基于多源数据的“安全公正空间”在大通湖流域环境管理中的应用

苏彦瑜 李春华 廖粤军 李 燕,3 董旭辉,3

(1.广州大学地理科学与遥感学院,广州 510006;2.湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室,国家环境保护湖泊污染控制重点实验室,中国环境科学研究院,北京 100012;3.广州大学气候与环境变化研究中心,广州 510006)

越来越多的证据表明,人类活动正逐步威胁着地球生态系统的恢复能力[1]。21世纪以来,受农业集约化、城市化和气候变化等因素的影响,湿地面积减少、质量与功能持续下降,湿地及其流域环境退化已成为一种全球现象[2]。因此,迫切地需要一种新的模式,对地球系统目前所面临的风险和压力进行评估,并采取积极的措施应对当前的挑战。为了避免在全球范围内因超过阈值而引起的地球系统崩溃,Rockström等[3]提出了一种指导全球可持续性发展的新方法——“地球界限”(Planetary Boundaries),来界定人类社会能够安全运行的安全操作空间。地球边界代表着地球关键系统(如海洋酸化、化学污染等)过程的阈值,由于超越阈值将会触发生态系统的非线性变化或突变,因此超越一个或者多个地球边界可能会带来负面甚至灾难性的影响[3]。进一步地,Raworth等[4]把代表人类福祉的11个社会基础和表征地球关键系统过程的“地球界限”相结合,并称之为“安全公正空间”(Safe and Just Operating Space,SJOS)。社会基础是对实现人类福祉的期望,反映了满足人类社会发展的最低标准。换言之,如果超越了地球界限,地球系统将会面临生态破坏;如果没有满足社会基础的最低标准,人类社会的健康发展将难以得到保障。

国际上目前已开始利用SJOS框架对全球生态环境系统状况和人类福祉进行评估。例如,Raworth等[4]首次探讨了全球安全公正空间,表明在11个社会基础维度中,人类目前在可获得数据的每个维度上都低于社会基础的最低标准,同时至少有三个环境系统过程(气候变化、生物多样性丧失率和氮循环)已经超越了地球界限。实际上,即使生态学家在研究同一生态系统时,由于各自所采用的时间和空间尺度大小不一,结论往往存在较大差别[5]。而且有关资源使用和社会政策制定大多由国家或者地方以下的政府、企业等基于区域尺度做出的[6]。因此,为了使SJOS框架更好地对环境管理服务,需要进行尺度转换,将边界由全球尺度匹配至这些决策管理所实施的区域尺度。Cole等[7,8]基于20项环境指标和社会基础指标以南非为例探索SJOS框架在国家及省级层面的应用,结果表明几乎所有的社会指标都有所改善,但是大多数的环境指标都趋近或者超越边界。虽然上述研究表明了SJOS框架在保持原始设计的同时在全球亚尺度上有意义,但是上述研究主要基于短期相对静态的指标分析。社会-生态系统是复杂的、动态的系统,因此科学描述生态系统的长期动态变化对于预测未来变化趋势和关键的状态转变具有重要意义[9],从而为基于生态系统的环境恢复和可持续发展管理奠定基础[10]。

湖泊作为流域物质-能量流的“汇集点”,其沉积物忠实的记载着周边区域的环境变化,湖泊生态系统变化与周边流域、县市的环境变化密切相关,对沉积物的多指标分析可以重建长期以来的环境变化历史[12]。本研究拟借助大通湖流域内代表性地区长期的社会经济数据、环境监测数据和湖泊沉积记录数据,利用多种方法来界定大通湖流域多个重要的生态-环境过程的环境边界和社会福祉达成度,从而构建大通湖流域尺度上可持续发展的SJOS;利用环境库兹涅兹曲线来揭示流域生态系统状态与社会经济发展状况之间的动态关系来展示该区域社会发展的不同阶段性。本研究结果将为大通湖流域的环境保护与资源开发、可持续发展提供重要的指导框架。

1 研究区域

大通湖(112°17′E—112°42′E,29°4′N—29°22′N)面积82.7 km2(图1),是湖南省最大的内陆淡水养殖湖泊,位于益阳市大通湖区西北侧即南县与沅江市交界处,长江中游荆江段南岸[11]。改革开放以来,流域内社会经济发展成就显著,1978年益阳市地区生产总值仅为10.4亿元,2019年跃升至1792.5亿元。但是近年来,流域内生态环境质量逐步下降,环境保护形势严峻。由于流域内石煤矿山生态环境恢复治理得不到落实,部分区域植被恢复效果不佳,边坡雨水冲刷存在水土流失的问题(http://www.yiyang.gov.cn/yiyang)。此外,由于生活污水直排河湖,造成流域内兰溪河等多个河段水体污染问题突出,对当地的水源安全产生严重威胁[13]。

