朱曉麗，李文龍，薛中正，徐丹丹，王 浩

(蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730020)

基于生態(tài)安全的高寒牧區(qū)生態(tài)承載力評價

朱曉麗，李文龍，薛中正，徐丹丹，王 浩

(蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730020)

生態(tài)承載力指在一定社會經(jīng)濟條件下，自然生態(tài)系統(tǒng)維持其服務功能和自身健康的潛在能力。本研究以甘南藏族自治州(以下簡稱甘南州)ETM+(Enhanced Thematic Mapper Plus)和TM(Thematic Mapper)遙感影像及統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)為依據(jù)，應用生態(tài)安全評價模型PSR(壓力-狀態(tài)-響應)選取平均植被覆蓋度、人均耕地面積、放牧超載率等22個指標，通過基于加速遺傳算法的層次分析法(AGA-AHP)獲得各指標權重，采用狀態(tài)空間法定量研究2000、2004和2008年甘南州各縣(市)生態(tài)承載力狀況。結果表明，在2000、2004和2008年，瑪曲縣、迭部縣、舟曲縣、臨潭縣、合作市生態(tài)承載力都處于超載狀態(tài)；夏河縣2000和2004年處于超載狀態(tài)，而2008年處于可載狀態(tài)，生態(tài)承載能力上升；卓尼縣2000年生態(tài)承載力評價值為1.081 0，而2004和2008年分別為0.934 8、0.924 3，生態(tài)承載能力上升；碌曲縣2000和2008年生態(tài)承載能力都處于超載狀態(tài)，2004年處于可載狀態(tài)。該研究可為高寒牧區(qū)生態(tài)承載力評價及相關研究提供有效的方法。

甘南；生態(tài)安全；生態(tài)承載力；3S技術

生態(tài)承載力即生態(tài)環(huán)境的承載能力，是自然體系調節(jié)能力的客觀反映[1-3]。近年國內有不少學者對生態(tài)環(huán)境承載力進行了研究，有采用定量方法對環(huán)渤海地區(qū)的資源環(huán)境綜合承載力的研究[4]；有通過建立區(qū)域環(huán)境承載力評價體系,定量分析江西區(qū)域環(huán)境承載力的研究[5]；有通過研究武漢市的環(huán)境承載力,闡述武漢市資源利用與環(huán)境影響之間的相互關系的研究[6]；有通過構建環(huán)境承載力評價指標體系,對遼寧省的區(qū)域經(jīng)濟與環(huán)境協(xié)調發(fā)展進行定量研究的[7]。與此同時，國外不少學者亦對承載力進行了研究，有對英國Bournemouth郡內著名的旅游景點Hengistbury Head進行旅游承載力的研究，并為決策、管理及加強當?shù)芈糜钨Y源承載力提出建議[8]；據(jù)生態(tài)承載力與可持續(xù)發(fā)展理念，通過數(shù)學評價模型對非洲撒哈拉地區(qū)的人口承載狀況進行了分析[9]。然而，已有研究多專注于指標體系及標準，僅將各年度數(shù)據(jù)進行簡單組合，沒有進一步挖掘其發(fā)展趨勢的內在規(guī)律，尤其是從生態(tài)安全角度出發(fā)探討基于高寒牧區(qū)的生態(tài)承載力的研究目前尚未見實例。本研究基于生態(tài)安全[10-11]的理論，對地處青藏高原東部的高寒牧區(qū)——甘南藏族自治州的生態(tài)承載力進行評價，將“3S”技術應用于生態(tài)承載力研究中的大尺度空間數(shù)據(jù)的獲取，彌補了傳統(tǒng)土地利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)存在的不足，同時，采用基于加速遺傳算法的層次分析法，用定性與定量相結合的辦法對指標權重進行確定，通過狀態(tài)空間法更加準確、科學地研究2000、2004和2008年甘南州各縣(市)生態(tài)承載力狀況，從而對甘南州生態(tài)經(jīng)濟問題得以更加深入的研究。

1 研究區(qū)概況

甘南藏族自治州地處青藏高原東緣，地理坐標為34°34′～36°6′N，100°45′～102°29′E，海拔3 300～4 000 m；擁有碌曲、瑪曲、夏河、合作4個純牧區(qū)縣(市)和卓尼、迭部半牧區(qū)縣以及舟曲和臨潭少量牧區(qū)縣，屬于典型的高寒牧區(qū)；草原面積2.602 5×106hm2，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，年均降水量在400～700 mm，降水梯度變化較大；水系發(fā)達，其境內黃河干流、洮河、大夏河三大水系流域面積達3.06×104km2；牧區(qū)人口增長較快，1980-2005年間人口年均增長11.4%；牧民收入以

