鄱阳湖流域县域生态韧性空间格局演变研究

曾 凡 盛，冯 兴 华，唐 燕，肖 泽 平，毕 曼 玉

(江西师范大学地理与环境学院/江西省城市人口研究所/鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室，江西 南昌 330022)

改革开放以来，我国城镇化快速发展[1]，在改善居民生活质量、优化资源配置等方面发挥重要作用，但也导致生态基底破坏严重，生态风险日趋严峻。随着生态安全问题频发，各界学者逐渐认识到生态安全的重要性，并为保护生态环境、维持人类福祉积极开展多项合作，2015年联合国可持续发展峰会提出的可持续发展议程更是在全球范围内将维护生态安全、重视生态修复与治理作为实现可持续发展的重要目标之一[2]。生态韧性是实现生态可持续发展的一种全新概念，对维护生态安全、改善人居环境、推进生态修复与治理等具有重要意义，生态韧性理念认为自然生态系统区别于工程韧性的单一稳态，具备多稳态特征，在本质上更强调系统结构和功能的稳定性[3-5]。随着生态韧性概念的完善，研究的焦点不再局限于风险与受体间的简单线性关系，更注重系统从平衡态到失衡态的恢复能力、系统受扰动保持平衡态的适应能力和受干扰系统内部组分层级的自组织能力等[6]。

目前，学术界对生态韧性开展了大量研究，国外学者认为生态韧性的动态、尺度特征与景观生态学关注的格局、过程、尺度等存在相似性，因此，多数学者结合系统论与生态学研究方法，从大尺度的区域到小尺度的社区，进行生态韧性水平、演化过程和发展规划研究[7-10]。国内学者则聚焦韧性评价、生态规划、空间异质性、景观格局优化、时空演变及影响因素分析，主要关注不同城市或城市群的整体韧性评估，较好反映了当前城市在生态环境建设、污染物控制等方面的“水平”，在应对洪涝灾害、生态破坏及气候变化等方面发挥积极作用[11-15]。总体上看，生态韧性以自然生态系统作为主要研究对象，重点刻画人类活动与环境系统之间的协调关系[16]，在应对生态失序、更新管理理念、促进区域可持续发展方面具有重要指导作用，然而从流域整体视角对区域生态韧性进行评估，并结合耦合协调度模型对内部因素进行综合分析以识别关键维度的研究较少。鉴于此，本研究以鄱阳湖流域为研究对象，结合景观生态学理论与地理学分析方法，基于规模、密度和形态3个子系统构建生态韧性评估模型，定量分析县域生态韧性水平及其时空分异规律，通过耦合协调度模型探讨县域生态韧性变化的主要影响因素并提出适应性治理策略，以期为鄱阳湖流域生态保护、环境治理和健康协调可持续发展提供一定启示。

1.1 研究区概况

鄱阳湖流域作为我国南方重要的生态屏障，流域总面积为1.62×105km2，约占江西省国土面积的97%[17]，是我国推进山水林田湖草生命共同体和生态文明建设的重点地区，在流域防洪、水土资源、生物多样性和生态系统服务等方面具有重要作用(图1)。但随着城镇化与工业化快速推进，人类活动对区域自然生态系统的干扰显著增强，资源紧缺、环境污染、生态系统退化等环境问题严重威胁可持续发展[18]，县域生态安全面临着致灾因子多样化和承灾体脆弱化的双重考验。厘清鄱阳湖流域县域生态韧性时空分异规律是识别县域生态系统状态、制定适应性治理和差异化保育措施的重要基础，可为保障县域生态安全并促进流域可持续发展提供科学依据。

图1 鄱阳湖流域区位

1.2 数据来源

鉴于研究区域与江西省域高度重合以及数据的完整性和可获取性原则，本文研究数据包括2000-2019年江西省土地利用遥感监测数据、社会经济数据和生态保护红线数据。1)土地利用遥感监测数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)，该数据以2000年、2010年、2019年的TM/ETM+影像为信息源，在经过几何校正等预处理后，通过人工目视解译生成，包括耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6类，与《中科院土地利用覆盖分类体系》相一致，空间分辨率为30 m，精度检验结果中Kappa系数均达85%以上，主要用于计算建设用地、适宜建设用地面积以及源汇景观平均距离指数。2)社会经济数据来源于2000-2019年《江西省统计年鉴》《中国县域统计年鉴》《中国城市统计年鉴》以及各县经济和社会发展统计公报，提取其中的人口、能源消耗量、粮食消费量等相关数据，用于分析生态足迹、生态承载力。由于难以获取县域层面的粮食消费量，本文借鉴文献[19]，以生产量替代；
由于从相关统计部门和年鉴中难以获得县(区)层面的能源消耗数据，本文使用“生产总值指数”，将各县(区)国内生产总值换算成以2010年价格计算的GDP总值，然后乘以单位GDP能耗得出以2010年价格计算的能源消耗，从而计算出县(区)各类能源的消耗量[20]。3)生态保护红线数据参考《江西省生态保护红线划定方案》矢量化得到。

