基于適應性循環理論與壓力-狀態-響應框架的區域社會-生態系統演進研究

李可昕,胡 宏,趙慧敏

南京大學建筑與城市規劃學院, 南京 210093

近年來都市圈和城鎮群建設快速擴張,人類活動所導致的生態環境退化不僅對城鎮更對區域可持續發展構成潛在威脅。已有研究表明,一旦生態風險突破閾值,社會-生態系統極有可能發生不可逆轉的變化[1—2]。因此,基于動態演進視角的區域社會-生態系統運行機制解析備受關注。社會-生態系統(SES)是社會子系統和生態子系統相互依賴、相互影響、相互作用所形成的復雜適應系統[3],具有非線性、不可預測性、自組織性等特點[4],其交互適應狀態隨時間推移而發生變化。已有研究對社會-生態系統的復雜性分析主要集中在脆弱性、恢復力和適應性三個核心屬性[3,5—6]。社會-生態系統的三個屬性既相互區別又相互關聯,既有文獻在測度社會-生態系統某一個屬性時,會將另外兩個維度作為評價指標,Folke等認為脆弱性與恢復力如同硬幣的兩面,二者構成互補的關系,即對社會-生態系統恢復力的分析可從反面的脆弱性進行評估[7]。由于適應性包含了脆弱性與恢復力兩種特性,更強調社會-生態系統對變化和風險進行調節的能力,同時提升系統適應性是脆弱性和恢復力研究的最終目的,更加契合可持續發展的主題[8],因此社會-生態系統適應性的研究成為整合社會-生態系統脆弱性和恢復力相關研究的突破口[9]和社會-生態系統研究的重點方向。

社會-生態系統的交互適應特征可從兩方面解析[10—11]：(1)交互適應階段的循環往復過程；(2)每個階段系統的差異化應激響應機制。此兩點特征可分別基于適應性循環理論與PSR框架進行探討。社會-生態系統的交互適應是一個分階段且不斷循環的過程。21世紀初,Holling等學者提出多尺度嵌套適應循環模型,對生態群落的演替觀點進行延伸和補充[12—13],該理論后被著名國際性學術組織“恢復力聯盟”嵌套于社會-生態系統的研究中,成為理解社會-生態系統內部結構演變、系統對外部干擾響應以及系統適應性隨時間演進的重要理論依據[10,14—15]。具體而言,適應性循環理論認為社會-生態系統在受到內外擾動時發生動態演進,這是一個存在周期的循環過程：系統在經歷快速顯著的開發階段后達到穩定守恒階段,增長速度放緩,更易受到外部干擾而發生變化；當擾動超出系統可承受的范圍,系統會失衡崩潰,進入重組階段。一個適應性循環演進過程依次包括快速增長、穩定守恒、釋放和重組4個階段[5,14,16],分別用γ、K、Ω、α來表示。γ、K階段為正向循環,此時的系統不斷積累能量、完善功能、向前發展；Ω、α階段為逆向循環,此時的系統不穩定性和風險增加[17—18]。在生態學、地理學、城鄉規劃領域,適應性循環理論為人地系統綜合研究提供了新的思路和可供借鑒的理論框架[6],被廣泛應用于各類不同尺度復雜系統的研究中,包括農牧區[6,19]、濕地[20]、城市及城市群[2,21]、鄉村聚落[22—24]等。研究基于適應性循環理論評價系統的脆弱性、恢復力和適應性[21,24—27]、可持續性[28—29]、生態風險[2,30—31]等要素的動態變化,探究系統的發展過程與循環影響機制。

