基于多源數(shù)據(jù)的“安全公正空間”在大通湖流域環(huán)境管理中的應(yīng)用

蘇彥瑜 李春華 廖粵軍 李 燕,3 董旭輝,3

(1.廣州大學(xué)地理科學(xué)與遙感學(xué)院,廣州 510006;2.湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室,國家環(huán)境保護(hù)湖泊污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012;3.廣州大學(xué)氣候與環(huán)境變化研究中心,廣州 510006)

越來越多的證據(jù)表明,人類活動(dòng)正逐步威脅著地球生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)能力[1]。21世紀(jì)以來,受農(nóng)業(yè)集約化、城市化和氣候變化等因素的影響,濕地面積減少、質(zhì)量與功能持續(xù)下降,濕地及其流域環(huán)境退化已成為一種全球現(xiàn)象[2]。因此,迫切地需要一種新的模式,對(duì)地球系統(tǒng)目前所面臨的風(fēng)險(xiǎn)和壓力進(jìn)行評(píng)估,并采取積極的措施應(yīng)對(duì)當(dāng)前的挑戰(zhàn)。為了避免在全球范圍內(nèi)因超過閾值而引起的地球系統(tǒng)崩潰,Rockstr?m等[3]提出了一種指導(dǎo)全球可持續(xù)性發(fā)展的新方法——“地球界限”(Planetary Boundaries),來界定人類社會(huì)能夠安全運(yùn)行的安全操作空間。地球邊界代表著地球關(guān)鍵系統(tǒng)(如海洋酸化、化學(xué)污染等)過程的閾值,由于超越閾值將會(huì)觸發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的非線性變化或突變,因此超越一個(gè)或者多個(gè)地球邊界可能會(huì)帶來負(fù)面甚至災(zāi)難性的影響[3]。進(jìn)一步地,Raworth等[4]把代表人類福祉的11個(gè)社會(huì)基礎(chǔ)和表征地球關(guān)鍵系統(tǒng)過程的“地球界限”相結(jié)合,并稱之為“安全公正空間”(Safe and Just Operating Space,SJOS)。社會(huì)基礎(chǔ)是對(duì)實(shí)現(xiàn)人類福祉的期望,反映了滿足人類社會(huì)發(fā)展的最低標(biāo)準(zhǔn)。換言之,如果超越了地球界限,地球系統(tǒng)將會(huì)面臨生態(tài)破壞;如果沒有滿足社會(huì)基礎(chǔ)的最低標(biāo)準(zhǔn),人類社會(huì)的健康發(fā)展將難以得到保障。

國際上目前已開始利用SJOS框架對(duì)全球生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)狀況和人類福祉進(jìn)行評(píng)估。例如,Raworth等[4]首次探討了全球安全公正空間,表明在11個(gè)社會(huì)基礎(chǔ)維度中,人類目前在可獲得數(shù)據(jù)的每個(gè)維度上都低于社會(huì)基礎(chǔ)的最低標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)至少有三個(gè)環(huán)境系統(tǒng)過程(氣候變化、生物多樣性喪失率和氮循環(huán))已經(jīng)超越了地球界限。實(shí)際上,即使生態(tài)學(xué)家在研究同一生態(tài)系統(tǒng)時(shí),由于各自所采用的時(shí)間和空間尺度大小不一,結(jié)論往往存在較大差別[5]。而且有關(guān)資源使用和社會(huì)政策制定大多由國家或者地方以下的政府、企業(yè)等基于區(qū)域尺度做出的[6]。因此,為了使SJOS框架更好地對(duì)環(huán)境管理服務(wù),需要進(jìn)行尺度轉(zhuǎn)換,將邊界由全球尺度匹配至這些決策管理所實(shí)施的區(qū)域尺度。Cole等[7,8]基于20項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)和社會(huì)基礎(chǔ)指標(biāo)以南非為例探索SJOS框架在國家及省級(jí)層面的應(yīng)用,結(jié)果表明幾乎所有的社會(huì)指標(biāo)都有所改善,但是大多數(shù)的環(huán)境指標(biāo)都趨近或者超越邊界。雖然上述研究表明了SJOS框架在保持原始設(shè)計(jì)的同時(shí)在全球亞尺度上有意義,但是上述研究主要基于短期相對(duì)靜態(tài)的指標(biāo)分析。社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)是復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)的系統(tǒng),因此科學(xué)描述生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)變化對(duì)于預(yù)測(cè)未來變化趨勢(shì)和關(guān)鍵的狀態(tài)轉(zhuǎn)變具有重要意義[9],從而為基于生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境恢復(fù)和可持續(xù)發(fā)展管理奠定基礎(chǔ)[10]。

