環(huán)境承載力分析方法及應用實例

王同桂，肖劍波

（1.重慶市主要污染物排放權(quán)交易管理中心，重慶401147；2.重慶大學 環(huán)境科學系，重慶400044）

1 引言

承載力（Carrying Capacity）是一個生態(tài)學概念，其極限思想可以追溯至馬爾薩斯的人口理論，于19世紀末期開始被廣泛地應用于畜牧場管理，隨后被野生動物學家采用并逐漸寫入生態(tài)學教材［1］。Park等提出了生態(tài)學領域的承載力概念。20世紀50年代，著名生態(tài)學家E Odum將承載力定義為某一生境（Habitat）所能支持的特定物種的最大數(shù)量［2～4］。環(huán)境容量的概念于1968年被日本學者引入到環(huán)境科學中，這是環(huán)境承載力概念的雛形［5］。

環(huán)境承載力由承載力概念進一步發(fā)展而來。目前為止，大量環(huán)境承載力的理論及實例研究見諸文獻，但對于環(huán)境承載力仍未給予統(tǒng)一的定義。Arrow等［6］指出生態(tài)恢復力在承載力表述中的重要作用；王家驥等和高進喜先后提出生態(tài)承載力的不同概念［7，8］，使承載力內(nèi)涵進一步豐富。《中國大百科全書·環(huán)境科學》給出了關于環(huán)境承載力的定義，認為環(huán)境承載力指的是“在維持環(huán)境系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化的前提下，整個地球生物圈或某一區(qū)域所能承受的人類作用在速度、規(guī)模和強度的限值［9］。此外，承載力還拓展到與人類息息相關的其他領域，如旅游承載力、資源環(huán)境承載力、城市承載力、社會承載力等研究領域。

人類生存和發(fā)展的環(huán)境是一個大系統(tǒng)，既為人類活動提供空間和載體，又為人類活動提供資源并容納廢棄物。狹義的環(huán)境承載力，通常被認為是環(huán)境容量承載力，即“某一時期，某狀態(tài)或條件下，某地區(qū)的自然環(huán)境所能承受的人類排放污染物的閾值”［10］。環(huán)境承載力是人類生態(tài)學視角下的生態(tài)承載力，劉仁志［11］認為環(huán)境承載力是指“在維持環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能不發(fā)生不利變化的前提下，一定時空范圍的環(huán)境系統(tǒng)在資源供給、環(huán)境納污和生態(tài)服務方面對人類社會經(jīng)濟活動支持能力的閾值”。環(huán)境承載力作為環(huán)境系統(tǒng)自身的一種客觀屬性，能夠表征系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，包括其對資源需求、環(huán)境需求和生態(tài)需求的支持能力。因此，環(huán)境承載力具有資源、環(huán)境、社會、生態(tài)等多維內(nèi)涵。本文對目前環(huán)境承載力的量化方法進行了總結(jié)和分析對比，并梳理了一些定量計算環(huán)境承載力的案例，以期為有關實踐提供參考，進一步將環(huán)境承載力的理論應用于環(huán)境規(guī)劃管理的實踐中去。

2 環(huán)境承載力定量化方法

就目前而言，對于環(huán)境承載力的研究仍然以實證研究為主，其中大部分文獻是基于調(diào)查問卷、實地調(diào)研等研究方法，以某一國家或某一區(qū)域為研究對象，結(jié)合具體的評價方法，對其資源環(huán)境承載力進行單因素或多因素的綜合評價［12］。承載力的定量化方法多種多樣，如生態(tài)足跡法、能值分析法、灰色系統(tǒng)分析法、系統(tǒng)動力學法、指標體系法等，以及在以上方法基礎上進行改進和綜合使用。此外，值得一提的是，曾維華等［13］綜合了指數(shù)評價法和承載率評價法這兩種方法，并通過有機結(jié)合內(nèi)梅羅指數(shù)法，提出了環(huán)境承載力綜合指數(shù)法，該方法可以克服指數(shù)評價法中的缺點，一方面能夠去除主觀因素所產(chǎn)生的偏差，還能反映出某區(qū)域環(huán)境發(fā)展現(xiàn)狀與設定的目標值之間的差距，且能直觀地量化環(huán)境承載力，是一種較全面的方法。

