基于乡镇尺度的生态承载力评价研究——以积石山县为例

倪 帆，周冬梅，孙丽蓉，马 静，朱小燕，张 军

（甘肃农业大学 资源与环境学院，甘肃兰州 730000）

0 引言

随着国家经济飞速发展，绿色可持续发展越来越被人们所重视，生态承载力的概念被引入到地区发展中来。Park[1]首次提出了承载力的概念，用以表征资源环境限制因子对人类社会物质增长过程的重要影响，这一概念的提出，对后来的生态承载力、资源承载力以及环境承载力都产生了重要影响。Odum[2]出版了全球第一部生态学教材，系统地介绍了承载力的含义和应用，生态承载力由此正式成为生态学研究的重要领域之一。1985 年联合国教科文组织（UNESCO）和世界粮农组织（FAO）在综合前人研究成果的基础上提出了资源承载力（resources carrying capacity）概念[3]。20 世纪90年代以来，承载力的概念和应用范围不断扩大，从最初的物理领域逐渐扩展到生态学、地理学等诸多领域，并衍生出一系列概念，如种群承载力[4]、草地承载力[5]、土地承载力[6]、环境承载力、资源环境承载力[7]、生态承载力[8]，人们将可持续发展理念融入承载力的概念里面，其评价体系也更加注重资源环境的可持续性[9-11]。

国内对于生态承载力的研究起步较晚，20 世纪90 年代起，我国学者首次提出关于生态承载力的概念，并开展对于生态承载力领域的定性研究及定量研究。杨贤智等[12]将生态环境承载力定义为：是生态系统的客观属性，是其承受外部扰动的能力，也是系统结构与功能优劣的反映。高吉喜[7]定义生态承载力为：生态系统的自我维持、自我调节能力；资源与环境子系统的供容能力；及其可维育的社会经济活动强度和具有一定生活水平的人口数量。毛汉英等[13]利用状态空间法，以三维状态空间表示社会—经济—自然复合生态系统，所有这些状态空间中由不同资源环境组合形成的区域承载力点构成了区域生态承载力面。曹智等[14]提出基于生态系统服务的生态承载力的定义：即某个区域生态系统的结构、过程及其空间格局决定的生态系统服务所能支撑的具有一定发展水平的人口和经济规模。方广玲等[15]将生态承载力评价体系运用到西南山区旅游生态环境评价中去，将GIS 与模糊综合评估方法相结合，进行乡村地区生态承载力的研究。长期以来我们以消耗生态资源与环境为代价追求经济效益的方法致使全国各地生态环境持续恶化。随着我国综合实力不断提高，党和国家意识到这种竭泽而渔的发展方式只会是昙花一现，当前急需解决的问题是如何实现可持续发展。为此国家出台了一系列方针政策，2017 年，国务院印发《全国国土规划纲要（2016-2030 年）》指出，以资源环境承载能力为基础，协调国土开发利用与保护的关系，切实优化国土空间开发格局[16]。2019 年，自然资源部印发了《关于全面开展国土空间规划工作的通知》，明确指出各地要尽快完成“双评价”工作，确定生态、农业、城镇等不同开发保护利用方式的适宜程度[17]。如何在当前各地方生态环境条件下稳步推进国土空间规划、乡村振兴等可持续发展政策，乡镇尺度下的生态承载力评价就变得尤为重要，对于协调区域可持续发展、促进资源可持续利用与优化国土空间开发格局具有重大意义[18]。

积石山县地处甘肃西南部与青海省接壤，是个多民族聚居地，又处于黄河上游生态脆弱区，北面与黄河相邻，生态环境极其敏感，本文对积石山县17 个乡镇进行生态承载力评价，以期为积石山县国土空间规划提供参考，也为实现该区域经济社会可持续发展提供决策依据；同时也为探索欠发达地区乡镇尺度的生态承载力评价方法提供参考。

1 研究区概况

积石山县全名为保安族东乡族撒拉族自治县，是1981 年成立的甘肃省唯一多民族自治县，东南与临夏县接壤，西与青海省循化撒拉族自治县毗邻，北与青海省民和县隔河相望[19]，介于东经120°41′～103°05′，北纬35°34′～35°52′，海拔1 735～4 309 m，南北宽约33 km，东西长约37 km，总面积909.97 km2。全县地势西高东低，属高原浅山丘陵区[20]。全年降水较少，主要集中在夏季，属于典型的大陆性季风气候区，包含了山地、高山综合气候特征，受地形影响，全县气候又具有差异性。积石山县辖4 镇13 乡，2018 年人口26 万余人，总体经济发展水平较差，主要以第一产业为主，属典型的农业农耕县，主要农作物和经济作物有小麦、玉米、油菜、蚕豆、花椒、核桃等。作为甘肃省临夏州重点脱贫单位，在国家为贫困“脱帽”消除贫困与国土空间规划的紧要关头，急需对积石山县各乡镇完成生态承载力评价，为各乡镇可持续发展提供参考依据。

