基于適應(yīng)性循環(huán)的丹江口庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險評價

張玉嬌, 曾 杰, 陳萬旭, 黃 成

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地理與信息工程學(xué)院, 武漢 430078)

生態(tài)系統(tǒng)能夠為人類社會提供重要的物質(zhì)基礎(chǔ)和生態(tài)服務(wù)[1]，維持其結(jié)構(gòu)與功能的穩(wěn)定是人類社會發(fā)展的重要條件[2]。生態(tài)系統(tǒng)面臨的風(fēng)險包括生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能受到損失的可能性及嚴(yán)重程度，具有不確定性、危害性、復(fù)雜性、客觀性及動態(tài)性[3]，其發(fā)展過程伴隨著人類活動范圍的擴(kuò)大和程度的增加以及人與環(huán)境間新矛盾的產(chǎn)生。生態(tài)風(fēng)險評價是對生態(tài)系統(tǒng)風(fēng)險的定性描述或客觀量化，能夠為生態(tài)風(fēng)險管理提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持，對加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)管理、保障區(qū)域生態(tài)安全具有重要意義[4-5]，已成為健康環(huán)境管理必不可少的一部分[6]。

社會—生態(tài)系統(tǒng)是人類社會與自然界高度關(guān)聯(lián)的復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)[7-8]。其相關(guān)理論廣泛適用于研究不同尺度系統(tǒng)的時空動態(tài)變化，是當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展和全球變化領(lǐng)域研究的熱點與核心[9-10]。適應(yīng)性循環(huán)理論是對社會—生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制的描述，其將生態(tài)系統(tǒng)的演替理論從線性思維中解放出來，借助“潛力—連通度—韌性”3個維度，將生態(tài)系統(tǒng)演化的開發(fā)、保護(hù)、釋放、更新4個環(huán)節(jié)銜接成閉合的動態(tài)循環(huán)，用于解釋復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)對干擾和變化反饋的動力機(jī)制[11-12]。該理論突破了生態(tài)風(fēng)險評價視角的局限性，可通過構(gòu)建較為綜合的指標(biāo)體系展現(xiàn)不同時空維度的多種社會與生態(tài)功能[13]。將社會—生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)性循環(huán)過程進(jìn)行量化，助推了生態(tài)系統(tǒng)中看似復(fù)雜并相互聯(lián)系的要素動態(tài)規(guī)律分析。前人基于適應(yīng)性循環(huán)理論探討了城市[13]、旅游地[14]、黃土高原半干旱山區(qū)等[15]典型區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險動態(tài)特征。但遺憾的是，基于適應(yīng)性循環(huán)的庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險定量化評價還十分欠缺，缺乏有效的定量化模型。

庫區(qū)是流域水系的重要組成部分，也是保障社會系統(tǒng)水源供給的人類工程。20世紀(jì)90年代后我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展成就矚目，在快速城鎮(zhèn)化和土地利用轉(zhuǎn)換背景下[16]，庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變，生態(tài)環(huán)境問題逐漸浮現(xiàn)[17]，生態(tài)安全問題不容忽視。庫區(qū)所處環(huán)境存在有別于天然水域生態(tài)系統(tǒng)的特殊性，即庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)存在更多的人類活動。其系統(tǒng)內(nèi)部人工景觀與自然景觀在空間上復(fù)雜鑲嵌，社會系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)在功能上交流密切，屬于典型的社會—生態(tài)系統(tǒng)。社會—生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)性循環(huán)理論的快速發(fā)展，為認(rèn)識和理解庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險的綜合性和動態(tài)演化提供了新的思路。與生態(tài)安全需求相比，庫區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求同樣不容忽視，單一的保護(hù)政策并不適用于庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)。因此，厘清庫區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展過程中的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)和綜合生態(tài)風(fēng)險，對庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險適應(yīng)與緩解的決策制定具有重要意義。通過對已有研究成果的梳理發(fā)現(xiàn)，庫區(qū)作為重要的生態(tài)系統(tǒng)類型其重要性尚未被充分認(rèn)識。現(xiàn)有以庫區(qū)為研究區(qū)的生態(tài)風(fēng)險評價研究中，水庫水化學(xué)污染評價占據(jù)主流位置，而涉及系統(tǒng)整體的多要素綜合評價十分欠缺。支撐庫區(qū)可持續(xù)發(fā)展必須做到庫區(qū)綜合生態(tài)風(fēng)險的有效識別和科學(xué)評估，然而已有評價方法沒有充分考慮庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的獨(dú)特性，不僅忽視了庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的自組織動態(tài)演化過程，也難以體現(xiàn)庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)與社會系統(tǒng)之間的復(fù)雜交互關(guān)聯(lián)特征，尚不足以系統(tǒng)全面地揭示庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險的自適應(yīng)時空變化規(guī)律[18]，有必要進(jìn)一步考慮庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)與社會系統(tǒng)的時空交互過程，對庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行更為綜合性和針對性的評價。因此，有必要以適應(yīng)性循環(huán)為切入點，進(jìn)一步開展生態(tài)風(fēng)險評價和變化研究，突出生態(tài)風(fēng)險在庫區(qū)發(fā)展過程中的系統(tǒng)性和動態(tài)性，從而為更系統(tǒng)全面地理解庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險的適應(yīng)性變化和機(jī)理，為防治生態(tài)風(fēng)險、提升庫區(qū)生態(tài)安全水平提供科學(xué)保障。

