基于VSD模型的经济发达地区生态脆弱性评价——以太湖流域为例

李平星，陈诚

中国科学院南京地理与湖泊研究所，江苏 南京 210008

基于VSD模型的经济发达地区生态脆弱性评价
——以太湖流域为例

李平星，陈诚

中国科学院南京地理与湖泊研究所，江苏 南京 210008

自然与人为双重因素导致的生态脆弱性是研究关注的热点，但是较少有研究定量揭示2种因素共同作用下的生态脆弱区的空间格局，并提出针对性的空间管制措施。本文以经济发达的太湖流域为案例，借助Polsky等人提出的VSD模型，通过暴露度、敏感性和适应能力分解脆弱性，并构建包含自然和人为因素在内的、由10个要素和21个指标组成的指标体系，对太湖流域生态脆弱性进行定量评价，结果表明：（1）暴露度、敏感性、适应能力和生态脆弱性均呈现“东北高、西南低”格局；（2）太湖流域以中低强度的脆弱区为主，不脆弱区、一般脆弱区、较脆弱区、很脆弱区和极脆弱区占比分别为19%、26%、33%、15%和7%；（3）现状建设用地绝大部分分布于相对脆弱的区域内，不同类型建设用地的分布特征存在明显差异，城乡居住用地主要分布于较脆弱区和很脆弱区内，独立工业用地主要分布在较脆弱区、很脆弱区和极脆弱区内，交通用地则主要分布于一般脆弱区和较脆弱区内；（4）原有自然因素导致的脆弱性依然存在，人类活动强度增大已经成为是太湖流域脆弱性的主要诱因，人类活动范围的扩大和强度的增加将会导致脆弱性的进一步增高。结合脆弱性分区及其诱因，对不同类型脆弱区提出了空间开发或生态保护的建议和措施。极脆弱区以疏散人口和产业、强化生态建设为主；很脆弱区和较脆弱区是未来开发建设的重点，要坚持适度开发、生态开发，避免脆弱性提高；一般脆弱区作为区域开敞空间，以农业生产为主，坚持点状开发；不脆弱区以生态建设和环境保护为主，是太湖流域主要的生态服务供应地。

经济发达地区; 自然与人为因素交互作用; 生态脆弱性; VSD模型; 太湖流域

人类对于地球的改变是持续而且不断增长的，大约1/3到1/2的陆地表面已经被人类的开发利用活动所改变（Vitousek等，1997）。随着开发强度的增加和人口—资源—环境—发展关系的不断复杂化，地理学、生态学等相关学科的研究从注重由自然因素引发的环境变化逐渐转变为更加注重由人类因素引发的环境变化（Manunel-Navarrete等，2007；陆大道，2011）。生态脆弱性研究呈现出类似的变化趋势。脆弱性研究最早起源于自然灾害研究，被定义为“在自然灾害事件发生的过程中，个体或群体在预报、处理、抵抗以及从灾害影响中恢复的能力”（Blaikie等，1994；李克让等，2005）。随着人为因素对自然生态系统作用强度的增加和范围的扩大，自然因素、人为因素、生物因素相互作用下的生态脆弱性研究受到关注（陈萍和陈晓玲，2010；靳毅和蒙吉军，2011）。Birkmann（2007）对脆弱性的扩展过程进行了梳理，认为脆弱性的内涵已经从早期的基于风险因子的内源性脆弱，扩展到融合了自然、经济、社会、人文和环境、组织和机构等特征的综合范畴；徐广才等（2009）认为，生态脆弱性研究正逐渐从重点考察某单一生态要素发展到关注区域人地系统的整体性响应；其他诸多研究者也认为，脆弱性不仅仅包括由生态系统自然的、系统内部的演替所引起的自然脆弱性，还包括由外部的尤其是人类活动所引起的外部脆弱性（赵平等，1998；王小丹和钟祥浩，2003；刘小茜等，2009；钟晓娟等，2011）。

