多类型保护地生态承载力核算模型及应用

刘孟浩,席建超,陈思宏

1 中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101

2 中国科学院大学, 北京 100049

建设以国家公园为主体的自然保护地体系是推动我国保护地体系改革的基本导向和关注重点[1]。我国目前已形成包括自然保护区、风景名胜区、森林公园、地质公园、湿地公园、国家公园体制试点等保护地在内的多类型自然保护地体系[2]。生态承载力将生态资源和环境问题统一考虑,将社会经济发展与生态系统联系起来,是进行自然保护地科学保护和有效利用的基础。确定适宜经济增长和自然保护和谐发展的生态承载力阈值,是保护地生态系统健康与可持续发展的重要保证。

各类型保护地的生态承载力是近年来学者们研究的热点问题之一。关于生态承载力的定义根据研究视角的不同而各有差异[3],但总体而言,生态承载力的概念经历了物种[4]、人口[5]、资源[6]、环境[7]、资源环境[8]、生态系统[9]等视角的演变过程,逐步完善为对“自然资源-生态环境-社会经济”的复合生态系统综合承载能力和对承载对象所施加压力的反映[10],具有多样性和综合性的特征[11]。现有生态承载力的计算方法包括生态足迹法、状态空间法、人类净初级生产力占用法、指标评价法、系统动力学模型法和生态系统服务消耗评价法等,每种方法都有其各自的特点、侧重点、适用对象和适用范围[3]。在国内保护地生态承载力的研究上,各学者利用不同的方法分别在国家公园[12]、自然保护区[13- 14]、森林公园[15]、地质公园[16- 17]、湿地公园[18]、风景名胜区[19]等不同类型保护地进行应用,丰富了生态承载力核算在保护地体系中的实证研究。

2019年6月,中共中央办公厅、国务院办公厅出台了《关于建立以国家公园为主体的自然保护地体系的指导意见》,指出要整合各类交叉重叠自然保护地,解决自然保护地区域交叉、空间重叠的问题,归并优化相邻自然保护地,实现对自然生态系统的整体保护。然而,现有的保护地生态承载力理论和实证研究大多针对单一类型保护地,并且根据保护目标侧重于核算其某一类承载力,尤其以旅游和环境承载力为多,且计算方法且以指标评价为主,定量核算较少。目前缺少一个适用于多类型保护地生态承载力核算的分析框架,能够对原有单一类型保护地生态承载力核算方法进行梳理与整合。因此,本研究尝试在理论分析的基础上,明确多类型保护地生态承载力的概念和内涵,建立适用于多类型保护地生态承载力的核算框架和模型,并以三江源国家公园黄河源园区为例,对保护地生态系统的生态承载力进行核算。

1 概念内涵

世界自然保护联盟将保护地 定义为具有明确边界,经过法律或其他有效的方式得到认可、承诺和管理,以实现对自然及生态系统服务与文化价值进行长期保护的地理空间[20]。基于研究目标,本文将“多类型保护地”定义为：存在多个类型的保护地分布集中、相邻相连、交叉重叠现象的地理空间。在这一概念下,多类型保护地生态承载力核算需要解决的问题是：如何对这些交叉重叠的地理空间中的生态承载力进行合理分类与整合。

前人所提出的生态承载力的概念根据研究问题的侧重点而有所不同[3]。但根据相关研究的梳理,生态承载力的核算逐渐侧重于将生态系统作为一个整体考虑,即“自然资源-生态环境-社会经济”复合生态系统承载能力与承载对象压力的反映[10]。从生态系统整体的角度来说,保护地是生态系统服务价值较高和较为敏感的区域[21],即便不同类型保护地的保护对象、资源品质和利用强度有所差异[22],其最终目标都可以归为对生态系统服务价值的保护和管理。因生物多样性的自然属性差异,在一定地理空间内会有某一类生态系统服务处于优势地位,因此,保护地的地理空间可以依据不同优势生态系统服务进行分类[23]。在确定主导生态系统服务的地理空间范围之后,就可以根据不同地理空间承载对象的活动特征,识别出该空间内起主导作用的生态承载力。基于以上分析,本研究选择从生态系统服务的视角,对多类型保护地的地理空间进行基于主导功能的划分,将已有的保护地生态承载力核算方法进行分类整合,提出适用于多类型保护地生态承载力核算的框架。

