在建设生态文明的背景下, 国土空间开发和规划是维持区域可持续发展的重要手段, 其基本依据是对区域资源、环境、生态供容能力和适宜性的评价结果^[1]。当前, 区域资源短缺、环境污染问题日益严重, 针对资源承载力、环境承载力的研究已经广泛开展^[2]; 而对于更具综合性的生态承载力^[3], 其内涵与外延的界定仍存在诸多争议^[4]。

生态承载力最初是指在某一特定环境条件下(主要指生存空间、营养物质、阳光等生态因子的组合), 某种个体存在数量的最高极限^[5]。目前的观点认为, 生态承载力应更多地关注生态系统的整合性、持续性和协调性^[6-7], 生态承载力的提出为实现由单纯支撑人类社会进步变成促进整个生态系统和谐发展的进步奠定了基础。也有学者认为资源承载力和环境承载力都是从单一系统来考虑的, 从协同系统来看^[8], 资源系统和环境系统都是生态系统的一部分, 应综合开展人口、资源、环境等多因素研究^[9-10]。

研究方法上, 目前通过生态足迹计算进行生态承载力评价的方法已经广为运用^[11], 不少学者也通过模型修正使研究更具系统性、针对性和预测性^[12-13]。然而, 由于数据来源年份、区域不同, 生态足迹计算的数据量繁杂, 计算过程中的参数取值较为理想化, 极易产生误差; 同时生态足迹法难以完成小区域数据统计与评价工作^[14]。为弥补生态足迹法的限制, 基于生态系统服务的生态承载力评价备受关注。Ouyang等^[15]认为生态承载力是指生态系统提供服务功能, 预防生态问题, 保障区域生态安全的能力。主要包括提供服务的能力和预防生态问题能力, 例如水源涵养、水土保持、固碳、气候调节等方面, 这些生态系统服务是经济社会发展的基础。以“生态系统—生态系统服务—人口和经济(承载力)^[16]”为主线, 从生态系统服务角度研究生态承载力, 可以回归承载力研究的增长极限问题, 另外也体现了承载力的空间分异, 有利于对承载力调控与管理提出具体的建议^[17]。

生态系统服务价值评估以区域内生态用地类型划分为基础, 在土地利用类型变化不明显时, 难以全面反映出生态系统所受干扰的程度及其恢复能力。因此, 有必要在区域生态承载力评价中考虑景观格局以及植被变化情况。景观格局影响并决定着各种生态过程斑块的大小、形状和连接度, 进而影响到景观内物种的丰度、分布及种群的生存能力和抗干扰能力^[18]。生态过程与景观格局的整合调控, 可用于识别城市化干扰下区域生态保护的优先级^[19], 从而进一步提高区域环境质量和资源利用效率^[20]。植被变化指数可以在空间上描述各地区植被覆盖的变化情况。人类活动的手段、方式、广度与深度都会对植被覆盖产生极大影响^[21], 它是自然和人类活动交互作用的结果。

基于此, 本文以河北省石家庄市生态环境作为评价对象, 综合考虑上述生态系统服务提供能力、景观格局指数、植被变化指数, 建立相应准则层, 明确量化指标, 构建起科学合理的生态承载力评价指标体系, 从而获得生态承载力的空间分布, 并在不同行政区尺度下进行区县与乡镇分析。石家庄地处京津冀战略区中心地带^[22], 一方面，城市在京津冀协同发展背景下综合实力相对较弱, 经济发展任务艰巨^[23]; 而另一方面, 石家庄市生态承载力不容乐观^[24], 大气、水环境等单要素生态环境处于超载状况^[25-27]; 同时辖区内有国家与省级重点生态功能区^[28], 生态保护任务艰巨。因此对石家庄市生态承载力进行评价, 可为该地区实现社会经济与生态环境协调发展, 土地可持续利用提供理论方法和决策依据。

