區(qū)域生態(tài)效應(yīng)研究中人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度定量化評(píng)價(jià)

劉世梁,劉蘆萌,武 雪,侯笑云,趙 爽,劉國(guó)華

1 北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院水環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875 2 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085

1864年,George P. Marsh在《人與自然》(Man and Nature)一書(shū)中提出“人類(lèi)活動(dòng)在多大程度上影響了自然的進(jìn)程”[1]。這一問(wèn)題引發(fā)了科學(xué)界關(guān)于人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境影響評(píng)估的探討。1989年,McCloskey等基于荒野(大于400000ha以上的大片沒(méi)有人工建筑物的土地)的數(shù)據(jù),建立了第一個(gè)全球尺度上未受干擾生態(tài)系統(tǒng)的分布結(jié)果[2]。1995年,Hannah等在全球尺度上評(píng)估了自然棲息地被人類(lèi)干擾的程度,發(fā)現(xiàn)未受干擾的土地占全球陸地面積的52%[3]。這些研究都對(duì)George P. Marsh的問(wèn)題做出了回應(yīng)。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),人類(lèi)改造自然界的力度和規(guī)模不斷增強(qiáng),對(duì)生態(tài)環(huán)境的擾動(dòng)和壓力也不斷增加。Ellis等發(fā)現(xiàn)荒地(wildness)面積占全球無(wú)冰區(qū)域面積不到四分之一[4];Halpern等的研究認(rèn)為人為壓力嚴(yán)重影響了全球五分之一的海洋,而且這種壓力正在不斷加大[5];Krausmann等的研究發(fā)現(xiàn),1910年到2005年人類(lèi)占用的凈初級(jí)生產(chǎn)力翻了一倍[6]。越來(lái)越多的證據(jù)表明人類(lèi)對(duì)自然系統(tǒng)的需求正在加速,并可能破壞這些系統(tǒng)的穩(wěn)定性[7]。因此,對(duì)人類(lèi)活動(dòng)進(jìn)行評(píng)估,從而正確認(rèn)識(shí)人類(lèi)活動(dòng)的規(guī)模、強(qiáng)度及時(shí)空變化規(guī)律,對(duì)于預(yù)防可能產(chǎn)生的生態(tài)威脅顯得十分必要。

作為人與環(huán)境系統(tǒng)的重要組成部分,關(guān)于人類(lèi)活動(dòng)的研究在不同領(lǐng)域均有涉及。在地理學(xué)研究中,人類(lèi)活動(dòng)通常體現(xiàn)在人地關(guān)系分析中,而對(duì)人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)的研究往往不是其重點(diǎn)[8];在生態(tài)適宜性、生態(tài)脆弱性和生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)等研究中,人類(lèi)活動(dòng)往往被作為環(huán)境因子和生態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)力因子考慮,側(cè)重于相關(guān)關(guān)系探究[9];在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究中,人類(lèi)往往作為服務(wù)的需求者和受益者來(lái)考慮[10];而在災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)科學(xué)的研究中,人類(lèi)活動(dòng)又作為區(qū)域?yàn)?zāi)害系統(tǒng)的致災(zāi)因子和承災(zāi)體進(jìn)行分析[11]。總體來(lái)看,以往的研究大多將人類(lèi)活動(dòng)作為所研究問(wèn)題的輔助信息,通過(guò)選擇相應(yīng)指標(biāo)(如人口,國(guó)民生產(chǎn)總值等)表征人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度,以實(shí)現(xiàn)對(duì)所研究問(wèn)題的成因或結(jié)果分析。盡管零散的指標(biāo)也能反映人類(lèi)活動(dòng)情況,但由于缺少對(duì)人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度的全面評(píng)估,可能會(huì)造成對(duì)研究問(wèn)題的成因或者其影響的認(rèn)識(shí)不全面。此外,這些表征人類(lèi)活動(dòng)的指標(biāo)大多選自社會(huì)、經(jīng)濟(jì)層面,多數(shù)指標(biāo)往往不能體現(xiàn)生態(tài)效應(yīng)的內(nèi)涵。目前雖然已有多種從生態(tài)效應(yīng)的角度定量化評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度的方法,但絕大多數(shù)方法仍處在起步發(fā)展階段,尤其在國(guó)內(nèi)的研究中,沒(méi)有形成統(tǒng)一的體系或較為認(rèn)可的指標(biāo)。越來(lái)越多的研究已經(jīng)開(kāi)始重視人類(lèi)活動(dòng)的生態(tài)效應(yīng)與區(qū)域生態(tài)安全的耦合機(jī)理研究,側(cè)重更為準(zhǔn)確的衡量和預(yù)測(cè)不同人類(lèi)活動(dòng)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響。

