水生態(tài)承載力概念辨析與指標體系構建研究

張 遠，周凱文,楊中文,張魯駿,任曉慶,3

(1.大連海洋大學 水產與生命學院,大連 116023;2.中國環(huán)境科學研究院 河流生態(tài)保護與修復研究室,北京 100012;3.南開大學 環(huán)境科學與工程學院,天津 300350)

隨著人類活動的加劇,自然資源過度開發(fā)和生態(tài)環(huán)境惡化等問題日益凸顯,引起了國內外研究者的廣泛關注[1-3],承載力(carrying capacity)是衡量人類活動與自然生態(tài)環(huán)境間相互關系的科學概念,最早可追溯至1798年Malthus人口論[4],近年來在資源、環(huán)境、生態(tài)等學科領域承載力研究方興未艾[5-8]。水系統(tǒng)與經濟社會系統(tǒng)存在著復雜的承載關系,經濟社會作為施壓主體從自然水系統(tǒng)(承壓客體)中開發(fā)利用水資源,并經過社會水循環(huán)過程向天然水體排污,導致水環(huán)境壓力[9-10]；另一方面,人類經濟社會活動又直接(生態(tài)修復、養(yǎng)殖、捕撈等)或間接(干擾水量、水質過程)地影響水生態(tài)健康狀態(tài)[11-12]。因此,隨著水生態(tài)問題日益凸顯,近年來水生態(tài)承載力已成為與水相關承載力研究的熱點。

總體而言,當前水生態(tài)承載力研究仍處于理論探索階段,尚未形成統(tǒng)一概念,其與水資源承載力、水環(huán)境承載力相互辨析不夠清楚,影響了水生態(tài)承載力指標體系的科學性及其在廣泛實踐中的應用。本文旨在調研前人研究進展的基礎上,科學辨析水生態(tài)承載力概念內涵,進一步構建水生態(tài)承載力指標體系。以期為水生態(tài)承載力科學研究奠定理論基礎,同時對水生態(tài)承載力的實施應用提供指導。

1 水生態(tài)承載力的發(fā)展進程

20世紀中后期,世界范圍內爆發(fā)了嚴重的資源環(huán)境危機,國外學者首先針對資源環(huán)境問題進行早期探索。在Hawden等[13]承載力研究的基礎上,威廉福格特[14]的著作《生存之路》針對資源環(huán)境過渡開發(fā)提出了區(qū)域承載力概念。20世紀70年代聯合國糧農與教科文等組織提出資源承載力概念并開展了關于土地承載力的研究[15]。同期,Bishop所著《區(qū)域環(huán)境管理中的承載力》中面向環(huán)境污染問題提出了環(huán)境承載力概念:“在維持一個可以接受的生活水平前提下,一個區(qū)域能永久承載的人類活動的強烈程度”[16]。由此“資源環(huán)境承載力”成為承載力研究的主要發(fā)展方向。水是支撐人類社會發(fā)展的關鍵要素之一,關于其承載力的研究一直為人們所關注。國內學者圍繞水承載力開展了大量工作,呈現出由水資源、水環(huán)境承載力向水生態(tài)承載力演替趨勢。

我國作為世界13個最貧水國家之一,人均水資源量僅為世界平均水平的四分之一[17-19],應對水資源短缺危機首當其沖成為研究者關注的重點。水資源承載力(water resources carrying capacity, WRCC)是承載力概念與水資源學的結合[20],國外研究者多將水資源承載力理念納入可持續(xù)發(fā)展中進行探討[21-25]。20世紀80年代,國內學者結合我國實際提出水資源承載力理論,探討了水資源承載力的概念和內涵,并提出一系列量化和評估方法[26-32]。近年來國外主要以“水足跡”(water footprint)[33]為代表,以探究水資源對人類社會活動的承載關系。

人類在攫取水資源的同時也通過生產生活過程向自然水系統(tǒng)排放污染物,導致水環(huán)境污染在水資源短缺危機基礎上進一步制約著人類社會的發(fā)展。20世紀90年代,在水環(huán)境問題日益窘迫的背景下,水環(huán)境承載力成為繼水資源承載力之后提出的又一新概念，水環(huán)境承載力雛形源于環(huán)境容量[34],其概念于1994年《我國新經濟開發(fā)區(qū)水環(huán)境規(guī)劃研究》報告中被正式提出[35]。此后我國學者陸續(xù)開展了水環(huán)境承載力理論探索[36-37]、量化評估[38-39]及應用驗證研究[40-41],并取得一系列研究成果。

