合肥市生態(tài)承載力評價及其影響因素

張 俊，陳加兵*，張志強

（1.福建師范大學 地理科學學院，福建 福州 350007；2.濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地，福建 福州 350007）

改革開放以來，隨著工業(yè)化與城鎮(zhèn)化加快，城市人口不斷聚集，資源、環(huán)境和生態(tài)等各方面壓力凸顯，生態(tài)環(huán)境問題阻礙了城市可持續(xù)發(fā)展[1]。生態(tài)承載力評價作為測度可持續(xù)發(fā)展水平的重要手段，其理論及研究方法備受學者關注[2]。近年來，合肥市人口激增，經(jīng)濟社會高速發(fā)展，資源短缺、環(huán)境污染和生態(tài)破壞等問題日益凸顯，研究其生態(tài)承載力對促進合肥市可持續(xù)發(fā)展、充分發(fā)揮區(qū)域性特大城市的輻射力和示范效應帶動安徽省實現(xiàn)經(jīng)濟騰飛都起著重要作用。

生態(tài)承載力的概念由Park首先提出[3]，主要指生態(tài)系統(tǒng)自我保持和自我調(diào)整的生態(tài)彈性、資源環(huán)境和經(jīng)濟社會等內(nèi)部子系統(tǒng)的支撐力以及人類活動對生態(tài)承載的壓力。在一定時空范圍內(nèi)的資源稟賦條件下，生態(tài)承載力是“生態(tài)彈性力-生態(tài)支撐力-生態(tài)壓力”復合系統(tǒng)承載能力與承載對象壓力的綜合反映[4]，具有動態(tài)性[5]、尺度性和相對極限性[6]、空間異質性、多樣性等特征。目前，生態(tài)承載力評價模型已由經(jīng)典統(tǒng)計發(fā)展至多學科融合數(shù)學建模，評價與分析已從表面現(xiàn)象發(fā)展至內(nèi)部規(guī)律，學者們借助不同研究方法從不同方面對生態(tài)承載力進行了時空測度和分析，研究呈現(xiàn)出系統(tǒng)綜合化、多角度深入化的特點[7]。生態(tài)承載力的研究對象從單要素逐步轉向多要素，經(jīng)歷了種群承載力-資源承載力-環(huán)境承載力-生態(tài)承載力的發(fā)展階段；研究內(nèi)容主要包括生態(tài)承載力內(nèi)涵的延伸[8]、生態(tài)承載力時空測度[9-10]等；常用的研究方法有生態(tài)足跡法[11]、人類凈初級生產(chǎn)力占用法[12]、狀態(tài)空間法[13]、綜合分析法[14-15]、系統(tǒng)模型法[16-17]和生態(tài)系統(tǒng)服務消耗評價法[18-20]等。目前生態(tài)承載力的定量研究仍處探索階段[21-22]，其中人類凈初級生產(chǎn)力占用法未融入人文要素影響，生態(tài)足跡法缺乏動態(tài)分析，狀態(tài)空間法具有較大主觀性，多指標綜合模型評價的精確度受制于指標體系結構、指標權重等因素。多數(shù)研究偏于單角度研究，諸如土地承載力、水資源承載力、資源承載力等，以綜合角度研究區(qū)域生態(tài)承載力的較少。

鑒于此，本研究選取合肥市為研究區(qū)，從多指標綜合角度構建生態(tài)承載力評價體系，采用熵權法客觀賦權，引入綜合指數(shù)法評價模型、相關性和障礙性模型對生態(tài)承載力時序演變與影響因素進行分析，以期為合肥市生態(tài)文明城市建設和可持續(xù)發(fā)展提供決策參考。

1 研究區(qū)概況

合肥市是安徽省省會，經(jīng)緯度范圍為30°57′—32°32′N，116°41′—117°58′E，位于長江與淮河之間、巢湖之濱，下轄9區(qū)縣，總面積11 445 km2。合肥市屬亞熱帶濕潤季風氣候，四季分明，氣候溫和濕潤，夏季梅雨顯著，年降雨量約1000 mm，年平均氣溫15.7 ℃。合肥市是長三角城市群副中心城市，是“一帶一路”和長江經(jīng)濟帶戰(zhàn)略雙節(jié)點城市，已發(fā)展成為全國第二個綜合性國家科學中心。2006—2017年，全市常住人口由468萬人增加到797萬人，增長率為70.19%，人口壓力增大；工業(yè)“三廢”排放量增長明顯，其中工業(yè)廢氣總量排放增長最顯著，環(huán)境質量面臨較大壓力。2017年全年GDP 為7213.45億元，比上年增長8.5%，第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)結構為3.8∶50.5∶45.7，單位GDP能耗較上年減少，經(jīng)濟發(fā)展質量效益不斷提高。

