基于改進層次分析法的四川省生態(tài)承載力評價

楊 謙1a,刑立文2,趙 璐

(1.四川大學(xué) a.公共管理學(xué)院;b.水利水電學(xué)院,四川 成都 610065;2.山西省水利水電科學(xué)研究院,山西 太原030002)

1 引言

1921年美國Park、Burgess首次提出了生態(tài)承載力概念,它是指在某一特定的環(huán)境條件下(生物群落和無機環(huán)境組成的空間),某種生物個體存在的數(shù)量極限[1],也稱為“生態(tài)容量”。Costanza[2]、Wackernagel[3]等認(rèn)為生態(tài)承載力的研究應(yīng)建立在涵蓋自然資源、環(huán)境和社會經(jīng)濟等多種因素的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)之上。我國高吉喜[4]、王家驥[5]、毛漢英[6]等從多種角度對生態(tài)承載力的概念進行界定,認(rèn)為它作為一個“自然—經(jīng)濟—社會”復(fù)雜系統(tǒng),內(nèi)容上體現(xiàn)在三個方面。即生態(tài)系統(tǒng)具有的對外界變化進行自我維持和調(diào)節(jié)的生態(tài)彈性力,環(huán)境治理、社會進步和經(jīng)濟發(fā)展給承載媒體提供的支撐力,人類活動和社會經(jīng)濟生產(chǎn)活動對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力。作為衡量區(qū)域經(jīng)濟社會協(xié)調(diào)發(fā)展程度、生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展能力的重要依據(jù),生態(tài)承載力已成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點[7-9]。

隨著生態(tài)承載力理論研究的不斷深入,生態(tài)承載力的量化方法也呈現(xiàn)出多元化、系統(tǒng)化的特點,如生態(tài)足跡法[7,10]、能值分析法[11]、基于層析分析法確定權(quán)重的指標(biāo)法[8]等;研究范圍囊括了流域[12]、湖泊[13]、城市群[14,15]等;研究尺度有基于省域[7]和市域[8]空間尺度的研究,也有針對時間節(jié)點[15]、時間段[7]進行的時間尺度的研究;研究對象涵蓋了水域環(huán)境[16]、土地資源[17]和礦產(chǎn)資源[6,18]等。但多數(shù)學(xué)者單從生態(tài)承載力的某一個方面進行評價,如生態(tài)彈性力、資源承載力或環(huán)境承載力,較少綜合考慮區(qū)域生態(tài)環(huán)境、資源、社會和經(jīng)濟發(fā)展,且少有研究分析承載力變化的趨勢及影響因素。

結(jié)合已有研究,本文通過構(gòu)建較為完整的生態(tài)承載力綜合評價指標(biāo)體系,利用改進層次分析法對評價指標(biāo)進行賦權(quán),對四川省生態(tài)承載力進行綜合評價并分析其變化趨勢和影響因素,以期為四川省生態(tài)文明建設(shè)和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展提供可供參考的理論依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

四川省位于我國西南地區(qū),地處長江上游,介于92°21′—108°12′E、26°03′—34°19′N,全省面積48.5萬km2,居全國第五位。四川省氣候類型多樣、降水充沛,年降水量1000—1200mm,豐富的降水形成眾多河流,素有“千河之首”之稱；省內(nèi)自然資源豐富、能源種類多樣。四川西部為高原、山地,東部為盆地和丘陵,山地是四川的主體地貌,占77.2%,廣袤的面積和多樣的地貌造就了四川多樣的風(fēng)土人情、豐富的生物資源和獨特的自然景觀,旅游資源豐富。2016年四川省GDP總量達(dá)到32680.5億元,位居全國第六位(未包含香港和澳門特別行政區(qū)、臺灣地區(qū)，下同),GDP增速為7.7%。

