基于生态安全的高寒牧区生态承载力评价

朱晓丽，李文龙，薛中正，徐丹丹，王 浩

(兰州大学草地农业科技学院 草地农业生态系统国家重点实验室，甘肃 兰州 730020)

基于生态安全的高寒牧区生态承载力评价

朱晓丽，李文龙，薛中正，徐丹丹，王 浩

(兰州大学草地农业科技学院 草地农业生态系统国家重点实验室，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。本研究以甘南藏族自治州(以下简称甘南州)ETM+(Enhanced Thematic Mapper Plus)和TM(Thematic Mapper)遥感影像及统计年鉴数据为依据，应用生态安全评价模型PSR(压力-状态-响应)选取平均植被覆盖度、人均耕地面积、放牧超载率等22个指标，通过基于加速遗传算法的层次分析法(AGA-AHP)获得各指标权重，采用状态空间法定量研究2000、2004和2008年甘南州各县(市)生态承载力状况。结果表明，在2000、2004和2008年，玛曲县、迭部县、舟曲县、临潭县、合作市生态承载力都处于超载状态；夏河县2000和2004年处于超载状态，而2008年处于可载状态，生态承载能力上升；卓尼县2000年生态承载力评价值为1.081 0，而2004和2008年分别为0.934 8、0.924 3，生态承载能力上升；碌曲县2000和2008年生态承载能力都处于超载状态，2004年处于可载状态。该研究可为高寒牧区生态承载力评价及相关研究提供有效的方法。

甘南；生态安全；生态承载力；3S技术

生态承载力即生态环境的承载能力，是自然体系调节能力的客观反映[1-3]。近年国内有不少学者对生态环境承载力进行了研究，有采用定量方法对环渤海地区的资源环境综合承载力的研究[4]；有通过建立区域环境承载力评价体系,定量分析江西区域环境承载力的研究[5]；有通过研究武汉市的环境承载力,阐述武汉市资源利用与环境影响之间的相互关系的研究[6]；有通过构建环境承载力评价指标体系,对辽宁省的区域经济与环境协调发展进行定量研究的[7]。与此同时，国外不少学者亦对承载力进行了研究，有对英国Bournemouth郡内著名的旅游景点Hengistbury Head进行旅游承载力的研究，并为决策、管理及加强当地旅游资源承载力提出建议[8]；据生态承载力与可持续发展理念，通过数学评价模型对非洲撒哈拉地区的人口承载状况进行了分析[9]。然而，已有研究多专注于指标体系及标准，仅将各年度数据进行简单组合，没有进一步挖掘其发展趋势的内在规律，尤其是从生态安全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见实例。本研究基于生态安全[10-11]的理论，对地处青藏高原东部的高寒牧区——甘南藏族自治州的生态承载力进行评价，将“3S”技术应用于生态承载力研究中的大尺度空间数据的获取，弥补了传统土地利用统计数据存在的不足，同时，采用基于加速遗传算法的层次分析法，用定性与定量相结合的办法对指标权重进行确定，通过状态空间法更加准确、科学地研究2000、2004和2008年甘南州各县(市)生态承载力状况，从而对甘南州生态经济问题得以更加深入的研究。

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；拥有碌曲、玛曲、夏河、合作4个纯牧区县(市)和卓尼、迭部半牧区县以及舟曲和临潭少量牧区县，属于典型的高寒牧区；草原面积2.602 5×106hm2，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，年均降水量在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年间人口年均增长11.4%；牧民收入以

畜牧业为主，其占牧民收入的47.87%。

2 数据与方法

2.1评价指标体系的建立 目前国内外生态评价常用模型框架有PSR 模型(压力-状态-响应)、DSR 模型(驱动力-状态-响应)、DPSEEA 模型(驱动力-压力-暴露-影响-状态-响应)、DPSIR 模型(驱动力-压力-影响-状态-响应)[12]等，本研究采用了经济合作发展组织提出的PSR模型[13]。该模型从社会经济与环境有机统一的观点出发,表明人与自然在这个生态系统中各种因素间的因果关系,能更精确地反映生态系统安全的自然、经济和社会因素之间的关系[14]，为生态安全指标构造提供了逻辑基础。本研究在遵从科学客观性、独立完备性、可操作性、区域特殊性以及层次性等模型构建原则的情况下[15]，结合甘南州各县(市)自然资源、生态环境和社会经济实际情况，从生态系统压力、生态系统状态、生态系统响应3个方面，构建1个目标层、3个准则层和22个指标层，对甘南州生态承载力进行评价。

