生态安全： 基于多尺度的考察

鞠昌华，裴文明，张 慧

(生态环境部南京环境科学研究所，江苏 南京 210042)

随着环境公害问题的出现，美国学者莱斯特·R·布朗在 1977 年最早将环境议题引入安全领域[1]。20世纪80年代，苏联切尔诺贝利核电站事故导致的巨大灾难引发了人类生态环境安全的担忧，推动了学界对生态安全的探索。1990年代后的温室效应、厄尔尼诺以及沙尘暴等跨越国界的全球性环境公害威胁凸显，进一步丰富了国际学界对生态安全的认知[2]。“生态安全”已经从传统生态学的生态系统安全问题，演化为一个涉及环境安全、健康安全、经济安全、社会安全和国家安全等的公共安全问题[3-4]。国际应用系统分析研究所于1989年从人类社会视角明确生态安全的涵义，认为它强调在人的生活健康安乐基本权利、生活保障来源、必要的资源、社会秩序和人类适应环境变化的能力等方面不受威胁[5]。更多学者从环境资源安全、生态系统安全以及社会经济生态安全的多重角度理解生态安全[6-8]，认为它是保证自然系统、技术系统和社会系统相互协调作用，具备自然系统的自然资源与生态潜力、生物圈整体自我调节能力，满足地球各个地区人口物质、美学和灾难防御需求的状态[9]。由于自然系统作用的整体性，生态系统遭受破坏会给人类带来全局性的灾难后果，因此，生态安全问题成为人类的共同问题，它的影响超越国家、民族、阶级、集团、文化和宗教，成为人类集体的、共同的安全[10]。在中国，2014 年 4 月 15 日召开的中央国家安全委员会第一次会议上，生态安全正式作为国家总体安全的重要组成部分，被明确纳入国家安全体系[11]。生态安全内涵丰富，包含多方面意义，且每一方面又有着多重尺度[6,12]。理解生态安全尺度，是有效开展生态安全研究，进而构建全面的生态安全体系的基础。因此，基于不同尺度深入研究生态安全的特征要求，对推进我国生态文明建设、建设美丽中国、维护国家安全具有重要意义。

1 生态安全的空间尺度特征

尺度一般指研究对象(物体或过程)的空间分辨率和时间单位，它标志着对所研究对象细节的认知水平。在生态学中，尺度是指所研究生态系统的面积大小(空间尺度)或其动态变化的时间间隔(时间尺度)[13]。研究生态安全随着时间和空间变化的规律性，了解不同时间和空间尺度上生态安全的特征，对全面系统评估生态安全具有重要意义[14]。无论是以时间“点”还是以时间“段”考察生态安全，都必然与一定空间尺度相联系。同时，时间尺度的研究涉及复杂的生态过程。因此，该文拟从空间尺度开展生态安全尺度研究。

1.1 生态安全具有空间地域性

一是从生态学及安全概念出发，生态安全具有地域性。E·海克尔于1866年将生态学定义为研究生物体与其周围环境相互关系的科学。生物体和环境都基于特定地域存在，因此生态学研究从来就具有地域性。从安全角度来看，生态安全也总要指向某一确定的系统，进而指向确定的空间范围[6]。

二是生态系统具有区域性。自然生态系统无论是河流、湖泊，还是森林、草原都具有明确的地理边界，生态安全多以其自然地理范围为边界。社会系统中国家、省、市、县等更有着明确的行政边界，其生态安全也多以行政区域为边界。就全球生态系统而言，尽管各系统之间存在联系，但仍自成系统，生态安全威胁往往具有区域性、局部性[14]。因此，一个地区生态不安全，并不意味着另一个地区生态不安全[15]。

三是生态安全具有空间差异性。不同地区因为不同纬度、不同海拔以及不同海陆关系等，有着不同的温度、光照及土壤、水分等状况，直接影响区域生态环境特征，形成森林、草原、湿地、荒漠等不同生态系统。在人类活动的影响下，不同地理单元进一步分化为城市、乡村等，加剧了空间差异性。因此，不同地理空间产生差异化的生态风险，其生态安全具有明显差异性。

