多驱动因素下海岸带脆弱性研究进展

王腾，邹欣庆，李保杰

（1.南京大学 地理与海洋科学学院，江苏 南京 210023；2.南京大学 海岸与海岛开发教育部重点实验室，江苏 南京 210023）

IPCC 第五次评估报告表明20 世纪50年代以来，气候系统的许多变化是过去几十年甚至千年以来史无前例的，同时人类活动对气候变化的影响也是显而易见的（IPCC Working Group I，2013）。当前，人类活动影响下的气候变化不仅成为一个全球化的环境问题，也成为一个严峻的社会发展问题。不仅影响当下，亦对子孙后代带来不可估量的灾害。海岸带是陆地、海洋和大气之间各种过程相互作用最活跃的界面，全世界60%以上的人口生活在沿海60 km 的范围内，在资源供应、社会生产和经济活动、废物处理、人类居住等方面起着至关重要的作用（李恒鹏等，2002）。受全球气候变化和人类活动的双重胁迫，全球海岸带的脆弱性问题日益凸显（王宁等，2013）。海岸带的脆弱性主要表现在海岸的侵蚀、海洋灾害的频发和生态系统的破坏等，这一系列问题对于海岸带的地质、生态安全和经济社会发展产生了巨大威胁。因此，研究多驱动因素下海岸带所产生的脆弱性问题，评估其脆弱性程度，对海岸带的有效、智慧管理，海岸带的可持续发展具有重要意义。同时这一领域已作为一项重要研究内容被许多国际性科学计划和机构（IHDP、IPCC、IGBP 等） 提上研究日程（李鹤等，2011），成为全球环境变化及可持续性科学领域关注的热点问题。在海岸带脆弱性研究呈现迅猛发展的态势下，其诱因研究却显得较为薄弱，呈现单一研究现象，尚未形成完善的评估程序和普适的评估方法。因此，基于全球变化背景下，对海岸带脆弱性的相关文献进行梳理，归纳脆弱性产生的多种诱因，分析不同评价方法的适用范围以及评判其优缺点，显得极为重要。本研究可为将来海岸带脆弱性评估及海岸带管理提供积极的参考，亦可为学术界同行提供近期相关研究的综述参考。

1 海岸带脆弱性概念体系及研究对象

1.1 脆弱性概念体系

脆弱性是气候变化研究中的核心概念，同时涉及到自然灾害管理、生态学、公共健康、可持续发展和土地利用变化研究等，是一个跨学科的概念和研究内容。脆弱性这一概念最初是在风险灾害研究的背景下提出并进行研究的，被认为是一个系统所受到的灾难性事件对其的影响程度、对风险灾害的适应性以及从灾害中恢复的能力（Timmerman et al，1981）。而到了九十年代，脆弱性一词越来越多的在全球环境变化和地区发展的研究中出现（Liveman，1990a，1990b；Blaikie et al，1994；Cutter，1996；）。进入21 世纪后，IPCC 在第三次评估报告中首次对脆弱性进行了定义：一个自然或社会系统容易遭受或没有能力对付气候变化（包括气候变率和极端气候事件） 不利影响的程度，是某一系统气候的变率特征、幅度、变化速率及其敏感性和适应能力的函数（IPCC Working Group II，2001）。自此以后，IPCC 的这一定义得到了广泛的认可。基于IPCC 的定义，许多学者用以下公式来描述脆弱性这个概念（Klein et al，1999；Dongmei，2009；Cinner et al，2012）：

其中，V 表示脆弱性，E 表示暴露度，S 表示敏感性，AC 表示适应能力。2014年，Oz Sahin（2014） 认为脆弱性评估不能仅仅被看作了一个静态的过程，而应该是一个动态过程和连续同一体。因此，为了体现脆弱性的动态性和空间特征，通过公式（2） 对前者进行了修正，为这一概念注入了更多的地理学思想。

