衢江流域中上游地区生态环境承载力评价

王振国，徐亮亮，李巨宝，姜纪沂，周志明

（1.防灾科技学院，河北三河 065201；2.中国冶金地质总局 浙江地质勘查院，浙江衢州 324000；3.河北省地震动力学重点实验室，河北三河 065201）

0 引言

生态环境承载力是表征一个国家或地区的发展现状和未来一段时间内经济社会发展前景的重要指标。如果在一定科技水平和社会经济发展条件下，区域内的生态环境无法承受其涵盖的人口和经济发展规模，则会导致生态和资源环境的恶化，最终制约社会经济的发展。“环境承载力”概念首次出现于1838年，此后，西方学术界陆续开展了对环境承载力“饱和点”的探索，对生态环境极限容量的估算则开启了环境承载力的研究［1］。1992年，加拿大生态经济学家W illiam和Wackernagel提出“生态足迹”的概念使承载力的研究从生态系统中的单一要素转向整个生态系统［2，3］。

国内对于承载力的分析是建立在借鉴和吸收国外相关研究经验的基础上进行的。近年来，有学者提出了新的量化评价方法［4-7］。1998年王家骥、舒俭民等对黑河流域生态承载力的研究［8］首次完整地论证了国内生态环境承载力在实际领域中的应用。随着后人对生态承载力概念的不断补充和更新，加深了人们对自然与经济社会关系的认识；目前对于生态承载力的研究也逐渐从静态转向动态，从定性转为定量，从单一要素转向多要素乃至整个生态系统，生态承载力的概念也日趋完善。

随着科学技术的不断发展，环境承载力评价现有研究中，由于评价目标的不一致，导致评价指标的选取存在较大差异。针对同一要素的评价，可能存在不同的指标选择，到目前为止还没有形成统一的评价指标体系；现有研究中对于关键要素和关键指标的识别研究不够，选取的评价指标多存在重复和冗余的情况，评价指标体系有待精简和优化。

1 研究区概述

研究区位于浙江省西部衢州市境内，属衢江流域中上游地区，是浙江省南北地貌的分界线；研究区包括衢江区、柯城区、龙游县、江山市、常山县和开化县。主要支流包括灵山港、芝溪、乌溪江、江山港和常山港，北源为开化县境内的马金溪。

全区属亚热带季风气候区，西北风以太阳风为主，寒冷干旱蔓延，夏季以太平洋亚热带气候为主，冬夏季风交替显著，气温适中。全市多年平均气温17.3℃；年平均蒸发量938.8mm；年降水量在1100～2000mm，全年雨日大约为160d，雨水充沛；降雨的季节性变化明显，4月中旬至7月中旬为梅汛期，常出现连续的降雨；7月中旬至9月中旬为台汛期，易出现大雨或暴雨。

研究区包括浙西山地和部分金衢盆地，在中部以斜向金衢盆地为界，总体地形特征是南北高，西高东低。地貌以斜贯中部的金衢盆地为界，西北部属浙皖中低山、低山丘陵区，东南部为浙南中低山区，中部为金衢盆地红色残丘及冲积平原区。按地貌成因类型可分为侵蚀地貌和堆积地貌两大类型；按地貌形态可分为中山、低山、高丘、低丘和河谷平原等五种类型。

2 数据来源及指标选取原则

2.1 数据来源

本文数据来源主要为《衢州市统计年鉴》（2012—2018年）、《衢州市水资源公报》（2012—2018年）、《衢州市环境地质调查评价报告》《江山市统计年鉴》《开化县统计年鉴》《常山县统计年鉴》和《龙游县统计年鉴》，共选取了七年的各项统计数据，统计年鉴数据包括气象概况、全市地区生产总值（包括三产分地区生产总值）、各县（市、区）工业增加值、总人口数、各县（市、区）耕地面积、农业产量、各县（市、区）工业总产值及主要能源消费情况等。

2.2 指标选取原则

本文构建生态环境承载力评价指标体系主要遵循以下原则：（1）科学性原则；（2）全面性原则；（3）可操作性原则［9］。

图1 研究区地形地貌图Fig.1 Topographic m ap of the study area

在考虑研究区社会经济实际发展状况的基础上，选取贴合区域可持续发展指标体系的评价指标，利用层次分析法［10-12］，依据生态承载力内涵设计3个要素层的具体指标，共选取了17个指标，见图2。

图2 生态环境承载力评价指标体系Fig.2 Evaluation index system of eco-environm en tal carrying capacity

3 生态环境承载力评价体系

3.1 构建评价体系

承载力评价指标体系构建由其采用的理论框架决定。根据生态环境承载力定义与研究区社会发展特征等多方面的考虑，采用生态弹性力、生态承载支撑力和生态承载压力3个技术指标来综合评价研究区的生态环境承载力。