畜牧業(yè)為主，其占牧民收入的47.87%。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1評價指標體系的建立 目前國內外生態(tài)評價常用模型框架有PSR 模型(壓力-狀態(tài)-響應)、DSR 模型(驅動力-狀態(tài)-響應)、DPSEEA 模型(驅動力-壓力-暴露-影響-狀態(tài)-響應)、DPSIR 模型(驅動力-壓力-影響-狀態(tài)-響應)[12]等，本研究采用了經(jīng)濟合作發(fā)展組織提出的PSR模型[13]。該模型從社會經(jīng)濟與環(huán)境有機統(tǒng)一的觀點出發(fā),表明人與自然在這個生態(tài)系統(tǒng)中各種因素間的因果關系,能更精確地反映生態(tài)系統(tǒng)安全的自然、經(jīng)濟和社會因素之間的關系[14]，為生態(tài)安全指標構造提供了邏輯基礎。本研究在遵從科學客觀性、獨立完備性、可操作性、區(qū)域特殊性以及層次性等模型構建原則的情況下[15]，結合甘南州各縣(市)自然資源、生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟實際情況，從生態(tài)系統(tǒng)壓力、生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)、生態(tài)系統(tǒng)響應3個方面，構建1個目標層、3個準則層和22個指標層，對甘南州生態(tài)承載力進行評價。

2.2數(shù)據(jù)處理 研究數(shù)據(jù)包括甘南地區(qū)的遙感數(shù)據(jù)、圖件資料和國民經(jīng)濟與社會發(fā)展數(shù)據(jù)。1)遙感數(shù)據(jù)：包括研究區(qū)2000、2004和2008年植被生長季的Landsat ETM+(Enhanced Thematic Mapper Plus)數(shù)據(jù)(1～5波段)和Landsat TM(Thematic Mapper)數(shù)據(jù)(1～5波段)的遙感影像數(shù)據(jù),其軌道號為129/37、130/36、130/37、131/35、131/36、131/37、132/36和132/37；利用“3S”技術對2000、2004和2008年相關指標(如NDVI指數(shù)等)進行了計算。值得注意的是，在計算植被指數(shù)和圖像解譯分類前利用AOI標出影像中云以及云影區(qū)域，采用多景影像合成算法[16]，利用其他影像中無云區(qū)域替代估算影像中云及云影區(qū)域，進行必要的接邊調整，以提高估算精度。2)圖件資源：主要包括研究區(qū)行政邊界圖(1∶200 000)、草地類型圖(1∶200 000)以及數(shù)字高程模型(DEM)(1∶200 000)數(shù)據(jù)等。3)統(tǒng)計資料：包括研究區(qū)氣象、降水數(shù)據(jù)，社會經(jīng)濟類統(tǒng)計資料和自然環(huán)境類統(tǒng)計資料。具體數(shù)據(jù)來源于《甘肅年鑒》(2000、2004、2008年)和甘南州國民經(jīng)濟統(tǒng)計資料(2000、2004、2008年)[17-19]。

2.3指標權重的確定 權重是生態(tài)承載力評價中的一個重要因素。指標權重確定的合理與否在很大程度上影響結果的科學性和正確性[17]。因此，本研究采用定性與定量相結合的系統(tǒng)分析方法即層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)，結合加速遺傳算法[18](Accelerating Genetic Algorithm，AGA)，計算各評價指標的權值[19-21]。理想值的確定:本研究采用國際通用的中值法確定甘南州各縣(市)承載力的理想狀態(tài)，并通過SPSS軟件，分析各指標項的相關性，得出平均海拔、草地放牧超載率、人口密度、人均居民地面積等為負相關指標(表1)。

2.4生態(tài)承載力的計算 本研究采用狀態(tài)空間法[4]進行承載力計算。該方法是歐氏幾何空間用于定量描述系統(tǒng)狀態(tài)的一種有效方法，可利用狀態(tài)空間中的原點同系統(tǒng)狀態(tài)點所構成的矢量模數(shù)表示區(qū)域承載力的大小，在考慮了生態(tài)系統(tǒng)的復雜性的同時也考慮到了其動態(tài)性。將生態(tài)承載力狀況的判斷簡化為以下幾個步驟：

1)構造向量(RCSi*)：

RCSi*=RSCi(opr)RCCi。

式中，RCSi代表指標項的現(xiàn)實值，RCCi代表理想值，(opr)代表某種運算符、運算方法或過程，其作用在于使RCSi*的值在取gt;1、=1和lt;1之中的某種情況時，向量(RCSi*)的每一個元素可以表示相對可持續(xù)的理想?yún)^(qū)域承載力。

2)計算n維狀態(tài)空間中點(RCSi*)到坐標原點的加權距離(M)：

式中，Wi代表各指標項的權重。

3)計算單位向量的模(RCC)：

將M與RCC值進行比較，當M值gt;RCC值時，生態(tài)承載力處于超載狀態(tài)；M值=RCC值時，生態(tài)承載力處于滿載狀態(tài)；M值lt;RCC值時，生態(tài)承載力處于可載狀態(tài)。值得注意的是，應對承載體進行正向和負向的不同處理，使研究結果更具科學性。