2.1 规模韧性计算

生态基础设施(Ecological Infrastructure，EI)作为维系生态安全的重要组成部分，能有效约束县域规模扩张，在维持EI不变的前提下，县域适宜建设用地面积与建设用地面积的比值能在一定程度上反映规模韧性水平的变化[21，22]。本文将江西省生态保护红线作为主要参考指标得到鄱阳湖流域的生态基础设施边界[15]，流域内各县生态基础设施边界以外的适宜建设用地面积Js与建设用地面积Jy的比值即为各县的规模韧性Rg(式(1))，Rg值越大，县域规模韧性越高。

Rg=Js/Jy

(1)

2.2 密度韧性计算

人类活动的密度直接影响生态系统的稳定性和可持续性，本研究采用生态足迹与生态承载力作为主要因子进行测算。选取粮食、蔬菜、油料、棉花、水果、猪牛羊禽肉、奶及奶制品、水产品、能源和电力的人均年消费量作为生态足迹的计算指标[23]，并将各指标与对应的土地类型进行换算；
根据生产力大小，将土地划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和化石燃料用地六大类并用于生态承载力计算[24]，其中化石燃料用地作为吸收CO2应保留的土地。由于不同土地的生产力不同，在公式中加入产量因子pz和均衡因子qy进行修正，从而计算出各县的密度韧性Rm(式(2))，Rm值越大，县域密度韧性越高。

(2)

式中：Hz为区域内第z(z=1,2,3,…,n)类土地的面积；
N为区域总人口数；
Ey、Fy分别为第y(y=1,2,3,…,n)类消费品的人均年消费量和全球平均产量；
根据世界环境与发展委员会(WCED)的报告，为保护生物多样性，区域需保留12%的生产性土地面积[25]。

2.3 形态韧性计算

为准确了解县域形态韧性的变化，从景观生态学中引入“源-汇”理论[26]，将各县景观划分为“源”“汇”两种类型，其中“源”为灰色景观，主要包括建设用地，“汇”为绿、蓝景观，包括林地、草地和水域[27]。通过计算源汇景观平均距离指数判断县域形态韧性Rx(式(3))，Rx值越大，县域形态韧性越高。

(3)

式中：D为整个流域源汇景观平均距离指数值；
n为流域内源栅格的数量；
min(dy)为“源”栅格到“汇”斑块的最小距离。

2.4 耦合协调度计算

规模、密度和形态作为县域物质空间的基本属性，三者间的有机组合能反映县域的发展状态，对于促进生态韧性的发展具有重要意义，因此，在实现韧性发展的进程中需要规模、密度和形态3个子系统之间的耦合协调。本文首先通过极差标准化对各子系统进行归一化处理[28]，然后定量测度规模韧性、密度韧性和形态韧性之间的耦合协调度[29]，进而判断县域生态韧性的整体发展状况。耦合协调度计算公式为：

(4)

(5)

式中：C为耦合度；
D为耦合协调度；
P为综合协调指数；
T1、T2、T3分别为规模韧性、密度韧性、形态韧性系统的综合评价指数；
α、β、ε分别为三系统的待定系数，表示各子系统的重要性，通过主成分分析后，计算出α、β、ε分别为0.33、0.31、0.36。

3.1 规模韧性时空格局分析

通过式(1)计算2000年、2010年及2019年鄱阳湖流域县域规模韧性指数，将其划分为低韧性、中低韧性、中等韧性、中高韧性和高韧性5类(图2)。

(1)时间演化特征。2000-2019年鄱阳湖流域县域规模韧性下降显著，平均规模韧性指数从58.7降至28.9，预示未来流域发展将面临规模安全的约束。2000-2019年规模韧性低值县域占比从15%升至40%，韧性高值县域占比则从25%降至4%。早期鄱阳湖流域县域经济发展相对缓慢，受行政等级影响，韧性低值区占比较少；
随着交通条件改善及环鄱阳湖城市群的建设，各县(区)联系与合作更紧密，极大程度上推动县域城镇化进程，城市规模快速扩张、建设用地面积急剧增加导致规模韧性高值县域减少、低值县域增多。