基于此,我們希望從生態(tài)效應(yīng)視角出發(fā),對(duì)定量化評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度的方法進(jìn)行梳理,發(fā)現(xiàn)目前此類(lèi)研究存在的不足,為之后該領(lǐng)域的發(fā)展提供參考。本文首先闡述了人類(lèi)活動(dòng)的概念,進(jìn)而總結(jié)了定量化評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度的方法體系。基于評(píng)價(jià)體系,詳細(xì)介紹了幾個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。最后,指出了目前定量化評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度中存在的問(wèn)題,并提出了相關(guān)建議和展望。

1 人類(lèi)活動(dòng)概念

人類(lèi)活動(dòng)是指人類(lèi)一切可能形式的活動(dòng)或行為,觸及了生物圈中的每個(gè)地點(diǎn)、組成部分和過(guò)程,包括個(gè)體、群體、社會(huì)、政治、經(jīng)濟(jì)等不同方面。本文所指的人類(lèi)活動(dòng)是從人與自然關(guān)系視角出發(fā),包含人類(lèi)為滿(mǎn)足自身生存和發(fā)展對(duì)自然環(huán)境所采取的各種開(kāi)發(fā)、利用和保護(hù)行為的總稱(chēng)。按其產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng),人類(lèi)活動(dòng)可分為以下幾種(表1)。其中,重大工程的建設(shè)、土地利用變化和城市化等是目前對(duì)生態(tài)影響較大的人類(lèi)活動(dòng)。

此外,本文所指的人類(lèi)活動(dòng)也可表述為Hemeroby、人類(lèi)干擾(human disturbance)和人為壓力(human pressure)等。其中,Hemeroby一詞來(lái)源于希臘語(yǔ)hemeros,由芬蘭植物學(xué)家Jalas等于1955年首次提出,通過(guò)量化目前的植被覆蓋狀態(tài)與完全不存在人類(lèi)干預(yù)情況下構(gòu)建的自調(diào)節(jié)植被最終狀態(tài)之間的距離,進(jìn)而評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)植被的影響[12- 13]。隨后德國(guó)生態(tài)學(xué)家Sukopp等提出了人為干擾度(degree of hemeroby)的概念,將其定義為“一種評(píng)價(jià)人類(lèi)有意或無(wú)意干擾對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響的綜合方法”,用于評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響[14]。人類(lèi)干擾(human disturbance)的概念與自然干擾相對(duì)應(yīng),用來(lái)表示由人類(lèi)活動(dòng)引起的自然生態(tài)系統(tǒng)的擾動(dòng)[15]。而關(guān)于人為壓力(human pressure),有學(xué)者將人類(lèi)活動(dòng)歸為幾種不同的壓力類(lèi)型,以描述生態(tài)系統(tǒng)及其組成部分受到干擾的具體方式[16],但人類(lèi)活動(dòng)與人為壓力的概念大多數(shù)情況下可以互用。

表1 人類(lèi)活動(dòng)分類(lèi)

2 人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度定量化評(píng)價(jià)體系

人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度是指一定面積的區(qū)域受人類(lèi)活動(dòng)的影響而產(chǎn)生的擾動(dòng)程度。現(xiàn)在普遍認(rèn)為,關(guān)于人類(lèi)活動(dòng)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境影響強(qiáng)度的定量評(píng)價(jià)始于1975年萊溫估計(jì)土壤侵蝕背景值(無(wú)人為干擾條件下的土壤侵蝕)。所得結(jié)論有一定價(jià)值,但不具備普遍意義,無(wú)法推進(jìn)對(duì)人類(lèi)活動(dòng)影響強(qiáng)度的量化。國(guó)內(nèi)系統(tǒng)性定量分析人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度始自1998年文英對(duì)人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度定量評(píng)價(jià)方法的初步探討[17]。文英從自然、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)三方面入手,選擇地形起伏度、經(jīng)濟(jì)密度等9個(gè)指標(biāo),利用層次分析和權(quán)重加權(quán)法,對(duì)1995年全國(guó)各省市的人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)估。

由于大多數(shù)研究均會(huì)涉及對(duì)人類(lèi)活動(dòng)的評(píng)價(jià),為篩選定量化評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度的指標(biāo)增加了難度。因此,在選擇綜述的方法時(shí),我們主要遵循了兩個(gè)原則：一是評(píng)價(jià)方法能夠綜合地表現(xiàn)人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度,二是評(píng)價(jià)方法需要體現(xiàn)生態(tài)效應(yīng)的內(nèi)涵。根據(jù)上述兩個(gè)原則,我們建立了圖1所示的評(píng)價(jià)體系。總體來(lái)看,目前關(guān)于人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度定量化評(píng)價(jià)的研究主要從壓力變化和狀態(tài)變化兩方面評(píng)價(jià),研究的思路也遵循了生態(tài)效應(yīng)研究中的壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(Pressure-State-Response, PSR)框架和驅(qū)動(dòng)力-狀態(tài)-響應(yīng)(Driving force-State-Response, DSR)框架等[18- 19]。

