生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力研究進展及其在防災(zāi)減災(zāi)中的應(yīng)用前景*

劉孝富，蔣衛(wèi)國，李　京，王文杰

(1.中國環(huán)境科學研究院環(huán)境信息科學研究所，北京 100012；2.北京師范大學 地理科學學部，北京100875)

“恢復(fù)力”一詞源于英文resilience，在國內(nèi)也將其翻譯成“彈性力”、“韌性”等，最初是一個物理學的概念，表示物體在壓力釋放后的回彈性。國內(nèi)大多數(shù)學者將其翻譯為 “恢復(fù)力”，因這一翻譯可以在跨學科間通用。自1970年代，從物理學引進到系統(tǒng)科學以來，恢復(fù)力得到前所未有的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于多個學科[1]，并已逐漸從單純的術(shù)語轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N思維范式和世界觀，在應(yīng)對氣候變化、防災(zāi)減災(zāi)，推動世界可持續(xù)發(fā)展等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。國際社會也越來越重視恢復(fù)力理論、方法和實踐應(yīng)用的發(fā)展。例如， 2012年在中國濟南召開的世界自然保護大會就以“自然的恢復(fù)力”為主題；2014年在澳大利亞布里斯班召開的第9次G20峰會以“全球經(jīng)濟恢復(fù)力”為主題；2015年在英國曼徹斯特召開的第六屆世界生態(tài)恢復(fù)大會，以“通向恢復(fù)力的生態(tài)系統(tǒng)”為主題。

恢復(fù)力(resilience)與不同的研究對象、不同的應(yīng)用領(lǐng)域結(jié)合產(chǎn)生不同的恢復(fù)力的概念，如生態(tài)恢復(fù)力(ecological resilience或ecosystem resilience)[2]、工程恢復(fù)力(engineering resilience)[3]、社區(qū)恢復(fù)力(community resilience)[4-7]、經(jīng)濟恢復(fù)力(economic resilience)[8-9]、災(zāi)害恢復(fù)力(disaster resilience)[10-12]、空間恢復(fù)力(spatial resilience)[13-15]等。近年來，隨著一些重大災(zāi)害事件的發(fā)生，人類逐漸思考生態(tài)與災(zāi)害的關(guān)系，災(zāi)害可以導(dǎo)致生態(tài)破壞，生態(tài)破壞亦可加劇災(zāi)難的發(fā)生。2010-2011連續(xù)兩年的國際減災(zāi)日都將“建設(shè)具有恢復(fù)力的城市：讓我們的城市做好準備”(Making Cities Resilient：“My city is getting ready”)作為主題；2014年又提出了“恢復(fù)力就是生命” (Resilience is for life)的主題，可以看到如何充分認識生態(tài)恢復(fù)力，提高防災(zāi)減災(zāi)水平是人類正在探尋的重要議題。本文針對生態(tài)恢復(fù)力的概念、評價方法、存在問題進行探討，闡述生態(tài)恢復(fù)力的研究方向及其在災(zāi)害防治的應(yīng)用前景，為在災(zāi)害視角下充分理解生態(tài)恢復(fù)力，發(fā)揮其作用提供一些思路。

1　恢復(fù)力的發(fā)展歷程

恢復(fù)力發(fā)展經(jīng)歷了理論研究、方法探索和實踐應(yīng)用3個階段(圖 1)。1970-1990年代中期，是恢復(fù)力的理論探索階段。這一階段重點探討了恢復(fù)力的概念內(nèi)涵和理論模型。1990年代中期至2005年左右為恢復(fù)力的方法探索階段。這一階段研究者們探討了恢復(fù)力的影響因素，并開始嘗試生態(tài)恢復(fù)力的定量評估。2005年至今為恢復(fù)力研究的實踐應(yīng)用階段。這一階段全球的政治活動(如千年生態(tài)系統(tǒng)評估報告、斯特恩報告、IPCC評估報告、國際氣候變化會議和談判等)促使恢復(fù)力研究出現(xiàn)的井噴式的增長[16]，恢復(fù)力開始用于解決實際問題，如應(yīng)對氣候變化、防災(zāi)減災(zāi)、城市規(guī)劃、和脆弱性等[17]。

