山水林田湖草沙生命共同體理念下社會-生態(tài)系統(tǒng)時空耦合及模擬預(yù)測

油 暢,渠鴻嬌,郭 濼

1 中央民族大學(xué)民族學(xué)與社會學(xué)學(xué)院,北京 100081 2 中央民族大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,北京 100081

在面對日益嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境問題時,必須認(rèn)識到生態(tài)系統(tǒng)管理的重要性。而傳統(tǒng)的管理方式往往更重視經(jīng)濟(jì)效益而忽視了生態(tài)系統(tǒng)的平衡和可持續(xù)發(fā)展[1—3]。因此,需要探索出一種基于社會-生態(tài)系統(tǒng)理論的管理方式。Ostrom創(chuàng)立的社會-生態(tài)系統(tǒng)(Social-Ecological System, SES)理論分析框架為解決生態(tài)系統(tǒng)管理問題提出了理論指導(dǎo)[4—6]。該理論框架包括資源系統(tǒng)、資源單位、管理系統(tǒng)、用戶等核心子系統(tǒng),具有很強(qiáng)的解釋、診斷與解決問題功能,已成為生態(tài)環(huán)境問題治理的強(qiáng)有力工具[7—8]。

社會-生態(tài)系統(tǒng)理論框架在很多研究領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[9—10]。Rosenschold等應(yīng)用SES框架評價了美國科羅拉多州河流流域不同治理策略對水資源和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響,并為未來的管理和規(guī)劃提供了指導(dǎo)[11]。Taghilou等使用SES框架在中國小流域開展調(diào)研,研究不同管理措施對水資源和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響,并分析了決策制定者、社區(qū)和專業(yè)管理者之間的權(quán)力關(guān)系[12]。Fernandes等基于SES框架,探討了城市公園管理對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的影響,并提出了政策建議,以促進(jìn)城市公園的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提供[13]。

社會-生態(tài)系統(tǒng)(SES)框架是一種分析和理解社會-生態(tài)系統(tǒng)相互作用關(guān)系的工具?？蚣苤赋鋈祟惿鐣c周圍的自然環(huán)境之間存在著復(fù)雜的相互依賴和相互作用。在SES框架中,社會系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)被視為相互聯(lián)系的整體。社會系統(tǒng)由人類社會、機(jī)構(gòu)和決策者組成,生態(tài)系統(tǒng)則由物理環(huán)境和生態(tài)過程組成。這兩個系統(tǒng)之間存在著相互作用和反饋關(guān)系,社會行為和決策會對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響,同時生態(tài)系統(tǒng)的變化也會反過來影響社會行為和決策。SES框架強(qiáng)調(diào)了人類社會對于生態(tài)系統(tǒng)的影響和依賴,并呼吁通過合作、共享責(zé)任和適應(yīng)性管理來保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性[14—18]。本文將“山水林田湖草沙生命共同體理念”融入SES研究框架展開耦合關(guān)系的研究。在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域,耦合主要用于描述生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部不同組分之間的相互作用與聯(lián)系[19]。耦合關(guān)系代表了生態(tài)系統(tǒng)中各個組分之間的相互依賴程度[20]。關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)中的耦合學(xué)者們針對不同問題做出了總結(jié)。有學(xué)者指出耦合是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可持續(xù)性的關(guān)鍵因素[21]。并進(jìn)一步探討了耦合性、復(fù)雜性和不確定性在生態(tài)系統(tǒng)管理中的作用,并提出耦合管理的原則[22]。有學(xué)者探討了人口和土地利用變化之間的耦合動態(tài)對生物多樣性熱點的影響[23]。學(xué)者們也嘗試在機(jī)理層面對生態(tài)系統(tǒng)的耦合關(guān)系進(jìn)行探討。例如研究物質(zhì)元素在生態(tài)系統(tǒng)中的循環(huán)和相關(guān)耦合[24];探究生態(tài)系統(tǒng)各個組分之間的動態(tài)變化調(diào)節(jié)機(jī)制,包括生態(tài)系統(tǒng)的正向和負(fù)向反饋機(jī)制,以及這些反饋對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)變過程的影響[25]。

山、水、林、田、湖、草、沙是生態(tài)系統(tǒng)的核心要素,它們相互關(guān)聯(lián)、相互依存,構(gòu)成了復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)[26—28]。這些要素不僅提供了物質(zhì)上的服務(wù)(如水資源、食品等),也提供了非物質(zhì)上的服務(wù)(如文化遺產(chǎn)、美景欣賞等)。把山、水、林、田、湖、草、沙單獨提出來,是為了從整體上思考和推動生態(tài)文明建設(shè)[29—31]。這七大元素是生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵要素,也是生態(tài)系統(tǒng)健康與平衡的基礎(chǔ)[32]。其中水是生態(tài)系統(tǒng)中的基本要素,它是生物生存和繁衍的基礎(chǔ)。而湖作為水體的一種形態(tài),具有獨特的特點和功能,有自己的生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性。將水和湖單獨提出來,可以有側(cè)重地保護(hù)和管理水資源,推動不同類型水資源的有效治理。生態(tài)系統(tǒng)要素是生態(tài)系統(tǒng)中至關(guān)重要的組成部分,它們不僅為人類提供自然資源和環(huán)境服務(wù),同時也是維持地球生命支撐系統(tǒng)的重要因素[33]。因此,對這些要素的研究一直是生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)和社會科學(xué)等領(lǐng)域的熱點問題。針對山、水、林、田、湖、草、沙等系統(tǒng)的特征和功能,各種研究方法被廣泛應(yīng)用。常見的研究方法包括生態(tài)系統(tǒng)價值評估、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可視化、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分類和定量評估等。然而,現(xiàn)有方法對于復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)的預(yù)測和模擬能力相對較弱。引入新的方法和技術(shù)以彌補(bǔ)現(xiàn)有方法的不足變得非常必要?；疑A(yù)測(GM)模型可以有效地解決社會生態(tài)系統(tǒng)評估指標(biāo)模擬預(yù)測的問題。GM模型可以獲得更準(zhǔn)確和可靠的預(yù)測結(jié)果,同時具有數(shù)據(jù)驅(qū)動性和可擴(kuò)展性[34]。GM模型可以分析歷史數(shù)據(jù)來預(yù)測未來的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,進(jìn)而提供管理決策支持。Wang等利用GM模型對北方邦地區(qū)的洪水風(fēng)險進(jìn)行了預(yù)測,并根據(jù)模型結(jié)果提出了相應(yīng)的防災(zāi)建議[35]。Li等利用GM模型對水文數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)測,并提出了相應(yīng)的水資源管理建議[36]。