3 結果

甘南州7縣1市各指標RCSi*值，以夏河縣2000、2004和2008年數(shù)據(jù)為例(表2)。

甘南州各縣(市)2000、2004和2008年3年基于生態(tài)安全的生態(tài)承載力狀態(tài)的地域差異比較明顯 (圖1)?，斍h2000、2004和2008年的加權距離分別為5.373 2、2.787 5和3.068 2，超出單位向量的模RCC值(5.166 8、2.581 1和2.861 0)生態(tài)承載力，處于嚴重超載狀態(tài)；臨潭縣、舟曲縣2000年加權距離分別為0.733 8和0.489 6，而2008年的加權距離為1.068 3和0.731 8，兩縣均有不同程度的上升，其承載能力逐步下降；碌曲縣、迭部縣和合作市2000年加權距離分別為0.603 4、0.362 6和0.476 7，2008年分別為0.504 8、0.264 7和0.408 7，雖然仍處于超載狀態(tài)，但承載能力有上升趨勢；夏河縣、卓尼縣2000年加權距離分別為0.279 6和0.238 2，2004年為0.260 2和0.210 8，較之RCC值(0.206 4)較高或處于水平狀態(tài)，但2008年兩縣生態(tài)承載力加權距離均小于RCC值，分別為0.206 2和0.203 7，處于可載狀態(tài)，生態(tài)承載能力有上升趨勢。

表1 生態(tài)承載力評價指標體系Table 1 Index system for evaluating ecological carrying capacity

注：1羊單位為1只體質量40 kg的母羊及其哺乳羔羊，每日約需牧食青草5.0～7.5 kg。

Note: Sheep unit means a 40 kg shorn ewe and her lactation lamb consuming 5.0-7.5 kg fresh grass each day.

通過加權距離與RCC值對比，可將甘南州各縣(市)生態(tài)承載力所處狀態(tài)量化，從而進行進一步判斷(圖2)，于2000、2004和2008年瑪曲縣、迭部縣、舟曲縣、臨潭縣、合作市生態(tài)承載力都處于超載狀態(tài)，其中瑪曲縣生態(tài)承載能力超載最為嚴重，舟曲縣生態(tài)承載能力則有下降趨勢，M/RCC值的平均增長率為24.63%；夏河縣2000和2004年M/RCC值分別為0.860 7和1.009 0，處于超載狀態(tài)，而2008年M/RCC值為0.935 9，處于可載狀態(tài)；卓尼縣2000年M/RCC值為1.081 0，2004和2008年M/RCC值分別為0.934 8和0.924 3，生態(tài)承載能力上升；碌曲縣2000和2008年生態(tài)承載能力都處于超載狀態(tài)，2004年處于可載狀態(tài)。甘南州生態(tài)承載力總體處于超載狀態(tài)，生態(tài)環(huán)境有惡化趨勢。

表2 夏河縣2000、2004和2008年各指標項RCSi*值Table 2 The all index RCSi* value of 2000,2004 and 2008 in Xiahe county

圖1 甘南州各縣(市)基于生態(tài)安全的生態(tài)承載力狀態(tài)Fig.1 Ecological carrying capacity state in Gannan Prefecture based on PSR

4 討論與結論

4.1生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)對生態(tài)承載力的影響 生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)(State)指標指環(huán)境當前的狀態(tài)或趨勢，本研究中提到的具體指標有起伏度、年均氣溫、年均降水量等。在全球變暖的大趨勢下，甘南各縣(市)氣溫總體呈上升趨勢，以生態(tài)承載能力超載最為嚴重的瑪曲縣為例，2000年年均氣溫為1.6 ℃，2004年年均氣溫為1.2 ℃，而2008年年均氣溫2.1 ℃，氣溫顯著升高，與此同時，地表徑流減少，致使該區(qū)氣候日趨干旱，生物多樣性降低，限制牧草生長，造成草地退化[22]。草地覆蓋率由2000年的73.49%降為2008年的65.14%，更降低了草地植被涵養(yǎng)水資源的能力[23]，使該縣生態(tài)承載能力逐漸下降。因此，水域生態(tài)環(huán)境保護和防止草地退化是甘南生態(tài)環(huán)境綜合治理的關鍵[24]。