圖1　恢復(fù)力研究文獻統(tǒng)計與階段劃分(參考：Xu and Marinova (2013)[16])

2　生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力的概念和內(nèi)涵

盡管恢復(fù)力(resilience)作為多學科的共同術(shù)語，成為了一個邊界對象(boundary object)[18-19]，定義被逐漸稀釋[18]，使其成了一個符號，一種思維方式或世界觀[20]；但在生態(tài)系統(tǒng)領(lǐng)域，恢復(fù)力具有兩種基本的、相對清晰的、描述性的定義。一個是生態(tài)恢復(fù)力(ecological resilience)，由Holling首先提出的，也稱之為Holling恢復(fù)力；另一個是工程恢復(fù)力(engineering resilience)，由Pimm首先提出，也稱之為Pimm恢復(fù)力[21-23]。生態(tài)恢復(fù)力(ecological resilience)或Holling恢復(fù)力指系統(tǒng)在不發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移，或結(jié)構(gòu)、功能、負反饋不發(fā)生變化前提下，能夠吸收干擾的度量[2,20,24-25]。Holling恢復(fù)力強調(diào)系統(tǒng)存在多個穩(wěn)定態(tài)[26-27](也稱平衡態(tài)[19]，也稱之為“引域”(basin of attraction)[18,28])，穩(wěn)定態(tài)相互之間可以發(fā)生轉(zhuǎn)移。1999年，隨著“恢復(fù)力聯(lián)盟(Resilience Alliance)”成立，生態(tài)恢復(fù)力的概念被進一步明確為三個屬性，一是系統(tǒng)維持在同一引域下(或維持相同功能和結(jié)構(gòu))而能夠承受的改變量；二是系統(tǒng)自組織能力的度量；三是系統(tǒng)學習與適應(yīng)能力的度量[29-30]。工程恢復(fù)力(engineering resilience)或Pimm恢復(fù)力指系統(tǒng)遭受擾動后恢復(fù)到原有穩(wěn)定態(tài)的速率或時間[3]。Pimm恢復(fù)力強調(diào)系統(tǒng)處于單一穩(wěn)定態(tài)(或平衡態(tài))，重點關(guān)注系統(tǒng)在受干擾后逐漸接近平衡態(tài)的速度和時間，而Holling恢復(fù)力關(guān)注逐漸遠離平衡態(tài)的最大幅度，當干擾超過某個閾值，系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變或者轉(zhuǎn)移。盡管許多研究者隨后都對生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力的概念進行了闡述，但其核心思想仍然保持著Holling和Pimm兩種最基本的定義[18]。

恢復(fù)力要注意與其它術(shù)語區(qū)別，以免相互混淆。恢復(fù)力(resilience)即表示恢復(fù)的現(xiàn)狀也表示恢復(fù)的潛力?；謴?fù)率(recovery rate)表示恢復(fù)的程度占受損程度的百分比；或恢復(fù)過程的現(xiàn)狀值與未受災(zāi)前狀態(tài)值的百分比。在一定條件下，恢復(fù)力與恢復(fù)率成正比關(guān)系。抵抗力(Resistance)表示在恢復(fù)過程中所受到的阻礙，在一定程度上，恢復(fù)力與抵抗力呈反比關(guān)系。適應(yīng)力(Adaptability)表示恢復(fù)過程中適應(yīng)新環(huán)境的能力，但并不代表能恢復(fù)到干擾前的狀態(tài)。

