全 文 ：基于 RS和 GIS的北京市景观生态安全评价*
宋豫秦摇 曹明兰**
(北京大学环境科学与工程学院, 北京 100871)
摘摇 要摇 结合 RS、GIS和景观生态学方法,基于景观结构、功能、活力、生态敏感性和景观压力
构建了景观生态安全评价指标体系,并分析 1988 和 2004 年北京市景观生态安全程度及其时
空分布规律.结果表明:1988—2004 年,北京市生态服务价值处于较高水平,景观活力和景观
压力处于较低水平,景观结构稳定性下降,生态敏感度则处于较低水平;1988 和 2004 年北京
市景观生态安全度均处于中级水平,其景观生态安全指数平均值分别为 0郾 410 和 0郾 403,表明
研究期间北京市景观生态安全整体水平呈稳中稍降的趋势.
关键词摇 生态安全摇 景观尺度摇 指标体系
文章编号摇 1001-9332(2010)11-2889-07摇 中图分类号摇 Q143摇 文献标识码摇 A
Landscape ecological security assessment of Beijing City based on RS and GIS. SONG Yu鄄
qin, CAO Ming鄄lan ( College of Environmental Sciences and Engineering, Peking University,
Beijing 100871, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2010,21(11): 2889-2895.
Abstract: By using RS, GIS, and landscape ecology methods, and based on the landscape struc鄄
ture, function, vitality, ecological sensitivity, and landscape pressure, an evaluation index system
of landscape ecological security was constructed to analyze the landscape ecological security level
and its spatiotemporal distribution pattern in Beijing City in 1988-2004. During the study period,
the ecological service value of Beijing City was on a relatively high level, while the landscape vigor
index and landscape pressure were on a relatively low level. The stability of landscape structure
dropped, and the ecological sensitivity was also on a relatively low level. In 1998 and 2004, the
landscape ecological security index of Beijing City was on a medium level, with the average value
being 0郾 410 and 0郾 403, respectively, suggesting a slight deterioration in the landscape ecological
security during the study period.
Key words: ecological security; landscape scale; index system.
*中国工程院重大咨询项目(2006鄄X鄄07)和国家自然科学基金项目
(41071074)资助.
**通讯作者. E鄄mail: nm_cml@ 163. com
2010鄄07鄄07 收稿,2010鄄09鄄14 接受.
摇 摇 生态安全是实现城市可持续发展的基础. 城市
是受人类活动干扰最剧烈的生态系统,城市在扩大
建设规模的同时很大程度上改变了景观生态系统的
结构和功能,导致生态过程发生改变,从而影响区域
生态安全.这种影响随着城市规模的快速扩大而变
得更加显著.因此,如何在加快城市发展的同时维护
区域生态安全,是当前重大而紧迫的任务,而如何定
量评估快速城市化地区的生态安全水平,已成为研
究者们关注的重要问题.近年来,国内学者在生态安
全评价方面进行了大量探索性研究,主要集中于评
价方法[1]、指标体系[2]、等级划分[3]、评价标准和定
量化[4]等方面.这些研究结果一定程度上能够反映
系统生态安全的状态,但指标体系和计算方法较复
杂,评价结果大多局限在计算出来的状态值,未能在
空间上表达出来.由于生态安全评价涉及因素和尺
度的复杂性,现阶段国内外还尚未形成专门的评价
指标体系[5] .
景观是由多个生态系统构成的异质性地域或不
同土地利用方式的镶嵌体[6] . 景观生态安全格局是
由景观中某些关键性的局部、位置和空间联系所构
成的潜在空间格局[7] .作为人类资源利用和开发的
对象,景观是研究人类活动对生态环境影响的适宜
尺度[8-9] .本文以生态安全和景观生态学理论为基
础,以遥感(RS)和地理信息系统(GIS)为技术手段,
从景观尺度分析了 1988—2004 年北京市域范围内
的景观生态安全度及其时空动态,以期为管理和维
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 11 月摇 第 21 卷摇 第 11 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Nov. 2010,21(11): 2889-2895
护生态环境以及保障生态安全提供科学依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
北京市域总面积 16410郾 54 km2,平均海拔 43郾 5
m,属暖温带半湿润气候,年均降水量 430郾 9 mm,年
均气温 13郾 1 益,年均太阳辐射量 135 kcal·m-2 .北
京行政区划为 16 区、2 县,其中东城区、西城区、朝
阳区、海淀区、丰台区和石景山区形成了“城六区冶,
即城内地区(图 1). 北京综合经济实力保持在全国
前列,2009 年常住人口密度达 1200 人·km-2,人均
GDP 67612 元,第三产业规模居中国大陆第一. 城
镇、农村居民恩格尔系数分别为 33郾 2%和 32郾 4% .
