區縣生態系統健康評價方法
——以東莞市各鎮區為例

姚焱中,李詩婷,蘇美蓉,*,廖樂樂,徐 超,岳文淙

1 遼寧大學環境學院, 沈陽 110036 2 東莞理工學院生態環境工程技術研發中心, 東莞 523808

隨著城市水平快速發展,城市人口不斷增加,土地利用急劇變化[1-3],可能造成生態系統惡化,對可持續發展造成嚴重威脅[2,4-6]。作為對城市進行全面評估的工具,城市生態系統健康受到了廣泛關注。研究城市生態系統健康狀況,有利于綜合把握城市發展現狀,為城市生態系統提供一個系統的診斷。

城市生態系統健康指城市系統保持完整和活力,以繼續向人類提供生態服務[2,7-10]。一個健康的城市生態系統不僅能保持合理的生態結構和功能,還應具有為城市居民生產生活提供服務的能力[11-13]。學者們建立了諸多框架,利用各種模型進行生態系統的健康評估[2,14-15]。現有城市生態系統健康評價框架從系統特征、人類自身或人與自然共同作用出發,建立評價框架[16-18],包括自然-經濟-社會(NES)模型[19-20]、活力-組織結構-恢復力(VOR)模型[2,17,21-22]、活力-結構-恢復力-環境服務-生態系統功能(VORSF)模型[23-24]、壓力-狀態-響應(PSR)模型[25-29]、驅動力-壓力-狀態-影響-響應(DPSIR)模型[25,30-31]及結構-功能-過程-發展(SFPD)模型[15]等。這些框架很少考慮尺度效應的影響,無法準確識別城市生態系統內部特征。實際上,生態系統在下級尺度往往具有明顯的分異性[2,29]。區縣作為城市常見的下級行政或空間單元,能夠較充分地反映城市內部特征。同時,區縣發展程度不一致可能導致不同區縣人與自然相互作用程度的不同[3,6,22,24,29],使得現有城市生態系統評價框架難以直接應用于區縣尺度。目前為數不多的區縣健康評價多采用“PSR”模型[29]、“VOR”及其衍生模型[22,24]等傳統框架,難以反映人與自然的作用過程。

目前城市生態系統健康研究多集中在城市及城市群層面,未能充分探究城市內部特征。因此,進一步從區縣生態系統健康層面探究城市內部特征,實現生態系統的精細診斷和治理極為重要。本研究聚焦區縣,提出一種新的“發展水平-服務功能-抵御干擾-自我維育”(Development level-Service function-Resistance of disturbance-Maintainence,DSRM)四維區縣生態系統健康評價框架,在系統分析區縣系統健康變化過程及空間分異特征的基礎上,識別區縣系統健康的主要因子,為管理者制定政策提供理論依據。

1 方法

1.1 區縣生態系統健康評價框架

現有研究通常將城市系統分為自然、社會與經濟三個子系統,認為它們相互影響,共同決定系統健康[20]。鑒于人類主導的社會經濟系統與自然系統早已密不可分[6,28],自然環境已被人類活動深度干擾和滲透,我們將城市系統劃分為人工與非人工子系統,主要區別在于人與自然相互作用過程中的主導作用不同。在非人工子系統中,人與自然的相互作用以自然為主,但不排除人為作用。在這種劃分模式下,人工與非人工子系統能夠充分反映城市系統中人與自然的相互作用,人工與非人工子系統的相互作用可以通過圖1中的四個要素來表現。

圖1 區縣生態系統健康評價框架

城市演化常遵循這樣一條路徑：在非人工子系統支撐下,城市發展水平不斷提高,系統為人類提供服務的能力也不斷增強。人工子系統不斷壯大會對非人工子系統造成干擾。非人工子系統受到干擾后,能夠通過自我調節來抵御干擾,保證城市生態系統穩定。值得指出的是,人工子系統發展到一定程度,也會維護并改善非人工子系統。演化過程中,如果非人工子系統的受干擾程度大于其抵御干擾及更新維育能力,就將導致城市系統惡化甚至崩潰[12]。

