生態(tài)承載力研究進(jìn)展

趙東升,郭彩贇,鄭 度,劉 磊,吳紹洪

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,中國科學(xué)院陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100149

中國要推進(jìn)綠色發(fā)展,加大生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)力度,將生態(tài)文明提高到前所未有的高度[1]。生態(tài)承載力是生態(tài)文明建設(shè)的重要抓手,是判斷社會經(jīng)濟(jì)活動與資源環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)與否的基礎(chǔ)工具,也是生態(tài)系統(tǒng)整體水平的表征[2-3]。提高區(qū)域生態(tài)承載力已成為當(dāng)今乃至未來一段時(shí)間內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要任務(wù),而目前生態(tài)承載力研究卻無法滿足可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求。

國內(nèi)外學(xué)者針對生態(tài)承載力的概念、研究方法及區(qū)域單因素承載力做了很多有益的探索,但生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性使得生態(tài)承載力的內(nèi)涵、外延及核算仍具有挑戰(zhàn)性,目前關(guān)于生態(tài)承載力還沒有科學(xué)統(tǒng)一的定義、評價(jià)體系和核算模型。因此,國際綱領(lǐng)性的環(huán)評文件至今未將“生態(tài)承載力”正式寫入環(huán)評制度體系。本文基于已有的生態(tài)承載力研究,綜合對比了應(yīng)用較為廣泛的六種承載力評價(jià)方法,指出了目前生態(tài)承載力研究中存在的薄弱環(huán)節(jié),提出未來生態(tài)承載力研究需要完善理論體系和評價(jià)指標(biāo)體系,加強(qiáng)生態(tài)承載力時(shí)空動態(tài)評估。最終將生態(tài)承載力作為解決生態(tài)脆弱區(qū)資源環(huán)境問題的抓手,建立區(qū)域資源環(huán)境監(jiān)測預(yù)警機(jī)制,并應(yīng)用落實(shí)到主體功能區(qū)規(guī)劃和生態(tài)安全建設(shè)領(lǐng)域。

1 生態(tài)承載力的概念和主要特征

1.1 概念發(fā)展

Park[4]于1921年從種群數(shù)量角度出發(fā),首次將“承載力”概念引入生態(tài)學(xué)領(lǐng)域,他定義承載力的涵義是：“在不損害牧場情形下,牧場所能供養(yǎng)的最大牲畜數(shù)量”。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人口、環(huán)境和資源等問題日益突出,基于不同需求和側(cè)重點(diǎn)的承載力研究應(yīng)運(yùn)而生,如人口承載力、環(huán)境承載力和資源承載力等基于某一方面的承載力研究。1990年,Rees[5]提出“生態(tài)足跡”理論,這是承載力研究從單要素研究轉(zhuǎn)向綜合研究生態(tài)系統(tǒng)的標(biāo)志。這也明確了生態(tài)承載力是單要素承載力基于生態(tài)學(xué)的系統(tǒng)集成,而其中資源承載力是基礎(chǔ),環(huán)境承載力是核心[6]。生態(tài)承載力大體上經(jīng)歷了種群承載力、資源承載力、環(huán)境承載力和生態(tài)承載力4個(gè)階段。表1是生態(tài)承載力概念的發(fā)展歷程。

表1 生態(tài)承載力概念發(fā)展歷程

1.2 主要特征

一般認(rèn)為,生態(tài)承載力是在資源合理開發(fā)利用和環(huán)境良性循環(huán)的條件下, “自然資源-生態(tài)環(huán)境-社會經(jīng)濟(jì)”復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的承載能力與承載對象壓力的反映[22],它具有以下幾個(gè)方面的特性：

(1)動態(tài)性[20]。對于一定數(shù)量和質(zhì)量的自然資源來說,生態(tài)承載力不是一成不變的,它與生態(tài)歷史發(fā)展階段有直接的關(guān)系。當(dāng)生產(chǎn)力水平較高時(shí),區(qū)域的資源環(huán)境承載力就高,而在發(fā)展水平落后的國家,經(jīng)濟(jì)的增長有可能是通過犧牲環(huán)境和高度消耗資源來實(shí)現(xiàn)的,因此生態(tài)承載力會比較低。另外,在不同的歷史發(fā)展階段,人類活動對生態(tài)環(huán)境有不同的影響力和治理力度。

(2)尺度性和相對極限性[23]。尺度性是由人類活動空間的有限性決定的,因?yàn)闆]有范圍限制的生態(tài)承載力研究是沒有實(shí)際意義的。相對極限性是指生態(tài)承載力在社會生產(chǎn)力發(fā)展的某一歷史階段具有最大值,如果時(shí)間階段改變了,生態(tài)承載力也將隨之改變。

(3)空間異質(zhì)性。生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過程、人類活動都具有明顯的空間分異特征,這決定了生態(tài)系統(tǒng)提供的服務(wù)和消耗、生態(tài)承載力也具有空間異質(zhì)性。例如,我國的西北干旱地區(qū)水熱組合條件不如南方優(yōu)越,因此生態(tài)承載力勢必也比南方小。這就要求人們在研究生態(tài)承載力和規(guī)劃經(jīng)濟(jì)建設(shè)時(shí)應(yīng)立足于實(shí)際,統(tǒng)籌考慮不同區(qū)域之間的空間異質(zhì)性。