湖泊作為流域物質(zhì)-能量流的“匯集點(diǎn)”,其沉積物忠實(shí)的記載著周邊區(qū)域的環(huán)境變化,湖泊生態(tài)系統(tǒng)變化與周邊流域、縣市的環(huán)境變化密切相關(guān),對(duì)沉積物的多指標(biāo)分析可以重建長(zhǎng)期以來的環(huán)境變化歷史[12]。本研究擬借助大通湖流域內(nèi)代表性地區(qū)長(zhǎng)期的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和湖泊沉積記錄數(shù)據(jù),利用多種方法來界定大通湖流域多個(gè)重要的生態(tài)-環(huán)境過程的環(huán)境邊界和社會(huì)福祉達(dá)成度,從而構(gòu)建大通湖流域尺度上可持續(xù)發(fā)展的SJOS;利用環(huán)境庫茲涅茲曲線來揭示流域生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系來展示該區(qū)域社會(huì)發(fā)展的不同階段性。本研究結(jié)果將為大通湖流域的環(huán)境保護(hù)與資源開發(fā)、可持續(xù)發(fā)展提供重要的指導(dǎo)框架。

1 研究區(qū)域

大通湖(112°17′E—112°42′E,29°4′N—29°22′N)面積82.7 km2(圖1),是湖南省最大的內(nèi)陸淡水養(yǎng)殖湖泊,位于益陽市大通湖區(qū)西北側(cè)即南縣與沅江市交界處,長(zhǎng)江中游荊江段南岸[11]。改革開放以來,流域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展成就顯著,1978年益陽市地區(qū)生產(chǎn)總值僅為10.4億元,2019年躍升至1792.5億元。但是近年來,流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐步下降,環(huán)境保護(hù)形勢(shì)嚴(yán)峻。由于流域內(nèi)石煤礦山生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理得不到落實(shí),部分區(qū)域植被恢復(fù)效果不佳,邊坡雨水沖刷存在水土流失的問題(http://www.yiyang.gov.cn/yiyang)。此外,由于生活污水直排河湖,造成流域內(nèi)蘭溪河等多個(gè)河段水體污染問題突出,對(duì)當(dāng)?shù)氐乃窗踩a(chǎn)生嚴(yán)重威脅[13]。

圖1 大通湖流域的地理位置Fig.1 Location of Datong Lake catchment

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 區(qū)域SJOS框架的構(gòu)建

SJOS框架由指示環(huán)境變化的環(huán)境系統(tǒng)過程和保障人類福祉的社會(huì)基礎(chǔ)構(gòu)成,由于資源分布以及人類活動(dòng)的空間異質(zhì)性,生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)與管理應(yīng)要有針對(duì)性地對(duì)各地區(qū)關(guān)鍵的生態(tài)問題進(jìn)行研究。另外,2015年聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展峰會(huì)上建立了全球可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(Sustainable Development Goal,SDG),SDG涵蓋了社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展三個(gè)維度,旨在解決全球面臨的挑戰(zhàn),如貧困、公共衛(wèi)生和氣候變化等,是當(dāng)前和未來人類社會(huì)發(fā)展重要的行動(dòng)指南。因此本研究結(jié)合流域特征在Raworth等[3]基礎(chǔ)上提出系列描述區(qū)域地球系統(tǒng)過程及社會(huì)福祉的指標(biāo)。其中,構(gòu)建SJOS框架各維度的選擇標(biāo)準(zhǔn)主要基于以下三個(gè)方面:(1)是否能夠反映該區(qū)域發(fā)展過程中關(guān)鍵的環(huán)境問題和社會(huì)問題;(2)是否存在區(qū)域閾值或者限制;(3)系統(tǒng)狀態(tài)存在潛在的突變過程甚至?xí)霈F(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)破壞。另外,評(píng)價(jià)區(qū)域系統(tǒng)狀態(tài)指標(biāo)的選擇標(biāo)準(zhǔn)主要是:(1)基于SDG所涉及的技術(shù)指標(biāo);(2)是否可以獲取足夠時(shí)長(zhǎng)且可靠的數(shù)據(jù)。

