甘肅省生態(tài)承載力空間定量評價及耦合協(xié)調(diào)性

紀學朋,白永平,*,杜海波,王軍邦,周 亮

1 西北師范大學地理與環(huán)境科學學院, 蘭州 730070 2 魯東大學資源與環(huán)境工程學院, 煙臺 264025 3 中國科學院地理科學與資源研究所, 北京 100101

甘肅省生態(tài)承載力空間定量評價及耦合協(xié)調(diào)性

紀學朋1,白永平1,*,杜海波2,王軍邦3,周 亮3

1 西北師范大學地理與環(huán)境科學學院, 蘭州 730070 2 魯東大學資源與環(huán)境工程學院, 煙臺 264025 3 中國科學院地理科學與資源研究所, 北京 100101

以生態(tài)環(huán)境脆弱的甘肅省為研究區(qū),選用狀態(tài)空間法從生態(tài)功能彈性力、資源環(huán)境供容力以及社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)力3個維度構建生態(tài)承載力評價指標體系,對甘肅省2010年生態(tài)承載力的空間分異特征、空間關聯(lián)特征以及耦合協(xié)調(diào)性進行分析。結果表明：①空間分布上,甘肅省生態(tài)承載力總體呈現(xiàn)東南高西北低,從東南高承載區(qū)向西北弱承載區(qū)逐級遞減的空間分布格局；相近或相異生態(tài)地理分區(qū)的生態(tài)承載力表現(xiàn)出空間和數(shù)量上的一致性和差異性；特別地,河西走廊獨特的綠洲生態(tài)景觀,促使該地區(qū)生態(tài)承載力存在明顯的空間異質(zhì)性。②空間關聯(lián)上,甘肅省生態(tài)承載力的分布呈正的全局空間自相關,存在顯著的高值(或低值)集聚區(qū)；局部空間自相關LISA集聚類型主要包括HH和LL 2種類型,前者分布于甘南高原、隴南山地及河西走廊以南的祁連山區(qū),后者則分布于蘇干湖水系以北的酒泉境內(nèi)與石羊河流域下游的武威民勤地區(qū)。③耦合協(xié)調(diào)性上,甘肅省生態(tài)承載力綜合耦合協(xié)調(diào)性空間差異較大,從東南到西北呈現(xiàn)高-低協(xié)調(diào)相間分布的格局；較高協(xié)調(diào)地區(qū)出現(xiàn)在甘肅省東南部與河西走廊中東段,而較低協(xié)調(diào)地區(qū)則位于蘭州-白銀經(jīng)濟區(qū)及河西走廊西段；維度間耦合協(xié)調(diào)性受制于本地區(qū)自然和人文環(huán)境狀況,使其空間分布與協(xié)調(diào)程度表現(xiàn)得不盡相同。

生態(tài)承載力；狀態(tài)空間法；空間分異性；耦合協(xié)調(diào)性；甘肅省

Abstract： We selected Gansu Province, China—an environmentally and ecologically fragile region—as a case study for exploring the use of state-space techniques in constructing systems for evaluating ecological carrying capacity based on ecological function elasticity, resource supply and environmental capacity, and socio-economic coordination. Spatial heterogeneity, spatial autocorrelation, and coupling coordination characteristics of Gansu in 2010 were then analyzed. The results indicated that (1) the overall ecological carrying capacity of Gansu declined progressively from a high in the southeast to a low in the northwest, and that similar and dissimilar eco-geographical regions reflect the similarities and differences in ecological carrying capacity both spatially and quantitatively. In particular, the Hexi corridor, a unique oasis of ecological landscapes, is a primary cause of the distinct spatial heterogeneity. (2) Spatial autocorrelation of the distribution of ecological carrying capacity is positive, existing in high (or low) value cluster areas. LISA cluster of local spatial autocorrelation can be divided into two types, consisting of HH and LL cluster areas, with the former concentrated in the Gannan Plateau, and the Longnan and Qilian mountain ranges, whereas the latter cluster encompasses the northern Sugan Lake river system and the Minqin Wuwei region downstream of the Shiyang River. (3) The comprehensive coupling coordination of ecological carrying capacity indicates the existence of large regional differences, appearing interphase distribution between high and low levels extending from the southeast to the northwest. Relatively high coordination areas are mostly located in the southeast of Gansu and the mid-eastern section of the Hexi corridor, whereas comparatively lower coordination areas situated in Lanzhou-Baiyin economic region and the western Hexi corridor. The coupling coordination between each dimension is subjected to the present situation of natural and human environments, resulting in marked differences in space and degree.

