基于改进层次分析法的四川省生态承载力评价

杨 谦1a,刑立文2,赵 璐

(1.四川大学 a.公共管理学院;b.水利水电学院,四川 成都 610065;2.山西省水利水电科学研究院,山西 太原030002)

1 引言

1921年美国Park、Burgess首次提出了生态承载力概念,它是指在某一特定的环境条件下(生物群落和无机环境组成的空间),某种生物个体存在的数量极限[1],也称为“生态容量”。Costanza[2]、Wackernagel[3]等认为生态承载力的研究应建立在涵盖自然资源、环境和社会经济等多种因素的复杂生态系统之上。我国高吉喜[4]、王家骥[5]、毛汉英[6]等从多种角度对生态承载力的概念进行界定,认为它作为一个“自然—经济—社会”复杂系统,内容上体现在三个方面。即生态系统具有的对外界变化进行自我维持和调节的生态弹性力,环境治理、社会进步和经济发展给承载媒体提供的支撑力,人类活动和社会经济生产活动对生态系统产生的压力。作为衡量区域经济社会协调发展程度、生态环境可持续发展能力的重要依据,生态承载力已成为国内外学者的研究热点[7-9]。

随着生态承载力理论研究的不断深入,生态承载力的量化方法也呈现出多元化、系统化的特点,如生态足迹法[7,10]、能值分析法[11]、基于层析分析法确定权重的指标法[8]等;研究范围囊括了流域[12]、湖泊[13]、城市群[14,15]等;研究尺度有基于省域[7]和市域[8]空间尺度的研究,也有针对时间节点[15]、时间段[7]进行的时间尺度的研究;研究对象涵盖了水域环境[16]、土地资源[17]和矿产资源[6,18]等。但多数学者单从生态承载力的某一个方面进行评价,如生态弹性力、资源承载力或环境承载力,较少综合考虑区域生态环境、资源、社会和经济发展,且少有研究分析承载力变化的趋势及影响因素。

结合已有研究,本文通过构建较为完整的生态承载力综合评价指标体系,利用改进层次分析法对评价指标进行赋权,对四川省生态承载力进行综合评价并分析其变化趋势和影响因素,以期为四川省生态文明建设和经济的可持续发展提供可供参考的理论依据。

2 研究区概况

四川省位于我国西南地区,地处长江上游,介于92°21′—108°12′E、26°03′—34°19′N,全省面积48.5万km2,居全国第五位。四川省气候类型多样、降水充沛,年降水量1000—1200mm,丰富的降水形成众多河流,素有“千河之首”之称；省内自然资源丰富、能源种类多样。四川西部为高原、山地,东部为盆地和丘陵,山地是四川的主体地貌,占77.2%,广袤的面积和多样的地貌造就了四川多样的风土人情、丰富的生物资源和独特的自然景观,旅游资源丰富。2016年四川省GDP总量达到32680.5亿元,位居全国第六位(未包含香港和澳门特别行政区、台湾地区，下同),GDP增速为7.7%。

3 研究方法

3.1 评价指标体系

本文根据参考文献[6,8,15]并结合四川省的数据资料,将四川省生态承载力评价体系分为4个层面(表1),依次为目标层、准则层、因素层和指标层。目标层为生态承载力；准则层包括生态弹性力、承载媒体的支撑力、承载对象的压力3个方面；因素层包括气候、水文、环境治理和投资、社会进步、经济发展、环境污染、人口压力等10个影响因素；指标层是选定的具体指标,包含年降雨量、工业废水排放达标率、人口密度、城市居民最低生活保障人数、普通高等学校本专科毕业生人数、固定资产投资率、城乡居民养老保险覆盖人数、非农业人口占总人口比重等33项具体指标,评价指标体系见表1。

表1 四川省生态承载力评价指标体系

3.2 数据标准化

根据属性不同将研究指标分为效益型和成本型。效益型指标的值越大越有利,成本型指标值则相反。生态弹性力和支撑力属于效益型指标,压力属于成本型指标。为了将各评价指标量纲统一,同时考虑效益型指标和成本型指标的特点,本文采用极差标准化方法进行归一化处理。

效益型指标的标准化方法:

(1)

成本型指标的标准化方法:

(2)