一方面,部分學(xué)者從壓力的角度出發(fā),側(cè)重對(duì)人類(lèi)活動(dòng)本身進(jìn)行刻畫(huà)。其中一類(lèi)方法為基于權(quán)重的多指標(biāo)疊加分析方法,即通過(guò)建立反映研究區(qū)人類(lèi)活動(dòng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,經(jīng)由主觀(guān)或客觀(guān)賦權(quán)法確定各指標(biāo)的權(quán)重,最后運(yùn)用加權(quán)法獲得人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度指數(shù)[20- 21]。該種方法思路清晰,操作方便,結(jié)合空間數(shù)據(jù)可以將人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度通過(guò)空間制圖的形式表達(dá)出來(lái),得到了廣泛應(yīng)用[22- 26]。但由于生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性及人類(lèi)活動(dòng)的多樣性,許多方法只適用于某種生態(tài)系統(tǒng),甚至某個(gè)研究區(qū),無(wú)法進(jìn)行區(qū)域間人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度的比較。基于此,有學(xué)者將生態(tài)系統(tǒng)的差異考慮在內(nèi),建立了針對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)系統(tǒng)的人類(lèi)足跡指數(shù)和海洋生態(tài)系統(tǒng)多尺度空間模型。由于將人類(lèi)活動(dòng)作用地的生態(tài)系統(tǒng)差異考慮在內(nèi),體現(xiàn)了人類(lèi)活動(dòng)與生態(tài)效應(yīng)間的相互關(guān)系,使這種方法具有了更廣的適用性。除此之外,還有一些綜合性的方法也從壓力角度出發(fā)對(duì)人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行定量化評(píng)價(jià),如生態(tài)足跡指數(shù)。作為一個(gè)比較成熟的全面評(píng)估人類(lèi)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響的方法,生態(tài)足跡方法已經(jīng)在全球、國(guó)家、區(qū)域、城市乃至個(gè)體層次等宏觀(guān)和微觀(guān)尺度上得到了廣泛應(yīng)用[27- 28]。

另一方面,也有部分學(xué)者從人類(lèi)活動(dòng)引起的狀態(tài)變化角度出發(fā)定量化評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度[29- 30]。其思路是基于人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng),從土地利用變化、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化或者多個(gè)狀態(tài)因子的變化角度側(cè)面表現(xiàn)人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度[31- 33]。其中,從土地利用變化角度定量化評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度是目前應(yīng)用較廣的方法。

圖1 人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度定量化評(píng)估方法Fig.1 Quantitative evaluation methods of human activity intensity

3 人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度定量化評(píng)價(jià)方法

3.1 基于壓力的評(píng)估

3.1.1 基于權(quán)重的多指標(biāo)疊加分析

主要介紹4種常用的方法：人類(lèi)足跡指數(shù)、海洋生態(tài)系統(tǒng)多尺度空間模型、喀斯特干擾指數(shù)和人海關(guān)系空間量化模型。其中,前兩種方法充分考慮了不同生態(tài)系統(tǒng)人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度的差異,因而可以在較大的尺度上運(yùn)用;而喀斯特干擾指數(shù)及人海關(guān)系空間量化模型只適用于特定地區(qū),可轉(zhuǎn)移性較差(表2)[34- 37]。

人類(lèi)足跡指數(shù)(Human footprint index, HFI) 人類(lèi)足跡指數(shù)始于Sanderson等[34]2002年第一次在全球尺度上建立人類(lèi)足跡指數(shù)評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然的影響程度。人類(lèi)足跡指數(shù)將人類(lèi)影響與影響區(qū)域的相互作用考慮在內(nèi),是一種人類(lèi)影響相對(duì)于各生物群落最高影響記錄百分比的歸一化數(shù)據(jù)[38]。人類(lèi)足跡指數(shù)的計(jì)算首先由人口密度、土地利用轉(zhuǎn)變、通達(dá)性、電力基礎(chǔ)設(shè)施4種類(lèi)型9個(gè)數(shù)據(jù)層通過(guò)緩沖區(qū)疊加分析及影響力賦值生成人類(lèi)影響指數(shù)(Human influence index, HII),然后根據(jù)陸地生物群落劃分方法將全球劃分為15個(gè)生物群落,計(jì)算陸地及每一群落中HII 的最大、最小值,對(duì)HII 進(jìn)行歸一化處理,得到最終的人類(lèi)足跡指數(shù)。人類(lèi)足跡指數(shù)得分越高,意味著人類(lèi)活動(dòng)的影響越大。人類(lèi)足跡指數(shù)只適用于評(píng)估人類(lèi)活動(dòng)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響。由于這種方法考慮了地球表層各種生態(tài)系統(tǒng)的差異,提供了全球尺度上人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的分布信息,因此在自然保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)和管理以及人類(lèi)活動(dòng)影響評(píng)價(jià)等方面得到了廣泛的應(yīng)用[39- 40]。

