生態(tài)支撐力概念模型的構(gòu)建及應(yīng)用

顧琦瑋， 王紅旗*， 劉曉宇， 田雅楠， 鄭燚楠

1.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院， 北京 100875 2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018

生態(tài)支撐力概念模型的構(gòu)建及應(yīng)用

顧琦瑋1， 王紅旗1*， 劉曉宇1， 田雅楠2， 鄭燚楠1

1.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院， 北京 100875 2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018

為了反映自然生態(tài)系統(tǒng)在維持生態(tài)平衡時(shí)對(duì)生態(tài)承載力所產(chǎn)生的作用效果，構(gòu)建了評(píng)價(jià)自然生態(tài)系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力的生態(tài)支撐力概念及模型，采用基于Kendall′s W檢驗(yàn)法改進(jìn)后的主成分投影法，對(duì)海南省重要生態(tài)區(qū)進(jìn)行生態(tài)支撐力評(píng)價(jià).生態(tài)支撐力所反映的生態(tài)承載力的向上支撐作用效果取決于“生境”“生物群落”“物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)”這三方面，故通過(guò)表征這三方面的自然驅(qū)動(dòng)力、生態(tài)結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能準(zhǔn)則層來(lái)構(gòu)建生態(tài)支撐力概念模型及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.案例研究結(jié)果表明：2000—2010年海南省重要生態(tài)區(qū)東部生態(tài)支撐力指數(shù)長(zhǎng)期處于Ⅲ級(jí)(中等)水平以上，而西部均處于Ⅳ級(jí)(較低)水平以下，這與2020年海南省主體功能區(qū)規(guī)劃和區(qū)域經(jīng)濟(jì)差異特征相符；海南省重要生態(tài)區(qū)生態(tài)支撐力指數(shù)處于Ⅰ級(jí)(高等)水平的面積所占比例由2000年的17.15%升至2010年的30.57%，增幅達(dá)78.25%，表明生態(tài)支撐力逐漸好轉(zhuǎn)，推測(cè)與海南省實(shí)施生態(tài)特區(qū)建設(shè)密切相關(guān).研究顯示，所提出的生態(tài)支撐力概念模型及應(yīng)用能客觀地反映該區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況及其影響成因，將有助于海南省重要生態(tài)區(qū)的生態(tài)安全維護(hù)和管理決策的制訂.

生態(tài)支撐力； 生態(tài)支撐力概念模型； 主成分投影法； 海南省重要生態(tài)區(qū)

隨著文明的發(fā)展和科技的進(jìn)步，生態(tài)環(huán)境的重要性愈發(fā)受到重視[1].如何有效評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境對(duì)人類活動(dòng)的承受能力是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)[2]，已成為研究者不斷探索的重點(diǎn)之一.Wackernagel等[3]于1999年在提出生態(tài)足跡概念的同時(shí)引入了生態(tài)承載力(ecological carrying capacity，ECC)概念，并對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的承載力進(jìn)行了研究.高吉喜[4]于2001年強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的承載功能，并認(rèn)為資源承載力、環(huán)境承載力和生態(tài)彈性力分別是生態(tài)承載力的基礎(chǔ)、約束和支持條件.王家驥等[5]則認(rèn)為，生態(tài)承載力是自然體系維持和調(diào)節(jié)系統(tǒng)能力的閾值.可見(jiàn)，生態(tài)承載力受到眾多因素限制而尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)理論體系.因此，程國(guó)棟[6]綜合承載功能和閾值的概念，提出生態(tài)承載力的研究對(duì)象是生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)[7]，即生態(tài)系統(tǒng)與人類社會(huì)系統(tǒng)相互作用，反映生態(tài)系統(tǒng)所提供的資源和環(huán)境對(duì)人類社會(huì)系統(tǒng)良性發(fā)展的一種支持能力，但并未提出生態(tài)承載力的分析框架.另外，由于生態(tài)承載力研究側(cè)重于生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的整體作用，卻忽視了對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)進(jìn)行分別測(cè)算，導(dǎo)致難于實(shí)現(xiàn)二者的協(xié)調(diào)性分析以及對(duì)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的調(diào)控機(jī)制研究.目前，在探討二者協(xié)調(diào)性分析方面，張亞夫等[8]分別用生態(tài)支撐力和社會(huì)經(jīng)濟(jì)壓力表征自然生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)，并對(duì)內(nèi)蒙古的生態(tài)支撐力能力與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)行耦合協(xié)調(diào)性分析，這既能反映自然生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)的相互作用，又能彌補(bǔ)以往生態(tài)承載力難描述自然生態(tài)系統(tǒng)與人類活動(dòng)反饋的效果痕跡；然而，由于僅是側(cè)重于耦合協(xié)調(diào)性分析，因此在生態(tài)支撐力的基本理論探索方面尚有欠缺.

