确定植被优化的优先领域，以改善热缓解措施中的供需匹配

《Urban Forestry & Urban Greening》：Identifying priority areas for vegetation optimization to improve the supply-demand match in heat mitigation

本研究通过整合InVEST城市冷却模型与多源空间数据，评估上海城市热岛治理的供需匹配。模拟发现 converting grasslands and shrublands to tree-based vegetation可显著提升 cooling efficiency，利用Marxan模型确定18311公顷优先优化区，使供需比平均提升4.08%，其中核心城区供需比优化达2.01。研究为土地受限高密度城市的热岛缓解提供空间决策支持。

　　

陶宇|王本尧|杨一轩|李向云|钟颖|裴可静|杨一楠|谢玉静

复旦大学环境科学与工程系，中国上海

摘要

在气候变化和快速城市化的背景下，通过绿色基础设施缓解城市热岛效应至关重要。虽然扩大绿地面积是提高冷却能力的常见策略，但在土地资源有限、高度城市化的城市中，提高现有绿地的效率是一种更为实用的方法。本研究结合了InVEST城市冷却模型和多源空间数据，评估了上海的热缓解供需匹配情况，模拟了将草地和灌木地转化为树木植被的冷却效益，并利用Marxan模型确定了优先绿化区域。研究结果表明，上海的城市热缓解服务的供需模式存在显著的空间异质性，中心区域的供需比率最低，逐渐向郊区增加。在各种植被优化方案中，常绿阔叶林是中心城区的主导植被类型，而内郊和外郊地区则表现出更多样的植被类型。利用Marxan模型，确定了18,311公顷（占上海总面积的2.47%）作为植被优化的优先区域。优化后，热缓解服务的平均供需比率提高了4.08%。在优化区域内，供需比率平均提高了2.01%，被归类为“最差”供需比率的区域比例下降了70.26%。总体而言，本研究为优化城市空间规划提供了一个实用且空间明确的框架，为在日益严重的高温压力和有限的土地资源条件下实现可持续城市发展提供了宝贵的指导。

引言

气候变化和快速城市化加剧了城市热浪的频率、强度和持续时间，对生态系统、居民健康和城市基础设施构成了日益增长的风险（Mora等人，2017年；Shi等人，2021年；White等人，2023年）。研究表明，城市化使城市热风险增加了90%以上，而在高度城市化的地区，这种放大效应更为明显（Gao等人，2024年）。城市环境和气候（如城市热岛效应）加剧了城市居民暴露在高温下的健康风险，预计未来将有更多城市居民面临极端热浪的威胁（Wang等人，2021年）。这些不断加剧的风险凸显了有效热缓解服务的迫切需求，以增强城市韧性并保护公共健康和城市基础设施。

现有研究和实践表明，城市树木作为城市绿地的重要组成部分，能有效调节城市气候并缓解城市热岛效应（Jato-Espino等人，2025年；Li等人，2025年）。植被主要通过遮荫和蒸散作用增加湿度来缓解热量积累（Voogt & Oke，2003年）。一项系统性的元分析表明，包括公园和树木在内的城市绿地可使平均温度比无植被区域降低1°C（Bowler等人，2010年）。证据显示，绿化可以降低日地表温度（LST）0.59°C（Cao等人，2026年），显示出其在降温方面的能力（Tsoka等人，2018年）。研究人员广泛使用遥感指标（如LST降低）（Hussainzad和Gou，2025年；Xiao等人，2025年）和实地测量（Ziter等人，2019年）来评估这些热缓解效果。此外，还使用了多种建模方法来量化植被的降温效果，包括ENVI-met、计算流体动力学（CFD）模型和InVEST城市冷却模型（UCM）。ENVI-met常用于模拟绿地内外的微气候，但由于数据量和计算要求较高，其应用通常限于微观或社区尺度（Jiang等人，2020年）。CFD模型可以解析三维过程并生成详细的温度场；然而，它们通常适用于城市范围的分析（Kubilay等人，2018年）。相比之下，InVEST UCM非常适合城市规模的热缓解服务评估。该模型通过三种关键的生物物理机制（遮荫、蒸散和反照率）来表征降温过程。重要的是，该模型能够通过修改土地覆盖图并评估不同植被配置或发展路径下的降温潜力，实现空间明确的情景模拟和比较（Hu等人，2023年）。这一功能有助于评估规划方案并探索绿色基础设施的优化策略，使其成为通过易于获取的数据支持规划和政策评估的宝贵工具（Ronchi等人，2020年）。尽管这些研究提高了我们对生物物理降温过程的理解，但它们往往忽略了生态降温供应与人类需求之间的空间不平衡如何影响规划效果。

