基于DPSIR-SPA的安徽省生态承载力评价

赵疏航，何 刚，金 兰，周庆婷，杨静雯

（安徽理工大学 经济与管理学院，安徽 淮南 232001）

生态承载力是指生态系统防治生态环境问题、保障生态安全、提供服务功能的能力[1]。生态承载力大小体现区域对资源使用的支撑能力和对环境污染的容纳能力，对区域生态承载力进行评价研究，用于研究区域的生态环境支撑阈值，对生态环境保护及社会可持续发展都具有重要的意义，也是当今学术界研究的热点。

生态承载力大体上经历种群承载力、资源承载力、环境承载力和生态承载力四个阶段。国外学者对承载力研究较早，1798年Malthusde《人口论》中将粮食作为人口增长限制因素，研究人口增长的极限问题，奠定承载力研究的基本架构[2]。20世纪早期，生物学家验证了种群数量极限的存在，将承载力研究关注点集中在增长变量的变化规律上[3-4]。Jusup[5]使用海洋生物养殖与自然环境间的仿真交互模型，评价菲律宾地区海域生态承载力。国内学者对生态承载力作出大量研究，研究对象主要包括城市[6]、耕地[7]、流域[8]、海域[9]、森林[10]、水库区[11]等。诸多学者对生态承载力评价也开展了全面的研究，引入了大量方法与模型，主要包括生态足迹法[12]、状态空间法[13]、正态云模型[14]、模糊综合评价法[15]、最大信息熵原理[16]等，使地区生态承载力评价研究有了进一步发展。如卢万合等[17]通过计算吉林省2007年的生态足迹，系统评价区域生态脆弱性。刘东等[18]引入生态足迹模型，构建生态承载力供需平衡指数，综合评价中国县域生态承载力的供需平衡状况。贾立斌等[19]建立海洋生态承载力评价与预警指标体系，基于Mann—Kendall检验方法分析各预警指标的变化趋势。王锦等[20]通过模糊聚类分析法系统研究天津市2000—2014年的生态承载力状况。郑晶等[21]利用TOPSIS分析法和障碍度模型系统分析福建省2000—2015年生态承载力水平和障碍因子。

综上所述，学者们关于生态承载力的研究成果十分丰富，评价生态承载力的方法多元化。本研究基于安徽省生态承载力的现状，构建基于D（驱动力）—P（压力）—S（状态）—I（影响）—R（响应）模型的综合评价指标体系，运用熵权法和集对分析法对安徽省的生态承载力进行实证研究，对安徽省2008—2017年的生态承载力进行评价，找出阻碍安徽省生态承载力发展的因素，为安徽省生态文明建设提供理论基础。

1 集对分析评价模型

1.1 集对分析

集对分析理论能够系统描述和处理由随机性、模糊性、不完整性等不确定因素引起的确定-不确定系统。1989年，赵克勤等[22]提出一种解决不确定问题的综合分析方法——集对分析法（set pair analysis，SPA），主要思想是将不确定性系统的两个有关联的集合构造为集对，对不确定性的描述从确定和不确定两个方面进行，并对集对的某特征作同一性、差异性、对理性分析，最后构建集对的同异反联系度。

由集合A（x1，x2，…，xN）和集合B（y1，y2，…，yN）组成集对H=（A，B）。该集对有N个特性，假设S个特性为A、B所共有，P个特性相互对立，其余F=N-S-P个相异。称S/N为集合A与B在所讨论问题下的同一度，记为a；F/N为集合A与B在所讨论问题下的差异度，记为b；P/N为集合A与B在所讨论问题下的对立度，记为c。可以用联系度μ=（A，B）来描述A与B的联系状况，如下式：

式中：a+b+c=1；i为差异度系数，在[-1，1]上取值，具有不确定性，其中i取-1和1时是确定的，但取值在（-1，1）之间时，随着i趋近于0，不确定性增加；j为对立度系数，其值为-1。具体操作步骤如下：

