生态承载力实测研究及其规划应用探讨

周元 姚崇怀 贺雪刚

摘要：为探究武汉市东湖绿心的合理规划利用方式，基于生态承载力理论，采用3种不同方法，对东湖绿心生态承栽力作出了定量评价。结果表明：研究区自然净第一性生产力较高.但陆域生产力偏低;生态现状处于轻度赤字;总体碳氧不平衡。依据评价结果，对东湖绿心提出了规划控制策略——东湖绿心核心区仍需要5.84 km2的标准林地建设，才能达到本区域的碳氧平衡;此外，东湖绿心核心区的规划人口上限为5.59万人，开发强度上限为46.65%。

关键词：生态承载力;自然植被净第一性生产力;碳氧平衡;生态足迹;生态规划

中图分类号：Q948

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）8-0001-07

1 研究范围

本文主要针對武汉市东湖绿心进行了生态承载力的测算研究，将研究区域分为3个部分，即东湖绿心核心区、联动区和辐射区（图1、图2），三个区域依次嵌套。东湖绿心核心区范围为东湖风景名胜区范围，东至武广铁路，西至东湖路，北以筲箕湖以北地区及中北路延长线为界，南边界至老武黄公路、喻家山、南望山一线山脉南麓区域，总用地面积约62 km2。联动区范围拓展至东湖风景区管委会托管区及杨春湖地区，其中东湖风景区管委会托管区范围为东至严西湖，西至东湖路，南边界至珞喻路.北至中北路延长线。联动区总用地面积约95 km2。辐射区范围拓展至武昌、洪山、青山、东湖高新等区域。该范围以核心范围及联动范围为中心，向外蔓延。核心区总用地面积约560 km2。

2 相关理论及研究方法

2.1 生态承载力理论

承载力是衡量人类活动与自然环境之间关系的科学概念，是人类可持续发展管理和评价的重要依据。它形象地将人类生活对于自然的依存关系概括出来，使得其成为生态学、生命科学等学科中最重要的概念之一（向芸芸，蒙吉军，2012）。

承载力理论的起源最早可以追溯到18世纪90年代Malthus提出的人口论，它为承载力理论奠定了坚实的基础;此后，Malthus本人、比利时数学家Verhulst及其同事Reed分别独立提出了人口承载力的数学表达公式（Peng Kang，Xu Linyu.2010）;至1953年，Odum出版了Fundamentals of Ecology，完善了以人口统计学为切入点的承载力理论（顾康康2012）。

生态承载力是从生态学与承载力理论中衍生出的概念，1921年，Park和Burgess首次在生态学研究小应用了生态承载力的概念，并赋予其定义——在某个营养物质、生存空间、阳光气候等生态因子一定的环境条件下，某种个体存在的数量最高极限（封志明等，2017）。

2.2 研究方法

主要选取当前承载力研究领域最为广泛的3种评价方法——自然植被净第一性生产力估测法、生态足迹法、碳氧平衡法——对本文的研究区域的生态承载力进行定量评价，并试图依据评价结果对研究区域的规划利用提出相应策略。以下分别介绍所选取的研究方法之基本原理与模型。

（1）自然植被净第一性生产力估测法。植被净第一性生产力（NPP）是指绿色植物在单位面积、单位时间内所累积的有机物总量，是植物净光合作用产物总量（周广胜，张新时，1995）。NPP大小直接反映了植被群落的生产效率及自然生态系统的恢复能力。某一地区的NPP大小可以在一定程度上表征该地区对于人类活动的承载能力强弱（潘竟虎，冯娅娅，2017）。目前世界上已经产生了很多NPP测定的数学模型，大体上可以分为三类：过程模型、气候模型和光能利用模型。我国一般采用气候统计模型，如王家骥等人对黑河流域生态承载力的估测（王家骥，等，2000）中，采用的是周广胜、张新时所提出的气候模型（周广胜，张新时，1996），其计算方法如下：

式中：RDI为辐射干燥度;r为年降水量;NPP为自然植被的净第一性生产力;PER为可能蒸散率;PET为可能蒸散量;BT为年平均生物温度;t为气温小于30℃、大于O℃的日均值;T为气温小于30℃、大丁0℃的月均值。

（2）生态足迹法。生态足迹理论最早是由加拿大经济学家William及其博士生Wackermgel在1991年提出的，是指在一定人口与经济规模下，维持资源消费和废物消纳所必须的生物生产性土地面积，生态承载力则是某个地区所能提供给人类的生物生产性土地总和（谭伟文，文礼章，2012）。当某一地区生态足迹大于生态承载力时，则该地区产生生态盈余，即区域内生态现状维持较好并可持续发展;反之，则该地区出现生态赤字，即区域内生态遭到破坏并可能进一步恶化（ Lu Zhang，Mawuli，2017）。

生态足迹理论将人类对于资源的需求转换为生物生产性土地面积，并将地表用地分为6类——耕地、林地、牧草地、建筑用地、化石能源用地及水体，人类所需要的各类资源均由此6类用地提供（吴朝阳，周璨，2017）。其计算模型如下（周涛，王云鹏，等，2015）：

