衢江流域中上游地區(qū)生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)

王振國，徐亮亮，李巨寶，姜紀(jì)沂，周志明

（1.防災(zāi)科技學(xué)院，河北三河 065201；2.中國冶金地質(zhì)總局 浙江地質(zhì)勘查院，浙江衢州 324000；3.河北省地震動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北三河 065201）

0 引言

生態(tài)環(huán)境承載力是表征一個(gè)國家或地區(qū)的發(fā)展現(xiàn)狀和未來一段時(shí)間內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展前景的重要指標(biāo)。如果在一定科技水平和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件下，區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境無法承受其涵蓋的人口和經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模，則會(huì)導(dǎo)致生態(tài)和資源環(huán)境的惡化，最終制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展?！碍h(huán)境承載力”概念首次出現(xiàn)于1838年，此后，西方學(xué)術(shù)界陸續(xù)開展了對(duì)環(huán)境承載力“飽和點(diǎn)”的探索，對(duì)生態(tài)環(huán)境極限容量的估算則開啟了環(huán)境承載力的研究［1］。1992年，加拿大生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)家W illiam和Wackernagel提出“生態(tài)足跡”的概念使承載力的研究從生態(tài)系統(tǒng)中的單一要素轉(zhuǎn)向整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)［2，3］。

國內(nèi)對(duì)于承載力的分析是建立在借鑒和吸收國外相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。近年來，有學(xué)者提出了新的量化評(píng)價(jià)方法［4-7］。1998年王家驥、舒儉民等對(duì)黑河流域生態(tài)承載力的研究［8］首次完整地論證了國內(nèi)生態(tài)環(huán)境承載力在實(shí)際領(lǐng)域中的應(yīng)用。隨著后人對(duì)生態(tài)承載力概念的不斷補(bǔ)充和更新，加深了人們對(duì)自然與經(jīng)濟(jì)社會(huì)關(guān)系的認(rèn)識(shí)；目前對(duì)于生態(tài)承載力的研究也逐漸從靜態(tài)轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)，從定性轉(zhuǎn)為定量，從單一要素轉(zhuǎn)向多要素乃至整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，生態(tài)承載力的概念也日趨完善。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，環(huán)境承載力評(píng)價(jià)現(xiàn)有研究中，由于評(píng)價(jià)目標(biāo)的不一致，導(dǎo)致評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取存在較大差異。針對(duì)同一要素的評(píng)價(jià)，可能存在不同的指標(biāo)選擇，到目前為止還沒有形成統(tǒng)一的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；現(xiàn)有研究中對(duì)于關(guān)鍵要素和關(guān)鍵指標(biāo)的識(shí)別研究不夠，選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)多存在重復(fù)和冗余的情況，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系有待精簡和優(yōu)化。

1 研究區(qū)概述

研究區(qū)位于浙江省西部衢州市境內(nèi)，屬衢江流域中上游地區(qū)，是浙江省南北地貌的分界線；研究區(qū)包括衢江區(qū)、柯城區(qū)、龍游縣、江山市、常山縣和開化縣。主要支流包括靈山港、芝溪、烏溪江、江山港和常山港，北源為開化縣境內(nèi)的馬金溪。

全區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，西北風(fēng)以太陽風(fēng)為主，寒冷干旱蔓延，夏季以太平洋亞熱帶氣候?yàn)橹?，冬夏季風(fēng)交替顯著，氣溫適中。全市多年平均氣溫17.3℃；年平均蒸發(fā)量938.8mm；年降水量在1100～2000mm，全年雨日大約為160d，雨水充沛；降雨的季節(jié)性變化明顯，4月中旬至7月中旬為梅汛期，常出現(xiàn)連續(xù)的降雨；7月中旬至9月中旬為臺(tái)汛期，易出現(xiàn)大雨或暴雨。

研究區(qū)包括浙西山地和部分金衢盆地，在中部以斜向金衢盆地為界，總體地形特征是南北高，西高東低。地貌以斜貫中部的金衢盆地為界，西北部屬浙皖中低山、低山丘陵區(qū)，東南部為浙南中低山區(qū)，中部為金衢盆地紅色殘丘及沖積平原區(qū)。按地貌成因類型可分為侵蝕地貌和堆積地貌兩大類型；按地貌形態(tài)可分為中山、低山、高丘、低丘和河谷平原等五種類型。