生态系统服务是指人类从生态系统中所获得的效益和福祉,包括供给服务、调节服务、文化服务和支持服务四大类[24]。其中支持服务是其他服务的基础[25]。在国土空间规划理论中,生态系统的功能空间包括生态、生产和生活 “三生空间”[26],分别对应生态系统的生态功能、生产功能、生活功能。其中生态功能是指生态系统与生态过程所形成的、维持人类生存的自然条件及其效用,对应于生态系统服务中的支持服务和调节服务；生产功能是指土地作为劳作对象直接获取或以土地为载体进行社会生产而产出各种产品和服务的功能,对应于供给服务；生活功能是指土地在人类生存和发展过程中所提供的各种空间承载、物质和精神保障功能,其中空间承载和物质保障对应于供给服务,精神保障对应于文化服务[27]。此外,相对于其他类型的国土空间来说,保护地的游憩功能是其主导功能之一,对应于文化服务。综上,保护地的功能空间可以与生态系统服务相对应,从而划分为四类：生态空间、生产空间、生活空间和游憩空间。

保护地生态系统以提供生态系统服务为核心,具有一定的自我调节能力[8],当外力与人为干扰的程度超过生态系统本身的承载与调节能力范围时,系统平衡和生态系统服务功能会被破坏。因此,保护地内所承载的一切活动都必须限制在生态系统所能承载干扰的阈值之内,这一承载阈值即保护地生态系统的承载力。本研究将多类型保护地生态承载力的定义为生态系统在保护地生态空间、生产空间、生活空间和游憩空间当中维持其重要生态系统服务功能的能力。如图1所示。

图1 多类型保护地生态承载力核算框架

其中,生态空间是各类型保护地的核心保护区域,是保护地维持生态系统原真性、维持生物多样性、水源涵养和水土保持功能的重要分区,是保护地珍稀野生动物的主要栖息地。生态空间主要提供支持服务和调节服务,是划分生产、生活、游憩空间的基础,对其他三类空间的分布起到约束作用。由于人类活动在此受到严格限制,生态空间主要承载对象及其活动为野生动物的生存活动,一旦野生动物种群数量超过阈值,可能会造成植被的破坏和生物多样性的降低,从而影响保护地生态系统的支持和调节服务功能。因此,承载阈值的内涵是保护地维持野生动物生存的最大种群数量,生态承载力的类型为自然基础承载力。

生产空间和生活空间为原住民居住的区域,生态系统主要提供食物生产和原材料生产的供给服务,承载的活动为原住民的日常生产生活活动,生产活动对于供给服务的消费不能超过生态系统提供的上限,以此限定社会经济活动的规模。同时,生产和生活空间受生态空间的约束,人类生产、生活产生的废气、废水、废物排放不能对生态系统产生破坏,以此限定区域的人口规模。由于生产空间和生活空间均以供给服务为主导,在承载力核算时可以合并为一类。因此在生产空间和生活空间,承载阈值的内涵是当地主要产业类型的最大生产规模,以及满足一定生活水平条件下的原住民人口数量。生态承载力的类型为当地社会经济活动承载力。

游憩空间是在不损害生态系统功能前提下开展游憩活动的区域,主要提供文化服务,包括美学景观的观赏和科普教育。游憩空间承载的活动为访客的游憩活动,受生态空间的约束。但与生产空间和生活空间所不同的是,由于多类型保护地以保护自然生态系统为主要目的,游憩活动取决于项目和线路设计,呈点、线状分布,游憩功能可以同时存在于生态、生产、生活空间之中,因此游憩空间是同时叠加在三者之上的一类空间(图2)。游憩空间内承载阈值的内涵为特定的游览区域面积和线路所能容纳的最大访客容量,生态承载力的类型为游憩承载力。

