生态承载力综合测度方法的系统分析，本文主要内容关键词为：承载力论文,系统分析论文,生态论文,方法论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、引言
可持续发展问题是当今世界最为关注的问题之一。目前学界已经有大量的有关环境资源危机、生态破坏等方面的研究，但绝大部分都还不能很好的指导可持续发展的具体实践。也就是说，目前可持续发展的理论供给与实践需求之间存在相当大的“缺口”。我们认为，缩小该缺口的关键在于加强可持续发展应用方法的研究，重视可持续发展的状态测度。可持续发展要求人类经济活动规模保持在生态承载力的限度内，而阻止一个区域承载力下降则要求生态系统的发展是可持续的。因此，如何对区域生态承载力进行科学的测度，就具有重要的研究意义。事实上，生态承载力测度正是可持续发展应用方法和状态测度研究的重要核心之一。目前国内外对这方面的研究已经有很多文献。按照构造特征的不同，这些测度方法可以分为四大类：(1)基于能量和物质转移的综合测度方法；(2)面向复合层次结构指标的综合测度方法；(3)指标体系测度方法；(4)系统性建模测度方法。本文拟在探讨这些综合测度方法基本原理的基础上，分析它们作为生态承载力综合测度方法的优越性和局限性，并探讨它们的未来发展趋势和改进方向。
二、基于能量和物质转移的承载力综合测度方法
地球上一切生命有机物的演化发展过程均需要能量，能量和物质的迁移和转化是包括人类社会系统在内的生态系统中都不可避免的行为。可以说，物质和能量是衡量生态系统各种作用的指示剂，因而理论上可以用于表达生态系统和人类社会系统之间的承载状况。这类方法主要包括三个子类：
(一)生态足迹方法
从该方法的构成思路上看，它是试图通过把物质作为衡量承载功能的媒介来进行承载力测度的。
1.基本模型。生态足迹的概念最初由加拿大生态经济学家Rees在1992年提出[1]。该类模型通过测定一定区域维持人类生存与发展的自然资源消费量以及吸纳人类产生的废弃物所需的生物生产性土地面积大小，与给定的一定人口的区域生态承载力进行比较，来评估人类对生态系统的影响，测度区域可持续发展状况。生态足迹和生态承载力的计算公式分别为：
生态足迹基本模型的特点可以归结为：(1)采用单一时间尺度，即“快拍”式截面；(2)是在固定生产与消费条件下的确定性研究；(3)反映的是区域生产与消费的综合信息；(4)引入当量因子进行综合。该模型一经提出就得到学者们的广泛关注和实证应用。尽管如此，生态足迹基本模型无论在理论上还是在方法上都被认为存在诸多明显不足与缺陷，引起了较大的争论，甚至遭到了一些研究者们的严厉批评[2]-[3]。针对基本模型的特点，很多后续的研究从不同层面对它进行了改进和发展。
2.动态改进——时间序列足迹模型。生态足迹基本模型只是一种静态测算方法，未能反映未来变化发展的趋势。为此，出现了很多动态改进的模型，如Mathis Wackernagel et al.(2004)[4]等。当前该类模型处理产量因子和当量因子的方法主要包括：(1)采用区域真实产量，舍弃采用当量因子；(2)采用逐年全球产量和分段当量因子；(3)采用全球产量和逐年区域实际产量，不采用当量因子；(4)采用最大可持续产量。可以看出，该模型能够反映区域生态服务消费水平的结构变化，真实生态空间消费及其头寸，以及产量因子和当量因子对足迹测算的影响。
3.过程改进——投入产出足迹模型。由于生态足迹基本模型缺乏结构性因素，没有考虑产业间的相互依赖，无法识别哪些生产和消费部门应对区域综合影响负责，Bicknell(1998)、Klaus Hubacek et al.(2003)等学者结合投入产出方法对此提出了改进[5]-[6]。其中Bicknell(1998)通过里昂惕夫逆矩阵得到产品与其物质投入之间的转换关系，反映各部门生产的生态影响细节。其主要计算步骤可以归纳为：(1)计算完全需求系数矩阵；(2)计算最终使用包含的非能源足迹；(3)计算能源消费的生态足迹；(4)计算进口贸易和其他来源产品包含的生态空间；(5)分别按生产部门和最终使用部门汇总生产和消费的生态足迹。可以看出，这类模型能反映部门间的足迹流动，揭示生态影响的真实发生头寸以及某一特定部门的完全生态消费状况。