KeyWords: ecological carrying capacity; state-space techniques; spatial heterogeneity; coupling coordination; Gansu Province

生態(tài)承載力是衡量人類社會經(jīng)濟活動對自然資源利用程度和對生態(tài)環(huán)境干擾力度的重要指標,也是判斷區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要依據(jù)[1],其概念內(nèi)涵和研究方法備受國內(nèi)外學者關注,成為地理學、環(huán)境學、生態(tài)學與經(jīng)濟學等多學科的交叉前沿領域[2- 5]。從概念內(nèi)涵上看,生態(tài)承載力經(jīng)歷了種群承載力[6-7]、資源承載力[8- 10]、環(huán)境承載力[11-12]、生態(tài)系統(tǒng)承載力[1, 13]等演化階段,從早期側重生態(tài)系統(tǒng)對承載對象的容納能力的估算轉變?yōu)槟壳白⒅刈匀?經(jīng)濟-社會復雜系統(tǒng)的綜合研究,其概念在形式和意義上均發(fā)生了深刻的變化。從研究方法上看,國內(nèi)外學者運用凈初級生產(chǎn)力估計法[13-14]、生態(tài)足跡法[15-16]、高吉喜法[1]、狀態(tài)空間法[17-18]、系統(tǒng)模型法[19-20]、RS和GIS分析法[21-22]等對典型區(qū)域進行了深入的研究,研究方法呈現(xiàn)多元化、綜合化的特點。但是,目前的研究成果關于生態(tài)承載力空間尺度與空間分異涉足較少,要么強調(diào)整體概念而忽略內(nèi)部的空間差異性,要么局限于行政單元卻難以表達空間連續(xù)性。同時,傳統(tǒng)研究多基于社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來源相對單一,生態(tài)承載力作為一個自然-經(jīng)濟-社會的復合系統(tǒng),亟須整合多源數(shù)據(jù)作為生態(tài)承載力研究的數(shù)據(jù)支撐。此外,中小尺度范圍的生態(tài)承載力研究成果較為豐富,而中宏觀尺度下的研究成果相對不足。

狀態(tài)空間法作為測度生態(tài)承載力的一種有效方式,利用歐式幾何空間原理對生態(tài)系統(tǒng)狀況進行描述。毛漢英[23- 25]較早地將其應用到環(huán)渤海地區(qū)區(qū)域承載力及承載狀況的測度和描述中,并取得了較為理想的結果；之后,熊建新等[26- 28]以洞庭湖地區(qū)為研究區(qū)域,利用狀態(tài)空間法對該地區(qū)生態(tài)承載力進行了一系列的研究。然而,基于狀態(tài)空間法的相關研究多關注生態(tài)承載力格局和過程分析,缺少對各維度間的耦合協(xié)調(diào)度的估算和空間表達,難以揭示生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部要素之間協(xié)調(diào)狀況的好壞程度。鑒于目前生態(tài)承載力研究和狀態(tài)空間法應用中存在的上述問題,本文以生態(tài)環(huán)境脆弱的甘肅省為研究區(qū),基于對地觀測數(shù)據(jù)、地面監(jiān)測數(shù)據(jù)及社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)(由于部分核心數(shù)據(jù)如土地覆蓋數(shù)據(jù)、人口密度數(shù)據(jù)等統(tǒng)計周期多為5a,故本文選擇數(shù)據(jù)較為充分的2010年作為研究的時間截面),選用狀態(tài)空間法構建生態(tài)承載力綜合評價指標體系,對甘肅省2010年生態(tài)承載力進行空間定量化評價及耦合協(xié)調(diào)性分析。

1 研究區(qū)概況

甘肅省,位于祖國西部地區(qū),地處黃河中上游,地域遼闊,介于32°11′—42°57′N,92°13′—108°46′E之間,大部分位于中國地勢二級階梯上。東接陜西,南控巴蜀青海,西倚新疆,北扼內(nèi)蒙、寧夏,東西蜿蜒1600多km,縱橫45.37萬km2,占中國總面積的4.72%,是古絲綢之路的鎖匙之地和黃金路段。黃土高原、青藏高原和內(nèi)蒙古高原三大高原交匯于此,地形復雜多變,山脈縱橫交錯,海拔相差懸殊,高山、盆地、平川、沙漠和戈壁等兼而有之。各地氣候差別大,生態(tài)環(huán)境復雜多樣,省內(nèi)年平均氣溫在0—16℃之間,各地海拔不同,氣溫差別較大,日照充足,日溫差大,全省各地年降水量在36.6—734.9mm,大致從東南向西北遞減,烏鞘嶺以西降水明顯減少,隴南山區(qū)和祁連山東段降水偏多。截止2012年底,全省總人口2763.65萬人,常住人口2553.9萬人,生產(chǎn)總值5650.20億元,增長率12.56%?，F(xiàn)轄12個地級市、2個自治州,86個縣(市、區(qū))。

