淺山區鄉鎮社會-生態系統脆弱性演化與模擬
——以北京平谷為例

閻姝伊, 李嘉藝, 王瑤函, 鄭 曦,*

1 北京林業大學園林學院,北京 100083 2 杭州園林設計院股份有限公司,杭州 310007

黨的十九大提出實施鄉村振興戰略,2021年十三屆全國人大四次會議將“全面推進鄉村振興,完善新型城鎮化”戰略作為“十四五”城鄉建設領域主要目標之一。地處淺山區內的鄉鎮是產業結構、人口結構和空間結構從城市向農村特征過渡的地帶,由具有一定海拔高度變化的自然、聚落、農業景觀等而共同構成的人與自然相互作用的環境綜合體[1]。土地退化和山地災害是山地鄉鎮生態環境長期面臨的問題[2],隨著城鄉發展,越來越多的淺山地帶被轉化為城市建設用地,淺山區鄉鎮社會-生態系統受到人地相互作用日趨強烈[3],在結構與功能的頻繁轉換過程中產生諸多“脆弱性”,使其成為當前中國社會矛盾的集中區。

國內外脆弱性的研究成果包含從概念、研究視角、理論模型、評估框架等[4—8]。研究范圍逐漸由單一的自然系統擴大到社會-生態、社會經濟生態耦合系統,關注自然環境變化擾動或自身結構變化下系統(自然、社會)因自身缺乏應對能力所遭受的不利影響,涉及氣候變化、土地利用、公共健康、社會群體等多個領域[9—13]。研究尺度主要是流域[14]、省域[15]、市域[16]為主的區域層面,在縣域[17]、鄉鎮等微觀層面研究較為稀少,目前針對山地方面的研究主要針對的是其生態系統的脆弱性[18，34]、鄉村個體農戶脆弱性[19]研究,尚缺乏鄉鎮尺度社會-生態系統綜合脆弱性研究。評價理論與模型從僅關注敏感性分析發展到強調適應性與恢復力對脆弱性綜合影響,包括暴露-敏感-適應(Vulnerability scoping diagram,VSD)評估框架[20]和代理差異脆弱性(Agents′ differential vulnerability,ADV)評估框架[11]等,然而大部分評價模型存在問題目標定位不明確[7]、評價指標針對性不強、評價結果空間應用性差[21]等問題,顯式空間脆弱性(Spatially explicit resilience vulnerability, SERV)模型根據不同區域風險增加地方特定指標彌補已有框架的不足[22],可有針對性地制定政策,推動有限的資源分配到更加脆弱而不只是高度暴露的地區[23],對實現我國淺山區鄉鎮可持續性評估和降低脆弱性風險預警機制建設有重要意義。

為更好指導區域發展,情景模擬分析是目前常用手段,主要分兩類,一類是在所假設的幾種情景里選取最優值為最終結果[24],如系統動力學、人工神經網絡等方法可以提供的固定最優預測;另一類是通過幾種情景的相互印證,歸納出一個綜合全部利弊的結論[25],如有序加權平均(Ordered weighted averaging, OWA)算法基于決策者不確定性偏好對指標排序權重進行變換,模擬不同決策風險的決策結果。較于固定最優預測方法而言,OWA算法具有較高靈活性,可根據決策者不確定性偏好模擬不同發展導向下系統脆弱性差異,為未來淺山區鄉鎮應對災害風險規劃提供依據。

1 研究區域及數據來源

1.1 研究區域

研究區域位于北京市淺山區中(圖1)。淺山區范圍是以北京高程系100—300 m的淺山本體為基礎,包括第一道山腳線穿越的平原與淺山交接地區,以及300 m等高線穿越的淺山和深山交界地區,并將新城集中建設區范圍予以調出[26]。

平谷區位于淺山區保護規劃范圍中,地貌類型以丘陵、臺地為主,有活動斷裂、崩塌、滑坡、泥石流、不穩定斜坡和地面沉降六類地質災害[27],區域內約有46%面積屬于地質災害易發區(中易發區及以上)且均位于淺山區域。由于前一輪城鄉快速發展帶來區域人地關系轉型劇烈,因此《北京淺山區保護規劃(2017—2035年)草案》中對平谷淺山區規劃為“加強生態保護與修復,強化地質災害隱患重點生態修復。推動小城鎮與美麗鄉村建設”。平谷分區規劃[28]指出要加強淺山區生態修復和監視管控。因此本次研究范圍在保證村級行政邊界完整性的基礎上,選取北京平谷淺山區,面積為826.79 km2(占平谷區總面積的87.19%),涉及金海湖鎮、大華山鎮、鎮羅營鎮、黃松峪鄉、峪口鎮、王辛莊鎮、南獨樂河鎮、山東莊鎮、熊兒寨鄉、夏各莊鎮、東高村鎮、劉家店鎮12個鎮(鄉)。

