《Urban Forestry & Urban Greening》：Integrating ecosystem services and optimization analyses to prioritize green spaces implementation in a Global South megacity
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本研究采用线性规划优化模型，以圣保罗市为例，评估气候调节、水渗透和娱乐三种生态系统服务的空间分配优先级。结果表明，成本效益策略相比最低成本方案效益提升5倍，成本降低60%，城市级统筹规划优于局部优化，并需平衡环境效益与实施成本以减少服务间权衡。
Gabriel Moreno Tarrag? | Ligia Pinheiro de Jesus | Luciana Schwandner Ferreira | Douglas William Cirino | Artur Lupinetti Cunha | Jean Paul Metzger
生态学系，生物科学研究所，圣保罗大学，Rua Do Mat?o，Tv. 14，圣保罗，圣保罗 05508-090，巴西
摘要
在城市环境中实施绿地通常受到资金可用性、社会压力和政治利益等因素的驱动。这种做法可能会限制绿地带来的社会环境效益的充分实现，同时低估了实施成本，最终导致解决方案的成本效益较低。为了克服这一限制，我们提出了一种优先级排序方法，该方法优化了巴西圣保罗市拟建公园的空间分配，重点关注三项生态系统服务：局部气候调节、局部水分渗透和娱乐功能。研究表明，与最低成本方案相比，成本效益策略的服务提供效率可以提高五倍，并且相对于随机选择方案，成本可降低60%。在全市范围内优先考虑公园建设，而不是针对特定区域，可以更好地提供生态系统服务并提高成本效益。我们的结果还表明，平衡环境效益与实施成本有助于最小化生态系统服务之间的权衡，从而在城市中实现更公平的服务分配。本研究为城市景观规划提供了一种有价值的方法，提出了一个透明、数据驱动且可复制的框架，以帮助城市规划者做出明智的决策，扩大绿地面积并建立公园。
引言
成本效益分析已在生态学领域得到广泛应用，例如在恢复和保护工作中，以确定在最小化成本的同时最大化效益的优先区域。一个显著的例子是对大西洋森林的研究，该研究采用优化方法确定了恢复工作能够以最低成本带来最大效益的区域，证明战略性成本效益优化可以将保护收益提高三倍（Strassburg等人，2019年）。在另一项研究中，Strassburg等人（2020年）使用类似的方法确定了全球各种生态系统中的优先恢复区域。最近，线性规划被用于优化农村地区基于自然的解决方案（NbS）在气候适应和缓解方面的分配（Villarreal-Rosas等人，2023年）。然而，尽管优化分析在恢复和NbS实施中的应用日益增多，但很少有研究将其应用于资源受限的场景中，以支持城市绿地分配。这种类型的研究在发展中国家城市中尤为缺乏（Lourdes等人，2022年；Nyelele和Kroll，2021年；Rambhia等人，2024年）。此外，很少有研究将生态系统服务提供链纳入考虑（Villamagna等人，2013年；Metzger等人，2021年），以全面捕捉城市环境中多种生态系统服务的提供情况。因此，需要开展更多研究，提供一个更全面的框架，整合生态系统服务提供和成本效益，以支持城市决策过程，这对城市景观规划和基于自然的干预措施具有重要意义（Cohen-Shacham等人，2019年）。
随着城市面积的扩大，城市绿地的减少加剧了环境和社会问题，包括洪水、污染、热应激和心理健康问题（Berrouet等人，2018年；Haaland和van den Bosch，2015年）。城市绿地——如公园、广场、花园和街道树木——是关键的基于自然的解决方案（NbS），可以帮助缓解这些问题（Tzoulas等人，2007年；Gianfredi等人，2021年）。NbS是由自然过程启发或支持的干预措施，旨在应对环境和社会挑战（Castellar等人，2021年）。过去几十年来，许多研究探讨了城市绿地的数量、质量和分布如何影响不同生态系统服务的提供（Veerkamp等人，2021年）。绿地为娱乐和冥想活动提供了场所，促进身心健康，同时将人们与自然联系起来。靠近绿地与心血管和呼吸系统疾病发病率降低、压力水平降低以及认知功能（如记忆和心理恢复）改善有关（Cirino等人，2022年；Callaghan等人，2021年）。气候调节是绿地提供的另一项关键服务。植被通过遮荫和蒸散作用减少了城市热岛效应，提高了热舒适度（Gunawardena等人，2017年）。在亚利桑那州菲尼克斯进行的一项研究发现，新绿地的规划实施可以将当地地表温度降低1-2摄氏度，从而缓解热应激（Zhang等人，2017年）。雨水管理和径流减少也是城市绿地的益处，有研究表明，当NbS被战略性地用于城市防洪时，可以改善水分保持（Azadgar等人，2025年）。此外，绿地还是城市环境中生物多样性的重要栖息地，为各种植物和动物提供生存空间（Threlfall等人，2017年）。这些益处展示了绿地促进社会福祉的潜力，并强调了在景观规划中战略性地纳入这些元素的重要性，以提高城市可持续性和公共健康。