土地作為減少城市脆弱性的重要資源,是城市發展的自然基礎,對生態系統具有重要支撐作用[32-33],土地交易與占用,會促使土地類型和利用方式快速變化[32,34],對城市生態系統服務及健康產生深遠影響[24,28-29,34]。而區縣是土地利用規劃管理的最佳尺度[24,29],區縣系統健康研究應重點關注土地利用變化及其引起的系列反應。為全面評價區縣生態系統健康狀態,我們以土地利用信息為重心,建立了一個更適宜于區縣系統的四維健康評價框架,以更好理解區縣特點,全面反映區縣生態系統健康狀態。

1.2 區縣生態系統健康評價指標體系

目前區縣生態系統健康評價多依賴土地利用變化,很少涉及經濟、人口及城市功能[2,29],在評估健康狀況方面缺乏系統理解。針對這一問題,我們基于DSRM框架,建立了多層級區縣生態系統健康評價體系(表1)。這套指標體系考慮了基本原則(如科學性、全面性、動態性、數據可得性等),包括目標層(健康綜合指數)、要素層(發展水平、服務功能、抵御干擾及自我維育)及指標層(涉及城市發展、系統服務與土地利用)。

表1 區縣生態系統健康評價指標

1.3 生態系統健康評價模型

1.3.1熵權法

各指標包含信息量不同,對評價對象的分辨作用有所不同,應具有不同權重[36]。熵權法基于信息熵對指標進行賦權,能夠較客觀地反映指標重要性；但其計算略為復雜,且信息熵計算原理決定了其不適用于評價對象較少情形。通常,指標信息熵越大,權重也越大[37]。在計算前,采用極差法消除不同量綱影響。利用熵權法確定權重的具體步驟如下：

(1)指標同度化并計算信息熵ej

(1)

(2)

式中,qij是第i個鎮區第j項指標標準化值,n是東莞市鎮區數量,m是評價指標數量,pij是第i個鎮區第j項指標所占比重。

(2)計算第j項指標差異系數gj及權重wj

gj=1-ej

(3)

(4)

通過比較各指標權重大小,可以確定其貢獻度,找出影響區縣生態系統健康的主要因素。

表2 不同類型土地的碳密度及彈性度分值[35]

1.3.2線性加權評價

許多數學模型在生態系統健康評價中被使用,包括模糊可拓物元評價[15]、集對分析[23]及物質流評價[38]等。相較其它數學模型,線性加權法操作簡明、含義明確,可求得各個要素指數和系統指數,結果客觀合理,滿足時空可比性[39]。評價模型如公式5：

(5)

式中,EHI為生態系統健康指數,代表生態系統健康水平；wj是第j項指標權重；qij是第i個鎮區第j項指標標準化值。

城市生態系統并不存在固定的健康標準,學者們多將城市生態系統健康標準看作是從系統本身及人類需求出發的一種期望[12]。因此,我們采用相對評價方法,在有關研究[2, 29,40]基礎上,根據生態系統可拓性和研究區域狀況,將生態系統健康等級分為5個等級(表3)。

表3 區縣生態系統健康狀態分級

1.4 研究區域

東莞(113°31′—114°15′E,22°39′—23°09′N)包含32個鎮區(圖2),國土面積2465 km2,到2019年,常住人口846.5萬人,生產總值9482.5億元,三大產業比例0.3∶56.5∶43.2。近年來,東莞接受港澳臺經濟輻射,大規模承接國際產業轉移,創造了“東莞奇跡”。

圖2 東莞市地理位置

東莞各鎮區的快速發展會影響城市健康,改變城市系統內部特征。鑒于生態惡化對可持續發展構成的可能威脅[4],有必要對東莞各鎮區進行系統評估。東莞土地利用數據源自中國科學院資源環境科學數據中心,空間分辨率為30 m(圖3),其余數據來源于1996年、2001年、2006年、2011年及2016年《東莞市統計年鑒》。