環(huán)境系統(tǒng)SJOS框架中環(huán)境過程的選擇借鑒全球尺度上指標(biāo),同時(shí)參照2018年中共中央、國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù) 堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見》中所涉及的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量關(guān)鍵問題,從而確定與區(qū)域生態(tài)環(huán)境發(fā)展相關(guān)的維度,主要由氣候變化等11個(gè)區(qū)域環(huán)境系統(tǒng)過程組成(表1)。

表1 大通湖流域環(huán)境系統(tǒng)過程及其評(píng)價(jià)指標(biāo)、環(huán)境上限類型及其定義、當(dāng)前值及狀態(tài)Tab.1 Environmental system process and evaluation index,the type of environmental ceiling and its definition,current value and status in Datong Lake catchment

湖泊沉積物記錄了流域內(nèi)長(zhǎng)期生態(tài)環(huán)境的變化過程,因此把湖泊沉積多指標(biāo)和環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(或社會(huì)年鑒數(shù)據(jù))指標(biāo)結(jié)合共同反映流域內(nèi)的環(huán)境變化過程。具體如下:(1)遵循全球框架下的碳排放協(xié)議及中國政府根據(jù)自身發(fā)展?fàn)顩r所制定的溫室氣體排放的中長(zhǎng)期目標(biāo),大通湖流域采取碳排放總量和二氧化碳排放強(qiáng)度作為指示大通湖流域的氣候變化現(xiàn)狀;(2)氫氯氟碳化合物(HCFCs)是一種重要的消耗臭氧層物質(zhì),因此本文選擇大氣中含量較多的HCFC-141b的排放量作為指示的臭氧層消耗的指標(biāo);(3)將人均化肥使用量作為衡量地區(qū)化肥使用量的指標(biāo);(4)選擇萬元GDP耗水量來衡量流域內(nèi)的淡水利用情況;(5)利用空氣中可吸入顆粒物(PM2.5)濃度來指示空氣質(zhì)量狀況,另外,近年來非基巖來源的鉛(Pb)濃度的增加主要是交通污染輸入源[14],因此對(duì)于歷史時(shí)期的空氣質(zhì)量狀況則采用湖泊沉積物中Pb的濃度來衡量;(6)在無法準(zhǔn)確衡量或缺乏陸地生物多樣性數(shù)據(jù)的情況下,水生生物的多樣性一定程度上代表了流域多樣性的總體變化,因此沉積物中的硅藻亞化石多樣性指數(shù)可用于指示該流域的生物多樣性情況;(7)耕地資源是糧食生產(chǎn)的基礎(chǔ),本文以基于糧食安全目標(biāo)的區(qū)域耕地需求量作為糧食安全的評(píng)價(jià)指標(biāo);(8)總磷作為水體的主要營養(yǎng)污染指標(biāo),利用基于沉積硅藻-總磷的歷史重建值來評(píng)價(jià)流域內(nèi)的水質(zhì)變化過程[15,16];(9)磁化率在固定物源的背景下,土壤改良度愈高,磁化率則越高[17],因此把磁化率作為指示流域內(nèi)土壤穩(wěn)定性的指標(biāo);(10)沉積速率主要反映入湖物質(zhì)量的多寡,因此采用沉積速率指標(biāo)來指示流域內(nèi)的水土保持程度;(11)流域內(nèi)的重金屬污染物主要大氣沉降或者地表徑流的方式匯入湖泊,因此沉積物中重金屬(如銅)含量的變化能夠指示流域的化學(xué)污染狀況。