基于此，本文通過借助GIS空間分析，將適應(yīng)性循環(huán)理論應(yīng)用于庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險評價指標(biāo)構(gòu)建以及庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險時空格局動態(tài)變化分析中，探測丹江口庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險在自然環(huán)境和人類活動雙重作用下的演變規(guī)律，彌補(bǔ)庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險定量化評價研究空缺，并通過對庫區(qū)適應(yīng)性循環(huán)過程與格局的刻畫，為分析庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險變化趨勢、生態(tài)風(fēng)險隱患預(yù)警提供新的角度，以期為合理進(jìn)行水源保護(hù)區(qū)土地可持續(xù)開發(fā)及制定水源區(qū)生態(tài)安全保護(hù)調(diào)控措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

丹江口水庫由1973年建成的丹江口大壩下閘蓄水后形成，橫跨湖北、河南兩省，包含漢江庫區(qū)和丹江庫區(qū)兩部分。作為國家重要戰(zhàn)略性工程“南水北調(diào)”中線的水源地，丹江口水庫為沿線十幾座大中城市提供生產(chǎn)生活和工農(nóng)業(yè)用水，重點解決河南、河北、北京、天津4省市的水資源短缺問題，供水范圍總面積15.5萬km2。截至2020年6月3日，南水北調(diào)中線一期工程已經(jīng)安全輸水2 000 d，累計向北輸水300億m3，極大促進(jìn)了我國水資源配置優(yōu)化和區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展，具備重大經(jīng)濟(jì)意義和生態(tài)意義。考慮到數(shù)據(jù)涵蓋范圍和數(shù)據(jù)可獲得性，本研究以丹江口水庫主體和匯水河流所在周邊地市湖北省丹江口市、鄖陽區(qū)、鄖西縣、張灣區(qū)、茅箭區(qū)，以及河南省淅川縣、西峽縣為研究區(qū)域，其中，丹江口水庫大壩位于丹江口市境內(nèi)，南水北調(diào)中線工程渠首位于淅川縣境內(nèi)，為南水北調(diào)中線工程的核心水源區(qū)、壩區(qū)。

研究數(shù)據(jù)中，土地利用1 km精度柵格數(shù)據(jù)和歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心[19]，高程數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http:∥www.gscloud.cn)，人口數(shù)據(jù)和GDP數(shù)據(jù)來源于《中國人口統(tǒng)計年鑒》、《南陽經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計年鑒》、《河南農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》、《河南調(diào)查年鑒》、《南陽統(tǒng)計年鑒》、《河南統(tǒng)計年鑒》、《湖北統(tǒng)計年鑒》、《十堰統(tǒng)計年鑒》、《中國城市統(tǒng)計年鑒》、《中國城市建設(shè)統(tǒng)計年鑒》及《河南改革開放30 a1978—2008》等，數(shù)據(jù)處理工具涉及ArcGIS 10.2，F(xiàn)ragstates 4.2，Origin 2018，CorelDRAW等軟件。研究中個別缺失年份數(shù)據(jù)采用相鄰年份插值法補(bǔ)齊。

2 研究方法

2.1 適應(yīng)性循環(huán)模型修正

2.1.1 適應(yīng)性循環(huán)模型 社會—生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)性循環(huán)理論有別于傳統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)演化理論，傳統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)演化理論認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展在時間上呈現(xiàn)二維線性發(fā)展特點，僅存在發(fā)展和退化兩種狀態(tài)，而在適應(yīng)性循環(huán)理論中，社會—生態(tài)系統(tǒng)存在生長、守恒、釋放和重組4種狀態(tài)并形成循環(huán)(圖1A)，且在“潛力—連通度—韌性”3個維度上呈現(xiàn)動態(tài)發(fā)展特點。適應(yīng)性循環(huán)各個階段“潛力—連通度—韌性”的不同組合特點，是判斷社會—生態(tài)系統(tǒng)所處階段的重要標(biāo)準(zhǔn)。生長階段，系統(tǒng)具有最大的成長速率，系統(tǒng)內(nèi)部潛能快速增長，推動系統(tǒng)進(jìn)入守恒階段。守恒階段的系統(tǒng)具有較高的連接度和充足的資本，表現(xiàn)出緩慢增長的穩(wěn)定狀態(tài)，但在穩(wěn)定發(fā)展模式的控制下，系統(tǒng)表現(xiàn)出對某些資本的強(qiáng)大控制力，使系統(tǒng)出現(xiàn)連接過度和運(yùn)行僵硬現(xiàn)象，系統(tǒng)韌性開始下降，一旦強(qiáng)干擾來臨，系統(tǒng)將不可避免地發(fā)生意外，進(jìn)入釋放階段。在釋放階段，系統(tǒng)會突然發(fā)生變化，失去積累和控制的資源，嚴(yán)密的組織結(jié)構(gòu)也會喪失，系統(tǒng)開始變得混亂無序，系統(tǒng)的多樣性開始顯現(xiàn)，這為系統(tǒng)的重組再生創(chuàng)造了無限可能，因此該階段也被稱為“創(chuàng)造性的毀滅”[20]，是更新階段的來源[21]。受強(qiáng)干擾影響的釋放階段通常持續(xù)時間短暫，例如某些災(zāi)害事件往往是瞬間發(fā)生，因此很難在評價中明確分離；而受持續(xù)弱干擾影響，如政策調(diào)整、大型工程等，釋放階段則會在循環(huán)中有所體現(xiàn)。系統(tǒng)進(jìn)入重組階段后進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)資本和要素聯(lián)系的重組，有可能進(jìn)入相同的循環(huán)，也有可能進(jìn)入新的循環(huán)，此時各維度組合特點往往雜亂無序，直至重新進(jìn)入穩(wěn)定的生長階段。