2.2数据处理 研究数据包括甘南地区的遥感数据、图件资料和国民经济与社会发展数据。1)遥感数据：包括研究区2000、2004和2008年植被生长季的Landsat ETM+(Enhanced Thematic Mapper Plus)数据(1～5波段)和Landsat TM(Thematic Mapper)数据(1～5波段)的遥感影像数据,其轨道号为129/37、130/36、130/37、131/35、131/36、131/37、132/36和132/37；利用“3S”技术对2000、2004和2008年相关指标(如NDVI指数等)进行了计算。值得注意的是，在计算植被指数和图像解译分类前利用AOI标出影像中云以及云影区域，采用多景影像合成算法[16]，利用其他影像中无云区域替代估算影像中云及云影区域，进行必要的接边调整，以提高估算精度。2)图件资源：主要包括研究区行政边界图(1∶200 000)、草地类型图(1∶200 000)以及数字高程模型(DEM)(1∶200 000)数据等。3)统计资料：包括研究区气象、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、2004、2008年)和甘南州国民经济统计资料(2000、2004、2008年)[17-19]。

2.3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[17]。因此，本研究采用定性与定量相结合的系统分析方法即层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)，结合加速遗传算法[18](Accelerating Genetic Algorithm，AGA)，计算各评价指标的权值[19-21]。理想值的确定:本研究采用国际通用的中值法确定甘南州各县(市)承载力的理想状态，并通过SPSS软件，分析各指标项的相关性，得出平均海拔、草地放牧超载率、人口密度、人均居民地面积等为负相关指标(表1)。

2.4生态承载力的计算 本研究采用状态空间法[4]进行承载力计算。该方法是欧氏几何空间用于定量描述系统状态的一种有效方法，可利用状态空间中的原点同系统状态点所构成的矢量模数表示区域承载力的大小，在考虑了生态系统的复杂性的同时也考虑到了其动态性。将生态承载力状况的判断简化为以下几个步骤：

1)构造向量(RCSi*)：

RCSi*=RSCi(opr)RCCi。

式中，RCSi代表指标项的现实值，RCCi代表理想值，(opr)代表某种运算符、运算方法或过程，其作用在于使RCSi*的值在取gt;1、=1和lt;1之中的某种情况时，向量(RCSi*)的每一个元素可以表示相对可持续的理想区域承载力。

2)计算n维状态空间中点(RCSi*)到坐标原点的加权距离(M)：

式中，Wi代表各指标项的权重。

3)计算单位向量的模(RCC)：

将M与RCC值进行比较，当M值gt;RCC值时，生态承载力处于超载状态；M值=RCC值时，生态承载力处于满载状态；M值lt;RCC值时，生态承载力处于可载状态。值得注意的是，应对承载体进行正向和负向的不同处理，使研究结果更具科学性。

3 结果

甘南州7县1市各指标RCSi*值，以夏河县2000、2004和2008年数据为例(表2)。

甘南州各县(市)2000、2004和2008年3年基于生态安全的生态承载力状态的地域差异比较明显 (图1)。玛曲县2000、2004和2008年的加权距离分别为5.373 2、2.787 5和3.068 2，超出单位向量的模RCC值(5.166 8、2.581 1和2.861 0)生态承载力，处于严重超载状态；临潭县、舟曲县2000年加权距离分别为0.733 8和0.489 6，而2008年的加权距离为1.068 3和0.731 8，两县均有不同程度的上升，其承载能力逐步下降；碌曲县、迭部县和合作市2000年加权距离分别为0.603 4、0.362 6和0.476 7，2008年分别为0.504 8、0.264 7和0.408 7，虽然仍处于超载状态，但承载能力有上升趋势；夏河县、卓尼县2000年加权距离分别为0.279 6和0.238 2，2004年为0.260 2和0.210 8，较之RCC值(0.206 4)较高或处于水平状态，但2008年两县生态承载力加权距离均小于RCC值，分别为0.206 2和0.203 7，处于可载状态，生态承载能力有上升趋势。

表1 生态承载力评价指标体系Table 1 Index system for evaluating ecological carrying capacity

注：1羊单位为1只体质量40 kg的母羊及其哺乳羔羊，每日约需牧食青草5.0～7.5 kg。

Note: Sheep unit means a 40 kg shorn ewe and her lactation lamb consuming 5.0-7.5 kg fresh grass each day.