圖1 北京市平谷淺山區區位圖Fig.1 Location map of Pinggu shallow mountain District,Beijing

1.2 數據來源與預處理

本文數據源包括土地覆蓋類型數據、氣候與環境數據和社會經濟數據3種類別(表1)。使用ArcGIS將所有指標統一投影坐標系為WGS_1984_Transverse_Mercator,重采樣為30 m×30 m。此外如常用耕地面積、水土保持林面積、自然保護區面積等指標結合現狀情況提取自當年土地利用數據,人口占比數據由人口空間數據分布與年鑒中占比估算所得。

表1 數據源及說明

2 思路與方法

2.1 研究思路

以淺山區鄉鎮社會-生態系統為研究對象,使用暴露度、敏感性和適應能力表征社會-生態系統脆弱性內涵特征,基于SERV模型構建淺山區社會-生態系統的脆弱性評價指標體系。分析北京市平谷淺山區鄉鎮脆弱性時空演變特征,并根據決策者偏好使用OWA算法模擬不同情景發展模式下脆弱性風險及其差異性,并提出相應的策略指導區域實踐(圖2)。

圖2 研究框架Fig.2 Research frameworkSERV: 顯式空間脆弱性; OWA: 有序加權平均算法; a為決策風險系數

2.2 構建淺山區社會-生態系統脆弱性評價指標體系

淺山區社會-生態系統脆弱性評價指標體系,由準則層、要素層、指標層和性質層構成。其中,準則層從脆弱性概念出發分為暴露度、敏感性和適應能力三部分。要素層參考社會-生態系統脆弱性評價指標[29],涵蓋生態環境、社會經濟、地方特點指標等9個部分,性質層體現指標對系統脆弱性正負向影響作用。

暴露度指標反映系統遭遇危害的程度,平谷淺山區暴露風險主要來源于水土流失和人類活動干擾。敏感性指標反映系統抵抗災害干擾的能力,平谷淺山區鄉鎮敏感性的與市中心的差異主要為社會發展(經濟與人口)的分異,以及平谷分區規劃中提出“努力把平谷建成展現北京歷史文化的典范區”和“以‘京平物流綜合樞紐’建設為抓手,推進服務首都的綠色之輝商貿物流產業”的特色目標。適應能力指標反映系統本身和人類對氣候環境影響下的適應和調整能力[30],指標選取表征淺山區鄉鎮的適應能力,以及“作為生態文明建設的引領區、宜居宜業宜游的生態發展示范區”的目標。最終確定建立含21個指標(表2)。

指標權重則使用歸一化處理消除指標數據量綱不一致問題,并通過層次分析法賦權重,其中三個準則層一致性比率(CR)值分別為0.065、0.039、0.031均小于0.1,層次排序結果具有一致性。

2.3 研究方法

2.3.1社會-生態系統脆弱性評估——SERV模型

社會-生態系統脆弱性是指面臨風險(壓力)情況下社會生態系統的敏感程度和應對能力,是系統所受壓力和自身敏感性的相互作用的結果[31]。SERV模型在VSD模型基礎上結合空間信息,評估區域脆弱性程度,規避以往籠統的數據指標,針對不同區域差異化指標反映當地存在風險。SERV模型采用三要素維度獨立計算計算方程如下：

V=(E+S)-AC

(1)

式中：V代表脆弱性;E代表暴露度;S代表敏感性;AC代表適應能力。

表2 淺山區社會-生態系統脆弱性評價指標體系

2.3.2多情景模擬——OWA算法

OWA算法模擬決策者不同風險認知行為對系統脆弱性變化的影響,多情景呈現研究區社會-生態系統脆弱性空間,為系統脆弱性預測提供決策參考,具體算法見公式(2),

(2)

