區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性評價方法研究綜述

張學(xué)玲,余文波,蔡海生,*,郭曉敏

1 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點實驗室/南昌市鄱陽湖生態(tài)重點實驗室,南昌 330045 2 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)村土地資源利用與保護(hù)研究中心,南昌 330045 3 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)江西省森林培育重點實驗室,南昌 330054

人類的一切生產(chǎn)和生活既有賴于生態(tài)環(huán)境,同時又影響著生態(tài)環(huán)境的發(fā)展變化。對生態(tài)環(huán)境科學(xué)認(rèn)識評價和合理優(yōu)化調(diào)控,既是資源環(huán)境領(lǐng)域研究的熱點問題,又是生態(tài)進(jìn)步認(rèn)知、生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的迫切需求[1]。因此,科學(xué)認(rèn)識生態(tài)環(huán)境脆弱性并進(jìn)行有效的土地生態(tài)管控,合理利用土地資源,促進(jìn)區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)和人口、資源環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展,已成為生態(tài)環(huán)境建設(shè)面臨的緊迫而又艱巨的任務(wù)[2- 3]。自1972年斯德哥爾摩“聯(lián)合國人類環(huán)境會議”世界各國政府代表第一次在一起討論生態(tài)環(huán)境問題以來,已經(jīng)過去了將近半個世紀(jì),人類的目光就從未離開過這個事關(guān)人類生存與發(fā)展的主題,可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、全球氣候變化框架條約、新千年生態(tài)系統(tǒng)評估、生態(tài)優(yōu)先戰(zhàn)略、生態(tài)文明建設(shè)等一個個重大事件,無不與之息息相關(guān)。國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者,也隨著生態(tài)脆弱性研究的理論方法、數(shù)據(jù)獲取、科技手段的更新發(fā)展,實現(xiàn)了從專題研究向綜合研究、從單一方法向方法集成、從數(shù)理模型分析向3S空間分析等轉(zhuǎn)變,將生態(tài)環(huán)境脆弱性研究不斷推向深入。國內(nèi)方面,徐慶勇等基于RS和GIS技術(shù),利用空間主成分分析法,對珠江三角洲2004—2008年進(jìn)行了生態(tài)脆弱性定量評價[4]；韋晶等基于SRP模型,對三江源地區(qū)的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了定量分析及評價[5]；盧亞靈等以環(huán)渤海地區(qū)五省市為研究對象,利用主成分分析法做相關(guān)性分析,對該地區(qū)生態(tài)脆弱性及其空間自相關(guān)進(jìn)行了系統(tǒng)分析[6]；蔡海生等在分析生態(tài)環(huán)境脆弱性的內(nèi)涵和機(jī)理的基礎(chǔ)上,提出生態(tài)環(huán)境脆弱性具有復(fù)合性、動態(tài)性、相對性和可控性等表現(xiàn)特征,并對生態(tài)環(huán)境脆弱性靜態(tài)評價和動態(tài)評價進(jìn)行比較分析[7]。國外方面,Lamsal等從氣候變化對尼泊爾的地形、海拔等變化角度出發(fā),分析氣候變化對森林和淡水濕地生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性影響[8]；Preston等認(rèn)為氣候變化背景下的脆弱性評價,涉及到“評估的目的是什么”“脆弱性評價體系如何構(gòu)建”“評價的技術(shù)方法”“誰參與評價,以及如何利用評價結(jié)果來促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展”等4個關(guān)鍵問題[9]；Kienberger等通過建立彈性和適應(yīng)性來解決生態(tài)脆弱性的空間和時間變異性的挑戰(zhàn),提出了時空尺度和概念的框架：“脆弱性立方體”理念[10]；Malik等從每個區(qū)域?qū)夂蜃兓纳鷳B(tài)暴露度、人口對氣候變化的敏感性、特定地區(qū)居住人口的適應(yīng)能力等三方面構(gòu)建加權(quán)氣候變化脆弱性指數(shù),分析氣候變化的各種潛在健康影響因素[11]；Salvati基于ESA方法從氣候質(zhì)量、土壤質(zhì)量、植被質(zhì)量、土地管理質(zhì)量四方面建立評價體系,對意大利土地脆弱性演變及土地潛在的退化能力進(jìn)行了空間分析評價[12]；Girard等從氣候?qū)ψ匀患叭祟愊到y(tǒng)的敏感性及適應(yīng)能力進(jìn)行了評價[13]；Pham等基于RF、LMT、BFDT、CART等決策樹的機(jī)器學(xué)習(xí)方法選取了16個條件因素對Pauri Garhwal地區(qū)土地敏感性進(jìn)行評估對比分析,表明RF模型預(yù)測最佳,其次為LMT、BFDT和CART模型[14]；Riedel采用WOWA方法并入重要性權(quán)重及ORNESS值來擴(kuò)展重要性權(quán)重,為復(fù)合脆弱性指數(shù)提供了新的方法嘗試,對美國未來洪水脆弱性進(jìn)行了分析[15]。綜上所述,針對生態(tài)脆弱性研究,研究區(qū)域從省域尺度到縣域[16- 18]、從湖泊到流域[19- 20]、從地區(qū)到經(jīng)濟(jì)帶到全球變化[21- 22],研究方法有模糊綜合決策分析法和AHP結(jié)合、GIS和K-means聚類分析方法、模糊多屬性方法(FMA)和GIS空間分析方法、3S技術(shù)方法、機(jī)器學(xué)習(xí)方法等等[23- 26],研究區(qū)域范圍涵蓋之廣、尺度之大,研究方法、途徑多樣,表明區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性研究因與人類的“三生空間”聯(lián)系密切而越來越走向研究常態(tài)化。

