高質量發展下城市生態韌性的測度框架

王 婷，鄒紫涵，周國華，鄭俊鵬

(1. 湖南師范大學地理科學學院，中國 長沙 410081；2. 長沙永信土地規劃咨詢有限責任公司，中國 長沙 410007)

目前，我國已轉向高質量發展階段，建設更健康、更安全、更宜居的高品質生活空間成為城市高質量發展的目標。一直以來，我國攤大餅式的城市蔓延侵占了大量的自然空間，彈性的生態網絡逐步流失[1]，帶來自然棲息地碎片化、生態脆弱、環境污染等一系列威脅城市安全的生態問題[2]。同時受氣候變化影響，城市不確定性風險增大，不斷下降的區域生態系統韌性成為制約生態系統可持續發展能力、實現區域生態安全的重要因素[3，4]。高質量發展要求城市生態優先、綠色發展和富有韌性[5]。如何維持和提高城市生態韌性，最大程度降低不確定性因素及其對人類活動造成的影響和損失，已成為我國高質量發展下實現城市生態安全亟需解決的重要科學問題。

城市是社會、經濟、生態等耦合的復雜系統，城市生態韌性重點刻畫了城市生態系統對內外部不確定擾動的吸收和化解能力，具有維持城市生態安全穩定、提升環境自組織能力、促進生態保護與修復等作用。對城市生態韌性的研究是對城市生態安全實現路徑與模式的進一步深化。學者們從生態韌性的概念、特征及生態韌性的評估、影響因素等方面展開了深入研究。普遍認為，生態韌性是生態系統受到擾動后恢復到穩定狀態的速度或適應及轉化能力[6-8]；根據對穩定狀態的界定，韌性概念經歷了“單一平衡工程韌性—多重平衡生態韌性—復雜適應性演進韌性”的轉變[9-11]。盡管其概念和內涵不斷豐富和完善，但仍未形成統一的認識[12]，在“誰的及針對什么的韌性？”、“何時、何地及為什么的韌性”等問題上仍不明確[13，14]。由于生態系統的多穩態機制，任何外部干擾都可能導致系統狀態的突變，進入到管理者所不希望的狀態。因此，系統韌性的測定成為進一步探討韌性、研究系統穩定性的重要步驟[15]。國內外學者早期從韌性的定義或標準、敏感指數等方面出發構建了韌性評價指標，但受數據獲取與量化方法等限制，多為概念框架，定量化研究成果有限[16]。部分學者嘗試閾值法、替代指標法、實驗法等探索定量化評估。閾值法通常借助計算機模型估算生態系統某些關鍵指標從脅迫狀態恢復到穩定狀態的時間[17]。直接測量生態系統每個穩態的閾值通常是比較困難的，選取與韌性相關且可測定的替代因子間接推斷是可行的途徑[18]，如Bennett等建立了系統模型[19]、高江波等提出影響因素替代模型[20]。實驗法主要通過人為控制生態系統的外界干擾條件，進行野外實驗或是仿真模擬等分析生態系統韌性[21,22]。近兩年有學者嘗試基于景觀生態學理論與地理空間分析方法定量測度城市生態韌性[23-25]。總體而言，已有的測定方法均存在諸多限制，尚未形成公認的定量測度方法。城市生態韌性的提升有賴于城市生態韌性影響因素及其形成機制的研究，但目前對哪些因素影響生態韌性及如何影響等的理解非常有限且有爭議。早期生態韌性的影響因素研究主要側重于自然系統本身，包括地形地貌、氣候、土壤、水文、植被狀況、生物多樣性、生態存儲等[22，26]等。將城市生態韌性的影響因素分為自然因素和人類活動2類，已有研究逐步從迅速、高強度的自然擾動到關注緩慢復雜的人為干擾的綜合分析轉變，在持續變化的環境下，人為干擾對城市生態系統的影響逐漸趨于主導，城市化成為影響城市生態韌性的最重要因素[2]。學者們通過研究城市形態、城市蔓延擴張、土地利用模式等時空演化過程探尋城市格局與生態韌性間的關系[27,28]，并得出城市生態系統韌性是人類活動模式與自然生境的函數[29]?？萍剂α?、氣候變化等慢變量也可能是推動城市系統跨越閾值的關鍵力量[23]。

