生态承载力作为测度生态系统、社会经济和资源环境子系统支撑能力的重要指标, 一直以来备受学术界关注^[1-2]。量化研究人类社会经济行为对生态环境的干扰程度和对自然资源的利用能力, 对区域协调发展的评估尤为重要^[3]。基于生态环境要素, 生态功能作为稳定调节区域生态系统的功能性支撑力, 其评价与分析对掌握生态环境基础和进一步的生态建设与修复也十分关键^[4]。当前, 经济发展进程的加速, 以生态环境的破坏和自然资源的过度消耗为代价, 造成了人地矛盾日益严重、土地承载过量, 以及生态功能失调的局面, 如何有效协调自然-经济-社会这一复杂系统成为了公众焦点和研究热点。但由于区域发展的差异, 由生态承载力表达的经济发展能力与生态功能对环境的调节能力并未实现共振耦合, 所以需要对二者的相互作用机制进行定量评估, 为区域发展决策提供科学参考。

为准确反映区域的实际生态支撑量, 生产性生态承载力的概念应运而生。生产性生态承载力是指一个区域每年从生态系统中实际承载的生物产量所需要的生态生产性土地面积^[5], 客观反映了土地承载容量, 其计算过程通过使用区域的实际生态产出量, 无需统计区域的输入输出情况, 避免出现由于区域资源输入输出量数据不完整所导致的用当地消费量计算造成的较大误差^[6]。

目前生态承载力研究涉及方面较多, 其成果在纵向深化发展, 除了评价方法的不断改进和调整外^[7-9], 主要涵盖省域以上大尺度空间整体的生态盈亏关系^[10-12], 生态承载力、生态足迹二者构成及其变化^[13-15], 或针对单一要素的演变规律、影响因素等^[16-17]; 横向的拓展研究中, 与产业发展^[18]、工业发展^[19]、旅游开发^[20]等产生了交互联系。国内学者运用生产性生态承载力模型考察区域土地产出能力的研究主要为理论的分析与改进、局部区域的实际应用^{[6, 21]}, 但忽视了微观尺度区域内部的空间差异性。

在经济发展过程产生的资源需求和压力下, 相应的物质产出随之增加, 同时, 生态环境作为经济发展的空间载体, 也产生了逐渐增强的反作用^[22]。因此, 不少研究着力探讨城市建设与生态环境的协调关系及其交互胁迫机制^[23-24]、生态功能区的产业发展^[25]等, 或仅针对单一要素^[26-28]深入研究。而作为在一定程度上反映经济发展能力的生态承载力与生态功能对生态系统均具有正向支撑力, 二者的相互作用有待进一步挖掘。由此, 生产性生态承载力与生态功能的空间叠置分析, 更能体现生态经济性与功能性支撑力相互作用的特点。

保定市作为紧邻京、津, 并设有国家级雄安新区的城市, 也面临着土地承载过量、生态功能失调的问题, 其自然-经济-社会的和谐发展已然成为政府决策和学者研究的重点、难点。2017年5月, 国家发改委和环保部发布的《生态保护红线划定指南》^[29](以下简称“《指南》”)主要对水源涵养、水土保持、防风固沙和生物多样性维护生态系统服务功能重要性评估方法、流程和要求进行了汇总。因此, 本文基于《指南》对生态功能的划分和评估数据的要求, 对2010年和2017年保定市水源涵养、水土保持、防风固沙和生物多样性维护四项功能进行了量化评估, 并与该年生产性生态承载力进行耦合协调度的测算, 对比解析时空变化情况, 进而探讨其影响机制。研究结果除了为保定市生态建设和社会经济调控提供定量参考外, 也为各县区可持续发展和区域协调提供科学理论依据。