社會-生態系統的刺激響應機制在每個階段的作用力大小存在差異。PSR框架基于“壓力(P)-狀態(S)-響應(R)”的邏輯,可用于全面分析系統在不同發展階段所面臨的壓力、所處的狀態及所采取的響應機理差異,為系統進一步的發展激勵和約束提供參考借鑒。PSR框架最初于1979年由加拿大統計學家David J.Rapport和Tony Friend提出。20世紀80—90年代,經濟合作與發展組織(OECD)和聯合國環境規劃署(UNEP)引入該框架研究環境問題[32],現在被廣泛應用于土地利用[16,33—34]、生態安全[35—38]、環境污染防控[39—40]等領域。PSR框架在研究中用于構建評價指標體系,壓力(P)、狀態(S)、響應(R)普遍被作為指標體系的準則層[41—46],壓力用以表征造成負面影響的經濟社會活動和人類行為,選取指標多為反映經濟發展、城市擴張的要素；狀態用以表征環境和自然資源的狀態,選取指標多為反映自然資源數量、環境質量、結構等的要素；響應用以表征人類為促進可持續發展所采取的對策,選取指標多為反映人類自主干預的要素。

適應性循環理論基于時空動態適應視角,與社會-生態系統復雜適應特征相契合,有助于深入理解社會-生態系統演進過程的不同交互適應階段,但現有基于適應性循環理論的社會生-態系統演進的研究較少對系統內部子系統之間的交互作用進行定量測度,較少關注不同階段的系統在壓力變化情況下不斷自我調整的應激演化過程。而PSR框架雖已成為生態環境管理領域成熟的定量分析方法[46],但仍缺乏在較長時間序列中,對系統壓力、狀態、響應要素動態變化過程的解析。本研究將適應性循環理論和PSR框架結合,將有助于理解社會-生態系統在較長時間序列中的交互適應特征,提煉社會-生態系統發展演進的規律。

南京都市圈位于長江中下游地區,作為長三角城市群的重要組成是我國最早啟動建設的跨省都市圈,也是首個由國家發改委正式批復規劃的都市圈。該區域連通長三角東部、中部兩大板塊,銜接長江淮河兩大流域,具有重要的戰略地位[47]。同時,南京都市圈是一個區域尺度的社會-生態系統,內部的城市子系統類型豐富,發展特征多元。2000年,“南京都市圈”作為一個相對獨立的地理區域概念被提出,在二十余年的建設中,其社會經濟快速發展,取得了顯著成就,但由此導致的環境問題也不容忽視。整體而言,都市圈處于動態變化的適應性循環過程中,社會子系統與生態子系統既經歷過協調發展時期,也存在相互沖突階段,兩個子系統的不適應發展可能對都市圈社會-生態系統的可持續性產生威脅。本文以南京都市圈為例,分析區域社會-生態系統演進特征。如圖1所示,區域社會-生態系統的交互適應性隨時間發展存在多個循環過程(cycle),在每個循環過程里的四個階段(γ、K、Ω、α)對應的P、S、R相互作用機制存在差異。在此基礎上探究都市圈社會-生態系統的發展規律,以期為都市圈適應性規劃提供依據。

圖1 研究概念框架(根據文獻[1,16,48]自繪)Fig.1 Research conceptual framework (self drawn according to literature[1,16,48])P: 壓力Pressure; S: 狀態State; R: 響應Response; γ：快速增長階段；K：穩定守恒階段；Ω：釋放階段；α重組階段

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區域概況

南京都市圈以江蘇省南京市為中心,由聯系緊密的周邊城市共同組成,包括南京、鎮江、揚州、淮安、蕪湖、馬鞍山、滁州、宣城8市全域及常州市金壇區和溧陽市(圖2)。該區域面積達6.6萬平方公里,截至2019年末,該區域總人口約3500萬[49]。

圖2 南京都市圈區位圖Fig.2 Map of Nanjing metropolitan area

1.2 技術路線

本文具體的技術路線如圖3所示。首先基于PSR框架構建指標體系,對都市圈社會-生態系統進行評分；然后依據社會、生態兩大子系統以及整體系統適應性的發展趨勢從都市圈及地級市尺度識別適應性階段；進而回溯PSR指標,總結各階段中PSR指標的特征,探究社會子系統與生態子系統的耦合關系；最后提煉都市圈各城市的適應性循環類別,為都市圈社會-生態系統適應性規劃提供參考。

圖3 研究技術路線Fig.3 Research technology routeNDVI: 歸一化植被指數Normalized difference vegetation index