四是生态安全效应具有空间外溢性。生态系统间因物质流动、能量交换等而相互联系，因此，某一区域的生态安全状况可能会影响相邻区域的生态安全[15]。生态安全效应的外溢性根据效应可分为正向外溢和负向外溢两种。比如，在内蒙古、新疆等农牧交错带，植被的改善可以有效改善周边地区的生态环境状况；而植被一旦遭到破坏，就极易给在其风域下游的城乡带来沙尘暴危害。

1.2 生态安全具有多尺度特征

一是生态环境及生态安全具有层次性。以流域为例，有干流、支流，支流之下还有小流域。国家、省、市、县更有着明确的行政等级和隶属关系。这样的层次性决定了生态安全具有多尺度特征。多数学者认为，生态安全在种群、群落、生态系统(农田、森林)、景观生态、区域生态区(生物地理区)、陆(地)海(洋)生态、全球等尺度上都具有生态学意义[6,16]。其中，如果任一生态尺度出现损害、退化，并超出系统可调节或可接受的范围，那么在该尺度上就将处于生态不安全状态[17]。一些生态功能保护需要在多尺度开展，如在生物多样性保护中，就需要从种群到生态系统尺度，从景观到区域尺度上研究保护的多尺度路径[18]。

二是在每一尺度上，生态安全都有其相应特征(图1)。比如，在全球尺度上，生态安全主要考察全球性介质的扩散、气候变化带来的风险以及生物多样性保护等；在景观尺度上，主要考察景观结构的合理性及通畅性；在生态系统尺度上，主要考察生态系统结构功能的合理性、稳定性、演替成长性。在生物细胞、组织、个体尺度上，它们本身并不成为生态安全考察内容，但作为机理的支撑性研究，为上升到前述各尺度的生态安全研究及应用服务。一般而言，从基因到生态系统尺度重点研究生态安全机理，生态系统尺度到区域尺度重点研究生态安全机制，区域尺度到全球尺度重点研究生态安全管理应用。

图1 不同尺度生态安全示意

1.3 生态安全具有尺度间关联性

在不同尺度之间存在相互的包含关系，同时，还存在着物质、能量和信息的联系。因此，在不同尺度间生态过程相互关联，从而使得生态安全在不同尺度间具有关联性。上层尺度上系统的稳定性机制也可能有助于下层尺度的系统维持稳定，上层尺度上系统的稳定性机制也可能有助于下层尺度的系统维持稳定，而下层尺度上的生态风险亦可能导致在上层尺度上产生风险。生态安全的尺度间关联性依赖于对生态机理的深入研究，因此，对尺度关联性的认识还需要通过多尺度生态过程、生态机理以及尺度转换等不断加深。

2 不同尺度上的生态安全

学者从生态学系统性角度提出生态安全在种群、群落、生态系统(农田、森林)、景观生态、区域生态区(生物地理区)、陆(地)海(洋)生态、全球等尺度上的生态学意义[6,16]。从人类社会系统角度，全球、国家、省、市、县不同尺度生态安全都有治理上的意义。笔者综合考虑生态学基础和实际工作需要，主要从全球尺度、区域尺度和生态系统尺度讨论不同尺度的生态安全。

2.1 全球尺度的生态安全

全球尺度上的生态环境资源状况恶化已威胁到很多地区人类的生存与发展，从而推动了生态安全研究，并为公众所认知，因此全球尺度生态安全一直是生态安全研究的热点[19]。全球尺度生态安全主要基于4类问题。一是从社会经济系统出发的全球资源危机。从博尔丁的“地球飞船”到人类对预测情景中矿产资源枯竭的深深忧虑，以及人们对地球人口激增的恐慌等，都将生态安全刻上了资源危机的烙印。目前，很多生态安全研究和预警都是基于这一角度提出的，全球生态足迹计算就是其中较为典型的成果。根据“全球足迹网络”(Global Footprint Network)计算，地球超载日已从1970年的12月29日提前到2018年的8月1日，显示人类正在透支未来资源[20]。二是从地球环境系统出发的全球环境危机。代表性的是核辐射威胁，尤其是广岛、长崎原子弹爆炸和苏联切尔诺贝利核电站核泄漏等带来的大范围环境与健康危机，使得人类深深陷入全球性安全焦虑。三是从地球物理系统出发的全球自然地理环境危机。比如，因为气候变化导致全球尺度上气象过程的改变和海平面上升、暴雨、干旱等，并由此引起大尺度生态系统失调，形成全球气候变化危机。联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第五次评估报告第一工作组报告显示， 21世纪末全球平均地表温度在1986—2005年基础上将升髙0.8～4.3 ℃，全球海平面将上升0.26～0.82 m[21]。为应对全球气候变化危机，气候变化峰会已成为全球首脑最重要的国际合作平台之一。四是从地球生态系统出发的全球生物多样性危机。生物多样性是人类赖以生存和发展的基础，因此，生物多样性丧失引起生态学家的广泛担忧。生物多样性和生态系统服务政府间科学政策平台(The Intergovernmental Science-Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services，IPBES)提交的2018年度生物多样性评估报告指出，人类活动导致的生物多样性衰退非常严重，已对世界各地的经济、生计、粮食安全、饮用水以及人们的生活质量造成危害。

