(j)对淡水生态系统服务流量的影响，使用一级模型的连接流量变化与特征的系数β0j作为二级模型的结果。

在第2级，本文模拟了第1级模型中的截距，即流域服务投资项目的存在、城市人口规模、城市GDP、温度和降水的函数。这些代表了城市的关键因素。淡水生态系统服务在alter (i)和ego (j)之间流动的多层次模型如下:

研究结果

自然基础设施的作用。建成的基础设施(水坝)与保护活动(森林覆盖和湿地覆盖)之间的关系随着淡水生态系统服务类型的不同而不同(表1)。结果表明，保护区的森林覆盖补充了水坝的减沙和水力发电。大坝密度高的流域具有较高的水力发电量，但泥沙流量小，洪水风险小。大坝密度与城市淡水供应没有统计学上的显著关联，但是，在考虑水库蓄水能力而不是大坝密度的替代模型中，水库蓄能大的流域向城市提供更多的淡水。流域保护活动提供的淡水生态系统服务水平不及建成的基础设施。例如，源流域保护区的森林和湿地与城市的洪水缓解没有统计学上的显著关联。

表1 多水平系数预测四种淡水生态系统服务

与城市防洪减灾的关系。保护活动与城市淡水生态系统服务供应的联系不同于人造基础设施。源流域保护区的森林覆盖与泥沙通量呈负相关，但与水电产量呈正相关(表1)。源流域保护区的森林有助于减少泥沙流量，因为森林覆盖减少了树根系统造成的土壤侵蚀。受保护森林的高蒸散速率可以减少地表径流，从而减少泥沙的产生和运输。上游保护森林可以通过减少流向水库的泥沙流来延长水坝的寿命。此外，受保护的森林可以通过降雨和土壤湿度影响水流，为水电生产提供额外的水源。结果表明，湿地覆盖面积越大的流域的淡水供应就越大(表1)。这表明受保护的湿地有助于向城市提供地表水。受保护的湿地将水分保留在湿地土壤和植被中，并逐渐流入小溪和河流。因此，除缓解洪水外，保护区的森林和湿地范围增加了对城市的淡水生态系统服务。在包括非保护区森林和湿地覆盖以及整个流域的替代模型中，非保护区的森林覆盖和整体森林对减沙和水力发电没有统计上的显著影响。非保护区的湿地和整体湿地与城市的淡水供应量仍呈正相关关系。

在城市中，流域服务投资规划的存在与四个淡水生态系统服务中的任何一个在P < 0.05的显著水平上都不相关，仅与淡水供应在P = 0.053的水平上负相关。许多城市在经历淡水供应不足的情况下采用了流域服务投资方案，部分原因是水资源与水源流域冲突。在水冲突高的城市中采用综合水资源管理办法可能是改善向城市提供淡水的有用工具，但需要进一步研究以更坚定地确定综合水资源管理方案的影响。

城市和流域特征。许多城市和流域特征与淡水生态系统服务的流动有关。不透水表面越大的城市，其洪水风险越大，来自源流域的淡水供应也越少(表1)。不透水表面越多的城市，用于自然基础设施的绿地面积通常较小。这与不透水地表比例越高，导致蒸散量和土壤入渗减少，径流峰值和总流量增加，降水开始和峰值流量之间的滞后时间越短的解释是一致的。我们的结果还表明，温度升高倾向于增加全球城市的泥沙负荷和洪水风险(表1)。例如，高温可能会增加来自源流域的泥沙流量，因为植被覆盖的减少和地面聚集物的损失。许多研究也支持这一结果，即气候变暖也可能增加全球洪水的风险。如果这种横断面关系与时间变化一致，气候变化可能会加剧这些问题。

在城市中，流域服务投资规划的存在与四个淡水生态系统服务中的任何一个在P < 0.05的显著水平上都不相关，仅与淡水供应在P = 0.053的水平上负相关。许多城市在经历淡水供应不足的情况下采用了流域服务投资方案，部分原因是水资源与水源流域冲突。在水冲突高的城市中采用综合水资源管理办法可能是改善向城市提供淡水的有用工具，但需要进一步研究以更坚定地确定综合水资源管理方案的影响。

城市和流域特征。许多城市和流域特征与淡水生态系统服务的流动有关。不透水表面越大的城市，其洪水风险越大，来自源流域的淡水供应也越少(表1)。不透水表面越多的城市，用于自然基础设施的绿地面积通常较小。这与不透水地表比例越高，导致蒸散量和土壤入渗减少，径流峰值和总流量增加，降水开始和峰值流量之间的滞后时间越短的解释是一致的。我们的结果还表明，温度升高倾向于增加全球城市的泥沙负荷和洪水风险(表1)。例如，高温可能会增加来自源流域的泥沙流量，因为植被覆盖的减少和地面聚集物的损失。许多研究也支持这一结果，即气候变暖也可能增加全球洪水的风险。如果这种横断面关系与时间变化一致，气候变化可能会加剧这些问题。

