城市邊緣區生態承載力時空分異研究——以甘井子區為例

裴 鷹,楊 俊,2,*,李冰心,李雪銘,2,葛雨婷

1 遼寧師范大學 自然地理與空間信息科學遼寧省重點實驗室,大連 116029 2 遼寧師范大學 人居環境研究中心, 大連 116029

承載力是生態學上的一項重要指標,它可以反映生物與其生存環境之間的承壓關系,衡量自然環境容納生物生存能力或自然界承受生物生存壓力彈性的限度[1]。關于承載力的研究最早從工程地質領域開始,后被引入生態學領域,指某種環境條件下承載機體所能維系的承載對象閥值[2]。國外對承載力的研究始于20世紀70年代,主要集中在區域承載力[3]、資源要素承載力[4]和生態承載力[5]等方面。與國外研究相比,國內承載力研究出現相對較晚始于20世紀90年代,研究內容也存在差異,主要集中在流域環境承載力[6]、旅游承載力[7- 9]和生態承載力[10]方面。

20世紀以來,人口的快速增長,自然資源的過度開發以及嚴重的環境污染問題嚴重限制了區域社會經濟的發展,社會公眾逐漸意識到人類社會的可持續發展與生態系統的健康緊密相關,可持續發展的核心就是經濟與環境的協調發展。而解決生態環境惡化的關鍵就是對生態承載力進行研究。1921年人類生態學首次使用生態承載力概念。此后,生態承載力的研究方法不斷更新,研究內容不斷豐富。目前國內外針對生態承載力的研究方法主要有NPP[11]、生態足跡法[12-13]、基于生態系統服務的方法(包括ESEF和ESEC)[14]、狀態空間法[15]、高能生態足跡模型[16]、系統動力模型(SD)[17]以及耦合模型[18]。國內外關于生態承載力的研究內容主要集中于水資源生態承載力[19],耕地生態承載力[20],城市群的綜合承載力[21],流域生態承載力[22],旅游生態承載力[23],城市生態承載力[24- 26]等方面。

快速城市化背景下,城市空間不斷向城市邊緣區擴展,城市邊緣區生態問題突出。城市邊緣區作為一個城市化過程中新出現的地域類型,對其概念的表述眾多,諸如“邊緣區”、“城市邊緣帶”、“鄉村-城市邊緣帶”、“鄉村邊緣帶”、“城市影子區”、“城鄉結合部”、“城鄉交錯帶”、“城市遠郊區”和“市區外邊緣區”等,至今尚未形成一個被普遍接受的城市邊緣區的定義。但是,城市邊緣區的“城、鄉二元性”是人們對這一區域達成的共識。同時,其建設持續性及動態變化性等顯著特征受到了高度關注。國外有關城市邊緣區的研究始于1930年代,早期主要是對邊緣區的界定[27-28]和特征[29]上進行分析；進入1970年代,對邊緣區的研究進入了一個成熟的發展時期。其研究側重于理論研究上,包括邊緣區的地域結構[30]、形成演變過程和機理[31-32]的研究；1990年代以后,研究視角由區域視角轉向微觀層面,研究邊緣區的人性化建設[33]以及邊緣城市形成[34],并對第三世界的城市邊緣區[35]給予關注。國內關于城市邊緣區的研究比較晚,開始于1980年代后期,顧朝林最早從國外引進城市邊緣區概念,并指出我國城市邊緣區的研究具有寬闊的發展前景和深遠的理論和實踐意義。1990年代,對邊緣區的研究重點在于邊緣區的概念[30]、特征[36]、范圍界定[37]、演變機制[38-39]。而隨著遙感技術、GIS技術的廣泛應用,研究手段多樣化以及我國城市化進程的加快,城市邊緣區的問題日益凸顯。進入2l世紀,城市邊緣區的研究進入了一個快速發展的鼎盛時期。目前對城市邊緣區的研究更加關注于城市邊緣區空間擴展[40-41]、土地利用問題[42]、產業發展問題[43]、景觀生態變化[44-45]、社會問題[46]、規劃管理[47]、可持續發展[48]等城市邊緣區發展演變過程中的切實問題上。因此,系統的分析城市邊緣區生態承載力變化對城市的發展有著重要意義。

