環(huán)境承載力分析方法及應(yīng)用實例

環(huán)境承載力分析方法及應(yīng)用實例作者：王同桂肖劍波來源：《綠色科技》2014年第07期摘要：描述了環(huán)境承載力的概念及發(fā)展，闡述了環(huán)境承載力的涵義，歸納了環(huán)境承載力定量化的各種方法，并對主要的方法進行了介紹。搜集了有關(guān)于環(huán)境承載力的實例，并進一步做了陳述。指出了環(huán)境承載力的相關(guān)研究仍然缺乏能夠客觀科學(xué)描述環(huán)境承載力的指標體系，并且缺乏標準化可量化的評價體系和評價模型，方法上也表現(xiàn)為創(chuàng)新性不足。提出了在可持續(xù)發(fā)展的框架下，充分運用環(huán)境學(xué)等相關(guān)學(xué)科理論，逐步建立完善準確的環(huán)境承載力定量評價方法體系。關(guān)鍵詞：資源；環(huán)境承載力；定量評價；應(yīng)用中圖分類號：X32文獻標識碼：A文章編號:16749944(2014)070231041引言承載力(CarryingCapacity)是一^生態(tài)學(xué)概念，其極限思想可以追溯至馬爾薩斯的人口理論，于19世紀末期開始被廣泛地應(yīng)用于畜牧場管理，隨后被野生動物學(xué)家采用并逐漸寫入生態(tài)學(xué)教材［1］。Park等提出了生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的承載力概念。20世紀50年代，著名生態(tài)學(xué)家EOdum將承載力定義為某一生境(Habitat)所能支持的特定物種的最大數(shù)量［2~4］。環(huán)境容量的概念于1968年被日本學(xué)者引入到環(huán)境科學(xué)中，這是環(huán)境承載力概念的雛形［5］。環(huán)境承載力由承載力概念進一步發(fā)展而來。目前為止，大量環(huán)境承載力的理論及實例研究見諸文獻，但對于環(huán)境承載力仍未給予統(tǒng)一的定義。Arrow等［6］指出生態(tài)恢復(fù)力在承載力表述中的重要作用；王家驥等和高進喜先后提出生態(tài)承載力的不同概念［7,8］，使承載力內(nèi)涵進一步豐富?！吨袊蟀倏迫珪?環(huán)境科學(xué)》給出了關(guān)于環(huán)境承載力的定義，認為環(huán)境承載力指的是“在維持環(huán)境系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化的前提下，整個地球生物圈或某一區(qū)域所能承受的人類作用在速度、規(guī)模和強度的限值［9］。此外，承載力還拓展到與人類息息相關(guān)的其他領(lǐng)域，如旅游承載力、資源環(huán)境承載力、城市承載力、社會承載力等研究領(lǐng)域。人類生存和發(fā)展的環(huán)境是一個大系統(tǒng)，既為人類活動提供空間和載體，又為人類活動提供資源并容納廢棄物。狹義的環(huán)境承載力，通常被認為是環(huán)境容量承載力，即'某一時期，某狀態(tài)或條件下，某地區(qū)的自然環(huán)境所能承受的人類排放污染物的閾值'［10］。環(huán)境承載力是人類生態(tài)學(xué)視角下的生態(tài)承載力，劉仁志［11］認為環(huán)境承載力是指“在維持環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能不發(fā)生不利變化的前提下，一定時空范圍的環(huán)境系統(tǒng)在資源供給、環(huán)境納污和生態(tài)服務(wù)方面對人類社會經(jīng)濟活動支持能力的閾值”。環(huán)境承載力作為環(huán)境系統(tǒng)自身的一種客觀屬性，能夠表征系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，包括其對資源需求、環(huán)境需求和生態(tài)需求的支持能力。因此，環(huán)境承載力具有資源、環(huán)境、社會、生態(tài)等多維內(nèi)涵。本文對目前環(huán)境承載力的量化方法進行了總結(jié)和分析對比，并梳理了一些定量計算環(huán)境承載力的案例，以期為有關(guān)實踐提供參考，進一步將環(huán)境承載力的理論應(yīng)用于環(huán)境規(guī)劃管理的實踐中去。2環(huán)境承載力定量化方法就目前而言，對于環(huán)境承載力的研究仍然以實證研究為主，其中大部分文獻是基于調(diào)查問卷、實地調(diào)研等研究方法，以某一國家或某一區(qū)域為研究對象，結(jié)合具體的評價方法，對其資源環(huán)境承載力進行單因素或多因素的綜合評價［12］。