生態(tài)環(huán)境脆弱性受到自然條件、人為干擾等諸多因素的干擾,具有類型多、范圍廣、時空演變快等特點,成為21世紀(jì)土地資源和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)利用的重要障礙。國家嚴(yán)格執(zhí)行生態(tài)優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略,出臺了耕地保護(hù)紅線、水資源保護(hù)紅線、生態(tài)保護(hù)紅線、城市開發(fā)邊界線等管控措施,為實現(xiàn)資源生態(tài)可持續(xù)利用和社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展助力。然而,盡管國內(nèi)外許多專家學(xué)者針對生態(tài)環(huán)境脆弱性進(jìn)行了非常廣泛而有成效的研究,但至今尚未形成一個評價范式。進(jìn)一步綜合國際國內(nèi)生態(tài)脆弱性研究方法,從生態(tài)環(huán)境脆弱性評價研究對象、評價指標(biāo)選擇和體系構(gòu)建、計算方法模型、評價結(jié)果應(yīng)用等方面,分析脆弱性評價研究的現(xiàn)狀以及存在的問題,探討未來的研究思路及其發(fā)展趨勢,對于土地開發(fā)利用、國土空間管控和生態(tài)文明建設(shè)等都具有非常重要的指導(dǎo)意義。

1 區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性內(nèi)涵及其表征

1.1 區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性內(nèi)涵分析

脆弱生態(tài)環(huán)境分布廣泛、類型多樣、敏感性強(qiáng),在外力作用下容易受到干擾,失去原有的系統(tǒng)平衡向不利于人類利用的方向發(fā)展,進(jìn)而影響相應(yīng)尺度的區(qū)域甚至全球生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。生態(tài)脆弱性評價作為生態(tài)學(xué)研究的重要內(nèi)容之一,是在全球生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀與演變研究基礎(chǔ)上的進(jìn)一步深化,是科學(xué)認(rèn)知生態(tài)脆弱性現(xiàn)狀表征、驅(qū)動機(jī)理、演變過程、發(fā)展趨勢的重要途徑[27]。1988年在布達(dá)佩斯的第七屆環(huán)境科學(xué)委員會(SCOPE)大會上,首次確認(rèn)了生態(tài)脆弱帶的概念,此后針對生態(tài)環(huán)境脆弱性的研究日漸活躍。

生態(tài)環(huán)境脆弱性涉及了生態(tài)學(xué)、地理學(xué)、土地科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等眾多學(xué)科,所以針對生態(tài)環(huán)境脆弱性內(nèi)涵的認(rèn)識也各有側(cè)重。趙珂等認(rèn)為生態(tài)脆弱性突出表現(xiàn)為生態(tài)系統(tǒng)偏離原本良好的穩(wěn)定狀態(tài),因受外界人為干擾后表現(xiàn)出生態(tài)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性[28]；趙桂久等認(rèn)為生態(tài)脆弱性是生態(tài)系統(tǒng)在特定時空尺度下相對于干擾而具有的敏感和恢復(fù)反應(yīng)狀態(tài),是生態(tài)系統(tǒng)自身屬性在外界干擾作用下的表現(xiàn)[29]；徐廣才等認(rèn)為生態(tài)環(huán)境脆弱性應(yīng)從暴露、敏感性、適應(yīng)性三方面來分析,首先生態(tài)系統(tǒng)受到氣候變化的影響,其次受到氣候變化影響后對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的有利或有害的難易及靈敏程度,最后是自然及人類活動對其采取的影響措施[30]。雖然學(xué)術(shù)界針對生態(tài)脆弱性還沒有統(tǒng)一的定義,但普遍認(rèn)為：一是生態(tài)環(huán)境自身內(nèi)部的生態(tài)系統(tǒng)引起的內(nèi)在脆弱性,如氣候變化、滑坡、地震、泥石流等；二是由于人類活動干擾所引起的外在脆弱性,如不合理的人類活動、過度的土地開發(fā)利用等對生態(tài)系統(tǒng)的破壞,引發(fā)諸如荒漠化、沙塵暴、水土流失等問題。

