環境承載力評價方法及其業務化應用：進展與展望

李娟花，張惠遠，郝海廣，張哲

中國環境科學研究院

資源環境承載力最早于18世紀提出，隨著人類活動不斷發展和范圍擴大，承載力內涵經歷了人口承載力、環境承載力或資源承載力到生態承載力的演進過程。環境承載力的發展過程為：1798年Malthus[1]提出資源影響著人口的增長；1982年聯合國糧農組織以人口為限制因子，對全球5個區域117個發展中國家的土地資源人口承載力進行了研究[2]；1985年聯合國教科文組織采用ECCO(evolution of capital creation options)模型對肯尼亞等發展中國家的資源環境承載力進行了評價[3]；1990年Sleeser[4]采用ECCO模型，綜合考慮人口- 資源- 環境- 發展間的相互關系，對環境承載力進行了評價。承載力概念于20世紀80年代引入我國，早期開展了以土地- 糧食- 人口為核心的土地資源承載力研究[5]，之后廣泛開展了以土地、水資源等要素為代表的資源承載力研究和對大氣、水、土壤環境等單要素的環境承載力研究。目前，資源環境承載力已成為描述區域經濟社會發展限制條件的重要指標和衡量區域可持續發展的判斷依據[6]。

環境承載力是一個涉及環境、經濟、社會等諸多方面的綜合性概念，諸多學者主要從容量、閾值、能力等角度闡述其內涵，目前還未形成共識。Khanna等[7]指出，環境承載力應包含2層意思，即對資源開發的承載能力和對環境污染的消納能力。Bishop等[8- 10]對環境承載力的內涵進行了界定，認為環境承載力是自然環境系統在不遭受嚴重退化和在人類可接受的生活水平前提下，環境對人口的容納能力和所能承載的人類活動的強烈程度。多數學者認為，環境承載力是指在一定生活水平和環境質量要求下，在不超出生態系統彈性限度條件下，環境子系統所能承納的污染物數量及可支撐的經濟規模與相應的人口數量[11- 12]。當前環境承載力研究主要集中在概念內涵、理論基礎、指標體系等方面，主要應用于國土功能區劃、城鎮化建設與布局、人口空間布局、災后重建規劃、旅游、海洋產業等領域[12- 13]。探索建立資源環境承載力監測預警機制已被納入我國生態文明建設任務中，中共中央辦公廳、國務院辦公廳出臺了《關于建立資源環境承載能力監測預警長效機制的若干意見》(廳字〔2017〕25號)[14]，國家發展和改革委員會聯合12部委印發了《資源環境承載能力監測預警技術方法(試行)》[15]，這意味著我國資源環境承載力研究已由理論轉向實踐，環境承載力評價實現業務化應用的需求十分迫切。但目前環境承載力評價從科學研究轉向業務化應用還存在差距，需要辨識各種承載力評價的方法及其優缺點，分析承載力在應用實踐中面臨的主要問題，進而探索實操性、科學性以及指導性較強的承載力評價方法體系。筆者系統總結了環境承載力評價方法的研究進展，分析了當前環境承載力評價方法在業務化應用中的不足和需求，提出了面向業務化應用的環境承載力評價研究趨勢和研究思路，以期為相關研究和技術標準制定提供參考，為推進建立我國環境承載力監測預警機制提供借鑒。

1 環境承載力評價方法

隨著概念和理論研究不斷豐富，環境承載力評價取得了大量成果，形成了多樣化的評價方法。早期環境承載力評價主要針對單一要素或多個要素建立指標體系，結合統計學方法計算得到承載力指數[16]。之后，環境承載力關注的焦點由外在表象轉向復合系統內部機制，系統動力學模型等被引入環境承載力評價中[17]。此外，也有研究從資源環境要素的供需平衡及污染物容量的角度開展評價[18]。環境承載力評價常見的方法可以歸納為指標體系評價法、系統模擬法、供需平衡法和環境容量法4個類別。

1.1 指標體系評價法

指標體系評價法是從資源、環境、生態以及社會經濟等層面，選取區域關鍵要素建立指標體系，對區域環境承載力進行評價，評價結果一般為環境承載力綜合指數。在具體評價過程采用相關統計學方法，主要包括矢量模法、模糊評價法、層次分析法、主成分分析法等。根據評價所關注的環境要素數量，可分為單要素評價和多要素評價。