1.3 數據來源及預處理

本研究所用數據包括從2000年到2019年的南京都市圈氣候數據、AQI數據、空間柵格數據和社會經濟數據。AQI數據來自環境云地理大數據平臺,研究抓取了各個城市歷年的AQI數值；氣候數據來自城市統計年鑒和國家氣象科學數據中心,選取1—12月的月平均氣溫以及6—8月的降水量數據；溫度空間數據來自WorldClim 數據庫,選取每年7月最高溫數據柵格；碳排放數據來自中國碳核算數據庫,NDVI數據來自中國科學院地理科學與資源研究所的年度NDVI柵格數據,為每年1—12個月份的月NDVI數值最大值。社會經濟數據來自城市統計年鑒和統計公報,涵蓋經濟發展、民生福祉、污染排放、科教投入等方面(表1)。對于數據集中的缺失值,使用回歸插值法進行插補。

本研究以地級市作為最小尺度的研究單元,因此對于空間柵格數據,將其二次計算所得的值賦予對應地級市,以便后續統一計算：以行政區內柵格溫度值的極差表征對應地級市的熱島風險指數,以地級市范圍內雨季降水總量與匯流累積量超過一定值的柵格占比的乘積作為對應地級市的內澇風險指數,藍綠空間覆蓋率則為地級市范圍內柵格的NDVI均值。

表1 研究數據來源(2000—2019年)

2 研究方法

2.1 基于PSR框架的指標體系構建

本文分別構建社會子系統與生態子系統的PSR評價指標。考慮指標的科學性和可獲取性,同時保證指標間相關系數小于0.80,最后確定16個細分指標(表2)。子系統的壓力增大導致系統整體適應性降低,壓力主要來源于人類活動產生的有害物質和生態子系統中由自然原因導致的熱島、霧霾和內澇風險,因此用單位GDP工業廢水排放量和單位GDP二氧化硫排放量和單位GDP表觀二氧化碳排放量表征來自社會子系統的壓力[54],用熱島風險、空氣污染風險和內澇風險表征來自生態子系統的壓力[3,55]。子系統良好的狀態有利于系統穩定運轉,保證系統適應性處于較高水平。本研究選擇人均GDP、城鎮化率、人均糧食產量表征社會子系統的狀態[56],選擇藍綠空間覆蓋率、氣候適宜度、空氣良好或以上天數占比表征生態子系統的狀態[57]。子系統的響應能力增強意味著系統應對外部風險與內部矛盾的能力提升。本研究用植物固碳量表征生態子系統的響應能力,固碳能力強的區域往往能更好地應對風險[58],同時該指標在計算時考慮了植物多樣性、覆蓋率、生長情況等多方面因素[59],因此該指標能夠反應生態子系統綜合響應能力,即應對外部風險與內部矛盾的能力；用科教投入占比、人均衛生機構床位數、城鎮居民人均可支配收入表征社會系統的響應能力,因為具有良好的教育和醫療水平在面對風險時具有有效的應對能力[55]。

表2 基于PSR框架的社會-生態系統適應性評價體系

2.2 社會-生態系統適應性階段識別方法

依據都市圈各城市社會-生態系統整體與社會、生態兩個子系統的變化特征進行所處適應性循環階段的識別。

2.2.1歸一化處理

上述PSR指標的單位和維度不同,為統一衡量標準,均通過極差法歸一化處理各指標數據。

正向指標：

(1)

負向指標：

(2)

2.2.2 社會生態適應性水平核算

對歸一化的各項指標加權求和,得到兩個子系統的壓力指數、狀態指數和響應指數[35]：

(3)

(4)

(5)

將社會子系統三類指數疊加,得到社會子系統的適應性得分：

SESPs=Pcj×wp+Scj×ws+Rcj×wr

(6)

式中,wp、ws和wr分別是社會子系統中壓力、狀態和響應指標的權重,本研究認為三個指標重要程度相同因此賦予相等權重。

同理可計算生態子系統適應性(SESPe)。將社會子系統適應性與生態子系統適應性相加得出社會-生態系統的總適應性：

SESP= SESPs+ SESPe

(7)