2.1 概念模型法

概念模糊法以資源為基礎，強調(diào)從承載力理論的基本原理出發(fā)，經(jīng)過嚴謹?shù)倪壿嬎季S而形成，僅作為一種指導性的定量化思想，很難輔以具體的實例進行驗證。概念模型法以人口與經(jīng)濟、資源的環(huán)境承載力模型即P－E－R模型最具代表性，其中P代表人口，E代表經(jīng)濟，R代表資源［14］。

2.2 生態(tài)足跡法

生態(tài)足跡（Ecological Footprint）是由加拿大人William E.Rees提出，之后得到不斷完善和發(fā)展。生態(tài)足跡法通過估算面積，比較給定地區(qū)的生物承載力，進而衡量區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展狀況。

此方法簡便直觀，謝紅霞等［15］利用該法對西安的生態(tài)承載量進行了研究分析，但也存在較大的缺陷和不足，主要表現(xiàn)為不具備動態(tài)性和預測性［16］。后來，研究學者考慮增加時間序列，用以計算多年的生態(tài)足跡來解決該問題。Haberl等［17］和Erb［18］分別以長時間段生態(tài)足跡計算方法和修正生態(tài)足跡模型，計算了奧地利1926～1995年的生態(tài)足跡及1926～2000年的“實際土地需求”；Wackernagel等［19］（2004）也做了相關研究，分別采用年平均產(chǎn)量和當?shù)貙嶋H年平均產(chǎn)量得到生態(tài)足跡及“實際土地需求”，并作出了比較和分析。

2.3 灰色系統(tǒng)分析法

鄧聚龍教授創(chuàng)建的灰色系統(tǒng)分析法，主要涵蓋灰色關聯(lián)分析法、灰色系統(tǒng)建模理論、灰色決策、預測與規(guī)劃方法等［21］。由于存在較大的不確定性，人們多在水資源的研究用到該法。該法研究對象主要是 “部分信息已知”的“小樣本”等不確定性系統(tǒng)，通過對“部分”已知信息的生成、開發(fā)和提取，實現(xiàn)對系統(tǒng)行為、演化規(guī)律的描述和監(jiān)控。該法分析建模時，利用數(shù)量不多的數(shù)據(jù)信息，確定各相關因素間的關系并建立模型。

2.4 系統(tǒng)動力學方法

系統(tǒng)動力學法由麻省理工學院Forrester J W創(chuàng)立，用以研究信息反饋系統(tǒng)［20］。此方法通過建立模型，研究各個變量的相互作用關系。在環(huán)境承載力的研究中，通過調(diào)整指標體系，運用系統(tǒng)動力學模型對擬定的不同發(fā)展模式進行模擬和預測，尋找最低承載力所對應的最佳發(fā)展模式。在量化環(huán)境承載力的各類方法中，系統(tǒng)動力學應用較多。該法主要用于對系統(tǒng)進行的動態(tài)模擬和預測，關注系統(tǒng)內(nèi)部各因子之間的各種反饋關系。但同時，該法也存在模型復雜、模型構(gòu)建困難的缺陷和不足，不利于進行長期模擬和分析。

2.5 能值分析法

能值分析理論和方法是美國生態(tài)學家H T Odum于20世紀80年代創(chuàng)立的分析方法［14，22］。能值分析以能值作為度量標準，將生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)流動和儲存的各種不同種類的能量和物質(zhì)轉(zhuǎn)換成同一標準。能值分析常用太陽能值來衡量物質(zhì)和能量的大小。Campbell（1988）利用能值分析法研究了美國因緬因州的承載力、發(fā)展的可持續(xù)性。2001年，弗羅里達大學的兩名研究學者根據(jù)地區(qū)環(huán)境資源的能值分析，得到了評估經(jīng)濟發(fā)展的一種包括長期、短期承載力的量化方法。長期承載力也稱之為可更新承載力，通過可更新的能值進行運算，短期承載力由環(huán)境負載比率即不可更新的能值與可更新的能值之比來表示。我國學者嚴茂超、B Chen和G Q等也先后采用能值研究承載力。能值分析法克服了承載力各項指標的量綱差異問題，量化結(jié)果也避免了因同一量綱造成的誤差，但計算資源、產(chǎn)品和勞務的能值轉(zhuǎn)換率需要對整個相關系統(tǒng)進行能值分析，非常復雜且難度很大。但能值轉(zhuǎn)換系數(shù)的高度不確定性，導致對能值轉(zhuǎn)換系數(shù)存在著較大爭議。