圖3 東莞2015年土地利用信息

2 結果與討論

2.1 區縣生態系統健康動態變化特征

2.1.1基于目標層的區縣生態系統健康動態變化

如圖4所示,在1995—2015年間,東莞各鎮區生態系統健康指數整體呈下降趨勢,且趨勢逐漸減緩,從0.50—0.75(1995年)降至0.25—0.50(2015年),狀態從1995年健康降到2015年一般。

圖4 區縣生態系統健康指數的變化

各鎮區生態系統健康變化總體可分為兩個階段：第一階段為1995—2005年,各鎮區經濟及人口基數較低,系統能滿足人們的大部分需求,為人類提供服務的能力較強,產業結構不夠合理,經濟快速發展導致生態系統的惡化；第二階段為2005—2015年,基礎建設逐漸完善,區縣系統服務能力增強,產業轉型及環保意識覺醒,降低了人類活動對生態系統的干擾,系統耐受能力增強,減緩了系統的惡化。但生態惡化未得到根本扭轉,區縣系統健康仍需持續關注。

區縣發展程度不一致直接導致區縣生態系統健康變化趨勢及程度不同。具體而言,各鎮區健康變化表現出四種趨勢：上升(如莞城,從不健康到一般)；下降(如高埗,從健康到一般)；先降后升(如石排,從健康到一般到健康)及先升后降(如謝崗,從一般到健康到一般)。

2.1.2基于要素層的區縣生態系統健康動態變化

如圖5所示,各鎮區生態系統健康各要素變化可分為兩個階段：第一階段是1995—2005年,該階段維育要素較好,服務要素次之,發展及抵御要素較差；第二階段是2005—2015年,各要素從好到壞分別是抵御要素、服務要素、發展要素和維育要素。

圖5 區縣生態系統要素健康指數的變化

服務要素先降低后升高,主要范圍在0.30—0.70之間,受益于基礎建設逐漸完善；發展要素逐漸升高,主要范圍在0.30—0.80之間,主要依賴于產業結構調整與區縣發展；抵御要素較為穩定,略有上升,主要范圍在0.30—0.70之間,隨著農業在產業結構中占比下降,農藥及化肥使用量逐漸減少,通過產業轉型,人類活動對生態系統的干擾逐漸減弱,系統耐受能力增強；維育要素先快速下降,后較為穩定,主要范圍從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過程中,森林、水域等土地面積快速縮減,區縣維育能力不斷削弱；后來隨著環保意識覺醒,人們開始關注生態系統保護,森林、水域等土地保持穩定,系統維育能力基本穩定或略有好轉。與發展、服務及抵御要素相比,各鎮區維育要素變化最為明顯,是導致生態系統健康變化的主要因素。

2.2 區縣生態系統健康空間分布特征

2.2.1基于目標層的區縣生態系統健康空間分布

如圖6所示,1995—2015年間,各鎮區生態系統的總體狀態逐漸惡化,其中西南地區生態系統退化比東南更明顯,主要由于各鎮區自然資源稟賦及社會經濟發展不一致,使區縣系統健康變化趨勢與程度也不同。

圖6 區縣生態系統健康的空間分布

中部及西北處于系統演化中期,健康水平不佳,尚未好轉；東南及西南經濟欠發達,以一、二產業為主,系統處于演化前期,生態健康狀況逐漸惡化；系統較為健康的南城、東城及虎門等地,處于演化后期,生態系統未出現惡化。

2.2.2基于要素層的區縣生態系統健康空間分布

圖7反映不同年份生態系統各要素健康分布狀況。可以看出,維育要素變化最為明顯,其余要素變化較為穩定。西部維育要素惡化更為嚴重,也說明維育要素對各鎮區生態系統健康影響較大。