單要素評價最初集中于探討基于人糧關系的土地承載力研究[19]，隨著人類社會經濟的發展，資源耗竭和環境污染等問題相繼出現，單要素評價的研究對象逐漸擴展到水環境、大氣環境、水資源和地質等諸多方面[20- 23]。有研究分別計算大氣、水、生態環境等單要素承載力指數，再結合權重將各分指數疊加得到資源環境綜合承載力[24- 25]，或者根據短板效應理論，選取水資源、土地資源、能源、水環境容量和大氣環境容量等單要素評價結果的最小值作為承載力約束下的人口規模閾值[26]，其研究本質上仍屬于單要素評價。

由于資源環境問題的相互影響和累積作用，單要素評價難以解決區域發展所面臨的復雜環境問題，針對區域多要素綜合承載力的評價逐漸成為承載力研究的重要方向[6]。一些研究基于“壓力—狀態—響應”、“壓力- 支撐力”以及“發展因子- 限制因子”等模型，從經濟、社會、資源和環境方面分別選取指標，構建環境承載力評價指標體系，對區域承載力進行了綜合評價[13,27- 28]。如徐志青等[29]從社會經濟、水生態環境、水資源3個子系統選取了19項指標構成水環境承載力評價指標體系，評價珠江三角洲的水環境承載力。

指標體系評價法在承載力評價中最為常見，該方法能夠綜合反映區域承載狀況，適用于區域承載力的宏觀評價。但由于指標選取缺乏統一標準，評價結果可比性較差，對區域發展的指導性較弱。其中，單要素評價雖然針對性較強，但對區域整體性和系統性把握不足，較適用于工業園區等小尺度下的承載力評價；多要素綜合評價能夠反映區域綜合承載狀況，適用于區域發展現狀的宏觀評價，但評價結果針對性較差，難以指導具體區域產業布局。

1.2 系統模擬法

系統模擬法通過分析區域復合系統內資源、環境、生態以及社會經濟等要素耦合機制，建立仿真模型模擬復合系統的運行過程，借助模型的輸入、輸出參數，分析不同方案下區域可承載的經濟規模和人口數量，從而完成對區域承載力的評價和預測。系統模擬法采用的模型方法主要包括系統動力學模型法和以不確定性多目標模型為代表的優化模型法[30]。

系統動力學模型法通過一階微分方程組反映系統內各變量間的因果反饋關系，進行動力學仿真，并結合指數評價法得出區域環境承載力評價結果；優化模型法通過建立目標函數模擬區域復合系統，根據區域實際確定相應的約束條件，隨后進行優化求解對區域承載力進行評價，其中以不確定性多目標模型法應用最廣[31- 32]。

系統模擬法以復合系統內部要素間的信息反饋為基礎，有利于處理復雜多變的非線性過程，評價結果具備優化和預測功能，適用于區域發展目標的制定。但模型構建及計算過程復雜，參變量難以科學率定，目前還較難全面應用于業務化管理。

1.3 供需平衡法

供需平衡法通過對比分析資源、環境及生態等承載主體和承載對象之間的供需關系來反映區域承載力的大小。該類方法試圖從區域能量流動和物質循環等過程著手，將能量或其他某一類物質作為衡量區域承載能力的媒介，進而對區域資源環境承載力進行評價。具體方法主要包括自然植被凈第一性生產力法、能值分析法、生態足跡法以及差量對比法等[33]。

有的學者認為，植被凈第一性生產力能準確反映自然生態系統的生產能力和恢復能力，是評價自然生態系統承載力的重要指示指標[34]。能值分析法和生態足跡法將人類對自然界的需求和占用轉化為統一的物質能量量綱，進而對復合系統環境承載力進行整體評價[35- 38]。差量對比法主要是將環境污染的現狀和環境質量標準要求進行對比，建立基于環境標準的環境承載力評價模型，進而評價區域、流域環境承載力[39]。

供需平衡法從供給和需求2個層面開展承載力評價，得出具有統一量綱的環境承載力結果，可直觀地反映區域復合系統的承載力大小，適用于單一要素評價及承載主體與承載對象間能量流動機制的探討。但這種方法對復合系統結構和要素間相互作用機制考慮不足，評價結果與實際承載力大小可能存在一定偏差。

1.4 環境容量法

環境容量法根據環境質量要求和監測斷面(點位)分布等因素，將評價區域劃分為不同控制單元，運用環境容量模型分別計算各控制單元所能承載的污染物閾值，進而得到區域所能承載的污染物總量[40]。根據環境要素和污染物的不同，環境容量法主要包括水環境容量法及大氣環境容量法。

經過30多年的研究和實踐，水環境容量核算方法體系已較為完善，《全國水環境容量核定技術指南》[41]提出了零維、一維、感潮河段一維和二維、湖庫等適用于不用條件的水質模型，能夠適應不同水文狀況下的污染物容量核算。張玉珍等[42]根據九龍江特殊的水流特性和多年的水質監測結果，依據湖庫化河段判定標準，采用河流一維容量模型和水庫水環境容量計算方法，確定了不同河段的水環境容量；王玉敏等[43]運用湖泊二維水質模型，將新疆博斯騰湖劃分成網格，計算了水質目標下各污染物的水環境容量，為博斯騰湖流域水污染防治提供了技術依據；彭嘉玉等[44]在不同設計水文條件下，建立了鐵嶺流域穩態水質模型，計算了鐵嶺控制單元的水環境容量。大氣環境容量核算方法主要包括A- P值法、模擬法及線性規劃法等[45- 46]。

環境容量法能直觀地反映區域對污染物的容納能力，對區域污染物總量控制和產業環境準入具有重要指導意義。但該類方法計算量大，參變量難以準確率定，且環境容量計算模型忽略了資源數量和質量以及社會經濟發展等因素的影響，僅靠污染物排放閾值難以綜合反映區域承載狀況。

4種環境承載力評價方法對比見表1。

表1 環境承載力評價方法對比

2 業務化應用中的不足

環境承載力是制定區域發展規劃和實施生態環境管理的重要依據，形成一套既科學合理又便于操作的環境承載力評價技術方法是當前科學界的迫切任務。但目前，環境承載力評價方法距離業務化應用尚有較大差距。

2.1 評價方法的綜合性不夠

環境承載力涉及資源、環境、社會、經濟等諸方面，各要素相互促進、相互制約，共同構成復雜系統，需要把它們結合起來視為一個系統，從宏觀、綜合的角度去評價區域的環境承載力，繼而反映區域整體特征。但大多數對區域環境承載力的評價還停留在不同生態系統和水、大氣環境等單要素承載力或是簡單復合層面，而著眼于環境承載力綜合評價的研究工作還不多，環境承載力綜合評價尚沒有統一的方法體系，缺乏一致的綜合指標體系和評價模型[47- 48]。因此，從承載力本身的系統論和整體論出發，綜合考慮資源、環境、社會、經濟等諸多要素，對區域環境承載力進行綜合研究變得尤為迫切。

2.2 評價結果的預測性作用弱

黨的十八屆三中全會提出“建立資源環境承載能力監測預警機制，對水土資源、環境容量和海洋資源超載區域實行限制性措施”，這表明我國環境管理正從末端治理向源頭防控轉變，因此要求環境承載力評價結果必須為決策提供支撐。承載力與生態環境稟賦、技術手段、社會選擇和價值觀理念等因素密切相關，自然資源開發利用方式和人類生產活動處于持續變化過程中，使得承載體和承載對象本質是動態的，相應區域環境承載力也隨之發生變化。目前環境承載力研究主要偏重于現狀和靜態的分析與評價，缺乏對區域動態變化過程的分析及發展趨勢研究，有部分研究運用系統模擬法對區域承載力的動態變化和發展趨勢進行分析預測，但由于評價模型計算復雜和參變量不易把握，難以滿足當前條件下業務化應用的需求。

2.3 區域開放性和尺度效應考慮不足

區域人口、資源、環境與社會經濟系統作為高度開放的系統，與外界不斷進行資源環境要素、產品的交換以及污染物的跨區輸送[49]，因此不同區域間環境承載力也會相互影響[50]，除了要綜合考慮各單要素等內生變量，還要重視開發系統內各空間單元及外部不同地區間的相互作用等影響。大尺度區域的承載力受小尺度的污染物行為等的影響，小尺度區域的承載力也會受到大尺度因素的影響。同時，同一尺度下區域間的污染物、資源環境產品和服務等的流動，影響著區域環境承載力[51]。當前研究出于方便量化評價的目的，多將評價區域看作封閉系統，通過選取區際交流類指標體現區域間的相互影響[52]，難以反映資源環境產品和污染物的流動對區域承載力的累積影響，導致評價結果與區域實際承載狀況不一致，甚至相差極大。

2.4 評價方法的應用性不足

當前環境承載力研究主要集中于對概念內涵、指標體系和評價模型等學術層面的研究，處于重評價、輕應用的階段。在學術界關于環境承載力的概念和內涵還未形成共識，對其內涵存在能力、規模、閾值、限值等不同觀點，研究的重點主要集中于指標體系的設置、評價模型的構建、標準閾值研究等技術層面，而對評價結果的深入分析和轉化應用、決策支撐等方面關注度不高。雖然當前環境承載力的評價也應用在國土功能區劃、城鎮化建設與布局等領域，但大多停留在戰略引導層面，而對資源優化配置和節約集約開發、生態環境準入、優化國土空間開發格局等管理決策方面支撐力度不夠，實用性不強。

3 面向業務化應用的環境承載力評價方法研究展望

環境承載力是制定環境質量標準、編制環境保護規劃、優化國土空間開發和保護格局的重要依據。在當前我國大力推進生態文明建設和生態環境保護的背景下，環境管理已從宏觀戰略指導向精細化管理轉變，由末端治理向源頭防控轉變，從各自為政向整體協作轉變，從總量控制向質量效益轉變，這要求環境承載力研究打破傳統的單一要素和靜態的、孤立的評價模式，向系統化、簡明化、動態化、標準化方向發展，探索研發應用性和操作性較強的環境承載力評價技術標準，以實現環境承載力評價與地方環境管理的緊密結合，發揮環境承載力對自然資源開發和經濟社會發展決策的指導作用。

3.1 開展綜合評價

在單要素評價的基礎上實現區域生態環境系統綜合評價。未來環境承載力應充分考慮到社會經濟系統的開放性及資源的流動性，基于一個動態的社會經濟平臺對區域環境承載力進行綜合研究，對資源環境系統和社會經濟系統進行機制探討與量化研究，實現從要素到區域綜合、系統集成的轉變，以揭示社會經濟需求和自然生態環境保護需要相結合的承載力閾值范圍，為區域的可持續發展提供指導。

3.2 構建差異化的指標體系

立足區域資源環境本底條件和區域主體功能定位構建差異化的指標體系。根據區域主體功能定位，在禁止開發和限制開發區域、城市化和工業化集中發展區域，分別開展以生態環境保護目標、環境質量改善狀況、環境容量盈余的環境承載力評價。考慮社會經濟系統和生態環境系統要素間的相互作用，從生態環境、自然資源、經濟社會等方面構建不同目標層或要素層，設計差異化的指標體系，通過配置不同的權重，最終評價體現不同區域差異的環境承載力。

3.3 推進評價方法的標準化

根據生態環境監測條件和系統復雜程度構建簡便易行的評價模型方法標準規范。在生態環境問題比較單一的區域，選取有針對性的方法，避免計算復雜的模型；對于人口、經濟社會和自然生態環境密切耦合的城市區域，加大監測力度，選擇能夠反映人與環境系統演化的綜合模型進行運算以獲得全面的評價結果。加快開展環境承載力評價試點實踐，在實際應用中不斷修訂完善，制定統一的環境承載力評價技術標準規范。

3.4 實現評價結果的模擬預測功能

強化環境承載力評價的決策支持、模擬預測功能。充分發揮地理信息系統(GIS)、遙感技術(RS)等現代資源環境信息化技術，開展環境承載力基礎數據庫、應用信息系統、監測預警平臺建設。一方面為繼續深入開展承載力研究提供基礎數據和資料參考；另一方面反映區域環境承載力空間特征和時間動態變化，實現評價結果的自動化和可視化，形象直觀地展示區域環境承載力空間和時間上的動態變化；同時結合區域發展趨勢，實現對區域整體環境承載力和關鍵要素變化過程、驅動機制分析預測。為建立和完善承載力監測預警機制奠定基礎，為區域生態環境管理和資源開發決策提供依據。

4 結語

環境承載力評價方法主要包括指標體系評價法、系統模擬法、供需平衡法、環境容量法等，不同評價方法的具體內涵、表征形式、適用對象、優點及局限性差異較大。當前環境承載力評價方法距離業務化應用尚有較大差距，體現在評價方法的綜合性不夠，評價結果的預測性作用較弱，區域的開放性和尺度效應考慮不足等方面。結合當前國內環境管理需求的轉變，建議今后應在生態環境系統綜合評價、差異化的指標體系構建、評價方法的標準化、評價結果的模擬預測功能實現等方面開展研究。

為了滿足國家和區域生態文明建設和生態環境管理科技需求，建立環境承載力監測預警機制，環境承載力評價方法需在已有研究的基礎上進一步完善：在國家和不同區域尺度上形成既科學又便于操作的環境承載力評價標準規范，建立用于日常管理的環境承載力監測預警平臺；面向業務化應用的環境承載力評價研究應向著系統化、簡明化、動態化、標準化方向發展，依據區域功能定位和本底資源條件，考慮各要素間、不同空間的相互作用，創新完善指標體系的建立；應加強區域基礎數據監測力度，著重考慮其綜合性、動態性、準確性、實用性等方面，選擇能夠反映人與環境系統演化的模型方法進行評價和預測，在不同尺度上形成科學易行的環境承載力評價標準規范。