3 研究方法

3.1 評價指標(biāo)體系

本文根據(jù)參考文獻(xiàn)[6,8,15]并結(jié)合四川省的數(shù)據(jù)資料,將四川省生態(tài)承載力評價體系分為4個層面(表1),依次為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、因素層和指標(biāo)層。目標(biāo)層為生態(tài)承載力；準(zhǔn)則層包括生態(tài)彈性力、承載媒體的支撐力、承載對象的壓力3個方面；因素層包括氣候、水文、環(huán)境治理和投資、社會進步、經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境污染、人口壓力等10個影響因素；指標(biāo)層是選定的具體指標(biāo),包含年降雨量、工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率、人口密度、城市居民最低生活保障人數(shù)、普通高等學(xué)校本專科畢業(yè)生人數(shù)、固定資產(chǎn)投資率、城鄉(xiāng)居民養(yǎng)老保險覆蓋人數(shù)、非農(nóng)業(yè)人口占總?cè)丝诒戎氐?3項具體指標(biāo),評價指標(biāo)體系見表1。

表1 四川省生態(tài)承載力評價指標(biāo)體系

3.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

根據(jù)屬性不同將研究指標(biāo)分為效益型和成本型。效益型指標(biāo)的值越大越有利,成本型指標(biāo)值則相反。生態(tài)彈性力和支撐力屬于效益型指標(biāo),壓力屬于成本型指標(biāo)。為了將各評價指標(biāo)量綱統(tǒng)一,同時考慮效益型指標(biāo)和成本型指標(biāo)的特點,本文采用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法進行歸一化處理。

效益型指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化方法:

(1)

成本型指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化方法:

(2)

3.3 改進層次分析法

層次分析法是將系統(tǒng)涉及的相關(guān)要素按性質(zhì)及目標(biāo)要求構(gòu)建成一個各要素間、要素集合間相互關(guān)聯(lián)的有序?qū)哟谓Y(jié)構(gòu),以作為優(yōu)化決策依據(jù)的一種分析方法[19]。使用層次分析法進行指標(biāo)相對重要性評價時,通常采用九標(biāo)度法,但本文構(gòu)建的評價體系較復(fù)雜,在專家進行指標(biāo)重要性評判時容易出現(xiàn)不確定、偏差大、計算量大的弊端[20],因此本文采用三標(biāo)度法[20]。針對傳統(tǒng)的層次分析法構(gòu)建的判斷矩陣不滿足一致性條件,需要檢驗和修正計算精度不高的問題,本文將特征向量法與行歸一法、方根法結(jié)合使用,解決了原層次分析法中判斷矩陣的一致性問題,提高了收斂速度和精度[21]。

建立比較矩陣K:為了易于各層指標(biāo)之間進行重要性比較,提高比較結(jié)果的客觀性,通過專家打分,采用三標(biāo)度法對各個層次的指標(biāo)進行兩兩比較得到比較矩陣K:

k11k12…k1j…k1nk21k22…k2j…k2n??????ki1ki2…kij…kinkn1kn2…knj…knn

(3)

式中,kij為比較矩陣中因素i與j的比較值:

(4)

3.4 構(gòu)建評價模型

生態(tài)彈性力指數(shù)的計算式為:

EEC=∑Rij×Wi(i=1,2,3，…，12;j=1,2,3)

(5)

承載媒體支撐力指數(shù)的的計算式為:

CCC=∑Rij×Wi(i=1,2,3，…，12;j=1,2,3，…，15)

(6)

承載對象壓力指數(shù)的計算式為:

′CCP=∑Rij×Wi(i=1,2,3，…，12;j=1,2,3，…，15)

(7)

式中,EEC為生態(tài)彈性力指數(shù);Rij為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值;Wi為權(quán)重值;CCC代表承載媒體支撐力指數(shù);CCP代表承載對象壓力指數(shù),其他符號同前。EEC和CCC越大,說明生態(tài)彈性力及承載媒體的支撐力越大；CCP越大,說明生態(tài)系統(tǒng)所承受的壓力越小。對各子項評價結(jié)果進行加權(quán)求和,可得生態(tài)承載力指數(shù)ECC:

ECC=∑Ai×Wi(i=1,2,3)

(8)