其中t 代表时间维，s 代表三个空间维（x，y，z）。

就海岸带系统来说，其脆弱性的概念可以理解为以下三方面共同作用的动态过程：（1） 系统暴露阶段：气候变化与人类活动相互作用，并综合对海岸带人—地复合系统构成影响，海岸带系统暴露在环境变化面前；（2） 敏感性响应阶段：海岸带系统对这些要素的变化做出敏感性响应，自然生态系统出现海岸侵蚀、土地丧失、土地盐碱化等现象，而社会经济系统会出现受灾人口和地区增多以及环境可居性下降等现象；（3） 系统适应阶段：系统敏感性的产生致使这两个系统则分别做出形态（地质地貌方面）、生态自适应性（生态弹性） 调整和社会经济方面的政策调整（该调整可作用于两个系统） 等，系统做出的调整又可在一定程度上部分反馈于气候变化和人类活动，在一定程度上减缓气候变化、减少人类活动对气候变化的影响。其中，暴露度常常指系统所面临的环境变化的强度及程度，敏感性是系统对气候及环境条件变化的响应程度，适应能力是系统调整自身以适应外界环境变化的能力（图1）。然而，脆弱性是3 个方面综合作用的结果，但这三者并无严格的时间顺序，可能同时存在。而脆弱性的强化或减小，与这3 个方面的发生与强弱有关。

图1 海岸带脆弱性动态概念框架图

1.2 海岸带脆弱性的研究对象

海岸带脆弱性的研究从气候变化和人类活动两方面入手，研究对象逐渐多元化。从早期的对沿海地带包括三角洲、湿地、缘海、泻湖及潮滩海岸等地区（Nicholls et al，1993；Nicholls et al，1999；Barrie et al，2002；季子修等，1994） 的脆弱性进行综合评估，到后来涉及到红树林系统、珊瑚礁、渔业等海岸带特定的自然或生产要素进行评价（王玉图 等，2010；Mamauag et al，2013； Cinner et al，2012）。一开始多关注自然环境因素，后来逐渐关注到自然因素与社会经济因素的共同作用，近几年有更多的关注社会经济及生态因素的趋势，更有研究者把气候变化和利益相关者对气候变化的感知两者结合起来研究，研究显示许多居民认知到人类活动对气候变化的影响，并认为有必要采取一定的适应性措施，但不同属性的人群对影响的认知各异，而利益相关者的脆弱性认知对于海岸带的有效规划和管理是十分重要的（Fatori et al，2013）。

研究对象也包括不同的空间尺度，既有跨国区域尺度（Hinkel et al，2009） 的，也有国家尺度（Nicholls et al，1993） 的，更多的主要是区域尺度的研究。在区域尺度脆弱性的研究中，研究者越来越关注脆弱性问题的区域性和独特性（Newton et al，2014）。在综合评价区域或国家的脆弱性时，多将研究对象界定为人—地复合系统，自然生态系统作为敏感性因子参与脆弱性评价，社会经济要素则作为适应性因子参与评价（徐广才等，2009）。海岸带脆弱性的研究对象在空间尺度方面多种多样，但对某一区域不同时间序列的脆弱性研究较少。

2 海岸带脆弱性评估研究内容

一些因素变化引起海岸带人—地复合系统的地质条件、生态环境、社会经济发展等各个层次、各个环节的特征发生变化，进而促使复合系统的耦合机制做出适应性的调整，以缓解或适应全球变化（徐广才等，2009）。因此，对一个海岸系统进行脆弱性评估，首先应找出诱发区域脆弱性的相关因素、评价的时间尺度，找到合适的评价方法，进而对目标区域进行脆弱性评估或研究。

