洞庭湖区生态承载力动态特征与趋势预测

谭洁 郝琪 谭雪兰 吴忆泽 周卫军

摘要：利用状态空间法对洞庭湖区2005、2010和2015年生态承载力演变状况进行了评价，并通过灰色预测模型对2020年和2025年洞庭湖区生态承载力情况进行了模拟预测。结果表明，2005—2015年洞庭湖区生态承载力呈现出上升趋势，除资源环境承载力外，生态弹性力和社会经济协调力均处于超载状态;2020—2025年洞庭湖区生态承载力预计将继续保持上升趋势，并维持在可载状态，区域自然、经济和社会复杂动态系统稳定度和协调度均有所回升;生态弹性力与社会经济协调力是生态承载力提高的主要制约因素，洞庭湖区未来应进一步积极转变经济发展方式，着力提升生态系统自我调节和自我维持的能力。

关键词： 生态承载力; 动态模拟; 状态空间法; 灰色预测模型; 洞庭湖区

中图分类号：X22;X26         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）14-0024-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.14.004 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： The state space method was used to evaluate the evolution of ecological carrying capacity in Dongting Lake area in 2005， 2010 and 2015. The ecological carrying capacity of Dongting Lake area in 2020 and 2025 was simulated and predicted by grey prediction model. The results showed that the ecological carrying capacity of Dongting Lake area exhibited an upward trend from 2005 to 2015. In addition to the carrying capacity of resources and environment， the ecological resilience and social and economic coordination were in a state of overload. From 2020 to 2025， the ecological carrying capacity of Dongting Lake area was expected to continue to increase and remain in the loadable state. Stability and coordination degree of the complex natural， economic and social dynamic system in the area will rise to some extent. The ecological resilience and the coordination of social economy were the main restricting factors for the improvement of ecological carrying capacity. In the future， Dongting Lake area should further transform the economic development mode and strive to improve the ability of ecological system self-regulation and self-maintenance.

Key words： ecological carrying capacity; dynamic simulation; state-space method; gray forecast model; Dongting Lake area

生态承载力概念最早由Park和Burgess于1921年提出，并定义为生物个体在特定空间、特定生存环境下能够存活的最大数量，反映了人类活动与自然生态系统之间的协调关系，对区域经济发展的速度、规模起着决定性影响，是判断区域可持续发展的重要依据[1，2]。党的十九大报告树立了中国特色社会主义新时代生态文明新的里程碑，将生态文明、美丽中国与中国梦进行结合，既要创造更多的物质财富，又要建设优美生态环境以满足人民日益增长的对美好生活的需要。生态承载力是资源环境承载力的重要组成部分，开展生态承载力研究对生态文明建设和可持续发展至关重要。生态承载力作为“自然-经济-社会”复杂系统，是生态学、地理学与环境学等学科研究的交叉前沿领域。国内外学者通过净初级生产力法[3]、生态足迹法[4]、供需平衡法[5]、系统动力学模型[6]、状态空间法[7]、灰色预测模型[8]等方法，围绕生态承载力的概念和内涵[9-12]、定量評估[4，13-15]、影响因素[3，16-18]和模拟预测[8，19，20]等领域，对不同时空尺度和地域类型的生态承载力问题开展了大量理论与实证研究，生态承载力逐渐渗透到土地、流域、生态脆弱区、旅游和城市综合系统等多个领域。

洞庭湖区是中国最大的淡水湖泊湿地生态系统之一，占据着长江中下游最敏感、最脆弱的生态区位，是构建“十大生态屏障”之一的长江流域的重点区域[21]。长期以来，复杂的湖垸、江湖关系及长期、强烈的人类活动对生态承载力影响产生了巨大空间差异性，其生态承载力演变趋势将对中国生态文明的建设和长江中下游区域的可持续发展产生至关重要的影响。为此，《洞庭湖生态经济区规划》提出了要以推进生态文明建设为主题，以创新体制机制为动力，建立新的江湖平衡关系，保障国家粮食安全和长江流域水安全和生态安全。已有对洞庭湖区生态承载力的研究多集中于现状评价，对其未来演变发展趋势的预测较为鲜见。因此，本研究以洞庭湖区的岳阳市、常德市、益阳市为研究对象，在对2005—2015年的生态承载力进行定量评价的基础上，通过灰色预测模型对2020年和2025年的生态承载力状况进行模拟，以期为洞庭湖区生态可持续发展和大湖流域生态文明建设引领经济社会全面发展新路径提供科学依据。

