环境承载力概念辨析与测算

环境承载力概念辨析与测算唐晶;葛会超;马琳;周敬宣;周业晶【摘要】对\"环境承载力\"的定义与理解,有狭义与广义之分.本文再定义和拓展了环境承载力的内涵.运用系统动力学方法可以有效地分析某一地区的环境容量与广义环境承载力的对应关系,将现实的排污-控污水平与达标的环境承载力水平的动态变化充分展示,有利于从多方面和不同阶段对污染源进行控制,也为生态环保制度的完善改进指出了合理的、明确的方向.当前有了新《环保法》及十类环境管理制度的基本框架,还需要对各种暴露出来的问题及本质原因进行梳理,妥善解决排污指标分配、监管、执法中存在的众多矛盾.不同时期、不同地区的环保制度应有不同的重点与表述;各地要因地制宜,妥善筹措环保资金;企业需要促进环保技术与产品不断完善.制度状态体现了社会与人民的意志与行动能力,决定环保水平.环保制度是环境承载力的重要组成部分,必须走环境法治道路,这是从根本上控制污染和防止生态退化的保证.期刊名称】《环境与可持续发展》年(卷),期】2019(044)002【总页数】6页(P95-100)【关键词】环境容量;环境承载力;社会阈值;环保制度【作者】唐晶;葛会超;马琳;周敬宣;周业晶【作者单位】中车山东机车车辆有限公司,济南250000;江苏中车环保设备有限公司,常熟215500;中车山东机车车辆有限公司,济南250000;江苏中车环保设备有限公司,常熟215500;中车山东机车车辆有限公司,济南250000;江苏中车环保设备有限公司,常熟215500;华中科技大学环境科学与工程学院,武汉430074;华中科技大学建筑与城市规划学院,武汉430074【正文语种】中文［中图分类】X21“环境承载力”概念辨析中国改革开放40年来经济快速发展，全国城镇化步伐加快，大量人口向大、中城市集中，城市建设面积成倍增长，按生态足迹法测算，大多数城镇基本都已出现生态赤字，污染排放超标，环境污染严重。要改善环境质量，就必须协调环境保护与经济发展的矛盾，研究环境容量、环境承载力、生态承载力等概念与内容。按环境规划的目标，生态赤字可以存在，但城镇的环境质量不可以变差；在环境压力增长的情况下，可以设法提高环境承载力来平衡，保障环境质量不变［1］。（1）环境容量是指环境单元所允许承纳污染物质的最大数量。它与执行的环境标准的松紧、环境本底质量的好坏、区域体量大小有关。（2）生态承载力为维系某地区人口生存、发展的需要，该域自然资源（土地面积、各种资源、气候环境等）自我维持与自我调节的能力。当需求量超过了供给、维系、调节能力时，生态承载力就出现赤字。生态足迹法将自然资源赤字以折算的土地面积数值来衡量，基本上反映的是自然资源的富有或缺失程度，而对环境各要素（水、气、土等）的质量没有直接反映。（3）环境承载力（有狭义与广义之分）按2015年第四次修订的新《环保法》的解释，从生态学、资源或环境的角度看，一定时期内，某一地域能够维持供养的最大人口数。环境承载力的要素：阳光、空气、淡水、土地和生物等，其中起决定作用的是：土地资源（食）和淡水资源。这实为狭义的定义，类似于生态承载力的定义思维。在具体规划及评价中存在不利因素［2］。图1环境容量、环境承载力、生态承载力的关系本文对“环境承载力”做了广义的理解，即将“环境承载力”定义为在一定的时期、范围、自然环境条件内，维持环境系统结构不发生质的改变、环境容量与功能不遭受破坏时所对应的人类多方面活动的阈值，即经济、能源、社会结构、绿地，特别是环境保护制度的表现与状态。环境承载力需用多项指标衡量，所以要用多目标模型来研究。运用系统动力学方法可以有效地分析某一地区的环境容量与环境承载力的对应关系、将现实的排污-控污水平与达标的环境承载力水平的动态变化充分展示，有利于抓住主要矛盾，集中力量从多方面对污染源进行控制，为生态-环保制度的改进与完善指出了合理的、明确的方向。下文以三个案例说明广义“环境承载力”及制度保障的具体体现。环境容量与广义环境承载力的分析为减排制度奠定基础背景情况——以武汉市大气污染控制为例武汉市总行政面积8549km2，截至2017年人口1091万人。