基于VSD模型的經濟發達地區生態脆弱性評價
——以太湖流域為例

李平星，陳誠

中國科學院南京地理與湖泊研究所，江蘇 南京 210008

基于VSD模型的經濟發達地區生態脆弱性評價
——以太湖流域為例

李平星，陳誠

中國科學院南京地理與湖泊研究所，江蘇 南京 210008

自然與人為雙重因素導致的生態脆弱性是研究關注的熱點，但是較少有研究定量揭示2種因素共同作用下的生態脆弱區的空間格局，并提出針對性的空間管制措施。本文以經濟發達的太湖流域為案例，借助Polsky等人提出的VSD模型，通過暴露度、敏感性和適應能力分解脆弱性，并構建包含自然和人為因素在內的、由10個要素和21個指標組成的指標體系，對太湖流域生態脆弱性進行定量評價，結果表明：（1）暴露度、敏感性、適應能力和生態脆弱性均呈現“東北高、西南低”格局；（2）太湖流域以中低強度的脆弱區為主，不脆弱區、一般脆弱區、較脆弱區、很脆弱區和極脆弱區占比分別為19%、26%、33%、15%和7%；（3）現狀建設用地絕大部分分布于相對脆弱的區域內，不同類型建設用地的分布特征存在明顯差異，城鄉居住用地主要分布于較脆弱區和很脆弱區內，獨立工業用地主要分布在較脆弱區、很脆弱區和極脆弱區內，交通用地則主要分布于一般脆弱區和較脆弱區內；（4）原有自然因素導致的脆弱性依然存在，人類活動強度增大已經成為是太湖流域脆弱性的主要誘因，人類活動范圍的擴大和強度的增加將會導致脆弱性的進一步增高。結合脆弱性分區及其誘因，對不同類型脆弱區提出了空間開發或生態保護的建議和措施。極脆弱區以疏散人口和產業、強化生態建設為主；很脆弱區和較脆弱區是未來開發建設的重點，要堅持適度開發、生態開發，避免脆弱性提高；一般脆弱區作為區域開敞空間，以農業生產為主，堅持點狀開發；不脆弱區以生態建設和環境保護為主，是太湖流域主要的生態服務供應地。

經濟發達地區; 自然與人為因素交互作用; 生態脆弱性; VSD模型; 太湖流域

人類對于地球的改變是持續而且不斷增長的，大約1/3到1/2的陸地表面已經被人類的開發利用活動所改變（Vitousek等，1997）。隨著開發強度的增加和人口—資源—環境—發展關系的不斷復雜化，地理學、生態學等相關學科的研究從注重由自然因素引發的環境變化逐漸轉變為更加注重由人類因素引發的環境變化（Manunel-Navarrete等，2007；陸大道，2011）。生態脆弱性研究呈現出類似的變化趨勢。脆弱性研究最早起源于自然災害研究，被定義為“在自然災害事件發生的過程中，個體或群體在預報、處理、抵抗以及從災害影響中恢復的能力”（Blaikie等，1994；李克讓等，2005）。隨著人為因素對自然生態系統作用強度的增加和范圍的擴大，自然因素、人為因素、生物因素相互作用下的生態脆弱性研究受到關注（陳萍和陳曉玲，2010；靳毅和蒙吉軍，2011）。Birkmann（2007）對脆弱性的擴展過程進行了梳理，認為脆弱性的內涵已經從早期的基于風險因子的內源性脆弱，擴展到融合了自然、經濟、社會、人文和環境、組織和機構等特征的綜合范疇；徐廣才等（2009）認為，生態脆弱性研究正逐漸從重點考察某單一生態要素發展到關注區域人地系統的整體性響應；其他諸多研究者也認為，脆弱性不僅僅包括由生態系統自然的、系統內部的演替所引起的自然脆弱性，還包括由外部的尤其是人類活動所引起的外部脆弱性（趙平等，1998；王小丹和鐘祥浩，2003；劉小茜等，2009；鐘曉娟等，2011）。

