Urban Green Infrastructure: Modeling and mapping ecosystem services for sustainable planning and management in and around cities

En un planeta cada vegada més urbà, moltes ciutats i els seus habitants s'enfronten a múltiples i urgents amenaces dins de les seves fronteres, incloent l'estrès per excés de calor, la contaminació i la creixent desconnexió amb la biosfera. Millorar la sostenibilitat, la resiliència i l'habitabilitat de les àrees urbanes ha de ser per tant un objectiu de importància primordial en l'agenda política, des de les autoritats locals a les globals. L'aplicació del marc de serveis dels ecosistemes, a partir dels conceptes de 'infraestructura verda' i 'solucions basades en la naturalesa', es considera per un creixent nombre de responsables polítics, professionals i científics com el camí a seguir per fer front a molts d'aquests desafiaments urbans. No obstant això, el grau en què la infraestructura verda urbana pot oferir solucions adequades a aquests reptes és rarament considerat en les avaluacions de serveis dels ecosistemes, i per tant la seva potencial contribució és sovint desconeguda per als prenedors de decisions. Aquesta tesi examina de manera crítica el paper i la contribució de la infraestructura verda per fer front a diversos reptes urbans (amb especial atenció a la contaminació de l'aire, les emissions d'efecte hivernacle, l'estrès per excés de calor i les oportunitats per al lleure a l'aire lliure) a diferents escales territorials. Partint del model de cascada de serveis dels ecosistemes, es proposa i s'aplica un marc operacional a través de quatre capítols d'investigació originals per informar les decisions de planificació i gestió sobre la base de les relacions entre la capacitat de la infraestructura verda per proporcionar serveis dels ecosistemes, la prestació efectiva o l'ús d'aquests serveis (flux), i la quantitat de serveis que demanda la població urbana. La identificació de la demanda insatisfeta, és a dir, el desajust entre el flux de serveis dels ecosistemes i la seva demanda, és un objectiu principal de les avaluacions ja que expressa els límits de la infraestructura verda urbana en relació als reptes considerats. La tesi utilitza i refina una varietat d'enfocaments metodològics per a la modelització i la cartografia de la capacitat, el flux i la demanda de serveis dels ecosistemes urbans (per exemple, les eines ESTIMAP i i-Tree). L'àmbit territorial de la investigació duta a terme dins el marc d'avaluació de la tesi doctoral abasta principalment l'àrea urbana de Barcelona, Espanya, tenint en compte tant l'escala local o de ciutat (municipi de Barcelona) i l'escala metropolitana o regional (regió metropolitana de Barcelona). Els resultats de la investigació indiquen que la contribució dels serveis ambientals proporcionats per la infraestructura verda urbana per fer front als problemes urbans sovint és limitada (per exemple, el seu impacte sobre la qualitat de l'aire o la mitigació del canvi climàtic és inferior al 3% tenint en compte les emissions totals de carboni i la contaminació de l'aire en tots els estudis de cas) i/o incerta a les escales de ciutat o metropolitana. A més, l'impacte positiu de la infraestructura verda en la qualitat ambiental i el benestar humà es troba generalment limitat per 'perjudicis' ambientals (per exemple, les emissions biogèniques), trade-offs (per exemple, la provisió enfront de la regulació dels serveis) o desajustos espacials entre la provisió i la demanda de serveis (per exemple, les capacitats de purificació de l'aire i de recreació a l'aire lliure de grans blocs d'infraestructura verda metropolitanes estan massa lluny dels llocs de demanda). Sobre la base d'aquests resultats, s'identifiquen diverses implicacions per a la planificació i gestió urbana/territorial, incloent: (1) la priorització de les polítiques de reducció de la pressions que generen una demanda per determinats serveis dels ecosistemes (per exemple, la purificació de l'aire i la captura de carboni); (2) la combinació d'estratègies de diversitat d'usos en sòl urbà i agrícola per tal d'augmentar la seva resiliència i multifuncionalitat i, al mateix temps, assegurar la conservació de grans àrees periurbanes forestals multifuncionals; (3) el desenvolupament de nous espais verds en els nuclis urbans compactes utilitzant estratègies innovadores (per exemple, cobertes verdes); i (4) la consideració de perjudicis i trade-offs en la planificació i gestió dels serveis dels ecosistemes. Finalment, sostinc que la planificació i gestió de la infraestructura verda urbana requereix un enfocament holístic, tenint en compte tota la gamma de serveis dels ecosistemes potencialment proporcionats pels diferents tipus d'infraestructura verda i les interaccions entre ells, juntament amb les diferents escales espacials a les quals