生態(tài)承載力評(píng)估模型綜述

陳婷 楊渺 徐京華 謝強(qiáng) 方自力 葉宏 龍泉

摘要：指出了生態(tài)承載力作為優(yōu)化項(xiàng)目建設(shè)方案、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與自然環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的重要參考基準(zhǔn)，對(duì)于維持生態(tài)系統(tǒng)的完整性和穩(wěn)定性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。主要介紹了生態(tài)承栽力的涵義，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的最新內(nèi)容和進(jìn)展，評(píng)析了目前生態(tài)承載力研究方法的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)生態(tài)承載力的應(yīng)用進(jìn)行了展望.從而為相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者提供研究和評(píng)估的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：生態(tài)承載力;綜述;應(yīng)用展望

中圖分類(lèi)號(hào)：X-1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944（2018）8-0007-03

1 引言

現(xiàn)代化建設(shè)過(guò)程中，經(jīng)濟(jì)建設(shè)取得了重大成就，人民生活不斷改善，但是經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必然帶來(lái)資源和環(huán)境的消耗，環(huán)境問(wèn)題不可避免。“十九大”習(xí)近平總書(shū)記指出，要建設(shè)的現(xiàn)代化是人與自然和諧共生的現(xiàn)代化，中國(guó)正處于全面建設(shè)小康社會(huì)的關(guān)鍵時(shí)期，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展才是長(zhǎng)久之計(jì)。如何判斷可持續(xù)發(fā)展是生態(tài)學(xué)研究的一個(gè)難點(diǎn)。

生態(tài)承載力作為全球環(huán)境變化及可持續(xù)性科學(xué)領(lǐng)域的重要分析工具，研究生態(tài)承載力目的就是解決資源與環(huán)境之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。早期國(guó)內(nèi)蔣偉[1]學(xué)者提出生態(tài)系統(tǒng)的人口承載力理論初探;后來(lái)王家驥[2]等學(xué)者把生態(tài)承載力運(yùn)用到估測(cè)黑河開(kāi)發(fā)強(qiáng)度中;國(guó)外T.Rajaram[3]等學(xué)者利用生態(tài)承載力進(jìn)行環(huán)境評(píng)估和監(jiān)測(cè).生態(tài)承載力的研究愈加深入，但是仍然缺乏完善的理論和模型體系。筆者參閱大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，總結(jié)了目前主要的生態(tài)承載力研究方法和計(jì)算模型，為學(xué)者研究生態(tài)承載力提供理論依據(jù)。

2 生態(tài)承載力內(nèi)涵

2.1 生態(tài)承載力

承載力[4]（carrying capacity），最初作為一個(gè)力學(xué)概念，后被引用到經(jīng)濟(jì)社會(huì)領(lǐng)域研究[5]，其內(nèi)涵和應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，逐漸用其來(lái)描述生態(tài)系統(tǒng)各種群之間相互作用及協(xié)調(diào)程度，衍生出資源環(huán)境承載力、生態(tài)承載力等相關(guān)研究。

1921年，Park和Burgess在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域中首次提出生態(tài)承載力的概念，即在某一特定環(huán)境條件下某種個(gè)體存在數(shù)量的最高極限。近年來(lái)，徐衛(wèi)華[6]等學(xué)者進(jìn)一步研究和發(fā)展，提出生態(tài)承載力是指生態(tài)系統(tǒng)提供服務(wù)功能、預(yù)防生態(tài)問(wèn)題、保障區(qū)域生態(tài)安全的能力。目前較為通俗的表述是生態(tài)承載力是指生態(tài)系統(tǒng)的自我維持能力、自我調(diào)節(jié)能力、資源與環(huán)境的供容能力、可維持養(yǎng)育的社會(huì)經(jīng)濟(jì)強(qiáng)度以及具有一定生活水平的人口數(shù)量。

2.2 生態(tài)承載力的閾值

生態(tài)承載力閾值是判斷生態(tài)系統(tǒng)安全的基本指標(biāo)，閾值[7]可以是一個(gè)數(shù)值、一條分界線或一個(gè)區(qū)問(wèn)，通常是由自然與社會(huì)系統(tǒng)中各種主要影響因素的閾值構(gòu)成的集合。生態(tài)承載力閾值的確定是評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)承載力的關(guān)鍵，它是判斷生態(tài)系統(tǒng)是否被破壞的重要標(biāo)準(zhǔn)。

生態(tài)承載力的閾值定量確定是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，一般是通過(guò)對(duì)前人的研究結(jié)果進(jìn)行分析，再結(jié)合研究區(qū)域的實(shí)際情況及其指標(biāo)的變化趨勢(shì)等綜合因素來(lái)確定生態(tài)承載力的閾值，通過(guò)閾值可簡(jiǎn)單將生態(tài)承載力分為無(wú)超載、超載兩個(gè)級(jí)別。

