張 遠(yuǎn)，周凱文,楊中文,張魯駿,任曉慶,3

(1.大連海洋大學(xué) 水產(chǎn)與生命學(xué)院,大連 116023;2.中國環(huán)境科學(xué)研究院 河流生態(tài)保護(hù)與修復(fù)研究室,北京 100012;3.南開大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300350)

隨著人類活動的加劇,自然資源過度開發(fā)和生態(tài)環(huán)境惡化等問題日益凸顯,引起了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[1-3],承載力(carrying capacity)是衡量人類活動與自然生態(tài)環(huán)境間相互關(guān)系的科學(xué)概念,最早可追溯至1798年Malthus人口論[4],近年來在資源、環(huán)境、生態(tài)等學(xué)科領(lǐng)域承載力研究方興未艾[5-8]。水系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)存在著復(fù)雜的承載關(guān)系,經(jīng)濟(jì)社會作為施壓主體從自然水系統(tǒng)(承壓客體)中開發(fā)利用水資源,并經(jīng)過社會水循環(huán)過程向天然水體排污,導(dǎo)致水環(huán)境壓力[9-10]；另一方面,人類經(jīng)濟(jì)社會活動又直接(生態(tài)修復(fù)、養(yǎng)殖、捕撈等)或間接(干擾水量、水質(zhì)過程)地影響水生態(tài)健康狀態(tài)[11-12]。因此,隨著水生態(tài)問題日益凸顯,近年來水生態(tài)承載力已成為與水相關(guān)承載力研究的熱點(diǎn)。

總體而言,當(dāng)前水生態(tài)承載力研究仍處于理論探索階段,尚未形成統(tǒng)一概念,其與水資源承載力、水環(huán)境承載力相互辨析不夠清楚,影響了水生態(tài)承載力指標(biāo)體系的科學(xué)性及其在廣泛實(shí)踐中的應(yīng)用。本文旨在調(diào)研前人研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上,科學(xué)辨析水生態(tài)承載力概念內(nèi)涵,進(jìn)一步構(gòu)建水生態(tài)承載力指標(biāo)體系。以期為水生態(tài)承載力科學(xué)研究奠定理論基礎(chǔ),同時對水生態(tài)承載力的實(shí)施應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 水生態(tài)承載力的發(fā)展進(jìn)程

20世紀(jì)中后期,世界范圍內(nèi)爆發(fā)了嚴(yán)重的資源環(huán)境危機(jī),國外學(xué)者首先針對資源環(huán)境問題進(jìn)行早期探索。在Hawden等[13]承載力研究的基礎(chǔ)上,威廉福格特[14]的著作《生存之路》針對資源環(huán)境過渡開發(fā)提出了區(qū)域承載力概念。20世紀(jì)70年代聯(lián)合國糧農(nóng)與教科文等組織提出資源承載力概念并開展了關(guān)于土地承載力的研究[15]。同期,Bishop所著《區(qū)域環(huán)境管理中的承載力》中面向環(huán)境污染問題提出了環(huán)境承載力概念:“在維持一個可以接受的生活水平前提下,一個區(qū)域能永久承載的人類活動的強(qiáng)烈程度”[16]。由此“資源環(huán)境承載力”成為承載力研究的主要發(fā)展方向。水是支撐人類社會發(fā)展的關(guān)鍵要素之一,關(guān)于其承載力的研究一直為人們所關(guān)注。國內(nèi)學(xué)者圍繞水承載力開展了大量工作,呈現(xiàn)出由水資源、水環(huán)境承載力向水生態(tài)承載力演替趨勢。

我國作為世界13個最貧水國家之一,人均水資源量僅為世界平均水平的四分之一[17-19],應(yīng)對水資源短缺危機(jī)首當(dāng)其沖成為研究者關(guān)注的重點(diǎn)。水資源承載力(water resources carrying capacity, WRCC)是承載力概念與水資源學(xué)的結(jié)合[20],國外研究者多將水資源承載力理念納入可持續(xù)發(fā)展中進(jìn)行探討[21-25]。20世紀(jì)80年代,國內(nèi)學(xué)者結(jié)合我國實(shí)際提出水資源承載力理論,探討了水資源承載力的概念和內(nèi)涵,并提出一系列量化和評估方法[26-32]。近年來國外主要以“水足跡”(water footprint)[33]為代表,以探究水資源對人類社會活動的承載關(guān)系。

人類在攫取水資源的同時也通過生產(chǎn)生活過程向自然水系統(tǒng)排放污染物,導(dǎo)致水環(huán)境污染在水資源短缺危機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)一步制約著人類社會的發(fā)展。20世紀(jì)90年代,在水環(huán)境問題日益窘迫的背景下,水環(huán)境承載力成為繼水資源承載力之后提出的又一新概念，水環(huán)境承載力雛形源于環(huán)境容量[34],其概念于1994年《我國新經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)水環(huán)境規(guī)劃研究》報(bào)告中被正式提出[35]。此后我國學(xué)者陸續(xù)開展了水環(huán)境承載力理論探索[36-37]、量化評估[38-39]及應(yīng)用驗(yàn)證研究[40-41],并取得一系列研究成果。