武汉市在中国战略地位突出，未来有望发展成为国家中心城市，但当前武汉市大气环境质量依然严峻，2017年PM2.5年均浓度为53pg/m3,超过国家环境空气质量标准二级限值(35pg/m3)50%以上，空气质量处在全国主要城市中下水平。建设一个健康、绿色、宜居的城市是武汉未来发展的长远目标，提升环境质量已是经济社会发展的刚性要求。因此，在未来很长一段时期内面临着人口增加、社会经济发展且环境质量提升的多重挑战与压力。武汉市政府制定的“十三五”空气质量目标：①目标1：2020年武汉市空气质量达标天数达到70%以上，PM2.5和PM10年均浓度在2015年的基础上下降30%,即分别达到49pg/m3、73pg/m3。2020年污染物排放量削减至：SO24.0万吨，NOx11.3万吨，PM1010.7万吨，PM2.54.8万吨，VOCs13.2万吨。煤炭消费量在2015年基础上削减500万吨。②目标2:2020年武汉空气质量达标天数达到80%以上，PM2.5和PM10年均浓度在2015年的基础上下降40%，即分别达到42pg/m3、63pg/m3。2020年污染物排放量削减至：SO22.9万吨,NOx10万吨，PM106.1万吨，PM2.52.7万吨，VOCs9.6万吨。煤炭消费量在2015年基础上削减1000万吨。同时，还要保证“十三五”期间经济增速8.5%的目标。以上目标是否可行，多少时间才能完成系统的调整，需要研究其动态变化过程。基于系统动力学的模型分析与模拟这是一项复杂的系统工程。为了实现相应目标，需要建立合适的分析模型，代入相关数据，进行测算。系统动力学是能模拟多系统、多目标的动态反馈时变系统，是模拟“社会-经济-环境”系统的理想实验室。通过对研究对象进行系统分析和指标提取，能定量地分析、预测多种指标，可为大气污染减排制度确定一个比较具体的目标体系。模型包括4个子系统：经济、能源、大气环境和绿地系统。经济子系统主要包括一、二、三产产值；能源子系统主要包括煤炭、石油、天然气、新能源消费量；大气环境子系统主要包括SO2、NOx、VOCs、NH3、PPM2.5和PPM10（—次细颗粒物和一次可吸入颗粒物）的年度排放量；绿地主要包括林地面积和单位面积绿地除霾量。子系统之间还通过—系列重要的辅助变量，将不同系统联系起来，包括：污染物对PM2.5或PM10的贡献率、排放量到浓度转化率、产污GDP、单位GDP的排放系数等。图2经济、能源、环境、绿地系统关系分析四个子系统涉及的主要变量也是环境承载力的具体体现，其中当PM2.5浓度达标时对应的污染物允许排放量为PM2.5大气环境容量。这可实现变量动态模拟与数值预测，有利于污染减排制度详细化、定量化。当然，发展趋势、目标不同，预测结果也不同。图3表达了经济、能源、环境、绿地等因素与环境容量的协调过程。0时刻对应系统模拟的初始状态，a-a轴线左边和右边分别为“不满足”和“满足”环境容量的全社会经济、能源、环境等要素变量的组合，A时刻是环境容量达标时间点，在a-a轴线上的四个点分别对应着经济、能源、绿地、排放达标的阈值。环境制度是促进四大因素与环境压力协调的牵引力量，体现了社会的环保意志与行动力量，此处未直接在图中反映。图3预测大气环境承载力阈值的动态过程大气环境容量、压力（污染气体排放量）和环境承载力彼此之间是相互作用、相互影响、随时间变化的。在以消耗化石能源为基础的传统GDP增长模式下，大气环境承载力的综合效果在开始阶段使污染气体排放量（复合曲线）超过大气环境容量，环境质量必然变差；只有在合理的环境制度约束与牵引下（包括使用新型能源、发展创新经济、淘汰落后产能），当大气环境承载力的综合效果使得大气污染量（复合曲线）逐渐收敛于环境容量内时，环境质量才能得到改善。（1）结构分析，确定系统变量指标体系（参见表1）。（2）构造模型，画出系统流图；模型检验，保证模型可用，包括a真实性检验、b敏感性检验，详细过程见参考文献［1-2］。（3）模型模拟，显示测算结果。