綜上所述，盡管生態韌性的研究價值和重要性已被國內外廣為認可[4]，但當前城市生態韌性的概念內涵與量化方法仍未達成共識，其驅動機制、形成機理等基本問題也未被充分科學認知。提升城市生態韌性是當前我國高質量發展背景下落實以人為本、滿足人類對生態安全的要求和更美好生活的向往的重要途徑，而對城市生態韌性開展定量測度及其形成機制研究，是客觀認識高質量發展下城市生態韌性現狀與問題、提升城市生態韌性的關鍵。因此，本文擬從當前我國高質量發展的需求出發，探討高質量發展與城市生態韌性的理論關聯，并將地理學、景觀生態學等理論和方法融入到城市生態韌性研究中，沿著“韌性概念界定—測度模型構建—測度方法闡述”的分析思路，嘗試構建基于高質量發展的城市生態韌性測度框架，探尋城市生態韌性的優化邏輯，以期為提升城市生態韌性、促進城市高質量發展提供理論框架和新思路。

1 高質量發展與城市生態韌性的關系

高質量發展是“堅持以人民為中心、滿足人民日益增長的美好生活需要的發展”，是“五大發展理念”即創新、協調、綠色、開放、共享的協同發展，是生態優先、推動經濟社會生態可持續的發展。生態韌性是生態系統應對不確定性擾動的吸收化解能力，是生態系統維持其自身安全、實現生態可持續發展的重要基礎。生態韌性的提升可為人類提供更為安全穩定的生態環境，能滿足人類基本的生態安全需求。可見，生態韌性的目標是高質量發展目標的重要組成部分，兩者有其內在關聯。本文以兩者相互作用關系為主線，構建高質量發展與生態韌性相互作用機理分析框架(圖1)。

圖1 高質量發展與城市生態韌性的關系

1.1 城市生態韌性對高質量發展的作用機理

實現城市可持續發展的前提是城市應具備較高的韌性，即應對不確定擾動(包括如自然災害、疾病傳播、資源短缺等突變性擾動和如氣候變化、環境污染等緩慢性壓力)后能快速恢復到穩定狀態的適應或轉換能力。城市生態韌性是城市韌性的客觀基礎，能為城市長期穩定地提供滿足人類需要的各種生態系統服務。有研究表明，生態韌性極大地影響了城市的整體韌性，并成為一些城市發展的短板[30]。由此可見，良好的城市生態韌性能夠支撐并促進高質量發展。根據聯合國千年生態系統評估計劃，生態系統服務可分為供給、調節、文化、支持等4類，相應地，城市生態韌性對高質量發展的支撐作用也體現在以下4個方面：(1)資源供給支撐。城市的高質量發展離不開自然資源和生產要素的持續穩定投入。良好的城市生態韌性因其適應性、冗余性等特征，能在資源承載力范圍內根據城市的需求自我調節，在自然、社會經濟擾動下仍能持續提供城市高質量發展過程中所需的各類資源要素。(2)環境調節支撐。城市的高質量發展需要有安全穩定的生態環境。在環境承載力范圍內，良好的城市生態韌性會吸收化解因氣候變化、自然災害、環境污染等帶來的不良影響，使城市在動態穩定中持續發展。(3)文化服務支撐。城市的高質量發展是經濟與社會、文化等的協同發展。生態系統能提供包括休閑娛樂、健康養生、文化傳承等在內的非物質產品。城市生態韌性因其多樣性、創新性等，能快速適應及轉換高質量發展下生態系統可能產生的更高層級的新需求。(4)生命支持支撐。高質量發展是堅持以人民為中心的發展，最終實現的是人類生命的高質量延續。生態系統的生命支持服務雖不為人提供直接的產品或效用，但為其他生態系統服務的形成提供基礎，如土壤形成和養分循環[31]。具有良好生態韌性的城市自組織性、均衡性等更好，可為生態系統服務提供更好的支持基礎，從而為人類提供高質量的生命支持服務。反之，當城市生態韌性較差時，城市不能很好應對當前全球氣候變暖、自然災害、公共衛生等突發性事件，繼而對高質量發展起到約束或是脅迫作用。因此，兩者互為作用，相輔相成。