(4) 相對性和不確定性。關(guān)于承載力研究,首先需要轉(zhuǎn)變學(xué)者們的思想觀念,承載力是一個(gè)長期的、歷時(shí)性的過程,承載能力應(yīng)該被看作是一個(gè)梯度,而不是一個(gè)臨界極限。承載能力的衡量應(yīng)該被認(rèn)為是相對的,而不是絕對的[24]。另外,生態(tài)系統(tǒng)和人類社會的復(fù)雜性決定了生態(tài)承載力計(jì)算的復(fù)雜性,加之人類對自然及社會發(fā)展規(guī)律的認(rèn)識不足,導(dǎo)致生態(tài)承載力具有不確定性。生態(tài)承載力研究的重點(diǎn)是承載體與人類社會體系之間循環(huán)并反饋的復(fù)雜關(guān)系。

(5) 開放性和多樣性。沒有完全封閉的生態(tài)系統(tǒng),貿(mào)易流動和資源跨域配置使得區(qū)域生態(tài)承載力可通過與外界的物質(zhì)、能量及信息交流進(jìn)行提升,一定范圍內(nèi)的生態(tài)承載力問題也可通過戰(zhàn)爭、貿(mào)易和行政干預(yù)等途徑轉(zhuǎn)嫁給其他區(qū)域。生態(tài)承載力的多樣性特征是由生態(tài)系統(tǒng)的多樣性決定的。人類消費(fèi)結(jié)構(gòu)隨著生產(chǎn)力的不斷提高發(fā)生著變化,地區(qū)之間的經(jīng)貿(mào)關(guān)系彌補(bǔ)了區(qū)域的資源欠缺,引起隱含承載力在區(qū)域間的流動,使得生態(tài)承載力研究的難度也因貿(mào)易的多樣性而更加復(fù)雜[18]。

2 生態(tài)承載力的主要研究方法

由于對社會-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功能認(rèn)識不充分,使得目前關(guān)于生態(tài)承載力的定量研究仍屬探索階段,針對不同問題和角度的研究方法正在被逐步改進(jìn),其中常用的研究方法包括：生態(tài)足跡法、人類凈初級生產(chǎn)力占用法、狀態(tài)空間法、綜合分析法、系統(tǒng)模型法和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)消耗評價(jià)法等。

2.1 生態(tài)足跡法

生態(tài)足跡(Ecological Footprint,EF)是William Rees首先提出的,1999年被引入中國[25]。該方法從生物物理量的角度出發(fā),將各種資源和能源消費(fèi)折算為土地面積來判斷生態(tài)系統(tǒng)是否處于可載狀態(tài)[26],其本質(zhì)是對研究區(qū)土地資源生產(chǎn)能力的估測,公式如下：

式中,EF: 總生態(tài)足跡；ef: 人均生態(tài)足跡；N: 人口數(shù)量；aai: 人均第i種消費(fèi)物品折算的生物生產(chǎn)面積；rj: 第j種土地類型的均衡因子；Ci: 第i種物品的人均消費(fèi)量；Pi: 第i種物品的平均生產(chǎn)能力。

EF法在生態(tài)承載力核算與區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[27- 29]。楊艷[30]以錫林郭勒盟為例探討了半干旱草原地區(qū)的生態(tài)承載力狀況；潘洪義[31]使用生態(tài)足跡模型計(jì)算了成都市2009—2014年的生態(tài)承載力狀況。生態(tài)承載力與對外貿(mào)易之間既存在負(fù)反饋機(jī)制,又存在著非線性的不穩(wěn)定因素[32],EF法的優(yōu)點(diǎn)是思路新穎,能反映出生態(tài)服務(wù)生產(chǎn)和流動過程,從供給面測算區(qū)域的生態(tài)承載量,從需求面測算區(qū)域的生態(tài)占用,在面對復(fù)雜區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)時(shí)有較大的應(yīng)用空間。但EF法在理論和計(jì)算方面也有一些不足之處[33]：

(1)EF法假設(shè)土地狀況尚在可載狀態(tài)、只有一種生態(tài)功能,且各類土地利用類型具有替代性,這與現(xiàn)實(shí)是背離的。實(shí)際自然環(huán)境中的某些特定類型土地不只有一種生態(tài)功能,而相同生態(tài)功能的土地產(chǎn)出能力也不盡相同,加之耕作方式的多樣化,如復(fù)種、套種、混種等耕作方式使得土地服務(wù)功能量化困難。這導(dǎo)致不同區(qū)域生態(tài)承載力計(jì)算結(jié)果不能直接進(jìn)行對比。

(2)考慮到生物物理限制因素,EF法引入了均衡因子和產(chǎn)量因子,這與現(xiàn)實(shí)也不完全一致,EF核算中的均衡因子與社會經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平的發(fā)展?jié)摿θ狈憫?yīng),產(chǎn)量因子標(biāo)準(zhǔn)仍未形成科學(xué)有效的量化方法。另外,在能源核算中,EF只選用了需要的生產(chǎn)性土地面積,沒有把生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力和吸納廢棄物所需的土地面積考慮在內(nèi)。

