基于生态健康的农地生态承载力评价

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摘要 针对农地生态承载力缺乏统一的概念和计量模型等问题，提出基于生态系统健康的农地生态承载力概念，构建基于生态系统健康的生态承载力理论框架，在此基础上建立生态承载力计量模型，给出生态承载力评价指标体系和标准的确定方法。以淮安市为研究区域，建立了适合该区域的基于生态系统健康的生态承载力评价指标体系、权重和评价标准，并对淮安市1996-2004以及规划年的生态承载力水平进行评价和深入分析。结果表明：淮安市农地生态承载力水平仍处于健康状态且不断提高。其中，生态弹性水平一直维持在非常健康状态，人类活动潜力逐步由亚健康状态过渡到健康状态，资源承载力水平则不断下降。以后应加强对农地生态承载力各指标进行优化，才能从根本上降低区域农地生态承载力压力，提高农地生态承载力水平。

关键词 农地生态系统；生态承载力；生态健康；评价

中图分类号 F062.3；F323.21 文献标识码 A文章编号 1002-2104(2007)05-0112-06

土地是人类赖以生存和发展的物质基础，仅耕地就提供人类生命80%以上热量和75%以上蛋白质。随着中国人口增长和经济社会快速发展，农地资源特别是耕地资源短缺问题日益严重，不仅成为我国经济社会发展的严重制约因素，而且加剧了土地退化，使得农地生态系统面临难以逆转的毁坏。现存的农地生态系统究竟能够承受人类活动多大的压力，换句话说农地承载力问题，已经成为农地生态系统可持续发展、管理和决策亟待解决的课题。

国内外已有研究中，较少直接对农地资源承载力进行研究，但对土地承载力研究开展较早，大多研究对于农地这样一个半自然生态系统的整体效应仍欠缺考虑，不仅将农地资源从生态系统中割裂出来；而且忽视人类活动对于生态系统的压力，认为承载力是一个孤立、封闭的系统。结果势必造成难以准确衡量农地生态系统的真实承载能力，即农地生态承载力。然而农地生态承载力的衡量因其涉及资源、环境与人类等复杂生态系统以及受不同时空条件的制约，至今仍没有统一的概念和模型能够反映其动态变化。同时，生态承载力研究在测度过程中缺乏科学、客观、精确的标准使其阈值确定显得困难重重。因此，将农地生态系统健康状态概念引入农地生态承载力研究中，提出基于生态系统健康的农地生态承载力概念，给出评价指标体系和标准的确定方法，并构建生态承载力量化模型，将为全面准确地评价农地生态系统生态承载力大小，分析其影响机制以及识别制约农地生态系统健康的瓶颈提供科学依据。

1 评价的理论探讨

承载力，本质上是指生态系统所能承受的最大限度的影响，人类可以借助技术使其增大，但往往是以生态功能的减少或损失作为代价。这种增大是有限的，这取决系统的自我维持和自我调节能力。所以基于生态系统健康的农地生态承载力可以定义为：在一定社会经济条件下，农地生态系统维系其服务功能和自身健康的潜在能力。它由两部分组成：一是生态承载力的支持部分，指农地生态系统的自我维持与自我调节能力（弹性力）以及资源子系统的供容能力（承载能力）；第二部分是生态承载能力的压力部分，指人类活动潜力，即与农地生态系统有关的人类活动的影响能力。

基于生态系统健康的农地生态承载力概念优点首先在于其将农地生态系统作为一个整体，不单纯追求某一子系统的最大承载力，专注于寻求资源利用与生态系统可接受阈值之间的动态平衡点，使生态承载力的评估变为一种范围估计，既适度承载力，而不是最大承载力；其次在于其将人类活动压力作为可调控的外力，将生态承载力视作一个开放的系统，克服了已有生态承载研究中将外力与内力相混淆的缺陷，能够更准确地衡量农地生态系统对人类活动的承载能力。

如果一定的农地生态承载力水平和承受的人类活动的压力对应一定的农地生态系统健康等级，就可以用图1描述农地生态系统健康、人类活动对农地生态系统的压力与农地生态承载力之间的关系。如图1所示，ON表示人类活动压力，PM表示农地生态承载力。当人类活动压力不变时，随着生态承载力的增加，农地生态系统状态趋于健康；当生态承载力不变时，随着人类活动压力增加，生态系统健康状态趋于病态。人类活动压力与生态承载曲线的交点Y与OM围成的区域OYM为生态系统健康区域，此时人类活动压力和农地生态承载力对应的健康状态均处于健康或更高等级。