伴随着脆弱性内涵的不断延伸，其研究方法也在不断改变。早期研究基于特定的风险因子，以单维度、单要素的评价为主；随着脆弱性评价进一步涉及到自然、人文子系统及耦合系统的多个变量，综合评价的必要性增强，综合指数法、图层叠置法、模糊物元评价法、层次分析法等得到广泛应用（李鹤等，2008；乔青等，2008；周永娟等，2009；陈萍和陈晓玲，2010）。Polsky等(2007)受美国公共空间计划整合框架的启示，发展了基于“暴露-敏感-适应”的VSD评价整合模型(Vulnerability Scoping Diagram)。鉴于研究者普遍认为脆弱性有暴露度、敏感性和适应能力3个构成要素，VSD模型将脆弱性分解为暴露程度、敏感性和适应潜力3个维度，用“方面层-指标层-参数层”逐级递进、细化的方式组织评价数据，流程规范清晰，具有较高的实用价值，可以揭示自然与人文要素的双重影响，因而得到广泛应用（Moreno等，2009；Pearsall等，2009；刘小茜等，2009）。

太湖流域地处我国长三角经济区核心区，是国内经济社会最为发达的地区之一。长期的开发建设使区域生态脆弱性的诱因、范围和强度发生了较大的变化。以太湖流域为案例区、采用Polsky等(2007)的VSD模型进行区域生态脆弱性评价，既可以检验VSD模型的实用性，为模型提供实用参考，又可以全面揭示生态脆弱区，为通过针对性措施减轻脆弱性提供依据。

图1 案例区范围与区划Fig. 1 Extent and administrative division of Taihu basin

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

1 案例区与研究方法

1.1 案例区

太湖流域地处长江三角洲的南翼，地处我国经济最发达的地区之一——长江三角洲地区。除安徽省境内零星分布的山地外，流域涉及38个县、市、区，行政范围跨上海市、江苏省和浙江省(图1)。流域总面积约3.69×104km2，占全国国土面积的0.38%；其中，湖泊水面面积0.61×104km2，河道总长约12×104km。2010年末，常住人口总量约5391万人，占全国总人口的4.22%；地区生产总值达到4.45万亿元，约占全国生产总值的11.18%；人均GDP 8.25万元，约是全国平均水平的2.65倍。

快速的工业化和城市化进程在推动经济社会发展取得巨大成就的同时，也带动太湖流域土地利用格局剧烈变化，对太湖及其流域的生态环境产生较大影响。在大规模开发建设之前，受地势低洼、水网密集、降水量大且集中等因素影响，洪涝灾害是流域主要的自然灾害类型（黄益斌等，1999；姜加虎和窦鸿身，2003）。随着人口不断积聚、产业不断发展和城镇快速扩张，流域内新的生态环境问题不断涌现，主要表现为：水资源紧缺性提高，2010年水资源利用率超过100%，人均水资源量为389 m3，按国际标准处于极度缺水地区；水质不断恶化，2010年重点水功能区水质达标率仅为34%，超过64%的地表饮用水源水质劣于III类水标准；产业发展对水环境的压力增加，2010年71%的主要出入湖河流水质劣于V类（参考太湖流域管理局的《太湖健康报告2010》）；建设用地快速扩张，分散布局，土地开发利用强度较高，根据TM遥感影像数据，2010年建设用地比重达到25%，是1985年的2.3倍（图2）。受此影响，太湖流域生态脆弱性格局发生了明显的变化，由自然因素主导的脆弱性向自然-人文因素双重影响的脆弱性转变。

在全球环境变化背景下，基于自然和人文时间对太湖流域生态脆弱性进行评价，识别生态脆弱区及其主要的影响因素，进行流域生态脆弱性分区及空间管制，对于满足流域经济社会发展需求、科学保护流域生态系统、逐步实现区域可持续发展具有重要意义。

1.2 研究方法

VSD模型将生态脆弱性分解为3个维度，分别是暴露度、敏感性和适应能力。其中，暴露度是系统经历环境和社会压力或冲击的程度，与压力或冲击的强度、频率、持续时间以及与系统的邻近性有关；敏感性是暴露单元容易受到胁迫的正面或负面影响的程度，是胁迫与所产生的后果之间多维度的剂量反应关系；适应能力是系统能够处理、适应胁迫以及从胁迫造成的后果中恢复的能力（Turner等，2003；Polsky等，2007；靳毅和蒙吉军，2011）。