3.3 改进层次分析法

层次分析法是将系统涉及的相关要素按性质及目标要求构建成一个各要素间、要素集合间相互关联的有序层次结构,以作为优化决策依据的一种分析方法[19]。使用层次分析法进行指标相对重要性评价时,通常采用九标度法,但本文构建的评价体系较复杂,在专家进行指标重要性评判时容易出现不确定、偏差大、计算量大的弊端[20],因此本文采用三标度法[20]。针对传统的层次分析法构建的判断矩阵不满足一致性条件,需要检验和修正计算精度不高的问题,本文将特征向量法与行归一法、方根法结合使用,解决了原层次分析法中判断矩阵的一致性问题,提高了收敛速度和精度[21]。

建立比较矩阵K:为了易于各层指标之间进行重要性比较,提高比较结果的客观性,通过专家打分,采用三标度法对各个层次的指标进行两两比较得到比较矩阵K:

k11k12…k1j…k1nk21k22…k2j…k2n︙︙⋱︙︙︙ki1ki2…kij…kinkn1kn2…knj…knn

(3)

式中,kij为比较矩阵中因素i与j的比较值:

(4)

3.4 构建评价模型

生态弹性力指数的计算式为:

EEC=∑Rij×Wi(i=1,2,3，…，12;j=1,2,3)

(5)

承载媒体支撑力指数的的计算式为:

CCC=∑Rij×Wi(i=1,2,3，…，12;j=1,2,3，…，15)

(6)

承载对象压力指数的计算式为:

′CCP=∑Rij×Wi(i=1,2,3，…，12;j=1,2,3，…，15)

(7)

式中,EEC为生态弹性力指数;Rij为指标标准化值;Wi为权重值;CCC代表承载媒体支撑力指数;CCP代表承载对象压力指数,其他符号同前。EEC和CCC越大,说明生态弹性力及承载媒体的支撑力越大；CCP越大,说明生态系统所承受的压力越小。对各子项评价结果进行加权求和,可得生态承载力指数ECC:

ECC=∑Ai×Wi(i=1,2,3)

(8)

式中，Ai为子项i的评价结果指数；Wi为权重。

4 结果分析

4.1 指标层权重结果

以准则层为例,根据式(3)、式(4)得生态弹性力、承载媒体的支撑力、承载对象的压力三个指标的比较矩阵Ku:

0.51100.50000.5

(9)

根据以上得到矩阵Ku的互补型判断矩阵Ru:

0.50.750.750.250.50.50.250.50.5

(10)

同时利用方根法求得矩阵Ru的排序向量W(0)=(0.4522,0.279,0.279)T。根据以上步骤将Ru变换为互反型矩阵):

1330.3333110.333311

(11)

将W(0)作为特征值法的迭代初值V(0),并根据以上步骤,经过三次迭代之后求得满足精度的最终权重排序向量W(3)=(0.6,0.2,0.2)T。利用同样的方法,构建因素层和指标层各指标间的比较矩阵,计算互补型判断矩阵的排序向量,并分别以因素层、指标层各指标间互补型判断矩阵的排序向量为迭代初值,计算迭代后的排序向量并得到最终权重,计算结果见表2。准则层中,生态弹性力、承载媒体的支撑力、承载对象的压力所占权重分别为0.6、0.2、0.2,弹性力对生态承载力影响最大。因素层中,在影响生态弹性力的三个因素内,气候与水文权重均为0.4286,地物覆被占0.1429,气候和水文对生态弹性力有决定性影响;承载媒体的支撑力评价体系中,经济发展权重最大,为0.5954;在影响承载对象压力的各因素中,经济增长权重为0.4952,表明经济增长对承载对象的压力影响最大。

表2 四川省生态承载力各评价指标权重

4.2 生态承载力

对指标层数据进行了标准化,并根据构建的评价模型计算了四川省2005—2016年生态承载力目标层和准则层各指标的指数,见表3。

表3 四川省生态承载力各年度指数

四川省生态承载力指数变化趋势见图1。2005—2016年生态承载力指数整体呈逐渐上升趋势,趋势线斜率为0.0457,表明在2005—2016年承载力指数以4.57%/a的平均相对速率增长,从2005年的0.590增加到2016年的0.709,增长了20.17%。但承载力指数波动较大,稳定性欠佳,2006年和2011年明显下降，分别下降了75.93%和40.06%。