通過湖泊沉積記錄及環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)重建大通湖流域關(guān)鍵的環(huán)境系統(tǒng)過程,并且對(duì)不同歷史時(shí)期的流域內(nèi)環(huán)境系統(tǒng)過程狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)合Cole等[7]對(duì)環(huán)境邊界類型分類方法,本研究擬根據(jù)環(huán)境邊界類型對(duì)環(huán)境系統(tǒng)中11個(gè)維度的邊界類型進(jìn)行分類,并且明確其對(duì)應(yīng)環(huán)境上限確定方法。第一種類型:全球邊界型,邊界基于全球生物物理閾值,包括國際上公認(rèn)的閾值,也包含了國家或者地區(qū)對(duì)全球目標(biāo)的各自行動(dòng)計(jì)劃。因此在考慮國家和地區(qū)間的責(zé)任和能力的差異的基礎(chǔ)上將閾值降維到區(qū)域尺度,如碳排放總量利用益陽市GDP份額將全國的碳排放控制總量降維到益陽市。第二種類型:區(qū)域邊界型,邊界的設(shè)定主要是考慮了區(qū)域的限制,既有自然閾值,同時(shí)也包括受人類生產(chǎn)力水平影響的邊界。區(qū)域邊界型指標(biāo)的環(huán)境邊界的界定主要是依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)型/專家判斷型,如依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)中PM2.5二級(jí)濃度限值。第三種:地方邊界型,邊界的設(shè)定是基于目前的研究和專家判斷,同時(shí)結(jié)合了流域系統(tǒng)的長(zhǎng)期變化特征來判斷環(huán)境基準(zhǔn)。地方邊界型指標(biāo)主要采用環(huán)境基準(zhǔn)法來確定環(huán)境邊界,即從湖泊歷史演變的過程中識(shí)別受人類活動(dòng)干擾前的環(huán)境狀態(tài)作為環(huán)境上限,如把1950s—1980s環(huán)境狀態(tài)作為環(huán)境上限。

在劃定上述環(huán)境邊界的基礎(chǔ)上,可以對(duì)各環(huán)境過程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估:用“安全”狀態(tài)表示當(dāng)前環(huán)境系統(tǒng)過程沒有超越環(huán)境上限;“謹(jǐn)慎”狀態(tài)是介于“安全”和“危險(xiǎn)”之間的過渡狀態(tài);“危險(xiǎn)”狀態(tài)表示當(dāng)前環(huán)境系統(tǒng)過程突破了環(huán)境上限,生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的退化現(xiàn)象。其中,距邊界值介于-5%—5%表示系統(tǒng)過程處于“謹(jǐn)慎”狀態(tài);大于5%表示環(huán)境系統(tǒng)過程處于“安全”狀態(tài);小于5%代表環(huán)境系統(tǒng)過程處于“危險(xiǎn)”狀態(tài)。

社會(huì)發(fā)展SJOS框架社會(huì)發(fā)展方面主要參照SDG和政府工作報(bào)告中所確定的社會(huì)優(yōu)先事項(xiàng)。主要由無貧困、良好健康、優(yōu)質(zhì)教育、性別平等、體面工作、清潔用水與衛(wèi)生設(shè)施、能源安全和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新9個(gè)維度構(gòu)成(圖2)。每個(gè)維度與可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)SDG相對(duì)應(yīng),因此主要從SDG中選擇最合適的子目標(biāo)作為衡量各維度的指標(biāo),如把單位GDP能耗同比下降目標(biāo)完成度作為衡量能源安全的評(píng)價(jià)指標(biāo)。每個(gè)維度的社會(huì)基礎(chǔ)(邊界)的設(shè)定主要依據(jù)政府工作報(bào)告等對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)(完成比例)及《中國兒童發(fā)展指標(biāo)圖集》[18]中所統(tǒng)計(jì)的全國平均水平。

