基于突變級數(shù)法的福建省環(huán)境承載力動態(tài)研究

曠開金，劉金福，3* ，徐道煒，何中聲，洪 偉，連 穎

(1.福建農(nóng)林大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院;2.福建農(nóng)林大學(xué)海峽自然保護(hù)區(qū)研究中心;3.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建福州350002)

環(huán)境承載力是指在一定時(shí)期內(nèi)，在維持系統(tǒng)相對穩(wěn)定的前提下，區(qū)域資源環(huán)境所能承受的人類社會活動的閾值，它是衡量人類社會活動與環(huán)境協(xié)調(diào)程度的重要指標(biāo)。環(huán)境承載力的研究主要是通過量化運(yùn)算進(jìn)行評價(jià)，有學(xué)者運(yùn)用相對剩余承載力法、模糊元分析、狀態(tài)空間法評價(jià)環(huán)境承載力高低[1－3]，還有學(xué)者利用層次分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對區(qū)域環(huán)境承載力進(jìn)行評價(jià)[4－5]。每種方法都有各自的特點(diǎn)，但有些方法需對指標(biāo)賦予權(quán)重，還有些方法模型難以掌握，計(jì)算過程偏復(fù)雜。突變級數(shù)法克服了以上方法的缺點(diǎn)[6]，無需對各指標(biāo)體系確定權(quán)重，利用突變模糊隸屬函數(shù)，通過歸一公式進(jìn)行綜合量化運(yùn)算，求出總的隸屬度，從而進(jìn)行決策評價(jià)。

福建省森林覆蓋率高，資源豐富，但隨著工業(yè)發(fā)展，生活污染、水污染、工業(yè)污染等對福建生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響，若環(huán)境污染積累到一定程度，必定會超出環(huán)境所能承受的臨界值，威脅到生態(tài)系統(tǒng)。筆者試圖通過突變級數(shù)理論，定量測評環(huán)境承載力所處等級，對福建省環(huán)境承載力進(jìn)行動態(tài)評價(jià)，以期為推動生態(tài)文明建設(shè)，促進(jìn)福建省可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐。

一、研究區(qū)概況

福建省位于北緯 23°33'～28°20'、東經(jīng) 115°50'～120°40'，地處中國東南沿海，東隔臺灣海峽，與臺灣省相望，東北與浙江省毗鄰，西北橫貫武夷山脈與江西省交界，西南與廣東省相連，是中國大陸與東南亞和太平洋海上距離最近的省份之一。全省土地面積為12.14萬km2，其中山地丘陵占80%以上，有“八山一水一分田”之稱，森林資源豐富，是我國南方的重點(diǎn)林區(qū)之一，素有“綠色寶庫”之稱。

二、研究方法

(一)數(shù)據(jù)來源與處理

1.數(shù)據(jù)來源。主要來源于福建省統(tǒng)計(jì)年鑒(2002－2011)、福建省環(huán)境公報(bào)(2001－2010)、福建省水資源公報(bào)(2001－2010)、福建省經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展公報(bào)(2001－2010)以及相關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

2.數(shù)據(jù)處理。由于不同指標(biāo)數(shù)據(jù)間量綱不一致，無法直接進(jìn)行比較，為消除量綱影響，使不同數(shù)據(jù)之間具有可比性，根據(jù)突變級數(shù)法綜合評價(jià)的要求，在使用歸一公式之前，將控制變量的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到[0，1]之間的數(shù)據(jù)。根據(jù)正向指標(biāo)與逆向指標(biāo)的不同，分別采用如下公式，即

式(1)中:x為某一指標(biāo)值;xmin為指標(biāo)研究期間的最小值;xmax為指標(biāo)研究期間的最大值。

(二)突變級數(shù)法理論模型

1.突變理論。突變理論主要由結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的拓?fù)涓拍畎l(fā)展而來，用來描述、評價(jià)、預(yù)測自然現(xiàn)象與社會活動中事物連續(xù)性中斷的質(zhì)變過程[7]。突變級數(shù)法主要是對評價(jià)總指標(biāo)進(jìn)行多層次矛盾分組，排列成樹狀目標(biāo)層次結(jié)構(gòu)，從評價(jià)總指標(biāo)到下層指標(biāo)再到下層子指標(biāo)，利用突變理論同模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合產(chǎn)生的突變模糊隸屬函數(shù)，由歸一公式進(jìn)行綜合量化運(yùn)算，最后歸一為一個(gè)參數(shù)，即求出總的隸屬函數(shù)，從而進(jìn)行評價(jià)[8－9]。