表1SD模型变量分类子系统状态变量速率变量辅助变量常数量控制变量大气环境6种污染物排放量，内、外源PM2.5和PM10年均浓度各种污染物增加量和减少量主要有衡量单位GDP排放量的比例系数，污染物排放量到PM2.5浓度的转换系数大气边界层高度各种污染物的调控因子，各污染物对PM2.5的贡献率绿地无无市域面积林地面积、单位面积污染物的削减量能源煤炭、天然气、石油、非化石能源消费量4种能源的增加量主要有反映能源优化后的能源调整因子能源消费弹性系数煤炭、石油、天然气、非化石能源的增长率经济一产、二产、三产产值一产、二产三产增加量GDP、产污GDP、产污GDP增长率、GDP增长率，无一产、二产、三产增长率经过多情景模拟，包括减排力度、绿地规模、产业和能源结构调整。以下一组结果具有代表性，可反映当PM2.5年均浓度达到35pg/m3时（2028年）的环境承载力状况。其中PM2.5容量是：SO2允许排放量为37835吨，NOx为75210吨，VOCs为94512吨，NH3为14895吨，PPM2.5为49827吨，对应的社会经济属性承载力阈值：一产产值为504亿元，二产为10197亿元，三产为17812亿元；煤炭消费量为1914万吨标准煤，燃气消费量为1296万吨标准煤，油品消费为1598万吨标准煤，非化石能源为1426万吨标准煤。普通林地质量下（蓄积量3678.45m3/km2）30.5%的林地覆盖率，或优化林地质量下（蓄积量5517.67m3/km2）29.2%的林地覆盖率，这两种情况都可满足环境容量要求，绿地规模需从当前1500km2提升至2500~2600km2。2.3以PM2.5大气环境容量计算为例，比较两类模型的优缺点PM2.5大气环境容量计算为例，系统动力学法计算大气容量与空气质量模型的对比见表2。表2系统动力学法计算大气容量与空气质量模型的对比空气质量模型系统动力学特点计算PM2.5环境容量的主流方法是基于数值模拟的第三代空气质量模型（如CMAQ模型）,主要用于气象预报预警。它测算环境容量的过程是通过气象、大气化学、排放清单模块耦合计算,模拟气象、大气污染物的理化过程,然后推算出当污染物浓度达标时的排放量系统动力学（SD）模型以年度值为主要建模数据，能够建立PM2.5等年均浓度和其前驱物排放量之间的动态转化关系，模拟经济、能源、大气环境、绿地植被各系统间的相互作用,预测各变量状态,简化复杂的大气传输、扩散的理化过程。它测算环境容量的思路与空气质量模型类似,是动态模拟各变量的变化，推算出当PM2.5浓度达标时对应污染物的允许排放量优点基于理化机理的动态模拟,能模拟超过80种大气化学物质的变化过程,计算不同时点、不同区域不同污染物的浓度和对应的源头排放量本质是预测,可模拟复杂的“社会-经济-环境”系统的变化趋势,可算出经济、能源、大气环境、绿地等对应承载力阈值,便于宏观预测与分析,提高了研究效率,是复杂系统的理想“实验室”。有利于将“环保制度”这一环节纳入系统,对其实施情况给出定性或半定量预测、评估缺点计算复杂,需要大量排放、气象等数据支撑,而且对社会、经济等其他要素考虑不足。空气质量模型精于短时的理化过程模拟,而不利于长期的“社会-经济-环境”复杂系统的宏观预测与分析。不能模拟大气物质的理化反应过程,不能确定污染物在空间的分布。2.4须为PM2.5的五种前驱物制定减排制度⑴运用SD模型，可同步计算一个大型城市PM2.5的环境容量及相适应的承载力社会属性的阈值（即经济、能源、治理、绿地等具体形态）。提升绿地数量和质量对长期控制PM2.5是必要和可行的，可以PM2.5容量为约束，模拟优化城市近、远期用地结构。该方法避免了传统理化模型的局限性和复杂性，提高了研究“经济-社会-环境”复杂巨系统问题的效率（环境容量也可采用第三代空气质量模型，如CMAQ模型做数值模拟，两类方法测算的结果互为参照）。（2）与环境容量相适应的社会-经济-生态的环境承载力系列阈值状态的测算既展示了实现污染减排的动态过程及实现的可能时间，也为如何完善、制定合理的、可执行的环保、生态制度提供了比较具体的方向与内容。