總之,生態(tài)環(huán)境脆弱性是個相對的概念,是自然因素和人為因素共同作用的結(jié)果,無論其發(fā)展成因、表現(xiàn)形式和脆弱程度如何,都是在特定時空尺度生態(tài)系統(tǒng)相對于外界干擾所表現(xiàn)出的生態(tài)響應(yīng),只要它易于向生態(tài)退化或環(huán)境惡化的方向發(fā)展,就應(yīng)視為脆弱,當(dāng)干擾超過了生態(tài)環(huán)境的承受能力和自恢復(fù)能力,就可能會出現(xiàn)生態(tài)脆弱癥狀。

1.2 區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性表征分析

生態(tài)環(huán)境脆弱性表征主要包括植被退化、土地適宜性降低、水土流失、地質(zhì)災(zāi)害、荒漠化、鹽堿化、環(huán)境污染加劇、災(zāi)害頻度和強(qiáng)度增大、生物多樣性退化等。不同時空區(qū)域,生態(tài)環(huán)境脆弱性主導(dǎo)驅(qū)動因素及其表征存在很大的差異。陳美球等從地質(zhì)基礎(chǔ)、地形地貌、土壤類型、氣候條件、植被因素、水文因素等6個方面對鄱陽湖區(qū)進(jìn)行了自然脆弱性綜合評價[31]；徐慶勇等認(rèn)為影響珠江三角洲地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性的原因是海拔低、暴雨日數(shù)多、污染嚴(yán)重、土地利用變化大等4大特征[4]；韋晶等認(rèn)為三江源地區(qū)本身的自然生態(tài)環(huán)境脆弱是導(dǎo)致區(qū)域大規(guī)模脆弱的主要原因,人為活動明顯加重了脆弱程度[5]；蔡海生等從水土流失、河流水質(zhì)、森林覆蓋率、環(huán)境保護(hù)和治理、生態(tài)建設(shè)和生物多樣性保護(hù)、人口增長壓力、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展等6個方面,分析了江西省域生態(tài)環(huán)境脆弱性特征[32]。Shao等基于SPCA選取指標(biāo)體系,通過計算得出影響安寧河流域的主要原因是人為因素,社會經(jīng)濟(jì)因素和“天然林保護(hù)”、“綠色糧食”等環(huán)保政策等[3]；Jabbar利用3S技術(shù)分析地表變化情況,然后通過選取土地退化指標(biāo)結(jié)合GIS技術(shù)對區(qū)域生態(tài)環(huán)境進(jìn)行變化分析,結(jié)果表明風(fēng)蝕是影響South part of Iraq生態(tài)環(huán)境惡化的主要原因[33]；Zhou等從自然因素、經(jīng)濟(jì)因素、社會因素等3方面選取了17個指標(biāo)計算EEV值,并利用EEV值和影響因子進(jìn)行多元線性回歸得到方程,分析影響因素的貢獻(xiàn)程度,最后表明在青藏高原東北緣生態(tài)環(huán)境惡化的過程中,自然因素的作用強(qiáng)于經(jīng)濟(jì)因素和社會因素[34]。

綜合上述研究,區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性具體表征主要來自3個方面：(1)自然地理條件因素：不少地區(qū)由于海拔高低影響、森林覆蓋率低、氣候干旱、地質(zhì)災(zāi)害帶、生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性差等,直接導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)脆弱；(2)系統(tǒng)自身恢復(fù)能力：一般生態(tài)系統(tǒng)有著潛在脆弱性和再生性特點,脆弱生態(tài)系統(tǒng)自我恢復(fù)能力比較弱,如果受外力干擾突破了其生態(tài)閾值、打破了其生態(tài)平衡,若想恢復(fù)其生態(tài)功能難度極大；(3)人為活動干擾因素：人口密度及經(jīng)濟(jì)發(fā)展能源需求量超過資源承載力時,容易產(chǎn)生森林過度砍伐、過度利用水資源、隨意排污等資源不合理利用,導(dǎo)致土地退化、生態(tài)環(huán)境污染等問題,生態(tài)環(huán)境極容易惡化。

2 區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)選取及體系構(gòu)建

2.1 生態(tài)環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)選取

生態(tài)脆弱性評價指標(biāo)選取應(yīng)結(jié)合研究區(qū)脆弱性表征,從導(dǎo)致脆弱性的主導(dǎo)因素中科學(xué)選取。一般情況下,地形、地貌、氣候、水文、土壤、地質(zhì)等可作為潛在(內(nèi)在)脆弱因子,植被覆蓋、土壤侵蝕、土地利用、社會經(jīng)濟(jì)等可以作為脅迫(外在)脆弱因子。綜合比較不同區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)選取情況如表1所示。

