朱曉麗，李文龍，薛中正，許 靜，王 浩

(1.蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 農(nóng)業(yè)部草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730020；2.蘭州商學(xué)院農(nóng)林經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，甘肅 蘭州 730020)

生態(tài)承載力指在一定社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件下，自然生態(tài)系統(tǒng)維持其服務(wù)功能和自身健康的潛在能力[1-5]。對(duì)于任一相對(duì)獨(dú)立的生態(tài)系統(tǒng)，一定的生態(tài)承載力水平和承受的社會(huì)經(jīng)濟(jì)壓力水平對(duì)應(yīng)著一定的生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)[6]。近年來(lái)生態(tài)健康與生態(tài)承載力的耦合研究成為區(qū)域生態(tài)研究的熱點(diǎn)。王中根和夏軍[7]采用資源與人類(lèi)需求差量法度量區(qū)域生態(tài)環(huán)境承載力；高吉喜[8]將生態(tài)承載力劃分為資源承載力、環(huán)境承載力和生態(tài)彈性能力三部分，并運(yùn)用承壓指數(shù)、壓力指數(shù)和承壓度等指標(biāo)以描述特定生態(tài)系統(tǒng)的承載狀況;毛漢英和余丹林[9]應(yīng)用人類(lèi)活動(dòng)、資源、環(huán)境所構(gòu)造的三維空間內(nèi)的承載狀態(tài)點(diǎn)描述區(qū)域(生態(tài))承載力；楊志峰和隋欣[10]提出了基于生態(tài)系統(tǒng)健康的生態(tài)承載力，評(píng)價(jià)了流域水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)生態(tài)承載力的影響；劉武藝和邵東國(guó)[11]提出了“基于城市水生態(tài)系統(tǒng)健康的生態(tài)承載力壓力量化模型”，計(jì)算出鄭州市1995-2004年城市水生態(tài)系統(tǒng)承載力及其壓力，并得出相應(yīng)的城市水生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)。已有的研究多集中于生態(tài)承載力的評(píng)價(jià)模型、指標(biāo)體系和標(biāo)準(zhǔn)以及提高其對(duì)策措施等方面[10]，但有關(guān)生態(tài)承載力調(diào)控的理論和方法研究十分有限[10]，尤其是從生態(tài)健康角度出發(fā)探討基于高寒牧區(qū)的生態(tài)承載力的研究目前尚未實(shí)例。針對(duì)以上問(wèn)題，本研究選取適合于高寒牧區(qū)基于生態(tài)健康的生態(tài)承載力的評(píng)價(jià)模型，構(gòu)建了區(qū)域自然、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)健康的評(píng)價(jià)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)典型高寒牧區(qū)——甘南地區(qū)的生態(tài)承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而為甘南及其類(lèi)似地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供理論分析基礎(chǔ)，并為政府的決策行為提供有價(jià)值的參考，對(duì)協(xié)調(diào)牧區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

甘南藏族自治州地處青藏高原東緣，地理坐標(biāo)為34°34′～36°6′ N，100°45′～102°29′ E，海拔3 300～4 000 m；轄碌曲、瑪曲、夏河、合作4個(gè)純牧區(qū)縣和卓尼、迭部半牧區(qū)縣以及舟曲少量牧區(qū)縣，屬于典型的高寒牧區(qū)；草原面積達(dá)260.25萬(wàn)hm2，占全州總面積的67.64%，可利用草地面積占草地總面積的94.22%；氣候寒冷濕潤(rùn)，年均降水量為400～700 mm，降水梯度變化較大；水系發(fā)達(dá)，其境內(nèi)黃河干流、洮河、大夏河三大水系流域面積達(dá)3.06×104km2；牧區(qū)人口增長(zhǎng)較快，1980-2005年人口年均增長(zhǎng)114%；牧民收入以畜牧業(yè)為主，其收入占牧民總收入的47.87%。

2 研究數(shù)據(jù)與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來(lái)源 本研究所用的數(shù)據(jù)包括甘南地區(qū)遙感數(shù)據(jù)、圖件資料和國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展數(shù)據(jù)。①遙感數(shù)據(jù)：研究區(qū)2000-2008年植被生長(zhǎng)季的Landsat ETM+(1～5波段)、Landsat TM數(shù)據(jù)(1～5波段)的遙感影像數(shù)據(jù)；②圖件資源：研究區(qū)行政邊界圖(1∶200 000)、草地類(lèi)型圖(1∶200 000)以及DEM(1∶200 000)地形高程數(shù)據(jù)等；③統(tǒng)計(jì)資料：研究區(qū)氣象、降水?dāng)?shù)據(jù)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)類(lèi)統(tǒng)計(jì)資料和自然環(huán)境類(lèi)統(tǒng)計(jì)資料。具體數(shù)據(jù)來(lái)源于《甘肅年鑒》(2000-2008)[12-20]，甘南州國(guó)民經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料(2000-2008)。