aquests serveis poden ser rellevants per a la resiliència, la sostenibilitat i l'habitabilitat de les zones urbanes. Això exigeix una important coordinació institucional multi-escala i multidisciplinari entre totes les autoritats amb competències en polítiques urbanes i ambientals, així com l'harmonització dels instruments de planificació i gestió en un enfocament de governança a múltiples nivells.In an increasingly urban planet, many cities and their inhabitants are facing multiple pressing threats within their borders, including heat stress, pollution and growing disconnection with the biosphere. Improving sustainability, resilience and livability in urban areas should be thus a major goal on the policy agenda, from local to global authorities. The operationalization of the ecosystem services framework, building on the concepts of ‘green infrastructure’ and ‘nature-based solutions’, is claimed by a mounting number of policy-makers, practitioners and scientists as the way forward to address many of these urban challenges. However, the extent to which urban green infrastructure can offer relevant solutions to these challenges is rarely considered in ecosystem service assessments, and therefore unknown to decision-makers. This dissertation critically examines the role and contribution of green infrastructure to cope with diverse urban challenges (with a focus on air pollution, greenhouse emissions, heat stress and opportunities for outdoor recreation) at different spatial scales. Building on the ecosystem services cascade model, an operational framework is proposed and applied across four original research chapters to inform planning and management decisions on the basis of the relationships between the green infrastructure’s capacity to deliver ecosystem services, the actual provision or use of these services (flow), and the amount of services demanded by the urban population. Identification of unsatisfied demand, i.e., the mismatch between ecosystem service flow and demand, is a main focus of the assessments since it expresses the limits of urban green infrastructure in relation to the considered challenges. The dissertation uses and refines a variety of methodological approaches for modeling and mapping the capacity, flow and demand of urban ecosystem services (e.g., i-Tree and ESTIMAP tools). The spatial scope of the research carried out within the assessment framework of this dissertation principally encompasses the urban area of Barcelona, Spain, considering both the local or city scale (Barcelona municipality) and the metropolitan or regional scale (Barcelona metropolitan region). Results from the research indicate that the contribution of ecosystem services provided by urban green infrastructure to cope with urban problems is often limited (e.g., its impact on air quality or carbon offsetting was lower than 3% considering total carbon emissions and air pollution in all case studies) and/or uncertain at the city and metropolitan scales. In addition, the positive impact of green infrastructure on environmental quality and human wellbeing is usually challenged by ecosystem disservices (e.g., biogenic emissions), trade-offs (e.g., provisioning versus regulating services) or spatial mismatches between service supply and demand (e.g., air purification and outdoor recreation capacities of large metropolitan green infrastructure blocks are too far from demand sites). On the basis of these findings, several implications for urban/landscape planning, management and decision-making are drawn, including: (1) the prioritization of abatement policies on the pressures generating a demand for certain ecosystem services (e.g., air purification and carbon sequestration); (2) combining land sharing strategies in urban and agricultural land in order to increase their multifunctionality and resilience and, concurrently, assure the conservation of large patches of multifunctional periurban forest areas; (3) development of new green spaces in compact urban cores using innovative strategies (e.g., rooftop gardens); and (4) consideration of ecosystem services trade-offs and disservices in planning and management. Finally, I contend that urban green infrastructure planning and management requires a holistic approach, considering the whole range of ecosystem services potentially provided by different types of green infrastructure and the interactions between them, together with the different spatial scales at which these ecosystem services can be relevant for the resilience, sustainability and livability of urban areas. This calls for a strong multi-scale and multi-disciplinary institutional coordination between all the authorities dealing with urban and environmental policy and for the harmonization of planning and management instruments in a multi-level governance approach