由于城市化的快速进展,农用地持续向非农用地转
变,耕地比重逐年降低.
1郾 2摇 资料来源及预处理
以 1 9 8 8年5月7日和2 0 0 4年4月2 1日两期
图 1摇 研究区示意图
Fig. 1摇 Sketch map of the study area.
Landsat / TM影像数据、1998 和 2004 年北京市人口
和气象数据为基础数据,以 1998 和 2004 年北京市
行政区划图、地形图、土壤类型图、植被图(源于国
家基础地理信息中心)为辅助数据.
以 ERDAS 8郾 7 和 ArcGIS 9郾 2 为平台,对两期遥
感影像进行波段合成、几何校正等处理,并利用北京
市行政区划图确定研究区范围.然后,根据野外实测
数据和标准地形图建立解译标志,进行人机交互解
译.参照国家土地利用分类方法,将研究区分为耕
地、林地、草地、建设用地、水域和未利用地 6 类景
观.分类后,利用研究区土地利用现状图进行修正,
得到两期景观类型分布图. 在此基础上按照各指标
的计算方法,利用 ArcGIS 空间分析模块 ( spatial
analyst)制作景观结构指数、生态服务价值指数、景
观活力指数、生态敏感性指数和景观压力指数的空
间分布图,并将其栅格化,栅格大小(即评价单元)
为 30 m伊30 m.利用 ArcGIS软件的栅格计算器(ras鄄
ter calculator)对各单因子指标的栅格数据进行空间
叠加运算,生成景观生态安全综合指数图(图 2).
1郾 3摇 景观生态安全评价指标体系的构建
通过分析景观结构、景观功能和景观动态,可判
断景观生态安全的程度. 景观结构是在一定时空尺
度内,区域自然因素相对稳定情况下所形成的景观
类型和格局.绿色植被是区域可持续发展的生态基
础,在景观的结构、功能及其变化中起着重要作用.
人类通过生态系统的结构、过程和功能,可直接或间
接得到生命支持产品和服务. 但人类活动往往会破
坏自然生态系统的结构和稳定性,促使景观格局和
过程发生变化.在人为活动占优势的景观内,不同土
地利用方式和强度产生的生态影响具有区域性和
图 2摇 北京市景观生态安全评价流程示意图
Fig. 2摇 Sketch map of the assessment procedure for landscape ecological security in Beijing City.
0982 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
累积性特征,并直观地反映在生态系统的结构和组
成上[10] .因此,本文以生态安全和景观生态学理论
为基础,以反映景观结构、景观功能和景观动态为原
则,同时考虑其空间特性和可操作性,初步构建了景
观生态安全评价指标体系. 利用景观格局指数描述
景观格局结构,利用生态系统服务反映人类对生态
系统功能的利用,利用归一化植被指数表示植被景
观活力,利用景观压力反映人类活动对景观格局和
过程的影响,利用生态敏感性反映生态系统对人类
活动干扰和自然环境变化的响应程度. 结合研究区
实际和相关研究成果[11],选取各评价指标,并通过
专家打分获得指标权重(表 1).
1郾 3郾 1 景观结构摇 景观格局是各生态过程在不同尺
度上作用的最终结果[12],因而区域景观空间格局研
究是揭示区域生态状况及空间变异的有效手段[13] .