基于此,本文以南方丘陵山區(qū)典型區(qū)域-贛州市為例,對社會-生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行評價與耦合關(guān)系的研究,在分析社會-生態(tài)系統(tǒng)評估指標(biāo)演變規(guī)律的基礎(chǔ)上,運用GM模型對社會-生態(tài)系統(tǒng)評估指標(biāo)的演變趨勢進(jìn)行預(yù)測。旨在為類似區(qū)域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)決策支持,為中國生態(tài)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展提供有益探索。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

贛州市位于江西省中部,地理坐標(biāo)為115°25′58″—117°20′47″東經(jīng)和24°26′27″—28°56′04″北緯。贛州市地形起伏,多山地、丘陵、平原和河谷等多種地貌類型,是中國南方著名的“五嶺之一、四水環(huán)繞”的地區(qū)(圖1)。贛州市屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫為16—19℃,年降雨量在1300—1900 mm之間。贛州市擁有得天獨厚的自然資源和生態(tài)優(yōu)勢,其中包括森林資源、水資源、土壤資源、動植物資源等[37]。同時,贛州市也是一個歷史文化名城,具有深厚的歷史底蘊和文化遺產(chǎn)。社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,已逐漸成為南方丘陵山區(qū)的重要城市[38]。贛州市的獨特地理位置、自然資源和社會經(jīng)濟(jì)條件,以及生態(tài)系統(tǒng)要素-山水林田湖草沙的豐富性,使其成為理想的研究區(qū)域[39]。研究贛州市社會生態(tài)系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系和其評估指標(biāo)的模擬預(yù)測,對于深入了解南方丘陵山區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況,積極推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

圖1 研究區(qū)域概況Fig.1 Overview of study area

圖2 SES互動分析框架[45]Fig.2 Framework for analyzing the principles of SES interaction

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究需要的數(shù)據(jù)包括:(1)SES框架的各要素評價指標(biāo)主要來源于《中國縣域統(tǒng)計年鑒》,缺失數(shù)據(jù)由相應(yīng)年份的《江西統(tǒng)計年鑒》、《贛州統(tǒng)計年鑒》補(bǔ)充。(2)氣象數(shù)據(jù)來自于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.cma.cn/)。DEM數(shù)據(jù)主要來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)。土壤質(zhì)地數(shù)據(jù)源自寒旱區(qū)科學(xué)大數(shù)據(jù)中心(http://bdc.casnw.net/index.shtml)。潛在蒸散量數(shù)據(jù)源自《全球干旱指數(shù)和潛在蒸散(ET0)氣候數(shù)據(jù)庫v2》(https://figshare.com/)。(3)土地利用數(shù)據(jù)、NDVI、NPP、人口密度柵格數(shù)據(jù)、GDP柵格數(shù)據(jù)源自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)。上述柵格數(shù)據(jù)集的空間分辨率均統(tǒng)一為100m。

1.3 研究方法

1.3.1基于“山水林田湖草沙生命共同體理念”的SES分析框架

SES框架已成為目前研究社會-生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系應(yīng)用最廣泛的概念框架[40]。共包含四個核心系統(tǒng):資源系統(tǒng)(RS)、資源單位(RU)、治理系統(tǒng)(GS)和行動者(A)。在治理系統(tǒng)的約束下,行動者會展開一系列互動過程(I)并產(chǎn)生一系列結(jié)果,從而對系統(tǒng)產(chǎn)生反饋。此外,該框架還包括社會、經(jīng)濟(jì)、政治背景(S)和生態(tài)系統(tǒng)(ECO)兩個宏觀背景變量[41—44]。

將”山水林田湖草沙生命共同體”融入社會-生態(tài)系統(tǒng)分析框架。水和林是地球上最重要的生態(tài)系統(tǒng)之一,水資源支撐著農(nóng)業(yè)、工業(yè)和城市的發(fā)展,是許多生物群落賴以生存的最基本要素之一。森林不僅擁有龐大的生物量,且提供了許多重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),如氧氣產(chǎn)生、水資源調(diào)節(jié)、土壤保持和碳儲存等。生態(tài)系統(tǒng)中的水和林是資源單位賴以生存的基礎(chǔ)。例如農(nóng)民需要水來灌溉農(nóng)田,牧民需要森林提供草和飼料。湖、草、沙作為資源單位,不僅受生態(tài)系統(tǒng)的影響,同時對資源系統(tǒng)的供應(yīng)和可持續(xù)利用也起到了重要作用。湖泊負(fù)擔(dān)了許多生態(tài)功能,例如調(diào)節(jié)水文循環(huán)、提供洪水容量、維護(hù)水質(zhì)等,這些功能對山地的水源管理和田地的灌溉至關(guān)重要。草地具有保持山地土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、防止水土流失和保護(hù)水源的關(guān)鍵作用。沙地則在農(nóng)田中起到了保持土壤肥力、改善排水和調(diào)節(jié)氣候的作用?；凇吧剿痔锖萆成餐w”的SES框架如下。

