本文内容来源于《测绘通报》2022年第6期，审图号：GS京（2022）0272号 ‍城市生态系统安全评估研究进展与未来发展趋势 苏小霞1, 黎仁杰2, 吴静2, 程朋根2, 王保国3 1. 同济大学测绘与地理信息学院, 上海 200092; 2. 东华理工大学测绘工程学院, 江西 南昌 330013; 3. 南昌市城市规划设计研究总院, 江西 南昌 330038 基金项目：国家自然科学基金(41861052;41601416);国家重点研发计划重点专项(2022YFB0503704) 关键词：城市生态系统安全现状分析评价模型评价指标发展趋势 引文格式：苏小霞, 黎仁杰, 吴静, 等. 城市生态系统安全评估研究进展与未来发展趋势[J]. 测绘通报，2022(6)：25-31. DOI: 10.13474/j.cnki.11-2246.2022.0166. 摘要 摘要：快速城市化带来的资源压力使城市生态系统面临严峻的考验, 维系城市生态系统安全, 对于保障城市健康、高质量可持续发展具有重要意义。本文综合相关领域的研究成果, 评述了城市生态系统安全评估领域的研究现状。在城市生态系统安全评价模型方面, 总结了12种常用的模型, 分析了其各自的优缺点及常用范围。在城市生态系统安全评价指标方面, 将城市生态系统分为生物、水、大气、土地、社会、经济、人口共7类生态子系统, 并从每类子系统中筛选得到33个常用评价指标, 分析了每个指标对城市生态系统安全的实质作用。在充分分析比较的基础上, 提出了未来城市生态环境评价的研究热点和趋势。 正文 城市生态系统是一类以人类活动为中心的自然-经济-社会复合人工生态系统[1]，城市生态系统结构具有高度的复杂性，多种要素的共同参与维持着城市生态系统的平衡，合理权衡各方面要素是调节城市生态系统安全的重要手段。生态安全是指人的生活、健康、安全、基本权利、生活保障来源、必要资源、社会秩序、人类适应环境的能力等方面不受威胁的状态[2]，包括自然生态安全、经济生态安全、社会生态安全[3-4]。生态系统安全除了包含它自身的安全状态外，还具有指向人类社会系统的服务功能，当这种服务功能指向人们生活的城市时，即为城市生态系统安全[5]。相比城市生态安全，城市生态系统安全更倾向于以人为中心，经济发展和生态环境有机协调, 系统内物质交换和能量流通保持动态平衡和良性发展[6]。城市生态系统在面对外界的威胁时，自我调节机制遭到破坏，其自身的系统结构和生态功能逐渐减弱，产生一系列城市生态系统安全问题，由此影响到人类生产生活和经济环境的可持续发展。 为推进城市可持续发展，促进人与自然和谐共生，本文汲取城市生态安全评估和管理的经验，对近年来国内外城市生态系统安全评估研究现状进行综述，总结现有的评价指标模型，对比其优缺点与常用范围，同时筛选城市生态系统安全评估常用评价指标，为城市生态系统安全评估与管理提供规划理论依据，并探讨未来值得进一步研究的工作。 1 城市生态系统安全评估与管理研究现状 较早时期对城市生态系统安全的研究是运用生态足迹[7]、多要素几何平均法[8]进行评价, 随后有学者利用景观格局和土地安全对城市生态系统安全及其服务进行评估[9]。近年来，城市生态系统安全领域涌现了大量的研究成果。文献[10]运用熵值法构建了城市生态系统安全的统计指标体系，对城市生态系统安全作了量化分析。文献[11]从城市生态系统各影响因素之间的相互关系入手，引入BP-DEMATE, 增强了城市生态系统安全影响因素和评价结果之间的关联性。文献[12]从生态系统的服务视角，探讨了城市生态安全评估、模拟和制图的研究进展，并提出了5种城市生态安全未来的研究方向。