本文采用层次分析法，将研究区生态承载力评价指标体系划分为4个层次［13］：（1）“要素层”包括：生态弹性力、承载支撑力和承载压力；（2）“准则层”是标志着3个子系统的生态承载力的内部，是衡量3个子系统的首要原则和方法，包括水文、气候经济社会压力等在内共计10项指标；（3）“目标层”为研究区生态环境承载力；（4）“指标层”作为“准则层”的细化，这是进行定性、定量化的单元和要素，也是生态承载力水平最直接有效的层次［14］。

3.1.1 生态弹性力

生态弹性力是生态环境承载力的先决支持条件，其圈定了一个生态环境自我调节的范围，区域内的生态弹性力一旦超过这个范围，就表示该区域内生态系统处于不稳定状态。生态系统的研究涉及多方面因素，水文气象、资源环境、土地利用、植被覆盖及生物多样性等基础条件决定了生态系统的性质及其承载潜力，同时也反映了生态系统弹性度的大小［15］。

生态弹性力的表达式：

3.1.2 生态承载支撑力

生态承载支撑力是反映承载体的状态与发展的承压类指标以及可提高承载能力的潜力类指标，包括流域内社会发展所需的工农业用地、矿区和旅游资源以及区内取决于水、土壤、大气等环境承载状况等的承压类指标。生态环境资源量有一定的容量，可以承受或消除因不当发展而造成的生态环境污染，环境承载支撑力表现的自我调节能力是生态系统可持续发展的保障［7，16］。生态承载支撑力不仅表现在自然资源供给量和环境纳污能力上，还表现在区域的经济社会发展方面，体现在人类面对资源短缺和环境问题的能动性上。

用CCS表示生态承载支撑力指数，则生态承载支撑力大小CCS构成下面的函数：

式中，x1，x2，x3…xn的承载分值S1，S2，S3…Sn所占权重为Wt；CCS为资源环境承载指数，CCS越大，区域生态承载支撑力越大，则定义：

3.1.3 生态承载压力

生态承载压力是主要因人类社会生产活动施加于承载体上的压力类指标，包括人口密度、经济增长、文化需求、资源消耗与环境污染等各项指标。承载压力是人类活动对区域内自然生态系统综合承载力造成的直接压力，压力则会直接反映在人类生存环境质量和区域发展的问题上。一般选取生态破坏压力、资源消耗压力和经济社会压力三个方面作为准则层［17］。

若承载对象P的压力取决于y1，y2，y3…yn等n个因子，则该承载力大小CCP表示为：

式中，CPI为压力指数，其值与系统所受压力大小成正比。

设承载压力指数CCP与支撑力指数CCS之比为Ep，当Ep＞1时，生态系统超载；当Ep＜1时，生态系统低负荷；当Ep＝1时，生态系统处于平衡状态。

3.2 评价方法

3.2.1 评价单元划分

划分生态系统评价单元的选择一般基于面状和点状评价单元两种不同的形式。面状评价单元是以矢量多边形作为单元划分研究区，基于不同研究人员的侧重点矢量多边形单元划分有不同的划分依据，从而使研究结果产生相对误差。优点是特征性明显，易于划分，有针对性，分析结果具有代表性，可作为相似方面的研究参考，获取数据相对容易。划分评价单元时要坚持以下基本原则：

（1）各评价单元的产生过程相对独立；

（2）各评价单元在空间上相对独立；

（3）各评价单元的范围相对固定；

（4）各评价单元之间具有相对明显的界限。

本次对研究区进行的生态环境承载力评价，按照已有公开的官方资料选择面状评价单元，选取行政区划作为统计数据载体，便于数据收集、整理、计算。依次划分为衢江区、柯城区、江山市、常山县、开化县、龙游县。各个评价指标子项见表1。

表1 衢江流域中上游地区生态承载力评价指标体系Tab.1 Evaluation index system of ecological carrying capacity in them idd le and upper reaches of Qujiang River Basin

3.2.2 指标权重

评价过程中，根据各指标对系统的综合水平的影响力确定各个指标所占权重。生态承载能力的评价包括非常复杂的系统结构，尤其是层次结构的评价，质量评价方法相对集中，适用于全系统指标体系中的质量评价［18-20］。

（1）层次结构模型

本文根据不同领域多个专家的经验来评估各种因素的重要性，并继续使用数学模型来计算权重、细节和复杂度。每层中的元素尽量不超过9个，因素太多将不利于计算。

（2）重要性比较

根据表度法［13］，对参与承载力评价中的各评价因子的综合评价指数（A）重要性给予定量标度，根据评价结果总结出评价指标的权重，见表2。

表2 生态承载力评价指标权重表Tab.2 W eight of ecological carrying capacity evaluation index

评价标准范围为0～1，评价等级以0.2为基本刻度单位，指数越大等级越高，共分5级，见表3。

表3 衢江流域中上游地区生态承载力综合评价等级表Tab.3 Com p rehensive evaluation grade of ecological carrying capacity in the m idd le and upper reaches of Qu jiang River Basin

