基于適應(yīng)性循環(huán)理論的區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空演變?cè)u(píng)估
——以長(zhǎng)江三角洲城市群為例

李嘉藝,孫 璁,鄭 曦

北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院, 北京 100083

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指生態(tài)系統(tǒng)及其組成部分暴露于多種風(fēng)險(xiǎn)源時(shí)發(fā)生不利的生態(tài)影響的可能性[1]。隨著全球環(huán)境變化和城市發(fā)展,人類(lèi)-自然耦合系統(tǒng)的研究得到高度關(guān)注,生態(tài)學(xué)研究中將二者融合越發(fā)受到學(xué)者關(guān)注,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的研究范圍逐漸從單一生態(tài)系統(tǒng)擴(kuò)展到區(qū)域尺度,區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論開(kāi)始發(fā)展。廣義的區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),包括區(qū)域空間格局呈現(xiàn)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、區(qū)域特定社會(huì)-生態(tài)過(guò)程產(chǎn)生的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等多種形式[2],是以社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)為風(fēng)險(xiǎn)受體的評(píng)估框架。社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)理論模型作為復(fù)雜系統(tǒng)整體性的評(píng)估方法現(xiàn)已成為區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究的重點(diǎn)與最佳選擇[3]。

社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)是人與自然緊密聯(lián)系的復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng),受自身和外界干擾與驅(qū)動(dòng)的影響[4]。在社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)中,從復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)角度研究系統(tǒng)對(duì)外界干擾的適應(yīng)性是可持續(xù)研究的一個(gè)重要趨勢(shì)[5]。適應(yīng)性由緩慢發(fā)展和快速變化之間的動(dòng)態(tài)作用所決定[6],適應(yīng)性理論作為一種動(dòng)態(tài)方法,可以分析系統(tǒng)如何應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)。其中,Gunderson L.H.和Holling C.S.構(gòu)建的適應(yīng)性循環(huán)是一種啟發(fā)式模型。該理論指出系統(tǒng)具有潛力、連通度和韌性3種特征屬性,并將依次經(jīng)過(guò)具有不同特征的開(kāi)發(fā)(exploitation, r)、保護(hù)(conservation, K)、釋放(release, Ω)和重組(reorganization, α)4個(gè)階段構(gòu)成適應(yīng)性循環(huán)。理論中的3種特征分別強(qiáng)調(diào)單元屬性、空間結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)趨勢(shì),與區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)中不同景觀要素和空間格局,以及系統(tǒng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)相契合,因此該理論模型可以幫助構(gòu)想社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的復(fù)雜特征與響應(yīng),已成為環(huán)境和社會(huì)快速變化時(shí)期社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)分析和管理的重要工具。

三角洲的自然演變特征使其生態(tài)系統(tǒng)具有脆弱性,而豐富的資源又吸引著人類(lèi)聚居,其生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的各個(gè)組成部分相互關(guān)聯(lián)、彼此影響,因此三角洲地區(qū)可以作為社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行分析[7]。今天,三角洲已成為地球上人口最稠密的地區(qū)之一,快速城市化與氣候變化給高度動(dòng)態(tài)化的三角洲地區(qū)帶來(lái)了高風(fēng)險(xiǎn)壓力。IPCC(聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì))也將三角洲地區(qū)視為風(fēng)險(xiǎn)熱點(diǎn)區(qū)域[8]。因此,以社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)作為評(píng)估對(duì)象,以區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估作為依據(jù)的適應(yīng)性規(guī)劃策略對(duì)三角洲可持續(xù)性發(fā)展至關(guān)重要。

從對(duì)三角洲地區(qū)的已有研究來(lái)看,評(píng)估框架主要包括脆弱性分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及部分適應(yīng)性概念的引入,如張立權(quán)運(yùn)用生態(tài)系統(tǒng)管理方法(Ecosystem-based Management, EBM)對(duì)長(zhǎng)江口沿海生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估[9]、于琍運(yùn)用生態(tài)系統(tǒng)模型模擬長(zhǎng)江中下游區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)對(duì)極端降水的脆弱性[10]、葉長(zhǎng)盛根據(jù)土地利用變化對(duì)珠江三角洲進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析[11]、吳玲娟構(gòu)建海平面上升災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型評(píng)估黃河三角洲生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[12]、Michael Hagenlocher耦合脆弱性和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架對(duì)三角洲社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)的多重風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行脆弱性和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[13]、熊亮針對(duì)城市化進(jìn)程提出基于景觀的三角洲區(qū)域適應(yīng)性城市轉(zhuǎn)型方法[14]等?，F(xiàn)有三角洲地區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)研究多是對(duì)靜態(tài)狀態(tài)的評(píng)估,指標(biāo)選擇集中在土地利用和景觀格局,欠缺對(duì)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)所具有的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的分析研究,無(wú)法完整表征社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜特征,無(wú)法明確系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的時(shí)空演變趨勢(shì),缺少對(duì)于不同風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)區(qū)域后續(xù)適應(yīng)性策略的提出,三角洲這一社會(huì)-生態(tài)耦合區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)與響應(yīng)尚未得到充分理解。

