基于狀態(tài)空間法的揚州市生態(tài)承載力定量評價

曹茂林

（揚州市環(huán)境監(jiān)測中心站，江蘇揚州225007）

生態(tài)承載力指不同尺度區(qū)域在一定時期內(nèi)，在確保資源合理開發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)，以及區(qū)域間保持一定物質(zhì)交流規(guī)模的條件下，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)能夠承載的人口社會規(guī)模及其相應的經(jīng)濟方式和總量的能力。生態(tài)承載力是聯(lián)系人類活動與自然生態(tài)系統(tǒng)的紐帶，反映了人類活動與生態(tài)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)程度，決定著一個區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展的速度和規(guī)模，具有客觀性、多尺度和自相關等特點［1］。生態(tài)承載力研究涉及對目標系統(tǒng)動態(tài)、相互作用及反饋等過程的定量描述和狀態(tài)評價。

揚州市地處華東經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，人口、資源、環(huán)境壓力較為突出。為促進城市的可持續(xù)發(fā)展進程，中德兩國政府在揚州市開展了“生態(tài)城市規(guī)劃與管理”合作試點，以期為中國的生態(tài)城市建設提供示范。近年來，揚州的經(jīng)濟保持了良好的增長態(tài)勢，總量壯大，速度加快，2010年全市人均GDP達到4.98萬元／人，在江蘇13個省轄市中位列第7位，在“長三角”22個城市中位列第13位，經(jīng)濟社會發(fā)展處于本地區(qū)中等水平。分析研究揚州市的生態(tài)承載力狀況，不僅是揚州生態(tài)城市建設的需要，而且對于本地區(qū)其他城市的可持續(xù)發(fā)展研究具有較好的借鑒意義。

1 狀態(tài)空間法模型

生態(tài)承載力研究的方法目前尚處于探索階段，主要有種群數(shù)量的Logistic法、資源供需平衡法、指標體系法和系統(tǒng)模型法。狀態(tài)空間法是歐氏幾何空間應用于定量描述系統(tǒng)狀態(tài)的一種有效方法，已經(jīng)成為目前最主要的指標體系計算方法，通常由表示系統(tǒng)各要素狀態(tài)向量的三維狀態(tài)空間軸組成，區(qū)域生態(tài)承載力的大小可用狀態(tài)空間的原點同系統(tǒng)狀態(tài)點所構(gòu)成的矢量模來表示：

式中wi就是xi軸的權。

由于現(xiàn)實的生態(tài)承載力狀況與狀態(tài)空間中理想的生態(tài)承載力并不完全吻合，通常會有一定的偏差，從而導致區(qū)域承載狀況出現(xiàn)超載、滿載或可載3種情況。區(qū)域承載狀況的計算公式為：

式中：RCS為現(xiàn)實的區(qū)域承載狀況；θ為現(xiàn)實的區(qū)域承載狀況矢量與資源環(huán)境承載體組合狀態(tài)下的區(qū)域生態(tài)承載力矢量之間的夾角。

根據(jù)狀態(tài)空間模型分析，超載時的區(qū)域承載狀況矢量的模必然大于區(qū)域承載力矢量的模；反之，可載時區(qū)域承載狀況矢量的模則小于區(qū)域承載力矢量的模［2］。據(jù)此可對夾角θ的符號及現(xiàn)實的區(qū)域承載狀況與承載力的關系用下式判別：

2 指標體系及理想值的確定

使用狀態(tài)空間法度量某個區(qū)域的生態(tài)承載狀況，必須構(gòu)建1套能有效反映區(qū)域系統(tǒng)狀態(tài)的指標體系。一般將影響生態(tài)承載力的指標分為壓力類指標和承壓類指標，在兼顧指標的完備性和數(shù)據(jù)可得性的前提下，構(gòu)建的生態(tài)承載力指標體系如表1所示。

