基于生態(tài)安全的高寒牧區(qū)生態(tài)承載力評(píng)價(jià)

朱曉麗，李文龍，薛中正，徐丹丹，王 浩

(蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(píng)價(jià)

朱曉麗，李文龍，薛中正，徐丹丹，王 浩

(蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，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。本研究以甘南藏族自治州(以下簡(jiǎn)稱甘南州)ETM+(Enhanced Thematic Mapper Plus)和TM(Thematic Mapper)遙感影像及統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)為依據(jù)，應(yīng)用生態(tài)安全評(píng)價(jià)模型PSR(壓力-狀態(tài)-響應(yīng))選取平均植被覆蓋度、人均耕地面積、放牧超載率等22個(gè)指標(biāo)，通過(guò)基于加速遺傳算法的層次分析法(AGA-AHP)獲得各指標(biāo)權(quán)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(jié)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)及相關(guān)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(shù)

生態(tài)承載力即生態(tài)環(huán)境的承載能力，是自然體系調(diào)節(jié)能力的客觀反映[1-3]。近年國(guó)內(nèi)有不少學(xué)者對(duì)生態(tài)環(huán)境承載力進(jìn)行了研究，有采用定量方法對(duì)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(guò)建立區(qū)域環(huán)境承載力評(píng)價(jià)體系,定量分析江西區(qū)域環(huán)境承載力的研究[5]；有通過(guò)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(guān)系的研究[6]；有通過(guò)構(gòu)建環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,對(duì)遼寧省的區(qū)域經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展進(jìn)行定量研究的[7]。與此同時(shí)，國(guó)外不少學(xué)者亦對(duì)承載力進(jìn)行了研究，有對(duì)英國(guó)Bournemouth郡內(nèi)著名的旅游景點(diǎn)Hengistbury Head進(jìn)行旅游承載力的研究，并為決策、管理及加強(qiáng)當(dāng)?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(guò)數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型對(duì)非洲撒哈拉地區(qū)的人口承載狀況進(jìn)行了分析[9]。然而，已有研究多專注于指標(biāo)體系及標(biāo)準(zhǔn)，僅將各年度數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單組合，沒(méi)有進(jìn)一步挖掘其發(fā)展趨勢(shì)的內(nèi)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(jiàn)實(shí)例。本研究基于生態(tài)安全[10-11]的理論，對(duì)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(jìn)行評(píng)價(jià)，將“3S”技術(shù)應(yīng)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(bǔ)了傳統(tǒng)土地利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)存在的不足，同時(shí)，采用基于加速遺傳算法的層次分析法，用定性與定量相結(jié)合的辦法對(duì)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行確定，通過(guò)狀態(tài)空間法更加準(zhǔn)確、科學(xué)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(duì)甘南州生態(tài)經(jīng)濟(jì)問(wèn)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(biāo)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(gè)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(rùn)，年均降水量在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年間人口年均增長(zhǎng)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立 目前國(guó)內(nèi)外生態(tài)評(píng)價(jià)常用模型框架有PSR 模型(壓力-狀態(tài)-響應(yīng))、DSR 模型(驅(qū)動(dòng)力-狀態(tài)-響應(yīng))、DPSEEA 模型(驅(qū)動(dòng)力-壓力-暴露-影響-狀態(tài)-響應(yīng))、DPSIR 模型(驅(qū)動(dòng)力-壓力-影響-狀態(tài)-響應(yīng))[12]等，本研究采用了經(jīng)濟(jì)合作發(fā)展組織提出的PSR模型[13]。該模型從社會(huì)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境有機(jī)統(tǒng)一的觀點(diǎn)出發(fā),表明人與自然在這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中各種因素間的因果關(guān)系,能更精確地反映生態(tài)系統(tǒng)安全的自然、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)因素之間的關(guān)系[14]，為生態(tài)安全指標(biāo)構(gòu)造提供了邏輯基礎(chǔ)。本研究在遵從科學(xué)客觀性、獨(dú)立完備性、可操作性、區(qū)域特殊性以及層次性等模型構(gòu)建原則的情況下[15]，結(jié)合甘南州各縣(市)自然資源、生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)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(yīng)3個(gè)方面，構(gòu)建1個(gè)目標(biāo)層、3個(gè)準(zhǔn)則層和22個(gè)指標(biāo)層，對(duì)甘南州生態(tài)承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

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(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)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(zhǎng)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(hào)為129/37、130/36、130/37、131/35、131/36、131/37、132/36和132/37；利用“3S”技術(shù)對(duì)2000、2004和2008年相關(guān)指標(biāo)(如NDVI指數(shù)等)進(jìn)行了計(jì)算。值得注意的是，在計(jì)算植被指數(shù)和圖像解譯分類前利用AOI標(biāo)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(wú)云區(qū)域替代估算影像中云及云影區(qū)域，進(jìn)行必要的接邊調(diào)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(jì)資料：包括研究區(qū)氣象、降水?dāng)?shù)據(jù)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)類統(tǒng)計(jì)資料和自然環(huán)境類統(tǒng)計(jì)資料。具體數(shù)據(jù)來(lái)源于《甘肅年鑒》(2000、2004、2008年)和甘南州國(guó)民經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料(2000、2004、2008年)[17-19]。