對發展要素而言,各鎮區狀態早期整體一般,呈現出塊狀分布,不健康及一般鎮區主要集中在西北及東北(圖7),緣于北方經濟落后南方,人口增長也略低于南方；隨后要素水平為一般的地區逐漸向南擴散,分布情況趨于破碎,主要在于隨著經濟總量增加,南方地區增長逐步放緩,如虎門、長安、鳳崗、清溪及塘廈等鎮區GDP前十年增長約10倍,后十年僅增長3倍。

就服務要素而言,各鎮區整體健康,分布較為集中。但在少數年份,健康狀態一般且破碎度較高。要素一般或不健康的鎮區多分布在西南及東南,緣于這些鎮區經濟總量較大,第三產業占比較低,系統服務能力較差；其余地區要素狀態在良好以上(圖7),得益于鎮區豐富的自然資源或合理的產業結構。

各鎮區抵御要素基本在健康與很健康之間,少數地區抵御要素水平一般(圖7)。1995年及2015年,抵御要素空間分布較為破碎,1995年整體小于2015年。較差的鎮區主要分布在西部,狀態的好轉或惡化依賴于土地墾殖及化肥施用變化。如高埗土地墾殖率從前十年0.50降至后十年0.30,化肥施用下降75%,抵御要素從0.30升至0.80。

1995—2000年各鎮區維育要素狀態一般,主要呈塊狀分布,破碎度不高。2005—2015年,各鎮區維育要素整體不健康,少數鎮區甚至到了病態水平,塊狀分布逐漸趨于破碎。維育要素不健康的鎮區分布在中西部(高埗、莞城),而東部(黃江、樟木頭、謝崗)及西部少數鎮區(道滘、洪梅)多為一般(圖7)。中西部地區土地資源稀缺,如高埗、莞城森林覆蓋率均值分別為0.00與0.01,水域覆蓋率為0.09和0.03,生態彈性度偏低。東部及西部少數鎮區森林覆蓋率相對較高,麻涌、黃江及樟木頭分別為0.58、0.65及0.53。

圖7 區縣生態系統要素健康的空間分布

2.3 區縣生態系統健康因子特征

2.3.1區縣生態系統健康的因子貢獻度分析

對各鎮區生態系統健康評價指標進行貢獻度分析,找出對區縣系統健康起重要作用的貢獻因子。從圖8可知,影響各鎮區生態系統健康的重要因子主要是發展要素的GDP、人口增長率；服務要素的第三產業占比；抵御要素的土地墾殖率、化肥施用量；維育要素的森林覆蓋率、水域覆蓋率、生態彈性度。

圖8 區縣生態系統健康的因子貢獻度

不同年份,各因子貢獻大小并不一致。GDP及生態彈性度的貢獻度逐年增加；人口增長率、第三產業占比及土地墾殖率的貢獻度先增加后減小；水域覆蓋率及森林覆蓋率的貢獻度基本穩定。綜合而言,對區縣系統影響最大的因子是GDP、生態彈性度、水域覆蓋率及森林覆蓋率；維育要素對東莞各鎮區生態系統健康具有較大影響。

2.3.2區縣生態系統健康重要因子變化

選擇GDP、生態彈性度、水域覆蓋率及森林覆蓋率為重要因子進行分析。總體來看,各鎮區GDP不斷增加；水域覆蓋率、森林覆蓋率及生態彈性度較低且略有下降(圖9)。

圖9 區縣生態系統貢獻因子的變化情況

維育要素重要因子變化可以分成兩個階段,第一階段是1995—2005年,各鎮區水域覆蓋率、森林覆蓋率及生態彈性度快速下降；2005—2015年,各鎮區重要因子基本穩定。這與在城市化發展不同階段森林、水域等土地面積變化和人們環保意識增強密切相關。

2.4 典型區縣系統健康分析

2.4.1典型區縣系統健康及要素變化

根據東莞市各鎮區生態系統健康變化的四種趨勢,選取莞城、高埗、石排及謝崗作為典型鎮區進行分析。在1995—2015年間,莞城生態系統狀態逐漸好轉,從不健康到一般；高埗健康指數逐漸下降,從0.63變為0.32；石排與謝崗的健康指數分別表現為先降后升與先升后降(圖10)。

