环境承载力分析方法及应用实例

王同桂，肖剑波

（1.重庆市主要污染物排放权交易管理中心，重庆401147；2.重庆大学 环境科学系，重庆400044）

1 引言

承载力（Carrying Capacity）是一个生态学概念，其极限思想可以追溯至马尔萨斯的人口理论，于19世纪末期开始被广泛地应用于畜牧场管理，随后被野生动物学家采用并逐渐写入生态学教材［1］。Park等提出了生态学领域的承载力概念。20世纪50年代，著名生态学家E Odum将承载力定义为某一生境（Habitat）所能支持的特定物种的最大数量［2～4］。环境容量的概念于1968年被日本学者引入到环境科学中，这是环境承载力概念的雏形［5］。

环境承载力由承载力概念进一步发展而来。目前为止，大量环境承载力的理论及实例研究见诸文献，但对于环境承载力仍未给予统一的定义。Arrow等［6］指出生态恢复力在承载力表述中的重要作用；王家骥等和高进喜先后提出生态承载力的不同概念［7，8］，使承载力内涵进一步丰富。《中国大百科全书·环境科学》给出了关于环境承载力的定义，认为环境承载力指的是“在维持环境系统功能与结构不发生变化的前提下，整个地球生物圈或某一区域所能承受的人类作用在速度、规模和强度的限值［9］。此外，承载力还拓展到与人类息息相关的其他领域，如旅游承载力、资源环境承载力、城市承载力、社会承载力等研究领域。

人类生存和发展的环境是一个大系统，既为人类活动提供空间和载体，又为人类活动提供资源并容纳废弃物。狭义的环境承载力，通常被认为是环境容量承载力，即“某一时期，某状态或条件下，某地区的自然环境所能承受的人类排放污染物的阈值”［10］。环境承载力是人类生态学视角下的生态承载力，刘仁志［11］认为环境承载力是指“在维持环境系统结构和功能不发生不利变化的前提下，一定时空范围的环境系统在资源供给、环境纳污和生态服务方面对人类社会经济活动支持能力的阈值”。环境承载力作为环境系统自身的一种客观属性，能够表征系统结构和功能，包括其对资源需求、环境需求和生态需求的支持能力。因此，环境承载力具有资源、环境、社会、生态等多维内涵。本文对目前环境承载力的量化方法进行了总结和分析对比，并梳理了一些定量计算环境承载力的案例，以期为有关实践提供参考，进一步将环境承载力的理论应用于环境规划管理的实践中去。

2 环境承载力定量化方法

就目前而言，对于环境承载力的研究仍然以实证研究为主，其中大部分文献是基于调查问卷、实地调研等研究方法，以某一国家或某一区域为研究对象，结合具体的评价方法，对其资源环境承载力进行单因素或多因素的综合评价［12］。承载力的定量化方法多种多样，如生态足迹法、能值分析法、灰色系统分析法、系统动力学法、指标体系法等，以及在以上方法基础上进行改进和综合使用。此外，值得一提的是，曾维华等［13］综合了指数评价法和承载率评价法这两种方法，并通过有机结合内梅罗指数法，提出了环境承载力综合指数法，该方法可以克服指数评价法中的缺点，一方面能够去除主观因素所产生的偏差，还能反映出某区域环境发展现状与设定的目标值之间的差距，且能直观地量化环境承载力，是一种较全面的方法。

2.1 概念模型法

概念模糊法以资源为基础，强调从承载力理论的基本原理出发，经过严谨的逻辑思维而形成，仅作为一种指导性的定量化思想，很难辅以具体的实例进行验证。概念模型法以人口与经济、资源的环境承载力模型即P－E－R模型最具代表性，其中P代表人口，E代表经济，R代表资源［14］。

2.2 生态足迹法

生态足迹（Ecological Footprint）是由加拿大人William E.Rees提出，之后得到不断完善和发展。生态足迹法通过估算面积，比较给定地区的生物承载力，进而衡量区域的可持续发展状况。