長(zhǎng)三角城市群已經(jīng)躋身國(guó)際六大世界級(jí)城市群,是中國(guó)經(jīng)濟(jì)版圖中的重心區(qū)域,在經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的同時(shí),也面臨著城市化進(jìn)程與氣候變化等自然災(zāi)害帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。過(guò)度開(kāi)發(fā)導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)基本農(nóng)田和綠色生態(tài)空間急劇減少,生態(tài)環(huán)境日益惡化,嚴(yán)重影響到區(qū)域國(guó)土空間的整體可持續(xù)發(fā)展。長(zhǎng)三角城市群作為人與自然緊密聯(lián)系的社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng),必須在多尺度的復(fù)合研究中理解,其風(fēng)險(xiǎn)研究更應(yīng)關(guān)注動(dòng)態(tài)變化中的可持續(xù)性。因此,為研究和分析社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)與風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)之間的復(fù)雜相互作用,研究將耦合適應(yīng)性循環(huán)理論和區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論,構(gòu)建“潛力-連通度-韌性”適應(yīng)性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架。通過(guò)城市擴(kuò)張模擬以及未來(lái)氣候情景的引入,探究區(qū)域適應(yīng)性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空演變趨勢(shì),以對(duì)區(qū)域國(guó)土空間適應(yīng)性規(guī)劃策略提供依據(jù),進(jìn)而推進(jìn)長(zhǎng)三角城市群綠色轉(zhuǎn)型,形成青山常在、綠水常流、空氣常新的生態(tài)型城市群[15]。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域概況

長(zhǎng)江三角洲(以下簡(jiǎn)稱(chēng)長(zhǎng)三角)位于我國(guó)東部沿海,以上海、南京、蘇州、杭州、合肥等26個(gè)城市組成城市群(圖1),面積為22.5萬(wàn)km2。區(qū)域平均海拔50m左右,丘陵、山地集中在西南,東部為平原,其間河川縱橫,湖蕩棋布,農(nóng)田占據(jù)64.7%的土地,素有“魚(yú)米之鄉(xiāng)”的美譽(yù)。區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū),年均溫14—18℃,年降水量1000—1400mm,集中在春、夏兩季。截至2018年底,長(zhǎng)三角區(qū)域總?cè)丝?.25億人,地區(qū)生產(chǎn)總值21.15萬(wàn)億元,分別約占全國(guó)的17.0%和25.0%。依據(jù)2016年5月國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)《長(zhǎng)江三角洲城市群發(fā)展規(guī)劃》,確定長(zhǎng)三角城市群發(fā)展規(guī)劃期為2016—2020年,遠(yuǎn)期展望到2030年[15],本文以此作為模擬與分析的時(shí)間依據(jù)。

圖1 長(zhǎng)三角城市群區(qū)位圖

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

本研究所用數(shù)據(jù)包括氣候數(shù)據(jù)、空間柵格數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)三大類(lèi),結(jié)合ArcGIS、IDRISI、Fragstats等軟件,通過(guò)數(shù)據(jù)分析、模擬和疊加得到多指標(biāo)空間數(shù)據(jù)用作分析處理。氣候數(shù)據(jù)來(lái)自WorldClim數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.worldclim.org/)提供的全球氣候空間柵格數(shù)據(jù),分別選取2018年與2030年的數(shù)據(jù)作為當(dāng)前與未來(lái)氣候數(shù)據(jù),其中未來(lái)氣候選取GCMs-ACCESS1-0全球氣候模型的RCP8.5碳排放濃度情景。海平面上升數(shù)據(jù)來(lái)自洪水地圖網(wǎng)站(http://flood.firetree.net/)；空間柵格數(shù)據(jù)包括來(lái)自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)的GDEMDEM 30m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)、MODLT1M中國(guó)1km分辨率地表溫度月合成產(chǎn)品和MODEV1M中國(guó)250m分辨率EVI月合成產(chǎn)品,以及由中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)提供的2013年DMSP/OLS夜間燈光影像柵格數(shù)據(jù)和2015年人口空間分布公里網(wǎng)格數(shù)據(jù)；土地利用數(shù)據(jù)來(lái)自歐洲航空局(http://maps.elie.ucl.ac.be/CCI/)提供的1km分辨率全球土地覆蓋數(shù)據(jù),重分類(lèi)為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地。