1 研究区概况

研究区域为湖南省岳阳市、益阳市和常德市，均属于洞庭湖区。其中，岳阳辖区包括2市（临湘市、汨罗市）、4县（华容县、平江县、湘阴县、岳阳县）、3区（岳阳楼区、君山区、云溪区）;常德辖区包括6县（安乡县、汉寿县、桃源县、临澧县、石门县、澧县）、2区（武陵区、鼎城区），代管县级市津市;益阳辖区包括1市（沅江市）、3县（桃江县、安化县、南县）、3区（资阳区、赫山区、大通湖区）。该区域以山地、平原、丘陵为主，年平均气温16～17 ℃，年降水量在1 200 mm之上，具有气候温暖、四季分明、热量充足、雨水集中等亚热带季风气候特征。区域总面积为45 353 km2，总人口1 588.43万人，总GDP为6 949.71亿元，岳阳市、益阳市和常德市研究区的面积、人口和GDP分别占湖南省的23.4%、21.41%和24.05%;2005—2015年森林覆盖率从44.69%增加到49.10%。

2 研究方法与数据来源

2.1 指标选取与数据来源

生态承载力研究是在资源、环境、人类社会和经济包含在内的复杂生态系统基础之上建立起来的。本研究参考中国科学院可持续发展指标体系[22]及相关文献[20，23，24]，结合洞庭湖区自然、经济和社会实际，通过层次分析法，将洞庭湖区3个市的生态承载力评估指标分为目标层、准则层和指标层3个层次;以生态承载力作为评估体系的目标层，根据生态承载力内涵，将生态弹性力、资源环境承载力、社会经济协调力3个方面作为评估体系的准则层。在此基础上，根据科学性、可比性、简明性、动态性，采用主成分分析法和德尔菲法，定性与定量相结合确定最终指标体系（表1）。生态弹性力大小通过年平均气温、年降水量、年日照时数、地表水资源量、地下水资源量、建成区绿化覆盖率、土地垦殖指数7项指标反映，代表区域生态系统的状态;资源环境承载力通过人均水资源量、人均耕地面积、万元GDP用水量、化肥施用强度（折纯量）、单位规模工业增加值能耗5项指标反映，代表资源对社会经济发展的供给能力和环境对社会经济发展的容纳能力;社会经济协调力由人口密度、城市化率、城镇居民可支配收入、人均GDP、第三产业占GDP比重5项指标反映，代表区域社会经济发展与生态系统发展的协调能力。

由于指标中包括正项指标和负向指标，本研究通过极差正规化法将原始数据有效归一化在（0，1）之间，离散度具有一致性[25]。指标权重的确定则采用熵值法，根据各指标的变异程度，反映指标的区分能力，进而确定权重[26]。对于计算和评价洞庭湖区生态承载力而言，某项指标的数据差异程度越小，则其对生态承载力的影响越小，即在对生态承载力评价中的作用越小，熵越小;反之则对生态承载力评价中的作用越大，熵越大（表1）。

本研究所涉及的数据主要来源于湖南省统计局网站中的2005—2015年各期《湖南省统计年鉴》、湖南省和各市州的《国民经济和社会发展统计公报》等公开统计资料，水资源的数据主要来源于《湖南省水资源公报》。

2.2 研究方法

2.2.1 状态空间法 该方法是欧氏几何空间用于定量描述系统状态的一种科学方法，通常由表示系统各要素状态向量的三维状态空间轴组成，具有能揭示系统内部变量和外部变量之间关系的优势[27]。县域生态承载力大小可以用状态空间的原点与系统状态点所构成的矢量模型来描述。当考虑到状态轴的权重时，生态承载力的数学表达式为：

2.2.2 灰度预测法本研究采用的是灰色预测法中的数列预测方法GM（1，1），通过处理原始数据和建立灰色模型，发现并掌握系统的发展规律，科学地动态模拟预测系统的未来状态[28]。

检验预测值要求达C<0.35，P>0.95，模型精度为优。

2.3 评价指标理想值确定

根据洞庭湖生态经济区规划、长江中游城市群发展规划和湖南省国民经济和社会发展十三五规划纲要，以规划中设定的各指标阈值和规划中未涉及的指标以湖南省的平均值为参考值，确定各评价指标的理想值（表2），并依据评价模型计算生态承载力、生态弹性力、资源环境承载力、社会经济协调力理想值（表3）。

将现实值与理想值进行比较，即可知区域生态承载力水平，判断其为可载、满载或超载情况。借鉴王开运[2]的研究方法，本研究将各个评价指标的容差设定为0.02，设定生态承载力评价范围如表4所示。

