保定市生產性生態承載力與生態功能耦合協調度時空分異

谷祎璠, 丁疆輝, 李奧夢

河北師范大學資源與環境科學學院, 石家莊 050024

生態承載力作為測度生態系統、社會經濟和資源環境子系統支撐能力的重要指標,一直以來備受學術界關注[1- 2]。量化研究人類社會經濟行為對生態環境的干擾程度和對自然資源的利用能力,對區域協調發展的評估尤為重要[3]。基于生態環境要素,生態功能作為穩定調節區域生態系統的功能性支撐力,其評價與分析對掌握生態環境基礎和進一步的生態建設與修復也十分關鍵[4]。當前,經濟發展進程的加速,以生態環境的破壞和自然資源的過度消耗為代價,造成了人地矛盾日益嚴重、土地承載過量,以及生態功能失調的局面,如何有效協調自然-經濟-社會這一復雜系統成為了公眾焦點和研究熱點。但由于區域發展的差異,由生態承載力表達的經濟發展能力與生態功能對環境的調節能力并未實現共振耦合,所以需要對二者的相互作用機制進行定量評估,為區域發展決策提供科學參考。

為準確反映區域的實際生態支撐量,生產性生態承載力的概念應運而生。生產性生態承載力是指一個區域每年從生態系統中實際承載的生物產量所需要的生態生產性土地面積[5],客觀反映了土地承載容量,其計算過程通過使用區域的實際生態產出量,無需統計區域的輸入輸出情況,避免出現由于區域資源輸入輸出量數據不完整所導致的用當地消費量計算造成的較大誤差[6]。

目前生態承載力研究涉及方面較多,其成果在縱向深化發展,除了評價方法的不斷改進和調整外[7- 9],主要涵蓋省域以上大尺度空間整體的生態盈虧關系[10- 12],生態承載力、生態足跡二者構成及其變化[13- 15],或針對單一要素的演變規律、影響因素等[16- 17];橫向的拓展研究中,與產業發展[18]、工業發展[19]、旅游開發[20]等產生了交互聯系。國內學者運用生產性生態承載力模型考察區域土地產出能力的研究主要為理論的分析與改進、局部區域的實際應用[6,21],但忽視了微觀尺度區域內部的空間差異性。

在經濟發展過程產生的資源需求和壓力下,相應的物質產出隨之增加,同時,生態環境作為經濟發展的空間載體,也產生了逐漸增強的反作用[22]。因此,不少研究著力探討城市建設與生態環境的協調關系及其交互脅迫機制[23- 24]、生態功能區的產業發展[25]等,或僅針對單一要素[26-28]深入研究。而作為在一定程度上反映經濟發展能力的生態承載力與生態功能對生態系統均具有正向支撐力,二者的相互作用有待進一步挖掘。由此,生產性生態承載力與生態功能的空間疊置分析,更能體現生態經濟性與功能性支撐力相互作用的特點。

保定市作為緊鄰京、津,并設有國家級雄安新區的城市,也面臨著土地承載過量、生態功能失調的問題,其自然-經濟-社會的和諧發展已然成為政府決策和學者研究的重點、難點。2017年5月,國家發改委和環保部發布的《生態保護紅線劃定指南》[29](以下簡稱“《指南》”)主要對水源涵養、水土保持、防風固沙和生物多樣性維護生態系統服務功能重要性評估方法、流程和要求進行了匯總。因此,本文基于《指南》對生態功能的劃分和評估數據的要求,對2010年和2017年保定市水源涵養、水土保持、防風固沙和生物多樣性維護四項功能進行了量化評估,并與該年生產性生態承載力進行耦合協調度的測算,對比解析時空變化情況,進而探討其影響機制。研究結果除了為保定市生態建設和社會經濟調控提供定量參考外,也為各縣區可持續發展和區域協調提供科學理論依據。