景观指数能定量地描述景观格局结构组成和空间配
置特征.根据景观指数的特点,结合本研究的尺度和
内容,本文选择公式简单、生态学意义明确、足以描
述景观异质性特征但又不冗余的景观破碎度、景观
多样性指数和分维数等指标,并运用 Fragstats 软件
计算得到各指标值[14] .
景观破碎度(C i)指景观被分割的破碎化程度,
反映了景观空间结构的复杂性.其公式如下:
C i =Ni / Ai
式中:C i 为第 i 类景观的破碎度; Ni 为第 i 类景观
的斑块个数; Ai 为第 i类景观的面积(km2).
多样性指数(SHDI)指景观元素或生态系统在
结构、功能以及随时间变化方面的多样性,可反映景
观异质性.其公式如下:
SHDI = - 移
n
i = 1
P i log2P i
式中:P i 为景观类型 i所占的面积比例; n为景观类
型数.
分维数(D) 是定量描述具有自相似性、复杂的
分形集合的参数,可反映斑块边界的不规则程度、复
杂程度和稳定性,其与景观格局的形成过程密切相
关.公式如下:
D = 2ln(P / 4) / lnA
式中:P为斑块周长; A为斑块面积.
景观脆弱度指数反映了不同景观类型的易损
性.未利用地的生态系统易损性最脆弱,其次为水
域,建设用地最稳定. 将研究区未利用地、水域、耕
地、草地、林地、建设用地的脆弱度指数分别赋值为
6、5、4、3、2、1,然后进行归一化处理[15-16] .
1郾 3郾 2 生态系统服务摇 生态系统服务是通过生态系
统结构、过程和功能直接或间接得到的生命支持产
品和服务.自然资产含有多种与其生态服务相应的
价值,本文基于 Costanza 等[17]建立的公式,采用谢
高地等[18]建立的生态服务价值表,对照不同土地利
用类型及其相对应的生态系统,计算研究区生态服
务价值量,公式为:
V =移
n
i = 1
Ai·E i
式中:V 为生态服务总价值(元); Ai 为第 i 种土地
利用类型面积(hm2); E i 为第 i 种土地利用类型的
单位面积生态价值系数(yuan·hm-2·a-1); n 为土
地利用类型数.
1郾 3郾 3 景观活力摇 植被结构和布局对区域景观总体
结构及生态环境具有深刻影响. 本文选择归一化植
被 指 数 ( normalized difference vegetation index,
NDVI)来反映景观活力. NDVI是植物生长状态和植
被覆盖度的最佳指示因子,与植被空间分布密度线
性相关,已被广泛应用于定性和定量评价植被覆盖
及其生长活力.
表 1摇 北京市景观生态安全评价指标体系
Tab. 1摇 Index system of landscape ecological security assessment for Beijing City
目标层
Object
项目层(权重)
Dimension (weight)
指标层(权重)
Index (weight)
景观生态安全 景观结构 Landscape structure (0郾 3) 景观破碎度指数 Landscape fragment index (0郾 3)
Landscape ecological 景观多样性指数 Landscape diversity index (0郾 3)
security 分维数 Landscape fractal dimension (0郾 2)
脆弱度指数 Landscape vulnerability index (0郾 2)
生态系统服务 Ecosystem service (0郾 2) 生态服务价值 Ecosystem service value
景观活力 Landscape vigor (0郾 15) 归一化植被指数 Normalized differential vegetation index
生态敏感性 Ecological sensitivity (0郾 15) 水土流失敏感指数 Soil erosion sensitivity index (0郾 6)
土壤类型敏感指数 Soil type sensitivity index (0郾 4)
景观压力 Landscape pressure (0郾 2) 城市开发利用强度 Urbanization intensity index (0郾 5)
人口密度 Population density index (0郾 5)
198211 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 宋豫秦等: 基于 RS和 GIS的北京市景观生态安全评价摇 摇 摇 摇 摇
1郾 3郾 4 生态敏感性摇 生态敏感性是生态系统对人类
活动干扰和自然环境变化的响应程度,可反映发生
生态环境问题的难易程度和可能性大小[19] .根据研
究区的生态环境特性,本文选择水土流失和土壤类
型反映研究区生态敏感度.
