城市生态风险评价不仅具有多风险源、多风险受体、复杂暴露途径等特点, 同时由于城市的特征、内涵及边界界定与区域、流域不同, 城市生态风险还具有偶然性、小概率和高强度的特点, 并且与人类活动紧密相关^[14]。相对于人类活动导致的环境污染生态负效应, 城市地域发生的自然灾害如城市内涝、台风、冻雨、雾霾等更具直接威胁性的风险源会呈现概率性的发生规律, 可能导致社会— 生态系统短期内的巨大损失。因此, 在包括自然灾害、环境污染、人类活动等多个维度的生态风险源中, 鉴于自然灾害事件的随机性发生、瞬时性影响、灾难性损失等特征, 自然灾害诱发的生态风险仍是当前城市生态风险研究的主体; 本文基于风险源分类方法, 以“ 自然灾害生态风险” 具体指代这种自然灾害所诱发的生态风险。

人类社会与自然环境的耦合系统(简称社会-生态系统)是全球环境变化研究的关注焦点^[15]。城市作为人类文明的主要组成部分, 是人类对自然环境改变最剧烈的区域。在这一层面上, 所谓的生态风险受体已不仅是城市内部的动植物种群或各类自然/近自然生态系统, 而更多指向以城市景观为空间载体的综合性的区域社会-生态系统。与自然灾害风险强调灾害对人类系统的财产、生命损失预期不同, 自然灾害生态风险关注灾害对支撑人类生存与发展的自然系统的影响。狭义来说, 这种影响只表征灾害发生后自然生态系统的破坏及损失预期; 广义而言, 这种影响还包含目前广受关注的自然灾害对社会-生态系统的综合破坏及损失期望, 而景观格局正是社会-生态系统的空间直观体现。由于自然灾害所导致的生态系统自身健康破坏和城市居民生命财产损失均被包含在城市自然灾害生态风险研究范围内, 评估难度随之加大, 评估方式呈现多样化。以下按照自然灾害类型即风险源的数量差异, 分单一类型自然灾害生态风险与综合自然灾害生态风险两方面简要阐释自然灾害生态风险评估的近今进展。

目前, 国内外关于自然灾害生态风险的研究基于不同时空尺度构建了大量灾害模型, 并基于受体脆弱性与适应性对致灾强度及可能采取的减灾途径进行评估^[16], 其中多数研究是围绕单一类型自然灾害进行的。在单一类型自然灾害风险研究中, 研究较多的风险源包括地震、台风、干旱、洪涝等。在针对具体城市的分析中, 多探讨各种灾害对不同用地类型或经济活动、社会结构的影响及其防范对策。

洪涝、干旱、风暴潮等气象灾害^{[17, 18, 19, 20, 21, 22]}和地震、海啸等地质灾害^{[22, 23, 24, 25, 26]}是当前城市生态风险研究的主要灾害类型。国内外针对城市地域的洪涝灾害风险研究案例较多, 通过假设模拟和实测分析定量研究了风险发生的概率、淹没范围或损失, 并探讨可能的防灾、减灾措施及适应机制^[17~19]; 相对而言, 旱灾生态风险研究一般尺度较大, 主要针对区域农业探讨了受影响的品种、范围、面积及产量并将其作为风险强度量化指标^{[20, 21]}; 在地震、泥石流、海啸等地质灾害生态风险的分析中, 国内研究多侧重基于城市现状资料构建风险指数、计算相应损失^{[23, 24]}, 而国外研究则偏向自然、社会及经济系统的整合, 对产业发展、经营管理等内容提出环境、技术、政策建议^[25~27]。

由此可知, 无论是将气象灾害或是地质灾害作为风险源, 在国外的大量研究中一般不局限于风险评价本身, 而多会引申至政府和个人对风险的适应机制, 提出具体的管理和应对方式, 这一特征是与国内研究有所差异的。国内大量研究强调对风险评价结果进行空间表达, 然而在对评价结果进行直观展示后, 如何基于结果的空间格局提出明确的城市防灾减灾规划指引, 相关分析尚比较薄弱。此外, 相当一部分研究采用了概率化的危险度和价值化的脆弱度进行乘积运算。然而, 一些基于地理要素的危险度衡量往往纳入权重赋值, 有着较多的不确定性; 另一些研究在脆弱度价值化过程中默认灾害发生则价值会直接变为零, 也并不符合真实情况。随着灾害模拟模型的进一步完善, 此类赋值问题将有可能得到有效解决。