1 研究区域概况

保定市(北纬38°10′—40°00′、东经113°40′—116°20′)地处河北省中部, 太行山东麓, 冀中平原西部, 海河流域大清河水系的中上游, 属暖温带大陆性季风气候, 冷暖干湿四季分明。目前, 保定共辖4市(定州为省直管试点)、5区、15县和2个开发区, 总面积2.2万km², 截至2017年末, 总人口达1169万^[30]。市域境内地势西北高、东南低, 地貌包含山区和平原两类; 河流众多, 境内水系呈扇形, 河流资源地区分布不均; 土壤类型较多, 以褐土和潮土为主, 分布规律明显; 植被种类繁多, 主要种植棉花、玉米、花生、西瓜等作物。经过归类和调整, 本研究范围为本市23个县(市、区), 2010—2017年, 三次产业结构从14.8:51.9:33.3调整为11.7:45.7:42.6, GDP从2050.3亿元攀升到3227.3亿元。

保定市境内地形地貌复杂, 土地利用类型众多, 区域间差异较大, 其中包括耕地、林地、建筑用地、草地、水域等, 基于土地利用分类可将保定市内生态用地划分为河流水面、湖泊水面、水库水面、有林地、果园、其他草地、旱地等。保定市生态功能主要包括水源涵养、水土保持、防风固沙和生物多样性维护功能, 其中水源涵养和水土保持为主导生态功能, 集中分布在保定市西部, 即太行山脉沿线地区。本文选取2010年和2017年四项生态功能与该年生态承载力进行耦合计算和对比研究。

2 研究方法和数据来源

生产性生态承载力计算方法来源于生态足迹模型, 是基于全球平均生产能力来测算人均生态承载力的量, 再从供给的角度核算该区域总体生态承载的量; 生态功能计算则是从研究区生态支撑能力的重要性评估着手, 量化每一项功能, 以便于识别生态保护的重点类型和重要区域。通过将二者进行耦合与对比, 以评价该区域的可持续发展水平。

2.1 研究方法 2.1.1 生产性生态承载力

生态承载力计算公式：

(1)

(2)

式中, EC为区域内总体生态承载力(hm²), ec为人均生态承载力(hm²/人), N为年末人口总数。A_j为第j种生产性土地的人均面积, p_j为产量因子, r_j为均衡因子。

为了平衡世界各地不同生产性土地产出能力的差异, 利用均衡因子r_j将其转化成具有一致性和可比性的土地面积。本文均衡因子采用世界自然基金会(World Wide Fund for Nature, WWF)^[31]发布的计算结果, 草地为0.49, 水域为0.36, 耕地和建筑用地为2.21, 能源用地和林地为1.34。同时, 由于同一种土地类型在不同的国家和地区, 也会存在生产能力的较大差异, 因此需要在均衡统一化的基础上, 再乘以产量因子p_j, 将其调整为符合实际的、具有可比性的生产性土地面积。本文利用第i种消费资源单位面积的保定市县域平均产量和全球/全国平均水平的比值作为产量因子, 以获得保定市特有的、时空动态比例系数, 使得数据更加真实、合理。

2.1.2 生态功能

生态功能基于保定市气候、植被、土壤等类型的基础数据, 利用模型评价法对水源涵养、水土保持、生物多样性维护和防风固沙四种生态服务功能评估, 从而得出研究区域内生态环境支撑力强弱分布。计算方法和过程参考《指南》。

2.1.3 耦合协调度模型

参考廖重斌^[32]的相关研究, 将生产性生态承载力和生态功能计算结果作为描述经济产出和生态环境的函数, 分别为：

(3)

式中, x₁、x₂…x_m为描述生态承载力的m个要素, y₁、y₂…y_n为描述生态功能的n个要素。k_i、q_j为待定系数, 代表所选指标在耦合系统中的权重, 由专家系统确定。本文认为生产性生态承载力和生态功能同等重要, 所以将k_i、q_j均取值为1。为了便于多种量纲和量级数据间比较和计算, 本文对数据归一化处理。

参考物理学的容量耦合系数模型^[33], 引申得出本文生产性生态承载力和生态功能相互影响的耦合度过程量模型：

(4)

式中, C为耦合度过程量, 仅代表二者之间相互作用力的大小, 为了探究生态生产性土地产出能力和生态支撑力协调发展程度的强弱, 引入耦合协调度模型, 公式为：

(5)

