沿海地区应对气候变化和人口快速增长的韧性土地利用规划——以美国佛罗里达州马坦萨斯河流域为例

祝明建 管少平 陈康琳 余鸿

研究表明，在全球气候变化所导致的影响中，海平面上升被认为是最确定、最直接、最显而易见以及影响最广泛的后果[1-2]。20—21世纪初全球沿海观测站的统计数据显示，全球海平面平均每年上升了约3.3 mm[3]，联合国政府间气候变化专门委员会预测全球海平面将在21世纪末上升0.4～0.6 m，最高可能上升1.0 m，并指出气候系统的变暖与海平面上升的关系毋庸置疑。自20世纪50年代以来，观测到的许多变化在前几十年乃至上千年时间里都是前所未有的。过去3个10年中地表温度已连续高于1850年以来的任何一个10年[4]。2017年3月22日，中国国家海洋局发布了《2016年中国海平面公报》，公报指出：自1980—2016年，中国沿海海平面变化总体呈波动上升趋势，并且由于沿海地区地面沉降等原因造成的影响，中国海平面上升速率略高于全球平均水平。2016年，中国沿海海平面较常年高82 mm，达到1980年以来的最高位。

海平面上升对沿海城市和地区的影响巨大，应对海平面上升的相关研究受到了各国学者的关注。2010年1月，美国的保护生物学家们专门在佛罗里达州的阿基邦德生物站（Archbold Biological Station）举行研讨会，确立未来应对海平面上升拟从事的主要研究方向和应对策略。近年来，中国学术界也逐渐重视海平面上升的适应性研究，如在2016年的全国两会上，秦大河院士就专门提案呼吁加强海平面上升对中国沿海地区不利影响的研究和适应性规划应对工作。

伴随着海平面上升，沿海地区人口增长和城市扩张在持续加快，土地开发程度增加，生态破碎化现象越来越严重[5]。研究表明，在距离海岸线50 km的范围内，分布着60%以上的大城市[6]。例如，美国佛罗里达州（以下简称佛州）超过75%的人口集中在沿海地区[7]，截至2017年全州人口大约为2 000万，并以17.6%的增长率持续增长，远高于9.7%的国家增长率。佛罗里达大学的研究预测佛州人口可能将在2070年达到3 600万左右[8]。

人口增长带来土地利用的快速变化，土地利用变化是人口增长在物质空间上的直接表现[9]。人口的快速增长和城市化将对土地资源造成极大压力，一些自然栖息地如农地、林地等将被开发为建设用地，给生物多样性和生态系统保护造成破坏。以珠江三角洲（以下简称珠三角）为例，1979—2017年间，常住人口从约1 797万人增至5 963万人，30多年来人口增长近2.3倍，并且还在持续增长。大规模的人口增长为珠三角的经济社会发展提供了充足的劳动力，但同时也给生物多样性和生态系统保护带来了巨大的压力[10]。

在世界范围内，城市三角洲的人口密集程度高，并在世界生态系统以及全球经济中具有重要地位，同时这些地区的生态系统十分脆弱并面临气候变化的威胁。为确保城市三角洲这一复杂社会生态系统的可持续发展，迫切需要系统地制定能够应对与抵御多种威胁的新策略，以适应气候变化的威胁，降低城市发展的风险性。“韧性”这一概念从生态学科引入城乡规划和风景园林学科以来就在应对未来气候变化和土地利用变化带来的挑战方面发挥了重要作用。韧性规划就是要解决规划对象的脆弱性和不确定性问题[11]。基于此，笔者以美国佛州马坦萨斯河入海口地区应对海平面上升和快速城市化的韧性土地利用规划为例[12]①，探讨了这一适应性规划理论和方法在中国三角洲地区的应用。

