基于GIS的伊犁河谷地區(qū)生態(tài)承載力研究

陳晨，張哲，王文杰*，劉軍會，王維，劉孝富,3

1.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012 2.湖南科技大學，湖南 湘潭 411201 3.北京師范大學，北京 100875

基于GIS的伊犁河谷地區(qū)生態(tài)承載力研究

陳晨1,2，張哲1，王文杰1*，劉軍會1，王維1，劉孝富1,3

1.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012 2.湖南科技大學，湖南 湘潭 411201 3.北京師范大學，北京 100875

以生態(tài)承載力理論為指導，利用GIS技術，對伊犁河谷地區(qū)生態(tài)承載力現狀進行定量化評價與空間化表達。結果表明，伊犁河谷地區(qū)生態(tài)承載力總體處于可承載狀態(tài)，但空間分布差異性明顯，西北部和東南部地區(qū)處于超載狀態(tài)，其中伊寧市和伊寧縣處于嚴重超載；東北部和西南部地區(qū)生態(tài)承載能力較高，其中特克斯縣和昭蘇縣處于盈余狀況。從區(qū)域地形特征看，山區(qū)—丘陵—平原生態(tài)系統(tǒng)承載力負荷依次遞增。森林資源、天然草原資源和水資源狀況是伊犁河谷地區(qū)各縣市生態(tài)承載力空間差異的主導因素，而城鎮(zhèn)化、工農業(yè)發(fā)展帶來的人口密集、污染負荷超載以及自然資源的急劇消耗是導致生態(tài)承載力超載的主要驅動因子。

生態(tài)承載力；地理信息系統(tǒng)(GIS)；空間差異；伊犁河谷

自然生態(tài)系統(tǒng)作為地球生命支持系統(tǒng)的核心組成部分，為人類提供了各種必不可少的服務功能，是人類活動賴以生存與發(fā)展的唯一基礎[1-2]。生態(tài)承載力是表征生態(tài)系統(tǒng)整體水平，衡量人類經濟社會活動與自然生態(tài)系統(tǒng)之間相互關系，評判人地系統(tǒng)是否可持續(xù)發(fā)展的重要依據，它在環(huán)境保護與資源持續(xù)利用之間，試圖尋求合理的代價與適度的承載能力的動態(tài)平衡臨界點，它是人類活動強度與自然生態(tài)系統(tǒng)的資源供給、環(huán)境容納能力互動的結果，可以有效地揭示區(qū)域發(fā)展中存在的問題以及對區(qū)域未來發(fā)展可能造成的影響等[3-6]。

伊犁河谷地區(qū)覆蓋了新疆西部沿邊地區(qū)，雪山、森林、草原、河流等自然生態(tài)系統(tǒng)構成其特有的原生態(tài)自然環(huán)境體系，在涵養(yǎng)水源、調節(jié)氣候、保持水土、保護生物多樣性及維護生態(tài)平衡等方面具有不可替代的作用和地位，擔負著新疆和我國西部地區(qū)的生態(tài)屏障的功能[7]。境內水資源充沛，礦產資源富集，土壤肥沃，草場豐美，森林茂密，素有“塞外江南”、“西陲寶地”和“瀚海綠洲”之稱，是新疆主要糧油和畜牧業(yè)基地[8]。長期以來，伊犁河谷地區(qū)經濟發(fā)展主要依賴于本地優(yōu)勢資源的開發(fā)利用，過度的農業(yè)開發(fā)、工業(yè)開發(fā)、水資源開發(fā)、礦產資源開發(fā)、旅游開發(fā)等粗放的資源利用方式破壞了承載力依賴的基礎，使得生態(tài)承載力潛能面臨衰退，生態(tài)系統(tǒng)健康和生態(tài)安全受到影響，生態(tài)環(huán)境問題日益突出，表現為水土流失嚴重[9]，土壤鹽漬化[10]，天然草原不斷退化[11]，濕地面積萎縮[12]，河流水環(huán)境質量下降[13]，生物多樣性銳減[14]。穩(wěn)定的經濟發(fā)展是以能提供生態(tài)系統(tǒng)功能的健康生態(tài)系統(tǒng)為基礎的[15]，正確處理好經濟發(fā)展與環(huán)境保護的關系，是實現伊犁河谷地區(qū)跨越式發(fā)展的保障[16-17]。因此，探討伊犁河谷地區(qū)生態(tài)承載能力是否能夠保障區(qū)域經濟社會發(fā)展的需求迫在眉睫。