必须对PM2.5的五种前驱物制定减排制度，按时间历程（如图3所示），抓住主要矛盾，妥善解决企业排污指标分配、监管、执法，对落后产能与企业要坚决、稳步、逐一淘汰，积极发展高科技与新能源产业；解决环保资金筹措及各项指标落实的问题。合理制度能否落实，反映了这个社会的治污的自觉、自律与行动能力的水平。建立环境保护与生态修复资金筹措制度3.1重视对生态系统功能价值评价方法的研究鄂州市梁子湖区面积496km2，其中生态红线划定区占到该区的1/3(主要是梁子湖湿地保护区)，拥有良好的自然生态环境，为周边地区输出了丰富的生态服务功能，却没有得到相应的生态补偿，因而制约了该地区的环境保护积极性与绿色经济的发展。目前鄂州市政府拟筹措资金，在该市范围内协调，给梁子湖区进行生态补偿。如何依据生态自然资源负债表测算服务功能价值、测算各区域间生态功能价值的流进、流出数量，合理计算各地间应支付的生态补偿资金，以及生态补偿标准如何执行，当前全国依然处于摸索阶段。生态系统服务价值测算有两种方法：(1)功能价值法是基于生态系统服务功能量的多少和功能量的单位价格得到的总价值，它是当量因子法推导的基础［3-5］。(2)当量因子法是在区分全国不同种类生态系统服务功能的基础上，基于可量化的标准构建了不同类型生态系统各种服务功能的价值当量，然后结合生态系统的分布面积进行评估。它具有方法统一、标准一致、直观易用、评估全面、数据需求少、推广性强、结果便于比较的特点，可以作为当前生态系统服务价值评估的快速核算工具。本项目以当量因子法为基础，来研究鄂州市的生态服务价值计量标准［6-8］。理论上，生态补偿标准的确定有两条参照线：保护生态的机会成本是下限，由生态系统服务功能计算出的生态补偿额度为上限。根据财政部公布的《国家重点生态功能区转移支付办法》，各地可以研究制定生态功能区的转移支付办法，即确定生态补偿下限，这需要综合协调。而根据生态服务功能测算的补偿上限，相关研究不多［9］。所以，在鄂州市三区范围内解决生态补偿问题，具有探索的性质。测算生态价值与生态补偿分析生态资金筹措，不管是政府生态基金的横向转移支付、还是土地资源抵押开展生态工程，都需先计算生态系统的价值。计算思路是［10-11］：根据当量因子表(需根据具体情况修订因子值)计算鄂州市三区生态价值。依据生态系统服务功能确定具有流动性的服务功能，包括4项：气体调节、气候调节、水文调节、废物处理。这4项服务功能对应的生态系统价值将参与生态输出价值和生态补偿的计算。（3）熵增原理表明孤立系统内部物质和能量最终会达到一个均衡状态。从宏观的角度看，生态功能本质就是物质与能量的运动与变化。因此将一定区域范围内的生态系统看成一个独立的系统，生态服务功能会由“密度”高的地区（以下简称“高地”）向区域内功能“密度”低平的地区（以下简称“平地”）流动，最终达到均衡。划定区包括鄂州市三区及周围的9县市：武汉中心城区、新洲、江夏、咸安、黄石市区、大冶、黄州、团风、浠水县。图4鄂州市生态补偿划定区和研究区（4）根据熵增原理，确定鄂州市三区（依次为计算对象）生态输出价值，即比如梁子湖区的“高”价值减去划定12区生态价值的平均值。（5） 根据GDP和生态价值确定12个区的生态补偿资金支付权重，GDP越高、生态价值越低相应的权重越大。（6） 分别计算鄂州三区的生态补偿金额（净额度）。最终，2015年梁子湖区分别从鄂城区和华容区得到21466万元（16507+4959万元）和3693万元（8652-4959万元），即2.1亿和3700万元。实际上鄂州市政府每年为梁子湖区提供1亿元的生态补偿经费，以满足梁子湖区环境保护的基本需求。图52015年鄂州市三区间生态补偿资金支付结果建立合理制度撬动社会资金对环保与生态修复项目的投入为加快建设长江经济带绿色生态廊道，湖北省林业系统决定，实施精准灭荒三年行动计划，力争到2020年，全省森林覆盖率达到42%。鄂州市政府充分认识到当前“精准灭荒改善水质”工作是政府的职责。以往的做法是：通过规划—确定项目—由政府招标—企业完成—政府支付资金。