最后計算社會-生態系統與社會、生態兩個子系統適應性相對于上一年的變化率。

2.2.3聚類分析與適應性階段特征識別

研究分為都市圈尺度和城市尺度：都市圈尺度下,對2001—2019各年對前一年的南京都市圈社會子系統適應性、生態子系統適應性和社會-生態系統適應性三個系統的適應性得分的變化率進行K-means聚類；城市尺度下,對2001—2019各年對前一年的城市社會-生態系統對應的適應性得分的變化率進行K-means聚類,聚類數均設定為4。在穩定聚類的前提下,對照聚類結果,根據每個分類的最大值、最小值與平均值歸納每類得分特征。

依據適應性循環理論,在社會-生態系統的適應性循環過程中,社會子系統受到人為干擾后會產生快速的、大幅的變化,而生態子系統的變化則相對緩慢滯后,因此在同一時間段內社會子系統與生態子系統常常表現出“不協調”的演進特征[10,29,60—61]。快速增長階段的社會-生態系統整體處于上升階段,其功能結構不斷完善,但此時社會子系統快速發展可能以犧牲生態子系統為代價；穩定守恒階段的社會-生態系統整體仍處于上升階段,但發展速度放緩,各類風險不斷累積,系統調控能力下降；當社會-生態系統處于釋放階段時,系統整體適應性以及子系統適應性皆下滑,此時的系統受到各類風險和矛盾威脅,處于危險之中；重組階段的系統正經歷適應性的調整,整體適應性和子系統適應性都處于緩慢回升中。經歷重組階段后,系統會再次經歷新一輪循環(表3)。

表3 適應性循環階段特征

基于適應循環理論對不同階段都市圈社會-生態系統進行分析,初步確定每個類別對應的適應性循環階段。最后考慮社會-生態系統在演化中的先后次序與連貫性,對個別年份、城市的聚類結果進行修正。

2.3 子系統相關度分析

對社會子系統與生態子系統進行相關分析,公式如下[62]：

(8)

式中,Cov(X,Y)為X,Y的協方差,D(X)、D(Y)分別為X、Y的方差。

3 結果與分析

3.1 城市尺度社會-生態系統適應性演進過程

3.1.1城市尺度社會與生態子系統演進特征

如圖4所示,南京都市圈中10個城市的社會子系統適應性在近20年間基本呈現上升趨勢,少部分城市的社會子系統適應性存在大幅波動現象,如滁州市、金壇區、溧陽市和揚州市。南京都市圈中10個城市的生態子系統適應性在近20年期間波動較大。在2013年前后,幾乎所有城市出現了生態子系統適應性大幅下滑的情況。生態子系統適應性的釋放對城市產生了長遠的影響,多數城市花費超過3年的時間“扭虧為盈”,但多數城市生態子系統的適應性仍然沒有回到衰退前的水平。

對都市圈內各市、區的社會子系統得分和生態子系統得分分別進行相關性分析(圖5),相關系數>0為正相關,表示兩個變量同向變化,相關系數<0為負相關,表示兩個變量反向變化。根據數理統計常用判斷方法將相關性劃分為高度相關(0.8≤相關系數絕對值<1.0)、中度相關(0.5≤相關系數絕對值<0.8)、低度相關(0.3<相關系數絕對值在≤0.5)和基本不相關(0<相關系數絕對值≤0.3)[63]。結果顯示鎮江、馬鞍山、金壇、揚州、滁州、蕪湖、宣城的社會子系統與生態子系統的發展呈現中度負相關；溧陽的社會與生態兩個子系統的發展呈現低度負相關,但由于相關系數接近0.5的閾值,故而可認為是中低度負相關。多數城市的社會子系統得分和生態子系統得分相關系數為負值,表明這些城市在發展過程中,其社會子系統與生態子系統處于此消彼長的關系,即二者需要以犧牲對方為代價獲得自身發展。南京都市圈多數城市的環保相關政策、條例在2010年后陸續出臺,各城市也采取了實質行動,例如鎮江市從2012年開始對重點污染源進行監督并公示[64]、滁州市從2011對水污染防治進行全面部署；2015年后相關政策、條例的出臺更為密集,說明生態子系統在此后受到更多關注和保護。淮安市的社會子系統和生態子系統在2011年以前正相關性極高,之后生態子系統緩慢增長,但總體仍處于上升趨勢,所以兩個子系統20年總體表現出正相關特點,表明淮安市的社會與生態子系統協調性較好。這是淮安市政府多年來在城市建設與環境保護方面的平衡結果。淮安市一直以來積極推進環境保護相關工作的開展,定期編制環境保護五年規劃和年度計劃,早在“十一五”期間完成了環境監測、環境監理、環境宣教的標準化建設[65]。