水生態(tài)承載力是近年來針對水生態(tài)服務(wù)功能保護(hù)提出的新興科學(xué)概念?？紤]資源短缺、環(huán)境污染和生態(tài)退化的多重生態(tài)壓力,研究者提出了面向生態(tài)文明的生態(tài)承載力概念[42]。在其指引下,針對水生態(tài)系統(tǒng)的承載力研究被提上日程。水生態(tài)承載力是國內(nèi)提出的面向水生態(tài)系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)社會協(xié)調(diào)發(fā)展,涵蓋水量、水質(zhì)、水生態(tài)綜合要素的承載力理念,將成為未來流域綜合管理的理論與技術(shù)支撐。為此,“十一五”以來國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(水專項(xiàng))特別針對水生態(tài)承載力設(shè)置研究任務(wù),圍繞水生態(tài)承載力基礎(chǔ)理論、評價(jià)方法、調(diào)控技術(shù)等方面展開研究,并在其推動下涌現(xiàn)出了系列研究成果。2009年,李靖[43]最早在葉爾羌河流域水生態(tài)承載力評估中提出了水生態(tài)承載力概念。2009—2010年,水生態(tài)承載力在理論和評價(jià)方法上進(jìn)行了初步創(chuàng)新和研究區(qū)驗(yàn)證[44-46];2010年至今,水生態(tài)承載力在概念內(nèi)涵、評價(jià)指標(biāo)、評價(jià)方法等方面均取得一定進(jìn)展[47-51]。

隨著研究的深入,諸多學(xué)者逐漸認(rèn)識到水生態(tài)承載力是涉及多學(xué)科、寬領(lǐng)域、深層次的科學(xué)研究,且需圍繞水生態(tài)系統(tǒng)與人類經(jīng)濟(jì)社會活動間的協(xié)同發(fā)展關(guān)系開展理論和技術(shù)體系建設(shè),以支撐流域/區(qū)域水生態(tài)環(huán)境管理應(yīng)用。2012年,國際“未來地球計(jì)劃”[52]和我國生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略的提出[53],勢必推動水生態(tài)承載力研究向科學(xué)化、系統(tǒng)化、實(shí)用化方向發(fā)展。當(dāng)前,有必要夯實(shí)水生態(tài)承載力理論基礎(chǔ),開展科學(xué)概念辨析和基礎(chǔ)指標(biāo)體系構(gòu)建,為全面推進(jìn)水生態(tài)承載力研究進(jìn)程奠定基礎(chǔ)。

2 水生態(tài)承載力的概念辨析

2.1 水生態(tài)承載力概念界定

不同研究者對水生態(tài)承載力認(rèn)知各異。李靖[54]認(rèn)為水生態(tài)承載力是：一定階段某一流域在滿足自身健康發(fā)展的前提下,在一定環(huán)境背景下所能支撐的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模的閾值。譚紅武等[48]將水生態(tài)承載力定義為:在維持河湖生態(tài)子系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)、功能一定程度的穩(wěn)定及其所支持的社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)可持續(xù)運(yùn)行的前提下,社會經(jīng)濟(jì)河湖復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)所能支撐的一定技術(shù)水平下、一定生活水平的人類社會經(jīng)濟(jì)規(guī)模的閾值。王西琴等[51]界定水生態(tài)承載力為：在維持水生態(tài)系統(tǒng)自身及其支持系統(tǒng)健康的前提下,基于一定的生態(tài)保護(hù)和承載目標(biāo),自然水生態(tài)系統(tǒng)所能支撐的人類活動的閾值。彭文啟[55]提出的概念是:在維持良好水生態(tài)狀況條件下水資源、水環(huán)境系統(tǒng)所能支撐的最大人口數(shù)量和經(jīng)濟(jì)規(guī)模。李林子、傅澤強(qiáng)等[56]認(rèn)為水生態(tài)承載力是：一定時間發(fā)展階段,在特定流域自然水生態(tài)系統(tǒng)健康不受損害的前提下,根據(jù)該階段的經(jīng)濟(jì)效率和社會配置,復(fù)合水生態(tài)系統(tǒng)所能承載的最大經(jīng)濟(jì)總量和人口數(shù)量。

基于以上概念,分析認(rèn)為當(dāng)前水生態(tài)承載力概念存以下不足。

2.1.1 水生態(tài)內(nèi)涵體現(xiàn)不足 當(dāng)前水生態(tài)承載力概念多來自于對水資源承載力和水環(huán)境承載力概念的拓展,只是簡單將水生態(tài)健康作為承載力的內(nèi)涵,而并未充分體現(xiàn)水生態(tài)系統(tǒng)的功能特性。水生態(tài)系統(tǒng)[57],是由水生生物群落與水環(huán)境相互制約,通過物質(zhì)循環(huán)和能量流動,共同構(gòu)成的具有一定結(jié)構(gòu)和功能的動態(tài)平衡系統(tǒng)。水生態(tài)系統(tǒng)功能特性主要指其生態(tài)服務(wù)功能,包括水生態(tài)系統(tǒng)自身維持功能和社會服務(wù)功能[58]。近年來,人類活動加劇導(dǎo)致水生態(tài)系統(tǒng)全方位受損,迫切需要人們從生態(tài)服務(wù)功能完整性保護(hù)角度來看待承載力問題。因此，水生態(tài)承載力應(yīng)該體現(xiàn)水生態(tài)系統(tǒng)在維持自身健康穩(wěn)定基礎(chǔ)上向人類社會提供服務(wù)的能力。

