生态承载力评估方法研究进展

李 涛,巩雅博

(1.南华大学 建筑学院,湖南 衡阳 421001;2.生态型区域-城市规划与管理衡阳市重点实验室，湖南 衡阳 421001)

0 引 言

作为评判区域可持续发展能力的重要依据之一，生态承载力研究的理论与方法受到研究者们的持续、广泛及高度关注，是生态学、经济学、地理学及管理学等学科研究的交叉前沿领域。世界自然保护同盟/联合国环境规划署/世界自然基金会[1]指出“可持续发展是在生态系统承载力范围内，改善人类的生活品质”。《中共中央国务院关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见(2019)》[2]中指出，要在资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价的基础上，科学有序统筹布局生态、农业、城镇等功能空间。如今许多重要科学机构都已将生态承载力评估纳为可持续发展的核心研究内容。

生态承载力研究已展开百余年，自二十世纪八十年代后期起，其评估方法得以广泛发展，诸如生态足迹法[3-4]、状态空间法[5]、分级-综合评价法[6]、生态系统服务法[7]、系统模型法[8-9]、净第一性生产力法[10-11]等。受当前生态承载力基本原理欠缺完善之处所制约，生态承载力的评估方法不断推陈出新，但疑问与困惑依然存在，因此，现阶段的生态承载力评估研究，在实践管理调控人类社会经济的应用方面可操作性依然不足。鉴于此，本文对生态承载力研究的源起与发展进行了梳理，评析了当前几种主流生态承载力评估方法，基于人类社会与自然生态系统之间的施压、承载作用流程，指出当前研究不足之处，并对未来生态承载力评估研究的着重方向与内容进行了展望。

1 生态承载力评估方法的发展

1.1 承载力科学概念形成阶段

1798年，英国人口学家马尔萨斯发表了AnEssayonthePrincipleofPopulation一文，促进了承载力科学概念的萌芽。文中提出粮食的线性增长赶不上人口的几何增长或指数增长，故而人口数量不可能无限制地增长下去[12-13]。该研究发现暗含了生物与自然环境之间的关系，使人们开始意识到自然环境因素对生物增长的制约，奠基了之后生态承载力理论的源起。

1838年比利时数学家Pierre F.Verhulst提出了著名的Logistic公式用以表达马尔萨斯的人口假说[14-15]，并用当时法国、比利时、俄罗斯和英国艾塞克斯20年的人口数据对该公式进行了验证，结果发现Logistic公式具有较理想的可信度[14]。此后E.P.Odum于1953年将承载力和Logistic曲线的理论最大值(K)关联[16]，自此学者们便用K值来表达承载力的数学意义。Logistic公式被广泛认可为表达生态承载力概念的最先出现的数学模型。

1921年，R.F.Park和E.W.Burgoss[17]认为生态承载力是某种生物个体在特定的环境前提下，能够达到的最高生存数量。1922 年，S.Hawden[18]从畜牧承载角度提出承载力是在不损害草场情况下，草场可供养的最大牲畜量。该定义将关注焦点由先前的最大种群数量转移到资源环境质量上来，可谓生态承载力概念发展的一大里程碑。

在承载力科学概念的形成阶段，主要探讨了资源环境对种群数量的制约，开始了定义内涵及提出数学表达式，这不仅在现实世界中使人类意识到资源环境对发展的限制，还为以后进一步的科学研究拓展打下了基础[14]。

1.2 生态承载力理论拓展及其评估方法应用探索阶段

二十世纪六七十年代，全球性的资源耗竭和环境恶化问题促使人们进一步意识到人类和生态系统之间相互依存又相互矛盾的关系问题。与起源奠基阶段不同的是，这一阶段的生态承载力研究聚焦于尝试将“生态承载力”作为解决资源环境危机的重要抓手[13]。