4.2生態(tài)系統(tǒng)壓力對生態(tài)承載力的影響 生態(tài)系統(tǒng)壓力(Pressure)指標指人類活動對環(huán)境的直接壓力因子，如人均耕地面積、人均林地面積、人均糧食占有量等。2000―2008年甘南州各縣(市)的土地利用具有耕地面積逐漸增加、林地和草地覆蓋面積逐漸減少的總體趨勢。其中，舟曲縣、合作市的耕地面積有小幅度的減少。以生態(tài)承載力評價指標值平均增長率較高的舟曲縣為例，2000年人均糧食占有量為0.220 7 kg·人-1，2004年為0.205 6 kg·人-1，2008年為0.214 3 kg·人-1，而畜產(chǎn)品卻在逐年增加。與此同時該縣人均林地面積和人均草地面積呈逐年減少趨勢，分別由2000年的0.014 6 和0.005 2 hm2·人-1退化為2008年的0.011 6和0.003 4 hm2·人-1。

圖2 甘南州各縣(市)生態(tài)承載力評價值Fig.2 Evaluation value of ecological carrying capacity in Gannan Prefecture

不斷增加的牲畜數(shù)量和相對減少的植被覆蓋率導致草地超載嚴重，草地壓力過大，生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴重破壞。植樹造林、退耕還林還草、提高糧食產(chǎn)量是甘南州生態(tài)恢復的重要組成部分。

4.3生態(tài)系統(tǒng)響應對生態(tài)承載力的影響 生態(tài)系統(tǒng)響應(Response)指標指環(huán)境政策措施中的可量化部分，其在社會處理環(huán)境問題過程中不斷發(fā)展，如本研究中所示的城市化率、人口密度、年造林(草)面積等。其中，大面積造林(草)會使自然面貌和生態(tài)環(huán)境結構發(fā)生顯著變化，甘南州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年增加到14 426.66 km2，持續(xù)上漲的造林(草)面積對生態(tài)環(huán)境效能和經(jīng)濟效益起到促進作用，能夠有效改善區(qū)域大氣候。但與此同時，作為影響牧區(qū)生態(tài)安全的最有活力的指標——人口的大幅度增長卻起到相反作用，通過影響動植物的數(shù)量結構、產(chǎn)品需求、經(jīng)濟密度等方面引起生態(tài)環(huán)境的空間變化。以臨潭縣為例，2000年該縣人口為37 838人，2004年時為42 000人，2008年為46 291人，呈直線增長趨勢，人口數(shù)量急劇增加，產(chǎn)品需求迅速提高，加之單一化的農(nóng)業(yè)結構，加劇了生態(tài)環(huán)境資源與人類需求的矛盾，至使該區(qū)生態(tài)承載能力嚴重降低[25]。因此，控制人口數(shù)量的增加、轉移牧業(yè)勞動力、提高生產(chǎn)技能是提升生態(tài)承載力的有力措施。

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EvaluationofecologicalcarryingcapacitiesinGannanbasedonPSRmodel

ZHU Xiao-li, LI Wen-long, XUE Zhong-zheng, XU Dan-dan, WANG Hao

(College of Pastoral Agriculture Science and Technology, Lanzhou University， State Key Laboratory of Grassland Agro-ecosystems, Lanzhou 730020, China)

Ecological carrying capacity refers to the natural ecosystems to maintain their service functions and health potential in a certain socio-economic conditions. The evaluation system of the ecological carrying capacity was established by using satellite imagery (TM, ETM+) and the census data in Gannan region. The 22 indexes including average vegetation coverage, area of cultivated land per capita, grazing overload rate etc. were determined by using the PRS (Pressure-State-Response) ecological safety evalutation model. On this basis, the AGA-AHP was used to calculate the weight value of each index. Then the ecological carrying capacity of each county of Gannan region in 2000, 2004 and 2008 was assessed with help of the State Space Method. The results indicated that the ecological carrying capacities of Maqu, Diebu, Zhouqu, Lintan County and Hezuo City were overloaded in 2000, 2004 and 2008. The ecological carrying capacity of Xiahe County was overloaded in 2000 and 2004, but that was in an ideal state in 2008. The ecological carrying capacity in Zhuoni County was 1.081 0 in 2000, while that was 0.934 8 and 0.924 3 in 2004 and 2008, respectively, in which indicated the ecological carrying capacity was improved in 2004 and 2008. The ecological carrying capacity of Luqu County was in an ideal state in 2004, while that was excesses capacity in 2000 and 2008. This study provided an effective method for evaluation of alpine pastoral ecological carrying capacities.

Gannan; ecological security; ecological carrying capacity; 3S technology

LI Wen-long E-mail:wllee@lzu.edu.cn

S812.29

A

1001-0629(2012)02-0198-06

2011-03-11 接受日期：2011-07-07

國家自然科學基金項目(30700100)；國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2007AA10Z232)；甘肅省“十一五”科技支撐項目(0708NKCA121)

朱曉麗(1987-)，女，甘肅蘭州人,在讀碩士生，研究方向為草地遙感與GIS。E-mail:nanshu1@163.com

李文龍 E-mail:wllee@lzu.edu.cn