(3)EF法的關(guān)注點(diǎn)僅在地球表面,忽略了海洋功能、地下水資源、全球氣候變化、臭氧層破壞、水土流失等一系列重要的生態(tài)效應(yīng)；EF法還缺乏對區(qū)域間貿(mào)易及流量的量化分析,使得無法確定生態(tài)赤字的源頭。在當(dāng)前全球氣候變化情境下,EF法因子間關(guān)系的簡化表達(dá),難以量化生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性、非線性和動態(tài)特征,這樣的靜態(tài)分析在未來勢必影響其應(yīng)用價(jià)值。

為克服EF法貿(mào)易數(shù)據(jù)缺乏、能源輸入輸出量無法計(jì)算的缺陷,Ewing等[34]建立了一種將碳足跡、水足跡和生態(tài)足跡整合在一起的多區(qū)域輸入輸出建?？蚣?multi-regional input-output, MRIO),這使得生態(tài)承載力評價(jià)可信度得到了進(jìn)一步提升。

2.2 HANPP法

自然植被凈第一性生產(chǎn)力(NPP)反映了自然體系的恢復(fù)能力,是衡量生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征與人口承載力的基礎(chǔ)指標(biāo)。1975年,Lieth[35]首先對NPP模型構(gòu)建進(jìn)行了研究。根據(jù)植物生理生態(tài)學(xué)特征構(gòu)建的NPP模型可分析區(qū)域生態(tài)承載力[36],但通過對整個(gè)區(qū)域的點(diǎn)參數(shù)來研究整體承載力的NPP法研究結(jié)果誤差較大。近年來,國外學(xué)者引用了人類凈初級生產(chǎn)力占用(Human appropriation of net primary production,簡稱HANPP)來解決NPP研究中存在的弊端。

為評價(jià)人類社會對土地的生態(tài)影響范圍,Wackernagel于2002年首次提出HANPP的概念[37],指在人類生產(chǎn)、生活及改造利用活動中,人類所占用的綠色植物在單位時(shí)間、單位面積內(nèi)通過光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)總量扣除呼吸后的剩余部分,即人類占用的NPP部分(圖1)[38]。它量化人為因素對生態(tài)系統(tǒng)中資源利用的干預(yù)強(qiáng)度,可以評估單個(gè)產(chǎn)品與國家總消費(fèi)之間的相關(guān)性,是一種綜合的社會生態(tài)指標(biāo)。Haberl介紹了HANPP的兩種評估方法和應(yīng)用模式,并展望了HANPP的全球模式和軌跡[39]。通過持續(xù)地量化和繪制人類活動導(dǎo)致的生產(chǎn)力變化和生態(tài)系統(tǒng)中生物量流動的影響,HANPP提供了一個(gè)可測量的土地使用強(qiáng)度指標(biāo)。

圖1 HANPP概念圖[38]Fig.1 Schematic diagram of concepts of HANPP[38]NPP, 自然植被凈第一性生產(chǎn)力,net primary production；NPP0, 潛在凈初級生產(chǎn)力,potential net primary production；NPPlucc, 土地利用損失NPP,the human-induced alteration of NPP；NPPh, NPP收獲量,the harvest yield；NPPt, 當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)中現(xiàn)有生物,organisms existing in the current ecosystem；NPPact,實(shí)際NPP,actual NPP；HANPP, 凈初級生產(chǎn)力的人類占用,the NPP of the actual vegetation

HANPP最初的發(fā)展主要是服務(wù)于人類的資源占用和人類的全球陸地系統(tǒng)角色研究方面,當(dāng)前HANPP相關(guān)研究主要集中在改造實(shí)際NPP計(jì)算模型和分析與土地利用的關(guān)系方面[40],或在生態(tài)承載力核算領(lǐng)域作為EF法的補(bǔ)充應(yīng)用[38]。HANPP能夠?qū)⑸鐣男玛惔x與土地利用及其對生態(tài)系統(tǒng)功能的影響聯(lián)系起來,避免了人為主觀決定各指標(biāo)權(quán)重帶來的誤差。另外,HANPP可為EF模型補(bǔ)充可持續(xù)發(fā)展相關(guān)的信息,把物質(zhì)流分析與景觀生態(tài)學(xué)分析結(jié)合起來[41],因此是一種很有前途的承載力研究方法。但是,相對于EF法關(guān)注的是人類對生態(tài)系統(tǒng)影響的不同方面, HANPP法側(cè)重于評估“人類支配”自然資源的程度[42],它包含的資源更有限,數(shù)據(jù)獲取困難造成的參數(shù)不確定性問題更突出。另外,關(guān)于HANPP的可持續(xù)性閾值,目前明確的只有100%的HANPP意味著地球的毀滅,在承載力領(lǐng)域的閾值尚未有定數(shù),這是HANPP方法應(yīng)用于承載力研究中最大的瓶頸,也是HANPP研究的重點(diǎn)問題[43]。加之HANPP只能基于國內(nèi)不同貿(mào)易產(chǎn)品的平均值進(jìn)行估算,不能探測與土地使用集約化相關(guān)的影響,這將導(dǎo)致出現(xiàn)評估誤差。

