海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價研究綜述

程夕,左冰菁,劉興詔,黃柳菁

（福建農林大學園林學院,福建福州350002）

海岸帶（coastal zone）是介于陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)交錯過渡地帶的高度動態(tài)和復雜的自然綜合體,包括潮汐漲落對海岸作用的潮間帶及其鄰近的陸地和淺海,以及海水運動在潮下帶坡面淤積/侵蝕所影響的范圍[1-2].作為全球環(huán)境變化的緩沖區(qū),海岸帶常被稱為“海洋第一經濟帶”,不僅能提供豐富的資源,還具有調節(jié)氣候、海岸防護、調蓄洪水、凈化水質、降解污染物、滯留營養(yǎng)物、提供動植物棲息地以及人文服務等功能[3].同時,由于地理位置特殊,海岸帶受陸地環(huán)境與海洋環(huán)境、自然活動與人類活動的多重作用,是一個脆弱的生態(tài)敏感區(qū),其生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的評價已成為當前的研究熱點[4-5],評價結果能夠有效識別研究區(qū)域生態(tài)狀況并預判其發(fā)展趨勢[6].

本文對海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價的研究進展、指標體系及評價方法進行綜述,分析海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價研究的現(xiàn)狀,指出其局限性,探討其未來的發(fā)展趨勢及研究思路,以期為維護海岸帶生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、協(xié)調海岸帶資源開發(fā)與可持續(xù)發(fā)展等提供指導.

1 海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性概念內涵

生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價在區(qū)域層次上對生態(tài)系統(tǒng)的脆弱程度作出定量或者半定量的闡述、判斷和預測,以探究脆弱性變化的驅動力因子和客觀規(guī)律,從而對資源開發(fā)、環(huán)境保護和生態(tài)恢復等提出合理的意見與建議,實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)和社會經濟的可持續(xù)發(fā)展[7].1905年Clements將“Eco-tone”（交錯帶）的概念引入生態(tài)學,用來定義生態(tài)系統(tǒng)不同群落之間的交合[8],這一概念在20世紀80年代景觀生態(tài)學的興起后逐漸受到關注.1988年,在布達佩斯舉辦的第七屆環(huán)境科學委員會（SCOPE）大會呼吁國際生態(tài)學界開展對Eco-tone的研究,并首次確認了“生態(tài)脆弱帶”的概念[9],此后在全球范圍內針對生態(tài)系統(tǒng)脆弱性開展了廣泛的研究和探討.

海岸帶位于陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)系統(tǒng)的交錯過渡地帶,是一個典型的“生態(tài)脆弱帶”.一般而言,海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性指海岸帶生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化、海平面上升、社會發(fā)展壓力以及由此可能產生的不利影響的承受能力[10],國際政府間氣候變化專門委員會（intergovernmental panel on climate change,IPCC）海岸帶管理工作分組（coastal zone management subgroup,CZMS）將其定義為“海岸帶面臨全球氣候變化影響及海平面上升等的不適應程度”[11].參照這一概念,各國學者在實際研究中對海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性展開討論.Dow K將沿海區(qū)域的脆弱性解釋為暴露度、防御力、抵抗傷害的能力、從沖擊中恢復的能力等四個維度之間的關系[12]；Nichollsd等[13]通過敏感度、適應性和抵抗力來度量海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性,其中適應性和抵抗力主要來自地形結構、生態(tài)環(huán)境和社會經濟3個要素；Klein等[14]提出Resilience（彈性）與Vulnerability（脆弱性）的相對概念,將海岸帶彈性描述為海岸生態(tài)系統(tǒng)能夠以在不失去實際或潛在功能的前提下對外界干擾作出反應的程度,超過這個程度即表現(xiàn)為脆弱性；Füssel[15]對脆弱性研究進行總結,將海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性影響因子歸納為系統(tǒng)劃分、區(qū)域屬性、災害影響、時間尺度、空間尺度、評價領域等6個方面.雖然目前還沒有明確的海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性定義,但綜合IPCC和各國專家對脆弱性概念的分析,可將其概括為：系統(tǒng)的暴露度、敏感度和適應性,即V=E+S-A（V：系統(tǒng)的脆弱性；E：系統(tǒng)暴露度；S：系統(tǒng)的敏感度；A：系統(tǒng)的適應性）[16].

