基于P-S-R 模型的大沽河流域綜合生態(tài)承載力時(shí)空分異研究

文／尹美善 青島理工大學(xué)建筑學(xué)院 碩士研究生

王 叁 青島理工大學(xué)建筑學(xué)院 講 師

劉 森 青島理工大學(xué)建筑學(xué)院 講 師（通訊作者）

李紅利 青島理工大學(xué)建筑學(xué)院 碩士研究生

朱立傲 青島理工大學(xué)建筑學(xué)院 碩士研究生

引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，資源環(huán)境、人口、政治、經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題日益成為人們所關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。區(qū)域的生態(tài)承載力能夠反映該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源環(huán)境等一系列數(shù)據(jù)的綜合發(fā)展?fàn)顩r，因此研究生態(tài)承載力已經(jīng)成為當(dāng)前生態(tài)環(huán)境發(fā)展的首要任務(wù)[2,3]。區(qū)域生態(tài)承載力的研究能反映在一段時(shí)間內(nèi)該區(qū)域內(nèi)包括環(huán)境承載力、資源承載力以及人類(lèi)支持力的綜合指數(shù)，能更全面地反映區(qū)域內(nèi)各類(lèi)指標(biāo)的綜合生態(tài)質(zhì)量[4,5]。流域是國(guó)土空間內(nèi)生態(tài)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)脈干線。流域地區(qū)的生態(tài)承載力最近越來(lái)越成為流域生態(tài)學(xué)研究的新熱點(diǎn)[6,7]。流域兩岸地區(qū)的生態(tài)承載力直接影響區(qū)域未來(lái)的可持續(xù)發(fā)展。大沽河是流經(jīng)膠東半島的最大河流，它的存在促進(jìn)了流域兩岸地區(qū)的農(nóng)業(yè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展。但流域兩岸的生態(tài)環(huán)境狀況讓人堪憂，流域兩岸地區(qū)的生態(tài)承載能力需要進(jìn)一步的評(píng)估[8,9]。因此，揭示大沽河流域不同區(qū)域的生態(tài)承載力的變化，對(duì)流域內(nèi)農(nóng)、林、漁業(yè)的發(fā)展及提高流域生態(tài)承載力的方法策略具有重要理論和實(shí)踐意義。

“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”（P-S-R）模型是研究區(qū)域生態(tài)承載力時(shí)普遍使用的一種評(píng)估模型[10]。采用“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”（P-S-R）模型開(kāi)展生態(tài)承載力研究已得到廣泛應(yīng)用[11-13]，這對(duì)推動(dòng)流域生態(tài)承載力研究起到不可忽視的重要作用。文章選取2000—2020 年大沽河兩岸地區(qū)9 個(gè)區(qū)市的資源環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)人口等因素相關(guān)指標(biāo)，采用“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”（P-S-R）模型，運(yùn)用綜合分析法進(jìn)行評(píng)估，全面探討流域內(nèi)9 個(gè)區(qū)市在20 年間生態(tài)承載力的時(shí)空變化。旨在為流域沿岸地帶的可持續(xù)發(fā)展提出指導(dǎo)性建議，為區(qū)域生態(tài)建設(shè)提供理論基礎(chǔ)和借鑒經(jīng)驗(yàn)[14-16]。

1 區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 區(qū)域概況

大沽河流域位于膠東半島西部，全長(zhǎng)179.9km，流域面積4655.3km2，位于東經(jīng)120°03′～120°25′，北緯36°10′～37°12′之間[8]。大沽河起源于中國(guó)山東省煙臺(tái)市，終點(diǎn)于膠州市營(yíng)海鎮(zhèn)碼頭村匯入膠州灣。全流域分為上游、中游、下游地區(qū)：上游地區(qū)自招遠(yuǎn)市老馬思家至萊西縣巨家，主要以山區(qū)和淺山丘區(qū)地形為主；中游包括巨家至該縣望壁河口，主要以山麓平原地形為主；下游平度縣南村以下，主要以平原洼地地形為主，在煙臺(tái)市流經(jīng)招遠(yuǎn)、棲霞、萊州、萊陽(yáng)等四個(gè)區(qū)市，在青島市流經(jīng)萊西、即墨、平度、膠州、城陽(yáng)等五個(gè)區(qū)市[8,9]（圖1）。