暴露度是系统经历环境和社会压力或冲击的程度，反映受外界干扰或胁迫程度的参数，暴露度越高，对生态环境风险的干扰更加敏感，自我调节能力较低，潜在脆弱性越高；案例区暴露源主要体现在人类活动方面，可以通过人口、产业的分布及土地利用格局等方面进行体现（田亚平等，2005；刘小茜等，2009）。敏感性是暴露单元容易受到胁迫的正面或负面影响的程度，是胁迫与所产生的后果之间多维度的剂量反应关系，敏感性由暴露的类型和系统特征决定，与系统被破坏的临界条件有关，面对特性的内部或外部干扰，敏感性较高的地区受到破坏的可能性和破坏程度更大，脆弱性往往更高；案例区对外界干扰的敏感性主要体现在石漠化、水土流失等方面，可以通过自然资源条件和地形地貌特征等因素进行反映（赵跃龙，1999；王丽婧等，2005；官冬杰等，2006）。适应能力是系统能够处理、适应胁迫以及从胁迫造成的后果中恢复的能力，适应能力是一种可改变和可调节的潜在的状态参数，通过人为的干预或适应性管理进行提升，主要涉及政策和社会经济层面的内容，适应潜力越大，面对同等干扰，系统恢复到平衡状态的可能性越大，受损程度越低，脆弱性越小（陈萍和陈晓玲，2010；靳毅和蒙吉军，2011）；案例区的适应能力可以通过经济社会发展水平、资源利用效率、生态环保投入等进行表征。结合前面分析，参考已有研究成果，构建了如表1所示的指标体系。其中，目标为“生态脆弱性”，子目标为“暴露度”、“敏感性”和“适应能力”，其中每个子目标下又划分为若干个要素层，每个要素由若干具体指标构成。

表1 生态脆弱性评价指标体系Table 1 Index of ecological vulnerability evaluation

单项指标进行五级分类的标准化处理；按照指标内涵和指向，1～5分别表示对应不脆弱、一般、脆弱、很脆弱和极脆弱。各项指标的指向及等级划分主要是依据生态、环境、经济、社会等领域的已有研究成果进行确定，标准为“*”的指标（即：C6和C9），越远离珍稀动植物栖息地、土地覆被类型的原生性越好，则脆弱性越低。数据来源和分析评级单元如下：C3、C9、C11根据中国科学院南京地理与湖泊研究所“湖泊—流域科学数据共享平台”上的“2010年太湖流域土地利用数据”进行整理，以公里网格为计算单元；C1、C2分别根据《2010年第六次人口普查分县数据》、相关省市和县市区的2011年统计年鉴数据获得，并根据土地利用情况采用空间差值的方法获得公里网格单元的数据；C4、C5、C16、C18、C19、C21根据2011年三省市及相关地市、县市区的统计年鉴或公报数据整理，以县市区为计算单元；C17、C20根据《2010年第六次人口普查分县数据》获得，以县市区为计算单元；C10数据来自中科院资源环境科学数据中心，以公里网格为评级单元；C14、C15来源于中国科学院地球系统科学数据共享网的全国基础地理要素数据，以公里网格为评级单元；C6、C7、C8综合中国科学院南京地理与湖泊研究所编制的《江苏省资源环境与发展地图集》以及其他相关资料进行整理（参考中国地质调查局的全国重点区域水文地质调查结果—长江三角洲），以矢量数据为计算单元；C12根据全国主体功能区划数据整理，以县市区为计算单元；C13根据《太湖流域健康报告2010》和高俊峰等的太湖流域水生态功能分区数据整理（高俊峰和高永年，2012），以矢量数据为计算单元。

在单项指标评价的基础上，采用层次分析法确定要素、指标的权重，计算暴露度、敏感性、适应能力和生态脆弱性。空间分析以ArcGIS9.3软件为主；指标评价等采用栅格运算，以公里网格为计算单元；所有以县市区、矢量板块为计算单元的数据均通过ArcGIS软件转换为栅格数据。脆弱性分区依据ArcGIS的重分类工具中的“按照natural breaks”工具进行，以保证组内差异最小、组间差异最大。

层次分析通过yaahp v7软件（www.jeffzhang.cn/）完成。yaahp软件由兰州理工大学张建华博士开发，是层次分析法的常用模型之一，具有较高的实用性。首先，分析要素层中各要素间的关系，采用采用1～9标度法对各要素的重要性进行两两比较，构建要素层判断矩阵。其次，将判断矩阵结果输入yaahp v7软件进行一致性检验和权重，经检验，判断矩阵一致性为0.0624，所得要素权重结果可信度较高。然后，在每个要素中，采用类似步骤确定各要素内部组成指标间的相对权重，即指标权重。最后，通过要素权重和指标权重相乘，得到21个单项指标的最终权重（表1）。