2.1 诱发因素

人们通常认为气候变化和人类活动是海岸带脆弱性产生的第一驱动力，但不同区域的诱发因素各不相同，从各区域脆弱性的研究中可以归纳出诱发因素大体包括以下方面：气候变化与海平面上升（Christensen et al，2004；路剑飞等，2010）、突发性自然灾害（Nicholls et al，1999）、环境污染（Nobre et al，2007）、土地利用变化（Metzger et al，2006） 以及自然资源的过度利用（Mamauag et al，2013） 等。气候变化及其所引起的海平面上升一直是脆弱性诱因研究的热点和重点，常用海平面上升速率（Barrie et al，2002）、平均气温和降水量等来衡量。全球气候变暖带来了海平面上升，海岸系统和低洼地区将遭受越来越多的不利影响。此类研究多是在假定一种或不同气候变化情景下模拟其对区域或全球海岸带某一方面或多方面带来的影响并进行预测，其中气候变化情景多采用IPCC 报告里的相关情景（Cui et al，2014）。海岸带脆弱性这一概念首先是在风险灾害研究中提出的，因此自然灾害诱因的探讨贯穿了脆弱性研究的始终。风暴潮、海啸、洪水等突发性自然灾害使人—地系统短期内暴露在灾害面前，危及到生命财产安全和生态系统的存续，因此研究灾害发生机制（张文舟等，2004）、海岸系统对灾害的响应以及完善灾害风险评估和预警体系是降低海岸带对灾害的敏感性，提高其弹性和适应性的重要支撑。该因素在脆弱性评估时常用最大潮高、极值水位等有关灾害特征的因素或用风险灾害造成的人口经济损失来衡量（Kumar et al，2010）。随着工业文明的发展，不恰当的人类活动越来越成为海岸带脆弱性的主要诱因。其中土地利用变化、环境污染以及自然资源的过度利用都属于不恰当人类活动的范畴，而人类活动这一诱因将成为当今以及未来很长一段时间内脆弱性研究的重点以及热点。土地利用变化对海岸带的影响主要表现为潮间带围垦引起的湿地面积下降、工业及建设用地转变引起的海岸带环境污染以及其生态系统功能下降等（肖康等，2013；苗海南等，2014），这些情况在经济高速发展背景下的我国沿海地区比较常见（戴亚南等，2009），这些因素常用土地利用强度（Mamauag et al，2013）、景观破碎化程度等来衡量；此外水、油、汽过度开采导致的地面沉降，引起海平面相对上升，渔业资源过度开采破坏了原有生态系统的平衡（李鹤等，2008），类似的种种资源的过度利用都会带来海岸带系统的敏感性。以上这些诱发因素在脆弱性研究中均有一定涉及（表1）。

这些诱发因素各具特征，针对不同的空间尺度这些因素的突变/缓变性质也相应发生变化。气候变化一般被认为是缓变因素；突发性自然灾害一般是突变因素；环境污染在全球或较大的尺度范围是缓变因素，而其又可引起小区域的重金属污染、水质骤降等，此时该因素应属于突变因素；土地利用变化在全球或较大的尺度范围是缓变因素，而其在小尺度范围又可引起自然覆被变化、入海通量的变化，这时土地利用变化又属于突变因素；水、油、汽的过度开采可导致大范围区域的地面沉降、海平面相对上升，此时可认为其是缓变因素，而渔业系统因过度捕捞而造成的生态脆弱性亦可认为是突变因素。

目前脆弱性研究多以气候变化作为主要影响因素，但有研究已证实气候变化一半以上是由人类活动造成的（IPCC Working Group I，2013），故后者及两者的相互耦合作用应是今后海岸带脆弱性影响因素研究的重点。只有识别出海岸带系统的主要影响因子，才能对海岸带脆弱性进行准确评价。

2.2 海岸带脆弱性的评估方法

脆弱性评估是对某一自然、人文系统自身的结构、功能进行探讨，预测和评价外部胁迫（自然的和人为的） 对系统可能造成的影响，以及评估系统自身对外部胁迫的抵抗力以及从不利影响中恢复的能力，其目的是维护系统的可持续发展，减轻外部胁迫对系统的不利影响，为退化系统的综合整治提供决策依据（李鹤等，2008）。脆弱性评估的方法已由最初的定性评估发展为定量或二者相结合的评估办法。文章主要对脆弱性评估中的定量以及半定量化方法进行介绍。