綜上所述,目前對于生態承載力的研究主要集中在兩個方面,一方面,全局性視角下對生態承載力問題進行討論,缺少社區尺度的研究；另一方面,對某一時間段的生態承載力進行定性分析與評價,缺少對連續時間序列的動態定量研究。本文基于大連市甘井子區,以地理信息系統技術為手段,動態分析大連市邊緣區生態承載力在1998—2013年的時空差異,通過對不同階段生態彈性力、土地承載力和人類活動潛力的分析,揭示不同時段下,城市邊緣區中各個社區生態承載力的特點,以期為快速城市化下的大連建設發展提供新的視角。

1 研究區域、數據來源與研究方法

1.1 研究區域

甘井子區(38°47′—39°07′N,121°16′—121°45′E)位于大連市主城區的西北部邊緣區,呈馬蹄形,與大連金州區、沙河口區、旅順口區為鄰,轄14個街道,165個社區,面積502 km2(圖1)。甘井子區是大連市連接主城區與新市區的紐帶,甘井子區是大連市惟一的城鄉結合區,也是大連市城市擴展的惟一區域,特殊的地理區位使得甘井子區不僅具有城市邊緣區的發展機遇,同時也存在生態承載力方面的問題。大連市甘井子區是典型的城市邊緣區,對其研究具有代表意義。

圖1 研究區域位置圖Fig.1 The location of the study area

根據大連市環保局統計數據顯示,2008年之前,甘井子區的三廢排放量高居大連市榜首,近幾年甘井子區政府開始大力調整和優化產業結構,加強基礎設施建設,提高三廢處理率,使得甘井子區的生態承載力狀況得以好轉。隨著“十二五”時期大連全域城市化的快速推進,處于城市邊緣區的甘井子區環境、經濟與社會可持續發展將是大連生態宜居城市建設的重點,因此,將該地域作為中部地區快速城市邊緣區域生態承載力的研究案例區,具有較為明顯的典型性與代表性。同時,重視和解決城鄉結合部甘井子區生態承載力問題,是大連全域城市化建設的必然要求,具有重要現實意義。

1.2 數據來源

本文中土地利用覆蓋現狀指標的數據主要來源于大連市國土資源和房屋局,主要包括1998年土地利用以及2003年、2007年、2013年的SPOT5遙感影像數據；人口密度指標的數據主要來源于第3、4、5、6次人口普查數據；關于地形指標的數據主要來源于地理空間數據云；其他指標的數據主要來源于《大連統計年鑒》、《甘井子統計年鑒》等社會生態環境以及社會經濟統計數據(表1)。

表1 數據來源與說明

1.3 研究方法

1.3.1 計量模型

本文以城市化進程下生態承載力的研究作為研究基礎,引用楊志峰等[49]基于生態系統健康的生態承載力評價方法來計算生態承載力。如在圖2的空間中,承載狀態點可以表示任何一種生態承載狀況。軸A、B、C分別代表生態系統彈性力、土地承載力和人類活動潛力,曲面ABCD對應城市化生態系統下的生態承載力曲面,系統狀態點和狀態空間中的原點構成矢量模(如OD),以此來代表生態承載力量值。

因此,低于ABCD曲面的點(如E點)代表生態狀態趨于崩潰,高于ABCD曲面的點(如F點)表示該生態狀態為一般之上。表達式為：

(1)

式中,Ur為城市化生態承載力；Mr為生態承載力空間向量的模；Eir為r區域第i個土地承載力指標在空間坐標抽上的投影；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個人類活動潛力指標在空間坐標軸上的投影；wi、wj和wk分別為第i、j、k個指標對應的權重。對指標進行歸一化處理,則可計算城市化生態承載力指數。