20世纪90年代后期, 生态风险评估的空间尺度开始扩展至景观、流域及区域层面, 相关风险源与风险终点则逐渐多样化^[28~31], 比较、综合整个胁迫— 响应的关系或暴露— 效应的可变性开始在生态风险评估中有所表征^[32]。自然灾害作为城市/区域生态风险的主要风险源业已成为学界共识, 但目前已有研究仍大多局限于单一类型自然灾害生态风险评价及其空间叠置, 针对多风险源、多过程、多受体的综合生态风险评价尚不多见^[33]。

综合自然灾害生态风险的评估范围一般不限于城市建成区, 而往往将整个城市地域行政边界作为其分析范围。近年来, 国外学者在综合自然灾害生态风险评价的基础上, 已经尝试关注灾害的蔓延机理, 并认识到多风险间的相互作用; 研究既包括风险区域识别^[34]、风险管理优先级划分^[35]等传统思路, 也尝试了多类型灾害模拟^[36]、风险数据库支持^[37]等先进空间分析手段。我国学者开展的综合自然灾害生态风险研究则以风险评价为主, 主要研究方法包括自然— 社会经济评价指标体系^[38]、基于暴露系数的相对风险模型^[33]、综合生态风险评价指数^[39]等。

总体而言, 目前国内外学界针对城市自然灾害的多元风险评估仍处于起步阶段, 虽然已出现了一部分基于数值模拟的机理模型, 但其风险源与风险受体的数量仍相对有限, 难以反映城市生态风险的复杂性。相对国外研究而言, 我国学者目前对多种自然灾害风险之间的相互作用、蔓延机理研究还相对薄弱, 评价手段往往限于在一些经验模型的基础上进行权重赋值与空间叠置, 尚未考虑到多风险源、多过程、多受体之间的权衡或协同关系, 导致不确定性相对较大。鉴于城市/区域尺度的多风险源、多风险受体交互作用的复杂性, 全面明晰并模拟各类自然灾害生态风险间的交互作用机理将是当前研究的重要趋向。

自然灾害生态风险研究的内容与方法会因时空尺度变化而有所不同。在时间尺度上, 虽然自然灾害能明确定义发生时间点, 但通常量化其自然环境及社会经济影响及恢复需要相当长的时间尺度; 同时, 由于干旱、洪涝等气候灾害具有一定的周期性, 在风险管理中十年一遇或百年一遇的灾害重现期常被国土、规划、水文等管理部门作为安全保障的参考。因此, 景观生态学者更倾向将自然灾害生态风险视为一种生态过程进行探讨。在空间尺度上, 人类作为城市生态系统的一部分, 地震、洪涝等自然灾害生态风险的影响不仅限于受灾范围, 还可能涉及更大空间尺度的产业整合与社会经济发展问题。因此, 不确定性作为自然灾害生态风险的重要特征, 与研究对象的时空尺度依存性直接相关。

不确定性分析既可以确定评估结果的不确定性特征, 还可以通过敏感性分析明晰不同因子对评估结果的影响^[40]。使用数据和信息的不确定性及风险评估受体、终点、暴露等分析过程的不确定性, 直接决定了研究结果的准确性。生态风险评价中不可避免地存在信息不完整性、风险源多样性、概念模型简单化等不确定性因素, 随着研究系统的尺度增大, 风险源与风险受体逐渐多样化, 暴露与胁迫过程逐渐复杂化, 对于生态风险评价过程不确定性的估计难度也相应增加^[41]。景观层面的研究本身可能包含多个尺度, 在不同时空尺度间的定量分析规则可能是不同的, 从而结果的不确定性也有所差异。因此, 景观层面的自然灾害生态风险研究还应考虑到时空尺度变化对数据源和研究方法的影响, 有必要准确认知不同尺度下特定评价流程产生的不确定性差异。

由于较大尺度生态风险评价中风险源往往是多样化的, 综合生态风险评估的不确定性一般大于单一类型生态风险评估, 景观尺度评估结果不确定性大于生态系统、群落尺度评估结果也是可接受的。因此, 降低研究结果不确定性的方法应当是针对特定尺度、特定评价对象而言的, 不同尺度、不同数量风险源之间的不确定性差异不具有直接可比性。也就是说, 不能因为综合生态风险的不确定性相对较大, 就彻底否定在景观尺度上开展相关研究的必要性。事实上, 随着单一类型灾害模拟模型构建的逐步完善, 单一灾害生态风险评价不确定性的降低势必有助于综合生态风险评价精度的提升。