水生態(tài)承載力是近年來針對水生態(tài)服務功能保護提出的新興科學概念?？紤]資源短缺、環(huán)境污染和生態(tài)退化的多重生態(tài)壓力,研究者提出了面向生態(tài)文明的生態(tài)承載力概念[42]。在其指引下,針對水生態(tài)系統(tǒng)的承載力研究被提上日程。水生態(tài)承載力是國內提出的面向水生態(tài)系統(tǒng)與經濟社會協調發(fā)展,涵蓋水量、水質、水生態(tài)綜合要素的承載力理念,將成為未來流域綜合管理的理論與技術支撐。為此,“十一五”以來國家水體污染控制與治理科技重大專項(水專項)特別針對水生態(tài)承載力設置研究任務,圍繞水生態(tài)承載力基礎理論、評價方法、調控技術等方面展開研究,并在其推動下涌現出了系列研究成果。2009年,李靖[43]最早在葉爾羌河流域水生態(tài)承載力評估中提出了水生態(tài)承載力概念。2009—2010年,水生態(tài)承載力在理論和評價方法上進行了初步創(chuàng)新和研究區(qū)驗證[44-46];2010年至今,水生態(tài)承載力在概念內涵、評價指標、評價方法等方面均取得一定進展[47-51]。

隨著研究的深入,諸多學者逐漸認識到水生態(tài)承載力是涉及多學科、寬領域、深層次的科學研究,且需圍繞水生態(tài)系統(tǒng)與人類經濟社會活動間的協同發(fā)展關系開展理論和技術體系建設,以支撐流域/區(qū)域水生態(tài)環(huán)境管理應用。2012年,國際“未來地球計劃”[52]和我國生態(tài)文明建設戰(zhàn)略的提出[53],勢必推動水生態(tài)承載力研究向科學化、系統(tǒng)化、實用化方向發(fā)展。當前,有必要夯實水生態(tài)承載力理論基礎,開展科學概念辨析和基礎指標體系構建,為全面推進水生態(tài)承載力研究進程奠定基礎。

2 水生態(tài)承載力的概念辨析

2.1 水生態(tài)承載力概念界定

不同研究者對水生態(tài)承載力認知各異。李靖[54]認為水生態(tài)承載力是：一定階段某一流域在滿足自身健康發(fā)展的前提下,在一定環(huán)境背景下所能支撐的社會經濟發(fā)展規(guī)模的閾值。譚紅武等[48]將水生態(tài)承載力定義為:在維持河湖生態(tài)子系統(tǒng)自身結構、功能一定程度的穩(wěn)定及其所支持的社會經濟子系統(tǒng)可持續(xù)運行的前提下,社會經濟河湖復合生態(tài)系統(tǒng)所能支撐的一定技術水平下、一定生活水平的人類社會經濟規(guī)模的閾值。王西琴等[51]界定水生態(tài)承載力為：在維持水生態(tài)系統(tǒng)自身及其支持系統(tǒng)健康的前提下,基于一定的生態(tài)保護和承載目標,自然水生態(tài)系統(tǒng)所能支撐的人類活動的閾值。彭文啟[55]提出的概念是:在維持良好水生態(tài)狀況條件下水資源、水環(huán)境系統(tǒng)所能支撐的最大人口數量和經濟規(guī)模。李林子、傅澤強等[56]認為水生態(tài)承載力是：一定時間發(fā)展階段,在特定流域自然水生態(tài)系統(tǒng)健康不受損害的前提下,根據該階段的經濟效率和社會配置,復合水生態(tài)系統(tǒng)所能承載的最大經濟總量和人口數量。