1.2 高質量發展對城市生態韌性的作用機理

經濟增長與資源環境壓力的關系是區域可持續發展研究的重點，“環境庫茲涅茲曲線(EKC)”假說、“脫鉤”理論等均采用不同的研究方法和表達方式探討了經濟增長與資源消耗或環境質量不同步變化的現象。大部分研究認為經濟增長與資源消耗或環境質量之間呈現出倒U型，當經濟達到某個拐點，資源消耗將與經濟增長“脫鉤”，環境質量將逐步改善。這為高質量發展對城市生態韌性的作用提供了理論基礎。

Grossman等將EKC形成原因分解為規模效應、結構效應和技術效應。促進結構效應和技術效應占據經濟發展的主導地位，有利于以更低的污染水平和更早越過“拐點”實現經濟發展的同時提升環境質量。而環境管制對結構效應和技術效應起著正向促進作用[32]。因此，高質量發展可為城市生態韌性建設提供以下4個方面的保障：(1)制度保障。長期以來我國努力改變發達國家“先污染后治理”的發展老路，并承諾力爭在2030年實現碳達峰，“這是中國高質量發展的內在要求，也是中國應對全球氣候變化所做的巨大努力”。高質量發展恪守“綠水青山就是金山銀山”的發展理念，并圍繞目標制定了一系列制度政策構筑環境管制的圍墻。這為城市生態韌性的提升奠定了堅實的制度保障。(2)技術保障。高質量發展注重科技創新和技術進步，注重能源結構調整和產業轉型升級，提高技術效應和結構效應，從源頭減少資源消耗和控制環境污染，使城市生態系統離閾值有更富余的空間，城市生態韌性得以提升。(3)資金保障。在高質量發展下，我國已投入和將持續投入大量資金對生態環境進行修復與維護建設，通過提升城市生態系統閾值來提升城市生態韌性。(4)意識保障。伴隨著高質量發展下社會經濟水平的提升，民眾對高品質生態系統服務的需求更大，加之高質量發展的廣泛宣傳和深入實踐，民眾環保意識得以加強，為城市生態韌性的提升奠定了群眾基礎。

2 高質量發展下城市生態韌性的測度模型

2.1 高質量發展下城市生態韌性的內涵與測度邏輯

Holling和Carpenter等相繼認為，韌性是系統吸收狀態變量、驅動變量和參數的變化并持續存在的能力，與系統的配置狀態及外部干擾密切相關[8-10，12]。基于此，本研究將城市生態韌性的概念具體化，界定高質量發展下的城市生態韌性為：城市生態韌性是一個高度綜合的概念，涉及自然、經濟和社會等多維要素狀態及其活動過程；是在滿足人類發展需求的前提下，城市生態系統本底的生態支撐力以及面對外部自然要素和人為因素擾動所具有的吸收化解能力；其大小由來自系統內外的自然生境和人類活動等的各種保護因素和脅迫因素聯合決定；根據韌性狀態和過程，其類型可細分為城市生態本底韌性和城市生態過程韌性，城市生態本底韌性表征城市生態系統本底配置狀態下的韌性水平，屬于靜態韌性，而城市生態過程韌性表征城市生態系統遭受外部干擾下的韌性水平，屬于動態韌性。