1 美国马坦萨斯河流域韧性土地利用规划

1.1 研究区域

马坦萨斯河流域位于美国佛州东北部的大西洋海岸，流域面积约4.05万 km2，是典型的受海平面上升和人口快速增长影响深远的区域之一。选择此区域作为研究区的原因在于：1）其为佛州海岸沿线受海平面上升威胁最大的流域之一；2）流域包括圣奥古斯汀（St.Augustine）和棕榈海岸城（Palm Coast）两座极具吸引力的城市，人口快速聚集于此，导致土地利用急需改变；3）区域内土地类型多样，包括建设用地、国家级河口自然保护区、马坦萨斯国家纪念碑、马坦萨斯国家森林和费沃·戴克州立公园等（图1）。因此，如何有效地进行韧性土地利用规划以应对海平面上升和人口快速增长带来的威胁成了相关部门决策者需要探讨的紧迫问题。为了更好地研究双重挑战对马坦萨斯河流域土地利用带来的影响，研究范围沿马坦萨斯河流域的边界向外拓展了5 km。

1.2 研究方法

本研究构建了一个研究框架，包括场地背景分析、脆弱性评估和保护设计三大部分（图2）。其中场地背景分析包括自然、历史、经济、社会和文化。脆弱性评估包括海平面上升对湿地的影响分析、物种和栖息地影响分析、风暴潮淹没分析（海平面上升叠加影响）以及对当前和未来潜在开发地的影响评估。保护设计包括适应海平面上升的物种栖息地和廊道设计以及适宜性的开发模式。

1.2.1 场地背景分析

由一般背景信息、区域特点及佛州的规划背景3个部分组成，是对土地利用分析的补充。背景信息与自然系统有关，包括水文（地表水和地下水）、气候和社会制度（特别是经济和文化层面），也与自然资源保护有关，包括物种及栖息地的脆弱性和弹性适应能力、通过历史视角收集的信息及地区社会制度等，共同作为基础信息融入脆弱性评估部分进行分析。

1.2.2 脆弱性评估

这一步骤用于确定海平面上升的潜在影响。脆弱性评估结果代表一阶影响，基于此可得到对社会、经济和生态系统的二阶影响。将海平面上升可能的影响与项目应用的研究方法联系起来（表1），其中高程模型（elevation model）、风暴潮模型（hazus model）、海平面上升影响湿地模型（sea level affecting marshes model，简称SLAMM）均以地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）为基础，当地知识则通过合作和上文中提到的背景信息中得到。

1）数字高程模型（digital elevation model）。数字高程模型是由地形高程数据得到的数字模型或三维化的地形表面，被用来模拟海平面上升对地表的淹没情况。低于一定海平面的地区将被淹没，可以直观地显示海平面上升对沿海地区的影响。本研究采用基于激光探测与测量（light detection and ranging，简称 lidar）获取的数字高程模型，该数据已共享于佛州地理数据馆（Florida Geographic Data Library，简称FGDL）。

2）风暴潮模型（hazus model）。飓风和热带风暴等引起的风暴潮，会造成沿海地区的重大侵蚀、泥沙淤积和洪水灾害（图3）。海平面上升将增加脆弱地带风暴潮的深度，并增加新的脆弱地区。本研究利用联邦急救管理署（Federal Emergency Administration of the United States，简称FEMA）的hazus模型，使用ArcGIS显示灾害数据、伤害和经济损失的分析结果，以及对区域人口的潜在影响。风暴潮模型用于估计美国大陆、大西洋和海湾沿岸地区风暴潮对建筑物和基础设施的潜在威胁，以及对风暴庇护所的需求。该模型估计风险的3个步骤：计算选定区域的曝光量；计算危险影响暴露区；利用暴露区和危险点计算经济损失、结构损伤等潜在损失。hazus模型通过建模确定洪水频率为1%的地区，并采用3种海平面上升预景值：0.5 m、1.5 m、2.5 m。

1 研究区域Study area

2 研究技术路线Study technology roadmap

表1 脆弱性评估的方法Tab. 1 Methods for vulnerability assessment

3）海平面上升影响湿地模型（SLAMM）。SLAMM是由美国瓦仁·匹诺克环境咨询公司开发的用于预测沿海湿地以及海岸线随海平面上升变化情况的模型。自20世纪80年代开发以来，已被美国国家海洋与大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，简称NOAA）广泛应用于美国境内的海平面上升影响预测。佛罗里达大学农业与生物工程系的格里格·凯克（Greg Kiker）博士用SLAMM模拟了海平面上升对除佛罗里达岛链之外全州所有沿海地区的影响。相比其他海平面上升影响模型，SLAMM的优势包括可应用于各种研究尺度的模拟、能够描述物种栖息地的脆弱性以及能够模拟海水入侵对土地覆盖的影响等。地形和土地利用数据是运行SLAMM所必须的输入数据②。