突變理論的研究對象是勢函數(shù)，勢函數(shù)φ(x)通過狀態(tài)變量x和外部控制參量u、v、w、t來控制系統(tǒng)行為。當(dāng)狀態(tài)變量為一維時(shí)，多目標(biāo)決策所涉及的初等突變模型根據(jù)控制變量維數(shù)，分為折疊突變、尖點(diǎn)突變、燕尾突變、蝴蝶突變等(表1)[10]。

表1 突變系統(tǒng)類型Table 1 The types of catastrophe system

2.突變級數(shù)值確立。對底層指標(biāo)即控制變量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到初始模糊隸屬函數(shù)值。利用突變理論進(jìn)行模糊綜合評價(jià)時(shí)，必須考慮到2個(gè)原則，即互補(bǔ)與非互補(bǔ)原則。若同一對象各控制變量之間不存在明顯的相互關(guān)聯(lián)作用，則稱該對象各控制變量為非互補(bǔ)型。對于非互補(bǔ)型的指標(biāo)，從諸控制變量相應(yīng)的突變級數(shù)值中選取最小值作為系統(tǒng)的突變級數(shù)值，即大中取小的原則取值;若該對象各控制變量為互補(bǔ)型，則對應(yīng)突級數(shù)值按平均值法取值[11－12]。

三、指標(biāo)體系構(gòu)建及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)建立

1.指標(biāo)體系構(gòu)建。根據(jù)科學(xué)性、系統(tǒng)性、動態(tài)和穩(wěn)定性、區(qū)域性和可操作性等原則，同時(shí)考慮地區(qū)特征，結(jié)合專家意見，根據(jù)經(jīng)濟(jì)社會－資源環(huán)境的反應(yīng)關(guān)系，自上而下，逐級分解構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系。根據(jù)波蘭科學(xué)家Z.Pawlak教授提出的粗糙集原理，從指標(biāo)數(shù)據(jù)中挖掘出需要的知識，對指標(biāo)重要性進(jìn)行排序，具體見表2。

2.評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)建立。由突變級數(shù)法算出的評價(jià)值一般較高，無法根據(jù)評價(jià)值對評價(jià)對象進(jìn)行直觀判斷。因此，根據(jù)絕對意義下的常規(guī)等級標(biāo)準(zhǔn)，制定出適應(yīng)自身特點(diǎn)的等級標(biāo)準(zhǔn)，使得突變級數(shù)法更具實(shí)用價(jià)值[9]。將環(huán)境承載力評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)從低到高分為弱承載力(Ⅰ級)、低承載力(Ⅱ級)、中等承載力(Ⅲ級)、較高承載力(Ⅳ級)和高承載力(Ⅴ級)5個(gè)等級[10]，根據(jù)歸一公式，底層指標(biāo)5個(gè)等級指標(biāo)相對隸屬度分別取[0，0.2)、[0.2，0.4)、[0.4，0.6)、[0.6，0.8)、[0.8，1.0)，當(dāng)?shù)讓涌刂浦笜?biāo)對應(yīng)的相對隸屬度均取 x(x=0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0)時(shí)，通過突變級數(shù)法計(jì)算各層指標(biāo)的隸屬度，最后得出總隸屬度，由此得出突變級數(shù)法在絕對意義下的等級標(biāo)準(zhǔn)值(表3)。

表2 福建省環(huán)境承載力指標(biāo)體系Table 2 Indicator system of environmental carrying capacity of Fujian Province

表3 環(huán)境承載力評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Grade standards for evaluation of environmental carrying capacity

四、結(jié)果與分析

根據(jù)原始數(shù)據(jù)隸屬度矩陣，通過計(jì)算可得福建省環(huán)境承載力總隸屬度和經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)相對隸屬度、資源環(huán)境系統(tǒng)相對隸屬度以及各因素層相對隸屬度(表4)。從表4得出2001－2010年福建省環(huán)境承載力趨勢圖(圖1)，由經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)B1，資源環(huán)境系統(tǒng)B2相對隸屬度可得準(zhǔn)則層承載力變化趨勢，由經(jīng)濟(jì)增長C1、人口C2、資源C3、環(huán)境C4、基礎(chǔ)設(shè)施C5的相對隸屬度得出因素層承載力變化趨勢(圖2)。