鑒于此，該研究在基本理論研究方面，依據(jù)物理學(xué)的“效果力(the effect of force)”(定義為驅(qū)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)的“動(dòng)力”，可強(qiáng)調(diào)作用力的效果痕跡[9])概念，以生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，并以經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)為參照物，界定生態(tài)支撐力概念，以期完善程國(guó)棟[6]所提出的生態(tài)承載力理論體系；此外，在研究方法方面采用主成分投影(principal component projection)法[10]來(lái)完善生態(tài)承載力的評(píng)價(jià)方法.相較于生態(tài)足跡法[11]、集對(duì)分析法[12]和狀態(tài)空間法[13]等傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法，主成分投影法能有效解決因生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜性和多樣性而出現(xiàn)評(píng)價(jià)過(guò)程中信息重疊和難比較等問(wèn)題[14].但在傳統(tǒng)主成分投影法的指標(biāo)權(quán)重確定部分，所采用的主觀或客觀賦權(quán)法分別易出現(xiàn)客觀性較差或信息丟失等問(wèn)題，故采用熵權(quán)-層次分析法來(lái)確定權(quán)重[15].然而由于熵權(quán)法確定的因子得分發(fā)生變化導(dǎo)致難于進(jìn)行時(shí)間縱向比較和區(qū)域間對(duì)比等問(wèn)題，因此采用Kendall′s W檢驗(yàn)法[16]對(duì)熵權(quán)法-層次分析法所確定的權(quán)重值進(jìn)行修正，以期實(shí)現(xiàn)時(shí)空變化的差異性分析.

1 生態(tài)支撐力概念及其模型構(gòu)建

1.1 生態(tài)支撐力的界定

由程國(guó)棟[6]所提出的承載力概念可知，生態(tài)承載力是生態(tài)系統(tǒng)維持生態(tài)平衡的能力以及所提供的資源環(huán)境可維育經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)強(qiáng)度的能力.故可理解為生態(tài)承載力是生態(tài)系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)相互影響與作用的“合力”.而在物理學(xué)的合力解析中，效果力在緊密地與參照物反饋信息的同時(shí)，強(qiáng)調(diào)力改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和形變程度[9].故以經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)為參照物，以生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出基于效果力的“生態(tài)支撐力”(ecological supporting capacity，ESC)概念.即定義為在一定的時(shí)間及空間下，生態(tài)系統(tǒng)演替處于相對(duì)穩(wěn)定的階段，生態(tài)系統(tǒng)能夠承受外部擾動(dòng)的能力，是人類作用與自然條件的綜合表征.從而反映維持生態(tài)平衡時(shí)生態(tài)承載力的“向上支撐”作用，即在生態(tài)系統(tǒng)提供人類活動(dòng)的物質(zhì)資源和其他生態(tài)服務(wù)功能時(shí)所產(chǎn)生“向上支撐”的效果(見(jiàn)圖1).

圖1 基于生態(tài)承載力內(nèi)涵[6]的生態(tài)支撐力界定Fig.1 The definition of ESC based on the connotation of ECC

1.2 生態(tài)支撐力概念模型

生態(tài)系統(tǒng)是指在一定空間內(nèi)生物群落與生境之間由不斷進(jìn)行的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過(guò)程而形成的統(tǒng)一整體[17].在某種程度上，生態(tài)支撐力可表征生態(tài)系統(tǒng)處于內(nèi)穩(wěn)態(tài)時(shí)所抵抗外部阻力的能力.所以，生態(tài)支撐力具備生態(tài)系統(tǒng)的基本屬性.因此，生態(tài)支撐力的作用效果取決于“生境”“生物群落”“物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過(guò)程”三方面.生態(tài)支撐力的自然驅(qū)動(dòng)因素是形成生態(tài)系統(tǒng)的基本條件和維持生態(tài)平衡的動(dòng)力，即能表征生境支持生物群落的資源稟賦.生態(tài)結(jié)構(gòu)特征是通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)各要素(包括生物群落)相互聯(lián)系和相互作用來(lái)表現(xiàn)的[17].生態(tài)系統(tǒng)功能體現(xiàn)自然生態(tài)系統(tǒng)和人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)的交流過(guò)程，即物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過(guò)程.因此，生態(tài)支撐力與系統(tǒng)本身的自然驅(qū)動(dòng)力(natural dynamics， NE)、生態(tài)結(jié)構(gòu)(ecosystem structure， ES)和生態(tài)功能(ecosystem function， EF)有關(guān).