2.2基于生態(tài)健康的生態(tài)承載力評(píng)價(jià)指標(biāo) 根據(jù)生態(tài)承載力的組成、主要影響因素和研究區(qū)實(shí)際情況，綜合考慮自然資源、生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀和社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況，篩選出22項(xiàng)針對(duì)性較強(qiáng)、便于度量的指標(biāo)，利用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，將評(píng)價(jià)體系分為3個(gè)子系統(tǒng)：B1資源環(huán)境指標(biāo)、B2生態(tài)彈性力指標(biāo)和B3人類(lèi)社會(huì)影響力指標(biāo)[21-22](表1)。

表1 甘南地區(qū)基于生態(tài)系統(tǒng)健康的生態(tài)承載力指標(biāo)體系

2.3指標(biāo)歸一化處理 在進(jìn)行總體評(píng)價(jià)之前，由于原始指標(biāo)數(shù)據(jù)間存在的量綱不同，需要指標(biāo)間各數(shù)量級(jí)差異。本研究使用極差正規(guī)化法，對(duì)第i個(gè)評(píng)價(jià)值進(jìn)行極差正規(guī)化處理：

(1)

通過(guò)計(jì)算后，將原始數(shù)據(jù)有效歸一化在[0，1]之間，使離散度具有一致性。

2.4指標(biāo)權(quán)重的確定 權(quán)重是生態(tài)承載力評(píng)價(jià)中的一個(gè)重要因素。指標(biāo)權(quán)重確定的合理與否在很大程度上影響結(jié)果的科學(xué)性和正確性。因此本研究將采用定性與定量相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法——層次分析法(Analytic Hierarchy Process,簡(jiǎn)稱(chēng)AHP法)，在19位專(zhuān)家填寫(xiě)判斷矩陣表的基礎(chǔ)上，結(jié)合加速遺傳算法(Accelerating Genetic Algorithm，簡(jiǎn)稱(chēng)AGA)[17]，計(jì)算層次分析中的排序權(quán)值(簡(jiǎn)稱(chēng)AGA-AHP)。

2.5基于生態(tài)健康的生態(tài)承載力評(píng)價(jià)模型 狀態(tài)空間法是一種應(yīng)用廣泛的系統(tǒng)模擬分析和設(shè)計(jì)方法，適合于對(duì)多變量、非線性、時(shí)間變化、離散的系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，是一種時(shí)域分析方法，不僅描述了系統(tǒng)的外部特性，更揭示了系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)和性能[9]。根據(jù)上述概念模型，基于生態(tài)系統(tǒng)健康的生態(tài)承載力的計(jì)量模型為[10]：

(2)

式中，ECCr為r區(qū)域生態(tài)承載力；Mr為生態(tài)承載力空間向量的模；Eir為r區(qū)域第i個(gè)資源環(huán)境指標(biāo)在空間坐標(biāo)軸上的投影；Rjr為r區(qū)域第j個(gè)生態(tài)彈性力指標(biāo)在空間坐標(biāo)軸上的投影；Hkr為r區(qū)域第k個(gè)人類(lèi)社會(huì)影響力指標(biāo)在空間坐標(biāo)軸上的投影；Wi、Wj和Wk為第i，j，k個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重。

如果考慮生態(tài)承載力水平的發(fā)展變化狀況，則基于生態(tài)系統(tǒng)健康的生態(tài)承載力指數(shù)可表示為：

C=fi(E，R，H，SP，T)

(3)

式中，C為生態(tài)承載力指數(shù)；E為資源環(huán)境承載力指數(shù)；R為生態(tài)系統(tǒng)彈性力指數(shù)；H為人類(lèi)社會(huì)影響力指數(shù)；Sp為空間變量；T為時(shí)間變量；各分指數(shù)的函數(shù)表達(dá)式為：

E=f(E1，E2，…，En)，R=f(R1，R2，…，Rn)，

H=f(H1，H2，…，Hn)

(4)

