生態(tài)脆弱性評價概述

屈志強(qiáng)，沈婷婷，徐勝利，劉 洋，韓國棟，*

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院/草地資源教育部重點實驗室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部飼草栽培、加工與高效利用重點實驗室/內(nèi)蒙古自治區(qū)草地管理與利用重點實驗室，呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；3.內(nèi)蒙古蒙樹生態(tài)環(huán)境有限公司，呼和浩特 011517)

引言

生態(tài)環(huán)境是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。在全球變化背景下，生態(tài)環(huán)境惡化給人類的生存和發(fā)展帶來了巨大的壓力,威脅著人類的安全。生態(tài)脆弱性是特定生態(tài)系統(tǒng)在時間和空間尺度上對外部干擾的響應(yīng)，是自然因素和人類短期經(jīng)濟(jì)行為共同作用的結(jié)果[1～2]。近幾十年來，由于生態(tài)環(huán)境等劇變引起的全球變化，國內(nèi)外對生態(tài)脆弱性的研究呈現(xiàn)出跨學(xué)科交叉融合的趨勢，這不僅可以為脆弱生態(tài)環(huán)境恢復(fù)重建工作提供科學(xué)依據(jù)，同時也是制定區(qū)域可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃的重要前提。本文綜述了生態(tài)脆弱性的內(nèi)涵、生態(tài)脆弱性評價研究進(jìn)展以及未來的研究方向，以期為在全球變化下環(huán)境問題的研究提供幫助。

1 生態(tài)脆弱性內(nèi)涵

1.1 脆弱性定義

脆弱性(Vulnerability)是隨著生態(tài)環(huán)境退化問題而逐漸被人們關(guān)注，脆弱性這一概念最早起源于自然災(zāi)害研究[3]。Timmerman首先提出了脆弱性一詞的概念，認(rèn)為脆弱性反映了一個系統(tǒng)可能對災(zāi)難性或危險事件的發(fā)生作出不利反應(yīng)的程度[4]。Watts等認(rèn)為，對脆弱性的規(guī)范反應(yīng)是通過私人和公共手段減少暴露、提高應(yīng)對能力、加強(qiáng)恢復(fù)潛力和加強(qiáng)損害控制(即盡量減少破壞性后果)[5]。Chambers認(rèn)為，脆弱性有兩個方面：個人或家庭所遭受的外部風(fēng)險、沖擊和壓力；以及內(nèi)部的一面，是防御，意味著缺乏手段來應(yīng)付沒有破壞性的損失。且這一定義提出了脆弱性的3個基本指標(biāo)：(1)暴露于危機(jī)、壓力和沖擊的風(fēng)險；(2)應(yīng)對壓力、危機(jī)和沖擊能力不足的風(fēng)險；(3)危機(jī)、風(fēng)險和沖擊造成嚴(yán)重后果的風(fēng)險，以及隨之而來的緩慢或有限的復(fù)原力風(fēng)險[6]。

1.2 生態(tài)脆弱性內(nèi)涵

關(guān)于生態(tài)脆弱性的概念，不同研究領(lǐng)域的學(xué)者對其有著不同的定義。美國生態(tài)學(xué)家Clements于1905年提出“Ecotone”(生態(tài)過渡帶)[7]，在此之后，有關(guān)生態(tài)脆弱性的研究逐漸成為了熱點。Metzge等認(rèn)為，生態(tài)脆弱性是在氣候變化背景下的氣候影響與系統(tǒng)適應(yīng)力相關(guān)的函數(shù)[8]。Williams認(rèn)為，生態(tài)脆弱性是生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)時間和空間壓力的一種潛力,它是對生態(tài)系統(tǒng)在時間和空間上承受壓力的能力的估計[9]。