2.3 狀態(tài)空間法

毛漢英運(yùn)用狀態(tài)空間法計(jì)算了環(huán)渤海地區(qū)的區(qū)域承載力[44],這是狀態(tài)空間法在國內(nèi)的首次應(yīng)用。這種方法利用三維狀態(tài)空間軸表達(dá)不同的承載力影響要素向量,利用承載狀態(tài)點(diǎn)構(gòu)成的承載曲面判斷區(qū)域生態(tài)承載狀態(tài)。狀態(tài)空間法中設(shè)計(jì)了承壓類指標(biāo)、壓力類指標(biāo)和區(qū)域交流指標(biāo)[45]。其中,承壓類指標(biāo)主要指資源占有狀況、環(huán)境容量等反映承載體狀態(tài)的指標(biāo)；壓力類指標(biāo)主要反映人類追求發(fā)展對承載體產(chǎn)生的壓力,如人口素質(zhì)和經(jīng)濟(jì)增長及其造成的資源環(huán)境消耗等；區(qū)域交流指標(biāo)反映了人類活動的交流性對承載體的影響,每個(gè)區(qū)域都是開放的巨系統(tǒng),資源的跨域調(diào)動、資金流與信息交換都強(qiáng)烈的影響著承載體的生態(tài)承載能力。

狀態(tài)空間法可以描述區(qū)域生態(tài)承載力的動態(tài)變化,定量計(jì)算不同情形下生態(tài)承載力之間的差異。但是,基于狀態(tài)空間法的生態(tài)承載力研究多側(cè)重于承載力過程分析,未考慮人類活動對資源的消耗力度、環(huán)境的污染力度、治理力度對生態(tài)承載力的影響,生態(tài)承載力核算可信度有待提高。

2.4 綜合評價(jià)法

高吉喜[46]以黑河流域?yàn)槔?提出了以生態(tài)系統(tǒng)承載指數(shù)、生態(tài)系統(tǒng)壓力指數(shù)和生態(tài)系統(tǒng)承載壓力度為參數(shù)來計(jì)算生態(tài)承載力的綜合分析法。金悅[47]利用這三個(gè)指數(shù)構(gòu)建了資源型城市承載力的評價(jià)指標(biāo)體系,應(yīng)用綜合評價(jià)法量化研究了唐山市的城市生態(tài)承載力。綜合評價(jià)法多采用層次分析進(jìn)行最終結(jié)果的綜合,為減少層次分析法中人為主觀性對綜合評價(jià)結(jié)果的影響,模糊層次分析法[48]、灰關(guān)聯(lián)綜合分析法[49]、多因素關(guān)聯(lián)分析法[50]等計(jì)量方法被引入到評價(jià)指標(biāo)中,近年來RS與GIS等新技術(shù)也被用來構(gòu)建綜合評價(jià)模型,并且成為比較熱門的承載力研究方法[51]。

綜合分析法考慮因素較全面,計(jì)算較為靈活,適用于結(jié)構(gòu)功能較為復(fù)雜的區(qū)域。但其計(jì)算所需資料過多,數(shù)據(jù)的收集容易成為瓶頸,計(jì)算指標(biāo)之間又存在交叉重疊,導(dǎo)致定量分析精確度不夠。另外,綜合分析法對空間動態(tài)分析較少,缺乏對生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)資源流動、產(chǎn)品、服務(wù)之間復(fù)雜關(guān)系的深入探討。因此,這種方法具體標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一,應(yīng)用時(shí)需要遵循因地制宜的原則。

Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)計(jì)時(shí)，沒有專用的開發(fā)和調(diào)試工具，專業(yè)人員在開發(fā)應(yīng)用程序時(shí)，編譯和調(diào)試工具需要開發(fā)人員自主研發(fā)。

2.5 系統(tǒng)模型法

系統(tǒng)模型法是從系統(tǒng)整體角度反映區(qū)域生態(tài)承載力的數(shù)理模型方法,是近年來評估資源環(huán)境承載力的熱點(diǎn)方法[52]。目前國內(nèi)生態(tài)承載力評價(jià)模型有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[53]、集對分析模型[54]、灰色系統(tǒng)模型[55]、多元回歸模型[56]、相對資源環(huán)境承載力模型[57]、多模型互補(bǔ)對接支持下的系統(tǒng)動力學(xué)模型[58],另有將以上兩種或兩種以上模型進(jìn)行整合的綜合評價(jià)模型[59]。最近,張盛[60]建立了針對于水生態(tài)承載力研究的粒子群引力搜索算法-投影追蹤模型,以此模型解析了京津冀地區(qū)的水資源生態(tài)效應(yīng),以及經(jīng)濟(jì)社會效益最大化的內(nèi)在驅(qū)動。