總體而言,脆弱性是海岸帶生態(tài)系統(tǒng)的一個固有屬性,在不同生態(tài)系統(tǒng)群落碰撞過程中,自然活動與人類活動共同對其產生干擾,當干擾超過其承受能力時,即有可能會出現(xiàn)如海岸侵蝕、海水入侵、生境退化等脆弱性癥狀.

2 海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價概念框架

生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的概念在20世紀60年代開始的國際生物學計劃（international biological programme,IBP）、70年代開始的人與生物圈計劃（man and biosphere programme,MAB）、80年代開始的國際地圈-生物圈計劃（international geosphere-biosphere programme,IGBP）以及1988年的SCOPE大會中逐步被明確[17],隨后聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（united nations environment programme,UNEP）、IPCC等國際機構以及多個國家和地區(qū)在全球區(qū)域尺度上開展了生態(tài)系統(tǒng)脆弱性相關評價[18].1992年IPCC CZMS的報告首次提出海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價的重要性,并根據界定研究區(qū)、研究區(qū)特征、核定相關發(fā)展因素、評估自然變化、制定響應對策、評估“研究區(qū)概況”、確定未來需求等7個步驟制定常規(guī)評價方法,將海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性等級分為低、中、高和極端4個等級[19].由于IPCC常規(guī)評價方法適用范圍有限,Klein等[20]在其基礎上提供了一個新的海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價概念框架（見圖1）,他們將氣候變化引起的自然系統(tǒng)脆弱性和社會發(fā)展帶來的社會經濟脆弱性區(qū)分開,并重新定義了脆弱性評價中的各種概念和它們之間的關系,將評價分為3個逐步復雜的層級：①篩選評價（screening assessment,SA）；②脆弱性評價（vulnerability assessment,VA）；③規(guī)劃評價（planning assessment,PA）.SA著重于系統(tǒng)的敏感性評估,VA包括了對自然因素影響、社會經濟作用和適應能力的準確評價,PA則是從綜合水平提出具體的、可以廣泛使用于管理的海岸帶規(guī)劃方案.Klein和Nicholls的評價體系幫助研究者在有限的脆弱性分析基礎上累積經驗、完善數據庫,為更全面和具體的海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價提供了借鑒.

圖1 海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價概念框架Fig.1 A conceptual framework for the evaluation methods of ecosystem vulnerability of coastal zones

相關學者在實際研究過程中通常根據研究區(qū)域、研究目標、系統(tǒng)變化狀態(tài)、系統(tǒng)適應能力等構建脆弱性評價概念框架,主要有壓力-狀態(tài)-響應（pressure-state-response,PSR）、驅動力-狀態(tài)-響應（drivingforcestate-response,DSR）、驅動力 -壓力 -狀態(tài) -影響 -響應（driving-pressure-state-impactresponse,DPSIR）、源-途徑-受體-影響（source-pathway-receptor-consequence,SPRC）、壓力-脆弱性-狀態(tài)（pressure-vulnerability-response,PVS）等[21-26],這些概念框架各具特點,從不同角度考慮各項因素對海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的影響（見表1）.

表1 海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價主要概念框架特點Tab.1 characteristics of the main conceptual frameworks for the evaluation methods of ecosystem vulnerability of coastal zones

3 海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價研究發(fā)展階段

海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價的相關研究工作最早可追溯到20世紀70年代.最初的評估工作主要關注極端天氣對海岸帶造成的影響[27].災害統(tǒng)計數據顯示,20世紀以來,由于戰(zhàn)爭和自然環(huán)境的惡化,自然災害造成的損失顯著增多[28].美國總統(tǒng)行政辦公室應急準備局（office of emergency preparedness,executive office of the president of the united states,OEP-EOP）在 1972 年出版的《Disaster preparedness》一書中指出,脆弱性評估對于降低自然災害帶來的風險有著越來越重要的作用.該時期的海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性研究主要關注自然災害引起的海岸侵蝕等方面.如Purgalis[29]利用SWAN（wave model）和MeCSM（hydrodynamic model）模擬有效波高、波浪的周期和方向以及風暴潮等數據,評估愛琴海3個容易遭受洪水侵襲的沿海地區(qū)（色雷斯、萊斯沃斯島、查尼亞）在3個時間段內（1951—1999,2000—2049,2050—2099）因風暴引發(fā)的沿海脆弱性.該方法將每個區(qū)域的所有風暴分為兩類,并估計每個風暴類的洪水潛力,海岸管理者能夠由此找到對特定風暴等級敏感的海岸地區(qū),并采取應對措施.在這一階段,海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價研究剛剛起步,尚未構建完善的評價指標體系和概念模型.

