区域生态安全定量评价与阈值确定的方法探讨

Vol.20No.2

Mar.2006

2006年3月

JournalofAridLandResourcesandEnvironment

文章编号!1003-7578<2006>02-011-06

区域生态安全定量评价与阈值确定的方法探讨

张艳芳,任志远

<陕西师范大学旅游与环境学院,陕西西安,710062>

提要!生态安全评价是当前生态安全研究中的一个重要而未决的问题。从目前国内外

生态安全评价研究来看，在评价对象与内容上存在差异，定量评估方法与准则的确定仍处于探索阶段，现阶段尚未形成专门的评价指标体系，生态安全动态评价研究较少。本文在综合分析国内外学者生态安全评价研究的基础上，探讨了生态安全评价中的尺度、时空动态评价、评价的基本参照系、尺度转换、生态安全评价与生态恢复的关系等问题，并提出基于景观生态安全评价和尺度转换的区域生态安全评价体系与方法，以及确定区域生态安全阈值的基本思路。

关键词：生态安全；定量评价；阈值；生态恢复中图分类号!X171.1文献标识码!A

生态安全研究是20世纪90年代国际上出现的一个新的.引起广泛关注的研究领域o2000年中国发布的<全国生态环境保护纲要>指出,生态安全是和社会稳定的重要组成部分o目前,尽管国内外学者对生态安全概念.评价方法与指标体系等进行了广泛的探讨,并在不同时空尺度上对不同生态系统进行生态安全评价,但是有关生态安全研究仍有许多需要深入探讨的问题,如生态安全的概念仍存在差异,定量评估方法与准则的确定以及区域或生态系统生态安全预测与预警仍是生态安全研究中的最大问题,在生态安全评价准则或指标评价刻度的确定方面仍处于探索阶段,由于生态安全评价涉及因素与尺度的复杂性,现阶段国内外还尚未形成专门的评价指标体系[1]o本文旨在通过对目前生态安全评价研究现状的分析,尝试建立生态安全评价与生态安全阈值确定的研究框架o

1

1.1

生态安全与生态安全评价

生态安全概念

生态安全一般有广义和狭义的两种理解o广义的生态安全是指在人的生活.健康.安乐.基本权利.生

活保障来源.必要资源.社会秩序和人类适应环境变化的能力等方面不受威胁的状态,包括自然生态安全.经济生态安全和社会生态安全,组成一个复合人工生态安全系统o狭义的生态安全是指自然和半自然生态系统的安全,即生态系统完整性和健康的整体水平反映o生态风险与生态系统健康是生态安全研究的核心内容o当前研究强调生态安全研究应与人类安全紧密结合,反映出生态安全的内涵已从过去单纯的以自然或半自然生态系统为对象逐渐向人类自然为核心的生态体系转变[1,2]o尽管这种转变有利于人类对生态系统安全的管理与维护,但是由于人类系统的复杂性和动态性,增大了生态安全评价的难度o1.2生态安全评价

目前,国内学者[1-4]对生态安全评价较为一致的看法是,生态安全评价是指对生态系统完整性以及对各种风险下维持其健康的可持续能力的识别与研判,以生态风险和生态健康评价为核心内容,并体现人类安全的主导性o所谓生态风险是指特定生态系统中所发生的非期望事件的概率和后果;干扰或灾害对生

收稿日期!2005-01-03\"