2 研究方法

2.1 指標體系的構建

根據(jù)生態(tài)承載力評價體系指標選擇的原則[23-24]，充分考慮近十年合肥市經(jīng)濟快速發(fā)展導致資源與環(huán)境壓力不斷增大的實際，在資源與環(huán)境方面選取較多指標并細化，從生態(tài)彈性力、生態(tài)支撐力和生態(tài)壓力3個子系統(tǒng)出發(fā)，構建包括氣候、資源供給、環(huán)境保護、經(jīng)濟支撐、社會進步、資源消耗、人口壓力等11個準則層涉及27個具體指標的生態(tài)承載力評價指標體系，如表1所示。

2.2 數(shù)據(jù)來源及預處理

由《安徽省統(tǒng)計年鑒》《合肥市統(tǒng)計年鑒》《合肥市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》《安徽省水資源公報》和《安徽省環(huán)境狀況公報》等獲取2006—2017年相關數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的準確性和權威性較高。

采用極差標準化法對數(shù)據(jù)進行無量綱化處理[24]，以保障各項指標之間的可比性和研究成果的準確性。

表1 合肥市生態(tài)承載力評價指標體系Table 1 Evaluation index system of urban ecological carrying capacity in Hefei

效益型指標的標準化公式為

成本型指標的標準化公式為

其中，Yij是經(jīng)過標準化處理后的指標值，Xij是第i項指標的第j年原始值，Ximin為該項指標所有年份最小值，Ximax為該項指標所有年份最大值。

2.3 評價指標的權重確定

城市生態(tài)承載力系統(tǒng)是多功能多層次的復雜系統(tǒng)。本研究包含的指標較多，采用受人為因素干擾小、較為客觀的熵權法確定評價指標的權重。熵權法基于“差異驅動”的原理突出局部差異[23]，要求數(shù)據(jù)較全面和完整，能夠較真實、全面地表現(xiàn)標準信息熵之間的價值，確定的權重值讓人信服。評價指標的權重確定步驟如下：

（1）為保證賦值后數(shù)值有意義，賦值

（2）計算第j年第i個指標比重Zij，公式為

（3）計算第i項指標的熵值ki，公式為

（4）計算第i項指標的綜合權重Wi，公式為

（5）計算第i項指標的相對權重Vi，公式為

通過熵權法求得的指標權重值越大，說明該指標重要性越高，反之則越低。本研究中的指標權重分為綜合權重Wi和相對權重Vi，綜合權重是具體指標相對目標層而言的，相對權重是具體指標相對分目標而言的。

2.4 生態(tài)承載力評價

生態(tài)承載力評價分為準則層和目標層2個維度，包括生態(tài)彈性力（EEC）指數(shù)、生態(tài)支撐力（ESC）指數(shù)、生態(tài)壓力（EP）指數(shù)和生態(tài)承載力（ECC）指數(shù)。參考文獻[23-24]，并結合本研究的實際情況，具體指數(shù)的計算公式分別為

其中，Yij表示第j年第i個具體指標的標準化值，Vi為第i個具體指標相對權重，Wi為第i個具體指標的綜合權重。EEC值越大生態(tài)彈性力越大，ESC值越大生態(tài)支撐力越大，EP值越大生態(tài)壓力越小，ECC值越大生態(tài)承載力越強。

采用均勻分布函數(shù)來擬定分級評價標準[22]，各層次分級評價標準見表2。

表2 生態(tài)承載力分級評價標準表Table 2 Standard table for grading evaluation of ecological carrying capacity

2.5 影響因素分析

本研究借助相關性模型[24]和障礙性模型[25]分析生態(tài)承載力的影響因素。

（1）相關性模型

選取生態(tài)承載力評價系統(tǒng)具體指標數(shù)據(jù)與生態(tài)承載力數(shù)值進行相關分析，探討其對生態(tài)承載力的影響。本研究將相關系數(shù)絕對值較大的10個指標列為相關性較強因素。相關系數(shù)R的計算公式為