城市生態韌性的演變具有3個重要的閾值發生點，即臨界閾值點、閾值點和不可逆點。臨界閾值點是系統從平衡狀態向不平衡狀況加速轉變的點，閾值點是系統的平衡狀態被完全打破而進入新的平衡狀態的點，而不可逆點是系統跨越閾值點后難以恢復到平衡狀態的點。借鑒自組織臨界理論中的“沙堆模型”和韌性的適應性循環理論，城市生態系統是一個動態變化的開放系統，系統內外的保護因素和脅迫因素同時作用于該系統，并且2因子的大小會隨自然社會經濟發展狀況而不斷變化；當系統各組分的保護因子作用力強于脅迫因子作用力時，系統能維持相對穩定；當2種作用力差值逐漸縮小，系統韌性逼近臨界閾值點；直至越過臨界閾值點時，系統內外任一微小的局部擾動放大可能打破系統原平衡狀態而走向新的平衡；當兩種作用力懸殊，系統到達不可逆點時將導致系統的崩潰?；诖?，本研究提出城市生態韌性測度的邏輯為：將城市生態韌性各組分內保護因子與脅迫因子的力量進行對比，保護因子作用力與脅迫因子作用力的差值即為韌性。為便于比較不同時期和不同類型的韌性大小，借鑒經濟學中彈性的概念，用兩者差額/脅迫因子的比值形式即韌性指數來表達韌性水平，最終城市生態韌性水平可由城市生態本底韌性指數與城市生態過程韌性指數的加權平均值來衡量?；谝陨线壿?，識別城市生態系統中本底韌性與過程韌性對應的保護因子和脅迫因子，初步構建城市生態韌性的測度模型，見式(1)和(2)。

(1)

S=W1×S1+W2×S2。

(2)

式中：S代表區域生態韌性；S1為區域生態本底韌性；S2為區域生態過程韌性；F1為區域生態保護因子作用力；F2為區域生態脅迫因子作用力；W1為區域生態本底韌性權重；W2為區域生態過程韌性權重。

2.2 高質量發展下城市生態韌性的層次模型

對于人類而言，不對大自然進行干預和開發，盡可能維持生態系統的原有狀態，對生態韌性的維持和提升固然有效。但人類始終是通過開發利用自然以獲取產品和服務而發展的，特別是在城市這個人工系統中，人類從未停止對自然的干預和改造。研究城市生態韌性的目的是使城市生態系統朝著向能滿足人類更為安全穩定的生態系統服務的方向發展。而在不同的發展階段，人類對生態系統服務的選擇偏好是不同的，亦存在生態系統服務權衡問題。從理論上說，生態韌性越高越好，但在實踐層面因存在生態系統服務權衡問題，生態韌性會隨著人類對生態安全的需求呈現層次性，因為它的作用在于對當前不確定性的適應。因此，生態韌性并非越高越好，其高低宜在開發自然和保護自然間尋求平衡，保持在一個合適的區間。

基于上文高質量發展與生態韌性的關系分析，按照高質量發展下人類生態安全需求的高低，可劃分城市生態韌性的層次結構。最低層面的韌性僅能被動適應人類基本生態安全需求，供給服務與其他類型的生態系統服務之間的矛盾尖銳，在進行生態系統服務權衡時注重短期產品供給服務而忽視文化服務、滿足基本的生命支撐和調節服務等。中間層面的韌性可一定程度抵制外部不良刺激，或被動或主動適應人類發展的生態安全需求，但各類型生態系統服務間仍存在明顯沖突，生態系統服務間的此消彼長仍會對生態系統韌性帶來較大沖擊。最高層面的韌性通常能靈活適應生態系統內外部各種擾動，滿足更高層次的生態安全需求，會從人類長遠福祉出發協同各類生態系統服務，強調對氣候變化、水源涵養等與全社會福祉長遠相關的生態系統服務的適應性、人民群眾多樣化的生態產品和服務的適應性。這種劃分將對生態系統和人類的關系認知與人類行為結合在一起，既是對“何時、何地及為什么的韌性”的回答，也是城市生態韌性從科學認識到應用決策的途徑，可為判斷城市生態韌性指數的范圍及其科學含義提供一定的依據。