1 研究区域概况与研究方法 1.1 研究区概况

河北省石家庄市位于河北省中南部(113°30′~115°29′E, 37°27′~38°45′N), 总面积为15 848 km²。西与山西省相连, 东近河北省衡水市, 北靠河北省保定市, 南接河北省邢台市。全市人口约1 016万人, 辖6区、12县、5个县级市和1个国家级高新技术开发区, 是河北省的政治、经济、科技、金融、文化和信息中心, 也是中国环渤海京津冀经济圈中心区域城市。石家庄地势西高东低, 兼具山地、平原两大地貌类型。西部地处太行山中段, 东部为滹沱河冲积平原。石家庄属暖温带半湿润半干旱季风型大陆性气候, 四季分明, 年平均气温为13.3 ℃。属海河流域子牙河水系, 西部山区有岗南、黄壁庄等水库, 主要河流、渠道有滹沱河、洨河、沙河、石津灌渠。随着京津冀一体化的推进以及城市化的快速发展, 石家庄地区人口快速增长, 人均耕地面积不断减少^[29]。与此同时石家庄市西部山区生态用地也不断缩减, 土地利用矛盾极为突出, 景观格局变化剧烈^[30]。因此亟需对现有生态系统承载能力以及经济社会活动的干扰水平展开科学评价, 为城市建设以及土地规划管理提供指导依据。

1.2 研究方法 1.2.1 数据来源

本研究中参考的土地利用基本数据源自石家庄国土局公布的2015年第2次全国土地调查结果, 并在此基础上进行土地覆盖分类处理。石家庄市共包含耕地、林地、草地、水域、工矿居民用地和未利用土地6个一级类型, 18个二级土地利用类型。研究中使用生态系统净初级生产力(Net Primary Production, NPP)数据为中国科学院资源环境数据云平台提供的2000—2017年遥感数据产品(空间分辨率1 km, 时间分辨率1 a, http://www.resdc.cn), 该数据基于光能利用率模型GLM-PEM计算获取。

1.2.2 生态承载力综合评价指标体系

研究采用综合指标体系法进行生态承载力评价, 构建包含生态系统服务提供能力、景观格局指数、植被变化指数3个准则, 共11个指标的评价指标体系(图 1)。

石家庄市中西部的平山、灵寿、行唐、井陉、元氏、赞皇等县与矿区分布有太行山水土保持重点生态功能区, 在权重分配时重点考虑该区域的水土保持生态系统服务供给能力。生态系统服务提供能力准则层下, 在太行山水土保持重点生态功能区, 水土保持服务指标权重赋值0.20, 其他5个生态系统服务指标权重赋值0.10;在非水土保持重点生态功能区, 各类生态系统服务提供能力各指标层的权重均赋值0.11。景观格局指数准则层下, 各指标等权重赋值, 为0.05。植被变化指数准则层下净初级生产力变化率权重分配为0.10。权重分配如表 1。

1.2.3 生态系统服务提供能力评价方法

生态系统服务指人类从生态系统获得的所有惠益, 包括供给、调节、文化、支持4类。本研究中, 生态系统服务能力评价参考以下6个指标。在供给服务层面, 碳固定能力由NPP表示, 采用朱文泉等^[31]改进的CASA模型计算, 考虑了植物光合作用及其对光能的利用率; 在调节服务层面, 包括水土保持、水源涵养、生物多样性保护和防风固沙4个指标。其中, 水土保持以生态系统水土保持服务能力指数(S_pro)作为评价指标, 其影响因素包括气候、土壤、地形和植被, 计算采用Williams^[32]提出的可蚀性诺莫公式; 水源涵养以生态系统水源涵养服务能力指数(WR)为评价指标, 衡量生态系统缓和地表径流、补充地下水、减缓河流流量的季节波动、滞洪补枯、保证水质的能力^[33]; 生物多样性保护功能以生物多样性保护服务能力指数(S_bio)作为评价指标, 衡量生态系统(如森林、草地、湿地、荒漠等)在维持基因、物种、生态系统多样性的能力^[33]; 防风固沙能力通过Burkhard等^[34]提出的基于土地利用类型的生态系统服务供给矩阵来确定, 用以衡量生态系统(如森林、草地等)通过其结构与过程减少由于风蚀所导致的土壤侵蚀的能力; 休憩能力是生态系统提供的重要文化服务, 利用土地利用类型、坡度、植被覆盖度及景观多样性估算的文化休闲承载力评价, 计算公式为:

$ {{{R}_{\text{Cr}i}}={{S}_{i}}\times \left( \text{S}{{\text{L}}_{\text{max}}}-\text{S}{{\text{L}}_{i}} \right)}/{\left( \text{S}{{\text{L}}_{\text{max}}}-\text{S}{{\text{L}}_{\text{min}}} \right)\times \sqrt{\text{FV}{{\text{C}}_{i}}\times \text{SD}{{\text{I}}_{i}}}}\; $

(1)

式中: R_Cri是像元i中游憩潜力; S_i是像元i中由土地利用类型所决定的文化休闲能力值^[34]; SL_i是像元i的坡度; SL_max和SL_min为研究区所有像元的最高与最低坡度, 坡度空间数据由DEM得来; SDIi是像元i的Simpson多样性指数, 由Fragstats4软件得来; FVC_i为像元i内的植被覆盖度, 其计算公式为:

$ {\text{FV}{{\text{C}}_{i}}=\left( \text{NDV}{{\text{I}}_{i}}-\text{NDV}{{\text{I}}_{\text{soil}}} \right)}/{\left( \text{NDV}{{\text{I}}_{\text{veg}}}-\text{NDV}{{\text{I}}_{\text{soil}}} \right)}\; $

(2)

式中: NDVI_i是像元i的NDVI值, NDVI_soil与NDVI_veg分别为裸地和植被的NDVI值。

同时, 通过下式将像元内的文化休闲功能转化为0~10:

$ {{{R}_{\text{Cs}i}}=\left( {{R}_{\text{Cr}i}}-{{R}_{\text{Crmin}}} \right)}/{\left( {{R}_{\text{Crmax}}}-{{R}_{\text{Crmin}}} \right)\times 10}\; $

(3)

式中:R_Csi为标准化的R_Cri, R_Crmin和R_Crmax分别为像元i内文化休闲功能的最大值和最小值。

1.2.4 景观格局与植被退化分析

景观格局特征显现了人类活动对景观格局变化的影响。在区域土地利用分类己知的情况下, 结合石家庄市具体情况, 从面积、形状、多样性、聚散性4个方面选取4个指标。其中, 最大斑块指数有助于确定景观的优势类型, 反映人类社会活动的强弱和方向; 景观形状指数反映景观生态系统整体结构的复杂性; 香农多样性指数反映景观丰富度和复杂度, 反映景观元素或生态系统结构、功能以及随时间变化方面的多样性; 蔓延度指数反映景观中不同斑块类型的非随机性或聚集程度, 反映景观破碎度。研究中利用Fragstats 4.2的移动窗口算法, 选用边长为2 km的矩形移动窗口在整个研究区内从左上角开始移动, 每次移动一个栅格, 计算窗口内景观指数值, 并将该值赋给该窗口的中心栅格, 形成各景观指数的空间分布图。

植被变化指数通过NPP变化趋势(NPP-slope)表征^[35]。NPP作为植被生态系统中物质、能量的转换和传递基础, 直接反映了植物在自然条件下的自身生产能力, 同时也能够有效地响应气候与环境变化, 可作为评价陆地生态系统可持续发展的一个重要生态指标。本研究中采用一元线性回归方法分析NPP的变化趋势(slope), 其计算公式为:

$ \text{slope}=\frac{n\times \mathop{\sum }_{i=1}^{n}\left( i-{{Y}_{i}} \right)-\mathop{\sum }_{i=1}^{n}i\mathop{\sum }_{i}^{n}{{Y}_{i}}}{n\times \mathop{\sum }_{i=1}^{n}{{i}^{2}}-{{(\mathop{\sum }_{i=1}^{n}i)}^{2}}} $

(4)

式中: slope为趋势线的斜率, 即NPP的变化趋势, 单位为g(C)·m^-2·a^-1; Y_i表示第i年的NPP值, 单位为g(C)·m^-2·a^-1; i为年变量; n为监测年数。当slope>0时, NPP增加, 反之则减少。本研究根据该公式, 计算2000—2017年的NPP变化趋势, 获得一个NPP-slope图层, 反映当地NPP在2000—2017年间的变化, 参与生态承载力综合评价。