生態(tài)脆弱性的理論研究在我國發(fā)展的比較緩慢，20世紀(jì)80年代后期至90年代中期，是生態(tài)脆弱性理論的蓬勃發(fā)展時期。中國地質(zhì)科學(xué)與環(huán)境領(lǐng)域的學(xué)者將過渡帶的概念引入各自的研究領(lǐng)域，形成了諸如脆弱的生態(tài)環(huán)境帶等相關(guān)概念。一般是將牛文元1989年對生態(tài)環(huán)境脆弱帶的實質(zhì)及其空間屬性做較全面的邏輯歸納作為開始，他認(rèn)為生態(tài)脆弱性主要表現(xiàn)為生態(tài)環(huán)境改變的速率、生態(tài)系統(tǒng)抵抗外界干擾的能力和生態(tài)系統(tǒng)的敏感性與穩(wěn)定性[10]。國內(nèi)其他學(xué)者對生態(tài)脆弱性也進(jìn)行了大量研究，給出了不同的定義與看法。喬青等認(rèn)為，生態(tài)脆弱性是指生態(tài)環(huán)境的性質(zhì)，即生態(tài)環(huán)境對外界干擾的抵抗力弱，在被干擾后恢復(fù)能力低，易由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)，且一經(jīng)改變很難恢復(fù)到初始的狀態(tài)[11]。王介勇等從易變性和可能性來解釋生態(tài)環(huán)境脆弱性，認(rèn)為生態(tài)環(huán)境的脆弱性內(nèi)涵是生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)在人類活動干擾和外界環(huán)境脅迫作用下所表現(xiàn)出來的易變性以及生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)所作出的可能性響應(yīng)[12]。相比較而言，IPCC給出了較為權(quán)威的定義，是指易損的系統(tǒng)受破壞或傷害的度，取決于其暴露程度(Exposure)、敏感性(Sensitivity)和適應(yīng)潛力(Adaptive capacity or resilience)[13]。盡管不同學(xué)者關(guān)于生態(tài)脆弱性的表述不同，但大致都包含了以下內(nèi)容：一是系統(tǒng)的敏感性或不穩(wěn)定性；二是系統(tǒng)受干擾后的恢復(fù)能力。

2 生態(tài)脆弱性評價研究進(jìn)展

20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初，我國學(xué)者對生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的研究范圍比較廣泛，且這一時期的研究以理論探究和定性分析為主[14]。國內(nèi)脆弱性研究最早是在20世紀(jì)80年代從識別生態(tài)脆弱區(qū)域開始[3]。1989年1月22至23日，中國科學(xué)院在北京召開了全球變化預(yù)研究學(xué)術(shù)報告會，8月份國際地圈-生物圈計劃中國委員會召開了第二次委員會議，會上呼吁加強(qiáng)對生態(tài)脆弱帶的研究[15]。較早的一篇討論脆弱性的文章是“論喀斯特環(huán)境的脆弱性”[16]。朱震達(dá)最早針對中國荒漠化研究提出生態(tài)脆弱帶這一概念，即指自然與人為活動相結(jié)合的而且能造成環(huán)境退化、景觀變化、土地生產(chǎn)力下降、土地資源喪失的地帶[17]。1990年8月在北京召開的國際地理學(xué)亞太區(qū)域大會上，俄羅斯學(xué)者Kotlyakov提出了編制脆弱生態(tài)形勢圖的想法，此后美國和俄羅斯兩國地理學(xué)家進(jìn)一步深入開展此項工作，并成立了國際指導(dǎo)委員會和研究工作組，自此以后關(guān)于脆弱性編圖工作得到長足發(fā)展[18]。楊勤業(yè)等編制了1∶1000萬中國環(huán)境形勢和危急區(qū)域圖，揭示了目前中國的環(huán)境脆弱形勢，包括受影響的生態(tài)系統(tǒng)和人類系統(tǒng)本身，以及系統(tǒng)變化的類型、速率和尺度等屬性[19]。王靜愛從災(zāi)害角度探討了中國自然災(zāi)害與脆弱帶的關(guān)系，以縣域為統(tǒng)計單元建立了全國自然致災(zāi)因子數(shù)據(jù)庫[20]。