2 生態(tài)支撐力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

由生態(tài)支撐力概念模型(見(jiàn)1.2節(jié))可知，生態(tài)平衡需滿足三方面的條件：自然驅(qū)動(dòng)力充足、生態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和生態(tài)功能正常.為全面有序地了解生態(tài)系統(tǒng)狀況，采用目標(biāo)分層法[15]構(gòu)建生態(tài)支撐力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.又由于生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能及其生態(tài)過(guò)程是個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，需所構(gòu)建的指標(biāo)體系較為復(fù)雜并能全面反映區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)支撐能力和特征.然而在評(píng)價(jià)不同時(shí)空分布的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)狀況時(shí)，復(fù)雜的指標(biāo)體系缺乏普適性，不利于在大尺度區(qū)域推廣與應(yīng)用.因此，在指標(biāo)層面追求其結(jié)構(gòu)完整性并能充分反映生態(tài)支撐力主要特征的情況下，根據(jù)指標(biāo)指示性、數(shù)據(jù)可得性和指標(biāo)可比性的原則，采用專家打分和粗糙集[18]的主客觀指標(biāo)篩選法，構(gòu)建生態(tài)支撐力指標(biāo)體系(見(jiàn)表1).

表1所示指標(biāo)體系可通過(guò)圖2進(jìn)行詮釋.

表1 生態(tài)支撐力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

注： +、 -分別表示正向、 反向指標(biāo)， 即隨著評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的增加而增大(減小)的指標(biāo).1)網(wǎng)址： http：data.cma.cndatadetaildataCodeA.0029.0005.html.

圖2 生態(tài)支撐力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.2 Illustration of evaluation indicators system of ESC

自然驅(qū)動(dòng)力可表征生境維持生物群落的生存力、適應(yīng)性和繁衍力[17].故該研究分別從大氣圈、水圈和巖石圈篩選出年均溫度、年降水量和平均海拔指標(biāo)，可基本上反映生物群落的生境情況.

生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征主要從多個(gè)組織層次(垂直結(jié)構(gòu)、水平結(jié)構(gòu)、生物量和景觀格局[23])反映生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整性[17].葉面積指數(shù)是表征生態(tài)系統(tǒng)冠層結(jié)構(gòu)變化的重要參數(shù)[24]，可反映生態(tài)系統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)特征.又由于植被對(duì)人類生存與繁衍乃至整個(gè)生物圈和全球變化起至關(guān)重要的作用[17]，故用于量化植被生長(zhǎng)發(fā)育狀況的植被覆蓋指數(shù)可反映區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的水平分布結(jié)構(gòu)特征[25].從生物量角度來(lái)說(shuō)，生物豐度指數(shù)既能評(píng)價(jià)區(qū)域生物的豐貧程度，也可反映生境質(zhì)量[19].從景觀格局角度來(lái)說(shuō)，景觀破碎度可反映因生境類型和總數(shù)量減少導(dǎo)致的多度格局、物種組成的改變以及對(duì)生物量變化、生物群落分布的影響[23，26].

能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)是生態(tài)系統(tǒng)的兩大基本功能[17]，生態(tài)功能狀況可間接反映生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性.其中，能量流動(dòng)起源于綠色植物在單位時(shí)間和單位面積上累積有機(jī)干物質(zhì)的能力，即NPP(net primary productivity，凈初級(jí)生產(chǎn)力)，NPP可反映生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)者以上各營(yíng)養(yǎng)級(jí)獲得唯一能量來(lái)源的能力[17]，從而直接影響生態(tài)系統(tǒng)的形成與發(fā)展.相對(duì)于能量流動(dòng)來(lái)說(shuō)，物質(zhì)是構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)組分的原材料[17].這些原材料是生物群落在水圈、大氣圈和土壤圈等介質(zhì)中進(jìn)行各種物質(zhì)循環(huán)而產(chǎn)生.從水循環(huán)角度來(lái)說(shuō)，水源涵養(yǎng)能力是表征生態(tài)系統(tǒng)儲(chǔ)存水資源的能力[27].從大氣循環(huán)方面來(lái)說(shuō)，固碳釋氧能力是表征植被生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)光合作用和呼吸作用來(lái)維持大氣中CO2和O2的動(dòng)態(tài)平衡能力，以保障生態(tài)系統(tǒng)正常有序運(yùn)行.從土壤圈來(lái)說(shuō)，土壤侵蝕指數(shù)是反映土地退化的重要指標(biāo).土地資源的破壞直接導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)紊亂，更影響生物群落的生存與發(fā)展[17].