表1 生態(tài)環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)選取比較

2.2 生態(tài)環(huán)境脆弱性動態(tài)評價指標(biāo)體系構(gòu)建

建立生態(tài)環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)體系是評價科學(xué)性、客觀性的關(guān)鍵一環(huán)。蔡海生等對生態(tài)環(huán)境脆弱性靜態(tài)評價指標(biāo)體系構(gòu)建了三級指標(biāo),其中一級指標(biāo)主要分為自然潛在脆弱以及人為干擾脆弱兩大方面[7, 32]。同時,蔡海生等對各評價模型指標(biāo)體系的構(gòu)建情況進(jìn)行了具體的歸納,對生態(tài)化評價相關(guān)模型的指標(biāo)體系進(jìn)行層次劃分,主要劃分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則(要素)層、指標(biāo)(因子)層三個基本結(jié)構(gòu),其中目標(biāo)層又分為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價、生態(tài)現(xiàn)代化水平評價、生態(tài)文明指數(shù)評價、工業(yè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)化水平評價、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展水平評價、小康社會綜合評價、國家創(chuàng)新戰(zhàn)略生態(tài)化評價以及低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平評價等八大目標(biāo)層。對于區(qū)域生態(tài)脆弱性評價同樣具有一定的借鑒意義[44- 45]。

結(jié)合國內(nèi)外研究情況,針對生態(tài)環(huán)境脆弱性特征,以自然環(huán)境因素為主,綜合考慮人為作用因素,兼顧指標(biāo)的可操作性和可比性,基于層次分析法選取自然因素和人為因素兩大一級指標(biāo),可以構(gòu)建一個初步的生態(tài)環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)體系,包括2個一級指標(biāo)、10個二級指標(biāo)、28個三級指標(biāo)。如表2所示。

表2 生態(tài)環(huán)境脆弱性動態(tài)評價的指標(biāo)體系

對于各指標(biāo)權(quán)重的確定上,其方法主要有主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。主觀賦權(quán)法根據(jù)評價者依據(jù)經(jīng)驗對各個指標(biāo)的重視程度決定指標(biāo)的權(quán)重,而客觀賦權(quán)法是根據(jù)各個指標(biāo)客觀上提供的內(nèi)在信息量來決定指標(biāo)的權(quán)重,方法有層次分析法[46]、熵權(quán)法[47]、多層次模糊綜合評價法[16]、熵值法[20]、專家經(jīng)驗法[48]等。

在指標(biāo)選取和體系構(gòu)建的基礎(chǔ)上,還需要考慮動態(tài)評價和靜態(tài)評價方面的問題。生態(tài)環(huán)境脆弱性計算和分析主要包括靜態(tài)計算(潛在脆弱性計算、脅迫脆弱性計算、現(xiàn)實脆弱性計算)、動態(tài)計算(生態(tài)環(huán)境脆弱性變化絕對度和相對度)[32]。蔡海生等對生態(tài)環(huán)境脆弱性動態(tài)評價的數(shù)據(jù)收集和處理進(jìn)行了具體的論述,其將圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)的兩大來源,并將生態(tài)環(huán)境內(nèi)在脆弱性數(shù)據(jù)來源細(xì)分為地質(zhì)專題圖、地形專題圖、土壤專題圖、水文專題圖、氣候?qū)ｎ}圖等五大方面；生態(tài)環(huán)境外在脆弱性細(xì)分為歷年的植被覆蓋變化、土壤侵蝕變化、土地利用變化、社會經(jīng)濟(jì)變化等四個方面,并給出了脆弱性數(shù)據(jù)處理流程圖[32]。

3 生態(tài)環(huán)境脆弱性評價方法與分析模型

3.1 評價方法分析

3.1.1 基于經(jīng)驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析方法

生態(tài)環(huán)境脆弱性評價方法很多,在生態(tài)脆弱性的評價過程中,具體評價方法的選擇十分關(guān)鍵,應(yīng)根據(jù)指標(biāo)的不同特征,針對不同數(shù)據(jù)的特點來選擇能表現(xiàn)系統(tǒng)特征的評價方法。