式中：Zij為經過標準化分級賦值的第i個像元中第j個指標的屬性值;uj為準則權重,vj代表次序權重。其中準則權重uj應用簡單方便的層次分析法,次序權重vj的確定采用模糊量化模型[32]求解,具體計算公式(3)如下：

(3)

式中：vj代表次序權重;a為決策風險系數,取決于主觀決策者對決策風險的樂觀程度,取值a<1為樂觀主義決策認為區域脆弱性風險在可承受或控制范圍,不會影響區域社會-生態系統穩定發展;a=1為等可能性決策,即區域系統脆弱性處于現狀態勢,次序權重相等,OWA算法轉為傳統的準則權重圖層疊加;a>1為悲觀主義決策認為區域暴露或敏感風險大,脆弱性顯著增加不利于區域社會-生態系統可持續發展。

wk代表指標重要性程度可由公式(4)計算得到：

(4)

式中：n為指標數量;rk為依據指標數值大小對指標重要性進行賦值,最大值取1,次大值取2,以此類推最小值取n。

3 結果與分析

3.1 社會-生態系統脆弱性時空演變特征

為更直觀更顯著反映各個鄉鎮的社會-生態系統脆弱情況,以鄉鎮為單元算出各鄉鎮平均脆弱性,按照自然斷點法將脆弱性劃分為5類,分別代表低脆弱、較低脆弱、中等脆弱、較高脆弱和高脆弱區域(圖3)。平谷淺山區2007—2017年區域整體上呈現中度脆弱水平,空間上呈現“東南高,西北低”的格局。東南側鎮由于兩級人口分布較多,緊鄰新城區建設開發強度較高等,呈現較高的脆弱性。

圖3 2007年、2017年平谷淺山區各鄉鎮平均脆弱性Fig.3 Average vulnerability of towns in Pinggu shallow mountain area in 2007 and 2017

時間維度上：2007—2017年平谷淺山區社會-生態系統脆弱性整體平穩,局部呈現上升的態勢,中等以上脆弱區域面積比重由73.09%上升到80.74%。近10年來研究區中王辛莊鎮脆弱性等級明顯提高一級，其余鄉鎮等級未發生變化。但脆弱性指數除鎮羅營鎮、熊兒寨鄉、夏各莊鎮、南獨樂河鎮4個鄉鎮有所下降外，其余7鎮脆弱性指數均有所升高，脆弱性等級增加區域,主要是由于建設用地明顯增多,并且出現兩級人口增多,導致暴露度增高。部分鄉鎮脆弱性下降主要是有由于草地、耕地轉化成林地,降低暴露度提高適應能力。

空間維度上,暴露度傾向于表征地理環境特征,敏感性和適應能力表征著人類活動的空間分布。以2017年為例北京市平谷淺山區12個鄉鎮在暴露度、敏感性和適應能力三組的結果顯示：較高及以上脆弱性區域主要集中在東南部,中等脆弱性區域主要集中在北部與中部,而低脆弱性區域處在西側,這些人地關系矛盾突出單元的空間區位與城市社會經濟活動的中心呈現高度一致性。

3.2 社會-生態系統脆弱性情景模擬

3.2.1預實驗模擬

決策風險系數a∈(0→∞)取值范圍較廣需做預實驗進行區間篩選。a值選取覆蓋樂觀主義決策(a=0.001、0.5)、悲觀主義決策(a=2、1000)、等可能性決策(a=1)三類,通過IDRISI 17.0軟件OWA模塊運算得出結果(表3、圖4)。結合根據已有研究[24]與模擬結果發現當0.5

3.2.2情景設置

風險決策是決策者在權衡多種情況下對所面臨風險綜合考慮的結果,為保證區域的可持續發展需求應重視不同情景間組合與閾值變化[33]。淺山區鄉鎮發展政策制定需要權衡社會經濟發展與生態環境保護間關系,基于地情現狀基礎與預實驗結果設置3種情景(可持續導向型、維持現狀型、經濟優先型),選擇a=0.8、1、1.2為例進行模擬分析。

情景1(可持續導向型a=0.8),決策者對風險的重視程度較小,更注重區域對環境變化下的適應和調整能力。情景2(維持現狀型a=1),區域發展政策對災害風險控制力度不大,社會經濟發展維持正常。情景3(經濟優先型a=1.2),決策者對風險比較重視,更為注重風險脅迫中的系統本身對脆弱性的影響。