筆者基于GIS空間分析技術，以2010年為基準年，對伊犁河谷地區(qū)生態(tài)承載能力進行定量化評價，并分析伊犁河谷生態(tài)承載力狀況的空間分布特征，旨在揭示影響區(qū)域生態(tài)承載力的主要驅動力，探討解決生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)經濟發(fā)展與環(huán)境保護二者之間平衡的途徑，以期為伊犁河谷地區(qū)的生態(tài)環(huán)境綜合治理，建設生態(tài)伊犁實現資源開發(fā)可持續(xù)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供參考依據。

1 研究區(qū)概況與數據來源

1.1 研究區(qū)概況

伊犁河谷地區(qū)地處歐亞大陸腹地的新疆天山北坡西段，地理位置為42°14′16″N～44°50′30″N，80°09′42″E～84°56′56″E，與中亞國家毗鄰，西與哈薩克斯坦接壤，沿邊設有霍爾果斯、都拉塔、木扎爾特3個對外開放口岸，是我國向西開放的重要門戶。全境東西長約350 km，南北寬約280 km，幅員面積5.6×104km2，占新疆總面積的3.6%。行政區(qū)包括伊寧市、伊寧縣、尼勒克縣、新源縣、鞏留縣、特克斯縣、昭蘇縣、察布查爾縣、霍城縣，共計1市8縣，2010年末總人口約250.7萬人。

伊犁河谷地區(qū)是我國唯一受大西洋暖流影響的區(qū)域，使原本屬大陸性中溫帶半干旱氣候的伊犁河谷成為我國西北干旱區(qū)中堪稱相對濕潤的區(qū)域，年平均氣溫10.4 ℃，年平均降水量417.6 mm，年平均日照時數2 870 h，氣、水、熱、土等自然條件組合搭配優(yōu)越。伊犁河谷地區(qū)東、南、北三面被天山環(huán)繞，“三山夾兩谷”的地貌輪廓構成了一道天然屏障，其地貌類型主要分為山地、丘陵和河谷平原3種，其中河谷平原面積約1.3×104km2，占總面積的23.2%，是工農業(yè)生產與居民生活的主要集聚區(qū)。

1.2 數據來源與處理

以遙感監(jiān)測和多源地面基礎信息為基礎數據，以地理信息系統(tǒng)空間分析為主要技術手段，主要數據源包括：1)遙感數據。2010年Landsat TM遙感影像、250 m分辨率的MODIS遙感影像，用于土地覆蓋和植被覆蓋度等專題信息的提取。2)基礎地理信息數據。伊犁河谷地區(qū)DEM數據(分辨率為80 m×80 m)、比例尺為1∶100萬的河流水系、行政區(qū)劃數據。3)專題信息數據。比例尺為1∶100萬的地形地貌、植被類型、土壤類型與土壤質地數據。4)實地監(jiān)測數據。2010年水環(huán)境質量監(jiān)測數據、河流年均徑流量、礦產資源儲量與分布調查數據、2010年污染源普查更新數據。5)統(tǒng)計數據。2011年新疆統(tǒng)計年鑒[18]。

考慮到數據的可獲取性和便于管理的需要，采用柵格單元和行政單元相結合的辦法，以1 km×1 km的柵格單元作為最小評價單元計算，以1市8縣行政單元作為綜合評價分析單元，通過空間關聯和轉換對柵格單元賦值，使所有評價指標在每一柵格上都具有對應值，并按照要素等級劃分標準進行分級，進而對各要素的評價結果進行分析[19]。