1 研究區域概況

保定市(北緯38°10′—40°00′、東經113°40′—116°20′)地處河北省中部,太行山東麓,冀中平原西部,海河流域大清河水系的中上游,屬暖溫帶大陸性季風氣候,冷暖干濕四季分明。目前,保定共轄4市(定州為省直管試點)、5區、15縣和2個開發區,總面積2.2萬km2,截至2017年末,總人口達1169萬[30]。市域境內地勢西北高、東南低,地貌包含山區和平原兩類;河流眾多,境內水系呈扇形,河流資源地區分布不均;土壤類型較多,以褐土和潮土為主,分布規律明顯;植被種類繁多,主要種植棉花、玉米、花生、西瓜等作物。經過歸類和調整,本研究范圍為本市23個縣(市、區),2010—2017年,三次產業結構從14.8∶51.9∶33.3調整為11.7∶45.7∶42.6,GDP從2050.3億元攀升到3227.3億元。

保定市境內地形地貌復雜,土地利用類型眾多,區域間差異較大,其中包括耕地、林地、建筑用地、草地、水域等,基于土地利用分類可將保定市內生態用地劃分為河流水面、湖泊水面、水庫水面、有林地、果園、其他草地、旱地等。保定市生態功能主要包括水源涵養、水土保持、防風固沙和生物多樣性維護功能,其中水源涵養和水土保持為主導生態功能,集中分布在保定市西部,即太行山脈沿線地區。本文選取2010年和2017年四項生態功能與該年生態承載力進行耦合計算和對比研究。

2 研究方法和數據來源

生產性生態承載力計算方法來源于生態足跡模型,是基于全球平均生產能力來測算人均生態承載力的量,再從供給的角度核算該區域總體生態承載的量;生態功能計算則是從研究區生態支撐能力的重要性評估著手,量化每一項功能,以便于識別生態保護的重點類型和重要區域。通過將二者進行耦合與對比,以評價該區域的可持續發展水平。

2.1 研究方法

2.1.1生產性生態承載力

生態承載力計算公式：

EC=N×ec

(1)

(2)

式中,EC為區域內總體生態承載力(hm2),ec為人均生態承載力(hm2/人),N為年末人口總數。Aj為第j種生產性土地的人均面積,pj為產量因子,rj為均衡因子。

為了平衡世界各地不同生產性土地產出能力的差異,利用均衡因子rj將其轉化成具有一致性和可比性的土地面積。本文均衡因子采用世界自然基金會(World Wide Fund for Nature, WWF)[31]發布的計算結果,草地為0.49,水域為0.36,耕地和建筑用地為2.21,能源用地和林地為1.34。同時,由于同一種土地類型在不同的國家和地區,也會存在生產能力的較大差異,因此需要在均衡統一化的基礎上,再乘以產量因子pj,將其調整為符合實際的、具有可比性的生產性土地面積。本文利用第i種消費資源單位面積的保定市縣域平均產量和全球/全國平均水平的比值作為產量因子,以獲得保定市特有的、時空動態比例系數,使得數據更加真實、合理。

2.1.2生態功能

生態功能基于保定市氣候、植被、土壤等類型的基礎數據,利用模型評價法對水源涵養、水土保持、生物多樣性維護和防風固沙四種生態服務功能評估,從而得出研究區域內生態環境支撐力強弱分布。計算方法和過程參考《指南》。

2.1.3耦合協調度模型

參考廖重斌[32]的相關研究,將生產性生態承載力和生態功能計算結果作為描述經濟產出和生態環境的函數,分別為：

(3)

式中,x1、x2…xm為描述生態承載力的m個要素,y1、y2…yn為描述生態功能的n個要素。ki、qj為待定系數,代表所選指標在耦合系統中的權重,由專家系統確定。本文認為生產性生態承載力和生態功能同等重要,所以將ki、qj均取值為1。為了便于多種量綱和量級數據間比較和計算,本文對數據歸一化處理。

參考物理學的容量耦合系數模型[33],引申得出本文生產性生態承載力和生態功能相互影響的耦合度過程量模型：

(4)

式中,C為耦合度過程量,僅代表二者之間相互作用力的大小,為了探究生態生產性土地產出能力和生態支撐力協調發展程度的強弱,引入耦合協調度模型,公式為：

(5)

式中,D為耦合協調度,T為生態承載力綜合評價指數,D和T的值均介于0、1之間;α、β為待定系數,由于生產性生態承載力和生態功能是自然環境支撐能力同等級別的表現形式,故取α=0.5、β=0.5。最后,可將耦合協調度劃分為4類：①0