伴隨著脆弱性內涵的不斷延伸，其研究方法也在不斷改變。早期研究基于特定的風險因子，以單維度、單要素的評價為主；隨著脆弱性評價進一步涉及到自然、人文子系統及耦合系統的多個變量，綜合評價的必要性增強，綜合指數法、圖層疊置法、模糊物元評價法、層次分析法等得到廣泛應用（李鶴等，2008；喬青等，2008；周永娟等，2009；陳萍和陳曉玲，2010）。Polsky等(2007)受美國公共空間計劃整合框架的啟示，發展了基于“暴露-敏感-適應”的VSD評價整合模型(Vulnerability Scoping Diagram)。鑒于研究者普遍認為脆弱性有暴露度、敏感性和適應能力3個構成要素，VSD模型將脆弱性分解為暴露程度、敏感性和適應潛力3個維度，用“方面層-指標層-參數層”逐級遞進、細化的方式組織評價數據，流程規范清晰，具有較高的實用價值，可以揭示自然與人文要素的雙重影響，因而得到廣泛應用（Moreno等，2009；Pearsall等，2009；劉小茜等，2009）。

太湖流域地處我國長三角經濟區核心區，是國內經濟社會最為發達的地區之一。長期的開發建設使區域生態脆弱性的誘因、范圍和強度發生了較大的變化。以太湖流域為案例區、采用Polsky等(2007)的VSD模型進行區域生態脆弱性評價，既可以檢驗VSD模型的實用性，為模型提供實用參考，又可以全面揭示生態脆弱區，為通過針對性措施減輕脆弱性提供依據。

圖1 案例區范圍與區劃Fig. 1 Extent and administrative division of Taihu basin

圖2 2010年太湖流域土地利用Fig. 2 Land use of Taihu basin in 2010

1 案例區與研究方法

1.1 案例區

太湖流域地處長江三角洲的南翼，地處我國經濟最發達的地區之一——長江三角洲地區。除安徽省境內零星分布的山地外，流域涉及38個縣、市、區，行政范圍跨上海市、江蘇省和浙江省(圖1)。流域總面積約3.69×104km2，占全國國土面積的0.38%；其中，湖泊水面面積0.61×104km2，河道總長約12×104km。2010年末，常住人口總量約5391萬人，占全國總人口的4.22%；地區生產總值達到4.45萬億元，約占全國生產總值的11.18%；人均GDP 8.25萬元，約是全國平均水平的2.65倍。

快速的工業化和城市化進程在推動經濟社會發展取得巨大成就的同時，也帶動太湖流域土地利用格局劇烈變化，對太湖及其流域的生態環境產生較大影響。在大規模開發建設之前，受地勢低洼、水網密集、降水量大且集中等因素影響，洪澇災害是流域主要的自然災害類型（黃益斌等，1999；姜加虎和竇鴻身，2003）。隨著人口不斷積聚、產業不斷發展和城鎮快速擴張，流域內新的生態環境問題不斷涌現，主要表現為：水資源緊缺性提高，2010年水資源利用率超過100%，人均水資源量為389 m3，按國際標準處于極度缺水地區；水質不斷惡化，2010年重點水功能區水質達標率僅為34%，超過64%的地表飲用水源水質劣于III類水標準；產業發展對水環境的壓力增加，2010年71%的主要出入湖河流水質劣于V類（參考太湖流域管理局的《太湖健康報告2010》）；建設用地快速擴張，分散布局，土地開發利用強度較高，根據TM遙感影像數據，2010年建設用地比重達到25%，是1985年的2.3倍（圖2）。受此影響，太湖流域生態脆弱性格局發生了明顯的變化，由自然因素主導的脆弱性向自然-人文因素雙重影響的脆弱性轉變。

在全球環境變化背景下，基于自然和人文時間對太湖流域生態脆弱性進行評價，識別生態脆弱區及其主要的影響因素，進行流域生態脆弱性分區及空間管制，對于滿足流域經濟社會發展需求、科學保護流域生態系統、逐步實現區域可持續發展具有重要意義。