基于以上概念,分析認為當前水生態(tài)承載力概念存以下不足。

2.1.1 水生態(tài)內涵體現不足 當前水生態(tài)承載力概念多來自于對水資源承載力和水環(huán)境承載力概念的拓展,只是簡單將水生態(tài)健康作為承載力的內涵,而并未充分體現水生態(tài)系統(tǒng)的功能特性。水生態(tài)系統(tǒng)[57],是由水生生物群落與水環(huán)境相互制約,通過物質循環(huán)和能量流動,共同構成的具有一定結構和功能的動態(tài)平衡系統(tǒng)。水生態(tài)系統(tǒng)功能特性主要指其生態(tài)服務功能,包括水生態(tài)系統(tǒng)自身維持功能和社會服務功能[58]。近年來,人類活動加劇導致水生態(tài)系統(tǒng)全方位受損,迫切需要人們從生態(tài)服務功能完整性保護角度來看待承載力問題。因此，水生態(tài)承載力應該體現水生態(tài)系統(tǒng)在維持自身健康穩(wěn)定基礎上向人類社會提供服務的能力。

2.1.2 承載主客體不明確 當前水生態(tài)承載力概念中承載主體不一,主要包括水資源系統(tǒng)、水環(huán)境系統(tǒng)[55]、水生態(tài)系統(tǒng)[51, 59]、社會經濟河湖復合生態(tài)系統(tǒng)[48, 56]等。其次,承載客體較為局限,研究者多將人口和經濟規(guī)模作為承載對象,未科學體現水生態(tài)承載力的作用對象。基于概念中承載主客體混淆不清問題,需要從水生態(tài)系統(tǒng)與人類社會間承載關系出發(fā),科學界定承載主客體。

2.1.3 承載力量化標準不一 因承載主客體混淆不清,水生態(tài)承載力量化標準仍不統(tǒng)一,當前主要是以社會經濟規(guī)模發(fā)展閾值[43]、最大人口數量和經濟規(guī)模[60-61]等表征量化水生態(tài)承載力。筆者認為，水生態(tài)承載力是水生態(tài)系統(tǒng)自身的能力屬性,以社會經濟要素量化承載力科學性不足,需在科學界定承載主客體的基礎上,確定量化標準。

綜上分析,筆者認為水生態(tài)承載力是:在一定發(fā)展階段,一定技術水平條件下,某空間范圍內的水生態(tài)系統(tǒng)在維持自身結構功能長期穩(wěn)定、水生態(tài)過程可持續(xù)運轉的基礎上,具有為人類社會活動提供生態(tài)服務產品的能力。水生態(tài)承載力是水生態(tài)系統(tǒng)自身服務功能的外在表現,承載力的大小則可由水生態(tài)系統(tǒng)產品和服務供給能力表征,水生態(tài)系統(tǒng)產品和服務也一定程度上受到人類活動的影響。承載關系表現為：水生態(tài)系統(tǒng)為人類社會活動提供水生態(tài)服務產品;承載主體是某空間范圍內的水生態(tài)系統(tǒng),承載客體是相應空間范圍內的人類社會活動;承載力量化標準則是水生態(tài)服務能力或者價值。

2.2 水生態(tài)承載力內涵分析

20世紀50～70年代,早期研究者針對生態(tài)系統(tǒng)破壞及服務功能喪失等問題開展了系列生態(tài)系統(tǒng)服務研究[62-67],水生態(tài)系統(tǒng)服務是生態(tài)系統(tǒng)服務的重要組成部分,也是水生態(tài)承載力的內涵核心,有必要圍繞水生態(tài)服務功能系統(tǒng)辨識水生態(tài)承載力內涵。Daily和歐陽志云將水生態(tài)系統(tǒng)服務功能定義為,水生態(tài)系統(tǒng)及其生態(tài)過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用[58, 66]。張誠等[68]認為水生態(tài)系統(tǒng)服務功能是基于水文循環(huán)及其伴生過程的生態(tài)系統(tǒng)為人類社會提供的直接或間接生態(tài)經濟服務功能。結合生態(tài)系統(tǒng)功能特性,研究者對眾多水生態(tài)系統(tǒng)服務功能開展了分類梳理。郝弟等[69]綜述了千年生態(tài)系統(tǒng)評估(MA)[58]、供需平衡[70]及生態(tài)系統(tǒng)最終服務[71]3種水生態(tài)系統(tǒng)服務功能分類體系。基于水生系統(tǒng)服務功能體系以及水生態(tài)系統(tǒng)對人類社會需求的承載關系,筆者認為水生態(tài)承載力包含水資源、水環(huán)境、水生態(tài)和水安全4個方面的內涵。