2 數(shù)據(jù)來源及指標(biāo)選取原則

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)來源主要為《衢州市統(tǒng)計(jì)年鑒》（2012—2018年）、《衢州市水資源公報(bào)》（2012—2018年）、《衢州市環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告》《江山市統(tǒng)計(jì)年鑒》《開化縣統(tǒng)計(jì)年鑒》《常山縣統(tǒng)計(jì)年鑒》和《龍游縣統(tǒng)計(jì)年鑒》，共選取了七年的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)包括氣象概況、全市地區(qū)生產(chǎn)總值（包括三產(chǎn)分地區(qū)生產(chǎn)總值）、各縣（市、區(qū)）工業(yè)增加值、總?cè)丝跀?shù)、各縣（市、區(qū)）耕地面積、農(nóng)業(yè)產(chǎn)量、各縣（市、區(qū)）工業(yè)總產(chǎn)值及主要能源消費(fèi)情況等。

2.2 指標(biāo)選取原則

本文構(gòu)建生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系主要遵循以下原則：（1）科學(xué)性原則；（2）全面性原則；（3）可操作性原則［9］。

圖1 研究區(qū)地形地貌圖Fig.1 Topographic m ap of the study area

在考慮研究區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)際發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，選取貼合區(qū)域可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)體系的評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用層次分析法［10-12］，依據(jù)生態(tài)承載力內(nèi)涵設(shè)計(jì)3個(gè)要素層的具體指標(biāo)，共選取了17個(gè)指標(biāo)，見圖2。

圖2 生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.2 Evaluation index system of eco-environm en tal carrying capacity

3 生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)體系

3.1 構(gòu)建評(píng)價(jià)體系

承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建由其采用的理論框架決定。根據(jù)生態(tài)環(huán)境承載力定義與研究區(qū)社會(huì)發(fā)展特征等多方面的考慮，采用生態(tài)彈性力、生態(tài)承載支撐力和生態(tài)承載壓力3個(gè)技術(shù)指標(biāo)來綜合評(píng)價(jià)研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境承載力。

本文采用層次分析法，將研究區(qū)生態(tài)承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系劃分為4個(gè)層次［13］：（1）“要素層”包括：生態(tài)彈性力、承載支撐力和承載壓力；（2）“準(zhǔn)則層”是標(biāo)志著3個(gè)子系統(tǒng)的生態(tài)承載力的內(nèi)部，是衡量3個(gè)子系統(tǒng)的首要原則和方法，包括水文、氣候經(jīng)濟(jì)社會(huì)壓力等在內(nèi)共計(jì)10項(xiàng)指標(biāo)；（3）“目標(biāo)層”為研究區(qū)生態(tài)環(huán)境承載力；（4）“指標(biāo)層”作為“準(zhǔn)則層”的細(xì)化，這是進(jìn)行定性、定量化的單元和要素，也是生態(tài)承載力水平最直接有效的層次［14］。

3.1.1 生態(tài)彈性力

生態(tài)彈性力是生態(tài)環(huán)境承載力的先決支持條件，其圈定了一個(gè)生態(tài)環(huán)境自我調(diào)節(jié)的范圍，區(qū)域內(nèi)的生態(tài)彈性力一旦超過這個(gè)范圍，就表示該區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。生態(tài)系統(tǒng)的研究涉及多方面因素，水文氣象、資源環(huán)境、土地利用、植被覆蓋及生物多樣性等基礎(chǔ)條件決定了生態(tài)系統(tǒng)的性質(zhì)及其承載潛力，同時(shí)也反映了生態(tài)系統(tǒng)彈性度的大?。?5］。

