基于3S技术的甘南州生态健康与生态承载力耦合

朱晓丽，李文龙，薛中正，许 静，王 浩

(1.兰州大学草地农业科技学院 农业部草地农业生态系统学重点实验室，甘肃 兰州 730020；2.兰州商学院农林经济管理学院，甘肃 兰州 730020)

生态承载力指在一定社会经济条件下，自然生态系统维持其服务功能和自身健康的潜在能力[1-5]。对于任一相对独立的生态系统，一定的生态承载力水平和承受的社会经济压力水平对应着一定的生态系统健康等级[6]。近年来生态健康与生态承载力的耦合研究成为区域生态研究的热点。王中根和夏军[7]采用资源与人类需求差量法度量区域生态环境承载力；高吉喜[8]将生态承载力划分为资源承载力、环境承载力和生态弹性能力三部分，并运用承压指数、压力指数和承压度等指标以描述特定生态系统的承载状况;毛汉英和余丹林[9]应用人类活动、资源、环境所构造的三维空间内的承载状态点描述区域(生态)承载力；杨志峰和隋欣[10]提出了基于生态系统健康的生态承载力，评价了流域水电梯级开发对生态承载力的影响；刘武艺和邵东国[11]提出了“基于城市水生态系统健康的生态承载力压力量化模型”，计算出郑州市1995-2004年城市水生态系统承载力及其压力，并得出相应的城市水生态系统健康指数。已有的研究多集中于生态承载力的评价模型、指标体系和标准以及提高其对策措施等方面[10]，但有关生态承载力调控的理论和方法研究十分有限[10]，尤其是从生态健康角度出发探讨基于高寒牧区的生态承载力的研究目前尚未实例。针对以上问题，本研究选取适合于高寒牧区基于生态健康的生态承载力的评价模型，构建了区域自然、社会和经济系统健康的评价指标和标准，对典型高寒牧区——甘南地区的生态承载力进行评价，从而为甘南及其类似地区的可持续发展提供理论分析基础，并为政府的决策行为提供有价值的参考，对协调牧区社会经济发展有重要的现实意义。

1 研究区概况

甘南藏族自治州地处青藏高原东缘，地理坐标为34°34′～36°6′ N，100°45′～102°29′ E，海拔3 300～4 000 m；辖碌曲、玛曲、夏河、合作4个纯牧区县和卓尼、迭部半牧区县以及舟曲少量牧区县，属于典型的高寒牧区；草原面积达260.25万hm2，占全州总面积的67.64%，可利用草地面积占草地总面积的94.22%；气候寒冷湿润，年均降水量为400～700 mm，降水梯度变化较大；水系发达，其境内黄河干流、洮河、大夏河三大水系流域面积达3.06×104km2；牧区人口增长较快，1980-2005年人口年均增长114%；牧民收入以畜牧业为主，其收入占牧民总收入的47.87%。

2 研究数据与研究方法

2.1数据来源 本研究所用的数据包括甘南地区遥感数据、图件资料和国民经济与社会发展数据。①遥感数据：研究区2000-2008年植被生长季的Landsat ETM+(1～5波段)、Landsat TM数据(1～5波段)的遥感影像数据；②图件资源：研究区行政边界图(1∶200 000)、草地类型图(1∶200 000)以及DEM(1∶200 000)地形高程数据等；③统计资料：研究区气象、降水数据，社会经济类统计资料和自然环境类统计资料。具体数据来源于《甘肃年鉴》(2000-2008)[12-20]，甘南州国民经济统计资料(2000-2008)。

2.2基于生态健康的生态承载力评价指标 根据生态承载力的组成、主要影响因素和研究区实际情况，综合考虑自然资源、生态环境现状和社会经济情况，筛选出22项针对性较强、便于度量的指标，利用SPSS软件进行相关性分析，将评价体系分为3个子系统：B1资源环境指标、B2生态弹性力指标和B3人类社会影响力指标[21-22](表1)。

表1 甘南地区基于生态系统健康的生态承载力指标体系

2.3指标归一化处理 在进行总体评价之前，由于原始指标数据间存在的量纲不同，需要指标间各数量级差异。本研究使用极差正规化法，对第i个评价值进行极差正规化处理：

(1)

通过计算后，将原始数据有效归一化在[0，1]之间，使离散度具有一致性。

2.4指标权重的确定 权重是生态承载力评价中的一个重要因素。指标权重确定的合理与否在很大程度上影响结果的科学性和正确性。因此本研究将采用定性与定量相结合的系统分析方法——层次分析法(Analytic Hierarchy Process,简称AHP法)，在19位专家填写判断矩阵表的基础上，结合加速遗传算法(Accelerating Genetic Algorithm，简称AGA)[17]，计算层次分析中的排序权值(简称AGA-AHP)。