基金项目!国家自然科学基金项目<40371003>,陕西师范大学校重点项目<995216>o

作者简介!张艳芳<1969->,女,陕西榆林人,讲师,博士研究生,主要从事城乡国土资源评价与GIS研究oE-mail~Zhangyf＠

snnu.edu.cn

12 干旱区资源与环境

第20卷

态系统结构和功能造成损害的可能性 其特点是具有不确定性 危害性与客观性O生态风险的识别包含风险因素的确定和生态系统(或环境)脆弱性的认识9对生态系统或环境造成一定危害(损害)的任何事件或过程都可以定义为生态(环境)风险因素O而生态系统健康是环境管理的一个新方面和新目标9通常认为9功能正常的生态系统可称为健康系统O它是稳定的和可持续的9在时间上能够维持它的组织结构和自治9以及保持对胁迫的恢复力O生态系统健康9可以从活力 组织结构和恢复力3个主要特征来定义O活力表征系统功能9组织结构即生态系统组分及途径的多样性9恢复力指系统在受到环境胁迫时维持系统结构和功能的能力O对区域生态安全的分析主要包括关键生态系统的完整性和稳定性9生态系统健康与服务功能的可持续性9主要生态过程的连续性等O

2

生态安全评价的发展趋势

国内有关生态安全与评价的相关基础研究较多9但明确而系统的生态安全评价研究相对不多O主要

集中在对理论概念的探讨 对特定区域或特定生态系统的评价以及特定评价方法的运用等方面O当前生

1

态安全评价方法主要有综合评价范式 生态模型方法与景观生态学方法三种类型 O综合评价范式包括

暴露 响应分析模式 综合指数评价方法 生态承载力分析法等O生态模型方法包括个体与群落尺度上的模型 生态系统尺度上的模型与生境 区域以及景观尺度上的模型等O景观生态学方法以其通过空间异质性分析景观生态空间稳定性的理论逐渐成为区域生态安全研究的重要手段O从国内生态安全评价研究的实践来看9主要还集中在综合评价范式上9部分学者尝试了生态模型方法与景观生态学方法O

1

王根绪 等认为9建立具有综合性与代表性 易于量化和应用 能兼容不同空间尺度并能体现动态变

化指标体系是建立生态安全指标系统的主要途径9因此建立替代性与综合性指标是未来发展趋势 随着GIS与遥感技术在生态学领域的广泛应用9生态模型方法将成为生态安全研究的主流 根据生态安全保障 管理与预警等目标的要求9过程安全将成为今后研究重点领域O即通用性 模型化与动态性是生态安全评价的发展趋势O

3对生态安全评价中几个重要问题的讨论

从现有的评价研究来看9主要问题表现在以下几个方面 ①生态安全评价的尺度分歧O对生态安全概

念理解上的差异9导致对生态安全评价尺度上的分歧O无论从大区域或生态系统个体尺度上进行生态系统评价都将可能忽视评价对象动态变化特征和功能关联的生态意义O②偏向人类价值倾向O生态安全研究与评价固然主要以人类自身系统为核心9但是对评价指标的刻度不应以人类需求和价值倾向为导向9特别是在对人文社会因素或在人类活动影响深刻的区域评价中9需要将人文社会因素或人类活动置于自然生态系统特征基础上来评价9而不是简单地根据对其在某种程度的感性认识O生态系统效益价值评价需

5

要基于生态系统的服务功能 O③强调现状评价O从现有生态安全评价的研究案例来看9多数都是基于现状特征进行的评价9对过程安全评价不太多O没有过程安全评价可能导致评价结果带有显著的时段局

限性9不利于生态安全的保障 维护与管理O

针对以上存在的问题9笔者认为有必要对生态安全评价中的几个重要问题进行再认识O3.1评价尺度

6

尺度是区分研究对象和环境的重要依据 9是观察或研究对象(物体或过程)的空间分辨率和时间单2 7

位9标志着对所研究对象细节的了解水平 O鲁学军等 建立的有关地理空间结构与功能表达的空间等

级序列认为9在基本尺度上开展地理空间研究有利于发现不同地理现象的内在成因及其发生机理9在中尺度上的研究有利于发现区域不同地理现象的表现形式及其变化过程的动力学机制9这种等级序列能够实现地理学的H宏观机制7研究与H微观机理7研究的结合9是现代地理科学有关H定性与定量综合集成7研究的基础O因此9生态安全评价需要选择一个理想的研究尺度O