3 结果与分析

3.1 生态弹性力评价

生态弹性力是指生态系统有抵抗外界压力、自我维持和调节的能力。由表5可以看出，洞庭湖区生态弹性力指数呈现出向理想值靠近的趋势，特别是2010年以后，出现了一个快速回升过程，且超过了2005年的水平，但仍低于理想值指数，该子系统处于超载状态。表明洞庭湖区在2005—2015年生态系统自我调节和抗干扰的能力整体处于较低水平，这与该区域高密度人口的生产与资源开发压力造成生态环境退化有关。但在“退田还湖、平垸行洪、退耕还林、封山育林”等生态恢复和环境保护措施逐步有效实施后，洞庭湖区的生态弹性力已在向良性方向加速发展。从区域空间情况来看，常德市生态弹性力指数最高，益阳市次之，岳阳市最低，且2015年常德市生态弹性力指数达0.203 0，几乎接近满载水平，这与湖南省“3+5”城市群两型社会试验区的发展战略的实施，常德市积极落实洞庭湖区生态经济区规划，区域生态环境调节功能得到了明显增强有关[29]。

3.2 资源环境承载力评价

资源環境承载力结合资源要素和环境要素，反映资源环境与人类社会经济活动的适应程度，包括资源对人类社会经济活动的供给能力和环境对人类社会经济活动的容纳能力。由表6可以看出，2005—2015年洞庭湖区资源环境承载力子系统与生态弹性力不同，其指数一直高于理想值指数，处于可载状态。但其发展趋势与生态弹性力类似，均呈现出不断提升态势，在2010年之后提升速度也明显加快。这表明洞庭湖区丰富的光热、水土、矿产和生物资源，较强的水、气、土壤的自净能力，使得自然资源变量、环境资源变量和社会条件变量对区域社会经济的发展需求尚具备较好的支撑能力。未来应进一步加强科技创新，提升资源利用率，不断降低生产能耗，促使资源环境承载力能够支撑洞庭湖区可持续发展的需要。资源环境承载力也存在空间分异，常德市作为环洞庭湖经济带的核心城市之一，2005年其资源环境承载力指数为0.399 9，比岳阳市和益阳市分别高出26.43%和26.07%，随后一直保持并进一步扩大了领先优势。2015年常德市的资源环境承载力指数比岳阳市和益阳市分别高出37.31%和27.49%。2005—2015年，常德市资源环境承载力指数的提升速度最快，2015年比2005年提升了14.48%;益阳市资源环境承载力指数2015年比2005年提升了13.21%，也高于岳阳市同期7.71%的增长幅度。

3.3 社会经济协调力评价

社会经济协调力可反映社会、经济和人口发展的协调程度，体现产业结构优化程度。由表7可以看出，洞庭湖区社会经济协调力与生态弹性力、资源环境承载力发展趋势呈现明显差异，整体呈现出先降后增的发展趋势，2015年社会经济协调力指数低于理想值，该子系统处于超载水平。这表明洞庭湖区的经济、社会和环境的协调度较差，应在今后的社会经济发展过程中坚守生态红线底线，统筹解决发展循环经济、绿色经济、低碳经济中的深层次问题，着力探索大湖流域经济生态协调发展新模式。从区域差异来看，2005年常德市、益阳市和岳阳市的社会经济协调力指数分别为0.118 4、0.066 1、0.052 6，除常德市为可载水平外，其余两市均处于超载水平。2005—2010年，三市的社会经济协调力均出现降低趋势，其中，常德市下降幅度最大，达58.87%;其次为岳阳市，下降了29.05%;益阳市则下降了8.17%。这可能与传统产業对资源的依赖程度较大和现代第三产业滞后有较大关系。虽然常德市、益阳市、岳阳市在2010—2015年社会经济协调力又开始逐步回升，但尚未达到可载水平，都需进一步推动该湖区产业转型，着力构建科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少的新型产业体系。

3.4 生态承载力综合评价

由表8可知，2005—2010年，洞庭湖区虽然社会经济协调力出现下降，但在生态弹性力和资源环境承载力同时上升的拉动下，生态承载力指数整体呈现缓慢上升趋势;2010—2015年，在生态弹性力、资源环境承载力和社会经济协调力3个子系统共同提升的影响下，生态承载力指数整体呈现较为快速的上升趋势。这反映了洞庭湖区生态弹性力、资源环境承载力和社会经济协调力都在逐步恢复，但生态弹性力和社会经济协调力均还处于超载状态，洞庭湖区生态承载力还存在较大的提升空间。从空间分布上来看，常德市生态承载力水平最高，其生态承载力指数一直高于理想值指数，处于可载水平，并呈现出明显上升趋势;岳阳市生态承载力水平最低，生态承载力指数从超载水平缓慢回升，但到2015年仍处于满载状态;益阳市的生态承载力总体水平虽低于常德市，但其生态承载力指数一直在上升，并由超载逐步提升到了可载状态。

