自然保護地生態承載力時空分異研究
——以大連金石灘為例

智 尹,張育慶,*,王 垚

1 遼寧師范大學 人居環境研究中心, 大連 110629 2 遼寧師范大學 地理科學學院, 大連 110629

自1956年我國廣東省建立了第一個自然保護地——鼎湖山自然保護區,我國自然保護地事業不斷完善,初步建立了種類多樣的自然保護地體系[1]。黨的十九大進一步提出“中國要加大生態系統保護力度,將生態文明戰略地位進一步提高,同時建立以國家公園為主體的自然保護體系”,建立健全自然保護體系成為我國推進生態文明建設的重要任務[2]。探究在國家生態安全中占據重要地位的自然保護地承載力水平,是檢驗該地資源環境是否人地關系和諧的有效手段,也是當前自然地理學的熱點研究[3-4]。

我國自然保護地主要包括國家公園、自然保護區和自然公園三類。其中,有許多自然保護地具有多重身份,如金石灘自然保護地：既是國家公園,具有以保護區域生態環境、維護生態系統為主的功能；同時又是風景名勝區,起著開發風景資源促進社會經濟發展的作用,這種擁有多重身份的自然保護區更需要社會各界去關注[5-6]。正是因為同時肩負了環境保護和經濟發展的使命,該地成為保護與發展矛盾沖突的區域,是自然與人類社會交錯影響的復合系統。在快速城市化的今天,多身份自然保護地受人類活動影響強烈,過度開發當地資源、破壞當地生態環境、超負荷運行基礎設施等諸多不合理的人類活動均導致該區域環境質量下降,體現了現階段眾多自然保護地重開發而輕保護的特點[7-9]。自然保護地可持續發展平衡被打破,開發強度大于保護強度,成為威脅區域生態安全格局的一個主要問題。

生態承載力是一個集生態系統-資源環境-社會經濟的復雜系統,其內涵體現在三大子系統的3種能力,即彈性生態子系統的支撐能力、資源環境子系統的供容能力和社會經濟子系統的協調能力[10-12]。生態承載力是衡量區域生態與社會經濟可持續發展的關鍵,其評估為協調一個區域的保護與發展關系提供重要依據。現有生態承載力研究內容不斷豐富,研究對象主要是國家、省際、區域、城市、流域、山地、特殊地理環境地帶等不同尺度的區域[13-17],但李苗苗等[18]研究統計截止2018年12月31日以遼寧省自然保護地為研究對象的不足十篇。生態承載力研究方法具有多樣性,但均有其各自的局限性：Rees等[19-20]致力將生態足跡法應用于生態承載力研究,但其適用范圍一般在國家或國際間；毛漢英等[21]運用狀態空間法計算環渤海區域承載力,其方法在一定時間尺度的區域內均適用,但易忽略人的主觀能動作用[22]；模糊綜合評價模型[23-24]適于直觀反映指標權重與指標值間的相互關系,可按各自研究對象特點進行定量分析,比較適合本文微尺度的金石灘地質遺跡保護區。在生態承載力指標構建方面,因生態系統是一個集生態、經濟、社會的復雜系統,目前學者選取的指標主要涉及資源、環境、社會、經濟發展等方面,鮮有學者將各個方面的指標融合考慮,還未形成普適的指標體系[25-28]。

綜上所述,目前關于生態承載力的研究,缺乏鄉鎮一級等小尺度區域研究；缺乏以兼具保護與發展功能的自然保護地類型為研究對象；缺乏結合遙感解譯、社會經濟等多源數據開展定量研究。本文的研究對象是具有多類型自然保護地身份的金石灘,在遙感影像和土地利用數據的基礎上,從彈性生態支撐系統、資源環境供容系統、社會經濟協調系統3方面構建指標體系,對金石灘1998—2018年的生態承載力進行核算,評估該區域發展是否在其可承載范圍內,判定其可持續發展程度,為協調金石灘多類型自然保護地的保護與發展提供參考。

1 研究區域、數據與方法

1.1 研究區域

金石灘地處大連市金普新區東部沿海,該區屬暖溫帶季風氣候,冬暖夏涼,氣候宜人,轄葡萄溝村、河嘴子村、龍山村、滿家灘村、什字街村、陳家村、廟上村7個行政村。早在1986年政府批準建立縣級自然保護區，1987年晉升為地質遺跡市級自然保護區，1988年金石灘被確定為國家級風景名勝區,2005年被評為國家地質公園。金石灘地質景觀獨特,珍奇地貌眾多,成立地質遺跡保護區,起到景觀資源的保存與保護功能；同時風景優美,景點眾多,旅游業發達,促進該區域社會經濟發展。金石灘是國家公園和風景名勝區的結合區域,是生態保護與地區發展之間矛盾沖突的區域,因此將金石灘作為多類型自然保護地案例研究具有一定典型性(圖1)。