圖1 A適應(yīng)性循環(huán)模型 B擾沌模型

2.1.2 擾沌模型 Holling基于層次結(jié)構(gòu)提出擾沌模型，用于描述復(fù)雜適應(yīng)性系統(tǒng)的進(jìn)化本質(zhì)[22]。擾沌模型和適應(yīng)性循環(huán)模型緊密關(guān)聯(lián)，它們共同決定了整個系統(tǒng)的行為方式[23]。擾沌模型是指不同層級社會—生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)性循環(huán)的不同階段間存在各種聯(lián)系，即嵌套的自適應(yīng)周期(圖1B)[24-25]。兩類聯(lián)系比較關(guān)鍵：一是向上躍遷，低層次小系統(tǒng)不斷學(xué)習(xí)，聯(lián)系到能容納和運(yùn)作更多資本的高層次大系統(tǒng)，成功避免系統(tǒng)僵化帶來的崩潰風(fēng)險；二是向下躍遷，高層次系統(tǒng)運(yùn)行陷入僵化，通過緩慢釋放資本或變化資本利用方式，對過去成功經(jīng)驗進(jìn)行記憶和保護(hù)，回到能夠快速運(yùn)行的低層次小系統(tǒng)。由于系統(tǒng)按自適應(yīng)循環(huán)發(fā)展的層級關(guān)系不可預(yù)測，故極可能在重復(fù)循環(huán)和跨層級系統(tǒng)躍遷中自由轉(zhuǎn)換[26-27]。

2.1.3 模型修正 Holling提出的適應(yīng)性循環(huán)模型與擾沌模型普遍適用于社會—生態(tài)系統(tǒng)演化過程的定性分析，但仍存在一些局限性。原模型中，系統(tǒng)進(jìn)入守恒階段后，系統(tǒng)處于相對的高潛力高連通度高韌性狀態(tài)，發(fā)展模式穩(wěn)定，發(fā)展速度降低，在資本高度冗余、系統(tǒng)運(yùn)行不力的狀態(tài)下，系統(tǒng)韌性達(dá)到頂峰，并逐漸開始下降。為了進(jìn)一步體現(xiàn)系統(tǒng)守恒階段韌性變化的特征，本研究以系統(tǒng)韌性的峰值為界線將原模型守恒階段劃分為守恒階段和僵化階段，在僵化階段中系統(tǒng)表現(xiàn)出韌性下降的緩慢發(fā)展?fàn)顟B(tài)，此時系統(tǒng)的發(fā)展模式相對固化，風(fēng)險逐漸上升。與原模型相比，修正后的適應(yīng)性循環(huán)模型被劃分成生長(r)、守恒(K)、僵化(i)、釋放(Ω)、重組(α)5個階段，其中，生長階段、釋放階段和重組階段特點與原模型一致，守恒階段僅表示系統(tǒng)在資本富足狀態(tài)下的緩慢甚至停滯增長狀態(tài)，而僵化階段能為系統(tǒng)演化提出警示，一旦系統(tǒng)處于僵化階段，則應(yīng)引起管理者的重視，進(jìn)一步探究僵化出現(xiàn)的原因，及時規(guī)避風(fēng)險或抵抗干擾。

2.2 庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險評價框架與指標(biāo)體系構(gòu)建

2.2.1 評價指標(biāo)集 為正確評價庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險狀況，必須在明確每個維度意義的基礎(chǔ)上，選擇能夠反映每個維度內(nèi)系統(tǒng)各要素復(fù)雜關(guān)聯(lián)的指標(biāo)，構(gòu)建相對完整的生態(tài)風(fēng)險評價模型。借鑒已有的相關(guān)成果，以科學(xué)性為原則，在保證方法可操作性和數(shù)據(jù)可得性的基礎(chǔ)上，結(jié)合庫區(qū)的特點，構(gòu)建基于適應(yīng)性循環(huán)的理論研究框架涉及的“潛力—連通度—韌性”三維度綜合評價指標(biāo)體系。模型綜合考慮庫區(qū)生態(tài)環(huán)境、景觀結(jié)構(gòu)及人類活動等要素，能較好評價在自然環(huán)境和人類活動的干擾下庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險的演變規(guī)律，并預(yù)測系統(tǒng)生態(tài)風(fēng)險未來演變趨勢。模型中潛力代表庫區(qū)自身的屬性和本底條件，能夠為未來系統(tǒng)發(fā)展提供方向，主要從要素積累的層面選取評價指標(biāo)[18,27-28]；連通度指庫區(qū)感知系統(tǒng)內(nèi)外變化的靈敏度，指標(biāo)旨在體現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部、各要素間或系統(tǒng)與外界溝通的數(shù)量和頻率[18,29]；韌性指庫區(qū)面對干擾的緩沖能力，主要從系統(tǒng)可能或正在面臨的風(fēng)險角度選取指標(biāo)[28,30]。