2 研究方法与数据处理

2.1 研究方法

对于生态承载力的量化，国内外提出了许多简单直观、易于理解、易于操作的思路和方法，依据目前生态承载力评价思路的不同将生态承载力评价方法分为三类：（1） 指标体系综合评价法：综合评价指标体系；生态足迹模型；状态空间法；供需平衡法。（2）产品周期综合评价法：能值理论方法；生命周期方法。（3）结合不同学科和不同方法的综合评价法：自然植被净第一性生产力评价法；系统动力学方法；“3S 技术”综合分析方法[21]。

本文利用熵值法为各指标赋权，然后运用综合评价指标体系法对2018 年积石山县各乡镇生态承载力进行评价，该方法能够客观地反映研究地区总体的一般数量特征和数量关系， 最后借助IMB SPSS Statistics25 软件k—均值聚类分析算法基于各指标评价结果将积石山县十七个乡镇进行分类分析。

2.2 数据来源及处理

土地利用数据来源于积石山县第三次全国国土调查，社会经济等数据来源于2018 年积石山县统计年鉴，以及2020 年3～6 月份实地调研。

2.2.1 数据标准化。采用极值法对原始数据进行无量纲处理的方法，极值法的特点是将指标数值全部转化为0～1 的区间内，最小为0，最大为1。在计算权值的时候需要对数据取对数，为使数据处理有意义，将无量纲化后的指标全部平移一个最小单位值，以此满足运算要求。极值法的计算公式如下[22]：

对于正向指标，处理公式如下：

对于逆向指标，处理公式如下：

式中，Mj为xij最大值；mj为xij最小值。

2.2.2 熵值法赋权重。假设选取了n 个乡镇作为样本，设计m 个评级指标，Xij表示第i 个乡镇的第j 个评价指标值（i=1,2,3,…,n; j=1,2,3,…,m），熵值法的运用步骤如下：

对原始数据标准化处理后，计算第j 个指标下第i个乡镇的特征比重：

熵值计算。计算第j 项指标的熵值：

差异性系数计算：

确定评价指标的权重：

2.2.3 k—均值聚类分析。 K—均值聚类算法，它属于非监督学习的硬聚类算法[23]，通过迭代寻找最优聚类，是聚类分析中常用的一种基于原型的、划分的聚类技术[24]，K—均值算法执行的步骤如下[25]：（1）随机选择K 个点作为聚类中心Ci(1≤i≤K)；（2）重复第一步；（3）计算数据对象与聚类中心Ci的欧几里得距离，将数据对象指派到最近的聚类中心Ci，形成K 个簇；（4）重新计算每个簇中数据对象的平均值，作为新聚类中心；（5）直到聚类中心不再发生变化。

3 构建评价指标体系

充分考虑积石山县实际情况，依据生态承载力综合指标评价的科学内涵，遵照客观性、科学性、可行性等原则，构建相应的指标体系（表1），各指标选取时一方面要能代表地区生态承载力水平；另一方面在乡镇尺度上有较好的区分度。

表1 积石山县生态承载力评价指标体系

指标体系划分为三个层次，目标层、准则层、指标层，其中目标层为生态承载力评价、准则层为人居环境（A）、经济环境（B）、自然环境（C），三者相互决定又相互影响，关系密不可分。人居环境包括：人口密度（A1）、人均住宅面积（A2）、自来水普及率（A3）、城乡居民最低生活保障人数（A4），其中城镇居民最低生活保障人数为逆向指标，因积石山县经济发展状态将人口密度定为正向指标。经济环境包括：人均公共服务区面积（B1）、人均道路用地（B2）、农民人均纯收入（B3）、旅游资源（B4）。自然环境包括：人均农田（C1）、水域面积比重（C2）、森林绿地覆盖度（C3）、天然牧草地比重（C4）。

