基于3S技術的甘南州生態健康與生態承載力耦合

朱曉麗，李文龍，薛中正，許 靜，王 浩

(1.蘭州大學草地農業科技學院 農業部草地農業生態系統學重點實驗室，甘肅 蘭州 730020；2.蘭州商學院農林經濟管理學院，甘肅 蘭州 730020)

生態承載力指在一定社會經濟條件下，自然生態系統維持其服務功能和自身健康的潛在能力[1-5]。對于任一相對獨立的生態系統，一定的生態承載力水平和承受的社會經濟壓力水平對應著一定的生態系統健康等級[6]。近年來生態健康與生態承載力的耦合研究成為區域生態研究的熱點。王中根和夏軍[7]采用資源與人類需求差量法度量區域生態環境承載力；高吉喜[8]將生態承載力劃分為資源承載力、環境承載力和生態彈性能力三部分，并運用承壓指數、壓力指數和承壓度等指標以描述特定生態系統的承載狀況;毛漢英和余丹林[9]應用人類活動、資源、環境所構造的三維空間內的承載狀態點描述區域(生態)承載力；楊志峰和隋欣[10]提出了基于生態系統健康的生態承載力，評價了流域水電梯級開發對生態承載力的影響；劉武藝和邵東國[11]提出了“基于城市水生態系統健康的生態承載力壓力量化模型”，計算出鄭州市1995-2004年城市水生態系統承載力及其壓力，并得出相應的城市水生態系統健康指數。已有的研究多集中于生態承載力的評價模型、指標體系和標準以及提高其對策措施等方面[10]，但有關生態承載力調控的理論和方法研究十分有限[10]，尤其是從生態健康角度出發探討基于高寒牧區的生態承載力的研究目前尚未實例。針對以上問題，本研究選取適合于高寒牧區基于生態健康的生態承載力的評價模型，構建了區域自然、社會和經濟系統健康的評價指標和標準，對典型高寒牧區——甘南地區的生態承載力進行評價，從而為甘南及其類似地區的可持續發展提供理論分析基礎，并為政府的決策行為提供有價值的參考，對協調牧區社會經濟發展有重要的現實意義。

1 研究區概況

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；轄碌曲、瑪曲、夏河、合作4個純牧區縣和卓尼、迭部半牧區縣以及舟曲少量牧區縣，屬于典型的高寒牧區；草原面積達260.25萬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，年均降水量為400～700 mm，降水梯度變化較大；水系發達，其境內黃河干流、洮河、大夏河三大水系流域面積達3.06×104km2；牧區人口增長較快，1980-2005年人口年均增長114%；牧民收入以畜牧業為主，其收入占牧民總收入的47.87%。

2 研究數據與研究方法

2.1數據來源 本研究所用的數據包括甘南地區遙感數據、圖件資料和國民經濟與社會發展數據。①遙感數據：研究區2000-2008年植被生長季的Landsat ETM+(1～5波段)、Landsat TM數據(1～5波段)的遙感影像數據；②圖件資源：研究區行政邊界圖(1∶200 000)、草地類型圖(1∶200 000)以及DEM(1∶200 000)地形高程數據等；③統計資料：研究區氣象、降水數據，社會經濟類統計資料和自然環境類統計資料。具體數據來源于《甘肅年鑒》(2000-2008)[12-20]，甘南州國民經濟統計資料(2000-2008)。

2.2基于生態健康的生態承載力評價指標 根據生態承載力的組成、主要影響因素和研究區實際情況，綜合考慮自然資源、生態環境現狀和社會經濟情況，篩選出22項針對性較強、便于度量的指標，利用SPSS軟件進行相關性分析，將評價體系分為3個子系統：B1資源環境指標、B2生態彈性力指標和B3人類社會影響力指標[21-22](表1)。

表1 甘南地區基于生態系統健康的生態承載力指標體系

2.3指標歸一化處理 在進行總體評價之前，由于原始指標數據間存在的量綱不同，需要指標間各數量級差異。本研究使用極差正規化法，對第i個評價值進行極差正規化處理：

(1)

通過計算后，將原始數據有效歸一化在[0，1]之間，使離散度具有一致性。

2.4指標權重的確定 權重是生態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。因此本研究將采用定性與定量相結合的系統分析方法——層次分析法(Analytic Hierarchy Process,簡稱AHP法)，在19位專家填寫判斷矩陣表的基礎上，結合加速遺傳算法(Accelerating Genetic Algorithm，簡稱AGA)[17]，計算層次分析中的排序權值(簡稱AGA-AHP)。