2.3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[17]。因此，本研究采用定性與定量相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法即層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)，結(jié)合加速遺傳算法[18](Accelerating Genetic Algorithm，AGA)，計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值[19-21]。理想值的確定:本研究采用國(guó)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(guò)SPSS軟件，分析各指標(biāo)項(xiàng)的相關(guān)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(fù)相關(guān)指標(biāo)(表1)。

2.4生態(tài)承載力的計(jì)算 本研究采用狀態(tài)空間法[4]進(jìn)行承載力計(jì)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(diǎn)同系統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)所構(gòu)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(fù)雜性的同時(shí)也考慮到了其動(dòng)態(tài)性。將生態(tài)承載力狀況的判斷簡(jiǎn)化為以下幾個(gè)步驟：

1)構(gòu)造向量(RCSi*)：

RCSi*=RSCi(opr)RCCi。

式中，RCSi代表指標(biāo)項(xiàng)的現(xiàn)實(shí)值，RCCi代表理想值，(opr)代表某種運(yùn)算符、運(yùn)算方法或過(guò)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(shí)，向量(RCSi*)的每一個(gè)元素可以表示相對(duì)可持續(xù)的理想?yún)^(qū)域承載力。

2)計(jì)算n維狀態(tài)空間中點(diǎn)(RCSi*)到坐標(biāo)原點(diǎn)的加權(quán)距離(M)：

式中，Wi代表各指標(biāo)項(xiàng)的權(quán)重。

3)計(jì)算單位向量的模(RCC)：

將M與RCC值進(jìn)行比較，當(dāng)M值gt;RCC值時(shí)，生態(tài)承載力處于超載狀態(tài)；M值=RCC值時(shí)，生態(tài)承載力處于滿載狀態(tài)；M值lt;RCC值時(shí)，生態(tài)承載力處于可載狀態(tài)。值得注意的是，應(yīng)對(duì)承載體進(jìn)行正向和負(fù)向的不同處理，使研究結(jié)果更具科學(xué)性。

3 結(jié)果

甘南州7縣1市各指標(biāo)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)。瑪曲縣2000、2004和2008年的加權(quán)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(yán)重超載狀態(tài)；臨潭縣、舟曲縣2000年加權(quán)距離分別為0.733 8和0.489 6，而2008年的加權(quán)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(quán)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(shì)；夏河縣、卓尼縣2000年加權(quán)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(quán)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(shì)。

表1 生態(tài)承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 1 Index system for evaluating ecological carrying capacity

注：1羊單位為1只體質(zhì)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(guò)加權(quán)距離與RCC值對(duì)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(jìn)行進(jìn)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(yán)重，舟曲縣生態(tài)承載能力則有下降趨勢(shì)，M/RCC值的平均增長(zhǎng)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(shì)。

表2 夏河縣2000、2004和2008年各指標(biāo)項(xiàng)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(jié)論

4.1生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)對(duì)生態(tài)承載力的影響 生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)(State)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、年均氣溫、年均降水量等。在全球變暖的大趨勢(shì)下，甘南各縣(市)氣溫總體呈上升趨勢(shì)，以生態(tài)承載能力超載最為嚴(yán)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(shí)，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(zhǎng)，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(hù)和防止草地退化是甘南生態(tài)環(huán)境綜合治理的關(guān)鍵[24]。

4.2生態(tài)系統(tǒng)壓力對(duì)生態(tài)承載力的影響 生態(tài)系統(tǒng)壓力(Pressure)指標(biāo)指人類活動(dòng)對(duì)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(shì)。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(píng)價(jià)指標(biāo)值平均增長(zhǎng)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(shí)該縣人均林地面積和人均草地面積呈逐年減少趨勢(shì)，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(píng)價(jià)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(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，生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)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(fù)的重要組成部分。

4.3生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)對(duì)生態(tài)承載力的影響 生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)(Response)指標(biāo)指環(huán)境政策措施中的可量化部分，其在社會(huì)處理環(huán)境問(wèn)題過(guò)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(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(duì)生態(tài)環(huán)境效能和經(jīng)濟(jì)效益起到促進(jìn)作用，能夠有效改善區(qū)域大氣候。但與此同時(shí)，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)卻起到相反作用，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。以臨潭縣為例，2000年該縣人口為37 838人，2004年時(shí)為42 000人，2008年為46 291人，呈直線增長(zhǎng)趨勢(shì)，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(jié)構(gòu)，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(yán)重降低[25]。因此，控制人口數(shù)量的增加、轉(zhuǎn)移牧業(yè)勞動(dòng)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(30700100)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2007AA10Z232)；甘肅省“十一五”科技支撐項(xiàng)目(0708NKCA121)

朱曉麗(1987-)，女，甘肅蘭州人,在讀碩士生，研究方向?yàn)椴莸剡b感與GIS。E-mail:nanshu1@163.com

李文龍 E-mail:wllee@lzu.edu.cn