1.2 研究方法

VSD模型將生態脆弱性分解為3個維度，分別是暴露度、敏感性和適應能力。其中，暴露度是系統經歷環境和社會壓力或沖擊的程度，與壓力或沖擊的強度、頻率、持續時間以及與系統的鄰近性有關；敏感性是暴露單元容易受到脅迫的正面或負面影響的程度，是脅迫與所產生的后果之間多維度的劑量反應關系；適應能力是系統能夠處理、適應脅迫以及從脅迫造成的后果中恢復的能力（Turner等，2003；Polsky等，2007；靳毅和蒙吉軍，2011）。

暴露度是系統經歷環境和社會壓力或沖擊的程度，反映受外界干擾或脅迫程度的參數，暴露度越高，對生態環境風險的干擾更加敏感，自我調節能力較低，潛在脆弱性越高；案例區暴露源主要體現在人類活動方面，可以通過人口、產業的分布及土地利用格局等方面進行體現（田亞平等，2005；劉小茜等，2009）。敏感性是暴露單元容易受到脅迫的正面或負面影響的程度，是脅迫與所產生的后果之間多維度的劑量反應關系，敏感性由暴露的類型和系統特征決定，與系統被破壞的臨界條件有關，面對特性的內部或外部干擾，敏感性較高的地區受到破壞的可能性和破壞程度更大，脆弱性往往更高；案例區對外界干擾的敏感性主要體現在石漠化、水土流失等方面，可以通過自然資源條件和地形地貌特征等因素進行反映（趙躍龍，1999；王麗婧等，2005；官冬杰等，2006）。適應能力是系統能夠處理、適應脅迫以及從脅迫造成的后果中恢復的能力，適應能力是一種可改變和可調節的潛在的狀態參數，通過人為的干預或適應性管理進行提升，主要涉及政策和社會經濟層面的內容，適應潛力越大，面對同等干擾，系統恢復到平衡狀態的可能性越大，受損程度越低，脆弱性越小（陳萍和陳曉玲，2010；靳毅和蒙吉軍，2011）；案例區的適應能力可以通過經濟社會發展水平、資源利用效率、生態環保投入等進行表征。結合前面分析，參考已有研究成果，構建了如表1所示的指標體系。其中，目標為“生態脆弱性”，子目標為“暴露度”、“敏感性”和“適應能力”，其中每個子目標下又劃分為若干個要素層，每個要素由若干具體指標構成。

表1 生態脆弱性評價指標體系Table 1 Index of ecological vulnerability evaluation

單項指標進行五級分類的標準化處理；按照指標內涵和指向，1～5分別表示對應不脆弱、一般、脆弱、很脆弱和極脆弱。各項指標的指向及等級劃分主要是依據生態、環境、經濟、社會等領域的已有研究成果進行確定，標準為“*”的指標（即：C6和C9），越遠離珍稀動植物棲息地、土地覆被類型的原生性越好，則脆弱性越低。數據來源和分析評級單元如下：C3、C9、C11根據中國科學院南京地理與湖泊研究所“湖泊—流域科學數據共享平臺”上的“2010年太湖流域土地利用數據”進行整理，以公里網格為計算單元；C1、C2分別根據《2010年第六次人口普查分縣數據》、相關省市和縣市區的2011年統計年鑒數據獲得，并根據土地利用情況采用空間差值的方法獲得公里網格單元的數據；C4、C5、C16、C18、C19、C21根據2011年三省市及相關地市、縣市區的統計年鑒或公報數據整理，以縣市區為計算單元；C17、C20根據《2010年第六次人口普查分縣數據》獲得，以縣市區為計算單元；C10數據來自中科院資源環境科學數據中心，以公里網格為評級單元；C14、C15來源于中國科學院地球系統科學數據共享網的全國基礎地理要素數據，以公里網格為評級單元；C6、C7、C8綜合中國科學院南京地理與湖泊研究所編制的《江蘇省資源環境與發展地圖集》以及其他相關資料進行整理（參考中國地質調查局的全國重點區域水文地質調查結果—長江三角洲），以矢量數據為計算單元；C12根據全國主體功能區劃數據整理，以縣市區為計算單元；C13根據《太湖流域健康報告2010》和高俊峰等的太湖流域水生態功能分區數據整理（高俊峰和高永年，2012），以矢量數據為計算單元。