作為評(píng)估人類(lèi)活動(dòng)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)影響的常用指標(biāo),許多學(xué)者在不同尺度上對(duì)人類(lèi)足跡指數(shù)進(jìn)行了應(yīng)用。González-Abrahamet等[41]和Etter等[42]分別在國(guó)家尺度上對(duì)人類(lèi)活動(dòng)的影響進(jìn)行了評(píng)價(jià);Woolmer等[43]和Allanet等[44]在生態(tài)區(qū)域尺度上進(jìn)行了人類(lèi)足跡指數(shù)的計(jì)算。Woolmer等的研究表明,盡管在生態(tài)區(qū)域尺度和全球尺度上得到的結(jié)果相近,但更精細(xì)數(shù)據(jù)的使用凸顯了人類(lèi)活動(dòng)的復(fù)雜性。Venter等[45]結(jié)合遙感和自下而上的調(diào)查方法,更新了1993年到2009年全球尺度上的人類(lèi)足跡指數(shù)。結(jié)果表明,全球尺度上人類(lèi)足跡增加迅速,尤其是在熱帶生態(tài)區(qū)和其他生物多樣性豐富的地區(qū)。同時(shí),富裕的國(guó)家和控制腐敗力度強(qiáng)的國(guó)家的人類(lèi)足跡指數(shù)表現(xiàn)出一定的改善跡象。

表2 基于權(quán)重的多指標(biāo)疊加定量化評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度

同時(shí),許多學(xué)者也在不斷改進(jìn)Sanderson等提出的人類(lèi)足跡指數(shù)。由于Sanderson等沒(méi)有考慮人類(lèi)影響的時(shí)間維度和受影響生態(tài)系統(tǒng)的生物物理脆弱性,Etter等[42]基于土地利用強(qiáng)度、干預(yù)時(shí)間和生物物理脆弱性,建立了包含以上三個(gè)維度的人類(lèi)足跡指數(shù)。Correa Ayramet等[46]基于Etter改進(jìn)的人類(lèi)足跡指數(shù),加入了表征生境損失與破碎化的變量Ffrag,建立多維空間人類(lèi)足跡指數(shù)(Spatial human footprint index, SHFI),評(píng)估了墨西哥人類(lèi)活動(dòng)對(duì)景觀(guān)連通性的影響。

海洋生態(tài)系統(tǒng)多尺度空間模型(Multiscale spatial model) 人類(lèi)活動(dòng)對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響越來(lái)越大,許多科學(xué)家認(rèn)為世界上不復(fù)存在原始的海洋地區(qū)[47]。在海洋生態(tài)系統(tǒng)中,由于許多人類(lèi)活動(dòng)具有突發(fā)性和偶然性,加之人類(lèi)活動(dòng)對(duì)海洋的影響難以探測(cè),因此評(píng)估人類(lèi)活動(dòng)對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響具有相當(dāng)?shù)碾y度[48]。綜合評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)影響的研究仍處在起步階段,但發(fā)展迅速[49]。在人類(lèi)活動(dòng)對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)影響的評(píng)估中,具有開(kāi)創(chuàng)性意義的當(dāng)屬Halpern等人2008年在全球尺度上評(píng)估人類(lèi)活動(dòng)對(duì)海域影響狀況的研究。Halpern等[36]運(yùn)用針對(duì)特定生態(tài)系統(tǒng)的多尺度空間模型評(píng)估了全球尺度上17種人類(lèi)活動(dòng)對(duì)應(yīng)20種海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響程度。2015年,Halpern等又建立了2008—2013年5年時(shí)間尺度上的全球范圍內(nèi)人類(lèi)活動(dòng)累積影響[5]。除了在全球尺度上的應(yīng)用,該方法還被廣泛地應(yīng)用在地中海和黑海[50]、加拿大太平洋海域[49]、加利福尼亞海洋生態(tài)系統(tǒng)[51]和法國(guó)地中海沿岸[52]等區(qū)域尺度海洋生態(tài)系統(tǒng)的研究中。

式中,Di是在位置i人類(lèi)活動(dòng)取對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化后的強(qiáng)度,范圍為0—1,Ej是某種生態(tài)系統(tǒng)的出現(xiàn)或消失(0或1),μij是人類(lèi)活動(dòng)因子i對(duì)生態(tài)系統(tǒng)j的影響權(quán)重,范圍為0—4。

喀斯特干擾指數(shù)(Karst disturbance index, KDI) Van Beynenet等[35]于2005年提出了喀斯特干擾指數(shù),用于衡量喀斯特地區(qū)人類(lèi)干擾對(duì)環(huán)境的影響程度。喀斯特干擾指數(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)包含5大領(lǐng)域(地貌、大氣、水文、生物和文化)31個(gè)環(huán)境因子,每個(gè)指標(biāo)都被賦予了0—3的干擾度值。KDI是一種定性和定量評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法,在佛羅里達(dá)州/意大利[53]、奧地利[54]、意大利[55]、新西蘭[56]等地的研究中都被證明是一種有效評(píng)估喀斯特地區(qū)人類(lèi)活動(dòng)干擾強(qiáng)度的指標(biāo)。同時(shí),隨著GIS 的發(fā)展,KDI的空間分布也得到了研究[57]。但該方法存在著指標(biāo)分?jǐn)?shù)描述比較局限、許多指標(biāo)的描述不符合研究地實(shí)情等缺點(diǎn),所以在應(yīng)用KDI時(shí)應(yīng)該隨之進(jìn)行不斷修正。