所有指標(biāo)均通過(guò)ArcGIS重采樣為1km×1km的數(shù)據(jù)精度,并統(tǒng)一投影至GCS_WGS_1984地理坐標(biāo)系。2030年土地利用數(shù)據(jù)以2010年和2015年土地覆蓋數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),運(yùn)用IDRISI軟件的CA-Markov模型預(yù)測(cè)得出。相關(guān)景觀指數(shù)依據(jù)土地覆蓋數(shù)據(jù)運(yùn)用Fragstats軟件計(jì)算得出。

2 研究方法

2.1 長(zhǎng)三角城市群適應(yīng)性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)三維評(píng)估框架

適應(yīng)性循環(huán)理論是基于生態(tài)系統(tǒng)演替的傳統(tǒng)觀點(diǎn)并對(duì)其加以補(bǔ)充和延伸的理論模型[5],它提供了一種整體和動(dòng)態(tài)的方法來(lái)理解系統(tǒng)與風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)之間的復(fù)雜相互作用[16]。Holling C.S.將緩慢重組和快速釋放2個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程補(bǔ)充進(jìn)傳統(tǒng)生態(tài)演替過(guò)程,并引入了韌性的概念,指出系統(tǒng)在“潛力-連通度-韌性”三重屬性的交互作用驅(qū)動(dòng)下經(jīng)歷開(kāi)發(fā)(r)、保護(hù)(K)、釋放(Ω)和重組(α)4個(gè)階段并進(jìn)行周期性循環(huán),構(gòu)成適應(yīng)性循環(huán)[17](圖2)。其中潛力是指系統(tǒng)自身的特質(zhì),連通度反映系統(tǒng)組分間的交互作用,韌性表示系統(tǒng)受干擾后恢復(fù)穩(wěn)態(tài)的能力,反映了時(shí)間維度上單元的動(dòng)態(tài)過(guò)程[16][18]。

圖2 適應(yīng)性循環(huán)[13]“潛力-連通度-韌性”3D適應(yīng)性循環(huán)

適應(yīng)性循環(huán)描述了系統(tǒng)與風(fēng)險(xiǎn)之間的相互反饋,但是欠缺對(duì)多風(fēng)險(xiǎn)源的定量評(píng)估與空間落位。而區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架為對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源“暴露”與“干擾”效應(yīng)疊加的靜態(tài)評(píng)估,沒(méi)有考慮風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)和系統(tǒng)適應(yīng)性之間的動(dòng)態(tài)過(guò)程。因此,本研究將適應(yīng)性循環(huán)與區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架進(jìn)行耦合,構(gòu)建適應(yīng)性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架。主要分為3個(gè)方面內(nèi)容(圖3)：一是構(gòu)建“潛力-連通度-韌性”3個(gè)特征維度的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；二是對(duì)長(zhǎng)三角城市群當(dāng)前和未來(lái)的適應(yīng)性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空演變進(jìn)行評(píng)估與空間落位,進(jìn)一步識(shí)別各城市所處的適應(yīng)性循環(huán)階段,將風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)擴(kuò)展到對(duì)風(fēng)險(xiǎn)階段的識(shí)別；三是針對(duì)各階段的風(fēng)險(xiǎn)特征提出適應(yīng)性規(guī)劃策略。

圖3 研究框架

在該研究框架的視角下,適應(yīng)性循環(huán)中的開(kāi)發(fā)(r)、保護(hù)(K)、釋放(Ω)和重組(α)4個(gè)階段分別對(duì)應(yīng)了城市發(fā)展的4個(gè)不同時(shí)期。開(kāi)發(fā)(r)階段對(duì)應(yīng)城市迅速發(fā)展時(shí)期,城市建設(shè)和人群集聚導(dǎo)致生態(tài)韌性持續(xù)降低;保護(hù)(K)階段為城市發(fā)展成熟期,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到最高閾值；高風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)致系統(tǒng)極易崩潰并進(jìn)入釋放(Ω)階段,即城市發(fā)展過(guò)載時(shí)期；隨后系統(tǒng)進(jìn)入重組(α)階段,生態(tài)功能逐步恢復(fù),這一階段對(duì)應(yīng)城市發(fā)展初期,新的適應(yīng)性循環(huán)也由此階段開(kāi)始。潛力-連通度-韌性三重屬性對(duì)應(yīng)不同生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)特征,潛力表示系統(tǒng)不同屬性的空間要素所面臨的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；連通度表示系統(tǒng)要素間不同空間結(jié)構(gòu)所面臨的風(fēng)險(xiǎn)[19]；韌性定義為系統(tǒng)發(fā)展的動(dòng)態(tài)過(guò)程中經(jīng)受干擾并可維持其功能的能力[5]。同時(shí),區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)具有暴露和干擾效應(yīng),暴露表示系統(tǒng)自身屬性,干擾表示人為干擾和氣候等外部環(huán)境條件。