生態(tài)彈性力的表達(dá)式：

3.1.2 生態(tài)承載支撐力

生態(tài)承載支撐力是反映承載體的狀態(tài)與發(fā)展的承壓類指標(biāo)以及可提高承載能力的潛力類指標(biāo)，包括流域內(nèi)社會(huì)發(fā)展所需的工農(nóng)業(yè)用地、礦區(qū)和旅游資源以及區(qū)內(nèi)取決于水、土壤、大氣等環(huán)境承載狀況等的承壓類指標(biāo)。生態(tài)環(huán)境資源量有一定的容量，可以承受或消除因不當(dāng)發(fā)展而造成的生態(tài)環(huán)境污染，環(huán)境承載支撐力表現(xiàn)的自我調(diào)節(jié)能力是生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的保障［7，16］。生態(tài)承載支撐力不僅表現(xiàn)在自然資源供給量和環(huán)境納污能力上，還表現(xiàn)在區(qū)域的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展方面，體現(xiàn)在人類面對(duì)資源短缺和環(huán)境問題的能動(dòng)性上。

用CCS表示生態(tài)承載支撐力指數(shù)，則生態(tài)承載支撐力大小CCS構(gòu)成下面的函數(shù)：

式中，x1，x2，x3…xn的承載分值S1，S2，S3…Sn所占權(quán)重為Wt；CCS為資源環(huán)境承載指數(shù)，CCS越大，區(qū)域生態(tài)承載支撐力越大，則定義：

3.1.3 生態(tài)承載壓力

生態(tài)承載壓力是主要因人類社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)施加于承載體上的壓力類指標(biāo)，包括人口密度、經(jīng)濟(jì)增長、文化需求、資源消耗與環(huán)境污染等各項(xiàng)指標(biāo)。承載壓力是人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域內(nèi)自然生態(tài)系統(tǒng)綜合承載力造成的直接壓力，壓力則會(huì)直接反映在人類生存環(huán)境質(zhì)量和區(qū)域發(fā)展的問題上。一般選取生態(tài)破壞壓力、資源消耗壓力和經(jīng)濟(jì)社會(huì)壓力三個(gè)方面作為準(zhǔn)則層［17］。

若承載對(duì)象P的壓力取決于y1，y2，y3…yn等n個(gè)因子，則該承載力大小CCP表示為：

式中，CPI為壓力指數(shù)，其值與系統(tǒng)所受壓力大小成正比。

設(shè)承載壓力指數(shù)CCP與支撐力指數(shù)CCS之比為Ep，當(dāng)Ep＞1時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)超載；當(dāng)Ep＜1時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)低負(fù)荷；當(dāng)Ep＝1時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。

3.2 評(píng)價(jià)方法

3.2.1 評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐?/p>

劃分生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)單元的選擇一般基于面狀和點(diǎn)狀評(píng)價(jià)單元兩種不同的形式。面狀評(píng)價(jià)單元是以矢量多邊形作為單元?jiǎng)澐盅芯繀^(qū)，基于不同研究人員的側(cè)重點(diǎn)矢量多邊形單元?jiǎng)澐钟胁煌膭澐忠罁?jù)，從而使研究結(jié)果產(chǎn)生相對(duì)誤差。優(yōu)點(diǎn)是特征性明顯，易于劃分，有針對(duì)性，分析結(jié)果具有代表性，可作為相似方面的研究參考，獲取數(shù)據(jù)相對(duì)容易。劃分評(píng)價(jià)單元時(shí)要堅(jiān)持以下基本原則：

（1）各評(píng)價(jià)單元的產(chǎn)生過程相對(duì)獨(dú)立；

（2）各評(píng)價(jià)單元在空間上相對(duì)獨(dú)立；

（3）各評(píng)價(jià)單元的范圍相對(duì)固定；

（4）各評(píng)價(jià)單元之間具有相對(duì)明顯的界限。

本次對(duì)研究區(qū)進(jìn)行的生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)，按照已有公開的官方資料選擇面狀評(píng)價(jià)單元，選取行政區(qū)劃作為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)載體，便于數(shù)據(jù)收集、整理、計(jì)算。依次劃分為衢江區(qū)、柯城區(qū)、江山市、常山縣、開化縣、龍游縣。各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)子項(xiàng)見表1。