（1） 构建承载力模型评价的因素集C={C1，C2，C3，…，Cn}，评价集为 V={V1，V2，V3，…，Vm}。

（2）根据其性质将指标划分为正向指标和负向指标两类。将原始数据标准化，采用熵权法[23]求权重，得到各指标的权重向量为W={W1，W2，W3，…，Wn}。

（3）确定联系度表达式。将拟评价区域的评价指标组成集合A，将评价标准中的等级作为集合B，构成一个集对。用μ（A，BI）、μ（A，BII）、μ（A，BIII）、μ（A，BIV）、μ（A，BV）表示生态承载力指标与各等级评价标准的联系度。以确定联系度为例，N为评价指标的总个数，S为样本集合A中处于级别I范围内的指标个数，其对应的权重分别为u1，u2，…，us，F为样本集合A中处于相邻级别II范围内的指标个数，其对应的权重分别为t1，t2，…，tf，P为样本集合A中处于相隔级别III、IV、V范围内指标的个数，其对应的权重分别为v1，v2，…，vp。ik表示样本集合A中权重为tk的指标上反映的集合A与BI的差异度系数，则其联系度表达式为：

（4）联系度表达式中差异度系数ik的确定。以μ（A，B）I表达式中ik的取值为例，设样本指标值处于II级标准范围内某一指标为为该指标I、II级标准的限值，确定ik的值就要确定xk与该指标I级标准b1k的同异反模糊联系度，表示为μ（xk，b1k）=a+bi+c j，其中 ak为同一度，bk为差异度，ck为对立度。由此可得：

（5）计算联系度的数值。以μ（A，BI）为例，将ik的值分别代入式（2），得：

式中：i=0，j=-1，这种取值方式体现了在对评价样本所含信息充分挖掘的基础上，只考虑起关键作用的“同”和“反”部分，保证其评价结果的可靠性和合理性。

（6）通过比较各样本指标值与各评价等级标准指标值集合的联系度数值（联系数）大小（最大联系数的等级即为评价样本的生态承载力等级），来衡量生态承载力水平。

1.2 综合评价指标体系构建

考虑到生态承载力评价在定量化过程中的模糊性和随机性问题，本研究以集对分析为基础，构建基于DPSIR模型的综合评价模型，运用熵权法和集对分析法对2008—2017年安徽省生态承载力进行综合评价。基于前人的研究成果[24-29]和生态承载力特征，从驱动力子系统、压力子系统、状态子系统、影响子系统和响应子系统五个方面构建安徽省生态承载力综合评价指标体系，共20个指标（表1）。

表1 综合评价指标体系

1.3 等级划分

本研究数据来源于《安徽省统计年鉴》 《安徽省统计年鉴》 《安徽省环境状况公报》 《安徽省国民经济和社会发展统计公报》 《安徽省水资源公报》和《中国国土资源年鉴》，部分评价指标数据是利用年鉴和公报的数据通过公式计算得出。

由于目前尚无统一的生态承载力及相关指标的评价标准，在参考国内外城市生态承载力评价标准的基础上[30]，通过实地考察和专家咨询等方法，本研究将生态承载力等级划分为5个等级，其中I级为安全，II级为较安全，III级为临界安全，IV级为较不安全，V级为不安全。本研究采用熵权法对指标进行赋权，可以避免主观误差，等级取值范围及指标权重如表2所示。

2 结果分析

2.1 研究区概况

安徽省处于中国东部与中部的过渡带，共有五大生态区，生态资源十分丰富[31]。安徽省土地总面积约140 139.85 km2，约占国土面积的1.46%。截至2017年末，安徽省城市人口密度为2 535人/km2，是我国典型的人多地少省份之一；安徽省人均水资源量为1 260.8 m3/人，低于全国的2 074.5 m3/人，也是我国典型的地大物薄省份之一。安徽省人口急剧增长、资源开发加快、环境污染严重、资源逐渐枯竭等问题的出现，给区域经济发展和生态保护带来重重困难[32]。安徽省近十年发展迅速，从一定程度上是以消耗生态环境资源为代价，产生很多生态安全问题[33]。随着人口总量剧增和经济高速发展，生态环境遭受巨大压力，对生态承载力的测度尤为重要[34]。

