基于弹簧模型的资源环境承载力评价及应用——以内蒙古自治区陈巴尔虎旗为例
黄秋森, 赵, 岩, 许新宜, 王国强, 王红瑞*, , 顾琦玮
北京师范大学水科学研究院,北京 100875
*通信作者简介:王红瑞(1963- ),男,教授,博士生导师。E-mail: henrywang@bnu.edu.cn

第一作者简介:黄秋森(1992- ),男,福建泉州人,硕士研究生,主要研究方向为环境科学、水文水资源。E-mail: hqssunmoon@163.com

摘要

在全国生态文明建设背景下,资源环境承载力研究对生态型地区社会经济可持续发展有着重要意义。论文引入生态健康度描述生态型地区特点,构建资源环境承载力评价指标体系,提出基于弹簧模型的生态型地区资源环境承载力评价方法和社会经济数据离散化方法,以内蒙古自治区陈巴尔虎旗为例,分析2014年资源环境承载状况及社会经济压力对资源环境系统的影响。评价结果表明:宝日希勒镇、呼和诺尔镇和巴彦库仁镇资源环境系统超载, RECS/ RECC分别为9.860、1.369和1.221,其他乡镇均低于0.8,评价结果有理可依,与事实相符,体现了评价方法在生态型地区评价的可靠性;社会经济压力在10 km × 10 km空间单元离散化结果与基于乡镇的评价结果不完全对应,方法优势体现在能够判别社会经济压力在乡镇内部空间上的变化趋势。

关键词: 资源环境承载力; 空间离散化; 社会经济压力; 陈巴尔虎旗
中图分类号:X821 文献标志码:A 文章编号:1000-3037(2018)01-0173-12
Evaluation of Resources and Environmental Carrying Capacity Based on Spring Model—Taking Chen Barag Banner in Inner Mongolia as an Example
HUANG Qiu-sen, ZHAO Yan, XU Xin-yi, WANG Guo-qiang, WANG Hong-rui*, GU Qi-wei
College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
Abstract

The research of resources and environment carrying capacity is of great significance to the sustainable development of social and economy in ecological regions in China. In this paper, ecological health degree was used to describe the characteristics of ecological regions, the evaluation indexes system of resources and environmental carrying capacity was constructed, and the evaluation model of resources and environmental carrying capacity based on spring model and the method discretizing social and economic data were proposed to analyze the carrying state of resources and environment and the influence of social and economic pressure on the system of resources and environment in Chen Barag Banner of Inner Mongolia. The results showed that the resource and environmental systems of Baorixile Town, Huhenuoer Town and Bayankuren Town were all overloaded, and the values of RECS/ RECC were 9.860, 1.369 and 1.221, respectively, while the others were all below 0.8. The evaluation results were reasonable and in accordance with the facts, which reflected the reliability of the evaluation method in the evaluation of ecological regions. The discretization result of social and economic pressure in 10 km×10 km spatial units was helpful to understand the spatial trend of social and economic pressure inside towns, which cannot be learned from the result based on the scale of township.

Keyword: resources and environment carrying capacity; spatial discretization; social and economic pressure; Chen Barag Banner

生态型地区对维护我国生态系统结构和功能起到关键作用。在我国高速发展的同时, 社会经济压力导致生态系统面临严峻形势, 资源环境问题逐渐成为生态型地区发展的瓶颈。因此, 对资源环境承载力的合理评估, 是保证区域可持续发展的重要前提[1, 2, 3]

资源环境承载力研究是基于资源和环境承载力研究发展而来。从最初的土地、人口、水资源等单一变量及要素的分析, 逐步过渡到多变量及多要素的综合分析[4]。郭林等[5]和余丹林等[6]研究表明, 自然资源开采和人类活动污染排放等社会经济活动产生的社会经济压力对区域生态环境产生了一定影响, 与区域承载力状况密不可分。洪阳等[7]认为, 资源环境承载力指标体系应分为自然资源支持力、环境生产支持力和社会经济技术水平三类指标。将资源、环境与社会经济视为“ 资源-环境-社会-经济” 复合系统进行研究[8, 9]。各项研究表明, 自然界能供给不同等级生态系统的资源及应对环境变化的抵抗能力是有限的, 认识经济可持续增长的资源环境承载力问题是实现生态型地区经济可持续增长的前提条件[10]