人類活動加速被認(rèn)為是與社會生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展過程中影響地球生態(tài)系統(tǒng)的最主要的外部因素。經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)特征的整合方式對系統(tǒng)的動態(tài)和變化具有極其重要的作用[31]。在以往的生態(tài)風(fēng)險評價研究中，人類活動被普遍認(rèn)作負(fù)面影響因素，但從適應(yīng)性循環(huán)和環(huán)境保護(hù)政策措施來看，人類活動的正面影響已不容忽視，其可被認(rèn)為是“具有創(chuàng)造力的干擾因子”，是社會—生態(tài)系統(tǒng)演化的重要驅(qū)動力，能推動系統(tǒng)適應(yīng)性循環(huán)由低效率向高效率轉(zhuǎn)變。因此，只有將不同類型的人類活動納入到生態(tài)風(fēng)險評價中，才能更為全面地提供社會—生態(tài)系統(tǒng)整體的生態(tài)風(fēng)險信息。

基于上述理論基礎(chǔ)，從庫區(qū)社會—生態(tài)系統(tǒng)的要素與主要功能層面，在“潛力—連通度—韌性”3個維度下共篩選了10個生態(tài)風(fēng)險評價指標(biāo)。其中，庫區(qū)社會—生態(tài)系統(tǒng)要素積累涉及生物量積累，資本積累等方面，選取歸一化植被指數(shù)、城鎮(zhèn)化率及地均GDP共3個指標(biāo)；系統(tǒng)連通度涉及系統(tǒng)內(nèi)人類活動、水體及土地要素間聯(lián)系，選取景觀破碎度、建設(shè)用地和水體面積加權(quán)平均鄰近系數(shù)及系統(tǒng)內(nèi)各地類間平均臨近指數(shù)作為評價指標(biāo)；韌性指標(biāo)涉及系統(tǒng)可能遭遇的干擾，考慮到景觀格局合理性及穩(wěn)定性等風(fēng)險，共選取香農(nóng)多樣性指數(shù)、景觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指數(shù)、土地利用合理性指數(shù)及建設(shè)用地和耕地占用生態(tài)用地面積4項指標(biāo)。各指標(biāo)計算方式如下：

(1)歸一化植被指數(shù)可表現(xiàn)植被的空間分布狀況，用以指示生物量的積累程度。區(qū)別于綠地面積，NDVI還能反映植被生長狀況和生態(tài)系統(tǒng)健康程度。歸一化植被指數(shù)取值范圍介于-1到1之間，負(fù)值表示地面覆蓋為水、雪等，0表示有巖石或裸土等，正值表示有植被覆蓋[32]。該值越大，系統(tǒng)潛力越大，系統(tǒng)面臨生態(tài)風(fēng)險越小。(2)城鎮(zhèn)化率是城鎮(zhèn)化的度量指標(biāo)，用以衡量社會系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。該值越大，系統(tǒng)潛力越大，系統(tǒng)面臨生態(tài)風(fēng)險越小。(3)地均GDP表示1 km2土地創(chuàng)造的GDP，能有效反映土地的使用效率。該值越大，系統(tǒng)潛力越大，系統(tǒng)面臨生態(tài)風(fēng)險越小。(4)景觀破碎度指在自然或人為干擾作用下，景觀由單一、均質(zhì)和連續(xù)的整體趨向于復(fù)雜、異質(zhì)和不連續(xù)的斑塊鑲嵌體的過程，此值越大，表明景觀單元內(nèi)部穩(wěn)定性越低，系統(tǒng)連通度越低生態(tài)風(fēng)險越大[33]。(5)建設(shè)用地和水體面積加權(quán)平均鄰近系數(shù)用于描述城市開發(fā)對水體的干擾，這種干擾被認(rèn)為會隨距離增大而逐漸衰減。該值越大，表明系統(tǒng)連通度越低，生態(tài)風(fēng)險越大。(6)平均鄰近指數(shù)(MPI)能夠度量同類型斑塊間的臨近程度，MPI值越大，表明同類型斑塊間鄰近度高[32]，系統(tǒng)連通度越高，系統(tǒng)面臨生態(tài)風(fēng)險越小。(7)香濃多樣性指數(shù)可指示景觀類型的多樣性，景觀類型越豐富，系統(tǒng)整體因某種景觀受到干擾而發(fā)生崩潰的可能性越低，系統(tǒng)韌性越大，系統(tǒng)面臨風(fēng)險越小[32]。(8)景觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指數(shù)用以表述土地利用景觀狀態(tài)的穩(wěn)定程度，該指數(shù)與景觀類型受到干擾后的穩(wěn)定性呈正相關(guān)[34]。

e=|1.5-E|

(1)

式中:E為景觀分維數(shù)，其值介于[1-2]，且E值越大,結(jié)構(gòu)越復(fù)雜；但E值越接近1.5時景觀結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定；e為景觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指數(shù)，值越大，景觀結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，系統(tǒng)韌性越大，系統(tǒng)面臨風(fēng)險越小。