生態(tài)承載力核算需要的模型必須在技術(shù)上可靠,理論依據(jù)充分,能反映承載力問題的非線性、多元性、開放性、多重反饋性等基本特征系統(tǒng)模型法的應(yīng)用與逐步發(fā)展對生態(tài)承載力研究的定量評估有很大的提高,其最大的優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行系統(tǒng)、動態(tài)的反饋分析,能夠表達(dá)生態(tài)系統(tǒng)的作用機(jī)制。但系統(tǒng)的復(fù)雜性使得模型構(gòu)建非常困難,建模方法及參數(shù)選擇的不同會引起模型結(jié)果各異,且模擬結(jié)果的驗(yàn)證較為困難,因此系統(tǒng)模型法適用于對研究區(qū)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制比較清晰的狀況下進(jìn)行宏觀的承載力動態(tài)研究。

2.6 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)消耗評價(jià)法

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類從生態(tài)系統(tǒng)獲得的福祉和效益,主要分為供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、文化服務(wù)和支持服務(wù)四大類[61]。生態(tài)承載力的基礎(chǔ)是生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和生態(tài)過程,承載主體是區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng),表現(xiàn)為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),是生態(tài)承載力的限制性因素。甄霖[62]認(rèn)為人類所需要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)包括產(chǎn)品和服務(wù),表現(xiàn)為直接消費(fèi)和間接消費(fèi)。近年來,消費(fèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,人類對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求在世界大部分地區(qū)變得更加多樣化,這種消費(fèi)需求的增長甚至超過了人口增長,這已成為影響生態(tài)系統(tǒng)的核心因素,通過改變消費(fèi)模式來減少生態(tài)系統(tǒng)的壓力已經(jīng)成為生態(tài)管理的焦點(diǎn)[63]。千年生態(tài)系統(tǒng)評估[64]提供了一個(gè)概念框架,將許多關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究成果匯集在一起,把所有與人類密切相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)納入評估體系,對每種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行承載力評估,應(yīng)用“木桶效應(yīng)”,取最小值為區(qū)域承載力[65]。曹智以“生態(tài)系統(tǒng)-生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)-人口和經(jīng)濟(jì)”為研究主線,提出了“基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的生態(tài)承載力”(Ecosystem-services-based Ecological Carrying Capacity, ESECC)[66]概念：“區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過程及其空間格局決定的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)所能支撐的具有一定發(fā)展水平的人口和經(jīng)濟(jì)規(guī)?！?他構(gòu)建了基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的生態(tài)承載力計(jì)算模型,計(jì)算了云南紅河縣的各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)生態(tài)承載力情況。也有學(xué)者構(gòu)建基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的生態(tài)足跡模型計(jì)算區(qū)域水生態(tài)承載力[67- 69]。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)消耗評價(jià)法在分析生態(tài)服務(wù)和消費(fèi)的基礎(chǔ)上,不僅揭示了人類生產(chǎn)與生活、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和資源環(huán)境之間的供求關(guān)系,而且還體現(xiàn)了生態(tài)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,因而能夠產(chǎn)生更全面、更精確的生態(tài)承載力核算結(jié)果,這將有助于指導(dǎo)人類生活和社會經(jīng)濟(jì)消費(fèi)模式的調(diào)整和轉(zhuǎn)變。但這種方法是把生態(tài)系統(tǒng)看作一個(gè)“黑箱”,只考慮了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量,不考慮各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相互作用和邊際效應(yīng),且模型參數(shù)彈性較小,在小尺度生態(tài)承載力研究時(shí)準(zhǔn)確度不高。

3 當(dāng)前生態(tài)承載力研究中存在的問題

上述研究生態(tài)承載力的方法都有其各自的側(cè)重點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍(表2),由于生態(tài)系統(tǒng)的開放性和復(fù)雜性,目前生態(tài)承載力研究仍難以定量化表征生態(tài)系統(tǒng)的供給容納能力、區(qū)間貿(mào)易流動影響、生態(tài)系統(tǒng)的彈性、人類活動與生態(tài)系統(tǒng)的相互作用關(guān)系,仍存在諸多的問題和薄弱環(huán)節(jié)。

表2 生態(tài)承載力主要研究方法優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍

3.1 生態(tài)承載力理論體系不完善,研究方法有待創(chuàng)新

生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性決定了生態(tài)承載力的內(nèi)涵和外延較為寬泛,而生態(tài)承載力理論發(fā)展歷史較短,其涉及的研究深度尚顯不足,因此其概念闡述仍存在較大的分歧。傳統(tǒng)的生態(tài)承載力研究主要是以探索資源環(huán)境要素與承載力之間的關(guān)系為切入點(diǎn),多采用靜態(tài)、經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來定量評估承載力,對承載力計(jì)算過程中各個(gè)要素之間的形成過程機(jī)理缺乏科學(xué)的闡釋,忽略了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過程及其功能對生態(tài)承載力的傳導(dǎo)作用,這種傳統(tǒng)研究對于資源環(huán)境-社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中各個(gè)要素間的互相作用對承載力影響的探討不夠深入,理論體系不完善,阻礙了生態(tài)承載力核算及應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。國內(nèi)外關(guān)于生態(tài)承載力的研究方法雖多,但各自有其局限性,亟需在完善理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行評估方法創(chuàng)新,建立高可信度的多因素耦合生態(tài)承載力評價(jià)模型。