公式中：EF为总的生态足迹;EC为区域总生态承载力;N为人门总数;ef为人均生态足迹;ec为人均生态承载力;aa：为人均第i种交易商品折算的生物生产面积，i为消费商品和投入的类型;j为生物生产性土地类型;c;为第i种商品的人均消费量;p：为第i种消费商品的平均生产熊力;a;为人均生物生产面积;rj为均衡因子;yj为产量因子。

（3）碳氧平衡法。人类活动不断消耗氧气、释放二氧化碳，绿色植物光合作用则不断消耗二氧化碳、释放氧气，这就是碳氧平衡的基本原理。碳氧平衡理论的计算模型（陈燕飞，胡海波，2010）如下。

从释碳耗氧角度而言，人类活动引起碳失衡的主要原因有化石燃料燃烧、水泥生产、不合理的土地利用和人类自身以及动物的呼吸作用。将释碳耗氧源分为煤炭、石油、天然气、水泥生产、人口呼吸、大牲畜呼吸以及土壤呼吸7类。分别计算其释碳量及耗氧量。

从固碳释氧角度而言，植物生态系统是固碳重要的“汇”，也是释氧唯一的“源”。生态用地主要包括林地、果园、耕地、草地以及水域等。应用生物量法计算固碳量（Sc）和释氧量（So）：

式中，i为上地类型;Ai为第i种上地类型面积;bi为第i种土地类型单位面积生物量;a为单位生物量固碳系数;β为单位生物量释氧系数。

碳氧平衡计算模型：计算区域生态系统的释碳耗氧与固碳释氧能力的差异（ELc、ELo），进而预测保证区域碳氧平衡所需要的生态用地数量。计算公式为：

式中，Dc为释碳量;Do为耗氧量。取上式中较大者为预测区域生态用地需求量的依据，即Max（ELc，ELo）。

考虑到全国年耗能（煤炭、石油）释放的CO2有l/3进入大气，1/3被海洋吸收，1/3固定在陆地生态系统中，一般设定其释碳耗氧量的1/3作为其生态用地的平衡目标（杨璐，章锦河，等，2014），因此将区域碳氧平衡公式改写为：

ELc=（1/3Dc-So）/（αbi）

ELo=（1/3Do-So）/（βbi）

3 测算结果

3.1 自然植被净第一性生产力测算结果

测算植物的净第一性生产力的计算分为两部分，首先采用气候模型类算法中周广胜、张新时提出的气候模型来计算武汉地区的NPP均值，再基于RS/GIS地表植物覆被判别东湖核心区的植物覆被情况，并依据不同植物的生产能力对研究区的NPP进行量化汁算，将研究区域与武汉市的整体水平进行比较，得出的结论更有参考价值。具体测算结果如表1所示。

根据徐继填等在中国生态系统生产力区划（徐继填，陈百明，等2001）文中将中国植被的净第一性生产力的高低划分的5个等级（表2），分析东湖绿心的NPP。

根据表1的计算结果和表2的中国的植被NPP等级的判断标准，武汉地区的生产力处于中间水平，是三等植被净第一性生产力，該系统最低限值为826.03 g/（m2·a），而东湖区域陆域NPP值为794. 63 g/（m2·a），与武汉市总体的自然植被生产力水平相近，表明东湖绿心陆域植被保存完好。自然系统的恢复稳定性可根据植被净生产力的多少度量，东湖绿心陆域植被净生产力高，故其恢复稳定性强。但从东湖绿心整体（计算水体）的NPP计算结果来看，研究区平均NPP仅412.67 g/（m2·a），造成这一结果的主要原因是东湖绿心区域，尤其是核心区域范围内，水体占全部面积的约46%，而所有的植被（包括密林、疏林、草地和农田）面积只占全部面积的约31%，因此单独算其植被的净初级生产力远低于武汉平均水平。总而言之，东湖绿心陆域植被净第一性生产力虽然较高达到我国中等水平，但其总体生产力是处于中等偏下水平，这同时也表明了东湖区域生态环境极为脆弱和敏感，其自身恢复能力较弱。

3.2 生态足迹法测算结果

根据统计资料，计算研究区域的生态足迹及承载力。具体数据统计结果如表3～5所示。

根据计算结果，生物资源人均足迹中水域所占比重最大，其次是牧草地和耕地。依靠东湖和严西湖的水域条件，生物资源的消费中水产品的消耗最大。其后依次是猪肉、蔬菜、稻谷，可以反映出东湖绿心区域人民生活水平较高。能源消费量大于生物资源消费的总和，说明东湖绿心区域人为干扰程度较高。

由人均生态承载力及人均生态足迹，计算研究区域的生态盈亏情况如表6所示。

根据生态足迹与生态承载力的计算结果来看，研究范围内的3个不同尺度的区域中的核心区和联动区承载力高于生态足迹，表现为现状的生态盈余，而辐射区生态承载力略低于生态足迹，表现为生态赤字，核心区、联动区、辐射区的生态盈亏数值分别为：0.16063、0.2194、-0.0989。总体来看，由于东湖区域的优良生态环境，带来了本地区较高的生态承载力与生态效益，在辐射区范围内，虽然出现生态亏损，但仍然远远低于武汉市人均生态赤字1.8，处于轻度超载运行的状态，这与武汉市主城区的高度城市化、硬质化以及人口的高度集中有着密切关系。

