環境承載力分析方法及應用實例

王同桂，肖劍波

（1.重慶市主要污染物排放權交易管理中心，重慶401147；2.重慶大學 環境科學系，重慶400044）

1 引言

承載力（Carrying Capacity）是一個生態學概念，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用于畜牧場管理，隨后被野生動物學家采用并逐漸寫入生態學教材［1］。Park等提出了生態學領域的承載力概念。20世紀50年代，著名生態學家E Odum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量［2～4］。環境容量的概念于1968年被日本學者引入到環境科學中，這是環境承載力概念的雛形［5］。

環境承載力由承載力概念進一步發展而來。目前為止，大量環境承載力的理論及實例研究見諸文獻，但對于環境承載力仍未給予統一的定義。Arrow等［6］指出生態恢復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承載力的不同概念［7，8］，使承載力內涵進一步豐富。《中國大百科全書·環境科學》給出了關于環境承載力的定義，認為環境承載力指的是“在維持環境系統功能與結構不發生變化的前提下，整個地球生物圈或某一區域所能承受的人類作用在速度、規模和強度的限值［9］。此外，承載力還拓展到與人類息息相關的其他領域，如旅游承載力、資源環境承載力、城市承載力、社會承載力等研究領域。

人類生存和發展的環境是一個大系統，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。狹義的環境承載力，通常被認為是環境容量承載力，即“某一時期，某狀態或條件下，某地區的自然環境所能承受的人類排放污染物的閾值”［10］。環境承載力是人類生態學視角下的生態承載力，劉仁志［11］認為環境承載力是指“在維持環境系統結構和功能不發生不利變化的前提下，一定時空范圍的環境系統在資源供給、環境納污和生態服務方面對人類社會經濟活動支持能力的閾值”。環境承載力作為環境系統自身的一種客觀屬性，能夠表征系統結構和功能，包括其對資源需求、環境需求和生態需求的支持能力。因此，環境承載力具有資源、環境、社會、生態等多維內涵。本文對目前環境承載力的量化方法進行了總結和分析對比，并梳理了一些定量計算環境承載力的案例，以期為有關實踐提供參考，進一步將環境承載力的理論應用于環境規劃管理的實踐中去。

2 環境承載力定量化方法

就目前而言，對于環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查問卷、實地調研等研究方法，以某一國家或某一區域為研究對象，結合具體的評價方法，對其資源環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，如生態足跡法、能值分析法、灰色系統分析法、系統動力學法、指標體系法等，以及在以上方法基礎上進行改進和綜合使用。此外，值得一提的是，曾維華等［13］綜合了指數評價法和承載率評價法這兩種方法，并通過有機結合內梅羅指數法，提出了環境承載力綜合指數法，該方法可以克服指數評價法中的缺點，一方面能夠去除主觀因素所產生的偏差，還能反映出某區域環境發展現狀與設定的目標值之間的差距，且能直觀地量化環境承載力，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，強調從承載力理論的基本原理出發，經過嚴謹的邏輯思維而形成，僅作為一種指導性的定量化思想，很難輔以具體的實例進行驗證。概念模型法以人口與經濟、資源的環境承載力模型即P－E－R模型最具代表性，其中P代表人口，E代表經濟，R代表資源［14］。

2.2 生態足跡法

生態足跡（Ecological Footprint）是由加拿大人William E.Rees提出，之后得到不斷完善和發展。生態足跡法通過估算面積，比較給定地區的生物承載力，進而衡量區域的可持續發展狀況。

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，主要表現為不具備動態性和預測性［16］。后來，研究學者考慮增加時間序列，用以計算多年的生態足跡來解決該問題。Haberl等［17］和Erb［18］分別以長時間段生態足跡計算方法和修正生態足跡模型，計算了奧地利1926～1995年的生態足跡及1926～2000年的“實際土地需求”；Wackernagel等［19］（2004）也做了相關研究，分別采用年平均產量和當地實際年平均產量得到生態足跡及“實際土地需求”，并作出了比較和分析。

2.3 灰色系統分析法

鄧聚龍教授創建的灰色系統分析法，主要涵蓋灰色關聯分析法、灰色系統建模理論、灰色決策、預測與規劃方法等［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，通過對“部分”已知信息的生成、開發和提取，實現對系統行為、演化規律的描述和監控。該法分析建模時，利用數量不多的數據信息，確定各相關因素間的關系并建立模型。

2.4 系統動力學方法

系統動力學法由麻省理工學院Forrester J W創立，用以研究信息反饋系統［20］。此方法通過建立模型，研究各個變量的相互作用關系。在環境承載力的研究中，通過調整指標體系，運用系統動力學模型對擬定的不同發展模式進行模擬和預測，尋找最低承載力所對應的最佳發展模式。在量化環境承載力的各類方法中，系統動力學應用較多。該法主要用于對系統進行的動態模擬和預測，關注系統內部各因子之間的各種反饋關系。但同時，該法也存在模型復雜、模型構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學家H T Odum于20世紀80年代創立的分析方法［14，22］。能值分析以能值作為度量標準，將生態系統內流動和儲存的各種不同種類的能量和物質轉換成同一標準。能值分析常用太陽能值來衡量物質和能量的大小。Campbell（1988）利用能值分析法研究了美國因緬因州的承載力、發展的可持續性。2001年，弗羅里達大學的兩名研究學者根據地區環境資源的能值分析，得到了評估經濟發展的一種包括長期、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。我國學者嚴茂超、B Chen和G Q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，量化結果也避免了因同一量綱造成的誤差，但計算資源、產品和勞務的能值轉換率需要對整個相關系統進行能值分析，非常復雜且難度很大。但能值轉換系數的高度不確定性，導致對能值轉換系數存在著較大爭議。