1.2 數據來源

本文以1998、2003、2007、2012、2015、2018年遙感解譯的土地利用數據為基礎(圖2),并結合《金普年鑒》、《大連經濟技術開發區 大連出口加工區 大連金石灘國家旅游度假區年鑒》各生態環境、社會經濟統計數據(表1)。土地利用類型根據本文指標體系計算所需的土地類型分為：耕地、園地、林地、草地、水域及水利設施用地、建設用地和未利用土地(圖2)。

圖2 土地利用類型Fig.2 Land use types

1.3 研究方法

1.3.1指標構建

具備多重自然保護地身份的金石灘在劇烈頻繁的人類活動和復雜多變的環境因子影響下,成為地質遺跡保護和國家級風景名勝二合一的區域,故選取指標需反映該地生態系統承載能力。在熊建新等[29]、蘇飛等[30]、裴鷹等[31]研究的基礎上,本文從彈性生態支撐力、資源環境供容力和社會經濟協調力3個方面構建指標體系：彈性生態支撐力用以表征金石灘自然保護地生態系統的自我維持與修復能力,能從根本上反映生態系統內各自然要素的支持狀況,從生境質量指數等5個方面構建指標層；資源環境供容力反映區域內資源環境利用現狀,從空氣質量達標率等5個方面構建指標層；社會經濟協調力反映金石灘社會經濟發展的協調程度,從游客人次等5個方面構建指標。依據科學性的指標體系構建原則,參考《生態環境狀況評價技術規范(發布稿)(HJ192—2015)》中“6.3自然保護區生態保護狀況評價指標及計算方法”以及前人研究文獻[32-35],同時結合金石灘自然保護地自身特征。因金石灘是地質遺跡保護區類型,而非野生動物保護區類型,去除外來物種入侵度干擾、添加游客人次干擾,綜合考慮篩選出15項能反映區域生態系統特征、內涵豐富且便于測度的指標(表2)。

表2 金石灘生態承載力評價指標體系

評價指標體系中,生境質量指數、植被覆蓋指數、水域面積占比、空氣質量達標率、水質達標率的計算均參考《生態環境狀況評價技術規范(發布稿)(HJ192—2015)》,其他指標依據其概念和統計方法計算獲得,指標的正負性質參考何念鵬等[36]、周宏浩等[37]的研究。

1.3.2數據處理與權重

指標數據標準化：各項指標數據的計量方式不統一,因此應對原始數據進行標準化處理。本文采用極差正規化法對原始數據進行標準化處理,消除數據間的量綱影響[38-39]。公式如下：

指標權重處理:權重確定方法主要分為主觀賦權法和客觀賦權法兩類,兩種方法各有優劣。在吸納前人經驗的同時,結合數據本身的屬性,本文通過層次分析法[40]與熵值法[41]分別計算指標權重,盡量避免其缺點,充分發揮其優勢,計算其組合權重,采用主客觀組合賦權的方法。

1.3.3評價模型

本文主旨在于直觀反映指標權重與指標值的相互關系,將指標體系與模糊綜合評價模型相結合,對金石灘自然保護地生態承載力進行評估[42]。具體公式如下：

(1)

(2)

式中，RECCb代表各目標層指標值，ωi代表指標權重，Cij代表指標標準化后的值。RECC代表生態承載力，ωb代表目標層的權重值。

1.3.4生態承載力等級劃分

生態承載力等級劃分參考前人研究成果[43-44],并根據本研究區域實際情況,將生態承載力評價結果取值范圍[0,1]分為4個等級(表3),對生態承載力評估結果進行等級劃分。

表3 金石灘生態承載力評價分級標準

2 結果分析

2.1 生態承載力時間分異

由圖3得出,①金石灘在近30年來生態環境遭受嚴重破壞,彈性生態支撐力一直在降低,生態系統自我修復能力大大減弱,彈性生態支撐力在1998年到2003年的時間里下降最為明顯,從0.2631下降至0.1221,區域開發起步階段對生態的彈性恢復能力損害最為嚴重；2015—2018年時段,彈性生態支撐力下降速度緩慢,生態系統整體情況上看有一定的恢復效果。②金石灘在開發利用當地資源飛速發展旅游業的同時,該地資源環境也在承擔與之對應的負面后果,資源環境供容力從2007年的0.1935飛速下降至2012年0.0992。③社會、經濟和人口是衡量一個地區是否和諧發展的指標,此三要素共同決定社會經濟協調力。金石灘社會經濟協調力呈現先降后升、之后平穩態勢且整體波動變化小。其中,自2003年以來社會經濟協調力從0.1291平穩增長至0.1705,表明社會各界對保護生態的重視行動有一定的作用。

