祁連山國家公園生態(tài)承載力年際變化特征及其影響因素分析

單姝瑤， 徐浩杰*， 楊 磊， 齊效鐮， 陳 甜， 陳生云， 高雅月

(1. 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/蘭州大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)教育部工程研究中心/蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院， 甘肅 蘭州 730020； 2. 疏勒河源冰凍圈與生態(tài)環(huán)境綜合監(jiān)測研究站/冰凍圈科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院， 甘肅 蘭州 730000； 3. 祁連山國家公園國家長期科研基地， 青海 西寧 810000)

氣候變化、資源短缺和環(huán)境污染威脅社會-經(jīng)濟(jì)-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展[1]。生態(tài)承載力是一定區(qū)域和時期內(nèi)的資源數(shù)量與質(zhì)量，以及可承載的人口與經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的能力[2]。生態(tài)承載力前期研究多以間接描述和靜態(tài)分析為主[3]，主要包括自然植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)法、能值分析模型和生態(tài)足跡理論[4-6]。近年來，生態(tài)承載力研究不斷向定量化和動態(tài)化方向發(fā)展[7]，尤其是TOPSIS模型、質(zhì)量平衡模型、傳遞矩陣、種群數(shù)量Logistic法、資源供需平衡法與狀態(tài)空間法的應(yīng)用深化了生態(tài)承載力研究[8]。我國的生態(tài)承載力研究開始較晚，多以跟隨式為主，主要聚焦于生態(tài)承載力的概念、評價方法及其與可持續(xù)發(fā)展的聯(lián)系，缺乏本地化的生態(tài)承載力評價模型。雖然生態(tài)承載力評價模型的適用性尚存在諸多問題，但生態(tài)承載力量化方法已呈現(xiàn)出綜合化和多元化的特點(diǎn)[9]。此外，以往生態(tài)承載力的研究對象主要是城市生態(tài)系統(tǒng)，且對生態(tài)承載力的影響因素缺乏深入探討[10]。為推進(jìn)美麗中國建設(shè)，我國建立以國家公園為主體的自然保護(hù)地體系。探究國家公園生態(tài)承載力動態(tài)演變及其驅(qū)動機(jī)制是檢驗(yàn)自然保護(hù)地人地關(guān)系是否協(xié)調(diào)的有效手段，對提高自然生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)管理水平具有重要意義[11-12]。

祁連山國家公園地處青藏高原、內(nèi)蒙古高原和黃土高原交匯地帶，具有水源涵養(yǎng)和生物多樣性保護(hù)等多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，是西部地區(qū)重要的生態(tài)安全屏障與河西走廊重要的水源補(bǔ)給區(qū)[13-14]。受氣候變化、過度放牧、礦產(chǎn)開采和水電資源開發(fā)等影響，國家公園內(nèi)出現(xiàn)森林質(zhì)量下降、草地退化、生物多樣性降低、水源涵養(yǎng)能力減退和水土流失加劇等問題[15]。如何實(shí)現(xiàn)國家公園人與自然和諧共生是重要的科學(xué)問題。為此，本文以祁連山國家公園為研究對象，基于2000—2019年的衛(wèi)星遙感和社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用驅(qū)動力(Drive)-壓力(Pressure)-狀態(tài)(State)-影響(Impact)-響應(yīng)(Response)概念模型(DPSIR)構(gòu)建生態(tài)承載力評價指標(biāo)體系，以層次分析法和主成分分析法確定指標(biāo)綜合權(quán)重，使用綜合得分法構(gòu)建生態(tài)承載力指數(shù)，分析生態(tài)承載力指數(shù)的年際變化特征，利用TOPSIS模型和障礙度模型分別對生態(tài)承載力狀況和障礙因子進(jìn)行評價。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

祁連山國家公園橫跨甘肅省和青海省，地處北緯36°46′45″至39°47′05″、東經(jīng)94°49′18″至102°59′08″之間，是我國首批設(shè)立的10個國家公園體制試點(diǎn)之一，總面積為5.02萬平方公里(圖1)。地貌以高山、溝谷和山間盆地為主，平均海拔約3 750 m，屬大陸性高寒半濕潤山地氣候，年均溫約4℃，年降水量約400 mm，冬季寒冷干燥，夏季溫涼濕潤[16]。

