基于生態健康的農地生態承載力評價

摘要 針對農地生態承載力缺乏統一的概念和計量模型等問題，提出基于生態系統健康的農地生態承載力概念，構建基于生態系統健康的生態承載力理論框架，在此基礎上建立生態承載力計量模型，給出生態承載力評價指標體系和標準的確定方法。以淮安市為研究區域，建立了適合該區域的基于生態系統健康的生態承載力評價指標體系、權重和評價標準，并對淮安市1996-2004以及規劃年的生態承載力水平進行評價和深入分析。結果表明：淮安市農地生態承載力水平仍處于健康狀態且不斷提高。其中，生態彈性水平一直維持在非常健康狀態，人類活動潛力逐步由亞健康狀態過渡到健康狀態，資源承載力水平則不斷下降。以后應加強對農地生態承載力各指標進行優化，才能從根本上降低區域農地生態承載力壓力，提高農地生態承載力水平。

關鍵詞 農地生態系統；生態承載力；生態健康；評價

中圖分類號 F062.3；F323.21 文獻標識碼 A文章編號 1002-2104(2007)05-0112-06

土地是人類賴以生存和發展的物質基礎，僅耕地就提供人類生命80%以上熱量和75%以上蛋白質。隨著中國人口增長和經濟社會快速發展，農地資源特別是耕地資源短缺問題日益嚴重，不僅成為我國經濟社會發展的嚴重制約因素，而且加劇了土地退化，使得農地生態系統面臨難以逆轉的毀壞。現存的農地生態系統究竟能夠承受人類活動多大的壓力，換句話說農地承載力問題，已經成為農地生態系統可持續發展、管理和決策亟待解決的課題。

國內外已有研究中，較少直接對農地資源承載力進行研究，但對土地承載力研究開展較早，大多研究對于農地這樣一個半自然生態系統的整體效應仍欠缺考慮，不僅將農地資源從生態系統中割裂出來；而且忽視人類活動對于生態系統的壓力，認為承載力是一個孤立、封閉的系統。結果勢必造成難以準確衡量農地生態系統的真實承載能力，即農地生態承載力。然而農地生態承載力的衡量因其涉及資源、環境與人類等復雜生態系統以及受不同時空條件的制約，至今仍沒有統一的概念和模型能夠反映其動態變化。同時，生態承載力研究在測度過程中缺乏科學、客觀、精確的標準使其閾值確定顯得困難重重。因此，將農地生態系統健康狀態概念引入農地生態承載力研究中，提出基于生態系統健康的農地生態承載力概念，給出評價指標體系和標準的確定方法，并構建生態承載力量化模型，將為全面準確地評價農地生態系統生態承載力大小，分析其影響機制以及識別制約農地生態系統健康的瓶頸提供科學依據。

1 評價的理論探討

承載力，本質上是指生態系統所能承受的最大限度的影響，人類可以借助技術使其增大，但往往是以生態功能的減少或損失作為代價。這種增大是有限的，這取決系統的自我維持和自我調節能力。所以基于生態系統健康的農地生態承載力可以定義為：在一定社會經濟條件下，農地生態系統維系其服務功能和自身健康的潛在能力。它由兩部分組成：一是生態承載力的支持部分，指農地生態系統的自我維持與自我調節能力（彈性力）以及資源子系統的供容能力（承載能力）；第二部分是生態承載能力的壓力部分，指人類活動潛力，即與農地生態系統有關的人類活動的影響能力。

基于生態系統健康的農地生態承載力概念優點首先在于其將農地生態系統作為一個整體，不單純追求某一子系統的最大承載力，專注于尋求資源利用與生態系統可接受閾值之間的動態平衡點，使生態承載力的評估變為一種范圍估計，既適度承載力，而不是最大承載力；其次在于其將人類活動壓力作為可調控的外力，將生態承載力視作一個開放的系統，克服了已有生態承載研究中將外力與內力相混淆的缺陷，能夠更準確地衡量農地生態系統對人類活動的承載能力。

如果一定的農地生態承載力水平和承受的人類活動的壓力對應一定的農地生態系統健康等級，就可以用圖1描述農地生態系統健康、人類活動對農地生態系統的壓力與農地生態承載力之間的關系。如圖1所示，ON表示人類活動壓力，PM表示農地生態承載力。當人類活動壓力不變時，隨著生態承載力的增加，農地生態系統狀態趨于健康；當生態承載力不變時，隨著人類活動壓力增加，生態系統健康狀態趨于病態。人類活動壓力與生態承載曲線的交點Y與OM圍成的區域OYM為生態系統健康區域，此時人類活動壓力和農地生態承載力對應的健康狀態均處于健康或更高等級。