1972年Meadows等发表了《增长的极限》，除了马尔萨斯提出的粮食问题外，还结合当下经济社会形式综合考虑了自然资源、工业和农业生产以及环境污染等多重因素,并基于系统动力学构建了著名的“世界模型”用以研究全球环境问题，预测人类社会的未来发展[19]。自此“生态承载力“在不同的科学领域广泛应用[20],在研究焦点上完成了从生物种群到人类及人类经济社会,由小区域到到大生态系统乃至整个地球的转变[21],随后全球范围内展开了诸如全球与区域最大人口容量[22]、城市[23]、流域和区域规划[24-25]，农业[13]、自然资源[26-27]、旅游[28-29]、环境影响评价[30]等各个领域的承载力应用研究。澳大利亚的土地承载力研究[31]、联合国粮农组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO)的发展中国家土地潜在人口支持能力研究[32]、教科文组织(United Nations Education Scientific and Cultural Organization，UNESCO)应用ECCO(enhancement carrying capacity option)模型在肯尼亚、毛里求斯、赞比亚等国家开展的资源承载力研究[33]以及中国在二十世纪八十年代开展的土地生产能力与人口承载量研究[34-35]，都是这一时期的标志性研究工作。

在这一阶段，承载力研究大多借鉴生物种群承载力的理论与方法，多将粮食、能源等资源作为限制人口增长的因素进行研究[36],而对承载力影响重大的科技发展、社会管理因素却没加以考虑，导致研究结果在指导人类经济与社会发展的实践方面出现很多不足[37]。

1.3 生态承载力理论深化与方法完善阶段

1980年，国际自然保护同盟发布了《世界自然资源保护大纲》，“可持续发展”这一理念被正式提出。1987年,第八次世界环境与发展委员会上通过了《我们共同的未来》，可持续发展的理念开始广泛传播。期间学者们开始意识到了承载力受人类自身文化社会因素的影响，如科技进步、先进的管理制度以及贸易等可降低人类对生态环境的压力，而高品质生活下的消费方式则会加重生态环境的负担。1986年，G.Hardin提出人口数量与人类生活品质负相关，人类承载力受社会制度、生活习俗、知识科技水平等因素共同影响，将此承载力称为“文化承载力”，认为它比自然环境承载力的约束性更大[38-39]。1992年,G.C.Daily和P.R.Ehrlich[40]提出“社会承载力”这一概念，即特定人类社会条件下可承载的最大人口数量，认为社会承载力总是小于生物物理承载力的，并用公式I=PAT加以表达。式中，I为人类社会承载力；P为人口总量；A为平均消费水平；T为科技进步。J.H.Ausubel[37]构建了双logistic曲线用以描述科技发展对人类社会承载力的影响。

二十世纪九十年代至今，K.Arrow[41]、R.Costanza[42]、M.Wackernagel[43]等相继提出研究生态承载力应综合考虑自然资源、生态环境与社会经济等多重因素的复杂影响。国外W.E.Rees[44-45]、Y.Tanaka[46]、B.Q.Wei[47]、D.R.TAYLOR[48]、J.M.Harris[49]等，国内夏军[50]、毛汉英[5]、王家骥[51]、唐剑武[52]、高吉喜[6]等学者的研究在这一时期受到广泛关注。期间提出的评估方法主要有生态足迹法、净初级生产力法、状态空间法、压力—状态—响应(pressure state response，PSR)模型以及其它预测模型等，这些方法时至今日仍被广泛应用。

在此研究阶段，研究者们开始考虑将科学技术、生活消费方式、商品贸易、社会管理制度等对生态承载力评估研究的重要影响影响，纳入评估过程。

在从承载力概念提出到理论与实践应用研究的发展历程中，上世纪八十年代中后期提出的“文化承载力”、“社会承载力”对当今人类社会生态承载力评估方法的理论起到了重要的奠基作用，但现在的研究方法依然存在许多缺陷，如何构建一种全面、综合的可为指导人类经济与社会发展决策的评估方法仍需不断探索。

2 生态承载力评估的主流方法

生态承载力的评估方法可归纳为“供需对比”法、“指标体系”法及“系统模型”法三大类。目前“生态足迹”法、“状态空间”法、“分级-综合”法以及“系统动力学模型”法是其中应用最为广泛的评估方法。