1.環(huán)境承載力總體變化趨勢。由圖1可知，福建省環(huán)境承載力總隸屬度處于小幅波動上升過程，環(huán)境承載力由2001年的中等承載力下降到2002年的弱承載力，之后又由2005年的低承載力轉(zhuǎn)變?yōu)?006年的中等承載力，隨后達(dá)到較高承載力和2010年的高承載力。這主要是經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)和資源環(huán)境系統(tǒng)共同作用的結(jié)果，其中經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)承載力呈現(xiàn)出波動上升趨勢，而資源環(huán)境系統(tǒng)承載力在2002年處于弱承載力水平，之后穩(wěn)步上升，二者協(xié)同作用使得環(huán)境承載力總隸屬度在2002年處于較低位，而在2010年達(dá)到0.990水平。

圖1 福建省復(fù)合系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)、資源環(huán)境系統(tǒng)承載力隸屬度變化趨勢Fig.1 Trend of membership of bearing capacity for composite systems，economic and social system，resources and environment systems in Fujian Province

圖2 福建省各子系統(tǒng)承載力隸屬度變化趨勢Fig.2 Trend of membership of bearing capacity for each subsystem in Fujian Province

2.經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)變化趨勢。從圖1變化趨勢可知，經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)承載力有一個(gè)波動上升過程，2001年低承載力下降到2002年的弱承載力，之后一直徘徊在弱承載力和低承載力之間，2010年達(dá)到中等承載力。由圖2可知，人口子系統(tǒng)承載力出現(xiàn)波動，人口數(shù)量不斷增長，人口自然增長率也出現(xiàn)波動，人口自然增長率由2001年的6.04‰上升到2010年的 6.11‰，其中2008年達(dá)到 6.30‰，人口的增長給資源環(huán)境帶來新的壓力。隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)以及政策的推行，福建省城市化水平不斷提升，2010年城市化水平達(dá)到57.10%。經(jīng)濟(jì)增長子系統(tǒng)處于上升過程，近年來福建省加大經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和轉(zhuǎn)型，經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步向前發(fā)展，GDP增長率由2001年的9.70%上升到2010年的13.90%，年平均增長速度為5.34%，經(jīng)濟(jì)增長為全社會提供了更多生活資料。全社會固定資產(chǎn)投資增長率大幅提升，由2001年的4.80%提升到2010年的30%。人均GDP也呈現(xiàn)大幅增長，人均GDP年均增長14.65%，2010年人均GDP達(dá)到40025.00元。然而由于局限于傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，未能實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，企業(yè)由于利益驅(qū)使，單位地區(qū)生產(chǎn)總值能耗10年間并未出現(xiàn)較大改觀，能源消耗狀況不容樂觀。經(jīng)濟(jì)增長子系統(tǒng)與人口子系統(tǒng)協(xié)同作用，使得經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)承載力隸屬度呈現(xiàn)波動上升趨勢。

