区域承载力定量研究方法探讨.doc

摘要： 区域承载力作为衡量区域可持续发展的重要标志，是由资源承载力和环境承载力演化而来的。在总结国内外区域承载力研究方法的基础上，提出采用状态空间法作为量度区域承载力的基本方法。通过建立评价指标体系对环勃海地区区域承载力进行定量评价，并利用系统动力学模型对区域承载力和承载状况的变化趋势进行模拟和预测。关键词： 区域承载力；状态空间法；指标体系；可持续发展.中图分类号：F061.5文献标识码：A区域承载力是指不同尺度区域在一定时期内，在确保资源合理开发利用和生态环境良性循环的条件下，资源环境能够承载的人口数量及相应的经济社会总量的能力。区域承载力具有系统性、开放性、动态性和综合性等特点，它除受其物质基础区域资源环境制约外，还受区域发展水平、产业结构特点、科技水平、人口数量与素质以及人民生活质量等多方面的影响，但在某一阶段又具有相对的稳定性。区域承载力作为衡量区域可持续发展的重要标志，区域承载力的提高也就意味着区域可持续发展能力的增强。通过对区域承载力的深入研究，可以定量的揭示区域发展中存在的主要问题，并为该区域实施可持续发展战略提供具有可操作性的调控对策。1区域承载力研究概述 承载力最初是理论种群生态学中的一个概念，表示某一生物区系内各种资源（光、热、水、植物、被捕食者）能维持某一生物种群的最大数量。由于这一概念在理论上能用某种量化模型加以描述，因此很快就被用于人口学、资源学和环境科学领域，成为对其进行定量评价的重要指标，如资源承载力和环境承载力。由于自然资源与生态环境之间存在着相互制约和相互促进的紧密联系，例如自然资源的过度消耗与浪费，常常导致环境污染和生态破坏。近年，随着区域可持续发展研究的深入，又提出了以资源环境为对象的区域承载力概念。1.1资源承载力 近半个世纪来，国外对资源承载力的研究主要集中于土地、水和关键矿产资源方面。1949年美国的Allan1将土地承载力定义为：“在维持一定水平并不引起土地退化的前提下，一个区域能永久地供养人口数量及人类活动水平”。5070年代，国外许多学者探讨了土地承载力的计算依据为：在确保不会对土地资源造成不可逆的负面影响的前提下，土地的生产潜力能容纳的最大人口数量25。同时，对承载力的研究从静态转向动态，Millington等6 应用多目标决策分析方法，以各种资源（土地、水、气候、能源等）对人口数量的限制，计算了澳大利亚的土地资源承载力。80年代中，在石玉林、陈百明主持的“中国土地生产能力及人口承载量研究”中，将土地承载力定义为：“在未来不同时间尺度上，以可以预见的技术、经济和社会发展水平及与此相适应的物质生活水准为依据，一个国家和地区利用自身的土地资源所能持续供养的人口数量”7。80年代后期以来，土地和水资源承载力研究在中国全面展开，其中具代表性的有：张玖明等完成的黄淮海平原土地承载力研究（1988），杨晓鹏等完成的青海省土地资源的人口承载力研究（1993）8，邓永新等完成的新疆塔里木盆地的土地资源人口承载力研究（1994）9。水资源承载力是指“在某一历史发展阶段的技术、经济和社会发展水平下，水资源对该地区社会经济发展的最大支撑能力”10。其中水平较高的有许新宜等11完成的华北平原水资源承载力研究和贾绍凤等完成的柴达木盆地水资源承载力研究10。徐强12 提出的矿产资源经济承载能力为：“矿产资源对未来经济发展速度的支持能力，它通过测算经济发展速度对资源的需求，来确定未来可利用资源条件下的经济发展速度”。1.2环境承载力 由于区域环境承载力是由环境容量概念演化而来的，因此，环境承载力概念自70年代起广泛应用于环境管理与环境规划中。1974年，Bishop13在环境管理中的承载力一书中指出：“环境承载力表明在维持一个可以接受的生活水平前提下，一个区域所能永久地承载的人类活动的强烈程度”。D Schneider强调，环境承载力是“自然或人造环境系统在不会遭到严重退化的前提下，对人口增长的容纳能力”17。IUCN/UNEP/WWF151991年在保护地球中指出：“地球或任何一个生态系统所能承受的最大限度的影响就是其承载力。人类对这种承载力可以借助于技术而增大，但往往是以减少生物多样性和生态功能作为代价的，然而在任何情况下，也不可能将其无限的增大”。叶文虎、唐剑武17将环境承载力定义为：“某一时期，某种环境状态下，某一区域环境对人类社会经济活动支持能力的阈值”，所谓某种环境状态是指“环境系统的结构不向明显不利于人类生存方向转变”，并采用多种指标综合的状态空间法对区域环境承载力的量化做了初步尝试。彭再德等18则认为，“区域环境承载力是指在一定时期和一定区域范围内，在维持区域环境系统不发生质的改变，区域环境功能不朝恶性方向转变的条件下，区域环境系统所能承受的区域社会经济活动的适宜程度”。1.3区域承载力 区域承载力是以区域资源环境为对象，研究它同人类的经济社会活动之间的相互关系。早在60年代末到70年代初，由美国麻省理工学院的D 梅多斯等19学者组成的“罗马俱乐部”，就利用系统动力学模型对世界范围内的资源（包括土地、水、粮食、矿产等）环境与人的关系进行评价，构建了著名的“世界模型”，深入分析了人口增长、经济发展（工业化）同资源过度消耗、环境恶化和粮食生产的关系，并预测到21世纪中叶全球经济增长将达到极限。