基于状态空间法的扬州市生态承载力定量评价

曹茂林

（扬州市环境监测中心站，江苏扬州225007）

生态承载力指不同尺度区域在一定时期内，在确保资源合理开发利用和生态环境良性循环，以及区域间保持一定物质交流规模的条件下，区域生态系统能够承载的人口社会规模及其相应的经济方式和总量的能力。生态承载力是联系人类活动与自然生态系统的纽带，反映了人类活动与生态系统功能结构之间的协调程度，决定着一个区域经济社会发展的速度和规模，具有客观性、多尺度和自相关等特点［1］。生态承载力研究涉及对目标系统动态、相互作用及反馈等过程的定量描述和状态评价。

扬州市地处华东经济发达地区，人口、资源、环境压力较为突出。为促进城市的可持续发展进程，中德两国政府在扬州市开展了“生态城市规划与管理”合作试点，以期为中国的生态城市建设提供示范。近年来，扬州的经济保持了良好的增长态势，总量壮大，速度加快，2010年全市人均GDP达到4.98万元／人，在江苏13个省辖市中位列第7位，在“长三角”22个城市中位列第13位，经济社会发展处于本地区中等水平。分析研究扬州市的生态承载力状况，不仅是扬州生态城市建设的需要，而且对于本地区其他城市的可持续发展研究具有较好的借鉴意义。

1 状态空间法模型

生态承载力研究的方法目前尚处于探索阶段，主要有种群数量的Logistic法、资源供需平衡法、指标体系法和系统模型法。状态空间法是欧氏几何空间应用于定量描述系统状态的一种有效方法，已经成为目前最主要的指标体系计算方法，通常由表示系统各要素状态向量的三维状态空间轴组成，区域生态承载力的大小可用状态空间的原点同系统状态点所构成的矢量模来表示：

式中wi就是xi轴的权。

由于现实的生态承载力状况与状态空间中理想的生态承载力并不完全吻合，通常会有一定的偏差，从而导致区域承载状况出现超载、满载或可载3种情况。区域承载状况的计算公式为：

式中：RCS为现实的区域承载状况；θ为现实的区域承载状况矢量与资源环境承载体组合状态下的区域生态承载力矢量之间的夹角。

根据状态空间模型分析，超载时的区域承载状况矢量的模必然大于区域承载力矢量的模；反之，可载时区域承载状况矢量的模则小于区域承载力矢量的模［2］。据此可对夹角θ的符号及现实的区域承载状况与承载力的关系用下式判别：

2 指标体系及理想值的确定

使用状态空间法度量某个区域的生态承载状况，必须构建1套能有效反映区域系统状态的指标体系。一般将影响生态承载力的指标分为压力类指标和承压类指标，在兼顾指标的完备性和数据可得性的前提下，构建的生态承载力指标体系如表1所示。

确定各项指标理想状态的值大多采用问卷调查法，征求专家意见，或者利用现有的国内国际标准。考虑到扬州建设生态城市的目标定位，以国家生态市建设指标、《扬州生态市建设规划（2000－2020）》远景目标值和江苏省平均值（压力类和承压类指标分别向下、上浮动20%）的次序选取理想值。现状值为2010年数据，依据扬州统计年鉴整理。

3 赋权及数据规范化

在多指标综合评价中，确定指标权重的方法分主观赋权和客观赋权。主观赋权根据评价者对各指标的重视程度决定权重，客观赋权根据各指标的联系程度或指标所提供的信息量决定权重。采用的层次分析法（AHP）就是一种常用的主观赋权方法。AHP法是美国运筹学家Saaty于20世纪70年代提出的一种多目标、多准则的决策分析法，适用于结构比较复杂，目标较多且不宜量化的决策问题［3］。