脆弱性评估中单一方面的影响研究已得到长足的发展（张晓龙等，2014）。单一方面影响研究是指对环境因素变化对海岸系统某一个方面的影响进行评估和预测，包括了海平面上升造成的海岸的侵蚀、湿地丧失、生物影响、人口社会经济发展影响等。表2 是在储金龙等（2005） 的基础上总结的环境因素变化对于海岸带系统单一方面影响的分析评估方法。总体来说，许多研究区域受影响因素错综复杂，仅对单因素进行评估具有一定的局限性。

海岸带脆弱性的综合评估方法是对多种诱因引起的对海岸带脆弱性问题进行综合集成评估的方法。虽然海岸带脆弱性的综合评估方法繁多（李鹤等，2008；储金龙 等，2005），但大多研究中对评估方法的适用性等内容却少有提及，下文主要总结了IPCC通用方法、PSR 模型评估和CVI 脆弱性指数3 种最常见的海岸带脆弱性综合评估方法以及各自优缺点，以期为今后脆弱性评估方法的选择提供借鉴。

表2 环境因素变化对海岸系统单方面影响的分析评估方法

2.2.1 IPCC 通用方法

1992年的IPCC CZMS 报告为各国进行脆弱性评估建立了通用方法，这一方法考虑了全球变化和海平面上升对人口、经济、生态、社会和粮食生产等海岸带系统各方面的潜在影响，且在评估各方面影响时使用了许多定量化模型，但该方法并没有把各种脆弱性类型对社会—经济系统的多种影响进行集成（李恒鹏等，2002）。

通用评估方法可分7 步进行：①在全球变化与海平面上升模拟结果的基础上，结合区域特征，预测21 世纪区域海平面上升幅度；②描述研究区自然、社会和经济特征；③识别自然、社会经济的相关全球变化因子；④评估海岸带全球变化的自然响应过程；⑤对可以采用的响应策略进行费用效益评估；⑥对各脆弱性因子进行评估；⑦识别未来的需求，形成有效的响应计划（IPCC CZMS，1992）。

2.2.2 PSR 模型评估

PSR（Pressure-State-Response Framework） 模型是指“压力-状态-响应”模型（戴亚南等，2009；OECD，1993），是从指标产生的机理方面着手构建评价指标体系。海岸带环境作为一种状态，受到一系列“压力”（包括气候变化和人类活动） 的影响，而“状态”的变化，则导致了人们在政策上“响应”的变化（邹欣庆，2004）。PSR 模型中常用指标包括三方面：①压力表征指标，一方面包括气候变化影响因子，如海平面上升、气温升高、极端天气状况等，另一方面是指人类活动这一影响因子，如土地利用变化、围垦活动和资源的过度利用。近来发表的许多文章在“压力”指标的表征方面更好的结合了区域特征，如Alice Newton（2014） 在评价热点区域的海岸带社会经济脆弱性时，找出了导致小岛贫困、影响其响应活动的主要因素—小岛的偏僻性作为“压力”因素进行研究。②状态表征指标，是海岸带系统受气候变化影响后可能出现的“症状”指标，分为自然系统和社会经济系统的状态（王宁等，2012）。常用的主要包括海岸带物理、生态特征的变化和灾害的发生频率，以及社会经济人口特征及经济损失等。③响应表征指标，是海岸带系统对所受“压力”所作出的调整、响应，包括系统的物理形态以及生态响应（杨桂山等，2002） 和人类社会对系统变化所作出的一系列适应性调整（包括面对灾害所建设的水利设施以及对环境保护、除污所做的一系列工作）。后来，人们在PSR 模型的基础上做了一些改进，如DSR 模型（Driving force-State-Response） （Kelly K L，1998）、DPSIR 模型（Driving force-Pressure-State-Impact-Response） （Newton et al，2014） 和PAR（Press and Release） 模型等在脆弱性评估中相继被使用。

2.2.3 脆弱性指数（CVI） 评价

脆弱性指数（coastal vulnerability index 或composite vulnerability index） 是又一个应用较广泛的评价方法之一，它是综合评价海岸带脆弱程度的高低或海岸带某方面所受影响高低的一种简单半定量方法。最早是由Gornitz 于1991年提出，文中选取与洪水和侵蚀相关的7 个变量构成脆弱性指数，初步用于美国东部海岸带的脆弱性评估，而后被广泛应用。