图1 大通湖流域的地理位置Fig.1 Location of Datong Lake catchment

2 研究方法与数据来源

2.1 区域SJOS框架的构建

SJOS框架由指示环境变化的环境系统过程和保障人类福祉的社会基础构成,由于资源分布以及人类活动的空间异质性,生态系统评价与管理应要有针对性地对各地区关键的生态问题进行研究。另外,2015年联合国可持续发展峰会上建立了全球可持续发展目标(Sustainable Development Goal,SDG),SDG涵盖了社会、经济和环境可持续发展三个维度,旨在解决全球面临的挑战,如贫困、公共卫生和气候变化等,是当前和未来人类社会发展重要的行动指南。因此本研究结合流域特征在Raworth等[3]基础上提出系列描述区域地球系统过程及社会福祉的指标。其中,构建SJOS框架各维度的选择标准主要基于以下三个方面:(1)是否能够反映该区域发展过程中关键的环境问题和社会问题;(2)是否存在区域阈值或者限制;(3)系统状态存在潜在的突变过程甚至会出现不可逆转破坏。另外,评价区域系统状态指标的选择标准主要是:(1)基于SDG所涉及的技术指标;(2)是否可以获取足够时长且可靠的数据。

环境系统SJOS框架中环境过程的选择借鉴全球尺度上指标,同时参照2018年中共中央、国务院印发《关于全面加强生态环境保护 坚决打好污染防治攻坚战的意见》中所涉及的生态环境质量关键问题,从而确定与区域生态环境发展相关的维度,主要由气候变化等11个区域环境系统过程组成(表1)。

表1 大通湖流域环境系统过程及其评价指标、环境上限类型及其定义、当前值及状态Tab.1 Environmental system process and evaluation index,the type of environmental ceiling and its definition,current value and status in Datong Lake catchment

湖泊沉积物记录了流域内长期生态环境的变化过程,因此把湖泊沉积多指标和环境监测数据(或社会年鉴数据)指标结合共同反映流域内的环境变化过程。具体如下:(1)遵循全球框架下的碳排放协议及中国政府根据自身发展状况所制定的温室气体排放的中长期目标,大通湖流域采取碳排放总量和二氧化碳排放强度作为指示大通湖流域的气候变化现状;(2)氢氯氟碳化合物(HCFCs)是一种重要的消耗臭氧层物质,因此本文选择大气中含量较多的HCFC-141b的排放量作为指示的臭氧层消耗的指标;(3)将人均化肥使用量作为衡量地区化肥使用量的指标;(4)选择万元GDP耗水量来衡量流域内的淡水利用情况;(5)利用空气中可吸入颗粒物(PM2.5)浓度来指示空气质量状况,另外,近年来非基岩来源的铅(Pb)浓度的增加主要是交通污染输入源[14],因此对于历史时期的空气质量状况则采用湖泊沉积物中Pb的浓度来衡量;(6)在无法准确衡量或缺乏陆地生物多样性数据的情况下,水生生物的多样性一定程度上代表了流域多样性的总体变化,因此沉积物中的硅藻亚化石多样性指数可用于指示该流域的生物多样性情况;(7)耕地资源是粮食生产的基础,本文以基于粮食安全目标的区域耕地需求量作为粮食安全的评价指标;(8)总磷作为水体的主要营养污染指标,利用基于沉积硅藻-总磷的历史重建值来评价流域内的水质变化过程[15,16];(9)磁化率在固定物源的背景下,土壤改良度愈高,磁化率则越高[17],因此把磁化率作为指示流域内土壤稳定性的指标;(10)沉积速率主要反映入湖物质量的多寡,因此采用沉积速率指标来指示流域内的水土保持程度;(11)流域内的重金属污染物主要大气沉降或者地表径流的方式汇入湖泊,因此沉积物中重金属(如铜)含量的变化能够指示流域的化学污染状况。