参考水土流失方程(USLE),从降水、地形、植被
3 方面计算水土流失敏感性指数(S).其公式如下:
S=(Ps(1-NDVI) l) -4
式中:P为 6—9 月降水量;s为坡度;l为土地利用类
型.参照文献[20],对各因子的值进行分级并赋值.
土壤理化性质对生态环境的影响较大,是生态
敏感性的重要影响因子[21] .本文根据土壤理化性质
对北京市主要土壤类型因子分别赋值(山地草甸土
1、山地棕壤 2、褐土 3、潮土 3、沼泽土 1、水稻土 3),
然后进行归一化处理.
1郾 3郾 5 景观压力摇 自然和人类活动往往会破坏自然
生态系统稳定性,使自然景观格局和过程发生变化.
景观压力越大,景观稳定性和安全性越低.在人为活
动占优势的景观内,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. 快速城市化
过程中的城市用地扩张和人口增长是主要压力,也
是区域生态系统退化的主要诱因. 本文选取城市开
发利用强度(建设用地面积 /土地总面积)和人口密
度来衡量景观压力.
1郾 3郾 6 综合指标摇 综合指标通过加权求和下一级指
标得到,计算公式为:
X =移
n
i = 1
WiX i
式中:X为综合指标; Wi 为第 i个评价指标的权重;
X i 为第 i个指标的值; n为评价指标的个数.由于各
指标的量纲不同,利用归一化方法对各指标值进行
无量纲处理后计算综合指标.其中,正安全趋向性指
标的值即为指标值 X i,负安全趋向性指标的值为
1 - X i .
为反映城市生态环境的优劣程度、体现城市生
态环境建设和环境保护的要求程度,需划分生态安
全等级.由于生态安全是个相对的概念,其分级尚未
有统一标准.本文结合文献[10,13]和研究区概况,
对各指标均划分为 5 个安全等级(表 2).
2摇 结果与分析
2郾 1摇 北京市景观结构的稳定性
从景观结构指数的变化来看,北京东部的密云、
平谷以及城区的景观结构稳定性较低,而东北向西
南走向的植被盖度较高山区的景观结构稳定性较
高.北京市景观结构指数最低和较低水平地区面积
由 1988 年的 23%增至 2004 年的 36% ,较高和最高
水平地区面积均有所减少(表 3). 2004 年景观结构
指数平均值(0郾 140)比 1988 年(0郾 152)有所下降,
表明研究期间北京市景观结构稳定性有所下降.
2郾 2摇 北京市景观活力
北京市景观活力较高和最高水平地区主要分布
在中西部植被覆盖较好的山区;最低水平区以水域
和城镇建设用地为主. 2004 年北京市景观活力较高
和最高水平地区面积比例分别从 1988 年的
30郾 76% 、22郾 68%增至 2004 年的 38郾 79% 、28郾 62% ,
最低和较低水平地区面积比例分别由 1988 年的
2郾 70% 、0郾 92%增至 2004 年的 11郾 01% 、6郾 73% (表
3).研究区城镇建设用地面积的增加导致景观活力
最低和较低水平地区面积增加,西山植被郁闭度的
提高也促进了景观活力较高和最高水平地区面积的
增加. 2004 年北京市景观活力指数平均值(0郾 254)
比 1988 年(0郾 214)有所提高,表明景观活力的整体
发展趋势较好.