图2 保护地四类空间分布模式

2 模型架构

多类型保护地生态承载力核算模型(MPECC)可以表示为：

3.1 GDM的发病机制 GDM作为免疫性疾病之一，目前国内外学者对其发病机制尚未形成确切看法，但普遍观点认为其与2型糖尿病存在相似的病理生理机制。若胰岛素抵抗程度升高，会减弱胰岛β细胞分泌功能，使得妊娠的生理期间发生糖耐量异常的情况。本研究发现，GDM组BMI、空腹血糖、总胆固醇、三酰甘油及低密度脂蛋白-胆固醇等水平较其他两组高，而高密度脂蛋白-胆固醇水平较其他两组低，与既往研究[8-9]报道基本吻合。结果表明，相比NGT或GIGT的孕妇，GDM孕妇容易发生血脂代谢紊乱的情况。

MPECC=f(NCC,SCC,RCC)

(1)

式中,NCC为自然基础承载力；SCC为当地社会经济承载力；RCC为游憩承载力。f(x)是NCC、SCC和RCC的内部逻辑关系的数学表达式。

2.1 自然基础承载力

参考国际通用的环境容纳量计算公式[28],根据计算野生动物栖息地内营养供应量和个体的需求量计算自然基础承载力(NCC),可以表示为：

(2)

式中,n为主要食物种类；Bi为主要食物i的可食食物量(kg),Fi为主要食物i的营养含量;Rq为野生动物个体每天需要摄入的营养量(kg/d),D为野生动物占据栖息地的天数(d)。考虑到季节因素、野生动物栖息地适宜度的不同与保护地保护目标的差异,将θ设为野生动物对栖息地食物资源的占有率[29]。

2.2 社会经济活动承载力

参考基于生态系统服务的生态承载力评估模型[30],根据保护地生态系统服务的供给量和人类活动(生活和生产)对供给服务的消耗量,取第i类供给服务所能支撑的人口数量的最小值及其对应的经济规模作为社会经济活动承载力(SCC)。计算公式如下：

(3)

SCCp=min(SCCp1,SCCp2,SCCp3,…,SCCpi)

(4)

SCCE=SCCp×PGDP

(5)

其中：SCCpi为第i类供给服务的生态承载力的人口规模；SCCE为基于生态系统服务的生态承载力的经济规模；TESi为第i类供给服务总量；ESPi为人类活动(生活和生产)对第i类供给服务的人均消耗；LESPi为人类生活对第i类供给服务的人均消耗；PESPi为人类生产活动对第i类供给服务的人均消耗；PGDP为人均生产总值；PPESPi为区域单位产值对应的生产活动对第i类供给服务的消耗量。

2.3 游憩承载力

参考国家标准中的旅游容量计算方法[31],采用面积法、卡口法、游路法三种测算方法,因地制宜加以选用或综合运用,计算游憩空间访客容量,并结合各游憩空间所在区域的保护目标计算保护地总游憩承载力(RCC),计算公式如下：

(6)

(7)

(8)

(9)

式中,Cs为卡口法计算出的访客容量；D为日周转率,D=游憩空间开放时间/游览所需时间。N为每批游客人数(人次)；t1为每天游览时间(h),t1=H-t2；t3为两批游客相距时间(h)；H为景区每天的开放时间(h)；t2为游完全程所需时间(h)。Ct为线路法计算出的访客容量,即完全游道和不完全游道的访客容量之和；Ct1为完全游道法,其中M为游道全长(m)；m为每位游客(或车辆)占用合理游道(或线路)长度(m)；Ct1为不完全游道法,其中F为游完不完全游道所需时间；E为沿不完全游道返回所需时间。Ca为面积法计算的日环境容量,A为游憩空间的可游览面积(m2)；a为每位游人应占有的合理面积(m2)。RCC为该区域日游憩承载力(人次/d)；t为游完某观光区或游道所需的时间；T为游客每天游览最合理的时间；C为日访客容量(人次)。