2.5基于生态健康的生态承载力评价模型 状态空间法是一种应用广泛的系统模拟分析和设计方法，适合于对多变量、非线性、时间变化、离散的系统进行分析研究，是一种时域分析方法，不仅描述了系统的外部特性，更揭示了系统的内部状态和性能[9]。根据上述概念模型，基于生态系统健康的生态承载力的计量模型为[10]：

(2)

式中，ECCr为r区域生态承载力；Mr为生态承载力空间向量的模；Eir为r区域第i个资源环境指标在空间坐标轴上的投影；Rjr为r区域第j个生态弹性力指标在空间坐标轴上的投影；Hkr为r区域第k个人类社会影响力指标在空间坐标轴上的投影；Wi、Wj和Wk为第i，j，k个指标对应的权重。

如果考虑生态承载力水平的发展变化状况，则基于生态系统健康的生态承载力指数可表示为：

C=fi(E，R，H，SP，T)

(3)

式中，C为生态承载力指数；E为资源环境承载力指数；R为生态系统弹性力指数；H为人类社会影响力指数；Sp为空间变量；T为时间变量；各分指数的函数表达式为：

E=f(E1，E2，…，En)，R=f(R1，R2，…，Rn)，

H=f(H1，H2，…，Hn)

(4)

式中，E1，…，En为资源环境系统各要素；R1，…，Rn为生态系统弹性力各要素；H1，…，Hn为人类社会影响力各要素。

2.6基于生态健康的生态承载力分级标准 生态系统承载力状况的判别较为复杂，需要综合考虑生态承载力指数和各子系统指数，为了全面衡量生态系统的承载力状况，便于对生态系统承载能力进行直观判断，本研究采用三级判别标准作为生态系统承载能力状态的判别基准[18]。同时采用等间距法把评价结果取值范围分为4个区间，以对应健康、亚健康、不健康、病态4个等级[19]，如表2所示。

表2 生态承载力分级评价基准

3 结果与分析

基于生态健康的甘南地区生态承载力的3个子系统相应的权重A-B1、A-B2、A-B3分别为0.270 3、0.402 8、0.326 9，用以对甘南地区资源环境承载力、生态弹性力、人类社会影响力进行评价的22个指标因子权重如表3所示。

3.1甘南地区资源环境承载力评价 甘南地区8县(市)2000-2008年资源环境承载力指数变化不一致(图1)。自然资源相对充足和人口较少的玛曲县和碌曲县具有相对高的资源环境承载力指数，且状态发展稳定；资源环境承载力指数处于“亚健康”的县为夏河、卓尼和迭部，其中迭部县在2000年以后，其资源环境承载力指数下降较快，由“健康”状态下降为“不健康”状态；人口相对较多的临潭县、舟曲县和合作市从2000-2004年的“不健康”状态下降到“病态”状态，资源环境承载力指数下降明显，其余年份呈缓慢下降趋势。平均资源环境承载力指数值显示甘南地区资源环境处于“不健康”状态，且总体呈下降趋势。

表3 评价指标权重值

图1 甘南地区2000-2008年资源环境承载力评价

3.2甘南地区生态弹性力评价 甘南地区8县(市)2000-2008年生态弹性力指数的地域差异比较明显(图2)。玛曲县生态系统弹性力指数值最高，达到“健康”以上状态，但其抗干扰能力较低，生态环境恶化速度较快；碌曲县、夏河县和舟曲县生态弹性力指数变化也较大，处于相对“不健康”状态，其中夏河县由2000年的“不健康”状态转变为2004年的“亚健康”状态，但2008年又降为“不健康”状态，生态弹性力指数波动较大；而卓尼县、临潭县、迭部县和合作市生态弹性力指数变化较小，处于“不健康”状态。因此从全区生态环境的生态弹性力整体看来，生态系统由“健康”状态向“不健康”状态发展。

3.3甘南地区人类社会影响力评价 2000-2008年甘南地区8县(市)人类社会影响力指数显示(图3)，临潭县人类社会影响力波动不大，2000-2004年压力度上升明显，总体呈小幅上升趋势；卓尼县和玛曲县在2000-2008年间具有较低的人类社会影响力指数；而碌曲县和舟曲县人类社会影响力由“病态”状态发展变化为“不健康”状态，且波动较小，具有相对较小和相对稳定的影响力。总之，该区域2000年平均人类社会影响力指数为0.073 7，评价等级为“病态”状态，2008年评价等级上升为“不健康”状态。

图2 甘南地区2000-2008年生态弹性力评价

图3 甘南地区2000-2008年人类社会影响力评价

3.4基于生态系统健康的甘南地区生态承载力综合分析 甘南地区生态承载力评价结果显示(图4)，2000年生态承载力指数为0.232 3，评价等级为“亚健康”，2004、2008年生态承载力指数分别为0.235 6和0.222 4，评价等级为“亚健康”，呈稳定状态，该地区平均生态承载力呈缓慢下降趋势，但各县(市)生态承载力指数差异明显。

