承载力是生态学上的一项重要指标, 它可以反映生物与其生存环境之间的承压关系, 衡量自然环境容纳生物生存能力或自然界承受生物生存压力弹性的限度^[1]。关于承载力的研究最早从工程地质领域开始, 后被引入生态学领域, 指某种环境条件下承载机体所能维系的承载对象阀值^[2]。国外对承载力的研究始于20世纪70年代, 主要集中在区域承载力^[3]、资源要素承载力^[4]和生态承载力^[5]等方面。与国外研究相比, 国内承载力研究出现相对较晚始于20世纪90年代, 研究内容也存在差异, 主要集中在流域环境承载力^[6]、旅游承载力^[7-9]和生态承载力^[10]方面。

20世纪以来, 人口的快速增长, 自然资源的过度开发以及严重的环境污染问题严重限制了区域社会经济的发展, 社会公众逐渐意识到人类社会的可持续发展与生态系统的健康紧密相关, 可持续发展的核心就是经济与环境的协调发展。而解决生态环境恶化的关键就是对生态承载力进行研究。1921年人类生态学首次使用生态承载力概念。此后, 生态承载力的研究方法不断更新, 研究内容不断丰富。目前国内外针对生态承载力的研究方法主要有NPP^[11]、生态足迹法^[12-13]、基于生态系统服务的方法(包括ESEF和ESEC)^[14]、状态空间法^[15]、高能生态足迹模型^[16]、系统动力模型(SD)^[17]以及耦合模型^[18]。国内外关于生态承载力的研究内容主要集中于水资源生态承载力^[19], 耕地生态承载力^[20], 城市群的综合承载力^[21], 流域生态承载力^[22], 旅游生态承载力^[23], 城市生态承载力^[24-26]等方面。

快速城市化背景下, 城市空间不断向城市边缘区扩展, 城市边缘区生态问题突出。城市边缘区作为一个城市化过程中新出现的地域类型, 对其概念的表述众多, 诸如“边缘区”、“城市边缘带”、“乡村-城市边缘带”、“乡村边缘带”、“城市影子区”、“城乡结合部”、“城乡交错带”、“城市远郊区”和“市区外边缘区”等, 至今尚未形成一个被普遍接受的城市边缘区的定义。但是, 城市边缘区的“城、乡二元性”是人们对这一区域达成的共识。同时, 其建设持续性及动态变化性等显著特征受到了高度关注。国外有关城市边缘区的研究始于1930年代, 早期主要是对边缘区的界定^[27-28]和特征^[29]上进行分析；进入1970年代, 对边缘区的研究进入了一个成熟的发展时期。其研究侧重于理论研究上, 包括边缘区的地域结构^[30]、形成演变过程和机理^[31-32]的研究；1990年代以后, 研究视角由区域视角转向微观层面, 研究边缘区的人性化建设^[33]以及边缘城市形成^[34], 并对第三世界的城市边缘区^[35]给予关注。国内关于城市边缘区的研究比较晚, 开始于1980年代后期, 顾朝林最早从国外引进城市边缘区概念, 并指出我国城市边缘区的研究具有宽阔的发展前景和深远的理论和实践意义。1990年代, 对边缘区的研究重点在于边缘区的概念^[30]、特征^[36]、范围界定^[37]、演变机制^[38-39]。而随着遥感技术、GIS技术的广泛应用, 研究手段多样化以及我国城市化进程的加快, 城市边缘区的问题日益凸显。进入2l世纪, 城市边缘区的研究进入了一个快速发展的鼎盛时期。目前对城市边缘区的研究更加关注于城市边缘区空间扩展^[40-41]、土地利用问题^[42]、产业发展问题^[43]、景观生态变化^[44-45]、社会问题^[46]、规划管理^[47]、可持续发展^[48]等城市边缘区发展演变过程中的切实问题上。因此, 系统的分析城市边缘区生态承载力变化对城市的发展有着重要意义。

综上所述, 目前对于生态承载力的研究主要集中在两个方面, 一方面, 全局性视角下对生态承载力问题进行讨论, 缺少社区尺度的研究；另一方面, 对某一时间段的生态承载力进行定性分析与评价, 缺少对连续时间序列的动态定量研究。本文基于大连市甘井子区, 以地理信息系统技术为手段, 动态分析大连市边缘区生态承载力在1998—2013年的时空差异, 通过对不同阶段生态弹性力、土地承载力和人类活动潜力的分析, 揭示不同时段下, 城市边缘区中各个社区生态承载力的特点, 以期为快速城市化下的大连建设发展提供新的视角。

1 研究区域、数据来源与研究方法 1.1 研究区域

甘井子区(38°47′—39°07′N, 121°16′—121°45′E)位于大连市主城区的西北部边缘区, 呈马蹄形, 与大连金州区、沙河口区、旅顺口区为邻, 辖14个街道, 165个社区, 面积502 km²(图 1)。甘井子区是大连市连接主城区与新市区的纽带, 甘井子区是大连市惟一的城乡结合区, 也是大连市城市扩展的惟一区域, 特殊的地理区位使得甘井子区不仅具有城市边缘区的发展机遇, 同时也存在生态承载力方面的问题。大连市甘井子区是典型的城市边缘区, 对其研究具有代表意义。