承載力的定量化方法多種多樣，如生態(tài)足跡法、能值分析法、灰色系統(tǒng)分析法、系統(tǒng)動力學(xué)法、指標體系法等，以及在以上方法基礎(chǔ)上進行改進和綜合使用。此外，值得一提的是，曾維華等［13］綜合了指數(shù)評價法和承載率評價法這兩種方法，并通過有機結(jié)合內(nèi)梅羅指數(shù)法，提出了環(huán)境承載力綜合指數(shù)法，該方法可以克服指數(shù)評價法中的缺點，一方面能夠去除主觀因素所產(chǎn)生的偏差，還能反映出某區(qū)域環(huán)境發(fā)展現(xiàn)狀與設(shè)定的目標值之間的差距，且能直觀地量化環(huán)境承載力，是一種較全面的方法。2.1概念模型法概念模糊法以資源為基礎(chǔ)，強調(diào)從承載力理論的基本原理出發(fā)，經(jīng)過嚴謹?shù)倪壿嬎季S而形成，僅作為一種指導(dǎo)性的定量化思想，很難輔以具體的實例進行驗證。概念模型法以人口與經(jīng)濟、資源的環(huán)境承載力模型即P-E-R模型最具代表性，其中P代表人口，E代表經(jīng)濟，R代表資源［14］。ES=經(jīng)濟發(fā)展指標總量一定標準下的人均經(jīng)濟指標（1）日￡=自然資源擁有量一定標準下的人均資源占有量（2）人口經(jīng)濟承載力指數(shù)e=PES（3）人口資源承載力r=PRE°（4）2.2生態(tài)足跡法生態(tài)足跡（EcologicalFootprint）是由加拿大人WilliamE.Rees提出，之后得到不斷完善和發(fā)展。生態(tài)足跡法通過估算面積，比較給定地區(qū)的生物承載力，進而衡量區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展狀況。此方法簡便直觀，謝紅霞等［15］利用該法對西安的生態(tài)承載量進行了研究分析，但也存在較大的缺陷和不足，主要表現(xiàn)為不具備動態(tài)性和預(yù)測性［16］。后來，研究學(xué)者考慮增加時間序列，用以計算多年的生態(tài)足跡來解決該問題。Haberl等［17］和Erb［18］分別以長時間段生態(tài)足跡計算方法和修正生態(tài)足跡模型，計算了奧地利1926~1995年的生態(tài)足跡及1926~2000年的“實際土地需求”；Wackernagel等［19］(2004)也做了相關(guān)研究，分別采用年平均產(chǎn)量和當?shù)貙嶋H年平均產(chǎn)量得到生態(tài)足跡及“實際土地需求”，并作出了比較和分析。2.3灰色系統(tǒng)分析法鄧聚龍教授創(chuàng)建的灰色系統(tǒng)分析法，主要涵蓋灰色關(guān)聯(lián)分析法、灰色系統(tǒng)建模理論、灰色決策、預(yù)測與規(guī)劃方法等［21］。由于存在較大的不確定性，人們多在水資源的研究用到該法。該法研究對象主要是“部分信息已知”的“小樣本”等不確定性系統(tǒng)，通過對“部分”已知信息的生成、開發(fā)和提取，實現(xiàn)對系統(tǒng)行為、演化規(guī)律的描述和監(jiān)控。該法分析建模時，利用數(shù)量不多的數(shù)據(jù)信息，確定各相關(guān)因素間的關(guān)系并建立模型。2.4系統(tǒng)動力學(xué)方法系統(tǒng)動力學(xué)法由麻省理工學(xué)院ForresterJW創(chuàng)立，用以研究信息反饋系統(tǒng)［20］。此方法通過建立模型，研究各個變量的相互作用關(guān)系。在環(huán)境承載力的研究中，通過調(diào)整指標體系，運用系統(tǒng)動力學(xué)模型對擬定的不同發(fā)展模式進行模擬和預(yù)測，尋找最低承載力所對應(yīng)的最佳發(fā)展模式。在量化環(huán)境承載力的各類方法中，系統(tǒng)動力學(xué)應(yīng)用較多。該法主要用于對系統(tǒng)進行的動態(tài)模擬和預(yù)測，關(guān)注系統(tǒng)內(nèi)部各因子之間的各種反饋關(guān)系。但同時，該法也存在模型復(fù)雜、模型構(gòu)建困難的缺陷和不足，不利于進行長期模擬和分析。2.5能值分析法能值分析理論和方法是美國生態(tài)學(xué)家HTOdum于20世紀80年代創(chuàng)立的分析方法［14,22］。能值分析以能值作為度量標準，將生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)流動和儲存的各種不同種類的能量和物質(zhì)轉(zhuǎn)換成同一標準。能值分析常用太陽能值來衡量物質(zhì)和能量的大小。Campbell(1988)利用能值分析法研究了美國因緬因州的承載力、發(fā)展的可持續(xù)性。