OPY是“承载力缺乏”限制区，此时人类活动的压力应严格控制在OY线之下，一旦突破临界线，生态系统即进入非健康承载区，农地生态系统将退化或趋于病态。区域NYM是“压力过量”的限制区，此时生态承载力的减少应严格控制在YM线之下，一旦突破此临界线，同样进入非健康承载区。

Y、Y1、Y2分别为生态系统处于健康、亚健康和不健康状态时生态承载力曲线上的点，对应的C(Y)、C(Y1)、C(Y2)值为相应农地生态系统健康等级的生态承载力标准值，则OC(Y2)、OC(Y1)、OC(Y)和OM为农地生态系统不同健康状态下的生态承载力范围。

人类活动的双重性对健康状态下生态承载力的作用集中体现在对健康临界点Y的影响上，对农地生态系统起改善作用的人类活动ON′将使健康临界点上移至Y′，生态健康区域扩大为OY′M，使原有相同生态承载力水平对应的农地生态系统健康等级上升。反之，人类经济活动对农地生态系统的压力将导致健康临界点的下降，使原有相同生态承载力水平对应的农地生态系统健康等级下降。换言之，农地生态系统健康等级下对应的生态承载力量值不断下降，直至降为零。

2 评价的研究方法

2.1 概念模型

基于上述理论分析，本文采用状态空间表征农地生态承载力量值，并进一步阐述了其与生态系统健康状态之间的关系（见图2）。在图2所示的状态空间中，一定时空尺度内区域自然系统的任何一种承载状态都可以用生态承载力状态点表示，如D点，这些状态点代表了生态承载力在状态空间中的位置。状态空间中的原点与系统状态点构成的矢量模，如图2中的OD，代表了生态承载力量值。根据生态系统健康与农地生态承载力的关系（图1），一定的生态系统健康状态对应着一定的农地生态承载力水平，设图2中的A、B、C点为农地生态系统处于健康状态时生态弹性力、资源承载力和人类活动潜力的数值，则对于一定时段内的某一系统，曲面ABCD为对应农地生态系统健康状态下的生态承载力曲面。随着生态系统健康状态的提高，资源承载力、生态弹性力和人类活动潜力健康状态随之提高，因此，任何低于ABCD曲面的点，代表该生态承载力对应的生态系统健康状态趋于病态，而任何高于ABCD曲面的点，则表示该生态承载力对应的生态系统处于健康等级之上。

2.2 计量模型

根据以上概念模型，基于生态系统健康的农地生态承载力的数学表达式为：

式中：C为农地生态承载力；Mc为生态承载力空间向量的模；Ei为第i个资源指标在空间坐标轴上的投影；Rj为第j个生态弹性力指标在空间坐标轴上的投影；Hk为第k个人类活动潜力指标在空间坐标轴上的投影；wi，wj和wk为第i，j，k个指标对应的权重。为消除指标数据间量纲和量级影响，将指标进行归一化处理，（1）可用于计算得到农地生态承载力指数，用来表征生态承载力水平。指标归一化时注意正向指标（指标值越大，健康程度越高）与负向指标（指标值越小，健康程度越高）有所不同，最终使归一后指标数值越大，生态系统健康等级越趋于健康方向。

指标进行归一化时，首先将指标取值划分为三个区间，对中间区间采用内插法计算指标归一化指数。即：当指标实际值达到或超过非常健康标准值时，认为其基本满足农地生态系统健康发展的需要，规定指标归一化指数为最大值1；当指标实际值达到或低于病态时标准值时，指标归一化指数为最小值0。具体函数如下：

如果将生态承载力的动态性考虑其中，则基于生态系统健康的农地生态承载力指数可表示为：

（3）中，C为生态承载力指数；S为空间变量；T为时间变量；E为资源承载力指数；R为生态系统弹性力指数；H为人类活动潜力指数。（4）～（6）中，E1，E2，…En为资源承载力各要素；R1，R2…Rn为生态系统弹性力各要素；H1，H2…Hn为人类活动潜力各要素。采用灰色系统模型中经典的GM（1，1）模型可以预测生态承载力各要素，将预测结果代人（1）～（6）中，即可预测未来时段的生态承载力指数。