1.2.5 指标归一化方法

采用离差标准化(最大最小值标准化)对原始数据进行线性变换, 使结果值映射至[0,100]之间。正向指标转换函数为:

$ X=\frac{x-{{x}_{\text{min}}}}{{{x}_{\text{max}}}-{{x}_{\text{min}}}}\times 100 $

(5)

负向指标转换函数为:

$ X=\frac{{{x}_{\text{max}}}-x}{{{x}_{\text{max}}}-{{x}_{\text{min}}}}\times 100 $

(6)

式中:x为样本数据, x_max为样本数据的最大值, x_min为样本数据的最小值。

1.2.6 评价结果分级

1) 各指标空间分布及分级统计:根据权重分配表, 对生态系统服务提供能力准则下6个指标和景观格局指数准则下3个指标分别进行叠加, 获得生态系统服务提供能力分布图和景观格局指数分布图, 分别反映生态系统服务供给和景观生态效应的空间变化, 用NPP-slope分布反映植被变化的空间分布。对叠加结果进行区域分析, 提取各区县均值, 进行生态系统服务提供能力、景观格局指数与植被变化指数的空间分析。

2) 生态承载力空间分布及分级统计:将各准则层按权重分配表进行赋权叠加, 获得生态承载力空间分布图。为使评价结果更明了准确, 更有针对性, 对生态承载力进行分级评价。

2 结果与分析

根据权重分配表将各个指标叠加, 得到生态系统服务提供能力、景观格局指数与植被变化指数3个准则层的空间分布; 再将3个准则层叠加, 获得石家庄市生态承载力评价的空间分布。在上述结果的基础上, 提取各区县与各乡镇的平均值作为该行政区这一指标的属性值, 进行区县与乡镇尺度的分析。

2.1 石家庄市生态承载力各因素的空间分布

石家庄市不同生态系统服务的空间分异及总生态系统服务能力见图 2。可以看出, 石家庄市生态系统服务提供能力在空间上呈西部与北部山区高, 东部及南部低的趋势, 整体上表现随海拔上升而升高的特征。6个指标层空间分布与最终生态系统服务提供能力空间分布大致相同。其中, 石家庄市防风固沙服务图层的空间异质性较大, 表现为西部山区远高于东部平原, 对石家庄市西部在最终的生态系统服务提供能力评价中获得较高值有较大贡献。

石家庄市景观格局指数在空间上呈现高值、低值镶嵌分布的格局, 高值区在石家庄市西北部、北部及东部都有分布(图 3)。最大斑块指数和景观形状指数的空间分布相似, 低值区主要分布在石家庄市西南片区。研究区的景观香农多样性高值区分布在西部、西南部和北部的部分地区; 低值区主要出现在中心城区, 这与人类活动强度的分布相似, 反映了人类活动在土地利用格局演变中的影响作用。石家庄市景观蔓延度指数的高值区主要分布在中心城区和西北部地区, 表明此处人类活动影响强度较高。

研究区植被变化的空间格局具有较明显的圈层分布特征, 从内向外在整个研究区降低(图 4)。这表明石家庄市城市内部的植被情况在好转, 而周围区县, 尤其是西部山区的植被情况呈现恶化趋势。

2.2 不同行政单元生态承载力指标层评价结果比较

区县一级的生态系统服务提供能力评价结果显示:高值集中在石家庄市西部的井陉县、平山县、赞皇县、灵寿县与矿区, 最低值为石家庄市东北部的无极县(图 5a)。各乡镇的生态系统服务提供能力分布异质程度更高, 但基本与其上级区县的指数水平一致, 如生态系统服务提供能力最高的井陉县的全部17个乡镇在乡镇统计中均属于高或较高级别, 而生态系统服务提供能力最低的前5个区县的全部乡镇均为较低级别(图 5b)。从单个乡镇来看, 生态系统服务提供能力最高的是井陉县的辛庄乡, 最低的是晋州市的周家庄乡, 前者的生态系统服务提供能力比后者高6倍。