4.成分法足迹模型。前三种模型均为综合方法模型，为了进一步测度综合生态状况中的个体情况，成分法模型以人类的衣食住行为出发点，核算人口具体行为的生态影响，其典型代表是Simmons et al.(2000)提出的模型[7]。它分两步测算生态足迹：(1)把研究区域的生态足迹分解成直接能源消费、原材料、废弃物、食物、私人交通、水和建筑用地七类成分；(2)采用资源流分析技术收集数据，研究资源在不同部门、人口与环境之间的流动，从而将消费数据转化为成分影响。该模型的特点是：关注人口的衣食住行细节行为，采用生命周期技术，适用于国家、地方、企业、家庭乃至个人生态环境影响评估。
整体上看，生态足迹方法的不足主要有：(1)不能完整测度以可持续理论为基础的区域生态承载力状况，它侧重考虑资源与环境，很少涉及经济、社会和技术等层面，具有指标选择的生态偏向性；(2)注重于资源消耗，对废弃物的污染关注不够，也没能把自然生态系统提供资源，吸纳废弃物的功能描述完全，忽略了地下资源和水资源的估算，也没有考虑污染的生态影响；(3)采用当量因子与产量因子进行地区之间比较时，在将各区域产量调整为全部地区平均产量的同时丢掉了许多区域信息，导致生态足迹指标过分简化，对区域制定有效的可持续发展决策的直接政策意义并不明确，等等。
(二)能值分析方法
由于生态系统中各种能量是有质的差别的，所以不能用一般意义上的能量观点进行承载力测度分析。20世纪80年代，Odum以能值①为衡量单位建立了一套分析理论，一般称为能值分析理论。能值分析是以能值为基准，把生态经济系统中不同能流(能物流、货币流、人口流和信息流等)量纲的能量转换成同一标准的能值，通过计算一系列能值综合指标，来定量分析系统的结构功能特征与生态经济效益。由于任何形式的能量均源于太阳能，故常以太阳能为基准衡量各种能量的能值。
Brown and Ulgiati(1997)首次通过能值分析理论开发出可以实际应用的承载力评价指标——ESI(Energy Sustainable Index，能值可持续指标)[9]，它被定义为系统能值产出率与环境负载率的比值，然后根据ESI的大小评价系统超载状况。陆宏芳等(2003)[10]在ESI的基础上，引入衡量系统交换效率的EER②，构造出系统可持续发展能力的能值评价指标ESID。
此外，能值分析方法和生态足迹方法还有融合的趋势。Zhao et al.(2005)将能值理论应用于传统生态足迹方法中，构建了一种“分室模型”[11]。模型中生态足迹的公式为：
应该说，能值分析方法采用能值作为统一量纲，简化了生态过程，有更大的应用空间，但该方法本身也存在一些不足，主要是：(1)涉及的因子之间的关系过于简单，数目也较少，难以体现复杂系统的非线性特征；(2)针对特定地区，依靠转换率或调节因子同度量处理不同资源、环境因子的做法，显得很粗糙，因为转换率或调节因子是通过更大尺度平均计算而来的，它更适合国家或国际范围的承载力估算；(3)对指标临界值的选取缺乏科学的程序，等等。
(三)自然植被净第一性生产力估测法
该方法同样借助于物质媒介来测度承载力。自然植被净第一性生产力是指绿色植物在单位时间和单位空间所能累积的有机干物质，包括植物的枝、叶和根等生产量以及植物枯落部分的数量，反映植物群落在自然环境条件下的生产能力[12]。在涉及干扰时，也代表了自然体系的恢复能力。虽然生态承载力受众多因素和不同时空条件制约，特定的生态区域内第一性生产力在一个中心位置上下波动，而这个生产能力是可以测定的。同时，与背景数据进行比较，偏离中心位置的某一数据可视为生态承载力的阈值，表征了承载力的强弱[23]。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，大致可分为三类：气候统计模型、过程模型和光能利用率模型。国内应用较多的模型是周广胜、张时新(1996)根据水热平衡联系方程及植物的生理生态特点建立的模型[12]。此外，该类方法还包括不太常用的资源差量法，有兴趣的读者可参见王中根和夏军(1999)的研究[13]。