式中，Ai為子項i的評價結(jié)果指數(shù)；Wi為權(quán)重。

4 結(jié)果分析

4.1 指標(biāo)層權(quán)重結(jié)果

以準(zhǔn)則層為例,根據(jù)式(3)、式(4)得生態(tài)彈性力、承載媒體的支撐力、承載對象的壓力三個指標(biāo)的比較矩陣Ku:

0.51100.50000.5

(9)

根據(jù)以上得到矩陣Ku的互補型判斷矩陣Ru:

0.50.750.750.250.50.50.250.50.5

(10)

同時利用方根法求得矩陣Ru的排序向量W(0)=(0.4522,0.279,0.279)T。根據(jù)以上步驟將Ru變換為互反型矩陣):

1330.3333110.333311

(11)

將W(0)作為特征值法的迭代初值V(0),并根據(jù)以上步驟,經(jīng)過三次迭代之后求得滿足精度的最終權(quán)重排序向量W(3)=(0.6,0.2,0.2)T。利用同樣的方法,構(gòu)建因素層和指標(biāo)層各指標(biāo)間的比較矩陣,計算互補型判斷矩陣的排序向量,并分別以因素層、指標(biāo)層各指標(biāo)間互補型判斷矩陣的排序向量為迭代初值,計算迭代后的排序向量并得到最終權(quán)重,計算結(jié)果見表2。準(zhǔn)則層中,生態(tài)彈性力、承載媒體的支撐力、承載對象的壓力所占權(quán)重分別為0.6、0.2、0.2,彈性力對生態(tài)承載力影響最大。因素層中,在影響生態(tài)彈性力的三個因素內(nèi),氣候與水文權(quán)重均為0.4286,地物覆被占0.1429,氣候和水文對生態(tài)彈性力有決定性影響;承載媒體的支撐力評價體系中,經(jīng)濟發(fā)展權(quán)重最大,為0.5954;在影響承載對象壓力的各因素中,經(jīng)濟增長權(quán)重為0.4952,表明經(jīng)濟增長對承載對象的壓力影響最大。

表2 四川省生態(tài)承載力各評價指標(biāo)權(quán)重

4.2 生態(tài)承載力

對指標(biāo)層數(shù)據(jù)進行了標(biāo)準(zhǔn)化,并根據(jù)構(gòu)建的評價模型計算了四川省2005—2016年生態(tài)承載力目標(biāo)層和準(zhǔn)則層各指標(biāo)的指數(shù),見表3。

表3 四川省生態(tài)承載力各年度指數(shù)

四川省生態(tài)承載力指數(shù)變化趨勢見圖1。2005—2016年生態(tài)承載力指數(shù)整體呈逐漸上升趨勢,趨勢線斜率為0.0457,表明在2005—2016年承載力指數(shù)以4.57%/a的平均相對速率增長,從2005年的0.590增加到2016年的0.709,增長了20.17%。但承載力指數(shù)波動較大,穩(wěn)定性欠佳,2006年和2011年明顯下降，分別下降了75.93%和40.06%。

圖1 生態(tài)承載力指數(shù)變化趨勢

4.3 生態(tài)彈性力

四川省準(zhǔn)則層指數(shù)變化趨勢見圖2,生態(tài)彈性力指標(biāo)層指數(shù)變化趨勢見圖3。從圖2可以看出生態(tài)彈性力總體呈波動上升趨勢,各年份之間的差異較大。四川省生態(tài)彈性力指數(shù)2006年和2011年分別為0.024和0.357,2012年較高,達(dá)0.866。從圖3可見,四川省2005—2016年的森林覆蓋率不斷提高,有利于增強四川省的生態(tài)彈性力。2006年和2011年受持續(xù)高溫干旱天氣影響,四川省各市(州)均遭受了不同程度的干旱災(zāi)害[22,23]。四川省的水資源主要來源于天然降水[24,25]。由于干旱,降雨對地表水和地下水的補給作用不足,2006年和2011年的水資源總量分別僅為1861.0億m3和2240.2億m3,水資源總量明顯下降,導(dǎo)致四川省生態(tài)彈性力在2006年和2011年出現(xiàn)明顯下降。可見,水資源穩(wěn)定性不足導(dǎo)致四川省生態(tài)彈性力劇烈波動,干旱對四川省生態(tài)承載力影響較大。水資源管理規(guī)劃已成為制約四川省生態(tài)承載力穩(wěn)定的重要因素。