为避免世界经济社会出现严重衰退，提出了经济的“零增长”发展模式。英国的Slesser20提出采用ECCO模型作为新的资源环境承载力的计算方法，该模型在“一切都是能量”的假设前提下，综合考虑人口资源环境发展之间的相互关系，以能量为折算标准，建立系统动力学模型，模拟不同发展策略下，人口与资源环境承载力之间的弹性关系,从而确定以长远发展为目标的区域发展优选方案。该模型在一些国家应用取得了较好的效果，并得到联合国开发计划署的认可。90年代以来，国内一些学者也尝试进行以区域资源环境诸要素综合体为对象的区域承载力研究。王学军21提出的“地理环境人口承载潜力”为：“在一定时间、一定的空间内，在保持一定生活水准、并不使环境发生不可逆化前提下，生产的物质和全体环境要素状况所能容纳的最大人口限度”，它是“由地理环境各要素和人类本身的数量、素质、分布、活动，以及区际间的人员、物质、能量、信息交流所决定的”。在研究方法上采用二级模糊综合评判方法，通过构建评估指标体系，并采用层次分析法求得指标的权重，从自然、社会、经济三个层面就中国分省区的地理环境承载力潜力进行了评判21。牛文元等将区域承载力研究同实施可持续发展战略相结合，提出了中国可持续发展的战略目标为：实现人口规模的零增长，能源资源消耗速率的零增长，生态退化率的零增长。并通过构建一套包括5个支持系统（生存支持系统、发展支持系统、环境支持系统、社会支持系统和智力支持系统）、16个系统状态、47个变量指数、249个具体指标的指标体系，据此对全国30个省、市、自治区的可持续发展总体能力进行了综合评价22。通过对国内外区域承载力研究现状的综合分析，可以看出该项研究中存在的主要问题为：一是现状研究大多侧重于某些单要素的承载力研究，特别是某些短缺性的水、土、能源等矿产资源承载力，因此，如何在区域承载力研究中将区域经济社会发展同人口、资源、生态环境紧密结合进行综合研究，在理论方法上均有待进一步完善和深化。二是以往的承载力研究，主要偏重于现状的分析，而从区域管理出发，必须加强对区域承载力的动态变化过程及发展趋势的预测研究。三是如何将区域承载力研究同可持续发展紧密结合，提出具有可操作性的提高区域承载力的对策措施，为实施可持续发展战略提供决策依据。2 状态空间法在定量研究区域承载力中的应用 2.1状态空间法的基本原理 状态空间是欧氏几何空间用于定量描述系统状态的一种有效方法。通常由表示系统各要素状态向量的三维状态空间轴组成（图1）。应用状态空间法可作为定量地描述和测度区域承载力与承载状态的重要手段。 图1所表示的三维状态空间包括作为受载体的人口及其经济社会活动和作为承载体的区域资源环境三个轴。利用状态空间法中的承载状态点（如图中的A、B、C点），可表示一定时间尺度内区域的不同承载状况。不仅不同的人类活动强度对资源环境的影响程度差别十分悬殊，而且不同的资源环境组合所对应的人类活动强度也不相同，如D、E点代表了两种资源环境组合下的区域承载力。所有这些状态空间中由不同资源环境组合形成的区域承载力点构成了区域承载力曲面DY max 和CX max 。根据区域承载力在状态空间中的含义，任何低于该曲面的点（如A点）代表某一特定资源环境组合下，人类的经济社会活动低于其承载能力，而任何高于该曲面的点（如B点）则表明人类的经济社会活动已超出该特定资源环境组合的承载能力。 图1区域承载力概念模型示意图 Fig 1Concept model of regional carrying capacity 据此，可采用状态空间中的原点同系统状态点所构成的矢量模表示其大小，如图1中的OC和OD。由此得出区域承载力的数学表达式为：RCC=M= (1)式中：RCC（Regional Carrying Capacity）即区域承载力值的大小；|M|为代表区域承载力的有向矢量的模，如图1中OD的模OD；x ir 为区域人类活动与资源环境处于理想状态时在状态空间中的坐标值，（i=1，2，n）；.如考虑到人类活动与资源环境各要素对区域承载力所起的作用不同，因而状态轴的权重也不一样，当考虑到状态轴的权时，区域承载力的数学表达式为：RCC=M= (2)式(2)中的wi就是xi轴的权。 2.2区域承载状况的定量描述 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，通常会有一定的偏差，从而导致区域承载状况出现超载、满载与可载3种情况。区域承载状况的计算公式为：RCS=RCCcos (3)式中：RCS（Regional Carrying States）为现实的区域承载状况；RCC为区域承载力；为现实的区域承载状况矢量与该资源环境承载体组合状态下的区域承载力矢量之间的夹角（即图1中OA与OD的夹角）。根据矢量夹角计算公式可求得：cos= (a,b)/ab= /( ) (4) 式中，a、b分别代表状态空间中的两个向量，假设其顶点分别为A、B，x ia 和x ib 则代表顶点A、B在状态空间中的坐标值（i=1，2，. ，n），n代表状态空间的维数。在本文概念模型中，n=3。根据上述概念模型分析可得出如下结论：超载时的区域承载状况的矢量的模必然大于区域承载力矢量的模；反之，可载时区域承载状况矢量的模则小于区域承载力矢量的模。