自然基础设施解决方案的空间优先级。我们的分析可以帮助目标地区的自然基础设施解决方案可能改善多个淡水生态系统服务流向城市。从全球来看，2000 - 2016年流域水平上新建大型水坝和流域的空间分布不均匀(图2)。我们主要关注淡水源流域和水电流域，因为大坝和流域对减沙和水电生产都有积极贡献。2000 - 2016年，34.1%的淡水流域和56.1%的水电流域未新建大型水坝。这些流域主要位于北美和欧洲(图2)。同期，4.8%的淡水流域和2.8%的水电流域不仅获得了新的保护区命名，而且在全球范围内进行了新的大型水坝建设。然而，在2.9%的淡水流域和3.8%的水电流域，其中约三分之二位于中国和印度，在2000年至2016年期间，中国和印度在97.3%的淡水流域和任何水电流域没有指定新的流域(图2)。在这两个国家，11.9%的淡水流域和15.6%的水电流域在没有任何新的保护区指定的情况下建设了大型水坝。

图 2. 2000-2016年流域坝体数量和规模的空间变化。图a表示淡水源流域的变化，图b表示水电流域的变化

当然，建立保护区并不是自然基础设施解决方案的唯一类型，这些替代方法也可以作为高度发达流域的自然基础设施，为城市维持淡水生态系统服务流动。例如，2000年，中国实施了世界上最大的森林保护计划之一——天然林保护计划，以保护和恢复森林。在过去20年里，中国天然林保护工程为森林覆盖的净增长做出了重大贡献。由于自然森林保护计划禁止和监测自然森林的非法采伐，在该计划下对森林的保护和恢复可以为城市提供更多的淡水生态系统。这些流域保护活动可以扩展到其他经历了快速大坝建设和高水平的人类干预而没有任何流域保护努力的地区。

研究结论

淡水生态系统服务流动的自然基础设施战略。我们的网络方法和结果指出，水源流域的自然基础设施通过支持淡水生态系统服务流向全球城市，已广泛融入城市供水网络。网络分析在淡水生态系统服务流中的应用有助于研究水源流域与城市之间以及自然基础设施与人类活动之间的动态相互作用。结果表明，水源流域内的保护区命名可以增加这些大坝的减沙和水电产量，而保护湿地可以增加水源流域对城市的淡水供应。

由于城市防洪主要依赖于减少城市内部不透水面，从而为城市自然基础设施提供更多的绿色空间，因此，源流域内的保护区对城市的防洪服务似乎没有发生改变。这表明，现有的淡水生态系统流动自然基础设施可以支持全球可持续发展议程。整合这两种方法可以同时实现多个可持续发展目标，其中包括淡水资源(可持续发展目标6—清洁水和卫生设施)、水电生产(可持续发展目标7—负担得起的清洁能源)、大坝(可持续发展目标9—工业、基础设施创新)、城市(可持续发展目标11—可持续城市和社区)和生物多样性(可持续发展目标15—生活在陆地上)。

我们对自然基础设施在城市水网中作用的进一步理解，为制定采取城市自然基础设施解决方案的战略方法提供了基础，以应对全球气候和城市人口的快速变化。随着全球城市的迅速发展，城市对淡水生态系统服务的需求增加了，预计全球气候变化将通过极端事件(如强烈降水事件、野火和洪水)威胁淡水生态系统服务的供应(例如，减缓洪水和沉积物调节)。为了满足日益增长的用水需求，许多城市采取了将其用水需求重新分配到提供大量淡水生态系统服务的上游农村流域的战略。然而，这一战略需要在水源流域进行大规模的基础设施建设。新兴城市和国家已经或计划对昂贵的基础设施进行巨额投资，以改善淡水供应。由于成本高、预算有限，这种传统策略可能无法满足淡水生态系统日益增长的需求，同时也会损害淡水生物多样性和自然栖息地。

从实践的角度来看，我们将自然基础设施融入城市供水网络是可持续改善城市淡水生态系统服务供应的一个步骤。结果表明，保护区森林和湿地等自然基础设施在维持淡水生态系统服务流向城市以及提高现有基础设施性能方面发挥了重要作用。他们认为，不需要彻底改变管理体制来促进城市水可持续性的自然基础设施解决方案，这些解决方案还可以通过降低建设基础设施的成本和负面影响而获益。有了这些发现，研究人员和决策者就可以在其管理方案和融资机制上建立以科学为基础的、维持淡水生态系统流动的标准。由于在不同的城市和流域，人造基础设施和自然基础设施的时空分布是不同的(图2)，每个城市或国家都需要探索已建和自然基础设施的最佳组合，以可持续地提供淡水生态系统服务流，以满足城市需求。

实施自然基础设施解决方案需要检查源头流域的淡水生态系统服务供应及其在城市中的使用之间的因果关系，确定在最脆弱的季节(例如洪水、野火和干旱季节)需要多少自然基础设施来维持淡水生态系统服务流量，管理水源流域和城市之间可能的利益相关者冲突(例如，农民-城市居民冲突)。在全球环境挑战下，转向基于自然的解决方案可以在城市水资源可持续性方面取得进展。

本文的研究有几个局限性。我们注意到，没有面板数据来捕捉我们所研究的系统中的变化，本文的多层模型建立了关联，并排除了其他变量，但任何因果解释都取决于知道因果关系只在一个方向流动，从自变量到因变量。虽然这样的因果假设可能是合理的，但更强有力的因果关系必须等待更广泛的数据。我们还注意到，我们观察到的相互关系可能会随着淡水生态系统服务供应的季节性变化、水坝运行方式的变化以及保护活动的性质而改变。此外，我们无法识别同一流域内城市取水点和流域之间的中间景观的作用。如果在中间景观中出现不可持续的农业或抽水，保护区的效益可能达不到吸收点。

编辑&排版：徐沙沙

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