圖3 金石灘生態承載力變化Fig.3 The change trend of ecological carrying capacity in Jinshitan

根據模糊綜合評價模型對1998—2018年金石灘生態承載力水平進行測算。由圖3可知,金石灘自然保護地生態承載力從1998年的0.7572降至2018年的0.2940,呈現出“強承載水平-較強承載水平-較弱承載水平”態勢,該區生態系統發生紊亂,環境質量快速降低,生態承載能力持續減弱。伴隨城鎮化發展,建設用地急劇增長導致大量耕地、林地等自然資源被占用,以及旅游業的快速發展對當地環境帶來的沖擊是導致生態承載力持續走低的主因。2012—2018年生態承載力下降幅度變緩,由0.3582降至0.2940,主要得益于社會經濟協調力,社會各界對保護生態做出的貢獻小有成效。整體來看,金石灘生態承載力變化的決定性因素是彈性生態支撐力與資源環境供容力,其與生態承載力發展趨勢一致,而社會經濟協調力先減后增,是生態承載力的調節性因素。

2.2 生態承載力空間分異

在土地利用數據基礎上,根據實際情況結合統計數據和指標權重,利用ArcGIS軟件得到金石灘生態承載力等級分布(圖4)。從近30年總體來看,金石灘承載力自北部內陸向南部海岸逐漸減弱,內陸與海岸生態承載力情況完全不同,呈現出極不平衡的空間分異,伴隨來之的是弱承載范圍迅速激增和強承載范圍快速縮減：1998年,金石灘生態承載力以強承載水平為主,沿海的河嘴子村、廟上村和滿家灘村開始出現較強承載水平分布區域；到 2003年,弱承載范圍開始連區成片,該區承載力等級顯著降低,主要表現為強承載向較強承載演變。具體來看,河嘴子村和龍山村的沿海區域表現出較弱承載水平,滿家灘村和廟上村的沿海區域表現出弱承載水平。1998年后為加強金石灘與大連市市區聯系從而吸引游客促進當地旅游發展,開始修建輕軌快車并于2002年建成,輕軌快車的占地修建與之伴隨的建設用地快速擴張是此階段金石灘生態承載力變化劇烈的主要原因。

圖4 金石灘生態承載力等級分布Fig.4 Ecological carrying capacity level distribution of Jinshitan

金石灘生態承載力空間分異在2003—2012年表現明顯,金石灘地區的北部和陳家村與廟上村交界之處表現出強承載力,且強承載范圍一直在加速縮小,主要原因是該地區植被覆蓋較高,林地、草地資源豐富；較弱承載范圍自南部海岸一路擴張至北部,弱承載力則牢牢占據金石灘南部中心位置,尤其是滿家灘村和廟上村南部。弱承載范圍擴張趨勢與建設用地一致,說明人類開發活動對當地生態環境資源造成很大干擾。2015—2018年,金石灘生態承載力以弱承載水平為主,等級下降速度減緩,且空間分異趨于穩定。主要原因為：該階段已是經濟開發的成熟階段,建設用地占據了金石灘中部與南部絕大多數地區,森林、草地資源分布范圍很小,生態承載力等級分布已穩定。

3 結論與討論

3.1 結論

本文從彈性生態支撐系統、資源環境供容系統、社會經濟協調系統3方面構建指標體系,運用模糊綜合評價模型,對金石灘多身份自然保護地生態承載力的時空分異進行評估,以期監測自然保護地生態環境變化,促進自然保護地可持續利用與發展,望能為其他自然保護地的生態承載力評估及發展的科學決策提供參考。結論如下:

(1)從金石灘自然保護地生態承載力總體來看,1998—2018年間金石灘生態承載力表現出先快后慢的下降趨勢,先后經歷“強承載水平—較強承載水平—較弱承載水平”三個階段。

(2)從金石灘生態承載力準則層評估來看,彈性生態支撐力和資源環境供容力呈現持續降低的劇烈下降趨勢,社會經濟協調力呈現先降后升、之后平穩發展的趨勢。其中,彈性生態支撐力和資源環境供容力與生態承載力變化趨勢一致,是生態承載力變化的基礎。

(3)金石灘生態承載力呈現極其不平衡的海陸空間分異,陸地為強、較強承載力,海岸為弱、較弱承載力,自北部陸地向南部海岸逐漸減弱。海陸生態承載力水平完全不同,與之伴隨的是弱承載范圍迅速激增和強承載范圍快速縮減。

3.2 討論

本文以多身份自然保護地為研究對象,探討具有多種類型、多種功能自然保護地生態承載力的評估方法,反映該區域生態承載力變化情況及可承載能力,以期為促進多類型自然保護地的可持續發展服務。在目前關于生態承載力的研究中,不同的生態承載力研究方法各有側重,結果也會不同。但在長時序范圍內,研究得到的生態承載力時空分異特征具有一定的科學性和準確性,能夠反映區域的生態承載力變化情況。由于本文指標體系構建是專門針對金石灘地質遺跡保護區,可能對野生動物保護區提供的參考意義不大,不過給同類型自然保護地研究提供了新思路。

金石灘自然保護地在近20年的發展中,強烈的人類開發活動是生態承載力持續走低的主因,對資源和環境加大保護力度是金石灘可持續發展的重點,處于生態承載力等級弱、較弱的南部沿海地區更是應將環境、經濟與社會的可持續發展作為今后發展的方向。未來研究可將生態承載力時空分異的影響機制作為重點,定量研究其影響因素,因地制宜提出改善措施。