式中, D为耦合协调度, T为生态承载力综合评价指数, D和T的值均介于0、1之间; α、β为待定系数, 由于生产性生态承载力和生态功能是自然环境支撑能力同等级别的表现形式, 故取α=0.5、β=0.5。最后, 可将耦合协调度划分为4类：①0＜D≤0.3, 严重失调阶段; ②0.3＜D≤0.5, 轻微失调阶段; ③0.5＜D≤0.8, 初级协调阶段; ④0.8＜D≤1, 良好协调阶段。

2.2 数据来源

根据生态承载力理论, 生态生产性土地共分为六类, 包括耕地、林地、水域、草地、建筑用地和化石燃料用地, 即生物资源和能源资源。生物资源包含耕地要素(稻谷、小麦、玉米、高粱、豆类、薯类、棉花、油料、麻类、蔬菜)、林地要素(木材、水果、坚果香料)、水域要素(水产品)、草地要素(猪肉、牛肉、羊肉、禽蛋、奶类、羊毛)。能源资源为化石燃料用地要素(煤、天然气等)和建筑用地要素(电力)。这些要素的选取均参照了WWF的分类标准^[34]。由于化石燃料用地是指用于吸收人类消费化石燃料所释放的CO₂的土地, 但目前人类没有留出此类土地, 因此化石燃料用地面积记为0。此外, 本文将建筑用地要素的计算进行了改进, 以分县城镇化率、第二、三产业增加值、占比和发展速度代替原公式中电力的统计, 使计算结果更能反映经济社会发展的产出效果和支撑力。

生物资源的全球平均产量来源于联合国粮农组织统计发布的参考数据, 保定市生物生产性土地产量与社会经济统计数据来源于2011年和2018年《保定经济统计年鉴》^[35-36]和2018年《河北经济年鉴》^[37]; 平衡各类土地生产能力的均衡因子取自WWF计算生态承载力时的数值。同时, 按照世界环境与发展委员会的建议, 本文扣除了12%生物多样性保护的折算面积^[34]。

保定市县域行政区划图和6类土地面积来源于全国第二次土地调查统计公布的数据, 根据调整和统计, 具体将保定市划分为23个县域。

2010年和2017年保定市水源涵养、水土保持、防风固沙和生物多样性维护四项生态功能评估数据主要包括该年份250 m×250 m的NDVI数据, 1 m×1 m的土地利用类型数据, 1 m×1 m的土壤类型数据, 河北省及周边气象站点的降水量、蒸散量、气温、风速等气象数据, 90 m×90 m的DEM高程数据等。来源于MODIS遥感影像成像光谱、世界土壤数据库、中国气象数据网等。

3 结果分析 3.1 生态承载力测算结果

根据式(1)、式(2)对保定市2010年和2017年生态承载力计算, 得到人均生态承载力分布图(图 1)。

计算结果显示, 2010年保定总生态承载量为2.55×10⁷ hm², 分县人均生态承载力的平均值为2.64 hm²/人, 到2017年两项分别提升至2.94×10⁷ hm²和2.94 hm²/人, 尤其以保定市北部的易县、定兴县、涞水县, 以及东部的雄县增长较为显著, 最高值由2010年易县的3.70 hm²/人增长至2017年望都县的4.32 hm²/人。由于保定市主要农作物播种面积为河北省最大, 高达1111857 hm²(不含定州), 畜禽产品产量较大, 人均草地面积较小, 大多数县区草地和可耕地单位面积产量都高于全球平均水平, 因此对保定市生态承载力贡献最大的为耕地和草地。两年相比, 耕地、建筑用地和林地人均生态承载力提高, 其他地类变化不明显。建筑用地占用、农业结构调整、生态退耕还林和灾害毁田导致耕地面积减少, 而基本农田的保护任务极大地提高了土壤肥料和耕地质量, 完善了农田各类基础设施, 使得耕地、林地产出大量增加。各县区第二、三产业产值逐年提升, 产业结构的调整和城镇化率的提高, 促使了各地建筑用地经济类产出的快速增加。

空间上, 保定市人均生态承载力由北向南递减, 异质性强, 北部以易县、定兴县、徐水区、涞水县、涞源县等地为重心, 南部则以望都县、博野县为重心, 竞秀区、莲池区承载力最弱。2010年与2017年人均生态承载力的分布格局基本一致, 2017年承载力普遍增强, 市域边缘11个县区人均生态承载力高于保定市平均值。