3　生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力的評價

3.1　恢復(fù)力的難衡量性

恢復(fù)力的衡量是困難的[3, 21,23,31]，其定性研究文獻較多，而定量評估研究文獻較少也側(cè)面印證了這一結(jié)論[32]。一些文獻中提到了理論上的衡量方法，例如考慮吸收干擾的穩(wěn)定閾寬度、潛力、熵、轉(zhuǎn)移可能性等方面開展評估，但仍然缺乏實證證據(jù)[21]。一些學者認為，恢復(fù)力的評估要求干擾停止或消失，這對于持續(xù)性的或者蔓延性的干擾而言是很難定量評價的[31]。三個方面可綜合解釋恢復(fù)力衡量的困難性：一是恢復(fù)力定義尚未統(tǒng)一，精確定義和詮釋恢復(fù)力概念較難[29,33]；二是不同定義中的定性指標篩選和衡量較難[12]；三是生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性增加了恢復(fù)力的定量評估難度。

3.2　恢復(fù)力評價的前提條件

要使恢復(fù)力可衡量和具有可操作性，必須明確“在什么條件下(to what)和處于什么狀態(tài)的系統(tǒng)(of what)的恢復(fù)力”[29]。"to-what "就要明確干擾體制，例如干擾的類型、頻率和強度，"of-what " 部分說明特定的狀態(tài)是有恢復(fù)力的。

恢復(fù)力不能直接衡量，必須通過一些具有替代性概念(surrogate[34]、proxy[19])”來間接評價[3,20, 35]，如植被覆蓋度[36-37]、關(guān)鍵物種多樣性[38]等。篩選替代性概念首先要定義問題，生態(tài)系統(tǒng)在哪些方面是有恢復(fù)力的？或者管理者希望哪些變化能有復(fù)原？其次，辨識反饋循環(huán)過程，哪些生態(tài)變量或參數(shù)在發(fā)生改變，驅(qū)動因子是什么？再次，設(shè)計系統(tǒng)模型，找出因果變量之間的聯(lián)系；最后綜合識別恢復(fù)力的代表性概念[27]。

生態(tài)恢復(fù)力的兩個獨立的定義(Holling恢復(fù)力和Pimm恢復(fù)力)，分別包含了抵抗力(resistance：衡量生態(tài)系統(tǒng)沒有發(fā)生功能性改變而吸收的干擾度和復(fù)原力(recovery：衡量返回到原始功能的速度)兩個關(guān)鍵過程，他們機制性不同，需要不同的衡量，但是很多生態(tài)系統(tǒng)研究中沒有被區(qū)分開[39]。

3.3　Holling恢復(fù)力評價

Holling恢復(fù)力的廣義定義，決定了其概念較難用指標來詮釋。一是很難定義什么是干擾[40]，二是構(gòu)建干擾與響應(yīng)參數(shù)之間的關(guān)系存在困難[41-43]，三是定義系統(tǒng)的多個穩(wěn)定狀態(tài)，識別發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移的條件也存在諸多困難。Holling恢復(fù)力認為外部條件使系統(tǒng)存在相互交替的穩(wěn)定態(tài)，如降水、放牧壓力和火災(zāi)等因素，決定了熱帶草原全部為草本，或者局部兼有木本；營養(yǎng)負荷的改變決定了潛水湖可在有水生植物的清水湖和無水生植物的渾濁湖兩種狀態(tài)下相互交替[18]。

圖2　系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型注：T1和T2表示系統(tǒng)發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移時驅(qū)動變量的閾值，T表示驅(qū)動變量現(xiàn)狀值，閾值與現(xiàn)狀值之差表示Holling恢復(fù)力