圖1 祁連山國家公園行政區(qū)劃圖Fig.1 Administrative map of Qilian Mountain National Park

1.2 研究數(shù)據(jù)

基于DPSIR模型選取生態(tài)承載力表征變量，運(yùn)用IBM SPSS Statistics 26軟件對預(yù)設(shè)指標(biāo)進(jìn)行多重共線性診斷，剔除相互依賴程度較高的指標(biāo)，最終選取25個評價因子，構(gòu)建生態(tài)承載力評價指標(biāo)體系(表1)。年降水量和年潛在蒸散量來自國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.cma.cn/)。第二產(chǎn)業(yè)增加值、受教育人口、人口自然增長率、人均GDP、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力、化肥施用量、牲畜存欄量、糧食產(chǎn)量、城鎮(zhèn)化率、公共財政預(yù)算支出、污水處理回用量、人工造林面積、農(nóng)村就業(yè)人員數(shù)和農(nóng)村用網(wǎng)人數(shù)由EPS數(shù)據(jù)平臺提供(https://www.epsnet.com.cn/)?？晌腩w粒物來源于縣級環(huán)境狀況公報，從中國知網(wǎng)年鑒數(shù)據(jù)庫獲取(https://www.cnki.net/)?？衫盟Y源量和年輸沙量來自甘肅省水資源公報(http://slt.gansu.gov.cn/)。陸地水儲量為GRACE衛(wèi)星觀測資料(https://grace.jpl.nasa.gov/)?；谥袊恋乩眠b感監(jiān)測數(shù)據(jù)(https://www.resdc.cn/)計算林草地覆蓋度，結(jié)合生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范(HJ 192-2015)計算生境質(zhì)量指數(shù)。生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量參照全國生態(tài)狀況調(diào)查評估技術(shù)規(guī)范-生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估(HJ 1172-2021)計算，所用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為MODIS增強(qiáng)型植被指數(shù)、葉面積指數(shù)和NPP產(chǎn)品，由美國國家航空航天局地球科學(xué)數(shù)據(jù)分布式數(shù)據(jù)存檔中心提供(https://lpdaac.usgs.gov/)。水源涵養(yǎng)量和土壤保持量采用InVEST模型計算[17-18]。對于空間數(shù)據(jù)，取國家公園境內(nèi)各縣區(qū)所有柵格的平均值。

表1 生態(tài)承載力評價指標(biāo)體系及其指標(biāo)權(quán)重Table 1 Assessment indicator system and index weight for ecological carrying capacity

1.3 研究方法

1.3.1構(gòu)建生態(tài)承載力指數(shù) (1)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

指標(biāo)分為正向和負(fù)向，正(負(fù))向表示指標(biāo)對生態(tài)承載力的正(負(fù))向影響。采用極差標(biāo)準(zhǔn)化消除指標(biāo)量綱，使指標(biāo)間可比。

正向指標(biāo)：

Yij=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

負(fù)向指標(biāo)：

Yij=(Xmax-Xij)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中，Yij為第i年第j項指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值；Xij為i年第j項指標(biāo)的原始值；Xmax和Xmin分別為第j項指標(biāo)的最大和最小值。

(2)確定指標(biāo)權(quán)重

常用的指標(biāo)權(quán)重確定方法有主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法[19]。主觀賦權(quán)法基于決策者的經(jīng)驗(yàn)或偏好，比較指標(biāo)重要性并賦權(quán)，方法成熟，但客觀性差，如層次分析法(AHP)；客觀賦權(quán)法對資料進(jìn)行整理、計算和分析，得到權(quán)重。該方法相對主觀賦權(quán)法，形成較晚且較為完善，如主成分分析法(PCA)、熵權(quán)法和標(biāo)準(zhǔn)離差法等[20]。本文結(jié)合AHP和PCA法確定生態(tài)承載力評價指標(biāo)的綜合權(quán)重。