景观作为人为活动叠加在自然过程上综合作用的空间体现, 表征了随时间变化塑造区域特征的过程和事件, 它们为理解发生了什么, 以及发生在哪里、为什么发生提供了重要线索^[42]。由于景观提供了人类社会经济活动的资源和开发利用的对象, 人类活动主要在景观层次上进行, 景观已成为研究人类活动及其生态环境影响、实践人类— 生态可持续发展的最适宜空间尺度^{[43, 44]}。景观尺度的自然灾害生态风险研究将基于人类— 自然耦合系统的综合视角, 强调景观格局、生态过程与自然灾害及其生态风险的内在关联机理, 以及人类活动对这一关联关系的影响, 有助于整合地表景观随时间变化的自然、人文驱动力基本认知, 明晰社会— 自然耦合系统对地表景观作用的互馈响应机制。

考虑到从景观到区域、全球的尺度关联特征^[45], 基于景观生态学视角的景观格局— 过程与自然灾害生态风险的多尺度逻辑关联可以具体表述为(图1)：第一, 全球变化/人类活动作为致灾因子诱发自然灾害, 而后者以风险源形式影响着从景观到全球各个尺度的生态风险, 在这一层面即使把评价限定在自然灾害生态风险范围内, 人类活动对自然灾害的间接驱动作用也不可忽视; 第二, 构成景观格局的景观组分及其空间配置作为承灾体, 直接受到自然灾害生态风险危害; 第三, 在孕灾环境中景观生态过程成为危害的主要作用方式, 直接决定了暴露强度。例如, 城市景观扩展过程作为胁迫因子显著破坏农田生态系统、增强城市热岛效应; 第四, 自然灾害在景观生态过程的放大或削弱作用下产生不同程度的灾情, 造成社会— 自然系统的综合损失; 最后, 通过景观生态规划与管理可以有效调节相应景观格局与过程, 从而增强社会— 自然系统的适应能力、规避自然灾害从发生到结束的各个环节, 实现基于景观生态的自然灾害生态风险适应与防范。

图1

Fig.1

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	图1 景观格局— 过程与自然灾害生态风险多尺度逻辑关联概念框架Fig.1 The multi-scale logic framework on the relationships among landscape pattern-process, natural disaster, and ecological risk

近年来城市化过程导致景观格局的显著变化及其生态环境效应引起了学术界的共同关注, 国内外学者纷纷围绕城市景观格局演变的植被响应^[46]、土壤质量变化^[47]、水文效应^[48]、热岛效应^[49]等生态过程开展了大量的理论方法及个案研究, 为城市规划与管理提供了有效的科学指引。自然灾害的发生往往会导致灾区景观格局的显著改变; 同时, 在城市发展进程中可以采取工程、生物等相关防灾减灾措施, 通过主动改变城市景观格局以达到降低自然灾害发生概率、缩小灾害范围、减缓灾情的目的。因此, 可以基于城市景观格局及生态过程对自然灾害的影响机理, 构建城市景观格局优化方案。

目前, 在城市景观尺度上进行的自然灾害研究关注气候变化影响, 研究范围一般为城市行政边界而不局限于市区。针对农田景观格局与动态, 研究已从初期的水旱灾害对景观格局的直接影响^[50], 发展到探讨景观格局对干旱适应机制^[51]、土壤侵蚀和氮磷流失^[52]、土地盐碱化^[53]等具体生态过程的影响; 针对森林景观, 学者一般侧重于景观空间布局与规划研究, 涉及灾种包括火灾^[54]、强风等^[55]。在研究的定量化层面, 一些学者将不同景观类型组合对生态功能的影响联系到具体的侵蚀产沙模型^[56]、地表风场模型^[57]中; 而另有学者综合定量分析了多种气候变化与景观价值变化的相关性^[58]; 还有学者并不基于具体计量层面, 而是通过构建概念模型或定性探讨方式分析城市景观与自然灾害的相互关联^{[59, 60]}。

在城市景观与自然灾害的相互关联中, 致灾因子的数量往往与关联的精度呈负相关关系。采用具体的数理模型对景观格局— 过程与自然灾害生态风险的关联验证可信度较高, 但往往局限于具体灾种而只能针对特定景观格局进行优化。一般而言, 随着灾害类型的增加、时空尺度的放大, 其对具体景观的定量化影响机制就越难模拟。事实上, 目前学界在景观空间异质性对自然灾害影响机理的定量分析与模拟方面还处于起步阶段; 相关分析模型化的难度并不完全由研究者的技术水平决定, 而是与所研究灾害对象的数量、类型、尺度等直接相关。