當狀態(tài)變量(快變量)對驅(qū)動變量(慢變量)發(fā)生響應(yīng)時，系統(tǒng)通過背向褶皺曲線體現(xiàn)出交替的引域(圖 2)。慢速量決定系統(tǒng)所處的穩(wěn)定位置[44]?；謴?fù)力可以用狀態(tài)變量(快變量)發(fā)生改變或轉(zhuǎn)移時驅(qū)動變量(慢變量)的現(xiàn)狀值與閾值(如圖2中的T1和T2)之差來表示[19]。慢變量的現(xiàn)狀值測算較易，而閾值測算較難。統(tǒng)計慢變量遠離且返回特定值的次數(shù)以及計算快變量在特定值上下的標準差[45]等方法可以用來識別閾值[19]，但這些方法還沒有得到廣泛驗證[46]。也有研究者認為系統(tǒng)的臨界閾值可以通過“臨界減速”的現(xiàn)象來識別[41]。臨界減速判斷標準為增強的變量和增強的自相關(guān)性[42-43, 47-48]。Holling恢復(fù)力需與特定的干擾聯(lián)系起來，識別干擾會對哪些參數(shù)產(chǎn)生影響，構(gòu)建響應(yīng)關(guān)系，識別臨界減速的特征，并將其與臨界閾值連接起來，這些決定了Holling恢復(fù)力評估的難度，使其更多停留在理論層面，實踐驗證較少。

3.4　Pimm恢復(fù)力評價

Pimm恢復(fù)力與Holling恢復(fù)力相比更易評價，也更具有可操作性[21-22,49]。Pimm恢復(fù)力的評估不需要考慮干擾，只需明確生態(tài)系統(tǒng)中哪些有代表性屬性是具有恢復(fù)力的。一方面通過構(gòu)建“增強”恢復(fù)力的指標體系評估恢復(fù)力，另一方面可以通過系統(tǒng)干擾前后、受干擾與未受干擾等對比評價恢復(fù)力[49]。

模糊評價法是應(yīng)用最廣的恢復(fù)力評價方法。在生態(tài)系統(tǒng)屬性特征現(xiàn)狀評估的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建指標體系并獲取權(quán)重，采用加權(quán)疊加方式求得恢復(fù)力綜合指數(shù)，廣泛應(yīng)用于植被[50-51]、濕地[51-54]的恢復(fù)力評價。Bisson等以土壤類型、火災(zāi)前植被覆蓋度、坡度、坡向和地質(zhì)5個參數(shù)構(gòu)建了植被恢復(fù)力指數(shù)[50]。高江波等以樣方調(diào)查為基礎(chǔ)，以植被覆蓋度、物種多樣性和群落生物量建立了生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力評價模型，對比分析了50個樣點的恢復(fù)力[55]。戰(zhàn)金艷等從生境條件和生態(tài)存儲兩方面遴選出26 個指標，建立了森林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力評價指標體系[32]。Robert基于水文、土壤、歷史條件、植被覆蓋、臨近植被類型和土地利用建立了基于GIS的濕地恢復(fù)潛力評價模型[51-54]。模糊評價法簡單易行，但其評價過程依賴于經(jīng)驗知識，結(jié)果的可靠性驗證也存在難度。此外，模糊評價法的結(jié)果是無量綱的，適用于不同區(qū)域間恢復(fù)力的相對比較，或者恢復(fù)時間、速度快慢的定性評價。

直接對比法也是生態(tài)恢復(fù)力評價的方法之一。對比系統(tǒng)干擾前后、受干擾與未受干擾的系統(tǒng)參數(shù)，不僅可以了解恢復(fù)進展，也可以評估和預(yù)測未來恢復(fù)潛力。Mauro采用多時相的MODIS數(shù)據(jù)，繪制了植被指數(shù)隨時間動態(tài)圖，通過對比火災(zāi)前后數(shù)據(jù)了解恢復(fù)時間；同時通過燃燒跡地與未燃燒參考地的對比，分析了燃燒跡地的恢復(fù)情況和恢復(fù)力[56]。直接對比法相對簡單，但評價的結(jié)果也不能代表系統(tǒng)恢復(fù)的準確時間，同樣是恢復(fù)力的相對評價。