通过湖泊沉积记录及环境监测数据重建大通湖流域关键的环境系统过程,并且对不同历史时期的流域内环境系统过程状态进行评价。结合Cole等[7]对环境边界类型分类方法,本研究拟根据环境边界类型对环境系统中11个维度的边界类型进行分类,并且明确其对应环境上限确定方法。第一种类型:全球边界型,边界基于全球生物物理阈值,包括国际上公认的阈值,也包含了国家或者地区对全球目标的各自行动计划。因此在考虑国家和地区间的责任和能力的差异的基础上将阈值降维到区域尺度,如碳排放总量利用益阳市GDP份额将全国的碳排放控制总量降维到益阳市。第二种类型:区域边界型,边界的设定主要是考虑了区域的限制,既有自然阈值,同时也包括受人类生产力水平影响的边界。区域边界型指标的环境边界的界定主要是依据行业标准型/专家判断型,如依据《环境空气质量标准》(GB3095-2012)中PM2.5二级浓度限值。第三种:地方边界型,边界的设定是基于目前的研究和专家判断,同时结合了流域系统的长期变化特征来判断环境基准。地方边界型指标主要采用环境基准法来确定环境边界,即从湖泊历史演变的过程中识别受人类活动干扰前的环境状态作为环境上限,如把1950s—1980s环境状态作为环境上限。

在划定上述环境边界的基础上,可以对各环境过程进行风险评估:用“安全”状态表示当前环境系统过程没有超越环境上限;“谨慎”状态是介于“安全”和“危险”之间的过渡状态;“危险”状态表示当前环境系统过程突破了环境上限,生态系统出现明显的退化现象。其中,距边界值介于-5%—5%表示系统过程处于“谨慎”状态;大于5%表示环境系统过程处于“安全”状态;小于5%代表环境系统过程处于“危险”状态。

社会发展SJOS框架社会发展方面主要参照SDG和政府工作报告中所确定的社会优先事项。主要由无贫困、良好健康、优质教育、性别平等、体面工作、清洁用水与卫生设施、能源安全和产业创新9个维度构成(图2)。每个维度与可持续发展目标SDG相对应,因此主要从SDG中选择最合适的子目标作为衡量各维度的指标,如把单位GDP能耗同比下降目标完成度作为衡量能源安全的评价指标。每个维度的社会基础(边界)的设定主要依据政府工作报告等对各项指标的评价(完成比例)及《中国儿童发展指标图集》[18]中所统计的全国平均水平。

2.2 环境库兹涅兹曲线

环境库兹涅兹曲线揭示经济增长与环境质量状况之间的关系[19]。本研究中环境库兹涅兹曲线(EKC)采用1949—2019年人均GDP指标来表示经济发展,流域内的生物多样性、水土保持、水质、空气质量、化学污染和土壤稳定性指标来表示流域生态系统不同方面的系统状态过程。考虑到指标的指示意义,对上述指标序列进行极值标准化后得到状态值xn[即:(最大值-观测值)/(最大值-最小值)处理],使得各指标序列标准化至[0,1]的范围内(对生物多样性指标采用1-xn处理),分别代表该指标状况处于最差或最佳的状态。因为任一系统过程的恶化均有可能导致整个系统状态的崩溃[1],所以对所有指标值进行算术平均数计算(即取权重为1的加权平均),来代表湖泊流域的生态系统的整体生态状态。

2.3 数据来源

本研究中的湖泊沉积指标详细分析方法可见廖粤军等[20],碳排放总量数据来源于文献[21],大气中二氧化碳的浓度数据来源于中国气象局气候变化中心公布的《中国温室气体公报》(http://www.cma.gov.cn/),HCFC-141b排放量数据来源于文献[22],人均化肥使用量和人均耕地面积数据来源于历年《湖南年鉴》[23],万元GDP耗水量数据来源于益阳市水利局(http://www.yiyang.gov.cn/yysw/),大气中PM2.5浓度数据来源于湖南省生态环境厅网站公布的数据(http://sthjt.hunan.gov.cn/)。选择大通湖所在的益阳市的统计数据作为流域资料数据的来源。流域内人均GDP、青壮年文盲率和农村自来水普及率数据均来源于《益阳统计年鉴》[24]。5岁以下儿童可预防的死亡率、出生人口性别比、城市失业率、农村卫生厕所普及率和高新技术产业增加值占GDP的比重数据均来自益阳市统计信息网公布的《益阳市2018年国民经济和社会发展统计公报》(http://tjj.yiyang.gov.cn/)。最低生活保障线以下人口所占比重和单位GDP能耗数据均来源于湖南省统计局网站公布的数据(http://tjj.hunan.gov.cn/)。