式中，n為樣本期評價年數(shù)，Xij為第j年第個i具體指標原始數(shù)值，ECCj為第j年生態(tài)承載力數(shù)值，為第i個具體指標n年內(nèi)的平均值，為在生態(tài)承載力n年內(nèi)的平均值。

（2）障礙度模型

引入障礙度診斷模型分析制約城市生態(tài)承載力提升的障礙因素。具體指標的障礙度Mij計算公式為

式中，Yij表示各具體指標數(shù)值，Wi為指標綜合權重，Mij為具體指標障礙度，各層次障礙度可累加求得。

3 結果與分析

3.1 合肥市生態(tài)承載力的時序演變

3.1.1 生態(tài)彈性力

2006—2017年合肥市生態(tài)彈性力指數(shù)見表3，EEC變化趨勢見圖1。2006—2017年，合肥市生態(tài)彈性力經(jīng)歷了低穩(wěn)定、弱穩(wěn)定、低支撐、中穩(wěn)定、高穩(wěn)定、中穩(wěn)定6個階段。EEC指數(shù)總體呈波動上升趨勢，各年份之間的差異較大，其中2006—2011 年由低穩(wěn)定變成弱穩(wěn)定，2012—2017 年由弱穩(wěn)定逐步上升為中穩(wěn)定，2011年穩(wěn)定性最弱，2016年穩(wěn)定性最強。EEC 主要受降水和水資源總量的影響，2016 年降水量較常年偏多近4成，為近55年來的最多，水資源總量是2015年水資源總量的兩倍多，致使2016年EEC指數(shù)明顯高于其他年份。因此，水資源合理高效利用與管理是影響合肥市生態(tài)彈性力的重要因素。

表3 2006—2017年合肥市EEC、ESC、EP和EEC指數(shù)評價值Table 3 Evaluation value of EEC,ESC,EP and EEC index in Hefei from 2006 to 2017

3.1.2 生態(tài)支撐力

2006—2017年合肥市生態(tài)支撐力指數(shù)見表3，ESC變化趨勢見圖1。2006—2017年，合肥市生態(tài)支撐力經(jīng)歷了中支撐、低支撐、弱支撐、低支撐、中支撐、較強支撐6個階段。2006—2011年，合肥市第二產(chǎn)業(yè)占比不斷增長，資源消耗大幅增加而環(huán)保投入持續(xù)不足，巢湖市、廬江縣并入后也使合肥市的人口壓力明顯增加，ESC指數(shù)呈下降趨勢。2012—2017年，合肥市人均GDP由48 540元增加到88 456元，第三產(chǎn)業(yè)占比由39.2%提高到47.1%，單位GDP能耗和電耗均有所下降，資源利用率不斷提高，產(chǎn)業(yè)結構不斷優(yōu)化，工業(yè)“三廢”處理率顯著提高，每十萬擁有?？埔陨先藬?shù)由14 748人增加到25 638人，每千人床位數(shù)明顯增加，不斷提高的經(jīng)濟實力為環(huán)境治理和社會進步提供了充足的財政支持，ESC指數(shù)呈上升趨勢，經(jīng)濟社會與環(huán)境之間的協(xié)調(diào)發(fā)展使得生態(tài)支撐力持續(xù)增大。

圖1 合肥市EEC、ESC和EP變化趨勢圖Figure 1 Trend of EEC,ESC and EP in Hefei city

3.1.3 生態(tài)壓力

2006—2017年合肥市生態(tài)壓力指數(shù)見表3，EP變化趨勢見圖1。2006—2017年，合肥市生態(tài)壓力經(jīng)歷了中壓、高壓、較高壓、中壓、低壓5個階段。2006—2011年，合肥市GDP增長率高達20%以上，經(jīng)濟高速增長使得資源消耗和廢物排放較多，生態(tài)環(huán)境壓力較大，EP指數(shù)一直處于低位并有變小趨勢。2012—2017年，合肥市第三產(chǎn)業(yè)占比由39.2%增至到47.1%，單位GDP能耗和電耗也明顯下降，EP指數(shù)反彈，呈現(xiàn)出增長趨勢，環(huán)境治理和經(jīng)濟結構調(diào)整使得生態(tài)壓力明顯好轉，逐步過渡到低壓水平。