式中，E1，…，En為資源環(huán)境系統(tǒng)各要素；R1，…，Rn為生態(tài)系統(tǒng)彈性力各要素；H1，…，Hn為人類(lèi)社會(huì)影響力各要素。

2.6基于生態(tài)健康的生態(tài)承載力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 生態(tài)系統(tǒng)承載力狀況的判別較為復(fù)雜，需要綜合考慮生態(tài)承載力指數(shù)和各子系統(tǒng)指數(shù)，為了全面衡量生態(tài)系統(tǒng)的承載力狀況，便于對(duì)生態(tài)系統(tǒng)承載能力進(jìn)行直觀判斷，本研究采用三級(jí)判別標(biāo)準(zhǔn)作為生態(tài)系統(tǒng)承載能力狀態(tài)的判別基準(zhǔn)[18]。同時(shí)采用等間距法把評(píng)價(jià)結(jié)果取值范圍分為4個(gè)區(qū)間，以對(duì)應(yīng)健康、亞健康、不健康、病態(tài)4個(gè)等級(jí)[19]，如表2所示。

表2 生態(tài)承載力分級(jí)評(píng)價(jià)基準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

基于生態(tài)健康的甘南地區(qū)生態(tài)承載力的3個(gè)子系統(tǒng)相應(yīng)的權(quán)重A-B1、A-B2、A-B3分別為0.270 3、0.402 8、0.326 9，用以對(duì)甘南地區(qū)資源環(huán)境承載力、生態(tài)彈性力、人類(lèi)社會(huì)影響力進(jìn)行評(píng)價(jià)的22個(gè)指標(biāo)因子權(quán)重如表3所示。

3.1甘南地區(qū)資源環(huán)境承載力評(píng)價(jià) 甘南地區(qū)8縣(市)2000-2008年資源環(huán)境承載力指數(shù)變化不一致(圖1)。自然資源相對(duì)充足和人口較少的瑪曲縣和碌曲縣具有相對(duì)高的資源環(huán)境承載力指數(shù)，且狀態(tài)發(fā)展穩(wěn)定；資源環(huán)境承載力指數(shù)處于“亞健康”的縣為夏河、卓尼和迭部，其中迭部縣在2000年以后，其資源環(huán)境承載力指數(shù)下降較快，由“健康”狀態(tài)下降為“不健康”狀態(tài)；人口相對(duì)較多的臨潭縣、舟曲縣和合作市從2000-2004年的“不健康”狀態(tài)下降到“病態(tài)”狀態(tài)，資源環(huán)境承載力指數(shù)下降明顯，其余年份呈緩慢下降趨勢(shì)。平均資源環(huán)境承載力指數(shù)值顯示甘南地區(qū)資源環(huán)境處于“不健康”狀態(tài)，且總體呈下降趨勢(shì)。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值

圖1 甘南地區(qū)2000-2008年資源環(huán)境承載力評(píng)價(jià)

3.2甘南地區(qū)生態(tài)彈性力評(píng)價(jià) 甘南地區(qū)8縣(市)2000-2008年生態(tài)彈性力指數(shù)的地域差異比較明顯(圖2)?，斍h生態(tài)系統(tǒng)彈性力指數(shù)值最高，達(dá)到“健康”以上狀態(tài)，但其抗干擾能力較低，生態(tài)環(huán)境惡化速度較快；碌曲縣、夏河縣和舟曲縣生態(tài)彈性力指數(shù)變化也較大，處于相對(duì)“不健康”狀態(tài)，其中夏河縣由2000年的“不健康”狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?004年的“亞健康”狀態(tài)，但2008年又降為“不健康”狀態(tài)，生態(tài)彈性力指數(shù)波動(dòng)較大；而卓尼縣、臨潭縣、迭部縣和合作市生態(tài)彈性力指數(shù)變化較小，處于“不健康”狀態(tài)。因此從全區(qū)生態(tài)環(huán)境的生態(tài)彈性力整體看來(lái)，生態(tài)系統(tǒng)由“健康”狀態(tài)向“不健康”狀態(tài)發(fā)展。