(9)土地利用相對合理指數(shù)是從水土保持角度出發(fā)，分析不同土地利用方式受坡度的影響[35]。現(xiàn)有研究覆蓋區(qū)域涉及黃土高原地區(qū)和三峽庫區(qū)，本文借鑒前人成果，考慮丹江口庫區(qū)實際情況做出適當(dāng)調(diào)整。其計算方法為[36-37]：

(2)

式中:r為土地利用相對合理指數(shù);Lji表示在坡度段j第i種土地利用類型所占百分比;Rji表示第j坡度段對第i種土地利用的適宜程度,其值在0～1之間,1表示最適宜;0表示不適宜(表1);m為土地利用類型總數(shù)目;n表示坡度的分級數(shù)。r值越大表示土地利用方式越合理,其值為1時,表示土地利用結(jié)構(gòu)最佳。土地利用相對合理指數(shù)越大,系統(tǒng)韌性越大,系統(tǒng)面臨風(fēng)險越小。

表1 不同利用方式對坡度的適應(yīng)性評價

(10)建設(shè)用地 & 耕地占用生態(tài)用地面積用以指示在人類活動的影響下生態(tài)用地景觀格局受干擾的程度。該值越大，系統(tǒng)韌性越小，系統(tǒng)面臨風(fēng)險越大。

2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)化處理 對a個樣本、b個指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，則xij為第i個樣本的第j個指標(biāo)的數(shù)值(i=1,…,a;j=1,…,b)；根據(jù)指標(biāo)性質(zhì)，進(jìn)行異質(zhì)指標(biāo)同質(zhì)化，正向指標(biāo)按公式(3)計算，負(fù)向指標(biāo)按公式(4)計算。

(3)

(4)

2.2.3 計算指標(biāo)綜合值 采用熵權(quán)法確定權(quán)重(表2)。熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)法，僅依據(jù)數(shù)據(jù)本身的離散性確定權(quán)重，排除了決策者主觀判斷造成的誤差。因生態(tài)風(fēng)險與潛力、連通度、韌性的指標(biāo)性質(zhì)相反，對異質(zhì)指標(biāo)同質(zhì)化后不同的兩組標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)分別進(jìn)行權(quán)重計算，得到用于計算生態(tài)風(fēng)險值的權(quán)重1和用于計算“潛力—連通度—韌性”三維坐標(biāo)值的權(quán)重2。

表2 基于適應(yīng)性循環(huán)理論庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險評價指標(biāo)體系

根據(jù)公式(5)計算指標(biāo)綜合值(表3)。

Dij=d×xij

(5)

式中:Dij指第i個區(qū)域的第j個指標(biāo)的綜合值;xij為第i個區(qū)域的第j個指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值;d為指標(biāo)權(quán)重。

3 結(jié)果與分析

3.1 丹江口庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險時空變化過程

丹江口庫區(qū)整體生態(tài)風(fēng)險水平呈現(xiàn)波動下降趨勢(表3)，且生態(tài)風(fēng)險變化趨勢存在地域差異。對源數(shù)據(jù)按上述指標(biāo)處理方式分別進(jìn)行處理，可以發(fā)現(xiàn)，1990—1995年庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險不斷上升，1995—2015年庫區(qū)風(fēng)險水平持續(xù)下降，2015—2018年有所回升。丹江口市、淅川縣、鄖西縣、鄖陽區(qū)生態(tài)風(fēng)險變化趨勢相似，以2015年為節(jié)點，1995—2015年生態(tài)風(fēng)險持續(xù)下降，2015年后生態(tài)風(fēng)險明顯回升；西峽縣1995—2000年生態(tài)風(fēng)險有微小幅度的上升，1995—2015年持續(xù)下降，2015年后明顯回升，與庫區(qū)整體生態(tài)風(fēng)險呈現(xiàn)相同變化趨勢；茅箭區(qū)1995—2000年生態(tài)風(fēng)險顯著下降，1995—2010年持續(xù)上升，2010—2015年下降，但隨后再次上升。研究時段內(nèi)淅川縣、茅箭區(qū)、張灣區(qū)為生態(tài)風(fēng)險上升地區(qū)。

表3 研究區(qū)各市區(qū)縣生態(tài)風(fēng)險值

研究區(qū)各縣(市、區(qū))生態(tài)風(fēng)險值時空變化特征明顯。利用自然斷點法對研究時段內(nèi)研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險值進(jìn)行分級，結(jié)果見圖2。庫區(qū)主體位于丹江口市和淅川縣，其中丹江口市生態(tài)風(fēng)險值在研究時段內(nèi)持續(xù)降低，淅川縣生態(tài)風(fēng)險值1990—2015年持續(xù)下降，2015—2018年大幅回升；水庫主要干流流經(jīng)鄖西縣和鄖陽區(qū)，兩地均經(jīng)歷生態(tài)風(fēng)險值先下降后上升的變化趨勢；水庫干流次一級支流經(jīng)過西峽縣、張灣區(qū)和茅箭區(qū)，張灣區(qū)和茅箭區(qū)為十堰市城區(qū)，隨著城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，該地區(qū)生態(tài)風(fēng)險水平呈現(xiàn)波動上升趨勢，1990—2015年西峽縣生態(tài)風(fēng)險值達(dá)到研究時段內(nèi)峰值，而后快速下降，2015—2018年再次上升。可以看出，2015年前研究區(qū)內(nèi)除城區(qū)外生態(tài)風(fēng)險值普遍降低，生態(tài)狀況向好發(fā)展，2015—2018年除丹江口市外均出現(xiàn)生態(tài)風(fēng)險的回升，丹江口庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險形勢不容樂觀。