OPY是“承載力缺乏”限制區，此時人類活動的壓力應嚴格控制在OY線之下，一旦突破臨界線，生態系統即進入非健康承載區，農地生態系統將退化或趨于病態。區域NYM是“壓力過量”的限制區，此時生態承載力的減少應嚴格控制在YM線之下，一旦突破此臨界線，同樣進入非健康承載區。

Y、Y₁、Y₂分別為生態系統處于健康、亞健康和不健康狀態時生態承載力曲線上的點，對應的C(Y)、C(Y₁)、C(Y₂)值為相應農地生態系統健康等級的生態承載力標準值，則OC(Y₂)、OC(Y₁)、OC(Y)和OM為農地生態系統不同健康狀態下的生態承載力范圍。

人類活動的雙重性對健康狀態下生態承載力的作用集中體現在對健康臨界點Y的影響上，對農地生態系統起改善作用的人類活動ON′將使健康臨界點上移至Y′，生態健康區域擴大為OY′M，使原有相同生態承載力水平對應的農地生態系統健康等級上升。反之，人類經濟活動對農地生態系統的壓力將導致健康臨界點的下降，使原有相同生態承載力水平對應的農地生態系統健康等級下降。換言之，農地生態系統健康等級下對應的生態承載力量值不斷下降，直至降為零。

2 評價的研究方法

2.1 概念模型

基于上述理論分析，本文采用狀態空間表征農地生態承載力量值，并進一步闡述了其與生態系統健康狀態之間的關系（見圖2）。在圖2所示的狀態空間中，一定時空尺度內區域自然系統的任何一種承載狀態都可以用生態承載力狀態點表示，如D點，這些狀態點代表了生態承載力在狀態空間中的位置。狀態空間中的原點與系統狀態點構成的矢量模，如圖2中的OD，代表了生態承載力量值。根據生態系統健康與農地生態承載力的關系（圖1），一定的生態系統健康狀態對應著一定的農地生態承載力水平，設圖2中的A、B、C點為農地生態系統處于健康狀態時生態彈性力、資源承載力和人類活動潛力的數值，則對于一定時段內的某一系統，曲面ABCD為對應農地生態系統健康狀態下的生態承載力曲面。隨著生態系統健康狀態的提高，資源承載力、生態彈性力和人類活動潛力健康狀態隨之提高，因此，任何低于ABCD曲面的點，代表該生態承載力對應的生態系統健康狀態趨于病態，而任何高于ABCD曲面的點，則表示該生態承載力對應的生態系統處于健康等級之上。

2.2 計量模型

根據以上概念模型，基于生態系統健康的農地生態承載力的數學表達式為：

式中：C為農地生態承載力；Mc為生態承載力空間向量的模；Ei為第i個資源指標在空間坐標軸上的投影；Rj為第j個生態彈性力指標在空間坐標軸上的投影；Hk為第k個人類活動潛力指標在空間坐標軸上的投影；wi，wj和wk為第i，j，k個指標對應的權重。為消除指標數據間量綱和量級影響，將指標進行歸一化處理，（1）可用于計算得到農地生態承載力指數，用來表征生態承載力水平。指標歸一化時注意正向指標（指標值越大，健康程度越高）與負向指標（指標值越小，健康程度越高）有所不同，最終使歸一后指標數值越大，生態系統健康等級越趨于健康方向。

指標進行歸一化時，首先將指標取值劃分為三個區間，對中間區間采用內插法計算指標歸一化指數。即：當指標實際值達到或超過非常健康標準值時，認為其基本滿足農地生態系統健康發展的需要，規定指標歸一化指數為最大值1；當指標實際值達到或低于病態時標準值時，指標歸一化指數為最小值0。具體函數如下：

如果將生態承載力的動態性考慮其中，則基于生態系統健康的農地生態承載力指數可表示為：

（3）中，C為生態承載力指數；S為空間變量；T為時間變量；E為資源承載力指數；R為生態系統彈性力指數；H為人類活動潛力指數。（4）～（6）中，E1，E2，…En為資源承載力各要素；R1，R2…Rn為生態系統彈性力各要素；H1，H2…Hn為人類活動潛力各要素。采用灰色系統模型中經典的GM（1，1）模型可以預測生態承載力各要素，將預測結果代人（1）～（6）中，即可預測未來時段的生態承載力指數。