3.5 洞庭湖区生态承载力发展模拟

利用MATLAB R2018a软件，检验可得生态承载力原始数据能够通过级比检验。构建了2005、2010、2015年生态承载力灰色预测模型，根据式（6）、式（7），得到岳阳市、常德市、益阳市的生态承载力预测值的后验差比值分别为0.005 1、0.003 0、0.002 0，皆<0.35，小误差概率100%>95%，模型精度为优。由表9可知，2020和2025年洞庭湖区生态承载力水平将不断提高，整体达可载水平，区域自然、经济和社会复杂动态系统的稳定程度和协调程度都将回升到较好的状态。其中，常德市和益阳市的生态承载力将一直处于可载状态，常德市的生态承载力水平优于益阳市;岳阳市的生态承载力指数将于2020年由满载上升到可载状态，至2025年也将维持可载状态。

根据表10可知，洞庭湖区2020、2025年生态弹性力状况呈上升趋势，区域生态系统的自我维持与调节能力逐步提高。其中，常德市生态弹性力上升幅度最大，预测将由超载状态上升到2020年满载，2025年将达到可载状态;岳阳市生态弹性力指数最低，处于超载状态，但超载程度趋于减缓;益阳市生态弹性力指数基本与岳阳市持平，同样处于超载状态，超载程度也趋于减缓，说明岳阳市和益阳市未来生态系统所承受的压力仍然相对较大。2020、2025年资源环境承载力也将继续保持上升趋势，且都为可载状态，说明区域资源的供给能力和环境对人类排污活动的容纳能力将趋于稳定。从区域差异来看，常德市资源环境承载力指数最高，益阳市次之，岳阳市最低。2020、2025年社会经济协调力预测结果与生态弹性力和资源环境承载力预测情况一致，也为继续上升趋势。其中，岳阳市社会经济协调力指数最高，预计将由2020年的超载状态回升到满载状态;常德市稍低于岳阳市，2020年仍处于超载状态，2025年将基本恢复到满载状态;益阳市最低，2025年之前都将处于超载状态，但超载程度略有减缓。这说明洞庭湖区社会、经济的协调能力在逐步提高，但其协调程度仍有待加强，未来还需进一步调整产业结构，建立生态产业体系。

4 小结与建议

本研究利用状态空间法测算了岳阳市、常德市、益阳市3个区域2005、2010、2015年的生态承载力，从时间和空间上进行了对比分析，并通过灰色预测模型对2020、2025年的生态承载力进行了模拟预测。得出结论并提出建议如下。

1）2005—2015年洞庭湖区生态承载力整体呈现上升趋势，从超载、满载水平逐步提高到了可载水平。各市生态承载力水平存在空间差异，常德市生态承载力水平最高，保持在可载状态且还在逐步上升;益阳市生态承载力上升幅度大于岳阳市，已从超载恢复到可载状态;岳阳市处于三市中的最低水平，但也由超载提升到了满载状态。

2）2020—2025年洞庭湖区生态承载力预计将维持在可载水平，且保持提升趋势。其中，益阳市与常德市都将继续上升，维持在可载状态;岳阳市生态承载力水平则将于2020年发展为满载状态，2025年将维持可载状态，且可载水平进一步得到提升。

3）从洞庭湖区的生态承载力演变和预测情况来看，资源环境与人类社会经济活动的适应程度较好，但是生态系统自我调节和自我维持的能力和产业结构优化程度较差，可见生态弹性力与社会经济协调力是制约洞庭湖生态经济区生态承载力提高的主要原因。在洞庭湖生态经济区建设过程中，应以生态文明引领经济社会的全面发展，应以保护和修复生态环境为主，着力加强生态系统自我调节和自我维持的能力，采取适当措施加强产业结构的优化和升级，控制人口发展，协调好与社会经济发展方式的关系，打造更加安全、秀美和富饶的生态经济区，为大湖流域以生态文明建设引领区域可持续发展探索新的路径。

参考文献：

[1] PARK R E，BURGESS E W. Introduction to the science of society[M]. Chicago： University of Chicago press，1921.

[2] 王开运. 生态承载力复合模型系统与应用[M]. 北京：科学出版社，2007.6-10.

[3] 潘竟虎，冯娅娅. 甘肃省潜在生态承载力估算[J]. 生态学杂志，2017，36（3）：800-808.