3.3 碳氧平衡法计算结果

碳氧平衡法计算结果如表7～9所示。

依据研究区内部释碳耗氧及释氧耗碳量的统计结果，计算研究区域内的碳氧供求余缺。

由计算结果可知.研究区域内，除核心区范围内碳氧平衡得到满足并存在盈余，联动区、辐射区均存在亏损。而随着研究范围的扩大，碳氧供求不平衡的状况越发严重，这正是联动区及核心区的高度硬质化和高强度人群活动所导致的。

4 基于承载力研究的东湖绿心生态策略

4.1 基于自然植被净第一性生产力估测法的生态策略

从自然植被净第一性生产力估测法的结果来看，东湖绿心存在的问题主要是NPP均值过低，过低的NPP值使得东湖绿心区域生态环境极为敏感，小范围的人为干扰都有可能对研究区域的生态环境造成重大伤害。研究区NPP值过低的主要原因是水体占比过大，缺乏高生产率的绿色植物。基于此，对东湖绿心提出规划策略如下。

（1）丰富现状植被层次，将现状的单层群落改造为乔一灌一草结构为主的复层结构，充分利用中、下层植物的生产能力。

（2）增加水生植物、湿生植物的种植，一方面可以提升水体的生产能力，另一方面也对东湖的水体净化起到作用，并具有保护岸线土壤、提供游览观赏等价值。

（3）提升区域总体绿化率，对建设用地绿化率提出40%以上的绿化率要求;对非建设用地中的裸地进行人工增绿灭荒。

4.2 基于碳氧平衡法的生态策略

依据研究区域释碳耗氧情况以及区域内植被的固碳释氧能力，将本区域各类绿地折合为标准生态用地（按标准林地的固碳释氧能力折算）并计算达到碳氧平衡时所需要的标准生态林地总需求量，计算结果如表10所示。

如表10所示，将所有类型绿地一林地的固碳释氧能力为基准归一化后，计算当前研究区的绿地缺额（以标准林地计），计算结果如表11所示。

由计算结果可知.核心区若需要达到碳氧平衡，还需要标准生态用地5.8373 km2;联动区达到碳氧平衡还需标准生态用地31.3921 km2;辐射区达到碳氧平衡还需2834.6715 km2。其中，辐射区所需生态用地远远超出辐射区本身用地面积，说明辐射区目前释碳耗氧量极大，自身无法满足其体系内部的碳氧平衡，这与城市本身的硬质化程度高、建设量大、建设密度大存在直接关系。

由此，提出相应生态策略如下。

（1）辐射区及联动区由于用地限制，不可能通过调整用地达到碳氧平衡，但东湖核心区实现碳氧平衡是可行且必要的。对东湖核心区增设5.8373 km2的标准生态用地。推荐建设标准生态用地的选址如下：①核心区所有农田区域，共计510.27hm2;②核心区草地，共计10.03 hm2;②建设面积缩减189.42 hm2，可以作为生态林地建设用地;④水体沿岸通过栽培池杉林、水杉林，可作为生态林地，具体面积视设计情况而定;⑤核心区建设用地绿地率控制在30%以上，群落结构尽可能选取复层结构，此部分绿地建设不计入标准建设用地面积，但有利于核心区生态承载力的维持。通过用地盘整，具体选址情况如图3所示。

（2）区域内倡导使用清洁能源，如光能、风能、电能等，控制化石能源的消耗量。

（3）改善区域内经济结构，逐步弱化第一、第二产业，扶持第三产业发展。

4.3 基于生态足迹法的生态策略

利用生态足迹法对研究区域的规划人口进行预测，核心区与辐射区的生态盈余是由于区域内人口密度小，而现有建设强度足以满足现状人口的需要。如需要增加规划人口，则在需要满足目前生态盈余状态不变的同时，继续增加建设用地面积。由于单位面积耕地与建设用地对承载力貢献相当，且大规模的耕地对于都市发展区的战略价值不高，因此可以考虑将耕地置换为建设用地以满足规划人口的增加。随着城市发展，武汉市都市发展区的耕地将逐渐转化为建设用地与绿化用地。就现状承载力而言，保持生态不恶化的基础上，3个研究范围内最大能够承受的开发强度、新增建设用地指标及最大规划人口估算数据如表12所示。

此外，由于东湖核心区主要作为风景名胜区，为保证核心区生态资源不遭受破坏，应控制合理游客量，故在此计算基于生态足迹的核心区游客承载力上限，如表13所示。

由此，提出生态策略如下。

（1）为保证可持续发展，核心区、联动区、辐射区分别控制开发强度在46.65%、70.35%、92.03%以下。

（2）为提升用地效率与区域承载力，区域内用地逐渐减少农业用地，增设居住用地与绿地。

（3）为保护区域内生态资源，控制核心区年游客量820万人/（次·d）。

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