通过加权距离与RCC值对比，可将甘南州各县(市)生态承载力所处状态量化，从而进行进一步判断(图2)，于2000、2004和2008年玛曲县、迭部县、舟曲县、临潭县、合作市生态承载力都处于超载状态，其中玛曲县生态承载能力超载最为严重，舟曲县生态承载能力则有下降趋势，M/RCC值的平均增长率为24.63%；夏河县2000和2004年M/RCC值分别为0.860 7和1.009 0，处于超载状态，而2008年M/RCC值为0.935 9，处于可载状态；卓尼县2000年M/RCC值为1.081 0，2004和2008年M/RCC值分别为0.934 8和0.924 3，生态承载能力上升；碌曲县2000和2008年生态承载能力都处于超载状态，2004年处于可载状态。甘南州生态承载力总体处于超载状态，生态环境有恶化趋势。

表2 夏河县2000、2004和2008年各指标项RCSi*值Table 2 The all index RCSi* value of 2000,2004 and 2008 in Xiahe county

图1 甘南州各县(市)基于生态安全的生态承载力状态Fig.1 Ecological carrying capacity state in Gannan Prefecture based on PSR

4 讨论与结论

4.1生态系统状态对生态承载力的影响 生态系统状态(State)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、年均气温、年均降水量等。在全球变暖的大趋势下，甘南各县(市)气温总体呈上升趋势，以生态承载能力超载最为严重的玛曲县为例，2000年年均气温为1.6 ℃，2004年年均气温为1.2 ℃，而2008年年均气温2.1 ℃，气温显著升高，与此同时，地表径流减少，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[22]。草地覆盖率由2000年的73.49%降为2008年的65.14%，更降低了草地植被涵养水资源的能力[23]，使该县生态承载能力逐渐下降。因此，水域生态环境保护和防止草地退化是甘南生态环境综合治理的关键[24]。

4.2生态系统压力对生态承载力的影响 生态系统压力(Pressure)指标指人类活动对环境的直接压力因子，如人均耕地面积、人均林地面积、人均粮食占有量等。2000―2008年甘南州各县(市)的土地利用具有耕地面积逐渐增加、林地和草地覆盖面积逐渐减少的总体趋势。其中，舟曲县、合作市的耕地面积有小幅度的减少。以生态承载力评价指标值平均增长率较高的舟曲县为例，2000年人均粮食占有量为0.220 7 kg·人-1，2004年为0.205 6 kg·人-1，2008年为0.214 3 kg·人-1，而畜产品却在逐年增加。与此同时该县人均林地面积和人均草地面积呈逐年减少趋势，分别由2000年的0.014 6 和0.005 2 hm2·人-1退化为2008年的0.011 6和0.003 4 hm2·人-1。

图2 甘南州各县(市)生态承载力评价值Fig.2 Evaluation value of ecological carrying capacity in Gannan Prefecture

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，生态系统遭到严重破坏。植树造林、退耕还林还草、提高粮食产量是甘南州生态恢复的重要组成部分。

4.3生态系统响应对生态承载力的影响 生态系统响应(Response)指标指环境政策措施中的可量化部分，其在社会处理环境问题过程中不断发展，如本研究中所示的城市化率、人口密度、年造林(草)面积等。其中，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，甘南州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年增加到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，能够有效改善区域大气候。但与此同时，作为影响牧区生态安全的最有活力的指标——人口的大幅度增长却起到相反作用，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。以临潭县为例，2000年该县人口为37 838人，2004年时为42 000人，2008年为46 291人，呈直线增长趋势，人口数量急剧增加，产品需求迅速提高，加之单一化的农业结构，加剧了生态环境资源与人类需求的矛盾，至使该区生态承载能力严重降低[25]。因此，控制人口数量的增加、转移牧业劳动力、提高生产技能是提升生态承载力的有力措施。

[1] Yu L, Zhou L.Using remote sensing and GIS technologies to estimate grass yield and livestock carrying capacity of alpine grasslands in golog prefecture[J].China Pedosphere,2010,20(3):342-351.

[2] 杨志峰,隋欣.基于生态系统健康的生态承载力评价[J].环境科学学报,2005,25(5):586-594.

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

[4] 余丹林,毛汉英,高群.状态空间衡量区域承载状况初探——以环渤海地区为例[J].地理研究,2003,22(2):201-210.

[5] 唐松,刘鲜明,陈斐.江西区域资源环境承载力评价及其启示[J].井冈山学院学报(哲学社会科学),2005, 26(2):76-79.

[6] 毛洪章,陈军.武汉市环境承载力研究[J].理论月刊,2006(1):72-77.

[7] 林楠,尹晓佳,李法云，等.辽宁省区域承载力分析[J].环境保护与循环经济,2007(6):44-46.

[8] Simon F J, Narangajavana Y, Marqules D. Carrying capacity in the tourism industry: a case study of Hengistbury Head[J].Tourism Management,2004,25:275-283.

[9] Xercavins J. Carrying capacity in east Sub-Saharan African:a substainable development approach[D].Terrassa,Spain:Universitat Politècnica de Catalunya,1999:69-109.