人海關(guān)系空間量化模型(Spatial quantization for the relationship between human-activities and marine ecosystems, SQRHM) Parravicini等[58]基于地理空間模型(Geospatial modeling approach)評(píng)價(jià)了8種人類(lèi)活動(dòng)類(lèi)型對(duì)鄰近海域生態(tài)系統(tǒng)的壓力狀況。基于此,李延峰等[37]建立了SQRHM模型對(duì)萊州灣人類(lèi)活動(dòng)影響程度進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)。其原理是將人類(lèi)活動(dòng)所處空間位置作為人類(lèi)影響作用點(diǎn),量化海域內(nèi)各單元點(diǎn)受作用點(diǎn)的影響程度。該模型主要適用于受外海影響較小,水交換能力較弱,海底地形相對(duì)平緩以及綜合開(kāi)發(fā)程度較高的海灣地區(qū)。

式中,I代表某種人類(lèi)活動(dòng)對(duì)單元點(diǎn)的影響,該種人類(lèi)活動(dòng)存在m個(gè)作用點(diǎn),i代表第i個(gè)作用點(diǎn);Fi代表某種人類(lèi)活動(dòng)在第i個(gè)作用點(diǎn)的強(qiáng)度,Di為該種人類(lèi)活動(dòng)在第i個(gè)作用點(diǎn)的最大影響距離,di為單元點(diǎn)與該種人類(lèi)活動(dòng)第i個(gè)作用點(diǎn)的距離;Itotal代表多種人類(lèi)活動(dòng)對(duì)單元點(diǎn)的綜合影響,共存在n種人類(lèi)活動(dòng);j為第j種人類(lèi)活動(dòng),Ij為第j種人類(lèi)活動(dòng)對(duì)單元點(diǎn)的影響,Wj為第j種人類(lèi)活動(dòng)在綜合評(píng)價(jià)中所占的權(quán)重。

3.1.2 其他方法

生態(tài)足跡(Ecological footprint, EF) Wackernagel 和Rees于20世紀(jì)90年代提出了生態(tài)足跡的概念[59]。生態(tài)足跡通過(guò)計(jì)算要維持一個(gè)人、地區(qū)或國(guó)家的生存所需要的或者能夠容納人類(lèi)所排放的廢物、具有生物生產(chǎn)力的地域面積來(lái)衡量人類(lèi)資源的消耗對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響。作為一個(gè)全面評(píng)估人類(lèi)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)壓力的指標(biāo),生態(tài)足跡被廣泛應(yīng)用在全球、國(guó)家、區(qū)域和城市等宏觀(guān)尺度上[60- 62],同時(shí)也被應(yīng)用在家庭、商業(yè)等微觀(guān)層面上[27]。但是,生態(tài)足跡這一方法也存在許多不足之處,如生態(tài)足跡的概念與真正的生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值并不密切相關(guān),物種稀缺、棲息地的唯一性和土地的過(guò)度使用并沒(méi)有在生態(tài)足跡的框架中體現(xiàn)等[28]。

式中,EF為總的生態(tài)足跡,單位是全球公頃,N為人口數(shù),ef為人均生態(tài)足跡,aai為人均第i種消費(fèi)物品折算的生物生產(chǎn)面積,pi為第i種物品的平均生產(chǎn)能力,ci為第i種物品的人均消費(fèi)量。

3.2 基于狀態(tài)的評(píng)估

3.2.1 基于景觀(guān)與土地利用變化

土地利用變化是人類(lèi)活動(dòng)作用于陸地表層環(huán)境的一種重要方式和響應(yīng)[63]。從景觀(guān)、土地利用變化的角度定量化評(píng)價(jià)區(qū)域人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度是國(guó)內(nèi)最常用的方法。這些評(píng)價(jià)方法大多是通過(guò)對(duì)不同土地利用類(lèi)型或者景觀(guān)組分進(jìn)行賦值,從而計(jì)算干擾度。每種方法依據(jù)的原理不同,賦值的方式也有差別(表3)[33,64- 69]。

陸地表層人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度(Human activity intensity of land surface, HAILS) 徐勇等[64]提出陸地表層人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度指數(shù),基于建設(shè)用地當(dāng)量(Construction land equivalent, CLE),對(duì)不同土地利用類(lèi)型賦予相應(yīng)的建設(shè)用地當(dāng)量折算系數(shù)(Conversion index of construction land equivalent, CI),從土地利用/覆被與人類(lèi)活動(dòng)關(guān)系角度構(gòu)建了一個(gè)客觀(guān)反映人類(lèi)活動(dòng)對(duì)陸地表層影響和作用強(qiáng)度的指標(biāo)。該方法自提出后在黔南生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)[70]、黃土高原[32]等地區(qū)得到了實(shí)踐和應(yīng)用。