从指标体系中各指标权重来看，针对积石山县的生态承载力评价中旅游资源权重指数最高，依次为人均公共服务区面积、自然环境中的水域面积比重、天然牧草地比重、人居环境中的人口密度，指标权重指数最低为人居环境中的城乡居民最低生活保障人数。由此可以发现影响积石山县生态承载力的首要原因一方面是经济环境中是否有绿色可持续发展项目，公共服务水平是否到位；另一方面是自然环境中水文环境是否优越，是否有充足的天然牧草地。这也进一步说明经济环境与自然环境在生态承载力中的重要性。

4 结果与分析

4.1 生态承载力评价

表2 为积石山县各乡镇生态承载力水平综合评价排序结果及各指标对比结果，其中各指标对比对象为该指标十七个乡镇评价结果的平均值，当乡镇某指标评价结果高于该指标县平均值时用●表示，低于县平均值时用○表示。从表中可以看出积石山县生态承载力综合水平排序靠前的乡镇有大河家镇、吹马滩镇、刘集乡、石塬乡等，能够高于县平均水平的指标主要分布于经济环境与自然环境中；生态承载力综合水平排序居中的乡镇有关家川乡、小关乡、安集乡等，其中高于县平均水平的指标在人居环境、经济环境、自然环境中分布较为均匀；生态承载力综合水平排序靠后的乡镇有胡林家乡、徐扈家乡、中咀岭乡等，能够高于县平均水平的指标主要分布于人居环境与自然环境中。

表2 积石山县各乡镇生态承载力水平综合评价排序及各指标对比结果

4.2 生态承载力分类

为了能更好地分析积石山县各乡镇生态承载力水平的影响因素，本文借助IMB SPSS Statistics25 软件依据各乡镇指标综合评价结果利用k—均值聚类分析的快速分类方法将积石山县17 个乡镇划分为三类，见表3，可以看出积石山县乡镇生态承载力水平分类结果中，高生态承载区包含三个乡镇，中生态承载区包含三个乡镇，低生态承载区包含十一个乡镇。

表3 积石山县乡镇生态承载力水平分类表

为了更充分地分析生态承载力水平在空间上的分布差异，本文借助ArcGIS 10.2 平台将各积石山县生态承载力评价分类结果与积石山县行政区划矢量图进行叠置，得出积石山县生态承载力水平分类图。

4.3 生态承载力差异分析

通过综合指标评价法，得出积石山县各乡镇生态承载力评价结果以及乡镇各指标与县平均水平对比结果，最后基于各指标对比结果运用K—均值聚类分析算法将十七个乡镇分为高生态承载力区、中生态承载力区以及低生态承载力区。为了更清楚地分析每类地区影响其生态承载力的影响因素，本文将各指标评价结果与该指标县平均水平做差值计算，并用折线图表示，若乡镇某指标差值结果为正，则代表该指标高于县平均水平且值越大越好，反之则越弱。

4.3.1 高生态承载区。高生态承载区的乡镇包括大河家镇、吹麻滩镇、刘集乡三个乡镇。大河家镇与刘集乡分布于积石山县西北地区，海拔较低且地势起伏度较小，辖域内有黄河流经；吹麻滩镇位于积石山中部地区，海拔较高，是积石山县县城所在。图1 为高生态承载区乡镇指标评价对比结果，从图中可以看出人居环境中的人口密度；经济环境中的公共服务区面积、旅游资源；自然环境中的水域面积比重、天然牧草地比重优势较为明显，其中三个乡镇旅游资源评价结果大于县平均水平0.05；吹麻滩镇公共服务区面积评价结果大于县平均水平0.03；大河家镇水域面积比重评价结果大于县平均水平0.015，这首先取决于良好的自然条件，地理位置、地形地势、水文条件等，造就了较为丰富的旅游资源，其次是拥有良好的政策扶持推力，使得这三个乡镇成为积石山县高生态承载区，一系列的优势条件能够帮助高生态承载区更快捷地进行经济社会发展，但也不能忽视该区域劣势与不足，城乡居民最低生活保障人数、农民人均纯收入、人均基本农田、森林绿地覆盖度也是成为提高生态承载力的关键。同样这类问题的解决也需要相适应的经济、政策手段来解决。