根据大连市环保局统计数据显示, 2008年之前, 甘井子区的三废排放量高居大连市榜首, 近几年甘井子区政府开始大力调整和优化产业结构, 加强基础设施建设, 提高三废处理率, 使得甘井子区的生态承载力状况得以好转。随着“十二五”时期大连全域城市化的快速推进, 处于城市边缘区的甘井子区环境、经济与社会可持续发展将是大连生态宜居城市建设的重点, 因此, 将该地域作为中部地区快速城市边缘区域生态承载力的研究案例区, 具有较为明显的典型性与代表性。同时, 重视和解决城乡结合部甘井子区生态承载力问题, 是大连全域城市化建设的必然要求, 具有重要现实意义。

1.2 数据来源

本文中土地利用覆盖现状指标的数据主要来源于大连市国土资源和房屋局, 主要包括1998年土地利用以及2003年、2007年、2013年的SPOT5遥感影像数据；人口密度指标的数据主要来源于第3、4、5、6次人口普查数据；关于地形指标的数据主要来源于地理空间数据云；其他指标的数据主要来源于《大连统计年鉴》、《甘井子统计年鉴》等社会生态环境以及社会经济统计数据(表 1)。

1.3 研究方法 1.3.1 计量模型

本文以城市化进程下生态承载力的研究作为研究基础, 引用杨志峰等^[49]基于生态系统健康的生态承载力评价方法来计算生态承载力。如在图 2的空间中, 承载状态点可以表示任何一种生态承载状况。轴A、B、C分别代表生态系统弹性力、土地承载力和人类活动潜力, 曲面ABCD对应城市化生态系统下的生态承载力曲面, 系统状态点和状态空间中的原点构成矢量模(如OD), 以此来代表生态承载力量值。

因此, 低于ABCD曲面的点(如E点)代表生态状态趋于崩溃, 高于ABCD曲面的点(如F点)表示该生态状态为一般之上。表达式为：

(1)

式中, U_r为城市化生态承载力；M_r为生态承载力空间向量的模；E_ir为r区域第i个土地承载力指标在空间坐标抽上的投影；R_jr为r区域第j个生态弹性力指标在空间坐标轴上的投影；H_kr为r区域第k个人类活动潜力指标在空间坐标轴上的投影；w_i、w_j和w_k分别为第i、j、k个指标对应的权重。对指标进行归一化处理, 则可计算城市化生态承载力指数。

由于动态性, 生态承载力指数为：U=f_i(E, R, S_P, T)

式中, U为城市边缘区生态承载力指数, E为土地承载力指数, R为生态弹性力指数, S_P为空间变量, T为时间变量。

1.3.2 指标体系与评价标准

在我国城市化的发展进程中, 城市边缘区是一个资源消耗和环境污染的集中区, 是区域社会经济发展的重要载体, 研究城市边缘区承载力是保证城市边缘区可持续发展必须要考虑的重要问题之一。城市边缘区生态系统是一个开放的自然、经济、资源和社会复合生态系统, 其主要功能表现在物质、能量、信息和人口的流动过程中。城市边缘区生态承载力强调的是城市边缘区系统的承载能力, 内容应该包括经济子系统、社会子系统、资源子系统和环境子系统的综合承载力。由于生态承载力的各个评价指标间有一定的相关性, 不同的评价指标对生态承载力的响应强度不同, 因此本文将经济子系统、社会子系统、资源子系统和环境子系统的综合承载力概括为土地承载力指标、生态弹性承载力指标和人类活动潜力指标3个系统指标, 11个指标层来综合的反映城市边缘区生态承载力指标体系。其中土地承载力指标和生态弹性承载力指标主要表现资源子系统和环境子系统的综合承载力, 人类活动潜力指标主要表现经济子系统和社会子系统的综合承载力。本文采用软件Yaahp Version对表 2的数据进行权重计算得出各指标权重值(表 2)。

1.3.3 生态承载力变化

依据城市边缘区生态承载力指标体系及评价标准各项指标数据的计量方式不统一, 因此应对原始数据进行标准化处理。根据前期数据积累, 结合表 2的生态承载力指标体系和生态承载力研究方法, 借鉴前人研究成果^[49]以及征询专家意见的基础上对数据进行统计处理, 得到基于城市边缘区的生态承载力标准(表 3)。同时, 根据指标体系和评价标准将原始数据标准化后输入承载力模型中进行计算, 确定甘井子区生态承载力测度值(表 4)。