2.3 指標體系和評價標準

2.3.1 評價指標體系

根據前文所述，基于生態系統健康的農地生態承載力水平與生態系統健康狀態息息相關，因此，生態承載力評價指標全部來自農地生態系統健康指標體系，以便于確定農地生態系統承載力與生態系統健康之間的定量關系。

農地生態系統是以農地利用為基礎，以人類社會可持續發展為目的，促進經濟、社會和生態三者之間和諧統一的自然、社會、經濟復合系統。健康的農地生態系統必須保持系統內部結構和組織的穩定性，對外界的人類活動壓力有足夠的恢復力。不少學者已經對土地健康定義和研究內容作出了論述，在此基礎上，蔡為民等（2004）初步建立了土地利用系統健康評價框架，陳美球等（2004）對鄱陽湖地區土地健康評價作出了實證研究。根據基于生態系統健康的農地承載力理論和模型，本文對前人衡量土地健康和土地利用系統健康指標體系進行歸納和篩選，遵循綜合性、尺度適合性、簡明性和可操作性原則，最終從資源承載方面、生態系統彈性以及人類活動三方面確定了衡量一般區域的農地生態系統承載力指標體系，共計包括7個指標（該指標體系可以根據研究區域具體尺度以及地域有所不同）。同時，本文采用定性與定量相結合的方法，具體以層次分析法為主，同時結合特爾菲法確定評價指標體系的權重。具體評價指標體系、指標含義及權重見表1。

2.3.2 評價標準根據生態承載力與生態系統健康關系與測算模型，生態承載力標準依托于生態系統健康評價標準，所以首先需要確定農地生態系統健康評價標準。將農地生態系統健康評價標準劃分為病態、不健康、亞健康、健康、非常健康5個等級。可以根據研究區農地利用的平均水平和實際條件，綜合參考相關文獻以及生態縣（省、市）等標準，采用專家評判標準賦值法提出農地生態系統非常健康以及病態的標準值，應用等距法確定亞健康、不健康和健康的標準值以及最終的農地生態系統健康等級標準。

生態承載力標準值劃定時首先按照（2）對農地生態系統不同健康等級標準具體數值進行歸一化處理，根據轉化后的農地生態健康標準，通過（1）、（3）～（6）計算不同生態系統健康等級下的生態承載力指數標準值。通過這些標準值，可定量判斷不同生態承載力指數對應的生態系統健康狀態，以及人類活動作用于生態承載力造成的生態系統健康等級的變化，從而識別制約區域生態系統健康的瓶頸問題。具體生態承載力對應的生態系統健康狀態判別標準如表2。

3 實證研究結果與分析

3.1 研究區概況

淮安地處淮河下游，地理上屬于黃淮平原與江淮平原的結合部；氣候上為北亞熱帶和北溫帶的過渡氣候帶，屬于季風氣候區，氣候溫和濕潤，降水量較為豐富。總面積1.01萬km2，2004年人口512萬，境內平原廣闊，河湖交錯，土地肥沃，糧豐林茂。農地資源相對豐富和經濟發展水平相對落后是淮安市社會經濟發展過程中的兩個重要特點。淮安市耕地總量、人均耕地占有量常年位居江蘇13市的前列。有關監測表明，96％的耕地其土壤的綜合污染指數都小于1.0，農業生產的生態環境條件良好，是全國重要的商品糧和農副產品產、銷基地。但是由于地處江蘇省經濟發展落后的蘇北腹地以及經濟基礎比較薄弱等各方面的原因，淮安市經濟總量和城市發展綜合水平等多項社會經濟發展指數在江蘇省內均處于較落后水平。目前，淮安市正處在工業化、城市化進程加快時期，農地資源日益受到工業和城市土地利用的經濟競爭，經濟建設發展的土地資源“硬”約束日益突出。

3.2 數據來源

為了獲取淮安市農地生態承載力評價指標的原始數據查閱了大量的資料，這些資料包括公開出版的1996～2004年淮安市統計年鑒、江蘇省統計年鑒、國土資源局統計資料以及淮安生態市建設規劃等其他有關部門專項規劃和統計資料。邀請包括土地管理、農業、環保方面高校教授和相關政府部門主管領導等共15位專家，通過兩輪征詢和數理統計處理，得出淮安市農地生態系統健康評價指標標準。