2.2 区域尺度的生态安全

区域与人类社会基本管治单元密切联系，区域尺度的生态安全研究有利于从宏观上把握区域动态，有助于为决策和管理提供依据，因此，区域尺度生态安全得到各级政府的最多关注[14]，也较容易在相应管治单元得到政策或工程的支持。区域生态安全反映区域生态处于结构、功能稳定，资源物质、能源能量等流动能够有效保障区域自然生态和社会经济系统良性运行的状态。因此，区域尺度生态安全是区域可持续发展的基础，是人类生态安全的核心[19]。我国在生态安全方面的研究主要集中在国家、省、市及生态功能区区域尺度上[22]。

区域尺度有大有小(图2)。从生态安全角度，大的可以包括若干国家的地理单元，比如撒哈拉以南非洲等，即国际尺度；其下为国家尺度，它以国家统治疆域为边界，是各国政府核心关注点；再下为行政区尺度，这是各地方政府关注点及实施区域。考虑行政边界的大小，在中国可包括省、市、县不同层级尺度。也有部分学者在更小的镇、村尺度上探讨生态安全问题[23-24]，还有学者讨论了废弃场地的微尺度生态安全问题[25]。但这类小微尺度是否能够视作区域生态安全的研究单元尚存在争议。此外，在跨行政区尺度上，还有生态功能区尺度，它是表现为承担某一种或几种重要生态功能，以及具有某种生态脆弱性、敏感性的自然地理单元。由于生态功能区功能的重要性，其更多得到生态学家的关注，也是生态环境管理部门分区管理的重点。

图2 区域尺度生态安全特征框架

国际大区域尺度，如撒哈拉以南非洲[26]、南极洲[27]、北冰洋[28]、亚马逊河流域[29]、多瑙河流域[30]等生态较为敏感的区域也是国际生态安全研究的热点之一。在这一尺度上，因为人类大量开发带来区域性生态系统退化，尤其是区域内关键国家生态资源利用不当带来邻国生态安全问题等，或因为气候变化带来区域性异常洪涝、干旱灾害等，构成区域性生态安全威胁。由于这一尺度上生态安全的维护及改善需要区域内各国的共同努力，因此成为区域性政府间合作的重要领域。

国家尺度生态安全由于直接关系到一国管治范围内自然和社会经济的可持续发展，且国家有着最为完整的应对能力及政策工具，因此一直是生态安全研究中最突出的尺度[12]。总体而言，在这一尺度上，主要关注资源的过度占用及自身供给不足带来的资源安全危机，包括水资源危机、土地资源危机、能源危机以及由此带来的粮食危机等。一些国家则根据自然生态特点有其特别的关注点，如小岛屿国家关注气候变化，沙漠国家关注干旱及沙化问题。省、市、县等地方不同行政层级尺度关注的问题与国家尺度类似，也主要集中于资源的过度占用及自身承载力不足带来的资源危机[31-34]。