1.2.3 保护设计

1）物种栖息地模型（species habitat model）。该模型由佛罗里达大学景观设计系的汤姆·霍克特（Thomas Hoctor）教授与佛罗里达鱼类与野生动物保护委员会的专家们共同开发，广泛应用于物种栖息地分布模拟。物种栖息地模型的输入数据建立在每一物种对栖息地的独特要求上，其中基础数据为土地利用数据，其他输入数据包括土壤类型、水文（干流、溪流）、鸟类筑巢地等③。本研究利用SLAMM的模拟结果，分别在不同的海平面上升方案中识别物种的潜在栖息地的分布，其中共选择37种焦点物种（focal species，包括秃鹰、穴居沙龟和海龟等），进行物种栖息地的模拟。

2）生物多样性保护优先区辨识（biodiversity conservation priority areas identify）。除了基于物种保护的保护优先区，本研究利用已有的佛州关键土地与水域辨识项目（critical lands and waters identification project，简称CLIP）的数据构建生物多样性热点（biodiversity hotspots）保护优先区。CLIP是佛州的保护优先区GIS 数据库，这个数据库包含广泛的自然资源如生物多样性、景观功能、地表水、地下水以及海洋资源等④。本研究中生物多样性保护优先区由CLIP数据库中的若干个层叠加而成。这些数据层包括战略栖息地保护区（strategic habitat conservation areas）、由佛州渔业和野生动物保护委员会辨识的潜在栖息地丰富区（potential habitat richness areas）以及由佛州自然地汇编机 构（Florida Natural Areas Inventory， 简 称FNAI）认定的佛州稀有物种栖息地和自然群落保护优先区。

3）土地利用分析模型。土地利用冲突识别策略（land-use conflict identification strategies，简称LUCIS），展示了如何运用地理信息系统分析土地利用的适宜性、利益相关者的偏好以及土地利益竞争的冲突。合理分配是城市用地混合使用的未来，也是环境和农业保护的未来，土地利用分析模型（LUCIS model）为土地分配选择提供了更加灵活的方法，引导更好的决策和政策制定。

1.3 研究结果

1.3.1 不同海平面上升情景下的土地覆盖

研究区在低（0.5 m）、中（1.0 m）、高（2.5 m）3种海平面上升条件下对土地覆盖进行模拟（图4）。在研究区域中海平面上升将对已开发用地造成很大影响，海平面上升1.0 m，大概有8%的已开发用地会被淹没；海平面上升2.5 m，大概会有25%的已开发用地被淹没（表2）。此外根据统计，在海平面上升1.0 m的情景下，处于过渡带的咸水湿地将增加81.4%，而这一数值在海平面上升2.5 m的时候将只增加15.6%。这说明随着海平面从1.0 m上升到2.5 m，处于过渡带的咸水湿地逐渐减少。

3 圣奥古斯汀因风暴潮导致的洪灾Flooding caused by storm surges in St. Augustine City

4 研究区不同海平面上升情景的土地覆盖变化Land cover changes in different sea level rise scenarios in the study area4-1 海平面上升0.5 mSea level rises by 0.5 m

4-2 海平面上升1.0 mSea level rises by 1.0 m

4-3 海平面上升2.5 mSea level rises by 2.5 m

表2 海平面上升引起的土地覆盖变化Tab. 2 Land coverage changes with sea level rising 单位：%

1.3.2 河口栖息地变化

海平面上升对河口栖息地（estuarine habitat）的影响最为显著（图5）。表3显示了海平面上升1.0 m和2.5 m两种情景下河口栖息地的变化。当海平面上升1.0 m时，研究区将有超过1 214.06 hm2现有河口栖息地消失；而当海平面上升2.5 m时，将有超过5 260.91 hm2的河口栖息地消失。研究区中有很大部分河口栖息地位于国家级保护区中，当海平面上升1.0 m，保护区中将有约647.50 hm2的河口栖息地消失，而当海平面上升2.5 m时，将有超过3 156.55 hm2的河口栖息地受影响。1.3.3 物种栖息地变化