2.1 生态足迹法

“生态足迹”由加拿大生态经济学家M.Wackernagel和W.E.Rees[53]提出并完善，也可称之为“生态占用”，是指一定区域(国家或者地区)内的人口需要消费资源以及产生废弃物，而资源生产及废弃物消纳都需要由生物生产性土地来完成，对这些生物生产性土地面积的占用量即为“生态足迹”。占用量与供给量的差/比关系可表征生态承载力状态，生态足迹(ecological footprint，EF)与生态承载力(ecological carrying capacity，EC)的公式为：

Ai为研究区消耗的第i项生物生产性土地面积；ai为研究区实际拥有的第i项生物生产性土地面积；Ri为第i项土地的均衡因子；Yi为第i项土地的产量因子。

Ai=∑{i类消费项目的总消费量(来自统计资料)/i类消费项目的全球平均产量(来自研究资料，即生物生产性土地对该消费项目的生产能力，单位kg/hm2)}

总消费量=上年结余+本年产出+本年进口-本年出口-本年结余=各销售端出货量=总人口数×人均消费指标

通过其计算思路不难看出，该评估方法在以下方面有待商榷：

1)均衡因子和产量因子等指标的选取。各区域间生态特征具有明显分异，若采用相同的因子值则不能真实反映所有区域的生态生产性用地的实际情况，且其因子指标参数制定过程的科学性亦有待完善。

2)土地类型的假设。生态足迹法的假设是土地功能是单一性的，并没有考虑土地类型用途的多样化的。

3)区域间商品贸易的影响。区域贸易数据在国家或省级尺度的核算中尚能获得，但若在国家或省以下尺度上核算生态足迹时，相关贸易数据获取难度极大，往往是没有进行此项数据的统计整理。

4)研究内容的全面性。其研究关注点集中于地表资源，忽略了海洋资源及地下水资源，且未考虑生态环境安全威胁、未考虑生态环境及人类社会的动态发展。

基于此模型发展出了能值法[54]、投入产出法[55]、成分法[56]及净初级生产力法[57]，这些方法分别在消费品量值统一化、产量调节因子率定、模型适用范围等方面对传统模型的中的个别缺陷进行了适当了弥补。B.R.Ewing等[58]建立了一种将碳足迹、水足迹和生态足迹整合在一起的多区域输入输出建模框架(multi-regional input-output,MRIO)，克服EF法区域贸易数据缺乏、资源流动量无法计算的缺陷。

2.2 状态空间法

1960年，卡尔曼在其《控制系统的一般理论》中基于空间几何原理构建出状态空间法，着重强调了“人类活动”的作用。方法实施步骤为：筛选评价指标并定义评价指标的期望值；分别计算期望及现实状态下的承载力；通过比较期望与现实承载状力评价区域承载状态。若点落在承载曲面上则表示刚好满载，若点高于或低于承载曲面，则分别表示超载或可载。状态空间法能够对研究区的承载状态给予定量描述,国内自毛汉英[5]应用此方法对环渤海地区进行生态承载力评估研究后，该方法不断推广[59-60],已被应用于军事、生物医学、社会经济及人类生活等诸多领域。

式中，Rcc为区域承载力值(regional carrying capacity)的大小；|M|为代表区域承载力的有向矢量的模数,xir为区域人类活动与资源环境处于期望状态时在状态空间中的坐标值(i=1,2…,n)；wi为xi轴的权。

该方法的优势之处在于能够对复杂系统进行描述，可以表达变量间的关系。但在评价指标筛选与构建的全面性、科学性，以及状态轴权重确定的合理性方面一直存有缺陷。且此方法并非用一个具体的值来描述研究区的承载力大小，只是评价是否超载，可以说此方法评估的是承载状态而非承载力大小。

2.3 “分级-综合”法

高吉喜[7]提出了承载力评估的“分级-综合”三级评价法，第一至第三级分别为生态弹性力、资源环境承载力、生态系统压力，应用此方法评估了黑河流域的生态承载力。

生态弹性力的表达式为：

资源环境承载力的表达式为:

由分级到综合的评价方法，优点在于结果明了、准确、针对性强，有利于对承载力高低的缘由做出准确判断，该方法还便于与RS(remote sensing)、GIS(geographic information system)技术相结合进行承载力制图，这对制定应对措施与政策具有直观的指导作用。为尽量减少主观因素对评价结果的影响，多种计量方法诸如模糊层次分析法[61]、灰关联综合分析法[62]、多因素关联分析法[63]、主成分分析法[64]等被应用到评估过程中。但该方法对资源和环境要素考虑较多，而对经济与社会等因素考虑不足。该方法需要大量的过程数据，且计算指标之间时常交叉重叠，妨碍了分析结果的精确性。该方法所建立的指标体系不具普适性，在为各级构建评价指标时，还应依具体情况有重点的选择相应目标，才能客观准确地反映研究区的实际情况。

2.4 系统模型法

系统模型法是近年生态承载力评估的热点方法之一[65]，其优点在于对相关评价因素考虑的系统性、整体性以及动态性。目前较为流行的模型法包括食物网模型[66-67]、物质平衡模型[68-69]、系统动力学模型[70-72]、非线性拟合与积分法[73]等，其中以系统动力学模型应用最为广泛，其建立过程的主要步骤：1)找准系统目标；2)因果关系分析；3)建立系统动力学模型；4)计算机模拟与分析；5)模型的检验与结果分析。

随着系统动力学模型的不断成熟和广泛使用，越来越多的软件工具被开发和利用，如Stella、Ithink、Powersim、Vensim、DYNAMO 等。系统模型法的优点在于其系统、整体、动态的反馈分析方式，可以表达出生态系统对其承载力的作用机制。受困于系统的复杂性，构建系统模型是该评估方法中非常困难的一步，采用何种方法进行建模、如何选择合适参数都需细细斟酌，故利用系统模型法进行承载力评估是有限制条件的，它要求研究区的内部结构及作用机制较为清晰，且若系统过于复杂，则往往会因为相关变量数据缺乏而影响到模型的构建。

2.5 其他方法

除以上四种主流评估方法外，NPP(net primary production)法与生态系统服务服务法也有应用。

Peter等学者将NPP看作是区域的能量输入，而把人类的消耗看作是输出[74-75]。联合国粮农组织基于粮食产量与人均热量需求定义了承载力的计算方法[76]，这为NPP法研究生态承载力奠定了基础。但NPP法仅基于植物生产力进行生态承载力评估，忽略了人类社会的文化科技、经济活动等对生态承载力的影响，后来基于此方法出现了HANPP(human appropriation of net primary production)法[77-78](人类净初级生产力占用)。但利用HANPP法评估生态承载力时，由于支持需求的阈值尚未有定数，因此该方法的所得结果也仅是人类对生态系统的干预强度,且核算 HANPP时所用数据较粗糙，如核算其中的 NPP收获量，只能基于国内不同贸易产品的平均值进行估算,未能考虑集约利用下的土地生产效率。目前HANPP法多作为生态足迹法的补充来利用。

千年生态系统评估的思路框架是把所有与人类密切相关的生态系统服务纳入评估体系，对每种生态系统服务进行承载力评估，应用“木桶效应”,取最小值为区域承载力。一些学者以此方法展开了生态承载力研究[79-80]。但就其理论假设看来，此方法仅以“木桶效应”来评判承载力有待商榷，因为“补偿因子定律”在承载力评估中也起到不容忽视的作用，但未在此方法中予以综合考虑。就其评估操作流程来看，在核算服务供给与服务消耗时，均借鉴了“生态足迹”法，区别之处在于“生态足迹”法是将所有类别生态资源的供给归为同一指标，将其总和表征为承载力，而“生态系统服务”法是严格划分各服务供给类别，以“木桶效应”取其中最小服务供给来表征承载力。

3 当前评估方法的局限与研究展望

百余年来，生态承载力研究由生态学领域逐渐拓展到经济学、地理学、管理学等众多学科交叉领域，研究对象亦由生物物种转向人类社会，研究方法由定性转向定量，但由于生态系统与人类社会的复杂性，当前的定量研究尚处于探索阶段，仍需不断深入。人类社会在不断发展的同时，对生态环境也日益重视，这必将赋予“生态承载力”更新的概念与内涵，研究方法与思路也会持续创新。

