生态承载力研究的前沿与展望

生态承载力研究的前沿与展望

可持续发展已成为国家发展战略目标的选择。不同的人对可持续发展的理论有不同的理解，但对复杂系统的运行机制的构建是一个真理。可持续发展正经历着从一般的概念性和定性研究向定量研究转变,而生态承载力正是可持续发展度量和评价研究的核心之一。区域“自然-经济-社会”复合生态系统对人类活动的最大承载能力是可持续发展研究不可回避的问题,只有搞清楚了系统对人类活动的最大承受能力,才能进一步确定合理的开发强度,进而制定出完整的、切实可行的社会经济可持续发展模式[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]。20世纪70年代以来,各种类型的承载力研究一直受到全球的广泛关注,生态承载力研究开展的时间虽然不长,但由于其在一定程度上弥补了以往资源承载力、环境承载力研究的不足,逐渐吸引了越来越多学者的关注。由于区域系统的高度复杂性与不可实验性,如何定量评价和模拟区域生态承载力成为目前研究的难点。生态承载力研究是区域生态环境规划和实现区域生态环境协调发展的前提,其研究方法目前尚处于探索阶段。随着生态承载力描述的对象由简单到复杂,由外在现象到内部机制,研究方法也相应的由单一到复合、由描述统计到数学建模,体现出多角度、系统化、机制化、多元化的特色。由于每个时代对生态承载力的认识不同,承载力的研究方法有着鲜明的时代特色和阶段性。国内外生态承载力的研究方法概括起来主要有4类:种群数量的Logistic法、资源供需平衡法(生态足迹分析法、第一性生产力法和资源差量法)、指标体系法、系统模型法(统计学动态模型、系统动力学模型、多目标规划模型(MOP))。在本文研究中,重点对上述4种方法的优缺点进行评述,并展望今后生态承载力研究方法的发展趋势。1区域生态承载研究方法和评论1.1基于生物活性模型的承载力研究种群数量的Logistic法开创了承载力研究的时代,它是对象描述性研究方法。承载力起源的一个里程碑就是逻辑斯蒂方程(Logisticequation)的提出。1838年,比利时数学家PierreFVerhulst第一次用Logistic数学公式表达了马尔萨斯人口理论,为承载力理论提供了数学模型。种群数量的Logistic法作为承载力研究的原型还未能就承载力存在的原因、大小做进一步的探讨。它只适合于计算一个封闭式的、极为稳定的系统,研究对象的行为动态和生态学关系在人类时间尺度上变化极慢。它无法表现复杂的影响因子、多变的环境特征和作用机制,而且,所模拟计算的是短期的极限潜力而非长期的可平衡的最大容量。也许由于动物或植物自身对环境和资源的反馈影响,并不像人类活动那样明显占据区域发展的主导地位,因此增长率r和承载力K的变化可能并不显著。该方法目前已经淡出了承载力研究的舞台,只作为一种经验性的描述公式。1.2资源供需平衡的计算方法资源供需平衡法(如生态足迹法和第一性生产力法)是一类机制描述研究方法,该方法在解释机制方面进行了许多尝试,希望通过计算承载体的功效来体现承载体和承载对象之间对资源的供需对比,表现承载力的绝对大小。由于能量和物质的转移和转化构成了生态系统作用的具体过程,于是,一大类研究方法都试图将能量或者某一物质作为衡量系统承载功能的媒介,来完成承载力计算。但由于复杂生态系统运作过程中“黑箱”或者“灰箱”大量存在,针对资源供需平衡的计算往往只能关注少数主要因素,通过忽略详细过程简化计算方法。其中,包括了广为应用的生态足迹、自然植被净第一性生产力测算法和资源差量法。但是这些方法只能进行大区域的粗略估算,不能体现生态过程机制,也没有考虑研究对象的多方面因素。1.2.1生态足迹的研究生态足迹分析法(Ecologicalfootprintanalysis)是1992年加拿大生态经济学家WilliamRees和其博士生Wackernagel提出的一种度量可持续发展程度的生物物理方法,即基于土地面积的量化指标。生态足迹的概念于1999年引入我国,杨开忠和张志强等分别介绍了生态足迹的理论、方法和概念及计算模型。此方法直观、简便但多侧重于理论和方法的介绍,有一定的局限性,一般以某一年或特定几年的断面资料进行分析,缺少系统动态的研究,计算中缺少处理可降解物质的生物生产面积和由于水资源所造成的附加生态足迹面积,所以计算结果是乐观的最小值。近些年,国外对生态足迹的应用也主要在生态系统的可持续方面,并针对模型本身存在的一些问题对模型进行了改进,从研究可看出,生态足迹是一种很好的衡量生态系统平衡性的绿色评价指标。