2.2 數據來源

根據生態承載力理論,生態生產性土地共分為六類,包括耕地、林地、水域、草地、建筑用地和化石燃料用地,即生物資源和能源資源。生物資源包含耕地要素(稻谷、小麥、玉米、高粱、豆類、薯類、棉花、油料、麻類、蔬菜)、林地要素(木材、水果、堅果香料)、水域要素(水產品)、草地要素(豬肉、牛肉、羊肉、禽蛋、奶類、羊毛)。能源資源為化石燃料用地要素(煤、天然氣等)和建筑用地要素(電力)。這些要素的選取均參照了WWF的分類標準[34]。由于化石燃料用地是指用于吸收人類消費化石燃料所釋放的CO2的土地,但目前人類沒有留出此類土地,因此化石燃料用地面積記為0。此外,本文將建筑用地要素的計算進行了改進,以分縣城鎮化率、第二、三產業增加值、占比和發展速度代替原公式中電力的統計,使計算結果更能反映經濟社會發展的產出效果和支撐力。

生物資源的全球平均產量來源于聯合國糧農組織統計發布的參考數據,保定市生物生產性土地產量與社會經濟統計數據來源于2011年和2018年《保定經濟統計年鑒》[35-36]和2018年《河北經濟年鑒》[37];平衡各類土地生產能力的均衡因子取自WWF計算生態承載力時的數值。同時,按照世界環境與發展委員會的建議,本文扣除了12%生物多樣性保護的折算面積[34]。

保定市縣域行政區劃圖和6類土地面積來源于全國第二次土地調查統計公布的數據,根據調整和統計,具體將保定市劃分為23個縣域。

2010年和2017年保定市水源涵養、水土保持、防風固沙和生物多樣性維護四項生態功能評估數據主要包括該年份250 m×250 m的NDVI數據,1 m×1 m的土地利用類型數據,1 m×1 m的土壤類型數據,河北省及周邊氣象站點的降水量、蒸散量、氣溫、風速等氣象數據,90 m×90 m的DEM高程數據等。來源于MODIS遙感影像成像光譜、世界土壤數據庫、中國氣象數據網等。

3 結果分析

3.1 生態承載力測算結果

根據式(1)、式(2)對保定市2010年和2017年生態承載力計算,得到人均生態承載力分布圖(圖1)。

圖1 2010年和2017年保定市人均生態承載力Fig.1 Per capita ecological carrying capacity of Baoding in 2010 and 2017

計算結果顯示,2010年保定總生態承載量為2.55×107hm2,分縣人均生態承載力的平均值為2.64 hm2/人,到2017年兩項分別提升至2.94×107hm2和2.94 hm2/人,尤其以保定市北部的易縣、定興縣、淶水縣,以及東部的雄縣增長較為顯著,最高值由2010年易縣的3.70 hm2/人增長至2017年望都縣的4.32 hm2/人。由于保定市主要農作物播種面積為河北省最大,高達1111857 hm2(不含定州),畜禽產品產量較大,人均草地面積較小,大多數縣區草地和可耕地單位面積產量都高于全球平均水平,因此對保定市生態承載力貢獻最大的為耕地和草地。兩年相比,耕地、建筑用地和林地人均生態承載力提高,其他地類變化不明顯。建筑用地占用、農業結構調整、生態退耕還林和災害毀田導致耕地面積減少,而基本農田的保護任務極大地提高了土壤肥料和耕地質量,完善了農田各類基礎設施,使得耕地、林地產出大量增加。各縣區第二、三產業產值逐年提升,產業結構的調整和城鎮化率的提高,促使了各地建筑用地經濟類產出的快速增加。

空間上,保定市人均生態承載力由北向南遞減,異質性強,北部以易縣、定興縣、徐水區、淶水縣、淶源縣等地為重心,南部則以望都縣、博野縣為重心,競秀區、蓮池區承載力最弱。2010年與2017年人均生態承載力的分布格局基本一致,2017年承載力普遍增強,市域邊緣11個縣區人均生態承載力高于保定市平均值。

3.2 生態功能時空變化

通過計算水源涵養、水土保持、防風固沙和生物多樣性維護功能量,獲得保定市2010年和2017年各類生態功能時空分布圖(圖2)。

圖2 2010年和2017年保定市各類生態功能對比Fig.2 Comparison of each ecological function of Baoding in 2010 and 2017