2.1.2 承載主客體不明確 當(dāng)前水生態(tài)承載力概念中承載主體不一,主要包括水資源系統(tǒng)、水環(huán)境系統(tǒng)[55]、水生態(tài)系統(tǒng)[51, 59]、社會經(jīng)濟(jì)河湖復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[48, 56]等。其次,承載客體較為局限,研究者多將人口和經(jīng)濟(jì)規(guī)模作為承載對象,未科學(xué)體現(xiàn)水生態(tài)承載力的作用對象?；诟拍钪谐休d主客體混淆不清問題,需要從水生態(tài)系統(tǒng)與人類社會間承載關(guān)系出發(fā),科學(xué)界定承載主客體。

2.1.3 承載力量化標(biāo)準(zhǔn)不一 因承載主客體混淆不清,水生態(tài)承載力量化標(biāo)準(zhǔn)仍不統(tǒng)一,當(dāng)前主要是以社會經(jīng)濟(jì)規(guī)模發(fā)展閾值[43]、最大人口數(shù)量和經(jīng)濟(jì)規(guī)模[60-61]等表征量化水生態(tài)承載力。筆者認(rèn)為，水生態(tài)承載力是水生態(tài)系統(tǒng)自身的能力屬性,以社會經(jīng)濟(jì)要素量化承載力科學(xué)性不足,需在科學(xué)界定承載主客體的基礎(chǔ)上,確定量化標(biāo)準(zhǔn)。

綜上分析,筆者認(rèn)為水生態(tài)承載力是:在一定發(fā)展階段,一定技術(shù)水平條件下,某空間范圍內(nèi)的水生態(tài)系統(tǒng)在維持自身結(jié)構(gòu)功能長期穩(wěn)定、水生態(tài)過程可持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上,具有為人類社會活動提供生態(tài)服務(wù)產(chǎn)品的能力。水生態(tài)承載力是水生態(tài)系統(tǒng)自身服務(wù)功能的外在表現(xiàn),承載力的大小則可由水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品和服務(wù)供給能力表征,水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品和服務(wù)也一定程度上受到人類活動的影響。承載關(guān)系表現(xiàn)為：水生態(tài)系統(tǒng)為人類社會活動提供水生態(tài)服務(wù)產(chǎn)品;承載主體是某空間范圍內(nèi)的水生態(tài)系統(tǒng),承載客體是相應(yīng)空間范圍內(nèi)的人類社會活動;承載力量化標(biāo)準(zhǔn)則是水生態(tài)服務(wù)能力或者價(jià)值。

2.2 水生態(tài)承載力內(nèi)涵分析

20世紀(jì)50～70年代,早期研究者針對生態(tài)系統(tǒng)破壞及服務(wù)功能喪失等問題開展了系列生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究[62-67],水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要組成部分,也是水生態(tài)承載力的內(nèi)涵核心,有必要圍繞水生態(tài)服務(wù)功能系統(tǒng)辨識水生態(tài)承載力內(nèi)涵。Daily和歐陽志云將水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能定義為,水生態(tài)系統(tǒng)及其生態(tài)過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用[58, 66]。張誠等[68]認(rèn)為水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是基于水文循環(huán)及其伴生過程的生態(tài)系統(tǒng)為人類社會提供的直接或間接生態(tài)經(jīng)濟(jì)服務(wù)功能。結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)功能特性,研究者對眾多水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能開展了分類梳理。郝弟等[69]綜述了千年生態(tài)系統(tǒng)評估(MA)[58]、供需平衡[70]及生態(tài)系統(tǒng)最終服務(wù)[71]3種水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分類體系?；谒到y(tǒng)服務(wù)功能體系以及水生態(tài)系統(tǒng)對人類社會需求的承載關(guān)系,筆者認(rèn)為水生態(tài)承載力包含水資源、水環(huán)境、水生態(tài)和水安全4個方面的內(nèi)涵。

2.2.1 水資源內(nèi)涵——水資源稟賦、水資源利用 水量過程是保障水生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的基本條件,一方面通過生態(tài)流量過程維系水生生物的生存與繁衍;另一方面又向人類社會活動提供水資源產(chǎn)品,即為水資源供給[70]。水資源供給是水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要組成,也是水生態(tài)承載人類社會活動的重要支撐點(diǎn),表現(xiàn)為水生態(tài)系統(tǒng)以水文過程為基礎(chǔ)形成可利用的水資源存量以支持人類水資源開發(fā)利用活動的用水需求。因此,水生態(tài)承載力的水資源內(nèi)涵主要體現(xiàn)在水資源稟賦和水資源利用兩方面。水資源稟賦指水資源供給服務(wù)的存量基礎(chǔ)；水資源利用則是水資源供給服務(wù)的對象。