该方法的缺陷是：将承载力的决定因素完全简化为气候、植被等自然方面的状况，无视生态环境所能承受的人类各种社会经济活动能力，以及不同环境和资源自身作用的差异，测算结果的实践意义较小。
三、指标体系测度方法
所有承载力测度都必须基于一定的指标数据结构，这是通过构造指标体系来测度承载力的出发点。除了个别专门为承载力设计的指标体系外，目前国际上大量的可持续发展状态评估指标体系，为进一步测度承载力奠定了基础。归纳起来，该类方法可以分为以下六个子类：
(一)递阶多层次综合评价方法
该方法认为，承载主体与承载对象间的关系十分复杂，但这种复杂关系不是杂乱无章的，而是具有一定系统层次性的，因此，可以首先估计承载主体的客观承载力和承载对象的压力大小，然后判断系统的承载状况[14]。这种方法中有两个关键之处：(1)各评价指标权重的确定；(2)指标评价结果的聚合。前者可以通过常规的统计赋权方法解决；后者主要采用的方法是模糊模式识别方法，即通过构造等级模糊子集把反映被评价事物的模糊指标进行量化(确定隶属度)，然后利用模糊变换原理对各指标综合，最后得到总的评价结果。
(二)压力——状态——响应框架体系(PSR)及其衍生
PSR模式最初由OECD(1991)在构建环境指标时开发[15]，具体模式结构是：人类活动对环境施以“压力(Press)”，影响到环境的质量和自然资源的数量(“状态(State)”，社会通过环境政策、一般经济政策和部门政策，以及通过意识和行为的变化而对这些变化做出反“响应(Response)”。PSR模式强调环境压力的来源，突出环境受到的压力和环境退化之间的因果联系，但对社会和经济类指标来讲，压力指标和状态指标之间并没有本质的联系。此外，根据该理论框架的特征，只有用复合的多组指标才能反映整个区域尺度。
依据PSR模式使用的目的，可以很容易对它加以调整以反映更多的细节或针对专门的特征。PSR框架模式的衍生版本目前有很多，如：(1)Turner et al.(1998)提出的压力——状态——影响——响应框架体系(P-S-I-R)，其特点是：相对独立地阐述了人类社会对资源环境的影响，达成人类社会系统和生态系统之间的相容关系[16]。(2)联合国可持续发展委员会提出的驱动力——状态——响应(DSR)框架模式，其特点是：通过驱动力指标用以表征那些造成发展不可持续的人类活动和消费模式或经济系统的因素[17]。(3)欧洲环境局使用的驱动力——压力——状态——影响——响应(DPSIR)框架模式。其特点是：能反映复合系统承载力的概念和组分，适用面广，尤其是单因素的资源或环境。此外，还有学者提出了基于D-P-S-I-R的生态安全框架，其核心在于评价生态环境系统服务功能对人类需要满足的程度[18]。
(三)基于经济的指标体系框架模式
这种框架反映的是投入——产出模式，它一直主导着当代可持续的思考方式。真实进步指数(GPI)、联合国统计署开发的综合环境经济核算体系(SEEA)等是这种模式的典型代表。它也为生态足迹指数的计算提供基础。德国Wuppertal气候、环境与能源研究所提出的物质与能源平衡模式——单位服务物质输入(Material Input Per Service Unit)框架也属于这种模式[19]。
(四)社会——经济——环境三分量模式或主题框架模式
这种模式在可持续发展状态评估研究文献中占有相当大的分量。在实际研究中，模式中社会、经济、环境的衡量因素常常依据具体问题而变化，譬如：就社会主题而言，可能涉及社会、文化、社区、健康或公平的某些方面或所有方面；在环境主题方面，可以只涉及严格限定的环境问题，也可以涉及生态、自然资源和环境发展。许多社区可持续发展指标体系常采用主题指标体系框架模式，这些模式中的指标一般并非相互关联但却构成反映社区关注的不同问题(主题)的一组指标。