（3）构建判断矩阵

根据表4，对已建立的评价指标体系的层次结构及相关关系进行判断比较，分别判断矩阵如下。

表4 生态弹性力判断矩阵Tab.4 Judgm ent m atrix of ecological elastic force

式中：λmax＝4.26，CI＝0.087，RI＝0.89，CR＝0.098。

计算矩阵最大特征根：

表5 层次分析法的平均随机一致性指标值Tab.5 Average random consistency index values of the analytic hierarchy p rocess（AHP）

CR＝0.081＜0.1，说明矩阵具有满意的一致性。根据以上方法分别得出生态承载支撑力，生态承载压力的权重，见表6～8。最后得出汇总结果表9。

表6 生态弹性力子系统层次总排序结果Tab.6 Total ranking resu lts of levels of ecological elastic force subsystem

表9 生态环境承载力评价权重总排序结果Tab.9 Total ranking resu lts of evaluation weights of eco-environm ental carrying capacity

4 生态环境承载力评价

4.1 数据计算

本次研究采用极差标准化法，指数列为正向、负向和中性指标：属性值越高，表示其效益越高为正向指标；属性值越低，表示其效益越高为负向指标；属性值越接近最优值收益越高。正、负、中性指数转换为正标准化指数［13，21］。具体计算方式如下：

表7 生态承载支撑力子系统层次总排序结果Tab.7 Total ranking resu lts of levels of ecological bearing support force subsystem

表8 生态承载压力子系统层次总排序结果Tab.8 Total ranking results of levels of ecological bearing pressure subsystem

表10 衢江流域中上游地区生态承载力评价指标体系Tab.10 Evaluation index system of ecological carrying capacity in the m idd le and upper reaches of Qujiang River Basin

式中，Yij为指标的标准化值；Xij为指标值；Pij为指标最优值；max Xij和m in Xij分别为指标的最大值和最小值，且0≤Yij≤1。

4.2 计算结果

根据上述评价体系中生态弹性力、生态承载支撑力和生态承载压力的计算方法，得出2012—2018年研究区生态环境承载力指数计算结果，见表11。由上述计算结果得出研究区生态环境承载力指数变化趋势，见图3、图4、图5。

表11 衢江流域中上游地区生态环境承载力指数计算结果表Tab.11 Calcu lation resu lts of eco-environm en tal carrying capacity index in the m idd le and upper reaches of Qu jiang River Basin

图3 研究区生态弹性力指数变化趋势Fig.3 Change of ecological elastic force index in the study area

图4 研究区生态承载支撑力指数变化趋势Fig.4 Change of ecological carrying force index in the study area

图5 研究区生态承载压力指数变化趋势图Fig.5 Change of ecological bearing p ressure index in the study area

根据整体分析趋势图，可以看出研究区生态弹性力指数中年均降雨量在近三年中较前几年有明显的的减少趋势，植被覆盖度指数及人均绿地面积整体呈现上升趋势，其余各项处于相对稳定的状态；生态承载支撑力中农林牧渔产值指数波动幅度较大，较不稳定，地表水资源量呈现下降趋势，但粮食总产量和污水处理率呈现上升趋势；生态承载力指数整体处于较稳定状态，氨氮排放量和GDP年增长指数呈现上升趋势，但第二产业GDP指数常年处于较低水平。

图6 2018年研究区生态环境承载力指数分布图Fig.6 Distribution m ap of eco-environm ental carrying capacity index in the study area in 2018

5 结论

本文采用面状评价单元的AHP层次分析法，选取水文、生态和社会经济等方面17个评价指标，通过计算生态弹性力、生态承载支撑力和生态承载压力开展研究区生态环境承载力评价，得出如下结论：

（1）2012—2018年研究区生态承载力整体呈先下降后上升的趋势，上升的拐点发生在2016—2017年度，生态承载能力有所提高，主要体现在人均绿地面积增加、粮食产量增加、农林渔业产值增加、污水处理率增加、氨氮排放量减少，总体情况发展趋势良好；

（2）生态弹性力在生态环境承载力中的权重占比较小，但在选取的研究时间段内处于中等及以上水平，表明研究区生态系统的稳定性和抗干扰能力变化不大；生态承载支撑力权重占比仅次于生态承载压力，其中农林牧渔产值指数在研究时段内起伏波动变化较大，其余各项也都处在稳定增长的状态；生态承载力是影响生态环境承载力大小的最主要要素，权重占比也较大，研究时间段内长期处于较低水平，虽然有增长的趋势，但是增长幅度较缓慢。

（3）第二产业比重在2014年达到峰值，随后下降，又在2015—2018年呈上升趋势，表明自然资源的消耗、生态环境的污染和经济社会发展的压力持续给研究区生态系统的可持续发展增加了较重的压力。