圖1 研究區(qū)位置與生態(tài)地理分區(qū)Fig.1 Location of the study area and eco-geographical regionsⅡD2:阿拉善及河西走廊,ⅢB4:晉南關中盆地,ⅢC1:晉中陜北甘東高原丘陵,ⅢD1:塔里木與吐魯番地,ⅣA2:漢中盆地,HⅠB1:果洛那曲丘狀高原,HⅡA/B1:川西藏東高山深谷,HⅡC1:青東祁連山地,HⅡD1:柴達木盆地

2 研究方法及指標體系

2.1 狀態(tài)空間法

狀態(tài)空間是歐氏幾何空間用于定量描述系統(tǒng)狀態(tài)的一種有效方法,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[23]。毛漢英[23- 25]較早地將狀態(tài)空間法應用于區(qū)域生態(tài)承載力定量評價中,并將三維狀態(tài)空間軸定義為資源軸、環(huán)境軸和人類活動軸,有效地描述和測度了環(huán)渤海地區(qū)區(qū)域承載力與承載狀況。根據(jù)高吉喜[1]對生態(tài)承載力概念和內(nèi)涵的定義,即生態(tài)系統(tǒng)的自我維持、自我調(diào)節(jié)能力,資源與環(huán)境子系統(tǒng)的供容能力及其可維育的社會經(jīng)濟活動強度和具有一定生活水平的人口數(shù)量,并綜合考慮甘肅省人口、經(jīng)濟、社會、資源、環(huán)境等現(xiàn)實狀況,本文將三維狀態(tài)軸定義為生態(tài)功能彈性力軸、資源環(huán)境供容力軸及社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)力軸,構建甘肅省生態(tài)承載力評價模型：

式中,ECC為生態(tài)承載力；M為生態(tài)承載力空間向量的模；ECC1j為生態(tài)功能彈性力(ECC1)的第j個指標在空間坐標軸上的投影；ECC2j為資源環(huán)境供容力(ECC2)的第j個指標在空間坐標軸上的投影；ECC3j為社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)力(ECCC3)的第j個指標在空間坐標軸上的投影；w1j、w2j、w3j分別為ECC1、ECC2、ECC3第j個指標對應的權重。

2.2 指標體系構建

根據(jù)科學性、全面性、簡明性和可操作性的指標體系構建原則,綜合考慮甘肅省經(jīng)濟、社會、人口、資源、環(huán)境及生態(tài)狀況,從生態(tài)功能、資源環(huán)境及社會經(jīng)濟3個維度,遴選出16項內(nèi)涵豐富且便于度量的指標(表1)。以1km×1km的柵格為基本評價單元,對上述指標的數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)類型、空間參考及空間分辨率作一致化處理。采用極差正規(guī)化法[29],并對負向指標正向化處理,以消除指標間可能存在的量綱和量級的差別。

鑒于各維度指標數(shù)據(jù)采集和量化的差異性,采用主成分分析法[30]和熵值法[31]確定指標權重。生態(tài)功能指標多為連續(xù)性數(shù)據(jù),權重確定采用主成分分析法,在研究區(qū)域生成5000個間距大于1km的隨機樣本點,提取柵格值并剔除少量異常值,將其作為分析樣本總體,進行主成分分析,選取累計貢獻率大于80%的主成分,根據(jù)變量對主成分的方差貢獻率,確定生態(tài)功能各指標的權重；資源環(huán)境和社會經(jīng)濟指標多基于行政單元統(tǒng)計,權重確定宜用熵值法,以縣域為分析單元,計算各指標信息熵及冗余度,獲得2個維度指標權重；最后,提取隨機樣本點的生態(tài)功能、資源環(huán)境和社會經(jīng)濟的評價結果,進行主成分分析,確定3個維度之于生態(tài)承載力的權重(表1)。