圖4 城市尺度社會-生態系統適應性的動態演進Fig.4 Dynamic evolution of Social-ecological system adaptability at urban scale

圖5 城市尺度社會與生態子系統發展相關性分析 Fig.5 Correlation analysis of urban scale social and ecological subsystems development

3.1.2城市尺度社會-生態系統演進階段識別與評價

南京都市圈社會-生態系統的聚類結果顯示：處于快速增長階段(γ)的城市,其系統得分增長率最大,各系統壓力最小、生態系統處在最好的狀態；處于穩定守恒階段(K)的城市,其系統增長速度放緩,社會子系統狀態達到峰值,但與此同時社會和生態子系統的壓力也在增大；處于釋放階段(Ω)的城市,其壓力指標得分最低,表示壓力在此時達到最大,但系統響應指標卻處于較低水平,故此時的城市社會-生態系統處于最不穩定的階段；處于重組階段(α)的城市,其社會與生態子系統壓力較上一階段有所下降,響應指標得分處于最高,狀態指標有所回升(圖6)。

圖6 城市尺度各階段PSR指標得分均值統計Fig.6 Statistics of PSR index mean scores at various stages of urban scale圖中數據為響應階段所有城市在對應維度得分的均值,由于前期對數據進行了標準化,故對于壓力指標,得分越高代表壓力越小

自2000年至2019年,南京都市圈各城市的社會-生態系統適應性呈上升趨勢,平均增幅為27%,其中淮安市、南京市和金壇區的增幅最大,超過30%；宣城市和滁州市的增幅最小,低于25%。各城市社會-生態系統適應性波動最大的時期多數集中在2003年和2013年前后,都市圈內大量城市在這段時期進入適應循環的釋放期(Ω)。2003年前后,除南京市之外,其余城市的社會、生態子系統適應性出現了不同程度的下滑,其中馬鞍山市是2003年社會-生態系統整體適應性下滑最為嚴重,達到16%；60%城市的生態子系統適應性在此時下滑,40%城市的社會子系統適應性在此時下滑。就細分指標來看,該時期內,各市人均糧食產量和科教投入占比下降,社會子系統狀態退化、響應不足是造成其適應性得分下降的主要原因,2003年“非典”在各地爆發,對城市社會系統造成較大沖擊,疫情過后城市社會系統恢復需要時間,因此發展速度下降甚至出現倒退；而該時期內空氣污染風險的提高,植物固碳量和氣候適宜度的下降,造成生態子系統壓力增大響應不足,可能是由于2000前后城市建設對生態環境造成的負面影響逐漸累加的結果。2013年前后社會-生態系統適應性下滑的城市占70%,該時期內80%的城市生態子系統適應性得分下降,生態子系統的衰退是社會-生態系統整體不穩定的主要原因。

3.1.3城市社會-生態系統分類

根據社會-生態系統適應性演進特征,將南京都市圈的市、區分為4類。類別一穩定增長型城市的系統發展過程中波動較小；類別二波動增長型城市的系統發展速度高于類別一,且波動也較大；類別三不均衡發展型城市的社會子系統發展速度高于類別一和類別二,但生態子系統整體發展表現出輕微倒退；類別四生態危機型城市的生態子系統呈現更明顯的倒退,系統發展波動較強(表4)。

表4 南京都市圈城市分類與特征

3.2 都市圈尺度系統適應性評價

3.2.1都市圈社會子系統和生態子系統演進評價

就南京都市圈整體而言,社會子系統適應性演進表現出持續上升的趨勢,上升階段占全階段的比例接近95%,其中44%階段的增速超過15%。表明在2000至2019年期間,南京都市圈的城市建設對其社會子系統的影響較大。2003年都市圈社會子系統適應性出現短暫下滑,主要原因在于“壓力”指標中,單位GDP排放量有所增加而“狀態”指標中的人均糧食產量、“響應”指標中的科教投入占比、人均衛生床位數和城鎮居民可支配收入均有所下降,可能是 “非典”疫情導致城市社會子系統適應性減弱。