常见的脆弱性指数数学表达式主要包括“积”和“和”两种。Gornitz 认为脆弱性指数可以用“积”和“和”两种形式来计算，但因后者更能扩大值的范围，所以更具优势（Gornitz，1991）。Thieler 等在1999年发表的文章中把脆弱性指数的表达式阐述为单项指标的分值乘积除以指标个数的平方根（Thieler et al，1999）。而后来，Diez（2007） 则认为加权变量的和的形式更能适应不同的海岸带环境。Rao（2008） 在评估印度安德拉邦海岸脆弱性以及刘宏伟等（2013） 在评估曹妃甸海岸带脆弱性时就采用了上述“和”形式的脆弱性指数。即：

式中：CVI——脆弱性指数；Pi、Ci——单项评价指标分值、权重。

此后，随着人们对于脆弱性概念框架中适应性这一部分的更多关注，脆弱性指数的一些变异体相继出现（Ahsan et al，2014）。脆弱性指数及其变异体由于其较高的直观性和可操作性在脆弱性评估中越来越多的被人们所使用。

2.2.4 3 种海岸带脆弱性评估方法比较

上述3 种方法在脆弱性评估方面均得到了广泛应用，但每种方法在应用时都有一定的适用范围以及优缺点。

IPCC 通用方法首先是用于评估全球、国家范围海岸带系统因海平面上升引起的自然、社会经济等方面的影响，目前该方法已至少应用于46 个国家的脆弱性评估，产生了22 个国家和8 个区域的定量评估结果（IPCC CZMS，1992）。该方法过程规范，有统一的操作步骤，得到了广泛应用，但仍存在一定的局限性：一方面它忽略了海平面上升的空间分布而倾向于海平面上升的简单概括以及缺乏对适应措施的全面考虑，另一方面由于评价指标体系涉及面广，各方面影响程度的量纲难以统一，因此较难对结果进行集成（李恒鹏等，2002），而在实际的海岸带管理中，管理部门往往需要一个未来环境变化对区域影响的综合结果。

CVI 模型在脆弱性综合评估研究中的应用比PSR 模型稍早。最早应用该模型的是Gornitz（1991），他选取了与洪水和侵蚀相关的7 个变量构成脆弱性指数，后来Kumar 等（2010） 也利用该模型评估印度东海岸脆弱性，他选取了“海平面变化速率、海岸坡高、海岸高程、波高、潮差、海啸到达高度”等与海啸相关的几个变量，Boruff 等（2010） 在评估美国某滨海县脆弱性时综合考虑自然和社会方面脆弱性诱因建立了又一指标类型不同的脆弱性指数，可见脆弱性指数的变量选择虽比较简单明了，但常因区域差异而略微变动，结果具有相对性，不同地区之间难以进行比较。

后来，随着人类活动对海岸带的影响不断加深，人们越来越认识到造成海岸带脆弱性因素的多样性与复杂性，于是将跨学科的PSR 模型应用到脆弱性评估中，且成为应用最广泛的方法之一。PSR 评估方法从指标产生的机理方面着手构建评价指标体系，评估更具有针对性，指标选取比较全面。但由于指标众多，有时因果关系难以完全明确，故“压力、状态、响应”目标层下的二级指标之间难免存在关联和重叠（Newton et al，2014；Sekovski et al，2012）。