3 高質量發展下城市生態韌性的測度方法

城市生態系統是一個復雜的巨系統，其韌性保護因子與脅迫因子眾多。在具體測算城市生態韌性時，要著重考慮每個城市的系統特征和應對的具體挑戰，不宜采用統一的衡量標準。列舉和評估城市在未來一段時間的保護因子和脅迫因子，選取具有代表性的主要指標，采用替代法間接測度城市生態韌性。

3.1 城市生態本底韌性的測度

城市生態本底韌性表征城市生態系統本底要素在數量、結構、質量、布局等方面的韌性水平。景觀生態學中的“源”和“匯”與城市生態韌性中的保護因子和脅迫因子具有類同性，可借鑒“源—匯”理論分析城市生態本底要素的保護因子和脅迫因子。景觀指數是景觀生態學最常用的定量研究方法，描述了景觀的格局及其變化，可選取能描述城市生態本底要素規模、質量、布局等狀況的指數用于測度城市生態本底韌性。具體思路如下：首先基于景觀尺度在市域范圍內根據遙感和土地利用現狀數據等識別城市生態韌性的“源”和“匯”(通常將林地、濕地、農田等具有生態功能的用地類型視為“源”，將城鄉建設用地等視為“匯”)，分別作為本底韌性的保護因子和脅迫因子；其次選取斑塊面積、景觀形狀指數、香農多樣性、最近距離指數等構建韌性指數，其中規模指數測度城市生態本底的規模韌性、加權形狀指數和多樣性指數測度城市生態本底的質量韌性、斑塊最近距離指數測算城市生態本底的布局韌性(表1所示)；最后采用熵值法賦予各指數權重，繼而構建城市生態本底韌性的測算指標體系。

表1 城市生態本底韌性測度指標體系

3.2 城市生態過程韌性的測度

城市生態過程韌性是城市生態系統在應對系統內外干擾過程中的吸收化解能力。動態開放的城市生態系統在不同的尺度和時間范圍內面臨著各種干擾，包括洪水、地震、氣候等自然干擾和人類社會經濟活動干擾。測算城市生態過程韌性需要基于風險理論識別、分析和評估城市生態系統的主要干擾源。本文以長沙市為例，選取洪水作為自然干擾、人口增長作為社會干擾和經濟發展作為經濟干擾，再分析各干擾下的保護因子與脅迫因子，由此構建過程韌性指數，最后多指標集成得到城市生態過程韌性水平。具體如下。

基于景觀生態學過程研究，從社會過程、經濟過程、自然過程等方面測度城市在應對社會、經濟、自然等壓力下的生態韌性。社會過程重點考慮人口對城市生態的壓力，采用生態足跡分析法，將城市能提供的生物生產土地面積作為保護因子，提供城市人口資源和能源消費所必需的生物生產土地面積作為脅迫因子，以此測算社會過程韌性。經濟過程與生態系統服務供需關聯，將森林、沼澤、荒野等生態服務供給能力較高的自然地類作為保護因子，城鎮、商業和工業用地等主要消耗生態服務的人工地類作為脅迫因子，分別測算2類因子對應的生態系統服務價值后得到經濟過程韌性。自然過程著重考慮城市洪水壓力下的城市生態韌性，嘗試以城市承洪防澇設施的年均投入和應對50年一遇等級洪災的投入作為保護因子，以基于土地利用和洪水深度的損害估計模型，估計洪災帶來的GDP損失作為脅迫因子，繼而測算自然過程韌性。采用熵值法賦予各指數權重，構建城市生態過程韌性的測算指標體系，如下式。

S2=W2_1×S2_1+W2_2×S2_2+W2_3×S2_3，

(3)

式中：S2為城市生態過程韌性；S2_1為城市生態社會過程韌性；S2_2為城市生態經濟過程韌性；S2_3為城市生態自然過程韌性；W2_1為城市生態社會過程韌性權重；W2_2為城市生態經濟過程韌性權重；W2_3為城市生態自然過程韌性權重。