2.2.1 水資源內涵——水資源稟賦、水資源利用 水量過程是保障水生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的基本條件,一方面通過生態(tài)流量過程維系水生生物的生存與繁衍;另一方面又向人類社會活動提供水資源產品,即為水資源供給[70]。水資源供給是水生態(tài)系統(tǒng)服務的重要組成,也是水生態(tài)承載人類社會活動的重要支撐點,表現為水生態(tài)系統(tǒng)以水文過程為基礎形成可利用的水資源存量以支持人類水資源開發(fā)利用活動的用水需求。因此,水生態(tài)承載力的水資源內涵主要體現在水資源稟賦和水資源利用兩方面。水資源稟賦指水資源供給服務的存量基礎；水資源利用則是水資源供給服務的對象。

2.2.2 水環(huán)境內涵——水環(huán)境納污、水環(huán)境凈化 適宜的水環(huán)境質量是維持水生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的必要條件,也是水生態(tài)系統(tǒng)的良性營養(yǎng)物質循環(huán)[72]狀態(tài)的體現。水生態(tài)系統(tǒng)自身物質循環(huán)也受到人類社會活動的干擾,特別是人類生產生活向水體中排放污染物質的過程。面向人類社會排污的需求,水生態(tài)系統(tǒng)的水環(huán)境服務功能[69]起到重要支持作用:一方面,水生態(tài)系統(tǒng)提供了人類社會所排放污染物質的收納場所,承接了社會經濟系統(tǒng)的環(huán)境壓力;另一方面,水生態(tài)系統(tǒng)通過物理、化學以及生物過程降解凈化接納的污染物質,以維持水生態(tài)系統(tǒng)的良性物質循環(huán)[73]?？芍?水生態(tài)承載力的水環(huán)境內涵表現為水環(huán)境納污和水環(huán)境凈化兩方面。

2.2.3 水生態(tài)內涵——生境提供、生物保育 水生生物群落是水生態(tài)系統(tǒng)的核心組成,通過與非生物環(huán)境相互作用、相互制約達到水生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡[74]。生物保育狀況是表征水生態(tài)系統(tǒng)健康的關鍵指標,同時也受到生物群落賴以生存的生境狀態(tài)的影響。水生態(tài)系統(tǒng)具有生境提供功能[58],通過提供支持水生生物棲息和繁衍的物理空間、水文情勢、植被覆蓋、水質條件等,保障了水生動植物的群落結構穩(wěn)定和持續(xù)發(fā)展,進一步表現出生物保育功能[75]。然而,人類活動加劇(如水利工程建設、圍湖造田、過度捕撈等)直接使得水生生境被擠占破壞、水生生物多樣性減少,導致水生態(tài)退化,又間接影響其他水生態(tài)系統(tǒng)服務功能(如水產品提供、水環(huán)境凈化等)。因此,水生態(tài)系統(tǒng)從生境提供和生物保育兩方面表征了對人類社會活動壓力的響應,集中體現了水生態(tài)承載力的水生態(tài)內涵。

圖1 水生態(tài)承載力內涵圖Fig.1 Connotation chart of hydro-ecological carrying capacity

2.2.4 水安全內涵——調蓄安全、用水安全 水安全[76],指一個國家或地區(qū)生存發(fā)展所需的有量與質保障的水資源、能可持續(xù)維系流域中人與生態(tài)環(huán)境健康、確保人民生命財產免受水旱災害與水環(huán)境污染等損失的能力,主要涉及到供水安全、防洪安全等。從水生態(tài)系統(tǒng)服務角度,與水安全相關的生態(tài)服務功能主要包括調蓄洪澇、滯留泥沙等服務功能[77]。總之,筆者認為水生態(tài)承載力的水安全內涵主要涉及調蓄安全和用水安全兩方面。調蓄安全與水生態(tài)系統(tǒng)的調蓄洪澇服務功能相聯系,指水生態(tài)系統(tǒng)通過濕地、森林等對水文過程的調蓄作用,抑制水旱災害,保障人民生命財產安全。用水安全主要關注水生態(tài)系統(tǒng)的水資源供給服務對人民生活飲用水的水量水質滿足程度,以保障區(qū)域基本生活用水安全需求。

