合肥市生態承載力評價及其影響因素

張 俊，陳加兵*，張志強

（1.福建師范大學 地理科學學院，福建 福州 350007；2.濕潤亞熱帶山地生態國家重點實驗室培育基地，福建 福州 350007）

改革開放以來，隨著工業化與城鎮化加快，城市人口不斷聚集，資源、環境和生態等各方面壓力凸顯，生態環境問題阻礙了城市可持續發展[1]。生態承載力評價作為測度可持續發展水平的重要手段，其理論及研究方法備受學者關注[2]。近年來，合肥市人口激增，經濟社會高速發展，資源短缺、環境污染和生態破壞等問題日益凸顯，研究其生態承載力對促進合肥市可持續發展、充分發揮區域性特大城市的輻射力和示范效應帶動安徽省實現經濟騰飛都起著重要作用。

生態承載力的概念由Park首先提出[3]，主要指生態系統自我保持和自我調整的生態彈性、資源環境和經濟社會等內部子系統的支撐力以及人類活動對生態承載的壓力。在一定時空范圍內的資源稟賦條件下，生態承載力是“生態彈性力-生態支撐力-生態壓力”復合系統承載能力與承載對象壓力的綜合反映[4]，具有動態性[5]、尺度性和相對極限性[6]、空間異質性、多樣性等特征。目前，生態承載力評價模型已由經典統計發展至多學科融合數學建模，評價與分析已從表面現象發展至內部規律，學者們借助不同研究方法從不同方面對生態承載力進行了時空測度和分析，研究呈現出系統綜合化、多角度深入化的特點[7]。生態承載力的研究對象從單要素逐步轉向多要素，經歷了種群承載力-資源承載力-環境承載力-生態承載力的發展階段；研究內容主要包括生態承載力內涵的延伸[8]、生態承載力時空測度[9-10]等；常用的研究方法有生態足跡法[11]、人類凈初級生產力占用法[12]、狀態空間法[13]、綜合分析法[14-15]、系統模型法[16-17]和生態系統服務消耗評價法[18-20]等。目前生態承載力的定量研究仍處探索階段[21-22]，其中人類凈初級生產力占用法未融入人文要素影響，生態足跡法缺乏動態分析，狀態空間法具有較大主觀性，多指標綜合模型評價的精確度受制于指標體系結構、指標權重等因素。多數研究偏于單角度研究，諸如土地承載力、水資源承載力、資源承載力等，以綜合角度研究區域生態承載力的較少。

鑒于此，本研究選取合肥市為研究區，從多指標綜合角度構建生態承載力評價體系，采用熵權法客觀賦權，引入綜合指數法評價模型、相關性和障礙性模型對生態承載力時序演變與影響因素進行分析，以期為合肥市生態文明城市建設和可持續發展提供決策參考。

1 研究區概況

合肥市是安徽省省會，經緯度范圍為30°57′—32°32′N，116°41′—117°58′E，位于長江與淮河之間、巢湖之濱，下轄9區縣，總面積11 445 km2。合肥市屬亞熱帶濕潤季風氣候，四季分明，氣候溫和濕潤，夏季梅雨顯著，年降雨量約1000 mm，年平均氣溫15.7 ℃。合肥市是長三角城市群副中心城市，是“一帶一路”和長江經濟帶戰略雙節點城市，已發展成為全國第二個綜合性國家科學中心。2006—2017年，全市常住人口由468萬人增加到797萬人，增長率為70.19%，人口壓力增大；工業“三廢”排放量增長明顯，其中工業廢氣總量排放增長最顯著，環境質量面臨較大壓力。2017年全年GDP 為7213.45億元，比上年增長8.5%，第一產業、第二產業和第三產業結構為3.8∶50.5∶45.7，單位GDP能耗較上年減少，經濟發展質量效益不斷提高。

2 研究方法

2.1 指標體系的構建

根據生態承載力評價體系指標選擇的原則[23-24]，充分考慮近十年合肥市經濟快速發展導致資源與環境壓力不斷增大的實際，在資源與環境方面選取較多指標并細化，從生態彈性力、生態支撐力和生態壓力3個子系統出發，構建包括氣候、資源供給、環境保護、經濟支撐、社會進步、資源消耗、人口壓力等11個準則層涉及27個具體指標的生態承載力評價指標體系，如表1所示。

2.2 數據來源及預處理

由《安徽省統計年鑒》《合肥市統計年鑒》《合肥市國民經濟和社會發展統計公報》《安徽省水資源公報》和《安徽省環境狀況公報》等獲取2006—2017年相關數據，數據的準確性和權威性較高。

采用極差標準化法對數據進行無量綱化處理[24]，以保障各項指標之間的可比性和研究成果的準確性。

表1 合肥市生態承載力評價指標體系Table 1 Evaluation index system of urban ecological carrying capacity in Hefei

效益型指標的標準化公式為

成本型指標的標準化公式為

其中，Yij是經過標準化處理后的指標值，Xij是第i項指標的第j年原始值，Ximin為該項指標所有年份最小值，Ximax為該項指標所有年份最大值。

2.3 評價指標的權重確定

城市生態承載力系統是多功能多層次的復雜系統。本研究包含的指標較多，采用受人為因素干擾小、較為客觀的熵權法確定評價指標的權重。熵權法基于“差異驅動”的原理突出局部差異[23]，要求數據較全面和完整，能夠較真實、全面地表現標準信息熵之間的價值，確定的權重值讓人信服。評價指標的權重確定步驟如下：

（1）為保證賦值后數值有意義，賦值

（2）計算第j年第i個指標比重Zij，公式為

（3）計算第i項指標的熵值ki，公式為

（4）計算第i項指標的綜合權重Wi，公式為

（5）計算第i項指標的相對權重Vi，公式為

通過熵權法求得的指標權重值越大，說明該指標重要性越高，反之則越低。本研究中的指標權重分為綜合權重Wi和相對權重Vi，綜合權重是具體指標相對目標層而言的，相對權重是具體指標相對分目標而言的。

2.4 生態承載力評價

生態承載力評價分為準則層和目標層2個維度，包括生態彈性力（EEC）指數、生態支撐力（ESC）指數、生態壓力（EP）指數和生態承載力（ECC）指數。參考文獻[23-24]，并結合本研究的實際情況，具體指數的計算公式分別為

其中，Yij表示第j年第i個具體指標的標準化值，Vi為第i個具體指標相對權重，Wi為第i個具體指標的綜合權重。EEC值越大生態彈性力越大，ESC值越大生態支撐力越大，EP值越大生態壓力越小，ECC值越大生態承載力越強。

采用均勻分布函數來擬定分級評價標準[22]，各層次分級評價標準見表2。

表2 生態承載力分級評價標準表Table 2 Standard table for grading evaluation of ecological carrying capacity

2.5 影響因素分析

本研究借助相關性模型[24]和障礙性模型[25]分析生態承載力的影響因素。

（1）相關性模型

選取生態承載力評價系統具體指標數據與生態承載力數值進行相關分析，探討其對生態承載力的影響。本研究將相關系數絕對值較大的10個指標列為相關性較強因素。相關系數R的計算公式為

式中，n為樣本期評價年數，Xij為第j年第個i具體指標原始數值，ECCj為第j年生態承載力數值，為第i個具體指標n年內的平均值，為在生態承載力n年內的平均值。

（2）障礙度模型

引入障礙度診斷模型分析制約城市生態承載力提升的障礙因素。具體指標的障礙度Mij計算公式為

式中，Yij表示各具體指標數值，Wi為指標綜合權重，Mij為具體指標障礙度，各層次障礙度可累加求得。

3 結果與分析

3.1 合肥市生態承載力的時序演變

3.1.1 生態彈性力

2006—2017年合肥市生態彈性力指數見表3，EEC變化趨勢見圖1。2006—2017年，合肥市生態彈性力經歷了低穩定、弱穩定、低支撐、中穩定、高穩定、中穩定6個階段。EEC指數總體呈波動上升趨勢，各年份之間的差異較大，其中2006—2011 年由低穩定變成弱穩定，2012—2017 年由弱穩定逐步上升為中穩定，2011年穩定性最弱，2016年穩定性最強。EEC 主要受降水和水資源總量的影響，2016 年降水量較常年偏多近4成，為近55年來的最多，水資源總量是2015年水資源總量的兩倍多，致使2016年EEC指數明顯高于其他年份。因此，水資源合理高效利用與管理是影響合肥市生態彈性力的重要因素。

表3 2006—2017年合肥市EEC、ESC、EP和EEC指數評價值Table 3 Evaluation value of EEC,ESC,EP and EEC index in Hefei from 2006 to 2017

3.1.2 生態支撐力

2006—2017年合肥市生態支撐力指數見表3，ESC變化趨勢見圖1。2006—2017年，合肥市生態支撐力經歷了中支撐、低支撐、弱支撐、低支撐、中支撐、較強支撐6個階段。2006—2011年，合肥市第二產業占比不斷增長，資源消耗大幅增加而環保投入持續不足，巢湖市、廬江縣并入后也使合肥市的人口壓力明顯增加，ESC指數呈下降趨勢。2012—2017年，合肥市人均GDP由48 540元增加到88 456元，第三產業占比由39.2%提高到47.1%，單位GDP能耗和電耗均有所下降，資源利用率不斷提高，產業結構不斷優化，工業“三廢”處理率顯著提高，每十萬擁有專科以上人數由14 748人增加到25 638人，每千人床位數明顯增加，不斷提高的經濟實力為環境治理和社會進步提供了充足的財政支持，ESC指數呈上升趨勢，經濟社會與環境之間的協調發展使得生態支撐力持續增大。

圖1 合肥市EEC、ESC和EP變化趨勢圖Figure 1 Trend of EEC,ESC and EP in Hefei city

3.1.3 生態壓力

2006—2017年合肥市生態壓力指數見表3，EP變化趨勢見圖1。2006—2017年，合肥市生態壓力經歷了中壓、高壓、較高壓、中壓、低壓5個階段。2006—2011年，合肥市GDP增長率高達20%以上，經濟高速增長使得資源消耗和廢物排放較多，生態環境壓力較大，EP指數一直處于低位并有變小趨勢。2012—2017年，合肥市第三產業占比由39.2%增至到47.1%，單位GDP能耗和電耗也明顯下降，EP指數反彈，呈現出增長趨勢，環境治理和經濟結構調整使得生態壓力明顯好轉，逐步過渡到低壓水平。

3.1.4 生態承載力

2006—2017年合肥市生態承載力指數見表3，ECC變化趨勢見圖2。2006—2017年，合肥市生態承載力經歷了中承載、低承載、弱承載、中承載、較高承載5個階段。2006—2013年生態承載力均為低穩定或弱穩定，2014—2017年生態承載力以中穩定為主，ECC指數總體上先降后升。

圖2 合肥市生態承載力變化趨勢圖Figure 2 Trend of ecological carrying capacity in Hefei city

2006—2010年合肥市生態承載力指數變化趨勢與生態壓力指數大體相近，2011年及之后生態承載力指數變化趨勢與生態支撐力指數大體相似。2006—2011年ECC指數呈下降趨勢，2011年達到最低值，說明隨城市高速發展，生態壓力沒有得到有效控制而不斷增長，尤其在巢湖市區和廬江縣并入后人口激增，導致資源壓力增長和環境污染加重，經濟社會發展與生態環境保護的矛盾不斷增大，ECC指數下降的主要原因是EP指數下降。2012—2017年，政府有效采取了一系列環保措施，資源利用率逐漸提高，產業結構不斷優化，源頭污染得到有效遏制，尾端三廢治理投入也不斷加大，環境污染得以有效控制，ESC指數加速增長，ECC指數上升的主要原因是ESC指數上升。ESC指數和EP指數對ECC指數的影響較為明顯。長遠來看，要精準控制污染，高效利用資源，優化產業結構，確保支撐力穩步增長，壓力穩步減少，從而保障合肥市生態承載力穩步提升。

3.2 合肥市生態承載力影響因素分析

3.2.1 合肥市生態承載力相關性分析

各具體指標與生態承載力的相關系數絕對值如表4所示。2006—2017年，與合肥市生態承載力相關性較強的指標為年降水量（X1）、人均耕地面積（X6）、工業廢氣設備數（X7）、工業固體綜合利用率（X9）、社會消費品零售額（X13）、空氣中SO2含量（X20）和GDP增長率（X25）等。在生態彈性力子系統中與生態承載力相關性較強的指標為年降水量，保護植被涵養能力對生態承載力的影響較為明顯。在生態支撐力子系統中與生態承載力相關性較強的指標為人均耕地面積、工業廢氣設備數、工業固體綜合利用率和社會消費品零售額，嚴格執行耕地紅線、加大源頭與尾端環境綜合治理和穩步提高人均GDP等對生態承載力的影響較為明顯。在生態壓力子系統中與生態承載力相關性較強的指標為空氣中SO2含量和GDP增長率，保護大氣環境和GDP合理增長等對生態承載力的影響較為明顯。

表4 具體指標的相關系數絕對值(|R|)Table 4 Absolute value of correlation coefficient of influencing factors(|R|)

3.2.2 合肥市生態承載力提高的障礙因素分析

2006—2017 年合肥市生態承載力主要障礙因子及其障礙度、出現頻率如表5 所示。2006—2017 年，年降水量（X1）、人均水資源量（X5）、工業廢氣設備數（X7）、每十萬擁有專科以上人數（X16）、空氣中SO2含量（X20）、工業廢物固體排放量（X23）和第二產業占GDP比重（X24）等7個指標的出現頻率均超過了50%，可視為制約生態承載力提高的主要障礙因素。單位GDP電耗（X18）和單位GDP能耗（X19）在所研究的12年中均未出現，說明合肥市資源供給充足，上述2個指標不是生態承載力的制約因子。空氣達二級天數率（X10）和總撫養比（X27）2個指標的出現頻率雖然未超50%，但最近幾年連續出現，說明其已成為生態承載力提高的重要障礙因素。因此，年降水量、人均水資源量、工業廢氣設備數、每十萬擁有專科以上人數、空氣中SO2含量、工業廢物固體排放量、第二產業占GDP比重、空氣達二級天數率和總撫養比是制約合肥生態承載力提升的關鍵指標層障礙因素。

2006—2017年合肥市生態承載力因素層指標的障礙度如圖3所示。氣候、水文、生物、社會進步、環境污染和人口壓力等6個因素層障礙度均呈波動上升趨勢，資源供給、環境保護、經濟支撐、資源消耗和經濟壓力等5個因素層障礙度呈下降趨勢。影響較大的因素層指標為社會進步（平均障礙度為20.75）、環境污染（平均障礙度為17.52）、經濟支撐（平均障礙度為9.65）和資源供給（平均障礙度為9.61）。因此，提高生態承載力水平應從社會進步、環境污染治理、合理高效利用資源、逐步調整產業結構等方面著手。

表5 2006—2017年合肥市生態承載力主要障礙因子及障礙度Table 4 Main obstacle factors and degree of ecological carrying capacity in Hefei from 2006 to 2017

圖3 2006—2017年合肥市因素層指標障礙度Figure 3 Barrier degree of factor indicators in Hefei from 2006 to 2017

4 結論

本研究運用綜合指數法評價模型、相關性模型和障礙度模型對2006—2017年合肥市生態承載力時序演變特征和影響因素進行研究，主要結論如下。

（1）生態承載力歷經中承載、低承載、弱承載、中承載、較高承載5 個階段，ECC 指數總體上先降后升，2011年后生態系統趨向良性方向發展；生態彈性力、生態支撐力、生態壓力3個子系統指數總體上均波動增長，其中生態彈性力歷經低穩定、弱穩定、低支撐、中穩定、高穩定、中穩定6個階段，生態支撐力歷經中支撐、低支撐、弱支撐、低支撐、中支撐、較強支撐6個階段，生態壓力歷經了中壓、高壓、較高壓、中壓、低壓5個階段。長遠來看，只有精準控制污染，高效利用資源，優化產業結構，使支撐力穩步增長，壓力穩步減少，才能保障合肥市生態承載力穩步提升。

（2）與生態承載力相關性較強的因素為年降水量、人均耕地面積、工業廢氣設備數、工業固體綜合利用率、社會消費品零售額、空氣中SO2含量和GDP增長率等；年降水量、人均水資源量、工業廢氣設備數、每十萬擁有專科以上人數、空氣中SO2含量、工業廢物固體排放量、第二產業占GDP比重、空氣達二級天數率和總撫養比是制約生態承載力提升的關鍵指標層障礙因素，社會進步、環境污染、經濟支撐和資源供給是對生態承載力影響較大的因素層指標。因此提高生態承載力水平應從社會進步、環境污染治理、合理高效利用資源、逐步調整產業結構等方面著手。