2 研究结果

2.1 暴露度、敏感性和适应能力

暴露度、敏感性和适应能力基本呈现“东北高、西南低”的格局（图3）。其中，暴露度最高的区域集中于上海市区和苏锡常的市区部分；上海郊区、苏锡常镇的其他地区、杭嘉湖的市区部分暴露度较高。该类地区人口、产业密集，人类互动强度较大，自然灾害频发，暴露度较高。敏感性最高的区域集中于上海市域、湖州市区和无锡市区，苏锡常和沪嘉杭沿线的区域敏感性也较高。该类地区自然生态系统破坏严重，水资源紧缺，水质较差，敏感性较高。适应能力最高的区域集中于上海，无锡、苏州、杭州的市区及个别区县也具有较高的适应能力。该类地区经济社会发展水平较高，政府的生态建设和环境保护投入较大，居民生态环境意识较强。

2.2 生态脆弱性

暴露度、敏感性与生态脆弱性正相关，而适应能力与之表现为负相关关系。从生态脆弱性看，太湖流域生态脆弱性较低，不脆弱区、一般脆弱区、较脆弱区、很脆弱区和极脆弱区分别占19%、26%、33%、15%和7%，表明流域以中低强度的生态脆弱区为主，极脆弱区或很脆弱区所占比重相对较少。生态脆弱性的空间格局整体呈现“东北高、西南低”的格局（图4）。

图4 太湖流域生态脆弱性分区Fig. 4 Zoning of ecological vulnerability evaluation of Taihu basin

2.3 生态脆弱性分区与现状建设用地的空间叠置关系

分析生态脆弱性分区与建设用地之间的空间关系，是对于缓解人为因素导致的脆弱性、减轻生态脆弱性的依据，结果表明：太湖流域高达58%的建设用地分布在很脆弱区和较脆弱区内；其次为极脆弱区和一般脆弱区，分别各占19%和18%；不脆弱区内建设用地最少，仅占建设用地总量的5%（表2）。从建设用地类型看，城乡居住用地占建设用地总量的84%，其在不同等级脆弱区内的空间分布格局与建设用地类似，主要分布于较脆弱区和很脆弱区内，不脆弱区内分布较少。独立工业用地较为集中地分布在较脆弱区、很脆弱区和极脆弱区内，交通用地则主要分布于一般脆弱区和较脆弱区内。太湖流域采矿场较少，主要分布于一般脆弱区和不脆弱区内。总的看来，独立工业用地的分布区域脆弱性最高，居住用地与脆弱性高值区的空间分布相关性较高，交通用地次之，采矿场最低。

表2 脆弱性分区与现状建设用地空间叠置关系Table 2 Spatial overlay relationship between zoning of ecological vulnerability and construction lands

3 5种类型脆弱性区的空间分布及其管制策略

极脆弱区主要分布于沪宁和沪杭2条人口、产业密集带上，其中上海、苏州、无锡、常州的市区和湖州的嘉善县分布最为集中。从自然因素讲，该类地区以地势较低，洪涝灾害的风险性较大；从人文因素讲，该区域开发历史最久、开发强度最高，历来是区域人口和产业最为密集的地区。高强度的人类活动破坏了原生生态系统和地表植被，在自然脆弱性的基础上，产生了由人为因素引起的次生脆弱性。对该类地区，未来要限制开发强度的增加和城镇、产业空间的无序扩张，有序引导人口和产业向区域内脆弱性较低、开发条件较好的区域转移。

很脆弱区的分布格局与极脆弱区类似，主要分布于极脆弱区的外围地区，沿江和沿湾地区也有分布。很脆弱区与极脆弱区的自然特征类似，其生态环境本底具有一定的脆弱性，主要表现为地势低洼、水网密集、洪涝灾害敏感性较强。与极脆弱区相比，该类地区的开发强度稍低，因此其暴露度相对较小、敏感性相对较低，生态脆弱性较低。但是，该类地区是未来开发建设的重点区域，不断提升的开发建设强度有可能导致脆弱性的提高，由很脆弱区向极脆弱区转变。因此，需要加强对人口、产业集聚强度的控制，并加强生态建设与环境保护，以缓解区域生态环境压力。