大尺度生态环境问题需要基于小尺度机制研究 通过区域集成系统解决O对生态安全的研究包括从生物细胞 组织 个体 种群 群落 生态系统 生态景观 生态区(生物地理区) 陆(地)海(洋)生态9及人类生态等对象O然而9生态安全概念首先是针对宏观生态问题(区域 国家乃至全球)提出的9研究那些在小尺度上生态学不易有效解决的生态问题 力求用宏观生态学理论为指导9将单个地点或较小区域内的生态问题联系起来9强调综合集成整体观点O在生物多样性保护的研究中9已认识到需要由物种和生态系统保

第2期张艳芳等区域生态安全定量评价与阈值确定的方法探讨

13

8

护上升到景观和区域保护 区域也是生态安全研究的重要空间尺度 从观察对象来看 景观是一个理想

的基本观察尺度 景观既包含生态系统的垂直结构与功能 又具有水平结构与过程特征 是实现对研究对象现状与动态研究的理想单元 同时由于景观与区域在组织尺度上连续 从景观尺度转换到区域尺度过程中的信息损漏程度较小 有利于维持生态安全评价结果的准确性 3.2评价的基本参照系

正确的评价必须建立在确立正确的参照系的基础上 生态安全评价的目标是人类可持续发展 在我们评价过程中不可避免的会按人类的价值观与价值需求来衡量确定生态安全的因素与影响水平 在这个过程中 有可能忽视了自然生态系统或半自然生态系统自身的特点与要求 Nassauer曾指出人类对自然的文化感知与生态功能无关 一个看似美丽的自然景观却可能是受到污染的 一块受人忽略的废弃土地却

9

可能保有的生态系统 因此 在生态安全评价中 需要研究人类对于景观生态安全的广泛影响 把

人们的行为约束在生态系统功能范围内 把人类居住地及耕作土地利用方式包含在生态模式中 对生态

2 系统健康评价中 有学者提出生态成熟度与生态价位的概念 所谓生态价位是指某生态系统的生态服务

价值的大小程度 生态成熟是指某生态系统处于潜在生态价位即最高生态价值时的状态 生态成熟度即生态系统距离生态系统成熟状态的程度 在此研究中 有两方面问题需要重视 ①对生态系统处于潜在生态价位的认识需要参照区域生态环境的历史本底和现状本底 对生态成熟度的确定需要明确历史本底与现状本底之间的关系 ②对具有较高生态价位或生态成熟度的生态系统 特别是人工维持的生态系统 在区域生态系统中的地位及其对其他系统的影响性质与程度需要定性与定量的分析 在有关黄土高原地区生

10 态恢复研究中 学者们强调生态恢复应基于生态基础背景与重视景观生态服务功能的持续性 的论断为

我们深思这个问题提供了极好的佐证 生态脆弱度是生态风险评价中的一个重要概念 一般认为生境脆弱性与生境在景观自然演替过程中所处的阶段有关 一般情况下 处于初级演替阶段 食物链结构简单 生

11 物多样性指数小的生境较为脆弱 在对辽河三角洲湿地生态风险评价中认为 受人为作用强 可以通

过管理输入负熵的生境类型 如农田 往往比其他生境类型要稳定 在研究区中5种生境类型中 以碱蓬滩涂最为脆弱 其次为芦苇沼泽和河湖沟渠 再次为农田草地 而居民点生境则最为稳定 这种认知方式简单易行 但值得深入探讨的是 对于诸如居民点或城市以及其他需要大量输入负熵来维持稳定性的景观类型 可能由于其对资源的大量消耗 影响区域整体生态安全 所以有必要确定一个依据区域生态系统环境基础的生态安全评价基本参照系