首先，使用AHP專業(yè)分析軟件(Yaahp10.5)建立層次結(jié)構(gòu)模型，采用1～9標(biāo)度法進(jìn)行重要性評分，構(gòu)建6個判斷矩陣，所有判斷矩陣的CR值最高為0.08、最低為0.02，所有CR值均小于0.1。其次，使用IBM SPSS Statistics 26軟件進(jìn)行主成分分析，以檢驗(yàn)統(tǒng)計量取值0.7、特征根>1、方差貢獻(xiàn)率>85%為標(biāo)準(zhǔn)，提取6個主成分，以主成分方差貢獻(xiàn)率為指標(biāo)權(quán)重，對指標(biāo)在各主成分線性組合中的系數(shù)做加權(quán)平均，總和標(biāo)準(zhǔn)化后得到指標(biāo)權(quán)重。最后，指標(biāo)綜合權(quán)重取2種方法計算權(quán)重的均值，并將指標(biāo)的綜合權(quán)重和標(biāo)準(zhǔn)值相乘，所有指標(biāo)的累積值即為生態(tài)承載力指數(shù)[21]。

1.3.2TOPSIS模型 TOPSIS模型(優(yōu)劣解距離法)是一種適用于多指標(biāo)、多維度的組內(nèi)綜合評價法。TOPSIS模型被廣泛應(yīng)用于生態(tài)承載力狀況的評價[22]。

Y=|Yij|m×n=Rij×Wi

(3)

Y+={maxyij|i=1,2,…,m}=
{y1+，y2+,…,ym+}

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

1.3.3障礙度模型 采用障礙度模型識別影響生態(tài)承載力的障礙因素[23]。因子貢獻(xiàn)度Fij表示單項指標(biāo)對生態(tài)承載力的權(quán)重，偏離度Iij表示單項指標(biāo)與生態(tài)承載力目標(biāo)的差距，障礙度Mij和Pij分別表示單項指標(biāo)和分類指標(biāo)對生態(tài)承載力的障礙度。

Fij=Wij×Wi

(9)

Iij=1-Ri

(10)

(11)

Pij=∑Mij

(12)

式中，Wij為第i個準(zhǔn)則層第j個指標(biāo)的權(quán)重；Wi為第j個指標(biāo)所在的第i個準(zhǔn)則層的權(quán)重；Ri為單項指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值。

1.3.4相關(guān)分析 采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)揭示生態(tài)承載力指數(shù)與生態(tài)承載力各子系統(tǒng)的貼近度和所有3級指標(biāo)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)0.44和0.56分別對應(yīng)95%和99%的置信區(qū)間。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)承載力年際變化特征

2000—2019年，生態(tài)承載力指數(shù)先降低后增加，2014年為時間序列的突變點(diǎn)(圖2)。2000—2014年，生態(tài)承載力指數(shù)呈顯著降低趨勢，從2000年的0.51下降至2014年的0.34。2014—2019年，生態(tài)承載力指數(shù)呈顯著增加趨勢，2019年值為0.55。

圖2 生態(tài)承載力指數(shù)的年際變化Fig.2 Inter-annual variation of ecological carrying capacity index

2.2 驅(qū)動生態(tài)承載力變化的主要因素

生態(tài)承載力貼近度的多年值為0.28±0.04，表明生態(tài)承載力處于較差水平，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)矛盾突出，生態(tài)問題顯著(圖3a)。2000—2019年，驅(qū)動力和壓力的貼近度大致呈V形變化，與生態(tài)承載力指數(shù)的年際變化相似(圖3b,c)。2000—2014年，驅(qū)動力的貼近度呈顯著下降趨勢，從2000年的0.52下降至2014年的0.12。2014年以后，驅(qū)動力的貼近度逐漸上升，2019年變?yōu)?.23。壓力的貼近度從2000年的0.4下降至2014年的0.14。2014年以后，壓力的貼近度顯著上升至2019年的0.49。

第二產(chǎn)業(yè)增加值、可吸入顆粒物、化肥施用量、人口自然增長率、牲畜存欄量和林草地覆蓋度與生態(tài)承載力指數(shù)顯著相關(guān)(表1)。2000—2019年，第二產(chǎn)業(yè)增加值、可吸入顆粒物、化肥施用量、人口自然增長率和牲畜存欄量均呈倒V形變化(圖4a-e)?？晌腩w粒物和化肥施肥量減少可降低大氣和土壤中的污染物排放，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整可減少資源能源消耗。減緩人口增長和降低放牧強(qiáng)度可減輕環(huán)境壓力，促進(jìn)生態(tài)恢復(fù)。2000—2019年，狀態(tài)和響應(yīng)的貼近度均呈顯著上升趨勢(圖3 d-f)。2015年以后，狀態(tài)、影響和響應(yīng)的貼近度均快速增加，與林草地覆蓋度快速增加相吻合(圖4f)，說明生態(tài)建設(shè)工程已取得積極成效。生態(tài)承載力指數(shù)與驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響和響應(yīng)子系統(tǒng)的相關(guān)系數(shù)分別為0.36，0.77，0.44，0.59和0.09。