圖10 典型區縣生態系統健康的變化

從圖4和圖11可以看出,典型鎮區發展、服務及抵御要素的變化與東莞各鎮區相應要素整體趨勢吻合性較高；而典型鎮區維育要素變化與維育要素整體趨勢并不一致,與典型鎮區健康變化具有較好一致性(圖9)。進一步說明,維育要素是影響東莞各鎮區生態系統健康變化的重要要素,維育要素變化直接導致區縣健康狀態改變。

盡管生態系統健康變化主要受維育要素影響,但其他要素也對系統健康發揮作用(圖10及圖11)。以莞城為例,2015年維育要素是0.93,綜合指數為0.32,發展、服務及抵御要素則在0.10—0.40之間,說明莞城生態系統健康后期主要取決于發展、服務及抵御要素。

2.4.2典型區縣系統重要因子變化

典型鎮區GDP均呈上升趨勢,說明其不是導致健康變化的重要因子(圖12)。莞城維育要素上升主要依賴水域覆蓋率上升；高埗維育要素下降緣于水域覆蓋率和生態彈性度下降；石排及謝崗維育要素變化由森林覆蓋率和生態彈性度決定(圖11及圖12)。表明對不同鎮區而言,影響其狀態的重要因子有所差異,但離不開土地利用,系統健康的主要瓶頸是發展過程中土地資源的稀缺及利用的低效。

圖12 典型區縣主要貢獻因子的變化

3 結論

區縣生態系統是一個復雜的綜合體,其健康離不開人與自然的相互作用,社會、經濟和自然的綜合影響,及時間與空間的共同效應。想要對區縣系統進行全面研究,需要盡可能考慮系統中潛在影響因素,基于人與自然相互作用,將社會、經濟及自然因素全面結合,從時空等多個角度表征系統狀態。

本文聚焦區縣系統健康,提出一種新的“發展水平-服務功能-抵御干擾-自我維育”四維生態系統評價框架,建立了相應多層級指標體系,構建了區縣系統健康評價模型,以東莞各鎮區為例,分析了20年的時空生態系統健康變化及重要因子。結果表明：

(1)東莞各鎮區1995—2015年間生態系統總體健康逐漸惡化,西南地區退化更為明顯。中部及西北部鎮區系統水平不佳；東南及西南鎮區系統逐漸惡化,表現為區域分布；個別鎮區系統基本平穩,狀態良好,未出現惡化趨勢。

(2)各鎮區生態系統要素變化分為兩個階段：1995—2005年,維育要素狀況較好,抵御要素較差；2005—2015年,抵御要素狀況較好,維育要素較差。各鎮區維育要素變化最為明顯,是導致系統健康變化的主要因素。

(3)GDP、水域覆蓋率、森林覆蓋率及生態彈性度是生態系統健康的重要因子。早期東莞發展占用大量森林及水域,系統生態彈性度逐漸削弱；發展到一定階段,土地的稀缺及生態惡化使人們開始關注生態保護,緩解了系統的惡化,但整體狀態依舊嚴峻。

(4)想從根本上解決東莞市區縣生態系統的問題,需要牢固樹立生態健康理念,提高土地等資源的利用效率,調整發展模式及產業結構。通過“三舊”改造工作,釋放土地存量市場；開展退耕還林,擴大森林覆蓋率；推進生態保護工作,注重保障水土健康；發揮東莞三區疊加優勢,融入粵港澳大灣區,利用城市群產業分工機遇,承接深圳產業轉移,優化各區縣產業結構,提升城市競爭力。

(5)盡管本文建立了一個新的生態系統評價框架,對東莞各鎮區進行了初步研究,但未來仍需開展大量工作。例如,更加全面地將土地利用同社會經濟因素相結合,表征系統健康狀態；隨著城市生態系統的發展,進一步考慮更多潛在因素改善評價框架。