3.1.4 生態(tài)承載力

2006—2017年合肥市生態(tài)承載力指數(shù)見表3，ECC變化趨勢見圖2。2006—2017年，合肥市生態(tài)承載力經(jīng)歷了中承載、低承載、弱承載、中承載、較高承載5個階段。2006—2013年生態(tài)承載力均為低穩(wěn)定或弱穩(wěn)定，2014—2017年生態(tài)承載力以中穩(wěn)定為主，ECC指數(shù)總體上先降后升。

圖2 合肥市生態(tài)承載力變化趨勢圖Figure 2 Trend of ecological carrying capacity in Hefei city

2006—2010年合肥市生態(tài)承載力指數(shù)變化趨勢與生態(tài)壓力指數(shù)大體相近，2011年及之后生態(tài)承載力指數(shù)變化趨勢與生態(tài)支撐力指數(shù)大體相似。2006—2011年ECC指數(shù)呈下降趨勢，2011年達到最低值，說明隨城市高速發(fā)展，生態(tài)壓力沒有得到有效控制而不斷增長，尤其在巢湖市區(qū)和廬江縣并入后人口激增，導致資源壓力增長和環(huán)境污染加重，經(jīng)濟社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護的矛盾不斷增大，ECC指數(shù)下降的主要原因是EP指數(shù)下降。2012—2017年，政府有效采取了一系列環(huán)保措施，資源利用率逐漸提高，產(chǎn)業(yè)結構不斷優(yōu)化，源頭污染得到有效遏制，尾端三廢治理投入也不斷加大，環(huán)境污染得以有效控制，ESC指數(shù)加速增長，ECC指數(shù)上升的主要原因是ESC指數(shù)上升。ESC指數(shù)和EP指數(shù)對ECC指數(shù)的影響較為明顯。長遠來看，要精準控制污染，高效利用資源，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構，確保支撐力穩(wěn)步增長，壓力穩(wěn)步減少，從而保障合肥市生態(tài)承載力穩(wěn)步提升。

3.2 合肥市生態(tài)承載力影響因素分析

3.2.1 合肥市生態(tài)承載力相關性分析

各具體指標與生態(tài)承載力的相關系數(shù)絕對值如表4所示。2006—2017年，與合肥市生態(tài)承載力相關性較強的指標為年降水量（X1）、人均耕地面積（X6）、工業(yè)廢氣設備數(shù)（X7）、工業(yè)固體綜合利用率（X9）、社會消費品零售額（X13）、空氣中SO2含量（X20）和GDP增長率（X25）等。在生態(tài)彈性力子系統(tǒng)中與生態(tài)承載力相關性較強的指標為年降水量，保護植被涵養(yǎng)能力對生態(tài)承載力的影響較為明顯。在生態(tài)支撐力子系統(tǒng)中與生態(tài)承載力相關性較強的指標為人均耕地面積、工業(yè)廢氣設備數(shù)、工業(yè)固體綜合利用率和社會消費品零售額，嚴格執(zhí)行耕地紅線、加大源頭與尾端環(huán)境綜合治理和穩(wěn)步提高人均GDP等對生態(tài)承載力的影響較為明顯。在生態(tài)壓力子系統(tǒng)中與生態(tài)承載力相關性較強的指標為空氣中SO2含量和GDP增長率，保護大氣環(huán)境和GDP合理增長等對生態(tài)承載力的影響較為明顯。

表4 具體指標的相關系數(shù)絕對值(|R|)Table 4 Absolute value of correlation coefficient of influencing factors(|R|)

