海岸带生态系统脆弱性评价研究综述

程夕,左冰菁,刘兴诏,黄柳菁

（福建农林大学园林学院,福建福州350002）

海岸带（coastal zone）是介于陆地和海洋生态系统交错过渡地带的高度动态和复杂的自然综合体,包括潮汐涨落对海岸作用的潮间带及其邻近的陆地和浅海,以及海水运动在潮下带坡面淤积/侵蚀所影响的范围[1-2].作为全球环境变化的缓冲区,海岸带常被称为“海洋第一经济带”,不仅能提供丰富的资源,还具有调节气候、海岸防护、调蓄洪水、净化水质、降解污染物、滞留营养物、提供动植物栖息地以及人文服务等功能[3].同时,由于地理位置特殊,海岸带受陆地环境与海洋环境、自然活动与人类活动的多重作用,是一个脆弱的生态敏感区,其生态系统脆弱性的评价已成为当前的研究热点[4-5],评价结果能够有效识别研究区域生态状况并预判其发展趋势[6].

本文对海岸带生态系统脆弱性评价的研究进展、指标体系及评价方法进行综述,分析海岸带生态系统脆弱性评价研究的现状,指出其局限性,探讨其未来的发展趋势及研究思路,以期为维护海岸带生态系统稳定性、协调海岸带资源开发与可持续发展等提供指导.

1 海岸带生态系统脆弱性概念内涵

生态系统脆弱性评价在区域层次上对生态系统的脆弱程度作出定量或者半定量的阐述、判断和预测,以探究脆弱性变化的驱动力因子和客观规律,从而对资源开发、环境保护和生态恢复等提出合理的意见与建议,实现生态系统和社会经济的可持续发展[7].1905年Clements将“Eco-tone”（交错带）的概念引入生态学,用来定义生态系统不同群落之间的交合[8],这一概念在20世纪80年代景观生态学的兴起后逐渐受到关注.1988年,在布达佩斯举办的第七届环境科学委员会（SCOPE）大会呼吁国际生态学界开展对Eco-tone的研究,并首次确认了“生态脆弱带”的概念[9],此后在全球范围内针对生态系统脆弱性开展了广泛的研究和探讨.

海岸带位于陆地生态系统和海洋生态系统的交错过渡地带,是一个典型的“生态脆弱带”.一般而言,海岸带生态系统脆弱性指海岸带生态系统对气候变化、海平面上升、社会发展压力以及由此可能产生的不利影响的承受能力[10],国际政府间气候变化专门委员会（intergovernmental panel on climate change,IPCC）海岸带管理工作分组（coastal zone management subgroup,CZMS）将其定义为“海岸带面临全球气候变化影响及海平面上升等的不适应程度”[11].参照这一概念,各国学者在实际研究中对海岸带生态系统脆弱性展开讨论.Dow K将沿海区域的脆弱性解释为暴露度、防御力、抵抗伤害的能力、从冲击中恢复的能力等四个维度之间的关系[12]；Nichollsd等[13]通过敏感度、适应性和抵抗力来度量海岸带生态系统脆弱性,其中适应性和抵抗力主要来自地形结构、生态环境和社会经济3个要素；Klein等[14]提出Resilience（弹性）与Vulnerability（脆弱性）的相对概念,将海岸带弹性描述为海岸生态系统能够以在不失去实际或潜在功能的前提下对外界干扰作出反应的程度,超过这个程度即表现为脆弱性；Füssel[15]对脆弱性研究进行总结,将海岸带生态系统脆弱性影响因子归纳为系统划分、区域属性、灾害影响、时间尺度、空间尺度、评价领域等6个方面.虽然目前还没有明确的海岸带生态系统脆弱性定义,但综合IPCC和各国专家对脆弱性概念的分析,可将其概括为：系统的暴露度、敏感度和适应性,即V=E+S-A（V：系统的脆弱性；E：系统暴露度；S：系统的敏感度；A：系统的适应性）[16].

总体而言,脆弱性是海岸带生态系统的一个固有属性,在不同生态系统群落碰撞过程中,自然活动与人类活动共同对其产生干扰,当干扰超过其承受能力时,即有可能会出现如海岸侵蚀、海水入侵、生境退化等脆弱性症状.

