构建国土空间河流生态系统服务评估体系对河流洪泛区的可持续规划与管控优化具有重要意义。文章以德国河流生态系统服务指数项目为例，从概念界定、识别分类、测度方法和评价步骤等4个方面介绍其河流生态系统服务指数的量化评估体系，并结合德国多瑙河、伍珀河、那赫河和内贝尔河的实践，分析该体系在防洪规划、生态廊道规划、服务赤字识别与生态修复后评估等方面的应用情况，基于德国经验，对我国生态系统服务导向下的河流生态恢复、洪泛区规划与管控提出建议。
[关键词] 河流生态系统服务指数；河流洪泛区；规划管控；生态修复
[文章编号] 1006-0022(2023)05-0143-09
[中图分类号] TU984.199
[文献标识码] B
[引文格式] 姜芊孜，王睿，谢雨婷，等．德国河流生态系统服务指数：概念、方法与应用[J]．规划师，2023(5)：143-151．
我国河流类型丰富，流域范围广、地理环境差异大，不同河流面临的生态问题各异。受建设用地扩张、河流截弯取直及渠化改造等人类活动的影响，河流自然的水文形态被改变、河流生态系统被破坏，河流富营养化加剧、生物多样性丧失，河流生态系统服务的供给能力也降低了。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》明确提出，要加强江河生态保护治理。在全球气候急剧变化、生物多样性锐减的背景下，恢复河流生态系统健康与保护流域生态环境已成为人们的共识。当前，随着我国迈入河流生态系统综合治理阶段，系统评估河流生态系统服务(River Ecosystem Service，简称“RES”)以支持河流生态修复与规划管控十分必要且紧迫。河流生态系统由河流和洪泛区共同构成，是动态、复杂的复合生态系统，具有涵养水源、调节气候等多种功能。河流生态系统服务指河流及洪泛区生态系统为人们提供的经济、物质、健康等方面的产品和服务。目前，关于河流生态系统服务的内容多见于水、湿地、流域等方面的研究中，且研究内容主要为识别分类、功能价值核算、权衡/协同分析和评估应用等。在Mitchell等识别并划分出淡水供给、休闲游憩等河流生态系统服务种类后，国内外学者基于MA2005体系或CICES(Common International Classification of Ecosystem Services)框架对河流生态系统服务进行了识别与分类。在功能价值评估方面，王德旺、Perosa等分别对不同类型的河流进行了河流生态系统服务货币化价值核算；姜芊孜、Thiele等评估了不同尺度河流生态系统服务功能的供需匹配，并进行了价值量化。在权衡/协同分析方面，相关研究主要关注流域尺度下供给服务与调节服务、文化服务间的权衡/协同关系。在评估应用方面，相关研究主要将评价结果应用于面向流域土地管理的基于自然的解决方案、流域生态分区规划、洪泛区栖息地保护区识别、淡水资源管理等方面。综上可知，国内外关于河流生态系统服务的研究已取得丰富成果，但仍存在服务种类覆盖不全面、评估服务数量相对较少等问题。除此之外，关于如何综合提升河流生态系统服务并将其应用于河流洪泛区规划管控的研究较少。在国土空间尺度，以恢复河流生态系统为目标，实现河流生态系统服务综合效能提升，为流域规划治理提供参考的评估工具仍有待探索。
德国河流生态系统服务指数(River Ecosystem Service Index，简称“RESI”)项目开展了国土空间尺度下不同类型河流的生态系统服务量化评估，为河流廊道规划、资源配置及恢复治理决策提供了科学依据，这对我国构建国土空间尺度的河流生态系统服务评估体系，提升河流生态系统服务，促进河流生态修复与流域综合治理等具有借鉴意义。因此，本文以该项目为例，对德国河流生态系统服务指数的概念、方法与应用进行介绍，并提炼其对我国河流生态系统服务体系构建及规划管控的启示。