2.2.2 水環(huán)境內(nèi)涵——水環(huán)境納污、水環(huán)境凈化 適宜的水環(huán)境質(zhì)量是維持水生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的必要條件,也是水生態(tài)系統(tǒng)的良性營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)[72]狀態(tài)的體現(xiàn)。水生態(tài)系統(tǒng)自身物質(zhì)循環(huán)也受到人類社會活動的干擾,特別是人類生產(chǎn)生活向水體中排放污染物質(zhì)的過程。面向人類社會排污的需求,水生態(tài)系統(tǒng)的水環(huán)境服務(wù)功能[69]起到重要支持作用:一方面,水生態(tài)系統(tǒng)提供了人類社會所排放污染物質(zhì)的收納場所,承接了社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的環(huán)境壓力;另一方面,水生態(tài)系統(tǒng)通過物理、化學(xué)以及生物過程降解凈化接納的污染物質(zhì),以維持水生態(tài)系統(tǒng)的良性物質(zhì)循環(huán)[73]?？芍?水生態(tài)承載力的水環(huán)境內(nèi)涵表現(xiàn)為水環(huán)境納污和水環(huán)境凈化兩方面。

2.2.3 水生態(tài)內(nèi)涵——生境提供、生物保育 水生生物群落是水生態(tài)系統(tǒng)的核心組成,通過與非生物環(huán)境相互作用、相互制約達(dá)到水生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡[74]。生物保育狀況是表征水生態(tài)系統(tǒng)健康的關(guān)鍵指標(biāo),同時也受到生物群落賴以生存的生境狀態(tài)的影響。水生態(tài)系統(tǒng)具有生境提供功能[58],通過提供支持水生生物棲息和繁衍的物理空間、水文情勢、植被覆蓋、水質(zhì)條件等,保障了水生動植物的群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和持續(xù)發(fā)展,進(jìn)一步表現(xiàn)出生物保育功能[75]。然而,人類活動加劇(如水利工程建設(shè)、圍湖造田、過度捕撈等)直接使得水生生境被擠占破壞、水生生物多樣性減少,導(dǎo)致水生態(tài)退化,又間接影響其他水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能(如水產(chǎn)品提供、水環(huán)境凈化等)。因此,水生態(tài)系統(tǒng)從生境提供和生物保育兩方面表征了對人類社會活動壓力的響應(yīng),集中體現(xiàn)了水生態(tài)承載力的水生態(tài)內(nèi)涵。

圖1 水生態(tài)承載力內(nèi)涵圖Fig.1 Connotation chart of hydro-ecological carrying capacity

2.2.4 水安全內(nèi)涵——調(diào)蓄安全、用水安全 水安全[76],指一個國家或地區(qū)生存發(fā)展所需的有量與質(zhì)保障的水資源、能可持續(xù)維系流域中人與生態(tài)環(huán)境健康、確保人民生命財(cái)產(chǎn)免受水旱災(zāi)害與水環(huán)境污染等損失的能力,主要涉及到供水安全、防洪安全等。從水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)角度,與水安全相關(guān)的生態(tài)服務(wù)功能主要包括調(diào)蓄洪澇、滯留泥沙等服務(wù)功能[77]。總之,筆者認(rèn)為水生態(tài)承載力的水安全內(nèi)涵主要涉及調(diào)蓄安全和用水安全兩方面。調(diào)蓄安全與水生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)蓄洪澇服務(wù)功能相聯(lián)系,指水生態(tài)系統(tǒng)通過濕地、森林等對水文過程的調(diào)蓄作用,抑制水旱災(zāi)害,保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。用水安全主要關(guān)注水生態(tài)系統(tǒng)的水資源供給服務(wù)對人民生活飲用水的水量水質(zhì)滿足程度,以保障區(qū)域基本生活用水安全需求。

2.3 水生態(tài)承載力與水資源承載力、水環(huán)境承載力的對比分析

筆者從目標(biāo)、承載主客體、內(nèi)涵、指標(biāo)、方法和研究區(qū)特點(diǎn)方面對比分析了三者間的區(qū)別與聯(lián)系(表1)。