隨著全球氣候危機的不斷加劇,氣候變化對海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的影響引發(fā)關注.世界氣象組織（WMO）及聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）于1988年聯(lián)合建立聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）,至今已發(fā)布5次氣候評估報告,成為全球范圍內的氣候變化研究工作的重要科學依據,其中海岸帶管理工作分組（CZMS）制定的常規(guī)評價方法為海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價提供了重要參考[30].相關學者的評估研究也讓評價體系得到了進一步發(fā)展.如Gornitz[31]采用海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性指數（coastal vulnerability index,CVI）和風險等級概念預測海平面上升帶來的影響,這一方法后來在美國太平洋和大西洋的海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價中得到了廣泛運用.Sánchez-Arcilla等[32]選用沖淤動態(tài)、沉積速率、土壤結構、海岸線響應等指標和三角洲行為的綜合（物理/生態(tài)）概念模型對埃布羅河三角洲海岸帶進行脆弱性評估.Islam等[33]將多個指標定義為相對風險參數,并通過地理空間技術（RS和GIS）進行整合排序,用以估算海平面上升影響下孟加拉國恒河三角洲海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性.整體而言,20世紀90年代后,海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價研究主要應用脆弱性指數評估氣候變化對海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的影響[34],并逐步建立起完善的評價指標體系,3S技術也得到了運用.

與此同時,隨著研究不斷深入,海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價由靜態(tài)發(fā)展至時空動態(tài)模擬研究,模型得到了廣泛使用.Nicholls[35]于1995年綜合比較全球多個國家和地區(qū)已有的脆弱性分析案例,對海平面上升影響下海岸帶的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性進行探討,并于1999年采用英國哈德利氣候預測與研究中心的兩個通用大氣環(huán)流模型（HadCM2和HadCM3）建立了風暴潮引起的洪澇風險評估算法模型和海平面上升引起的濕地喪失風險評估算法模型,該模型模擬1990—2080年全球海平面上升情景,動態(tài)預測了風暴潮帶來的洪澇風險以及海平面上升造成的海岸帶濕地損失[36]；Holcomb研究所[37]在20世紀80年代構建SLAMM模型（sea level affects marsh model）用于模擬海平面上升對沿海地區(qū)的影響,該模型使用一組直接而具體的決策規(guī)則來預測空間單元的線性轉變,進而模擬海平面上升導致的美國海岸帶的長期變化.SLAMM模型選用高程、沖淤動態(tài)、平均潮差、沉積速率、平均坡度、海平面上升速率等物理參數,目前已被廣泛應用于世界各地區(qū)海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價.此外用于動態(tài)評價海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的模型還包括 DEM模型（digital elevation model）[38]、GES 模型（global environment and society model）[39]、SLOPE模型（the sea level over proportional elevation）[40]等.

4 海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價方法

4.1 海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價的模型方法

評價海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的常用方法是利用生態(tài)指示種或是反映生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)及其暴露度、敏感度、適應性的指標來衡量.海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性成因涉及多個方面,能夠反映其脆弱性的指標也是多方面的,因此在進行海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價時,必須綜合研究區(qū)域、研究目標、系統(tǒng)狀態(tài)等多種因素,采用準確客觀、可操作性強的評價方法[41].常用的相關模型方法包括指數模型、SLAMM模型、DEM模型、SLOPE模型等.