目前, 资源环境承载力研究方法有相对资源承载力法、生态足迹法、系统动力学法、层次分析法、向量模法和状态空间法等[1, 10, 11, 12]。相对资源承载力法涉及因子较少, 不能具体了解实际承载力; 系统动力学模型的建立受建模者对系统行为动态水平认识的影响, 由于参变量不好掌握, 易出现偏差, 导致不合理结论[11]; 生态足迹法未能充分体现环境质量变化对生态系统产生的影响; 层次分析法中一些因素通过定量不能准确表达, 且权重选择有时存在较强主观性, 导致结论不是很准确[12, 13]。状态空间法是目前最主要的指标体系计算方法[14], 是欧氏几何空间用于定量描述系统状态的一种有效方法, 它用各指标构成的向量和的模来定量描述区域承载力及承载状况[6, 15], 方法模型简单, 可操作性强, 但在应用上也存在一定缺陷[13]

根据上述研究背景, 本文构建了生态型地区资源环境承载力评价体系, 并借鉴状态空间法, 提出基于弹簧模型的资源环境承载力评价方法; 以典型生态型地区内蒙古自治区陈巴尔虎旗(以下简称陈旗)为研究区, 基于乡镇尺度(包括镇、苏木和国营牧场)评价资源环境承载力状况, 并提出社会经济数据空间单元离散化方法, 降尺度(10 km × 10 km)对社会经济压力做进一步分析, 为陈旗经济可持续发展提供科学依据。

1 资源环境承载力评价体系构建与评价方法
1.1 资源环境承载力评价体系构建

生态型地区是指对于维护我国生态系统结构和功能完善起到关键作用的区域。邓伟[16]认为资源环境承载力是指特定时期内, 在保证资源合理开发利用和生态环境保育良好的前提下, 不同尺度区域的资源环境条件对人口规模及经济总量的承载能力。高吉喜[17]指出, 评价环境承载力应该建立在不超出生态系统弹性限度的条件下, 强调生态健康在评价时的重要性。生态系统健康具有显著的时空尺度特征[18], 在时间上具有维持空间结构与生态过程、自我调节与更新能力和对胁迫的恢复能力, 并能保障生态系统服务功能的持续、良好供给[19], 其在中小尺度研究区对生态系统的刻画更为细腻。

综上, 根据资源环境承载力的内涵及评价方法和生态型地区特点, 以“ 压力-状态-响应” (Pressure-State-Response, PSR)评价模型[20, 21]为基础, 将资源环境承载力划分自然驱动力、社会经济压力和生态健康度3个子系统, 以此构建生态型地区资源环境承载力指标体系。

1.2 资源环境承载力评价方法

1.2.1 资源环境承载力评价方法分析

向量模法[11]和状态空间法被广泛应用于区域承载力评价当中[22], 两种方法均使用各指标构成的向量和的模来定量描述承载力。其中, 状态空间法能更好地体现生态系统各个要素的空间网络关系与区域整体效应, 并实现对区域承载状况的评价。余丹林、毛汉英[6, 15]在我国首先提出了基于三维状态空间法的区域承载力评价方法, 三维状态空间包括作为受载体的人口及其经济社会活动(Z轴)和作为承载体的区域资源和环境状态(XY轴)3个轴。状态空间中不同资源环境组合下形成区域承载力的点构成了区域承载力曲面, 任何低于该曲面的点代表某一特定资源环境组合下, 人类社会经济活动低于其承载力, 反之则超载。