2 研究结果与分析 2.1 生态承载力时空演变分析

从表 3和表 4可以看出, 1998—2013年甘井子区的生态承载力呈现先快后慢的下降趋势, 从1998年的0.2098下降到2013年的0.1489, 生态状态一直处于良好以上的状态。在2003年到2007年, 甘井子区的生态状态由0.1736下降为0.1543, 表明甘井子区的生态承载力状态由初期的土地承载力、生态弹性力和人类活动潜力较强开始向城市化进程中的土地承载力、生态弹性力和人类活动潜力较弱状况发展, 但在2013年时这种状况已逐渐得到控制。

图 3为城市边缘区生态承载力等级划分情况, 从图中可以看出：甘井子区生态承载力等级在空间分布上表现为东西部差异明显, 相同承载力等级小范围聚集和相近承载力等级间穿插分布的特征。其中, 高可承载等级地区主要分布在甘井子区西部的森林公园、主题公园和北部的高尔夫俱乐部、湿地公园。中可承载等级地区分布比较分散, 相对集中于甘井子区的中部社区。低可承载地区集中分布于甘井子区中部靠近沙河口区的社区。

2.2 生态承载力社区差异分析

由甘井子区生态状态社区分布图可以看出(图 4), 甘井子区内部各社区生态承载力程度差异明显。靠近市区的社区生态承载力15年间变化显著, 生态承载力迅速下降, 远离市区的部分社区生态承载力变化不大, 生态环境保持良好以上的状态。

总体上, 甘井子区西部的社区状态相对较好, 主要原因在于该地区自然保护区覆盖率比较高, 社区绿地面积较大等；中下部靠近沙河口和西岗的社区状态相对较差且在2003年到2007年之间变化巨大, 与西部地区相比, 该地区社区绿地面价较小, 不同等级的生态状态表现为相同等级聚集, 相邻等级穿插分布的特征。在1998—2013年间, 生态承载程度差的社区由1个增加到34个, 承载程度中的社区由61个增加到104个, 生态承载程度良的社区从70个骤减为17个, 生态承载程度为优的社区也由33个缩减至10个, 变化速度在1998年到2007年间较快, 2007年到2013年保持相对较平稳状态。

从社区角度观察可发现, 1998—2013年, 甘井子内部各社区生态状态差异显著。营城子、大山村等10个村落在15年中生态承载程度为优, 生态可承载程度较弱的社区大部分是由上一级生态承载程度的社区变化形成。生态承载程度稳定在中以上水平的社区有张家村、大东沟等, 生态承载程度一直维持中等状态的社区有宋家、前关等, 承载程度差的村落相对较少但情况相对复杂, 其中除了彩虹社区始终状态较差外, 七星、绿洲等社区是受沙河口、西岗区快速城市化的影响导致生态承载力相对较低, 兴强、奥林等社区是在城市化过程中受甘井子区自身发展的影响而变化。

3 结论与讨论 3.1 结论

本文以城市生态承载力原理为理论基础, 对大连市甘井子区生态承载力的时空演变进行研究, 随着“十二五”时期大连全域城市化的快速推进, 处于城市边缘区的甘井子区环境、经济与社会可持续发展将是大连生态宜居城市建设的重点, 重视和解决城乡结合部甘井子区生态承载力问题, 是大连全域城市化建设的必然要求, 具有重要现实意义。同时结合甘井子区生态承载力变化的具体特征, 可以为辽宁省乃至全国城市边缘区生态承载力评价及规划研究提供参考。从全国角度而言, 多数大中城市空间扩张势头相当强劲, 边缘区的生态承载力问题普遍存在而且没有得到充分地认识与挖掘。研究结合甘井子区的区域发展战略以及大连市总体规划目标, 对未来制定满足城市边缘区不同开发和利用需求的决策具有重要的参考价值。社区尺度下的大连市甘井子区1998—2013年间的城市生态承载力变化, 研究表明：

(1) 从城市边缘区生态承载力的整体变化趋势来看, 15年间甘井子区的生态承载力呈现先快后慢的下降趋势, 生态承载程度呈现由优向良, 再向中的三个阶段的过渡趋势。

(2) 从城市边缘区生态承载力等级来看, 甘井子区社区生态承载力等级在空间分布上呈现出东西部差异明显, 相同承载力等级小范围聚集和相近承载力等级间穿插分布的特征。

(3) 从城市边缘区生态状态的社区差异角度来看, 甘井子区内部各社区生态承载力程度差异明显。靠近市区的社区生态承载力15年间变化显著, 生态承载程度迅速下降, 远离市区的部分社区生态承载力变化不大, 生态环境保持良好状态。

3.2 讨论

本文以社区为单元, 基于甘井子区自身实际情况, 对中国城市边缘区生态承载力变化特征进行研究, 以期为更好的大连建设和改善生态环境服务, 得到的研究结果较合理。但是由于区域的差异性和评估方法的不同, 评价结果可能不同。但是, 在较长时间跨度内, 研究得到的生态承载力变化趋势具备可比性和研究价值, 能够反映区域内生态承载力的变化状况。但由于获取数据的精度问题, 可能会在一定的程度上对研究结果的准确性造成影响。此外, 对生态状态进行未来预测及提出保护和开发建议有待深入研究。