4　生態(tài)恢復(fù)力在防災(zāi)減災(zāi)中的作用

4.1　提升生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力可減輕災(zāi)害發(fā)生風險

災(zāi)害具有突發(fā)性特征，但災(zāi)害的發(fā)生(如崩塌、滑坡、泥石流)也可能與長期的生態(tài)破壞相關(guān)。如2010年發(fā)生的舟曲泥石流與生態(tài)退化密切相關(guān)。據(jù)調(diào)查，多年的超限采伐導(dǎo)致舟曲乃至整個白龍江流域森林覆蓋率明顯下降，森林灌叢化、草地裸土化(圖3、圖4)，近60%耕地為坡度≥25°耕地，工程防護措施缺乏，松散堆積物的累積和降水調(diào)蓄功能下降(圖5)，加劇了泥石流的發(fā)生頻率和發(fā)生強度水土流失嚴重[57-58]。自然的長期退化使得生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)移，從 “具有恢復(fù)力”變成“不具有恢復(fù)力”，“免疫力”喪失使其不具備抵抗外力干擾的能力，一場極端降水導(dǎo)致了災(zāi)難性的后果。如果決策者和管理者能充分考慮生態(tài)的退化，就能提前預(yù)知，并采取果斷措施逐步恢復(fù)受損的生態(tài)系統(tǒng)，提升生態(tài)恢復(fù)力，降低災(zāi)難發(fā)生的概率或者減輕災(zāi)難的影響。

圖3　白龍江流域三眼峪溝退化的稀疏灌叢

圖4　白龍江河岸邊植被及崩塌景觀

方法難易程度(五★表示最難)理論框架應(yīng)用尺度可操作性結(jié)果屬性客觀性閾值法★★★★★Holling恢復(fù)力系統(tǒng)/區(qū)域尺度弱絕對值較強模糊評價法★Pimm恢復(fù)力各尺度強相對值較差維持性擬合法★★★Pimm恢復(fù)力系統(tǒng)/區(qū)域尺度較強相對值較強對比法★★Pimm恢復(fù)力各尺度強相對值一般

圖5　白龍江流域三眼峪溝坡積物

4.2　開展生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力評估可提高災(zāi)后重建的科學性

災(zāi)害的特點是突發(fā)性、瞬時性、破壞性，災(zāi)害既可以因生態(tài)退化能產(chǎn)生，又可瞬間產(chǎn)生嚴重的生態(tài)破壞(如地震)。人類對于災(zāi)后的恢復(fù)重建，往往關(guān)注基礎(chǔ)設(shè)施的恢復(fù)以及社會經(jīng)濟的復(fù)蘇，而忽視生態(tài)的恢復(fù)。盲目重建可能導(dǎo)致災(zāi)害悲劇再次發(fā)生。例如都江堰龍溪河流域，在汶川地震中損失慘重。地震后兩年，沿河兩岸重新建起了居民區(qū)，也恢復(fù)了農(nóng)家游。然而，2010年8月，暴雨襲擊引發(fā)了大規(guī)模的泥石流將房屋沖毀殆盡(圖6、圖7)，并造成了大量的人員傷亡。這是因未考慮生態(tài)恢復(fù)力而在災(zāi)后盲目選址重建的典型案例。據(jù)李京忠等的分析表明，龍溪河流域的NDVI 年均值在2007-2010 年間逐漸降低，由最初的0.81 降至0.35[59]，加之流域的相對高程達到2 440 m[60]，受破壞的生態(tài)系統(tǒng)在短期內(nèi)難以恢復(fù)，沿河岸重建受損房屋具有較高的災(zāi)害風險。在災(zāi)后恢復(fù)重建過程中，若能開展生態(tài)恢復(fù)力評估，預(yù)測生態(tài)恢復(fù)時間，對于災(zāi)后重建選址以及制定有針對性的防災(zāi)減災(zāi)措施具有重要意義。