3.2 缺乏動態(tài)預(yù)測研究和預(yù)警機(jī)制

目前大多生態(tài)承載力研究側(cè)重于對現(xiàn)狀的靜態(tài)評估,生態(tài)承載力動態(tài)演化規(guī)律和動態(tài)預(yù)測研究不夠深入,無法建立科學(xué)實(shí)用的預(yù)警機(jī)制。生態(tài)承載力作為可持續(xù)發(fā)展政策制定的重要參量,其未來的承載力預(yù)估則更為重要,而中國部分地區(qū)的資源環(huán)境要素、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能和資源環(huán)境承載力協(xié)同變化的觀測與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏及整合研究不足是制約資源環(huán)境承載力動態(tài)評估的薄弱環(huán)節(jié)[61]。

3.3 承載力應(yīng)用落實(shí)不到位

目前承載力研究多應(yīng)用于區(qū)域單因素承載力評估與政策制定領(lǐng)域,而承載力核算最終的應(yīng)用價(jià)值,除了根據(jù)核算結(jié)果提出各類區(qū)劃和承載力提高方案,輔助主體功能規(guī)劃、加強(qiáng)生態(tài)安全也是承載力研究的重要方面。主體功能區(qū)各自合理的發(fā)展路徑對區(qū)域發(fā)展有著重要的作用[70],是保證區(qū)域發(fā)展有序進(jìn)行的重要依據(jù)[71]。我國仍缺乏包含未來發(fā)展趨勢的動態(tài)生態(tài)規(guī)劃,而生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制也不健全,涉及到生態(tài)保護(hù)的各項(xiàng)政策不能形成一個(gè)以生態(tài)保護(hù)為專門目標(biāo)的完整系統(tǒng),致使環(huán)境保護(hù)者的利益得不到有效保障,也制約了生態(tài)承載力評估的實(shí)際應(yīng)用效果。

4 生態(tài)承載力研究未來發(fā)展趨勢

4.1 完善生態(tài)承載力理論體系,深入承載力過程機(jī)理、承載機(jī)制研究

在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)之上,充分考慮生態(tài)系統(tǒng)中各要素間的相互作用過程及其對生態(tài)承載力的影響,科學(xué)定義生態(tài)承載力,并構(gòu)建與現(xiàn)實(shí)相契合、能客觀衡量生態(tài)承載狀況的理論與方法體系,是生態(tài)承載力精確核算的基礎(chǔ)。生態(tài)系統(tǒng)與承載對象之間存在著復(fù)雜的反饋機(jī)制,這是無法通過加長研究數(shù)據(jù)時(shí)間序列進(jìn)行克服的難點(diǎn),準(zhǔn)確評估區(qū)域生態(tài)承載力還需要對生態(tài)承載力形成過程、驅(qū)動機(jī)制和承載機(jī)制有準(zhǔn)確的認(rèn)知。承載機(jī)制是生態(tài)系統(tǒng)的承載功能及其系統(tǒng)中各要素之間的承載作用關(guān)系,這種承載關(guān)系不是簡單的供應(yīng)關(guān)系或者界面接觸關(guān)系,而是雙方內(nèi)部多因素間的復(fù)雜互饋?zhàn)饔?具有可變性、彈性、擴(kuò)展性、相對性、容限性和客觀性,難以定量刻畫。深入分析生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能對資源環(huán)境要素變化的響應(yīng)函數(shù),研究承載力內(nèi)部形成機(jī)制與承載機(jī)制,是未來生態(tài)承載力研究取得進(jìn)展的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

4.2 與全球變化的相結(jié)合,加強(qiáng)生態(tài)承載力時(shí)空動態(tài)評估

近百年來,全球平均氣溫上升了0.85℃[73],在RCP8.5情景下,未來中國氣候?qū)⒗^續(xù)增暖[74],氣候變化會通過影響植物生產(chǎn)力的方式或者加深資源供需之間的矛盾,從而影響區(qū)域承載力的提升[74]；也有研究也表明,氣候變化情境下海南島的生態(tài)承載力有增大的趨勢[75]。另外,全球經(jīng)濟(jì)增長與科技進(jìn)步也極大的影響了區(qū)域生態(tài)承載力的大小?？萍际前央p刃劍,科技進(jìn)步在提高社會生產(chǎn)力水平和提供便利化生活的同時(shí),也帶來了生態(tài)破壞和環(huán)境污染等一系列負(fù)面影響,同樣需要科技的力量提高環(huán)境治理水平和力度,加大科技投入,加強(qiáng)環(huán)境污染治理力度和監(jiān)測水平是未來環(huán)境保護(hù)的積極對策。全球氣候、經(jīng)濟(jì)變化對生態(tài)系統(tǒng)將產(chǎn)生巨大影響,甚至改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,未來的生態(tài)承載力研究需與全球變化的相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)生態(tài)承載力動態(tài)評估。