3 生態(tài)支撐力評(píng)價(jià)方法

3.1 主成分投影的原理

為消除指標(biāo)間的信息重疊問(wèn)題，采用主成分投影法的正交變換將已歸一化和加權(quán)處理的指標(biāo)轉(zhuǎn)換成相互正交的綜合指標(biāo).在此基礎(chǔ)上，將各被評(píng)價(jià)對(duì)象相應(yīng)的決策向量在由各主成分設(shè)計(jì)出的理想決策向量進(jìn)行投影，從而得出一維的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)[14].

3.2 改進(jìn)主成分投影評(píng)價(jià)方法

3.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

采用min-max極值法[8]對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，計(jì)算方法：

R=(rij)n×m

(1)

式中：R為各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化得分矩陣；rij為標(biāo)準(zhǔn)化后的第i個(gè)縣域在第j個(gè)指標(biāo)上的得分；n為研究區(qū)內(nèi)縣域個(gè)數(shù)；m為生態(tài)支撐力評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù).

3.2.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

采用基于Kendall′s W檢驗(yàn)[16]的熵權(quán)-層次分析法來(lái)確定指標(biāo)權(quán)重：①對(duì)于權(quán)重組合值，分別對(duì)不同年份的層次分析法和熵權(quán)法所確定的權(quán)重值進(jìn)行加權(quán)平均予以確定.②對(duì)于權(quán)重最終值，先通過(guò)Kendall′s W檢驗(yàn)法分析各年份權(quán)重組合值的一致性[28].如果具有一致性，再對(duì)各權(quán)重組合值進(jìn)行加權(quán)平均予以確定.在此基礎(chǔ)上，對(duì)矩陣R進(jìn)行加權(quán)處理，得到第i個(gè)縣域第j個(gè)指標(biāo)加權(quán)后的值z(mì)ij=wijrij，即加權(quán)樣本矩陣Z=(zij)n×m.其中Wij是第i個(gè)縣域第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值；zij是第i個(gè)縣域第j個(gè)指標(biāo)加權(quán)后的得分.

3.2.3 指標(biāo)的正交變換

存在一定關(guān)聯(lián)度的多指標(biāo)間因信息相互重疊和干擾而難以客觀地分析各決策向量的相對(duì)地位.因此，對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行正交交換，不僅可濾掉指標(biāo)間的重復(fù)信息，還能降低數(shù)據(jù)噪聲.設(shè)ZTZ的特征值為λ1,λ2,…,λm(λ1≥λ2≥…≥λm≥0)，對(duì)應(yīng)的單位特征值向量為A=(α1,α2,…,αm).對(duì)矩陣Z進(jìn)行正交變換，可得U=ZA=(uij)n×m，則新評(píng)價(jià)向量為di=(ui1,ui2,…,uim),i=1,2,…,n.

3.2.4 生態(tài)支撐力指數(shù)的確定

將各評(píng)價(jià)等級(jí)看作m維向量，并將理想決策向量記作d*=(d1,d2,…,dm)，其中di=maxuij，(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m).將d*單位化(記作d0*)，則：

(2)

因此，投影值樣本矩陣在理想樣本上的投影值即為第i個(gè)縣域的生態(tài)支撐力指數(shù)(ESCi,i=1,2,…,n)，可通過(guò)式(3)進(jìn)行計(jì)算，其值越大，說(shuō)明生態(tài)系統(tǒng)狀況越好，反之則越差.

(3)

4 實(shí)例研究

4.1 研究區(qū)域界定

海南省位于我國(guó)“兩橫三縱”城市化戰(zhàn)略格局中沿海通道縱軸的最南端[29]，也是我國(guó)21世紀(jì)“海上絲綢之路”的重要城市[30]，更有我國(guó)熱帶雨林生態(tài)功能區(qū)[29].為保障海南省生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和功能完善，依據(jù)地帶性與非地帶性相結(jié)合原則、發(fā)生同一性與區(qū)內(nèi)特征相對(duì)一致性原則、區(qū)域空間連續(xù)性原則、綜合性和主導(dǎo)因素原則以及生態(tài)地域系統(tǒng)與行政區(qū)域界線結(jié)合原則，并采用屬性綜合評(píng)價(jià)法[31]對(duì)海南省的生態(tài)重要性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從而界定出海南省中部山地生物多樣性保護(hù)類重要生態(tài)區(qū)(簡(jiǎn)稱海南省重要生態(tài)區(qū)，important eco-functional districts in Hanan， IEFDH)(見(jiàn)圖3)，并以此為研究區(qū)域開(kāi)展基于改進(jìn)主成分投影法的生態(tài)支撐力評(píng)價(jià).