根据以上模型定义, 若区域资源或环境状况越优, 则能够承受的社会经济压力越大。但在某些情况下, 假定社会经济压力不变, 表征资源或环境的指标值越大(情况越优), 将会导致资源环境承载力现状评价值越高, 越趋于标准值, 即越临近超载, 较事实产生一定偏差。具体应用中, 评价指标体系的建立依赖于不同研究内容和目的, 仅用上述状态空间法的涵义难以实现对不同指标体系内指标之间相互关系的准确描述, 使得一些研究中仅仅采用状态空间法的计算方法, 而缺失模型物理涵义[10, 14, 23]。因此, 本文基于上述问题, 根据前文所建立的资源环境承载力评价指标体系, 参考向量模法和状态空间法, 提出基于弹簧模型的生态型地区资源环境承载力评价方法。

1.2.2 基于弹簧模型的资源环境承载力评价方法

1678年英国科学家胡克提出了著名的“ 胡克定律” , 指出弹簧在发生弹性形变时, 弹簧的弹力和弹簧的伸长量(或压缩量)成正比。

将弹簧模型引入资源环境承载力评价中。如图1(a)所示, 弹簧处于自然状态, 视为生态系统最初始状态; 图1(b)表示, 经自然驱动力和社会经济压力(评价时间点前)持续累加作用下生态健康程度发生变化(将二者合力设为生态健康度作用力F1, 视生态系统向负面效应方向改变), 弹簧处于一定的拉伸状态; 图1(c)表示, 在生态系统现有状态下所承受的自然驱动力P1、社会经济压力P2和原有生态健康度F1共同作用下(设3个力所在平面两两垂直), 三者构成的合力F(合力与弹簧在同一直线上)即为现有生态系统资源环境承载状态(现状值); 如图1(d)所示自然驱动力P1、社会经济压力P2和生态系统健康度F1分别是由生态系统中某些影响要素(包括各正负效应要素)构成的合力。

图1 基于弹簧模型的资源环境承载力评价模型Fig. 1 The evaluation model of resources and environment carrying capacity based on spring model

设第j个子系统有n个影响要素, 任意一个要素作用力为(i=n, j=3), 则单个子系统对资源环境承载力作用力大小为

P=ai=1nXjicosθi(1)

式中:Xji为的模, 即各影响要素大小; θ i为子系统第i个影响要素与子系统合力所在坐标轴之间的夹角; a为单个子系统作用力与系统合力之间的夹角的余弦值。将cosθ i看作是第i个影响要素对子系统的权重ω i, 则

P=ai=1nXjiωi(2)

将自然驱动力、社会经济压力和生态健康度三者合力F记为资源环境承载现状值RECS(Resources and Environment Carrying State), 则

RECS=P1+P2+F1=i=1n(X1iωi)2+i'=1k(X2i'ωi')2+i=1l(X3iωi)2(3)

式中:kl为子系统影响要素个数。

将上式指标值用各指标标准值替代, 即可获得资源环境承载力标准值RECC(Resources and Environment Carrying Capacity)。则

RECS< RECC时,未超载RECS=RECC时,满载RECS> RECC时,超载(4)

RECC-F1视为在现有生态系统健康状况下, 系统所能承载自然驱动力和社会经济压力的潜力值, 当二者合力大于潜力值时, 弹簧超出弹性范围, 即生态系统超载; 小于潜力值时, 在弹簧承受范围内, 生态系统未超载; 与潜力值相等时, 弹簧达到最大伸长量, 生态系统满载。

本资源环境承载力评价方法将各要素合力视为资源环境承载现状值, 单要素值越大, 生态系统承载的资源环境压力越大, 因此对生态系统资源环境条件有利的因素, 在计算时视为负向指标, 不利因素则视为正向指标。

