姚焱中,李诗婷,苏美蓉,*,廖乐乐,徐 超,岳文淙

1 辽宁大学环境学院, 沈阳 110036 2 东莞理工学院生态环境工程技术研发中心, 东莞 523808

随着城市水平快速发展,城市人口不断增加,土地利用急剧变化[1-3],可能造成生态系统恶化,对可持续发展造成严重威胁[2,4-6]。作为对城市进行全面评估的工具,城市生态系统健康受到了广泛关注。研究城市生态系统健康状况,有利于综合把握城市发展现状,为城市生态系统提供一个系统的诊断。

城市生态系统健康指城市系统保持完整和活力,以继续向人类提供生态服务[2,7-10]。一个健康的城市生态系统不仅能保持合理的生态结构和功能,还应具有为城市居民生产生活提供服务的能力[11-13]。学者们建立了诸多框架,利用各种模型进行生态系统的健康评估[2,14-15]。现有城市生态系统健康评价框架从系统特征、人类自身或人与自然共同作用出发,建立评价框架[16-18],包括自然-经济-社会(NES)模型[19-20]、活力-组织结构-恢复力(VOR)模型[2,17,21-22]、活力-结构-恢复力-环境服务-生态系统功能(VORSF)模型[23-24]、压力-状态-响应(PSR)模型[25-29]、驱动力-压力-状态-影响-响应(DPSIR)模型[25,30-31]及结构-功能-过程-发展(SFPD)模型[15]等。这些框架很少考虑尺度效应的影响,无法准确识别城市生态系统内部特征。实际上,生态系统在下级尺度往往具有明显的分异性[2,29]。区县作为城市常见的下级行政或空间单元,能够较充分地反映城市内部特征。同时,区县发展程度不一致可能导致不同区县人与自然相互作用程度的不同[3,6,22,24,29],使得现有城市生态系统评价框架难以直接应用于区县尺度。目前为数不多的区县健康评价多采用“PSR”模型[29]、“VOR”及其衍生模型[22,24]等传统框架,难以反映人与自然的作用过程。

目前城市生态系统健康研究多集中在城市及城市群层面,未能充分探究城市内部特征。因此,进一步从区县生态系统健康层面探究城市内部特征,实现生态系统的精细诊断和治理极为重要。本研究聚焦区县,提出一种新的“发展水平-服务功能-抵御干扰-自我维育”(Development level-Service function-Resistance of disturbance-Maintainence,DSRM)四维区县生态系统健康评价框架,在系统分析区县系统健康变化过程及空间分异特征的基础上,识别区县系统健康的主要因子,为管理者制定政策提供理论依据。

1 方法

1.1 区县生态系统健康评价框架

现有研究通常将城市系统分为自然、社会与经济三个子系统,认为它们相互影响,共同决定系统健康[20]。鉴于人类主导的社会经济系统与自然系统早已密不可分[6,28],自然环境已被人类活动深度干扰和渗透,我们将城市系统划分为人工与非人工子系统,主要区别在于人与自然相互作用过程中的主导作用不同。在非人工子系统中,人与自然的相互作用以自然为主,但不排除人为作用。在这种划分模式下,人工与非人工子系统能够充分反映城市系统中人与自然的相互作用,人工与非人工子系统的相互作用可以通过图1中的四个要素来表现。

图1 区县生态系统健康评价框架

城市演化常遵循这样一条路径：在非人工子系统支撑下,城市发展水平不断提高,系统为人类提供服务的能力也不断增强。人工子系统不断壮大会对非人工子系统造成干扰。非人工子系统受到干扰后,能够通过自我调节来抵御干扰,保证城市生态系统稳定。值得指出的是,人工子系统发展到一定程度,也会维护并改善非人工子系统。演化过程中,如果非人工子系统的受干扰程度大于其抵御干扰及更新维育能力,就将导致城市系统恶化甚至崩溃[12]。

土地作为减少城市脆弱性的重要资源,是城市发展的自然基础,对生态系统具有重要支撑作用[32-33],土地交易与占用,会促使土地类型和利用方式快速变化[32,34],对城市生态系统服务及健康产生深远影响[24,28-29,34]。而区县是土地利用规划管理的最佳尺度[24,29],区县系统健康研究应重点关注土地利用变化及其引起的系列反应。为全面评价区县生态系统健康状态,我们以土地利用信息为重心,建立了一个更适宜于区县系统的四维健康评价框架,以更好理解区县特点,全面反映区县生态系统健康状态。

1.2 区县生态系统健康评价指标体系

目前区县生态系统健康评价多依赖土地利用变化,很少涉及经济、人口及城市功能[2,29],在评估健康状况方面缺乏系统理解。针对这一问题,我们基于DSRM框架,建立了多层级区县生态系统健康评价体系(表1)。这套指标体系考虑了基本原则(如科学性、全面性、动态性、数据可得性等),包括目标层(健康综合指数)、要素层(发展水平、服务功能、抵御干扰及自我维育)及指标层(涉及城市发展、系统服务与土地利用)。