確定各項指標理想狀態(tài)的值大多采用問卷調(diào)查法，征求專家意見，或者利用現(xiàn)有的國內(nèi)國際標準?？紤]到揚州建設生態(tài)城市的目標定位，以國家生態(tài)市建設指標、《揚州生態(tài)市建設規(guī)劃（2000－2020）》遠景目標值和江蘇省平均值（壓力類和承壓類指標分別向下、上浮動20%）的次序選取理想值?，F(xiàn)狀值為2010年數(shù)據(jù)，依據(jù)揚州統(tǒng)計年鑒整理。

3 賦權及數(shù)據(jù)規(guī)范化

在多指標綜合評價中，確定指標權重的方法分主觀賦權和客觀賦權。主觀賦權根據(jù)評價者對各指標的重視程度決定權重，客觀賦權根據(jù)各指標的聯(lián)系程度或指標所提供的信息量決定權重。采用的層次分析法（AHP）就是一種常用的主觀賦權方法。AHP法是美國運籌學家Saaty于20世紀70年代提出的一種多目標、多準則的決策分析法，適用于結(jié)構(gòu)比較復雜，目標較多且不宜量化的決策問題［3］。

表1 生態(tài)承載力評價指標體系

A層 B層 C層 計量單位 理想值 現(xiàn)狀值 權重資源環(huán)境要素承壓類指標i14：人均水資源量 立方米／人 584.9② 528.8 0.086 6 i15：人均耕地面積 畝／人 1.073② 0.963 0.047 0 i16：城鎮(zhèn)人均公共綠地面積 平方米／人 11③ 19.83 0.004 9 i17：環(huán)境保護投資占GDP的比重 % 3.5③ 3.53 0.016 1 i18：城市污水集中處理率 % 85③ 87.5 0.012 6 i19：城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理率 % 90③ 96.82 0.007 7 i20：工業(yè)固體廢物處置利用率 % 90③ 99.89 0.007 9 i21：森林覆蓋率 % 15③ 18.31 0.020 4 i22：受保護地區(qū)占國土面積比例 % 17③ 20.2 0.028 1 i23：人均糧食產(chǎn)量 千克／人 493.3② 625.3 0.038 8 i24：農(nóng)民年人均純收入 元／人 8 000③潛力要素9 462 0.007 6 i25：城鎮(zhèn)居民年可支配收入 元／人 27 533② 21 766 0.005 6 i26：人均GDP 萬元／人 5.8① 4.98 0.020 3 i27：第三產(chǎn)業(yè)占GDP比例 % 40③ 37.6 0.013 7 i28：人均實際利用外資 美元／人 434.5② 560.2 0.027 9 i29：高新技術產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占工業(yè)產(chǎn)值的比重 % 39.6② 37.9 0.052 9 i30：每萬名從業(yè)人員中R＆D人員 人／萬人 421.3② 245.5 0.036 8 i31：每萬人擁有醫(yī)生數(shù) 人／萬人 19.7② 17.2 0.004 0 i32：高速公路密度 公里／百平方公里 4.75②4.04 0.011 1注：①源自《揚州生態(tài)市建設規(guī)劃（2000－2020）》；②江蘇省平均值源自《2011年江蘇統(tǒng)計年鑒》（北京：中國統(tǒng)計出版社，2011.8），調(diào)整20%作為理想值；③源自《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設指標（修訂稿）》。

AHP法要求按層次結(jié)構(gòu)自上而下逐層建立判斷矩陣。例如，對B層次的“經(jīng)濟增長要素”及其隸屬的10項指標i01，i02，…，i10，進行重要性的兩兩比較，所得到的判斷矩陣如表2。

表2 經(jīng)濟增長要素10項指標的權重判斷矩陣

根據(jù)矩陣理論，判斷矩陣的最大非零特征根對應的特征向量分量即為權重，采用方根法可計算矩陣特征向量的值，見表3。

其他要素所屬指標的權重亦采用相似的方法確定，不再贅述。全部層級的權重系數(shù)確定后，各項指標相對于總目標的權重可逐層傳遞得出，計算結(jié)果見表1。

為消除不同指標量綱和數(shù)量級差對于評價的影響，需要對各項評價指標的原始數(shù)據(jù)進行規(guī)范化處理。其中的負值或零需先作平移，以使數(shù)據(jù)有效。增長類指標（如：i01，i02，…，i12）低于理想值有利，采用下式進行規(guī)范化處理：