图1 高生态承载区乡镇指标评价对比结果

相对比其他乡镇而言，在经济环境上，这三个乡镇拥有良好的可持续发展基础，尤其是丰富的自然与人文旅游资源，如大河家镇的大墩峡、临津古渡、积石雄关、大禹导河遗迹、保安族民俗风情；吹麻滩镇的民俗村、石海、黄草坪、冰川遗迹等。近年来发展乡村旅游一直是实现乡村振兴，解决“三农问题”的重要手段，一方面发展乡村旅游能够满足旅游者多样化的需求，完善乡村地区公共基础设施和服务功能，引导乡村地域城镇化发展[26]，开发新型旅游小城镇[27]，优化农村空间结构[28]，另一方面能够提供大量就业岗位，带动民宿、特色文化商品、餐饮业等发展，进一步提高农民收入，源源不断的旅游者带来的不仅是经济效益，她们在旅游观光的同时也会潜移默化地将高素质文化思想传输给当地居民，这对提高当地居民素质，改变农村传统落后思想都有着不可估量的巨大作用，这也是推进城乡发展一体化[29]，拉动乡村全面发展的有效途径[30]。在政策上给与农民优惠，鼓励多元化生产，开办民宿、农事体验、举办民俗文化节日等，由政府带头，激发农民创业积极性，从根本上解决地区贫困问题。

4.3.2 中生态承载区。中生态承载区包括的乡镇有石塬乡、银川乡、癿藏镇三个乡镇。从地理位置来看，石塬乡位于积石山县北部地区紧靠高生态承载区的大河家镇与刘集乡，银川乡、癿藏镇分别位于东部、东南部。三者地势地形各有不同，石塬乡南部高北部低；银川乡中部地区较为平缓且南北延伸；癿藏镇整体起伏较大。图2 为中生态承载区乡镇指标评价对比结果，从图中可以看出中生态承载区乡镇各指标与县平均值对比结果除旅游资源和城乡居民最低生活保障人数两项指标外其它差异较大，三个乡镇各有优势且比较突出，又各有不足也比较明显。如人居环境中的人口密度，癿藏镇明显高于银川乡与石塬乡，而在水域面积比重上又明显低于银川乡与石塬乡，石塬乡在人均公共服务区面积、人均基本农田与天然牧草地比重上高于银川乡和癿藏镇；总体来说中生态承载力区缺少的并不是发展资源，而是如何将自身隐在的优势发挥出来，从而带动当地发展。

图2 中生态承载区乡镇指标评价对比结果

结合乡镇指标评价对比结果，石塬乡无论是在人居环境、经济环境还是自然环境虽然不比高生态承载区条件优越，但大都高于县平均水平，加上紧邻大河家镇与刘集乡以及其特有的元山遗址都是石塬乡隐在的发展优势条件。由此石塬乡通过发挥卫星城镇的作用，借助其旅游资源丰富的优势，发展旅游工艺品加工、民宿、生态农庄等旅游业衍生产业，一方面使乡镇之间发展能够联动起来，实现资源共享、共同富裕的目的，另一方面增加当地就业岗位，提高居民生活水平，以此实现乡村振兴的目的；癿藏镇被誉为“花椒之乡”同样也是美国大樱桃种植基地，但当地仍处于以家庭为单位的初级产品加工阶段，不仅在采摘、晾晒的过程中质量得不到保障，而且在销售过程中容易出现恶性竞争的情况，建议由政府协调成立生产合作社，统一种植、采摘、晾晒、销售，逐步延长产业链，对产品进行深加工，以此提高产品附加值，这样一方面可以增加就业岗位，另一方面提高农民收入，整体加快乡村振兴步伐，提升生态承载力质量；最后是癿藏镇，其主要优势在于人口更为集中，可以通过种植特色经济作物来提高当地居民收入，侧模油菜、皮特果、马铃薯等，从产品初级加工开始，逐步探索适合本地区可持续发展的产业产品；其次通过数据搜集发现癿藏镇是六个少数民族聚集地区，结合人口集中的优势，发展民族轻工业制品，民族服饰、配饰、工艺纪念品等。总的来说中生态承载力区乡镇首先还是以探索为主，发掘寻找自身优势，充分利用这些已经具备却还未被发现的优势来创造其价值，以此来完成乡村振兴。

4.3.3 低生态承载区。如图3 所示，低生态承载区包括乡镇有柳沟乡、胡林家乡、徐扈家乡、中咀岭乡等十一个乡镇，囊括了积石山县大部分乡镇，首先是旅游资源一致性缺失。其次从空间分布来看这些乡镇主要集中在积石山县中部、南部、东南部等海拔较高地势起伏较大的地区，最后从指标评价对比结果来看，除极个别指标优势较为明显，它们无论哪个环境指标都在县平均值上下0.005 范围内浮动。这些地区道路崎岖，村户住宅分散，相对闭塞，居民出行购物、就业、医疗、教育都在不同程度上受阻，导致人居环境等无法改善；产业结构不协调，主要以传统农业生产为主，经济环境不发达；人口素质较低，缺乏自然环境保护意识，如此自然环境脆弱导致生产力不足，生产力不足导致经济环境薄弱，经济环境薄弱导致人居环境无法改善，居民文化素质落后，最终又会导致自然环境更加脆弱，如此恶性循环是欠发达乡村地区典型的通病。