生态足迹法在面对区域复杂生态系统,采用渗透系统最通用的因素土地和能值作为统一量纲,简化了生态过程,该方法的主要不足:1)涉及因子偏少,因子之间的关系过于简单,难以体现复杂系统的非线性特征;2)依靠转换率或调节因子来实现不同资源、环境因子的方法对于具体特征的特定区域显得很不准确,因为转换率或调节因子是通过更大尺度平均计算出来的,因此更适合国家或国际范围的承载力估算。1.2.2自然体系生态承载力的测量虽然生态承载力受众多因素和不同时空条件制约,但是特定生态区域内第一性生产者的生产能力是在一个中心位置上下波动的,而这个生产能力是可以被测定的。同时与背景数据进行比较,偏离中心位置的某一数值可视为生态承载力的阈值,这种偏离一般是由于内外干扰使某一自然体系变化为另一等级自然体系,如由绿洲衰退为荒漠、由荒漠改造成绿洲。因此,可以通过对自然植被净第一性生产力的估测确定该区域生态承载力的指示值,而通过实测,判定现状生态环境质量偏离本底数据的程度,以此作为自然体系生态承载力的指示值,并据此确定区域的开发类型和强度。由于对各种调控因子的侧重及对净第一性生产力调控机理解释的不同,世界上产生了很多模拟第一性生产力的模型,大致可分为3类:气候统计模型、过程模型和光能利用率模型。我国的净第一性生产力研究起步较晚,研究过程中一般采用气候统计模型。国内应用较多的模型是采用周广胜、张新时根据水热平衡联系方程及植物的生理生态特点建立的自然植被的净第一性生产力模型。第一性生产力将承载力完全简化为植物性产出,无视环境、人类的作用和不同资源自身的作用差异,即便是面对当时单资源研究的需求,第一性生产力也被局限在对植被的研究上,对于其他资源或环境效应,缺乏适当的转化量度。1.2.3生态承载力的度量评价区域生态承载力体现了一定时期、一定区域的生态环境系统,对区域社会经济发展和人类各种需求(生存需求、发展需求和享乐需求)在量(各种资源量)与质(生态环境质量)方面的满足程度。因此,衡量区域生态环境承载力可以从该地区现有的各种资源量(Pi)与当前发展模式下社会经济对各种资源的需求量(Qi)之间的差量关系[(Pi-Qi)/Qi]以及该地区现有的生态环境质量(CBQNi)与当前人们所需求的生态环境质量(CBQIi)之间的差量关系[(CBQNi-CBQIi)/CBQIi]。如果该差值大于0,表明研究区域的生态承载力在可承载范围内;该差值等于0,表明研究区域的生态承载处于临界状态;该差值小于0,表明研究区域的生态承载力超载。该方法需要建立一套指标体系,包括社会经济系统类和生态环境系统类(包括环境资源与环境质量)指标。该方法只能根据人口变化曲线求出未来年的人口数,然后分别计算其需求量,判断该值是否在研究区域的承载力范围之内,而不能计算出未来年的确切承载力值。且不能表现出研究区域内的社会经济发展状况以及人类的生活水平。结合完整的指标体系,依据这种差量度量评价方法,王中根等人对西北干旱区河流进行了生态承载力评价分析,证明此方法能够简单、可行地对区域生态承载力进行有效的分析和与预测[24,25,26,27,28,29,30,31,32,33]。资源差量法仅从资源的角度考虑,只体现了资源承载力的概念,并不适合生态承载力。综上所述,资源供需平衡法对于生态过程机制的研究不深刻,没能体现出其追寻过程机制的理论优势,也没有考虑系统对象的多方面因素,显得比较简单和粗糙。1.3指标体系的发展指标体系法主要包括:P-S-R概念框架、P-S-I-R概念框架、D-S-R框架体系、D-P-S-I-R框架。指标体系发展成为一套综合性多元化的方法,其实现的各个步骤都包含了多种方法和手段,从主观到客观,由定性到定量,可以根据承载力研究的不同目的和对象,灵活地加以组合与应用。许多方法(如层次分析法、因子分析法、灰色关联度法等)可以指导和应用于指标体系建立、筛选、运算的整个过程,也使得指标体系法有了更大的适用性和发挥空间。1.3.1s-r框架模型“压力-状态-响应”(Pressure-State-Response,P-S-R)是OECD(OrganizationforEconomicCo-operationandDevelopment,联合国经济合作开发署)在1991年建立的框架模型。目前已经在生态环境领域得到了相当广泛的应用。1.3.2社会—P-S-I-R概念框架P-S-I-R框架最早由Turner等人(1998)提出,实质是P-S-R框架的一个变形,加入了“影响”指标(Impact)。