2.3 水生態(tài)承載力與水資源承載力、水環(huán)境承載力的對比分析

筆者從目標、承載主客體、內涵、指標、方法和研究區(qū)特點方面對比分析了三者間的區(qū)別與聯系(表1)。

水生態(tài)承載力是以水生態(tài)系統(tǒng)服務為核心對水資源承載力和水環(huán)境承載力的延伸和拓展,主要表現為:①在管理目標方面,水生態(tài)承載力以保障系統(tǒng)健康可持續(xù)為目標,考慮了水生態(tài)系統(tǒng)秩序,是由關注水資源量和水環(huán)境質量向維持水生態(tài)系統(tǒng)良性發(fā)展轉變。②水生態(tài)承載力的內涵不僅涵蓋了水生態(tài)系統(tǒng)對人類社會的水資源供給能力、水環(huán)境對排污的容納和凈化能力,還包括水生態(tài)維持、水安全調蓄等服務能力。水資源承載力和水環(huán)境承載力并不能完整體現水生態(tài)服務功能,僅分別從水資源量和水環(huán)境質量單方面表征。使得水生態(tài)承載力的承載主體——水生態(tài)系統(tǒng)的外延大于水資源系統(tǒng)和水環(huán)境系統(tǒng)。③在指標方面,水生態(tài)承載力從系統(tǒng)性角度圍繞水生態(tài)系統(tǒng)健康及其對人類經濟社會提供服務的角度綜合建立指標體系,較水資源承載力和水環(huán)境承載力指標更能體現流域/區(qū)域水生態(tài)環(huán)境對人類經濟社會的綜合支撐作用。

表1 水生態(tài)承載力與水資源承載力、水環(huán)境承載力的對比分析

Tab.1 Comparative analysis of hydro-ecological carrying capacity, water resources carrying capacity and water environment carrying capacity

辨析內容 目標 承載主客體 內涵 評價指標 評價方法 主要應用區(qū)域 水資源承載力面向水資源可持續(xù)利用(量)主體:水資源系統(tǒng)客體:人口數量、經濟規(guī)模水資源系統(tǒng)的水資源最大可開發(fā)利用量對人類社會需水的供給能力。突出水資源供給對人類生產、生活的支持能力。以指標綜合法為主,其他主要涉及多目標優(yōu)化法、生態(tài)足跡法、系統(tǒng)動力學法。干旱與半干旱人類過度開發(fā)利用區(qū)域及城市[78-80]水環(huán)境承載力維持水環(huán)境功能(質)主體:水環(huán)境系統(tǒng)客體:人口數量、經濟規(guī)模水環(huán)境系統(tǒng)的環(huán)境容量對人類社會生產生活排污的支撐能力。側重水環(huán)境對經濟社會排污的容納與凈化功能。以指標綜合法為主,近期多采用系統(tǒng)動力學法。城市及城市群、點源、面源污染嚴重地區(qū)[81-83]水生態(tài)承載力保障水生態(tài)系統(tǒng)健康(序)主體:水生態(tài)系統(tǒng)客體:人類社會活動水生態(tài)系統(tǒng)能為人類社會活動(用水、排污、生態(tài)需求、安全需求)提供服務的能力。注重水生態(tài)系統(tǒng)健康及其對人類經濟社會提供服務。以系統(tǒng)綜合模擬評價為主(系統(tǒng)動力學法),以及生態(tài)足跡法等。人類社會不合理的水資源開發(fā)利用、污染排放等影響下導致水生態(tài)退化的區(qū)域[84-85]