圖2 城市邊緣區生態承載力計量模型示意圖 Fig.2 Conceptual model of urban fringe ecological carrying capacity A：生態系統彈性力,Ecosystem elasticity;B：土地承載力,Land carrying capacity;C：人類活動潛力,Human activity potential;D：系統狀態點,System status point;E：生態狀態崩潰,Ecological state collapse;F：生態狀態一般,Ecological state

由于動態性,生態承載力指數為：U=fi(E,R,SP,T)

式中,U為城市邊緣區生態承載力指數,E為土地承載力指數,R為生態彈性力指數,SP為空間變量,T為時間變量。

1.3.2 指標體系與評價標準

在我國城市化的發展進程中,城市邊緣區是一個資源消耗和環境污染的集中區,是區域社會經濟發展的重要載體,研究城市邊緣區承載力是保證城市邊緣區可持續發展必須要考慮的重要問題之一。城市邊緣區生態系統是一個開放的自然、經濟、資源和社會復合生態系統,其主要功能表現在物質、能量、信息和人口的流動過程中。城市邊緣區生態承載力強調的是城市邊緣區系統的承載能力,內容應該包括經濟子系統、社會子系統、資源子系統和環境子系統的綜合承載力。由于生態承載力的各個評價指標間有一定的相關性,不同的評價指標對生態承載力的響應強度不同,因此本文將經濟子系統、社會子系統、資源子系統和環境子系統的綜合承載力概括為土地承載力指標、生態彈性承載力指標和人類活動潛力指標3個系統指標,11個指標層來綜合的反映城市邊緣區生態承載力指標體系。其中土地承載力指標和生態彈性承載力指標主要表現資源子系統和環境子系統的綜合承載力,人類活動潛力指標主要表現經濟子系統和社會子系統的綜合承載力。本文采用軟件Yaahp Version對表2的數據進行權重計算得出各指標權重值(表2)。

表2 城市邊緣區生態承載力指標體系及指標權重

1.3.3 生態承載力變化

依據城市邊緣區生態承載力指標體系及評價標準各項指標數據的計量方式不統一,因此應對原始數據進行標準化處理。根據前期數據積累,結合表2的生態承載力指標體系和生態承載力研究方法,借鑒前人研究成果[49]以及征詢專家意見的基礎上對數據進行統計處理,得到基于城市邊緣區的生態承載力標準(表3)。同時,根據指標體系和評價標準將原始數據標準化后輸入承載力模型中進行計算,確定甘井子區生態承載力測度值(表4)。

2 研究結果與分析

2.1 生態承載力時空演變分析

從表3和表4可以看出,1998—2013年甘井子區的生態承載力呈現先快后慢的下降趨勢,從1998年的0.2098下降到2013年的0.1489,生態狀態一直處于良好以上的狀態。在2003年到2007年,甘井子區的生態狀態由0.1736下降為0.1543,表明甘井子區的生態承載力狀態由初期的土地承載力、生態彈性力和人類活動潛力較強開始向城市化進程中的土地承載力、生態彈性力和人類活動潛力較弱狀況發展,但在2013年時這種狀況已逐漸得到控制。

表3 城市邊緣區視角下的生態承載力標準

E：生態承載力指數,Ecological carrying capacity index;L1至L3為各指數對應生態系統狀態為優秀至脆弱的生態承載力向量模

表4 城市邊緣區生態承載力測度值及對應生態狀態

圖3 1998—2013城市邊緣區生態承載力等級分布圖Fig.3 Urban fringe ecological carrying capacity grade distribution map between 1998 and 2013

圖3為城市邊緣區生態承載力等級劃分情況,從圖中可以看出：甘井子區生態承載力等級在空間分布上表現為東西部差異明顯,相同承載力等級小范圍聚集和相近承載力等級間穿插分布的特征。其中,高可承載等級地區主要分布在甘井子區西部的森林公園、主題公園和北部的高爾夫俱樂部、濕地公園。中可承載等級地區分布比較分散,相對集中于甘井子區的中部社區。低可承載地區集中分布于甘井子區中部靠近沙河口區的社區。