空間上,各類生態功能的高值區主要分布在市域西部和安新縣,覆蓋了保定市三分之一的區域,表明太行山區的森林生態系統和白洋淀的濕地生態系統使該地區的生態狀況遠遠優于其他地區。水源涵養功能非低值區覆蓋率最高,分布連續性強;水土保持功能次之;生物多樣性維護功能區域差異顯著;防風固沙功能分布最為分散。與2010年保定市生態功能評估結果相比,除生物多樣性維護功能外,2017年其余生態功能峰值均有提高,但空間分布變化趨勢不明顯,防風固沙功能略有提升,水源涵養功能空間差異增強,低值區范圍增加,主要集中于曲陽縣、淶源縣、雄縣和高碑店市等地。

3.3 耦合協調度時空變化規律

3.3.1耦合協調度時序變化

利用耦合協調度模型測算出的保定市人均生態承載力與各生態功能的耦合協調度如圖3所示。耦合協調度用以表示系統間或系統內各要素在相互作用中的一致性水平,意味著系統存在從無規則狀態向有序發展的傾向[2],側重表達協調效果的優劣。

整體上,水源涵養功能與生態承載力的耦合協調程度最強,生物多樣性維護功能次之,防風固沙功能最弱。與2010年相比,2017年水土保持功能、生物多樣性維護功能、防風固沙功能與生態承載力的耦合沒有太大波動,水源涵養與其的協調性存在區域性變化。由于生態功能區域性降低,生態承載力提升,二者變化并未保持一致,而導致相互協調能力降低,因此淶源縣部分區域由良好降至輕度協調階段,競秀區降至嚴重失調階段。反映出人類社會經濟活動對資源利用程度加大,為了支撐社會經濟發展,人為干擾增強,土地產出也隨之增加,對環境和生態帶來了明顯的壓力,各要素協調性減弱。順平縣耦合性增加則是生態功能和生態承載力共同提升的結果。

3.3.2耦合協調度空間分異

圖3表明,保定市各縣區人均生態承載力與各類生態功能的耦合協調度空間分布區域差異性較大。以阜平縣、淶源縣、淶水縣等地為主耦合協調度較高,由于該地區土地產出性較好,自然環境具有優勢,使得生態功能與承載力相輔相成,協同效應明顯。其次是易縣、唐縣、安新縣等地,如安新縣由于擁有白洋淀濕地資源,水源涵養能力和生物多樣性維護功能較強,再加上當地社會經濟發展較好,進而協調性強。

在實際的生產生活過程中,生態承載力和生態功能的交互耦合關系主要體現在兩方面：一是生態承載力的提升,意味著相應經濟性產出的增加,包括經濟、人口、資源需求的增長,從而造成對生態環境的干擾;二是生態功能的優化,是政策干預、人口疏解、資源排斥的結果,對經濟發展形成約束。另外,從空間格局可以看出,耦合協調度的整體分布狀態是由生態功能強弱主導的,而變化范圍和程度則由生態承載力控制。因此,人為的開發利用資源和過度干預生態環境直接造成了耦合協調度的差異。

生態功能的分布是耦合協調度空間格局的基礎,人均生態承載力的變化導致耦合結果的偏移。基于此,以2017年水源涵養功能與生態承載力耦合協調度為例,采用自然間斷點分級法劃分耦合協調類型(表1)。其中,位于數值范圍邊緣的縣域特征類似。

表1 耦合協調度分類標準

從空間特征來看(圖4),高承載高耦合區主要分布在北部,集中且連續,向南貫穿全市,區域內擁有較高的生態性和經濟性產出;低承載高耦合區多分布在高承載高耦合區外圍,其社會經濟條件雖然相對一般,但水源涵養功能帶來了更強的正面效果,二者形成良性互動;由于耦合協調度出現的兩極分化現象,高耦合區數量遠大于低耦合區,因此低承載低耦合區僅包括競秀區和蓮池區,該區域人口密度較大,可發展的生態空間極為有限,部分生態資源依靠其他縣區供給,人地矛盾最為突出,導致生態承載力和耦合協調度均處于較低水平。由于生態功能的空間分辨率較高,不同等級的耦合協調度出現了跨縣區分布。不同的耦合類型反映了耦合協調度的空間變化規律,這是在生態基礎條件和經濟社會發展雙重作用下的結果。