數(shù)據(jù)來源：對地觀測數(shù)據(jù)包括甘肅省2010年土地覆蓋數(shù)據(jù)、 MODIS MOD13Q1 NDVI 250m×250m、SRTM DEM 90m×90m；地面監(jiān)測數(shù)據(jù)包括甘肅省及周邊氣象站點氣溫降水數(shù)據(jù)、甘肅省及周邊環(huán)境監(jiān)測站點空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)；社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)包括《甘肅省年鑒》(2011)、《甘肅省經(jīng)濟社會統(tǒng)計年鑒》(2011)、《甘肅省交通地圖》(2012)、《甘肅省水資源公報》(2011)；其他數(shù)據(jù),如人口密度、經(jīng)濟密度、土壤侵蝕數(shù)據(jù)均來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)。指標計算方法：生物豐度指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、土地退化指數(shù)、空氣質(zhì)量指數(shù)參考《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術規(guī)范(2015)》[32],干旱指數(shù)、地形位指數(shù)和交通優(yōu)勢度分別參考鄒旭愷[33]、喻紅[34]和周鵬[35]的相關研究成果,其他指標依據(jù)其概念和統(tǒng)計方法計算獲得。

表1 甘肅省生態(tài)承載力評價指標體系

3 結果分析

根據(jù)上述公式對各維度指標進行逐柵格運算,獲得3個維度的承載能力,進而計算得甘肅省生態(tài)承載力空間量化分布狀況(圖2)。為了清晰地表達和分析生態(tài)承載力及各維度承載狀況的空間分異,采用自然斷裂法[36]將計算結果分為弱承載、較弱承載、中等承載、較強承載、強承載5個等級(表2)?？臻g自相關是空間依賴性的重要形式,是指研究對象和其空間位置之間存在的相關性[37],通過對地理現(xiàn)象空間格局的刻畫和表達,識別空間集聚和空間異常現(xiàn)象,從而揭示研究對象之間的空間相互作用機制。本文以30km×30km格網(wǎng)作為空間關聯(lián)分析單元,提取格網(wǎng)柵格均值,根據(jù)格網(wǎng)單元之間的鄰接拓撲關系,采用二進制空間權重矩陣,利用GeoDa軟件測度甘肅省生態(tài)承載力及各維度承載狀況的空間關聯(lián)程度(圖2)。

圖2 甘肅省生態(tài)承載力及各維度承載狀況空間分布與LISA集聚圖Fig.2 The spatial distribution and LISA cluster of the carrying status degree of ecological carrying capacity with each dimension in Gansu

3.1 生態(tài)功能彈性力評價

生態(tài)功能彈性力體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)自我維持、自我調(diào)節(jié)的能力,直接反映了支持自然界和人類社會發(fā)展的環(huán)境本底狀況。從空間分布上看(圖2),甘肅省生態(tài)功能彈性水平呈現(xiàn)東南高西北低,從東南強承載區(qū)向西北弱承載區(qū)逐級遞減。如圖3所示,生態(tài)功能彈性水平等級占比相對均衡,總體呈中等承載水平,但空間差異明顯。具體來看(圖4,圖2),強承載區(qū)分布于甘肅東南部濕潤半濕潤區(qū)的HⅠB1果洛那曲丘狀高原、HⅡA/B1川西藏東高山深谷、HⅡC1青東祁連山地以及ⅣA2漢中盆地,承載均值在0.20—0.27之間。弱承載區(qū)分布于甘肅西北部干旱區(qū)的ⅢD1塔里木與吐魯番盆地、ⅡD2阿拉善及河西走廊以北地帶,承載均值處在0.07—0.10之間,其中石羊河流域下游的武威民勤地區(qū)與疏勒河、黑河流域以北的酒泉境內(nèi),生態(tài)環(huán)境極其脆弱,承載均值趨于0。中等承載區(qū)則位于強弱承載區(qū)的過渡地帶,主要分布于半濕潤/半干旱區(qū)的ⅢB4晉南關中盆地、ⅢC1晉中陜北甘東高原丘陵及嘉峪關以東的河西走廊中東段,承載均值在0.10—0.20之間。從空間關聯(lián)上看,生態(tài)功能彈性力Global Moran′s I為0.9571(P<0.05),表明甘肅省生態(tài)功能彈性狀況呈正的空間自相關,存在高值(或低值)顯著的空間集聚。根據(jù)Local Moran′s I繪制LISA集聚圖(圖2),包括高高集聚(HH)和低低集聚(LL)2種類型,HH類型分布于范圍較廣的甘南高原、隴南山地和范圍較小的河西走廊以南的祁連山區(qū)；LL類型則分布于范圍較廣的蘇干湖水系以北的酒泉境內(nèi)和范圍較小的石羊河流域下游的武威民勤地區(qū)；由東南到西北的強弱承載區(qū)過渡地帶并沒有表現(xiàn)出顯著的集聚特征,而其周圍HH(LL)集聚類型則表現(xiàn)出明顯的地理對稱分布特征。