2.2 生態承載力社區差異分析

由甘井子區生態狀態社區分布圖可以看出(圖4),甘井子區內部各社區生態承載力程度差異明顯。靠近市區的社區生態承載力15年間變化顯著,生態承載力迅速下降,遠離市區的部分社區生態承載力變化不大,生態環境保持良好以上的狀態。

圖4 1998—2013年甘井子區城市化生態承載力社區分布圖Fig.4 Urban ecological carrying capacity status map of Ganjingzi District′s community between 1998 and 20131. 彩虹社區；2. 蘭豐社區；3. 蘇家；4. 李家；5. 棉花島；6. 宋家；7. 毛塋子；8. 大房身；9. 土城子；10. 前關；11. 后關；12. 拉樹房；13. 后鹽；14. 灣浦；15. 大連灣；16. 后牧；17. 對門溝；18. 郭家溝；19. 金龍寺；20. 大黑石；21. 前牧；22. 沙崗；23. 雙臺溝；24. 西小磨；25. 東小磨；26. 營城子；27. 華岳社區；28. 華振社區；29. 華興社區；30. 華國社區；31. 興利社區；32. 興富社區；33. 秀山社區；34. 興民社區；35. 興強社區；36. 華中社區；37. 秀水社區；38. 金宇社區；39. 中革；40. 鞍子山；41. 夏家河；42. 后革；43. 大東溝；44. 砬子山；45. 由家；46. 羊圈子；47. 星加坡社區；48. 周強社區；49. 周水子社區；50. 周西社區；51. 周南社區；52. 億達社區；53. 周北社區；54. 周順社區；55. 周盛社區；56. 周興社區；57. 小辛寨子；58. 興國社區；59. 天發社區；60. 六祥社區；61. 永安社區；62. 永明社區；63. 錦園社區；64. 名貴山莊社區；65. 永盛社區；66. 新園社區；67. 梅山社區(北)；68. 姚源社區；69. 姚宏社區；70. 姚興社區；71. 金興社區；72. 新盛社區；73. 玉勝社區；74. 新樂社區；75. 玉樂社區；76. 玉峰社區；77. 嶺南社區；78. 南山社區；79. 昌虹社區；80. 郭東社區；81. 藍天社區；82. 郭中社區；83. 南松社區；84. 民航社區；85. 龍江社區；86. 金龍社區；87. 礦北社區；88. 金茂社區；89. 椒北社區；90. 椒中社區；91. 椒東社區；92. 金源社區；93. 金峰社區；94. 梅山社區(南)；95. 六順社區；96. 金旺社區；97. 海燕社區；98. 海茂社區；99. 周發社區；100. 玉山社區；101. 康馨園社區；102. 康盛社區；103. 海鷗社區；104. 六閭社區；105. 甘園社區；106. 七星社區；107. 松山社區；108. 甘峰社區；109. 光明社區；110. 站前社區；111. 東山社區；112. 龍畔社區；113. 友好社區；114. 駿騰社區；115. 盛景社區；116. 奧林社區；117. 陽光社區；118. 景泉社區；119. 龍河社區；120. 泉華社區；121. 泉水園社區；122. 祥和園社區；123. 吉祥社區；124. 大辛寨子；125. 前革；126. 萬眾社區；127. 永昌社區；128. 圣泰社區；129. 井東社區；130. 井南社區；131. 姚盛社區；132. 親親家園社區；133. 井西社區；134. 凌工社區；135. 新園社區；136. 劉家村；137. 大山村；138. 岔鞍村；139. 小平島第二社；140. 繪春社區；141. 鴻盛社區；142. 棠梨村；143. 張家村；144. 百合山莊社區；145. 柳樹村；146. 營城子分場；147. 王家村；148. 廟嶺村；149. 綠洲社區；150. 甘中社區；151. 周東社區；152. 鵬輝社區；153. 永新社區；154. 綠園社區；155. 湖西社區；156. 嶺西社區；157. 棋盤子；158. 凌海社區；159. 欒金村；160. 小平島村；161. 小平島村第一社；162. 河口村；163. 金鋼社區；164. 前鹽；165. 里程社區