此外,水生態(tài)承載力與水資源承載力和水環(huán)境承載力在評價方法和研究區(qū)方面也有所區(qū)別?；谖墨I調研,水資源承載力和水環(huán)境承載力研究起步相對較早,通過頻度分析發(fā)現兩者研究中采用的評價方法以指標綜合法[86-89]為主,相關文獻占比分別為60%和57.4%。這主要因指標綜合法計算簡便、操作性強,使之受到研究者的青睞。然而,評價指標的選取是影響指標綜合法評價的關鍵。隨著研究者對水資源、水環(huán)境系統(tǒng)性認識加強,其他關注系統(tǒng)要素間互饋響應關系的評價方法也大量應用與水資源承載力和水環(huán)境承載力研究中,如多目標優(yōu)化法[90-92]、系統(tǒng)動力學法[93-94]等。水生態(tài)承載力相比于水資源承載力和水環(huán)境承載力更加強調研究水生態(tài)人類社會復雜系統(tǒng)間動態(tài)互饋影響關系,具有巨系統(tǒng)、多要素、動態(tài)互饋等特性。系統(tǒng)動力學法因具有處理非線性、高階次及多重反饋復雜系統(tǒng)問題的優(yōu)勢被廣泛用于水生態(tài)承載力動態(tài)模擬評估研究中[95-96](文獻占比47.4%)。然而,系統(tǒng)動力學法主要以經驗公式描述系統(tǒng)要素互饋關系,缺乏物理機制,對研究區(qū)下墊面水生態(tài)過程模擬不足，僅靠系統(tǒng)動力學模型無法全面支撐水生態(tài)承載力綜合模擬評估。此外,因面向的管理目標與內涵的不同三者在研究區(qū)方面各有側重。水資源承載力研究集中于干旱與半干旱、水資源過度開發(fā)地區(qū),水環(huán)境承載力研究主要涉及人口產業(yè)規(guī)模大的環(huán)境污染嚴重地區(qū);而水生態(tài)承載力研究則更加關注在水質水量雙重脅迫下水生態(tài)退化區(qū)域。

3 水生態(tài)承載力指標體系構建

指標體系是水生態(tài)承載力定量評價的關鍵,水生態(tài)承載力指標體系構建需以其概念內涵為基礎,前人因概念和認知的差異所構建的指標體系不盡相同[61, 97-98]?；谒鷳B(tài)承載力最新概念內涵,圍繞水生態(tài)系統(tǒng)服務功能特性,初步構建相應指標體系,以期為未來水生態(tài)承載力定量評價提供支撐(圖2)。具體構建流程如圖2所示。

圖2 水生態(tài)承載力指標構建流程Fig.2 Flow chart of hydro-ecological carrying capacity

1)指標層級框架確定:承載力指標框架多采用多層級形式,主要可分為:壓力-狀態(tài)-響應(PSR)框架[99-101]、目標-準則-指標層框架[45, 102-104]及壓力-支持力關系框架[105-106]。綜合考慮各種指標框架的解釋度和實用性,選擇目標-準則-指標層級關系框架建立水生態(tài)承載力指標體系。其中,目標層變量為水生態(tài)承載力;基于水生態(tài)承載力內涵,準則層以水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水安全4方面構成,分別由水資源稟賦指數、水資源利用指數、水環(huán)境納污指數、水環(huán)境凈化指數、水生生境指數、水生生物指數、調蓄安全指數、用水安全指數8個子項表征。

2)指標初選:在確定的目標準則層框架下,通過3個方面獲取相應備選指標:承載力研究文獻調研、管理部門頒布的相關指標[61]以及水專項研究成果。經初步收集,共計獲得相關指標1 588個。其中,調研相關期刊論文1 287篇,獲得了相關指標1 365個;收集國家或地方管理應用指標144個和國家水專項關于水生態(tài)承載力的推薦指標79個。為避免重復將相應指標開展冗余剔除處理,并開展指標頻度統(tǒng)計分析。依據與準則層各子項的相關性且參考頻度分析結果,綜合評判初步選取了197個備選指標。備選指標中,水資源稟賦相關指標包括人均水資源量、年降水量、水資源可利用量、水資源開發(fā)利用率等;水資源利用相關指標包括萬元GDP用水量、單位面積灌溉用水量、萬元工業(yè)產值耗水量、用水總量控制紅線達標率等;水環(huán)境納污相關指標包括單位工業(yè)產值COD排放量、單位工業(yè)產值氨氮排放量、農業(yè)總氮排放強度、城鎮(zhèn)生活污水總磷排放強度等;水環(huán)境凈化相關指標包括水環(huán)境質量指數、斷面優(yōu)于Ⅲ類水質比例、畜禽養(yǎng)殖污水處理率等;水生境相關指標包括河流棲息地質量綜合指數、林草覆蓋率、棲息地面積、水體富營養(yǎng)化指數、水生生物適宜棲息地面積滿足率等;水生生物相關指標包括生物多樣性指數、魚類完整性指數指數、藻類完整性指數、底棲動物完整性指數等;調蓄安全相關指標包括水文調節(jié)功能指數、生態(tài)受大壩影響程度、供水保證率等;用水安全相關指標包括集中飲用水水源地達標比例、地下水超采率等。