在生態(tài)脆弱性研究進(jìn)展中，脆弱性實證評價研究相對發(fā)展迅速，我國學(xué)者對生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的研究大多是以我國典型的生態(tài)脆弱帶為研究對象，其研究區(qū)域多在西南喀斯特地區(qū)[21～23]和北方農(nóng)牧交錯帶。農(nóng)牧交錯帶作為我國一條典型的生態(tài)脆弱帶和重要的生態(tài)屏障帶，其生態(tài)環(huán)境惡化問題受到了各界學(xué)者的關(guān)注。薛紀(jì)瑜等在“中國北方農(nóng)牧交錯帶生態(tài)環(huán)境脆弱性及其成因分析”一文中，概括了導(dǎo)致北方農(nóng)牧交錯帶生態(tài)環(huán)境脆弱的四大因素，對之后合理開發(fā)利用脆弱生態(tài)環(huán)境具有重要意義[24]；張殿發(fā)等分析了北方農(nóng)牧交錯區(qū)土地荒漠化的環(huán)境脆弱性機(jī)制[25]；李彬發(fā)表文章分析了造成南方巖溶區(qū)環(huán)境脆弱性的原因[26]；王經(jīng)民等提出了評價黃土高原生態(tài)環(huán)境脆弱性的數(shù)學(xué)方法，以脆弱度指標(biāo)為依據(jù)，對黃土高原105個縣生態(tài)脆弱性按其脆弱狀況劃分為強(qiáng)脆弱區(qū)、中脆弱區(qū)、輕脆弱區(qū)3個區(qū)，為黃土高原綜合治理提供了依據(jù)[27]；朱震達(dá)提出的荒漠化與生態(tài)脆弱帶的辯證關(guān)系后[17]，周勁松對處于農(nóng)林交錯帶的山地系統(tǒng)荒漠化的運行機(jī)制做了討論[28]。上述有關(guān)脆弱性的研究方法在評價初期使用較多，屬于一種定性方法,操作簡單，評價精度較低。

進(jìn)入21世紀(jì)后，基于景觀生態(tài)學(xué)的土地利用變化與空間分異結(jié)構(gòu)的研究成為生態(tài)脆弱性定量研究的主要內(nèi)容，其中評價方法主要有層次分析法(AHP)、空間主成分分析法(SPCA)、綜合評價法、景觀生態(tài)學(xué)法、基于遙感(RS)與地理信息系統(tǒng)技術(shù)(GIS)的評價法、加權(quán)賦值法等，在進(jìn)行脆弱性評價時這些方法多結(jié)合模型應(yīng)用。20世紀(jì)80年代，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)和經(jīng)濟(jì)合作發(fā)展組織(OECD)共同提出PSR(Pressure-state-response)概念模型，即“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”,具有清晰的人與自然相互作用的因果關(guān)系，之后在評價生態(tài)脆弱性方面被廣泛的應(yīng)用[29,30]。Polsky[31]等發(fā)展了“暴露-敏感-適應(yīng)”的VSD(Vulnerability scoping diagram)評價整合模型。張啟等采用VSD模型,以延邊朝鮮族自治州為例，劃分了延邊地區(qū)生態(tài)脆弱性等級，有效地考慮了自然因素和人為因素對生態(tài)環(huán)境的影響[32]。吳春生等基于多元數(shù)據(jù),嘗試?yán)脤哟畏治龇?AHP)對黃河三角洲進(jìn)行了生態(tài)脆弱性評價，并利用模糊邏輯理論模型對指標(biāo)和評價結(jié)果進(jìn)行了定量化分級[33]。馬駿等基于遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，采用“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”評價模型對三峽庫區(qū)(重慶段)生態(tài)脆弱性進(jìn)行綜合定量評價，將生態(tài)脆弱區(qū)劃分為5個等級[34]。郭澤呈等以石羊河流域為研究區(qū)，運用空間主成分分析法(SPCA)分析了該區(qū)2000年和2016年生態(tài)脆弱性時空演變及動因[35]。吳瓊從斑塊和景觀兩個尺度上選取10個景觀特征指數(shù)，利用景觀生態(tài)學(xué)法對遼寧海岸帶生態(tài)脆弱性進(jìn)行了評價，劃分了遼寧海岸帶6市的景觀格局[36]。呂昌河采用加權(quán)賦值法分析了青藏高原高寒生態(tài)系統(tǒng)形成機(jī)制，系統(tǒng)評估了青藏高原生態(tài)脆弱性及其區(qū)域差異[37]。

國外對脆弱性的研究最早被作為生態(tài)學(xué)研究的一部分，20世紀(jì)60年代的國際生物學(xué)計劃(IBP)、70年代的人與生物圈計劃(MAB)和80年代開始的地圈與生物圈計劃(IGBP)，使生態(tài)脆弱性成為一個重要的研究領(lǐng)域[38]。IBP關(guān)注自然生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動；MAB強(qiáng)調(diào)人類活動對自然生態(tài)系統(tǒng)和生物圈的作用；IGBP加深了人與自然界相互關(guān)系的認(rèn)識，考慮到人類活動已經(jīng)影響到整個地球的表層[39]。國外學(xué)者更加偏重于對自然系統(tǒng)脆弱性的研究，早期由于石油泄露給海洋系統(tǒng)帶來危害，有關(guān)海洋系統(tǒng)脆弱性的評價引起了人們的廣泛關(guān)注。Arreguín-Sánchez通過基于營養(yǎng)模型的模擬實驗，評價了墨西哥灣海洋生態(tài)系統(tǒng)的相對脆弱性[40]。Nguyen等提出了一個基于16個變量的脆弱生態(tài)環(huán)境評價框架，利用層次分析法(AHP)和地理信息系統(tǒng)(GIS)對每個變量進(jìn)行評價和空間映射，對越南中北部沿海地區(qū)進(jìn)行了生態(tài)脆弱性評價[41]。