(五)人类——生态系统福利指标体系框架模式
这种模式的提出是为了将系统思想应用于维持和改善人类与生态系统福利，其原形是加拿大国家环境与经济圆桌会议(NRTEE)的可持续发展指标体系[19]。它有四类指标：生态系统指标(用于评估生态系统的福利)、相互作用指标(用于评估人类和生态系统界面处产生的效益和压力流)、人口指标(用于评估人类的福利)和综合指标(用于评估系统特征，以及为当前分析和预测提供综合观点)。可持续性晴雨表(Barometer of Sustainability)指数是应用这种模式的一个例子。
(六)多种资本指标体系框架模式
这种模式最好的应用例子是世界银行的国家财富指标体系，它包括自然资本、人造资本(即生产资本)、人力资本和社会资本等四个方面的指标体系[20]。这里“财富”的概念从自然资本和人造资本扩展到包含人力资本和社会资本。它们被用来测度国家的财富和可持续发展能力随时间的动态变化状况。
归纳以上六种方法的特点，可以得出指标体系测度方法的不足有：(1)绝大多数方法的初衷是面向可持续发展列出指标清单与问题建议，很难综合得出区域承载力状况的测度结果；(2)已有研究对可持续性的经济和环境方面的表达差强人意，但对其他方面的揭示比较滞后；(3)对指标的研究兴趣多集中在全球指标，地方性或城市甚至微观尺度的指标开发有限，等等。
四、面向复合层次结构指标的综合测度方法
在承载力概念中，承载主体与承载对象之间关系具有复合性和层次性的特点，这就意味着可以通过构造复合层次结构指标来测度承载力。这类方法主要有以下两个子类：
(一)状态空间法
状态空间法采用欧氏几何空间定量描述系统状态。通常它由表示系统各要素状态向量的三维状态空间轴组成(通常为人口轴、社会经济轴和资源环境轴)，通过构造承载力曲面，利用的其中承载状态点，来研究一定时间尺度内区域的不同承载状况。毛汉英、余丹林(2001)研究证明，状态空间中的原点同系统状态点所构成的矢量模数能够表示区域承载力的大小[21]。由于现实的区域承载状况同状态空间中理想的区域承载力并不完全吻合，其偏差值可作为定量描述区域承载状况的依据。通常区域承载状况有超载、满载与可载三种情况。
该方法的缺陷是：(1)很难进行定量计算，尤其在构造承载力曲面方面；(2)对于人类活动的影响，模型只考虑它对承载体的施压方面，对人的主观能动作用重视地不够，等等。
(二)短板效应方法
短板效应方法通过构建评估指标体系，从几个层面(比如社会、经济和自然环境等)就某区域的承载潜力进行逐个分析计算，然后以承载数值最小的层面为基础确定整个区域的承载力水平[22]。该类方法更适合对研究区域内部的各小区域进行横向比较，得到的承载力数值也仅仅是研究区域内部各小区域相对而言的承载力大小，而非绝对大小，很难真正判断区域社会经济活动与区域环境整体的协调程度[18]。
五、系统性建模测度方法
随着承载力研究的日趋深入，特别是在计算机技术的支持下，各种数理模型和统计模型进入该领域，极大地提高了承载力研究的定量化水平和精确程度，促使承载力研究进一步向纵深发展。目前这类方法大约有三个子类：
(一)系统动力学模型
该方法最初是由麻省理工学院Forrester教授于1956年创立的。它的突出优点在于它能处理高阶次、非线性、多重反馈、复杂时变的系统问题。用该方法进行生态承载力研究时，能比较容易地得到不同方案下的生态承载力，较真实地模拟区域资源和社会经济、环境协调发展状况，模拟区域承载力的变化趋势[18]。建立该类模型一般包括以下步骤：(1)划定系统边界；(2)区分系统层次；(3)确立指标体系；(4)建立仿真模型；(5)模型分析与检验。