圖3 2010年和2017年保定市人均生態承載力和4類生態功能耦合協調度Fig.3 Coupling coordinative degree of per capita ecological carrying capacity and 4 types ecological functions of Baoding in 2010 and 2017

圖4 耦合協調度分類Fig.4 Classification of coupling coordinative degree

3.4 耦合協調度空間分布影響因素

保定市自然資源結構復雜,環境功能多樣,對耦合協調度時空格局演化有明顯的影響。生態系統的耦合協調性變化以生態和資源環境為基礎,以社會經濟發展為直接驅動力。因此,基于各類耦合協調度的時空對比研究,將經濟社會發展水平、自然稟賦、區域發展政策等作為驅使其空間結構演化的主要影響因素。

3.4.1經濟社會發展水平

圖5 生態承載力和水源涵養功能耦合協調度與社會經濟要素相關分析Fig.5 Correlation analysis of social economy and coupling coordinative degree of ecological carrying capacity and water conservation function

2010—2017年保定各縣區經濟社會發展水平處于上升時期。統計數據表明,近十年保定市地區生產總值始終維持在7%以上的上升趨勢,人均GDP由2010年18451元增長至29983元,但23個縣域的經濟發展水平具有顯著區別。僅從人均GDP來看,保定市區遙遙領先,成為保定市經濟社會發展的最高增長極,人類經濟活動對生態環境帶來了較大影響,因此市區的耦合度處于失調階段;相對而言唐縣、曲陽縣等縣區則處于社會經濟的相對弱勢,生態環境狀況也處于一般狀態,但二者發展速度保持一致,所以該地達到了協調狀態。

以2017年生態承載力和水源涵養功能耦合協調結果為例,將當年的人均GDP、年末常住人口、城鎮化率、社會消費品零售總額、社會固定資產投資、農業總產值和工業總產值在相對獨立的情況下作為影響耦合協調度的社會經濟因素進行相關性分析(圖5)。

Pearson相關分析結果表明,人均GDP、城鎮化率、社會消費品零售總額與耦合協調度的相關性最顯著,且均為負相關,sig.小于0.01。由于社會經濟和環境條件的差異,部分地區社會產品的產出和消耗較大,城鎮化率較高,但生態用地占比極少,生態功能一般,經濟發展速度大過于環境保護,從而導致耦合協調不理想,如競秀區、蓮池區。此外,耦合協調度與社會固定資產投資、工業總產值、農業總產值的相關性也較強,但僅與農業總產值呈正相關,這是由于農產品代表土地生態性產出水平,產出越高,與生態功能耦合性越好;而工業總產值和社會固定資產投資恰恰相反,代表經濟性產出,與生態功能的發展相互制約。

3.4.2自然稟賦

良好的自然資源環境是人類社會經濟活動、甚至是基本生活的重要支撐平臺。保定市西部為太行山區,太行山區以森林生態系統為主,河流水系眾多,與區域內的大型水庫,如西大洋水庫、王快水庫等,共同構成了該區域的水源涵養和水土保持功能。以阜平縣、淶源縣、淶水縣和易縣為代表的太行山區,加上以安新縣為代表的白洋淀濕地區域,其豐厚的植被覆蓋度、豐富的生物多樣性、發達的水系形成了優越的自然條件,提供了大量的生態性產出,這種環境稟賦足以抵消因為經濟發展水平一般或較低而帶來的負面效果,從而該區域耦合協調度普遍較高。