圖6　龍溪河上游植被受損與被沖毀的民宅

圖7　龍溪河流域泥石流溝

5　生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力在災(zāi)害中的應(yīng)用展望

5.1　開展災(zāi)害驅(qū)動下的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力自定義

當前，針對災(zāi)后的生態(tài)恢復(fù)研究以恢復(fù)效果定性描述為主，缺乏未來恢復(fù)趨勢的預(yù)測[61]。盡管生態(tài)恢復(fù)力已有描述性定義，但尚缺乏災(zāi)害驅(qū)動下的，具備可操作性的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力定義，無法對災(zāi)后生態(tài)系統(tǒng)演替做出預(yù)測。針對災(zāi)害特點，開展生態(tài)恢復(fù)力可操作性定義，對于豐富恢復(fù)力內(nèi)涵具有理論意義，同時在防災(zāi)減災(zāi)方面也具有實踐作用。針對汶川地震災(zāi)區(qū)，已有學者根據(jù)評估的需求將生態(tài)恢復(fù)力定義為震后受損生態(tài)系統(tǒng)的植被覆蓋度穩(wěn)定達到或超過震前水平的時間[49]?！笆軗p生態(tài)系統(tǒng)”體現(xiàn)了災(zāi)害的破壞性；“植被覆蓋度”體現(xiàn)了恢復(fù)力的代表性；“穩(wěn)定達到”，體現(xiàn)了災(zāi)后植被演替的“偶然性”和 “必然性”；“時間”體現(xiàn)了恢復(fù)力的可操作性。

5.2　構(gòu)建災(zāi)害生態(tài)恢復(fù)評價指標體系

在分析現(xiàn)有生態(tài)恢復(fù)評價指標的基礎(chǔ)上，結(jié)合災(zāi)害生態(tài)恢復(fù)力的定義，構(gòu)建災(zāi)害生態(tài)恢復(fù)評價指標體系?，F(xiàn)階段的生態(tài)恢復(fù)研究主要圍繞生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)建指標，如動植物物種豐富度、植被結(jié)構(gòu)指標包括植被覆蓋、密度、高度、枯枝落葉結(jié)構(gòu)、生物量等，土壤氮含量、土壤有機質(zhì)含量、土壤有機碳等等[62-65]，這些指標僅能代表生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，但結(jié)構(gòu)的恢復(fù)并不代表生態(tài)系統(tǒng)的整體恢復(fù)，相反生態(tài)功能的恢復(fù)決定著生態(tài)系統(tǒng)整體的恢復(fù)進度。因此，指標體系應(yīng)包括結(jié)構(gòu)和功能兩大指標，以全面反映生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力，尤其要重點關(guān)注與災(zāi)害密切相關(guān)的生態(tài)功能指標，如水土保持功能、水源涵養(yǎng)功能。水源涵養(yǎng)功能的恢復(fù)，可提高降雨的攔截率，使地表徑流更加舒緩；而水土保持功能的恢復(fù)，可減小土壤的流失率，進一步降低地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生率。

5.3　開展生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力的“絕對值”評價方法研究不足

Holling恢復(fù)力框架下的閾值法，尚停留在理論層面。Pimm恢復(fù)力框架下的模糊評價法因其流程簡單、參數(shù)易獲取等特征，是當前恢復(fù)力研究的主要方法，但模糊評價法依賴研究者的經(jīng)驗判斷，主觀性較強，具有很強的局限性。當前的維持性擬合法也只適用于系統(tǒng)和區(qū)域?qū)哟?，不適用于單個“像元”或“斑塊”。無論是模糊評價法、維持性擬合法、還是對比法，其評價結(jié)果都是無量綱的，計算數(shù)值代表了生態(tài)恢復(fù)的好與壞、快與慢，而不能精確獲取恢復(fù)的時間或速率。開展生態(tài)恢復(fù)力“絕對值”評價方法研究，對于進一步提升恢復(fù)力的可操作性和應(yīng)用性具有重要意義。

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