多類型保護地生態承載力核算模型及應用

劉孟浩,席建超,陳思宏

1 中國科學院地理科學與資源研究所, 北京 100101

2 中國科學院大學, 北京 100049

建設以國家公園為主體的自然保護地體系是推動我國保護地體系改革的基本導向和關注重點[1]。我國目前已形成包括自然保護區、風景名勝區、森林公園、地質公園、濕地公園、國家公園體制試點等保護地在內的多類型自然保護地體系[2]。生態承載力將生態資源和環境問題統一考慮,將社會經濟發展與生態系統聯系起來,是進行自然保護地科學保護和有效利用的基礎。確定適宜經濟增長和自然保護和諧發展的生態承載力閾值,是保護地生態系統健康與可持續發展的重要保證。

各類型保護地的生態承載力是近年來學者們研究的熱點問題之一。關于生態承載力的定義根據研究視角的不同而各有差異[3],但總體而言,生態承載力的概念經歷了物種[4]、人口[5]、資源[6]、環境[7]、資源環境[8]、生態系統[9]等視角的演變過程,逐步完善為對“自然資源-生態環境-社會經濟”的復合生態系統綜合承載能力和對承載對象所施加壓力的反映[10],具有多樣性和綜合性的特征[11]。現有生態承載力的計算方法包括生態足跡法、狀態空間法、人類凈初級生產力占用法、指標評價法、系統動力學模型法和生態系統服務消耗評價法等,每種方法都有其各自的特點、側重點、適用對象和適用范圍[3]。在國內保護地生態承載力的研究上,各學者利用不同的方法分別在國家公園[12]、自然保護區[13- 14]、森林公園[15]、地質公園[16- 17]、濕地公園[18]、風景名勝區[19]等不同類型保護地進行應用,豐富了生態承載力核算在保護地體系中的實證研究。

2019年6月,中共中央辦公廳、國務院辦公廳出臺了《關于建立以國家公園為主體的自然保護地體系的指導意見》,指出要整合各類交叉重疊自然保護地,解決自然保護地區域交叉、空間重疊的問題,歸并優化相鄰自然保護地,實現對自然生態系統的整體保護。然而,現有的保護地生態承載力理論和實證研究大多針對單一類型保護地,并且根據保護目標側重于核算其某一類承載力,尤其以旅游和環境承載力為多,且計算方法且以指標評價為主,定量核算較少。目前缺少一個適用于多類型保護地生態承載力核算的分析框架,能夠對原有單一類型保護地生態承載力核算方法進行梳理與整合。因此,本研究嘗試在理論分析的基礎上,明確多類型保護地生態承載力的概念和內涵,建立適用于多類型保護地生態承載力的核算框架和模型,并以三江源國家公園黃河源園區為例,對保護地生態系統的生態承載力進行核算。

1 概念內涵

世界自然保護聯盟將保護地 定義為具有明確邊界,經過法律或其他有效的方式得到認可、承諾和管理,以實現對自然及生態系統服務與文化價值進行長期保護的地理空間[20]。基于研究目標,本文將“多類型保護地”定義為：存在多個類型的保護地分布集中、相鄰相連、交叉重疊現象的地理空間。在這一概念下,多類型保護地生態承載力核算需要解決的問題是：如何對這些交叉重疊的地理空間中的生態承載力進行合理分類與整合。

前人所提出的生態承載力的概念根據研究問題的側重點而有所不同[3]。但根據相關研究的梳理,生態承載力的核算逐漸側重于將生態系統作為一個整體考慮,即“自然資源-生態環境-社會經濟”復合生態系統承載能力與承載對象壓力的反映[10]。從生態系統整體的角度來說,保護地是生態系統服務價值較高和較為敏感的區域[21],即便不同類型保護地的保護對象、資源品質和利用強度有所差異[22],其最終目標都可以歸為對生態系統服務價值的保護和管理。因生物多樣性的自然屬性差異,在一定地理空間內會有某一類生態系統服務處于優勢地位,因此,保護地的地理空間可以依據不同優勢生態系統服務進行分類[23]。在確定主導生態系統服務的地理空間范圍之后,就可以根據不同地理空間承載對象的活動特征,識別出該空間內起主導作用的生態承載力。基于以上分析,本研究選擇從生態系統服務的視角,對多類型保護地的地理空間進行基于主導功能的劃分,將已有的保護地生態承載力核算方法進行分類整合,提出適用于多類型保護地生態承載力核算的框架。

生態系統服務是指人類從生態系統中所獲得的效益和福祉,包括供給服務、調節服務、文化服務和支持服務四大類[24]。其中支持服務是其他服務的基礎[25]。在國土空間規劃理論中,生態系統的功能空間包括生態、生產和生活 “三生空間”[26],分別對應生態系統的生態功能、生產功能、生活功能。其中生態功能是指生態系統與生態過程所形成的、維持人類生存的自然條件及其效用,對應于生態系統服務中的支持服務和調節服務；生產功能是指土地作為勞作對象直接獲取或以土地為載體進行社會生產而產出各種產品和服務的功能,對應于供給服務；生活功能是指土地在人類生存和發展過程中所提供的各種空間承載、物質和精神保障功能,其中空間承載和物質保障對應于供給服務,精神保障對應于文化服務[27]。此外,相對于其他類型的國土空間來說,保護地的游憩功能是其主導功能之一,對應于文化服務。綜上,保護地的功能空間可以與生態系統服務相對應,從而劃分為四類：生態空間、生產空間、生活空間和游憩空間。

保護地生態系統以提供生態系統服務為核心,具有一定的自我調節能力[8],當外力與人為干擾的程度超過生態系統本身的承載與調節能力范圍時,系統平衡和生態系統服務功能會被破壞。因此,保護地內所承載的一切活動都必須限制在生態系統所能承載干擾的閾值之內,這一承載閾值即保護地生態系統的承載力。本研究將多類型保護地生態承載力的定義為生態系統在保護地生態空間、生產空間、生活空間和游憩空間當中維持其重要生態系統服務功能的能力。如圖1所示。

圖1 多類型保護地生態承載力核算框架

其中,生態空間是各類型保護地的核心保護區域,是保護地維持生態系統原真性、維持生物多樣性、水源涵養和水土保持功能的重要分區,是保護地珍稀野生動物的主要棲息地。生態空間主要提供支持服務和調節服務,是劃分生產、生活、游憩空間的基礎,對其他三類空間的分布起到約束作用。由于人類活動在此受到嚴格限制,生態空間主要承載對象及其活動為野生動物的生存活動,一旦野生動物種群數量超過閾值,可能會造成植被的破壞和生物多樣性的降低,從而影響保護地生態系統的支持和調節服務功能。因此,承載閾值的內涵是保護地維持野生動物生存的最大種群數量,生態承載力的類型為自然基礎承載力。

生產空間和生活空間為原住民居住的區域,生態系統主要提供食物生產和原材料生產的供給服務,承載的活動為原住民的日常生產生活活動,生產活動對于供給服務的消費不能超過生態系統提供的上限,以此限定社會經濟活動的規模。同時,生產和生活空間受生態空間的約束,人類生產、生活產生的廢氣、廢水、廢物排放不能對生態系統產生破壞,以此限定區域的人口規模。由于生產空間和生活空間均以供給服務為主導,在承載力核算時可以合并為一類。因此在生產空間和生活空間,承載閾值的內涵是當地主要產業類型的最大生產規模,以及滿足一定生活水平條件下的原住民人口數量。生態承載力的類型為當地社會經濟活動承載力。

游憩空間是在不損害生態系統功能前提下開展游憩活動的區域,主要提供文化服務,包括美學景觀的觀賞和科普教育。游憩空間承載的活動為訪客的游憩活動,受生態空間的約束。但與生產空間和生活空間所不同的是,由于多類型保護地以保護自然生態系統為主要目的,游憩活動取決于項目和線路設計,呈點、線狀分布,游憩功能可以同時存在于生態、生產、生活空間之中,因此游憩空間是同時疊加在三者之上的一類空間(圖2)。游憩空間內承載閾值的內涵為特定的游覽區域面積和線路所能容納的最大訪客容量,生態承載力的類型為游憩承載力。

圖2 保護地四類空間分布模式

2 模型架構

多類型保護地生態承載力核算模型(MPECC)可以表示為：

3.1 GDM的發病機制 GDM作為免疫性疾病之一，目前國內外學者對其發病機制尚未形成確切看法，但普遍觀點認為其與2型糖尿病存在相似的病理生理機制。若胰島素抵抗程度升高，會減弱胰島β細胞分泌功能，使得妊娠的生理期間發生糖耐量異常的情況。本研究發現，GDM組BMI、空腹血糖、總膽固醇、三酰甘油及低密度脂蛋白-膽固醇等水平較其他兩組高，而高密度脂蛋白-膽固醇水平較其他兩組低，與既往研究[8-9]報道基本吻合。結果表明，相比NGT或GIGT的孕婦，GDM孕婦容易發生血脂代謝紊亂的情況。

MPECC=f(NCC,SCC,RCC)

(1)

式中,NCC為自然基礎承載力；SCC為當地社會經濟承載力；RCC為游憩承載力。f(x)是NCC、SCC和RCC的內部邏輯關系的數學表達式。

2.1 自然基礎承載力

參考國際通用的環境容納量計算公式[28],根據計算野生動物棲息地內營養供應量和個體的需求量計算自然基礎承載力(NCC),可以表示為：

(2)

式中,n為主要食物種類；Bi為主要食物i的可食食物量(kg),Fi為主要食物i的營養含量;Rq為野生動物個體每天需要攝入的營養量(kg/d),D為野生動物占據棲息地的天數(d)。考慮到季節因素、野生動物棲息地適宜度的不同與保護地保護目標的差異,將θ設為野生動物對棲息地食物資源的占有率[29]。

2.2 社會經濟活動承載力

參考基于生態系統服務的生態承載力評估模型[30],根據保護地生態系統服務的供給量和人類活動(生活和生產)對供給服務的消耗量,取第i類供給服務所能支撐的人口數量的最小值及其對應的經濟規模作為社會經濟活動承載力(SCC)。計算公式如下：

(3)

SCCp=min(SCCp1,SCCp2,SCCp3,…,SCCpi)

(4)

SCCE=SCCp×PGDP

(5)

其中：SCCpi為第i類供給服務的生態承載力的人口規模；SCCE為基于生態系統服務的生態承載力的經濟規模；TESi為第i類供給服務總量；ESPi為人類活動(生活和生產)對第i類供給服務的人均消耗；LESPi為人類生活對第i類供給服務的人均消耗；PESPi為人類生產活動對第i類供給服務的人均消耗；PGDP為人均生產總值；PPESPi為區域單位產值對應的生產活動對第i類供給服務的消耗量。

2.3 游憩承載力

參考國家標準中的旅游容量計算方法[31],采用面積法、卡口法、游路法三種測算方法,因地制宜加以選用或綜合運用,計算游憩空間訪客容量,并結合各游憩空間所在區域的保護目標計算保護地總游憩承載力(RCC),計算公式如下：

(6)

(7)

(8)

(9)

式中,Cs為卡口法計算出的訪客容量；D為日周轉率,D=游憩空間開放時間/游覽所需時間。N為每批游客人數(人次)；t1為每天游覽時間(h),t1=H-t2；t3為兩批游客相距時間(h)；H為景區每天的開放時間(h)；t2為游完全程所需時間(h)。Ct為線路法計算出的訪客容量,即完全游道和不完全游道的訪客容量之和；Ct1為完全游道法,其中M為游道全長(m)；m為每位游客(或車輛)占用合理游道(或線路)長度(m)；Ct1為不完全游道法,其中F為游完不完全游道所需時間；E為沿不完全游道返回所需時間。Ca為面積法計算的日環境容量,A為游憩空間的可游覽面積(m2)；a為每位游人應占有的合理面積(m2)。RCC為該區域日游憩承載力(人次/d)；t為游完某觀光區或游道所需的時間；T為游客每天游覽最合理的時間；C為日訪客容量(人次)。

2.4 適用范圍與參數設定

對于三類承載力,分別參照相關文獻中的方法[30, 33- 34]；搜集統計數據、調查數據,計算出每一類生態系統服務的供給量和承載對象的個體消耗量。由于不同類型保護地的保護目標和社會經濟發展現狀不一,達到承載力的精確核算較為困難,因此需要根據案例區的自然屬性、生態價值和管理目標對承載力核算中生態系統服務消耗量設置相應的約束參數。部分參數可能會因保護地類型的不同而有所差異,在實際應用中應根據保護目標進行合理賦值。其中,在進行自然基礎承載力的核算時,需要根據季節設定野生動物對食物資源占有率的3種情景,即50%(低) 、70%(中) 、90%(高) ；社會經濟活動承載力的核算以當地人民生活水平發展目標作為約束條件；在游憩承載力的核算中,游憩活動的開展必須以服從生態保護目標為前提,因此游憩承載力的約束參數彈性較大,應結合保護地保護目標和生態系統服務的實際情況進行合理設定(表1)。

表1 多類型保護地生態承載力數據獲取與參數設定

3 案例研究——以三江源國家公園黃河源園區為例

3.1 案例區概況

三江源地區是青藏高原生態系統的典型代表區域,是青藏高原特有物種的物種多樣性、遺傳多樣性和生態系統多樣性保護的重要區域。是青藏高原生態屏障重要的組成部分。三江源國家公園是中國首個國家公園體制試點區,包括黃河源、長江源、瀾滄江源3個子園區。黃河源園區位于果洛州瑪多縣境內,占瑪多縣面積的80%,介于東經97°1′20″—99°14′57″,北緯33°55′5″—35°28′15″之間,面積1.91萬km2。在其范圍內有扎陵湖、鄂陵湖2處國際重要濕地、自然保護區核心區和緩沖區、扎陵湖-鄂陵湖國家級水產種質資源保護區、黃河源水利風景區等,屬于多類型保護地。園區內包含19個行政村,居民以藏族為主,經濟結構單一,主體產業仍為傳統畜牧業。黃河源園區中核心保育區面積0.86萬km2；生態保育修復區0.24萬km2,傳統利用區面積0.81萬km2。其中核心保育區和生態保育修復區是野生動物的重要棲息地,植被類型以高寒草原和高寒草甸為主。草地面積為8057.64 km2[35]。

3.2 模型與數據

本文構建了三江源國家公園黃河源園區生態承載力核算模型,通過對保護地生態系統供給能力的計算和承載對象消耗量的統計,計算自然基礎承載力、社會經濟活動承載力和游憩承載力。由于黃河源園區內的原住民主要為農牧業人口,且平均人口密度僅0.5人/km2,畜牧業是為生態系統提供供給服務的主要來源,因此社會經濟活動承載力模型也進行相應簡化。相關數據來自遙感圖像解譯、青海省統計年鑒、瑪多縣統計資料及年鑒、三江源國家公園規劃以及相關文獻(表2)。

表2 數據內容及來源

3.3 結果與分析

3.3.1自然基礎承載力

黃河源園區內的核心保育區和生態保育修復區是野生動物的重要棲息地,植被類型以高寒草原和高寒草甸為主。草地面積為8057.64 km2,占黃河源區總面積的57.67%。黃河源園區的平均產草量為339.10 kg/hm2[33]。黃河源園區內廣泛分布的大型食草野生動物為藏野驢和藏原羚,其在棲息地的分布密度之比約為3:1[38]。每只藏野驢換算為4個羊單位,每只藏原羚換算為0.5個羊單位[36]。經計算可得,黃河源區可以承載的野生動物為283993個羊單位。由此可得黃河源區在不同食物占有率情況下兩種野生動物的承載力。根據三江源國家公園規劃中植被覆蓋率目標,分別計算出2020、2025和2035年不同食物占有率下的自然基礎承載力(表3)。

表3 自然基礎承載力核算結果

3.3.2社會經濟活動承載力

黃河源園區傳統利用區面積為8708.5 km2,產草量339.10 kg/hm2。根據維持草畜平衡的要求,由載畜量計算公式[39]可得,傳統利用區的供給量,即可以承載的家畜數量為134843羊單位。2017年一個羊單位售價1000元,青藏高原牧民平均每人每年食用肉類80 kg,約合5.5個羊單位,人均其他日常用品消費支出3793.89元,合3.79羊單位,由此得出2017年當地牧民生活成本為9.3個羊單位。2017年瑪多縣牲畜出欄率為30%。按照三江源國家公園規劃,2017年三江源國家公園牧民人均純收入應達到7500元,經人均消費占有量公式[37]計算后,得到規劃目標下牧民人均消費占有量為32.75個羊單位。結合上文計算出的黃河源園區理論載畜量,可得黃河源園區2017年的合理牧業人口承載量為3112人。根據三江源國家公園植被覆蓋率和牧民人均純收入的目標,結合瑪多縣統計公報和相關文獻數據[36]分別計算出2020、2025和2035年的載畜量(經濟規模)與合理牧業人口承載力(表4)。

表4 社會經濟活動承載力核算結果

3.3.3游憩承載力

本研究以黃河源園區生態空間內重要的游憩空間——扎陵湖和鄂陵湖保護分區核心區為例,計算其游憩承載力。由于海拔因素和生態保護的要求,設定三江源國家公園的生態體驗方式為乘坐車輛,按既定線路進行游覽。該區域同時為國家公園的核心保育區、自然保護區的核心區和緩沖區、國際及國家重要濕地、國家水產種質資源保護區和國家水利風景區[35],屬多類型保護地。核心區道路長度98.06 km。根據世界上各國國家公園的相關規定,園區內車速一般控制在40 km/h以內,車輛容量為8人/車次。景區日開放時間為8 h。設核心保育區合理車距為5 km,則通過線路法計算可得,該區域日游憩承載力約200人次/d。在確定保護地游憩空間和游覽路線之后,保護地整體游憩承載力可以依托各空間內生態體驗與環境教育項目和線路進行具體核算。

4 結論和討論

4.1 結論

研究以建立適用于多類型保護地的生態承載力核算方法為目標,通過分析生態系統服務與保護地功能空間的對應關系發現,多類型保護地雖然空間上交叉重疊,但是從空間功能出發,可以劃分為生態空間、生產空間、生活空間和游憩空間,分別對應于生態系統的支持和調節服務、供給服務以及文化服務。在此基礎上,研究將多類型保護地的生態承載力劃分為自然基礎承載力、社會經濟活動承載力以及游憩承載力,通過對現有方法的比對和選擇,構建了適用于多類型保護地的生態承載力核算框架,進一步提出了模型。并以三江源國家公園黃河源園區為案例區,根據規劃設定的目標,對其2020、2025和2035年的自然基礎承載力和社會經濟活動承載力,以及當前的游憩承載力進行了核算。本研究解決了目前多類型保護地的生態承載力缺少基礎理論分析和統一核算框架的情況,為多類型保護地經濟建設規模、結構與布局優化調控的科學基礎,對于建設以國家公園為主體的多類型保護地體系具有重要意義。

4.2 討論

本研究構建的多類型保護地生態承載力核算模型,是在當前“建立以國家公園為主體的自然保護地體系”對交叉重疊和相鄰的各個類型保護地進行整合和歸并優化的需求下提出的。與傳統的單類型保護地生態承載力核算方法相比,本研究將生態系統服務與多類型保護地的功能空間相對應,將多類型保護地的生態承載力核算方法整合到同一框架中,作為一個整體空間進行分析,具有綜合性和創新性。本研究從生態系統服務出發提出多類型保護地生態承載力的概念,既考慮了不同類型保護地的共性特征以及核算方法的普適性,避免了以往保護地生態承載力核算中各有側重和計算空間重疊的現象,又在參數設定中體現了空間差異性,使其適用于多類型保護地的實際情況。

本研究提供了一個概念框架模型,根據多類型保護地的特征,選取了每一類承載力中比較成熟且具備普適性的方法進行計算,并未將現有生態承載力核算方法進行整體梳理,因此在每一類承載力核算方法選擇標準和依據上,還有待進一步拓展和創新；此外,由于數據獲取的限制,本研究案例應用中對于游憩承載力的核算不夠詳細,在后續的研究中,有待根據多類型保護地的實際情況對模型進行完善。