2.2 環(huán)境庫茲涅茲曲線

環(huán)境庫茲涅茲曲線揭示經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與環(huán)境質(zhì)量狀況之間的關(guān)系[19]。本研究中環(huán)境庫茲涅茲曲線(EKC)采用1949—2019年人均GDP指標(biāo)來表示經(jīng)濟(jì)發(fā)展,流域內(nèi)的生物多樣性、水土保持、水質(zhì)、空氣質(zhì)量、化學(xué)污染和土壤穩(wěn)定性指標(biāo)來表示流域生態(tài)系統(tǒng)不同方面的系統(tǒng)狀態(tài)過程?？紤]到指標(biāo)的指示意義,對(duì)上述指標(biāo)序列進(jìn)行極值標(biāo)準(zhǔn)化后得到狀態(tài)值xn[即:(最大值-觀測(cè)值)/(最大值-最小值)處理],使得各指標(biāo)序列標(biāo)準(zhǔn)化至[0,1]的范圍內(nèi)(對(duì)生物多樣性指標(biāo)采用1-xn處理),分別代表該指標(biāo)狀況處于最差或最佳的狀態(tài)。因?yàn)槿我幌到y(tǒng)過程的惡化均有可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)的崩潰[1],所以對(duì)所有指標(biāo)值進(jìn)行算術(shù)平均數(shù)計(jì)算(即取權(quán)重為1的加權(quán)平均),來代表湖泊流域的生態(tài)系統(tǒng)的整體生態(tài)狀態(tài)。

2.3 數(shù)據(jù)來源

本研究中的湖泊沉積指標(biāo)詳細(xì)分析方法可見廖粵軍等[20],碳排放總量數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[21],大氣中二氧化碳的濃度數(shù)據(jù)來源于中國氣象局氣候變化中心公布的《中國溫室氣體公報(bào)》(http://www.cma.gov.cn/),HCFC-141b排放量數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[22],人均化肥使用量和人均耕地面積數(shù)據(jù)來源于歷年《湖南年鑒》[23],萬元GDP耗水量數(shù)據(jù)來源于益陽市水利局(http://www.yiyang.gov.cn/yysw/),大氣中PM2.5濃度數(shù)據(jù)來源于湖南省生態(tài)環(huán)境廳網(wǎng)站公布的數(shù)據(jù)(http://sthjt.hunan.gov.cn/)。選擇大通湖所在的益陽市的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為流域資料數(shù)據(jù)的來源。流域內(nèi)人均GDP、青壯年文盲率和農(nóng)村自來水普及率數(shù)據(jù)均來源于《益陽統(tǒng)計(jì)年鑒》[24]。5歲以下兒童可預(yù)防的死亡率、出生人口性別比、城市失業(yè)率、農(nóng)村衛(wèi)生廁所普及率和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)增加值占GDP的比重?cái)?shù)據(jù)均來自益陽市統(tǒng)計(jì)信息網(wǎng)公布的《益陽市2018年國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》(http://tjj.yiyang.gov.cn/)。最低生活保障線以下人口所占比重和單位GDP能耗數(shù)據(jù)均來源于湖南省統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站公布的數(shù)據(jù)(http://tjj.hunan.gov.cn/)。

3 研究結(jié)果

流域內(nèi)各環(huán)境系統(tǒng)過程的環(huán)境上限設(shè)定結(jié)果以及生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的判定結(jié)果如表1所示,結(jié)合目前環(huán)境系統(tǒng)過程和社會(huì)基礎(chǔ)發(fā)展過程對(duì)流域內(nèi)的社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià),具體情況如下:

目前,大通湖流域內(nèi)部分環(huán)境過程已經(jīng)出現(xiàn)明顯的退化(表1),其中淡水利用、空氣質(zhì)量和水質(zhì)這3個(gè)環(huán)境系統(tǒng)過程已經(jīng)超越了環(huán)境上限,處于危險(xiǎn)的狀態(tài)。臭氧層消耗等5個(gè)環(huán)境系統(tǒng)過程雖然沒有突破環(huán)境上限,但是其變化趨勢(shì)不樂觀,處于謹(jǐn)慎的狀態(tài)。流域內(nèi)氣候變化、化肥使用量和水土保持這3個(gè)環(huán)境系統(tǒng)過程目前發(fā)展態(tài)勢(shì)良好,處于安全的狀態(tài)。根據(jù)表1中各項(xiàng)環(huán)境系統(tǒng)過程的當(dāng)前狀態(tài),采用不同的顏色進(jìn)行標(biāo)記得到圖2。具體各項(xiàng)指標(biāo)詳細(xì)情況如表1所示。大通湖沉積物數(shù)據(jù)重建了其過去150余年的環(huán)境演化過程,圖3顯示近年來部分生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)過程出現(xiàn)了狀態(tài)轉(zhuǎn)換。湖泊沉積指標(biāo)長(zhǎng)期演化過程顯示:流域內(nèi)化學(xué)污染和生物多樣性系統(tǒng)狀況在1980s出現(xiàn)潛在的退化趨勢(shì),而空氣質(zhì)量II和湖泊水質(zhì)系統(tǒng)狀態(tài)則快速退化;流域內(nèi)水土保持系統(tǒng)狀況近年來雖有好轉(zhuǎn)的跡象,但是目前仍然處于謹(jǐn)慎的狀態(tài)。流域環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)顯示:化肥使用量、耕地資源系統(tǒng)狀態(tài)近年來有轉(zhuǎn)好的跡象,但是耕地資源仍然處于謹(jǐn)慎狀態(tài)。

圖2 大通湖流域“安全公正空間”框架Fig.2 The “Safe and Just Operating Space” for the Datong Lake catchment

流域內(nèi)社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r如表2所示,流域內(nèi)社會(huì)基礎(chǔ)發(fā)展現(xiàn)狀整體呈現(xiàn)較好的發(fā)展態(tài)勢(shì),部分社會(huì)基礎(chǔ)完成度達(dá)90%以上。具體說來,流域內(nèi)已有優(yōu)質(zhì)教育、體面工作和衛(wèi)生設(shè)施這3個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)過程的當(dāng)前完成值達(dá)到100%,良好健康、性別平等、清潔用水和能源安全這4個(gè)維度當(dāng)前完成值為90%以上,而無貧困和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新這2個(gè)維度的當(dāng)前完成值偏低。

大通湖流域環(huán)境庫茲涅茲曲線揭示了流域內(nèi)人均GDP與環(huán)境狀況之間的關(guān)系(圖4)。大通湖流域在過去的一百多年里經(jīng)過了多次的社會(huì)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型,如1950s以來,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)得到較快的發(fā)展,隨后工業(yè)生產(chǎn)水平逐步提高,自1980s以來,流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)快速發(fā)展景象[28]。但是,大通湖流域的生態(tài)環(huán)境過程整體上呈現(xiàn)逐步退化的趨勢(shì),至2000s以來,大通湖流域開展退田還湖等生態(tài)工程,退養(yǎng)、疏浚、活水等湖泊治理工程逐步開展(http://sthjt.hunan.gov.cn/)。因此,根據(jù)流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程與生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng),大通湖流域內(nèi)社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)大致分為初始階段(1950s—1980s)、嚴(yán)重退化階段(1980s—2000s)和逐步改善階段(2000s—)三個(gè)階段。自1954年以來,大通湖流域人均GDP增長(zhǎng)了將近400倍,但是流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)狀況卻急劇下降。在1980s以前,經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)較為緩慢,環(huán)境狀況開始出現(xiàn)退化趨勢(shì)。1980s以后,隨著人均GDP增加,流域內(nèi)環(huán)境狀況退化趨勢(shì)明顯。21世紀(jì)以來,隨著社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視,環(huán)境質(zhì)量逐步改善。

圖3 大通湖流域關(guān)鍵環(huán)境過程的長(zhǎng)期變化Fig.3 Long-term changes of key environmental processes in the Datong Lake catchment

表2 基于SDG的9項(xiàng)社會(huì)基礎(chǔ)指標(biāo)及其完成度Tab.2 9 social basis indicators based on SDG and their completion