文献[13]论述了当前城市生态系统服务供需不平衡的研究不足之处，提出了城市生态系统安全格局未来的研究重点。文献[14]结合城市生态系统的特点，提出了城市生态安全格局构建的目的、基本原则和基本框架。 城市生态系统安全评估一般以城市生态系统安全评价模型为主，筛选评价指标，计算指标权重，以建立城市生态系统安全评价体系，进而对城市生态系统安全进行评估，实现自然生态与社会经济、人文在空间上的有机整合[15-19]。文献[20]从城市规划、产业结构、资源政策、生态环境保护措施与标准、组织形式等5个方面诠释了城市生态系统管理模式与其资源利用效率。文献[21]探讨了城市生态系统各类生态功能对空间管理的影响。城市生态系统管理的目标之一为城市生态系统安全管理，构建城市生态系统安全指标体系，是城市生态安全管理的重要方法[22-23]。城市生态系统安全管理要以满足人类发展基本资源需求为前提[24]，实现社会发展和生态保护的统筹兼顾。 2 城市生态系统安全评价模型 目前常用的城市生态系统安全评价模型主要划分为层次分析法指标体系模型、社会-经济-环境指标体系模型和压力-状态-响应(pressure-state-response，PSR)指标体系模型3大类。 2.1 层次分析法指标体系模型 层次分析法指标体系模型包含灰色关联模型[25-26]、熵权法[27]、主成分分析[28]和遥感生态指数模型[29-30]等。灰色关联模型将定量与定性分析相结合，从相近性和相似性视角研究数据间的相互关系，该模型对数据样本容量没有要求，也无需分析数据的分布规律，处理复杂问题时计算简洁。熵权法根据评价指标的变异性大小确定客观权重，变异程度较大，指标包含的信息量较大，所占权重较大，反之则较小，该方法具有较强的客观性。 主成分分析常用于对数据结构降维和消除指标间的相关性，工作量较小，有助于提高评价结果的区分效度，是一种客观的权重确定方法，但是没有考虑评价指标自身的重要性。文献[30]提出的遥感生态指数模型集成了植被指数、湿度分量、地表温度、建筑指数等4个评价指标，4个分量完全基于遥感影像得到，数据量较小，可以较快地得出评价结果，其值为[0, 1]，越接近1，生态越好，反之越差。 2.2 社会-经济-环境指标体系模型 常用的社会-经济-环境指标体系模型包含投影寻踪模型[31-34]、BP神经网络模型[35-37]、模糊数学模型[38]、最小累积阻力模型[39-41]等。 投影寻踪模型将高维数据投影到低维空间，通过对评价指标的极大化处理计算最佳投影方向和该方向上的最佳值。该模型处理非线性、非正态数据具有较好的稳定性和较强的抗干扰能力。BP神经网络是一种模拟人工神经网络信号传输的模型，其通过误差反向传播，梯度下降的方式缩小误差值，该模型运算量较大，学习速度较慢。模糊数学模型的核心思想是将定性评价转换为定量评价，适合快速对当前状况进行性质判断，界定问题的属性与框架。但是由于采用最大隶属度原则，当最终评价结果的最大值和次大值相差较小时，评价结果的精度会降低。最小累积阻力(minimum cumulative resistance, MCR)模型的实质是利用物种从源地到达目的地的过程中克服阻力而形成的耗费成本、反映物种扩散的趋势。 2.3 压力-状态-响应指标体系模型 压力-状态-响应(PSR)指标体系模型有随机森林模型[42]、景观格局模型[43-45]、系统动力学模型[46-47]、因子分析法[48-49]等。随机森林模型的核心思想是通过路径分析决定分类规则，并进行数据挖掘，擅长处理离散数据，面对连续数据和非平衡数据，精度偏移较大，同时由于数据运算量较大，易对部分属性值不敏感。