圖1 研究區(qū)地理位置基本概況（圖片來(lái)源：作者自繪）

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文數(shù)據(jù)來(lái)源于2000—2020 年《青島市統(tǒng)計(jì)年鑒》和《煙臺(tái)市統(tǒng)計(jì)年鑒》，數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)主要平均指標(biāo)數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)主要指標(biāo)數(shù)據(jù)、地區(qū)生產(chǎn)總值、人口及人口密度指標(biāo)數(shù)據(jù)、城市供水供電數(shù)據(jù)、城市建設(shè)和公用事業(yè)指標(biāo)數(shù)據(jù)、城市道路及綠化指標(biāo)，以及各區(qū)市2000—2020 年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)、各區(qū)市2000—2020 年水資源公報(bào)、2000—2020年生態(tài)環(huán)境公報(bào)，數(shù)據(jù)全面展示了大沽河流域兩岸九區(qū)市從2000—2020 年各項(xiàng)資源環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

2 研究方法及數(shù)據(jù)優(yōu)化處理

本研究運(yùn)用綜合分析法進(jìn)行分析，對(duì)于不完整的數(shù)據(jù)處理采用克里金插值法進(jìn)行優(yōu)化處理[12]。以上研究在matlab 2018b中進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，數(shù)據(jù)采用的是平均值[17-19]。在arcgis10.2 中運(yùn)用克里金插值法將壓力狀態(tài)響應(yīng)指數(shù)進(jìn)行空間、地理處理，得到各區(qū)域壓力狀態(tài)響應(yīng)指數(shù)的時(shí)空變化趨勢(shì)，并繪制生態(tài)承載力的空間分布圖。為構(gòu)建區(qū)域生態(tài)承載力評(píng)價(jià)體系，指標(biāo)的選取應(yīng)綜合反映區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境承載能力和承載壓力，包括人口、資源環(huán)境、資源消耗、環(huán)境污染、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等能夠影響區(qū)域未來(lái)生態(tài)發(fā)展的相關(guān)指標(biāo)[19]。根據(jù)區(qū)域生態(tài)承載力的涵義分為生態(tài)承載彈力、生態(tài)承載壓力和生態(tài)承載支撐力三個(gè)部分。

3 研究結(jié)果

3.1 指標(biāo)權(quán)重

壓力層指標(biāo)包括地區(qū)生產(chǎn)總值GDP（0.058）、城市人口密度（0.045）、全社會(huì)用電量（0.056）、城鎮(zhèn)登記失業(yè)率（0.033）、全年用水量（0.0527）、萬(wàn)元GDP 用水量（0.039）；狀態(tài)層指標(biāo)包括年降水量（0.086）、年平均氣溫（0.090）、建成區(qū)綠化覆蓋率（0.066）、森林覆蓋率（0.061）、人均公園綠地面積（0.049）、人均土地面積（0.045）；響應(yīng)層指標(biāo)包括人均GDP（0.108）、城市污水處理率（0.086）、工業(yè)固體廢棄物綜合利用率（0.045）、就業(yè)人員平均工資（0.074）?？梢钥闯龈髦笜?biāo)權(quán)重具有差異性，具體表現(xiàn)為狀態(tài)（0.401）＞響應(yīng)（0.313）＞壓力（0.285）。

3.2 各區(qū)域壓力-狀態(tài)-響應(yīng)指數(shù)時(shí)空分布差異

3.2.1 壓力指數(shù)