较脆弱区的分布相对分散，除西部山区外，沿江、沿湾、环湖等地区均有分布。该类地区同样属于地势低外地区，自然生态系统具有一定的脆弱性。目前，该类地区处于开发建设的前沿地区，以耕地为主的景观向耕地、建设用地并存的景观转变，开发建设强度不断增加，生态脆弱性不断增强。同时，受生态系统关联性的影响，周围极脆弱区、很脆弱区对该类地区产生了较大的影响，使其脆弱性进一步加大。该类地区将是未来开发建设的前沿地区，应合理确定区域生态承载力，采取严格的产业准入政策，重点发展高新技术产业，限制人口过度集聚。

与较脆弱区类似，一般脆弱区的分布也较为分散，夹杂于很脆弱区、较脆弱区之间。该类地区地势相对较高，受洪涝等自然灾害的威胁较少，土地利用类型以农用地为主，人地关系相对较为和谐。作为区域绿色开敞空间，为区域提供气体调节、休闲娱乐等生态功能。未来应该坚持点状开发、生态开发的原则，合理确定城镇规模和边界，严格控制城镇规模扩张，重点发展生态产业，加强农地保护，适度集聚区域人口和产业，以免增强其生态脆弱性。

不脆弱区集中于西部山地地区。该类地区地处太湖流域上游，虽然具有一定海拔高度，但是绝大部分地区在1 000 m以下，坡度不高，光热水土配置条件较为优越；以天然林为主，自然生态系统较为健康；由于人口密度较低、产业发展相对滞后，人类活动的负面影响较低。该地区具有极高的水源涵养、生物多样性保护、水土保持等生态价值，受到地形条件、地貌特征等因素的影响不适宜进行开发建设。未来应坚持以生态建设和环境保护为主，禁止任何污染型产业发展，有序引导人口转移，打造太湖流域重要的生态旅游和休闲目的地。

4 结论

（1）从方法和理论层面，本研究利用VSD模型进行生态脆弱性评价，有效揭示了自然与人文因素导致的生态脆弱区的存在。总的看来，太湖流域自然因素导致的脆弱性主要是因其地势低洼、河网密集、降水较多等因素引起的。虽然多年治理已经有效提升了适应能力，缓解了灾害影响，但是由于人口、产业大量积聚，使其对自然灾害的暴露度增强，洪涝等原有的灾害威胁并未彻底消除，缺水、地面沉降、大气污染等新生灾害出现并强化。在未来全球变化背景下，其敏感性将进一步增强。鉴于人口、产业已经大量急剧，暴露度难以降低，因此通过提升适应能力来降低生态脆弱性是相对可行的途径。

（2）从实践层面，针对不同类型生态脆弱区及其与现状建设用地的空间叠置关系，本文分析了脆弱性的主要诱因，并提出了未来空间管制的主要方向。极脆弱区疏散人口和产业、强化生态建设为主；很脆弱区和较脆弱区是未来开发建设的重点，要坚持适度开发、生态开发，避免脆弱性提高；一般脆弱区作为区域开敞空间，以农业生产为主，坚持点状开发；不脆弱区以生态建设和环境保护为主，使流域主要的生态服务供应地。

总的看来，本文采用VSD模型对经济发达地区生态脆弱性进行了评价，具有一定的理论和实践意义。目前研究仅仅是针对一个时间点进行的，并未通过长时间序列的分析解释生态脆弱行的时空演变规律，也未通过情景模拟的方式模拟不同环境变化、经济社会发展背景下的脆弱性变化。这是未来需要重点关注的问题。

致谢：感谢“中科院资源环境科学数据中心”、 “地球系统科学数据共享网”、中国科学院南京地理与湖泊研究所“湖泊—流域科学数据共享平台”提供的数据支撑。

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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，陈诚. 基于VSD模型的经济发达地区生态脆弱性评价——以太湖流域为例[J]. 生态环境学报, 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.

国家自然科学基金项目（41101161）；中国科学院南京地理与湖泊研究所青年人才基金（NIGLAS2011QD03）；中国科学院战略性先导科技专项（XDA05050106）

李平星（1984年生），男，助理研究员，博士，主要从事区域发展及其生态效应研究。E-mail: pxli@nigalas.ac.cn

2013-10-02