景观格局常用于研究景观结构组成特征和空间配置关系，其研究的对象尺度较大，可以发现物种的空间运动，在较小尺度上形成满足人类活动需要的道路交通网。系统动力学着重于系统结构和动态行为的研究，定量分析和定性分析相结合，从系统内部结构寻找问题发生的根源，不需要提供特别精准的参数。因子分析法能反映每个变量之间的关系，描述变量与评价指标的联系性影响，擅长处理因子之间互不相关的数据，保证结果的客观性，运算量较小。常用城市生态系统安全评价模型的优缺点见表 1。 表 1 常用城市生态系统安全评价模型优缺点 表选项 生态系统安全评价模型的选取，需要综合考虑评价指标、评价尺度、目的用途、基础数据情况等多重因素，选用合适的评价模型对结果的可靠性影响巨大。基于以上分析发现，任何一种模型都有其优势和局限性，且单一的模型往往无法反映区域生态系统安全的真实、全面状况，且以静态评价模型居多，动态分析模型相对较少，而静态-动态结合的区域生态安全分析对实际的指导意义往往更强。 3 城市生态系统安全评价指标 城市中的各个要素都可以成为评价指标体系中的评价指标因子[50]，选取合理的评价指标会使城市生态环境安全评价的结果更为精确。评价指标的选择受多方面因素的影响，地域、评价模型、社会、经济等都可以在一定程度上影响甚至决定评价指标的选择[51]。本文以“自然-经济-社会”复合生态系统理论[52]为指导，结合城市生态系统的实质定义，将城市生态系统分为生物生态系统、水生态系统、大气生态系统、土地生态系统、社会生态系统、经济生态系统、人口生态系统7类生态子系统。 生物生态系统是人类生活的重要物质来源，具有较为重要的环境资源价值，是人类生存不可或缺的元素。对城市生态系统安全而言，生物生态系统是维系其稳定的重要组成部分[53]。水是生命之源，城市水安全问题会带来一系列社会安全问题，水生态系统遭到破坏会直接威胁到城市生态系统安全，较为常见的问题如水资源时空上的分布不均匀、水质污染和洪涝灾害等[54]。评价城市水生态系统在城市生态系统安全中的影响，对城市生态系统安全具有重要意义。大气生态系统是地球的保护层，具有过滤紫外线的作用，维持着森林、草地、农田、湿地等生态景观的稳定[55]。近年来，温室效应、雾霾等空气质量问题对城市生态系统安全产生了较大的威胁，给城市的可持续发展带来了一定的困扰，合理分析大气生态系统对城市生态系统的贡献，对于研究城市生态系统安全具有一定的科学意义。土地生态系统的健康状况不仅影响着土地的利用和粮食的生产，还影响着大气、水环境和生物安全[56]。对城市生态系统安全而言，在不同区域、不同时间管理土地的健康状况，是其健康发展的重要理论支撑。社会生态系统是直接服务于人类的城市生态系统，城市化的不断加快，代表着人类活动对城市生态系统安全的影响程度正在逐渐加大，科学地评价社会生态系统对城市生态系统安全的干扰，对实现人与自然和谐相处具有重要意义[57]。经济生态系统是基于经济发展和生态环境可持续发展形成的，如何测度和监测经济发展过程中对自然资源的索取，构建可持续的量化指标，是研究城市生态系统安全可持续发展的重要内容[58]。城市生态系统是以人为核心的复合人工生态系统，生态系统管理与人类福祉之间的转化是现阶段生态学研究的核心内容[59]。研究城市生态系统的稳定性与人口经济贫困的耦合关系，是实现城市生态系统安全的重要任务。 综上所述，本文以7类生态系统为出发点，基于现有的城市生态系统安全理论[60-62]，选取了33个评价指标，并针对评价指标对城市生态系统安全的实质作用进行了分析，见表 2。 