3 生態(tài)脆弱性評價展望

進(jìn)行生態(tài)脆弱性評價的目的在于探究生態(tài)系統(tǒng)及其環(huán)境脆弱性特征，包括脆弱性的來源、現(xiàn)狀、驅(qū)動力及演替過程等[42]，以便分析問題找出原因,為尋求改善生態(tài)環(huán)境的方法以及為人口、環(huán)境、資源的協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學(xué)的方法和理論依據(jù)。對脆弱性的不斷研究，體現(xiàn)出了人類對資源環(huán)境系統(tǒng)的認(rèn)識和理解，也加強(qiáng)了對人地關(guān)系、人類活動與可持續(xù)發(fā)展關(guān)系的理解。因此，為進(jìn)一步解決脆弱性評價研究所面臨的理論和實踐問題，今后應(yīng)在以下幾個方向努力與加強(qiáng)：

3.1 完善脆弱性相關(guān)理論體系與評價方法

生態(tài)脆弱性的研究涉及領(lǐng)域和范圍較廣，包含了地學(xué)、生態(tài)、生物、經(jīng)濟(jì)等多領(lǐng)域的研究，綜合性較強(qiáng)，這些研究都需要大量理論研究作為參考和支撐。就目前已發(fā)表論文來看，多數(shù)學(xué)者對生態(tài)脆弱性的研究以實例研究為主，而有關(guān)其評價方法的原理以及對生態(tài)脆弱性形成機(jī)理進(jìn)行闡述說明的學(xué)者偏少。由于在研究時的研究背景、操作環(huán)境、側(cè)重方向、專業(yè)知識以及各自的專業(yè)領(lǐng)域不同，導(dǎo)致在其評價指標(biāo)、權(quán)重、模型的選取各有差異。有鑒于此，不斷完善相關(guān)的理論體系、建立一套科學(xué)的評價標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)是今后生態(tài)脆弱性評價研究中的重要方向。

3.2 “3S”技術(shù)與傳統(tǒng)評價方法結(jié)合

在新的科學(xué)手段中，RS、GIS、GPS的發(fā)展為解決脆弱生態(tài)環(huán)境問題提供了良好的技術(shù)支持?！?S”技術(shù)的應(yīng)用具有更強(qiáng)的科學(xué)性，使脆弱性的數(shù)據(jù)結(jié)果更加準(zhǔn)確。21世紀(jì)以來，在生態(tài)脆弱性評價研究中，“3S”技術(shù)在資料處理和動態(tài)分析方面得到了廣泛的應(yīng)用，通過利用“3S”技術(shù)采集資料并與傳統(tǒng)的研究方法結(jié)合，適時更新各脆弱性指標(biāo)，結(jié)合相應(yīng)模型進(jìn)行分析，從而實現(xiàn)對脆弱生態(tài)系統(tǒng)的實時監(jiān)測和動態(tài)評價與預(yù)測。這種集動態(tài)監(jiān)測、綜合評價、趨勢預(yù)測于一體的生態(tài)脆弱性研究模式，已經(jīng)逐漸成為當(dāng)前研究的重要方向。

3.3 構(gòu)建多元化脆弱性研究框架

生態(tài)脆弱性研究涉及內(nèi)容廣泛，有宏觀的全球和區(qū)域生態(tài)脆弱性問題研究，也有微觀的個體和社區(qū)研究。隨著研究的深入，生態(tài)系統(tǒng)脆弱性研究范圍在不斷擴(kuò)大，從自然生態(tài)要素的研究到人地系統(tǒng)的綜合研究，層次、區(qū)域、尺度等不斷延伸。因此，建立針對不同的研究尺度和不同敏感區(qū)域的脆弱性評價指標(biāo)體系，開展多層次和多元化的綜合脆弱性評價研究框架是十分必要的。