2018年新的思路：建立合理制度，使其成为“杠杆”，鼓励、促进企业和民间开展植树造林、生态复绿、水质提升等工作，既可从事“经济林”、发展生态产业，也可种植“纯生态林”；要使政府有限的投向生态修复—环保的资金能撬动社会的各种资金对环保与生态修复项目的多投入，达到发展绿色经济、增加生态效益的目的。具体做法：通过规划—确定项目—测算项目完成前后的生态价值。生态价值量的大幅提升是目标，借此也可对治理的成本是否合算与可行做大致分析和判断。由政府招标—企业承担任务—所需启动资金可酌情向银行贷款—按合同完成后银行支付全部费用，包括成本、利润。政府从土地使用费中按比例提取资金，支付银行(以政府土地出让为背书)。这样做的好处是，项目完成前后生态价值变化的测算方法与结果会公开，政府、企业、银行都了解，增加了从生态角度对于定价、付款的参考依据；有利于社会各方面(包括银行、企业、个人)参加环保与生态修复，形成合力，使生态修复的力度、范围更大，质量更好。在此背景下，鄂州市将继续深化生态系统价值评估的研究，将成果“落地”，制定出操作简便、有效可行、认可度高的生态价值计量标准，进一步制定合理、可严格操作的制度。新型环保设施的应用与发展需要有配套的管理激励制度当前广大农村分散式生活、生产污水搜集处理、达标排放的问题得到各方重视，催生了众多的污水搜集—处理环保设备，如中车集团引进—开发—批量生产—批量销售的真空污水搜集系统与系列净化槽设备。其健康发展离不开配套的管理制度。这些设备的高效应用需要技术与管理政策的支持与配套。一方面，分散式净化槽在项目选址、施工建设、运行维护、考核验收上相比集中式污水处理有着特殊性，需要加快净化槽相关标准的制定工作，让分散式污水处理深入人心。另一方面，各地农村污水治理责任体系与制度完善了，才能充分利用政策资金资源。要扩大市场份额，产生环境、经济、文化、社会众多效益，必须将该设备安装后“三同时”的维护制度因地制宜地确定下来，否则设备一旦发生故障无人检修、维护，将成为废物。必须解决维护制度的经费与责任问题。中车净化槽已经实现了国产化。净化槽技术是一套在日本净化槽构造及处理工艺标准指导下，逐步发展形成的，采用标准产品、标准施工、标准运行维护的分散污水处理的工艺包。这既是其显著优势，也带来了局限性(包括处理对象、处理工艺、主体形式、排放标准、可扩展性等)。虽然引进了净化槽产品，但不应过度拘泥于单一路径。应以此为基础，对标世界先进污水处理装备，回归污水处理技术本身，解决我国实际问题首先需要满足我国标准，当前住房和城乡建设部推进制定地方农村生活污水处理排放标准是促进农村污水治理产业发展的切实之举。因此需要建立激励制度，促进企业掌握净化槽设计开发的核心方法，坚持水处理工艺的长期研究，通过技术创新解决各地实际问题，最终形成中车净化槽的核心优势净化槽在日本已发展多年，需要研究净化槽在日本的发展历程，关注当前先进净化槽的发展动向。应充分吸纳成熟、先进的部件和材料，比如载体、曝气装置、微生物菌剂等等。针对不同地区的排放标准要求，找出当前净化槽与各地排放标准要求的差距，提前规划产品路线，形成适用于不同地区、不同标准的农村污水治理的解决方案。结论与展望要将现实的环境承载力不足状态彻底改善达到与环境容量相匹配的理想状态，要依靠合理与切实可行的环保制度的牵引与约束，通过一段时间的不懈努力与改善，才能逐步使环境压力低于环境容量，不会一蹴而就。环保制度不能成为空文，一旦生效，就必须执行、达到目的。执行中可以根据变化的现实进行调整，以此确保各方力量协力控污。制度状态体现了社会与人民的意志与行动能力，决定环保水平高低。好的环境制度能促成好的环境承载力的形成，优良环保制度是环境承载力重要组成部分，政府、企业、社会团体与广大人民群众必须坚持走环境法治道路，这是从根本上控制污染、防止生态退化和环境恶化的保证。【相关文献】周敬宣，周业晶•生态环境规划编制中多目标规划模型与环境容量的研究J].环境与可持续发展，2017，42(2)：41-45.Zhou，Y.J.，Zhou，J.X.Urbanatmosphericenvironmentalcapacityandatmosphericenvironmentalcarryin