世界遗产地周边城市生态系统研究——以怒江傈僳族自治州为例

■ 胡立辉 HU Lihui 张德顺 ZHANG Deshun

0 引言

21世纪伊始，人类科技、文化与经济高速发展，随之而来的是人口、环境与发展压力，世界进入了一个全新的地质时代——人类世（Anthropocene）[1]。在这个以“人”为核心的时代，生产力高度集聚在人口高密度分布的城市；同时，生物多样性、可饮用淡水、空气质量与社会经济发展等问题，也困扰着城市生态系统。目前，全球的城市化率约为60%，有一半的世界人口（35亿人）生活在城市中；预计到本世纪中叶，城市化率将达70%以上，这其中约95%的城市化进程将发生在发展中国家或后发地区。

城市是一个复杂的，以人类活动为中心的自然－经济－社会复合生态系统[2]。城市生态系统既可看作是单独生态系统，也可看作是由不同生态系统类型组成的复合系统（图1）[3～5]。遗产地是人类的“共同基础”（Common Ground），在其周边建设包容、安全、具有韧性且可持续的城市，可保护、恢复和促进可持续生态系统、生物多样性等，使人类社会转向可持续发展道路。

1 能值分析方法

能值分析方法（EA）是20 世纪80 年代由著名生态学家奥德姆（Odum H.T. ）提出的[6]，由于能值分析具有共同基准的指标体系，它能有效地有机结合城市生态系统中生态、经济、社会三个亚系统。能值分析作为研究生态系统的量化方法，自创立以来被广泛应用于不同空间尺度、不同类型的生态系统中。其中，在空间层面上，包括对国家或区域[7～10]、城市或者县域[11]，乃至自然保护区[12]等地区；在对象层面上，涵盖了自然生态系统[13]、城市生态系统[14]、农业生态系统[15、16]、海洋生态系统[17、18]、行业系统[19、20]等多种系统类型。虽然世界遗产地有关于黄山[21]、九寨沟[22]和泰山[23]的能值研究，但大多只针对遗产地内的旅游展开，与周边城市生态系统的关联研究还相对较少。

图1 城市复合生态系统关系概念图

2 研究区概况

怒江州容纳了寒温性、暖热性等植物类型，加上纵向岭谷的跨纬度分布与山地垂直带谱，成为地域性植物类型组合最为丰富的地区之一，也为各种动物的生长繁衍提供了适宜的栖息地，是天然基因库与生物多样性热点区域。三江并流遗产地的高黎贡山区、云岭片区、贡山片区、片马片区均位于横断山脉的怒江州境内。

怒江州全州辖泸水县、福贡县、贡山独龙族怒族自治县、兰坪白族普米族自治县4个县，均存在地处边疆、直过民族、深度贫困等问题，迫切需求社会经济发展。根据世界遗产委员会历年的监测报告和决议显示，三江并流自然保护区最受关注的威胁因素是水利设施、管理规划体系、矿业。在这样独特的区位与基础下，研究怒江州城市复合生态系统具有重要的现实意义。

3 数据来源与研究方法

3.1 数据来源

本研究以1990～2017年《云南统计年鉴》每10年的统计为基础数据来源，利用《云南年鉴》《云南旅游年鉴》《怒江傈僳族自治州年鉴》等进行订正和查补，统计怒江州城市生态系统的可更新资源、不可更新资源、进出口额、旅游收入及三废的排放数量。能值转换率来自前期研究[6、21、24]，在此基础上，根据当前的汇率与区域经济发展情况，对能值转换率与能值货币比率进行了系数调整。

3.2 研究方法

能值分析方法通过将复合系统中不同类别和性质的能量与物质直接或间接转化为太阳能值[25]，即量纲的归一化处理，使它可以对由自然环境和人类经济活动交叉形成的城市复合生态系统进行量化分析。本次能值核算包括可更新资源能值、不可更新资源能值、输入能值、输出能值和废弃物能值。另外，建立了城市复合生态系统及其亚系统的评价指标体系（表1）。

（1）可更新资源能值包括太阳能、风能、雨水化学能、雨水势能、地球循环能、农林畜水等产品。由于环境生态系统的循环，为排除能值重复计算，取其中最大能值——雨水化学能代表环境可更新资源能值。

（2）不可更新资源能值包括研究区域表土层年损失、工业、建筑业、农业以及居民日常生活的能值消耗。

（3）输入、输出能值主要包括对进出口产品、服务与货币所转换的能值。

（4）因为废弃物分解会消耗系统能值，统计固、液、气态废弃物排放量作为废物能值。

（5）能值总量包含可更新资源能值、不可更新资源能值与输入能值，它能够代表某一时期特定系统所拥有的可供支配能值资源。

表1 城市复合生态系统能值分析指标体系

4 结果分析

4.1 能值指标分析

4.1.1社会亚系统评价指标

（1）能值自给率（ESR）表征系统对内部自然环境的依赖程度。能值自给率越高，说明系统的经济发展对自然环境资源的利用度越高。从图2可以看出，1990年，怒江州的能值自给率为0.98，接近于1，说明怒江州自然资源丰富，自给自足；但同时也说明对自然资源过度依赖，外部能值输入不足，城市生态系统过于封闭。2016年，怒江州能值自给率下降至0.61，内部自然资源与外部系统的能值交流增加，但相对于其他地区而言，依旧具有较高的能值自给率。