南京都市圈生態子系統適應性演進表現出波動的特征,上升階段占全階段比例為74%,其中超過一半的階段增速低于15%,增速緩慢。表明在2000至2019年期間,南京都市圈的城市建設對其生態子系統造成較多負面影響。2011年至2013年是生態子系統適應性連續下滑的階段,該過程持續了兩年。在這個階段,都市圈包含熱島、空氣污染和內澇在內的風險顯著提升,都市圈在這段時期城郊溫差提升了0.5攝氏度,AQI年均值增加了近6分,2013年都市圈工業廢氣排放總量相比2011年增加了40%,氣候適宜度和空氣良好或以上天數占比也在同時降低(表5)。

表5 部分關鍵指標變化(2011—2013年)

氣候適宜度指標得分越高表示適宜度越低

工廠污染是造成該階段都市圈適應性下滑的主要原因,鎮江、揚州、蕪湖等多地爆發了影響惡劣的污染事件[66—69],建筑工地揚塵、機動車尾氣排放、秸稈焚燒也對生態子系統造成不小壓力[70—71],同時這一階段城市快速擴張導致生態空間銳減,這使得生態子系統自身的響應能力被削弱。2015年后,都市圈各市密集出臺污染應急預案、環保計劃,針對污染防控采取實際行動[72—74],此后都市圈生態子系統適應性開始緩慢回升,增速在2017年后顯著提升。

圖7 南京都市圈社會與生態子系統演進動態Fig.7 Evolution dynamics of social and ecological subsystems in Nanjing metropolitan area

對2000年至2019年都市圈內的八個地級市與一區一縣的社會子系統得分和生態子系統得分進行相關性分析,得出二者相關系數為-0.45,表明社會子系統和生態子系統發展呈中低度負相關,說明在當下的城市發展中,社會與生態兩個子系統的發展存在不協調。

3.2.2都市圈社會-生態系統適應性階段識別結果

如表6所示,都市圈處于快速增長階段(γ)時,其系統狀態和相應指標的得分增長率最大,但生態子系統壓力得分減少,表示壓力在該階段增大；都市圈處于穩定守恒階段(K)時,其系統狀態和響應得分的增長速度放緩,與此同時社會子系統壓力開始增大,生態子系統的壓力增速變大；都市圈處于釋放階段(Ω)時,系統相應指標得分顯著下滑,壓力增大,尤其是生態子系統在這一階段經歷了全方位的衰退,只有社會子系統狀態指標得分在緩慢上升,此時的系統處于極不穩定的階段；都市圈處于重組階段(α)時,系統壓力減小,系統與子系統的狀態均重回上升態勢,響應指標得分也開始緩慢增長。

表6 南京都市圈社會生態適應性分維度得分變化率均值

整體來看,自2000年至2019年,南京都市圈社會生態適應性呈上升趨勢,且適應性上升的階段超過全階段的80%,表明過去近二十年里都市圈整體發展良好,社會-生態系統的交互適應能力在循環往復中逐漸上升,隨著國家和地方政府對生態環境保護和修復的日益重視,生態子系統適應性性在未來仍有提升空間。僅有2003年、2008年和2013年的社會生態適應性呈現下降趨勢,主要是由生態子系統適應性下滑造成的。說明城市發展對生態環境造成負面影響,而生態環境惡化對整個都市圈社會-生態系統的適應性造成沖擊。社會-生態系統經歷了3個適應周期。第一個周期中,都市圈GDP和城鎮化率迅速增長,風險壓力累加但系統響應能力并不高,同時該階段區域發展較不平衡,都市圈的協調、持續發展受到阻礙[75],各種因素的累加導致了2002—2003年的釋放階段。第二個周期始于2003年,系統適應性在2003—2007年顯著回升,都市圈從“非典”疫情中逐漸復蘇,2006年底,南京都市圈經濟總量超過7300億元,取得一定發展成果[76],2007年都市圈發展又遇瓶頸,此前南京都市圈城鎮化工業化加速發展,多數城市處于第二產業占比增長,第三產業占比下降的階段[77],地區面臨發展低效的問題,這一進程侵占了大量生態空間,直接導致了生態環境承載力不足；第三個周期中社會子系統一直處于較穩定的上升趨勢但系統壓力有所增加,周邊城市的產業在該階段逐步優化,都市圈經濟結構也逐步從點軸結構趨于網絡結構[78],2012年的轉折也是由于生態子系統適應性下滑所致,該階段內系統壓力再次上升到較高水平,2013年以后,系統整體發展速度較緩慢且生態子系統發展波折,屬于“重組階段”；從2018年開始,兩個子系統和系統整體具備了“快速增長階段”應有的特征,系統重新進入快速增長階段(γ),并開始了新一輪的適應性循環(圖8)。