表1 区县生态系统健康评价指标

1.3 生态系统健康评价模型

1.3.1熵权法

各指标包含信息量不同,对评价对象的分辨作用有所不同,应具有不同权重[36]。熵权法基于信息熵对指标进行赋权,能够较客观地反映指标重要性；但其计算略为复杂,且信息熵计算原理决定了其不适用于评价对象较少情形。通常,指标信息熵越大,权重也越大[37]。在计算前,采用极差法消除不同量纲影响。利用熵权法确定权重的具体步骤如下：

(1)指标同度化并计算信息熵ej

(1)

(2)

式中,qij是第i个镇区第j项指标标准化值,n是东莞市镇区数量,m是评价指标数量,pij是第i个镇区第j项指标所占比重。

(2)计算第j项指标差异系数gj及权重wj

gj=1-ej

(3)

(4)

通过比较各指标权重大小,可以确定其贡献度,找出影响区县生态系统健康的主要因素。

表2 不同类型土地的碳密度及弹性度分值[35]

1.3.2线性加权评价

许多数学模型在生态系统健康评价中被使用,包括模糊可拓物元评价[15]、集对分析[23]及物质流评价[38]等。相较其它数学模型,线性加权法操作简明、含义明确,可求得各个要素指数和系统指数,结果客观合理,满足时空可比性[39]。评价模型如公式5：

(5)

式中,EHI为生态系统健康指数,代表生态系统健康水平；wj是第j项指标权重；qij是第i个镇区第j项指标标准化值。

城市生态系统并不存在固定的健康标准,学者们多将城市生态系统健康标准看作是从系统本身及人类需求出发的一种期望[12]。因此,我们采用相对评价方法,在有关研究[2, 29,40]基础上,根据生态系统可拓性和研究区域状况,将生态系统健康等级分为5个等级(表3)。

表3 区县生态系统健康状态分级

1.4 研究区域

东莞(113°31′—114°15′E,22°39′—23°09′N)包含32个镇区(图2),国土面积2465 km2,到2019年,常住人口846.5万人,生产总值9482.5亿元,三大产业比例0.3∶56.5∶43.2。近年来,东莞接受港澳台经济辐射,大规模承接国际产业转移,创造了“东莞奇迹”。

图2 东莞市地理位置

东莞各镇区的快速发展会影响城市健康,改变城市系统内部特征。鉴于生态恶化对可持续发展构成的可能威胁[4],有必要对东莞各镇区进行系统评估。东莞土地利用数据源自中国科学院资源环境科学数据中心,空间分辨率为30 m(图3),其余数据来源于1996年、2001年、2006年、2011年及2016年《东莞市统计年鉴》。

图3 东莞2015年土地利用信息

2 结果与讨论

2.1 区县生态系统健康动态变化特征

2.1.1基于目标层的区县生态系统健康动态变化

如图4所示,在1995—2015年间,东莞各镇区生态系统健康指数整体呈下降趋势,且趋势逐渐减缓,从0.50—0.75(1995年)降至0.25—0.50(2015年),状态从1995年健康降到2015年一般。

图4 区县生态系统健康指数的变化

各镇区生态系统健康变化总体可分为两个阶段：第一阶段为1995—2005年,各镇区经济及人口基数较低,系统能满足人们的大部分需求,为人类提供服务的能力较强,产业结构不够合理,经济快速发展导致生态系统的恶化；第二阶段为2005—2015年,基础建设逐渐完善,区县系统服务能力增强,产业转型及环保意识觉醒,降低了人类活动对生态系统的干扰,系统耐受能力增强,减缓了系统的恶化。但生态恶化未得到根本扭转,区县系统健康仍需持续关注。

区县发展程度不一致直接导致区县生态系统健康变化趋势及程度不同。具体而言,各镇区健康变化表现出四种趋势：上升(如莞城,从不健康到一般)；下降(如高埗,从健康到一般)；先降后升(如石排,从健康到一般到健康)及先升后降(如谢岗,从一般到健康到一般)。

2.1.2基于要素层的区县生态系统健康动态变化

如图5所示,各镇区生态系统健康各要素变化可分为两个阶段：第一阶段是1995—2005年,该阶段维育要素较好,服务要素次之,发展及抵御要素较差；第二阶段是2005—2015年,各要素从好到坏分别是抵御要素、服务要素、发展要素和维育要素。