2.3 指标体系和评价标准

2.3.1 评价指标体系

根据前文所述，基于生态系统健康的农地生态承载力水平与生态系统健康状态息息相关，因此，生态承载力评价指标全部来自农地生态系统健康指标体系，以便于确定农地生态系统承载力与生态系统健康之间的定量关系。

农地生态系统是以农地利用为基础，以人类社会可持续发展为目的，促进经济、社会和生态三者之间和谐统一的自然、社会、经济复合系统。健康的农地生态系统必须保持系统内部结构和组织的稳定性，对外界的人类活动压力有足够的恢复力。不少学者已经对土地健康定义和研究内容作出了论述，在此基础上，蔡为民等（2004）初步建立了土地利用系统健康评价框架，陈美球等（2004）对鄱阳湖地区土地健康评价作出了实证研究。根据基于生态系统健康的农地承载力理论和模型，本文对前人衡量土地健康和土地利用系统健康指标体系进行归纳和筛选，遵循综合性、尺度适合性、简明性和可操作性原则，最终从资源承载方面、生态系统弹性以及人类活动三方面确定了衡量一般区域的农地生态系统承载力指标体系，共计包括7个指标（该指标体系可以根据研究区域具体尺度以及地域有所不同）。同时，本文采用定性与定量相结合的方法，具体以层次分析法为主，同时结合特尔菲法确定评价指标体系的权重。具体评价指标体系、指标含义及权重见表1。

2.3.2 评价标准根据生态承载力与生态系统健康关系与测算模型，生态承载力标准依托于生态系统健康评价标准，所以首先需要确定农地生态系统健康评价标准。将农地生态系统健康评价标准划分为病态、不健康、亚健康、健康、非常健康5个等级。可以根据研究区农地利用的平均水平和实际条件，综合参考相关文献以及生态县（省、市）等标准，采用专家评判标准赋值法提出农地生态系统非常健康以及病态的标准值，应用等距法确定亚健康、不健康和健康的标准值以及最终的农地生态系统健康等级标准。

生态承载力标准值划定时首先按照（2）对农地生态系统不同健康等级标准具体数值进行归一化处理，根据转化后的农地生态健康标准，通过（1）、（3）～（6）计算不同生态系统健康等级下的生态承载力指数标准值。通过这些标准值，可定量判断不同生态承载力指数对应的生态系统健康状态，以及人类活动作用于生态承载力造成的生态系统健康等级的变化，从而识别制约区域生态系统健康的瓶颈问题。具体生态承载力对应的生态系统健康状态判别标准如表2。

3 实证研究结果与分析

3.1 研究区概况

淮安地处淮河下游，地理上属于黄淮平原与江淮平原的结合部；气候上为北亚热带和北温带的过渡气候带，属于季风气候区，气候温和湿润，降水量较为丰富。总面积1.01万km2，2004年人口512万，境内平原广阔，河湖交错，土地肥沃，粮丰林茂。农地资源相对丰富和经济发展水平相对落后是淮安市社会经济发展过程中的两个重要特点。淮安市耕地总量、人均耕地占有量常年位居江苏13市的前列。有关监测表明，96％的耕地其土壤的综合污染指数都小于1.0，农业生产的生态环境条件良好，是全国重要的商品粮和农副产品产、销基地。但是由于地处江苏省经济发展落后的苏北腹地以及经济基础比较薄弱等各方面的原因，淮安市经济总量和城市发展综合水平等多项社会经济发展指数在江苏省内均处于较落后水平。目前，淮安市正处在工业化、城市化进程加快时期，农地资源日益受到工业和城市土地利用的经济竞争，经济建设发展的土地资源“硬”约束日益突出。

3.2 数据来源

为了获取淮安市农地生态承载力评价指标的原始数据查阅了大量的资料，这些资料包括公开出版的1996～2004年淮安市统计年鉴、江苏省统计年鉴、国土资源局统计资料以及淮安生态市建设规划等其他有关部门专项规划和统计资料。邀请包括土地管理、农业、环保方面高校教授和相关政府部门主管领导等共15位专家，通过两轮征询和数理统计处理，得出淮安市农地生态系统健康评价指标标准。