据此，可对夹角的符号及现实的区域承载状况与区域承载力的关系用下式表明：JB(0,RCSRCC超载 =0,RCS=RCC满载 0,RCSRCC可载JB) (5)式中，RCS表示现实的区域承载力矢量的模； RCC 表示理想状态时的区域承载力矢量的模；为两者的夹角。上述概念模型中，人类活动主要考虑其对承载体施压方面，而对人的主观能动作用则重视不够，特别是随着科技的迅速发展，人类可以采用新的替代资源；或是通过对自身活动的约束，减少资源消耗与环境污染，从而达到提高承载体的承载能力。因此，在实际工作中，必须将人类活动区分为压力类活动与潜力类活动两类，并设计相应的指标，才能确保研究成果的科学性。2.3区域承载力的理想状态 综合上述分析，本文将现实的区域承载状况同理想的区域承载力之间的偏差值作为定量描述区域承载状况的基础。因此，确定不同时期区域承载力的理想状态值就显得更为重要。通常采用问卷调查法征集当地有关专家、学者和政府决策者的意见，并转换成相应的定量化数据；或者利用现有的一些国内及国际标准来确定不同时期的区域承载力理想状况；也可利用与研究区域条件相近，但更接近可持续发展状态的区域作为参考标准，而求得一定时期区域承 载力的理想状态。以上方法可以互为补充，并同指数法、区段模糊隶属函数等数学方法相结合。例如，环渤海地区三省两市19941998年的理想状态值计算公式为： RCC 9498 = =0 6280 (6)2 4构建区域承载力的评价指标体系 在区域承载力研究中，应用状态空间法构建评价指标体系，除遵循共同原则（如科学性、可操作性、层次性、完备性和动态性原则）外，在指标选取时，还必须充分考虑承载体与受载体之间的互动反馈方式、强度、后效、潜力与相互替代等特点，为此，分别设计了以下三类指标：承压类指标。主要反映承载体的状态与发展方面的指标，如该区域内主要自然资源的拥有量，以及可提高承载能力的潜力类指标（如经济发展水平、科技进步、环境治理及生活质量指标）。压力类指标。主要反映人类为谋求自身发展和获取更多的社会财富而对承载体施加的压力。包括人口的数量及素质，伴随着人类经济社会活动增强而引发的经济增长、资源消耗与环境污染等。区际交流指标。任何一个区域都不是封闭与孤立的，而是一个开放的巨系统，区际间（也可延伸到国家间）通过人流、物流、资金流和信息流的交流乃至跨流域调水等，将强烈地改变着区域承载力与承载状况。为了确保指标选取的科学性和合理性，在具体操作过程中，还要进行指标间的多重共线性分析，尽量减少由于指标间的重叠信息而影响分析结果的客观性，通常采用线性回归方法，以最小二乘原则求算。本次研究中采用社会经济统计分析软件SPSS的CORRELATE过程中的BIVARIATE分析方法进行23，其结果见图2。指标赋权通常采用层次分析法（AHP法）和熵值法，本文采用熵值法赋权，其基本原理及方法步骤已有专文论述24。根据该文提供的有关公式，经计算后得出环渤海地区区域承载力评价指标体系各指标的权重。例如，GDP年 均增长率的权重为0 0742，万元GDP水资源消耗量 0 0967 ，万元GDP废水排放量为0 .714，总人口 0 0644 ，人口自然增长率0 0696，人均水资源量 0 0688 ，科技进步在经济增长中贡献率为0 0410等。3 区域承载状况的动态模拟及变化趋势预测. 3.1 系统动力学模型在区域承载力研究中的应用 系统动力学（System Dynamics ）是1956年由美国麻省理工学院J W Forrester创立的一门分析研究信息反馈系统的学科。由于系统动力学方法是一种定性与定量相结合，系统、分析、综合与推理集成的方法，并配有专门的DYNAMO软件，给模型的仿真、政策模拟带来很大方便，加之系统动力学模型所考虑的是整个系统的最佳目标，强调大系统中各个子系统的协调和大系统的综合。而区域承载力具有高阶次、非线性、多变量、多反馈、机理复杂和时变特征等。因此，利用系统动力学（SD）模型可以较好的把握系统的各种反馈关系，将系统与环境、系统内部各子系统之间相互作用的复杂关系通过一系列微分过程和函数关系加以表述，从而实现对系统结构、功能乃至发展趋势进行模拟和预测。 3.2SD模型的架构 根据区域承载力及承载状况的反馈关系，同时采用回归预测、灰色预测、差分递归预测等多种方法，构建了环渤海地区区域承载力的SD模型，该模型由95个方程组成，包括状态方程、常数方程、速率方程、表函数、辅助方程等。模型共分为经济子模块、环境子模块、物耗子模块、人口子模块、承载基础子模块、生活质量子模块和区际交流子模块7个部分，在模型编写过程中，要对每一个函数、变量给出完整、明确的定义与数学表述，并要求融入其他各种数学方法对模型变量的估计与运算，将方程群展开为实际的可运算函数。例如，在环渤海地区区域承载力的SD模型中以表函数形式出现的辅助方程，其数据主要由灰色等维递补模型预测而得，其他一些辅助方程则采用对数回归、指数回归及差分递归等方法预测得出的。最终应用专用的系统动力学编写语言来实现。 图2环渤海地区区域承载力评价指标体系 Fig.2Index system of Regional Carrying Capacity in the surrounding Pohai Bay 3.3SD模型模拟及结果分析 将编写好的SD模型，放在装有SD语言编译器的计算机上进行编译和模拟，该过程应由模型用户和模型编写者共同参与，一方面通过“人机对话”对模型结构和参数进行必要的修正；另一方面，将模型运行结果与实际相结合，在应用中不断发现问题，进而为改进模型提供依据。 