圖8 南京都市圈社會-生態系統適應性演進動態與循環周期Fig.8 Adaptive evolution dynamics and cycle of social-ecological system in Nanjing metropolitan area

4 討論與結論

4.1 討論

4.1.1基于社會-生態系統適應性動態變化的區域生態治理策略

區域社會生態適應性演進的過程是動態的,區域內各個城市彼此聯系,相互影響[79—80]。區域實現整體最優,不僅需要平衡社會與生態子系統的關系,避免犧牲環境效益的“粗放式發展”,同時也要在做好頂層設計的前提下為處于不同階段的城市制定差異化的發展戰略。

根據南京都市圈過去20年里三個循環周期年逐漸增長的演變規律,新一輪循環經歷的時間很可能大于十年,且循環中各個階段演化所需時間也會相應增加,快速增長的趨勢還將持續一段時間,隨后增速放緩進入長時間的穩定守恒階段,這一階段的都市圈的適應性將保持穩定的小幅增長。21世紀以來,南京都市圈社會-生態系統適應性的波動與衰退基本上由生態子系統適應性下滑造成。社會子系統的正向演進,以及它與生態子系統適應性發展的負相關性表明都市圈在以往的發展中,為追求社會經濟效益犧牲了生態環境效益,從長遠來看會導致區域生態風險增大,危及整個社會-生態系統穩定。在未來追求區域高質量發展的大背景下,都市圈治理需要轉變發展觀念和發展路徑,省級和市級政府通過出臺相關調控措施,加強對生態空間的保護和對重點生態屏障的修復,同時還需要推動生態環境聯防聯治和區域層面的智慧治理,共同構建區域生態安全格局。在此前提下,都市圈生態子系統適應性將持續改善,與社會子系統趨于協調發展。同時,在都市圈跨行政區域治理實踐中,需要分層級部署跨區域的職能部門,切實發揮都市圈決策層、協調層和執行層的作用。此外,由于都市圈社會-生態系統具有動態演進的特點,需要根據其所處階段與發展特征對都市圈的發展計劃進行修正,通過正向引導加強對風險的響應,確保都市圈整體優化發展。

就城市尺度而言,目前南京都市圈的發展存在很大程度的不均衡,城市間社會-生態系統適應性差距較大。因此都市圈的發展需要促進中心城市與周邊城市更高質量一體化發展為導向,在產業體系協作分工、基礎設施互聯互通、生態環境共保共治等方面提升都市圈一體化發展的水平[49]。針對處于穩定守恒階段的宣城、南京等市,其社會子系統適應性均處于增長趨勢中,生態子系統適應性也在平穩發展中有所提高,面對新的發展形勢,城市應著力提升系統韌性,可以適當發展綠色產業、培育低碳服務業,同時開展智慧生態治理,使子系統適應性穩中有升；針對處于快速增長階段的淮安、滁州等市社會子系統過快增長可能造成生態子系統“透支”,存在生態環境惡化的可能性,為日后釋放階段埋下隱患。因此當前處于該階段的城市需要在提升城市發展水平的同時關注社會子系統和生態子系統的協調發展,通過完善環境保護相關條例規范、出臺污染防控相關政策、推廣清潔能源、保護生態多樣性等方式改善生態子系統質量,提升生態子系統對風險的響應水平。