3 研究结果

流域内各环境系统过程的环境上限设定结果以及生态系统状态的判定结果如表1所示,结合目前环境系统过程和社会基础发展过程对流域内的社会-生态系统进行评价,具体情况如下:

目前,大通湖流域内部分环境过程已经出现明显的退化(表1),其中淡水利用、空气质量和水质这3个环境系统过程已经超越了环境上限,处于危险的状态。臭氧层消耗等5个环境系统过程虽然没有突破环境上限,但是其变化趋势不乐观,处于谨慎的状态。流域内气候变化、化肥使用量和水土保持这3个环境系统过程目前发展态势良好,处于安全的状态。根据表1中各项环境系统过程的当前状态,采用不同的颜色进行标记得到图2。具体各项指标详细情况如表1所示。大通湖沉积物数据重建了其过去150余年的环境演化过程,图3显示近年来部分生态环境系统过程出现了状态转换。湖泊沉积指标长期演化过程显示:流域内化学污染和生物多样性系统状况在1980s出现潜在的退化趋势,而空气质量II和湖泊水质系统状态则快速退化;流域内水土保持系统状况近年来虽有好转的迹象,但是目前仍然处于谨慎的状态。流域环境监测指标显示:化肥使用量、耕地资源系统状态近年来有转好的迹象,但是耕地资源仍然处于谨慎状态。

图2 大通湖流域“安全公正空间”框架Fig.2 The “Safe and Just Operating Space” for the Datong Lake catchment

流域内社会发展状况如表2所示,流域内社会基础发展现状整体呈现较好的发展态势,部分社会基础完成度达90%以上。具体说来,流域内已有优质教育、体面工作和卫生设施这3个社会经济过程的当前完成值达到100%,良好健康、性别平等、清洁用水和能源安全这4个维度当前完成值为90%以上,而无贫困和产业创新这2个维度的当前完成值偏低。

大通湖流域环境库兹涅兹曲线揭示了流域内人均GDP与环境状况之间的关系(图4)。大通湖流域在过去的一百多年里经过了多次的社会经济转型,如1950s以来,农业生产得到较快的发展,随后工业生产水平逐步提高,自1980s以来,流域内经济出现快速发展景象[28]。但是,大通湖流域的生态环境过程整体上呈现逐步退化的趋势,至2000s以来,大通湖流域开展退田还湖等生态工程,退养、疏浚、活水等湖泊治理工程逐步开展(http://sthjt.hunan.gov.cn/)。因此,根据流域内经济发展过程与生态系统响应,大通湖流域内社会-生态系统大致分为初始阶段(1950s—1980s)、严重退化阶段(1980s—2000s)和逐步改善阶段(2000s—)三个阶段。自1954年以来,大通湖流域人均GDP增长了将近400倍,但是流域内生态系统状况却急剧下降。在1980s以前,经济增长较为缓慢,环境状况开始出现退化趋势。1980s以后,随着人均GDP增加,流域内环境状况退化趋势明显。21世纪以来,随着社会对环境保护的日益重视,环境质量逐步改善。

图3 大通湖流域关键环境过程的长期变化Fig.3 Long-term changes of key environmental processes in the Datong Lake catchment

表2 基于SDG的9项社会基础指标及其完成度Tab.2 9 social basis indicators based on SDG and their completion

图4 1950s以来大通湖流域环境库兹涅兹曲线Fig.4 Environmental Kuznets curve of Datong Lake catchment since 1950s

4 讨论

人类活动是地球系统变化的主要驱动力,并且逐渐影响全球生态系统的动态平衡[26]。同样地,对于大通湖流域而言,人类活动的强度和方式是影响该流域系统发展进程和状态的主要因素。例如:流域内农业活动中使用的化肥、农药是湖区水体总磷等污染物的重要来源,并且大通湖在1980s末期开始实施化肥养鱼[27],极大推进了流域内水体富营养化进程。此外,1950s,由于流域内木材和薪炭材奇缺,为了满足人们日常生产生活需要,湖区周边林木砍伐严重[27],沉积物的沉积速率记录也反映出该时期的人类活动特征,流域内水土保持能力逐渐下降,甚至超越了环境上限。流域内化学污染和空气质量Ⅱ环境系统在1970s—1980s期间过程出现明显的退化趋势,这与流域内纸浆制造、印染纺织和食品加工等高耗水、高污染企业的发展有着密切的联系。总的来说,人类活动将地球系统从过去一万多年的稳定状态推向一个新的地质时代——人类世[26],这是人类可持续发展所面临的一个新的挑战,因此在全球可持续发展中需要新颖的管理模式。