在景观尺度上 生态安全评价中的基本参照系应该是自然生态系统和景观在当前自然环境与资源条件下形成的景观类型 格局以及演化动态特征构成的体系 可以从三个方面来建立区域生态安全评价的基本参照系 区域资源景观承载力 景观水平的区域DNA与区域景观生态安全格局 资源承载力是指一个国家或一个地区资源的数量和质量 对该空间内人口的基本生存和发展的支撑能力 在资源承载力的研究中 多数人认为土地资源承载力是基本承载力 该类研究以土地资源 食物生产 人均消费 可承载人口为主线 区域资源景观承载力是指分析区域一定时段内自然生态资源对某类型景观的承载能力或景观对资源支持条件的适应程度 它提供区域景观生态安全评价的资源分析基础 组成每个区域生态系统的主要要素可以说都是相同或相似的 由于这些要素在某种性质 数量与密度上的差异造就了区域与区

12 域之间的唯一性 也就是区域DNA 景观水平上的区域DNA 是指区域资源的质量与数量空间组合差异通过景观类型与格局的表达形式 由于景观变化与区域资源变化的幅度 速度与方向存在一定的时

间差异 因此 对景观水平上的区域DNA分析 需要通过区域典型的景观或在一定时间段内具有显著稳定性的景观特征来分析 它提供维持区域生态安全评价中的景观格局与动态基本特征 景观安全格局基于以下两个假设来讨论 ①景观中水平生态过程是一种对景观的竞争性控制过程 ②某种过程必须通过克服景观阻力来实现对景观的控制 它被认为是景观中某种潜在的空间格局 由一些关键性的点 线 局部

13 14

面 或其空间组合所构成 对维护和控制景观水平生态过程起着关键性作用 在区域中 也必然存

在某些对维持生态安全具有关键意义的点 线 局部及其空间组合 对区域生态安全胁迫性因素表现为景观阻力性质 从而构成区域景观生态安全格局 它提供维持区域生态安全的空间结构基本特征 3.3评价中时空动态分析

实施生态系统管理必须基于对干扰与生态系统结构和过程关系的全面了解 否则任何管理行动都是

15 不完善的 单纯从现状水平来分析评价生态安全 仅能提供区域生态安全的现状特征 对我们进一步

认识其发展演化和进行生态恢复并没有太大的指导意义 从景观格局与过程来研究生态安全动态特征是

14 干旱区资源与环境

第20卷

实现时空动态评价的重要方法 格局与过程之间的影响与反馈关系是景观生态学的研究核心与前沿 格局在宏观尺度上一般是指空间格局 即生态系统的类型~数目以及空间分布与配置等 生态过程乃是指生态系统的功能和动态

施加于生态系统的各种生态效应力往往具有不同的作用效应方向---即不同自然作用和人为干扰效

16]

通过景观格局与过程生态安全分析 有助于我们认识自然与人应力使生态系统发生变化的方向不同

为干扰对生态系统安全影响的性质与过程 认识景观或区域生态安全发展演化的性质与可能后果 在对景观格局与过程生态安全分析中 有三个重要内容:区域景观演化的主要驱动因素分析~区域典型景观格局与动态特征分析以及其演化中的路径与结构分析 区域景观演化主要驱动因素分析是对主要干扰类型和性质的辨识以及主要胁迫因素及其强度的确定过程 它提供区域景观生态安全干扰或胁迫因素的基本认知特征 区域典型景观格局与动态特征分析是指对在当前资源环境背景下 所形成和维持的典型景观类型的格局及其动态特征分析 在远离人类活动干扰或弱干扰情况中 它具有一定的区域生态或景观本底的指示意义 景观演化路径与结构特征分析是指对典型景观在主要干扰或胁迫因素影响下 动态演化方向与空间特征的分析 为进一步预测与模拟提供参照 3.4生态安全评价与生态恢复

恢复生态学是研究生态系统退化的原因 退化生态系统恢复与重建的技术与方法~过程与机理的科学 致力于研究那些在自然灾变和人类活动压力条件下受到破坏的自然生态景观的恢复和重建问题 可以将生态恢复与重建看作是人类在区域生态压力下的响应或适应 恢复生态学有3个方面的发展趋

17]

势 :①强调自然恢复与社会~人文的耦合;②强调无论是在地域上还是在理论上都要跨越边界;③强调以生态系统为基点 在景观尺度表达 生态恢复与重建是跨尺度~多等级的问题 其主要表现层次应是生