圖4 1950s以來大通湖流域環(huán)境庫茲涅茲曲線Fig.4 Environmental Kuznets curve of Datong Lake catchment since 1950s

4 討論

人類活動(dòng)是地球系統(tǒng)變化的主要驅(qū)動(dòng)力,并且逐漸影響全球生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡[26]。同樣地,對(duì)于大通湖流域而言,人類活動(dòng)的強(qiáng)度和方式是影響該流域系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)程和狀態(tài)的主要因素。例如:流域內(nèi)農(nóng)業(yè)活動(dòng)中使用的化肥、農(nóng)藥是湖區(qū)水體總磷等污染物的重要來源,并且大通湖在1980s末期開始實(shí)施化肥養(yǎng)魚[27],極大推進(jìn)了流域內(nèi)水體富營養(yǎng)化進(jìn)程。此外,1950s,由于流域內(nèi)木材和薪炭材奇缺,為了滿足人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活需要,湖區(qū)周邊林木砍伐嚴(yán)重[27],沉積物的沉積速率記錄也反映出該時(shí)期的人類活動(dòng)特征,流域內(nèi)水土保持能力逐漸下降,甚至超越了環(huán)境上限。流域內(nèi)化學(xué)污染和空氣質(zhì)量Ⅱ環(huán)境系統(tǒng)在1970s—1980s期間過程出現(xiàn)明顯的退化趨勢(shì),這與流域內(nèi)紙漿制造、印染紡織和食品加工等高耗水、高污染企業(yè)的發(fā)展有著密切的聯(lián)系?？偟膩碚f,人類活動(dòng)將地球系統(tǒng)從過去一萬多年的穩(wěn)定狀態(tài)推向一個(gè)新的地質(zhì)時(shí)代——人類世[26],這是人類可持續(xù)發(fā)展所面臨的一個(gè)新的挑戰(zhàn),因此在全球可持續(xù)發(fā)展中需要新穎的管理模式。

社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)的復(fù)雜性對(duì)SJOS框架的構(gòu)建和發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。由于資源分布的空間差異性和不均勻性,因此構(gòu)建“安全公正空間”框架需要考慮全球和區(qū)域的差別。但總的來說,環(huán)境系統(tǒng)過程需要涵蓋主要的生物地球物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng),與人類活動(dòng)有關(guān)的系統(tǒng)過程。此外,SJOS框架揭示了流域各系統(tǒng)要素之間存在相互作用的復(fù)雜關(guān)系,國際上已有學(xué)者指出許多環(huán)境地球系統(tǒng)過程一旦超越閾值都將危及其他的系統(tǒng)過程,并且地球邊界與社會(huì)基礎(chǔ)之間的也存在相互作用[3,4]。就大通湖流域而言,水質(zhì)和空氣質(zhì)量指標(biāo)可能會(huì)對(duì)流域內(nèi)的良好健康這一社會(huì)維度產(chǎn)生影響,因此通過定量和綜合的方法在全球、區(qū)域范圍內(nèi)闡述這些假設(shè)將會(huì)進(jìn)一步提高SJOS框架對(duì)社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)能力。環(huán)境庫茲尼茨曲線從系統(tǒng)的角度提供了流域自然-社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)是否可持續(xù)發(fā)展的另外一個(gè)視角,是對(duì)所構(gòu)建的SJOS框架有益補(bǔ)充。特別是在進(jìn)行流域社會(huì)發(fā)展可持續(xù)性評(píng)估方面,它能給出一個(gè)更為直觀、綜合的整體評(píng)價(jià),并且該評(píng)價(jià)結(jié)果還能用于不同流域間、不同發(fā)展階段的直接對(duì)比。