1.2.3 评价方法特性分析

上述评价方法主要具有以下特性:1)适用于生态型地区资源环境承载力评价; 2)引入生态健康度评价子系统, 对生态型地区资源环境承载力的评价更为准确; 3)以生态健康度表征生态系统的状态, 以自然驱动力和社会经济压力作为约束力, 综合考虑了系统的初始状态与现有约束力, 对指标正负取向进行规定, 可定量评价区域承载力状况; 4)完善状态空间法应用中的不足, 合理体现了3个子系统之间的协调响应关系。如自然驱动力和社会经济压力决定着生态健康度, 两者负面作用越大, 表征生态健康度的力越大, 其对二者又产生反馈作用, 即在弹簧弹性范围内, 能承载二者的合力越小, 当区域生态健康度偏差时(初始值偏大), 调整社会经济压力(如技术革新等), 将减小承载状态合力大小, 避免生态系统超载; 5)模型简单且易于计算, 根据不同评价体系, 适当更改子系统(轴)表征的含义或数量, 模型将可用于其他承载力评价体系中。

1.3 社会经济压力评价方法

1.3.1 社会经济压力离散化方法

基于资源环境承载力评价结果, 分析社会经济发展过程中产生的资源消耗对生态破坏的压力和污染物排放对环境污染的情况, 探索社会经济压力与生态系统间的协调关系, 对保障生态型地区生态系统结构稳定和功能有着重要作用。传统基于乡镇、县、市等行政单位的社会经济压力评价, 都是基于单个行政单位的数据统计结果, 适用于人口稠密或者面积较小的区域, 其行政单位的分析与区域内空间变化较为一致。然而对于土地广阔、人口稀少的地区, 同一行政单元不同空间的社会经济压力可能存在较大差异。为了探究这一差异, 本文提出一种基于10 km × 10 km空间网格的社会经济压力离散化方法, 将基于行政尺度数据离散到较小的网格尺度, 使其与实际情况更好地匹配。方法如下:

1)人口离散化:首先基于区域土地利用数据, 根据不同土地覆盖类型, 对人口进行离散化[24, 25], 人口网格离散化的对应关系如下:

PIδ=ε=1mαεSε+βε(5)

式中:PIδ 为第δ 个网格的人口总数; α ε 为该网格第ε 类土地覆盖类型的人口分布系数(人/km2), 可基于已有行政单位人口数据、土地数据建立回归方程得到; Sε 为该网格内第ε 类土地覆盖类型所占面积(km2); m为土地覆盖类型数; β ε 作为特殊人口稠密地区所在网格的人口调整误差项。

2)社会经济数据离散化:选取人工神经网络的方法训练所得具有相应关系的数据模型, 输出对应的数据[26, 27]。将行政单元的社会经济指标数据基于网格内土地利用类型面积与人口作为输入项离散到空间上去。

1.3.2 社会经济压力评价步骤

具体步骤如下:1)数据预处理。筛选区域内与社会经济指标相关性较高的土地利用类型数据和人口数据作为输入项。2)BP神经网络模拟训练。通过BP人工神经网络对各项社会经济指标与土地利用类型数据和人口数据进行多次训练得到相应的关系; 然后将空间单元内的土地利用类型和人口数据作为输入层, 代入BP神经网络已训练所得的关系中, 初步得到相应空间单元的社会经济指标数据。3)数据修正。结合行政区域内经济社会指标实际逻辑对应关系, 如无耕地无化肥施用量, 再对空间单元所得模拟结果不断修正, 最终获得空间单元内的社会经济指标数据。

2 基于弹簧模型资源环境承载力评价方法应用
2.1 研究区概况

陈旗(图2)位于我国大小兴安岭生物多样性保护重要区和内蒙古东部草原防风固沙重要区接壤处(兴安岭典型生态区), 是呼伦贝尔草原的主要组成部分。地理坐标为48° 48′ ~50° 12′ N、118° 22′ ~121° 02′ E。土地辽阔, 人口较少, 2014年人口数约为7万, 面积1.7万多km2, 辖3个镇、4个苏木、3个国营农牧场。2014年全旗粮食作物播种面积134.26万hm2, 牧业年度牲畜存栏达1 955.4万头(只)。地处海拉尔盆地成矿带, 煤炭资源丰富。近年来随着农牧业和煤炭产业的发展, 人类活动产生的社会经济压力对草原生态系统的结构和功能产生了较大影响。