圖2 1995-2018年丹江口庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險分級

3.2 丹江口庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險適應(yīng)性過程與格局

生態(tài)風(fēng)險值在宏觀上簡潔明了的展現(xiàn)出一個地區(qū)整體的風(fēng)險水平，但僅借助單一的風(fēng)險指示難以做出具有針對性生態(tài)風(fēng)險管理決策，且難以預(yù)測區(qū)域內(nèi)未來生態(tài)風(fēng)險發(fā)展的可能性。因此，本研究進(jìn)一步探測了研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險在不同維度的表征(表4)。

表4 研究區(qū)各市區(qū)縣生態(tài)風(fēng)險三維評估體系計算結(jié)果

研究時段內(nèi)，庫區(qū)潛力水平呈明顯上升趨勢，2005年之前，庫區(qū)潛力增長緩慢；2005年后，潛力快速增長，其中2010—2015年增長最為迅速。研究時段中，地均GDP指標(biāo)所指示的庫區(qū)土地使用效率對庫區(qū)潛力變化趨勢有明顯影響，歸一化植被指數(shù)指示的自然要素積累則在2010年后對庫區(qū)潛力的快速增長起到明顯的積極作用，2015年后，城鎮(zhèn)化率的下降打破庫區(qū)潛力快速增長的勢頭，使?jié)摿υ鲩L幅度明顯放緩。連通度方面，庫區(qū)在1990—2000年經(jīng)歷大幅下降后又快速回升，2000—2015年呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，2015年后再次大幅度下降。對連通度指標(biāo)進(jìn)行單獨(dú)分析后發(fā)現(xiàn)，人類活動對水體的影響程度變化極大影響了研究時段內(nèi)庫區(qū)連通度的變化，在連通度的兩次劇烈變化階段均有體現(xiàn)。1990—1995年，庫區(qū)的韌性略有下降，而1995—2015年則呈階梯狀增長，并在2015年達(dá)到峰值后迅速下降。其中，1990—2015年和2005—2000年為穩(wěn)定增長期，2000—2005年和2010—2015年為快速增長期。1995年前后，土地的不合理利用對庫區(qū)韌性造成了明顯影響，2000—2005年、2015—2018年，人類活動造成的生態(tài)用地?fù)p失程度使庫區(qū)韌性變化趨勢發(fā)生明顯波動。

縣(市、區(qū))層面，各區(qū)域潛力變化趨勢與庫區(qū)整體變化趨勢大致相符，呈現(xiàn)波動或穩(wěn)定上升趨勢，受地均GDP波動的影響，茅箭區(qū)1990—2000年潛力經(jīng)歷了明顯的升高和回落，2005—2015年，茅箭區(qū)、張灣區(qū)受城鎮(zhèn)化率下降和歸一化植被指數(shù)上升共同影響，潛力出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折；多數(shù)市區(qū)縣連通度經(jīng)歷了加速下降過程，丹江口市、鄖陽區(qū)和張灣區(qū)連通度于2015年呈現(xiàn)大幅回升，各用地類型之間的連通度明顯升高；2015年前各市區(qū)縣韌性水平呈現(xiàn)階段性緩慢增長，2015年后僅茅箭區(qū)維持增長趨勢，鄖陽區(qū)和淅川縣韌性快速下降，其余區(qū)域緩慢下降，通過分析單個韌性指標(biāo)，推測鄖陽區(qū)和淅川縣2015年后建設(shè)用地侵占生態(tài)用地增加，景觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和土地利用合理性同時受到影響致使韌性大幅降低，系統(tǒng)抵御風(fēng)險能力受到影響。