2.2 指標(biāo)體系構(gòu)建

對(duì)于研究區(qū)來(lái)說(shuō),一方面,長(zhǎng)三角城市群的快速發(fā)展對(duì)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境帶來(lái)一定的干擾;另一方面,沿海地區(qū)面臨著氣候變化帶來(lái)的海平面上升、暴雨、洪澇等一系列自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這些問(wèn)題,以“潛力-連通度-韌性”3個(gè)特征屬性作為風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則層,基于風(fēng)險(xiǎn)源所具有的暴露效應(yīng)和干擾效應(yīng),進(jìn)行指標(biāo)的篩選。

2.2.1潛力風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

潛力風(fēng)險(xiǎn)表示系統(tǒng)自身空間異質(zhì)單元屬性對(duì)區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)源的影響和響應(yīng),其值增加表示系統(tǒng)面臨的潛在風(fēng)險(xiǎn)增加。

潛力風(fēng)險(xiǎn)中的暴露效應(yīng)體現(xiàn)在系統(tǒng)自身屬性,包括地形地貌、城市建設(shè)程度和植被特征,因此選取坡度、土地利用類(lèi)型、人類(lèi)足跡指數(shù)和增強(qiáng)植被指數(shù)。坡度用于表征現(xiàn)狀地形的潛在水土流失生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),以2°和25°作為風(fēng)險(xiǎn)閾值進(jìn)行歸一化計(jì)算[20];土地利用類(lèi)型代表不同程度開(kāi)發(fā)建設(shè)的土地所具有的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)潛力,人類(lèi)足跡干擾指數(shù)通過(guò)各類(lèi)土地的污染風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度反映人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水質(zhì)的干擾[21],由WaterWorld生態(tài)引擎(http://www1.policysupport.org/cgi-bin/ecoengine/)基于當(dāng)前土地覆蓋數(shù)據(jù)模擬得出；增強(qiáng)植被指數(shù)改善了植被覆蓋率對(duì)于高飽和植被覆蓋區(qū)描述的精準(zhǔn)度[22],通過(guò)植被特征反映生態(tài)系統(tǒng)的健康程度。干擾效應(yīng)體現(xiàn)在自然災(zāi)害和城市建設(shè)兩方面威脅,選取自然災(zāi)害相關(guān)的降雨侵蝕力、極端降水和海平面上升趨勢(shì),以及與城市建設(shè)相關(guān)的地表溫度和夜間燈光強(qiáng)度。運(yùn)用年平均降雨侵蝕力的計(jì)算模型計(jì)算土壤侵蝕的潛在風(fēng)險(xiǎn)[23][24],極端降水以世界氣象組織提出的極端氣候指數(shù)日降雨量25mm作為最高風(fēng)險(xiǎn)閾值進(jìn)行歸一化計(jì)算,依據(jù)IPCC預(yù)測(cè)的全球平均海平面上升趨勢(shì)選取海平面上升1m的淹沒(méi)范圍；地表溫度反映了城市熱島與高溫風(fēng)險(xiǎn),夜間燈光指數(shù)用于體現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與高強(qiáng)度人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的干擾程度[25]。

2.2.2連通度風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

連通度風(fēng)險(xiǎn)表示系統(tǒng)單元間空間結(jié)構(gòu)對(duì)區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)源的影響。指標(biāo)評(píng)估了不同景觀結(jié)構(gòu)對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的響應(yīng)程度,其值的增加代表系統(tǒng)景觀斑塊破碎且通達(dá)性差,系統(tǒng)的連通度風(fēng)險(xiǎn)增加。

連通度風(fēng)險(xiǎn)中的暴露效應(yīng)體現(xiàn)在系統(tǒng)的景觀格局,包括景觀豐富度和景觀連通度。其中Shannon多樣性指數(shù)反映景觀類(lèi)型豐富程度,其值越高則景觀類(lèi)型越豐富,相鄰景觀單元間相互作用越強(qiáng),系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)越小[26],采用fragstats 4.2的移動(dòng)窗口工具以2km移動(dòng)半徑計(jì)算該指數(shù)并得到空間落位[27]。景觀連通度是景觀單元空間連續(xù)性的測(cè)度[28],基于最小阻力模型運(yùn)用ArcGIS成本距離分析工具進(jìn)行計(jì)算與空間落位,其值越高則生態(tài)空間整體性越強(qiáng),風(fēng)險(xiǎn)越低。干擾效應(yīng)為城市建設(shè)與人類(lèi)活動(dòng)對(duì)系統(tǒng)景觀結(jié)構(gòu)的干擾,包括距建設(shè)用地距離、距工業(yè)用地距離、路網(wǎng)密度、人口密度和港口密度。其中距建設(shè)用地和工業(yè)用地距離分別體現(xiàn)了城市擴(kuò)張和工業(yè)生產(chǎn)對(duì)周邊生態(tài)用地的干擾；路網(wǎng)密度代表建設(shè)程度對(duì)生態(tài)用地連通性的干擾,通過(guò)景觀破碎化加劇區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[29]；人口密度體現(xiàn)了人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)棲息地質(zhì)量的干擾[30]；港口建設(shè)已成為海洋和濱海生境的主要干擾源,港口密度的提高加大了沿海生境的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[31]。