3)指標精選:基于備選指標,兼顧指標普適性、科學性、可量化性、可比性[61, 107]等選取原則,結合國家“三線一單”管控需求[108]和地方應用驗證以及專家經驗判斷,精選得到18個水生態(tài)承載力推薦指標。最終構建提出水生態(tài)承載力推薦指標體系,包括3個水資源類指標、6個水環(huán)境類指標、7個水生態(tài)類指標和2個水安全類指標(如表2所示)。

4 科學問題及展望

作為地理學、生態(tài)學、資源環(huán)境科學等領域的研究熱點之一,水生態(tài)承載力研究不僅是關注水生態(tài)系統(tǒng)承載極限的科學命題,同時是具有廣泛實踐價值的人類經濟社會與水生態(tài)系統(tǒng)協調發(fā)展的管理議題,甚至是涉及人水關系、關乎人類命運的哲學問題?；诋斍把芯窟M展,圍繞基礎理論、技術方法和應用實踐3方面提出水生態(tài)承載力研究中的關鍵問題,并展望相應研究方向。

1)水生態(tài)承載力基礎理論體系亟待建立與完善。水生態(tài)承載力基礎理論主要由水資源承載力和水環(huán)境承載力衍生而來,而前人對水生態(tài)承載力概念內涵認識不清、量化標準不一,導致水生態(tài)承載力研究缺乏統(tǒng)一的科學基礎,尚未建立科學的基礎理論體系。本文通過概念辨析,圍繞水生態(tài)系統(tǒng)服務功能提出了水生態(tài)承載力最新概念內涵,為其理論體系建立奠定了基礎?？紤]水生態(tài)承載力的系統(tǒng)性、綜合性、動態(tài)性、可調性等特征,未來急需加強水生態(tài)系統(tǒng)服務與人類社會活動間相互作用機制研究,以期建立科學統(tǒng)一的集水生態(tài)承載力概念內涵-指標體系-量化評價-預測預警-優(yōu)化調控于一體的理論體系。

2)水生態(tài)承載力量化評價與優(yōu)化調控技術方法尚待完善與突破。水生態(tài)承載力涉及流域水生態(tài)-社會經濟耦合復雜系統(tǒng),承載力影響要素繁多,構建科學系統(tǒng)的水生態(tài)承載力指標體系是支撐承載力量化評價與優(yōu)化調控的前提和關鍵。當前指標的篩選多從定性分析出發(fā),定量化的指標敏感性分析較少,使得指標體系代表性和可操作性不強。其次,水生態(tài)承載力的量化評價以評價承載狀態(tài)為主,缺乏科學量化流域/區(qū)域水生態(tài)承載能力的技術方法。在水生態(tài)承載力調控方面,多關注產業(yè)結構等單一要素對承載力的影響,缺乏從流域水生態(tài)-社會經濟復合系統(tǒng)性角度綜合研討產業(yè)結構、土地利用、生態(tài)修復、水文調節(jié)等方面調控要素的影響。針對以上問題,考慮水生態(tài)承載力的時空差異性,有必要選擇多種典型研究區(qū),進一步完善水生態(tài)承載力指標閾值確定和篩選,以及承載能力量化評價技術方法;同時,結合流域模型、系統(tǒng)動力學模型、優(yōu)化模型、GIS與遙感技術等,開展水生態(tài)承載力單要素調控潛力評估和多要素綜合優(yōu)化調控研究,突破水生態(tài)承載力綜合模擬預測與優(yōu)化調控關鍵技術。