针对区县的景观格局指数评价结果显示, 高值集中在桥西区、新乐市、辛集市、赵县与深泽县。低值为石家庄市西部的井陉县、矿区、鹿泉区, 东部的晋州市和中部的新华区(图 5c)。通过异质性较高的乡镇统计结果图(图 5d), 可以更明显观察到高低值镶嵌分布的格局:中心城区集中了景观格局指数最高的前23个乡镇, 但其周边景观格局指数相对较低。石家庄市北部的行唐县、灵寿县等较高值区域中, 也分布有景观格局指数较低的乡镇。从单个乡镇分析, 景观格局指数最高的新华区革新街道是最低的新华区五七街道的2倍。

区县植被变化指数统计结果显示, 植被覆盖情况好转较快的区县为高邑县以及中部的部分区县。植被覆盖情况恶化较快的区县均为石家庄市西部与北部的高海拔地区(图 5e)。从乡镇的统计情况来看, 植被覆盖情况好转最快的是栾城区的楼底镇, 植被覆盖情况恶化最快的是赞皇县的嶂石岩乡, 同时中心城区的部分核心地带在乡镇尺度上表现出明显的植被覆盖情况恶化趋势。植被覆盖情况变化不明显的乡镇包括新乐市的协神乡、晋州市的总十庄镇、行唐县的城寨乡、平山县的苏家庄乡和辛集市的南智邱镇(图 5f)。

2.3 石家庄市生态承载力的空间分布

在考虑重要生态功能区的前提下, 生态承载力在空间分布上呈现西部高东部低的基本格局:高值区分布在石家庄西北部、西部的高海拔地区; 低值区分布在东部, 尤其是各区县的中心城区。生态承载力中等的区域则主要集中在石家庄市的中部与东南部(图 6a)。

从区县统计结果来看, 生态承载力最高的为平山县, 其后依次为井陉县、灵寿县、赞皇县和矿区; 生态承载力最低的是晋州市, 其后依次是新华区、裕华区、高邑县和无极县; 中等的区县包括桥西区、赵县、辛集市、栾城区、藁城区和长安区(图 6b)。

从单个乡镇来看, 生态承载力最高的乡镇是平山县的营里乡, 最低的乡镇是晋州市的东里庄乡, 前者生态承载力是后者的2倍(图 6c)。对比区县与乡镇统计结果, 各乡镇的生态承载力大体与其上级区县水平一致, 如平山县所属乡镇的生态承载力表现十分突出, 均处于较高水平。但也存在个别乡镇的生态承载力影响区县生态承载力平均水平, 如矿区有个别乡镇生态承载力水平较低, 值得区县一级管理者重点关注。

3 讨论 3.1 基于景观格局与植被变化的生态承载力评价优势

传统基于生态系统服务的生态承载力评价, 重点关注生态系统提供的生态系统产品和功能^[36], 从单一维度上刻画人类开发活动对生态系统的“利用”。而将一定景观格局指数和植被变化指数纳入评价指标, 能更直观地反映人类经济社会活动对生态环境的“干扰与影响”。本研究中, 石家庄市中心城区依靠临近西部山区的地理资源优势, 在考虑单一生态系统服务能力时表现良好, 然而在综合评价体系中, 城区生态承载能力则较弱。二者结果差异较大的主要原因在于城区高强度的人类活动对生态环境的干扰并未在生态系统服务中反映出来。同时, 针对城市区域的生态系统服务评价与城市占地面积、土地利用状况密切相关^[37], 在时序的纵向对比中差异性不大, 而NPP-slope基于一定的时间序列开展评价, 弥补了传统生态承载力评价瞬时性与静态性的缺陷, 通过对植被变化的时序研究, 可以开展对生态承载力的动态研究, 从而对未来生态环境变化的趋势展开模拟和预测。其次, 该方法利用移动窗口算法, 可针对栅格进行计算, 从而得出指标在空间上的详细分布, 相较于传统的生态足迹-生态系统服务法可以体现区域间的差异^[38], 打破空间尺度的限制, 完成小区域数据统计与评价工作。此外, 传统的基于生态足迹法的生态承载力计算由于数据来源不同, 数据量繁杂^[39], 计算过程中的参数取值较为理想化, 极易产生误差, 并不利于社会经济指标核算^[14]。采取统一数据来源的景观格局指数、植被变化指数则可以很好地规避这一问题。