2 海岸带生态系统脆弱性评价概念框架

生态系统脆弱性的概念在20世纪60年代开始的国际生物学计划（international biological programme,IBP）、70年代开始的人与生物圈计划（man and biosphere programme,MAB）、80年代开始的国际地圈-生物圈计划（international geosphere-biosphere programme,IGBP）以及1988年的SCOPE大会中逐步被明确[17],随后联合国环境规划署（united nations environment programme,UNEP）、IPCC等国际机构以及多个国家和地区在全球区域尺度上开展了生态系统脆弱性相关评价[18].1992年IPCC CZMS的报告首次提出海岸带生态系统脆弱性评价的重要性,并根据界定研究区、研究区特征、核定相关发展因素、评估自然变化、制定响应对策、评估“研究区概况”、确定未来需求等7个步骤制定常规评价方法,将海岸带生态系统脆弱性等级分为低、中、高和极端4个等级[19].由于IPCC常规评价方法适用范围有限,Klein等[20]在其基础上提供了一个新的海岸带生态系统脆弱性评价概念框架（见图1）,他们将气候变化引起的自然系统脆弱性和社会发展带来的社会经济脆弱性区分开,并重新定义了脆弱性评价中的各种概念和它们之间的关系,将评价分为3个逐步复杂的层级：①筛选评价（screening assessment,SA）；②脆弱性评价（vulnerability assessment,VA）；③规划评价（planning assessment,PA）.SA着重于系统的敏感性评估,VA包括了对自然因素影响、社会经济作用和适应能力的准确评价,PA则是从综合水平提出具体的、可以广泛使用于管理的海岸带规划方案.Klein和Nicholls的评价体系帮助研究者在有限的脆弱性分析基础上累积经验、完善数据库,为更全面和具体的海岸带生态系统脆弱性评价提供了借鉴.

图1 海岸带生态系统脆弱性评价概念框架Fig.1 A conceptual framework for the evaluation methods of ecosystem vulnerability of coastal zones

相关学者在实际研究过程中通常根据研究区域、研究目标、系统变化状态、系统适应能力等构建脆弱性评价概念框架,主要有压力-状态-响应（pressure-state-response,PSR）、驱动力-状态-响应（drivingforcestate-response,DSR）、驱动力 -压力 -状态 -影响 -响应（driving-pressure-state-impactresponse,DPSIR）、源-途径-受体-影响（source-pathway-receptor-consequence,SPRC）、压力-脆弱性-状态（pressure-vulnerability-response,PVS）等[21-26],这些概念框架各具特点,从不同角度考虑各项因素对海岸带生态系统脆弱性的影响（见表1）.

表1 海岸带生态系统脆弱性评价主要概念框架特点Tab.1 characteristics of the main conceptual frameworks for the evaluation methods of ecosystem vulnerability of coastal zones

3 海岸带生态系统脆弱性评价研究发展阶段

海岸带生态系统脆弱性评价的相关研究工作最早可追溯到20世纪70年代.最初的评估工作主要关注极端天气对海岸带造成的影响[27].灾害统计数据显示,20世纪以来,由于战争和自然环境的恶化,自然灾害造成的损失显著增多[28].美国总统行政办公室应急准备局（office of emergency preparedness,executive office of the president of the united states,OEP-EOP）在 1972 年出版的《Disaster preparedness》一书中指出,脆弱性评估对于降低自然灾害带来的风险有着越来越重要的作用.该时期的海岸带生态系统脆弱性研究主要关注自然灾害引起的海岸侵蚀等方面.如Purgalis[29]利用SWAN（wave model）和MeCSM（hydrodynamic model）模拟有效波高、波浪的周期和方向以及风暴潮等数据,评估爱琴海3个容易遭受洪水侵袭的沿海地区（色雷斯、莱斯沃斯岛、查尼亚）在3个时间段内（1951—1999,2000—2049,2050—2099）因风暴引发的沿海脆弱性.该方法将每个区域的所有风暴分为两类,并估计每个风暴类的洪水潜力,海岸管理者能够由此找到对特定风暴等级敏感的海岸地区,并采取应对措施.在这一阶段,海岸带生态系统脆弱性评价研究刚刚起步,尚未构建完善的评价指标体系和概念模型.