3.3 高質量發展下城市生態韌性測度結果的含義

城市生態韌性的測度是在多理論交叉多源數據支撐下多指標多方法的一個集成分析(圖2)。城市生態韌性定量評價的結果，是客觀認識高質量發展下城市生態韌性現狀及存在問題的關鍵。盡管可以通過常規的模糊聚類分析等方法，將城市生態韌性指數進行類別的劃分，得到高、中、低等韌性區間，但其含義仍不甚明了。文獻中也缺乏相關判斷標準研究。

本文從以下3個方面探討高質量發展下城市生態韌性層次結構的劃分標準。第一種是基于城市居民生存現狀，從城市生態韌性的測度模型中挖掘。當保護因子作用與脅迫因子作用相等時，城市生態韌性指數為0，代表城市生態系統維持原狀，居民的生活將維持原狀，雖然在短期較難提升生態需求等級但仍合理；以此類推，城市生態韌性指數大于0代表城市生態系統在面對擾動時對居民有積極保護作用，居民更高級的生態需求有可能被滿足，顯然這種狀態更符合高質量發展的目標；反之即抑制甚至破壞作用，居民現有的生態需求得不到滿足甚至遭受損失。第二種是基于城市居民對理想生態安全的需求，采用公眾訪談與問卷調查法，調查對象為城市不同收入水平的居民，調查內容圍繞居民對城市生態系統在擾動后帶來影響的可接受度展開。將可接受度劃分為3個水平，即可以接受、勉強接受和不可以接受，居民對城市生態系統在受到一些較為重要的內外擾動后可能帶來的影響進行可接受度選擇，這些影響可能包括城市空氣污染、城市積水等。若可接受度越大，表明城市居民對城市生態韌性的要求越低，則生態韌性指數標準越低，反之類推。這種情境下韌性指數可能不以0為合理標準，當然受生態系統服務權衡和社會經濟條件等限制，也并非越大越合理，在高質量發展下居民可接受的幅度內即可。第三種是專家咨詢法，在與生態、地理等領域的專家深度溝通的基礎上，獲取并綜合專家對該問題的看法。

圖2 城市生態韌性綜合測度方法

4 結論與討論

提升城市生態系統抗干擾的能力，建設更加健康、安全、穩定的城市生態環境是我國高質量發展下對城市建設的新要求。城市生態韌性研究為高質量發展下城市生態環境建設提供了新的思路。本文從高質量發展與城市生態韌性的關系出發，分析了兩者間的相互作用機理；梳理了城市生態韌性的內涵和測度邏輯，并提出了高質量發展下城市生態韌性的層次模型；最后詳細闡述了城市生態韌性的測度方法。其主要結論有：(1)高質量發展與城市生態韌性互為作用相輔相成，高質量發展要求提升城市生態韌性。(2)城市生態韌性指城市生態系統本底的生態支撐力以及面對外部自然要素和人為因素擾動所具有的吸收化解能力；從城市生態韌性滿足更為安全穩定的生態系統服務的角度出發，城市生態韌性具有不同的層次性，這可為高質量發展下城市生態韌性的劃分標準提供依據。(3)城市生態韌性的大小由來自系統內外的自然生境和人類活動等的各種保護因素和脅迫因素聯合決定，其類型可分為城市生態本底韌性和城市生態過程韌性，據此可構建城市生態韌性的測度模型，并采用替代法選取具有代表性的指標綜合測度城市的生態韌性。

本文需進一步討論：(1)城市生態韌性概念的解析缺乏對“針對什么的韌性？”問題的深入探討。(2)其測度模型側重于對生態系統遭受干擾后的承受能力的測度，而沒有考慮系統恢復至原平衡狀態的速度。同時對于生態韌性評價這類多指標集成問題，指標選取的代表性會影響評價結果的準確性，此外減少權重賦值的主觀性更能體現評價結論的科學性，因此各指標權重的賦予宜選取更為簡單客觀的方法。(3)如何將高質量發展目標與城市生態韌性的標準相掛鉤，還需基于生態系統服務權衡等方面的深入研究。(4)本文僅提供了一個理論測度框架，理論的準確可行性還有待在后續的相關實踐測算中進一步驗證。