1.3.2社會-生態(tài)系統(tǒng)及子系統(tǒng)評估指數(shù)的計算

在SES多要素耦合評價指標(biāo)體系中(圖3),生態(tài)系統(tǒng)和社會系統(tǒng)做為宏觀的核心系統(tǒng)相互作用、影響,為資源系統(tǒng)和治理系統(tǒng)提供能量和信息基礎(chǔ)。資源系統(tǒng)進(jìn)一步為資源單位提供物質(zhì)輸入,治理系統(tǒng)制定規(guī)則,規(guī)范行動者的行為。資源單位和行動者兩個系統(tǒng)交互作用,對社會生態(tài)系統(tǒng)格局產(chǎn)生影響[46]。將水、林、山、田、湖、草、沙分別做為SES子系統(tǒng)。各個子系統(tǒng)均包含在復(fù)雜SES系統(tǒng)之中,其評估指標(biāo)的選取應(yīng)該遵循全面性,綜合性,典型性的原則。

圖3 基于SES框架的評價指標(biāo)體系Fig.3 Evaluation index system based on SES framework

基于SES框架與前人的研究[47—49]。在指標(biāo)層(表1)共選取25個指標(biāo)來分別表征子系統(tǒng)層的水、林、山、田、湖、草、沙以及系統(tǒng)層的社會、治理和行動者。在子系統(tǒng)層,水土流失面積是反映土地水資源管理的重要指標(biāo)。污水處理率可以衡量社會對水質(zhì)保護(hù)的努力和成效。而年產(chǎn)水量可以反映社會對水資源的利用情況和需求水平。森林覆蓋率是評估林地資源的重要指標(biāo)之一。退耕還林面積可以表示地區(qū)對森林資源保護(hù)和生態(tài)修復(fù)的重視程度。而林業(yè)產(chǎn)值可以體現(xiàn)林業(yè)活動所創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價值。山地面積的大小直接反映了山地在整個地區(qū)的分布和占比情況。地形起伏度決定了山地相關(guān)自然資源的分布和利用條件。通過溝壑密度可以了解山地的地表侵蝕嚴(yán)重程度。較高的農(nóng)作物與經(jīng)濟(jì)作物面積比值通常意味著農(nóng)田的經(jīng)濟(jì)效益較高,農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)合理。耕地面積的大小直接決定了農(nóng)作物的種植規(guī)模和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出。河湖面積的大小反映了水生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)模和水文循環(huán)的強(qiáng)弱。河流徑流量的大小直接反映了水資源的充足程度。歸一化植被指數(shù)(NDVI)反映了植物生長的繁盛程度。植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)是評估草地生態(tài)系統(tǒng)功能和生產(chǎn)能力的指標(biāo)。草地面積通常能反映人類對草地資源的需求。氮磷總含量能反映土壤中氮、磷元素的豐富程度。土壤平均pH值對土壤養(yǎng)分的有效性、微生物活性都有直接影響。土壤沙化面積能直接反映土壤中的沙粒含量。

表1 社會-生態(tài)系統(tǒng)的評估指標(biāo)體系Table 1 SES assessment indicator system

在系統(tǒng)層選擇GDP總量和人口密度作為社會系統(tǒng)的代表指標(biāo)有助于分析和比較不同地區(qū)之間的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、社會資源利用情況和人口情況。這些指標(biāo)對于制定經(jīng)濟(jì)政策、資源規(guī)劃和社會發(fā)展具有重要意義。年均財政支出可以反映政府在一年內(nèi)用于開展各項工作的資金投入。進(jìn)而判斷政府對人民生活水平提高和社會發(fā)展的支持程度。全社會固定資產(chǎn)投資可以反映經(jīng)濟(jì)體系中企業(yè)和政府對物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)投資。廢氣中煙塵排放量是衡量行動者對環(huán)境的污染程度的重要指標(biāo)。全社會用電量可以反映行動者在生產(chǎn)和生活過程中對能源的消耗程度。

運用極值法對指標(biāo)層的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,熵權(quán)法計算指標(biāo)權(quán)重,將標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)層數(shù)據(jù)與對應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重系數(shù)相乘并加總,得到子系統(tǒng)層,即水、林、山、田、湖、草、沙,與系統(tǒng)層社會、治理和行動者的綜合指數(shù)[50]。

社會-生態(tài)系統(tǒng)及子系統(tǒng)綜合評估指數(shù)的計算公式如下[51]:

Pij=(Xij-min(Xij))/(max(Xi)-min(Xi))

(1)

Pij=(max(Xij)-Xij)/(max(Xi)-min(Xi))

(2)

(3)

(4)

Hj=∑WiPij

(5)

公式(1)、(2)分別為正向和負(fù)向指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化公式,i和j分別為指標(biāo)行列次序,min(Xi)和max(Xi)分別為指標(biāo)的最小值和最大值,Pij為標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值。公式(3)中,ei為熵權(quán)法計算出的熵值。公式(4)中Wi為指標(biāo)權(quán)重系數(shù)。公式(5)中Hj為社會-生態(tài)系統(tǒng)及子系統(tǒng)的綜合評估指數(shù)。

1.3.3社會-生態(tài)系統(tǒng)的綜合評價

利用熵權(quán)法計算各個指標(biāo)權(quán)重[52],根據(jù)公式(5)計算出的山、水、林、田、湖、草、沙子系統(tǒng)層與社會、治理、行動者系統(tǒng)層的評估指數(shù),用TOPSIS模型進(jìn)一步計算,得到社會-生態(tài)系統(tǒng)的綜合評價指數(shù)[53]。計算公式如下:

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

1.3.4耦合協(xié)調(diào)度模型

基于公式(5)計算得到的山、水、林、田、湖、草、沙子系統(tǒng)層和社會、治理、行動者系統(tǒng)層的評估指數(shù),運用耦合協(xié)調(diào)度模型計算系統(tǒng)間的耦合協(xié)調(diào)度,將計算結(jié)果運用自然斷點法劃分為四個等級,分別為失調(diào)(0.0—0.3)、低耦合(0.3—0.4)、中耦合(0.4—0.5)、高耦合(0.5—1.0)[54—56]。耦合協(xié)調(diào)度模型的計算公式如下:

(12)

(13)

Cn表示多個系統(tǒng)間的耦合度,Ui代表各系統(tǒng)和子系統(tǒng)的綜合發(fā)展水平。Tc為各系統(tǒng)和子系統(tǒng)的評估指數(shù)。Dc為系統(tǒng)間的耦合協(xié)調(diào)度,取值范圍為[0,1],本研究中?=β=0.5。

系統(tǒng)動力學(xué)將系統(tǒng)視為一個整體,并通過建立因果回路圖、設(shè)計仿真模型和構(gòu)建變量間的數(shù)學(xué)方程來模擬復(fù)雜系統(tǒng)的動態(tài)變化過程[57—58]。本研究初步構(gòu)建了基于“山水林田湖草沙生命共同體理念”的社會-生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)因果回路圖,用于模擬社會-生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部各系統(tǒng)之間的復(fù)雜耦合關(guān)系。

1.3.5社會-生態(tài)系統(tǒng)及子系統(tǒng)評估指數(shù)的GM動態(tài)預(yù)測

GM預(yù)測的基本邏輯是通過對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行累加生成新的數(shù)據(jù)序列,擬合得到一個一階線性常微分方程,最后利用該方程進(jìn)行預(yù)測。將2005—2020年山、水、林、田、湖、草、沙子系統(tǒng)和社會、治理、行動者系統(tǒng)的綜合評估指數(shù)作為原始序列輸入模型,輸出2030年山、水、林、田、湖、草、沙子系統(tǒng)和社會、治理、行動者系統(tǒng)的綜合評估指數(shù)。模型精度檢驗見表2,計算公式如下[59]:

表2 GM模型精度檢驗參照表Table 2 GM model accuracy test reference table

(1) 假設(shè)非負(fù)原始序列為:X(0)={x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(n)}

(14)

(2) 對X(0)做一次累加,生成數(shù)列:X(1)={x(1)(1),x(1)(2),…,x(1)(n)}

(15)

(16)

(17)

(5) 把(4)求取的參數(shù)帶入(3),得到灰色預(yù)測計算公式:

(18)

2 研究結(jié)果

2.1 社會-生態(tài)系統(tǒng)及子系統(tǒng)評估指數(shù)的時空變化

基于SES框架,運用綜合評價模型計算,得出贛州市社會-生態(tài)系統(tǒng)及子系統(tǒng)評估指標(biāo)的綜合指數(shù)變化見圖4。2005—2020年,子系統(tǒng)山的評估指數(shù)在贛州市東北部的寧都縣和瑞金市始終最高,在西部的南康區(qū)始終最低,西南部的崇義縣、龍南縣、安遠(yuǎn)縣有微增的趨勢,信豐縣呈現(xiàn)先增,后減再增加的趨勢,其它區(qū)域無明顯變化。2005—2020年,子系統(tǒng)水的評估指數(shù)在贛州市西南部的南康區(qū)、章貢區(qū)、贛縣均呈現(xiàn)由低值到高值逐年增加的趨勢,在東部的寧都縣、會昌縣和安遠(yuǎn)縣以及南部的定南縣也呈現(xiàn)由低值到中值微增的趨勢,在東部的瑞金市呈現(xiàn)先增后減的趨勢。子系統(tǒng)林的評估指數(shù)在贛州市的北部-中部-南部均有明顯的高值區(qū)域,這表明贛州市的森林資源較為富集。2005—2020年,林的評估指數(shù)在贛州市北部的寧都縣呈現(xiàn)先增加后微減的趨勢,在中部的章貢區(qū)和會昌縣有逐年減少的趨勢,在東南部的其它區(qū)域均呈現(xiàn)逐年增加的特征。子系統(tǒng)田的評估指數(shù)在贛州市整體呈現(xiàn)西南部高值聚集,東部和西部低值聚集的特征,南部和北部整體處在中高值的范圍。2005—2020年,子系統(tǒng)田的評估指數(shù)只在東南部的安遠(yuǎn)縣呈現(xiàn)逐年微減的趨勢,在其它區(qū)域無明顯變化特征。子系統(tǒng)湖的評估指數(shù)在贛州市北部的寧都縣和中西部的贛縣最高,表明這些區(qū)域的湖泊資源豐富。在章貢區(qū)、東部的瑞金市和南部的安遠(yuǎn)縣湖的評估指數(shù)最低,贛州市其它區(qū)域均處在中高值的范圍。2005—2020年,湖的評估指數(shù)無明顯變化特征,表明湖泊資源較為穩(wěn)定。

圖4 2005—2020年山、水、林、田、湖子系統(tǒng)綜合評估的空間分布特征Fig.4 Spatial distribution of the mountains, water, forests, fields and lakes subsystem, 2005—2020

贛州市2005—2020年草、沙子系統(tǒng)與治理、社會、行動者系統(tǒng)綜合評估的空間分布特征見圖5?？梢钥闯?研究區(qū)域子系統(tǒng)草的評估指數(shù)主要在中值到高值的范圍,只在中部的章貢區(qū)、贛縣和瑞金市最低。2005—2020年,草的評估指數(shù)在西部的南康區(qū)呈現(xiàn)逐年減少的趨勢,在東南部的尋烏縣和北部的寧都縣逐年增加。子系統(tǒng)沙的評估指數(shù)在贛州市整體偏低,只在東部的瑞金市偏高。2005—2020年,除中西部的贛縣呈現(xiàn)下降的特征,子系統(tǒng)沙的評估指數(shù)在贛州市的其它區(qū)域均呈現(xiàn)增加的特征,表明近年來贛州市的土壤環(huán)境較10年前有所下降。治理系統(tǒng)的評估指數(shù)在贛州市中部較高,在北部和南部較低。2005—2020年,治理系統(tǒng)的評估指數(shù)在贛州市中部的于都縣和興國縣均有增加,在瑞金市有下降的趨勢。社會系統(tǒng)的評估指數(shù)在贛州市的中部和北部均較高。2005—2020年,社會系統(tǒng)的評估指數(shù)在贛州市中部的于都縣、興國縣、信豐縣均有下降,其它區(qū)域無明顯變化。行動者系統(tǒng)的評估指數(shù)在贛州市西部和北部存在高值區(qū)的聚集,中西部有較多的中低值區(qū)。2005—2020年,行動者系統(tǒng)的評估指數(shù)在贛州市西部的大余縣有所下降,在東南部的尋烏縣有微增,其它區(qū)域無明顯變化特征。

圖5 2005—2020年草、沙子系統(tǒng)與治理、社會、行動者系統(tǒng)的空間分布Fig.5 Spatial distribution of grass, sand subsystems and, governance, social, actor systems, 2005—2020

2.2 社會-生態(tài)系統(tǒng)的綜合評價

社會-生態(tài)各系統(tǒng)及子系統(tǒng)的權(quán)重占比見圖6,利用熵權(quán)法計算出的權(quán)重高低能夠反映不同年份下,各系統(tǒng)及子系統(tǒng)對社會生態(tài)系統(tǒng)總體的影響。2005—2020年,對社會-生態(tài)系統(tǒng)影響最大的依次是社會(31.36%— 44.4%)、水(27.12%—31.97%)、湖(10.66%—13.48%)和治理(10.90%—12.09%)。研究區(qū)社會-生態(tài)系統(tǒng)綜合評價的時空變化特征見圖7。可以看出,贛州市中西部和東北部存在社會-生態(tài)系統(tǒng)綜合指數(shù)的高值(0.50—0.93)聚集,西南部和東南部存在少量低值(0.00—0.25)聚集,其它區(qū)域均處于中值區(qū)間(0.25—0.50)。2005—2020年,社會-生態(tài)系統(tǒng)綜合指數(shù)在贛州市北部的寧都縣、石城縣以及西部的大余縣、信豐縣、安遠(yuǎn)縣均呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢。在贛州西部的崇義縣,西南部的龍南縣呈現(xiàn)增加的趨勢。在贛州東南部的瑞金市呈現(xiàn)下降的趨勢。

圖6 社會-生態(tài)各系統(tǒng)及子系統(tǒng)權(quán)重占比Fig.6 Share of weight of each system and subsystem of social ecology

圖7 社會-生態(tài)系統(tǒng)TOPSIS綜合評價的時空變化特征Fig.7 Socio-ecological system TOPSIS synthesis evaluation

2.3 社會-生態(tài)系統(tǒng)間的耦合分析

社會-生態(tài)系統(tǒng)間良好的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系是生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的基本前提。本研究計算了社會-生態(tài)系統(tǒng)間的耦合協(xié)調(diào)度(圖8)。結(jié)果表明,在贛州市中部以北,社會-生態(tài)系統(tǒng)間的耦合協(xié)調(diào)情況較好,聚集著一些中、高度耦合的區(qū)域。在贛州市西部聚集著一些社會-生態(tài)系統(tǒng)間失調(diào)的區(qū)域。贛州市東部以南存在大量低度耦合的區(qū)域。2005—2020年,贛州市中部以北的興國縣、寧都縣、于都縣均呈現(xiàn)從低耦合向中、高耦合過渡的變化趨勢。贛州市西部的上猶縣、南康區(qū),西南部的全南縣呈現(xiàn)由失調(diào)區(qū)向低耦合區(qū)過渡的趨勢。贛州市東南部的瑞金市、會昌縣、安遠(yuǎn)縣和尋烏縣均呈現(xiàn)由失調(diào)區(qū)向低耦合區(qū)過渡的發(fā)展趨勢,這表明近年來贛州市社會-生態(tài)系統(tǒng)間耦合的發(fā)展趨勢向好。

圖8 2005—2020年社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合空間分布Fig.8 Spatial distribution of SES coupling, 2005—2020

本研究基于系統(tǒng)動力學(xué)模型,構(gòu)建因果回路圖來模擬復(fù)雜系統(tǒng)的動態(tài)變化過程。 并進(jìn)一步基于“山水林田湖草沙生命共同體理念” 初步構(gòu)建起社會-生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)因果回路圖,用于模擬社會-生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部各系統(tǒng)之間的復(fù)雜耦合關(guān)系,與系統(tǒng)間反饋的動態(tài)過程,為決策者提供科學(xué)依據(jù),以實現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。

因果回路圖展現(xiàn)了社會-生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的主要三個耦合邏輯(圖9)。圖9中各系統(tǒng)對應(yīng)的系數(shù)表示由熵權(quán)法計算的2005、2010、2015、2020年系統(tǒng)權(quán)重的均值。在社會系統(tǒng)與資源系統(tǒng)之間存在負(fù)反饋回路。當(dāng)資源系統(tǒng)的過度開發(fā)導(dǎo)致資源減少時,這種變化進(jìn)一步加劇了社會系統(tǒng)對資源的需求和開發(fā)行為,形成一個相互促進(jìn)的循環(huán)。在資源系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)之間存在正反饋回路。合理的資源利用與保護(hù)措施有助于維持生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定。在社會系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)之間存在負(fù)反饋回路。當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)健康且穩(wěn)定時,能向社會系統(tǒng)提供背景環(huán)境和資源支持,促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。反之,會對社會系統(tǒng)產(chǎn)生限制和影響。如資源枯竭和環(huán)境惡化可能引發(fā)社會沖突和經(jīng)濟(jì)下滑。

圖9 贛州市社會-生態(tài)系統(tǒng)因果回路圖Fig.9 Causal loop diagram of social-ecological system in Ganzhou City

2.4 基于GM模型的社會-生態(tài)系統(tǒng)及子系統(tǒng)評估指數(shù)變化的預(yù)測

為了更好地了解社會-生態(tài)系統(tǒng)評估指數(shù)的動態(tài)演化規(guī)律,本研究基于GM模型對贛州市社會生態(tài)系統(tǒng)的評估指數(shù)進(jìn)行了預(yù)測(圖10),所有評估指數(shù)預(yù)測的相對誤差絕對值均在0—0.1之間,后驗差比C值在0—0.06之間,小誤差概率P值在0.95—1.00之間,表明模型預(yù)測精度較高。山的評估指數(shù)在2005—2020年間有小幅波動,但整體呈現(xiàn)出上升的趨勢,2020—2030年該指數(shù)將持續(xù)小幅上升。水的評估指數(shù)在2005—2030年呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢,這一變化趨勢與2010—2020年總產(chǎn)水量的下降有關(guān)。林的評估指數(shù)在2005—2010年增長較快,在2010—2030年整體呈現(xiàn)微降的預(yù)測趨勢。田的評估指數(shù)在2010—2030年整體呈現(xiàn)增長的預(yù)測趨勢,這與2010年以后贛州市進(jìn)一步嚴(yán)格落實耕地保護(hù)有關(guān)。湖的評估指數(shù)在2005—2030年呈現(xiàn)持續(xù)增加的預(yù)測趨勢,這與贛州市2010年以后的濕地生態(tài)修復(fù)和生態(tài)補(bǔ)水的實施有關(guān)。草的評估指數(shù)在2005—2030年呈現(xiàn)持續(xù)下降的預(yù)測趨勢。這與贛州市在2005年以后農(nóng)村草地被開墾為農(nóng)田或養(yǎng)殖場以及草地的過度利用有關(guān)。沙的評估指數(shù)在2005—2010年增加,2010—2030年基本保持不變,這表明2010年以后贛州市對土壤荒漠化程度控制的較好。治理的評估指數(shù)在2005—2010年下降,在2010—2030年持續(xù)增加。社會的評估指數(shù)在2005—2030年持續(xù)增加。行動者的評估指數(shù)在2005—2010年增加,在2010—2030年持續(xù)下降。

圖10 贛州市社會-生態(tài)各系統(tǒng)及子系統(tǒng)評估指數(shù)的預(yù)測Fig.10 Prediction of assessment indices of socio-ecological systems and subsystems in Ganzhou City

3 討論

3.1 社會-生態(tài)系統(tǒng)(SES)框架的應(yīng)用

SES理論框架模型能提供對生態(tài)、社會相關(guān)領(lǐng)域中各類型變量的全面考察,并對其包含的抽象變量進(jìn)行分析。前者的分析能夠考察社會-生態(tài)系統(tǒng)中大量潛在變量與復(fù)雜系統(tǒng)之間的相互作用關(guān)系,對于實現(xiàn)社會-生態(tài)系統(tǒng)的綜合分析至關(guān)重要。本研究充分考慮到了人與自然之間關(guān)系的復(fù)雜性,通過SES模型所包含的資源系統(tǒng)、資源單位、治理系統(tǒng)、行動者、生態(tài)系統(tǒng)、社會系統(tǒng)主要六大系統(tǒng)來全面分析贛州市社會-生態(tài)系統(tǒng)的要素耦合狀況[60]。并基于“山水林田湖草沙生命共同體理念”構(gòu)建指標(biāo)體系來量化SES框架,雖然指標(biāo)的選取涵蓋了多個層面,能夠較全面地反映系統(tǒng)整體情況。但為了更深入地反映系統(tǒng)的可持續(xù)性、生態(tài)系統(tǒng)的多樣性和穩(wěn)定性,更好地評估人類活動對系統(tǒng)的影響,在今后指標(biāo)的選取中,可以引入可持續(xù)發(fā)展指數(shù)、生物多樣性指數(shù)等綜合性指標(biāo),以及能源消耗、碳排放量等與人類活動強(qiáng)相關(guān)的指標(biāo)。對于抽象變量,例如行動者努力程度、企業(yè)家精神、社會-生態(tài)系統(tǒng)的精神模式、明晰的資源邊界等指標(biāo)變量文章還未涉及,該類型變量不易量化,但抽象變量的分析能夠?qū)φ麄€社會-生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行查漏補(bǔ)缺,在今后的研究中爭取加入這方面的分析[61]。

本研究將“山水林田湖草沙生命共同體理念”融入了社會-生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行系統(tǒng)動力學(xué)模擬的量化分析。這種量化分析有助于更好地理解SES框架中各系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系和因果邏輯。在SES框架中,首先存在社會系統(tǒng)與資源單位和資源系統(tǒng)的耦合。社會系統(tǒng)通過管理資源單位(如湖、草、沙)來對資源系統(tǒng)(山、田)進(jìn)行利用與開發(fā)。社會系統(tǒng)的決策和行為會對資源系統(tǒng)的利用和保護(hù)產(chǎn)生影響,同時社會系統(tǒng)也會受到資源系統(tǒng)的限制和影響。其次存在資源系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)的耦合。生態(tài)系統(tǒng)(水、林)提供了資源系統(tǒng)(山、田)所需的背景環(huán)境和支持,生態(tài)系統(tǒng)的健康與穩(wěn)定是資源系統(tǒng)可持續(xù)利用發(fā)展的前提。資源系統(tǒng)的開發(fā)和利用也會對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響。例如,過度利用資源可能導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的退化和生物多樣性的喪失。最后是生態(tài)系統(tǒng)與社會系統(tǒng)的耦合。生態(tài)系統(tǒng)的運行和演化對社會系統(tǒng)產(chǎn)生影響,并在社會系統(tǒng)中產(chǎn)生反饋效應(yīng)。例如,資源的枯竭和環(huán)境的惡化可能引發(fā)社會沖突和經(jīng)濟(jì)下滑。社會系統(tǒng)的決策和行為可以促進(jìn)或阻礙生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和適應(yīng)能力。關(guān)注社會系統(tǒng)的合作機(jī)制和治理設(shè)計對保護(hù)和恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義。

現(xiàn)如今出現(xiàn)了眾多研究人員將SES框架應(yīng)用于跨學(xué)科領(lǐng)域,從不同的角度收集數(shù)據(jù)進(jìn)行多學(xué)科研究[62]。SES框架能夠提供一個公共結(jié)構(gòu),通過跨學(xué)科如自然科學(xué)與社會科學(xué)之間的交流,實現(xiàn)對模型測算結(jié)果的比較分析,最終實現(xiàn)不同學(xué)科領(lǐng)域的協(xié)同發(fā)展。本研究主要采用定量分析的方法,通過指標(biāo)量化,分析了社會-生態(tài)系統(tǒng)評估指數(shù)的時空分布,但對于聯(lián)動機(jī)制的分析涉及較少,在今后的研究中需要將定量分析與定性分析相結(jié)合[63]。此外Ostrom認(rèn)為有必要將SES框架從區(qū)縣尺度擴(kuò)大到全國乃至全球范圍,Ostrom的理論引導(dǎo)我們更深刻地理解人類與自然的本質(zhì)聯(lián)系,有助于人類更有效地實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的目標(biāo)[64—65]。

3.2 基于SES框架的社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合及演變規(guī)律

社會-生態(tài)系統(tǒng)不是孤立的,是由多個子系統(tǒng)共同作用而產(chǎn)生的。運用SES框架將自然與社會相融合,能夠更加真實、準(zhǔn)確、全面地評估社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合情況。2005—2020年,基于SES框架的社會-生態(tài)系統(tǒng)的子系統(tǒng)展現(xiàn)出了時空分布差異。贛州南部以丘陵山地為主要地貌特征,且為熱帶季風(fēng)氣候,有利于山、林、草富集,東北部也分布著大面積的森林、湖泊、草原,為自然資源的增長提供了基礎(chǔ)條件[66]。2005—2020年,贛州南部與其他發(fā)達(dá)地區(qū)相比,人類活動和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平更低,減少了對生態(tài)系統(tǒng)的影響[67]。一些自然保護(hù)區(qū)和森林公園的建設(shè)也進(jìn)一步保護(hù)了自然環(huán)境,導(dǎo)致山、林評估指數(shù)上升。隨著時間推移,對草原保護(hù)的減少導(dǎo)致了草評估指數(shù)的下降。而湖泊資源由于水文地理原因相對穩(wěn)定,因此湖評估指數(shù)未呈現(xiàn)明顯的時空變化。

水、田、沙、治理評估指數(shù)值在贛州市中部以西較高。贛州中部以西屬于內(nèi)陸山區(qū),地形起伏度大,河流水資源儲量豐富,氣候條件適宜農(nóng)作物生長,但由于重復(fù)耕作、土地過度開墾、水蝕和風(fēng)蝕,也會導(dǎo)致土地沙化面積增加[68]。2005—2020年贛州市中西部水資源充沛,降水豐富,但過去的幾年進(jìn)行了大規(guī)模的土地開發(fā)和建設(shè),導(dǎo)致水和沙評估指數(shù)增加,而農(nóng)業(yè)發(fā)展與政府治理在研究期內(nèi)較為穩(wěn)定,使得田、治理評估指數(shù)變化趨勢不明顯。隨著人們環(huán)保意識增強(qiáng),贛州逐漸強(qiáng)化了生態(tài)保護(hù)、修復(fù)的措施,維持了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定,提高了社會生態(tài)系統(tǒng)綜合指數(shù),促進(jìn)了各子系統(tǒng)間的耦合發(fā)展。較高的水、田、沙、治理評估指數(shù)意味著贛州市中部以西的水資源管理與沙漠化的治理能力較強(qiáng)、農(nóng)田質(zhì)量較高。這為地方政府和相關(guān)部門提供了重要的參考信息,可以優(yōu)先保護(hù)和管理這些區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng),進(jìn)一步采取措施提高水資源的利用效率、保護(hù)水源地和水生態(tài)系統(tǒng),確保水資源的可持續(xù)供應(yīng)。加強(qiáng)農(nóng)田管理,保護(hù)土壤資源、改善農(nóng)田環(huán)境,提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益和農(nóng)民的收入水平[69—70]。加強(qiáng)沙漠化防治工作,實施退耕還林還草、植被恢復(fù)、水土保持等措施,繼續(xù)推動沙漠化治理,保護(hù)地區(qū)生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定[71—72]。這些成果可以為相關(guān)部門的決策制定和實踐操作提供科學(xué)參考,促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

根據(jù)2030年GM模型的預(yù)測結(jié)果,山、田、湖子系統(tǒng)與社會、治理系統(tǒng)的評估指數(shù)將會增加,而水、林、草子系統(tǒng)與行動者系統(tǒng)的評估指數(shù)將會下降,沙子系統(tǒng)評估指數(shù)保持不變。這表明在贛州市政府的實踐過程中,可以加大資金投入力度,建設(shè)更多的生態(tài)環(huán)境保護(hù)區(qū),提高山、田、湖子系統(tǒng)的質(zhì)量和數(shù)量。同時,加強(qiáng)社會與治理體系建設(shè),提高社會文明程度和治理效能,為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供良好的支撐。同時重視水、林、草子系統(tǒng)的保護(hù)和恢復(fù)。保護(hù)水源地,提高水利設(shè)施建設(shè)水平;加強(qiáng)林草覆蓋工作,推進(jìn)森林防火和植樹造林;同時,提高人們的環(huán)保意識,引導(dǎo)市民積極參與環(huán)境保護(hù)行動。加強(qiáng)沙漠化監(jiān)測和預(yù)警體系建設(shè),制定有效的沙漠化防治措施,加強(qiáng)土地治理和植被恢復(fù)工作,防止沙漠?dāng)U展對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的影響[73]。

當(dāng)前的研究往往假設(shè)耦合關(guān)系是線性的,即系統(tǒng)之間的相互作用是穩(wěn)定且可預(yù)測的。然而,在實際情況下,社會-生態(tài)系統(tǒng)的耦合關(guān)系可能存在非線性效應(yīng),如閾值效應(yīng)、正反饋等。同時耦合關(guān)系的研究需要跨越時間和空間尺度進(jìn)行觀察和分析,以充分考慮系統(tǒng)的動態(tài)性和復(fù)雜性。然而,目前仍缺乏長期的觀察數(shù)據(jù)和跨尺度的研究,尤其是在不同地區(qū)和生境條件下的比較研究。因此,未來的研究可以進(jìn)一步探索非線性效應(yīng)對耦合關(guān)系的影響,并開發(fā)相應(yīng)的分析工具和模型,并加強(qiáng)對多樣性場景的考察,以深入理解耦合關(guān)系的普適性和可行性。也可以開展跨尺度的比較研究,分析不同地區(qū)和生境條件下的社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合關(guān)系的差異和共性,以提供區(qū)域性和全球性的參考和借鑒?？傊?未來的研究需要更加全面、深入地探索社會-生態(tài)系統(tǒng)的耦合關(guān)系,并將相關(guān)研究成果應(yīng)用于實踐中,為可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)支撐。

4 研究結(jié)論

本研究探索了融入“山水林田湖草沙生命共同體理念”后的社會-生態(tài)系統(tǒng)時空耦合情況,預(yù)測了2030年社會-生態(tài)系統(tǒng)及子系統(tǒng)的演變趨勢。2005—2020年,山的評估指數(shù)在贛州西南部微增。水的評估指數(shù)在贛州西南部逐年增加,在東部的瑞金市先增后減。林的評估指數(shù)在贛州北部先增后減,在中部逐年減少,在東南部逐年增加。田的評估指數(shù)在東南部的安遠(yuǎn)縣逐年微減。湖的評估指數(shù)無明顯變化趨勢。草的評估指數(shù)在西部的南康區(qū)逐年減少,在東南部逐年增加。沙的評估指數(shù)在中西部的贛縣呈下降趨勢。治理與社會的評估指數(shù)在贛州中部均有增加。行動者評估指數(shù)在贛州西部下降,在東南部的尋烏縣微增。贛州中部以北,社會-生態(tài)系統(tǒng)之間主要為中、高度耦合。西部存在社會-生態(tài)系統(tǒng)間的失調(diào)。東南部有較多的低耦合區(qū)。在2020—2030年,子系統(tǒng)山、田、湖、治理、社會的評估指數(shù)均呈現(xiàn)增長的演變趨勢。水、林、草、行動者的評估指數(shù)呈下降的演變趨勢。沙的評估指數(shù)保持不變。