[10] 陈星,周成虎.生态安全:国内外研究综述[J].地理科学进展,2005,24(6):8-20.

[11] 黄青,任志远.论生态承载力与生态安全[J].干旱区资源与环境,2004,18(2):11-17.

[12] 谢花林,李波.城市生态安全评价指标体系与评价方法研究[J].北京师范大学学报(自然科学版),2004,40(5):706-707.

[13] Food and Agriculture Organization of the United Nations,Land and Water Development Division.Land Quality Indicators and Their Use in Sustainable Agriculture and Rural Development[M].Michigan:Food and Agriculture Organization of the United Nations,1997.

[14] 施晓清,赵景柱,欧阳志云.城市生态安全及其动态评价方法[J].生态学报,2005,25(12):3239-3245.

[15] 周文华,王如松.城市生态安全评价方法研究[J].生态学杂志,2005,24(7):848-852.

[16] 卫亚星,陈全功,王一谋,等.利用TM资料调查土地利用状况动态变化——以玛曲县为例[J].草业科学,2002,19(3):6-8.

[17] 李文龙,薛中正,郭述茂,等.基于3S技术的玛曲县草地植被覆盖度变化及其驱动力[J].兰州大学学报(自然科学版),2010,46(1):85-95.

[18] 金菊良,杨晓华,丁晶.标准遗传算法的改进方案——加速遗传算法[J].系统工程理论与实践,2001,21(4):8-13.

[19] 金菊良,杨晓华,储开凤,等.基因算法的应用及改进[J].河海大学学报,1998,26(2):75-79.

[20] 倪明,徐福缘.运用基于GA的粗糙集方法改进经典AHP方法研究[J].应用科学学报,2005,23(5):517-528.

[21] 王楠,于俊乐.基于AHP-GA方法的教育评价信息挖掘技术研究[J].天津理工大学学报,2008,24(6):26-40.

[22] 侯扶江,徐磊.生态系统健康的研究历史与现状[J].草业学报,2009,18(6):210-225.

[23] 赵有益,龙瑞军.草地生态系统安全及其评价研究[J].草业学报,2008,17(2):143-150.

[24] 刘兴元,陈全功,王永宁.甘南草地退化对生态安全与经济发展的影响[J].草业科学,2006,23(12):39-41.

[25] 陈敏,曹建军,武高林，等.黄河水源区首曲湿地草地生态系统服务价值初步估算[J].草业科学,2010,27(5):10-14.

EvaluationofecologicalcarryingcapacitiesinGannanbasedonPSRmodel

ZHU Xiao-li, LI Wen-long, XUE Zhong-zheng, XU Dan-dan, WANG Hao

(College of Pastoral Agriculture Science and Technology, Lanzhou University， State Key Laboratory of Grassland Agro-ecosystems, Lanzhou 730020, China)

Ecological carrying capacity refers to the natural ecosystems to maintain their service functions and health potential in a certain socio-economic conditions. The evaluation system of the ecological carrying capacity was established by using satellite imagery (TM, ETM+) and the census data in Gannan region. The 22 indexes including average vegetation coverage, area of cultivated land per capita, grazing overload rate etc. were determined by using the PRS (Pressure-State-Response) ecological safety evalutation model. On this basis, the AGA-AHP was used to calculate the weight value of each index. Then the ecological carrying capacity of each county of Gannan region in 2000, 2004 and 2008 was assessed with help of the State Space Method. The results indicated that the ecological carrying capacities of Maqu, Diebu, Zhouqu, Lintan County and Hezuo City were overloaded in 2000, 2004 and 2008. The ecological carrying capacity of Xiahe County was overloaded in 2000 and 2004, but that was in an ideal state in 2008. The ecological carrying capacity in Zhuoni County was 1.081 0 in 2000, while that was 0.934 8 and 0.924 3 in 2004 and 2008, respectively, in which indicated the ecological carrying capacity was improved in 2004 and 2008. The ecological carrying capacity of Luqu County was in an ideal state in 2004, while that was excesses capacity in 2000 and 2008. This study provided an effective method for evaluation of alpine pastoral ecological carrying capacities.

Gannan; ecological security; ecological carrying capacity; 3S technology

LI Wen-long E-mail:wllee@lzu.edu.cn

S812.29

A

1001-0629(2012)02-0198-06

2011-03-11 接受日期：2011-07-07

国家自然科学基金项目(30700100)；国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2007AA10Z232)；甘肃省“十一五”科技支撑项目(0708NKCA121)

朱晓丽(1987-)，女，甘肃兰州人,在读硕士生，研究方向为草地遥感与GIS。E-mail:nanshu1@163.com

李文龙 E-mail:wllee@lzu.edu.cn