区域生态承载力综合评价及分析——以云南省易门县为例

肖　俞，李卓卿，吴学灿，王　珺，宋福强，周盈涛

(云南省环境科学研究院生态保护研究中心，云南 昆明 650034)



区域生态承载力综合评价及分析
——以云南省易门县为例

肖俞，李卓卿，吴学灿，王珺，宋福强，周盈涛

(云南省环境科学研究院生态保护研究中心，云南 昆明 650034)

摘要：基于生态压力、生态弹性力及社会生态发展水平之间的相互作用关系，利用综合评价法构建生态承载力评价指标体系，研究区域生态承载力水平，采用主成分分析法对指标进行赋权并求解易门县生态承载力水平。针对易门县主要的生态环境问题利用GIS技术并结合相关数据，对该区域矿产资源承载力、耕地承载力和森林承载力进行计算。结果显示：2005—2013年，易门县的生态承载力水平呈现先增大后减小的趋势，并在2010年恶化为超载，但是社会生态发展水平保持持续增长的态势。2015年易门县的铜矿可承载的经济能力为1200.932亿元，保证年限为23.829a；最大允许耕地面积为13100.752km2；适合天然林生长的生境面积为135470.780km2。

关键词：生态压力；生态弹性力；生态承载水平；社会生态发展水平；生态承载力；易门县

生态承载力是生态系统的自我维持、自我调节能力, 资源与环境的供容能力及其可维系的社会经济活动强度和具有一定生活水平的人口数量[1]。区域的生态承载力指某一时期某一地域某一特定的生态系统, 在确保资源的合理开发利用和生态环境良性循环发展的条件下,可持续承载的人口数量、经济强度及社会总量的能力[1-2]。区域承载力具有系统性、开放性、动态性和综合性等特点, 它除受物质基础——区域资源环境制约外, 还受区域发展水平、产业结构特点、科技水平、人口数量与素质以及人民生活质量等多种因素的影响[3]。关于区域生态承载力的研究方法较多，目前运用比较广泛的是生态足迹法[4-5]、 “驱动力—状态—响应”法[3]、植被净第一性生产力法[6-7]、状态空间法[2,8]、生态承载力综合分析法(高吉喜法)[9]。生态足迹法在考虑资源消费时只注意到资源直接消费而没有注意间接消费，并且没有体现环境质量的变化对生态系统产生的影响；“驱动力—状态—响应”往往不能够反应区域的生态承载的超载状况；植被净第一性生产力法从生物生产力角度研究生态承载力，不能反映环境质量的变化以及人类各种社会经济活动对生态承载力产生的影响；状态空间法不能得到具体的生态承载力大小，仅对是否超载做出评价，并且该方法需要选定标准参考值。运用生态承载力综合分析法既可以对区域的生态承载力水平做出评价，还可以求出具体的生态承载力值。

云南省易门县作为云南省的滇中产业集聚区在《云南省主体功能区规划》中被划定为国家级集中连片重点开发区域。重点开发区要求有一定经济基础，资源环境承载能力较强，发展潜力大，聚集人口和经济条件较好，应该重点进行工业化、城镇化开发的城市化。为了实现易门县可持续发展的目标，本研究拟采用易门县2005年、2010年和2013年相关数据进行计算，分析易门县区域生态承载力的现状、变化趋势及矿产资源、耕地资源和森林资源的生态承载力。

1研究区域与研究方法

1.1研究区域

易门县位于滇中高原西部，玉溪市西北，东经101°54′～102°18′、北纬24°27′～24°57′。全境东西横距44km，南北纵距57km，国土总面积1571km2，耕地资源面积23081.51km2，占全县土地总面积的15.12%，2013年农民人均耕地有0.198km2(2.97亩)[10]。易门县森林植被属高原亚热带北部常绿阔叶林地带，滇中、滇东高原半湿润常绿阔叶林、云南松林区中的滇中高原盆谷滇青冈林、元江栲林、云南松林亚区。全县植被可划分为半湿润常绿阔叶林、落叶阔叶林、暖温性针叶林、干热河谷稀树灌木草丛、暖性石灰岩灌丛等类型。易门县水资源总量11.086亿m3(含过境水)，人均水资源量超过6000m3，是全省水资源较丰富的县区之一[11,13]。易门县矿产资源也较丰富，特别是铜矿资源，已探明的铜金属储量81.145万t，是整个云南省重要的铜矿产区[12]。易门县主要的生态环境问题一是由于坡耕地面积大，不合理的耕种模式造成坡耕地水土流失问题较突出；二是矿山开采对森林植被破坏大，矿山生态问题突出；三是森林资源结构简单，现存植被主要是次生林和人工林，结构组成简单，生态效益不高。