3.2 生态功能时空变化

通过计算水源涵养、水土保持、防风固沙和生物多样性维护功能量, 获得保定市2010年和2017年各类生态功能时空分布图(图 2)。

空间上, 各类生态功能的高值区主要分布在市域西部和安新县, 覆盖了保定市三分之一的区域, 表明太行山区的森林生态系统和白洋淀的湿地生态系统使该地区的生态状况远远优于其他地区。水源涵养功能非低值区覆盖率最高, 分布连续性强; 水土保持功能次之; 生物多样性维护功能区域差异显著; 防风固沙功能分布最为分散。与2010年保定市生态功能评估结果相比, 除生物多样性维护功能外, 2017年其余生态功能峰值均有提高, 但空间分布变化趋势不明显, 防风固沙功能略有提升, 水源涵养功能空间差异增强, 低值区范围增加, 主要集中于曲阳县、涞源县、雄县和高碑店市等地。

3.3 耦合协调度时空变化规律 3.3.1 耦合协调度时序变化

利用耦合协调度模型测算出的保定市人均生态承载力与各生态功能的耦合协调度如图 3所示。耦合协调度用以表示系统间或系统内各要素在相互作用中的一致性水平, 意味着系统存在从无规则状态向有序发展的倾向^[2], 侧重表达协调效果的优劣。

整体上, 水源涵养功能与生态承载力的耦合协调程度最强, 生物多样性维护功能次之, 防风固沙功能最弱。与2010年相比, 2017年水土保持功能、生物多样性维护功能、防风固沙功能与生态承载力的耦合没有太大波动, 水源涵养与其的协调性存在区域性变化。由于生态功能区域性降低, 生态承载力提升, 二者变化并未保持一致, 而导致相互协调能力降低, 因此涞源县部分区域由良好降至轻度协调阶段, 竞秀区降至严重失调阶段。反映出人类社会经济活动对资源利用程度加大, 为了支撑社会经济发展, 人为干扰增强, 土地产出也随之增加, 对环境和生态带来了明显的压力, 各要素协调性减弱。顺平县耦合性增加则是生态功能和生态承载力共同提升的结果。

3.3.2 耦合协调度空间分异

图 3表明, 保定市各县区人均生态承载力与各类生态功能的耦合协调度空间分布区域差异性较大。以阜平县、涞源县、涞水县等地为主耦合协调度较高, 由于该地区土地产出性较好, 自然环境具有优势, 使得生态功能与承载力相辅相成, 协同效应明显。其次是易县、唐县、安新县等地, 如安新县由于拥有白洋淀湿地资源, 水源涵养能力和生物多样性维护功能较强, 再加上当地社会经济发展较好, 进而协调性强。

在实际的生产生活过程中, 生态承载力和生态功能的交互耦合关系主要体现在两方面：一是生态承载力的提升, 意味着相应经济性产出的增加, 包括经济、人口、资源需求的增长, 从而造成对生态环境的干扰; 二是生态功能的优化, 是政策干预、人口疏解、资源排斥的结果, 对经济发展形成约束。另外, 从空间格局可以看出, 耦合协调度的整体分布状态是由生态功能强弱主导的, 而变化范围和程度则由生态承载力控制。因此, 人为的开发利用资源和过度干预生态环境直接造成了耦合协调度的差异。

生态功能的分布是耦合协调度空间格局的基础, 人均生态承载力的变化导致耦合结果的偏移。基于此, 以2017年水源涵养功能与生态承载力耦合协调度为例, 采用自然间断点分级法划分耦合协调类型(表 1)。其中, 位于数值范围边缘的县域特征类似。