2.2.3韌性風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

韌性風(fēng)險(xiǎn)表示系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程對(duì)區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)源的影響和響應(yīng),即景觀單元所受干擾的持續(xù)性以及從干擾中恢復(fù)的水平。系統(tǒng)韌性同時(shí)受到自身生態(tài)演替與外界社會(huì)環(huán)境干擾的共同影響,如土地開(kāi)發(fā)的持續(xù)性、生態(tài)修復(fù)的趨向等[18]。目前關(guān)于系統(tǒng)韌性的評(píng)估多集中在經(jīng)濟(jì)與生態(tài)層面,指標(biāo)數(shù)量龐大,本研究著眼于對(duì)區(qū)域適應(yīng)性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的綜合評(píng)估,選取指標(biāo)集中于評(píng)估社會(huì)經(jīng)濟(jì)與自然環(huán)境變化趨勢(shì)導(dǎo)致系統(tǒng)應(yīng)對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)適應(yīng)能力的變化,因此通過(guò)表征生態(tài)系統(tǒng)演變的增強(qiáng)植被指數(shù)趨勢(shì)與綜合體現(xiàn)城市建設(shè)程度的夜間燈光強(qiáng)度指數(shù)趨勢(shì)兩個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)估韌性特征風(fēng)險(xiǎn),其值的增加代表系統(tǒng)生態(tài)韌性的風(fēng)險(xiǎn)增加。

韌性風(fēng)險(xiǎn)中的暴露效應(yīng)體現(xiàn)在系統(tǒng)自身生態(tài)特征的變化趨勢(shì),選取增強(qiáng)植被指數(shù)反映植被覆蓋特征的變化,可視為生態(tài)系統(tǒng)自身在風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境中的演替過(guò)程[18],以在區(qū)域生態(tài)環(huán)境演變層面衡量區(qū)域的韌性。依據(jù)2005—2015年的最大EVI數(shù)據(jù)做趨勢(shì)分析,指數(shù)增長(zhǎng)表示植被處于恢復(fù)狀態(tài),區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)降低。干擾效應(yīng)體現(xiàn)在外界社會(huì)環(huán)境的變化趨勢(shì),研究區(qū)處于快速開(kāi)發(fā)建設(shè)階段,人類(lèi)活動(dòng)是最主要的干擾過(guò)程,因此選取2000年至2015年夜間燈光強(qiáng)度變化趨勢(shì)來(lái)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,夜間燈光強(qiáng)度指數(shù)主要用于城鎮(zhèn)擴(kuò)展研究,其變化趨勢(shì)可以反映城市擴(kuò)張與城市化水平的變化趨勢(shì),指數(shù)增長(zhǎng)表示城市化水平增強(qiáng)且人類(lèi)活動(dòng)密集,即人類(lèi)干擾加劇,區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)增加。

基于以上3個(gè)方面,篩選建立包含18個(gè)指標(biāo)的潛力-連通度-韌性適應(yīng)性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并基于層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重(表1)。

表1 長(zhǎng)三角城市群潛力-連通度-韌性適應(yīng)性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.3 適應(yīng)性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)構(gòu)建與階段識(shí)別

研究區(qū)的數(shù)據(jù)多基于基礎(chǔ)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行二次計(jì)算,依據(jù)耦合框架構(gòu)建適應(yīng)性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),并依據(jù)系統(tǒng)的3類(lèi)特征風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行各個(gè)城市所處適應(yīng)性循環(huán)階段的識(shí)別,以提出相應(yīng)的規(guī)劃策略。

2.3.1歸一化處理

為統(tǒng)一衡量標(biāo)準(zhǔn),在后續(xù)指標(biāo)計(jì)算及空間落位中,均通過(guò)歸一化處理將各指標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)獒槍?duì)區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的相對(duì)值(公式1),便于后續(xù)計(jì)算。

其中Ip為正向指標(biāo)的歸一化值,In為逆向指標(biāo)的歸一化值；Imin為指標(biāo)的國(guó)際/國(guó)內(nèi)通用最小閾值；Imax為指標(biāo)的國(guó)際/國(guó)內(nèi)通用最大閾值,歸一化指標(biāo)值的范圍為0—1。