2 生態(tài)承載力綜合評價方法

2.1 評價指標體系構建

從生態(tài)承載力的概念與內涵出發(fā)[20-22]，生態(tài)承載力可以簡單地理解為承載媒體對承載對象的支持能力，其受承載媒體的支持作用和所承載對象的壓力作用兩方面限制。因此，評價生態(tài)系統(tǒng)承載力狀況不僅需了解生態(tài)系統(tǒng)中承載媒體的承載力，還需了解生態(tài)系統(tǒng)中承載對象的壓力大小。結合伊犁河谷地區(qū)的生態(tài)環(huán)境特征，從生態(tài)系統(tǒng)彈性力、資源環(huán)境承載力和作為調控因素的社會經濟活動壓力三方面構建伊犁河谷地區(qū)生態(tài)承載力評價指標體系，生態(tài)系統(tǒng)彈性力和資源環(huán)境承載力反映了承載媒體的支持能力，社會經濟壓力則反映了承載對象的壓力狀況。

生態(tài)系統(tǒng)彈性力是生態(tài)承載力的支持條件，通過生態(tài)系統(tǒng)結構完整性和生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定性2個方面表征生態(tài)彈性度狀況。生態(tài)系統(tǒng)結構反映生態(tài)系統(tǒng)的組分結構和景觀格局狀況，選取景觀類型和景觀破碎度2個指標；生態(tài)系統(tǒng)功能反映生態(tài)系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性，選取植被覆蓋度、中度及以上程度土壤侵蝕面積比例和高功能組分比例3個指標表征。

資源承載力是生態(tài)承載力的基礎條件。伊犁河谷地區(qū)資源承載力主要考慮草地、耕地、礦產和水資源4個方面。畜牧業(yè)是構成伊犁河谷地區(qū)的支柱產業(yè)和優(yōu)勢產業(yè)，優(yōu)質的草地資源越豐富，可放養(yǎng)的牲畜就越多，草地資源的承載力也越高，因此，草地資源承載能力通過天然草場面積比例進行計算；農業(yè)土地資源承載力的提高主要反映在糧食產量的提高上，在不考慮自然災害等不確定因素對承載力的影響下，利用人均耕地面積指標來反映農業(yè)土地資源供給能力；伊犁河谷是新疆四大煤化工基地之一，煤炭資源豐富，因此，礦產資源承載力主要考慮煤炭方面，選擇煤炭資源儲量作為表征指標；水資源承載力選取年徑流量指標表征。環(huán)境承載力取決于氣候、環(huán)境狀況等多種因素，是生態(tài)承載力的約束條件，根據伊犁河谷地區(qū)生態(tài)環(huán)境特征，環(huán)境承載力主要考慮水環(huán)境質量和土壤質量的健康狀況，分別采用地表水環(huán)境質量和土壤有機質含量2個指標表征。

人類活動施加于承載媒體上的壓力，是復合生態(tài)系統(tǒng)中資源、環(huán)境、經濟與社會共同作用的表現結果。壓力度指標選取人均GDP、第三產業(yè)占生產總值的比例來表征由經濟增長過快對系統(tǒng)造成的壓力；人口密度指標表征人口壓力；化學需氧量排放量指標和廢水排放量指標表征人類活動對環(huán)境造成的污染脅迫。

為了直觀地反映伊犁河谷地區(qū)1市8縣間生態(tài)承載力綜合評價結果的差異，參考相關文獻[23-27]，將評價指標劃分為5個等級，按照指標賦值區(qū)間分別賦以1、2、3、4、5的等級值(表1)。

2.2 綜合評價方法

生態(tài)承載力受其承載媒體的支持作用和所承載對象的壓力作用兩方面表征，生態(tài)承載力綜合指數通過彈性度、承載度和壓力度三者構成的函數計算獲取。其中社會經濟子系統(tǒng)作為承載對象，社會經濟子系統(tǒng)對自然生態(tài)系統(tǒng)的壓力為系統(tǒng)外力，該壓力與自然生態(tài)系統(tǒng)的支持力作用相反。根據上述建立的生態(tài)承載力評價指標體系，對指標進行標準化處理后，形成以下評價模型：