表1 衢江流域中上游地區(qū)生態(tài)承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 Evaluation index system of ecological carrying capacity in them idd le and upper reaches of Qujiang River Basin

3.2.2 指標(biāo)權(quán)重

評(píng)價(jià)過程中，根據(jù)各指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的綜合水平的影響力確定各個(gè)指標(biāo)所占權(quán)重。生態(tài)承載能力的評(píng)價(jià)包括非常復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，尤其是層次結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)，質(zhì)量評(píng)價(jià)方法相對(duì)集中，適用于全系統(tǒng)指標(biāo)體系中的質(zhì)量評(píng)價(jià)［18-20］。

（1）層次結(jié)構(gòu)模型

本文根據(jù)不同領(lǐng)域多個(gè)專家的經(jīng)驗(yàn)來評(píng)估各種因素的重要性，并繼續(xù)使用數(shù)學(xué)模型來計(jì)算權(quán)重、細(xì)節(jié)和復(fù)雜度。每層中的元素盡量不超過9個(gè)，因素太多將不利于計(jì)算。

（2）重要性比較

根據(jù)表度法［13］，對(duì)參與承載力評(píng)價(jià)中的各評(píng)價(jià)因子的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)（A）重要性給予定量標(biāo)度，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果總結(jié)出評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，見表2。

表2 生態(tài)承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重表Tab.2 W eight of ecological carrying capacity evaluation index

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)范圍為0～1，評(píng)價(jià)等級(jí)以0.2為基本刻度單位，指數(shù)越大等級(jí)越高，共分5級(jí)，見表3。

表3 衢江流域中上游地區(qū)生態(tài)承載力綜合評(píng)價(jià)等級(jí)表Tab.3 Com p rehensive evaluation grade of ecological carrying capacity in the m idd le and upper reaches of Qu jiang River Basin

（3）構(gòu)建判斷矩陣

根據(jù)表4，對(duì)已建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的層次結(jié)構(gòu)及相關(guān)關(guān)系進(jìn)行判斷比較，分別判斷矩陣如下。

表4 生態(tài)彈性力判斷矩陣Tab.4 Judgm ent m atrix of ecological elastic force

式中：λmax＝4.26，CI＝0.087，RI＝0.89，CR＝0.098。

計(jì)算矩陣最大特征根：

表5 層次分析法的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)值Tab.5 Average random consistency index values of the analytic hierarchy p rocess（AHP）

CR＝0.081＜0.1，說明矩陣具有滿意的一致性。根據(jù)以上方法分別得出生態(tài)承載支撐力，生態(tài)承載壓力的權(quán)重，見表6～8。最后得出匯總結(jié)果表9。

表6 生態(tài)彈性力子系統(tǒng)層次總排序結(jié)果Tab.6 Total ranking resu lts of levels of ecological elastic force subsystem

表9 生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)權(quán)重總排序結(jié)果Tab.9 Total ranking resu lts of evaluation weights of eco-environm ental carrying capacity

4 生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)

4.1 數(shù)據(jù)計(jì)算

本次研究采用極差標(biāo)準(zhǔn)化法，指數(shù)列為正向、負(fù)向和中性指標(biāo)：屬性值越高，表示其效益越高為正向指標(biāo)；屬性值越低，表示其效益越高為負(fù)向指標(biāo)；屬性值越接近最優(yōu)值收益越高。正、負(fù)、中性指數(shù)轉(zhuǎn)換為正標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)［13，21］。具體計(jì)算方式如下：

表7 生態(tài)承載支撐力子系統(tǒng)層次總排序結(jié)果Tab.7 Total ranking resu lts of levels of ecological bearing support force subsystem

表8 生態(tài)承載壓力子系統(tǒng)層次總排序結(jié)果Tab.8 Total ranking results of levels of ecological bearing pressure subsystem

表10 衢江流域中上游地區(qū)生態(tài)承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.10 Evaluation index system of ecological carrying capacity in the m idd le and upper reaches of Qujiang River Basin