图3 低生态承载区乡镇指标评价对比结果

当问题无法从内部解决时，就需要从外部打破这种恶性循环。中国乡村发展已进入全面转型新阶段，农业农村现代化是实施乡村振兴战略的总目标，重视强化新时期农业农村发展规律探究、深化乡村振兴规划技术方法研究，是加快推进新时代乡村振兴战略、服务农业农村现代化的重要举措[31]。对于这些乡镇地区政府的行政手段就显得尤为重要，危房改造、生态移民、厕所革命、饮水安全逐步改善居民人居环境；就业培训、特色产业引入、网络覆盖、医疗保障、教育普及、文化宣传等发展经济环境；退耕还林、还草，生态保育等保护自然环境。首先保证这些乡镇生态承载力不再有继续倒退的局面，再从问题入手提升整体生态承载力水平，以此完成乡村振兴目标。

5 讨论与结论

5.1 讨论

2000 年以来，关于资源环境承载力的综合性的研究范围主要集中在生态承载力[32，33]、区域承载力[34-39]两方面。生态承载力是在保持生态系统稳定的前提下，资源承载力、环境承载力与生态系统本身弹性力的集成[7，40，41]。本文在乡镇尺度上从人居环境—经济环境—自然环境系统相互决定影响的角度研究评价积石山县十七个乡镇生态承载力现状水平，既有优势也有不足，优势在于国内大部分生态承载力研究尺度为省、市、县一级，而本文从县镇尺度出发，能够更详细地摸清乡镇地区发展的首要问题，具有必要性；指标选取综合的信息数据，更能反映当地实际情况，在为其他地区提供案例时具有实用性；结果分类将出现同样问题的乡镇分析归类，既能避免繁琐的逐一分析，又能针对性的给每个乡镇发展提供参考意见，具有针对性。不足在于研究尺度较小，而大部分数据统计多为县级统计，所以数据搜集工作较为困难，需各部门紧密协调完成；同时，资源环境处于持续变化中，承载力具有不确定性和不稳定性，而人类生产生活活动、规模的持续变化使得承载对象表现出更加强烈的动态性[42]，因此生态承载力研究也需要不断加强动态性。乡村振兴、三农问题、国土空间规划都是目前国家发展的重要过程，前期研究要扎实，中期实施要严谨，才能保证后期结果有效果，本文致力于为前期研究做工作，一方面以积石山县为例，研究评价其生态承载力现状并给予发展意见，另一方面希望能够为其他地区的生态承载力研究评价提供参考。

5.2 结论

基于乡镇尺度以积石山县十七个乡镇为案例，从人居环境—经济环境—自然环境系统出发构建生态承载力现状评价指标，研究影响生态承载力差异及原因结论如下：

（1）积石山县低生态承载力区占据大部分乡镇，如关家川乡、小关乡、安集乡、居集镇、寨子沟乡、柳沟乡、胡林家乡、徐扈家乡、中咀岭乡、铺川乡、郭干乡等这些乡镇主要集中在中部、南部等地势起伏较大的地区，无明显可持续发展优势，需通过外力手段打破原有循环发展模式；中生态承载力区，高生态承载力区较少主要分布在北部为石塬乡、银川乡、癿藏镇、大河家镇、刘集乡、吹麻滩镇，具有一定发展基础，加以合理发展方式，可率先完成乡村振兴，从而带动周边乡镇共同发展。

（2）乡镇生态承载力水平分异在一定程度上是由自然环境本底、经济环境、人居环境共同决定的，三者之间相互决定又相互影响。其中自然环境是基础，经济环境是助力，人居环境是表现。研究乡镇尺度生态承载力问题的最终就是研究村镇居民生产生活能否可持续发展的问题。提高乡镇生态承载力水平的关键一方面在于从微观角度如何优化可持续利用自然环境资源，另一方面在于党政机关从宏观角度给予人居环境与经济环境改善和发展的政策方针，这样才能实现乡村振兴、消除贫困的最终目标。