图2 陈旗位置Fig. 2 Location of Chen Barag Banner

2.2 评价指标选取

生态健康指标选取依据VOR模型[28], 根据指标选取基本原则[29], 共选取10个指标。自然驱动力根据陈旗的气候、地质和水文等生境条件, 筛选出6个指标。社会经济压力表现为在社会经济发展过程中对资源的消耗和环境的污染, 另一方面, 社会经济的发展对资源环境的保护也具有促进作用。结合陈旗草原地区社会经济发展特点, 共选取11个指标。指标体系如表1所示。

表1 资源环境承载力评价指标体系 Table 1 Evaluation indexes of resource and environmental carrying capacity
2.3 数据来源

采用陈旗2014年相关统计数据。自然驱动力和生态健康度数据主要来源于遥感解译和实地测量数据。社会经济压力数据主要来源于《陈巴尔虎旗2014年统计年鉴》、《陈巴尔虎旗2014年度国民经济与社会发展公告》、《内蒙古2014年统计年鉴》等。

2.4 结果与分析

2.4.1 资源环境承载状况分析

指标标准值参考状态空间法取值, 为划定的生态红线临界值, 通常选取为保证该区域30%生态承载力的对应值, 由于本文对指标正负的界定相反, 所以取70%[10]。指标权重采用熵权法赋值[30], 数据归一化采用极值法[31]。此外, 采用障碍度分析法, 评价各影响因素对资源环境承载力及社会经济压力产生的障碍度大小, 分析相关主控因子[32]

乡镇资源环境承载状况评价结果显示(图3), 2014年, 宝日希勒镇资源环境承载力严重超载, RECS/RECC评价结果为9.860, 远高于其他乡镇, 资源环境状况处于较差水平。呼和诺尔镇和巴彦库仁镇RECS/RECC评价结果分别为1.369和1.221, 资源环境承载状况处于轻微超载水平。其他乡镇开发程度较低, 地广人稀, 资源环境承载状况较好, RECS/RECC均在0.8以下水平。巴彦哈达苏木和西乌珠尔苏木资源环境状况最优, RECS/RECC分别为0.581和0.472。

分别计算27个指标对于10个乡镇障碍度, 统计各指标障碍度高于4%的频率(表2)。结果显示, 影响陈旗区域资源环境承载状况的主要因素有土壤水和人均水资源量等[33, 34], 频率均为60%。宝日希勒镇社会经济压力指标障碍度总体较高, 可知社会经济压力过高是导致资源环境承载力超载的首要原因; 呼和诺尔镇生态健康度指标障碍度较高, 评价结果超载主要原因是生态健康程度较低, 区域内已经出现一定程度的沙漠化现象; 巴彦库仁镇3个子系统障碍度水平相当, 但均处于较差水平, 三者共同作用导致资源环境承载状况超载。评价结果与现场调研情况相符。

表2 陈旗资源环境承载状况障碍度因子分析结果 Table 2 Analysis of obstacle factors of resource and environmental carrying capacity in Chen Barag Banner

2.4.2 社会经济压力分析

社会经济压力计算采用熵权综合法[23]。乡镇社会经济压力评价结果显示(图4), 陈旗地区社会经济压力指数呈现出东北部高于西南部的现象, 中东部社会经济压力偏高主要由于两个经济发展最好的宝日希勒镇和巴彦库仁镇坐落于此。宝日希勒镇社会经济发展对资源环境系统压力最大, 社会经济压力指数达0.61, 3个国营农牧场次之。宝日希勒镇2014年GDP总量超63亿元, 远超其他乡镇, 拥有呼伦贝尔四大煤田之一的宝日希勒矿区, 以煤炭工业为支柱产业、畜牧业为基础产业的产业结构对煤炭资源、草地资源的消耗及对环境污染的现象较为突出, 对资源环境系统带来巨大影响, 直接导致了其承载力严重超载。3个国营农牧场以农牧业为主要产业, 但农垦效率低, 单位面积载畜量和化肥使用量在全旗内属于最高水平, 土地资源消耗严重, 化肥的大量施用对环境也产生了较为严重的影响[35, 36]。西乌珠尔苏木和东乌珠尔苏木地广人稀, 总人口仅为2 000人左右, 经济发展较为落后, 对资源环境系统产生的社会经济压力较小。