为满足生存与发展所需，人类社会以一定的方式向生态系统获取资源，同时占用部分生态系统用以处置生存发展过程中产生的废弃物，生态系统对这些干扰作出反馈给人类社会。在这个过程中，“人类社会”、“需求”、“资源索取的方式手段”、“被作用的生态系统”这几个因子对“生态承载力”产生了关键影响，被作用的生态系统若作出不良反馈(如生态环境恶化)，人类社会则会调整自身需求、改变资源索取方式以及寻求区域外的系统来获取资源，这是人类社会挖掘生态承载潜力的重要方式。因此，在进行生态承载力评估时，必须首先同时确定人类社会的需求情景、资源索取情景以及被作用的生态系统(含区域外生态系统)这三个方面。在当今的承载力研究中，不难发现评估过程在以下几个方面欠妥：1)在进行承载力现状及预测评估时，很多研究仅考虑研究区需求情景及研究区内的生态系统，而忽略了对生态系统的资源索取情景以及外部生态系统对研究区的资源支持。全球化的时代背景下人类社会系统已极为开放，区域内一些资源的不足(如粮食、煤炭、石油、淡水等)可通过外部系统补充。科技进步、社会管理制度带来生产方式改进以及生产效率的提高，采用这些新的索取情景势必能减轻对生态系统的不良影响。因此生态承载力的评估必须考虑研究区外的资源输入以及研究区内人类社会对该区域生态系统的资源索取情景。2)在人类现有的知识水平下，面对复杂的生态系统以及人类社会，生态承载力评估中建立的指标体系不可能做到绝对地系统、科学，且所需数据也不可能绝对精准，因此评估结果最好用一个梯度范围来表达而非一个临界阈值。3)对区域差异性考虑不足，虽然有些评估方法对不同区域的生态系统设置了调节参数，但若从景观层面上来看，各类别生态系统间不同的组配方式即景观结构的不同，导致其过程和功能方面都存在很大差异，因此发挥的承载力大小也势必不同。

综合以上分析，今后生态承载力评估方法研究应在以下方面予以深化：

1)将复杂情景模拟应用于承载力评估，并对情景指标的科学合理性进行探讨。

建立人类社会发展与生态系统变化的多情景路径并合理化各情景指标值，进而分析在不同情景路径下的人口与经济发展、需求变化、科技进步以及生态系统结构与功能变化趋势，对于提高区域未来承载力的预测准确度具有重要作用，这在指导区域能源结构的合理调整，制定生态环境政策方面都具有很强的实用价值，有利于区域发展目标的快速实现。

2)远程关联与远程耦合作为影响区域承载力的重要因素，将被纳入生态承载力评估体系。

在全球化形势下，人类社会系统的开放程度越来越高，赖以生存的生态系统在自然和人类作用下不断发生变化，商品贸易和资源跨域配置使得区域生态承载力得以大幅度提升，生态系统的供给、调节、支持、文化等服务也在跨区域发挥作用。因此一定范围内的生态承载力问题可通过资源的自然流动或人为的贸易和行政干预等途径得以解决，如若忽略这些隐含承载力在区域间的流动，那么生态承载力评估结果的可信度定会大打折扣。故在未来的承载力评估研究中，系统间的远程关联与耦合将被着重强调。

3)将完成由“生态系统承载力”到“景观承载力”的转变。

生态承载力的形成依赖于景观格局的综合作用结果，最终是在景观层面上得以实现。一般认为，综合格局发挥的生态效益大于单一要素发挥的生态效益，因此从生态系统尺度上来评估生态承载力，往往过低。从综合格局的景观尺度层面展开研究，更能有效阐释系统结构、过程和功能对承载力形成机制和承载机制的影响。将生态系统承载力的概念转化到景观层面上，将是未来生态承载力研究取得突破的基础性工作之一。