2.6 指標體系法

指標體系法是一種應用較廣的量化手段，可以方便地和其他方法結合使用，主要有單要素加權法、向量模法、模糊綜合評價法和層次分析法等［14，22］。

單要素加權法首先構建由發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重系數進行加和［式（5）］。向量模法將承載力視為一個由n個指標構成的向量，設有m個發展方案或m個發展狀態，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＝｜v1，v2，v3，…，vn｜（評語集），通過模糊變換B＝A·R（A為模糊權向量，R為各因素對評語V的隸屬度Rij構成模糊關系矩陣）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的因素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎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、影響因素及其內在關系等進行深入分析的基礎上，利用較少的定量信息使承載力核算過程數學化和結構化。總的來看，包括模糊分析在內的指標體系法都是靜態研究方法，主要特點是將人口作為外生變量，不考慮人口對經濟生產的反饋，忽略人口、經濟和資源系統之間的動態關系，因而指導性和操作性不強。

式中：Ii為單要素環境承載力；Wi為響應要素的權值。

3 環境承載力的實際應用

3.1 區域資源環境承載力

隨著資源環境承載力評價方法研究的開展與不斷深入，基于區域資源環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境承載力的評價，城市群在推動我國工業化和城鎮化快速發展的同時，已成為資源短缺、環境污染、生態破壞等問題高度集中的地區［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，結果顯示2005～2010年，長三角半數城市承載力狀態改善明顯，但仍有7個城市處于危機狀態。江蘇省內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；浙江省內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，顯著好于江蘇省內城市和上海市。

陸建芬［26］利用改進的Topsis法，重新設定權重和指標體系，整個指標體系包括經濟發展力和資源環境承載力兩個系統共23項指標，對安徽淮河流域資源環境承載力進行了評價。評價結果顯示，資源環境承載力排名：六安＞滁州＞宿州＞亳州＞蚌埠＞淮北＞阜陽＞淮南。經濟發展力的排名則與之大致相反，表現為資源環境承載力強的城市，其經濟發展力相對較弱。造成該種現象的原因，被認為是，淮河流域的水資源的極度缺乏，供需矛盾大，礦產等非可再生資源的分布不均，高耗能產業占有較大比重等。

3.2 城市資源環境承載力

城市的資源環境承載力日益受到關注，城市資源日益減少，環境日益惡劣，人類的生存與發展面臨嚴峻考驗。針對城市資源環境承載力的評價，主要針對生態型新城區、依賴礦產資源發展經濟的城市進行評價［23，27］。

劉曉麗等［25］認為城市群將作為中國經濟發展的引擎，尤其是京津冀 、長三角、珠三角形成的城市群將主導中國經濟的發展；城市群所造成的生態環境問題愈發地呈現出顯著性、區域性、復雜性的特征，今后城市群資源環境承載力研究將趨向于多因素復合型的動態研究。

陳海波等［27］等通過構建目標層（資源環境承載力）、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、社會經濟資源承載力、自然環境承載力和社會經濟環境承載力），對江蘇省城市資源環境承載力作出了評價，從復合排名看，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］認為土地承載力應該是一定的技術條件下，特定的時間和區域內，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保護和布局調整為出發點，要以優化策略為目的，要緊密圍繞人口容量、產業發展和生態戰略的戰略環境評價（SEA）來進行分析和評價。

通過評價資源環境承載力進而得出其優劣程度，資料顯示資源環境承載力的主要在環渤海地區、長江三角洲、京津冀等經濟相對發達或資源相對豐富的地區得到了應用，各區域資源環境承載力如表2所示。

表2 各區域的資源環境承載力排名

4 結語

有關于環境承載力的研究呈現出快速增長的趨勢，研究內容也越來越具體充實，而不再僅僅停留在綜述和理論研究。環境承載力在定量評價方面，尤其是國內學者，以生態足跡法為主要研究方法，諸多學者［29，30］研究分析表明，簡單地運用生態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的環境承載力。目前對于環境承載力的研究仍然缺乏能夠同時描述環境承載力客觀性、區域性及動態性的科學、系統的指標體系，并且缺乏統一確切的資源環境承載力評價指標體系，評價方法也缺乏創新性。在模型構建方面，主導的資源環境承載力評價模型還未能出現。今后，還需要從事環境承載力研究的研究人員結合實際研究對象的特點，按照可持續發展的思路，充分運用數學、環境學等相關學科理論，逐步建立和完善動態且準確的環境承載力定量評價方法體系。

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