在單項指標評價的基礎上，采用層次分析法確定要素、指標的權重，計算暴露度、敏感性、適應能力和生態脆弱性。空間分析以ArcGIS9.3軟件為主；指標評價等采用柵格運算，以公里網格為計算單元；所有以縣市區、矢量板塊為計算單元的數據均通過ArcGIS軟件轉換為柵格數據。脆弱性分區依據ArcGIS的重分類工具中的“按照natural breaks”工具進行，以保證組內差異最小、組間差異最大。

層次分析通過yaahp v7軟件（www.jeffzhang.cn/）完成。yaahp軟件由蘭州理工大學張建華博士開發，是層次分析法的常用模型之一，具有較高的實用性。首先，分析要素層中各要素間的關系，采用采用1～9標度法對各要素的重要性進行兩兩比較，構建要素層判斷矩陣。其次，將判斷矩陣結果輸入yaahp v7軟件進行一致性檢驗和權重，經檢驗，判斷矩陣一致性為0.0624，所得要素權重結果可信度較高。然后，在每個要素中，采用類似步驟確定各要素內部組成指標間的相對權重，即指標權重。最后，通過要素權重和指標權重相乘，得到21個單項指標的最終權重（表1）。

2 研究結果

2.1 暴露度、敏感性和適應能力

暴露度、敏感性和適應能力基本呈現“東北高、西南低”的格局（圖3）。其中，暴露度最高的區域集中于上海市區和蘇錫常的市區部分；上海郊區、蘇錫常鎮的其他地區、杭嘉湖的市區部分暴露度較高。該類地區人口、產業密集，人類互動強度較大，自然災害頻發，暴露度較高。敏感性最高的區域集中于上海市域、湖州市區和無錫市區，蘇錫常和滬嘉杭沿線的區域敏感性也較高。該類地區自然生態系統破壞嚴重，水資源緊缺，水質較差，敏感性較高。適應能力最高的區域集中于上海，無錫、蘇州、杭州的市區及個別區縣也具有較高的適應能力。該類地區經濟社會發展水平較高，政府的生態建設和環境保護投入較大，居民生態環境意識較強。

2.2 生態脆弱性

暴露度、敏感性與生態脆弱性正相關，而適應能力與之表現為負相關關系。從生態脆弱性看，太湖流域生態脆弱性較低，不脆弱區、一般脆弱區、較脆弱區、很脆弱區和極脆弱區分別占19%、26%、33%、15%和7%，表明流域以中低強度的生態脆弱區為主，極脆弱區或很脆弱區所占比重相對較少。生態脆弱性的空間格局整體呈現“東北高、西南低”的格局（圖4）。

圖4 太湖流域生態脆弱性分區Fig. 4 Zoning of ecological vulnerability evaluation of Taihu basin

2.3 生態脆弱性分區與現狀建設用地的空間疊置關系

分析生態脆弱性分區與建設用地之間的空間關系，是對于緩解人為因素導致的脆弱性、減輕生態脆弱性的依據，結果表明：太湖流域高達58%的建設用地分布在很脆弱區和較脆弱區內；其次為極脆弱區和一般脆弱區，分別各占19%和18%；不脆弱區內建設用地最少，僅占建設用地總量的5%（表2）。從建設用地類型看，城鄉居住用地占建設用地總量的84%，其在不同等級脆弱區內的空間分布格局與建設用地類似，主要分布于較脆弱區和很脆弱區內，不脆弱區內分布較少。獨立工業用地較為集中地分布在較脆弱區、很脆弱區和極脆弱區內，交通用地則主要分布于一般脆弱區和較脆弱區內。太湖流域采礦場較少，主要分布于一般脆弱區和不脆弱區內。總的看來，獨立工業用地的分布區域脆弱性最高，居住用地與脆弱性高值區的空間分布相關性較高，交通用地次之，采礦場最低。

表2 脆弱性分區與現狀建設用地空間疊置關系Table 2 Spatial overlay relationship between zoning of ecological vulnerability and construction lands