此方法简便直观，谢红霞等［15］利用该法对西安的生态承载量进行了研究分析，但也存在较大的缺陷和不足，主要表现为不具备动态性和预测性［16］。后来，研究学者考虑增加时间序列，用以计算多年的生态足迹来解决该问题。Haberl等［17］和Erb［18］分别以长时间段生态足迹计算方法和修正生态足迹模型，计算了奥地利1926～1995年的生态足迹及1926～2000年的“实际土地需求”；Wackernagel等［19］（2004）也做了相关研究，分别采用年平均产量和当地实际年平均产量得到生态足迹及“实际土地需求”，并作出了比较和分析。

2.3 灰色系统分析法

邓聚龙教授创建的灰色系统分析法，主要涵盖灰色关联分析法、灰色系统建模理论、灰色决策、预测与规划方法等［21］。由于存在较大的不确定性，人们多在水资源的研究用到该法。该法研究对象主要是 “部分信息已知”的“小样本”等不确定性系统，通过对“部分”已知信息的生成、开发和提取，实现对系统行为、演化规律的描述和监控。该法分析建模时，利用数量不多的数据信息，确定各相关因素间的关系并建立模型。

2.4 系统动力学方法

系统动力学法由麻省理工学院Forrester J W创立，用以研究信息反馈系统［20］。此方法通过建立模型，研究各个变量的相互作用关系。在环境承载力的研究中，通过调整指标体系，运用系统动力学模型对拟定的不同发展模式进行模拟和预测，寻找最低承载力所对应的最佳发展模式。在量化环境承载力的各类方法中，系统动力学应用较多。该法主要用于对系统进行的动态模拟和预测，关注系统内部各因子之间的各种反馈关系。但同时，该法也存在模型复杂、模型构建困难的缺陷和不足，不利于进行长期模拟和分析。

2.5 能值分析法

能值分析理论和方法是美国生态学家H T Odum于20世纪80年代创立的分析方法［14，22］。能值分析以能值作为度量标准，将生态系统内流动和储存的各种不同种类的能量和物质转换成同一标准。能值分析常用太阳能值来衡量物质和能量的大小。Campbell（1988）利用能值分析法研究了美国因缅因州的承载力、发展的可持续性。2001年，弗罗里达大学的两名研究学者根据地区环境资源的能值分析，得到了评估经济发展的一种包括长期、短期承载力的量化方法。长期承载力也称之为可更新承载力，通过可更新的能值进行运算，短期承载力由环境负载比率即不可更新的能值与可更新的能值之比来表示。我国学者严茂超、B Chen和G Q等也先后采用能值研究承载力。能值分析法克服了承载力各项指标的量纲差异问题，量化结果也避免了因同一量纲造成的误差，但计算资源、产品和劳务的能值转换率需要对整个相关系统进行能值分析，非常复杂且难度很大。但能值转换系数的高度不确定性，导致对能值转换系数存在着较大争议。

2.6 指标体系法

指标体系法是一种应用较广的量化手段，可以方便地和其他方法结合使用，主要有单要素加权法、向量模法、模糊综合评价法和层次分析法等［14，22］。

单要素加权法首先构建由发展变量和限制变量组成的指标体系，然后赋予各项指标一定的权重系数进行加和［式（5）］。向量模法将承载力视为一个由n个指标构成的向量，设有m个发展方案或m个发展状态，对m个承载力的n个指标归一化，得到的向量的模即为相应的承载力。模糊综合评价法的模型为：给定两个有限论域U＝｜u1，u2，u3，…，um｜（评价因素集）和V＝｜v1，v2，v3，…，vn｜（评语集），通过模糊变换B＝A·R（A为模糊权向量，R为各因素对评语V的隶属度Rij构成模糊关系矩阵）与合成运算，得出评价对象对各评价等级的隶属度。层次分析法是将承载力核算总是有关的因素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础上进行定性和定量分析的方法。该方法的特点是在承载力的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上，利用较少的定量信息使承载力核算过程数学化和结构化。总的来看，包括模糊分析在内的指标体系法都是静态研究方法，主要特点是将人口作为外生变量，不考虑人口对经济生产的反馈，忽略人口、经济和资源系统之间的动态关系，因而指导性和操作性不强。