2.3.2適應(yīng)性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)構(gòu)建

對(duì)歸一化后的各項(xiàng)指標(biāo)(Ii)進(jìn)行權(quán)重(wi)賦值,按照適應(yīng)性循環(huán)的“潛力-連通度-韌性”3個(gè)特征屬性劃分為潛力風(fēng)險(xiǎn)值(Potential risk,Rp)、連通度風(fēng)險(xiǎn)值(Connectedness risk,Rc)和韌性風(fēng)險(xiǎn)值(Resilience risk,Rr),每類(lèi)包含區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的暴露與干擾指標(biāo),通過(guò)指標(biāo)疊加得出3類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)值(Ri)(公式2),進(jìn)一步加權(quán)疊加得到適應(yīng)性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(Adaptive ecological risk index,AERISES)(公式3)。

適應(yīng)性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)：AERISES=wp×Rp+wc×Rc+wr×Rr

式中,Ri表示三類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)值,AERISES為適應(yīng)性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),Ii為歸一化風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo),wi表示各指標(biāo)與準(zhǔn)則層相應(yīng)的權(quán)重。

2.3.3適應(yīng)性循環(huán)階段識(shí)別

依據(jù)潛力、連通度和韌性3類(lèi)特征風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù),運(yùn)用ArcGIS區(qū)域分析的分區(qū)統(tǒng)計(jì)工具,以城市為單元將空間風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)的分區(qū)平均值進(jìn)行空間落位和統(tǒng)計(jì)分析。建立3類(lèi)特征維度的三維坐標(biāo)軸,將各個(gè)城市以3類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)值作為坐標(biāo)值進(jìn)行落位,以得到各個(gè)城市所對(duì)應(yīng)的適應(yīng)性循環(huán)不同階段。

3 結(jié)果與討論

3.1 適應(yīng)性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)空間分布格局

對(duì)各指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行計(jì)算得出18個(gè)指標(biāo)的空間分布格局(圖4)。

圖4 長(zhǎng)三角城市群適應(yīng)性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)空間分布格局

大部分風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)呈現(xiàn)由城市建成區(qū)向生態(tài)區(qū)域逐漸降低的趨勢(shì),包括土地利用類(lèi)型、增強(qiáng)植被指數(shù)、人類(lèi)足跡干擾指數(shù)、地表溫度、夜間燈光強(qiáng)度、景觀連通度、距建設(shè)用地距離、距工業(yè)用地距離、路網(wǎng)密度和人口密度,這些指標(biāo)與城市發(fā)展密切相關(guān)。長(zhǎng)三角城市群大規(guī)模的建設(shè)活動(dòng)帶來(lái)了城市熱島、水污染、大氣污染和土壤污染等生態(tài)威脅,同時(shí)擴(kuò)張建設(shè)侵占生態(tài)用地,割裂生態(tài)斑塊,導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的適應(yīng)能力退化,加劇了風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度。

坡度、降雨侵蝕力、極端降雨、海平面上升趨勢(shì)和Shannon多樣性指數(shù)的高風(fēng)險(xiǎn)值分別集中在山區(qū)、沿海區(qū)域和平原農(nóng)田區(qū)。山區(qū)的復(fù)雜地形和濕季的極端降雨加劇了滑坡、泥石流等自然災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)氣候變化為沿海區(qū)域帶來(lái)海平面上升的威脅；平原區(qū)的土地覆被以農(nóng)田為主,其景觀類(lèi)型單一,抵抗風(fēng)險(xiǎn)能力較低,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)高于自然生態(tài)系統(tǒng)[16]。這些指標(biāo)的空間分布異質(zhì)性體現(xiàn)了長(zhǎng)三角城市群社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)所面臨的風(fēng)險(xiǎn)源具有多樣性和復(fù)雜性。

植被蓋度變化和夜間燈光強(qiáng)度變化的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)集中在城市外圍,城區(qū)內(nèi)部風(fēng)險(xiǎn)較低。反映出多數(shù)城市現(xiàn)已采取一定生態(tài)措施,建設(shè)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向城郊區(qū)域與中小城市,從而增加了城市外圍區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 適應(yīng)性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)時(shí)空分布特征

對(duì)當(dāng)前和未來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)疊加,得出長(zhǎng)三角城市群“潛力-連通度-韌性”特征風(fēng)險(xiǎn)值空間分布以及暴露、干擾和適應(yīng)性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空演變(圖5)。

圖5 長(zhǎng)三角城市群適應(yīng)性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布格局

整體呈現(xiàn)東北高西南低的風(fēng)險(xiǎn)分布趨勢(shì),高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域多集中在城市群和沿海區(qū),西部、南部的丘陵農(nóng)田與山地、林地等生態(tài)空間的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低。