1.2研究方法

1.2.1综合评价承载力模型

区域承载力可由生态承载力水平(ECL)和社会生态发展水平(EDL)来表征。区域生态承载水平(ECL)定量表征区域生态系统的承载状态，描述社会经济发展与区域生态系统协调状况，揭示人类对区域生态系统开发、利用的环境效益。区域生态发展水平(EDL)则用来衡量某一时间该区域社会、经济发展的规模、水平及其资源利用效率和排污水平等，描述人类对区域生态系统开发利用的经济效益和社会效益[15]。如果区域生态承载水平计算结果显示区域生态承载力处于可承载水平，则区域社会生态发展水平(EDL)越高，说明区域生态系统开发利用的社会、经济效益越高。区域生态承载水平(ECL)可简单分为两部分，一部分为承载媒体，另一部分为承载对象。要想确定一个区域生态系统的承载状况时，必须知道承载媒体的客观承载能力大小，被承载的压力对象的大小，然后才可以了解生态系统是否超载或是低载[9]。承载媒体的大小可用生态弹性力(ECE)来表征，承载对象则用生态压力(ECP)来表征[14]。根据上述理论及方法建立生态压力和生态弹性力评价指标体系，形成评价模型。

(1)

(2)

生态承载水平评价模型：IECL=IECE-IECP

(3)

式(1)～(3)中：IECP为生态压力指数；IECPi为生态压力指数第i类指标；IECE为生态弹性力指数；IECEi为生态弹性力指数第i类指标；IECL为生态承载水平指数；Wi为第i类指标的权重；n为评价指标总数。生态承载力评价结果以“红、绿”2个等级表示。

表1　区域生态系统生态承载力指数及其对应状态

1.2.2综合评价指标体系建立

区域生态弹性力是抵抗环境干扰带来的影响和破坏进行自我调节、自我恢复和自我延续的能力，其能力大小不仅由自然环境和资源状况提供，更重要的是受生态系统的结构与功能，以及人类的社会经济行为所制约。生态压力在实质上会破坏生态系统结构和功能，其主要表现是资源占用和环境污染的状况[15]。生态系统是一个完整的复合生态系统，在考虑生态压力时考虑总量的压力。根据生态系统生态承载力、生态压力和区域社会生态发展水平的定义及其内容，结合易门县的资源环境状况及其主要的生态环境问题，在遵循指标体系建立的代表性原则、简明易操作原则、易获性原则、综合性原则和系统性原则下，建立了易门县区域生态承载力评价指标体系[8，16-24]，如表2所示。指标值中价格的计算利用GDP平减指数换算成2012年的价格。

1.2.3研究数据来源

本研究所使用的数据包括遥感数据、地形数据和土地利用数据等。遥感数据主要包括易门县2005年、2010年和2013年DEM数据，分辨率30m×30m；TM数据，易门县林业二调的数据。资源类、环境类、经济类数据主要为二类资源清查数据、环境公报数据等，通过对现有资料进行收集和整理 。

1.2.4生态承载力计算

在区域生态承载力的评价中必须全面考虑表征生态弹性力、生态压力以及社会生态发展水平的各个指标要素。由于生态系统内部要素之间相互影响、相互制约形成了错综复杂的关系，所以选取的评价指标之间彼此有一定的相关性，因而所得的统计数据反映的信息在一定程度上有重叠。本研究应用主成分分析方法对具体指标得到易门县区域生态承载水平指数和社会生态发展水平指数，该方法可以避免因选择指标过多信息重叠而导致评价结果不准确的缺点，并且该方法的赋权方法为客观赋权，避免了人为赋权的主观因素影响，使评价结果更加真实、科学。主成分分析(principal component analysis)是将分散在一组变量上的信息，集中到某几个综合指标(主成分)上的一种探索性统计分析方法。它利用降维的思想，将多个变量化为少数几个互不相关的主成分，从而描述数据集的内部结构，其数据标准化方法是直线式中的Z值得分法，在数据标准化时负向指标首先取倒数转换成正向指标再进行指标数据的标准化[24]。