表2 等级划分标准及权重

2.2 指标权重分析

利用获取的2008—2017年安徽省相关指标数据，运用熵权法计算各指标权重，由表2可以看出：在驱动力、压力、状态、影响、响应五个系统中，各指标权重分布较为均衡，说明各指标都是影响各系统生态承载力的重要因素。

在驱动力子系统中，人口自然增长率（0.31） 的权重最大，城镇化率（0.22）和人均生产总值（0.22）的权重最小。表明与城镇化率和人均生产总值相比，人口自然增长率能够更好地反映驱动力子系统对生态承载力的影响。

在压力子系统中，SO2排放量（0.43）的权重最大，单位耕地化肥施用量（0.11）的权重最小。表明与单位耕地化肥施用量相比，SO2排放量能够更好地反映压力子系统对生态承载力的影响。

在状态子系统中，人均耕地面积（0.29） 的权重最大，每万人城市建设用地面积（0.18） 的权重最小。表明与每万人城市建设用地面积相比，人均耕地面积能够更好地反映状态子系统对生态承载力的影响。

在影响子系统中，自然保护区面积（0.34）的权重最大，亿元产值污水排放量（0.16）的权重最小。表明与亿元产值污水排放量相比，自然保护区面积能够更好地反映影响子系统对生态承载力的影响。

在响应子系统中，污染治理投资占GDP比例（0.55）的权重最大，城工业固体废弃物综合利用率（0.15）、城市污水处理厂集中处理率（0.15） 和生活垃圾无害化处理率（0.15）的权重最小。表明与其他评价指标相比，污染治理投资占GDP比例能够更好地反映响应子系统对生态承载力的影响。

2.3 生态承载力评价结果分析

运用公式（1） ~（4） 计算安徽省驱动力子系统、压力子系统、状态子系统、影响子系统和响应子系统五个指标层五元联系数，然后将子系统指标联系数与权重相乘，得出各年子系统联系数，最后采用均值法计算各年总系统联系数。

2.3.1 各系统生态承载力等级时序分析

2008—2017年驱动力、压力、状态、影响、响应各子系统生态承载力等级如图1所示，各子系统生态承载力都处于波动变化趋势，且都有所好转。

从驱动力子系统看，2008—2011年生态承载力一直处于临界安全水平（III级），2012—2015年开始上升为较安全水平（II级），并在2016—2017达到安全水平（I级）。这表明2012年以来，安徽省驱动力子系统生态承载力不断上升，并在2016年达到安全水平。主要由于2012年以来，安徽省城镇化进程的不断加快，人均GDP增长速度加快，城镇居民人均可支配收入持续上涨，安徽省居民生活水平和生活质量得到明显改善。

从压力子系统看，2008—2017年的系统生态承载力都为临界安全水平（III级）并保持不变，表明安徽省压力子系统生态承载力发展平稳且水平较低。主要因为人口不断增长，再加上资源的有限性，导致人均资源占有量不断减少，对安徽省生态承载力造成巨大压力。

从状态子系统看，2008—2017年的系统生态承载力都为临界安全水平（III级），并保持不变，说明安徽省状态子系统生态承载力发展平稳且水平有待提升，主要是人口增长对粮食的需求加大导致需要不断开垦耕地，对土地的压力日益加剧。

从影响子系统看，2008—2017年的系统生态承载力波动较小，除了2008年和2016年为较安全水平（II级），其他年份一直保持为临界安全水平（III级），表明安徽省影响子系统生态承载力发展有上升区间。在新常态背景下，不断强化科技创新，加大对自然保护区的防护，提高对城市的绿化水平，合理有效地控制污水排放，增强发展活力。

从响应子系统看，2008—2010年以来，系统生态承载力发展平稳，一直处于临界安全水平（III级），但2011年又下降为不安全水平（V级），并持续到2012年。在2013年又上升为较安全水平（II级），表明2013年以来，安徽省影响子系统有所改善，2014—2017年系统由临界安全水平（III级）上升到较安全水平（II级）。主要由于安徽省通过产业转型推进绿色低碳循环发展，扎实推进重点治理工程，工业固体废物综合利用率和生活垃圾无害化处理率不断提高，持续加大对污染治理的投资额，逐步改善生态环境质量。