水生態(tài)承載力是以水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為核心對水資源承載力和水環(huán)境承載力的延伸和拓展,主要表現(xiàn)為:①在管理目標(biāo)方面,水生態(tài)承載力以保障系統(tǒng)健康可持續(xù)為目標(biāo),考慮了水生態(tài)系統(tǒng)秩序,是由關(guān)注水資源量和水環(huán)境質(zhì)量向維持水生態(tài)系統(tǒng)良性發(fā)展轉(zhuǎn)變。②水生態(tài)承載力的內(nèi)涵不僅涵蓋了水生態(tài)系統(tǒng)對人類社會的水資源供給能力、水環(huán)境對排污的容納和凈化能力,還包括水生態(tài)維持、水安全調(diào)蓄等服務(wù)能力。水資源承載力和水環(huán)境承載力并不能完整體現(xiàn)水生態(tài)服務(wù)功能,僅分別從水資源量和水環(huán)境質(zhì)量單方面表征。使得水生態(tài)承載力的承載主體——水生態(tài)系統(tǒng)的外延大于水資源系統(tǒng)和水環(huán)境系統(tǒng)。③在指標(biāo)方面,水生態(tài)承載力從系統(tǒng)性角度圍繞水生態(tài)系統(tǒng)健康及其對人類經(jīng)濟(jì)社會提供服務(wù)的角度綜合建立指標(biāo)體系,較水資源承載力和水環(huán)境承載力指標(biāo)更能體現(xiàn)流域/區(qū)域水生態(tài)環(huán)境對人類經(jīng)濟(jì)社會的綜合支撐作用。

表1 水生態(tài)承載力與水資源承載力、水環(huán)境承載力的對比分析

Tab.1 Comparative analysis of hydro-ecological carrying capacity, water resources carrying capacity and water environment carrying capacity

辨析內(nèi)容 目標(biāo) 承載主客體 內(nèi)涵 評價(jià)指標(biāo) 評價(jià)方法 主要應(yīng)用區(qū)域 水資源承載力面向水資源可持續(xù)利用(量)主體:水資源系統(tǒng)客體:人口數(shù)量、經(jīng)濟(jì)規(guī)模水資源系統(tǒng)的水資源最大可開發(fā)利用量對人類社會需水的供給能力。突出水資源供給對人類生產(chǎn)、生活的支持能力。以指標(biāo)綜合法為主,其他主要涉及多目標(biāo)優(yōu)化法、生態(tài)足跡法、系統(tǒng)動力學(xué)法。干旱與半干旱人類過度開發(fā)利用區(qū)域及城市[78-80]水環(huán)境承載力維持水環(huán)境功能(質(zhì))主體:水環(huán)境系統(tǒng)客體:人口數(shù)量、經(jīng)濟(jì)規(guī)模水環(huán)境系統(tǒng)的環(huán)境容量對人類社會生產(chǎn)生活排污的支撐能力。側(cè)重水環(huán)境對經(jīng)濟(jì)社會排污的容納與凈化功能。以指標(biāo)綜合法為主,近期多采用系統(tǒng)動力學(xué)法。城市及城市群、點(diǎn)源、面源污染嚴(yán)重地區(qū)[81-83]水生態(tài)承載力保障水生態(tài)系統(tǒng)健康(序)主體:水生態(tài)系統(tǒng)客體:人類社會活動水生態(tài)系統(tǒng)能為人類社會活動(用水、排污、生態(tài)需求、安全需求)提供服務(wù)的能力。注重水生態(tài)系統(tǒng)健康及其對人類經(jīng)濟(jì)社會提供服務(wù)。以系統(tǒng)綜合模擬評價(jià)為主(系統(tǒng)動力學(xué)法),以及生態(tài)足跡法等。人類社會不合理的水資源開發(fā)利用、污染排放等影響下導(dǎo)致水生態(tài)退化的區(qū)域[84-85]

此外,水生態(tài)承載力與水資源承載力和水環(huán)境承載力在評價(jià)方法和研究區(qū)方面也有所區(qū)別。基于文獻(xiàn)調(diào)研,水資源承載力和水環(huán)境承載力研究起步相對較早,通過頻度分析發(fā)現(xiàn)兩者研究中采用的評價(jià)方法以指標(biāo)綜合法[86-89]為主,相關(guān)文獻(xiàn)占比分別為60%和57.4%。這主要因指標(biāo)綜合法計(jì)算簡便、操作性強(qiáng),使之受到研究者的青睞。然而,評價(jià)指標(biāo)的選取是影響指標(biāo)綜合法評價(jià)的關(guān)鍵。隨著研究者對水資源、水環(huán)境系統(tǒng)性認(rèn)識加強(qiáng),其他關(guān)注系統(tǒng)要素間互饋響應(yīng)關(guān)系的評價(jià)方法也大量應(yīng)用與水資源承載力和水環(huán)境承載力研究中,如多目標(biāo)優(yōu)化法[90-92]、系統(tǒng)動力學(xué)法[93-94]等。水生態(tài)承載力相比于水資源承載力和水環(huán)境承載力更加強(qiáng)調(diào)研究水生態(tài)人類社會復(fù)雜系統(tǒng)間動態(tài)互饋影響關(guān)系,具有巨系統(tǒng)、多要素、動態(tài)互饋等特性。系統(tǒng)動力學(xué)法因具有處理非線性、高階次及多重反饋復(fù)雜系統(tǒng)問題的優(yōu)勢被廣泛用于水生態(tài)承載力動態(tài)模擬評估研究中[95-96](文獻(xiàn)占比47.4%)。然而,系統(tǒng)動力學(xué)法主要以經(jīng)驗(yàn)公式描述系統(tǒng)要素互饋關(guān)系,缺乏物理機(jī)制,對研究區(qū)下墊面水生態(tài)過程模擬不足，僅靠系統(tǒng)動力學(xué)模型無法全面支撐水生態(tài)承載力綜合模擬評估。此外,因面向的管理目標(biāo)與內(nèi)涵的不同三者在研究區(qū)方面各有側(cè)重。水資源承載力研究集中于干旱與半干旱、水資源過度開發(fā)地區(qū),水環(huán)境承載力研究主要涉及人口產(chǎn)業(yè)規(guī)模大的環(huán)境污染嚴(yán)重地區(qū);而水生態(tài)承載力研究則更加關(guān)注在水質(zhì)水量雙重脅迫下水生態(tài)退化區(qū)域。