式中xi為規(guī)范化處理后的數(shù)值，Bi為指標i的原始數(shù)據(jù)，B′i指標i的理想值。而制約類指標（如：i13，i14，…，i32）高于理想值有利，則采用下式進行規(guī)范化處理：

表3 經(jīng)濟增長要素10項指標的權重系數(shù)

4 結(jié)果與討論

4.1 揚州市生態(tài)承載現(xiàn)狀接近飽和，經(jīng)濟迫切需要轉(zhuǎn)型

各項指標經(jīng)過規(guī)范化處理后，理想狀態(tài)時生態(tài)承載力RCC＝1。2010年揚州市生態(tài)承載現(xiàn)狀為：

揚州市RCS＜RCC，生態(tài)承載能力處于可載狀態(tài)，但已接近滿載，進一步承載的空間有限。在13項壓力指標中，貢獻最大的依次是人口密度、萬元工業(yè)產(chǎn)值廢氣排放量、二氧化硫排放強度，3項指標的累計貢獻率達40%。這與揚州市地處中國人口密集區(qū)，產(chǎn)業(yè)以制造業(yè)為主導和以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)有關。資源環(huán)境要素評價結(jié)果顯示，揚州市加大生態(tài)環(huán)境建設，提高污染物處置能力，為增強生態(tài)承載能力奠定了基礎。但產(chǎn)業(yè)隊伍中研發(fā)人員比例不高，將削弱揚州市轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方式，實現(xiàn)資源驅(qū)動向創(chuàng)新驅(qū)動轉(zhuǎn)型的努力。從改善區(qū)域生態(tài)承載狀況的角度看，揚州市經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的重點應是在促進傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級的基礎上，大力提升自主創(chuàng)新能力，發(fā)展高新技術產(chǎn)業(yè)和現(xiàn)代服務業(yè)，不斷降低資源能源消耗，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高清潔能源的比重。

4.2 科學設計指標體系是狀態(tài)空間法的關鍵

1套理想的指標體系應滿足3個條件：①指標具有可比性，即指標是根據(jù)統(tǒng)一的原則和標準選取的；②指標表達形式簡單，信息量充分；③指標之間應相對獨立，減少信息重疊。指標篩選須遵循科學性、可操作性、必要性和完備性的原則，對已有指標如生態(tài)縣（市、?。┙ㄔO指標、生態(tài)規(guī)劃指標、可持續(xù)發(fā)展?jié)摿υu價指標等可加以應用。

4.3 確定理想狀態(tài)的參比值是狀態(tài)空間法的難點

狀態(tài)空間法模型將現(xiàn)狀值與理想值的比較作為系統(tǒng)參數(shù)，因此，確定不同時期不同區(qū)域承載力的理想值是工作的難點，也是保證計算結(jié)果精確性的重點。由于各個地區(qū)發(fā)展階段不同、環(huán)境稟賦差異，很難確定一個普遍適用的理想值。通?？刹捎脝柧碚{(diào)查，借鑒國際國內(nèi)相關標準，參照可持續(xù)發(fā)展狀態(tài)維護得好的鄰近區(qū)域等的方法確定理想值。對部分難以確定理想值的指標，采取將省內(nèi)均值適當調(diào)整后作為理想值的辦法不失為一種現(xiàn)實的選擇。

［1］ 王開運.生態(tài)承載力復合模型系統(tǒng)與應用［M］.北京：科學出版社，2007：6－10.

［2］ 毛漢英，余丹林.區(qū)域承載力定量研究方法探討［J］.地理科學進展，2001，16（4）：549－555.

［3］ 王以彭，李結(jié)松，劉元立.層次分析法在確定評價指標權重系數(shù)中的應用［J］.第一軍醫(yī)大學學報，1999，19（4）：377－379.