生态功能区尺度，如重要生态功能区、生态脆弱区、生态保护红线区等重要生态空间，以及人居生态功能区和农业生态功能区等的生态安全，是近年来生态学界更为关注的领域[35-37]。在这一尺度上，主要关注功能区的生态不确定性和脆弱性，前者主要关注其遭遇环境灾害的风险，后者主要关注功能区遭遇环境变化后的生态系统结构和功能的损害及恢复的难度。不同生态功能区，依据自然生态特点有其特别的关注点，如水源涵养生态功能区主要关注其水源涵养能力及其对下游生物水资源供给能力和径流调节能力[38]。生态功能区生态安全目前已成为维护中国生态安全的重要组成部分和抓手，中国的主体功能区制度、生态保护红线制度、重点生态功能区制度以及生态脆弱区保护制度等都是在这一尺度上的应用。在生态功能区尺度上，重点研究区域主要包括生态脆弱带和重点流域，如海岸带地区、农牧交错带[39]、山地平原过渡带、绿洲-荒漠交界带及严重水土流失区等[40]。该尺度上的重点研究领域则主要有区域生态安全阈值、生态安全监控、生态安全预报与预警系统等[1]。

近年来，随着景观生态学的发展，景观格局分析成为区域尺度生态安全研究中的重要方法[41-42]。这类研究通常以遥感影像为数据源，通过景观指数和地理信息系统(GIS)空间分析方法研究区域景观格局的演化特征，进而构建景观生态安全评价模型，分析区域景观生态安全格局演变规律及其驱动因素。一些研究进一步基于最小累积阻力模型等方法构建区域景观生态安全格局[43]。

2.3 生态系统尺度的生态安全

生态系统是生态学研究中最重要的尺度，因此生态系统尺度的生态安全也是生态学角度最重要的尺度[44]。生态空间结构与功能表达理论认为，在基本尺度上开展生态空间研究有利于发现不同生态现象的内在成因及其发生机理。无疑，生态学中研究应用最广泛的生态系统是其中最理想的研究尺度。生态系统尺度的生态安全是指自然或人工生态系统处于健康的、自组织和自我调节并有序循环的状态。生态系统生态安全主要基于生态系统结构功能的合理性、稳定性以及演替成长性来判断。一般地，在生态系统尺度上有两类生态安全研究，一类以管理部门确定的禁止开发区，如自然保护区[45-46]、森林公园[47]、湿地公园等为单元开展研究；一类以生态系统的自然边界为单元，如河流流域生态系统[48]、湖泊生态系统[49]、山体等，开展具体研究。此外，由于近年来全球化贸易往来密切，外来入侵物种的出现越来越频繁，并成为突出的生态系统生物多样性损害因素，也成为生态系统尺度上生态安全研究的热点[6]。

3 不同尺度生态安全特点比较

3.1 尺度范围特点比较

从生态安全影响的尺度范围(表1)来看，3者中全球尺度生态安全影响范围是全局性的，影响最广。从具体研究来看，全球尺度生态安全影响范围指向全球范围，较为稳定，但实际研究中基于显示度、数据可获得性等因素，常常指向代表性特定区域，如南极洲、北冰洋等，或指向人类活动区域，如主要大陆等。区域尺度影响范围居中，是局域性的，区域生态安全研究尺度在很大程度上取决于生态介质的扩展范围和不同生态区域的环境分异状况[50]，它多与管治范围高度重叠，如以重点生态功能区为代表的禁止开发区，如以城市为代表的城镇生态安全，如包括城市、农业、生态空间的国家省市生态安全。从具体研究来看，区域尺度生态安全研究范围根据选取的区域研究对象而有着巨大的变异范围。生态系统尺度影响范围一般相对较小，主要是自然生态系统范围，如以自然保护区为代表的生态保护地。从具体研究来看，生态系统尺度生态安全研究范围根据选取的生态系统不同也有着巨大的变异范围，大的如海洋生态系统，小的如较小的湖泊生态系统。

由于尺度范围的差异，在早期，受观测条件和数据运用的限制，经典的生态系统生态安全研究方法主要是生态系统生物及环境要素观测法。而依赖于研究工具的进步，宏观尺度的生态安全研究得到发展，如遥感技术的进步推动了全球和区域尺度的生态安全研究，GIS技术的进步，尤其是景观生态学的发展则推动了区域尺度的生态安全研究。