大沽河流域生態(tài)承載壓力指數(shù)在2000—2020 年呈時(shí)空分布差異。整體上看，20 年間壓力指數(shù)從高到低逐漸由北向南轉(zhuǎn)移。從區(qū)域上看，大沽河上游流域包括萊州市、招遠(yuǎn)市、棲霞市，在2000—2005 年壓力指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中招遠(yuǎn)市壓力指數(shù)最高（0.6162），但從2005—2020 年，壓力指數(shù)逐漸降低，呈下降趨勢(shì)，棲霞市壓力指數(shù)降到最低（0.2820）。不同的是，大沽河流域中游地區(qū)包括平度市、萊西市、萊陽(yáng)市在2000-2005 年壓力指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中萊陽(yáng)市壓力指數(shù)最低（0.2814），從2005—2020 年，壓力指數(shù)逐漸升高，呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，其中萊西市壓力指數(shù)最高（0.5454）。大沽河下游流域包括膠州市、城陽(yáng)區(qū)、即墨市，在2000—2005 年壓力指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中膠州市壓力指數(shù)最低（0.2393），但從2005—2020 年，壓力指數(shù)逐漸升高，其中城陽(yáng)區(qū)壓力指數(shù)最高（0.6884），并且壓力指數(shù)升高的趨勢(shì)逐漸向沿海地區(qū)轉(zhuǎn)移。

3.2.2 狀態(tài)指數(shù)

2000 年到大沽河流域上游地區(qū)狀態(tài)指數(shù)呈升高趨勢(shì)，其中萊州市狀態(tài)指數(shù)最高（0.4940），2010 年到2020 年?duì)顟B(tài)指數(shù)呈下降趨勢(shì)，其中棲霞市狀態(tài)指數(shù)最低（0.2697）。2000 年到2020 年期間，大沽河流域中游地區(qū)狀態(tài)指數(shù)變化較小。2000 年大沽河流域下游地區(qū)生態(tài)承載狀態(tài)指數(shù)較高，其中城陽(yáng)區(qū)最高（0.6883），2000 年到2010 年?duì)顟B(tài)指數(shù)逐漸降低，其中城陽(yáng)區(qū)狀態(tài)指數(shù)最低（0.2570），2010 年到2020年下游地區(qū)狀態(tài)指數(shù)逐漸升高，其中膠州市狀態(tài)指數(shù)最高（0.4003）。

3.2.3 響應(yīng)指數(shù)

整體上，生態(tài)承載力響應(yīng)指數(shù)由高到低逐漸從北向南轉(zhuǎn)移。區(qū)域上，2000 年到2005 年，大沽河流域上游區(qū)域生態(tài)承載響應(yīng)指數(shù)呈升高趨勢(shì)，2005 年上游區(qū)域響應(yīng)指數(shù)達(dá)到最高，其中招遠(yuǎn)市最高（0.5582），從2005 年到2020年響應(yīng)指數(shù)逐漸降低，其中棲霞市響應(yīng)指數(shù)最低（0.0563）。2000 年到2020 年，大沽河中游區(qū)域生態(tài)承載響應(yīng)指數(shù)變化不明顯。2000 年到2015 年，大沽河流域下游地區(qū)響應(yīng)指數(shù)逐漸降低，其中即墨市響應(yīng)指數(shù)最低（0.1378），2015 到2020 年響應(yīng)指數(shù)逐漸升高，其中以城陽(yáng)區(qū)（0.4670）、膠州市（0.4295）等靠近入?？趨^(qū)域最為明顯。