圖2 生態(tài)彈性力、支撐力、壓力指數(shù)變化趨勢

圖3 生態(tài)彈性力指標(biāo)層指數(shù)變化趨勢

4.4 承載媒體的支撐力

2005—2016年四川省承載媒體的支撐力指數(shù)呈整體上升趨勢,指數(shù)從2005年的0.140提高到2016年的0.988,2010年以后支撐力指數(shù)有加速增長趨勢(圖2),表明四川省支撐力越來越強。四川省承載媒體支撐力指標(biāo)層指數(shù)變化趨勢見圖4。

圖4 承載媒體的支撐力指標(biāo)層指數(shù)變化趨勢

從圖4可見,社會進步和經(jīng)濟發(fā)展從2010年開始加速增長,環(huán)境治理和投資則增長緩慢。社會進步指數(shù)由2005年的0.13增加到2016年的1。分析原因可以發(fā)現(xiàn),城鄉(xiāng)居民收入水平、城鄉(xiāng)居民養(yǎng)老保險覆蓋人數(shù)、每1000人擁有的醫(yī)院床位數(shù)和普通高等學(xué)校本專科畢業(yè)生人數(shù)4項指標(biāo)均呈倍數(shù)增長,2016年達(dá)到10年來的最大值。其中,城鄉(xiāng)居民養(yǎng)老保險覆蓋人數(shù)從2005年的562.4萬人增加到2016年的3052.4萬人,增長了4.4倍。

在影響經(jīng)濟發(fā)展的各個因素中,人均GDP的權(quán)重為0.495,社會消費品零售額的權(quán)重為0.154,兩者對經(jīng)濟發(fā)展有較強的促進作用。環(huán)境治理與投資方面,工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率等環(huán)境治理工作不斷進步,特別是生活垃圾的無害化處理率從51.2%增長到98.6%,提高了47%。四川省環(huán)境污染治理投資占GDP的比例,2005年為1.1%,2005—2011年下降到0.52%,2014年達(dá)到1%。從絕對化數(shù)量來說,四川省環(huán)境污染治理的總投資不斷增長,但并沒有隨著經(jīng)濟發(fā)展保持正向增長的趨勢,對環(huán)境治理的投資應(yīng)加大。此外,第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重增長緩慢低于我國的平均水平。因此,四川省需要協(xié)調(diào)環(huán)境治理與經(jīng)濟發(fā)展之間的關(guān)系,加大產(chǎn)業(yè)調(diào)整力度,大力發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)。

4.5 承載對象的壓力

壓力指數(shù)越大表示承載對象的實際壓力越小,因此承載對象的實際壓力與壓力指數(shù)變化趨勢相反。2005—2016年,四川省承載對象壓力指數(shù)整體呈上升趨勢(圖2)。2005年壓力指數(shù)為0.459,2008年達(dá)到最高值0.684,2009年達(dá)到最低值0.4,承載對象的壓力達(dá)到最大。從2011年開始,承載對象的壓力指數(shù)持續(xù)增長,壓力不斷減輕。此外,2011年前壓力指數(shù)一直高于支撐力指數(shù),從2011年開始支撐力指數(shù)高于壓力指數(shù),并出現(xiàn)差值擴大趨勢,表明四川省的生態(tài)環(huán)境有所改善。