表1 生态承载力评价指标体系

A层 B层 C层 计量单位 理想值 现状值 权重资源环境要素承压类指标i14：人均水资源量 立方米／人 584.9② 528.8 0.086 6 i15：人均耕地面积 亩／人 1.073② 0.963 0.047 0 i16：城镇人均公共绿地面积 平方米／人 11③ 19.83 0.004 9 i17：环境保护投资占GDP的比重 % 3.5③ 3.53 0.016 1 i18：城市污水集中处理率 % 85③ 87.5 0.012 6 i19：城镇生活垃圾无害化处理率 % 90③ 96.82 0.007 7 i20：工业固体废物处置利用率 % 90③ 99.89 0.007 9 i21：森林覆盖率 % 15③ 18.31 0.020 4 i22：受保护地区占国土面积比例 % 17③ 20.2 0.028 1 i23：人均粮食产量 千克／人 493.3② 625.3 0.038 8 i24：农民年人均纯收入 元／人 8 000③潜力要素9 462 0.007 6 i25：城镇居民年可支配收入 元／人 27 533② 21 766 0.005 6 i26：人均GDP 万元／人 5.8① 4.98 0.020 3 i27：第三产业占GDP比例 % 40③ 37.6 0.013 7 i28：人均实际利用外资 美元／人 434.5② 560.2 0.027 9 i29：高新技术产业产值占工业产值的比重 % 39.6② 37.9 0.052 9 i30：每万名从业人员中R＆D人员 人／万人 421.3② 245.5 0.036 8 i31：每万人拥有医生数 人／万人 19.7② 17.2 0.004 0 i32：高速公路密度 公里／百平方公里 4.75②4.04 0.011 1注：①源自《扬州生态市建设规划（2000－2020）》；②江苏省平均值源自《2011年江苏统计年鉴》（北京：中国统计出版社，2011.8），调整20%作为理想值；③源自《生态县、生态市、生态省建设指标（修订稿）》。

AHP法要求按层次结构自上而下逐层建立判断矩阵。例如，对B层次的“经济增长要素”及其隶属的10项指标i01，i02，…，i10，进行重要性的两两比较，所得到的判断矩阵如表2。

表2 经济增长要素10项指标的权重判断矩阵

根据矩阵理论，判断矩阵的最大非零特征根对应的特征向量分量即为权重，采用方根法可计算矩阵特征向量的值，见表3。

其他要素所属指标的权重亦采用相似的方法确定，不再赘述。全部层级的权重系数确定后，各项指标相对于总目标的权重可逐层传递得出，计算结果见表1。

为消除不同指标量纲和数量级差对于评价的影响，需要对各项评价指标的原始数据进行规范化处理。其中的负值或零需先作平移，以使数据有效。增长类指标（如：i01，i02，…，i12）低于理想值有利，采用下式进行规范化处理：

式中xi为规范化处理后的数值，Bi为指标i的原始数据，B′i指标i的理想值。而制约类指标（如：i13，i14，…，i32）高于理想值有利，则采用下式进行规范化处理：

表3 经济增长要素10项指标的权重系数

4 结果与讨论

4.1 扬州市生态承载现状接近饱和，经济迫切需要转型

各项指标经过规范化处理后，理想状态时生态承载力RCC＝1。2010年扬州市生态承载现状为：

扬州市RCS＜RCC，生态承载能力处于可载状态，但已接近满载，进一步承载的空间有限。在13项压力指标中，贡献最大的依次是人口密度、万元工业产值废气排放量、二氧化硫排放强度，3项指标的累计贡献率达40%。这与扬州市地处中国人口密集区，产业以制造业为主导和以煤炭为主的能源结构有关。资源环境要素评价结果显示，扬州市加大生态环境建设，提高污染物处置能力，为增强生态承载能力奠定了基础。但产业队伍中研发人员比例不高，将削弱扬州市转变经济增长方式，实现资源驱动向创新驱动转型的努力。从改善区域生态承载状况的角度看，扬州市经济转型的重点应是在促进传统产业升级的基础上，大力提升自主创新能力，发展高新技术产业和现代服务业，不断降低资源能源消耗，优化能源结构，提高清洁能源的比重。

4.2 科学设计指标体系是状态空间法的关键

1套理想的指标体系应满足3个条件：①指标具有可比性，即指标是根据统一的原则和标准选取的；②指标表达形式简单，信息量充分；③指标之间应相对独立，减少信息重叠。指标筛选须遵循科学性、可操作性、必要性和完备性的原则，对已有指标如生态县（市、省）建设指标、生态规划指标、可持续发展潜力评价指标等可加以应用。

4.3 确定理想状态的参比值是状态空间法的难点

状态空间法模型将现状值与理想值的比较作为系统参数，因此，确定不同时期不同区域承载力的理想值是工作的难点，也是保证计算结果精确性的重点。由于各个地区发展阶段不同、环境禀赋差异，很难确定一个普遍适用的理想值。通常可采用问卷调查，借鉴国际国内相关标准，参照可持续发展状态维护得好的邻近区域等的方法确定理想值。对部分难以确定理想值的指标，采取将省内均值适当调整后作为理想值的办法不失为一种现实的选择。

［1］ 王开运.生态承载力复合模型系统与应用［M］.北京：科学出版社，2007：6－10.

［2］ 毛汉英，余丹林.区域承载力定量研究方法探讨［J］.地理科学进展，2001，16（4）：549－555.

［3］ 王以彭，李结松，刘元立.层次分析法在确定评价指标权重系数中的应用［J］.第一军医大学学报，1999，19（4）：377－379.