圖3 生態(tài)承載力各子系統(tǒng)貼近度的年際變化Fig.3 Inter-annual variation of the closeness degree of each subsystem of ecological carrying capacity

圖4 第二產(chǎn)業(yè)增加值、人口自然增長率、可吸入顆粒物、化肥施用量、牲畜存欄量和林草地覆蓋度的年際變化Fig.4 Inter-annual variation of the added value of the secondary industry,natural population growth rate,inhalable particulate matter,applying quantity of chemical fertilizer,amount of livestock on hand,and forest and grassland coverage

2.3 生態(tài)承載力障礙度診斷

2000—2019年，驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響和響應(yīng)子系統(tǒng)的多年平均障礙度分別為0.218，0.188，0.120，0.119和0.354(圖5)，響應(yīng)>驅(qū)動力>壓力>狀態(tài)>影響，表明現(xiàn)階段生態(tài)承載力的主要限制因素是響應(yīng)子系統(tǒng)，其次是驅(qū)動力和壓力子系統(tǒng)。綜合生態(tài)承載力各子系統(tǒng)貼近度的年際變化特征，得出驅(qū)動力和壓力子系統(tǒng)的變化是導(dǎo)致2014年之前生態(tài)承載力下降的主要因素，2014年以后生態(tài)承載力增加是驅(qū)動力、壓力和響應(yīng)子系統(tǒng)共同作用的結(jié)果。從響應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重來看，農(nóng)村用網(wǎng)人數(shù)、污水處理回用量、農(nóng)村就業(yè)人員數(shù)和人工造林面積的影響較大，公共財政預(yù)算支出的影響較小(表1)。在狀態(tài)和影響子系統(tǒng)中，陸地水儲量、可利用水資源量、土壤保持量和年輸沙量均有較高權(quán)重，表明提升國家公園生態(tài)承載力的關(guān)鍵是水土資源合理利用與保護(hù)。污水處理回用能減少水污染，并增加水資源利用率。人工造林是涵養(yǎng)水源和保持水土的有效措施。由于研究區(qū)生態(tài)承載力狀況較差，上述提升生態(tài)承載力的措施能夠在短期內(nèi)發(fā)揮明顯成效。從生態(tài)承載力各子系統(tǒng)障礙度的年際變化趨勢來看，驅(qū)動力的障礙度呈顯著上升趨勢(圖5a)，影響和響應(yīng)的障礙度呈顯著下降趨勢(圖5d,e)，壓力和狀態(tài)不顯著變化(圖5b,c)。因此，響應(yīng)子系統(tǒng)對生態(tài)承載力的影響減弱，驅(qū)動力子系統(tǒng)對生態(tài)承載力的影響增強(qiáng)。未來在保持生態(tài)承載力穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，調(diào)控驅(qū)動力對提升生態(tài)承載力更為重要。從驅(qū)動力指標(biāo)的權(quán)重來看，人均GDP、第二產(chǎn)業(yè)增加值和農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力的權(quán)重較大(表1)。提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平可提高糧食產(chǎn)量，減少國家公園周邊的農(nóng)業(yè)活動。優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和提高居民生活水平有助于生態(tài)承載力的可持續(xù)發(fā)展。

圖5 生態(tài)承載力各子系統(tǒng)障礙度的年際變化Fig.5 Inter-annual variation of the obstacle degree of each subsystem of ecological carrying capacity