为平衡多瑙河、伍珀河等河流沿岸不同利益相关方的诉求、可持续地规划河流洪泛区及识别生态修复优先区域，由德国的大学、科研机构、中小微企业和实践组织等组成的研究团队构建了适用于德国国土空间尺度的河流生态系统服务评估工具。河流生态系统服务指数是记录和评估河流生态系统供给、调节、文化服务的综合指数。河流生态系统服务指数的具体指标由生态、水文、规划等多学科领域的专家共同确立，在明确相关指标的基础上，利用雷达图和GIS地图完成河流生态系统服务的综合评估与空间可视化表达。河流生态系统服务指数以其在河流洪泛区评估上的普适性、河流生态系统服务空间识别上的精准性及可视化制图的特征，为多目标权衡、跨部门治理的河流规划与管控提供了支撑。
河流生态系统服务指数项目基于CICES框架，构建了适用于德国河流洪泛区的生态系统服务指标分类体系(RESI-ES)。作为可适用于德国全部河流的河流生态系统服务指标分类体系，其囊括了27种河流生态系统服务，并将这些河流生态系统服务划分为供给服务、调节服务和文化服务3个大类和11个子类(表1)。在此基础上，识别河流与洪泛区特有的生态系统服务类型，包括依赖于河流水体的生态系统服务与依赖于洪泛区的生态系统服务。
河流生态系统服务指数由指标值、均值、综合值、功能值及特有值共同构成。指标值是利用5点量表将RESI-ES分类体系下河流生态系统服务的量化结果进行分级评估后得到的数值，其中1表示服务水平非常低或服务缺失、2表示服务水平低、3表示服务水平中等、4表示服务水平高、5表示服务水平非常高。指标值是计算均值、综合值、功能值和特有值的基础。均值是测度单元内评估的全部指标值的平均数。综合值是测度单元内指标值的总和，反映了河流生态系统服务的综合水平。功能值是测度单元内指标值大于或等于4的指标数量与指标值小于或等于3的指标数量的比值。功能值小于1，表明河流评分低的河流生态系统服务指标项占比较高，综合效能较低；功能值大于1且越高时，表明河流评分高的河流生态系统服务指标项占比较高，综合效能较高。特有值是河流与洪泛区特有的生态系统服务指标值与其他生态系统服务指标值的比值。
2 河流生态系统服务指数测度方法
2.1 研究对象与数据来源
河流生态系统服务指数评价体系以精细的河流测度单元作为研究区域，同时这些测度单元也被纳入德国国家洪泛区计划进行统一管控。如图1所示：沿河流流向的测度单元为1 km长的河流洪泛区空间；跨河流横断面的测度单元由河道区、活跃洪泛区和历史洪泛区三部分构成。其中：河道区指除牛轭湖、港口以外的河流主体水道区域；活跃洪泛区指目前会被周期性洪水淹没的洪泛区，如河畔湿地、林地等；历史洪泛区指位于百年一遇洪水淹没范围内，但受河堤等工程措施影响，目前无法被周期性洪水淹没的洪泛区，如河流沿岸的农业用地等。
图1 德国河流和洪泛区测度单元划分示意图
注：图示洪泛区为河流左岸洪泛区；该研究区域位于德国莱茵河。
评估数据主要包括德国国家尺度的基础数据(LULC数据、DEM数据、遥感影像数据、气象数据、土壤数据、自然与文化遗产数据)、欧盟Natura 2000中自然保护地的监测数据、欧盟水框架指令下的水文监测数据以及部分地区的局部地区数据(农业土壤价值数据、生物多样性数据)等。
河流生态系统服务指数通过河流生态系统服务测度表直观、清晰地说明了每个河流生态系统服务的内涵、量化方法与参考依据。河流生态系统服务测度表模板详细呈现了生态系统服务概况、指标变量层、量化方法层、五点量表层、附录补充层和数据来源层的内容(图2)。其中，指标变量层介绍了指标类别、指标缩写、指标简介、评估区域、各参数因子的定义与内涵。需特别说明的是，河流生态系统服务指标的评估区域存在差异。例如：仅能在河道区内对有机碳固存进行评估；在活跃洪泛区与历史洪泛区内，可以对作物产量潜力等进行评估；在全部区域内，与水有关的活动等均能够进行评估。量化方法层包括指标量化步骤及量化公式。每项河流生态系统服务均利用五点量表将量化结果定性评估为5个等级，这使评估结果与水资源管理部门的评估系统(欧盟水框架指令)相兼容。附录补充层展示了指标的含义、扩展项、补充内容与文献来源。数据来源层则简明地呈现了数据的名称、类型、精度、来源等。