3 水生態(tài)承載力指標(biāo)體系構(gòu)建

指標(biāo)體系是水生態(tài)承載力定量評價(jià)的關(guān)鍵,水生態(tài)承載力指標(biāo)體系構(gòu)建需以其概念內(nèi)涵為基礎(chǔ),前人因概念和認(rèn)知的差異所構(gòu)建的指標(biāo)體系不盡相同[61, 97-98]?；谒鷳B(tài)承載力最新概念內(nèi)涵,圍繞水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能特性,初步構(gòu)建相應(yīng)指標(biāo)體系,以期為未來水生態(tài)承載力定量評價(jià)提供支撐(圖2)。具體構(gòu)建流程如圖2所示。

圖2 水生態(tài)承載力指標(biāo)構(gòu)建流程Fig.2 Flow chart of hydro-ecological carrying capacity

1)指標(biāo)層級框架確定:承載力指標(biāo)框架多采用多層級形式,主要可分為:壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)框架[99-101]、目標(biāo)-準(zhǔn)則-指標(biāo)層框架[45, 102-104]及壓力-支持力關(guān)系框架[105-106]。綜合考慮各種指標(biāo)框架的解釋度和實(shí)用性,選擇目標(biāo)-準(zhǔn)則-指標(biāo)層級關(guān)系框架建立水生態(tài)承載力指標(biāo)體系。其中,目標(biāo)層變量為水生態(tài)承載力;基于水生態(tài)承載力內(nèi)涵,準(zhǔn)則層以水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水安全4方面構(gòu)成,分別由水資源稟賦指數(shù)、水資源利用指數(shù)、水環(huán)境納污指數(shù)、水環(huán)境凈化指數(shù)、水生生境指數(shù)、水生生物指數(shù)、調(diào)蓄安全指數(shù)、用水安全指數(shù)8個子項(xiàng)表征。

2)指標(biāo)初選:在確定的目標(biāo)準(zhǔn)則層框架下,通過3個方面獲取相應(yīng)備選指標(biāo):承載力研究文獻(xiàn)調(diào)研、管理部門頒布的相關(guān)指標(biāo)[61]以及水專項(xiàng)研究成果。經(jīng)初步收集,共計(jì)獲得相關(guān)指標(biāo)1 588個。其中,調(diào)研相關(guān)期刊論文1 287篇,獲得了相關(guān)指標(biāo)1 365個;收集國家或地方管理應(yīng)用指標(biāo)144個和國家水專項(xiàng)關(guān)于水生態(tài)承載力的推薦指標(biāo)79個。為避免重復(fù)將相應(yīng)指標(biāo)開展冗余剔除處理,并開展指標(biāo)頻度統(tǒng)計(jì)分析。依據(jù)與準(zhǔn)則層各子項(xiàng)的相關(guān)性且參考頻度分析結(jié)果,綜合評判初步選取了197個備選指標(biāo)。備選指標(biāo)中,水資源稟賦相關(guān)指標(biāo)包括人均水資源量、年降水量、水資源可利用量、水資源開發(fā)利用率等;水資源利用相關(guān)指標(biāo)包括萬元GDP用水量、單位面積灌溉用水量、萬元工業(yè)產(chǎn)值耗水量、用水總量控制紅線達(dá)標(biāo)率等;水環(huán)境納污相關(guān)指標(biāo)包括單位工業(yè)產(chǎn)值COD排放量、單位工業(yè)產(chǎn)值氨氮排放量、農(nóng)業(yè)總氮排放強(qiáng)度、城鎮(zhèn)生活污水總磷排放強(qiáng)度等;水環(huán)境凈化相關(guān)指標(biāo)包括水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)、斷面優(yōu)于Ⅲ類水質(zhì)比例、畜禽養(yǎng)殖污水處理率等;水生境相關(guān)指標(biāo)包括河流棲息地質(zhì)量綜合指數(shù)、林草覆蓋率、棲息地面積、水體富營養(yǎng)化指數(shù)、水生生物適宜棲息地面積滿足率等;水生生物相關(guān)指標(biāo)包括生物多樣性指數(shù)、魚類完整性指數(shù)指數(shù)、藻類完整性指數(shù)、底棲動物完整性指數(shù)等;調(diào)蓄安全相關(guān)指標(biāo)包括水文調(diào)節(jié)功能指數(shù)、生態(tài)受大壩影響程度、供水保證率等;用水安全相關(guān)指標(biāo)包括集中飲用水水源地達(dá)標(biāo)比例、地下水超采率等。