“雙碳”目標提出后,各個城市積極響應,起草編制相關文件,提出各類減排增匯措施,例如南京市編制了《南京市2030年前碳達峰行動總體實施方案》和《南京市綠色低碳循環發展三年行動計劃》、揚州市提出將編制專項方案和溫室氣體清單、蕪湖市提出“以碳達峰碳中和倒逼高質量發展”的行動計劃等。這些舉措將對社會-生態系統的發展產生積極作用,促進系統在較長一段時間內正向循環,即保持在快速發展或穩定守恒階段,同時社會子系統和生態子系統也有望趨于協調。

4.1.2適應性循環理論對解析區域社會-生態系統運行機制的價值

區域社會-生態系統作為復雜適應系統,其演變呈現非線性、復雜性的特征,但系統的變化并非完全無章可循。與既往研究采用的歷史分析法或綜合指標法不同,適應性循環理論與PSR框架與區域系統動態、復雜、相互影響的特征相契合,對深刻理解系統中的人地交互關系具有重要價值[6]。本研究以南京都市圈為例,驗證了都市圈社會-生態系統的動態演進符合適應性循環規律,并識別出系統的不同適應性循環階段。該方法對于城市及區域社會-生態系統的適應性階段識別具有普適性,能夠推廣用于其他城市、城鎮群、都市圈等不同尺度的社會-生態系統研究。

隨著我國雙碳目標提出,氣候變化帶來的危機與挑戰受到廣泛關注。未來可將碳排、碳匯作為重要指標納入區域社會-生態系統適應性評估,關注區域和城市的碳排碳匯在不同適應循環階段的規律,將有利于系統對氣候變化及時作出響應。此外,隨著未來數據采集方法的改進和技術的提升,區縣級等更精細尺度的社會-生態系統演進特征也可做深入探討。

4.2 結論

本研究結合適應性循環理論與PSR框架,從都市圈和城市兩個尺度定量評估南京都市圈社會-生態系統適應性演進過程。2000年至2019年,南京都市圈社會-生態系統整體經歷了3個適應周期,并于2018年開始了新一輪的適應性循環,系統適應性呈上升趨勢。南京都市圈城市發展對社會子系統產生的多為正向影響,而對生態子系統造成的影響則造成相對較多的負面影響,主要表現在使生態子系統壓力上升、狀態失穩等。但在2015年后,生態子系統適應性下滑趨勢得到遏制,逐漸回升,這可能與各市、區《 “十三五”生態環境保護規劃》及各類污染防治專項計劃的制定、環保制度的改革、環境監測及執法的加強相關。

南京都市圈社會子系統與生態子系統的發展曲線呈中低度負相關。地級市層面,90%的城市的社會與生態子系統的發展同樣呈現負相關的特征,表明都市圈過去的發展模式在社會和生態兩個方面尚未取得協調。

各地級市社會-生態系統在2000年至2019年間的發展同樣印證了適應性循環理論,少數城市目前處于穩定守恒階段(宣城、南京、蕪湖、溧陽)；多數城市處于快速發展階段(淮安、金壇、馬鞍山、滁州、揚州、鎮江)。都市圈內的城市由于所處發展階段不同,未來需要采取差異化的發展策略：類別一穩定增長型城市未來發展需要保持現有優勢；類別二波動增長型城市的整體系統和社會、生態子系統中速發展,但生態子系統發展不穩定,這是造成其系統整體波動的原因,這類城市未來應采取長期穩定的措施保護區域生態環境；類別三不均衡發展型城市,其社會子系統發展速度最快,對系統整體發展貢獻最大,但生態子系統輕微倒退,這類城市應轉變發展觀念,政府需要對高耗能高污染的中小企業加強管理,提升區域發展效率、補齊環境短板；類別四屬于生態危機型城市的生態子系統經歷過或正在經歷明顯衰退的階段,在該類城市的發展過程中,對生態環境的保護就更為迫切,需要采取較強硬的措施遏制污染、改善環境。