3)推動水生態(tài)承載力評價與監(jiān)測預警技術的標準化與管理應用。水生態(tài)承載力作為衡量水生態(tài)系統(tǒng)與社會經濟協同發(fā)展關系的科學概念,對指導流域/區(qū)域水生態(tài)環(huán)境管理具有重要實踐應用價值。未來需在理論方法探索和實證研究相結合的基礎上,考慮技術方法的可操作性和實用性,建立水生態(tài)承載力評價與監(jiān)測預警標準規(guī)范;同時,在國家生態(tài)文明先行示范區(qū)或水生態(tài)壓力突出或敏感區(qū)(如長江經濟帶)開展水生態(tài)承載力評價與監(jiān)測預警示范,建立動態(tài)評價與監(jiān)測預警系統(tǒng),并與管理業(yè)務有機銜接,支撐流域/區(qū)域水生態(tài)環(huán)境管理方案制定、生態(tài)補償、干部責任績效考核等監(jiān)管機制落實,促進水生態(tài)承載力研究向標準化、數字化、系統(tǒng)化轉變,并全面服務于水生態(tài)環(huán)境管理部門的業(yè)務化管理應用。

注:式(B1-2-1)中折純量是指將氮肥、磷肥、鉀肥分別按含氮、含五氧化二磷、含氧化鉀的百分之百成份進行折算后的數量。復合肥按其所含主要成份折算。折存量為實物量與某種化肥有效成分含量的百分比之積。

式(B1-2-1)中,畜禽總量為當年的存欄數+出欄數。不同類型畜禽根據產物量按如下系數統(tǒng)一折算成豬:1頭牛=10頭豬=25頭羊=150只禽類

式(C1-4)中常數100的選取依據:在流經農田及林地的河流上,修建攔河閘(壩)作用為防洪、灌溉、防澇等,布置間距從數十公里甚至上百公里不等;在流經城鎮(zhèn)或周邊的河流上修建攔河閘(壩),既考慮防洪、供水等因素,又考慮水生態(tài)、水環(huán)境、水景觀等因素,布置間距從幾公里～十幾公里。

式(D1-1)中F:土地生態(tài)功能調整系數分為:林地(45.0～99.9)、園地(97.5～99.8)、耕地(99.2～99.9)、草地(99.2～99.9)、建設用地(3.0～8.1)、荒漠與裸露地表(15～28)、水域(200～500)。

5 結 論

本文通過文獻調研,回顧了水生態(tài)承載力研究歷程,針對其概念內涵不清、指標不明晰的問題,開展了水生態(tài)承載力概念辨析和指標體系構建研究,并就未來水生態(tài)承載力研究關鍵科學問題進行了展望。主要結論如下:

1)通過概念辨析提出了基于生態(tài)系統(tǒng)服務的水生態(tài)承載力概念內涵。通過剖析前期概念問題和水生態(tài)系統(tǒng)特性及其對人類社會活動的承載關系,將水生態(tài)承載力概念定義為:在一定發(fā)展階段,一定技術水平條件下,某空間范圍內的水生態(tài)系統(tǒng)在維持自身結構功能長期穩(wěn)定、水生態(tài)過程可持續(xù)運轉的基礎上,具有為人類社會活動提供生態(tài)服務產品的能力。此概念強調維持水生態(tài)系統(tǒng)服務功能,外延大于水資源承載力和水環(huán)境承載力,主要包括水資源、水環(huán)境、水生態(tài)和水安全4個方面內涵,體現了承載力理論和水生態(tài)系統(tǒng)服務功能的科學結合。

2)提出了圍繞水生態(tài)系統(tǒng)服務功能特性的水生態(tài)承載力指標體系。基于目標-準則-指標層級框架,構建了水生態(tài)承載力推薦指標體系,包括3個水資源類指標、6個水環(huán)境類指標、7個水生態(tài)類指標和2個水安全類指標。該指標體系可為水生態(tài)承載力評估預警與優(yōu)化調控及相應管理應用提供參考。

3)指出了水生態(tài)承載力基礎理論、技術方法和應用實踐的關鍵問題與研究方向。未來亟需加強水生態(tài)系統(tǒng)服務與人類社會活動間影響機制研究,建立水生態(tài)承載力理論體系;從水生態(tài)-社會經濟復合系統(tǒng)性出發(fā),突破水生態(tài)承載力量化評價與優(yōu)化調控技術方法;需推動水生態(tài)承載力評價與監(jiān)測預警技術的標準化與業(yè)務化應用,支撐流域/區(qū)域水生態(tài)環(huán)境管理。