3 5種類型脆弱性區的空間分布及其管制策略

極脆弱區主要分布于滬寧和滬杭2條人口、產業密集帶上，其中上海、蘇州、無錫、常州的市區和湖州的嘉善縣分布最為集中。從自然因素講，該類地區以地勢較低，洪澇災害的風險性較大；從人文因素講，該區域開發歷史最久、開發強度最高，歷來是區域人口和產業最為密集的地區。高強度的人類活動破壞了原生生態系統和地表植被，在自然脆弱性的基礎上，產生了由人為因素引起的次生脆弱性。對該類地區，未來要限制開發強度的增加和城鎮、產業空間的無序擴張，有序引導人口和產業向區域內脆弱性較低、開發條件較好的區域轉移。

很脆弱區的分布格局與極脆弱區類似，主要分布于極脆弱區的外圍地區，沿江和沿灣地區也有分布。很脆弱區與極脆弱區的自然特征類似，其生態環境本底具有一定的脆弱性，主要表現為地勢低洼、水網密集、洪澇災害敏感性較強。與極脆弱區相比，該類地區的開發強度稍低，因此其暴露度相對較小、敏感性相對較低，生態脆弱性較低。但是，該類地區是未來開發建設的重點區域，不斷提升的開發建設強度有可能導致脆弱性的提高，由很脆弱區向極脆弱區轉變。因此，需要加強對人口、產業集聚強度的控制，并加強生態建設與環境保護，以緩解區域生態環境壓力。

較脆弱區的分布相對分散，除西部山區外，沿江、沿灣、環湖等地區均有分布。該類地區同樣屬于地勢低外地區，自然生態系統具有一定的脆弱性。目前，該類地區處于開發建設的前沿地區，以耕地為主的景觀向耕地、建設用地并存的景觀轉變，開發建設強度不斷增加，生態脆弱性不斷增強。同時，受生態系統關聯性的影響，周圍極脆弱區、很脆弱區對該類地區產生了較大的影響，使其脆弱性進一步加大。該類地區將是未來開發建設的前沿地區，應合理確定區域生態承載力，采取嚴格的產業準入政策，重點發展高新技術產業，限制人口過度集聚。

與較脆弱區類似，一般脆弱區的分布也較為分散，夾雜于很脆弱區、較脆弱區之間。該類地區地勢相對較高，受洪澇等自然災害的威脅較少，土地利用類型以農用地為主，人地關系相對較為和諧。作為區域綠色開敞空間，為區域提供氣體調節、休閑娛樂等生態功能。未來應該堅持點狀開發、生態開發的原則，合理確定城鎮規模和邊界，嚴格控制城鎮規模擴張，重點發展生態產業，加強農地保護，適度集聚區域人口和產業，以免增強其生態脆弱性。

不脆弱區集中于西部山地地區。該類地區地處太湖流域上游，雖然具有一定海拔高度，但是絕大部分地區在1 000 m以下，坡度不高，光熱水土配置條件較為優越；以天然林為主，自然生態系統較為健康；由于人口密度較低、產業發展相對滯后，人類活動的負面影響較低。該地區具有極高的水源涵養、生物多樣性保護、水土保持等生態價值，受到地形條件、地貌特征等因素的影響不適宜進行開發建設。未來應堅持以生態建設和環境保護為主，禁止任何污染型產業發展，有序引導人口轉移，打造太湖流域重要的生態旅游和休閑目的地。

4 結論

（1）從方法和理論層面，本研究利用VSD模型進行生態脆弱性評價，有效揭示了自然與人文因素導致的生態脆弱區的存在。總的看來，太湖流域自然因素導致的脆弱性主要是因其地勢低洼、河網密集、降水較多等因素引起的。雖然多年治理已經有效提升了適應能力，緩解了災害影響，但是由于人口、產業大量積聚，使其對自然災害的暴露度增強，洪澇等原有的災害威脅并未徹底消除，缺水、地面沉降、大氣污染等新生災害出現并強化。在未來全球變化背景下，其敏感性將進一步增強。鑒于人口、產業已經大量急劇，暴露度難以降低，因此通過提升適應能力來降低生態脆弱性是相對可行的途徑。