3.3甘南地區(qū)人類(lèi)社會(huì)影響力評(píng)價(jià) 2000-2008年甘南地區(qū)8縣(市)人類(lèi)社會(huì)影響力指數(shù)顯示(圖3)，臨潭縣人類(lèi)社會(huì)影響力波動(dòng)不大，2000-2004年壓力度上升明顯，總體呈小幅上升趨勢(shì)；卓尼縣和瑪曲縣在2000-2008年間具有較低的人類(lèi)社會(huì)影響力指數(shù)；而碌曲縣和舟曲縣人類(lèi)社會(huì)影響力由“病態(tài)”狀態(tài)發(fā)展變化為“不健康”狀態(tài)，且波動(dòng)較小，具有相對(duì)較小和相對(duì)穩(wěn)定的影響力?？傊?，該區(qū)域2000年平均人類(lèi)社會(huì)影響力指數(shù)為0.073 7，評(píng)價(jià)等級(jí)為“病態(tài)”狀態(tài)，2008年評(píng)價(jià)等級(jí)上升為“不健康”狀態(tài)。

圖2 甘南地區(qū)2000-2008年生態(tài)彈性力評(píng)價(jià)

圖3 甘南地區(qū)2000-2008年人類(lèi)社會(huì)影響力評(píng)價(jià)

3.4基于生態(tài)系統(tǒng)健康的甘南地區(qū)生態(tài)承載力綜合分析 甘南地區(qū)生態(tài)承載力評(píng)價(jià)結(jié)果顯示(圖4)，2000年生態(tài)承載力指數(shù)為0.232 3，評(píng)價(jià)等級(jí)為“亞健康”，2004、2008年生態(tài)承載力指數(shù)分別為0.235 6和0.222 4，評(píng)價(jià)等級(jí)為“亞健康”，呈穩(wěn)定狀態(tài)，該地區(qū)平均生態(tài)承載力呈緩慢下降趨勢(shì)，但各縣(市)生態(tài)承載力指數(shù)差異明顯。

以2000、2004、2008年為例(圖5)，2008年甘南地區(qū)的夏河縣、舟曲縣、卓尼縣和碌曲縣生態(tài)承載力指數(shù)處于“病態(tài)”水平，而合作市生態(tài)承載力水平略高于以上4個(gè)縣；其余的瑪曲縣、迭部縣和臨潭縣生態(tài)承載力狀態(tài)為“亞健康”狀態(tài)。

圖4 甘南地區(qū)2000-2008年基于生態(tài)健康的生態(tài)承載力評(píng)價(jià)

以4年為一階段對(duì)研究區(qū)生態(tài)承載力及其各子系統(tǒng)進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)(表4)，2000-2004年，全區(qū)為“低承載-中彈性-較低影響”狀態(tài)，總體生態(tài)承載力為“亞健康”水平。這表明，2000-2004年，該地區(qū)資源環(huán)境承載力處于“不健康”狀態(tài)，生態(tài)彈性力為“不健康”狀態(tài)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展處于“病態(tài)”狀態(tài)，人們對(duì)自然環(huán)境的開(kāi)發(fā)破壞程度較小，人類(lèi)社會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響作用較小。2008年，全區(qū)為“低承載-中彈性-低影響”狀態(tài)，總體生態(tài)承載力為“亞健康”水平。與2004年相比，系統(tǒng)生態(tài)彈性力等級(jí)由“不健康”下降至“病態(tài)”狀態(tài)，人類(lèi)社會(huì)影響力由“病態(tài)”上升至“不健康”狀態(tài)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)自然資源的開(kāi)發(fā)利用程度不斷加大，隨之而來(lái)的生態(tài)環(huán)境破壞狀況日益嚴(yán)重，人類(lèi)社會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響比2004年有所增加。

圖4 甘南地區(qū)生態(tài)承載力評(píng)價(jià)

表4 甘南地區(qū)平均生態(tài)承載力評(píng)價(jià)分級(jí)結(jié)果

4 討論與結(jié)論

4.1資源環(huán)境承載力 資源環(huán)境指標(biāo)指人類(lèi)活動(dòng)對(duì)環(huán)境的直接壓力因子，本研究中包含人均耕地面積、人均林地面積、人均糧食占有量等。2000-2008年甘南地區(qū)整體呈現(xiàn)人均耕地面積、畜產(chǎn)品逐漸增加，人均林地、人均草地面積逐漸減少的趨勢(shì)。以人均草地面積指標(biāo)為例，人口相對(duì)較多的舟曲縣、合作市人均草地面積分別由2000年的0.005 2和0.016 4 hm2/人變?yōu)?004年的0.004 3和0.018 9 hm2/人，繼而降低為0.003 5和0.016 0 hm2/人，其余地區(qū)亦有不同程度的降低。不斷增加的牲畜數(shù)量和相對(duì)減少的植被覆蓋率導(dǎo)致草地超載嚴(yán)重，草地壓力過(guò)大，資源環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞[20]，其指數(shù)下降明顯。