社会-生态系统科学的复杂性对SJOS框架的构建和发展提出了新的挑战。由于资源分布的空间差异性和不均匀性,因此构建“安全公正空间”框架需要考虑全球和区域的差别。但总的来说,环境系统过程需要涵盖主要的生物地球物质循环系统,与人类活动有关的系统过程。此外,SJOS框架揭示了流域各系统要素之间存在相互作用的复杂关系,国际上已有学者指出许多环境地球系统过程一旦超越阈值都将危及其他的系统过程,并且地球边界与社会基础之间的也存在相互作用[3,4]。就大通湖流域而言,水质和空气质量指标可能会对流域内的良好健康这一社会维度产生影响,因此通过定量和综合的方法在全球、区域范围内阐述这些假设将会进一步提高SJOS框架对社会-生态系统的综合评价能力。环境库兹尼茨曲线从系统的角度提供了流域自然-社会生态系统是否可持续发展的另外一个视角,是对所构建的SJOS框架有益补充。特别是在进行流域社会发展可持续性评估方面,它能给出一个更为直观、综合的整体评价,并且该评价结果还能用于不同流域间、不同发展阶段的直接对比。

虽然当前对地球系统运行机制缺乏全面的了解,但是对流域关键环境过程阈值的设定具有重要的意义。实施生态系统管理必须基于对生态系统结构和过程的全面了解[28]。在全球或区域尺度超越阈值将会产生快速或缓慢的反馈效应,这都会危及地球系统的健康发展[3,29]。在本研究中通过具有长时间尺度的湖泊沉积物数据和环境监测数据重建了流域内关键环境系统要素的发展过程,有助于识别系统要素发展特征。大通湖流域内水质系统过程属于典型的“快”反馈效应,当水质中总磷的浓度超越阈值时,水质迅速下降,水域生态系统快速退化。相对地,流域内水土保持状况这一系统要素的发展过程则属于典型的“慢”反馈效应,历史时期湖泊沉积物的沉积速率呈现较慢的发展变化态势,不存在明显的突变过程,但是由于具有系统要素长期的变化特征有助于识别并判断阈值。总的来说,由于在过去的十几年中,人类活动几乎影响了所有自然生态系统的发展进程[30],基于多源的数据构建SJOS框架可以定量重建过去一段时间的环境系统过程状态,这对于阈值的设定具有重要参考价值。1950s以来,尤其是改革开放后,我国人类活动对环境系统过程的影响程度加剧,因此把20世纪中后期的环境系统过程状态作为环境基准是合理的。

基于系统突变理论、长期的视角将SJOS框架应用于大通湖流域的可持续发展研究,对于流域的社会管理和环境安全具有重要的指导意义。一方面,本研究所设立的多个“环境上限”从流域生态系统的角度为区域生态安全划定了“警戒线”[1]。大通湖流域的研究表明当前已有3个环境系统过程(淡水利用、水质、空气质量)超越了环境上限(图3),这三项指标均与人类的健康息息相关。对环境管理而言,这些“警戒线”及不同环境过程的风险评估结果(如前)可为高风险要素建立相应的“缓冲区”,可为避免环境的整体恶化赢得足够的反应时间。另一方面,湖泊沉积记录所提供的连续、高分辨率的环境变化数据,可提供本区域历史时期的多个环境演化“窗口”[12],能深入揭示社会-自然生态系统间复杂的动态反馈关系(如多环境过程间的权衡关系),有利于制定更科学的流域环境治理策略。从SJOS框架中多环境要素及其与社会福祉达成度间复杂的关系可以看出,如若从根本上解决大通湖流域内环境问题,必须开展流域之间的统一协作管理,协调好各级政府和地方之间的关系,严格控制流域内不合理的人类活动。例如,大通湖营养本底较高[20],湖泊极易富营养化,在此背景下,倘若流域内工农业废水排放若不加以限制的话,大通湖流域的水质则面临着突破边界的巨大风险。