2郾 3摇 北京市生态服务价值
2004 年北京市生态服务价值较高和最高水平
地区的面积比例比 1988 年减少约 20% ,最低水平
地区的面积比例则增加了 12% (表 3).虽然 1988—
2004 年北京市生态服务价值最低水平地区(昌平区
表 2摇 景观生态安全评价指标分级
Tab. 2摇 Ranking of landscape ecological security assessment
指数 Index I II III IV V
景观结构指数 Landscape structure index <0郾 07 0郾 07 ~ 0郾 15 0郾 15 ~ 0郾 22 0郾 22 ~ 0郾 30 >0郾 30
生态服务价值 Ecosystem service value <0郾 01 0郾 01 ~ 0郾 012 0郾 012 ~ 0郾 016 0郾 016 ~ 0郾 025 >0郾 025
景观活力指数 Landscape vigor index <0郾 15 0郾 15 ~ 0郾 30 0郾 30 ~ 0郾 45 0郾 45 ~ 0郾 60 >0郾 60
生态敏感性 Ecological sensitivity <0郾 22 0郾 22 ~ 0郾 27 0郾 27 ~ 0郾 31 0郾 31 ~ 0郾 35 >0郾 35
景观压力指数 Landscape pressure index <0郾 01 0郾 02 ~ 0郾 03 0郾 03 ~ 0郾 04 0郾 04 ~ 0郾 30 >0郾 30
景观生态安全 Landscape ecological security <0郾 31 0郾 31 ~ 0郾 35 0郾 35 ~ 0郾 46 0郾 46 ~ 0郾 57 >0郾 57
I: 最低 Worst; II: 较低 Worse; III: 中等 Medium; IV: 较高 Better; V: 最高 Best郾 下同 The same below.
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中东部、顺义区、平谷区和密云县南部地区)面积明
显增加(图 3),但 1988(0郾 112)和 2004 年(0郾 081)
研究区生态服务价值指数平均值均处于较高水平,
这是由于林地生态服务价值远高于其他生态系统服
务价值,导致该指数平均值无法表达指数值较低的
部分区域.
2郾 4摇 北京市生态敏感性
北京市较高生态敏感区主要分布在房山、门头
沟、怀柔、密云的山前平原、丘陵和低山区,最低生态
敏感区主要分布在植被状况良好、生态系统较稳定
的延庆. 1988—2004 年,北京市生态敏感性指数较
低水平区面积有所减少,最高生态敏感区面积有所
增加(表 3). 2004 年(0郾 154)研究区生态敏感性指
数平均值略低于 1988 年(0郾 163),但两者均处于较
低的生态敏感水平.
2郾 5摇 北京市景观压力
研究期间,北京市景观压力较高区主要分布在
海淀、朝阳、石景山、丰台等人口密度较高、城市化集
图 3摇 北京市景观结构指数、景观活力指数和生态服务价值的空间分布
Fig. 3摇 Spatial distribution of landscape structure index, landscape vigor index and ecosystem service value of Beijing City in 1988 and 2004.
I: 最低 Worst; II: 较低 Worse; III: 中等 Medium; IV: 较高 Better; V: 最高 Best郾 下同 The same below.
表 3摇 各指标的不同安全等级面积比例
Tab. 3摇 Proportional distribution of different grade areas for indexes(%)
年份 Year 指数 Index I II III IV V
1988 景观结构指数 Landscape structure index 17郾 00 6郾 00 12郾 00 23郾 00 42郾 00
生态服务价值 Ecosystem service value 18郾 57 3郾 92 5郾 84 2郾 00 69郾 67
景观活力指数 Landscape vigor index 0郾 92 2郾 70 42郾 54 30郾 76 22郾 68
生态敏感性指数 Ecological sensitivity index 21郾 98 28郾 56 27郾 93 18郾 45 3郾 49
景观压力指数 Landscape pressure index 83郾 95 2郾 02 4郾 93 3郾 44 5郾 57
景观生态安全 Landscape ecological security 1郾 42 30郾 54 26郾 42 25郾 45 16郾 17
2004 景观结构指数 Landscape structure index 27郾 00 9郾 00 10郾 00 15郾 00 39郾 00
生态服务价值 Ecosystem service value 30郾 32 6郾 37 10郾 66 5郾 34 47郾 32
景观活力指数 Landscape vigor index 6郾 73 11郾 01 14郾 85 38郾 79 28郾 62
生态敏感性指数 Ecological sensitivity index 20郾 08 25郾 36 31郾 88 14郾 54 8郾 14
景观压力指数 Landscape pressure index 82郾 68 1郾 97 3郾 43 6郾 69 5郾 23
景观生态安全 Landscape ecological security 7郾 22 43郾 82 9郾 60 21郾 37 17郾 99
398211 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 宋豫秦等: 基于 RS和 GIS的北京市景观生态安全评价摇 摇 摇 摇 摇
图 4摇 北京市生态敏感性指数、景观压力指数和景观生态安全的空间分布
Fig. 4摇 Spatial distribution of ecological sensitivity index, landscape pressure index and landscape ecological security of Beijing City in
1988 and 2004.