3.2.1 丹江口庫區(qū)整體生態(tài)風(fēng)險適應(yīng)性過程 將庫區(qū)三維生態(tài)風(fēng)險值對應(yīng)到三維空間坐標(biāo)中，能夠清晰展示出7個年份生態(tài)風(fēng)險值的空間變化軌跡(圖3A)，根據(jù)點與點之間“潛力”、“連通度”、“韌性”3個維度的變化關(guān)系，能夠?qū)⒏鲿r間段對應(yīng)到適應(yīng)性循環(huán)周期的各個階段(圖3B)。1990—1995年潛力、韌性小幅度變化，連通度大幅下降，系統(tǒng)處于僵化階段，經(jīng)歷長期僵化后，庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險達(dá)到峰值；1995—2000年，庫區(qū)各項數(shù)據(jù)都發(fā)生明顯變化，連通度、韌性明顯上升，借助之前積累的資本和要素，系統(tǒng)發(fā)生調(diào)整，向下躍遷至新的循環(huán)；2000—2015年系統(tǒng)潛力、韌性繼續(xù)快速增長，但連通度緩慢下降，對應(yīng)模型的守恒階段，系統(tǒng)發(fā)展穩(wěn)定，生態(tài)風(fēng)險緩慢下降；2015—2018年潛力增長幅度減小，連通度、韌性大幅度降低，對應(yīng)模型僵化階段，是一個危險的信號。可以看到適應(yīng)性循環(huán)的階段特征與庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險評價值匹配度高，1995—2015年庫區(qū)發(fā)生躍遷后進(jìn)入守恒階段，生態(tài)風(fēng)險降低；1990—1995年、2015—2018年兩個釋放危險信號的階段，生態(tài)風(fēng)險水平呈現(xiàn)上升趨勢。丹江口庫區(qū)發(fā)生低位躍遷后，進(jìn)入高資源、高消耗的系統(tǒng)狀態(tài)，雖然暫時緩解了系統(tǒng)風(fēng)險，但不可避免再次進(jìn)入僵化階段，此時若是系統(tǒng)再次選擇向下躍遷，則會再次依靠資源消耗維持系統(tǒng)穩(wěn)定，若放任系統(tǒng)自由發(fā)展，則很可能使系統(tǒng)崩潰于未知風(fēng)險，只有進(jìn)一步深入研究丹江口庫區(qū)社會—生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展過程中的影響因子并做出正確決策，才能保證系統(tǒng)進(jìn)入良性發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

圖3 丹江口庫區(qū)三維生態(tài)風(fēng)險值與生態(tài)風(fēng)險適應(yīng)性循環(huán)模型圖

3.2.2 庫區(qū)各縣(市、區(qū))生態(tài)風(fēng)險水平適應(yīng)性變化過程 通過對計算結(jié)果的分析，可以發(fā)現(xiàn)生態(tài)風(fēng)險的變化特點與適應(yīng)性循環(huán)不同階段特征一定程度上相對應(yīng)(表3，表5)。其中，當(dāng)系統(tǒng)處于生長階段時，因內(nèi)部各要素向相對協(xié)調(diào)的狀態(tài)發(fā)展，系統(tǒng)生態(tài)風(fēng)險值呈下降趨勢；當(dāng)系統(tǒng)處于釋放階段、重組階段時，系統(tǒng)風(fēng)險上升；當(dāng)系統(tǒng)處于守恒階段時，系統(tǒng)風(fēng)險值表現(xiàn)相對恒定；在僵化階段，因系統(tǒng)連通度和韌性下降產(chǎn)生系統(tǒng)僵化，也會表現(xiàn)出生態(tài)系統(tǒng)風(fēng)險上升的趨勢。可見，借助適應(yīng)性循環(huán)周期特點對不同時期的生態(tài)風(fēng)險特征進(jìn)行分析一定程度上具備合理性，能夠為判斷庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險現(xiàn)狀提供依據(jù)。

表5 研究區(qū)各市區(qū)縣適應(yīng)性模型所處階段

通過分析研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險三維評價結(jié)果(表4)的適應(yīng)性周期變化特點，可見7個縣(市、區(qū))中，除淅川縣和鄖西縣外均發(fā)生過不同程度的“躍遷”現(xiàn)象(圖4)。其中丹江口市經(jīng)歷了兩次躍遷，狀態(tài)變化十分活躍。根據(jù)2015—2018年數(shù)據(jù)分析，丹江口市已率先求變，向上躍遷至新的循環(huán)，鄖陽區(qū)、張灣區(qū)進(jìn)入重組階段，3個地區(qū)系統(tǒng)內(nèi)部呈現(xiàn)高熵的特征，無序狀態(tài)下的消耗可能會給系統(tǒng)資源帶來壓力，增加系統(tǒng)內(nèi)部風(fēng)險產(chǎn)生的可能性；其余地區(qū)均處于僵化階段，該階段系統(tǒng)內(nèi)充足的資源和有序的消耗會增加系統(tǒng)陷入固定發(fā)展模式的可能性，消極求變將帶來兩種后果，一是資源耗盡，該系統(tǒng)面臨崩潰，二是遭遇干擾，系統(tǒng)經(jīng)歷資本的釋放重組或發(fā)生躍遷，此時未來發(fā)展方向?qū)⒉荒艽_定。

圖4 1990-2018年研究區(qū)各市區(qū)縣適應(yīng)性循環(huán)模型變化過程

3.2.3 庫區(qū)各市區(qū)縣生態(tài)風(fēng)險水平適應(yīng)性空間格局研究期內(nèi)，研究區(qū)各縣(市、區(qū))所處適應(yīng)性循環(huán)階段不盡相同，庫區(qū)內(nèi)部變化趨勢及變化速率存在明顯差異。各地區(qū)所處適應(yīng)性循環(huán)階段與生態(tài)風(fēng)險高值區(qū)分布存在一定相關(guān)性(圖5)。

圖5 1990-2018年研究區(qū)各市區(qū)縣適應(yīng)性循環(huán)模型空間格局

1990年，丹江口市處于僵化階段，呈現(xiàn)明顯的高風(fēng)險特點；至1995年，西峽縣發(fā)生系統(tǒng)躍遷，系統(tǒng)狀態(tài)不穩(wěn)定，鄖陽區(qū)由于系統(tǒng)長期處于守恒階段，面臨系統(tǒng)僵化，風(fēng)險上升；1995—2015年，生態(tài)風(fēng)險空間變化相對平穩(wěn)，其中人類活動較為集中的城市地區(qū)，如茅箭區(qū)、張灣區(qū)、鄖陽區(qū)適應(yīng)性階段變化較為明顯；至2018年，淅川縣和西峽縣經(jīng)歷長期的守恒階段后進(jìn)入僵化階段，成為明顯的風(fēng)險高值區(qū)，生態(tài)風(fēng)險后續(xù)發(fā)展趨勢亟待重視。