图1 生态承载力指数变化趋势

4.3 生态弹性力

四川省准则层指数变化趋势见图2,生态弹性力指标层指数变化趋势见图3。从图2可以看出生态弹性力总体呈波动上升趋势,各年份之间的差异较大。四川省生态弹性力指数2006年和2011年分别为0.024和0.357,2012年较高,达0.866。从图3可见,四川省2005—2016年的森林覆盖率不断提高,有利于增强四川省的生态弹性力。2006年和2011年受持续高温干旱天气影响,四川省各市(州)均遭受了不同程度的干旱灾害[22,23]。四川省的水资源主要来源于天然降水[24,25]。由于干旱,降雨对地表水和地下水的补给作用不足,2006年和2011年的水资源总量分别仅为1861.0亿m3和2240.2亿m3,水资源总量明显下降,导致四川省生态弹性力在2006年和2011年出现明显下降。可见,水资源稳定性不足导致四川省生态弹性力剧烈波动,干旱对四川省生态承载力影响较大。水资源管理规划已成为制约四川省生态承载力稳定的重要因素。

图2 生态弹性力、支撑力、压力指数变化趋势

图3 生态弹性力指标层指数变化趋势

4.4 承载媒体的支撑力

2005—2016年四川省承载媒体的支撑力指数呈整体上升趋势,指数从2005年的0.140提高到2016年的0.988,2010年以后支撑力指数有加速增长趋势(图2),表明四川省支撑力越来越强。四川省承载媒体支撑力指标层指数变化趋势见图4。

图4 承载媒体的支撑力指标层指数变化趋势

从图4可见,社会进步和经济发展从2010年开始加速增长,环境治理和投资则增长缓慢。社会进步指数由2005年的0.13增加到2016年的1。分析原因可以发现,城乡居民收入水平、城乡居民养老保险覆盖人数、每1000人拥有的医院床位数和普通高等学校本专科毕业生人数4项指标均呈倍数增长,2016年达到10年来的最大值。其中,城乡居民养老保险覆盖人数从2005年的562.4万人增加到2016年的3052.4万人,增长了4.4倍。

在影响经济发展的各个因素中,人均GDP的权重为0.495,社会消费品零售额的权重为0.154,两者对经济发展有较强的促进作用。环境治理与投资方面,工业废水排放达标率等环境治理工作不断进步,特别是生活垃圾的无害化处理率从51.2%增长到98.6%,提高了47%。四川省环境污染治理投资占GDP的比例,2005年为1.1%,2005—2011年下降到0.52%,2014年达到1%。从绝对化数量来说,四川省环境污染治理的总投资不断增长,但并没有随着经济发展保持正向增长的趋势,对环境治理的投资应加大。此外,第三产业占GDP比重增长缓慢低于我国的平均水平。因此,四川省需要协调环境治理与经济发展之间的关系,加大产业调整力度,大力发展第三产业和新兴产业。

4.5 承载对象的压力

压力指数越大表示承载对象的实际压力越小,因此承载对象的实际压力与压力指数变化趋势相反。2005—2016年,四川省承载对象压力指数整体呈上升趋势(图2)。2005年压力指数为0.459,2008年达到最高值0.684,2009年达到最低值0.4,承载对象的压力达到最大。从2011年开始,承载对象的压力指数持续增长,压力不断减轻。此外,2011年前压力指数一直高于支撑力指数,从2011年开始支撑力指数高于压力指数,并出现差值扩大趋势,表明四川省的生态环境有所改善。

从图5可见,四川省人口压力指数以2010年为转折点，由波动上升转为连续下降,人口压力有上升趋势。研究期内,四川省失业率呈逐步下降趋势,但城市居民最低生活保障人数规模庞大,财政负担沉重。人口自然增长率2010年为2.31‰,2011年增长到2.98‰,2013年突破3‰,2016年增长到3.49‰,人口总量增长对资源的需求不断加大。资源损耗指数整体呈增长趋势,2014年和2016年出现明显下跌,资源损耗趋于降低,但不稳定。2005—2016年环境污染指数整体呈波动上升趋势,资源浪费和环境污染问题有所缓解。四川省工业废水、二氧化硫排放量明显降低,而工业固体废弃物逐年增加,因此进行工业固体废弃物的再利用和无害化处理是今后四川省治理环境污染的一项重要工作。

图5 承载对象的压力指标层指数变化趋势

2005—2016年四川省经济增长指数呈“V”形,受金融危机的影响,经济增长指数2008—2010年持续下跌,2011年开始回升,并有加速增长趋势。值得注意的是,近年来四川省固定资产投资率从2005年的47.1%提升到2009年的84.9%,尤其是2009年比2008年同比增长了24%,这可能是受到汶川地震灾后重建投资的影响。2010年和2011年有明显回落的趋势,2012年重新回升到80%以上的水平。除2005年外,研究期内其他年份的指数均高于全国平均水平。国际水平的固定资产投资率一般维持在18%—25%,不超过30%,即使处于特殊时期的发展中国家也不宜长期维持过高水平[26],四川省固定资产投资率有明显过高的态势。此外,四川省固定资产投资效果系数整体下降,2014年低到9.1%,高投资、低收益的现状亟待转变,应加大对创新和民生领域的固定资产投资。