3.資源環(huán)境系統(tǒng)變化趨勢。由圖1可知，資源環(huán)境系統(tǒng)承載力隸屬度在初期表現(xiàn)出下降趨勢，之后呈現(xiàn)波動上升的過程。資源環(huán)境系統(tǒng)承載力隸屬度在2001－2005年一直處于弱承載力等級，2006年之后在中等承載力與低承載力之間徘徊，2010年達(dá)到高承載力。由圖2各子系統(tǒng)承載力隸屬度變化趨勢圖可知，資源子系統(tǒng)承載力隸屬度在10年間出現(xiàn)較大波動，福建省森林資源豐富，森林覆蓋率由2001年的60.50% 上升到2010年的63.10%，森林覆蓋率居全國首位，對調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源具有重要作用。人類的一切生產(chǎn)活動都離不開水，福建省人均水資源由2001年的3500 m3增加到2010年的4480.19 m3，人均水資源絕對增長980.19 m3，這對承載力提升具有重要作用。近年來，福建省政府重視環(huán)境治理，加大投入力度，隨著科技的進(jìn)步，科技在環(huán)境保護(hù)方面的作用也日益凸顯。環(huán)境子系統(tǒng)承載力隸屬度在2002年處于較低水平，僅為0.275，之后呈現(xiàn)上升趨勢，這主要在于工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率、城市污水處理率、工業(yè)固體廢棄物利用率逐年提升，2010年分別達(dá)到98.68%、84.44%、82.89%?；A(chǔ)設(shè)施子系統(tǒng)承載力隸屬度出現(xiàn)較大波動，隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施有了較大改變，一般來講，城市居民人均住房面積越高，表明人們對資源環(huán)境的利用率越高，相應(yīng)地環(huán)境承載力也表現(xiàn)出較高水平;每萬人床位數(shù)(張)是表征城市現(xiàn)代化程度的重要指標(biāo)，而環(huán)境承載力與城市發(fā)展程度呈正相關(guān);提高公路網(wǎng)密度可以優(yōu)化資源配置，加速生產(chǎn)要素流動，從而有效提升資源環(huán)境系統(tǒng)承載力。福建省城市居民人均住房面積由2001 年的28.20 m2增加到2010 年的 38.50 m2，每萬人床位數(shù)增加到2010年的31.80張。隨著新農(nóng)村建設(shè)政策的推行，實(shí)現(xiàn)了村村通道路，公路網(wǎng)密度由2001年的每萬公頃4318.31 km增加到2010年的7339.92 km，這3個(gè)子系統(tǒng)相互作用，使得資源環(huán)境系統(tǒng)承載力呈現(xiàn)上升趨勢。

五、結(jié)論與建議

突變級數(shù)法無需確定權(quán)重，避免了主觀判斷標(biāo)準(zhǔn)的不確定性對評價(jià)結(jié)果客觀性的影響，依據(jù)屬性重要性對評價(jià)因子進(jìn)行重要性排序，通過多指標(biāo)集成的突變級數(shù)法對福建省環(huán)境承載力進(jìn)行評價(jià)。結(jié)果表明:福建省環(huán)境承載力在2001－2010的10年間呈波動上升趨勢，2001年承載力隸屬度屬于Ⅲ級，2002年降為Ⅰ級，之后環(huán)境承載力狀況不斷改善，由低承載力Ⅱ級上升為高承載力Ⅴ級。福建省環(huán)境承載力波動上升主要是經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)承載力波動上升與資源環(huán)境系統(tǒng)承載力持續(xù)上升協(xié)同作用的結(jié)果，由各子系統(tǒng)承載力隸屬度變化可知，基礎(chǔ)設(shè)施因子是福建省環(huán)境承載力的主要影響因子。為維持福建省生態(tài)環(huán)境的健康可持續(xù)發(fā)展，可從以下3個(gè)方面著手。

1.提高資源利用效率，降低能源消耗。通過提升技術(shù)手段，降低單位地區(qū)生產(chǎn)總值能耗，以專業(yè)化分工和提高社會效率為重點(diǎn)，大力發(fā)展高技術(shù)產(chǎn)業(yè);推進(jìn)企業(yè)清潔生產(chǎn)，促進(jìn)企業(yè)能源消費(fèi)、工業(yè)固體廢棄物、包裝廢棄物的減量化與資源化利用，控制和減少污染物排放，提高資源利用效率。

2.提升環(huán)境治理力度。加強(qiáng)城市的環(huán)境監(jiān)測，發(fā)布環(huán)境狀況公報(bào)，對環(huán)境造成嚴(yán)重污染的企業(yè)、事業(yè)單位，要求限期治理;加強(qiáng)工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)監(jiān)測力度，加強(qiáng)水資源合理循環(huán)利用，運(yùn)用高新技術(shù)，對城市污水處理再利用。

3.加強(qiáng)城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)?；A(chǔ)設(shè)施因子是福建省環(huán)境承載力的主導(dǎo)因子，基礎(chǔ)設(shè)施是一切企業(yè)、單位和居民生產(chǎn)經(jīng)營工作和生活的共同物質(zhì)基礎(chǔ)，是城市主體設(shè)施正常運(yùn)行的保證，既是物質(zhì)生產(chǎn)的重要條件也是勞動力再生產(chǎn)的重要條件。

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