图1 各子系统生态承载力等级

2.3.2 安徽省生态承载力等级时序分析

安徽省生态承载力各等级的联系数如图2所示，I级、IV级、V级的联系数始终小于0，但I级联系数呈V型，在2009年以后逐年上升，V级联系数一直处于波动状态并呈下降趋势，IV级联系数一直处于波动下降状态；II级的联系数呈波动上升状态；III级的联系数变化波动较大，上升（2008—2009年） —下降（2009—2011年）—上升（2011—2013年）—下降 （2013—2014年） —上升（2014—2015年） —下降 （2015—2017年），波动幅度逐渐加大；同时可以看出，2011年以后IV级、V级联系数逐年下降，而I级和II级联系数逐年上升，且在2016—2017年II级联系数明显高于其他等级联系数，说明安徽省生态承载力等级将稳定在II级，并呈向I级方向发展的趋势，呈稳中向好的发展态势。

图2 2008—2017年安徽省生态承载力各等级联系数

2008—2017年安徽省生态承载力等级如图3所示，研究期内，安徽省生态承载力水平呈波动上升状态。2008—2010年安徽省生态承载力一直处于临界安全水平（III级），各系统之间发展相对稳定；2011年安徽省生态承载力由临界安全水平（III级） 上升为较安全水平（II级），呈现出稳中向好的趋势，得益于安徽省经济实力的逐渐增强，城镇化水平的不断提升；但在2012—2015年，安徽省生态承载力水平又从较安全水平（II级） 下降为临界安全水平（III级），说明水土资源供需矛盾突出。随着人口逐年增长，耕地面积和农业化肥用量的加大，人均水资源量的日益减少，安徽省生态承载力可持续发展正受到巨大的压力。2016—2017年，安徽省生态承载力由临界安全水平（III级）上升为较安全水平（II级），生态承载力水平明显好转，结果表明各子系统之间的协同发展水平在不断提高，驱动力子系统已达到安全水平（I级），响应子系统承载力水平和安徽省生态承载力水平保持一致，其他子系统承载力水平有向着较安全水平（II级）发展的趋势。

图3 2008—2017年安徽省生态承载力等级雷达图

3 结论与对策

3.1 结论

使用熵权法和集对分析法，对2008—2017年安徽省生态承载力展开科学严谨的研究评价，得出以下结论：

（1） 安徽省生态承载力等级在2008—2017年由临界安全水平（III级） 到较安全水平（II级），整体水平显著提高；各子系统之间的协调程度也在提升，其中响应子系统水平的增长对安徽省生态承载力的贡献最突出。

（2） 安徽省生态承载力受很多因素共同约束，压力子系统是制约安徽省生态承载力的主要因素。虽然2008—2017年生态承载力水平逐渐改善，但仍有很大的上升空间，各子系统内部指标需不断优化，以及5个子系统之间协同发展水平有待提升。

3.2 对策

基于以上结论可知，提高安徽省生态承载力的重点在协调驱动力子系统、压力子系统、状态子系统，影响子系统和响应子系统之间的关系，并优化内部指标，对此提出以下对策：

（1）优化水土资源规划，加强安徽省政府管控力度。针对安徽省存在的水土资源使用不合理的情况，一方面，要加强水土资源的保护力度，政府针对不合理使用、污染破坏水土资源的单位部门或个人制定相关的法律法规。另一方面，政府应提高单位部门使用水土资源的标准，鼓励企业使用清洁无污染能源，提高处理工业三废的能力，促进安徽省的生态文明建设，实现可持续发展。

（2）加快产业结构调整，推动安徽省经济转型升级。响应子系统是影响安徽省生态承载力的关键因素，因此须大力加快安徽省产业经济转型升级的速度。利用好淮河生态经济带，长江经济带、长三角经济圈以及皖江城市带等平台，不断加快产业结构调整，实现可循环、低能耗，发展资源节约型-生态友好型战略性新兴产业，以此提高安徽省生态承载力。

本研究只从宏观角度评价安徽省的整体情况，并未考虑到不同市县，特别是皖北、皖南因地理环境的空间差异而导致生态承载力水平存在较大差异。如何构建更理想具有代表性的生态承载力综合评价指标体系，仍需要进一步研究探讨。