（2）從實踐層面，針對不同類型生態脆弱區及其與現狀建設用地的空間疊置關系，本文分析了脆弱性的主要誘因，并提出了未來空間管制的主要方向。極脆弱區疏散人口和產業、強化生態建設為主；很脆弱區和較脆弱區是未來開發建設的重點，要堅持適度開發、生態開發，避免脆弱性提高；一般脆弱區作為區域開敞空間，以農業生產為主，堅持點狀開發；不脆弱區以生態建設和環境保護為主，使流域主要的生態服務供應地。

總的看來，本文采用VSD模型對經濟發達地區生態脆弱性進行了評價，具有一定的理論和實踐意義。目前研究僅僅是針對一個時間點進行的，并未通過長時間序列的分析解釋生態脆弱行的時空演變規律，也未通過情景模擬的方式模擬不同環境變化、經濟社會發展背景下的脆弱性變化。這是未來需要重點關注的問題。

致謝：感謝“中科院資源環境科學數據中心”、 “地球系統科學數據共享網”、中國科學院南京地理與湖泊研究所“湖泊—流域科學數據共享平臺”提供的數據支撐。

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Ecological vulnerability assessment of economic developed region based on VSD model: the case of Taihu basin

LI Pingxing, CHEN Cheng
Nanjing Institute of Geography and Limnology, CAS, Nanjing 210008, China

The interactive effects of natural and human factors on ecosystem have been focused on by quite a few researchers, especially in more developed regions. However, few researches indicated the spatial distribution of vulnerable zones caused by above factors quantitatively and proposed corresponding measures to control the increasing of vulnerability and promote regional sustainable development. Taking Taihu basin, a more developed region in eastern China, as a case area, assessments on ecological vulnerability were carried out based on VSD model developed by Polsky and his cooperators at 2007. The indices that included three sub objects, ten elements and 21 indicators were put forward accordingly, which were composed by various factors from both natural and human aspects. Results indicated the spatial differentiation of exposure, sensibility and adaptive capacity, and they were all of higher value in northeast part than southwest part of Taihu basin. Moreover, ecological vulnerability was of similar spatial pattern with exposure, sensibility and adaptive capacity. Five kinds of zones with lowest, lower, middle, higher, and highest vulnerability occupied 19%, 26%, 33%, 15% and 7% of the whole area, respectively. Most current construction lands were distributed at vulnerable regions, and four kinds of construction lands in this area were of different spatial pattern. Urban and rural residential lands were mainly distributed at zones with middle and higher vulnerability, and industrial lands were mostly distributed at zones with middle, higher and highest vulnerability. However, transportation lands were mainly distributed at zones with lower and middle vulnerability. There were few mining fields and they were mainly distributed at zones with lower vulnerability. The results also indicated that vulnerable zones caused by natural factors still existed, but human activity has become the major inducing factor for the increasing of vulnerability. Combined with vulnerability assessment and inducing factors, relevant suggestions on how to reduce vulnerability in the process of regional development were proposed. For zones with highest vulnerability, measures on how to evacuate crowded industry and population should be adopted. Zones with higher and middle vulnerability are the priorities for regional development, but future construction should be combined with moderate and ecological means to prevent the increasing of vulnerability. Zones with lower vulnerability should be defined as open spaces, and agricultural productions are their major functions. Zones with lowest are the most important supplying areas of ecosystem services, and eco-environment protection are the main work in the future.

economic developed region; interaction of natural and human factors; ecological vulnerability; VSD model; Taihu basin

P901

A

1674-5906（2014）02-0237-07

李平星，陳誠. 基于VSD模型的經濟發達地區生態脆弱性評價——以太湖流域為例[J]. 生態環境學報, 2014, 23(2): 237-243.

LI Pingxing, CHEN Cheng. Ecological vulnerability assessment of economic developed region based on VSD model: the case of Taihu basin [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(2): 237-243.

國家自然科學基金項目（41101161）；中國科學院南京地理與湖泊研究所青年人才基金（NIGLAS2011QD03）；中國科學院戰略性先導科技專項（XDA05050106）

李平星（1984年生），男，助理研究員，博士，主要從事區域發展及其生態效應研究。E-mail: pxli@nigalas.ac.cn

2013-10-02