總體上,甘井子區西部的社區狀態相對較好,主要原因在于該地區自然保護區覆蓋率比較高,社區綠地面積較大等；中下部靠近沙河口和西崗的社區狀態相對較差且在2003年到2007年之間變化巨大,與西部地區相比,該地區社區綠地面價較小,不同等級的生態狀態表現為相同等級聚集,相鄰等級穿插分布的特征。在1998—2013年間,生態承載程度差的社區由1個增加到34個,承載程度中的社區由61個增加到104個,生態承載程度良的社區從70個驟減為17個,生態承載程度為優的社區也由33個縮減至10個,變化速度在1998年到2007年間較快,2007年到2013年保持相對較平穩狀態。

從社區角度觀察可發現,1998—2013年,甘井子內部各社區生態狀態差異顯著。營城子、大山村等10個村落在15年中生態承載程度為優,生態可承載程度較弱的社區大部分是由上一級生態承載程度的社區變化形成。生態承載程度穩定在中以上水平的社區有張家村、大東溝等,生態承載程度一直維持中等狀態的社區有宋家、前關等,承載程度差的村落相對較少但情況相對復雜,其中除了彩虹社區始終狀態較差外,七星、綠洲等社區是受沙河口、西崗區快速城市化的影響導致生態承載力相對較低,興強、奧林等社區是在城市化過程中受甘井子區自身發展的影響而變化。

3 結論與討論

3.1 結論

本文以城市生態承載力原理為理論基礎,對大連市甘井子區生態承載力的時空演變進行研究,隨著“十二五”時期大連全域城市化的快速推進,處于城市邊緣區的甘井子區環境、經濟與社會可持續發展將是大連生態宜居城市建設的重點,重視和解決城鄉結合部甘井子區生態承載力問題,是大連全域城市化建設的必然要求,具有重要現實意義。同時結合甘井子區生態承載力變化的具體特征,可以為遼寧省乃至全國城市邊緣區生態承載力評價及規劃研究提供參考。從全國角度而言,多數大中城市空間擴張勢頭相當強勁,邊緣區的生態承載力問題普遍存在而且沒有得到充分地認識與挖掘。研究結合甘井子區的區域發展戰略以及大連市總體規劃目標,對未來制定滿足城市邊緣區不同開發和利用需求的決策具有重要的參考價值。社區尺度下的大連市甘井子區1998—2013年間的城市生態承載力變化,研究表明：

(1) 從城市邊緣區生態承載力的整體變化趨勢來看,15年間甘井子區的生態承載力呈現先快后慢的下降趨勢,生態承載程度呈現由優向良,再向中的三個階段的過渡趨勢。

(2) 從城市邊緣區生態承載力等級來看,甘井子區社區生態承載力等級在空間分布上呈現出東西部差異明顯,相同承載力等級小范圍聚集和相近承載力等級間穿插分布的特征。

(3)從城市邊緣區生態狀態的社區差異角度來看,甘井子區內部各社區生態承載力程度差異明顯。靠近市區的社區生態承載力15年間變化顯著,生態承載程度迅速下降,遠離市區的部分社區生態承載力變化不大,生態環境保持良好狀態。

3.2 討論

本文以社區為單元,基于甘井子區自身實際情況,對中國城市邊緣區生態承載力變化特征進行研究,以期為更好的大連建設和改善生態環境服務,得到的研究結果較合理。但是由于區域的差異性和評估方法的不同,評價結果可能不同。但是,在較長時間跨度內,研究得到的生態承載力變化趨勢具備可比性和研究價值,能夠反映區域內生態承載力的變化狀況。但由于獲取數據的精度問題,可能會在一定的程度上對研究結果的準確性造成影響。此外,對生態狀態進行未來預測及提出保護和開發建議有待深入研究。