在环渤海地区区域承载力研究中，SD模型预测可分为3个时段，即19992005年、20062010年、20112015年。根据本次采集而得的环渤海地区三省两市以及渤海沿岸13个地市19941998年时段的系统数据，通过定性与定量研究相结合方法推算出上述三个时段的理想状态，按上述公式（3）、（4）、（5），可求得环渤海地区三省两市和渤海湾沿岸13地市在每一时段的承载力和承载状况，并加以判断，图3为环渤海地区三省两市19992015年的承载力及承载状况。通过SD模型的模拟和预测结果，环渤海地区三省两市不仅当前、而且到2015年的承载状况仍处于超载状态。但就各个时段而言，其超载状况又都在获得一定改善，即向好的方向发展。同时，由于理想状态本身也在发展变化中，因此，以状态权空间的矢量模变化趋势计算而得的区域承载状况向承载力接近的速率也有所不同，例如19941998年为4 5%， 图319992015年环渤海地区承载力及承载状况变化总趋势 Fig 3The tendency of carrying capacity and states in the surrounding Pohai Bay19992005年为2 69%，20062010年为2 32%，20112015年为1 86%。预测到2015年环渤海地区承载状况值（RCS 2015 =0 6642）已接近该时段的区域承载力（RCC 20112015 =0 6786），这表明，该区将从目前的弱可持续向较强的可持续方向发展。参考文献(References)：1Allan W A Studies in African Land Usage in Northern Rhodesia, Rhodes Livingstone Papers and No 15 Cape Town :Oxford University Press,1949.2Conklin Harod.Population-land balance under systems of tropical forest agriculture.In: Proceedings of the Ninth Pacific Science Congress of the Pacific Science AssociationC.Bangkok, Thailand, 1957 63.3Carneiro Robert.Slash-and Burn Agriculture: A Closer Looks at its Implications for Settlement Patterns, Men and Cultures.Philadelphia: University of Pennsylvania Press, 1960.229-234.4Gourou Pierre The Tropical World (4th ed).New York: Ronald Press, 1966.5Brush Stephen.The concept of carrying capacity for systems of shifting cultivation American Anthropologist, 1975,77(4):799-811.6Millington R, Gifford R, et al.Energy and How We Live Australian UNESCO Seminar, Committee for Man and Biosphere, 1973.7The Group of the Research of Land Resource Throughput and Population Carrying Quantity in China The Research of Land Resource Throughput and Population Carrying Quantity in China Beijing:China Renmin University Press,1991 中国土地资源生产能力及人口承载量研究课题组 中国土地资源生产能力及人口承载量研究 北京:中国人民大学出版社,1991 8Yang Xiaopeng,Zhang Zhiliang The system dynamics study on the population carrying capacity of land in Qinghat Province.Scientia Geographica Sinica,1993，13(1):69-77.杨晓鹏,张志良 青海省土地资源人口承载量系统动力学研究 地理科学, 1993,13(1):69-77 9Deng Yongxin.The system and research on population carrying capacity Arid Zone Research, 1994，11(2):28-34 邓永新 人口承载力系统及其研究以塔里木盆地为例 干旱区研究, 1994,11(2):28-34 10Liu Yanhua, ed.The Rational utilization of Water Resource and Environmental Protection in Qiadam Basin .Beijing: Science Press, 2000 204-212.