⑴ 成分提取

通过运用 SPSS17.0软件对易门县区域生态弹性力指数、生态压力指数和社会生态发展水平标准化数据分别进行主成份分析，得到3个指数的方差分解主成分提取分析表。 根据初始特征根> 1 的原则，分别对3个指数提取2/1个主成分，如表3所示。

表2　区域生态系统生态承载力评价指标

(2)易门县生态承载力计算

将得到的特征向量与标准化后生态弹性力、生态压力和社会生态发展水平各指标的数据相乘就可以得出主成分得分值。最后，以每个主成分所对应的特征值占所提取主成分总的特征值之和的比例作为权重，就可以计算出易门县生态承载水平指数和社会发展水平指数，其结果见表4。生态承载力等水平变化趋势如图1所示。

表3　主成分因子的方差贡献率分析表

表4　生态承载力计算结果

2结果与分析

2.1生态承载水平分析

对比2005、2010、2013年易门县生态承载水平指数，其结果显示易门县生态承载水平呈现先降低后提高的趋势，这与生态弹性力变化的趋势是一致的。2005年的生态承载水平是可承载的区域的发展处于一种可持续发展状态。到了2010年，该区域的生态承载水平进一步降低，区域生态承载力超载，生态系统处于一种失衡的状态。

易门县生态承载水平降低的主要原因是生态压力的迅速增大。2005—2013年，易门县坚持走“工业富县”的路子，工业占GDP比重从2005年的35.52%持续增长到2013年的48.8%，工业类型主要以钢、铁和陶瓷水泥等污染较大的类型为主，排放的污染物逐年大幅度增加。同时工业用水量也大大增加，从2005年的970万m3增加到2013年的1800万m3。矿业开发强度的增大和耕地以及建设用地的进一步开发也增加了对生态系统资源承载力的压力。与之相对应的土地胁迫压力增大，其带来的水土流失面积也随之增大。总之，2005—2013年，易门县的社会经济发展无论从资源的承载力还是环境的承载力上都给易门县带来了越来越大的压力。

易门县生态承载水平降低的另外一个原因归咎于生态弹性力的减小。易门县生态系统的弹性力2005—2013年呈现出先减小后增大的趋势。2010年生态弹性力最小，其主要原因是2010年云南遭遇了百年一遇的大旱，气温和降水与常年值(1971—2013年)相比变化较大，在一定程度上影响了生态系统的稳定性，使其弹性力受到了影响。干旱使得易门县生境质量和植被覆盖率降低，生态弹性力减小。 “十二五”期间，易门县响应“可持续发展”的战略方针和生态文明建设的指导方案。在此期间，该区域增加了教育和环境保护的投资，加大了退耕还林和公益林管护，从而增加了生态稳定性，提高了生态系统的生态弹性力。

从计算分析结果来看，虽然2013年生态弹性力相比2005年和2010年都增大了，但其增加的幅度没有生态压力增加的幅度大，所以最终的计算结果是2013年易门县生态承载水平超载。由此看来，为了实现易门县社会经济的可持续发展，易门县首先应该制定土地资源节约、集约利用方案，实施最严格的耕地保护制度和节约用地制度，积极创建“国土资源节约集约模范县”。以城镇、工业、旅游用地为主，加快推进低丘缓坡土地综合开发利用试点项目，大力推进“工业上山、城镇上山”。建设完成节地型和紧凑型城镇；其次制定“易门县最严格水资源管理制度实施办法”及水资源开发利用控制、用水效率控制、水功能区限制纳污“三条红线”指标。进一步提高旱作农业节水灌溉水平，扩大节水灌溉示范面积。提高水资源重复利用率，降低工业新鲜水耗。再次实施总量控制和减排，加强对减排企业的监管，同时，提高工业园区的环保准入水平，尽量减少污染型企业进入工业园区。最后，易门县应加大环保投资比重，加大治理水土流失及矿山的恢复力度，加大退耕还林和公益林管护的力度，增加易门县生态系统的稳定性，提高生态系统的弹性力。

2.2生态发展水平分析

2005—2013年，易门县的社会生态发展水平是显著提高的，说明人类对区域生态系统开发利用的经济效益和社会效益也是逐年提高的。随着科学技术水平的提高，第三产业比重、经济密度、人均GDP和城市化率得到长足的提高，随着GDP的增长和人民生活水平的提高，城市恩格尔系数也逐年呈大幅度降低的趋势。计划生育的政策实施后，人口增长率得到削减，从而使易门县人口密度得到了削减。总之，由于科技水平的提高，易门县社会生态发展水平呈现逐年提高的趋势。