生態(tài)承載力綜合指數=支持度壓力度=
(彈性度×0.5+承載度×0.5)壓力度

式中，Wi為第i項指標所對應的權重；n為評價指標總數；Ri為彈性度指數第i項指標；Ci為承載度指數第i項指標；Pi為壓力度指數第i項指標。

2.3 等級劃分

彈性度評價結果主要反映了生態(tài)系統(tǒng)的自我維持能力以及受外界干擾后的自我調節(jié)與自我恢復能力，生態(tài)彈性度指數越高，表示生態(tài)系統(tǒng)的彈性限度越大，生態(tài)系統(tǒng)抗干擾性越強，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性越好。承載度評價結果主要反映資源的供給能力和環(huán)境的容納能力，指數越大，生態(tài)系統(tǒng)支持能力越高，承載能力就越強；反之指數越小，表示支持力越低，承載能力就越弱。承載對象的壓力度是從經濟增長、人口壓力和資源消耗、環(huán)境污染帶給生態(tài)系統(tǒng)壓力狀況的評價，指數越高，表明生態(tài)系統(tǒng)受到的壓力越大；指數越低，表示系統(tǒng)受到的壓力越小(表2)。

表1 伊犁河谷地區(qū)生態(tài)承載力評價指標體系及參數賦值

注：高功能組分是指高覆蓋林地、高覆蓋草地和水體。

表2 生態(tài)承載力評價要素分級標準

最終得到的生態(tài)承載力綜合指數，以1為界線，大于1表示生態(tài)壓力層面指數小于支持層面指數，生態(tài)承載力盈余，生態(tài)承載力處于可承載的范圍；小于1表示生態(tài)壓力層面指數大于支持層面指數，生態(tài)承載力處于有所超載的狀態(tài)；等于1則表示支持層面指數與壓力層面指數相當，生態(tài)承載力處于平衡狀態(tài)(表3)。

表3 生態(tài)承載力評價標準

3 結果與分析

3.1 伊犁河谷地區(qū)生態(tài)彈性度評價結果與分析

伊犁河谷原始生態(tài)資源豐富，生態(tài)彈性度分值為3.62，屬于較穩(wěn)定狀態(tài)，說明伊犁河谷生態(tài)系統(tǒng)對外界干擾的長期效應具有較好的抵抗力和恢復力，維持自身的組織結構長期穩(wěn)定。從圖1、表4可見，伊犁河下游平原和南部高山地區(qū)生態(tài)彈性度較低，下游平原地區(qū)農田和城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)面積所占比例較大，植被覆蓋度較低，景觀破碎度高，草場退化導致其水源涵養(yǎng)和保持水土功能衰退，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，尤其是伊寧市、察布查爾縣和霍城縣；而南部高山地區(qū)主要是由于冰川和永久積雪的覆蓋，植被覆蓋度極少。相比之下，伊犁河源頭和中游地區(qū)由于植被覆蓋度較高，生態(tài)系結構相對完整，高功能組分比例較大，生態(tài)彈性度較高，新源縣生態(tài)彈性度最高，其次是特克斯縣和尼勒克縣。

圖1 伊犁河谷地區(qū)彈性度空間分布Fig.1 The spatial pattern of resilience index in Yili River Valley area