4.2生態(tài)彈性承載力 生態(tài)彈性力指標(biāo)指環(huán)境當(dāng)前的狀態(tài)或趨勢(shì)，本研究中提到的具體指標(biāo)有起伏度、年均溫、平均植被覆蓋度等。在全球變暖的大趨勢(shì)下，甘南地區(qū)氣溫總體呈上升趨勢(shì)，以生態(tài)彈性力指數(shù)波動(dòng)最大的夏河縣為例，該縣2000年年平均溫度為2.6 ℃，2004年為2.6 ℃，2008年為3.5 ℃，氣溫有顯著提高，而與此同時(shí)，地表徑流不斷減少，致使該區(qū)氣候日趨干旱，生物多樣性降低，限制牧草生長(zhǎng)，造成草地退化。草地覆蓋率由2000年的64.59%變?yōu)?004年的60%，繼而降為2008年的59.98%，從而更加降低了草地植被涵養(yǎng)水資源能力，使該縣生態(tài)承載能力逐漸下降。此類(lèi)情況亦以不同程度發(fā)生在甘南州各地區(qū)，致使全區(qū)生態(tài)彈性承載力由“健康”狀態(tài)向“不健康”狀態(tài)發(fā)展。

4.3人類(lèi)社會(huì)影響承載力 人類(lèi)社會(huì)影響指標(biāo)指環(huán)境政策措施中的可量化部分，如本研究所示的城市化率、人口密度等。雖然作為影響牧區(qū)生態(tài)安全的最有活力的指標(biāo)——人口的大幅度增長(zhǎng)會(huì)通過(guò)影響動(dòng)植物的數(shù)量結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品需求、經(jīng)濟(jì)密度等方面引起生態(tài)環(huán)境的空間變化，但增強(qiáng)農(nóng)林牧業(yè)產(chǎn)值和大面積造林(草)會(huì)使自然面貌和生態(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，甘南人民為此也做出了不懈的努力。2000年全州年造林(草)面積為6 319.12 km2，2004年為13 531.45 km2，2008年為14 426.66 km2，持續(xù)上漲的造林(草)面積對(duì)生態(tài)環(huán)境效能和經(jīng)濟(jì)效益起到促進(jìn)作用，能夠有效地改善區(qū)域大氣候。有效地幫助了甘南區(qū)域人類(lèi)社會(huì)影響力評(píng)價(jià)等級(jí)由“病態(tài)”狀態(tài)上升為“亞健康”狀態(tài)。

綜合以上三方面，基于生態(tài)健康的甘南牧區(qū)生態(tài)承載力指數(shù)從2000年的0.232 3降低為2008年的0.222 4，呈緩慢下降趨勢(shì)，其主要原因由資源環(huán)境承載力、生態(tài)彈性力、人類(lèi)社會(huì)影響力三方面構(gòu)成。資源環(huán)境承載力長(zhǎng)期處于低水平，因而對(duì)該區(qū)域內(nèi)草地、林地、水域等自然資源在加以保護(hù)的基礎(chǔ)上，要加強(qiáng)退耕還林(草)、天然林保護(hù)等生態(tài)工程的力度，提高資源的利用效率和單位面積上生產(chǎn)效率是提高資源環(huán)境承載力的有效途徑。生態(tài)彈性力處于中低水平，這就要求在限定因子的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，增加植被覆蓋度，采取綜合的生態(tài)保護(hù)策略和治理措施，提高區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的抗干擾和自我恢復(fù)能力。人類(lèi)社會(huì)影響力處于低和較低水平，因此，要制定合理的人口和社會(huì)全面發(fā)展的綜合政策，在對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響中，提高人類(lèi)活動(dòng)的正面影響，降低負(fù)面影響的基礎(chǔ)上，提高勞動(dòng)者素質(zhì)，加大科技應(yīng)用力度。總之，大力發(fā)展集約化經(jīng)濟(jì)，制定和完善生態(tài)環(huán)境規(guī)劃，建立有效的生態(tài)效益補(bǔ)償制度等是提高甘南地區(qū)生態(tài)承載力的有效措施。以上研究為廣大高寒草地牧區(qū)可持續(xù)健康發(fā)展策略的制定提供了有效的理論依據(jù)。

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