2.5基于生態健康的生態承載力評價模型 狀態空間法是一種應用廣泛的系統模擬分析和設計方法，適合于對多變量、非線性、時間變化、離散的系統進行分析研究，是一種時域分析方法，不僅描述了系統的外部特性，更揭示了系統的內部狀態和性能[9]。根據上述概念模型，基于生態系統健康的生態承載力的計量模型為[10]：

(2)

式中，ECCr為r區域生態承載力；Mr為生態承載力空間向量的模；Eir為r區域第i個資源環境指標在空間坐標軸上的投影；Rjr為r區域第j個生態彈性力指標在空間坐標軸上的投影；Hkr為r區域第k個人類社會影響力指標在空間坐標軸上的投影；Wi、Wj和Wk為第i，j，k個指標對應的權重。

如果考慮生態承載力水平的發展變化狀況，則基于生態系統健康的生態承載力指數可表示為：

C=fi(E，R，H，SP，T)

(3)

式中，C為生態承載力指數；E為資源環境承載力指數；R為生態系統彈性力指數；H為人類社會影響力指數；Sp為空間變量；T為時間變量；各分指數的函數表達式為：

E=f(E1，E2，…，En)，R=f(R1，R2，…，Rn)，

H=f(H1，H2，…，Hn)

(4)

式中，E1，…，En為資源環境系統各要素；R1，…，Rn為生態系統彈性力各要素；H1，…，Hn為人類社會影響力各要素。

2.6基于生態健康的生態承載力分級標準 生態系統承載力狀況的判別較為復雜，需要綜合考慮生態承載力指數和各子系統指數，為了全面衡量生態系統的承載力狀況，便于對生態系統承載能力進行直觀判斷，本研究采用三級判別標準作為生態系統承載能力狀態的判別基準[18]。同時采用等間距法把評價結果取值范圍分為4個區間，以對應健康、亞健康、不健康、病態4個等級[19]，如表2所示。

表2 生態承載力分級評價基準

3 結果與分析

基于生態健康的甘南地區生態承載力的3個子系統相應的權重A-B1、A-B2、A-B3分別為0.270 3、0.402 8、0.326 9，用以對甘南地區資源環境承載力、生態彈性力、人類社會影響力進行評價的22個指標因子權重如表3所示。

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

表3 評價指標權重值

圖1 甘南地區2000-2008年資源環境承載力評價

3.2甘南地區生態彈性力評價 甘南地區8縣(市)2000-2008年生態彈性力指數的地域差異比較明顯(圖2)。瑪曲縣生態系統彈性力指數值最高，達到“健康”以上狀態，但其抗干擾能力較低，生態環境惡化速度較快；碌曲縣、夏河縣和舟曲縣生態彈性力指數變化也較大，處于相對“不健康”狀態，其中夏河縣由2000年的“不健康”狀態轉變為2004年的“亞健康”狀態，但2008年又降為“不健康”狀態，生態彈性力指數波動較大；而卓尼縣、臨潭縣、迭部縣和合作市生態彈性力指數變化較小，處于“不健康”狀態。因此從全區生態環境的生態彈性力整體看來，生態系統由“健康”狀態向“不健康”狀態發展。

3.3甘南地區人類社會影響力評價 2000-2008年甘南地區8縣(市)人類社會影響力指數顯示(圖3)，臨潭縣人類社會影響力波動不大，2000-2004年壓力度上升明顯，總體呈小幅上升趨勢；卓尼縣和瑪曲縣在2000-2008年間具有較低的人類社會影響力指數；而碌曲縣和舟曲縣人類社會影響力由“病態”狀態發展變化為“不健康”狀態，且波動較小，具有相對較小和相對穩定的影響力。總之，該區域2000年平均人類社會影響力指數為0.073 7，評價等級為“病態”狀態，2008年評價等級上升為“不健康”狀態。

圖2 甘南地區2000-2008年生態彈性力評價

圖3 甘南地區2000-2008年人類社會影響力評價

3.4基于生態系統健康的甘南地區生態承載力綜合分析 甘南地區生態承載力評價結果顯示(圖4)，2000年生態承載力指數為0.232 3，評價等級為“亞健康”，2004、2008年生態承載力指數分別為0.235 6和0.222 4，評價等級為“亞健康”，呈穩定狀態，該地區平均生態承載力呈緩慢下降趨勢，但各縣(市)生態承載力指數差異明顯。