从空间特征来看(图 4), 高承载高耦合区主要分布在北部, 集中且连续, 向南贯穿全市, 区域内拥有较高的生态性和经济性产出; 低承载高耦合区多分布在高承载高耦合区外围, 其社会经济条件虽然相对一般, 但水源涵养功能带来了更强的正面效果, 二者形成良性互动; 由于耦合协调度出现的两极分化现象, 高耦合区数量远大于低耦合区, 因此低承载低耦合区仅包括竞秀区和莲池区, 该区域人口密度较大, 可发展的生态空间极为有限, 部分生态资源依靠其他县区供给, 人地矛盾最为突出, 导致生态承载力和耦合协调度均处于较低水平。由于生态功能的空间分辨率较高, 不同等级的耦合协调度出现了跨县区分布。不同的耦合类型反映了耦合协调度的空间变化规律, 这是在生态基础条件和经济社会发展双重作用下的结果。

3.4 耦合协调度空间分布影响因素

保定市自然资源结构复杂, 环境功能多样, 对耦合协调度时空格局演化有明显的影响。生态系统的耦合协调性变化以生态和资源环境为基础, 以社会经济发展为直接驱动力。因此, 基于各类耦合协调度的时空对比研究, 将经济社会发展水平、自然禀赋、区域发展政策等作为驱使其空间结构演化的主要影响因素。

3.4.1 经济社会发展水平

2010—2017年保定各县区经济社会发展水平处于上升时期。统计数据表明, 近十年保定市地区生产总值始终维持在7%以上的上升趋势, 人均GDP由2010年18451元增长至29983元, 但23个县域的经济发展水平具有显著区别。仅从人均GDP来看, 保定市区遥遥领先, 成为保定市经济社会发展的最高增长极, 人类经济活动对生态环境带来了较大影响, 因此市区的耦合度处于失调阶段; 相对而言唐县、曲阳县等县区则处于社会经济的相对弱势, 生态环境状况也处于一般状态, 但二者发展速度保持一致, 所以该地达到了协调状态。

以2017年生态承载力和水源涵养功能耦合协调结果为例, 将当年的人均GDP、年末常住人口、城镇化率、社会消费品零售总额、社会固定资产投资、农业总产值和工业总产值在相对独立的情况下作为影响耦合协调度的社会经济因素进行相关性分析(图 5)。

Pearson相关分析结果表明, 人均GDP、城镇化率、社会消费品零售总额与耦合协调度的相关性最显著, 且均为负相关, sig.小于0.01。由于社会经济和环境条件的差异, 部分地区社会产品的产出和消耗较大, 城镇化率较高, 但生态用地占比极少, 生态功能一般, 经济发展速度大过于环境保护, 从而导致耦合协调不理想, 如竞秀区、莲池区。此外, 耦合协调度与社会固定资产投资、工业总产值、农业总产值的相关性也较强, 但仅与农业总产值呈正相关, 这是由于农产品代表土地生态性产出水平, 产出越高, 与生态功能耦合性越好; 而工业总产值和社会固定资产投资恰恰相反, 代表经济性产出, 与生态功能的发展相互制约。

3.4.2 自然禀赋

良好的自然资源环境是人类社会经济活动、甚至是基本生活的重要支撑平台。保定市西部为太行山区, 太行山区以森林生态系统为主, 河流水系众多, 与区域内的大型水库, 如西大洋水库、王快水库等, 共同构成了该区域的水源涵养和水土保持功能。以阜平县、涞源县、涞水县和易县为代表的太行山区, 加上以安新县为代表的白洋淀湿地区域, 其丰厚的植被覆盖度、丰富的生物多样性、发达的水系形成了优越的自然条件, 提供了大量的生态性产出, 这种环境禀赋足以抵消因为经济发展水平一般或较低而带来的负面效果, 从而该区域耦合协调度普遍较高。