表4 伊犁河谷地區(qū)生態(tài)彈性度計算及分級

3.2 伊犁河谷地區(qū)承載度評價結果與分析

伊犁河谷地區(qū)自然條件優(yōu)越，水資源豐富，能源、礦產資源蘊藏量富集，資源承載度較高分值為2.63，屬于中等承載狀態(tài)，但各市(縣)情況差異較大。從圖2和表5可見，東北部和西南部地區(qū)承載度較大，其中尼勒克縣天然草場面積較大，水資源豐富、且煤炭儲量較高，單位面積廢水排放量低，土壤以黑鈣土為主，土壤有機質含量高，承載度最大；其次是西南的特克斯縣和昭蘇縣。與之相比，西北部和東南部地區(qū)承載度較小，以伊寧市為中心及周邊地區(qū)城市規(guī)模的擴大，伊犁河水環(huán)境容量的需求加大，城鎮(zhèn)生活廢水直排，污水處理設施滯后，水環(huán)境容量減少和污染物的排放總量增加的矛盾凸顯，環(huán)境承載力較低，從而影響了生態(tài)系統(tǒng)的總體承載能力。

3.3 伊犁河谷地區(qū)壓力度評價結果與分析

伊犁河谷地區(qū)壓力度分值為2.84，屬于中壓狀態(tài)。從表6和圖3可見，伊犁河谷地區(qū)壓力度空間差異性明顯，而壓力度空間差異特征基本與人口密度空間差異相一致，伴隨著天山北坡經濟帶以及伊寧經濟圈城鎮(zhèn)化與工業(yè)化發(fā)展，污染負荷較大，同時面臨著資源與能源開發(fā)問題，作為經濟圈中心城市的伊寧市以及輻射范圍內的伊寧縣和霍城縣以及作為經濟圈發(fā)展極的新源縣的壓力度較大。西南部地區(qū)由于地域遼闊，現有人口的土地壓力很小，同時工業(yè)經濟發(fā)展相對滯后，壓力度相對較小。

圖2 伊犁河谷地區(qū)承載度空間分布Fig.2 The spatial pattern of carrying capacity index in Yili River Valley area

表5 伊犁河谷地區(qū)承載度計算及分級

表6 伊犁河谷地區(qū)壓力度計算及分級

圖3 伊犁河谷地區(qū)壓力度空間分布Fig.3 The spatial pattern of pressing index in Yili River Valley area

3.4 伊犁河谷地區(qū)生態(tài)承載力綜合評價結果與分析

基于格網的生態(tài)承載力空間評價結果顯示，伊犁河谷地區(qū)生態(tài)承載力評價綜合分值為1.31，總體處于可承載狀態(tài)，其中生態(tài)彈性度處于較穩(wěn)定狀態(tài)，承載度處于中等承載狀態(tài)，說明整個伊犁河谷地區(qū)生態(tài)承載能力尚好。從圖4和表7可見，不同區(qū)域的生態(tài)承載力不同，空間分布格局差異性顯著。其中西南地區(qū)生態(tài)承載力分值較高，基本表現為可承載和盈余狀況。而西北部和東南部地區(qū)生態(tài)承載力分值普遍較低，超載區(qū)域分布面積較大，其中伊犁河下游伊寧市、伊寧縣和霍城縣的生態(tài)問題較為嚴重，在生態(tài)系統(tǒng)彈性度較之其他地區(qū)偏低的情況下，一方面區(qū)域資源承載度較低，另一方面經濟社會發(fā)展帶來的人口壓力和污染脅迫壓力很大，生態(tài)承載力超載現象嚴重，其中伊寧市嚴重超載現象最為嚴重。

圖4 伊犁河谷地區(qū)生態(tài)承載力空間分布Fig.4 The spatial pattern of ECC in Yili River Valley area

表7 伊犁河谷地區(qū)生態(tài)承載力評價結果

4 結論

(1)認識區(qū)域內部生態(tài)承載力的空間格局及其制約因子對于指導生態(tài)環(huán)境的綜合治理和可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃的制定具有重要意義。由生態(tài)系統(tǒng)彈性力、資源環(huán)境承載力和社會經濟活動壓力三者的合力表征生態(tài)承載力，從生態(tài)彈性度、承載度和壓力度三方面構建生態(tài)承載力評價指標體系，評價伊犁河谷地區(qū)1市8縣2010年的生態(tài)承載力情況。評價結果表明，伊犁河谷地區(qū)生態(tài)承載力評價綜合得分為1.31，總體處于可承載狀態(tài)，其中生態(tài)彈性度處于較穩(wěn)定狀態(tài)，承載度處于中等承載狀態(tài)，壓力度處于中壓狀態(tài)。但生態(tài)承載能力狀況空間分異性明顯，伊犁河谷地區(qū)西北部和東南部地區(qū)生態(tài)承載力普遍超載，其中伊寧市和伊寧縣處于嚴重超載；東北部和西南部地區(qū)生態(tài)承載力狀況普遍較好，其中特克斯縣和昭蘇縣處于盈余狀況。

(2)在經濟社會發(fā)展過程中，認清經濟發(fā)展與環(huán)境保護之間的內在聯系，以生態(tài)承載力優(yōu)化經濟發(fā)展，根據伊犁河谷地區(qū)生態(tài)承載力評價結果，結合主體功能區(qū)劃和生態(tài)功能區(qū)劃，綜合提出產業(yè)結構調整對策，把資源開發(fā)的影響控制在環(huán)境承載力之內，加強資源合理利用，是實現伊犁河谷地區(qū)最佳的生態(tài)環(huán)境與經濟綜合效益的關鍵。從伊犁河谷地區(qū)整體性看，森林資源、天然草原資源、水資源成為各縣市生態(tài)承載能力存在差異的主導因素，而城鎮(zhèn)化、工農業(yè)發(fā)展帶來的人口密集和污染超載負荷與自然資源消耗是導致生態(tài)承載力超載的主要驅動力。因此，以城鎮(zhèn)化、工農業(yè)發(fā)展與自然資源開發(fā)利用為主，生態(tài)承載力超載嚴重的伊犁河下游平原區(qū)應作為重點發(fā)展與保護對象，實施“點狀發(fā)展、面狀保護”措施。以草原畜牧業(yè)發(fā)展為主，自然環(huán)境條件優(yōu)越、工業(yè)基礎薄弱的昭蘇縣和特克斯縣應作為生態(tài)環(huán)境保護重點區(qū)域，加大生態(tài)系統(tǒng)保護力度，防止工業(yè)以及畜牧業(yè)的過度發(fā)展。

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聲明

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《環(huán)境工程技術學報》編輯部

StudyonYiliRiverValleyAreaEcologicalCarryingCapacityBasedonGIS

CHEN Chen1,2, ZHANG Zhe1, WANG Wen-jie1, LIU Jun-hui1, WANG Wei1, LIU Xiao-fu1,3

1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2.Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China 3.Beijing Normal University, Beijing 100875, China

Based on the ecological carrying capacity (ECC) theory and using GIS technique, the ECC of Yili River Valley area was quantitatively evaluated and the spatial distribution analyzed. The results show that the ECC of Yili River Valley area could be bearable generally, but there were significant differences in spatial distribution, with the ECC of northwest and southeast regions being higher than northeast and southwest regions. The ECC of Yining City and Yining County was far beyond ecological load, while that of Tekesi and Zhaosu County was in an ideal state. In view of regional topographical characteristics, the situation of ecosystem overload aggravated from mountainous to hilly to plain areas, the main factors that lead to the differences of ECC were forest resources, grassland resources and water resources, while the dense population, pollution load and natural resource consumption of urbanization and industrialization development were the primary driving forces of serious overloading of ECC.

ecological carrying capacity; geographic information system; spatial differences; Yili River Valley

1674-991X(2013)06-0532-08

2013-05-20

國家環(huán)境保護公益性行業(yè)研究專項(2012467004，201209027)

陳晨(1988—)，女，碩士研究生，chenchen198804@126.com

*責任作者:王文杰(1970—)，男，研究員，主要從事區(qū)域生態(tài)評價與規(guī)劃、環(huán)境遙感應用研究，wangwj@craes.org.cn

X171.4

A

10.3969j.issn.1674-991X.2013.06.083