4.2 研究區(qū)域概況

根據(jù)4.1節(jié)界定出的海南省重要生態(tài)區(qū)(108.50°E～110.50°E、18.00°N～19.50°N)總面積1.58×104km2，其中國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)面積3 712.79 km2；屬于熱帶海洋季風(fēng)氣候區(qū)，年降水量充沛，降水量在2 000～2 700 mm之間；年均溫度由西北向東南逐漸降低，在23～26 ℃之間.研究區(qū)地處低緯度地區(qū)，地勢(shì)呈中間高、四周低.土地利用類型主要以林地為主，2010年森林覆蓋率高達(dá)75.48%，其次是耕地.研究區(qū)主要涉及屯昌縣、瓊中黎族自治縣(簡(jiǎn)稱瓊中縣)、白沙黎族自治縣(簡(jiǎn)稱白沙縣)、昌江黎族自治縣(簡(jiǎn)稱昌江縣)、保亭黎族苗族自治縣(簡(jiǎn)稱保亭縣)和樂(lè)東黎族自治縣(簡(jiǎn)稱樂(lè)東縣)6個(gè)縣，以及西部的東方市和南部的三亞市.2010年研究區(qū)人口達(dá)252.20×104人，2010年GDP總量為531.25×108元[32].

圖3 海南省重要生態(tài)區(qū)分布Fig.3 Location of important eco-functional districts in Hanan

4.3 結(jié)果與討論4.3.1 生態(tài)支撐力指數(shù)的權(quán)重分析

分別選取2000年、2005年和2010年作為評(píng)價(jià)時(shí)間點(diǎn).由改進(jìn)的熵權(quán)法-層次分析法可得研究區(qū)生態(tài)支撐力指數(shù)的權(quán)重最終值，并確定影響生態(tài)支撐力的主控因素.由圖4可知，各年份組合權(quán)重值的雷達(dá)圖與Kendall′s W檢驗(yàn)結(jié)果相似，分布趨勢(shì)具有一致性.這既驗(yàn)證了Kendall′s W檢驗(yàn)的科學(xué)性，又說(shuō)明權(quán)重最終值可由各年份的生態(tài)支撐力指標(biāo)的權(quán)重組合值確定.結(jié)果表明，生態(tài)結(jié)構(gòu)的權(quán)重值為42%，生態(tài)功能和自然驅(qū)動(dòng)力的權(quán)重值均為29%.因?yàn)槟昃鶞囟日甲匀或?qū)動(dòng)力準(zhǔn)則層的權(quán)重值較大，并且研究區(qū)屬于熱帶季風(fēng)性海洋氣候[29]，使得而區(qū)域內(nèi)生境境況大致相似，因此主要表征生境狀況的自然驅(qū)動(dòng)力準(zhǔn)則層指標(biāo)在影響生態(tài)支撐力的空間差異性方面較為不明顯.故生態(tài)支撐力的空間差異性可能主要受占71%權(quán)重的生態(tài)結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能準(zhǔn)則層指標(biāo)的影響.

注：Kendall′s W檢驗(yàn)對(duì)象是大樣本，查表可得P<0.001.在給定顯著水平α=0.05條件下，由P<α可判定各年份的權(quán)重組合和權(quán)重最終值具有一致性.圖4 海南省重要生態(tài)區(qū)生態(tài)支撐力評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Fig.4 Weights among ESC evaluating indicators in IEFDH

4.3.2 生態(tài)支撐力評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

由于所采用主成分投影法的無(wú)量綱化處理使得生態(tài)支撐力指數(shù)是相對(duì)值而不是絕對(duì)值，導(dǎo)致其值具有尺度效應(yīng).然而研究區(qū)的自然資源稟賦大致相似，因此生態(tài)支撐力指數(shù)的高低能在小尺度區(qū)域內(nèi)說(shuō)明研究區(qū)的自然資源稟賦與當(dāng)?shù)亟咏谄x程度，即在一定程度上也能反映研究區(qū)內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)好壞狀況.故該研究采用系統(tǒng)聚類分析法將生態(tài)支撐力指數(shù)分為5個(gè)等級(jí)(區(qū)間范圍)：Ⅴ級(jí)〔[0.00～0.05)〕表征生態(tài)支撐力低；Ⅳ級(jí)〔[0.05～0.10)〕表征生態(tài)支撐力較低；Ⅲ級(jí)〔[0.10～0.15)〕表征生態(tài)支撐力中等；Ⅱ級(jí)〔[0.15～0.20)〕表征生態(tài)支撐力較高；Ⅰ級(jí)〔[0.20～1.00]〕表征生態(tài)支撐力高.結(jié)果如圖5所示.