2001年，弗羅里達大學(xué)的兩名研究學(xué)者根據(jù)地區(qū)環(huán)境資源的能值分析，得到了評估經(jīng)濟發(fā)展的一種包括長期、短期承載力的量化方法。長期承載力也稱之為可更新承載力，通過可更新的能值進行運算，短期承載力由環(huán)境負載比率即不可更新的能值與可更新的能值之比來表示。我國學(xué)者嚴茂超、BChen和GQ等也先后采用能值研究承載力。能值分析法克服了承載力各項指標的量綱差異問題，量化結(jié)果也避免了因同一量綱造成的誤差，但計算資源、產(chǎn)品和勞務(wù)的能值轉(zhuǎn)換率需要對整個相關(guān)系統(tǒng)進行能值分析，非常復(fù)雜且難度很大。但能值轉(zhuǎn)換系數(shù)的高度不確定性，導(dǎo)致對能值轉(zhuǎn)換系數(shù)存在著較大爭議。2.6指標體系法指標體系法是一種應(yīng)用較廣的量化手段，可以方便地和其他方法結(jié)合使用，主要有單要素加權(quán)法、向量模法、模糊綜合評價法和層次分析法等［14,22］。單要素加權(quán)法首先構(gòu)建由發(fā)展變量和限制變量組成的指標體系，然后賦予各項指標一定的權(quán)重系數(shù)進行加和［式（5）］。向量模法將承載力視為一個由n個指標構(gòu)成的向量，設(shè)有m個發(fā)展方案或m個發(fā)展狀態(tài)，對m個承載力的n個指標歸一化，得到的向量的模即為相應(yīng)的承載力。模糊綜合評價法的模型為：給定兩個有限論域U=|u1，u2,u3，…，um|（評價因素集）和V=lv1，v2，v3vnl（評語集），通過模糊變換B=A?R（A為模糊權(quán)向量，R為各因素對評語V的隸屬度Rij構(gòu)成模糊關(guān)系矩陣）與合成運算，得出評價對象對各評價等級的隸屬度。層次分析法是將承載力核算總是有關(guān)的因素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上進行定性和定量分析的方法。該方法的特點是在承載力的本質(zhì)、影響因素及其內(nèi)在關(guān)系等進行深入分析的基礎(chǔ)上，利用較少的定量信息使承載力核算過程數(shù)學(xué)化和結(jié)構(gòu)化?？偟膩砜?，包括模糊分析在內(nèi)的指標體系法都是靜態(tài)研究方法，主要特點是將人口作為外生變量，不考慮人口對經(jīng)濟生產(chǎn)的反饋，忽略人口、經(jīng)濟和資源系統(tǒng)之間的動態(tài)關(guān)系，因而指導(dǎo)性和操作性不強。I=￡ni=1WiIi（1，2，3n）（5）式中：Ii為單要素環(huán)境承載力；Wi為響應(yīng)要素的權(quán)值。2014年7月綠色科技第7期3環(huán)境承載力的實際應(yīng)用3.1區(qū)域資源環(huán)境承載力隨著資源環(huán)境承載力評價方法研究的開展與不斷深入，基于區(qū)域資源環(huán)境承載力的研究越來越多，特別是新近的對于城市群資源環(huán)境承載力的評價，城市群在推動我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的同時，已成為資源短缺、環(huán)境污染、生態(tài)破壞等問題高度集中的地區(qū)［23~25］。王金南等［24］對長江三角洲城市水資源承載力進行評估，結(jié)果顯示2005~2010年，長三角半數(shù)城市承載力狀態(tài)改善明顯，但仍有7個城市處于危機狀態(tài)。江蘇省內(nèi)城市和上海位于長江沿岸和太湖北岸東岸，承載力狀況多為危機狀態(tài)；浙江省內(nèi)城市位于太湖以南和錢塘江沿岸，承載力狀況為良好或一般狀態(tài)，顯著好于江蘇省內(nèi)城市和上海市。陸建芬［26］利用改進的Topsis法，重新設(shè)定權(quán)重和指標體系，整個指標體系包括經(jīng)濟發(fā)展力和資源環(huán)境承載力兩個系統(tǒng)共23項指標，對安徽淮河流域資源環(huán)境承載力進行了評價。評價結(jié)果顯示，資源環(huán)境承載力排名：六安〉滁州〉宿州〉亳州〉蚌埠〉淮北〉阜陽〉淮南。經(jīng)濟發(fā)展力的排名則與之大致相反，表現(xiàn)為資源環(huán)境承載力強的城市，其經(jīng)濟發(fā)展力相對較弱。造成該種現(xiàn)象的原因，被認為是，淮河流域的水資源的極度缺乏，供需矛盾大，礦產(chǎn)等非可再生資源的分布不均，高耗能產(chǎn)業(yè)占有較大比重等。3.2城市資源環(huán)境承載力城市的資源環(huán)境承載力日益受到關(guān)注，城市資源日益減少，環(huán)境日益惡劣，人類的生存與發(fā)展面臨嚴峻考驗。