3.3 评价指标体系与标准

结合上文提出的基于生态健康的农地承载力理论探讨与研究方法，采用表1的指标体系与权重。根据相关研究成果、国家环保总局《生态县、生态市、生态省建设指标(试行)》和淮安市有关部门相关规划，采用专家评判标准赋值法给出了农地生态承载力评价标准（见表3）。与此相应，农地生态力承载标准见表4。

3.4 评价结果

按照淮安市农地生态系统健康评价指标体系以及评价标准，将淮安市1996-2004年指标值代入农地生态承载力评价模型，得到农地生态承载力指数以及各准则层度量结果（见图3）。采用GM（1，1）预测模型，计算淮安市2010年和2020年生态承载力指数的变化，结果见表5。根据表3及表4对淮安市农地生态系统承载力指标的健康状态进行了分析，结果见表6。

3.5 结果分析

3.5.1 1996-2004年农地生态承载力变化

从图3可以看出，淮安市1996-2004年农地生态承载力指数呈平缓上升趋势，从0.275 1增加到0.290 0，增加了5.41%。这是由农地生态承载力三方面变化共同造成的。

资源承载力指数有一定程度的下降，从1996年的0.096 1下降到2004年的0.087 9，下降幅度8.56%。表明该区域人类活动对于农地资源承载力造成的负荷在加剧。究其原因主要在于资源承载力中占权重较大的人均耕地面积的不断下降，从1996年的0.101 hm2/人下降到2004年的0.094 hm2/人，下降幅度7.37%。

生态弹性指数从1996年的0.2524上升到2004年的0.2558。其中，虽然多样性指数略有下降，但森林覆盖率上升较好的保证了生态弹性的增加。表面该区重视生态造林等恢复农地生态系统弹性的措施取得一定成效。

人类活动潜力指数呈逐年上升趋势，主要得益于该区利用农地资源集约程度的上升，单位二三产消耗建设用地面积从1996年的0.122 hm2/万元下降到2004年的0.035 hm2/万元。但同时也不能忽视人口密度的增加对农地生态系统造成的压力。

3.5.2 农地生态承载力预测

从表5可以看出，预测得出的2010年和2020年农地生态承载力指数将分别达到0.298 6和0.298 7。2010年和2020年生态弹性指数和人类活动潜力指数均比2004年得到提高，资源承载力指数则呈下降趋势，分别比2004年低0.091和0.016 6，2020年下降幅度小于2010年。农地生态承载力水平会有所增加说明社会经济发展、技术水平提高以及生态保护意识的提高能够暂时弥补资源承载能力的下降，而且随着时间的发展，农地资源承载力下降趋势也得到逐步缓解。

3.5.3 1996-2004及规划年农地生态承载力的健康状态

从表6可以看出，1996-2004及规划年淮安市农地生态承载力仍处于健康状态，1996-2004资源承载力水平呈亚健康状态，但到规划年资源承载力水平会下降为不健康状态；1996-2004及规划年生态弹性水平均呈非常健康状态；人类活动潜力由2002年由亚健康状态转变为健康状态，表明人类活动对农地生态系统的压力有一定程度的减少。

4 结论与讨论

（1）基于生态系统健康的农地生态承载力由资源承载力、生态系统弹性力和作为调控因子的人类潜力3者的合力构成，可衡量一定社会经济条件下，自然生态系统维持其服务功能和自身健康的潜在能力。该概念将生态承载力与生态系统健康状态有机联系起来，体现了生态承载力的动态性与可调控性。

（2）案例研究表明，淮安市农地生态承载力水平仍处于健康状态且不断提高，特别是生态弹性水平一直维持在非常健康状态，而且人类活动潜力逐步由亚健康状态过渡到健康状态，不容忽视的是资源承载力水平不断下降给农地生态承载力带来一定压力。虽然人类活动潜力和生态弹性力的提高可以弥补资源承载力的下降，但从长远看人类活动潜力提高不能替代资源承载力的减少，因此以后应加强对农地生态承载力各指标进行优化，即控制人口增长，增加人均耕地资源的可供性，提高资源集约利用程度，加大生态恢复措施力度，从根本降低区域农地生态承载力压力，才能提高农地生态承载力水平，保证农地资源的可持续利用。

（3）承载力在测度的过程中，包括评价指标筛选、评价标准的确定与赋权时都无法避免人们价值取向和经验性判断等人为因素的影响（尽管具有一定的科学依据）。因此评价指标筛选、评价标准的确定与赋权方面仍需要进一步研究。

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