從圖5可見,四川省人口壓力指數(shù)以2010年為轉(zhuǎn)折點，由波動上升轉(zhuǎn)為連續(xù)下降,人口壓力有上升趨勢。研究期內(nèi),四川省失業(yè)率呈逐步下降趨勢,但城市居民最低生活保障人數(shù)規(guī)模龐大,財政負(fù)擔(dān)沉重。人口自然增長率2010年為2.31‰,2011年增長到2.98‰,2013年突破3‰,2016年增長到3.49‰,人口總量增長對資源的需求不斷加大。資源損耗指數(shù)整體呈增長趨勢,2014年和2016年出現(xiàn)明顯下跌,資源損耗趨于降低,但不穩(wěn)定。2005—2016年環(huán)境污染指數(shù)整體呈波動上升趨勢,資源浪費和環(huán)境污染問題有所緩解。四川省工業(yè)廢水、二氧化硫排放量明顯降低,而工業(yè)固體廢棄物逐年增加,因此進行工業(yè)固體廢棄物的再利用和無害化處理是今后四川省治理環(huán)境污染的一項重要工作。

圖5 承載對象的壓力指標(biāo)層指數(shù)變化趨勢

2005—2016年四川省經(jīng)濟增長指數(shù)呈“V”形,受金融危機的影響,經(jīng)濟增長指數(shù)2008—2010年持續(xù)下跌,2011年開始回升,并有加速增長趨勢。值得注意的是,近年來四川省固定資產(chǎn)投資率從2005年的47.1%提升到2009年的84.9%,尤其是2009年比2008年同比增長了24%,這可能是受到汶川地震災(zāi)后重建投資的影響。2010年和2011年有明顯回落的趨勢,2012年重新回升到80%以上的水平。除2005年外,研究期內(nèi)其他年份的指數(shù)均高于全國平均水平。國際水平的固定資產(chǎn)投資率一般維持在18%—25%,不超過30%,即使處于特殊時期的發(fā)展中國家也不宜長期維持過高水平[26],四川省固定資產(chǎn)投資率有明顯過高的態(tài)勢。此外,四川省固定資產(chǎn)投資效果系數(shù)整體下降,2014年低到9.1%,高投資、低收益的現(xiàn)狀亟待轉(zhuǎn)變,應(yīng)加大對創(chuàng)新和民生領(lǐng)域的固定資產(chǎn)投資。

5 討論與結(jié)論

5.1 討論

徐中民[27,28]對我國各省1999年生態(tài)足跡的研究結(jié)果表明,四川省生態(tài)足跡高于生態(tài)承載力,出現(xiàn)生態(tài)赤字。陳敏[29]在分析2002年我國省域生態(tài)足跡時發(fā)現(xiàn)四川省耕地、化石等礦產(chǎn)資源和林地均出現(xiàn)生態(tài)赤字;廣佳[30]用定量分析方法研究了四川省2005—2011年的生態(tài)足跡和生態(tài)承載力,表明四川省人均生態(tài)足跡增量始終高于人均生態(tài)承載力增量,生態(tài)赤字不斷增長,年均達(dá)3.7357%,經(jīng)濟社會發(fā)展屬于強不可持續(xù)水平。本文利用改進層次分析法研究了四川省2005—2016年生態(tài)承載力指數(shù)與變化趨勢,總體上四川省生態(tài)承載力逐漸增強,但受自然及人為因素的影響,穩(wěn)定性不足;劉東等[31]以縣為基本單位分析了我國空間尺度上生態(tài)承載力供需平衡關(guān)系,發(fā)現(xiàn)人口密度大、流動人口遷入集中的地區(qū)生態(tài)承載力失衡嚴(yán)重。隨著社會對生態(tài)環(huán)境的重視,生態(tài)彈性力、支撐力水平在不斷提高。需要指出的是,本研究將四川省作為一個整體研究其生態(tài)承載力與變化趨勢,但四川省幅員遼闊,地域發(fā)展差異大。張瑩[32]指出,綿陽市人均生態(tài)承載力在2007—2014年由0.319hm2下降到0.311hm2,數(shù)值變化不大,但呈現(xiàn)出持續(xù)下降趨勢;蘇子友[33]對川西南山地地區(qū)的研究則發(fā)現(xiàn)川西南地區(qū)經(jīng)濟高速發(fā)展的同時,生物資源和能源消耗劇烈增長,從2011年開始由生態(tài)盈余轉(zhuǎn)為生態(tài)赤字;王翠華等[34]發(fā)現(xiàn),達(dá)州、巴中、廣元等山地城市均面臨城市化率低的問題,具體表現(xiàn)為人口就業(yè)率低、恩格爾系數(shù)高,可見四川省局部地區(qū)的生態(tài)承載力和整體承載力存在差異。因此,相關(guān)部門在制定政策時,應(yīng)統(tǒng)籌全局,綜合考慮地區(qū)發(fā)展的差異與特點。