表2 甘肅省生態(tài)承載力及各維度承載狀況等級劃分標準

圖3 生態(tài)承載力及各維度承載狀況等級比重 Fig.3 The proportion of the carrying status degree of ecological carrying capacity with each dimension

圖4 不同生態(tài)地理區(qū)劃生態(tài)承載力及各維度承載狀況 Fig.4 The carrying status degree of ecological carrying capacity with each dimension in different eco-geological regions

3.2 資源環(huán)境供容力評價

資源環(huán)境供容力綜合考慮了資源供給和環(huán)境容納狀況,反映區(qū)域資源環(huán)境與社會經(jīng)濟的相互適應程度。從空間分布上看(圖2),甘肅省資源環(huán)境供容水平從東南到西北呈高-低-中的空間分布格局。如圖3所示,資源環(huán)境供容水平等級占比極不均衡,中等及以下承載水平占總面積的近80%,表明資源環(huán)境狀況總體處于較差水平。具體來看(圖4,圖2),強承載區(qū)同樣分布于甘南、隴南地區(qū),但范圍和強度有所弱化,主要集中于HⅠB1、HⅡA/B1、ⅣA2 3區(qū),承載均值在0.15—0.20之間；特別注意到,河西走廊以南的祁連山區(qū)不再是強承載區(qū)。弱承載區(qū)位于主體處在生態(tài)分區(qū)ⅢC1內(nèi)的蘭州-白銀經(jīng)濟區(qū),承載水平呈現(xiàn)由低到高的中心外圍分布結構,承載均值在0.10以下,表明該地區(qū)人口-資源-環(huán)境矛盾突出。烏鞘嶺以西的河西走廊地區(qū)承載水平中等偏低,且空間異質(zhì)性較弱。從空間關聯(lián)上看,資源環(huán)境供容力Global Moran′s I為0.970(P<0.05),表明甘肅省資源環(huán)境供容狀況呈正的全局自相關,存在高值(或低值)顯著的空間集聚。根據(jù)Local Moran′s I繪制LISA集聚圖(圖2),包括HH和LL 2種類型,前者分布于甘南、隴南大部和隴東偏北地區(qū),后者則分布于蘭州-白銀經(jīng)濟區(qū)與疏勒河流域以西的地區(qū)。

3.3 社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)力評價

社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)力體現(xiàn)了人民生活水平質(zhì)量以及社會、經(jīng)濟和人口發(fā)展的協(xié)調(diào)程度。從空間分布上看(圖2),甘肅省社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)水平從東南到西北呈低-高-較高的空間分布格局,與資源環(huán)境供容水平的空間格局恰好相反。如圖2所示,社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)水平等級占比也極不均衡,中等及以下承載水平占總面積的80%以上,反映全省社會經(jīng)濟空間協(xié)調(diào)性較差。具體來看(圖4,圖2),強承載區(qū)位于主體處在生態(tài)分區(qū)ⅢC1內(nèi)的蘭州-白銀經(jīng)濟區(qū),并且散落分布于河西走廊(ⅡD2區(qū))和隴中、隴東黃土高原(ⅢC1、ⅢB4區(qū))上的城市中心地區(qū)；生態(tài)功能和資源環(huán)境承載水平較強的甘南、隴南地區(qū)卻表現(xiàn)出弱的社會經(jīng)濟承載水平,承載均值0.10以下,社會經(jīng)濟發(fā)展滯后。從空間關聯(lián)上看,社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)力Global Moran′s I為0.927(P<0.05),表明甘肅省社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)狀況呈正的全局自相關,存在高值(或低值)顯著的空間集聚。根據(jù)Local Moran′s I繪制LISA集聚圖(圖2),主要包括HH和LL 2種類型,前者分布于蘭州-白銀經(jīng)濟區(qū)與河西走廊中東段的金昌、武威地區(qū),且零星散布于酒泉和嘉峪關境內(nèi)的城市中心地區(qū)；后者則分布于甘南、隴南大部和隴東偏北地區(qū)。