針對城市資源環(huán)境承載力的評價，主要針對生態(tài)型新城區(qū)、依賴礦產(chǎn)資源發(fā)展經(jīng)濟的城市進行評價［23,27］。劉曉麗等［25］認為城市群將作為中國經(jīng)濟發(fā)展的引擎，尤其是京津冀、長三角、珠三角形成的城市群將主導(dǎo)中國經(jīng)濟的發(fā)展；城市群所造成的生態(tài)環(huán)境問題愈發(fā)地呈現(xiàn)出顯著性、區(qū)域性、復(fù)雜性的特征，今后城市群資源環(huán)境承載力研究將趨向于多因素復(fù)合型的動態(tài)研究。陳海波等［27］等通過構(gòu)建目標層（資源環(huán)境承載力）、準則層（承載力）兩個評價體系及要素層四指標（自然資源承載力、社會經(jīng)濟資源承載力、自然環(huán)境承載力和社會經(jīng)濟環(huán)境承載力），對江蘇省城市資源環(huán)境承載力作出了評價，從復(fù)合排名看，南京、蘇州、無錫聚為第一梯隊；常州、揚州、徐州、南通、鎮(zhèn)江聚為第二梯隊；連云港、淮安、鹽城、宿遷、泰州五個城市聚為第三梯隊；在資源承載力方面，南京、蘇州、無錫的三個城市的資源承載力排名靠前，淮安、連云港和宿遷四個城市的排名較靠后。白宏濤等［28］認為土地承載力應(yīng)該是一定的技術(shù)條件下，特定的時間和區(qū)域內(nèi)，土地資源對人口、社會活動的支撐能力；土地的資源承載力要以生態(tài)保護和布局調(diào)整為出發(fā)點，要以優(yōu)化策略為目的，要緊密圍繞人口容量、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和生態(tài)戰(zhàn)略的戰(zhàn)略環(huán)境評價（SEA）來進行分析和評價。通過評價資源環(huán)境承載力進而得出其優(yōu)劣程度，資料顯示資源環(huán)境承載力的主要在環(huán)渤海地區(qū)、長江三角洲、京津冀等經(jīng)濟相對發(fā)達或資源相對豐富的地區(qū)得到了應(yīng)用，各區(qū)域資源環(huán)境承載力如表2所示。表2各區(qū)域的資源環(huán)境承載力排名排名長江三角洲中部六省環(huán)渤海地區(qū)京津冀地區(qū)1上海市江西省遼寧省秦皇島2南京市河南省山東省廊坊3蘇州市湖北省北京市滄州4杭州市安徽省河北省張家口5寧波市湖南省天津市承德6山西省保定7唐山8石家莊9天津10北京4結(jié)語有關(guān)于環(huán)境承載力的研究呈現(xiàn)出快速增長的趨勢，研究內(nèi)容也越來越具體充實，而不再僅僅停留在綜述和理論研究。環(huán)境承載力在定量評價方面，尤其是國內(nèi)學(xué)者，以生態(tài)足跡法為主要研究方法，諸多學(xué)者［29,30］研究分析表明，簡單地運用生態(tài)足跡法并不能夠全面而準確地計算和評價某一國家或地區(qū)的環(huán)境承載力。目前對于環(huán)境承載力的研究仍然缺乏能夠同時描述環(huán)境承載力客觀性、區(qū)域性及動態(tài)性的科學(xué)、系統(tǒng)的指標體系，并且缺乏統(tǒng)一確切的資源環(huán)境承載力評價指標體系，評價方法也缺乏創(chuàng)新性。在模型構(gòu)建方面，主導(dǎo)的資源環(huán)境承載力評價模型還未能出現(xiàn)。今后，還需要從事環(huán)境承載力研究的研究人員結(jié)合實際研究對象的特點，按照可持續(xù)發(fā)展的思路，充分運用數(shù)學(xué)、環(huán)境學(xué)等相關(guān)學(xué)科理論，逐步建立和完善動態(tài)且準確的環(huán)境承載力定量評價方法體系。參考文獻：姜文超，龍騰銳.水資源承載力理論在城市規(guī)劃中的應(yīng)用[J].工程規(guī)劃，2003(7)：78?82.Price,D.Carryingcapacityreconsidered[J].PopulationandEnvironment:AJournalofInterdisciplinaryStudies,2008,21(1):5?26.Odum,E.P.Fundamentalsofecology[M].Philadelphia:W.B.Saunders,1953.陳春生.環(huán)境容受力分析與都市成長管理之研究：以臺北都會區(qū)水資源個案為例[J].國立臺灣大學(xué)建筑與城鄉(xiāng)研究學(xué)報，1987,3(1)：133?144.洪陽，葉文虎.可持續(xù)環(huán)境承載力的度量及其應(yīng)用[J].中國人口資源與環(huán)境，1998,8(3)：54?58.ArrowK,BolinB,CostanzaR,etal.Economicgrowth,carrycapacity,andtheenvironment[J].Science,1995(268)：520?521.