根据物种栖息地模型，在海平面上升1.0 m及2.5 m的情景下，许多物种的栖息地将会受到影响。大多数物种的栖息地将随着海平面的上升而逐渐丧失，而一些物种的栖息地将随着海平面的上升而增加。根据统计，所有物种的栖息地都会受到土地利用变化的影响而减少。在海平面上升1.0 m以及土地利用变化的共同影响下，海龟（Chelonia mydas）、黑秧鸡（Nigrum croke）以及佛罗里达水貂（Florida mink）的栖息地将分别丧失65.53%、57.9%及45.62%。

1.3.4 未来土地利用

佛州经济与商业研究局（ Bureau of Economic and Business Research，简称BEBR）根据历史人口增长的趋势，对研究区所在的圣约翰郡（St. Johns County）及弗莱格勒郡（Flagler County）人口进行了预测。到2060年，圣约翰郡和弗莱格勒郡的人口在2010年的基础上将分别增长1.63倍和2.08倍左右（表4）。人口增长将带来土地利用的变化，海平面上升1.0 m的情景下，根据LUCIS模型模拟研究区在2060年的土地利用状况。根据模型预测，当海平面上升1.0 m时，若沿海受影响的居民往内陆搬迁，大约有54 051 hm2（133 564英亩）的未开发用地将被开发（图6）。

2 总结和讨论

佛州马坦萨斯河流域应对海平面上升的适应性规划是韧性城市规划的一个代表性案例。研究结果可以为保护区调整边界范围，也可以为当地政府调整土地利用总体规划以应对未来海平面上升和人口增长提供依据。本研究作为应对海平面上升的韧性城市规划的探索，整合了水文学、保护生物学、景观生态学、城乡规划学等多学科的理论和方法，构建了一个应对气候变化和人口快速增长的韧性土地利用规划方法。本课题的研究方法可以为世界上其他沿海低洼地区所采纳，从而开展海平面上升适应性规划的研究工作。

表3 不同海平面上升引起的河口栖息地变化Tab. 3 Changes of estuary habitats caused by different sea level rises

表4 圣约翰郡和弗莱格勒郡人口增长预测Tab. 4 Forecasted population growth of St. Johns County and Flagler County

5 海平面上升对河口栖息地的影响Effect of sea level rise on estuary habitats5-1 海平面上升1.0 mSea level rises by 1.0 m

5-2 海平面上升2.5 mSea level rises by 2.5 m

6 海平面上升1.0 m情景下2060年研究区土地利用Land use in the study area in 2060 under the scenario of 1.0 m sea level rise

作为韧性城市土地利用规划的一种探索，本研究也有不足之处，可以在以后的研究中改进。1）本研究假定随着海平面上升，沿海受影响的居民往内陆迁徙，但这种迁徙只是在同一个郡内，没有考虑人口迁往别的郡或者别的州的可能性，从而影响人口分布和土地利用。2）研究中用到的模型都被检验过以保证模型的准确性和可用性，但并不能够百分之百精确地预测未来的情况。例如SLAMM在此研究中被用来模拟海平面上升引起的湿地变化，但是海平面上升也会导致高地（upland）等其他土地利用发生变化，SLAMM并没有考虑。正如1987年Box和Draper[13]所言“所有的模型都是错的，但是有些是有用的”（All models are wrong, but some are useful），我们不能期待本研究对于未来土地利用的预测是完美的，但是可以通过不断地提高模型和数据的精确度来提升预测的精确度。

3 马坦萨斯河流域韧性土地利用规划对中国沿海地区的启示

中国沿海地区普遍地势低洼，同时沿海地区也是中国人口最聚集以及经济最发达的地区。海平面上升将对中国沿海地区产生较大影响，城市规划需要将海平面上升对城市可能造成的影响考虑其中，及早地开展影响评估和适应性规划应对工作。结合中国国情，马坦萨斯河流域韧性土地利用规划案例可以为中国沿海地区开展海平面上升适应性规划提供借鉴和启示。

1）尽快开展海平面上升对中国沿海地区影响评估及适应性规划工作。美国、澳大利亚等发达国家在多年前就十分重视海平面上升的适应性韧性规划工作，沿海的州如佛罗里达州和夏威夷州都开展了全州的海平面上升影响评估以及规划应对工作，沿海的郡或者机构如本研究中提到的马坦萨斯河国家级河口自然保护区也制定了具体的措施，开展了应对工作。海平面上升是个相对缓慢的过程，其影响不是短期内可见的，这就更需要各相关政府部门以长远利益出发，重视海平面上升的韧性规划工作，通过顶层政策设计，指导相关部门和研究机构开展海平面上升的适应性规划工作。

2）美国佛州马坦萨斯河入海口地区土地利用规划方法可以为中国沿海城市和地区开展海平面上升影响评价和适应性规划工作提供借鉴。本研究中所用到的海平面上升影响湿地模型SLAMM同样可以直接用于模拟海平面上升对中国沿海地区的影响以及土地覆盖/土地利用的变化。本研究中所用到物种栖息地模型是针对佛州当地的物种而开发的模型，对中国沿海的物种并不适用，但是这种研究思路为我们提供了借鉴，即我们需要开发针对中国沿海地区物种的栖息地模型以用于物种受海平面上升和其他影响的评估工作。最后，本研究中用到的土地开发预测模型LUCIS不仅可以应用于类似本案例中的沿海地区以应对气候变化，同时也可以作为任何城市预测未来土地利用和人口分布情况的有效工具。

3）将海平面上升的影响融入沿海城市和地区的国土空间规划。中国新组建的自然资源部将“统一行使所有国土空间用途管制和生态保护修复职责的要求，强化顶层设计，发挥国土空间规划的管控作用，为保护和合理开发利用自然资源提供科学指引”。沿海地区正是中国国土空间开发利用的高强度地区，在组织编制国土空间规划和相关专项规划的过程中，充分考虑未来海平面上升的影响是加强自然资源保护以应对气候变化挑战的有力举措。本研究所介绍的应对海平面上升的韧性土地利用规划方法可以作为中国沿海地区国土空间规划的借鉴。

4）加快中国地理信息系统数据库的建设和共享。从马坦萨斯河流域韧性土地利用规划案例可以看出，海平面上升适应性规划需要大量数据，特别是高程、水文、土壤和土地利用等方面的地理信息数据。美国的地理信息数据库建设比较完善，联邦政府机构如美国国家地质调查局（U.S Geological Survey）、NOAA都有开放的地理信息数据，各个州以及郡也建有地理信息数据库，如佛州的地理信息数据库依托佛罗里达大学地理规划中心而建立，数据类型涵盖水文、地质、人口、经济、生态等各个方面且对公众免费开放⑤。相对而言，中国在地理信息数据库的建设以及开放程度上差距明显，建议政府和科研机构加快中国地理信息系统数据库的建设和共享，从而更好地推动相关的科研工作。

致谢(Acknowledgements)：

本文的大部分工作是本文第一作者在美国佛罗里达大学留学期间完成的。感谢密西西比州立大学农业与生物工程系的Anna Linhoss教授提供的SLAMM分析结果，同时感谢佛罗里达大学设计、建造与规划学院的Kathryn Frank教授、Thomas Hoctor教授、Paul Zwick教授和Peggy Carr教授对本项目的指导。

注释(Notes)：

① 来自 planningmatanzas.org/。

② 本研究的土地利用数据来自圣塔琼斯河管理委员会（St.Johns River Water Management District）和马坦萨斯河口国家级保护区。

③ 数据来源于佛罗里达州地理信息数据库：www.fgdl.org/metadataexplorer/explorer.jsp。

④ 数据来源于佛罗里达州自然区域数据库：fnai.org/clip.cfm。

⑤ 来自 www.fgdl.org/metadataexplorer/explorer.jsp。

图表来源(Sources of Figures and Tables)：

图1、4为作者自绘，图2、5来自参考文献[12]，图3来自http://staugustine.com/news/local-news/2013-09-19/staugustine-has-plan-help-flooded-streets，图6根据Zwick博士提供的LUCIS模拟结果绘制；表1、3来自参考文献[12]，表2根据Dr. Anna Linhoss所做SLAMM结果统计，表4来自参考文献[8]。