5 讨论与结论

5.1 讨论

徐中民[27,28]对我国各省1999年生态足迹的研究结果表明,四川省生态足迹高于生态承载力,出现生态赤字。陈敏[29]在分析2002年我国省域生态足迹时发现四川省耕地、化石等矿产资源和林地均出现生态赤字;广佳[30]用定量分析方法研究了四川省2005—2011年的生态足迹和生态承载力,表明四川省人均生态足迹增量始终高于人均生态承载力增量,生态赤字不断增长,年均达3.7357%,经济社会发展属于强不可持续水平。本文利用改进层次分析法研究了四川省2005—2016年生态承载力指数与变化趋势,总体上四川省生态承载力逐渐增强,但受自然及人为因素的影响,稳定性不足;刘东等[31]以县为基本单位分析了我国空间尺度上生态承载力供需平衡关系,发现人口密度大、流动人口迁入集中的地区生态承载力失衡严重。随着社会对生态环境的重视,生态弹性力、支撑力水平在不断提高。需要指出的是,本研究将四川省作为一个整体研究其生态承载力与变化趋势,但四川省幅员辽阔,地域发展差异大。张莹[32]指出,绵阳市人均生态承载力在2007—2014年由0.319hm2下降到0.311hm2,数值变化不大,但呈现出持续下降趋势;苏子友[33]对川西南山地地区的研究则发现川西南地区经济高速发展的同时,生物资源和能源消耗剧烈增长,从2011年开始由生态盈余转为生态赤字;王翠华等[34]发现,达州、巴中、广元等山地城市均面临城市化率低的问题,具体表现为人口就业率低、恩格尔系数高,可见四川省局部地区的生态承载力和整体承载力存在差异。因此,相关部门在制定政策时,应统筹全局,综合考虑地区发展的差异与特点。

四川省生态弹性力的稳定性受到降雨量的制约,为避免生态弹性力强烈波动,一方面应提高生态水利工程的利用效率,增强水利工程引、蓄、提、灌水各方面能力,增强抵抗干旱灾害的能力[35,36];另一方面要强化干旱风险预警机制,设立抗旱专项基金,做到旱灾提前预防,抗旱应对有序,灾后快速重建。加强水生态系统调控和景观生态规划和加强水资源的可持续性管理,结合“海绵城市”的设计理念,科学、合理地设计城市水资源循环系统,维持生态系统的弹性力。提高对环境污染治理工作的重视度,通过加大环境治理投资力度,发展生态创新技术,降低社会经济发展对自然资源的损耗;以减少社会总体污染为准则,完善二氧化碳、二氧化硫等污染物的排放交易协议,建立污染物排放的市场机制,提高生态效率;提升大众的环保意识和认知水平,加强可持续消费的宣传教育,减轻人类发展对环境的影响;加大产业调整力度,大力发展第三产业,转变产业发展方式,提高生态系统服务价值,提高整体的支撑力。此外,通过加大对服务业和新兴产业的支持,缓解传统行业对资源的消耗和对环境的破坏;提供政策优惠和财政支持,鼓励大众创业,提高生态创新投入,减少社会失业率,减轻政府的财政负担,减轻生态压力。

5.2 结论

本文的主要结论为:①四川省生态承载力指数整体呈明显上升趋势,2005—2016年以4.57%/a的相对速率增长,但稳定性不足。生态弹性力权重高于生态支撑力和生态压力之和,表明生态弹性力对生态承载力的变化起决定性作用。②生态弹性力总体呈波动上升趋势,在2006年和2011年分别为0.024和0.357。年降雨量和水资源总量占生态弹性力指数权重的0.857，导致干旱年份生态弹性力较弱。承载媒体的支撑力呈稳定上升趋势,社会进步和经济发展对承载媒体支撑力的提高提供了很强的推动力,但环境污染治理投资并没有随着经济发展保持正向的增长趋势。承载对象的压力指数从2011年开始持续增长,表明压力的增长有所控制，生态环境有所改善。③通过对指标层的分析发现,水资源总量是影响四川省生态弹性力变化的主要因素,有效的水资源管理规划成为四川省生态承载力稳定的关键。环境污染仍是制约四川省生态承载力提高的重要因素,对工业固体废弃物的再利用和无害化处理必须加大。