3.4 生態(tài)承載力綜合評價

生態(tài)承載力是上述3個維度承載狀況在空間和數(shù)量上的綜合反映,表征區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展狀況。從空間分布上看(圖2),甘肅省生態(tài)承載水平與生態(tài)功能彈性水平空間分布格局較為一致,均呈東南高西北低,從東南強承載區(qū)向西北弱承載區(qū)逐級遞減。如圖3所示,生態(tài)承載力較之社會經(jīng)濟、資源環(huán)境水平等級占比差異減小,但中等及以下承載水平仍占總面積的70%以上,且集中于社會經(jīng)濟發(fā)展水平相對較好的地區(qū)。從空間關聯(lián)上看(圖2),生態(tài)承載力Global Moran′s I為0.965(P<0.05),與各維度承載狀況一樣,存在高值(或低值)顯著的空間集聚。同樣,LISA集聚亦包括HH和LL 2種類型,并與生態(tài)功能集聚類型存在空間上的一致性,即HH類型分布于范圍較廣的甘南高原、隴南山地和范圍較小的河西走廊以南的祁連山區(qū)；LL類型則分布于范圍較廣的蘇干湖水系以北的酒泉境內(nèi)和范圍較小的石羊河流域下游的武威民勤地區(qū)。但是,集聚范圍有所收縮,隴東、祁連山區(qū)及民勤地區(qū)收縮明顯。

由于資源環(huán)境、社會經(jīng)濟2維度承載狀況在數(shù)量上的一致性和空間上的互異性(圖3,圖2),促成生態(tài)承載力與生態(tài)功能彈性力呈現(xiàn)極為一致的空間分布。同時,強承載水平有所減弱,弱承載水平有所增強；較之生態(tài)功能彈性力,生態(tài)承載力在生態(tài)地理區(qū)劃間極差明顯縮小,分別為0.115和0.066,主要緣于資源環(huán)境、社會經(jīng)濟對生態(tài)承載力在空間和數(shù)量上的貢獻。相近或相異生態(tài)地理分區(qū)生態(tài)承載力表現(xiàn)出空間和數(shù)量上的一致性和差異性,從側面表明生態(tài)環(huán)境脆弱且經(jīng)濟發(fā)展滯后的地區(qū)生態(tài)承載力主要受制于該地生態(tài)環(huán)境的本底狀況。生態(tài)承載力較高的甘南、隴南地區(qū)與較低的河西走廊以西、以北地帶,各維度承載狀況分布較為均質(zhì),使得生態(tài)承載力呈現(xiàn)較弱的空間異質(zhì)性。特別地,河西走廊(主要為蘭州到嘉峪關一線)獨特的綠洲生態(tài)景觀,荒漠、隔壁、綠洲交錯分布,促成該地區(qū)生態(tài)承載力呈明顯的空間異質(zhì)性。生態(tài)承載力各維度間相互聯(lián)系、相互作用,生態(tài)功能彈性力是生態(tài)系統(tǒng)的自我維持、自我調(diào)節(jié)能力,作為支持條件,較高或較低均不堪高密度的人口數(shù)量和高強度的經(jīng)濟活動,如甘南、隴南地區(qū)與河西走廊以西、以北地帶；社會經(jīng)濟的發(fā)展,一方面消耗了大量的資源,另一方面造成了環(huán)境惡化,導致社會經(jīng)濟與資源環(huán)境在空間分布上的互異性,如處于全省社會經(jīng)濟“高地”和資源環(huán)境“洼地”的蘭州-白銀經(jīng)濟區(qū)。

4 維度間耦合協(xié)調(diào)性分析

基于狀態(tài)空間法的生態(tài)承載力研究多側重于格局和過程分析,較少探討不同維度間的耦合協(xié)調(diào)性,難以識別系統(tǒng)內(nèi)部的協(xié)調(diào)程度。因此,本文借鑒物理學中“耦合”的思想,并參考廖重斌[38]、劉定惠[39]的相關研究,以30km×30km格網(wǎng)作為分析單元,計算耦合協(xié)調(diào)度并空間可視化。