随着全球气候危机的不断加剧,气候变化对海岸带生态系统脆弱性的影响引发关注.世界气象组织（WMO）及联合国环境规划署（UNEP）于1988年联合建立联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）,至今已发布5次气候评估报告,成为全球范围内的气候变化研究工作的重要科学依据,其中海岸带管理工作分组（CZMS）制定的常规评价方法为海岸带生态系统脆弱性评价提供了重要参考[30].相关学者的评估研究也让评价体系得到了进一步发展.如Gornitz[31]采用海岸带生态系统脆弱性指数（coastal vulnerability index,CVI）和风险等级概念预测海平面上升带来的影响,这一方法后来在美国太平洋和大西洋的海岸带生态系统脆弱性评价中得到了广泛运用.Sánchez-Arcilla等[32]选用冲淤动态、沉积速率、土壤结构、海岸线响应等指标和三角洲行为的综合（物理/生态）概念模型对埃布罗河三角洲海岸带进行脆弱性评估.Islam等[33]将多个指标定义为相对风险参数,并通过地理空间技术（RS和GIS）进行整合排序,用以估算海平面上升影响下孟加拉国恒河三角洲海岸带生态系统脆弱性.整体而言,20世纪90年代后,海岸带生态系统脆弱性评价研究主要应用脆弱性指数评估气候变化对海岸带生态系统脆弱性的影响[34],并逐步建立起完善的评价指标体系,3S技术也得到了运用.

与此同时,随着研究不断深入,海岸带生态系统脆弱性评价由静态发展至时空动态模拟研究,模型得到了广泛使用.Nicholls[35]于1995年综合比较全球多个国家和地区已有的脆弱性分析案例,对海平面上升影响下海岸带的生态系统脆弱性进行探讨,并于1999年采用英国哈德利气候预测与研究中心的两个通用大气环流模型（HadCM2和HadCM3）建立了风暴潮引起的洪涝风险评估算法模型和海平面上升引起的湿地丧失风险评估算法模型,该模型模拟1990—2080年全球海平面上升情景,动态预测了风暴潮带来的洪涝风险以及海平面上升造成的海岸带湿地损失[36]；Holcomb研究所[37]在20世纪80年代构建SLAMM模型（sea level affects marsh model）用于模拟海平面上升对沿海地区的影响,该模型使用一组直接而具体的决策规则来预测空间单元的线性转变,进而模拟海平面上升导致的美国海岸带的长期变化.SLAMM模型选用高程、冲淤动态、平均潮差、沉积速率、平均坡度、海平面上升速率等物理参数,目前已被广泛应用于世界各地区海岸带生态系统脆弱性评价.此外用于动态评价海岸带生态系统脆弱性的模型还包括 DEM模型（digital elevation model）[38]、GES 模型（global environment and society model）[39]、SLOPE模型（the sea level over proportional elevation）[40]等.

4 海岸带生态系统脆弱性评价方法

4.1 海岸带生态系统脆弱性评价的模型方法

评价海岸带生态系统脆弱性的常用方法是利用生态指示种或是反映生态系统状态及其暴露度、敏感度、适应性的指标来衡量.海岸带生态系统脆弱性成因涉及多个方面,能够反映其脆弱性的指标也是多方面的,因此在进行海岸带生态系统脆弱性评价时,必须综合研究区域、研究目标、系统状态等多种因素,采用准确客观、可操作性强的评价方法[41].常用的相关模型方法包括指数模型、SLAMM模型、DEM模型、SLOPE模型等.