城市景观格局及其演变显著影响了物种个体行为、种群动态、生物多样性、物质能量流等多尺度生态过程^{[61, 62]}。在人为活动主导的城市景观中, 不同土地利用方式和强度产生的生态影响具有区域性和累积性特征, 并能直观反映在景观组分及其数量结构与空间格局上^[63]。因而, 既有的城市生态风险评价大多将景观格局要素纳入相关评估框架, 从而综合评估人类活动的潜在生态影响及其累积性后果^[64]。

在诸多国外研究中, 基于景观要素的城市生态风险评价并不是研究终点, 而基于评价结果的景观规划与管理方案才是研究的最终目标。在相关评价中既考虑不同景观类型数量作为格局表征^[65], 也涉及城市扩展、农用地减少、土壤侵蚀等特定景观变化过程^[66]; 既有基于景观斑块的生态风险评价^[67], 又有基于景观廊道的生态风险关键节点识别^[68]; 并且, 居民作为利益相关者往往会成为直接的风险评价者^[69]。

在我国, 景观生态学理论在生态风险评价中的应用目前主要基于两种途径。第一种途径是设定生态风险阻力面。景观格局直接影响生态风险的辐散过程, 这种影响的可能性及其动态在空间上的连续体即为阻力面。代表性研究方法则是基于土地覆被类型, 依据专家咨询直接对其生态阻力赋值^[70]。近年来, 逐步有学者尝试探索弥补直接赋值法主观性强、影响要素单一、赋值大小直接影响研究结果等缺点, 引入了生态系统服务与景观组分加权^[71]、生态系统服务与地形因子综合^[72]、生态敏感性分析^[73]、缓冲区分析^[74]、不透水表面指数修正^[75]等新方法, 但本质上仍属基于景观类型赋值方法。由于多种赋值方法往往与评价者本身的研究目的有关, 此类赋值规则的合理性与普适性尚需进一步探讨。

第二种途径则是基于景观指数进行景观生态风险评价。所谓景观生态风险, 是指人类活动、自然灾害等干扰源对生态系统的结构和功能造成不利影响的可能性及其危害程度^[76]。目前, 国内景观生态风险评价的主流方法是基于景观干扰度与景观脆弱度构建景观生态风险指数, 其中景观干扰度一般通过景观破碎度、分离度与优势度等景观格局指数加权求和来定量表征, 而景观脆弱度往往基于专家打分依据不同景观类型直接赋值^[77]。然而, 此类研究尚缺乏景观格局要素与生态风险的定量关联依据, 成为阻碍这一类方法推广的最大限制因素。

城市化过程往往伴随剧烈的景观格局演变, 进而对区域和全球环境产生重大影响^[78]。快速城市化过程中景观格局演变所引发的生态风险评估与防范, 已成为当前城市生态风险适应性管理的重要内容。由于所评价出的风险值是对未来所发生的或然性与可接受度的一种预测^[79], 在风险防范过程中确定未来可能出现的情景就十分必要。情景模拟是评价景观规划方案的有效手段, 但目前大多数情景分析仍集中于单一自然灾害, 如城市暴雨^[80]、地震^[81]等的发生概率、范围及损失情景评估, 缺乏多灾种的综合情景模拟。

在景观尺度上, 对土地利用变化的情景模拟逐渐得到推广, 并已有学者将土地利用变化情景预测模型用于景观生态风险评价^[82]。从设定的具体情景类型来看, 目前多数研究主要针对自然灾害发生频率设置情景, 缺乏更具实践意义的社会经济发展情景设置及其风险模拟。在明确自然灾害时空尺度的前提下, 可以通过自然环境时空模型、致灾因子时空模型、社会经济发展时空模型构建自然环境情景、致灾因子情景、社会经济发展情景, 进行风险时空区划与应用^[83]。但是, 尽管情景分析已被视为区域自然灾害生态风险分析的一个重要方法, 但其对区域自然灾害过程仿真建模的高要求加大了模拟的技术难度^[84], 致使目前鲜有综合多风险源、多受体的自然灾害生态风险情景分析案例。同时, 当前基于不同自然灾害重现期进行灾害发生概率或灾害损失的情景模拟, 还忽视了风险受体与暴露— 危害响应的变化情景及其对生态风险评估结果的影响^{[85, 86]}; 而传统土地利用变化模拟模型能否切实表征综合灾害风险情景也有待进一步论证。显然, 评估城市自然灾害生态风险的多情景时空动态是遴选城市景观格局优化方案的重要依据, 参照情景分析结果可以明晰基于景观格局的城市自然灾害生态风险规避效果。因而, 有必要在未来研究中加强城市自然灾害生态风险研究中的情景模拟与分析, 尤其是针对多致灾因子的多风险源综合风险情景模拟。