雖然當(dāng)前對(duì)地球系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制缺乏全面的了解,但是對(duì)流域關(guān)鍵環(huán)境過程閾值的設(shè)定具有重要的意義。實(shí)施生態(tài)系統(tǒng)管理必須基于對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過程的全面了解[28]。在全球或區(qū)域尺度超越閾值將會(huì)產(chǎn)生快速或緩慢的反饋效應(yīng),這都會(huì)危及地球系統(tǒng)的健康發(fā)展[3,29]。在本研究中通過具有長(zhǎng)時(shí)間尺度的湖泊沉積物數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)重建了流域內(nèi)關(guān)鍵環(huán)境系統(tǒng)要素的發(fā)展過程,有助于識(shí)別系統(tǒng)要素發(fā)展特征。大通湖流域內(nèi)水質(zhì)系統(tǒng)過程屬于典型的“快”反饋效應(yīng),當(dāng)水質(zhì)中總磷的濃度超越閾值時(shí),水質(zhì)迅速下降,水域生態(tài)系統(tǒng)快速退化。相對(duì)地,流域內(nèi)水土保持狀況這一系統(tǒng)要素的發(fā)展過程則屬于典型的“慢”反饋效應(yīng),歷史時(shí)期湖泊沉積物的沉積速率呈現(xiàn)較慢的發(fā)展變化態(tài)勢(shì),不存在明顯的突變過程,但是由于具有系統(tǒng)要素長(zhǎng)期的變化特征有助于識(shí)別并判斷閾值?？偟膩碚f,由于在過去的十幾年中,人類活動(dòng)幾乎影響了所有自然生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)程[30],基于多源的數(shù)據(jù)構(gòu)建SJOS框架可以定量重建過去一段時(shí)間的環(huán)境系統(tǒng)過程狀態(tài),這對(duì)于閾值的設(shè)定具有重要參考價(jià)值。1950s以來,尤其是改革開放后,我國人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境系統(tǒng)過程的影響程度加劇,因此把20世紀(jì)中后期的環(huán)境系統(tǒng)過程狀態(tài)作為環(huán)境基準(zhǔn)是合理的。

基于系統(tǒng)突變理論、長(zhǎng)期的視角將SJOS框架應(yīng)用于大通湖流域的可持續(xù)發(fā)展研究,對(duì)于流域的社會(huì)管理和環(huán)境安全具有重要的指導(dǎo)意義。一方面,本研究所設(shè)立的多個(gè)“環(huán)境上限”從流域生態(tài)系統(tǒng)的角度為區(qū)域生態(tài)安全劃定了“警戒線”[1]。大通湖流域的研究表明當(dāng)前已有3個(gè)環(huán)境系統(tǒng)過程(淡水利用、水質(zhì)、空氣質(zhì)量)超越了環(huán)境上限(圖3),這三項(xiàng)指標(biāo)均與人類的健康息息相關(guān)。對(duì)環(huán)境管理而言,這些“警戒線”及不同環(huán)境過程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果(如前)可為高風(fēng)險(xiǎn)要素建立相應(yīng)的“緩沖區(qū)”,可為避免環(huán)境的整體惡化贏得足夠的反應(yīng)時(shí)間。另一方面,湖泊沉積記錄所提供的連續(xù)、高分辨率的環(huán)境變化數(shù)據(jù),可提供本區(qū)域歷史時(shí)期的多個(gè)環(huán)境演化“窗口”[12],能深入揭示社會(huì)-自然生態(tài)系統(tǒng)間復(fù)雜的動(dòng)態(tài)反饋關(guān)系(如多環(huán)境過程間的權(quán)衡關(guān)系),有利于制定更科學(xué)的流域環(huán)境治理策略。從SJOS框架中多環(huán)境要素及其與社會(huì)福祉達(dá)成度間復(fù)雜的關(guān)系可以看出,如若從根本上解決大通湖流域內(nèi)環(huán)境問題,必須開展流域之間的統(tǒng)一協(xié)作管理,協(xié)調(diào)好各級(jí)政府和地方之間的關(guān)系,嚴(yán)格控制流域內(nèi)不合理的人類活動(dòng)。例如,大通湖營養(yǎng)本底較高[20],湖泊極易富營養(yǎng)化,在此背景下,倘若流域內(nèi)工農(nóng)業(yè)廢水排放若不加以限制的話,大通湖流域的水質(zhì)則面臨著突破邊界的巨大風(fēng)險(xiǎn)。