楊建平等依據(jù)縣級行政單位將長江黃河源區(qū)分為八大地區(qū),使用主成分分析法對各地區(qū)的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了綜合評價[49]；蔡海生等對我國脆弱生態(tài)環(huán)境脆弱度評價的脆弱性機(jī)理、評價指標(biāo)的選擇以及脆弱度評價方法等研究情況進(jìn)行了簡要的綜述,并就脆弱生態(tài)環(huán)境脆弱模糊評價法、脆弱生態(tài)環(huán)境脆弱度定量評價法、脆弱生態(tài)環(huán)境脆弱度EFI評價法、脆弱生態(tài)環(huán)境脆弱度AHP評價法、脆弱生態(tài)環(huán)境脆弱度關(guān)聯(lián)評價法以及脆弱生態(tài)環(huán)境脆弱度的綜合評價進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹[7]；廖富強(qiáng)等建立了鄱陽湖典型濕地生態(tài)環(huán)境脆弱性評價完整的指標(biāo)體系,并使用模糊數(shù)學(xué)的方法對鄱陽湖濕地生態(tài)環(huán)境脆弱性進(jìn)行了評價[50]；王瑞燕等將生態(tài)位適宜度模型引進(jìn)到脆弱性評價中,分析了土地利用變化對生態(tài)環(huán)境脆弱性的影響機(jī)理[51]；Mahapatra等基于層次分析法從物理脆弱性和社會經(jīng)濟(jì)變量等兩方面構(gòu)建權(quán)重及分?jǐn)?shù)對印度South Gujarat coast地區(qū)進(jìn)行了脆弱性評價[52]；Shao H等基于SPCA選取指標(biāo)體系,對安寧河流域的生態(tài)脆弱性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究分析[3]；Riedel采用WOWA方法及ORNESS值為脆弱性評價提供了嘗試,對美國未來洪水脆弱性進(jìn)行了分析[15]。

3.1.2 基于3S技術(shù)的分析方法

遙感、地理信息系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)是目前對地系統(tǒng)中空間信息獲取、存儲管理、更新、分析和應(yīng)用的三大支撐技術(shù),簡稱為“3S”技術(shù),已經(jīng)在相關(guān)空間信息研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[53]。在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的研究領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展迅速,利用3S技術(shù)進(jìn)行資源環(huán)境信息的獲取、處理和動態(tài)分析成為脆弱生態(tài)環(huán)境研究的一個重要趨勢[43, 54]。

廖煒等基于RS及GIS技術(shù),從土地利用變化角度入手,結(jié)合土壤類型、氣象、道路、水土流失等專題數(shù)據(jù)及年鑒統(tǒng)計數(shù)據(jù),利用IDRISI地理信息系統(tǒng)軟件建立數(shù)據(jù)庫,采用空間主成分分析法分析了丹江口庫區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性的時間分布規(guī)律[55]；荊玉平等結(jié)合遙感與GIS技術(shù),以內(nèi)蒙古自治區(qū)奈曼旗近25年來的土地利用變化為基礎(chǔ),根據(jù)其景觀結(jié)構(gòu)和土地利用結(jié)構(gòu)特征,構(gòu)建了綜合性生態(tài)脆弱性指數(shù),對研究區(qū)進(jìn)行了生態(tài)脆弱性評價[56]；陳佳等基于VSD框架和SERV模型,運(yùn)用RS和GIS空間技術(shù),定量分析了榆林市社會——生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的空間演變規(guī)律,并采用OWA算法,模擬及預(yù)測了決策者不確定性偏好下區(qū)域脆弱性未來的情景[57]；Sahana等基于GIS技術(shù)分析了印度Rudraprayag地區(qū)景觀脆弱性從而來探討森林火災(zāi)的敏感性[58]；Rapicetta等通過模擬Etna火山活動,通過結(jié)合地理信息系統(tǒng)(GIS)做出生態(tài)脆弱性地圖,對環(huán)境脆弱性研究火山爆發(fā)提出了新的思路[59]；Wu H等選取土地利用變化及植被覆蓋等因素,基于遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)(GIS)構(gòu)建生態(tài)環(huán)境脆弱性評價體系及模型,對中國福州市生態(tài)環(huán)境脆弱性進(jìn)行了分析[60]。

3.2 常用評價模型分析

生態(tài)環(huán)境脆弱性評價可以分為靜態(tài)評價和動態(tài)評價。靜態(tài)評價是以一個時間點的指標(biāo)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),評價結(jié)果反映的是評價區(qū)域內(nèi)的不同單元之間的脆弱性表征的差異；動態(tài)評價是在多個時間點的脆弱性評價,評價結(jié)果反映的是評價區(qū)域內(nèi)的脆弱性表征發(fā)展演變情況,能更加全面的表征區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性。根據(jù)蔡海生等的研究,生態(tài)環(huán)境脆弱性動態(tài)評價是靜態(tài)評價的深入[7],是根據(jù)不同年份的生態(tài)環(huán)境脅迫脆弱性靜態(tài)評價結(jié)果的空間疊加分析,得到各生態(tài)脆弱性等級的變化和轉(zhuǎn)移情況,從而可分析研究區(qū)域生態(tài)脆弱性的驅(qū)動機(jī)理、演變過程、發(fā)展趨勢及其空間特征,進(jìn)而為實施有效管控提供決策依據(jù)[61]。具體的模型分如下：

(1)生態(tài)環(huán)境脆弱性靜態(tài)計算：

單因子脆弱性(Gi)=等級判分(R)×因子權(quán)重(W)

潛在(內(nèi)在)脆弱性(Gli)=∑[自然因子等級判分(R)×因子權(quán)重(W)]