在空間差異性上，2000年、2005年和2010年的生態(tài)支撐力大致均呈東高西低的變化趨勢(shì)，表現(xiàn)為占研究區(qū)總面積54.26%的西部的生態(tài)支撐力指數(shù)長(zhǎng)期處于Ⅳ級(jí)水平以下，而東部的生態(tài)支撐力指數(shù)則處于Ⅲ級(jí)水平以上，這與海南省“雙核一環(huán)”為主體的戰(zhàn)略格局[29]和區(qū)域經(jīng)濟(jì)差異特征[33]相符.位于東部的保亭縣、瓊中縣和白沙市的國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)占其總面積的82.65%(見(jiàn)圖3)；而西部地區(qū)不僅是國(guó)家級(jí)農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)，部分區(qū)域還屬于國(guó)家重點(diǎn)開(kāi)發(fā)區(qū)[29].說(shuō)明相較于東部地區(qū)改造程度低的生態(tài)環(huán)境來(lái)說(shuō)，西部地區(qū)因優(yōu)越的交通優(yōu)勢(shì)以及高密集的人口和發(fā)達(dá)的經(jīng)濟(jì)(如三亞市2010年人口密度為297.24人km2，人均GDP為4.66×104元，位居研究區(qū)第一[32])等因素，導(dǎo)致人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)干預(yù)較強(qiáng)，從而影響西部地區(qū)生態(tài)支撐力較東部偏低.

從時(shí)間序列變化來(lái)說(shuō)，2000—2010年海南省重要生態(tài)區(qū)的生態(tài)支撐力呈逐漸好轉(zhuǎn)趨勢(shì).結(jié)果顯示，生態(tài)支撐力指數(shù)處于Ⅰ級(jí)的區(qū)域面積所占比例由2000年的17.15%升至2010年的30.57%，增幅達(dá)78.25%.這主要是因?yàn)?，海南省?999年率先成功申報(bào)生態(tài)特區(qū)建設(shè)[34]，在該政策下，2000—2010年海南省在建設(shè)用地面積增加18.84%的同時(shí)，林地面積也增加了0.24%，充分說(shuō)明海南生態(tài)特區(qū)建設(shè)的成效.因此，海南省重要生態(tài)區(qū)的生態(tài)支撐力也在海南省加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境建設(shè)中逐漸得到好轉(zhuǎn).

圖5 海南省重要生態(tài)區(qū)生態(tài)支撐力指數(shù)變化及各等級(jí)區(qū)域面積所占比例Fig.5 Variations of ESC index in IEFDH and the proportion of areas at all levels