2.3矿产资源承载力分析

目前对矿产资源承载力的研究主要从人口承载力和经济承载力两个方面评价。矿产资源人口承载力是指在一定的社会经济条件下,一定区域的矿产资源存量用间接的方式可以维持人类消费的人口数量。而人类对矿产资源的消费主要是间接消费,即生产消费。矿产资源消费数量的大小主要取决于生产规模或经济规模。所以矿产资源人口承载力实际上由矿产资源经济承载力决定。鉴于此,本研究选择评价矿产资源经济承载力[19]。通过两个途径评价重点矿业经济区的矿产资源经济承载力。①直接测算矿产资源的经济承载力。矿产资源经济承载力是指在一定时期内某种矿产资源的剩余可采储量所能支撑的经济规模。计算公式为:CE=R/RG。式中:CE为矿产资源经济承载力，值越大表示矿产资源对经济的承载力越大；R为某一时期矿产资源剩余可采储量；RG为单位国民生产总值矿产资源消费量。②测算矿产资源保证年限。矿产资源保证年限是指某一时期的矿产资源剩余可采储量可以维持当前的生产消费规模的年限。计算公式为:Y=R/C。式中:Y为矿产资源保证年限；R为矿产资源剩余可采储量；C为当前的矿产资源年消费量[19-20]。

玉溪市易门县矿产资源勘察显示：2007年易门县铜金属储量为78.869万t，规划到2015年，由于提升了资源勘察技术，易门县的铜矿资源储量将在2007年基础上增加10万t，即2015年易门县铜金属储量将达到88.869万t。2013年易门县铜金属的单位GDP消耗量为0.074t/万元[25]。按照2013年的资源消耗水平，截止2015年易门县的铜矿资源可承载的经济能力为1200.932亿元，从2015年起，易门县铜矿资源的保证年限为23.829a。

2.4耕地承载力分析

根据以往的研究，耕地承载力最好的衡量指标是最大允许耕地面积。最大耕地面积决定于水资源条件和土壤侵蚀等限制因素。其中水资源条件是首要限制因素。根据公式A=W/I(A为最大耕地面积，W为农业用水量，I为单位面积耕地用水定额)，可以计算出水资源限制条件下的允许耕地开垦面积。其次，土壤侵蚀也是耕地开垦限制的重要条件，而水土流失主要跟地形坡度有关。根据以往研究，15°以上的坡地，水土流失的可能性将大大增加[15]。易门县水土流失的问题也比较严重，在进行耕地承载力的计算时应该将水土流失影响面积剔除。

易门县丰水年除工业用水、生活用水外，农业可供水量为1.291亿m3，枯水年为0.724亿m3，易门县农业额定用水定额平均为6750m3/km2，则丰水年易门县在水资源限制条件下最大允许耕地面积为19125.926km2,枯水年为10725.926km2，本研究取枯水年数据[25]。

将易门县土地利用类型图与坡度图进行叠加剔除坡度>15°的坡地，考虑到易门县水土流失严重的问题，将坡度<15°的土地利用类型图与易门县水土流失侵蚀图叠加剔除中度和重度水土流失土地。按照2013年的土地利用情况，易门县在坡度和水土流失条件制约下最大允许开垦的耕地面积为13100.7522km2。

综合考虑水资源、坡度及水土流失问题的限制，易门县最大允许开垦的耕地面积为10725.926km2，均匀分布在整个易门县，如图2所示。

2.5森林承载力分析

易门县的天然林主要生态系统服务功能为土壤保持和水源涵养，但林分结构较为简单，云南松和油杉所占比重较高，森林生态系统服务效益较低。为提高易门县森林生态效益，应补种其他具有水土保持和水源涵养功能的树种，如杂灌、小石积、栎类和其他阔叶林等。从自然保护的角度看，森林面积应该尽可能大，但是满足具有良好生态功能的森林生长的生境是有限的[15]。本研究通过分析计算易门县适合具有良好生态效益的天然林生长的生境面积来计算其森林的生态承载力。

经过分析，易门县适合杂灌、小石积、栎类和其他阔叶林等天然林生长的生境较为广泛，条件是海拔1059～2536m，坡度为6°～46°。将符合条件的森林植被覆盖图与土地利用类型图叠加剔除不能进行植树的采矿用地、建设用地、河流水库和滩地等土地利用类型。经过叠图计算易门县适合杂灌、小石积、栎类和其他阔叶林等天然林生长的生境面积为135470.780km2，这些生境均匀分布于整个易门县，如图3所示。易门县有较好的恢复原生植被的潜力。