表 2 城市生态系统安全评价指标 表选项 通过上述分析对比发现，目前研究者们提出的生态系统评价指标，大多是从文献[63]提出的系统活力、系统组织、系统恢复力3个方面演化而来的。指标构成偏理论化，以定性分析类指标居多，定量分析指标相对较少，部分指标间存在较大的相关性。合理的生态系统安全评价指标体系构建依然是城市生态系统安全评价结果可靠性的重要保证，定性分析与定量分析相结合，建立指标体系的方法越来越受研究者重视。 4 未来研究趋势分析 本文对城市生态系统安全的内涵进行阐述，系统地对城市生态系统安全评价模型和评价指标进行了归纳，总结了常用模型的优缺点和常用范围。虽然我国的城市生态系统安全评估已经取得了丰硕的研究成果，但是相关领域的理论与实践仍然有一些可以提升的空间。现有的评估模型与指标在对城市生态系统进行整体评估时，大多具有一定的局限性，对于城市生态系统安全的变化驱动与演变机制分析尚有不足。基于上述分析，未来需要重点开展以下5个方面的研究工作： (1) 随着遥感技术、GIS技术及生态安全评价模型研究的不断深入，基于空间位置、融合多元数据、运用空间建模等技术，搭建生态系统安全时空动态分布模型并建立趋势预测与模拟预警平台，可视化表达生态安全评价与生态安全格局设计成果，将相关研究数据、信息和知识落实到具体空间位置，将是今后城市生态安全研究的重点和热点。 (2) 生态系统安全研究的空间尺度逐渐向大尺度方向倾斜，基于乡镇级、村级的生态安全研究将逐渐增多[64-66]，基于网格尺度下的城市生态安全评价也将逐渐引起研究人员的重视[65-66]，多尺度递进分析在生态安全评价方面的作用愈加突出。 (3) 基于生态系统服务能力的生态系统安全评估。生态系统服务是指自然生态系统及物种提供的能够满足和维持人类生活需要的条件和过程，是人类直接或间接从生态系统获得的所有收益[67]。稳定、协调的生态系统服务供给是维持区域自然生命系统、保障区域生态安全的基础[68]，特别是城市生态系统，其服务属性更加重要。侧重于人与城市的生态耦合，从动态视角识别城市生态系统安全影响因素。探究城市服务和生产活动的耦合机理、城市生态安全管理和各类城市服务如何在与人的耦合关系的动态演变中协同增益，共同发展，对城市生态系统安全具有重要意义。 (4) 反向胁迫与正向激励的城市生态安全动态评价。城市内部与外部面临大气污染、水污染、光污染、噪声污染、热污染、重金属污染、极端气候、水土流失、资源开发等多元胁迫，这些胁迫因子如何综合作用影响城市生态系统的结构、功能与过程，又如何进一步威胁城市生态安全，这些科学问题的回答对保障城市生态安全至关重要[15]。同时，近些年国家采取了一系列积极的生态保护和生态修复政策，实施了一批生态保护和治理工程，对生态系统安全起到了重要的修复作用。生态破坏与修复保护双向影响因素，对城市生态安全进行动态评价具有更重要的现实意义。 (5) 训练样本和专家系统的应用逐渐深入。随着对城市生态系统安全评价的研究不断深入，不同研究尺度、不同研究对象、不同研究视角、不同维度的指标和模型逐渐增多，积累的经验也逐渐增加。按照一定的规则建立训练样本和专家系统，通过BP神经网络模型、深度学习等方法对样本进行学习，在指标参数提取、趋势预测或辅助城市生态安全评价指标选取方面可进行研究探讨，但此方法对样本依赖性强，研究存在一定难度。 作者简介 作者简介：苏小霞(1981—)，女，博士生，研究方向为雷达技术应用、生态环境评价。E-mail: 26720346@qq.com 通信作者：吴静。E-mail: wuj@ecut.edu.cn 初审：杨瑞芳 复审：宋启凡 终审：金 君 资讯