表1 不同尺度生态安全特征比较

Table 1 Comparison of ecological security characteristics at different scales

尺度 尺度范围影响因素影响路径评估方法全球大有社会经济因素,也有自然因素,并以前者为主全球性介质的扩散和增长全球生态模型区域中有着自然背景,但更多的是社会背景区域生态条件变化,介质扩散,介质流动路径中断综合评价法、生态模型法及景观生态学方法生态系统小更关注自然因素,也有社会因素生态过程介质变化,生态系统结构的破坏生态指标法、生态系统模型法

3.2 影响因素特点比较

作为一个结合人类社会需求与生态学的综合性概念，在每个尺度上生态安全影响因素都包含着社会经济因素和自然因素，但不同尺度间还是有着较为明显的差异。

全球尺度生态安全的影响因素有社会经济因素，也有自然因素，并以前者为主。研究者普遍关注的主要有工业化和能源利用带来的温室气体排放及资源超负荷利用，城市化带来的生物多样性热点地区的破坏等。区域尺度有着自然背景，但更多的是社会背景，因此其影响因素有自然因素，如降雨、风力等气象生态条件，如脆弱区自身土壤、植被等特征因素；更多的则是社会经济因素，包括工业化和城市化活动带来的资源利用压力、环境污染以及生态破坏等。生态系统尺度生态安全影响因素更多从生态学出发，较关注自然因素，包括反映生态系统自身结构特征的内部生物因子，也包括反映支撑生态系统的自然环境因子；同时，生态系统尺度影响因素还包括城市化和工业化活动造成的外部压力因素，如生态系统中水量的减少、水质的下降，土地及植被的减少，生物资源的利用与结构破坏等。一般而言，越大尺度上影响生态安全的因素越多，越难以全面认知。在大尺度生态安全研究中常会出现以偏概全的问题，因此它要求指标的选取尽可能全面、准确。但是，全面分析所有影响因素既不现实，也无必要，在实际研究中需提炼出最重要的影响因素开展分析。

3.3 影响路径特点比较

比较而言，不同尺度上生态安全影响路径的共通性大于差异性。全球尺度影响路径主要是全球性介质的扩散和增长，这类介质主要是影响大、数量大或者扩散距离远，可以影响全球范围的介质，目前提及最多的是温室气体。另外，核辐射也是重要的全球性生态安全影响路径，尽管目前由于严格的控制还主要是区域尺度的影响。

区域尺度影响路径主要有3个方面：一是区域性生态条件，主要是水、气、资源的变化，如水资源、土地资源和矿产资源的短缺；二是区域性介质，主要是其中污染物质的扩散，如雾霾、沙尘暴；三是介质流动的区域路径中断。生态介质在生态区域内与生态功能不符的扩散(或萎缩、中断)以及增长(或减少)会导致区域生态安全问题。如区域水资源的剧烈变化带来严重水灾或旱灾，从而威胁当地人类和生物的基本生存环境。此外，生态影响路径的中断也会导致区域生态安全问题。它通过对区域内景观生态格局的干扰，切断生态资源的流动路径，从而造成对区域生态过程的威胁[43]。总之，区域尺度生态安全影响机制主要是区域生态系统服务价值的丧失及其供需平衡关系的破坏。

生态系统尺度影响路径主要有2个方面：一是通过生态过程介质的变化影响，二是生态系统结构的破坏。前者主要是指水、气、土等生态条件的变化，如湖体水位的大幅下降或水质的恶化，造成湖泊生态系统退化。后者主要是指生态系统结构的破坏，比如湖泊生态系统中入侵鱼种的放养，草原大量山羊的过载放牧或者大量田鼠的生长等，这些生态系统的结构性破坏都会损害生态系统的功能稳定，进而造成生态系统退化。

3.4 评估方法特点比较

在不同尺度上由于可以掌握的数据特征差异和影响机制差异，因此其评估方法也有一定差异。目前，在全球尺度上，由于其空间尺度太大，难以准确掌握其生态过程，因此，其评估方法主要是模型法。结合全球监测网络数据和GIS，通过模型预测气候变化特征及其产生的后果来评估生态安全状况并预警，典型模型如：DICE、ENTICE、MIND、JAM、IGEM、GREEN、Global2100、ICAM-1、PAGE、E3MG、GIM等[51]。近几十年来，气候变化影响与风险已成为全球变化研究的前沿领域，在各学科发展推动下，气候变化风险评价模型得到蓬勃发展。但是，目前气候变化影响中风险定量评估技术体系仍不完善[52]。尤其是一些著名报告给出的量化结果在实践中被证伪，表明这类模型评估方法仍有待进一步完善。