3.4.3 区域发展政策

区域发展政策对人类社会经济行为具有重要指导意义, 每个时期的政府决策和发展战略对区域经济、社会、资源、环境和生态的协调发展产生重大现实影响^[2]。在保定市土地利用总体规划及调整完善方案的战略目标下^[38], 各县区农用地、建筑用地、其他土地等地类得到有效调整与部署, 如基本农田总面积超过保护任务要求, 土壤肥力和耕地质量提升, 耕地产出普遍增加, 规划现状直接影响到生态承载力的结果。2012年, 为加强生态环境保护和解决各项生态问题, 国家环保部决定实施生态保护红线的划定工作, 其中保定市生态保护红线面积为3720.82 km², 以水土保持、水源涵养为主导生态功能, 生态保护红线的划定有助于维护和逐步提升保定市生态功能, 改善人居环境, 促进经济社会可持续发展; 2014年党和国家提出京津冀协同发展战略, 旨在拓宽京津冀环境容量和生态空间; 2017年, 党中央、国务院在此基础上批准设立雄安新区, 快速启动生态基础设施建设和环境整治战略, 为保定市各类生态功能的提升起到助推作用。国家一系列区域发展战略与政策的实施, 科学合理地平衡了保定市自然生态和经济社会的运行环境, 促使生态承载力良性作用增强的同时, 与生态功能的耦合协调性也随之增强。

4 结论与讨论

生态承载力是生态系统自我维持和调节的能力, 它融合了生态环境、资源、经济和社会多个部分, 其与生态功能可以形成相互作用、彼此影响的耦合关系。利用生产性生态承载力模型, 测算2010年和2017年保定市23个县域的实际生态承载量, 并运用物理学中容量耦合模型分析人均生态承载力与各类生态功能的耦合协调度, 对保定市生态和社会经济发展关系进行深度解读, 为生态环境保护和可持续发展带来科学理论依据。研究结果表明：

(1) 保定市人均生态承载力存在着较为明显的时空差异, 生态功能变化不显著。生态承载力将自然与社会经济相结合, 形成一个复杂的动态系统, 它体现着土地生态性产出能力, 同时也是一种社会经济的支撑能力。2010年和2017年保定市总生态承载量和人均生态承载力均有所提升, 以耕地、草地贡献率最高; 空间上承载力由北向南递减, 市区由于建筑用地占比较大, 耕地极少, 生态承载力出现极化现象, 而易县、望都县等地则恰恰相反, 耕地产出的增加, 使其生态承载量位居前列。2010年和2017年水源涵养、水土保持、防风固沙、生物多样性维护四项生态功能高值区均主要集中于市域西北部太行山区一带, 其中水源涵养功能整体较强, 2017年与2010年相比并未产生较大变动。

(2) 保定市人均生态承载力和生态功能的耦合协调度时序变化不大, 空间异质性明显。与2010年相比, 2017年水土保持和生物多样性维护功能与生态承载力的耦合协调性均没有太大波动, 水源涵养功能的耦合由于经济活动的增强而存在区域性降低。生态功能的分布是耦合协调度空间格局的基础, 人均生态承载力的变化导致了耦合结果的偏移。在生态基础环境与人类经济社会发展共同作用下, 生态承载力和水源涵养功能的协调性可分为3个层次, 低承载低耦合区、高承载高耦合区和低承载高耦合区。

(3) 影响保定市人均生态承载力和生态功能耦合协调度的因素主要包括经济社会发展水平、自然禀赋和区域发展政策等方面。人均GDP、城镇化率、社会消费品零售总额与耦合协调度的相关性最为显著, 且均为负相关, 经济活动的影响超过了自然条件的正面效果; 良好的自然资源环境是生态承载力和生态功能获得良性互动的基础, 自然禀赋的分布引导着耦合协调度的总体格局, 经济支撑力决定耦合协调度变化的强弱和范围; 区域发展政策是耦合协调度变化的大方向, 拥有政策导向优势, 可以从整体上推动地区生态承载力和生态功能的联动性, 还可以激发欠发达地区和待发展地区的潜力。

将人均生态承载力的空间定量评价结果与生态功能作耦合协调性分析, 是讨论生态和经济性产出对自然-经济-社会系统作用效果的一种尝试。由于数据的收集和处理方式存在差异, 生态承载力数据以县域为单元, 生态功能的评估结果数据则为250 m×250 m的栅格单元, 导致生态承载量和生态功能存在空间分辨率的不同, 因此, 缩小生态承载力数据空间尺度有助于优化耦合协调度计算结果, 其空间尺度效应也有待进一步研究。基于耦合协调度模型的生态承载力和生态功能的相互作用研究应向多角度、多指标的方向推进, 长时间序列、不同空间尺度的动态分析和模拟预测是未来的发展方向, 将具有极强的现实意义。