2.6 指標體系法

指標體系法是一種應用較廣的量化手段，可以方便地和其他方法結(jié)合使用，主要有單要素加權(quán)法、向量模法、模糊綜合評價法和層次分析法等［14，22］。

單要素加權(quán)法首先構(gòu)建由發(fā)展變量和限制變量組成的指標體系，然后賦予各項指標一定的權(quán)重系數(shù)進行加和［式（5）］。向量模法將承載力視為一個由n個指標構(gòu)成的向量，設有m個發(fā)展方案或m個發(fā)展狀態(tài)，對m個承載力的n個指標歸一化，得到的向量的模即為相應的承載力。模糊綜合評價法的模型為：給定兩個有限論域U＝｜u1，u2，u3，…，um｜（評價因素集）和V＝｜v1，v2，v3，…，vn｜（評語集），通過模糊變換B＝A·R（A為模糊權(quán)向量，R為各因素對評語V的隸屬度Rij構(gòu)成模糊關系矩陣）與合成運算，得出評價對象對各評價等級的隸屬度。層次分析法是將承載力核算總是有關的因素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎上進行定性和定量分析的方法。該方法的特點是在承載力的本質(zhì)、影響因素及其內(nèi)在關系等進行深入分析的基礎上，利用較少的定量信息使承載力核算過程數(shù)學化和結(jié)構(gòu)化。總的來看，包括模糊分析在內(nèi)的指標體系法都是靜態(tài)研究方法，主要特點是將人口作為外生變量，不考慮人口對經(jīng)濟生產(chǎn)的反饋，忽略人口、經(jīng)濟和資源系統(tǒng)之間的動態(tài)關系，因而指導性和操作性不強。

式中：Ii為單要素環(huán)境承載力；Wi為響應要素的權(quán)值。

3 環(huán)境承載力的實際應用

3.1 區(qū)域資源環(huán)境承載力

隨著資源環(huán)境承載力評價方法研究的開展與不斷深入，基于區(qū)域資源環(huán)境承載力的研究越來越多，特別是新近的對于城市群資源環(huán)境承載力的評價，城市群在推動我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的同時，已成為資源短缺、環(huán)境污染、生態(tài)破壞等問題高度集中的地區(qū)［23～25］。

王金南等［24］對長江三角洲城市水資源承載力進行評估，結(jié)果顯示2005～2010年，長三角半數(shù)城市承載力狀態(tài)改善明顯，但仍有7個城市處于危機狀態(tài)。江蘇省內(nèi)城市和上海位于長江沿岸和太湖北岸東岸，承載力狀況多為危機狀態(tài)；浙江省內(nèi)城市位于太湖以南和錢塘江沿岸，承載力狀況為良好或一般狀態(tài)，顯著好于江蘇省內(nèi)城市和上海市。

陸建芬［26］利用改進的Topsis法，重新設定權(quán)重和指標體系，整個指標體系包括經(jīng)濟發(fā)展力和資源環(huán)境承載力兩個系統(tǒng)共23項指標，對安徽淮河流域資源環(huán)境承載力進行了評價。評價結(jié)果顯示，資源環(huán)境承載力排名：六安＞滁州＞宿州＞亳州＞蚌埠＞淮北＞阜陽＞淮南。經(jīng)濟發(fā)展力的排名則與之大致相反，表現(xiàn)為資源環(huán)境承載力強的城市，其經(jīng)濟發(fā)展力相對較弱。造成該種現(xiàn)象的原因，被認為是，淮河流域的水資源的極度缺乏，供需矛盾大，礦產(chǎn)等非可再生資源的分布不均，高耗能產(chǎn)業(yè)占有較大比重等。