3.4.3區域發展政策

區域發展政策對人類社會經濟行為具有重要指導意義,每個時期的政府決策和發展戰略對區域經濟、社會、資源、環境和生態的協調發展產生重大現實影響[2]。在保定市土地利用總體規劃及調整完善方案的戰略目標下[38],各縣區農用地、建筑用地、其他土地等地類得到有效調整與部署,如基本農田總面積超過保護任務要求,土壤肥力和耕地質量提升,耕地產出普遍增加,規劃現狀直接影響到生態承載力的結果。2012年,為加強生態環境保護和解決各項生態問題,國家環保部決定實施生態保護紅線的劃定工作,其中保定市生態保護紅線面積為3720.82 km2,以水土保持、水源涵養為主導生態功能,生態保護紅線的劃定有助于維護和逐步提升保定市生態功能,改善人居環境,促進經濟社會可持續發展;2014年黨和國家提出京津冀協同發展戰略,旨在拓寬京津冀環境容量和生態空間;2017年,黨中央、國務院在此基礎上批準設立雄安新區,快速啟動生態基礎設施建設和環境整治戰略,為保定市各類生態功能的提升起到助推作用。國家一系列區域發展戰略與政策的實施,科學合理地平衡了保定市自然生態和經濟社會的運行環境,促使生態承載力良性作用增強的同時,與生態功能的耦合協調性也隨之增強。

4 結論與討論

生態承載力是生態系統自我維持和調節的能力,它融合了生態環境、資源、經濟和社會多個部分,其與生態功能可以形成相互作用、彼此影響的耦合關系。利用生產性生態承載力模型,測算2010年和2017年保定市23個縣域的實際生態承載量,并運用物理學中容量耦合模型分析人均生態承載力與各類生態功能的耦合協調度,對保定市生態和社會經濟發展關系進行深度解讀,為生態環境保護和可持續發展帶來科學理論依據。研究結果表明：

(1)保定市人均生態承載力存在著較為明顯的時空差異,生態功能變化不顯著。生態承載力將自然與社會經濟相結合,形成一個復雜的動態系統,它體現著土地生態性產出能力,同時也是一種社會經濟的支撐能力。2010年和2017年保定市總生態承載量和人均生態承載力均有所提升,以耕地、草地貢獻率最高;空間上承載力由北向南遞減,市區由于建筑用地占比較大,耕地極少,生態承載力出現極化現象,而易縣、望都縣等地則恰恰相反,耕地產出的增加,使其生態承載量位居前列。2010年和2017年水源涵養、水土保持、防風固沙、生物多樣性維護四項生態功能高值區均主要集中于市域西北部太行山區一帶,其中水源涵養功能整體較強,2017年與2010年相比并未產生較大變動。

(2)保定市人均生態承載力和生態功能的耦合協調度時序變化不大,空間異質性明顯。與2010年相比,2017年水土保持和生物多樣性維護功能與生態承載力的耦合協調性均沒有太大波動,水源涵養功能的耦合由于經濟活動的增強而存在區域性降低。生態功能的分布是耦合協調度空間格局的基礎,人均生態承載力的變化導致了耦合結果的偏移。在生態基礎環境與人類經濟社會發展共同作用下,生態承載力和水源涵養功能的協調性可分為3個層次,低承載低耦合區、高承載高耦合區和低承載高耦合區。

(3)影響保定市人均生態承載力和生態功能耦合協調度的因素主要包括經濟社會發展水平、自然稟賦和區域發展政策等方面。人均GDP、城鎮化率、社會消費品零售總額與耦合協調度的相關性最為顯著,且均為負相關,經濟活動的影響超過了自然條件的正面效果;良好的自然資源環境是生態承載力和生態功能獲得良性互動的基礎,自然稟賦的分布引導著耦合協調度的總體格局,經濟支撐力決定耦合協調度變化的強弱和范圍;區域發展政策是耦合協調度變化的大方向,擁有政策導向優勢,可以從整體上推動地區生態承載力和生態功能的聯動性,還可以激發欠發達地區和待發展地區的潛力。

將人均生態承載力的空間定量評價結果與生態功能作耦合協調性分析,是討論生態和經濟性產出對自然-經濟-社會系統作用效果的一種嘗試。由于數據的收集和處理方式存在差異,生態承載力數據以縣域為單元,生態功能的評估結果數據則為250 m×250 m的柵格單元,導致生態承載量和生態功能存在空間分辨率的不同,因此,縮小生態承載力數據空間尺度有助于優化耦合協調度計算結果,其空間尺度效應也有待進一步研究。基于耦合協調度模型的生態承載力和生態功能的相互作用研究應向多角度、多指標的方向推進,長時間序列、不同空間尺度的動態分析和模擬預測是未來的發展方向,將具有極強的現實意義。