态系统(生物群落)~景观 甚至区域 而不能仅仅局限于生态系统 景观的恢复与重建是针对景观退化而言 是构建安全的区域生态格局的关键途径 景观中某些关键性点~位置或关系的破坏对整个生态安全具有毁灭性的后果 研究景观层次上的生态恢复模式及恢复技术~选择恢复的关键位置~构筑生态安全格局

18]

已成为景观生态学家关注的焦点 景观生态恢复与重建过程需要基于人类和非人类干扰造成的景观19 20]退化以及景观中景观流的空间流动过程和导致某些生态过程的阈值认识的基础上 将人类有益干扰21]尺度置于自然干扰尺度之下进行 因此 在景观尺度上的生态安全评价 成为景观生态恢复与重建的

基本依据 并提供有力的支持和指导 可以避免区域景观生态恢复与重建中单纯追求景观的美学或经济价值而忽略其生态价值 导致新的生态问题的危险 3.5尺度转换

22 23]

尺度转换是地理学和生态学研究中的一种重要方法和手段 所谓尺度转换 就是跨越不同尺度

的辨识~推断~预测或推绎 尺度转换的核心内容是将一种尺度上或局部地区研究得出的景观格局与生态过程的关系 合理拓展到其他更多尺度上 便于人们了解生态现象的空间变化 在不同尺度的系统之间存在着物质~能量和信息的交换与联系 正是这种联系为尺度转换提供了客观依据 尺度转换 包括尺度上推和尺度下推 可以通过控制模型的粒度和幅度来实现 正确认识景观格局与生态过程之间的关系及其影响因子将是尺度转换的核心 由于地理现象和生态过程的尺度效应 不同尺度上影响生态过程的因子变化较大 由此导致在将一种尺度上的生态规律转换到另外一种尺度上时往往会出现较大的偏差 地表系统的一些内在属性和特征决定了尺度转换的特点:①尺度转换过程的尺度依赖性;②尺度转换模型的非线性;③尺度转换研究的复杂性 因此 生态安全研究中的从景观尺度到区域尺度的尺度转换问题 是当前研究中的重点和难点 它关系到从景观尺度落实到区域尺度的生态安全评价的质量与精度

4生态安全评价的框架

本研究框架的思路是基于压力-状态-响应框架模型的方法 根据生态安全评价的动态性~基本参照

系与人类活动等影响因素 将压力-状态-响应模型的评价内容分解到各个评价环节中 尝试性提出区域生态安全评价体系与过程框架(图1) 其特点是:①评价内容分为三个基本部分:基础评价~现状评价与动态评价;②评价中的基本数据获取与处理主要运用遥感与地理信息系统技术支持;③以景观生态安全分析为出发点 通过尺度转换实现区域生态安全评价;④运用基础评价形成的评价基本参照系进行现状评价与动态评价 通过现状评价与动态评价的综合 得到区域生态安全评价结果与生态安全阈值;⑤运用基础

第2期张艳芳等区域生态安全定量评价与阈值确定的方法探讨

15

评价\\现状评价与动态评价结果指导区域生态恢复建设5③人类活动对区域生态安全的影响分别在以基础评价为依据的现状评价与动态评价中针对性从景观尺度进行5①将大量的生物学与环境因素的指标评价转化为景观评价9区域生态安全评价以景观评价为基础9使评价过程在区域评价层面上简化5③通过景观到区域尺度的等级序列研究9有利于将 微观机理 与 宏观机制 研究相结合O

5生态安全阈值与确定方法

生态安全阈值是指生态安全的临界值O从国内

外研究的情况来看9生态安全阈值研究始终都是一个难点9还没有一个有效的评价模型O从景观尺度来看9如果某类构成区域景观生态安全格局的关键景观类型或战略点上的景观质量降低到某程度或受胁迫因素影响景观风险程度增大到某一程度9而可能使区域景观生态安全受到严重威胁9这种程度就是景观生态安全阈值O从区域尺度来看9如果构成区域内的景观单元的生态安全或区域整体的生态安全程度下降到某一水平9而可能导致区域生态安全状况发生突变9那么这种程度就表现为区域生态安全的阈值O