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

圖4 甘南地區2000-2008年基于生態健康的生態承載力評價

以4年為一階段對研究區生態承載力及其各子系統進行分級評價(表4)，2000-2004年，全區為“低承載-中彈性-較低影響”狀態，總體生態承載力為“亞健康”水平。這表明，2000-2004年，該地區資源環境承載力處于“不健康”狀態，生態彈性力為“不健康”狀態，社會經濟發展處于“病態”狀態，人們對自然環境的開發破壞程度較小，人類社會對生態系統的影響作用較小。2008年，全區為“低承載-中彈性-低影響”狀態，總體生態承載力為“亞健康”水平。與2004年相比，系統生態彈性力等級由“不健康”下降至“病態”狀態，人類社會影響力由“病態”上升至“不健康”狀態，隨著社會經濟的發展，人們對自然資源的開發利用程度不斷加大，隨之而來的生態環境破壞狀況日益嚴重，人類社會對生態系統的影響比2004年有所增加。

圖4 甘南地區生態承載力評價

表4 甘南地區平均生態承載力評價分級結果

4 討論與結論

4.1資源環境承載力 資源環境指標指人類活動對環境的直接壓力因子，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年甘南地區整體呈現人均耕地面積、畜產品逐漸增加，人均林地、人均草地面積逐漸減少的趨勢。以人均草地面積指標為例，人口相對較多的舟曲縣、合作市人均草地面積分別由2000年的0.005 2和0.016 4 hm2/人變為2004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，其余地區亦有不同程度的降低。不斷增加的牲畜數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，資源環境遭到嚴重破壞[20]，其指數下降明顯。

4.2生態彈性承載力 生態彈性力指標指環境當前的狀態或趨勢，本研究中提到的具體指標有起伏度、年均溫、平均植被覆蓋度等。在全球變暖的大趨勢下，甘南地區氣溫總體呈上升趨勢，以生態彈性力指數波動最大的夏河縣為例，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，地表徑流不斷減少，致使該區氣候日趨干旱，生物多樣性降低，限制牧草生長，造成草地退化。草地覆蓋率由2000年的64.59%變為2004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水資源能力，使該縣生態承載能力逐漸下降。此類情況亦以不同程度發生在甘南州各地區，致使全區生態彈性承載力由“健康”狀態向“不健康”狀態發展。

4.3人類社會影響承載力 人類社會影響指標指環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。雖然作為影響牧區生態安全的最有活力的指標——人口的大幅度增長會通過影響動植物的數量結構、產品需求、經濟密度等方面引起生態環境的空間變化，但增強農林牧業產值和大面積造林(草)會使自然面貌和生態環境結構發生顯著變化，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，持續上漲的造林(草)面積對生態環境效能和經濟效益起到促進作用，能夠有效地改善區域大氣候。有效地幫助了甘南區域人類社會影響力評價等級由“病態”狀態上升為“亞健康”狀態。

綜合以上三方面，基于生態健康的甘南牧區生態承載力指數從2000年的0.232 3降低為2008年的0.222 4，呈緩慢下降趨勢，其主要原因由資源環境承載力、生態彈性力、人類社會影響力三方面構成。資源環境承載力長期處于低水平，因而對該區域內草地、林地、水域等自然資源在加以保護的基礎上，要加強退耕還林(草)、天然林保護等生態工程的力度，提高資源的利用效率和單位面積上生產效率是提高資源環境承載力的有效途徑。生態彈性力處于中低水平，這就要求在限定因子的基礎上，加強生態環境保護，增加植被覆蓋度，采取綜合的生態保護策略和治理措施，提高區域生態系統的抗干擾和自我恢復能力。人類社會影響力處于低和較低水平，因此，要制定合理的人口和社會全面發展的綜合政策，在對生態系統的影響中，提高人類活動的正面影響，降低負面影響的基礎上，提高勞動者素質，加大科技應用力度。總之，大力發展集約化經濟，制定和完善生態環境規劃，建立有效的生態效益補償制度等是提高甘南地區生態承載力的有效措施。以上研究為廣大高寒草地牧區可持續健康發展策略的制定提供了有效的理論依據。

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