3 生態(tài)承載力研究方法

3.1 凈初級(jí)生產(chǎn)力估測(cè)法

凈初級(jí)生產(chǎn)力（net primary productivity，簡(jiǎn)稱(chēng)NPP）反映了某自然生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)能力。 一般情況，特定區(qū)域NPP是可測(cè)定的，且在中心位置上下波動(dòng)，通過(guò)判斷現(xiàn)狀生態(tài)質(zhì)量偏離中心位置的程度，與背景數(shù)據(jù)比較，以此作為自然系統(tǒng)生態(tài)承載力的閾值，來(lái)確定區(qū)域的開(kāi)發(fā)類(lèi)型和強(qiáng)度。國(guó)內(nèi)，凈初級(jí)生產(chǎn)力一般采用以下模型[8]求得：

NPP=APAR （t）·ε（t）? （1）

其中：APAR=FPAP·PAPP? （2）

式中：NPP為自然植被的凈第一性生產(chǎn)力[t（hm2·年）]，PAR為植物能進(jìn)行光合作用的驅(qū)動(dòng)能量，F(xiàn)PAR為植物對(duì)射光合有效輻射的吸收比例，ε為植被將吸收的光合有效輻射轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳的效率。

3.2 生態(tài)足跡法

生態(tài)足跡分析法最初由加拿大生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)家William Rees和Wackernagel[9]提出，定義為生產(chǎn)這些人口所消費(fèi)的所有資源和吸納這些人口所產(chǎn)生的所有廢棄物所需要的生物生產(chǎn)土地的總面積和水資源量。目前，生態(tài)足跡是衡量人類(lèi)對(duì)自然資源利用程度以及發(fā)展?fàn)顩r常用的一種評(píng)價(jià)方法，有效評(píng)估人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，得到研究學(xué)者的肯定和采用[10]。常用生態(tài)足跡計(jì)算模型[10]如下：

式中：ef為人均生態(tài)足跡，Ai為人均i種物質(zhì)人均占用的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積，ri為均衡因子，i為生態(tài)生產(chǎn)性土地類(lèi)型，n為物質(zhì)的數(shù)量，EF為生態(tài)足跡。

生態(tài)承載力基于人均生態(tài)承載力，通過(guò)人口數(shù)量可構(gòu)建如下計(jì)算模型[11]：

式中：ec為人均生態(tài)承載力，aj為實(shí)際人均占有的j類(lèi)生物生產(chǎn)土地面積，rj為均衡因子，yj為產(chǎn)出因子，EC為生態(tài)承載力，N為人口數(shù)。

生態(tài)承載力與生態(tài)足跡的差額可用以判斷區(qū)域生產(chǎn)消費(fèi)活動(dòng)對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的壓力是否在其承載力范圍之內(nèi)[12]，進(jìn)而評(píng)價(jià)研究對(duì)象的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r，其計(jì)算模型為：

ED（ES）=EC - EF

式中：ED為生態(tài)赤字，EC與EF之差為負(fù)，表明該生態(tài)系統(tǒng)處于超載;ES為生態(tài)盈余，二者之差為正數(shù)，表明生態(tài)系統(tǒng)處于可載狀態(tài)。

3.3 供需平衡法

供需平衡法是指利用生態(tài)系統(tǒng)提供的資源量與當(dāng)前發(fā)展模式下社會(huì)經(jīng)濟(jì)需求之問(wèn)的差量關(guān)系來(lái)衡量生態(tài)承載力的方法，如果差值大于等于o，表明研究區(qū)域的生態(tài)承載力處于可承載狀態(tài);該差值小于O表示研究區(qū)域的生態(tài)承載力處于超載狀態(tài)。這種方法一定程度上能夠?qū)ι鷳B(tài)承載力進(jìn)行有效分析和預(yù)測(cè)，是對(duì)生態(tài)承載力的一種有益探索，其計(jì)算模型[13]如下：

A=Pi-Qi）/Qi

B=（CBIi-CBQIi）/CBQIi

式中：Pi為各種資源量，Qi為各種資源量的需求量，CBQIi為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，CBQIi為需求的生態(tài)環(huán)境質(zhì)最。

3.4 綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)法

綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)法包含大量指標(biāo)，綜合區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與人口、資源、生態(tài)環(huán)境等相關(guān)因素，涵蓋面廣而全，對(duì)生態(tài)承載力研究具有重要意義。其定義為通過(guò)構(gòu)建指標(biāo)體系，根據(jù)指標(biāo)間重要程度，對(duì)參數(shù)的絕對(duì)值或相對(duì)值加權(quán)求和，最終得到某一絕對(duì)或相對(duì)的綜合參數(shù)來(lái)反映生態(tài)系統(tǒng)承載狀況。高吉喜[14]學(xué)者深入研究綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)法，證實(shí)其具有可操作性，肖俞等[15]學(xué)者進(jìn)一步研究完善綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)法，提出模型如下：