刘燕华主编 柴达木盆地水资源合理利用与生态环境保护 北京:科学出版社,2000 204-212 11Xu Xinyi,ed The Theories and Methods on Macro-economic Water Resource Planning in North China Region Beijing :Yellow River Water Conservancy Press,1997 许新宜主编 华北地区宏观经济水资源规划理论与方法 郑州:黄河水利出版社,1997 12Xu Qiang.An exploration of several problems about the analysis of regional mineral resources carrying capacity.ournal of Natural Resources, 1996,11(2):135-140 徐强 区域矿产资源承载能力分析几个问题的探讨 自然资源学报, 1996,11(2):135-140 13Bishop A, Fullerton, Crawford A Carrying Capacity in Regional Environment Management.Washington: Government Printing Office, 1974.14Schneider D.The Carrying Capacity Concept as a Planning Tool.Chicago: American Planning Association, 1978.15IUCN/UNEP/WWF Caring for the Earth: A Strategy for Sustainable Living.IUCN, Switzerland, 1991.16Ye Wenghu,Mei Fengqiao, Guan Boren.The theory and science significance of carrying capacity Research on Environmental Science,1992,5(suppl):108-111 叶文虎,梅凤桥,关伯仁 环境承载力理论及其科学意义 环境科学研究,1992,5(增刊):108-111 17Tang Jianwu,Guo Huaicheng,Ye Wenhu.Environmental carrying capacity and its application on environmental planning China Environmental Science, 1997,17(1):6-9.唐剑武,郭怀成,叶文虎 环境承载力及其在环境规划中的初步应用 中国环境科学,1997,17(1):1997,PP6-9 18Peng Zaide ,Yang Kai, Wang Yun The primary exploring of the research method of AESC China Environmental Science,1996 16(1):6-9 彭再德,杨凯,王云 区域环境承载力研究方法初探 中国环境科学,1996,16(1):6-9 19Meadows D H.The Limits to Growth.Beijing :The Commercial Press,1984 梅多斯著 增长的极限 于树生译 北京:商务印书馆,1984 20Sleeser M.Enhancement of Carrying Capacity Options ECCO.The Resource Use Institute, 1990.21Wang Xuejun.A preliminary study on potential population supporting capacity of geographical environment and its regional difference Scientia Geographica Sinica, 1992,12(4):322-327 王学军 地理环境人口承载潜力及其区际差异 地理科学,1992,12(4):322-327 22 CAS Sustainable Development Research Group.The Report of Sustainable Development Strategy in China.Beijing: Science Press,2000 中国科学院可持续发展研究组 2000中国可持续发展战略报告 北京:科学出版社,2000 23. Lu Wendai,Zhu Yili, Sha Jie,et al, eds.SPSS for Windows: from ABC to Master Beijing: Electronics Industry Press, 1998 卢文岱,朱一力,沙捷,等编著,SPSS for Windows:从入门到精通 北京：电子工业出版社,1998 24. Guo Xianguang.Application of improved entropy method in evaluation of economic result System Engineering-Theory & Practice, 1998,(12):98-102 郭显光 改进的熵值法及其在经济效益评价中的应用 系统工程理论与实践,1998,(12):98-102 A STUDY ON THE QUANTITATIVE RESEARCH OF REGIONAL CARRYING CAPACITY MAO Han-ying,YU Dan-lin (Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101,China).Abstract: Regional Carrying Capacity (RCC)means the population and corresponding economic and social activities that the regional resources and environmental capacity could carry ,within a confined temporospatial limits and under the condition of ensuring rational exploitation of resources and without deteriorating the environment.Being an important symbol to weigh the Regional Sustainable Development, the Regional Carrying Capacity evolved from resource carrying capacity and environmental carrying capacity.Based on the summing-up of the research on carrying capacity of land ,water and key mineral resources at home and abroad and the research methods of environmental carrying capacity and regional carrying capacity, this paper puts forward a basic method of state space to measure the regional carrying capacity.It is the incomplete anastomose and existent divagation between practical regional carrying status and ideal regional carrying capacity in state space that induce three states of over-loading, full-loading and proper-loading.The authors put forward a method to describe quantitatively the regional carrying status and formula of computing the ideal states of regional carrying capacity sometime.This paper constructs RCC indicator system which includes the pressure index, support index and inter-region communication index and uses the weigh distribution method of entropy value.Based on the above-mentioned research, the paper evaluates quantitatively the regional carrying capacity, predicts and simulates the development tendency of the Regional Carrying Capacity and the Regional Carrying States the region surrounding Bahai Bay by the agency of System Dynamics.Key words:Regional carrying capacity；Method of state space；Indicator system;Sustainable development.