人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度指數(shù) (Human activity index, HAI) 從景觀(guān)生態(tài)學(xué)視角來(lái)看,人類(lèi)活動(dòng)作用的結(jié)果使景觀(guān)組分的原始自然特性不斷降低,不同類(lèi)型的景觀(guān)組分代表不同的人類(lèi)活動(dòng)或開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度特征[71]。因此,陳浮等[65]根據(jù)景觀(guān)組分及其變化特征,基于人為影響強(qiáng)度參數(shù)構(gòu)建了人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度指數(shù),用于評(píng)價(jià)一定區(qū)域內(nèi)景觀(guān)受人類(lèi)活動(dòng)的影響程度。這種指數(shù)主要將景觀(guān)類(lèi)型分為建設(shè)用地、耕地、園地、草地、濕地、鹽堿地、水域等。該方法在干旱區(qū)典型綠洲[72]和黃燁市[33]等地的人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度評(píng)價(jià)中均有應(yīng)用。

表3 從土地利用與景觀(guān)變化角度定量化人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度

人為干擾度(Degree of hemeroby/M) 人為干擾度是由德國(guó)生態(tài)學(xué)家Sukopp等基于Hemeroby的概念提出的,可用于評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響[14]。在國(guó)內(nèi),陳愛(ài)蓮等[66]首次將干擾度概念引入自然保護(hù)區(qū)的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)中,制定了景觀(guān)類(lèi)型分類(lèi)系統(tǒng),系統(tǒng)評(píng)價(jià)了遼寧雙臺(tái)河口濕地自然保護(hù)區(qū)人為干擾的動(dòng)態(tài)變化特征。基于此工作,孫永光等[73]將人為干擾度指數(shù)與景觀(guān)格局指數(shù)相結(jié)合,研究了人為干擾度時(shí)空動(dòng)態(tài)變化及景觀(guān)格局指數(shù)的響應(yīng)機(jī)制。對(duì)于干擾度的劃分,有學(xué)者將其分為無(wú)干擾、半干擾和全干擾3種類(lèi)型,也有學(xué)者依據(jù)Sukopp提出的理論,將其劃分為6—7種干擾類(lèi)型。作為一種比較直接地評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)景觀(guān)干擾的方法,人為干擾度在北京市[31]、小三江平原沼澤濕地[74]、朝陽(yáng)港潟湖濕[75]、匈牙利東北部[76]、德國(guó)[13]等許多有關(guān)人類(lèi)活動(dòng)干擾的研究中得到了應(yīng)用。此外,該方法也在不斷改進(jìn)。例如,孫永光等[67]考慮到人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度的疊加效應(yīng)和距離衰減效應(yīng),對(duì)已往評(píng)價(jià)方法進(jìn)行改進(jìn),借助遙感技術(shù)和空間分析技術(shù)建立了海岸帶人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度綜合指數(shù)(Human activity intensity index, HAII)。

景觀(guān)發(fā)展強(qiáng)度指數(shù)(Landscape development intensity, LDI) 景觀(guān)發(fā)展強(qiáng)度指數(shù)是Brown 等[68]于2005年提出的用于量化人類(lèi)對(duì)環(huán)境干擾程度的指標(biāo),其基本思想可追溯至Odum的能值理論。LDI通過(guò)計(jì)算單位時(shí)間單位面積某一土地利用類(lèi)型的能值,取對(duì)數(shù)后將結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化,從而評(píng)價(jià)人類(lèi)對(duì)環(huán)境的干擾程度。其中,用于LDI計(jì)算的能值是不可再生能源,包括電力、燃料、肥料、農(nóng)藥和水等。Brown等將LDIi的結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化為1—10,1代表未受干擾的自然土地利用,10代表最高強(qiáng)度的土地利用。Vivas等于2007年提出了修正的LDI計(jì)算方法[77],將LDIi值修正為0—42[69]。

LDI方法提出之初適用于河流、湖泊、流域尺度,或在個(gè)別規(guī)模較小的孤立的濕地流域。有學(xué)者也將LDI方法應(yīng)用在墨西哥地區(qū),探討了墨西哥地區(qū)隨時(shí)間變化人類(lèi)活動(dòng)對(duì)土地利用的干擾程度[78]。值得注意的是,將LDI方法應(yīng)用在濕地生態(tài)系統(tǒng)中,由于使用尺度較小,沒(méi)有考慮距離變量。但如果在較大面積的流域使用該指數(shù),則需要將距離作為重要變量納入。此外,許多研究表明LDI與濕地狀況(生物多樣性[79]、總磷濃度、土壤電導(dǎo)率和土壤PH[80])相關(guān)度較高,而Reiss等[69]運(yùn)用佛羅里達(dá)濕地狀態(tài)指數(shù)(Florida wetland condition index, FWCI)評(píng)價(jià)濕地健康狀況,發(fā)現(xiàn)FWCI的結(jié)果與LDI相符。因此,作為一種穩(wěn)健的濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法,LDI被廣泛地應(yīng)用在濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中[81- 84]。