王家驥，姚小紅，李京榮，等.黑河流域生態(tài)承載力估測[J].環(huán)境科學(xué)研究，2000,13(2)：44?48.高吉喜.可持續(xù)發(fā)展理論探索一一生態(tài)承載力理論、方法與應(yīng)用[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2001.王儉，孫鐵珩，李培軍，等.環(huán)境承載力研究進展[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2005,16(4)：768?772.北京大學(xué)，清華大學(xué)，廈門大學(xué)，等.福建省湄州灣開發(fā)區(qū)環(huán)境規(guī)劃的綜合研究[R].北京：北京大學(xué),1991.劉仁志.環(huán)境承載力的新認識[J].科技與產(chǎn)業(yè)，2010(11)：160?161.李華姣，安海忠.國內(nèi)外資源環(huán)境承載力模型和評價方法綜述[J].中國國土資源經(jīng)濟，2013(8)：65?68.曾維華，楊月梅，陳榮昌，等.環(huán)境承載力理論在區(qū)域規(guī)劃環(huán)境影響評價中的應(yīng)用[J].中國人口?資源與環(huán)境，2007，17(6)：21~37.謝高地，曹淑艷，魯春霞，等.中國生態(tài)環(huán)境承載力研究[M].北京：科學(xué)出版社，2011.林靖，董成森.環(huán)境承載力研究的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]，科技與產(chǎn)業(yè)，2011,36~43.金書秦，王軍霞，宋國君.生態(tài)足跡法研究述評[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2009(4)：26?29.HaberlH,ErbKH,KrausmannF.Howtocalculateandinterpretecologicalfootprintsforlongperiodsoftime:ThecaseofAustria1926-1995[J].Ecol.Econ,2001,38(1)：25~45.ErbKH.ActuallanddemandofAustria1926-2000:Avariationonecologicalfootprintassessments[J].LandUsePolicy,2004,21(3)：247~259.Wackernagelm,Chadm,ErbKH.EcologicalfootprinttimeseriesofAustria,thePhilippines,andSouthKoreafor1961-1999:Comparingtheconventionalapproachto-actuallandareaapproach[J].LandUsePolicy,2004,21(3)：261~269.Griffith.J.Connectingecologicalmonitoringandecologicalindieators:areviewoftheliterature[J],JournalofEnvironmentalSystems,1997~1998,26(4)：325~363.鄧聚龍.灰色系統(tǒng)基本方法[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1987.徐琳瑜，楊志峰.城市生態(tài)系統(tǒng)承載力[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2011.高湘昀，安海忠，劉紅紅.我國資源環(huán)境承載力的研究評述[J].資源與產(chǎn)業(yè)，2012,14(6)：116~120.王金南，于雷，萬軍，等.長江三角洲地區(qū)城市水環(huán)境承載力評估[J].中國環(huán)境科學(xué)，2013,33(6)：1147~1151.劉曉麗，方創(chuàng)琳.城市群資源環(huán)境承載力研究進展及展望[J].地理科學(xué)進展，2008,27(5)：35~42.陸建芬.資源環(huán)境承載力評價研究以安徽淮河流域為例[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012.陳海波，劉旸旸.江蘇省城市資源環(huán)境承載力的空間差異[J].城市問題，2013(3)：33?37.白宏濤，王會芝，喬盛.土地資源環(huán)境承載力在城市發(fā)展戰(zhàn)略環(huán)境評價中的應(y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