生態(tài)功能-資源環(huán)境(圖5),耦合協(xié)調(diào)性較高的地區(qū)位于甘南、隴南等地,該地區(qū)處于濕潤半濕潤氣候區(qū),地形地勢復雜、水網(wǎng)分布密集、植被覆蓋豐厚、生物多樣性豐富；同時,人口密度較小、環(huán)境狀況較好。相反,蘭州-白銀經(jīng)濟區(qū)與河西走廊西段的酒泉境內(nèi),前者由于人口密度大、環(huán)境污染嚴重,后者則受制于脆弱的生態(tài)環(huán)境,耦合協(xié)調(diào)性較差。生態(tài)功能-社會經(jīng)濟(圖5),耦合協(xié)調(diào)性較高的地區(qū)位于甘南、隴南北側,河西走廊以南以及平?jīng)觥⑻焖詵|地區(qū)。甘南、隴南盡管生態(tài)功能彈性較強,無奈復雜的地理環(huán)境致使交通優(yōu)勢度差、城市化率和人民生活水平低,社會經(jīng)濟發(fā)展滯后,協(xié)調(diào)性相對減弱；河西走廊以南地區(qū)受社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)力外溢的影響,加之祁連山區(qū)生態(tài)彈性較強,協(xié)調(diào)性也較高；天水、平?jīng)龅貐^(qū),東鄰陜西,交通通達性高、社會經(jīng)濟條件良好,兼具良好的生態(tài)彈性,同樣擁有較高的協(xié)調(diào)性。耦合協(xié)調(diào)性較低的地區(qū)依舊位于河西走廊西段的酒泉境內(nèi)。資源環(huán)境-社會經(jīng)濟(圖5),蘭州-白銀經(jīng)濟區(qū)處于耦合協(xié)調(diào)度“洼地”地區(qū),中心低,外圍高,耦合協(xié)調(diào)性極差,人地關系矛盾突出。一方面,該地區(qū)作為全省“中心帶動,兩翼齊飛”發(fā)展戰(zhàn)略的核心區(qū)域,在社會經(jīng)濟發(fā)展中起著龍頭帶動作用,發(fā)展水平高于“兩翼地區(qū)”；另一方面,該地區(qū)密集的人口分布、有限的拓展空間、稀缺的資源供給,致使該地區(qū)處于全省人地關系矛盾最為突出的地帶。綜合耦合協(xié)調(diào)性(即生態(tài)功能-資源環(huán)境-社會經(jīng)濟)(圖5),作為維度間耦合協(xié)調(diào)性的綜合表征,反映了生態(tài)承載力內(nèi)部要素的協(xié)調(diào)程度。綜合耦合協(xié)調(diào)性從東南到西北呈現(xiàn)高協(xié)調(diào)、低協(xié)調(diào)相間分布的格局,較高協(xié)調(diào)地區(qū)出現(xiàn)在甘肅省東南部與河西走廊中東段,而較低協(xié)調(diào)地區(qū)則位于蘭州-白銀經(jīng)濟區(qū)以及河西走廊西段；維度間耦合協(xié)調(diào)性主要受制于本地區(qū)自然和人文環(huán)境狀況,使其在空間分布與協(xié)調(diào)程度上表現(xiàn)得不盡相同。

圖5 維度間耦合協(xié)調(diào)性空間分布圖Fig.5 The spatial distribution of coupling coordination degree between different dimensions

5 結論與討論

本文選用狀態(tài)空間法構建甘肅省生態(tài)承載力綜合評價指標體系,在對地觀測數(shù)據(jù)、地面監(jiān)測數(shù)據(jù)及社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)的支持下,對中-宏觀空間尺度下甘肅省生態(tài)承載力進行空間定量評價,突破了傳統(tǒng)基于行政單元研究的局限,并增強了空間可視化表達效果,可以揭示甘肅省生態(tài)承載力的空間分布特征、空間關聯(lián)特征及耦合協(xié)調(diào)性；從理論上為生態(tài)承載力研究提供了新的視角和方法,同時也為“絲綢之路經(jīng)濟帶”建設中甘肅省生態(tài)環(huán)境保護、區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供了科學決策依據(jù)。研究表明：

(1)空間分布上,甘肅省生態(tài)承載力總體呈東南高西北低,從東南高承載區(qū)向西北弱承載區(qū)逐級遞減的空間分布格局。相近或相異生態(tài)地理分區(qū)生態(tài)承載力表現(xiàn)出空間和數(shù)量上的一致性和差異性。各維度間,資源環(huán)境與社會經(jīng)濟維度水平等級占比差異較大,中等及以下水平占較大比例,緣于兩者數(shù)量上的一致性和空間上的互異性,促使生態(tài)承載力與生態(tài)功能彈性力空間分布較為一致,然承載水平差異性縮小。特別地,河西走廊獨特的綠洲生態(tài)景觀,荒漠、戈壁、綠洲交錯分布,促成該地生態(tài)承載力明顯的空間異質(zhì)性。