3.2.2 基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化

人類(lèi)活動(dòng)作用于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng),影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)發(fā)生變化,而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)反過(guò)來(lái)作用于人類(lèi),對(duì)人類(lèi)福祉產(chǎn)生影響。因此,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化可以更好地反映人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求的影響。在這里主要介紹兩個(gè)指標(biāo)：凈初級(jí)生產(chǎn)力的人類(lèi)占用和人類(lèi)淡水影響指數(shù)。

凈初級(jí)生產(chǎn)力的人類(lèi)占用(Human appropriation of net primary production, HANPP) 由于凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)可以指代生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),因此我們將HANPP也作為基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的評(píng)估人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度的指標(biāo)。HANPP指潛在的植物凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP0)與實(shí)際留存在生態(tài)系統(tǒng)中生物量總量(NPPt)的差[85]。其基本假設(shè)是人類(lèi)占用凈初級(jí)生產(chǎn)力的比例能夠度量人類(lèi)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的控制程度,較高的HANPP對(duì)生物多樣性威脅較大。凈初級(jí)生產(chǎn)力以焦耳(J)、干物質(zhì)量(kg)或碳(kg)為單位。

HANPP=NPPo-NPPt=NPPo-NPPact+NPPh

式中,HANPP為凈初級(jí)生產(chǎn)力的人類(lèi)占用,NPPo為潛在的植物凈初級(jí)生產(chǎn)力,NPPt為當(dāng)前生態(tài)循環(huán)中現(xiàn)有生物量總量,NPPact為實(shí)際植被的凈初級(jí)生產(chǎn)力,NPPh為植被凈初級(jí)生產(chǎn)力收獲量。

人類(lèi)淡水影響指數(shù)(Human freshwater impact, HFI) Doddset等[30]從淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的角度量化了全球尺度上人類(lèi)活動(dòng)對(duì)淡水生態(tài)系統(tǒng)的影響。通過(guò)計(jì)算人類(lèi)活動(dòng)對(duì)6種淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響,進(jìn)而得到人類(lèi)淡水影響指數(shù)(Human freshwater impact, HFI)。這6種淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)包括生物多樣性壓力指數(shù)(Biodiversity stress index, BSI),淡水商品壓力指數(shù)(Freshwater commodities stress index, CSI),干擾調(diào)節(jié)指數(shù)(Disturbance regulation index, DRI),溫室氣體排放指數(shù)(Greenhouse gas release index, GRI),水質(zhì)壓力指數(shù)(Water quality stress index, WQI)和水資源壓力指數(shù)(Water availability stress index, WSI)。研究結(jié)果表明,人類(lèi)使用了全球潛在淡水服務(wù)的4%—20%。所有國(guó)家都使用了相當(dāng)量的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

式中,HFI是人類(lèi)淡水影響指數(shù)。j代表影響的種類(lèi),Pi,totalvalue代表由指標(biāo)i構(gòu)成的每種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在總的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中所占比例,Pi,max代表每個(gè)指標(biāo)i對(duì)其所構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的最大比例,Ii代表每個(gè)指標(biāo)i的值。

3.2.3 基于多狀態(tài)因子的變化

人類(lèi)活動(dòng)往往會(huì)引起多種環(huán)境要素的改變,因此有學(xué)者基于多種狀態(tài)因子的改變定量化評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度。Mildrexler等人2009年提出Modis全球干擾指數(shù)(MODIS global disturbance index, MGDI)[86]。該方法考慮了由人類(lèi)活動(dòng)引起的植被指數(shù)和地表溫度的共同變化,基于MODIS陸地產(chǎn)品的地表溫度(Land surface temperature, LST)和增強(qiáng)型植被指數(shù)(Enhanced vegetation index, EVI),將每年合成的最大LST與最大EVI的比率與目標(biāo)年之前多年最大LST與最大EVI比率的均值進(jìn)行對(duì)比,檢測(cè)干擾情況[87]。該方法包括了瞬時(shí)MGDI和非瞬時(shí)MGDI的檢測(cè),計(jì)算公式及解釋見(jiàn)表4。當(dāng)植被沒(méi)有受到干擾時(shí),MGDI的值是在常數(shù)1附近輕微波動(dòng)。當(dāng)發(fā)生干擾事件時(shí),LST與EVI的比率會(huì)顯著增大,導(dǎo)致MGDI的取值大幅偏離1。