指數模型的基本思想是將多個影響海岸帶生態(tài)系統(tǒng)的指標歸納為一個能夠反映綜合情況的體系來進行脆弱性評價,其中最具代表性的是Gornitz[31]在1991年首次提出的CVI指數模型.Gornitz和他的團隊從20世紀80年代末開始對美國海岸帶進行研究,最終得到了一個覆蓋全美的海岸帶風險等級數據庫.這個數據庫包含22個原始變量和7個風險變量（平均海岸高程、地質、地貌、海岸沉降速率、海岸線侵蝕、平均潮差、最大波高）,通過公式計算出海岸帶脆弱性指數,得出的數值從1至5分別表示極低脆弱性、地脆弱性、中等脆弱性、高脆弱性、極高脆弱性,從而對全美海岸帶進行脆弱性等級劃分.該方法隨后在世界范圍內得到了廣泛運用.基于此,劉曦等[42]建立基于模糊評價法的海岸侵蝕脆弱性評價方法,對長江三角洲8個具有代表性的海岸線岸段進行脆弱性評價；Wu等[43]對我國環(huán)渤海沿海地區(qū)在21世紀末相對海平面上升1 m的假設情景下的脆弱性進行了評估；王遠東等[44]用術語“敏感性”（Sensitivity）替換“脆弱性”（Vulnerability）改進出CSI（coastal sensitivity index）評價體系,對海平面上升影響下的環(huán)渤海沿海地區(qū)進行半定量敏感性分析.

SLAMM最早由Holcomb研究所的Park等[45]在1986年提出,用于模擬海平面上升導致的沿海地區(qū)的長期變化,為研究人員和決策者考慮未來海平面上升對海岸帶可能造成的影響提供參考.該模型基于GIS技術,采用一組直接而具體的決策規(guī)則來預測空間單元的線性轉變,每個空間單元類別由一個顏色表示,所有類別的統(tǒng)計數據均以25 a為間隔（濕地區(qū)域為5 a）,最后輸出針對海平面上升影響下的研究區(qū)域在指定間隔年的彩色地圖,以便評估海平面上升對海岸帶的漸進式影響.該模型還做了一些復雜的詳細分析和短期情況的假設,以便于對研究區(qū)的長期趨勢進行分析.Park等在研究過程中選用高程、沖淤動態(tài)、平均潮差、沉積速率、平均坡度、海平面上升速率等物理參數對海平面上升影響下的美國海岸帶進行了評估,并與前人的研究結果進行比較,最終得到驗證.該模型目前已被廣泛應用于世界各地區(qū)海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價,如美國大西洋和墨西哥灣沿岸[46]、美國切薩皮克灣[47]、美國佐治亞州[48]、澳大利亞新南威爾士州[49]、美國路易斯安那州[50]、美國佛羅里達州[51]、英國薩?？撕涌诤椭Z?？朔雷o海岸[52]等.

SLOPE模型由美國國家濕地研究中心（USGS）生態(tài)學家Doyle等[40]于2010年根據海岸潮間帶生態(tài)系統(tǒng)面積與潮汐浸淹之間的關系而創(chuàng)建,用于預測海平面上升影響下潮間帶的遷移與生境的退化.SLOPE是一種功能模型,該模型假定潮間帶生態(tài)系統(tǒng)的面積和邊界特征是由當地的潮汐情況以及周圍的海水鹽度和環(huán)流所決定,并且海水鹽度和環(huán)流適合當地海岸帶的生境狀態(tài),隨著海平面上升,潮間帶的上升幅度與海拔高度、潮差以及鹽沼/紅樹林生境面積將成正比.Doyle等利用該模型預測了在海平面上升情況下墨西哥灣北部潮間帶生境的退化與遷移,并預測佛羅里達州熱帶地區(qū)的紅樹林將取代正在后退的淡水區(qū)森林,影響區(qū)域生物多樣性.該模型為紅樹林等海岸帶生境的脆弱性評估提供了參考.

4.2 海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價指標選取

脆弱性評價指標能以直接、簡單的參數反映系統(tǒng)狀態(tài)變化,是評價海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的常用方法[53].盡管IPCC CZMS給出了常規(guī)評價方法作為參考,但研究者在評價過程中會根據研究區(qū)域與目標、指標的相關性與可獲取性等進行指標選取.綜合比較部分研究者關于海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價的指標選取情況[38,40,51-52,54-65],可知海平面上升速率、坡度、海岸侵蝕、地質/地形地貌、生境狀態(tài)、平均潮差、沉降/沉積速率等是采用較多的指標,說明這些指標是導致海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的主導因素（見表2）.

表2 海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價指標選取情況Tab.2 Selection of indicators for the evaluation methods of ecosystem vulnerability of coastal zones

4.3 評價指標權重

確定海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價指標體系后,需要根據系統(tǒng)與各指標之間的關系對評價指標賦予權重.目前使用的權重方法很多,包括專家經驗法、層次分析法、模糊評價法、決策矩陣法、主成分分析法、灰色關聯(lián)法、熵權法等,各權重方法的特征比較見表3.