(2)空间分布特征。2000-2019年韧性低值县域呈现由散点状向片状分布趋势，高值县域从块状缩减为点状零散分布，形成“南高北低”的韧性空间分布格局。这与鄱阳湖流域的地形紧密相关，流域东、西、南三面环山，中部丘陵起伏，北部为地势平坦的鄱阳湖平原，但人类活动频繁导致建设用地持续扩张，韧性水平南北差异显著。结合具体县域分析(图2)发现，南昌市各县域因人类活动频繁长期处于低韧性状态，并且呈现逐步向外延伸的趋势；
而赣州市作为鄱阳湖流域最大的地级市，2000-2019年社会经济发展迅速且人类活动强度急剧增加，但规模韧性的低值区集中分布在市区，未向外延展，主要原因在于赣州市以山地丘陵地形为主，生态保护红线面积广布，人类活动多聚集在少数地形平坦地区，县域建设用地面积扩张受限。

3.2 密度韧性时空格局分析

(1)时间演化特征。2000-2019年耕地和草地的人均生态足迹均出现小幅下降，水域、林地和建设用地基本保持不变，化石燃料用地则大幅增长(从17.5%升至34.1%)，人均能源消耗大幅上升。该趋势表明流域内县域经济发展以高耗能为代价，与江西省的产业结构存在密切联系。虽然生态承载力在研究期内也出现小幅上升，但其增速难以匹配生态消耗的增速，无法对县域密度韧性产生显著优化。随着人均生态足迹和人口的持续增长，部分县域的生态消耗逐渐超过生态承载力阈值，出现严重的生态赤字现象。将2010年作为参照，对比2000年和2019年的密度韧性(图3)发现，各县域密度韧性在前期下降趋势显著，后期则有所减缓，个别县域甚至出现小幅回升，县域密度韧性变化逐渐达到“瓶颈期”。2000-2010年工业化与城镇化建设发展迅速，县域资源能源消耗急剧增加，导致生态消耗与生态承载力增长失衡，县域密度韧性下降严重；
2010-2019年逐渐重视县域生态保护与治理，并有意识控制生态足迹的增长速度，使密度韧性的变化趋于平缓。

图3 2000-2019年鄱阳湖流域密度韧性空间格局

(2)空间分布特征。流域内各县域的密度韧性在研究期内均出现不同程度下降，并在2019年形成以南昌市各县域为中心向外扩散的低值圈层，部分县域已经出现人口高度集聚、能源结构不合理等生态安全隐患，县域密度安全逐渐成为限制鄱阳湖流域发展的主要问题之一。密度韧性低值区空间分布大致可分为散点状、轴带状和片状3个阶段：早期鄱阳湖流域生态消耗不高，各县域密度韧性整体保持较好，低韧性区呈散点状独立分布于地级市市区；
随着沪昆铁路线开通，沿线县域之间经济交流与联系逐渐加强，低韧性区呈轴带式分布趋势；
2019年县域经济发展和联系进一步加强，密度韧性低值区向周边地区延伸，形成片状分布的空间格局。

整体看，密度韧性水平的变化反映出流域内县域经济发展差异显著。经济发展水平较高区域往往具备完善的基础设施和公共服务，并吸引大量人口和资源集聚，县域密度韧性也随之下降。从图3可以看出，2000年县域密度韧性整体保持较好，受行政等级影响，各市区经济发展水平较高，是低韧性区主要分布地；
2010年流域内韧性水平复杂多样，县域经济发展水平差异显著，环鄱阳湖城市群的设立使南北差异逐渐显现；
2019年随着基础设施完善和县域间联系加强，流域内各县域经济发展迅速，密度低韧性区趋于片状分布，区域经济发展差异逐渐缩小。