[4] 吴 歌，符素华，杨艳芬，等. 2006—2014年延安市生态足迹和承载力变化分析[J]. 水土保持研究，2018，25（6）：259-264，276.

[5] 蔡杭安，郑 浩，虞俊欢. 淮南市作物生产生态足迹与生态承载力平衡分析[J]. 科学家，2017（1）：26-28.

[6] 翟羽佳，王丽婧，郑丙辉，等. 基于系统仿真模拟的三峡库区生态承载力分区动态评价[J]. 环境科学研究，2015，28（4）：559-567.

[7] 熊建新，陳端吕，谢雪梅. 基于状态空间法的洞庭湖区生态承载力综合评价研究[J]. 经济地理，2012，32（11）：138-142.

[8] 谢小玉，刘海涛，王 磊. 基于灰色预测模型的内蒙古自治区生态足迹动态分析与预测[J]. 西南大学学报（自然科学版），2013，35（1）：53-58.

[9] KESSLER J J. Usefulness of the human carrying capacity concept in assessing ecological sustainability of   land-use in semi-arid regions[J]. Agriculture， ecosystems & environment，1994，48（3）：273-284.

[10] WACKERNAGEL M，GALLI A. An overview on ecological footprint and sustainable development： A chat with Mathis Wackernagel[J]. International journal of ecodynamics，2007，2（1）：1-9.

[11] 曹 智，闵庆文，刘某承，等. 基于生态系统服务的生态承载力：概念、内涵与评估模型及应用[J]. 自然资源学报， 2015，30（1）：1-11.

[12] 范小杉，何 萍. 生态承载力环评：研究进展·存在问题·修正对策[J]. 环境科学研究，2017，30（12）：1869-1879.

[13] 彭 威，陈 明，袁胜平，等. 武汉市生态承载力综合评价[J]. 湖北农业科学，2018，57（3）：36-40，80.

[14] LANE M，DAWES L，GRACE P. The essential parameters of a resource-based carrying capacity assessment model： An Australian case study[J]. Ecological modelling，2014，272：220-231.

[15] NAKAJIMA E S，ORTEGA E. Carrying capacity using emergy and a new calculation of the ecological footprint[J]. Ecological indicators，2016，60：1200-1207.

[16] REES W E. Ecological footprints and appropriated carrying capacity： What urban economics leaves out [J]. Environment & urbanization，1992，4（2）：121-130.

[17] REES W，WACKERNAGEL M. Urban ecological footprints： Why cities cannot be sustainable and why they are a key to sustainablity[J]. Environmental impact assessment review，1996，16（4-6）：223-248.

[18] 赵志刚，余 德，韩成云，等. 2008—2016年鄱阳湖生态经济区生态系统服务价值的时空变化研究[J]. 长江流域资源与环境，2017，26（2）：198-208.

[19] FANG W，AN H Z，LI H J，et al. Urban economy development and ecological carrying capacity： Taking Beijing city as the case[J]. Energy procedia，2017，105：3493-3498.

[20] 熊建新，陈端吕，彭保发，等. 洞庭湖区生态承载力时空动态模拟[J]. 经济地理，2016，36（4）：164-172.

[21] 熊建新，陈端吕，彭保发，等. 2001—2010年洞庭湖区经济、社会和环境变化及其生态承载力响应[J]. 地理科学进展，2014，33（3）：356-363.

[22] 鹿晨昱，张 琳，薛 冰，等. 省级区域可持续发展指标体系构建及空间测度研究[J]. 辽宁大学学报（自然科学版）， 2013，40（1）：86-91.

[23] 刘子宁. 黑龙江省生态承载力的时空变化分析[D]. 哈尔滨：东北农业大学，2014.

[24] 纪学朋，白永平，杜海波，等. 甘肃省生态承载力空间定量评价及耦合协调性[J]. 生态学报，2017，37（17）：5861-5870.

[25] 胡秉民，王兆骞，吴建军，等. 农业生态系统结构指标体系及其量化方法研究[J]. 应用生态学报，1992，3（2）：144-148.

[26] 王富喜，毛爱华，李赫龙，等. 基于熵值法的山东省城镇化质量测度及空间差异分析[J]. 地理科学，2013，33（11）：1323-1329.

[27] 毛汉英，余丹林. 区域承载力定量研究方法探讨[J]. 地球科学进展，2001，16（4）：549-555.

[28] 刘思峰，郭天榜，党耀国，等. 灰色系统理论及其应用[M]. 北京：科学出版社，2000.102-155.

[29] 董明辉，董晓娅. 常德市资源节约型和环境友好型社会发展评价与对策[J]. 生态经济（学术版），2011（2）：405-409.