指数模型的基本思想是将多个影响海岸带生态系统的指标归纳为一个能够反映综合情况的体系来进行脆弱性评价,其中最具代表性的是Gornitz[31]在1991年首次提出的CVI指数模型.Gornitz和他的团队从20世纪80年代末开始对美国海岸带进行研究,最终得到了一个覆盖全美的海岸带风险等级数据库.这个数据库包含22个原始变量和7个风险变量（平均海岸高程、地质、地貌、海岸沉降速率、海岸线侵蚀、平均潮差、最大波高）,通过公式计算出海岸带脆弱性指数,得出的数值从1至5分别表示极低脆弱性、地脆弱性、中等脆弱性、高脆弱性、极高脆弱性,从而对全美海岸带进行脆弱性等级划分.该方法随后在世界范围内得到了广泛运用.基于此,刘曦等[42]建立基于模糊评价法的海岸侵蚀脆弱性评价方法,对长江三角洲8个具有代表性的海岸线岸段进行脆弱性评价；Wu等[43]对我国环渤海沿海地区在21世纪末相对海平面上升1 m的假设情景下的脆弱性进行了评估；王远东等[44]用术语“敏感性”（Sensitivity）替换“脆弱性”（Vulnerability）改进出CSI（coastal sensitivity index）评价体系,对海平面上升影响下的环渤海沿海地区进行半定量敏感性分析.

SLAMM最早由Holcomb研究所的Park等[45]在1986年提出,用于模拟海平面上升导致的沿海地区的长期变化,为研究人员和决策者考虑未来海平面上升对海岸带可能造成的影响提供参考.该模型基于GIS技术,采用一组直接而具体的决策规则来预测空间单元的线性转变,每个空间单元类别由一个颜色表示,所有类别的统计数据均以25 a为间隔（湿地区域为5 a）,最后输出针对海平面上升影响下的研究区域在指定间隔年的彩色地图,以便评估海平面上升对海岸带的渐进式影响.该模型还做了一些复杂的详细分析和短期情况的假设,以便于对研究区的长期趋势进行分析.Park等在研究过程中选用高程、冲淤动态、平均潮差、沉积速率、平均坡度、海平面上升速率等物理参数对海平面上升影响下的美国海岸带进行了评估,并与前人的研究结果进行比较,最终得到验证.该模型目前已被广泛应用于世界各地区海岸带生态系统脆弱性评价,如美国大西洋和墨西哥湾沿岸[46]、美国切萨皮克湾[47]、美国佐治亚州[48]、澳大利亚新南威尔士州[49]、美国路易斯安那州[50]、美国佛罗里达州[51]、英国萨福克河口和诺福克防护海岸[52]等.

SLOPE模型由美国国家湿地研究中心（USGS）生态学家Doyle等[40]于2010年根据海岸潮间带生态系统面积与潮汐浸淹之间的关系而创建,用于预测海平面上升影响下潮间带的迁移与生境的退化.SLOPE是一种功能模型,该模型假定潮间带生态系统的面积和边界特征是由当地的潮汐情况以及周围的海水盐度和环流所决定,并且海水盐度和环流适合当地海岸带的生境状态,随着海平面上升,潮间带的上升幅度与海拔高度、潮差以及盐沼/红树林生境面积将成正比.Doyle等利用该模型预测了在海平面上升情况下墨西哥湾北部潮间带生境的退化与迁移,并预测佛罗里达州热带地区的红树林将取代正在后退的淡水区森林,影响区域生物多样性.该模型为红树林等海岸带生境的脆弱性评估提供了参考.

4.2 海岸带生态系统脆弱性评价指标选取

脆弱性评价指标能以直接、简单的参数反映系统状态变化,是评价海岸带生态系统脆弱性的常用方法[53].尽管IPCC CZMS给出了常规评价方法作为参考,但研究者在评价过程中会根据研究区域与目标、指标的相关性与可获取性等进行指标选取.综合比较部分研究者关于海岸带生态系统脆弱性评价的指标选取情况[38,40,51-52,54-65],可知海平面上升速率、坡度、海岸侵蚀、地质/地形地貌、生境状态、平均潮差、沉降/沉积速率等是采用较多的指标,说明这些指标是导致海岸带生态系统脆弱性的主导因素（见表2）.

表2 海岸带生态系统脆弱性评价指标选取情况Tab.2 Selection of indicators for the evaluation methods of ecosystem vulnerability of coastal zones

4.3 评价指标权重

确定海岸带生态系统脆弱性评价指标体系后,需要根据系统与各指标之间的关系对评价指标赋予权重.目前使用的权重方法很多,包括专家经验法、层次分析法、模糊评价法、决策矩阵法、主成分分析法、灰色关联法、熵权法等,各权重方法的特征比较见表3.