式中，Yij為指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；Xij為指標(biāo)值；Pij為指標(biāo)最優(yōu)值；max Xij和m in Xij分別為指標(biāo)的最大值和最小值，且0≤Yij≤1。

4.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述評(píng)價(jià)體系中生態(tài)彈性力、生態(tài)承載支撐力和生態(tài)承載壓力的計(jì)算方法，得出2012—2018年研究區(qū)生態(tài)環(huán)境承載力指數(shù)計(jì)算結(jié)果，見表11。由上述計(jì)算結(jié)果得出研究區(qū)生態(tài)環(huán)境承載力指數(shù)變化趨勢(shì)，見圖3、圖4、圖5。

表11 衢江流域中上游地區(qū)生態(tài)環(huán)境承載力指數(shù)計(jì)算結(jié)果表Tab.11 Calcu lation resu lts of eco-environm en tal carrying capacity index in the m idd le and upper reaches of Qu jiang River Basin

圖3 研究區(qū)生態(tài)彈性力指數(shù)變化趨勢(shì)Fig.3 Change of ecological elastic force index in the study area

圖4 研究區(qū)生態(tài)承載支撐力指數(shù)變化趨勢(shì)Fig.4 Change of ecological carrying force index in the study area

圖5 研究區(qū)生態(tài)承載壓力指數(shù)變化趨勢(shì)圖Fig.5 Change of ecological bearing p ressure index in the study area

根據(jù)整體分析趨勢(shì)圖，可以看出研究區(qū)生態(tài)彈性力指數(shù)中年均降雨量在近三年中較前幾年有明顯的的減少趨勢(shì)，植被覆蓋度指數(shù)及人均綠地面積整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其余各項(xiàng)處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)；生態(tài)承載支撐力中農(nóng)林牧漁產(chǎn)值指數(shù)波動(dòng)幅度較大，較不穩(wěn)定，地表水資源量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但糧食總產(chǎn)量和污水處理率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；生態(tài)承載力指數(shù)整體處于較穩(wěn)定狀態(tài)，氨氮排放量和GDP年增長指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但第二產(chǎn)業(yè)GDP指數(shù)常年處于較低水平。

圖6 2018年研究區(qū)生態(tài)環(huán)境承載力指數(shù)分布圖Fig.6 Distribution m ap of eco-environm ental carrying capacity index in the study area in 2018

5 結(jié)論

本文采用面狀評(píng)價(jià)單元的AHP層次分析法，選取水文、生態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等方面17個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過計(jì)算生態(tài)彈性力、生態(tài)承載支撐力和生態(tài)承載壓力開展研究區(qū)生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)，得出如下結(jié)論：

（1）2012—2018年研究區(qū)生態(tài)承載力整體呈先下降后上升的趨勢(shì)，上升的拐點(diǎn)發(fā)生在2016—2017年度，生態(tài)承載能力有所提高，主要體現(xiàn)在人均綠地面積增加、糧食產(chǎn)量增加、農(nóng)林漁業(yè)產(chǎn)值增加、污水處理率增加、氨氮排放量減少，總體情況發(fā)展趨勢(shì)良好；

（2）生態(tài)彈性力在生態(tài)環(huán)境承載力中的權(quán)重占比較小，但在選取的研究時(shí)間段內(nèi)處于中等及以上水平，表明研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力變化不大；生態(tài)承載支撐力權(quán)重占比僅次于生態(tài)承載壓力，其中農(nóng)林牧漁產(chǎn)值指數(shù)在研究時(shí)段內(nèi)起伏波動(dòng)變化較大，其余各項(xiàng)也都處在穩(wěn)定增長的狀態(tài)；生態(tài)承載力是影響生態(tài)環(huán)境承載力大小的最主要要素，權(quán)重占比也較大，研究時(shí)間段內(nèi)長期處于較低水平，雖然有增長的趨勢(shì)，但是增長幅度較緩慢。

（3）第二產(chǎn)業(yè)比重在2014年達(dá)到峰值，隨后下降，又在2015—2018年呈上升趨勢(shì)，表明自然資源的消耗、生態(tài)環(huán)境的污染和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的壓力持續(xù)給研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展增加了較重的壓力。