3 討論

3.1 生態(tài)承載力水平

祁連山國家公園的生態(tài)承載力水平較差，主要是高寒干旱的氣候所決定的[21]。在狀態(tài)和影響子系統(tǒng)中，陸地水儲量、可利用水資源量、土壤保持量和年輸沙量對生態(tài)承載力有較高權(quán)重且與生態(tài)承載力的年際變化顯著相關(guān)。水土資源是限制國家公園生態(tài)承載力水平的主要因素，可能原因是：(1)該區(qū)域降水量低，難以發(fā)育大面積的喬木林，水源涵養(yǎng)功能的主體是草地和灌木林[24]，它們的水源涵養(yǎng)能力明顯低于喬木林；(2)氣候條件導(dǎo)致土壤發(fā)育程度低，極易遭受水蝕[17]。隨著全球變暖，極端氣候?qū)⒃黾铀亮魇У娘L(fēng)險[25]，并對生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)性構(gòu)成挑戰(zhàn)。實(shí)施生態(tài)建設(shè)工程降低了部分地區(qū)人類活動的干擾，但自然生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測是保證國家公園生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵[26]。開展林草地長勢、病蟲害、火災(zāi)和氣象災(zāi)害的大面積動態(tài)監(jiān)測[27]，界定食草類野生動物的承載力[28]，是保障國家公園生態(tài)系統(tǒng)健康的重要內(nèi)容。

3.2 影響生態(tài)承載力年際變化的主要驅(qū)動力

2014年以前，第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展和人口增加造成過度放牧、過度開墾、無序開發(fā)資源、水污染與大氣污染等環(huán)境問題[29-30]，化肥施用量增加引發(fā)土壤酸化和重金屬污染[31]，導(dǎo)致生態(tài)承載力下降。農(nóng)牧民的放牧習(xí)慣使其對草原的依賴性強(qiáng)，缺乏從事其他工作的技能，導(dǎo)致他們的就業(yè)渠道狹窄，就業(yè)率低下，粗放落后的農(nóng)業(yè)經(jīng)營方式不利于國家公園的可持續(xù)發(fā)展[32]。2014年環(huán)保部督察發(fā)現(xiàn)祁連山區(qū)存在嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題，隨即當(dāng)?shù)卣掷m(xù)加強(qiáng)整改治理，2014年以后生態(tài)治理成效突顯。2017年祁連山被納入國家公園建設(shè)范圍，生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度進(jìn)一步增強(qiáng)，山水林田湖草的系統(tǒng)保護(hù)和綜合治理使生態(tài)系統(tǒng)向好發(fā)展，林草地覆蓋度顯著增加與生態(tài)系統(tǒng)承載力增強(qiáng)相吻合[33]。隨著國家公園建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，推測生態(tài)質(zhì)量對生態(tài)承載力的影響下降，外部環(huán)境的影響增強(qiáng)，該影響主要來自國家公園之外的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展[21]。建設(shè)和管理國家公園不能局限于自身邊界，未來應(yīng)著重分析區(qū)域生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性、制約性和耦合協(xié)調(diào)關(guān)系[34]。本文采用主觀和客觀相結(jié)合的方法確定指標(biāo)綜合權(quán)重，但生態(tài)承載力無法用觀測數(shù)據(jù)直接驗(yàn)證，因而指標(biāo)權(quán)重仍具有不確定性。

3.3 提升生態(tài)承載力的對策建議

(1)提高環(huán)境保護(hù)支出占公共預(yù)算支出的比重，嚴(yán)格落實(shí)天然林保護(hù)、退耕還林還草與退牧還草政策；(2)降低人口自然增長率，提高受教育水平；(3)推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級，增加農(nóng)村就業(yè)人員數(shù)，轉(zhuǎn)移農(nóng)村勞動力；(4)推進(jìn)生態(tài)移民搬遷，優(yōu)化生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制。

4 結(jié)論

2000—2019年，祁連山國家公園生態(tài)承載力較差，應(yīng)加強(qiáng)水土資源保護(hù)。環(huán)境污染、人口增加和過度放牧導(dǎo)致生態(tài)承載力下降，生態(tài)環(huán)境保護(hù)與區(qū)域經(jīng)濟(jì)綠色發(fā)展提高生態(tài)承載力。響應(yīng)子系統(tǒng)是影響生態(tài)承載力的主要障礙因素，其次是驅(qū)動力和壓力子系統(tǒng)。預(yù)計生態(tài)質(zhì)量對生態(tài)承載力的影響將降低，外部環(huán)境的影響將升高。國家公園應(yīng)納入?yún)^(qū)域發(fā)展，通過調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、減緩人口增長、提高居民生活水平和保持水土等提升生態(tài)承載力，調(diào)和自然生態(tài)環(huán)境保護(hù)與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾。