洞庭湖區生態承載力動態特征與趨勢預測

譚潔 郝琪 譚雪蘭 吳憶澤 周衛軍

摘要：利用狀態空間法對洞庭湖區2005、2010和2015年生態承載力演變狀況進行了評價，并通過灰色預測模型對2020年和2025年洞庭湖區生態承載力情況進行了模擬預測。結果表明，2005—2015年洞庭湖區生態承載力呈現出上升趨勢，除資源環境承載力外，生態彈性力和社會經濟協調力均處于超載狀態;2020—2025年洞庭湖區生態承載力預計將繼續保持上升趨勢，并維持在可載狀態，區域自然、經濟和社會復雜動態系統穩定度和協調度均有所回升;生態彈性力與社會經濟協調力是生態承載力提高的主要制約因素，洞庭湖區未來應進一步積極轉變經濟發展方式，著力提升生態系統自我調節和自我維持的能力。

關鍵詞： 生態承載力; 動態模擬; 狀態空間法; 灰色預測模型; 洞庭湖區

中圖分類號：X22;X26? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）14-0024-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.14.004 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： The state space method was used to evaluate the evolution of ecological carrying capacity in Dongting Lake area in 2005， 2010 and 2015. The ecological carrying capacity of Dongting Lake area in 2020 and 2025 was simulated and predicted by grey prediction model. The results showed that the ecological carrying capacity of Dongting Lake area exhibited an upward trend from 2005 to 2015. In addition to the carrying capacity of resources and environment， the ecological resilience and social and economic coordination were in a state of overload. From 2020 to 2025， the ecological carrying capacity of Dongting Lake area was expected to continue to increase and remain in the loadable state. Stability and coordination degree of the complex natural， economic and social dynamic system in the area will rise to some extent. The ecological resilience and the coordination of social economy were the main restricting factors for the improvement of ecological carrying capacity. In the future， Dongting Lake area should further transform the economic development mode and strive to improve the ability of ecological system self-regulation and self-maintenance.

Key words： ecological carrying capacity; dynamic simulation; state-space method; gray forecast model; Dongting Lake area

生態承載力概念最早由Park和Burgess于1921年提出，并定義為生物個體在特定空間、特定生存環境下能夠存活的最大數量，反映了人類活動與自然生態系統之間的協調關系，對區域經濟發展的速度、規模起著決定性影響，是判斷區域可持續發展的重要依據[1，2]。黨的十九大報告樹立了中國特色社會主義新時代生態文明新的里程碑，將生態文明、美麗中國與中國夢進行結合，既要創造更多的物質財富，又要建設優美生態環境以滿足人民日益增長的對美好生活的需要。生態承載力是資源環境承載力的重要組成部分，開展生態承載力研究對生態文明建設和可持續發展至關重要。生態承載力作為“自然-經濟-社會”復雜系統，是生態學、地理學與環境學等學科研究的交叉前沿領域。國內外學者通過凈初級生產力法[3]、生態足跡法[4]、供需平衡法[5]、系統動力學模型[6]、狀態空間法[7]、灰色預測模型[8]等方法，圍繞生態承載力的概念和內涵[9-12]、定量評估[4，13-15]、影響因素[3，16-18]和模擬預測[8，19，20]等領域，對不同時空尺度和地域類型的生態承載力問題開展了大量理論與實證研究，生態承載力逐漸滲透到土地、流域、生態脆弱區、旅游和城市綜合系統等多個領域。

洞庭湖區是中國最大的淡水湖泊濕地生態系統之一，占據著長江中下游最敏感、最脆弱的生態區位，是構建“十大生態屏障”之一的長江流域的重點區域[21]。長期以來，復雜的湖垸、江湖關系及長期、強烈的人類活動對生態承載力影響產生了巨大空間差異性，其生態承載力演變趨勢將對中國生態文明的建設和長江中下游區域的可持續發展產生至關重要的影響。為此，《洞庭湖生態經濟區規劃》提出了要以推進生態文明建設為主題，以創新體制機制為動力，建立新的江湖平衡關系，保障國家糧食安全和長江流域水安全和生態安全。已有對洞庭湖區生態承載力的研究多集中于現狀評價，對其未來演變發展趨勢的預測較為鮮見。因此，本研究以洞庭湖區的岳陽市、常德市、益陽市為研究對象，在對2005—2015年的生態承載力進行定量評價的基礎上，通過灰色預測模型對2020年和2025年的生態承載力狀況進行模擬，以期為洞庭湖區生態可持續發展和大湖流域生態文明建設引領經濟社會全面發展新路徑提供科學依據。

1 研究區概況

研究區域為湖南省岳陽市、益陽市和常德市，均屬于洞庭湖區。其中，岳陽轄區包括2市（臨湘市、汨羅市）、4縣（華容縣、平江縣、湘陰縣、岳陽縣）、3區（岳陽樓區、君山區、云溪區）;常德轄區包括6縣（安鄉縣、漢壽縣、桃源縣、臨澧縣、石門縣、澧縣）、2區（武陵區、鼎城區），代管縣級市津市;益陽轄區包括1市（沅江市）、3縣（桃江縣、安化縣、南縣）、3區（資陽區、赫山區、大通湖區）。該區域以山地、平原、丘陵為主，年平均氣溫16～17 ℃，年降水量在1 200 mm之上，具有氣候溫暖、四季分明、熱量充足、雨水集中等亞熱帶季風氣候特征。區域總面積為45 353 km2，總人口1 588.43萬人，總GDP為6 949.71億元，岳陽市、益陽市和常德市研究區的面積、人口和GDP分別占湖南省的23.4%、21.41%和24.05%;2005—2015年森林覆蓋率從44.69%增加到49.10%。

2 研究方法與數據來源

2.1 指標選取與數據來源

生態承載力研究是在資源、環境、人類社會和經濟包含在內的復雜生態系統基礎之上建立起來的。本研究參考中國科學院可持續發展指標體系[22]及相關文獻[20，23，24]，結合洞庭湖區自然、經濟和社會實際，通過層次分析法，將洞庭湖區3個市的生態承載力評估指標分為目標層、準則層和指標層3個層次;以生態承載力作為評估體系的目標層，根據生態承載力內涵，將生態彈性力、資源環境承載力、社會經濟協調力3個方面作為評估體系的準則層。在此基礎上，根據科學性、可比性、簡明性、動態性，采用主成分分析法和德爾菲法，定性與定量相結合確定最終指標體系（表1）。生態彈性力大小通過年平均氣溫、年降水量、年日照時數、地表水資源量、地下水資源量、建成區綠化覆蓋率、土地墾殖指數7項指標反映，代表區域生態系統的狀態;資源環境承載力通過人均水資源量、人均耕地面積、萬元GDP用水量、化肥施用強度（折純量）、單位規模工業增加值能耗5項指標反映，代表資源對社會經濟發展的供給能力和環境對社會經濟發展的容納能力;社會經濟協調力由人口密度、城市化率、城鎮居民可支配收入、人均GDP、第三產業占GDP比重5項指標反映，代表區域社會經濟發展與生態系統發展的協調能力。

由于指標中包括正項指標和負向指標，本研究通過極差正規化法將原始數據有效歸一化在（0，1）之間，離散度具有一致性[25]。指標權重的確定則采用熵值法，根據各指標的變異程度，反映指標的區分能力，進而確定權重[26]。對于計算和評價洞庭湖區生態承載力而言，某項指標的數據差異程度越小，則其對生態承載力的影響越小，即在對生態承載力評價中的作用越小，熵越小;反之則對生態承載力評價中的作用越大，熵越大（表1）。

本研究所涉及的數據主要來源于湖南省統計局網站中的2005—2015年各期《湖南省統計年鑒》、湖南省和各市州的《國民經濟和社會發展統計公報》等公開統計資料，水資源的數據主要來源于《湖南省水資源公報》。

2.2 研究方法

2.2.1 狀態空間法 該方法是歐氏幾何空間用于定量描述系統狀態的一種科學方法，通常由表示系統各要素狀態向量的三維狀態空間軸組成，具有能揭示系統內部變量和外部變量之間關系的優勢[27]。縣域生態承載力大小可以用狀態空間的原點與系統狀態點所構成的矢量模型來描述。當考慮到狀態軸的權重時，生態承載力的數學表達式為：

2.2.2 灰度預測法本研究采用的是灰色預測法中的數列預測方法GM（1，1），通過處理原始數據和建立灰色模型，發現并掌握系統的發展規律，科學地動態模擬預測系統的未來狀態[28]。

檢驗預測值要求達C<0.35，P>0.95，模型精度為優。

2.3 評價指標理想值確定

根據洞庭湖生態經濟區規劃、長江中游城市群發展規劃和湖南省國民經濟和社會發展十三五規劃綱要，以規劃中設定的各指標閾值和規劃中未涉及的指標以湖南省的平均值為參考值，確定各評價指標的理想值（表2），并依據評價模型計算生態承載力、生態彈性力、資源環境承載力、社會經濟協調力理想值（表3）。

將現實值與理想值進行比較，即可知區域生態承載力水平，判斷其為可載、滿載或超載情況。借鑒王開運[2]的研究方法，本研究將各個評價指標的容差設定為0.02，設定生態承載力評價范圍如表4所示。

3 結果與分析

3.1 生態彈性力評價

生態彈性力是指生態系統有抵抗外界壓力、自我維持和調節的能力。由表5可以看出，洞庭湖區生態彈性力指數呈現出向理想值靠近的趨勢，特別是2010年以后，出現了一個快速回升過程，且超過了2005年的水平，但仍低于理想值指數，該子系統處于超載狀態。表明洞庭湖區在2005—2015年生態系統自我調節和抗干擾的能力整體處于較低水平，這與該區域高密度人口的生產與資源開發壓力造成生態環境退化有關。但在“退田還湖、平垸行洪、退耕還林、封山育林”等生態恢復和環境保護措施逐步有效實施后，洞庭湖區的生態彈性力已在向良性方向加速發展。從區域空間情況來看，常德市生態彈性力指數最高，益陽市次之，岳陽市最低，且2015年常德市生態彈性力指數達0.203 0，幾乎接近滿載水平，這與湖南省“3+5”城市群兩型社會試驗區的發展戰略的實施，常德市積極落實洞庭湖區生態經濟區規劃，區域生態環境調節功能得到了明顯增強有關[29]。

3.2 資源環境承載力評價

資源環境承載力結合資源要素和環境要素，反映資源環境與人類社會經濟活動的適應程度，包括資源對人類社會經濟活動的供給能力和環境對人類社會經濟活動的容納能力。由表6可以看出，2005—2015年洞庭湖區資源環境承載力子系統與生態彈性力不同，其指數一直高于理想值指數，處于可載狀態。但其發展趨勢與生態彈性力類似，均呈現出不斷提升態勢，在2010年之后提升速度也明顯加快。這表明洞庭湖區豐富的光熱、水土、礦產和生物資源，較強的水、氣、土壤的自凈能力，使得自然資源變量、環境資源變量和社會條件變量對區域社會經濟的發展需求尚具備較好的支撐能力。未來應進一步加強科技創新，提升資源利用率，不斷降低生產能耗，促使資源環境承載力能夠支撐洞庭湖區可持續發展的需要。資源環境承載力也存在空間分異，常德市作為環洞庭湖經濟帶的核心城市之一，2005年其資源環境承載力指數為0.399 9，比岳陽市和益陽市分別高出26.43%和26.07%，隨后一直保持并進一步擴大了領先優勢。2015年常德市的資源環境承載力指數比岳陽市和益陽市分別高出37.31%和27.49%。2005—2015年，常德市資源環境承載力指數的提升速度最快，2015年比2005年提升了14.48%;益陽市資源環境承載力指數2015年比2005年提升了13.21%，也高于岳陽市同期7.71%的增長幅度。

3.3 社會經濟協調力評價

社會經濟協調力可反映社會、經濟和人口發展的協調程度，體現產業結構優化程度。由表7可以看出，洞庭湖區社會經濟協調力與生態彈性力、資源環境承載力發展趨勢呈現明顯差異，整體呈現出先降后增的發展趨勢，2015年社會經濟協調力指數低于理想值，該子系統處于超載水平。這表明洞庭湖區的經濟、社會和環境的協調度較差，應在今后的社會經濟發展過程中堅守生態紅線底線，統籌解決發展循環經濟、綠色經濟、低碳經濟中的深層次問題，著力探索大湖流域經濟生態協調發展新模式。從區域差異來看，2005年常德市、益陽市和岳陽市的社會經濟協調力指數分別為0.118 4、0.066 1、0.052 6，除常德市為可載水平外，其余兩市均處于超載水平。2005—2010年，三市的社會經濟協調力均出現降低趨勢，其中，常德市下降幅度最大，達58.87%;其次為岳陽市，下降了29.05%;益陽市則下降了8.17%。這可能與傳統產業對資源的依賴程度較大和現代第三產業滯后有較大關系。雖然常德市、益陽市、岳陽市在2010—2015年社會經濟協調力又開始逐步回升，但尚未達到可載水平，都需進一步推動該湖區產業轉型，著力構建科技含量高、經濟效益好、資源消耗低、環境污染少的新型產業體系。

3.4 生態承載力綜合評價

由表8可知，2005—2010年，洞庭湖區雖然社會經濟協調力出現下降，但在生態彈性力和資源環境承載力同時上升的拉動下，生態承載力指數整體呈現緩慢上升趨勢;2010—2015年，在生態彈性力、資源環境承載力和社會經濟協調力3個子系統共同提升的影響下，生態承載力指數整體呈現較為快速的上升趨勢。這反映了洞庭湖區生態彈性力、資源環境承載力和社會經濟協調力都在逐步恢復，但生態彈性力和社會經濟協調力均還處于超載狀態，洞庭湖區生態承載力還存在較大的提升空間。從空間分布上來看，常德市生態承載力水平最高，其生態承載力指數一直高于理想值指數，處于可載水平，并呈現出明顯上升趨勢;岳陽市生態承載力水平最低，生態承載力指數從超載水平緩慢回升，但到2015年仍處于滿載狀態;益陽市的生態承載力總體水平雖低于常德市，但其生態承載力指數一直在上升，并由超載逐步提升到了可載狀態。

3.5 洞庭湖區生態承載力發展模擬

利用MATLAB R2018a軟件，檢驗可得生態承載力原始數據能夠通過級比檢驗。構建了2005、2010、2015年生態承載力灰色預測模型，根據式（6）、式（7），得到岳陽市、常德市、益陽市的生態承載力預測值的后驗差比值分別為0.005 1、0.003 0、0.002 0，皆<0.35，小誤差概率100%>95%，模型精度為優。由表9可知，2020和2025年洞庭湖區生態承載力水平將不斷提高，整體達可載水平，區域自然、經濟和社會復雜動態系統的穩定程度和協調程度都將回升到較好的狀態。其中，常德市和益陽市的生態承載力將一直處于可載狀態，常德市的生態承載力水平優于益陽市;岳陽市的生態承載力指數將于2020年由滿載上升到可載狀態，至2025年也將維持可載狀態。

根據表10可知，洞庭湖區2020、2025年生態彈性力狀況呈上升趨勢，區域生態系統的自我維持與調節能力逐步提高。其中，常德市生態彈性力上升幅度最大，預測將由超載狀態上升到2020年滿載，2025年將達到可載狀態;岳陽市生態彈性力指數最低，處于超載狀態，但超載程度趨于減緩;益陽市生態彈性力指數基本與岳陽市持平，同樣處于超載狀態，超載程度也趨于減緩，說明岳陽市和益陽市未來生態系統所承受的壓力仍然相對較大。2020、2025年資源環境承載力也將繼續保持上升趨勢，且都為可載狀態，說明區域資源的供給能力和環境對人類排污活動的容納能力將趨于穩定。從區域差異來看，常德市資源環境承載力指數最高，益陽市次之，岳陽市最低。2020、2025年社會經濟協調力預測結果與生態彈性力和資源環境承載力預測情況一致，也為繼續上升趨勢。其中，岳陽市社會經濟協調力指數最高，預計將由2020年的超載狀態回升到滿載狀態;常德市稍低于岳陽市，2020年仍處于超載狀態，2025年將基本恢復到滿載狀態;益陽市最低，2025年之前都將處于超載狀態，但超載程度略有減緩。這說明洞庭湖區社會、經濟的協調能力在逐步提高，但其協調程度仍有待加強，未來還需進一步調整產業結構，建立生態產業體系。

4 小結與建議

本研究利用狀態空間法測算了岳陽市、常德市、益陽市3個區域2005、2010、2015年的生態承載力，從時間和空間上進行了對比分析，并通過灰色預測模型對2020、2025年的生態承載力進行了模擬預測。得出結論并提出建議如下。

1）2005—2015年洞庭湖區生態承載力整體呈現上升趨勢，從超載、滿載水平逐步提高到了可載水平。各市生態承載力水平存在空間差異，常德市生態承載力水平最高，保持在可載狀態且還在逐步上升;益陽市生態承載力上升幅度大于岳陽市，已從超載恢復到可載狀態;岳陽市處于三市中的最低水平，但也由超載提升到了滿載狀態。

2）2020—2025年洞庭湖區生態承載力預計將維持在可載水平，且保持提升趨勢。其中，益陽市與常德市都將繼續上升，維持在可載狀態;岳陽市生態承載力水平則將于2020年發展為滿載狀態，2025年將維持可載狀態，且可載水平進一步得到提升。

3）從洞庭湖區的生態承載力演變和預測情況來看，資源環境與人類社會經濟活動的適應程度較好，但是生態系統自我調節和自我維持的能力和產業結構優化程度較差，可見生態彈性力與社會經濟協調力是制約洞庭湖生態經濟區生態承載力提高的主要原因。在洞庭湖生態經濟區建設過程中，應以生態文明引領經濟社會的全面發展，應以保護和修復生態環境為主，著力加強生態系統自我調節和自我維持的能力，采取適當措施加強產業結構的優化和升級，控制人口發展，協調好與社會經濟發展方式的關系，打造更加安全、秀美和富饒的生態經濟區，為大湖流域以生態文明建設引領區域可持續發展探索新的路徑。

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