表3 評價指標權重方法比較Tab.3 Comparison of theevaluation indicator weighting method

5 小結與展望

綜合分析國內外海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價研究現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢,海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價研究取得了豐碩的成果,為海岸帶開發(fā)與保護、海岸帶生態(tài)環(huán)境建設等領域提供了重要參考.然而,由于海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性受多尺度、全方位和多層次的因素影響,涉及自然環(huán)境和人文社會的多個方面,包括自然生態(tài)環(huán)境、社會經濟指標和人類健康福祉等,還有大量的自然科學與空間技術問題有待進一步研究.綜合國內外的研究發(fā)展趨勢來看,海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價研究由定性描述向定量評價、由靜態(tài)評估向時空動態(tài)模擬研究、由單一的自然指標體系向綜合的自然環(huán)境與社會經濟指標體系不斷深入是當前和今后發(fā)展的必然趨勢.今后應加強4個方面的研究.

5.1 加強評價過程中對人類活動和社會經濟相關指標的考量

當前海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價研究主要集中在對氣候變化、地形地貌、海岸侵蝕、平均潮差等確定性指標的考量,對人類活動與社會經濟等不確定性指標的定量研究較少,使得評價過程和預測結果都存在很大的不確定性.目前對海岸帶生態(tài)系統(tǒng)中人類活動與社會經濟過程與影響認識有限,相關指標的影響機制和定量研究還存在很多不足.在今后的研究,應當提高對于人類活動與社會經濟相關指標的重視,將人類活動和社會經濟影響機制有機地融入海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價過程中,不斷提高海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價的準確性和全面性.

5.2 加強評價指標選取和評價方法的客觀性和科學性

隨著科技的發(fā)展和資訊平臺的信息公開化,數據的可獲得性不斷提高,可選取的脆弱性評價指標涵蓋的范圍越來越廣,所反映的海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性成因也越來越詳細具體.但綜合國內外研究成果可發(fā)現(xiàn),評價指標選擇有較強的主觀性因素,不同研究者對同一區(qū)域海岸帶的脆弱性研究,其評價結果可能大相徑庭,而海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價結果的準確性又難以驗證,因此需要重視評價過程中指標選取的客觀性和評價方法的科學性,減少誤差.

5.3 構建基于多因素交互作用的指標權重方案

海岸帶生態(tài)系統(tǒng)受陸地與海洋生態(tài)系統(tǒng)的共同作用,外部的干擾與系統(tǒng)內部的響應機制存在著非常復雜的非線性關系.盡管國內外研究者采用多種方法在多個評價研究中嘗試構建科學完善的權重方案,但由于人們對各指標間相互影響的效應了解不足,至今未能達成共識,缺少權威的權重賦值意見.未來應加強對多因素交互作用機制等方面的研究,加強對海岸帶生態(tài)系統(tǒng)中多因素交互作用效果的評估,探究多因素交互作用影響下指標權重的確定,構建基于多因素交互作用的海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價指標權重方案.

5.4 重視時空動態(tài)數據和新技術的運用

“3S”技術的發(fā)展及其廣泛應用為海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價提供了有效的研究方法,使得脆弱性的定量評估及時空動態(tài)模擬研究成為可能,是定量評估海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性隨時空動態(tài)變化的有效工具.現(xiàn)有的評價方法及模型主要是針對氣候變化等指標量化進行的,對不同指標對系統(tǒng)可能造成的影響以及海岸帶生態(tài)系統(tǒng)自身的敏感性和適應性等問題了解不足.今后的研究應當在不斷提高海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性時空動態(tài)模擬評價精確度的同時,建立科學的海岸帶生態(tài)系統(tǒng)響應機制評價模式,應用RS和GPS技術建立海岸帶遙感檢測體系,實現(xiàn)大規(guī)模、多尺度、全時段的海岸帶數據收集,應用GIS對數據進行精確有效地整合、定量、預測、模擬和綜合分析等操作,獲得直觀清晰的評價結果.同時針對海岸帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性形成機制提出應變措施,并對其作用效果和可行性展開模擬和驗證.