研究表明風(fēng)險變化趨勢與重要人類活動存在明顯相關(guān)性。有必要進(jìn)一步明確丹江口庫區(qū)整體性風(fēng)險的影響機(jī)制，以便管理者及時發(fā)現(xiàn)應(yīng)對突發(fā)或慢發(fā)性生態(tài)風(fēng)險。庫區(qū)作為典型的社會—生態(tài)系統(tǒng)，動態(tài)性和復(fù)雜性是系統(tǒng)發(fā)展的重要特點。為了最大程度上發(fā)現(xiàn)并化解風(fēng)險，保證庫區(qū)綜合效應(yīng)最大化，客觀上要求管理者能夠掌握這種復(fù)雜變化規(guī)律、升級更新管理理念和知識，以達(dá)成復(fù)雜系統(tǒng)下庫區(qū)可持續(xù)發(fā)展的新目標(biāo)[38]。針對系統(tǒng)不確定性的“適應(yīng)性管理”是一個很好的解決思路[39]。

4 結(jié) 論

(1)庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險評價。基于適應(yīng)性循環(huán)理論框架的“潛力—連通度—韌性”三維度綜合生態(tài)風(fēng)險評價指標(biāo)體系及其修正模型，適用于系統(tǒng)、動態(tài)的評價在自然環(huán)境和人類活動的干擾下庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險的演變規(guī)律，彌補(bǔ)了庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險定量化評價研究的空缺。1990年以來，丹江口庫區(qū)整體生態(tài)狀況經(jīng)歷重要的轉(zhuǎn)折期后長時間向好發(fā)展，但近年來生態(tài)風(fēng)險水平有所回升。1995年以來，丹江口庫區(qū)社會—生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)入緩慢發(fā)展的選擇期，說明丹江口庫區(qū)生態(tài)環(huán)境面臨系統(tǒng)內(nèi)部自發(fā)性的潛在風(fēng)險，若未來系統(tǒng)資本持續(xù)積累，潛力上升，長期發(fā)展將帶來系統(tǒng)僵化，連通度降低，韌性減弱，風(fēng)險上升。能否成功實現(xiàn)適應(yīng)性循環(huán)的“反抗”，使系統(tǒng)遷躍至更高層級的循環(huán)中，解決生態(tài)風(fēng)險上升問題，阻止系統(tǒng)進(jìn)入持續(xù)僵化的發(fā)展路徑，成為庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險管理工作的重中之重。

(2)庫區(qū)適應(yīng)性循環(huán)過程與格局刻畫。修正后的適應(yīng)性循環(huán)模型對系統(tǒng)僵化風(fēng)險的指示作用更加明顯，為庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險變化趨勢分析、生態(tài)風(fēng)險隱患預(yù)警提供了新的角度，有助于深入挖掘庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險變化的影響因子。庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險適應(yīng)性循環(huán)空間格局有助于明確一段時期內(nèi)庫區(qū)生態(tài)風(fēng)險管理的重點區(qū)域。從空間上看，2015—2018年丹江口庫區(qū)大部分地區(qū)進(jìn)入生態(tài)風(fēng)險高危階段，根據(jù)適應(yīng)性循環(huán)發(fā)展規(guī)律，處于僵化階段的淅川縣、鄖西縣、西峽縣和茅箭區(qū)應(yīng)受到重點關(guān)注，需密切關(guān)注系統(tǒng)內(nèi)部要素間聯(lián)系，引導(dǎo)系統(tǒng)向上躍遷至新的循環(huán)。此外，隨著城鎮(zhèn)化水平升高茅箭區(qū)和張灣區(qū)兩個中心市區(qū)人類活動痕跡更加明顯，生態(tài)風(fēng)險變化趨勢不容樂觀。

(3)目前研究尚存在不足。受數(shù)據(jù)可得性限制，目前評價指標(biāo)體系構(gòu)建對數(shù)據(jù)空間可視化的考慮不足。現(xiàn)今空間數(shù)據(jù)越來越豐富，不同空間尺度的生態(tài)風(fēng)險評價成為主流，但目前空間數(shù)據(jù)的可獲得性仍存在巨大局限，僅有極少統(tǒng)計數(shù)據(jù)脫離行政統(tǒng)計單元實現(xiàn)空間化，極大地局限了評價指標(biāo)的選擇。此外，社會—生態(tài)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，除內(nèi)部要素間相互聯(lián)系外，系統(tǒng)與外部的聯(lián)系同樣不可忽視，因此有必要完善評價體系對系統(tǒng)內(nèi)部要素間相互作用的表征，補(bǔ)充系統(tǒng)動態(tài)發(fā)展中外部因素對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)影響程度的有效度量，并將該評價方法運(yùn)用到多個空間尺度進(jìn)行對比研究。