4.3.3 生態(tài)支撐力的主控因素分析

雖然不同縣域的生態(tài)支撐力指數(shù)可能處于相同級(jí)別，但是影響生態(tài)支撐力大小的主控因素并不相同.由權(quán)重分析可知，小尺度的生態(tài)支撐力空間差異性主要與生態(tài)結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能這兩個(gè)準(zhǔn)則層的指標(biāo)相關(guān).為更透徹地分析不同縣域生態(tài)支撐力的影響因素，分別采取權(quán)重值和指標(biāo)值的乘積來(lái)計(jì)算生態(tài)結(jié)構(gòu)指數(shù)和生態(tài)功能指數(shù)，并通過(guò)聚類分析直觀地將其分為高、中、低三類(見(jiàn)圖6).結(jié)果表明，瓊中縣自2000—2010年均處于高生態(tài)結(jié)構(gòu)指數(shù)、高生態(tài)功能指數(shù)、Ⅰ級(jí)生態(tài)支撐力指數(shù)的狀態(tài)，并且生態(tài)支撐力指數(shù)逐年升高.這是由于44.98%的國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)在瓊中縣內(nèi)(見(jiàn)圖3)，故瓊中縣生態(tài)環(huán)境狀況最優(yōu)；38.31%的海南省重要生態(tài)區(qū)在2000年處于高生態(tài)結(jié)構(gòu)指數(shù)、中生態(tài)功能指數(shù)狀態(tài)，但到2010年卻出現(xiàn)分化，如中生態(tài)結(jié)構(gòu)指數(shù)、中生態(tài)功能指數(shù)的保亭縣和低生態(tài)結(jié)構(gòu)指數(shù)、中生態(tài)功能指數(shù)的樂(lè)東縣.這主要因?yàn)楸Ｍたh和樂(lè)東縣以三亞為發(fā)展核心，成為全省城鎮(zhèn)化的引領(lǐng)區(qū)和先導(dǎo)區(qū)[35].2000—2010年，這兩地的城鎮(zhèn)化率分別翻1.07和4.48倍，人口密度分別增加3.23和3.32倍[32].城鎮(zhèn)化發(fā)展必然會(huì)破壞生態(tài)系統(tǒng)原有結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致生態(tài)支撐力指數(shù)降低；10 a間屯昌縣均處于中生態(tài)結(jié)構(gòu)指數(shù)、高生態(tài)功能指數(shù)、Ⅲ級(jí)生態(tài)支撐力指數(shù)狀態(tài).中生態(tài)結(jié)構(gòu)指數(shù)是因?yàn)樵搮^(qū)域?qū)儆谏镓S度低的國(guó)家級(jí)農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)[29]，而高生態(tài)功能指數(shù)是因?yàn)樘幱凇八闹艿汀钡钠皆貏?shì)而不易發(fā)生土壤侵蝕，生態(tài)功能較山地更為豐富[17]，Ⅲ級(jí)生態(tài)支撐力指數(shù)則因生態(tài)結(jié)構(gòu)指數(shù)對(duì)其影響作用較大的緣故；10 a間三亞市、東方市和昌江縣均處于中生態(tài)結(jié)構(gòu)指數(shù)狀態(tài)，生態(tài)功能指數(shù)或低或中.因?yàn)槿齺喪?、東方市和昌江縣屬于“一環(huán)兩級(jí)多點(diǎn)”的重點(diǎn)開(kāi)發(fā)區(qū)[35]，尤其是重點(diǎn)開(kāi)發(fā)核心區(qū)的三亞市因近幾年在加快推進(jìn)中心城市的城鎮(zhèn)化建設(shè)[29](如2010年三亞市人口密度、人均GDP分別是2000年3.00、6.82倍[32])而一直處于低生態(tài)功能指數(shù)狀態(tài).

圖6 2000—2010年海南省重要生態(tài)區(qū)生態(tài)支撐力的主控因素分析Fig.6 Analysis of the decisive factors determining ESC in IEFDH from 2000 to 2010

綜上，生態(tài)支撐力概念模型的應(yīng)用結(jié)果與2020年海南省主體功能區(qū)規(guī)劃[29]和區(qū)域經(jīng)濟(jì)差異特征[33]相一致，這既能描述自然生態(tài)系統(tǒng)與人類活動(dòng)反饋的效果痕跡，又能說(shuō)明該評(píng)價(jià)模型可得出區(qū)域整體生態(tài)系統(tǒng)狀況及其內(nèi)部空間分異，還能為海南省重要生態(tài)區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù).如就未來(lái)生態(tài)環(huán)境演化而言，三亞市需要從優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和合理控制未來(lái)開(kāi)發(fā)強(qiáng)度的雙重角度來(lái)降低對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的干擾程度，從而改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量.然而，生態(tài)支撐力評(píng)價(jià)在不同尺度的推廣應(yīng)用中存在尺度效應(yīng).該研究中，由于海南省重要生態(tài)區(qū)均屬于生境狀況相似的熱帶季風(fēng)性海洋氣候，故主控因素分析主要探討生態(tài)結(jié)構(gòu)指數(shù)和生態(tài)功能指數(shù)的影響.在大尺度區(qū)域內(nèi)，生境狀況不同導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)狀況的空間差異性很大.因此，在分析主控因素時(shí)需綜合探討自然驅(qū)動(dòng)力指數(shù)、生態(tài)結(jié)構(gòu)指數(shù)和生態(tài)功能指數(shù)的影響，才能全面、正確地認(rèn)識(shí)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)狀況.另外，主成分投影法所確定的生態(tài)支撐力指數(shù)是相對(duì)值而不是絕對(duì)值，能在自然資源稟賦相似的小尺度內(nèi)適用.若再推廣到大尺度，需依據(jù)不同自然資源稟賦進(jìn)行分區(qū)評(píng)價(jià)，可采用不同區(qū)域的校正系數(shù)對(duì)生態(tài)支撐力的等級(jí)劃分進(jìn)行修正，以消除生態(tài)支撐力的尺度效應(yīng)所引起的問(wèn)題.