四川省生態(tài)彈性力的穩(wěn)定性受到降雨量的制約,為避免生態(tài)彈性力強烈波動,一方面應(yīng)提高生態(tài)水利工程的利用效率,增強水利工程引、蓄、提、灌水各方面能力,增強抵抗干旱災(zāi)害的能力[35,36];另一方面要強化干旱風(fēng)險預(yù)警機制,設(shè)立抗旱專項基金,做到旱災(zāi)提前預(yù)防,抗旱應(yīng)對有序,災(zāi)后快速重建。加強水生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控和景觀生態(tài)規(guī)劃和加強水資源的可持續(xù)性管理,結(jié)合“海綿城市”的設(shè)計理念,科學(xué)、合理地設(shè)計城市水資源循環(huán)系統(tǒng),維持生態(tài)系統(tǒng)的彈性力。提高對環(huán)境污染治理工作的重視度,通過加大環(huán)境治理投資力度,發(fā)展生態(tài)創(chuàng)新技術(shù),降低社會經(jīng)濟發(fā)展對自然資源的損耗;以減少社會總體污染為準(zhǔn)則,完善二氧化碳、二氧化硫等污染物的排放交易協(xié)議,建立污染物排放的市場機制,提高生態(tài)效率;提升大眾的環(huán)保意識和認(rèn)知水平,加強可持續(xù)消費的宣傳教育,減輕人類發(fā)展對環(huán)境的影響;加大產(chǎn)業(yè)調(diào)整力度,大力發(fā)展第三產(chǎn)業(yè),轉(zhuǎn)變產(chǎn)業(yè)發(fā)展方式,提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,提高整體的支撐力。此外,通過加大對服務(wù)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的支持,緩解傳統(tǒng)行業(yè)對資源的消耗和對環(huán)境的破壞;提供政策優(yōu)惠和財政支持,鼓勵大眾創(chuàng)業(yè),提高生態(tài)創(chuàng)新投入,減少社會失業(yè)率,減輕政府的財政負(fù)擔(dān),減輕生態(tài)壓力。

5.2 結(jié)論

本文的主要結(jié)論為:①四川省生態(tài)承載力指數(shù)整體呈明顯上升趨勢,2005—2016年以4.57%/a的相對速率增長,但穩(wěn)定性不足。生態(tài)彈性力權(quán)重高于生態(tài)支撐力和生態(tài)壓力之和,表明生態(tài)彈性力對生態(tài)承載力的變化起決定性作用。②生態(tài)彈性力總體呈波動上升趨勢,在2006年和2011年分別為0.024和0.357。年降雨量和水資源總量占生態(tài)彈性力指數(shù)權(quán)重的0.857，導(dǎo)致干旱年份生態(tài)彈性力較弱。承載媒體的支撐力呈穩(wěn)定上升趨勢,社會進步和經(jīng)濟發(fā)展對承載媒體支撐力的提高提供了很強的推動力,但環(huán)境污染治理投資并沒有隨著經(jīng)濟發(fā)展保持正向的增長趨勢。承載對象的壓力指數(shù)從2011年開始持續(xù)增長,表明壓力的增長有所控制，生態(tài)環(huán)境有所改善。③通過對指標(biāo)層的分析發(fā)現(xiàn),水資源總量是影響四川省生態(tài)彈性力變化的主要因素,有效的水資源管理規(guī)劃成為四川省生態(tài)承載力穩(wěn)定的關(guān)鍵。環(huán)境污染仍是制約四川省生態(tài)承載力提高的重要因素,對工業(yè)固體廢棄物的再利用和無害化處理必須加大。