(2)空間關聯(lián)上,生態(tài)承載力及各維度承載狀況呈正的全局自相關,存在高值(低值)顯著的空間集聚。LISA集聚主要為HH和LL 2種類型,前者分布于甘南高原、隴南山地及河西走廊以南的祁連山區(qū),后者則分布于蘇干湖水系以北的酒泉境內(nèi)以及石羊河流域下游的武威民勤地區(qū)。各維度間,資源環(huán)境和社會經(jīng)濟集聚類型空間分布相反,而生態(tài)功能彈性與生態(tài)承載力則有著相似的空間集聚特征。

(3)耦合協(xié)調(diào)性上,甘肅省生態(tài)承載力綜合耦合協(xié)調(diào)性空間差異較大,從東南到西北呈現(xiàn)高-低協(xié)調(diào)相間分布的格局；較高協(xié)調(diào)地區(qū)出現(xiàn)在甘肅東南部與河西走廊中東段,而較低協(xié)調(diào)地區(qū)則位于蘭州-白銀經(jīng)濟區(qū)以及河西走廊西段；各維度間,由于不同地域生態(tài)功能、資源環(huán)境及社會經(jīng)濟優(yōu)劣配置不盡相同,從而導致耦合協(xié)調(diào)性存在局部一致性和差異性并存的現(xiàn)象,識別并分析這些現(xiàn)象,有助于對生態(tài)承載力耦合協(xié)調(diào)性進行更為透徹的認識和理解。

生態(tài)承載力是一個“自然-經(jīng)濟-社會”的復雜系統(tǒng),選用狀態(tài)空間法對基于柵格單元的生態(tài)承載力空間定量評價及可視化表達和基于矢量格網(wǎng)的空間關聯(lián)特征、耦合協(xié)調(diào)性分析是生態(tài)承載力研究的一種嘗試。生態(tài)承載力的空間定量評價基于多源數(shù)據(jù),由于數(shù)據(jù)采集和量化差異較大,存在對地觀測數(shù)據(jù)的客觀連續(xù)性與統(tǒng)計數(shù)據(jù)插值模擬的不確定性問題,導致局部柵格像元存在空間異常現(xiàn)象,因此,適當?shù)目臻g尺度選取與離散統(tǒng)計數(shù)據(jù)高精度擬合建模需要進一步優(yōu)化和研究。此外,生態(tài)承載力具有空間尺度依賴效應,空間關聯(lián)與耦合協(xié)調(diào)性分析中,文中采用30km×30km矢量格網(wǎng)作為評價單元,作為一種從柵格單元到行政單元的過渡表達方式,實現(xiàn)了從高分辨率到低分辨率的尺度轉換,既體現(xiàn)了柵格單元信息的豐富性,又注重了行政單元之間的差異性,但其空間分辨精度及空間尺度效應如何有待進一步研究?；跔顟B(tài)空間法的生態(tài)承載力研究要向多維度、多指標的方向發(fā)展,從長時間序列上對生態(tài)承載力實現(xiàn)時空動態(tài)分析和模擬預測,將具有更大的現(xiàn)實意義。

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ResearchonthespatialquantitativeevaluationandcouplingcoordinationdegreeofecologicalcarryingcapacityinGansuProvince

JI Xuepeng1, BAI Yongping1,*, DU Haibo2, WANG Junbang3, ZHOU Liang3

1CollegeofGeographyandEnvironmentalScience,NorthwestNormalUniversity,Lanzhou730070,China2CollegeofResourcesandEnvironmentalEngineering,LudongUniversity,Yantai264025,China3InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China

國家自然科學基金(40771054); 高等學校博士學科點專項科研基金聯(lián)合資助課題(20106203110002)

2016- 06- 07; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡出版日期

日期:2017- 04- 24

10.5846/stxb201606071096

*通訊作者Corresponding author.E-mail: baiyp@nwnu.edu.cn

紀學朋,白永平,杜海波,王軍邦,周亮.甘肅省生態(tài)承載力空間定量評價及耦合協(xié)調(diào)性.生態(tài)學報,2017,37(17):5861- 5870.

Ji X P, Bai Y P, Du H B, Wang J B, Zhou L.Research on the spatial quantitative evaluation and coupling coordination degree of ecological carrying capacity in Gansu Province.Acta Ecologica Sinica,2017,37(17):5861- 5870.