目前中國已開始應(yīng)用RS和GIS技術(shù)加強(qiáng)生態(tài)動態(tài)監(jiān)測,開展資源環(huán)境要素、碳水通量和氣象要素的長期定位監(jiān)測,結(jié)合實(shí)地的樣帶調(diào)查、長期觀測資料的整理,通過觀測研究全面獲取各種資源環(huán)境要素的時(shí)空格局特征,為生態(tài)承載力定量化研究提供有力的數(shù)據(jù)支撐。在加強(qiáng)生態(tài)動態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)上,把握區(qū)域時(shí)空動態(tài)變化及時(shí)空耦合下的適應(yīng)性綜合研究,是未來生態(tài)承載力核算的難點(diǎn)和前沿問題[76]。

4.3 完善生態(tài)承載力評價(jià)指標(biāo)體系,尤其需要加入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間流動因素

生態(tài)承載力的評價(jià)是對生態(tài)壓力的綜合評價(jià),指標(biāo)體系框架的構(gòu)建需要涵蓋研究區(qū)域的資源、環(huán)境、人口和社會經(jīng)濟(jì)等多個(gè)領(lǐng)域,目前“目標(biāo)層-準(zhǔn)則層-指標(biāo)層” 指標(biāo)體系具有普適性,但不同區(qū)域經(jīng)濟(jì)、自然環(huán)境的不同需要相應(yīng)的評價(jià)指標(biāo)體系。例如,山區(qū)生態(tài)承載力與平原生態(tài)承載力核算不應(yīng)采用相同的研究模式。在中國山區(qū)生態(tài)承載力研究中,山區(qū)豐富的資源一定程度上彌補(bǔ)了其資源環(huán)境-社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的封閉性,但是對承擔(dān)水源涵養(yǎng)、水土保持等重要環(huán)境功能的地區(qū)帶來了負(fù)面影響,不同的民族文化對區(qū)域承載力的影響也不盡相同[77],未來生態(tài)承載力評價(jià)體系應(yīng)該納入諸如社會制度與分配方式、自然環(huán)境的區(qū)域空間分異、封閉性特征和民族文化類型等評價(jià)指標(biāo)。

另外,現(xiàn)有的生態(tài)承載力計(jì)算多忽略了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間流動[78-79]、預(yù)先舍棄了貿(mào)易、人口和資源的區(qū)際流動因素[80],計(jì)算存在很大不確定性。未來生態(tài)承載力發(fā)展需要完善承載力評價(jià)指標(biāo)體系,尤其需要加入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間流動因素以便提高生態(tài)承載力核算結(jié)果的科學(xué)性和可信度。美國佛蒙特大學(xué)開展了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)人工智能項(xiàng)目[81](Artificial Intelligence for Ecosystem Services,ARIES),設(shè)想集成生態(tài)學(xué)與地理學(xué)的常用模型來模擬生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的區(qū)域流動過程并制圖,但是此項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)模宏大,需要大量的數(shù)據(jù)支持和學(xué)科支撐,目前進(jìn)展緩慢。

4.4 從生態(tài)承載力入手解決生態(tài)脆弱區(qū)資源環(huán)境問題

中國生態(tài)脆弱區(qū)占國土面積60%以上,資源環(huán)境要素空間分異特征非常顯著,要素對環(huán)境變化響應(yīng)敏感,承載力受到短板要素制約較明顯,總體承載力較弱。有些地區(qū)生態(tài)超載問題日趨嚴(yán)重,修復(fù)代價(jià)巨大[82-83]。脆弱區(qū)的生態(tài)變化會強(qiáng)烈干擾鄰域資源環(huán)境承載力的生產(chǎn)力和生態(tài)服務(wù)狀況,甚至導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)突變,威脅區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全和可持續(xù)發(fā)展。在現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)環(huán)境背景下,將生態(tài)承載力作為抓手來解決生態(tài)脆弱區(qū)的問題,是解決生態(tài)脆弱區(qū)資源環(huán)境問題的突破口和著力點(diǎn)。

未來需要在氣候變化和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景下,結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境狀況,科學(xué)分析脆弱區(qū)生態(tài)承載力的承載反饋機(jī)制,從脆弱區(qū)承載體、承載對象與承載過程三個(gè)方面入手,充分考慮脆弱區(qū)生態(tài)產(chǎn)品空間流動過程和區(qū)域空間分異特征等,建立脆弱區(qū)資源環(huán)境要素、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能與生態(tài)承載力之間的定量關(guān)系,發(fā)展基于生態(tài)脆弱區(qū)上中下游一體化的承載力評估方法體系,提高脆弱區(qū)承載力評估的可信度,解決限制生態(tài)脆弱區(qū)可持續(xù)發(fā)展的資源環(huán)境問題。

4.5 建立區(qū)域資源環(huán)境監(jiān)測預(yù)警機(jī)制,并落實(shí)到生態(tài)規(guī)劃及生態(tài)安全領(lǐng)域