3.2 体现生态承载力对国土空间规划的支撑作用

在各准则层与生态承载力评价的空间分布基础上, 本研究提取出各区县与各乡镇的指标平均值作为行政区的属性值, 进行区县与乡镇尺度的分析。综合结果表明, 小尺度上的指标分布异质性更高, 部分出现了与区县一级指标水平不一致的情况。针对这一现象, 管理与决策机构可以提出更具针对性的意见, 从3个准则层出发, 指导特定区域的生态承载力优化。针对较大尺度, 决策机构应当在宏观调控中将生态承载力与产业发展相结合^[40], 利用空间上的生态承载力差异, 在考虑具体的社会生态条件下优化产业空间布局^[41]; 在较小尺度上, 地方政府应当着重梳理地方生态-环境-资源特点, 因地制宜, 统筹安排, 确定资源综合利用方向与目标^[42-43]。

同时该方法将生态承载力的内涵限制在相对狭义的理解范围内, 专注于生态系统的服务功能及其对干扰的响应建立评价机制, 避免与资源承载力中的资源供给需求能力发生重叠, 也避免与环境承载力中的环境质量维持功能产生交叉。这为后续厘清生态-环境-资源复杂巨系统的内部结构关系奠定了基础^[44], 从而帮助建立多因素耦合下的综合承载力评价体系, 对国土空间综合承载力监测与预警提供依据, 进而满足区域生态文明建设和国土开发科学决策的需要。

3.3 石家庄生态承载力提升的关键途径

石家庄市生态承载力空间分布差异较为明显, 基本呈现西部高, 东部低的态势。东部地区生态系统服务能力整体较弱, 区域景观格局与植被变化情况分布不均, 需要针对实际情况加以讨论; 西部生态系统服务能力表现较好, 但植被退化情况较为严重。

石家庄市东部地区需要协调好生态环境与经济发展的关系、生态服务与社会服务的关系以及生态建设与工程建设的关系, 而其解决关键是在城市化发展中合理利用土地, 加强管理。东部区县需在土地景观优化中重点恢复和保护自然景观, 尤其是林地景观; 在土地开发利用过程中要严格实施土地利用总体规划, 严格执行土地利用年度计划, 使土地资源能可持续地利用; 促进生态保护和修复相结合, 提高国土空间综合承载力。

西部山区是石家庄市的重要生态保育区, 其主要生态系统为森林生态系统。该地区需将森林生态系统融入到石家庄市城市的发展和建设中, 切实提高森林生态系统的各项服务功能和承载力; 充分考虑生态-社会-经济耦合系统的复杂性, 实现三者的均衡发展, 互为促进, 从而实现系统功能的优化提升。此外, 石家庄市中部地区的井陉县、行唐县等与石家庄市西部生态重要保护区临近, 可适度发展生态农业和林业, 提高生态系统服务功能, 控制区域人口增长和大规模工业发展。

4 结论

生态承载力衡量了生态系统对人类社会提供的服务能力大小, 也表征了人类干扰和生态系统服务之间的双向关系。本研究以石家庄市生态承载力评价为例, 充分考虑生态系统对人类社会的供给能力以及人类活动胁迫下生态系统的响应, 探讨了基于生态系统服务能力、景观格局、植被变化3个准则层的评价方法, 最终获得3个准则层以及综合生态承载力评价的空间分布, 并从不同行政区尺度提取平均值, 进行区县与乡镇间的分析对比。结果显示, 石家庄市生态承载力与生态系统服务提供能力西高东低, 景观格局指数镶嵌分布, 植被变化指数以市区为中心, 呈圈层分布。在未来的生态承载力评价研究中, 可从本研究提出的方法出发, 聚焦不同指标在小区域尺度上的评价结果, 更具针对性地为当地的生态系统管理与可持续发展提供一定的理论依据。