图3 陈旗资源环境承载状况评价结果Fig. 3 Spatial variation of resources and environmental carrying capacity in Chen Barag Banner

图4 陈旗社会经济压力评价结果Fig. 4 Spatial variation of social and economic pressure in Chen Barag Banner

图5 陈旗社会经济压力离散化结果Fig. 5 Spatial discretization of social and economic pressure in Chen Barag Banner

社会经济离散化结果如图5所示, 研究区内社会经济压力变化趋势与基于乡镇尺度的评价结果基本一致。社会经济压力指数较高点主要出现在宝日希勒镇和3个农牧场。但在不同的乡镇区域内, 离散化结果表现出的社会经济压力差异在乡镇尺度上无法体现。结合实际情况对差异进行分析, 结果表明社会经济压力指数最高点出现在宝日希勒镇宝日希勒矿区及周边, 3个国营农牧场社会经济压力较高的网格大部分出现在耕地、畜牧业较为集中的地区。网格处于西乌珠尔苏木和东乌珠尔苏木所表现出来的社会经济压力指数普遍较低。离散化结果体现了乡镇内社会经济压力的差异分布。

2.4.3 评价方法合理性分析

基于弹簧模型的生态型地区资源环境承载力评价法, 综合不同学者对承载力概念和内涵的描述, 引入生态健康度评价子系统, 充分考虑了生态系统结构和功能的稳定对生态型地区的重要性; 模型算法借鉴被广泛应用于承载力评价的向量模法和状态空间法, 算法具有一定说服力; 将模型应用于陈旗资源环境承载力评价中, 结果显示宝日希勒镇、巴彦库仁镇和呼和诺尔镇资源环境状况超载, 通过对结果成因的分析, 符合实地调研和各乡镇资源环境及社会经济情况, 评价结果较为可靠。综上, 评价模型在生态型地区资源环境承载力具有较好的适用性。

3 结论

1)通过对资源环境承载力概念和内涵的分析, 结合生态型地区特点, 构建了生态型地区资源环境承载力评价体系, 借鉴向量模法和状态空间法, 提出基于弹簧模型的资源环境承载力评价方法。方法内涵明确, 操作简单, 合理描绘了生态型地区资源环境承载力影响要素之间的关系, 突出了生态型地区生态系统健康程度的重要性, 实现了区域资源环境承载力定量评价。

2)以陈旗为研究区, 对陈旗2014年资源环境承载力做出评价, 评价结果显示, 宝日希勒镇资源环境承载状况超载严重, RECS/RECC高达9.860, 呼和诺尔镇和巴彦库仁镇RECS/RECC评价结果分别为1.369和1.221, 均处于轻微超载水平, 其他乡镇均低于0.8, 尚未有超载风险。评价结果有理可依, 与客观事实相符。

3)基于同一行政单元不同空间的社会经济压力可能存在着较大差异的假设, 提出社会经济压力离散化方法, 并以陈旗为例, 对社会经济压力进行评价并探究与资源环境承载力之间的关系。评价结果显示, 基于10 km × 10 km网格尺度, 社会经济压力变化趋势与基于乡镇尺度的评价结果基本一致, 但在不同乡镇区域内, 离散化结果表现出的社会经济压力的差异在乡镇尺度上无法体现。2014年宝日希勒镇社会经济压力较高, 直接导致其超载, 3个国营牧场次之。

本文存在的不足主要体现在评价模型结果可靠性分析仅依赖于模型计算方法和评价结果与现实的匹配度, 如能与其他评价方法进行对比验证, 将可提高评价方法的说服力。

The authors have declared that no competing interests exist.

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