5 結(jié)論

a) 根據(jù)自然驅(qū)動(dòng)力、生態(tài)結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能三方面構(gòu)建了評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況的生態(tài)支撐力概念及其模型，并采用目標(biāo)分層法和粗糙集構(gòu)建其指標(biāo)體系，并采用基于Kendall′s W檢驗(yàn)改進(jìn)主成分投影的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)不同時(shí)空分布的區(qū)域生態(tài)支撐力評(píng)價(jià).以海南省重要生態(tài)區(qū)為案例研究，來(lái)證明上述理論及其方法的可操作性，既能準(zhǔn)確表征人類活動(dòng)與自然條件對(duì)生態(tài)系統(tǒng)擾動(dòng)的綜合作用，又能解決自然生態(tài)系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)難測(cè)算的問(wèn)題，更能完善生態(tài)承載力理論框架.

b) 海南省重要生態(tài)區(qū)案例研究表明，占研究區(qū)總面積54.26%的西部長(zhǎng)期處于生態(tài)支撐力的Ⅳ級(jí)水平以下，而東部則在Ⅲ級(jí)水平以上，研究區(qū)東高西低的空間格局與2020年海南省主體功能區(qū)規(guī)劃和區(qū)域經(jīng)濟(jì)差異相吻合.2000—2010年，生態(tài)支撐力處于Ⅰ級(jí)水平的區(qū)域面積所占比例的增幅達(dá)78.25%，推測(cè)與近10年海南省實(shí)施生態(tài)特區(qū)建設(shè)密切相關(guān).另外，雖然不同縣域的生態(tài)支撐力指數(shù)可能處于相同級(jí)別，但是影響生態(tài)支撐力大小的主控因素并不相同.因此，需要對(duì)海南省重要生態(tài)區(qū)開(kāi)展有針對(duì)性的生態(tài)保護(hù)工作.

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Construction and Application of Ecological Supporting Capacity Conceptual Model

GU Qiwei1， WANG Hongqi1*， LIU Xiaoyu1， TIAN Yanan2， ZHENG Yinan1

1.College of Water Sciences， Beijing Normal University， Beijing 100875， China 2.Water Conservancy and Civil Engineering College， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot 010018， China

In order to determine the effects of ecological carrying capacity (ECC)， which is affected by natural ecosystems in maintaining ecological balances， the ecological supporting capacity (ESC) concept and conceptual model were proposed to evaluate the ability of an ecosystem to resist disturbances. An adapted， modified principal component projection method based on Kendall′s W was adopted in studying the ecological supporting capacity of important eco-functional districts in Hainan Province (IEFDH). The result showed that the supporting effect of ECC reflected by ESC was dependent on three aspects： habitat， biological community and material cycle and energy flow. These were expressed as three criteria layers， including nature driving force， ecological structure and ecology function， which constructed the ESC conceptual model and evaluation index system. In addition， the results of the case study indicated that from 2000 to 2010， the trend was that ESC index was above level III (medium level) in the east， while the rest was below level IV (fairly low level)， coinciding with the principal functional zoning division in 2020 and the characteristics of regional economic differences in Hainan Province. Moreover， it was observed that the area ratio of ESC in level I (high level) increased from 17.15% in 2000 to 30.57% in 2010， an increase of 78.25%， implying that the improving trend of ESC was closely related to the special ecological zone in Hainan Province. The study showed that the proposed conceptual model of ESC and its application can objectively reflect ecological environment conditions and factors， which are feasible for supporting ecological security maintenance and management in the IEFDH.

ecological supporting capacity； ecological supporting capacity conceptual model； principal component projection method； important eco-functional districts of Hainan Province

2016- 03- 31

2016- 10- 10

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查工作項(xiàng)目(1212011220097，12120115051201)

顧琦瑋(1987-)，女，湖北武漢人，guqw@mail.bnu.edu.cn.

*責(zé)任作者，王紅旗(1960-)，男，浙江義烏人，教授，博士，博導(dǎo)，主要從事環(huán)境規(guī)劃與管理研究，whongqi@126.com.

X24

1001- 6929(2017)02- 0249- 08

A

10.13198j.issn.1001- 6929.2017.01.30

顧琦瑋，王紅旗，劉曉宇，等.生態(tài)支撐力概念模型的構(gòu)建及應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)研究，2017，30(2)：249- 256.

GU Qiwei，WANG Hongqi，LIU Xiaoyu，etal.Construction and application of ecological supporting capacity conceptual model[J].Research of Environmental Sciences，2017，30(2)：249- 256.