目前,这个模型框架多应用于社会-自然生态系统研究,如Turner等人(1998)对海岸带生态系统的社会经济研究。Rockloff等(2004)对以水资源为代表的自然资源的经济社会研究及社会决策模型研究。左平(2000)基于P-S-I-R概念框架,提出了从社会、经济、文化、生态的角度对海岸带进行综合评价的评价过程体系,为海岸带综合管理提供了决策支持依据。1.3.3建立风力-状态-响应dsr框架D-S-R框架体系是联合国可持续发展委员会(UNCSD)分析社会问题的角度,在P-S-R概念框架的基础上,建立的驱动力(Drivingforce)-状态(State)-响应(Response)(DSR)框架。1.3.4框架体系的构建OECD于1993年提出D-P-S-I-R框架,是对P-S-R框架的进一步完善,被欧洲环境署(EEA)所采用,在P-S-R框架中添加了2类指标,即驱动力(Drivingforce)和影响(Impact)指标。1997年,EEA在欧洲环境评价报告中基于D-P-S-I-R框架体系从多个层面多角度研究了整个欧洲环境状况和期望。整体来说,D-P-S-I-R框架表现了复合系统承载力的概念和组分,适用面较广,但较多应用是针对单资源或环境,少有对整个区域复合系统的功能评价。综上所述,指标体系法的理论框架最初是面向可持续发展提出来的,应用于承载力研究时论述的角度难免有所不同,因此,承载力研究需要更为适宜的理论框架。另外,对区域系统机制的进一步理解还有所欠缺,理论框架不可能为区域研究提供具体手段,需要进一步计算方法的支持,这使理论框架的研究还处于比较笼统和模糊的阶段。所以指标体系法是一种相对成熟、易用的方法,也是较为简单的评价手段,其精度依赖于人的判断,计算需要大量数据,模拟相对不便。该方法可以较好体现复合系统的特征和承载力的概念,但由于设计的因子不多和计算方法的困难,实际应用受到很大限制,如果从系统角度考虑研究对象非线性和复杂性的特点,指标体系法的发展会有更大前景,目前应用较多。1.4系统模型方法系统模型法主要包括统计学动态模型和系统动力学模型。虽然这类方法起步不久,却显示出了很大的潜力。1.4.1非线性回归模型统计学模型是建立在关注数据变化的基础上的动态方法,根据分析已有数据趋势的关联,构建不同因子之间的函数方程式,最终得到一组同承载力相关的多元方程组来表示系统内部结构,加入时间自变量的影响,进而实现系统动态变化。其构建依据是数值关系,而非逻辑上的因果关系。主要有:线性回归模型、非线性统计学模型、灰色关联法、人工神经网络。如赵先贵等(2005)回归拟合了陕西省未来20年的承载力趋势,它仅仅是现状趋势的线性延伸,而系统的非线性特征以及多个因子调整带来的多种变化是线性模型无法预测的。因此,回归分析作为动态模型直接加以应用显得过于简单。目前,非线性模型/色关联法和人工神经网络对生态系统具体、资源、环境质量方面作了建模工作。统计学模型以数值关系为基础进行函数关系的模拟,没能表达系统内部的过程逻辑关系,难以正确追踪系统的因果效应,模拟精度不高。1.4.2从sos模拟模型的建立到自然过程控制的应用系统动力学(SystemDynamics)是美国麻省理工学院Forrester教授于1956年创立,其方法基于系统论、综合控制工程(反馈概念与调节)、控制论(信息的本质及作用)以及组织理论(人类组织的结构及人类作决策的形式)、非线性理论、大系统理论,提出了一个指导性原理和一套用来仿真非线性高阶次多重反馈时变系统的方法。20世纪70年代瑞典、芬兰、挪威3国合作组成“社会和森林”研究小组,将3国林业部门作为一个整体进行描述,建立了SD为基础的SOS模拟模型。早期SD的应用,主要在产业生产过程控制中,之后扩展到生态学领域,但受到当时理论的限制,早期研究对象往往是单资源或环境等较小范围的系统分析,如在土地承载力、资源承载力、环境承载力以及人口容量等方面的研究。在20世纪80年代初,英国科学家MalcomSleeser教授设计的ECCO(EnhanceCarryingCapacityOptions)模型应用系统动力学方法进行土地承载力的专门研究;Low等(1999)应用系统动力学研究了人口社会与生态系统之间的交互作用,就人类活动造成的生态资源波动建立了动力学模型;Ahmad(2002)应用系统动力学建模研究了基于GIS平台的洪水控制决策支持系统,但构建的系统范畴和复杂程度已有较大进步。区域复合生态系统是一个多层次、开放边界、非线性的动态系统,以实现可持续协调发展为最高目标,因此,开放、动态