该模型的特点有：(1)在处理区域人口、资源和环境之间的复杂关系方面有较大优势，很适用于分析研究信息反馈系统的结构、功能与行为之间的动态关系。当然，正因为它处理的对象往往较为复杂，所以模型常存在很多不确定的因素，难以实现精确的模拟。(2)在具备较完备的资料时，可作为考察系统的实验室，模拟各种决策方案的长期效果，并对多种方案进行比较分析。(3)在其他模型(如数理统计模型、灰色系统模型、计量经济学模型等)的支持下，能更好地发挥其强大的功能。该类模型也有逐渐与这些辅助模型整合的趋势。
(二)多目标复合模型
随着可持续发展理论的深入，统筹兼顾人口、社会、资源和环境等方面的协调发展问题，已经逐步形成主流。多目标复合模型就是为了满足多个发展目标，实现多决策分析与优化而建立的模型系统。目前，这种模型有以下两类：
1.多目标规划模型。该模型最早是由Charnes和Cooper在1961年提出的。它的基本思想是：给定若干预期目标以及它们的优先次序，建立模型使得总目标的偏离值在有限条件下达到最小。这类模型能在确定决策变量的前提下，对近期和远期规划做出预测和评价[18]。它的基础是线性规划，在解释系统机制方面不如前面介绍的系统动力学模型，在因子预测方面也存在不足。通过整合该类模型与系统动力学模型，用后者取代约束条件的线性方程，可以深化模型的动态性和多目标特征。
2.空间决策支持系统模型。在多目标规划模型的基础上，空间决策支持系统模型进一步溶入了地理信息系统(用于处理空间分析)和决策支持系统(用于处理半结构化和非结构化问题)，将承载力的研究从单纯的计算和预测扩展到决策方案优选。这类模型多种多样，但一般都有用户界面、数据库(空间数据库和属性数据库)及其管理系统、模型库及其管理系统、知识库及其管理系统。在应用研究方面，一个很具代表性的例子是王开运等(2007)使用该系统规划设计了上海市崇明岛区的生态建设[18]。
空间决策支持系统模型的特点是功能很强大，在解决非线性、复杂决策和空间分析的理论和技术方面都很有成效，只是在对生态承载力的研究和应用上仍处于探索阶段。
(三)其他模型
1.分类统计模型。它把研究区域内的土地分为多种类型，每一种类型的土地假定一个最高的可承载人口密度，计算出每一种类型土地的承载人口数，然后再汇总得出区域可承载的最大人口数量[23]。
2.线性规划模型。模型的理想目标由决策者确定，现实目标或约束条件可由有限的资源和其他加在决策变量选择上明显的或隐含的约束确定。用线性规划法进行生态承载力的研究，可以动态地反映一个区域的生态承载力的状况[24]。
此外，这类模型还包括灰色分析模型、人工神经网络分析模型等[18]。
整体上看，系统性建模测度方法主要建立在数值关系基础上分析测度生态承载力，对生态系统内部的逻辑关系重视的不够，而且模拟精度不高，通常只是作为对区域承载力分析的某一中间步骤使用或结合其他模型方法使用。
六、结语
从国内外研究现状来看，可以说学界对生态承载力概念的本身研究至今尚未完全成熟，有一些文献甚至质疑这个概念是否真正有用[25]-[26]。所以，尽管目前对生态承载力的测度方法研究已经有了长足的进步，但仍远不能称得上完善。我们认为，要完善生态承载力测度方法首先要完善生态承载力概念本身。概念清楚地界定到哪里，方法就跟进到哪里。在此基础上，随着可持续理念的进一步深入，以及计算机技术和空间决策技术的迅速发展，生态承载力综合测度方法还要充分考虑人口、资源、环境和经济系统之间的互动性，重视从“质量”维度测算承载力水平，开发经济承载力测度方法，强化学科间的交叉融合意识，等等。
注释：
①一种流动或贮存的能量中所包含的另一种类别能量的数量，被称为该能量的能值，进而产品或劳务形成过程中直接和间接投入应用的一种有效能量，就是其所具有的能值[8]。
②系统在对外交换中所能获得的能值与换出的能值的比值。
标签：承载力论文; 生态足迹论文; 生态系统论文; 生态环境论文; 状态空间模型论文; 空间分析论文; 因子分析论文; 可持续发展指标体系论文; 经济模型论文; 环境经济论文; 可持续发展目标论文; 经济学论文; 生态学论文;