24

如何确定生态安全阈值？有学者 从生态安全

图1区域生态安全评价方法框架图

Fig.1Evaluationmethodofregionalecologicalsecurity

各评价指标阈限值的角度进行评价9认为该安全阈值

分为两类 其一9对于有利因素而言9如森林覆盖率等越大越好9所以该阈值为安全的下限9低于该值则不安全O若该变量值(X)不小于阈值S9则不安全因素(P)为零9否则不安全因素(P)为1-X/SO其二9对于不利因素9如水土流失\\土地污染等变量而言9其值越小越好9所以该阈值(S)的涵义为允许值的上限9高于该值则不安全O如该变量值(X)不大于阈值S9则不安全因素(P)取零值9否则取P=1-S/X值O这种方法是以各评价指标阈值的综合来评价区域生态安全9简单易行O但是它主要反映了区域现状安全9没有体现出动态安全特征9同时对区域内各生态系统单元的安全程度与影响水平没有评价9此外在对各评价指标阈值进行综合评价中9没有考虑各指标间的相互作用性质与程度9所以其评价结果的精度将受到影响O

在景观尺度上来确定生态安全阈值9具有以下几个特征 ①通过对区域景观动态中历史与现状景观类型与格局特征对比与数据分析9可以确定在大尺度生态环境背景因素保持基本稳定的情况下9人为干扰的不同类型与强度对景观动态以及生态安全的影响程度9通过景观类型与格局与生态安全的关系比较9可以确定人为干扰下的生态安全阈值5②在远离人类活动的地区或人为干扰的类型与强度保持相对稳定的地区9分析大尺度生态过程对区域景观的干扰性质与强度以及景观与格局的动态方向9可以确定区域主要自然干扰下的生态安全阈值5③根据区域景观与格局动态历史的分析9可以确定区域不同的或关键的景观类型与格局对主要胁迫因素干扰过程的作用性质与影响程度9在此基础上9可以根据历史过程中形成的景观类型与格局特征与区域生态安全变化的拐点的比较分析确定区域生态安全阈值O

当然9在确定阈值过程中需要注意的问题是 ①对景观的观察与了解的程度与精度也将影响到阈值确定的精度9因此要求获得的基本数据与资料精度较高5②由景观到区域的尺度转换的方法与精度将影响到阈值确定的精度O

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DiscussionoftheWaysto0uantificationalEvaluationandThresholdValueofRegionalEcologicalsecurity

ZHANG an-fang~RENZhi-yuan

Abstract

Atpresent~evaluationofecologicalsecurityisanimportantandopenCuestioninecologicalsecuri-ty.ThereeXistdifferencesinobjectandcontentofevaluationandnobreakthroughadvanceinCuantifi-cationalmethodsandnorms.SpecialindeXsystemofevaluationstillhasnotformedanddynamicevalua-tionstillneedstobedonedeeply.Basedonresearchofecologicalsecurityevaluationathomeanda-broad~thispaperdiscussedthescaleofevaluation~space-timedynamiccharacteristics~basicreferenceframe~scalechangeandrelationshipsbetWeenevaluationofecologicalsecurityandecologicalrestora-tion.ItputforWardatentativeideaonindeXsystemandmethodofregionalecologicalsecurityevalua-tionandthresholdofregionalecologicalsecuritybyusingtheoryoflandscapeecologyandscalechange.

Keywords:ecologicalsecurity5thresholdvalue5ecologicalrestorationCuantificationalevaluation5

区域生态安全定量评价与阈值确定的方法探讨

作者：

作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

张艳芳， 任志远， ZHANG Yan-fang， REN Zhi-yuan陕西师范大学旅游与环境学院,陕西西安,710062干旱区资源与环境

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