3)指標(biāo)精選:基于備選指標(biāo),兼顧指標(biāo)普適性、科學(xué)性、可量化性、可比性[61, 107]等選取原則,結(jié)合國家“三線一單”管控需求[108]和地方應(yīng)用驗(yàn)證以及專家經(jīng)驗(yàn)判斷,精選得到18個水生態(tài)承載力推薦指標(biāo)。最終構(gòu)建提出水生態(tài)承載力推薦指標(biāo)體系,包括3個水資源類指標(biāo)、6個水環(huán)境類指標(biāo)、7個水生態(tài)類指標(biāo)和2個水安全類指標(biāo)(如表2所示)。

4 科學(xué)問題及展望

作為地理學(xué)、生態(tài)學(xué)、資源環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一,水生態(tài)承載力研究不僅是關(guān)注水生態(tài)系統(tǒng)承載極限的科學(xué)命題,同時是具有廣泛實(shí)踐價(jià)值的人類經(jīng)濟(jì)社會與水生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的管理議題,甚至是涉及人水關(guān)系、關(guān)乎人類命運(yùn)的哲學(xué)問題?；诋?dāng)前研究進(jìn)展,圍繞基礎(chǔ)理論、技術(shù)方法和應(yīng)用實(shí)踐3方面提出水生態(tài)承載力研究中的關(guān)鍵問題,并展望相應(yīng)研究方向。

1)水生態(tài)承載力基礎(chǔ)理論體系亟待建立與完善。水生態(tài)承載力基礎(chǔ)理論主要由水資源承載力和水環(huán)境承載力衍生而來,而前人對水生態(tài)承載力概念內(nèi)涵認(rèn)識不清、量化標(biāo)準(zhǔn)不一,導(dǎo)致水生態(tài)承載力研究缺乏統(tǒng)一的科學(xué)基礎(chǔ),尚未建立科學(xué)的基礎(chǔ)理論體系。本文通過概念辨析,圍繞水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能提出了水生態(tài)承載力最新概念內(nèi)涵,為其理論體系建立奠定了基礎(chǔ)?？紤]水生態(tài)承載力的系統(tǒng)性、綜合性、動態(tài)性、可調(diào)性等特征,未來急需加強(qiáng)水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與人類社會活動間相互作用機(jī)制研究,以期建立科學(xué)統(tǒng)一的集水生態(tài)承載力概念內(nèi)涵-指標(biāo)體系-量化評價(jià)-預(yù)測預(yù)警-優(yōu)化調(diào)控于一體的理論體系。

2)水生態(tài)承載力量化評價(jià)與優(yōu)化調(diào)控技術(shù)方法尚待完善與突破。水生態(tài)承載力涉及流域水生態(tài)-社會經(jīng)濟(jì)耦合復(fù)雜系統(tǒng),承載力影響要素繁多,構(gòu)建科學(xué)系統(tǒng)的水生態(tài)承載力指標(biāo)體系是支撐承載力量化評價(jià)與優(yōu)化調(diào)控的前提和關(guān)鍵。當(dāng)前指標(biāo)的篩選多從定性分析出發(fā),定量化的指標(biāo)敏感性分析較少,使得指標(biāo)體系代表性和可操作性不強(qiáng)。其次,水生態(tài)承載力的量化評價(jià)以評價(jià)承載狀態(tài)為主,缺乏科學(xué)量化流域/區(qū)域水生態(tài)承載能力的技術(shù)方法。在水生態(tài)承載力調(diào)控方面,多關(guān)注產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等單一要素對承載力的影響,缺乏從流域水生態(tài)-社會經(jīng)濟(jì)復(fù)合系統(tǒng)性角度綜合研討產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、土地利用、生態(tài)修復(fù)、水文調(diào)節(jié)等方面調(diào)控要素的影響。針對以上問題,考慮水生態(tài)承載力的時空差異性,有必要選擇多種典型研究區(qū),進(jìn)一步完善水生態(tài)承載力指標(biāo)閾值確定和篩選,以及承載能力量化評價(jià)技術(shù)方法;同時,結(jié)合流域模型、系統(tǒng)動力學(xué)模型、優(yōu)化模型、GIS與遙感技術(shù)等,開展水生態(tài)承載力單要素調(diào)控潛力評估和多要素綜合優(yōu)化調(diào)控研究,突破水生態(tài)承載力綜合模擬預(yù)測與優(yōu)化調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)。