脅迫(外在)脆弱性(Gii)=∑[人文因子等級判分(R)×因子權(quán)重(W)]

現(xiàn)實脆弱性(Gri)=潛在脆弱性(Gli)+脅迫脆弱性(Gii)

評價單元脆弱性(G)=∑[單因子脆弱性(Gi)×面積的百分比(P)]

其中,單因子脆弱性可分別給予1、3、5、7、9的賦分；各因子權(quán)重可根據(jù)專家咨詢法、層次分析法計算確定；潛在脆弱性、脅迫脆弱性、現(xiàn)實脆弱性可分為微脆弱、輕脆弱、中脆弱、強(qiáng)脆弱、極脆弱等5個等級；單因子評價一般以圖斑或最小統(tǒng)計區(qū)域為評價單元(統(tǒng)計數(shù)據(jù))；綜合評價可選用縣鄉(xiāng)行政區(qū)域劃分,以方便進(jìn)行生態(tài)環(huán)境治理。

(2)生態(tài)環(huán)境脆弱性動態(tài)計算：

生態(tài)環(huán)境脆弱性絕對變化率 (Na) =100%×[現(xiàn)實脆弱性(Ni)-潛在脆弱性(No)]/潛在脆弱性(No)

生態(tài)環(huán)境脆弱性相對變化率 (Nc) =100%×[后期現(xiàn)實脆弱性(Ni2)-前期現(xiàn)實脆弱性(Ni1) ]/前期現(xiàn)實脆弱性(Ni1)

其中,不同年限的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)實脆弱性比較,正值表示相對退化,負(fù)值表示相對修復(fù)。由此,可對多個單元的計算結(jié)果進(jìn)行聚類分析,從而對研究區(qū)域進(jìn)行分區(qū)。

另外,鐘曉娟等指出生態(tài)環(huán)境脆弱度是用于研究區(qū)域生態(tài)脆弱水平和表征生態(tài)環(huán)境脆弱性程度的重要指標(biāo),他們根據(jù)脆弱生態(tài)環(huán)境的主要成因及結(jié)果指標(biāo)來計算生態(tài)環(huán)境脆弱度,采用以下公式計算[62]。

式中,Xi為各指標(biāo)初始化值；Wi為各指標(biāo)權(quán)重；G為災(zāi)區(qū)生態(tài)脆弱度。

也有專家結(jié)合空間柵格數(shù)據(jù)因子綜合分析法,或者AHP層次分析法[7,18],進(jìn)行生態(tài)脆弱度(EVI)的評價。

式中,fi為第i個因子的評分值,Wi為第i個因子相對應(yīng)的權(quán)重值,n為評價因子個數(shù)。EVI值越大,脆弱程度越重。

3.3 模型方法比較分析

綜合生態(tài)環(huán)境脆弱性評價方法模型,主要包括層次分析法、模糊評價法、主成分法、綜合評價法及機(jī)器學(xué)習(xí)(PSVM、RF)等12種,各模型方法特征比較見表3。

表3 生態(tài)環(huán)境脆弱性評價方法比較

4 存在的問題和發(fā)展趨勢分析

以生態(tài)環(huán)境脆弱性評價為切入點,以土地利用變化和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展為基礎(chǔ),進(jìn)行生態(tài)環(huán)境脆弱性動態(tài)評價,討論生態(tài)環(huán)境脆弱性的驅(qū)動機(jī)理、演變過程和發(fā)展趨勢,服務(wù)于資源生態(tài)可持續(xù)利用和社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展,是生態(tài)環(huán)境脆弱性研究的通常路徑。梳理了最近30年來的發(fā)展歷程,依然存在一些問題和不足,這也是未來的研究中需要破解和改進(jìn)的地方。

4.1 存在問題分析

生態(tài)環(huán)境脆弱性研究是涉及領(lǐng)域和范圍較廣,包含了地學(xué)、生態(tài)、生物等多領(lǐng)域的研究,具有較強(qiáng)的綜合性。研究的切入點、側(cè)重點不同,則研究的方法模型會存在一定的差異性。但不管研究對象、研究方法有什么不同,都要涉及到5個方面的內(nèi)容(如圖1)：①數(shù)據(jù)收集；②選擇建立評價指標(biāo)體系；③確定指標(biāo)體系中各因子權(quán)重；④利用模型分析計算脆弱度指數(shù)；⑤評價結(jié)果的分析和應(yīng)用。總體上存在以下幾個共性的問題。