當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)承載能力超過承載閾值時(shí),生態(tài)系統(tǒng)會產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的負(fù)面影響,地球生命支持系統(tǒng)的功能就會發(fā)生突變[84]。因此,揭示生態(tài)體系維持生態(tài)功能的閾值,建立資源環(huán)境監(jiān)測預(yù)警機(jī)制是全面深化生態(tài)文明改革的重大任務(wù)[85-86]。徐衛(wèi)華[21]采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和生態(tài)退化狀況表征生態(tài)系統(tǒng)健康度,進(jìn)行生態(tài)承載力預(yù)警評估。Huang[87]結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)值與時(shí)間序列將風(fēng)險(xiǎn)值劃分為了不同等級,基于風(fēng)險(xiǎn)熵構(gòu)建了承載力計(jì)算模型,這種模型較為準(zhǔn)確的反映了環(huán)境承載力的異常變動,可為建立生態(tài)承載力預(yù)警機(jī)制提供及時(shí)的參考。隨著生態(tài)承載力研究的逐步發(fā)展,建立起科學(xué)的資源環(huán)境預(yù)警機(jī)制是未來生態(tài)承載力發(fā)展的重要目標(biāo)和熱點(diǎn)問題。

另外,生態(tài)承載力核算與預(yù)警的成果不僅應(yīng)用于資源調(diào)整和環(huán)境保護(hù)方面。結(jié)合區(qū)域生態(tài)承載力,將經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平、未來開發(fā)潛力和文化等因素作為指標(biāo)體系,對地域功能進(jìn)行科學(xué)識別,是未來區(qū)域發(fā)展的必然趨勢[88]。例如Jurado[89]等將自然保護(hù)區(qū)承載力與游客數(shù)量相結(jié)合,分析了沿海城市的社會承載力,為旅游規(guī)劃提供建議。評價(jià)國家社會、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境等多維度的資源承載力狀況,可為產(chǎn)業(yè)空間優(yōu)化提供依據(jù)[90]。未來承載力研究將側(cè)重于新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的資源、環(huán)境研究以及循環(huán)經(jīng)濟(jì)狀態(tài)下承載力變動問題[91]。面對生態(tài)文明建設(shè)的新形勢,確定適宜經(jīng)濟(jì)增長和自然保護(hù)和諧發(fā)展的承載力閾值,是有保證區(qū)域健康可持續(xù)發(fā)展的首要問題[92]。

4.6 優(yōu)化整合生態(tài)承載力研究方法,開發(fā)由多因素耦合的動態(tài)研究模型

傳統(tǒng)的生態(tài)承載力理論大多是基于單一資源環(huán)境因子對單一物種或功能屬性的演變建立起來的,特別是資源的短缺(如水和土壤)以及環(huán)境承載能力(如大氣、水、土壤)[66],承載力計(jì)算方法也因問題不同而有各自的側(cè)重點(diǎn)和片面性[92]。然而,生態(tài)系統(tǒng)屬于復(fù)雜的人類環(huán)境系統(tǒng),耦合了許多資源和環(huán)境因素,任何單一因素或相關(guān)環(huán)節(jié)的變化都可能導(dǎo)致承載能力的改變。

生態(tài)承載力研究急需一個(gè)多因素耦合模型來模擬社會和生態(tài)整體之間的關(guān)系,這需要通過系統(tǒng)動力學(xué)法構(gòu)建出生態(tài)-環(huán)境-資源復(fù)雜巨系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系,在微觀上尋求更精確的度量方法,宏觀上結(jié)構(gòu)更全面、動態(tài)關(guān)系更清晰,來優(yōu)化整合生態(tài)承載力研究方法,逐步實(shí)現(xiàn)不同方法的優(yōu)勢互補(bǔ)和模型過程整合；利用系統(tǒng)動力學(xué)和多目標(biāo)模型來測量區(qū)域承載能力衰減對人類環(huán)境復(fù)雜系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制的分析,模擬生態(tài)系統(tǒng)供給和人類需求的動態(tài)變化,以準(zhǔn)確地評價(jià)生態(tài)承載力的狀態(tài)和閾值,從而為規(guī)劃可持續(xù)資源利用和生態(tài)文明建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

5 結(jié)語

生態(tài)文明建設(shè)離不開科學(xué)合理的生態(tài)規(guī)劃,生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性決定了生態(tài)承載力的評價(jià)研究將會是充滿挑戰(zhàn)的工作。中國針對區(qū)域生態(tài)承載力的研究多基于傳統(tǒng)方法,忽略了很多重要的影響因素,無法滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對承載力的實(shí)際需求,研究水平仍需要提高。

在全球變化背景下,基于已有的理論基礎(chǔ)與研究方法,逐漸完善生態(tài)承載力理論方法與指標(biāo)體系,深入研究承載過程與承載機(jī)制,科學(xué)量化生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能與生態(tài)服務(wù)的關(guān)系,解決生態(tài)服務(wù)交叉和權(quán)衡問題,根據(jù)中國不同區(qū)域復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)特征進(jìn)行動態(tài)分析,為解決生態(tài)脆弱區(qū)資源環(huán)境問題找到解決突破口。建全區(qū)域資源環(huán)境監(jiān)測預(yù)警機(jī)制,并將生態(tài)承載力研究成果落實(shí)到主體功能規(guī)劃、生態(tài)安全及區(qū)域可持續(xù)策略的制定上,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和緊迫性。