3.2.2 合肥市生態(tài)承載力提高的障礙因素分析

2006—2017 年合肥市生態(tài)承載力主要障礙因子及其障礙度、出現(xiàn)頻率如表5 所示。2006—2017 年，年降水量（X1）、人均水資源量（X5）、工業(yè)廢氣設備數(shù)（X7）、每十萬擁有?？埔陨先藬?shù)（X16）、空氣中SO2含量（X20）、工業(yè)廢物固體排放量（X23）和第二產(chǎn)業(yè)占GDP比重（X24）等7個指標的出現(xiàn)頻率均超過了50%，可視為制約生態(tài)承載力提高的主要障礙因素。單位GDP電耗（X18）和單位GDP能耗（X19）在所研究的12年中均未出現(xiàn)，說明合肥市資源供給充足，上述2個指標不是生態(tài)承載力的制約因子?？諝膺_二級天數(shù)率（X10）和總撫養(yǎng)比（X27）2個指標的出現(xiàn)頻率雖然未超50%，但最近幾年連續(xù)出現(xiàn)，說明其已成為生態(tài)承載力提高的重要障礙因素。因此，年降水量、人均水資源量、工業(yè)廢氣設備數(shù)、每十萬擁有?？埔陨先藬?shù)、空氣中SO2含量、工業(yè)廢物固體排放量、第二產(chǎn)業(yè)占GDP比重、空氣達二級天數(shù)率和總撫養(yǎng)比是制約合肥生態(tài)承載力提升的關鍵指標層障礙因素。

2006—2017年合肥市生態(tài)承載力因素層指標的障礙度如圖3所示。氣候、水文、生物、社會進步、環(huán)境污染和人口壓力等6個因素層障礙度均呈波動上升趨勢，資源供給、環(huán)境保護、經(jīng)濟支撐、資源消耗和經(jīng)濟壓力等5個因素層障礙度呈下降趨勢。影響較大的因素層指標為社會進步（平均障礙度為20.75）、環(huán)境污染（平均障礙度為17.52）、經(jīng)濟支撐（平均障礙度為9.65）和資源供給（平均障礙度為9.61）。因此，提高生態(tài)承載力水平應從社會進步、環(huán)境污染治理、合理高效利用資源、逐步調(diào)整產(chǎn)業(yè)結構等方面著手。

表5 2006—2017年合肥市生態(tài)承載力主要障礙因子及障礙度Table 4 Main obstacle factors and degree of ecological carrying capacity in Hefei from 2006 to 2017

圖3 2006—2017年合肥市因素層指標障礙度Figure 3 Barrier degree of factor indicators in Hefei from 2006 to 2017

4 結論

本研究運用綜合指數(shù)法評價模型、相關性模型和障礙度模型對2006—2017年合肥市生態(tài)承載力時序演變特征和影響因素進行研究，主要結論如下。

（1）生態(tài)承載力歷經(jīng)中承載、低承載、弱承載、中承載、較高承載5 個階段，ECC 指數(shù)總體上先降后升，2011年后生態(tài)系統(tǒng)趨向良性方向發(fā)展；生態(tài)彈性力、生態(tài)支撐力、生態(tài)壓力3個子系統(tǒng)指數(shù)總體上均波動增長，其中生態(tài)彈性力歷經(jīng)低穩(wěn)定、弱穩(wěn)定、低支撐、中穩(wěn)定、高穩(wěn)定、中穩(wěn)定6個階段，生態(tài)支撐力歷經(jīng)中支撐、低支撐、弱支撐、低支撐、中支撐、較強支撐6個階段，生態(tài)壓力歷經(jīng)了中壓、高壓、較高壓、中壓、低壓5個階段。長遠來看，只有精準控制污染，高效利用資源，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構，使支撐力穩(wěn)步增長，壓力穩(wěn)步減少，才能保障合肥市生態(tài)承載力穩(wěn)步提升。

（2）與生態(tài)承載力相關性較強的因素為年降水量、人均耕地面積、工業(yè)廢氣設備數(shù)、工業(yè)固體綜合利用率、社會消費品零售額、空氣中SO2含量和GDP增長率等；年降水量、人均水資源量、工業(yè)廢氣設備數(shù)、每十萬擁有?？埔陨先藬?shù)、空氣中SO2含量、工業(yè)廢物固體排放量、第二產(chǎn)業(yè)占GDP比重、空氣達二級天數(shù)率和總撫養(yǎng)比是制約生態(tài)承載力提升的關鍵指標層障礙因素，社會進步、環(huán)境污染、經(jīng)濟支撐和資源供給是對生態(tài)承載力影響較大的因素層指標。因此提高生態(tài)承載力水平應從社會進步、環(huán)境污染治理、合理高效利用資源、逐步調(diào)整產(chǎn)業(yè)結構等方面著手。