表3 指標次序權重計算結果

3.2.3情景模擬

從圖4所示情景模擬可知,從可持續導向型到經濟優先型,3種情景政策的社會-生態系統脆弱性呈增強趨勢,空間分布呈現規律性,較高與高脆弱區域依然分布于南側人口密集地區且地勢坡度陡峭之處,且高脆弱性區域空間面積明顯向外擴張。

情景1中西北側劉家店鎮等基本處在低脆弱區域,北部主要的地質災害危險區脆弱性程度顯著下降,脆弱性處于較低水平的鄉鎮占51.30%,該情景決策中地質災害隱患點、地質災害危險區等風險暴露因子次序權重較小,即決策者根據環境狀況采取以水土保持、生態環境治理為主導風險控制和治理措施,系統脆弱性明顯降低。情景2中整體處于中等脆弱性水平,脆弱性處于中等水平的鎮域占38.99%,東北側鎮羅營鎮、東南側金海湖鎮分布于平谷的地質災害高發區,東南側夏各莊鎮等是人類活動密集區,因此脆弱性相對顯著。情景3中整個區域系統處在較高脆弱鄉鎮占54.21%。高脆弱性區域由夏各莊鎮向外擴大至東北側南獨樂河鎮、東高村鎮、黃松峪鄉等,忽視風險脅迫與系統適應能力的重視。

圖4 不同決策風險下社會-生態系統脆弱性模擬結果Fig.4 The social-ecosystem vulnerability spatial distribution of different various decision

4 討論與結論

4.1 討論

(1)本文選擇研究對象聚焦社會矛盾集中區域(淺山區鄉鎮),目前社會-生態系統脆弱性評價較少針對鄉鎮尺度的研究,且針對山地方面的研究多以單一系統脆弱性評價為主。(2)研究方法來看,采用SERV模型建立鄉鎮尺度的社會-生態系統脆弱性評價框架與體系,重視人類自身脆弱性等微觀因子,更好分析淺山區脆弱性空間特征,雖然模型較新仍處于探索階段,但目前也可從陳佳等[12]研究成果中得到證實,在制定政策時分配有限資源到更加脆弱而不僅是高暴露度地區,模型促進空間脆弱性評價思維發展,有助于設計針對性的減災策略,具有廣闊前景。(3)本文設置的三種情景是通過預實驗篩選出描述不同發展情況下脆弱風險決策的取值,并非該決策風險決策中唯一最佳方案。實際發展中可將這三種情景的脆弱性浮動區間作為參考,并根據鄉鎮的戰略規劃做出相應調整。

4.2 結論

(1)從時空演化上看,平谷淺山區2007—2017年區域整體上呈現中度脆弱水平,空間上呈現“東南高,西北低”的格局。10年間中等以上脆弱鄉鎮面積比重由73.09%上升到80.74%。脆弱性等級增加區域主要是由于建設用地明顯增多,景觀破碎度增加,并且出現兩級人口增多,部分鄉鎮脆弱性下降由于百萬畝造林提高了適應能力。

(2)從決策風險角度看,不同決策風險系數其政策制定權衡了環境保護、經濟發展與脆弱性間的關系。在傾向于可持續發展導向下,鄉鎮注重水土保持、生態環境治理,有利于區域可持續發展。在經濟發展導向下,應推動綠地連通性與適宜兩級人口的綠色基礎設施建設,可有效減少系統的脆弱性。評價結果可滿足不同決策思路下指導區域發展實踐。

(3)從發展策略來看,現階段處于高脆弱水平鄉鎮(東南側：東高村鎮、夏各莊鎮、南獨樂河鎮、金海湖鎮),主要是緊鄰新城區建設開發強度高、兩級人口分布較多,應提高綠地連通性、增加水土保持林面積、增設針對兩級人口的基礎設施。重視低脆弱鄉鎮的高暴露風險源(東北側：鎮羅營鎮、熊兒寨鄉、黃松峪鄉、山東莊鎮),由于處于地質災害高易發區,暴露風險較高,受氣候影響極易出現崩塌、滑坡、泥石流等災害,應以保護生態環境為優先,提高水土保持能力,降低棲息地的破碎程度?，F階段處于中低脆弱水平鄉鎮(西北側：劉家店鎮、峪口鎮、大華山鎮、王辛莊鎮),可在保護現有濕地與綠地情況下,扶植現代特色農業經濟、發展綠色基礎設施、構建生態走廊,維持區域發展均衡。