中的区域,景观压力较高区面积比例由 1988 年的
9郾 01%增至 2004 年的 11郾 92% (表 3).从景观压力
指数平均值来看, 2004 年 ( 0郾 099 ) 比 1988 年
(0郾 083)有所增加,但均处于中高水平.
2郾 6摇 北京市景观生态安全
由图 4 可以看出,研究期间,北京市景观生态安
全较高区主要分布在怀柔、昌平、门头沟和房山区,
另外密云西部和延庆东部山区也有一定分布,这些
区域受人类活动影响相对较小,植被盖度良好,生态
系统结构较稳定;生态安全指数较低地区主要分布
在城镇建设地区.房山东部、怀柔南部、昌平东部、顺
义西部等靠山一侧的山前平原的景观生态安全等级
由 1988 年的中等水平降为 2004 年的较低水平.
2004 年北京市景观生态安全中级地区的面积比例
由 1988 年的 26郾 42%降至 9郾 6% ,生态安全较低水
平地区的面积比例由 1988 年的 31郾 96% 增至
51郾 04% (表 3). 1988(0郾 410)和 2004 年(0郾 403)北
京市景观生态安全平均值处于中级安全水平,但其
数值有所减小,表明北京市景观生态安全整体水平
呈下降趋势.
3摇 结摇 摇 语
本文应用遥感和 GIS 技术,从景观尺度获取了
景观生态安全评价的相关信息,较直观、清晰地反映
了北京市景观生态安全程度及其空间分布. 1988—
2004 年,研究区人口显著增加,土地利用强度的不
断增加使自然景观格局发生了一定变化,景观压力
呈增加趋势;结构较稳定、服务价值较高景观类型面
积的减少,导致景观结构稳定性和景观活力处于较
低水平,但景观活力的发展趋势较好,这为生态环境
向良好状态发展提供了支持. 虽然 1988 和 2004 年
北京市景观均处于中级生态安全水平,但由于景观
压力指数的增大及景观结构稳定性指数和生态服务
价值指数的下降,导致城市景观生态安全整体水平
呈下降趋势.为此,在今后的城市发展过程中,需加
强研究区景观生态建设和保护管理,逐步减小景观
压力,重点优化景观生态安全较低地区的景观结构,
维护景观生态安全度较高、对景观格局具有支撑作
用的林地和农地,促进植被盖度的增加,逐步消除不
安全隐患,促进生态环境向良好方向发展.
景观是区域生态环境管理的基础单元,从景观
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层次上进行生态恢复是可行的. 但基于景观结构和
功能的生态安全评价还处于探索阶段. 本文从景观
结构、景观功能和景观动态三方面考虑,通过构建景
观生态安全评价指标体系,尝试从景观尺度动态分
析和评价了快速城市化地区景观生态安全程度及其
空间分布,研究结果不仅反映了景观结构与景观功
能之间的相互作用关系,还反映出景观结构和功能
的时间动态;而且利用遥感和 GIS技术,将评价结果
简单直观地表达在空间上,可以为城市生态系统管
理提供依据.
生态安全分析是非常复杂的问题,其涉及因素
繁多.鉴于选取指标的空间特性和可操作性,本文指
标体系未考虑城市水资源紧缺问题和社会经济等因
素,结果具有相对性.文中指标权重的确定通过专家
打分法获得,有待结合客观赋值方法进行修正.生态
安全等级的划分尚存在一定的主观性,还需在以后
的工作中进一步完善.
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作者简介摇 宋豫秦,男,1953 年生,博士,教授.主要从事环境
生态学研究,发表论文 60余篇. E鄄mail: yqsong@ pku. edu. cn
责任编辑摇 杨摇 弘
598211 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 宋豫秦等: 基于 RS和 GIS的北京市景观生态安全评价摇 摇 摇 摇 摇