潛力和連通度反映了系統(tǒng)的屬性與空間結(jié)構(gòu),它們的風(fēng)險(xiǎn)與人為干擾指標(biāo)相關(guān)性強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)分布呈現(xiàn)由城市區(qū)向生態(tài)區(qū)域降低的趨勢(shì)。韌性體現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程,反映了近十年來(lái)長(zhǎng)三角城市群的發(fā)展歷程對(duì)區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的響應(yīng),結(jié)果顯示大城市內(nèi)部的風(fēng)險(xiǎn)較低,而高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)集中在城市外圍郊區(qū)和中小城市群,這表明城市自身具有一定的生態(tài)韌性,且大城市已由開(kāi)發(fā)建設(shè)轉(zhuǎn)為重視生態(tài)環(huán)境,目前已采取相應(yīng)的生態(tài)策略提升城市內(nèi)部應(yīng)對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的適應(yīng)能力。由此可以看出,社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和系統(tǒng)響應(yīng)具有復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性,傳統(tǒng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估針對(duì)系統(tǒng)自身屬性和風(fēng)險(xiǎn)源干擾的結(jié)論是具有局限性的,它忽略了系統(tǒng)自身的適應(yīng)能力以及相關(guān)規(guī)劃政策的影響。暴露與干擾的風(fēng)險(xiǎn)分布趨勢(shì)相似,但暴露的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)集中在城市用地,而干擾的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)已擴(kuò)展到城市外圍區(qū)域,且在未來(lái)會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大并向西南山區(qū)蔓延,未來(lái)暴露風(fēng)險(xiǎn)會(huì)在平原農(nóng)田區(qū)出現(xiàn)上升趨勢(shì)。

綜合以上指標(biāo)得出適應(yīng)性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間分布,風(fēng)險(xiǎn)最高的區(qū)域集中在大城市群和東部沿海區(qū)域,城市郊區(qū)也有較高的風(fēng)險(xiǎn),丘陵山地區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)值最低。未來(lái)風(fēng)險(xiǎn)分布可以看出,高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域開(kāi)始向中小城市群轉(zhuǎn)移,沿海區(qū)域依舊具有較高風(fēng)險(xiǎn),西南山區(qū)由于氣候變化帶來(lái)的極端氣候影響也開(kāi)始出現(xiàn)較高的風(fēng)險(xiǎn)趨勢(shì)。

這些結(jié)果證明,長(zhǎng)三角城市群目前采取的生態(tài)規(guī)劃措施,如綠色城鎮(zhèn)化理念、綠色產(chǎn)業(yè)、生態(tài)型城市建設(shè)等,有助于降低城市生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于生態(tài)區(qū)域,規(guī)劃一體化、多層次、功能復(fù)合的區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò),有助于提高區(qū)域的生態(tài)適應(yīng)能力。

3.3 城市適應(yīng)性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)循環(huán)階段及適應(yīng)性策略探討

研究計(jì)算了長(zhǎng)三角城市群各個(gè)城市的3個(gè)特征風(fēng)險(xiǎn)平均值并進(jìn)行空間落位(圖6)和統(tǒng)計(jì)分析(圖7)。依據(jù)城市規(guī)模來(lái)看,超大和特大城市上海和南京在3個(gè)特征維度都具有高風(fēng)險(xiǎn)；大中城市的風(fēng)險(xiǎn)特征分異性明顯,如無(wú)錫、常州、蘇州等城市都具有至少2個(gè)特征維度的較高風(fēng)險(xiǎn)值,杭州、寧波、紹興等城市風(fēng)險(xiǎn)值均較低,分析此結(jié)果可能與城市內(nèi)生態(tài)空間的分布相關(guān),如蘇州位于太湖平原,城市建設(shè)比例大,而杭州西南有大面積山地區(qū)域,生態(tài)空間具有較高比例；小城市普遍呈現(xiàn)低風(fēng)險(xiǎn)特征。

圖6 長(zhǎng)三角城市群各城市適應(yīng)性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)特征值空間分布

圖7 長(zhǎng)三角城市群各城市適應(yīng)性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)特征值統(tǒng)計(jì)圖

結(jié)合適應(yīng)性循環(huán)模型,依據(jù)“潛力-連通度-韌性”三維坐標(biāo)系和各城市3個(gè)特征風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行適應(yīng)性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)階段落位(圖8)。

圖8 長(zhǎng)三角城市群各城市適應(yīng)性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)循環(huán)階段

上海、蘇州、無(wú)錫和南京處于保護(hù)(K)階段,是各生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最高的城市,韌性風(fēng)險(xiǎn)由最高閾值開(kāi)始進(jìn)入下降階段,表明這些城市已進(jìn)入城市發(fā)展的成熟穩(wěn)定階段,盡管城市高度建設(shè)帶來(lái)較高的風(fēng)險(xiǎn)和干擾,但已開(kāi)始向重視生態(tài)發(fā)展轉(zhuǎn)型。合肥、南通、常州等8個(gè)大城市處于開(kāi)發(fā)(r)階段,潛力、連通度和韌性的風(fēng)險(xiǎn)值呈現(xiàn)從低到高的增長(zhǎng)趨勢(shì),此階段是城市建設(shè)用地加速擴(kuò)張的時(shí)期。其余14個(gè)城市,包括中小城市和杭州、寧波等大城市處于重組(α)階段,此階段各風(fēng)險(xiǎn)值較低,其中,中小城市正處于初步開(kāi)發(fā)建設(shè)時(shí)期,而杭州、寧波等城市由于生態(tài)條件和地理位置優(yōu)越,因此也具有較低的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。長(zhǎng)江三角洲城市群正處于快速發(fā)展階段,尚未有城市進(jìn)入釋放(Ω)階段。