3小结与讨论

本研究以生态弹性力和生态压力为切入点，充分考虑人的能动作用和政策制定的影响，制定综合评价指标对易门县的生态承载水平和生态发展水平进行评估，并结合GIS技术手段估算出易门县铜矿资源的承载力、最大允许开垦的耕地面积和范围、易门县最适合具有较好生态效益的原生森林的生境面积及范围。

(1)对易门县2005、2010和2013年的生态承载水平的计算显示易门县生态承载水平呈现先减小后增大的趋势。原因是地区社会经济发展使得生态压力大幅度增加，而生态弹性力由于气候和人为的原因在2010年达到最小，导致2010年生态承载力最低。“十二五”期间由于环保投资的加大和生态环保措施的执行，使得生态承载力水平有缓慢提高。

(2)遴选社会和经济指标对生态发展水平进行评价，揭示了易门县2005—2013年生态发展水平是逐年提高的，说明易门县利用生态系统的经济效率和社会效率是逐年提高的。其原因也该归功于科技的发展带来的经济的发展。

(3)矿产资源消费数量的大小主要取决于生产规模或经济规模，其人口承载力实际上由矿产资源经济承载力决定。本研究利用相关规划数据和年鉴数据计算出易门县2015年铜矿资源可承载的经济能力为1200.932亿元，可保证年限为23.829a。虽然本研究对易门县2015年的铜矿资源承载力进行了估算，但是矿产资源的储量由于资源勘察能力的变化，每年的储量数据是不一致的。尽管如此，一个地区的矿产资源不是取之不尽用之不竭的。所以矿产资源开发地区应该每年进行矿产资源承载力的评估，以判断对矿产资源的开采是否过量，是否会导致矿产资源的提早枯竭而让整个地区的发展陷入绝境。

(4)本研究利用GIS手段，综合考虑水资源和地形因素，计算出易门县最大允许开垦耕地面积为10725.926km2。实际上除了水资源和水土流失这两个因素，限制耕地开垦的因素还有很多，例如沙化和石漠化的限制，此外每个地区在考虑发展时应该留有一定的林地保有量。在充分考虑上述因素时才能评估一个地区的允许最大开垦的耕地面积。所以，本研究计算出的易门县的最大允许开垦的耕地数量是偏大的。

(5)本研究利用GIS手段对易门县适合杂灌、小石积、栎类和其他阔叶林等天然林生长的生境面积进行计算，为135470.780km2。本研究中考虑的因素为海拔和坡度，但在一个县级行政区域里面还有坡相、土壤等因素，所以本研究计算出的生境面积偏大。希望后续有更好的工作团队能够将计算森林生态承载力的工作做得更加完善和细致。

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The Comprehensive Evaluation and Analysis of Regional Ecological Carrying Capacity--Taking Yi Men County as a Case

XIAO Yu, LI Zhuo-qing, WU Xue-can, WANG Jun, SONG Fu-qing, ZHOU Ying-tao

(Yunnan Institute of Environment Science, Kunming Yunnan 650034 ,China)

Abstract：Ecological Pressure, ecological elasticity and ecological development level are the three important forces affecting ecosystem. Based on the relationship among them, an index system was established using the method of comprehensive evaluation to weight the indices to evaluate the ecological carrying capacity of Yi Men County. Based on the ecological problem of Yi Men County, ecological carrying capacity of mineral resources, farmland and forest were calculated with the aid of the GIS technology and the relevant data. The results showed that the ecological carrying level of Yi Men County firstly increases and then decreases from 2005 to 2013, and it overloaded in 2010. However the social ecological development demonstrated a rising trend. The economic carrying capacity of copper resource in 2015 will be 120.0932 billion Yuan, the guarantee time of copper resource will be 23.829 years; The maximum allowable cultivated land area will be 13,100.752 hm2；The habitat area suitable for the growth of the natural forest will be 135,470.780 hm2.

Key words：ecological pressure; ecological elasticity; ecological carrying level; ecological development level; ecological carrying capacity; Yi Men County

中图分类号：X821

文献标志码：A

文章编号：1673-9655(2016)01-0067-08

收稿日期：2015-09-09