河流生态系统服务指数评价体系基于典型生态功能相关性以及对恢复/干扰措施的敏感性和数据收集的难易程度，建立了适用于河流洪泛区的生态系统服务指标量化公式及评价步骤，便于精准开展河流生态系统服务效能评价。例如：对于提供栖息地服务，分别构建了针对河流、洪泛区两种空间的指标量化方法；针对自然和文化遗产、与水有关的活动等服务，构建了国土空间与局部地区双尺度的指标测度方法与步骤，为在难以收集局部地区数据的情况下开展生态系统服务评价提供了便利。笔者梳理了其中部分河流生态系统服务测度指标。见表2。
河流生态系统服务指数从评估到应用共有5个步骤(图3)：①规划评估准备。该阶段需根据规划愿景、恢复目标划定评估区域。②选取河流生态系统服务指标。河流生态系统服务指标的选取应尽可能涵盖供给、调节和文化服务等类型。根据河流的典型特征或所面临的生态问题对河流生态系统服务指标进行取舍，与评估有关并受现有规划、政策影响较大的生态系统服务指标应优先保留。③计算河流生态系统服务指标值。基于测度表所列的量化方法逐个计算生态系统服务结果，并利用五点量表将结果转化为河流生态系统服务指标值。④河流生态系统服务指数制图。在测度单元内，利用雷达图可视化呈现河流生态系统服务指标值；在评估区域内，利用河流GIS地图和五点雷达图综合呈现河流生态系统服务指数，如指标值、综合值、功能值等。⑤实施与应用。将河流生态系统服务指数评价结果应用于规划方案比选、生态保护恢复成效评估等方面。
河流生态系统服务指数已被运用于德国多瑙河、莱茵河、易北河、那赫河、伍珀河和内贝尔河等6条河流的评估中。本文以多瑙河、那赫河、伍珀河和内贝尔河等4条河流为例，介绍河流生态系统服务指数在洪水多情景决策、河流生态廊道规划、服务赤字区域识别及生态恢复后评估中的应用。
多瑙河是欧洲第二长河，流经10个国家，是世界上干流流经国家最多的国际河流。在多瑙河德国段，河流洪泛区主要发展集约化农业。本次河流生态系统服务指数评价选取了从乌尔姆到多瑙沃斯长约80 km的多瑙河河段(其中河流洪泛区的面积为15.131 km2)进行评估，对多瑙河现状、受生态洪水影响及受极端洪水影响3种情景下的13项河流生态系统服务进行了对比。见图4。
评价结果表明，与情景1相比，情景3中的10个测度单元综合值下降，且有5个测度单元出现了服务的权衡效应；情景2中6个测度单元的综合值上升，是权衡最小化的情景。在模拟生态洪水淹没多瑙河活跃洪泛区的情景2中，指标值上升，体现了服务间的协同作用。在情景2的被洪水淹没的农业用地测度单元中，氮、磷固存和提供栖息地等指标值在上升的同时，农作物产量指标值下降，虽然表现出了调节服务间的协同，但是也出现了服务的权衡效应。
多瑙河的案例证明，河流生态系统服务指数评价能为多瑙河防洪规划方案的优化提供科学指导。河流生态系统服务指数评价体系涵盖了13项河流生态系统服务，在不同洪水情景模式下，该体系有助于明确不同土地利用变化引起的服务权衡，使多个洪水管控方案具有了可比性，便于决策者平衡河流洪泛区发展的多方诉求，抵御洪水风险，在提升防洪综合效益的同时，实现生态保护与农业发展之间的动态平衡。
那赫河是莱茵河的小型支流。1968年开始，那赫河受工业开发的影响，河流形态被改变。沿河有120座滨河城市污水处理厂将处理后的废水排入河流，流域内建设了4个水库和16个小型水坝，削弱了河流的连续性。整体上看，那赫河生态系统健康受水文形态变化的影响较为显著，需要合理规划河流洪泛区空间、建设生态廊道以恢复河流自然的水文形态。但在河流洪泛区有限的空间内，拓宽河道与扩大活跃洪泛区面积通常很难实现。如何合理规划河流洪泛区空间以实现生态修复目标，成为那赫河生态廊道规划面临的主要问题。为可视化评估河流生态廊道方案，该规划采用河流生态系统服务指数评价方法，利用功能值、综合值评估并比较了现状及规划情景下的15项河流生态系统服务指标。见图5。
评价结果表明，规划情景下的大部分测度单元同现状相比，综合值呈现大幅度上升的趋势，部分测度单元的综合值甚至提高了10个等级，河流生态系统服务效能得到显著提升。需要特别说明的是，个别测度单元中因规划建设生态廊道挤占了作物种植空间，出现了调节服务与饲料供给服务间的权衡，但多项调节服务指标值协同提升，导致这类测度单元的综合值呈现出上升或不变的态势，河流生态系统服务效能总体上得到恢复。
那赫河的案例表明：①合理地规划河流生态廊道能综合提升河流生态系统服务效能。规划建设河流生态廊道宜采取将历史洪泛区激活为活跃洪泛区、恢复河流蜿蜒度等措施。如此，有助于恢复河流自然水文形态及生态系统健康。②河流生态系统服务指数评价方法对小型河流仍具有适应性。采用局部地区数据，构建精细化的测度单元是河流生态系统服务指数在小型河流仍具适应性的重要原因。由于小型河流的生态基础数据不易获取，河流生态系统服务指数主要来源于多学科领域专家对河流局部地区数据的实时监测与收集。
伍珀河是莱茵河的支流，著名的鲁尔工业区就坐落在伍珀河河畔。因伍珀河洪泛区内农业用地占比较低(9%)，在利用河流生态系统服务指数进行评价时，仅评估了调节和文化服务中受河流形态影响的10项河流生态系统服务指标，识别出了综合值较低的服务赤字区域。见图6。
评估结果表明，位于伍珀塔尔市的测度单元均值较低，是服务赤字区域，如土壤形成、氮固存、提供栖息地和与水相关的活动等服务指标值得分均偏低(得分在1～3)。得益于完善的骑行步道与近自然的滨水生态环境，位于城郊乡镇的测度单元均值得分较高，尤其是与水有关的活动、景观美感度等文化服务指标值大多为4或5。
伍珀河的案例表明，河流生态系统服务指数可应用于河流生态系统服务赤字区域的识别。从当前的现实情景来看，流经高密度城区的河流面临活跃洪泛区生态空间被挤占、河流腹地生态退化、滨水空间自然体验感不强等问题，如何规划城市河流的河流洪泛区空间，实现调节和文化服务的协同提升迫在眉睫。对于流经城区的河流，其规划不仅要重视如泥沙调节、氮磷固存等调节服务功能的提升，还要关注景观美学、滨水游憩等河流文化服务功能。
内贝尔河是一条位于德国北部的溪流，流域内存在沼泽滩涂区、谷地林区、莎草芦苇区和湖区等，各区域的自然环境差异明显。长久以来，人们在内贝尔河沿岸开展的建设活动破坏了河流的生态系统。1990—2016年，德国政府对内贝尔河实施了一系列生态修复措施，如恢复沿岸滩涂湿地、重塑河流自然形态、恢复河湖水系连通等。通过25年的持续恢复，内贝尔河的水量、河流底栖及洪泛区物种数量增加，水生态环境得到综合提升。河流生态系统服务指数项目评估了比措—科拉科长约22 km、洪泛区面积约为998 km2的河段，对比了生态恢复前与恢复后受河流形态影响的11项河流生态系统服务指标。见图7。
评估结果表明，生态修复后，内贝尔河大部分测度单元的综合值增加，部分测度单元综合值的提升幅度甚至高达9～17个等级，河流生态系统服务的综合效能显著增加。在NEB-006000测度单元中，其生态恢复前的泥沙调节、低水位调节、提供栖息地等调节服务指标值得分较低(得分在1～3)。生态恢复后，相关服务指标值均增加了1～2个等级，河流生态系统服务的供给能力得到显著增强。此外，有的测度单元出现了综合值的负向变化，但这应是该区域多年来的发展所引发的河流生态系统服务供给能力下降、综合效能降低，并不是内尔贝河生态修复工程导致的。
内贝尔河的案例表明，河流生态系统服务指数可应用于多期河流生态系统服务功能对比及生态修复后评估。数字化、可视化的河流生态系统服务指数结果，使得生态修复成效得以清晰呈现。此外，分段识别河流典型生态问题，采用基于自然解决方案的河流恢复措施，开展持续、高效的生态修复实践，均有助于提升河流多重服务功能，恢复稳定、健康的河流生态系统。
德国河流生态系统服务指数项目构建了全面综合、可视化的河流生态系统服务指数量化评价体系，并将其应用到不同类型的河流中，以指导河流生态修复、洪泛区空间规划管控与流域可持续发展。这对我国构建河流生态系统服务评价体系与在河流综合治理中应用生态系统服务权衡进行决策等具有借鉴意义。
4.1 构建全面综合、可视化的河流生态系统服务量化评价体系
可以借鉴德国河流生态系统服务指数的评估指标体系设计思路，构建我国国土空间尺度的河流生态系统服务评价体系。具体措施包括：①建立多层级、全面综合的河流生态系统服务指标库。首先，由生态、环境、规划等领域的专家理清河流生态系统服务的工作概念，并按照大类(供给、调节和文化服务)、服务子群、河流生态系统服务指标的层级，全面综合地识别、划分河流生态系统服务，建立国土空间尺度的河流生态系统服务分类目录。其次，基于河流类型、特征或典型生态问题，在生态系统服务分类目录中选择评估指标，形成“一河(段)一库”的河流专属生态系统服务指标库。例如：内流河易受季节性风沙侵蚀，因此可将防风固沙服务纳入指标库；具有航运价值的国际河流承担着货物贸易功能，因此可将河流航运服务纳入指标库。②在专属指标库的基础上，构建河流生态系统服务指标量化测度表，包括指标内涵简介、数据来源、量化公式与操作步骤、集成方法与阈值等。为使河流生态系统服务评价体系适用于我国不同类型的河流，在确定整体服务指标值范围的基础上，还应根据河流不同河段生境的典型性、特殊性、差异性，分段确定服务指标值的值域范围。例如，就水供给服务而言，应将枯水期水量或最大洪峰峰值等纳入服务指标值的参考范围，对于季节性河流可根据不同季节的实际水量确定指标值范围。③数字化与可视化的评价结果呈现。一方面数字化具有多重服务的供给能力，能将均值、特有值、功能值等多元指数的数据展示与服务指标值的雷达图相结合；另一方面，利用GIS地图将分级评价空间结果与河流洪泛区空间分布相结合，可视化识别河流生态系统服务赤字区域。
借鉴德国河流生态系统服务指数项目在沿河流流向及跨河流断面两个维度划分测度单元空间边界的思路，同时考虑到评价结果的应用性，建议根据河流洪泛区空间来界定我国的河流评价测度单元。具体内容包括：①河流洪泛区的空间识别。基于百年一遇洪水的淹没范围，绘制高精度河流洪泛区地图，识别河流洪泛区空间边界。②河流评价单元的界定与划分。沿河流流向，在垂直于河流水道基线、长1 km的河流洪泛区内划分评价单元；在跨河流横断面，在水道(河流水道空间，不包含码头、牛轭湖等)、生态洪泛区(受生态洪水影响的区域)与发展洪泛区(堤外不受生态洪水影响的区域)内划分评价单元。③河流测度单元的编码。匹配河长制划定的河流管理范围，对评价单元进行统一编码，在地理实体编码(河流)代码下，增设4位测度单元编码(0000)，便于区分不同的河流评价单元，形成全国统一的河流测度单元网络。
我国应借鉴德国河流生态系统服务指数项目多学科、跨部门的协同作业模式，将其应用于数据监测与收集、模型构建与分析等方面。具体内容包括：①整合河流基础数据，分级建立河流生态系统服务大数据库。对于基础数据较为完善的我国七大流域中的干支流，汇总整理可评估供给、调节服务的数据，并在收集滨水游憩空间区位、自然感知程度等文化服务基础数据后，将这些数据纳入河流档案，构建综合、全面的大江大河生态系统服务基础数据平台。在中小型河流，跨部门整合现有基础数据，并跨学科利用物联网及人工智能实时收集河流生态水文数据，建立每年或每月更新一次的中小型河流生态系统服务大数据平台。例如，对于溪流、城市泄洪渠这类小型河流，可以由生态、水利专家共同监测并采集局部地区数据，规划和景观学者参与调查、收集滨水游憩访客数量、自然文化遗迹等数据，并构建以局部地区数据为基础、每年或每月更新一次的河流大数据库。②探索构建河流LIM动态信息模型。在环保、规划等部门的协同下，参照BIM等建筑智能模型，由水文、规划和景观专家协同构建可模拟湿地土壤形成过程、能够可视化地展示服务时空变化差异的3D河流LIM模型。直观、清晰地呈现河流三维的时空动态变化，有利于决策者长期稳定地开发和精细化利用河湖水系及洪泛区空间，推动形成跨行政区划的协作模式。③探索河流生态系统服务评价结果在河流治理权责、规划管控等部门中的应用。将评价结果同自然资源与规划局、河长办等部门的管理绩效挂钩，便于阶段性地评估河流生态恢复成效。同时，将多情景的服务权衡分析方法应用于有关部门的规划决策，为河流生态廊道的规划设计、洪水风险监测等提供参考。
我国河流部分河段的典型生态问题同德国相似，如易受洪涝灾害影响、生态环境韧性差、受化学污染影响严重等。因此，可以借鉴德国河流生态系统服务指数项目中能够综合提升服务效能、恢复河流水文形态的修复策略，并结合作物供给、水质净化、文化传承等多维需求，探索我国河流的生态修复策略。在供给服务效能的提升上，依据多种服务之间的权衡关系，将存在权衡冲突的河流评价单元的农业用地进行分区，并与陆域生态保护红线、永久基本农田保护红线有机衔接，为发挥蓝绿基础设施的综合效益提供基本保障。其中：对于位于发展洪泛区的农业用地，设置多作物轮耕区或单作物主导区，促进农业配置集约化；对于位于生态洪泛区的农业用地，设置生产—生态空间协调区，引入生态洪水并开展定期休耕，以恢复土壤肥力，提升综合服务效能。在调节服务效能的提升上，可结合河流岸线划定明确的生活、生态和生产空间，围绕河流水力条件改善、水文环境恢复、生物栖息地营造等开展治理工程，提高生态修复的可持续性。通过改善河流蜿蜒度、修复河流生态洪泛区等生态工程举措，规划能够缓解附近城区热岛效应的多级碧道，加强河流洪泛区的生态韧性；通过建设河流保护区、一体化生态廊道等措施，增强河流生态系统调节服务效能，提升河流生态延续性。在文化服务效能的提升上，增设滨水游憩设施与活动，满足访客的文化需求；完善季节性堤岸步行道、垂钓台、日光浴草坪等游憩节点，提供兼具水质净化与观赏游憩功能的滨水空间；在滨水空间开展体育运动、自然课堂等公益活动，增强河流的文化效益，促进水岸共荣。此外，还应推动多方共同参与生态修复项目或规划设计方案的实施。例如：落实河流生态修复EPC项目，推进以规划设计方为主导的河流生态修复工程；增加河流生态保护修复PPP项目，加大社会资本对河流生态保护的投资力度；举办河流生态环保文创活动，调动公众参与河流生态系统保护与修复工作的积极性。
尽管生态系统服务理念在河流规划治理领域仍是一个相对较新的概念，但是探讨如何利用其指导洪泛区空间规划设计或河流生态保护修复十分重要。德国的河流生态系统服务指数项目构建了较为综合的河流生态系统服务评估框架，但仍存在评估服务不全面、部分评估数据精度较低(1000 m栅格精度)等问题，德国河流生态系统服务指数评价体系仍需进一步完善。因此，我国的河流生态系统服务研究及河流规划治理实践应在借鉴德国相关经验的基础上，针对我国河流现状及典型生态问题，划分可测度、易管理的河流评价单元，采用多学科、跨部门协同的作业模式，构建全面综合、可视化的河流生态系统服务指标评价体系，以系统评估河流生态系统服务，为我国河流规划治理提供科学依据。
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