3.3 評價指標體系與標準

結合上文提出的基于生態健康的農地承載力理論探討與研究方法，采用表1的指標體系與權重。根據相關研究成果、國家環保總局《生態縣、生態市、生態省建設指標(試行)》和淮安市有關部門相關規劃，采用專家評判標準賦值法給出了農地生態承載力評價標準（見表3）。與此相應，農地生態力承載標準見表4。

3.4 評價結果

按照淮安市農地生態系統健康評價指標體系以及評價標準，將淮安市1996-2004年指標值代入農地生態承載力評價模型，得到農地生態承載力指數以及各準則層度量結果（見圖3）。采用GM（1，1）預測模型，計算淮安市2010年和2020年生態承載力指數的變化，結果見表5。根據表3及表4對淮安市農地生態系統承載力指標的健康狀態進行了分析，結果見表6。

3.5 結果分析

3.5.1 1996-2004年農地生態承載力變化

從圖3可以看出，淮安市1996-2004年農地生態承載力指數呈平緩上升趨勢，從0.275 1增加到0.290 0，增加了5.41%。這是由農地生態承載力三方面變化共同造成的。

資源承載力指數有一定程度的下降，從1996年的0.096 1下降到2004年的0.087 9，下降幅度8.56%。表明該區域人類活動對于農地資源承載力造成的負荷在加劇。究其原因主要在于資源承載力中占權重較大的人均耕地面積的不斷下降，從1996年的0.101 hm2/人下降到2004年的0.094 hm2/人，下降幅度7.37%。

生態彈性指數從1996年的0.2524上升到2004年的0.2558。其中，雖然多樣性指數略有下降，但森林覆蓋率上升較好的保證了生態彈性的增加。表面該區重視生態造林等恢復農地生態系統彈性的措施取得一定成效。

人類活動潛力指數呈逐年上升趨勢，主要得益于該區利用農地資源集約程度的上升，單位二三產消耗建設用地面積從1996年的0.122 hm2/萬元下降到2004年的0.035 hm2/萬元。但同時也不能忽視人口密度的增加對農地生態系統造成的壓力。

3.5.2 農地生態承載力預測

從表5可以看出，預測得出的2010年和2020年農地生態承載力指數將分別達到0.298 6和0.298 7。2010年和2020年生態彈性指數和人類活動潛力指數均比2004年得到提高，資源承載力指數則呈下降趨勢，分別比2004年低0.091和0.016 6，2020年下降幅度小于2010年。農地生態承載力水平會有所增加說明社會經濟發展、技術水平提高以及生態保護意識的提高能夠暫時彌補資源承載能力的下降，而且隨著時間的發展，農地資源承載力下降趨勢也得到逐步緩解。

3.5.3 1996-2004及規劃年農地生態承載力的健康狀態

從表6可以看出，1996-2004及規劃年淮安市農地生態承載力仍處于健康狀態，1996-2004資源承載力水平呈亞健康狀態，但到規劃年資源承載力水平會下降為不健康狀態；1996-2004及規劃年生態彈性水平均呈非常健康狀態；人類活動潛力由2002年由亞健康狀態轉變為健康狀態，表明人類活動對農地生態系統的壓力有一定程度的減少。

4 結論與討論

（1）基于生態系統健康的農地生態承載力由資源承載力、生態系統彈性力和作為調控因子的人類潛力3者的合力構成，可衡量一定社會經濟條件下，自然生態系統維持其服務功能和自身健康的潛在能力。該概念將生態承載力與生態系統健康狀態有機聯系起來，體現了生態承載力的動態性與可調控性。

（2）案例研究表明，淮安市農地生態承載力水平仍處于健康狀態且不斷提高，特別是生態彈性水平一直維持在非常健康狀態，而且人類活動潛力逐步由亞健康狀態過渡到健康狀態，不容忽視的是資源承載力水平不斷下降給農地生態承載力帶來一定壓力。雖然人類活動潛力和生態彈性力的提高可以彌補資源承載力的下降，但從長遠看人類活動潛力提高不能替代資源承載力的減少，因此以后應加強對農地生態承載力各指標進行優化，即控制人口增長，增加人均耕地資源的可供性，提高資源集約利用程度，加大生態恢復措施力度，從根本降低區域農地生態承載力壓力，才能提高農地生態承載力水平，保證農地資源的可持續利用。

（3）承載力在測度的過程中，包括評價指標篩選、評價標準的確定與賦權時都無法避免人們價值取向和經驗性判斷等人為因素的影響（盡管具有一定的科學依據）。因此評價指標篩選、評價標準的確定與賦權方面仍需要進一步研究。

(編輯：于 杰)

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