圖1 區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性評價內(nèi)容體系邏輯框架圖

(1)研究理論方法創(chuàng)新不足。

當(dāng)前對區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性評價和研究主要集中在實證性研究,主要針對人地系統(tǒng)展開,而對于具有較強(qiáng)不確定性的子系統(tǒng)如氣候變化、自然災(zāi)害等研究較少,也相對薄弱。脆弱性評價理論方法研究還不夠深入,基于人地耦合的系統(tǒng)脆弱性研究還處于發(fā)展階段,實證研究仍以生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評估和多元統(tǒng)計分析為主,脆弱性實證評價方法尚未成熟,時空動態(tài)及未來趨勢預(yù)測評價綜合性不夠,各地脆弱性實證評價指標(biāo)體系建構(gòu)中,層次與問題目標(biāo)定位不明確,針對性不夠強(qiáng)。

(2)評價指標(biāo)體系及分析模型難以統(tǒng)一。

在生態(tài)脆弱性評價的指標(biāo)選擇、模型選取等方面,不可避免存在外界干擾及數(shù)據(jù)不完整等不確定因素的影響,無論是自然條件因素還是社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都沒有統(tǒng)一的分析標(biāo)準(zhǔn)。不同學(xué)者在研究中往往有不同的評價指標(biāo)體系、不同的計算分析方法,未形成一套綜合的、完整的、涉及各種對象和尺度的生態(tài)脆弱性評價系統(tǒng),導(dǎo)致評價結(jié)果存在不確定性,不同評價區(qū)域之間評價結(jié)果沒有可比性,評價模型方法的標(biāo)準(zhǔn)化非常需要加強(qiáng)。

(3)人為主觀因素影響了評價結(jié)果的有效性。

由于不同的專家學(xué)者對生態(tài)脆弱性評價等級劃分及閾值認(rèn)知不統(tǒng)一,對生態(tài)脆弱性評價指標(biāo)的判分、權(quán)重和脆弱性等級劃分標(biāo)準(zhǔn)不一,直接導(dǎo)致評價結(jié)果的主觀性太強(qiáng)。如,指標(biāo)或等級評分有5級、4級、3級等標(biāo)準(zhǔn),評價結(jié)果等級劃分采用自然斷點法、自然分界法、專家經(jīng)驗、平均分配等不同方法。哪怕是針對同樣的研究對象,不同的專家學(xué)者其評價結(jié)果都很難進(jìn)行對比分析,統(tǒng)一評價指標(biāo)體系、判分標(biāo)準(zhǔn)及評價等級劃分是提升評價結(jié)果有效性的關(guān)鍵一環(huán)。

(4)評價結(jié)果的應(yīng)用研究有待拓展。

生態(tài)環(huán)境脆弱性評價是基于研究者對生態(tài)環(huán)境認(rèn)知數(shù)據(jù)經(jīng)驗分析,研究結(jié)果最終只是一些簡單的數(shù)值或數(shù)值段,通過“3S”技術(shù)我們可以將這些評價結(jié)果數(shù)值落實到時空區(qū)域,但這不是研究的全部。通過對生態(tài)脆弱性動態(tài)分析,認(rèn)識其驅(qū)動機(jī)理、演變過程和發(fā)展趨勢,進(jìn)一步與研究區(qū)域人地耦合方式、土地利用模式、生態(tài)保護(hù)措施等有效的銜接,開展生態(tài)環(huán)境的分區(qū)治理和有效管控研究,才能提高脆弱生態(tài)研究的科學(xué)性、有效性和實用性。

4.2 發(fā)展趨勢分析

生態(tài)環(huán)境脆弱性評價是自然地理、生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)綜合研究的一個交叉領(lǐng)域,具有很高的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。綜上所述,針對某一研究區(qū)域進(jìn)行生態(tài)環(huán)境脆弱性評價研究,也許構(gòu)建的指標(biāo)體系與評價模型方法或有所不同,但關(guān)于生態(tài)脆弱性的驅(qū)動機(jī)理、演變過程、發(fā)展趨勢、生態(tài)管控等研究目標(biāo)是相同的。圍繞著研究目標(biāo)更好地實現(xiàn),有以下幾方面的發(fā)展趨勢。

(1)研究思路需要進(jìn)一步突出綜合系統(tǒng)性。

隨著研究方法和技術(shù)手段發(fā)展進(jìn)步,無論圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)都突出了綜合性,數(shù)據(jù)來源都更加穩(wěn)定、可靠和容易獲取。其中包括：地質(zhì)、地形、土壤、水文、氣候等構(gòu)成生態(tài)環(huán)境潛在脆弱性的主要分析數(shù)據(jù)；植被覆蓋變化、土壤侵蝕變化、土地利用變化、社會經(jīng)濟(jì)變化等構(gòu)成生態(tài)環(huán)境脅迫脆弱性的主要分析數(shù)據(jù)。這為生態(tài)脆弱性綜合研究提供了很好的數(shù)據(jù)支撐。在生態(tài)環(huán)境脆弱性評價目標(biāo)方面,以人地關(guān)系為切入點,逐漸從單純的生態(tài)環(huán)境脆弱性評價走向生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會耦合脆弱性綜合評價,向“土地利用-社會經(jīng)濟(jì)-生態(tài)效應(yīng)”綜合研究發(fā)展,幫助我們更好地認(rèn)知生態(tài)環(huán)境背景下的人地耦合的時空特征,為資源生態(tài)和社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供重要的決策信息和管控依據(jù)。