2.4 适用范围与参数设定

对于三类承载力,分别参照相关文献中的方法[30, 33- 34]；搜集统计数据、调查数据,计算出每一类生态系统服务的供给量和承载对象的个体消耗量。由于不同类型保护地的保护目标和社会经济发展现状不一,达到承载力的精确核算较为困难,因此需要根据案例区的自然属性、生态价值和管理目标对承载力核算中生态系统服务消耗量设置相应的约束参数。部分参数可能会因保护地类型的不同而有所差异,在实际应用中应根据保护目标进行合理赋值。其中,在进行自然基础承载力的核算时,需要根据季节设定野生动物对食物资源占有率的3种情景,即50%(低) 、70%(中) 、90%(高) ；社会经济活动承载力的核算以当地人民生活水平发展目标作为约束条件；在游憩承载力的核算中,游憩活动的开展必须以服从生态保护目标为前提,因此游憩承载力的约束参数弹性较大,应结合保护地保护目标和生态系统服务的实际情况进行合理设定(表1)。

表1 多类型保护地生态承载力数据获取与参数设定

3 案例研究——以三江源国家公园黄河源园区为例

3.1 案例区概况

三江源地区是青藏高原生态系统的典型代表区域,是青藏高原特有物种的物种多样性、遗传多样性和生态系统多样性保护的重要区域。是青藏高原生态屏障重要的组成部分。三江源国家公园是中国首个国家公园体制试点区,包括黄河源、长江源、澜沧江源3个子园区。黄河源园区位于果洛州玛多县境内,占玛多县面积的80%,介于东经97°1′20″—99°14′57″,北纬33°55′5″—35°28′15″之间,面积1.91万km2。在其范围内有扎陵湖、鄂陵湖2处国际重要湿地、自然保护区核心区和缓冲区、扎陵湖-鄂陵湖国家级水产种质资源保护区、黄河源水利风景区等,属于多类型保护地。园区内包含19个行政村,居民以藏族为主,经济结构单一,主体产业仍为传统畜牧业。黄河源园区中核心保育区面积0.86万km2；生态保育修复区0.24万km2,传统利用区面积0.81万km2。其中核心保育区和生态保育修复区是野生动物的重要栖息地,植被类型以高寒草原和高寒草甸为主。草地面积为8057.64 km2[35]。

3.2 模型与数据

本文构建了三江源国家公园黄河源园区生态承载力核算模型,通过对保护地生态系统供给能力的计算和承载对象消耗量的统计,计算自然基础承载力、社会经济活动承载力和游憩承载力。由于黄河源园区内的原住民主要为农牧业人口,且平均人口密度仅0.5人/km2,畜牧业是为生态系统提供供给服务的主要来源,因此社会经济活动承载力模型也进行相应简化。相关数据来自遥感图像解译、青海省统计年鉴、玛多县统计资料及年鉴、三江源国家公园规划以及相关文献(表2)。

表2 数据内容及来源

3.3 结果与分析

3.3.1自然基础承载力

黄河源园区内的核心保育区和生态保育修复区是野生动物的重要栖息地,植被类型以高寒草原和高寒草甸为主。草地面积为8057.64 km2,占黄河源区总面积的57.67%。黄河源园区的平均产草量为339.10 kg/hm2[33]。黄河源园区内广泛分布的大型食草野生动物为藏野驴和藏原羚,其在栖息地的分布密度之比约为3:1[38]。每只藏野驴换算为4个羊单位,每只藏原羚换算为0.5个羊单位[36]。经计算可得,黄河源区可以承载的野生动物为283993个羊单位。由此可得黄河源区在不同食物占有率情况下两种野生动物的承载力。根据三江源国家公园规划中植被覆盖率目标,分别计算出2020、2025和2035年不同食物占有率下的自然基础承载力(表3)。