以2000、2004、2008年为例(图5)，2008年甘南地区的夏河县、舟曲县、卓尼县和碌曲县生态承载力指数处于“病态”水平，而合作市生态承载力水平略高于以上4个县；其余的玛曲县、迭部县和临潭县生态承载力状态为“亚健康”状态。

图4 甘南地区2000-2008年基于生态健康的生态承载力评价

以4年为一阶段对研究区生态承载力及其各子系统进行分级评价(表4)，2000-2004年，全区为“低承载-中弹性-较低影响”状态，总体生态承载力为“亚健康”水平。这表明，2000-2004年，该地区资源环境承载力处于“不健康”状态，生态弹性力为“不健康”状态，社会经济发展处于“病态”状态，人们对自然环境的开发破坏程度较小，人类社会对生态系统的影响作用较小。2008年，全区为“低承载-中弹性-低影响”状态，总体生态承载力为“亚健康”水平。与2004年相比，系统生态弹性力等级由“不健康”下降至“病态”状态，人类社会影响力由“病态”上升至“不健康”状态，随着社会经济的发展，人们对自然资源的开发利用程度不断加大，随之而来的生态环境破坏状况日益严重，人类社会对生态系统的影响比2004年有所增加。

图4 甘南地区生态承载力评价

表4 甘南地区平均生态承载力评价分级结果

4 讨论与结论

4.1资源环境承载力 资源环境指标指人类活动对环境的直接压力因子，本研究中包含人均耕地面积、人均林地面积、人均粮食占有量等。2000-2008年甘南地区整体呈现人均耕地面积、畜产品逐渐增加，人均林地、人均草地面积逐渐减少的趋势。以人均草地面积指标为例，人口相对较多的舟曲县、合作市人均草地面积分别由2000年的0.005 2和0.016 4 hm2/人变为2004年的0.004 3和0.018 9 hm2/人，继而降低为0.003 5和0.016 0 hm2/人，其余地区亦有不同程度的降低。不断增加的牲畜数量和相对减少的植被覆盖率导致草地超载严重，草地压力过大，资源环境遭到严重破坏[20]，其指数下降明显。

4.2生态弹性承载力 生态弹性力指标指环境当前的状态或趋势，本研究中提到的具体指标有起伏度、年均温、平均植被覆盖度等。在全球变暖的大趋势下，甘南地区气温总体呈上升趋势，以生态弹性力指数波动最大的夏河县为例，该县2000年年平均温度为2.6 ℃，2004年为2.6 ℃，2008年为3.5 ℃，气温有显著提高，而与此同时，地表径流不断减少，致使该区气候日趋干旱，生物多样性降低，限制牧草生长，造成草地退化。草地覆盖率由2000年的64.59%变为2004年的60%，继而降为2008年的59.98%，从而更加降低了草地植被涵养水资源能力，使该县生态承载能力逐渐下降。此类情况亦以不同程度发生在甘南州各地区，致使全区生态弹性承载力由“健康”状态向“不健康”状态发展。

4.3人类社会影响承载力 人类社会影响指标指环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。虽然作为影响牧区生态安全的最有活力的指标——人口的大幅度增长会通过影响动植物的数量结构、产品需求、经济密度等方面引起生态环境的空间变化，但增强农林牧业产值和大面积造林(草)会使自然面貌和生态环境结构发生显著变化，甘南人民为此也做出了不懈的努力。2000年全州年造林(草)面积为6 319.12 km2，2004年为13 531.45 km2，2008年为14 426.66 km2，持续上涨的造林(草)面积对生态环境效能和经济效益起到促进作用，能够有效地改善区域大气候。有效地帮助了甘南区域人类社会影响力评价等级由“病态”状态上升为“亚健康”状态。

综合以上三方面，基于生态健康的甘南牧区生态承载力指数从2000年的0.232 3降低为2008年的0.222 4，呈缓慢下降趋势，其主要原因由资源环境承载力、生态弹性力、人类社会影响力三方面构成。资源环境承载力长期处于低水平，因而对该区域内草地、林地、水域等自然资源在加以保护的基础上，要加强退耕还林(草)、天然林保护等生态工程的力度，提高资源的利用效率和单位面积上生产效率是提高资源环境承载力的有效途径。生态弹性力处于中低水平，这就要求在限定因子的基础上，加强生态环境保护，增加植被覆盖度，采取综合的生态保护策略和治理措施，提高区域生态系统的抗干扰和自我恢复能力。人类社会影响力处于低和较低水平，因此，要制定合理的人口和社会全面发展的综合政策，在对生态系统的影响中，提高人类活动的正面影响，降低负面影响的基础上，提高劳动者素质，加大科技应用力度。总之，大力发展集约化经济，制定和完善生态环境规划，建立有效的生态效益补偿制度等是提高甘南地区生态承载力的有效措施。以上研究为广大高寒草地牧区可持续健康发展策略的制定提供了有效的理论依据。

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