图5 区县生态系统要素健康指数的变化

服务要素先降低后升高,主要范围在0.30—0.70之间,受益于基础建设逐渐完善；发展要素逐渐升高,主要范围在0.30—0.80之间,主要依赖于产业结构调整与区县发展；抵御要素较为稳定,略有上升,主要范围在0.30—0.70之间,随着农业在产业结构中占比下降,农药及化肥使用量逐渐减少,通过产业转型,人类活动对生态系统的干扰逐渐减弱,系统耐受能力增强；维育要素先快速下降,后较为稳定,主要范围从0.65—0.95(1995年)降低至0.05—0.25(2015年),主要在于前期在城市化过程中,森林、水域等土地面积快速缩减,区县维育能力不断削弱；后来随着环保意识觉醒,人们开始关注生态系统保护,森林、水域等土地保持稳定,系统维育能力基本稳定或略有好转。与发展、服务及抵御要素相比,各镇区维育要素变化最为明显,是导致生态系统健康变化的主要因素。

2.2 区县生态系统健康空间分布特征

2.2.1基于目标层的区县生态系统健康空间分布

如图6所示,1995—2015年间,各镇区生态系统的总体状态逐渐恶化,其中西南地区生态系统退化比东南更明显,主要由于各镇区自然资源禀赋及社会经济发展不一致,使区县系统健康变化趋势与程度也不同。

图6 区县生态系统健康的空间分布

中部及西北处于系统演化中期,健康水平不佳,尚未好转；东南及西南经济欠发达,以一、二产业为主,系统处于演化前期,生态健康状况逐渐恶化；系统较为健康的南城、东城及虎门等地,处于演化后期,生态系统未出现恶化。

2.2.2基于要素层的区县生态系统健康空间分布

图7反映不同年份生态系统各要素健康分布状况。可以看出,维育要素变化最为明显,其余要素变化较为稳定。西部维育要素恶化更为严重,也说明维育要素对各镇区生态系统健康影响较大。

对发展要素而言,各镇区状态早期整体一般,呈现出块状分布,不健康及一般镇区主要集中在西北及东北(图7),缘于北方经济落后南方,人口增长也略低于南方；随后要素水平为一般的地区逐渐向南扩散,分布情况趋于破碎,主要在于随着经济总量增加,南方地区增长逐步放缓,如虎门、长安、凤岗、清溪及塘厦等镇区GDP前十年增长约10倍,后十年仅增长3倍。

就服务要素而言,各镇区整体健康,分布较为集中。但在少数年份,健康状态一般且破碎度较高。要素一般或不健康的镇区多分布在西南及东南,缘于这些镇区经济总量较大,第三产业占比较低,系统服务能力较差；其余地区要素状态在良好以上(图7),得益于镇区丰富的自然资源或合理的产业结构。

各镇区抵御要素基本在健康与很健康之间,少数地区抵御要素水平一般(图7)。1995年及2015年,抵御要素空间分布较为破碎,1995年整体小于2015年。较差的镇区主要分布在西部,状态的好转或恶化依赖于土地垦殖及化肥施用变化。如高埗土地垦殖率从前十年0.50降至后十年0.30,化肥施用下降75%,抵御要素从0.30升至0.80。

1995—2000年各镇区维育要素状态一般,主要呈块状分布,破碎度不高。2005—2015年,各镇区维育要素整体不健康,少数镇区甚至到了病态水平,块状分布逐渐趋于破碎。维育要素不健康的镇区分布在中西部(高埗、莞城),而东部(黄江、樟木头、谢岗)及西部少数镇区(道滘、洪梅)多为一般(图7)。中西部地区土地资源稀缺,如高埗、莞城森林覆盖率均值分别为0.00与0.01,水域覆盖率为0.09和0.03,生态弹性度偏低。东部及西部少数镇区森林覆盖率相对较高,麻涌、黄江及樟木头分别为0.58、0.65及0.53。

图7 区县生态系统要素健康的空间分布

2.3 区县生态系统健康因子特征

2.3.1区县生态系统健康的因子贡献度分析

对各镇区生态系统健康评价指标进行贡献度分析,找出对区县系统健康起重要作用的贡献因子。从图8可知,影响各镇区生态系统健康的重要因子主要是发展要素的GDP、人口增长率；服务要素的第三产业占比；抵御要素的土地垦殖率、化肥施用量；维育要素的森林覆盖率、水域覆盖率、生态弹性度。

图8 区县生态系统健康的因子贡献度

不同年份,各因子贡献大小并不一致。GDP及生态弹性度的贡献度逐年增加；人口增长率、第三产业占比及土地垦殖率的贡献度先增加后减小；水域覆盖率及森林覆盖率的贡献度基本稳定。综合而言,对区县系统影响最大的因子是GDP、生态弹性度、水域覆盖率及森林覆盖率；维育要素对东莞各镇区生态系统健康具有较大影响。