3)推動水生態(tài)承載力評價(jià)與監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化與管理應(yīng)用。水生態(tài)承載力作為衡量水生態(tài)系統(tǒng)與社會經(jīng)濟(jì)協(xié)同發(fā)展關(guān)系的科學(xué)概念,對指導(dǎo)流域/區(qū)域水生態(tài)環(huán)境管理具有重要實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。未來需在理論方法探索和實(shí)證研究相結(jié)合的基礎(chǔ)上,考慮技術(shù)方法的可操作性和實(shí)用性,建立水生態(tài)承載力評價(jià)與監(jiān)測預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范;同時,在國家生態(tài)文明先行示范區(qū)或水生態(tài)壓力突出或敏感區(qū)(如長江經(jīng)濟(jì)帶)開展水生態(tài)承載力評價(jià)與監(jiān)測預(yù)警示范,建立動態(tài)評價(jià)與監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),并與管理業(yè)務(wù)有機(jī)銜接,支撐流域/區(qū)域水生態(tài)環(huán)境管理方案制定、生態(tài)補(bǔ)償、干部責(zé)任績效考核等監(jiān)管機(jī)制落實(shí),促進(jìn)水生態(tài)承載力研究向標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、系統(tǒng)化轉(zhuǎn)變,并全面服務(wù)于水生態(tài)環(huán)境管理部門的業(yè)務(wù)化管理應(yīng)用。

注:式(B1-2-1)中折純量是指將氮肥、磷肥、鉀肥分別按含氮、含五氧化二磷、含氧化鉀的百分之百成份進(jìn)行折算后的數(shù)量。復(fù)合肥按其所含主要成份折算。折存量為實(shí)物量與某種化肥有效成分含量的百分比之積。

式(B1-2-1)中,畜禽總量為當(dāng)年的存欄數(shù)+出欄數(shù)。不同類型畜禽根據(jù)產(chǎn)物量按如下系數(shù)統(tǒng)一折算成豬:1頭牛=10頭豬=25頭羊=150只禽類

式(C1-4)中常數(shù)100的選取依據(jù):在流經(jīng)農(nóng)田及林地的河流上,修建攔河閘(壩)作用為防洪、灌溉、防澇等,布置間距從數(shù)十公里甚至上百公里不等;在流經(jīng)城鎮(zhèn)或周邊的河流上修建攔河閘(壩),既考慮防洪、供水等因素,又考慮水生態(tài)、水環(huán)境、水景觀等因素,布置間距從幾公里～十幾公里。

式(D1-1)中F:土地生態(tài)功能調(diào)整系數(shù)分為:林地(45.0～99.9)、園地(97.5～99.8)、耕地(99.2～99.9)、草地(99.2～99.9)、建設(shè)用地(3.0～8.1)、荒漠與裸露地表(15～28)、水域(200～500)。

5 結(jié) 論

本文通過文獻(xiàn)調(diào)研,回顧了水生態(tài)承載力研究歷程,針對其概念內(nèi)涵不清、指標(biāo)不明晰的問題,開展了水生態(tài)承載力概念辨析和指標(biāo)體系構(gòu)建研究,并就未來水生態(tài)承載力研究關(guān)鍵科學(xué)問題進(jìn)行了展望。主要結(jié)論如下:

1)通過概念辨析提出了基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的水生態(tài)承載力概念內(nèi)涵。通過剖析前期概念問題和水生態(tài)系統(tǒng)特性及其對人類社會活動的承載關(guān)系,將水生態(tài)承載力概念定義為:在一定發(fā)展階段,一定技術(shù)水平條件下,某空間范圍內(nèi)的水生態(tài)系統(tǒng)在維持自身結(jié)構(gòu)功能長期穩(wěn)定、水生態(tài)過程可持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上,具有為人類社會活動提供生態(tài)服務(wù)產(chǎn)品的能力。此概念強(qiáng)調(diào)維持水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,外延大于水資源承載力和水環(huán)境承載力,主要包括水資源、水環(huán)境、水生態(tài)和水安全4個方面內(nèi)涵,體現(xiàn)了承載力理論和水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的科學(xué)結(jié)合。

2)提出了圍繞水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能特性的水生態(tài)承載力指標(biāo)體系。基于目標(biāo)-準(zhǔn)則-指標(biāo)層級框架,構(gòu)建了水生態(tài)承載力推薦指標(biāo)體系,包括3個水資源類指標(biāo)、6個水環(huán)境類指標(biāo)、7個水生態(tài)類指標(biāo)和2個水安全類指標(biāo)。該指標(biāo)體系可為水生態(tài)承載力評估預(yù)警與優(yōu)化調(diào)控及相應(yīng)管理應(yīng)用提供參考。

3)指出了水生態(tài)承載力基礎(chǔ)理論、技術(shù)方法和應(yīng)用實(shí)踐的關(guān)鍵問題與研究方向。未來亟需加強(qiáng)水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與人類社會活動間影響機(jī)制研究,建立水生態(tài)承載力理論體系;從水生態(tài)-社會經(jīng)濟(jì)復(fù)合系統(tǒng)性出發(fā),突破水生態(tài)承載力量化評價(jià)與優(yōu)化調(diào)控技術(shù)方法;需推動水生態(tài)承載力評價(jià)與監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化與業(yè)務(wù)化應(yīng)用,支撐流域/區(qū)域水生態(tài)環(huán)境管理。