3.3 生態(tài)承載力時(shí)空分布差異分析

由圖2 可知，從全域角度來(lái)看，大沽河流域內(nèi)各區(qū)市生態(tài)承載力呈現(xiàn)明顯的空間分布差異，2000 年整體呈現(xiàn)出東北向西南逐級(jí)升高趨勢(shì)，其高值區(qū)在城陽(yáng)區(qū)（0.9422），低值區(qū)在棲霞市（0.2020），反映生態(tài)承載力具有內(nèi)陸向沿海地區(qū)升高的趨勢(shì)。2005 年整體呈現(xiàn)出由北向南遞減趨勢(shì)，其高值區(qū)在招遠(yuǎn)市（0.8467），低值區(qū)在膠州市（0.3462），反映生態(tài)承載力具有內(nèi)陸向沿海遞減的趨勢(shì)。2010 年到2015 年變化不明顯，但整體生態(tài)承載力高值區(qū)仍在招遠(yuǎn)市（0.8530）。2018 年生態(tài)承載力呈現(xiàn)從流域兩岸向周邊降低的趨勢(shì)，高值區(qū)位于招遠(yuǎn)市（0.6165）、萊西市（0.6989）、城陽(yáng)區(qū)（0.7295）。2020 年生態(tài)承載力高值區(qū)在城陽(yáng)區(qū)（0.7267），呈現(xiàn)由北向南升高的趨勢(shì)。整體來(lái)看，2000—2015 年承載力分布逐漸從南向北轉(zhuǎn)移，并逐漸降低。2015 年開(kāi)始生態(tài)承載力等級(jí)逐漸從流域上游向下游轉(zhuǎn)移。

圖2 各區(qū)市生態(tài)承載力指數(shù)時(shí)空變化圖（圖片來(lái)源：作者自繪）

結(jié)語(yǔ)

本文從生態(tài)承載壓力、生態(tài)承載狀態(tài)、生態(tài)承載響應(yīng)三個(gè)方面構(gòu)建指標(biāo)體系，運(yùn)用熵值法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，并根據(jù)生態(tài)承載力公式求得各目標(biāo)層指數(shù)與生態(tài)承載力，對(duì)大沽河流域各區(qū)域進(jìn)行生態(tài)承載力等級(jí)劃分，并對(duì)生態(tài)承載力時(shí)空分布差異進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下：

（1）指標(biāo)分析。本研究構(gòu)建了生態(tài)承載力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，涉及壓力、狀態(tài)和響應(yīng)，但都采用統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，缺乏居民主觀感受指標(biāo)，在日后的研究中可以加以?xún)?yōu)化。

（2）壓力指數(shù)從整體上看，2000 年到2020年，大沽河流域區(qū)域內(nèi)壓力指數(shù)變化明顯，沿海區(qū)域生態(tài)壓力值高于內(nèi)陸區(qū)域，但高壓力指數(shù)分布面積呈逐漸縮小的趨勢(shì)，說(shuō)明沿海區(qū)域的生態(tài)壓力在朝著一個(gè)良好的方向發(fā)展。2000年到2020 年大沽河流域生態(tài)承載狀態(tài)指數(shù)呈現(xiàn)“W”型波動(dòng)變化，表明各區(qū)市的資源環(huán)境狀況呈現(xiàn)不穩(wěn)定變化的趨勢(shì)。2000 年到2020 年大沽河流域生態(tài)承載響應(yīng)指數(shù)分布面積呈擴(kuò)大-縮小-擴(kuò)大的趨勢(shì)，并且高響應(yīng)指數(shù)逐漸從北向南轉(zhuǎn)移，說(shuō)明靠近沿海區(qū)域在對(duì)環(huán)境治理重視程度要大于內(nèi)陸區(qū)域。

（3）生態(tài)承載力。整體來(lái)看，20 年間大沽河流域生態(tài)承載力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。分時(shí)間段來(lái)看，2000 年到2010 年生態(tài)承載力呈下降趨勢(shì)，但在后十年期間呈緩步上升的趨勢(shì)，高生態(tài)承載力分布面積逐漸減少，并從北向南轉(zhuǎn)移。從空間角度來(lái)看，大沽河流域下游區(qū)域整體生態(tài)承載力等級(jí)高于上游區(qū)域。