表4 Modis全球干擾指數(shù)計(jì)算公式及說(shuō)明

MGDI：Modis全球干擾指數(shù),MODIS global disturbance index

4 建議與展望

總的來(lái)說(shuō),目前定量化評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度取得了一定的進(jìn)展,但仍存在一些不足需要克服：(1)許多模型是靜態(tài)模型,只能識(shí)別人類(lèi)活動(dòng)干擾的現(xiàn)狀,不能對(duì)人類(lèi)活動(dòng)干擾進(jìn)行預(yù)測(cè)。(2)現(xiàn)有評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)或者人為作用壓力的模型均假定多重壓力的影響可以簡(jiǎn)單相加,但許多研究表明,人類(lèi)活動(dòng)引起的多重壓力的影響是復(fù)雜的,非疊加性的相互作用[88- 89]。因此,目前對(duì)人類(lèi)活動(dòng)直接相加的評(píng)價(jià)方式存在許多弊端,發(fā)展能反映多重壓力相互作用的定量化評(píng)價(jià)方法顯得非常重要。(3)對(duì)人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度的分析缺少準(zhǔn)確度評(píng)價(jià)。為了表達(dá)人類(lèi)活動(dòng)的空間差異,空間插值方法被應(yīng)用到若干研究中,插值的有效性應(yīng)該得到驗(yàn)證。建議在評(píng)價(jià)時(shí)可以運(yùn)用多方法進(jìn)行評(píng)估,同時(shí)結(jié)合相關(guān)單一指標(biāo)如人口密度等對(duì)模型分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。(4)發(fā)展新的表征人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度的方法。如目前大數(shù)據(jù)的運(yùn)用受到關(guān)注,社交簽到等數(shù)據(jù)在一定程度上能夠體現(xiàn)人類(lèi)活動(dòng)的強(qiáng)度、范圍和分布特點(diǎn),該類(lèi)數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性,因此對(duì)于更好的定量化評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度很有幫助。但目前將生態(tài)效應(yīng)考慮在內(nèi)的此類(lèi)研究仍為少見(jiàn)。

要加強(qiáng)定量化評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度中對(duì)生態(tài)效應(yīng)的考量,對(duì)此可能有以下幾個(gè)可行的途徑：(1)在指標(biāo)選取時(shí),可以基于區(qū)域生態(tài)要素,選取能夠體現(xiàn)生態(tài)效應(yīng)的人類(lèi)活動(dòng)指標(biāo),而不僅僅從經(jīng)濟(jì)社會(huì)層面考慮。(2)開(kāi)展基于生態(tài)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方式。這里可以有兩種途徑：一是評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)異質(zhì)性較大的區(qū)域時(shí),要充分考慮人類(lèi)活動(dòng)作用地的生態(tài)特征。二是可以系統(tǒng)開(kāi)展針對(duì)特定生態(tài)系統(tǒng)的人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度定量評(píng)價(jià),從而為綜合評(píng)價(jià)不同生態(tài)系統(tǒng)的人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度提供參考。(3)加強(qiáng)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)過(guò)程影響的機(jī)理研究,為人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度的權(quán)重選擇提供理論依據(jù)。

此外,對(duì)人類(lèi)活動(dòng)進(jìn)行定性和定量的評(píng)估既需要對(duì)現(xiàn)有指標(biāo)量化,也需要確定相關(guān)人類(lèi)活動(dòng)的閾值。不同區(qū)域具有不同的自然環(huán)境特點(diǎn)以及資源稟賦條件,確定人類(lèi)活動(dòng)干擾的閾值對(duì)于區(qū)域的規(guī)劃和發(fā)展具有重要意義。對(duì)于人類(lèi)活動(dòng)臨界閾值的確定,可采用草地承載量、地下水可開(kāi)采量、環(huán)境容量、流域水資源利用量等可再生資源的利用臨界;也可采用環(huán)境質(zhì)量的轉(zhuǎn)化臨界(EKC)、生物多樣性安全閾值、生態(tài)承載力(ecological capacity)和初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)等指標(biāo)表示[90]。同時(shí),將表征人類(lèi)活動(dòng)干擾的指標(biāo)與表征區(qū)域資源承載力的指標(biāo)相匹配,可以更好的判斷一個(gè)地區(qū)人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度是否處在可接受范圍之內(nèi)。目前這方面的評(píng)價(jià)方法也有出現(xiàn),如生態(tài)足跡方法以生態(tài)承載力作為閾值,與生態(tài)足跡相比可以評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)是生態(tài)盈余或生態(tài)赤字[91];人地關(guān)系緊張度指標(biāo)從環(huán)境承載力與人類(lèi)活動(dòng)壓力計(jì)算的人地關(guān)系的緊張程度也可以反映人類(lèi)活動(dòng)是否在生態(tài)承載力范圍內(nèi)[92],但將二者結(jié)合進(jìn)行評(píng)價(jià)依舊面臨諸多挑戰(zhàn)。

建議在區(qū)域規(guī)劃和管理中要充分考慮區(qū)域人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度,尤其是在生態(tài)脆弱地區(qū)的管理。同時(shí)應(yīng)重視人口稠密地區(qū)、城市化發(fā)展較快地區(qū)的人類(lèi)活動(dòng),建立相應(yīng)的保護(hù)和限制措施,確保人類(lèi)活動(dòng)在生態(tài)承載力范圍內(nèi)進(jìn)行。