2．3 海岸带脆弱性评估研究进展

根据上文对脆弱性概念体系、研究对象、诱发因素以及评估方法的回顾以及梳理可以看出海岸带脆弱性研究的发展可分为几个阶段：（1） 1990年之前：该阶段为脆弱性研究的萌芽阶段，脆弱性被认为是系统易受自然灾害影响的程度（Timmerman et al，1981），研究主要关注如何减少风险灾害对海岸带产生的影响，该阶段脆弱性的评估主要处于定性评估阶段。（2） 1991-2000年：该阶段开始在全球气候变化的背景下展开脆弱性研究。90年代初的IPCC CZMS 报告中，首次将海岸带脆弱性评估列为主要事项（IPCC CZMS，1992），自此之后海岸带脆弱性的评估进入了快速发展阶段，IPCC 通用方法和脆弱性指数（CVI） 等一些定量、半定量方法开始应用于气候变化、海平面上升造成的各方面影响的评估中（IPCC CZMS，1992；Gornitz，1991）。但该阶段数据获取多为观测、实验获得或利用统计数据，得到的定量化结果多为抽象的数值，同时由于评估技术所限，评估结果较为粗糙和抽象（Gornitz，1991）。（3） 2000年至今：该阶段人们对脆弱性概念的认知趋于统一，随着海岸带人为活动的不断加剧，脆弱性的驱动因素愈加复杂，评估时指标选取综合考虑自然与人类的相互作用。该阶段随着海岸带脆弱性评估模型精度要求的不断提高，遥感和地理信系统等技术越来越多得运用到海岸带脆弱性评估的整个过程：在数据采集方面应用遥感技术可获取大规模、大范围的海岸带资源、环境和生态等领域的动态实时数据和信息（Cooper et al，2013）；利用GIS 技术建立空间模型，对脆弱性评估中的自然和社会经济等多种要素进行综合集成，并进行空间分析，通过精细化的栅格计算获得直观、清晰的可视化的评价结果（王远东等，2013）。

表3 3 种主要的海岸带脆弱性评估方法

3 研究展望

随着海岸带地区的快速开发，脆弱性问题愈发复杂化，脆弱性在理论与方法方面面临着诸多挑战：

（1） 缺乏对海岸极端气候事件和相关风险事件发生机制、频率和强度的探究

由于对一些海岸极端气候事件的发生机制尚未探明，直接影响了海岸系统“压力”因素的分析与研究，难以采取正确有效的适应性措施减少灾害的发生，从而影响海岸带脆弱性的准确评估与海岸带有效管理。

（2） 海岸带生态系统自身适应性问题亟待解决

适应性是指为了应对实际发生的或预计到的变化及其各种影响，会在自然和人类系统内进行调整，并使之保持在一定状态。而在进行脆弱性评估时适应性这一方面常常只考虑人类社会系统针对敏感性状况的适应性活动及其社会经济特性的改变，或者用相对主观方法来评估生态系统适应性，极少加入客观衡量自然生态系统本身的适应能力或生态弹性的因子。而脆弱性研究中自然生态系统的自适应能力研究对于可推广比较的评估及生态系统修复具有重要的实际价值，应成为脆弱性研究中的新的关注点。

（3） 加强人地系统要素过程的综合集成

在人地系统中，一个要素或一组要素发生变化可能引起其他要素乃至整个系统的变化，要素和过程综合集成的研究是揭示人地相互作用过程与机理的重要途径。海岸带系统是一个典型的人—地复合系统，海岸带脆弱性问题的产生是自然和人文要素共同作用的结果，所以脆弱性的研究应由从系统、综合的思想出发，注重通过自然和人文要素关键过程和要素的综合集成来推动海岸带脆弱性产生、发展机理的研究。

（4） 脆弱性评估中注意地方性研究

脆弱性与其它地理学概念一样具有一定的地方性。对于一些沿海地区，考虑气候变化的直接作用和自然灾害比海平面上升更有意义。如在环太平洋地区海啸的危害需引起人们的关注；而在珊瑚礁和环礁较多的地区，海水温度的增高非常不利于珊瑚礁的生长，因此在这些地区海水升温才是脆弱性的关键诱因。社会经济系统更是强烈体现着脆弱性研究的地方性，在研究时应注意到经济发展在适应外部风险变化中的作用以及社会等级结构、管理、经济依赖性的不同所导致的灾害影响的差异。脆弱性研究应将其地方性、区域性渗透到研究的每一部分与每一环节，以得出适用于该地区的客观评估结果。

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