随着对城市居民体验的重视，越来越多的研究认识到应同时考虑供应和社会需求（Maron等人，2017年）。特定地点的降温效果不仅受当地植被的影响，还受周围景观环境的影响，包括土地覆盖组成、社区城市形态和表面湿度条件，这可能导致不同城市环境中的降温反应差异（Lyu等人，2025年；Zhou等人，2022年）。相比之下，热缓解需求主要来自这些绿地之外的居民，他们生活在和工作在高温的建成区。因此，规划的关键挑战是评估和优化整个城市的热缓解供需空间匹配（Guan等人，2025年）。忽视供需之间的动态耦合以及对其空间不匹配的充分分析可能会导致严重问题（Chen等人，2019年）：高温暴露区域往往缺乏足够的绿色资源来提供生态降温，而热条件有利的地区可能人口稀少且生态资源利用不足（Halecki等人，2023年）。最近的研究整合了生态系统服务提供、社会经济因素和人口统计的视角，强调了全面考虑供需的重要性（Zoderer等人，2019年）。该研究建立了一个综合框架，结合遥感和社会经济数据来评估城市绿地的气候调节服务供需（Li等人，2022年）。这一框架提供了空间工具和分析见解，以支持城市绿色基础设施的设计和规划。除了评估当前情况外，研究还探讨了城市热岛缓解的降温供需匹配的空间演变和驱动因素（Fang & Zhao，2024年）。基于上述研究，可以看出，分析供需关系可以为规划和管理决策提供信息，以实现更好的供需匹配（Liu等人，2020年），从而提高城市可持续性和促进健康发展。

然而，将供需不匹配的概念理解转化为可行的规划策略仍然是一个重大挑战。尽管先前的研究越来越多地绘制了这种不匹配的地图，但它们往往缺乏一个前瞻性的、空间明确的框架来指导在严格的土地限制下如何优化植被（Bai等人，2018年）。以往的优化策略主要集中在通过增加城市绿地的空间供应来提供降温服务（Feng等人，2023年；Massaro等人，2023年；Zhou等人，2025年）。尽管这种方法简单有效，但由于城市开发和建设的强烈压力，城市地区的土地资源往往非常有限，无法容纳城市绿色基础设施的显著扩展（JIM，1998年；Yu等人，2020年）。优化绿地内的植物群落多样性和垂直结构可以提高降温能力并缓解城市热应力（Tang等人，2017年）。与草地和灌木相比，密集的树冠植被可以提供更好的遮荫并更有效地降低表面温度（Rakoto等人，2021年）。结合树木和草地的配置可以显著提高降温效果（Yan等人，2019年），而且城市树木植被的降温效率因不同类型组合而异（Feyisa等人，2014年）。因此，需要一个综合框架，不仅量化当前的供需不匹配，还能在现实的土地覆盖限制下模拟基于植被的干预措施的有效性，并最终确定优先区域和合适的植被类型。这种视角有助于识别关键的不匹配区域，支持高风险区域的空间优先级排序，并促进有针对性的干预策略设计（Chen等人，2025年）。

本研究关注的是面临夏季高温挑战的高度城市化地区。作为案例研究，上海是中国人口最密集和城市化程度最高的城市之一，其城乡差异明显，绿地分布不均，可能影响当地的降温能力。本研究的主要目标是：（1）量化当前热缓解服务供需的空间模式，并揭示潜在的供需不匹配的空间分布。（2）通过模拟将草地和灌木地转化为树木植被类型并比较其降温效果，评估不同植被优化方案的增强潜力。（3）应用Marxan模型并结合建设成本和降温效益，确定优先区域和合适的植被类型，以支持在土地使用限制下的决策。

研究区域

上海（北纬30°40'-31°53'，东经120°52'-122°12'）位于长江三角洲（图1），属于亚热带季风气候，夏季炎热潮湿。近年来，由于快速城市扩张和全球气候变化的共同作用，该市面临极端高温事件的加剧。2025年，上海记录的最高温度为38.9°C，有53天的温度超过了35°C（来源：http://sh.cma.gov.cn/），显著增加了与高温相关的健康风险

热缓解服务的供需模式

应用InVEST UCM评估了上海的热缓解服务供应能力。不同的土地覆盖类型（图4a）在提供热缓解服务方面具有不同的能力。具体而言，常绿阔叶林的叶面积指数（LAI）最高（5.21），提供的热缓解服务最强，平均HMSI为0.71。其次是落叶阔叶林（LAI $=$ 4.74）和落叶针叶林（LAI $=$ 4.58），平均HMSI值分别为0.65和0.64，

供需不匹配空间模式和植被优化的解释

城市绿地被广泛认为是调节城市热环境和提高生态质量的关键组成部分（Xu等人，2022年；Yu等人，2020年）。然而，在土地和资源有限的高密度城市中，生态供应与热缓解需求之间的持续显著空间不匹配仍然是一个主要挑战（Guan等人，2023年）。为了解决这一不匹配问题，有必要将绿地的生物物理能力与空间需求联系起来

结论

本研究提出了一个综合框架，用于评估热缓解服务的供需，确定植被优化的优先区域，并选择合适的植被类型以增强热缓解服务的匹配。研究结果表明，上海的热缓解服务供需存在显著的空间异质性。中心城区表现出最差的热缓解服务供需不平衡，那里对热缓解服务的社会和物理需求很高

未引用的参考文献

(Li等人，2025年；Wang等人，2024年)

CRediT作者贡献声明

裴可静：可视化、软件。钟颖：软件、数据管理。谢玉静：写作——审稿与编辑、监督、方法论、资金获取。杨一楠：写作——审稿与编辑、验证、方法论、概念化。王本尧：项目管理、调查、数据管理。陶宇：写作——初稿撰写、可视化、验证、监督、软件、资源管理、项目管理、方法论、调查、正式分析、数据管理，

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：谢玉静报告称获得了国家自然科学基金（42471311）的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42471311）和上海生态空间生态系统调查与评估项目的支持。此外，我们还要感谢上海绿化管理指导站为不同植被类型的建设和维护成本提供的数据支持。