基于各城市所處的適應(yīng)性循環(huán)階段和相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)特征與演變趨勢(shì),可以提出相應(yīng)的規(guī)劃策略。開(kāi)發(fā)(r)階段的城市正處于建設(shè)時(shí)期,城市處于可干預(yù)的快速變化過(guò)程,應(yīng)在總體規(guī)劃中納入生態(tài)理念,在開(kāi)發(fā)建設(shè)時(shí)注重生態(tài)斑塊的保護(hù),通過(guò)城市森林和外圍農(nóng)田生態(tài)空間限制建設(shè)用地的無(wú)限擴(kuò)張,以減少潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),維持系統(tǒng)的連通度和韌性[33]。保護(hù)(K)階段的城市建設(shè)已經(jīng)飽和,無(wú)法顯著降低潛力的風(fēng)險(xiǎn),因此要從優(yōu)化景觀格局入手,在城市內(nèi)部增加小型生態(tài)斑塊和生態(tài)廊道,完善綠色基礎(chǔ)設(shè)施體系規(guī)劃,以改善生態(tài)連通度和韌性。重組(α)階段的城市要注重對(duì)現(xiàn)狀自然生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù),開(kāi)發(fā)建設(shè)不應(yīng)破環(huán)現(xiàn)存的生態(tài)屏障,可以通過(guò)設(shè)立生態(tài)紅線(xiàn)以控制和減少人類(lèi)活動(dòng)造成的加劇干擾的風(fēng)險(xiǎn),以保持自然生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)能力。

4 結(jié)論

社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng),目前選取的指標(biāo)體系集中在3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)特征,避免了龐雜指標(biāo)的疊加,但仍具有一定的局限性,后續(xù)可以繼續(xù)研究如何將政策導(dǎo)向納入評(píng)估體系。本文采用層次分析法進(jìn)行權(quán)重賦值,具有一定主觀性。由于未來(lái)數(shù)據(jù)限制,研究采用高排放量的未來(lái)氣候情景和一切照舊的城市擴(kuò)張情景,但欠缺對(duì)于政策限制城市擴(kuò)張、生態(tài)保護(hù)以及城市自適應(yīng)機(jī)制的考慮,后續(xù)可以通過(guò)情景偏好設(shè)置進(jìn)行多情景評(píng)估分析。

適應(yīng)性循環(huán)理論目前較少有定量分析和空間落位的研究,而區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架多集中在空間維度較少納入時(shí)間概念,因此將兩者耦合是一個(gè)挑戰(zhàn)。本研究將適應(yīng)性循環(huán)的3個(gè)特征歸納為表征風(fēng)險(xiǎn)的景觀單元屬性特征、景觀空間結(jié)構(gòu)特征和時(shí)間變化趨勢(shì)特征,進(jìn)而與區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)形成對(duì)應(yīng)關(guān)系以進(jìn)行空間量化分析。并進(jìn)一步將區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)擴(kuò)展到風(fēng)險(xiǎn)階段的識(shí)別,以對(duì)復(fù)雜而動(dòng)態(tài)變化的社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行更為全面的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究。本研究框架為區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了多維分析的角度,可以支持城市空間及區(qū)域國(guó)土空間的分析評(píng)估與規(guī)劃指導(dǎo)。但由于該框架依據(jù)系統(tǒng)自身屬性、空間結(jié)構(gòu)以及動(dòng)態(tài)過(guò)程的空間異質(zhì)性進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,因此對(duì)于小尺度空間的評(píng)估可能會(huì)由于空間特征較單一而存在一定局限。

在氣候變化和城市擴(kuò)張的背景下,三角洲生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)具有復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性,耦合適應(yīng)性循環(huán)理論的區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)于長(zhǎng)三角城市群社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)適應(yīng)性規(guī)劃具有重要意義。對(duì)于長(zhǎng)三角城市群而言,各個(gè)城市均具有較高的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),至2030年整體風(fēng)險(xiǎn)仍呈上升趨勢(shì)且開(kāi)始向生態(tài)空間擴(kuò)展。對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)階段的識(shí)別有助于認(rèn)識(shí)各個(gè)城市的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程,可以為規(guī)劃策略提供更為科學(xué)合理的依據(jù), 進(jìn)而推進(jìn)長(zhǎng)三角城市群綠色轉(zhuǎn)型,形成可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)型城市群。