区域尺度是目前研究和评估应用最多的层次，其评估方法主要有综合评价法、生态模型法和景观生态学方法等。利用上述方法，结合区域监测数据、统计数据和遥感数据，通过判断区域可持续发展能力、主要生态功能的维持能力评估其生态安全状况。综合评价法主要包括压力-状态-响应(P-S-R)评价法、综合指数法、生态承载力分析法、生态足迹法[4]，是目前应用最广泛的方法。P-S-R模型认为，区域生态安全状况与生态状态、生态响应呈正相关，与生态压力呈负相关，并依此构建相应指标体系，该方法自问世起便成为区域尺度最常见的生态安全分析模式[4]。生态足迹法自问世以来，因其具有形象易于接受、简便易于掌握、量化具有区域可比性、可测量并反映生态系统的压力结构以及经济系统对生态系统的压力等优点而被广泛应用[48]。作为一种静态估算方法，生态足迹法未考虑累积性影响，缺乏预测意义，并且未全面反映区域的资源生态压力，未反映区域生态因子的重要性差异，未考虑区域生态脆弱性与弹性等而被研究者广泛质疑[53-57]，有待完善改进。生态模型法有供体-路径-受体模型和环境-经济-社会耦合模型等，该方法基于过程进行机理分析和评价，最为复杂，有待进一步深入研究。随着景观生态学方法的发展，其也在区域生态安全评估方面得到大量应用，它将空间结构与功能、格局与生态流结合起来，通过空间异质性分析景观生态空间稳定性。

生态系统尺度评估方法主要包括生态指标法和生态系统模型法，有些空间范围较大的生态系统研究中也会采用景观生态学方法。利用上述方法，结合实地观测及统计数据，通过判断生态系统的结构状况、功能过程或者生态系统的特征因子来评估生态安全。常用的模型法主要包括用于海滨生态系统风险评价的LERAM模型、用于水生生态系统分析的Ecopath模型、生境稳定指数模型(HIS) 以及BACHMAP 模型、ECOLECON 模型等种群分析模型[58]。

4 展望

经过几十年的发展，各个尺度上生态安全研究都取得了丰硕成果，但目前在每个尺度上依然还有大量理论和实践问题亟待进一步研究探索，笔者认为未来需要从以下方面进一步加强相关研究。

(1)在全球尺度上应进一步加强巨系统的研究，逐步完善全球生态模型的研究，特别是加强对全球气候变化的风险评估理论基础研究，加强全球数据资料的整合，完善评估技术体系，加强生态风险的定量评估方法研究。

(2)在区域尺度上进一步结合区域生态学的发展，重视社会经济与生态格局、生态过程的耦合机制研究，结合主体功能区分类及重点生态功能区分类，突出重点区域生态安全的监测、模拟和预警研究。

(3)在生态系统尺度上进一步结合生态系统生态学、种群生态学研究进展，充分利用基因等微观尺度上生态学研究成果，加强生态系统过程的机理机制研究，强化物理、化学过程与生物过程的耦合机制研究，突出典型脆弱生态系统生态安全研究。

(4)加强尺度间生态风险的关联机制研究，不断加深多尺度生态过程研究，加强生态机理以及尺度转换方法等的研究，突出全球生态安全研究的降尺度运用和生态系统生态安全的升尺度运用，从而在政策应用最为广泛的区域尺度获得更可靠的生态安全理论基础。

(5)完善多尺度生态风险的影响机制及定量生态阈值研究，构建多尺度生态安全预警机制，进而依据不同尺度生态安全影响因素及路径确定相应风险应对策略，从而为国家和省市生态安全管理提供依据和支撑。

(6)进一步开展不同尺度生态安全损益量化评估技术研究，从而为国家和省市在区域、跨境国际生态安全合作、流域生态补偿机制、生态安全调控和监督考核与问责机制等管理机制方面提供依据和支撑。