表3 评价指标权重方法比较Tab.3 Comparison of theevaluation indicator weighting method

5 小结与展望

综合分析国内外海岸带生态系统脆弱性评价研究现状和发展态势,海岸带生态系统脆弱性评价研究取得了丰硕的成果,为海岸带开发与保护、海岸带生态环境建设等领域提供了重要参考.然而,由于海岸带生态系统脆弱性受多尺度、全方位和多层次的因素影响,涉及自然环境和人文社会的多个方面,包括自然生态环境、社会经济指标和人类健康福祉等,还有大量的自然科学与空间技术问题有待进一步研究.综合国内外的研究发展趋势来看,海岸带生态系统脆弱性评价研究由定性描述向定量评价、由静态评估向时空动态模拟研究、由单一的自然指标体系向综合的自然环境与社会经济指标体系不断深入是当前和今后发展的必然趋势.今后应加强4个方面的研究.

5.1 加强评价过程中对人类活动和社会经济相关指标的考量

当前海岸带生态系统脆弱性评价研究主要集中在对气候变化、地形地貌、海岸侵蚀、平均潮差等确定性指标的考量,对人类活动与社会经济等不确定性指标的定量研究较少,使得评价过程和预测结果都存在很大的不确定性.目前对海岸带生态系统中人类活动与社会经济过程与影响认识有限,相关指标的影响机制和定量研究还存在很多不足.在今后的研究,应当提高对于人类活动与社会经济相关指标的重视,将人类活动和社会经济影响机制有机地融入海岸带生态系统脆弱性评价过程中,不断提高海岸带生态系统脆弱性评价的准确性和全面性.

5.2 加强评价指标选取和评价方法的客观性和科学性

随着科技的发展和资讯平台的信息公开化,数据的可获得性不断提高,可选取的脆弱性评价指标涵盖的范围越来越广,所反映的海岸带生态系统脆弱性成因也越来越详细具体.但综合国内外研究成果可发现,评价指标选择有较强的主观性因素,不同研究者对同一区域海岸带的脆弱性研究,其评价结果可能大相径庭,而海岸带生态系统脆弱性评价结果的准确性又难以验证,因此需要重视评价过程中指标选取的客观性和评价方法的科学性,减少误差.

5.3 构建基于多因素交互作用的指标权重方案

海岸带生态系统受陆地与海洋生态系统的共同作用,外部的干扰与系统内部的响应机制存在着非常复杂的非线性关系.尽管国内外研究者采用多种方法在多个评价研究中尝试构建科学完善的权重方案,但由于人们对各指标间相互影响的效应了解不足,至今未能达成共识,缺少权威的权重赋值意见.未来应加强对多因素交互作用机制等方面的研究,加强对海岸带生态系统中多因素交互作用效果的评估,探究多因素交互作用影响下指标权重的确定,构建基于多因素交互作用的海岸带生态系统脆弱性评价指标权重方案.

5.4 重视时空动态数据和新技术的运用

“3S”技术的发展及其广泛应用为海岸带生态系统脆弱性评价提供了有效的研究方法,使得脆弱性的定量评估及时空动态模拟研究成为可能,是定量评估海岸带生态系统脆弱性随时空动态变化的有效工具.现有的评价方法及模型主要是针对气候变化等指标量化进行的,对不同指标对系统可能造成的影响以及海岸带生态系统自身的敏感性和适应性等问题了解不足.今后的研究应当在不断提高海岸带生态系统脆弱性时空动态模拟评价精确度的同时,建立科学的海岸带生态系统响应机制评价模式,应用RS和GPS技术建立海岸带遥感检测体系,实现大规模、多尺度、全时段的海岸带数据收集,应用GIS对数据进行精确有效地整合、定量、预测、模拟和综合分析等操作,获得直观清晰的评价结果.同时针对海岸带生态系统脆弱性形成机制提出应变措施,并对其作用效果和可行性展开模拟和验证.