(2)數(shù)據(jù)處理需要進(jìn)一步突出時空動態(tài)性。

早期的生態(tài)脆弱性評價靜態(tài)分析的比較多。隨著“3S”技術(shù)的發(fā)展及其廣泛應(yīng)用,特別是其數(shù)據(jù)獲取、模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)分析、空間分析、平臺展示等功能,為生態(tài)環(huán)境脆弱性動態(tài)評價提供了強(qiáng)勁的技術(shù)支撐?！按髷?shù)據(jù)”背景下,充分發(fā)揮“3S”技術(shù)優(yōu)勢,與傳統(tǒng)的研究方法手段相融合,實現(xiàn)統(tǒng)計信息和空間信息的及時處理,構(gòu)建區(qū)域尺度上兼?zhèn)湓u價、預(yù)測與預(yù)警功能的生態(tài)環(huán)境脆弱性評價模型,將是生態(tài)環(huán)境脆弱性評價的重要發(fā)展方向之一。在“3S”技術(shù)支持下,以全球氣候變化為背景的宏觀研究也得到了迅速發(fā)展,通過將遙感影像數(shù)據(jù)與長期定點觀測數(shù)據(jù)相融合,從時間和空間上更好地分析生態(tài)群落的演變、社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對生態(tài)環(huán)境脆弱性的作用機(jī)理和發(fā)展機(jī)制,實現(xiàn)更科學(xué)、客觀的時空動態(tài)評價。

(3)研究方法需要進(jìn)一步突出學(xué)科融合性。

在大數(shù)據(jù)背景下,生態(tài)脆弱性評價的方法不斷現(xiàn)代化,學(xué)科交叉研究得到了快速發(fā)展。最新的研究顯示,數(shù)據(jù)的獲取更多綜合了遙感數(shù)據(jù)、野外調(diào)查、樣地調(diào)查、地理國情普查等來源,數(shù)據(jù)分析方法也綜合了自然地理、土地生態(tài)、區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會政策、統(tǒng)計學(xué)等相關(guān)學(xué)科方法,通過計算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算功能及3S技術(shù)軟件平臺技術(shù),將人工智能中的核心機(jī)器學(xué)習(xí)方法運(yùn)用到生態(tài)環(huán)境脆弱性評價中來,打破傳統(tǒng)的數(shù)理模型方法計算,更深程度的挖掘影響生態(tài)環(huán)境脆弱性的數(shù)據(jù)信息,這種交叉綜合性研究方法運(yùn)用到區(qū)域大尺度上優(yōu)勢更加突出。同時,因為研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的多源融合、相互補(bǔ)充,為區(qū)域生態(tài)環(huán)境長期的演變特征分析提供了新的數(shù)據(jù)平臺,為提高訓(xùn)練樣本及今后的預(yù)測精度提供了條件和保障。

(4)研究結(jié)果需要進(jìn)一步突出實踐應(yīng)用性。

生態(tài)脆弱性評價的目標(biāo)是為資源可持續(xù)利用和社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供信息支撐和決策依據(jù),所以用評價結(jié)果來指導(dǎo)土地利用和生態(tài)管控,是研究的最終落腳點。結(jié)合評價結(jié)果加強(qiáng)分區(qū)研究是區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性研究未來發(fā)展的重點方向。依靠生態(tài)環(huán)境脆弱性評價結(jié)果對研究區(qū)域合理分區(qū),針對不同的分區(qū)結(jié)果采納不同的整治對策,可為優(yōu)化國土空間開發(fā)格局、構(gòu)建國土全域保護(hù)格局及生態(tài)功能區(qū)綜合整治提供重要信息。根據(jù)研究目標(biāo)不同可選擇不同的分區(qū)依據(jù)：一是依照潛在脆弱性評價進(jìn)行區(qū)分；二是依照脅迫脆弱性評價進(jìn)行區(qū)分；三是依照現(xiàn)實脆弱性評價進(jìn)行區(qū)分；四是依照絕對變化率進(jìn)行區(qū)分；五是依照相對變化率進(jìn)行區(qū)分。分別表示生態(tài)環(huán)境脆弱性的自然區(qū)劃、脅迫區(qū)劃、現(xiàn)實區(qū)劃、絕對變化程度區(qū)劃、相對變化程度區(qū)劃?？傮w上,依據(jù)評價結(jié)果實現(xiàn)對區(qū)域資源生態(tài)和社會經(jīng)濟(jì)進(jìn)行綜合治理和有效管控,助力生態(tài)優(yōu)先、可持續(xù)發(fā)展,是生態(tài)脆弱性評價最終價值實現(xiàn)的重要途徑。