3.2 城市資源環(huán)境承載力

城市的資源環(huán)境承載力日益受到關注，城市資源日益減少，環(huán)境日益惡劣，人類的生存與發(fā)展面臨嚴峻考驗。針對城市資源環(huán)境承載力的評價，主要針對生態(tài)型新城區(qū)、依賴礦產(chǎn)資源發(fā)展經(jīng)濟的城市進行評價［23，27］。

劉曉麗等［25］認為城市群將作為中國經(jīng)濟發(fā)展的引擎，尤其是京津冀 、長三角、珠三角形成的城市群將主導中國經(jīng)濟的發(fā)展；城市群所造成的生態(tài)環(huán)境問題愈發(fā)地呈現(xiàn)出顯著性、區(qū)域性、復雜性的特征，今后城市群資源環(huán)境承載力研究將趨向于多因素復合型的動態(tài)研究。

陳海波等［27］等通過構(gòu)建目標層（資源環(huán)境承載力）、準則層（承載力）兩個評價體系及要素層四指標（自然資源承載力、社會經(jīng)濟資源承載力、自然環(huán)境承載力和社會經(jīng)濟環(huán)境承載力），對江蘇省城市資源環(huán)境承載力作出了評價，從復合排名看，南京、蘇州、無錫聚為第一梯隊；常州、揚州、徐州、南通、鎮(zhèn)江聚為第二梯隊；連云港、淮安、鹽城、宿遷、泰州五個城市聚為第三梯隊；在資源承載力方面，南京、蘇州、無錫的三個城市的資源承載力排名靠前，淮安、連云港和宿遷四個城市的排名較靠后。

白宏濤等［28］認為土地承載力應該是一定的技術(shù)條件下，特定的時間和區(qū)域內(nèi)，土地資源對人口、社會活動的支撐能力；土地的資源承載力要以生態(tài)保護和布局調(diào)整為出發(fā)點，要以優(yōu)化策略為目的，要緊密圍繞人口容量、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和生態(tài)戰(zhàn)略的戰(zhàn)略環(huán)境評價（SEA）來進行分析和評價。

通過評價資源環(huán)境承載力進而得出其優(yōu)劣程度，資料顯示資源環(huán)境承載力的主要在環(huán)渤海地區(qū)、長江三角洲、京津冀等經(jīng)濟相對發(fā)達或資源相對豐富的地區(qū)得到了應用，各區(qū)域資源環(huán)境承載力如表2所示。

表2 各區(qū)域的資源環(huán)境承載力排名

4 結(jié)語

有關于環(huán)境承載力的研究呈現(xiàn)出快速增長的趨勢，研究內(nèi)容也越來越具體充實，而不再僅僅停留在綜述和理論研究。環(huán)境承載力在定量評價方面，尤其是國內(nèi)學者，以生態(tài)足跡法為主要研究方法，諸多學者［29，30］研究分析表明，簡單地運用生態(tài)足跡法并不能夠全面而準確地計算和評價某一國家或地區(qū)的環(huán)境承載力。目前對于環(huán)境承載力的研究仍然缺乏能夠同時描述環(huán)境承載力客觀性、區(qū)域性及動態(tài)性的科學、系統(tǒng)的指標體系，并且缺乏統(tǒng)一確切的資源環(huán)境承載力評價指標體系，評價方法也缺乏創(chuàng)新性。在模型構(gòu)建方面，主導的資源環(huán)境承載力評價模型還未能出現(xiàn)。今后，還需要從事環(huán)境承載力研究的研究人員結(jié)合實際研究對象的特點，按照可持續(xù)發(fā)展的思路，充分運用數(shù)學、環(huán)境學等相關學科理論，逐步建立和完善動態(tài)且準確的環(huán)境承載力定量評價方法體系。

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