（2）能值产出率（EYR）是系统反馈投入效益率和系统竞争力。能值产出率越高，表明单位产出能值所需的复合系统总能值越少，生产效率越高，系统竞争力越强。怒江州的能值产出率从1990年的53.0快速下降至2000年的10.4，2000年后开始趋于稳定状态（图2）。由于怒江州地处边境，辖区4县均为国家级贫困县，城市基础设施条件较差，前期国家财政对其投入较大，但随着城市生态系统的发展，能值产出率正在逐步增加。能值交易率（ETR）即输入能值与输出能值的比值，也呈现同样的趋势。

（3）人均能值（EP）反映了城市生态系统内人们的生活水平，人均能值越高，说明系统内人均占有的能值越多，生活质量就越高。能值密度（ED）反映了城市经济发展强度和等级，能值密度越高，说明区域的能值集约度越高，发展等级越高。能值货币比（EG）是能值总量与当年国民生产总值的比值，反映了经济系统现代化程度。根据分析，怒江州无论人均能值、能值密度，还是能值货币比，均显示其区域系统经济强度与现代化程度都在增加，人们的生活水平也有显著提高（图3）。

图2 怒江州城市生态系统能值产出率、交易率、自给率变化趋势

图3 怒江州城市生态系统能值密度、货币比与人均能值变化趋势

4.1.2 自然亚系统评价指标

（1）环境负载率（ELR）是权衡自然环境承受力与系统能值利用水平的标志。环境负载率越大，表明系统自然环境承受的压力越大，能值利用强度与科技水平越高。但如果环境负载率过高或者长期处于较高压力，会破坏生态系统的稳定性，造成城市生态系统的功能退化甚至丧失，且不可逆转。1990～2016年，怒江州城市生态系统的环境负载率为0.21～1.78，远低于东部大城市（图4）；但相较于甘南州（2018年0.51）[26]、泰安（2012年1.35）[23]，怒江州的环境压力并不小，且有逐渐增大的趋势。这与怒江州特殊的纵向岭谷自然生态本底条件及目前开发时高频的人为干扰有密切关系。

（2）可更新能值比（RER）用以判断系统自然环境的利用潜力和社会经济发展水平。怒江州1990年、2000年、2010年、2016年的可更新能值比分别为0.82、0.73、0.4、0.36（图4），说明在当下的科技水平下，生态系统内可利用的自然环境资源日渐减小，且系统内社会经济发展水平日益提高。

图4 怒江州城市生态系统自然环境负荷变化趋势

图5 怒江州城市生态系统人口压力与实际人口数量

图6 怒江州城市生态系统可持续发展变化趋势

（3）能值投资率（EIR）表征系统内自然基础对经济活动的容受力和经济发展程度。怒江州1990年能值投资率仅为0.02，远低于其他地区的相应值。随着不可更新资源与外部能值输入的增加，经济发展对环境的依赖程度逐渐减小，到2016年，能值投资率增加到0.65，但相较其他地区依旧偏低（图4）。

（4）人口承受力（ELC）反映系统自然环境的人口承受能力；人口承载量（ECC）主要是指当前科技水平下的环境资源可容人口量；实际人口数量（ACP）为当年统计的区域年末人口总数。从图5可以看出，1990～2016年，怒江州实际人口逐年上升，远远大于人口承载量；而整个怒江州的人口承受力更是逐年减小，两者的人口差值越来越大。

4.1.3可持续发展指标评价

（1）能值可持续指标（ESI）为能值产出率和环境负荷率之比，用于判断城市复合系统发展的可持续性[27]。但可持续发展指标与系统发展并非呈简单的线性关系。当ESI＞10时，表示该系统的经济情况落后；当ESI值处于1～10时，表示城市生态系统富有活力和发展潜力；当ESI＜1时，则为消费型系统[14、28]。怒江州的能值可持续指标从1990年象征极度不发达的246.5，以2000年的27.6为拐点，发展到2016年的1.4，怒江州城市生态系统进入一个富有活力且具有可持续性状态（图6）。

（2）能值可持续发展指标（EISD）为能值产出率与能值交换率的乘积与环境负荷率之比，是系统实际的可持续发展能力。这个指数是一个可同时兼顾社会经济效益与生态环境压力的系统可持续发展性能的复合评价指标。怒江州的实际可持续发展指标表明（图6），2010年以后，系统的环境压力明显增加，系统发展态势偏向不可持续的消费型城市生态系统。

4.2 三元相图分析

相图最开始用于化学溶液或金属合金中多种物质成分共存且处于平衡状态的图示表达，后广泛应用于物理学、材料化学与地理学。国外学者将生态系统的能值问题用三元相图来表达与分析，定义并阐述了相图中各特征曲线所描述的复合系统生产过程与自然环境、经济社会之间的相互关系，更加有利于反映出不同的资源开发与利用模式下，系统资源的配置比例和发展态势[29、30]。

4.2.1 系统能值利用结构分析

图7为1990～2016年怒江州城市生态系统的能值利用结构变化相图。从1990年的R∶N∶F = 82.3∶15.8∶1.9， 到2016年 时R∶N∶F = 36.0∶24.8∶39.2，可以看出，怒江州能值利用结构的变化是非常剧烈的。外来反馈投入所占比例较最初值增长了约20倍，这与怒江州原有的经济基础，与后期西部开发、扶贫战略等国家政策密切相关；对于自然资源的利用减少了一半，说明怒江州城市生态系统有明显的发展；对可更新自然资源的利用比例甚至还减小了，这可能与遗产地设立后，对林木采伐、水资源开发、保护区等方面管理的加强有关。

4.2.2 系统的可持续发展线分析

根据可持续发展指数（ESI）的定义与计算公式，ESI数值相等的线在三元相图中被定义为可持续发展曲线。如果以三元相图的不可更新资源N点为起点，向着可更新资源与反馈投入的RF边方向移动，形成可持续发展曲线族；且越靠近R点，ESI值越大；越靠近F点，ESI值越小。根据前期研究，不同ESI数值代表了城市复合生态系统所处的不同发展阶段（表2），系统的可持续发展指数位于不同区域则表明其处于不同的可持续发展性能水平[31～33]。

图8显示了1990～2016年怒江州复合生态系统的可持续发展指数所在区域，反映出系统所在的不同可持续性发展阶段。1990～2000年，怒江州的复合生态系统处于Ⅰ类区域，社会发展阶段处于初级，对资源利用不够充分。2010～2016年，直接系统进入可持续发展阶段，而2016年的ESI=1.4，已经接近于可持续发展区域的下限，且2010～2016年该可持续性指数快速降低，说明系统的可持续发展性能处于下行通道。

表2 不同ESI值所代表的不同城市生态系统所处发展阶段

5 结论

综上所述，在分析怒江州生态系统能量流动的基础上，建立反映城市复合生态系统可持续发展的评价指标体系，并采用多种方法与角度对能值分析的结果进行对比与拟合，从中可以得出如下结论。

图7 怒江州城市生态系统能值利用结构变化相图

图8 怒江州城市生态系统ESI所处不同可持续发展阶段相图

5.1 社会经济发展程度

正如境内的直过民族社会，怒江州城市生态系统从初级阶段快速发展至成熟阶段，系统内经济活动强度、现代化程度与居民生活水平有显著提高。但由于环境限制与基础条件薄弱，相较东部其他地区依旧有很大的发展空间。遗产地周边的友好发展对世界遗产的保护与管理有着巨大裨益。

5.2 自然环境压力

根据能值投资率（EIR），怒江州内自然环境对经济活动的容受力远低于其他地区的相应值。但对比其他遗产地城市，如泰安等，怒江州的环境压力并不小，且有逐渐增大的趋势。怒江州的生态本底敏感脆弱，或许并不适合高频、高强度的现代城市扩展模式，需要绣花式地开展城市生态系统的建设与管理。

5.3 可持续发展状态

怒江州能值可持续指标从1990年象征极度不发达的246.5，到2016年象征活力且可持续性的1.4，仅用了不到30年的时间，这个发展速度是迅速的。但伴随这个速度的是，2010年以后系统的环境压力明显增加，可持续发展性能处于下行通道，系统发展偏向不可持续的消费型城市。这对于地处边陲、可耕地少、环境脆弱的怒江州及三江并流保护区都是一个黄色警告。基础条件限制其成为完全依赖型城市生态系统的可能，如何与环境、农村及遗产共同发展，是未来怒江州面临的重要问题。

6 思考

当前城市与工业化社会对自然环境具有双向的影响，既具有竞争性和寄生性，又会以货币流的形式购买生态系统服务，向自然生态系统回流能值。现今的城市生态系统，是一种人类统治下的技术型生态系统。当这个系统无力支付生态系统服务时，如大气、土壤、淡水和矿产资源等被过度利用，系统就会处于不稳定状态。尤其在那些欠发达国家或地区，城市以爆炸式的形式增长，正严重威胁着支撑该地区甚至全球的生态系统。

在整个人类社会发展的历程中，城市起着中枢的作用，某一高效的城市规划与管理可以支撑起一个时代的文明；而世界自然遗产是对全人类都有突出普遍价值的自然景观、地质结构和濒危动植物栖息地。对于城市与自然遗产的关系认知，不能像以往那样是分离的，甚至是对立的，需要深入挖掘世界自然遗产与城市之间的结构、功能和关联，因为它影响着整个人类的发展与未来。城市复合生态系统是极其脆弱敏感的，人或自然的局部利益不能大于系统整体利益，在任何一种情况下，都应考虑关键组成部分之间的联系及其在空间和时间尺度上的联系。如何引导城市复合生态系统进入一个互惠的平衡状态，将是21世纪人类面临的最大挑战。