表3 自然基础承载力核算结果

3.3.2社会经济活动承载力

黄河源园区传统利用区面积为8708.5 km2,产草量339.10 kg/hm2。根据维持草畜平衡的要求,由载畜量计算公式[39]可得,传统利用区的供给量,即可以承载的家畜数量为134843羊单位。2017年一个羊单位售价1000元,青藏高原牧民平均每人每年食用肉类80 kg,约合5.5个羊单位,人均其他日常用品消费支出3793.89元,合3.79羊单位,由此得出2017年当地牧民生活成本为9.3个羊单位。2017年玛多县牲畜出栏率为30%。按照三江源国家公园规划,2017年三江源国家公园牧民人均纯收入应达到7500元,经人均消费占有量公式[37]计算后,得到规划目标下牧民人均消费占有量为32.75个羊单位。结合上文计算出的黄河源园区理论载畜量,可得黄河源园区2017年的合理牧业人口承载量为3112人。根据三江源国家公园植被覆盖率和牧民人均纯收入的目标,结合玛多县统计公报和相关文献数据[36]分别计算出2020、2025和2035年的载畜量(经济规模)与合理牧业人口承载力(表4)。

表4 社会经济活动承载力核算结果

3.3.3游憩承载力

本研究以黄河源园区生态空间内重要的游憩空间——扎陵湖和鄂陵湖保护分区核心区为例,计算其游憩承载力。由于海拔因素和生态保护的要求,设定三江源国家公园的生态体验方式为乘坐车辆,按既定线路进行游览。该区域同时为国家公园的核心保育区、自然保护区的核心区和缓冲区、国际及国家重要湿地、国家水产种质资源保护区和国家水利风景区[35],属多类型保护地。核心区道路长度98.06 km。根据世界上各国国家公园的相关规定,园区内车速一般控制在40 km/h以内,车辆容量为8人/车次。景区日开放时间为8 h。设核心保育区合理车距为5 km,则通过线路法计算可得,该区域日游憩承载力约200人次/d。在确定保护地游憩空间和游览路线之后,保护地整体游憩承载力可以依托各空间内生态体验与环境教育项目和线路进行具体核算。

4 结论和讨论

4.1 结论

研究以建立适用于多类型保护地的生态承载力核算方法为目标,通过分析生态系统服务与保护地功能空间的对应关系发现,多类型保护地虽然空间上交叉重叠,但是从空间功能出发,可以划分为生态空间、生产空间、生活空间和游憩空间,分别对应于生态系统的支持和调节服务、供给服务以及文化服务。在此基础上,研究将多类型保护地的生态承载力划分为自然基础承载力、社会经济活动承载力以及游憩承载力,通过对现有方法的比对和选择,构建了适用于多类型保护地的生态承载力核算框架,进一步提出了模型。并以三江源国家公园黄河源园区为案例区,根据规划设定的目标,对其2020、2025和2035年的自然基础承载力和社会经济活动承载力,以及当前的游憩承载力进行了核算。本研究解决了目前多类型保护地的生态承载力缺少基础理论分析和统一核算框架的情况,为多类型保护地经济建设规模、结构与布局优化调控的科学基础,对于建设以国家公园为主体的多类型保护地体系具有重要意义。

4.2 讨论

本研究构建的多类型保护地生态承载力核算模型,是在当前“建立以国家公园为主体的自然保护地体系”对交叉重叠和相邻的各个类型保护地进行整合和归并优化的需求下提出的。与传统的单类型保护地生态承载力核算方法相比,本研究将生态系统服务与多类型保护地的功能空间相对应,将多类型保护地的生态承载力核算方法整合到同一框架中,作为一个整体空间进行分析,具有综合性和创新性。本研究从生态系统服务出发提出多类型保护地生态承载力的概念,既考虑了不同类型保护地的共性特征以及核算方法的普适性,避免了以往保护地生态承载力核算中各有侧重和计算空间重叠的现象,又在参数设定中体现了空间差异性,使其适用于多类型保护地的实际情况。

本研究提供了一个概念框架模型,根据多类型保护地的特征,选取了每一类承载力中比较成熟且具备普适性的方法进行计算,并未将现有生态承载力核算方法进行整体梳理,因此在每一类承载力核算方法选择标准和依据上,还有待进一步拓展和创新；此外,由于数据获取的限制,本研究案例应用中对于游憩承载力的核算不够详细,在后续的研究中,有待根据多类型保护地的实际情况对模型进行完善。