3.3 形态韧性时空格局分析

(1)时间演化特征。由图4可知，县域形态韧性既有一定的继承性，又存在一定的波动变化，但总体变化幅度不大。研究期内形态韧性高值县域占比逐渐增加，部分县域经历了短期下降后迅速回升的变化过程，呈现出优化趋势。县域规划是形成这一现象的主要原因，随着城镇化的发展，政府逐渐认识到县域规划的重要性并积极制定各项规划，为县域蓝、绿景观的合理布局提供了科学依据，使县域形态趋于优化。南昌市各县域形态韧性长期处于低水平状态，高强度的人类活动导致蓝、绿景观空间布局不均衡，显然不利于县域生态系统的可持续发展。

(2)空间分布特征。由图4可知，流域外围县域形态韧性水平偏高，内部县域形态韧性水平偏低，整体上形成“四周高、中间低”的空间分布格局。鄱阳湖流域东、西、南三面环山，森林植被密布，蓝、绿景观面积占比较高，而流域中部地势较平坦，频繁的人类活动导致灰色景观面积占比较高，从而形成内外差异显著的空间分布特征。结合遥感影像分析，鄱阳湖流域形态韧性变化还与县域建设用地扩张密切相关。2000-2010年鄱阳湖流域县域建设用地扩张主要受行政等级的影响，地级市市区作为区域行政和经济中心在建设工业园区时具有良好的基础条件，而以工业园区为主导的粗放式扩张，导致建设用地以“摊大饼”式分布于市区及周边县域；
2010-2019年县域布局形态有所优化，社会经济发展打破了行政等级限制，建设用地扩张出现多种方式并存的现象，源汇斑块之间可达性提升，县域形态韧性得以优化。

图4 2000-2019年鄱阳湖流域形态韧性空间格局

3.4 生态韧性子系统耦合协调度分析

为判断流域内县域综合韧性状况，本文基于上述3个子系统构建规模—密度—形态韧性耦合协调度模型，同时采用相等间隔法划分为严重失调、中度失调、基本协调、中度协调、高度协调5种类型(图5)。

图5 鄱阳湖流域县域生态韧性耦合协调度

(1)时间演化特征。流域内县域生态韧性耦合协调类型呈现单一化趋势，子系统间耦合协调关系逐渐趋于失调。研究期内高度协调和中度协调类型县域持续减少至2019年高度协调县域完全消失，中度协调县域则零散分布在流域外围的山地丘陵地区。基本协调类型县域在研究期内长期占据较大比重，是流域内最为典型的耦合协调类型，这表明半数以上县域已经处于生态韧性失衡的临界点，在未来发展过程中需要采取保育措施。失调县域在研究期内持续增长，并经历了散点状分布、“人”字形分布和块状分布3个阶段，受人类活动影响，县域韧性水平下降严重，部分县域生态安全面临严峻考验，未来必须重视县域规模、密度和形态子系统的修复与优化，提高其抗风险和恢复能力。进一步分析发现，南昌市区及周边县域作为耦合失调的重点地区，在生态韧性各子系统中，规模韧性和密度韧性普遍偏低并与耦合协调度呈正相关关系。规模韧性和密度韧性作为生态韧性的重要组成部分，是生态韧性各子系统之间是否耦合协调的关键维度。

(2)空间分布特征。耦合协调空间分布格局逐渐由“四周高、中间低”转变为“南部高、北部低”。2000年鄱阳湖流域社会经济发展相对缓慢，开发能力较弱，县域开发受地形因素限制，从而形成了“四周高、中间低”的空间分布格局；
2019年经济技术发展和基础设施建设逐渐打破了地形因素的限制，人类活动成为关键主导因素，赣北地区的鄱阳湖平原和地级市市区周边县域生态环境恶化，韧性水平持续降低，各子系统间耦合协调关系逐渐转向失调。随着南北差异逐渐显著，未来流域需注重协调发展，实现整体耦合协调。

规模、密度和形态作为构建生态安全格局的关键要素对维护县域生态安全具有重要意义，本文基于景观生态学理论和韧性概念构建“规模—密度—形态”生态韧性评估模型，定量分析鄱阳湖流域县域生态韧性，并探讨规模韧性、密度韧性和形态韧性之间耦合协调关系，得到以下主要结论：1)受工业化与城镇化影响，县域规模韧性和密度韧性在研究期内出现大幅下降，并逐渐形成南高北低的空间分布格局；
而形态韧性则表现出波动变化的特征，经过短期下降后出现小幅回升，但总体变动幅度不大。2)各子系统的耦合关系逐渐趋于失调，空间分布格局逐渐由“四周高、中间低”转变为“南部高、北部低”，规模和密度韧性作为生态韧性的重要组成部分，逐渐成为鄱阳湖流域生态韧性发展的主导因素。3)2000-2019年鄱阳湖流域生态韧性的时空变化与大连[11]、珠三角[14]、京津冀[30]等地区具有一定的相似性：随着城镇化水平的提高，人类活动强度较高的中心城区形成由内向外扩散的生态韧性低值圈层，低值区大致经历了点状、线状、片状空间分布格局演化过程。虽然鄱阳湖流域与大连、珠三角、京津冀等区域在地形、区位、交通等自然和社会经济因素方面存在一定差异，但其城市扩张均呈现出“摊大饼”式特征，占用大量的生态用地，导致生态韧性水平持续下降。