为了充分评估生态系统服务的提供情况，有必要综合考虑提供链的三个组成部分：供应、需求和流动（Villamagna等人，2013年）。供应区域是指基于其生态过程和功能有可能提供服务的区域，这些过程和功能受到景观特征的影响。需求区域是指社会需要或期望服务的区域，而流动则指供应区域和需求区域之间的连接（Metzger等人，2021年）。在城市中，供应通常与分布在城市各处的绿地相关，而需求则受人口规模和密度、社会经济状况、植被稀缺性和水资源可用性等因素的影响。流动与人们在供应区域和需求区域之间的移动有关，或者与提供服务的生物或非生物元素的移动有关。需要进行综合评估，以全面了解服务提供情况，从而更精确地评估城市绿地为居民带来的效益。然而，仅评估生态系统服务的提供（即对人们的益处）不足以指导城市景观规划。鉴于许多城市，特别是在发展中国家，存在显著的社会经济脆弱性（Shekhar等人，2022年），对绿地的投资应进行战略设计，以最大化它们为居民带来的效益（或提供），同时确保实施的成本效益。
在这项研究中，我们采用了基于线性规划的优化分析，对巴西圣保罗市（南半球人口最多的城市）的绿地（公园）实施进行了优先级排序。与其他发展中国家城市一样，圣保罗缺乏标准化的绿地实施计划，决策往往受到资金可用性、社会压力和政治利益等因素的驱动（Boulton等人，2022年）。根据政府指南，新的绿地应重点保护水道并最大化生态系统服务。它们还应战略性地分配在人口密度高、社会和气候脆弱性高以及绿地和公共休闲空间有限的区域（圣保罗市战略规划（PDE），2014年；城市保护区、绿地和开放空间计划（PLANPAVEL），2022年）。
在这些政府指导方针的指导下，我们应用了一个优化模型，根据这些公园提供三项生态系统服务的潜力（局部气候调节、局部水分渗透和娱乐功能），确定了优先实施的公园。此外，我们应用了指标来估算每个公园的实施成本。我们的工作不仅旨在指导圣保罗市新公园的优先级排序，还测试了这种优先级排序如何根据可用预算、优先考虑的生态系统服务、采用的实施策略以及采用区域化方法还是全市范围的方法而有所不同。本研究提出的框架可以指导城市规划者和政策制定者做出明智的、数据驱动的决策，同时提供了一个透明、灵活且可复制的 方法，可以适应未来的挑战和优先事项，确保城市规划的长期可持续性和韧性。
研究区域
本研究在巴西东南部的圣保罗市进行。圣保罗是巴西最大且人口最多的城市，估计人口为1150万（IBGE – 巴西地理统计局，2022年）。尽管建筑密集，圣保罗仍保留了大量的植被覆盖，城市表面有48%被某种类型的植被覆盖。然而，这种绿色覆盖分布不均：几乎80%的
文化生态系统服务与调节生态系统服务之间的权衡
我们的分析揭示了文化（娱乐）生态系统服务与调节（气候调节和水分渗透）生态系统服务之间的权衡。局部气候调节和局部水分渗透的供应潜力主要集中在城市北部和南部较大的、植被茂密的公园中（图3）。因此，这两种服务的空间分布在城市中非常不均匀，少数公园集中了
讨论
城市面临平衡多种生态系统服务的挑战，这些服务往往存在空间和功能上的权衡。为了解决这些问题，城市需要战略工具来平衡环境、社会和经济目标。在这项研究中，我们将生态系统服务提供链与优化分析相结合，评估了不同战略规划情景下的公园优先级排序。我们的发现突出了调节生态系统服务与文化生态系统服务之间的权衡
结论
随着城市绿地对身心健康的重要性日益凸显，考虑生态系统服务过程对于战略性地指导这些基于自然的解决方案在城市中的实施至关重要。此外，鉴于不同生态系统服务的供应、需求和提供的空间变异性，采用多目标优先级排序过程对于最大化城市绿地的好处非常重要
CRediT作者贡献声明
Luciana Schwandner Ferreira：撰写——审阅与编辑、验证、方法论、概念化。Ligia Pinheiro de Jesus：撰写——审阅与编辑、验证、资源、方法论、概念化。Gabriel Moreno Tarrag?：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、软件使用、项目管理、方法论、调查、数据分析、概念化。Douglas William Cirino：撰写——审阅与编辑、资源、方法论。Jean
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备这项工作时，作者使用了OpenAI的ChatGPT来提高手稿的可读性和语言质量。使用该工具/服务后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明他们没有实际或潜在的竞争性财务利益。
致谢
我们感谢CAPES高级员工培训协调委员会（项目编号：88887805088/2023–00）提供的研究资助。我们还要感谢圣保罗市绿色与环境秘书处在整个研究过程中的合作。
利益冲突声明
作者声明他们没有实际或潜在的竞争性财务利益。