IECP為生態(tài)壓力指數(shù)，IECPi為生態(tài)壓力指數(shù)第i類(lèi)指標(biāo);IECE為生態(tài)彈力指數(shù)IECEi為生態(tài)彈力指數(shù)第i類(lèi)指標(biāo);rECL為生態(tài)承載力水平，Wi為第i類(lèi)指標(biāo)的權(quán)重，n為評(píng)價(jià)指標(biāo)總數(shù)。IECL≥0表明生態(tài)系統(tǒng)處于可載狀態(tài)，IECL<0表示生態(tài)系統(tǒng)處于超載狀態(tài)。

3.5 狀態(tài)空間法

狀態(tài)空間是歐式幾何空間用于定量描述系統(tǒng)狀態(tài)的一種有效方法，通常由表示系統(tǒng)各要素狀態(tài)向量的三維狀態(tài)空間軸組成。利用狀態(tài)空間法中的承載狀態(tài)點(diǎn)，可表示一定時(shí)間尺度內(nèi)區(qū)域的不同承載狀況，可以定量的描述和測(cè)定區(qū)域承載力及其承載狀態(tài)。近年來(lái)，狀態(tài)空間法運(yùn)用到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及人類(lèi)活動(dòng)等各個(gè)領(lǐng)域，為規(guī)劃建設(shè)和環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。其計(jì)算模型[16]如下式：

式中：ECC為承載力的大小，n為指標(biāo)個(gè)數(shù)，ωi為各指標(biāo)的權(quán)重，Xir為理想值和現(xiàn)狀值經(jīng)過(guò)某種運(yùn)算得到的向量，每一個(gè)值都可以表示某一項(xiàng)指標(biāo)所處的狀態(tài)，具體為Xir>l表示超載狀態(tài)，Xir≤l表示可載狀態(tài)。

4 生態(tài)承載力研究方法優(yōu)缺點(diǎn)評(píng)析與展望

4.1 生態(tài)承載力研究方法的優(yōu)缺點(diǎn)

上述幾種生態(tài)承載力研究方法比較分析見(jiàn)表1，因研究區(qū)域背景的不同，幾種研究方法及其研究模型在處理復(fù)雜問(wèn)題上的適用性也存在差異。凈初級(jí)生產(chǎn)力估測(cè)法方法簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，由于各種尺度數(shù)據(jù)估測(cè)的差異性和不穩(wěn)定性，未來(lái)需要結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)NPP模型;生態(tài)足跡法計(jì)算簡(jiǎn)單、結(jié)果直觀明了，由于計(jì)算數(shù)據(jù)大多來(lái)自統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以及對(duì)自然條件的偏重，不能反映社會(huì)和經(jīng)濟(jì)等因素對(duì)生態(tài)承載力的影響;綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)法考慮的評(píng)價(jià)因子較全面，與生態(tài)足跡法相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果將更具可靠性;供需平衡法評(píng)價(jià)生態(tài)承載力簡(jiǎn)單可行，但在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)方而存在缺陷，而狀態(tài)空間法在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)上具有優(yōu)勢(shì)，未來(lái)兩種方法的結(jié)合互補(bǔ)評(píng)價(jià)是一種趨勢(shì)。綜述所述，針對(duì)不同研究區(qū)域生態(tài)承載力的特點(diǎn)，需要研究者根據(jù)評(píng)價(jià)目的采用互補(bǔ)的方式對(duì)方法進(jìn)行集成，加強(qiáng)綜合集成的方法在生態(tài)承載力評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。

4.2 生態(tài)承載力的展望

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于生態(tài)承載力的研究方法已經(jīng)很多，可以看出，生態(tài)承載力研究方法在不斷進(jìn)步的，一方面是實(shí)踐的需要，另一方面是與其他學(xué)科領(lǐng)域的結(jié)合?？梢灶A(yù)見(jiàn)，生態(tài)承載力的研究方法還將不斷深入和擴(kuò)展。

擴(kuò)展多時(shí)態(tài)的生態(tài)承載力的研究，除了傳統(tǒng)的定量方法的深入研究，它將結(jié)合時(shí)間和空間信息，對(duì)生態(tài)承載力進(jìn)行預(yù)測(cè)和動(dòng)態(tài)演化，分析生態(tài)系統(tǒng)變化趨勢(shì)。建立符合我國(guó)國(guó)情的、客觀的、科學(xué)的、完整的生態(tài)承載力動(dòng)態(tài)模擬研究體系將會(huì)是今后研究中的重點(diǎn)。

擴(kuò)充和完善生態(tài)承載力相關(guān)的指標(biāo)和閾值，為公眾和研究提供更加完整可靠的指標(biāo)體系。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代，如何把影響生態(tài)承載力的因子作為生態(tài)承載力的內(nèi)在變量來(lái)預(yù)測(cè)生態(tài)承載力的變化，是現(xiàn)在生態(tài)承載力體系亟待完善的重點(diǎn)之一。

生態(tài)承載力自被提出后，就引起了全球許多學(xué)者的研究熱潮，研究方法層出不窮。隨著遙感、地理信息系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)引領(lǐng)生態(tài)承載力的研究進(jìn)入一個(gè)新階段。建立一套能夠反映生態(tài)承載力本質(zhì)的模型體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)承載力動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的預(yù)測(cè)。

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