基于上述研究结论提出以下建议：1)推动流域协调发展，实现整体耦合协调。鄱阳湖流域各县域自然本底要素、经济与生态韧性水平差异显著，应加强县域间交流与合作，实现优势互补。赣北地区基础设施完善、经济发展水平较高，未来仍是鄱阳湖流域发展的重心；
赣南地区资源丰富，生态韧性相对较好，是流域未来重要的发展空间。为促进鄱阳湖流域健康协调发展，在大力发展建设南昌核心增长极的同时，应将赣州打造为赣南地区增长极，通过南昌与赣州两个增长极的辐射带动作用，实现整体耦合协调。2)因地制宜，推动生态韧性分区治理。针对赣北地区的生态韧性低值区，在城镇化进程中，南昌和宜春各县域大量农村人口转变为城镇人口并推动建设用地面积快速扩张，在县域外围应加强非正式开发监管，在县域内部注重存量规划，通过旧城改造等方式提高建设用地利用效率，缓解严重的景观压力和城市蔓延问题；
针对赣北地区东北和西北的生态韧性高值县域，则需完善基础设施、优化公共服务，推动区域人才、技术流通，缓解南昌和宜春等生态韧性低值区高度集聚的人口和建筑带来的密度安全压力，同时也使发展机会共享；
在鄱阳湖周边地区，应严格控制开发建设强度，防止建设用地过度扩张对湿地景观造成破坏。赣南地区山地丘陵地形为生态保护与治理提供了天然优势，但近年来赣州市部分县域的快速发展导致生态韧性出现不同程度的下降，未来需结合当地特色实施以生态保育为主的发展策略，科学发展以赣南脐橙为代表的果园种植、赣南苏区红色旅游和稀土产业等特色产业。3)优化县域发展模式，促进生态系统良性循环。长期以来，鄱阳湖流域部分县域为实现经济高速发展以牺牲生态环境为代价。新余作为流域内重要的工业城市，县域发展长期依赖钢铁工业，面临严峻的规模和密度安全问题，亟须进行产业结构优化升级，通过对“僵尸”企业破产重组，淘汰落后产能，提高新能源占比，并有效提高建设用地利用效率。南昌市作为江西省的政治与经济中心，对流域生态安全具有重要意义，但高强度的人类活动导致县域生态韧性长期处于低水平状态，极易引发生态安全问题。在规模安全方面，南昌市各县域应严格落实国土空间规划，明确划定县域增长边界，加强对建设用地的管控；
在密度安全方面，各县域应合理控制人口增长和能源消耗速度，利用创新技术助力产业结构转型升级，实现产业集约、高效发展；
在形态安全方面，各县域应结合水网型城市特色，通过沿河岸线的生态空间建设对县域形态进行修复，并挖掘湖面、绿地等景观的生态涵养作用，实现源汇景观在空间上的良性耦合。

本文在一定程度上丰富了生态韧性的研究视角，同时对于促进流域生态修复和山水林田湖草生命共同体建设也具有重要意义。但流域是一个相对完整的自然地理单元，是由自然和社会多种要素协同构成、具有层次结构和整体功能的复杂系统，本文的规模、密度和形态韧性更侧重于结构稳定性探讨，对于功能稳定性探讨较少，后续研究有必要建立更全面、系统的指标体系方法。在影响因素分析方面，由于部分统计数据缺失和社会经济数据难以获取，本文只对鄱阳湖流域生态韧性的空间格局演变进行了研究，对影响因素的定量分析较少，未来有待深入研究。在研究尺度方面，以县域作为研究单元在一定程度上会受到行政等级的影响，未来可通过划分小流域单元、格网单元等方式，探测不同视角下的生态韧性发展差异及不同尺度下的生态韧性空间分异状况、演化趋势与适应性特征。

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