式中：Ii为单要素环境承载力；Wi为响应要素的权值。

3 环境承载力的实际应用

3.1 区域资源环境承载力

随着资源环境承载力评价方法研究的开展与不断深入，基于区域资源环境承载力的研究越来越多，特别是新近的对于城市群资源环境承载力的评价，城市群在推动我国工业化和城镇化快速发展的同时，已成为资源短缺、环境污染、生态破坏等问题高度集中的地区［23～25］。

王金南等［24］对长江三角洲城市水资源承载力进行评估，结果显示2005～2010年，长三角半数城市承载力状态改善明显，但仍有7个城市处于危机状态。江苏省内城市和上海位于长江沿岸和太湖北岸东岸，承载力状况多为危机状态；浙江省内城市位于太湖以南和钱塘江沿岸，承载力状况为良好或一般状态，显著好于江苏省内城市和上海市。

陆建芬［26］利用改进的Topsis法，重新设定权重和指标体系，整个指标体系包括经济发展力和资源环境承载力两个系统共23项指标，对安徽淮河流域资源环境承载力进行了评价。评价结果显示，资源环境承载力排名：六安＞滁州＞宿州＞亳州＞蚌埠＞淮北＞阜阳＞淮南。经济发展力的排名则与之大致相反，表现为资源环境承载力强的城市，其经济发展力相对较弱。造成该种现象的原因，被认为是，淮河流域的水资源的极度缺乏，供需矛盾大，矿产等非可再生资源的分布不均，高耗能产业占有较大比重等。

3.2 城市资源环境承载力

城市的资源环境承载力日益受到关注，城市资源日益减少，环境日益恶劣，人类的生存与发展面临严峻考验。针对城市资源环境承载力的评价，主要针对生态型新城区、依赖矿产资源发展经济的城市进行评价［23，27］。

刘晓丽等［25］认为城市群将作为中国经济发展的引擎，尤其是京津冀 、长三角、珠三角形成的城市群将主导中国经济的发展；城市群所造成的生态环境问题愈发地呈现出显著性、区域性、复杂性的特征，今后城市群资源环境承载力研究将趋向于多因素复合型的动态研究。

陈海波等［27］等通过构建目标层（资源环境承载力）、准则层（承载力）两个评价体系及要素层四指标（自然资源承载力、社会经济资源承载力、自然环境承载力和社会经济环境承载力），对江苏省城市资源环境承载力作出了评价，从复合排名看，南京、苏州、无锡聚为第一梯队；常州、扬州、徐州、南通、镇江聚为第二梯队；连云港、淮安、盐城、宿迁、泰州五个城市聚为第三梯队；在资源承载力方面，南京、苏州、无锡的三个城市的资源承载力排名靠前，淮安、连云港和宿迁四个城市的排名较靠后。

白宏涛等［28］认为土地承载力应该是一定的技术条件下，特定的时间和区域内，土地资源对人口、社会活动的支撑能力；土地的资源承载力要以生态保护和布局调整为出发点，要以优化策略为目的，要紧密围绕人口容量、产业发展和生态战略的战略环境评价（SEA）来进行分析和评价。

通过评价资源环境承载力进而得出其优劣程度，资料显示资源环境承载力的主要在环渤海地区、长江三角洲、京津冀等经济相对发达或资源相对丰富的地区得到了应用，各区域资源环境承载力如表2所示。

表2 各区域的资源环境承载力排名

4 结语

有关于环境承载力的研究呈现出快速增长的趋势，研究内容也越来越具体充实，而不再仅仅停留在综述和理论研究。环境承载力在定量评价方面，尤其是国内学者，以生态足迹法为主要研究方法，诸多学者［29，30］研究分析表明，简单地运用生态足迹法并不能够全面而准确地计算和评价某一国家或地区的环境承载力。目前对于环境承载力的研究仍然缺乏能够同时描述环境承载力客观性、区域性及动态性的科学、系统的指标体系，并且缺乏统一确切的资源环境承载力评价指标体系，评价方法也缺乏创新性。在模型构建方面，主导的资源环境承载力评价模型还未能出现。今后，还需要从事环境承载力研究的研究人员结合实际研究对象的特点，按照可持续发展的思路，充分运用数学、环境学等相关学科理论，逐步建立和完善动态且准确的环境承载力定量评价方法体系。

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