2.3.2区县生态系统健康重要因子变化

选择GDP、生态弹性度、水域覆盖率及森林覆盖率为重要因子进行分析。总体来看,各镇区GDP不断增加；水域覆盖率、森林覆盖率及生态弹性度较低且略有下降(图9)。

图9 区县生态系统贡献因子的变化情况

维育要素重要因子变化可以分成两个阶段,第一阶段是1995—2005年,各镇区水域覆盖率、森林覆盖率及生态弹性度快速下降；2005—2015年,各镇区重要因子基本稳定。这与在城市化发展不同阶段森林、水域等土地面积变化和人们环保意识增强密切相关。

2.4 典型区县系统健康分析

2.4.1典型区县系统健康及要素变化

根据东莞市各镇区生态系统健康变化的四种趋势,选取莞城、高埗、石排及谢岗作为典型镇区进行分析。在1995—2015年间,莞城生态系统状态逐渐好转,从不健康到一般；高埗健康指数逐渐下降,从0.63变为0.32；石排与谢岗的健康指数分别表现为先降后升与先升后降(图10)。

图10 典型区县生态系统健康的变化

从图4和图11可以看出,典型镇区发展、服务及抵御要素的变化与东莞各镇区相应要素整体趋势吻合性较高；而典型镇区维育要素变化与维育要素整体趋势并不一致,与典型镇区健康变化具有较好一致性(图9)。进一步说明,维育要素是影响东莞各镇区生态系统健康变化的重要要素,维育要素变化直接导致区县健康状态改变。

尽管生态系统健康变化主要受维育要素影响,但其他要素也对系统健康发挥作用(图10及图11)。以莞城为例,2015年维育要素是0.93,综合指数为0.32,发展、服务及抵御要素则在0.10—0.40之间,说明莞城生态系统健康后期主要取决于发展、服务及抵御要素。

2.4.2典型区县系统重要因子变化

典型镇区GDP均呈上升趋势,说明其不是导致健康变化的重要因子(图12)。莞城维育要素上升主要依赖水域覆盖率上升；高埗维育要素下降缘于水域覆盖率和生态弹性度下降；石排及谢岗维育要素变化由森林覆盖率和生态弹性度决定(图11及图12)。表明对不同镇区而言,影响其状态的重要因子有所差异,但离不开土地利用,系统健康的主要瓶颈是发展过程中土地资源的稀缺及利用的低效。

图12 典型区县主要贡献因子的变化

3 结论

区县生态系统是一个复杂的综合体,其健康离不开人与自然的相互作用,社会、经济和自然的综合影响,及时间与空间的共同效应。想要对区县系统进行全面研究,需要尽可能考虑系统中潜在影响因素,基于人与自然相互作用,将社会、经济及自然因素全面结合,从时空等多个角度表征系统状态。

本文聚焦区县系统健康,提出一种新的“发展水平-服务功能-抵御干扰-自我维育”四维生态系统评价框架,建立了相应多层级指标体系,构建了区县系统健康评价模型,以东莞各镇区为例,分析了20年的时空生态系统健康变化及重要因子。结果表明：

(1)东莞各镇区1995—2015年间生态系统总体健康逐渐恶化,西南地区退化更为明显。中部及西北部镇区系统水平不佳；东南及西南镇区系统逐渐恶化,表现为区域分布；个别镇区系统基本平稳,状态良好,未出现恶化趋势。

(2)各镇区生态系统要素变化分为两个阶段：1995—2005年,维育要素状况较好,抵御要素较差；2005—2015年,抵御要素状况较好,维育要素较差。各镇区维育要素变化最为明显,是导致系统健康变化的主要因素。

(3)GDP、水域覆盖率、森林覆盖率及生态弹性度是生态系统健康的重要因子。早期东莞发展占用大量森林及水域,系统生态弹性度逐渐削弱；发展到一定阶段,土地的稀缺及生态恶化使人们开始关注生态保护,缓解了系统的恶化,但整体状态依旧严峻。

(4)想从根本上解决东莞市区县生态系统的问题,需要牢固树立生态健康理念,提高土地等资源的利用效率,调整发展模式及产业结构。通过“三旧”改造工作,释放土地存量市场；开展退耕还林,扩大森林覆盖率；推进生态保护工作,注重保障水土健康；发挥东莞三区叠加优势,融入粤港澳大湾区,利用城市群产业分工机遇,承接深圳产业转移,优化各区县产业结构,提升城市竞争力。

(5)尽管本文建立了一个新的生态系统评价框架,对东莞各镇区进行了初步研究,但未来仍需开展大量工作。例如,更加全面地将土地利用同社会经济因素相结合,表征系统健康状态；随着城市生态系统的发展,进一步考虑更多潜在因素改善评价框架。