谷祎璠, 丁疆輝, 李?yuàn)W夢(mèng)

河北師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 石家莊 050024

生態(tài)承載力作為測(cè)度生態(tài)系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和資源環(huán)境子系統(tǒng)支撐能力的重要指標(biāo),一直以來(lái)備受學(xué)術(shù)界關(guān)注[1- 2]。量化研究人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)行為對(duì)生態(tài)環(huán)境的干擾程度和對(duì)自然資源的利用能力,對(duì)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的評(píng)估尤為重要[3]。基于生態(tài)環(huán)境要素,生態(tài)功能作為穩(wěn)定調(diào)節(jié)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的功能性支撐力,其評(píng)價(jià)與分析對(duì)掌握生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)和進(jìn)一步的生態(tài)建設(shè)與修復(fù)也十分關(guān)鍵[4]。當(dāng)前,經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程的加速,以生態(tài)環(huán)境的破壞和自然資源的過(guò)度消耗為代價(jià),造成了人地矛盾日益嚴(yán)重、土地承載過(guò)量,以及生態(tài)功能失調(diào)的局面,如何有效協(xié)調(diào)自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)這一復(fù)雜系統(tǒng)成為了公眾焦點(diǎn)和研究熱點(diǎn)。但由于區(qū)域發(fā)展的差異,由生態(tài)承載力表達(dá)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展能力與生態(tài)功能對(duì)環(huán)境的調(diào)節(jié)能力并未實(shí)現(xiàn)共振耦合,所以需要對(duì)二者的相互作用機(jī)制進(jìn)行定量評(píng)估,為區(qū)域發(fā)展決策提供科學(xué)參考。

為準(zhǔn)確反映區(qū)域的實(shí)際生態(tài)支撐量,生產(chǎn)性生態(tài)承載力的概念應(yīng)運(yùn)而生。生產(chǎn)性生態(tài)承載力是指一個(gè)區(qū)域每年從生態(tài)系統(tǒng)中實(shí)際承載的生物產(chǎn)量所需要的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積[5],客觀反映了土地承載容量,其計(jì)算過(guò)程通過(guò)使用區(qū)域的實(shí)際生態(tài)產(chǎn)出量,無(wú)需統(tǒng)計(jì)區(qū)域的輸入輸出情況,避免出現(xiàn)由于區(qū)域資源輸入輸出量數(shù)據(jù)不完整所導(dǎo)致的用當(dāng)?shù)叵M(fèi)量計(jì)算造成的較大誤差[6]。

目前生態(tài)承載力研究涉及方面較多,其成果在縱向深化發(fā)展,除了評(píng)價(jià)方法的不斷改進(jìn)和調(diào)整外[7- 9],主要涵蓋省域以上大尺度空間整體的生態(tài)盈虧關(guān)系[10- 12],生態(tài)承載力、生態(tài)足跡二者構(gòu)成及其變化[13- 15],或針對(duì)單一要素的演變規(guī)律、影響因素等[16- 17];橫向的拓展研究中,與產(chǎn)業(yè)發(fā)展[18]、工業(yè)發(fā)展[19]、旅游開(kāi)發(fā)[20]等產(chǎn)生了交互聯(lián)系。國(guó)內(nèi)學(xué)者運(yùn)用生產(chǎn)性生態(tài)承載力模型考察區(qū)域土地產(chǎn)出能力的研究主要為理論的分析與改進(jìn)、局部區(qū)域的實(shí)際應(yīng)用[6,21],但忽視了微觀尺度區(qū)域內(nèi)部的空間差異性。

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程產(chǎn)生的資源需求和壓力下,相應(yīng)的物質(zhì)產(chǎn)出隨之增加,同時(shí),生態(tài)環(huán)境作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的空間載體,也產(chǎn)生了逐漸增強(qiáng)的反作用[22]。因此,不少研究著力探討城市建設(shè)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)關(guān)系及其交互脅迫機(jī)制[23- 24]、生態(tài)功能區(qū)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展[25]等,或僅針對(duì)單一要素[26-28]深入研究。而作為在一定程度上反映經(jīng)濟(jì)發(fā)展能力的生態(tài)承載力與生態(tài)功能對(duì)生態(tài)系統(tǒng)均具有正向支撐力,二者的相互作用有待進(jìn)一步挖掘。由此,生產(chǎn)性生態(tài)承載力與生態(tài)功能的空間疊置分析,更能體現(xiàn)生態(tài)經(jīng)濟(jì)性與功能性支撐力相互作用的特點(diǎn)。

保定市作為緊鄰京、津,并設(shè)有國(guó)家級(jí)雄安新區(qū)的城市,也面臨著土地承載過(guò)量、生態(tài)功能失調(diào)的問(wèn)題,其自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)的和諧發(fā)展已然成為政府決策和學(xué)者研究的重點(diǎn)、難點(diǎn)。2017年5月,國(guó)家發(fā)改委和環(huán)保部發(fā)布的《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南》[29](以下簡(jiǎn)稱“《指南》”)主要對(duì)水源涵養(yǎng)、水土保持、防風(fēng)固沙和生物多樣性維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評(píng)估方法、流程和要求進(jìn)行了匯總。因此,本文基于《指南》對(duì)生態(tài)功能的劃分和評(píng)估數(shù)據(jù)的要求,對(duì)2010年和2017年保定市水源涵養(yǎng)、水土保持、防風(fēng)固沙和生物多樣性維護(hù)四項(xiàng)功能進(jìn)行了量化評(píng)估,并與該年生產(chǎn)性生態(tài)承載力進(jìn)行耦合協(xié)調(diào)度的測(cè)算,對(duì)比解析時(shí)空變化情況,進(jìn)而探討其影響機(jī)制。研究結(jié)果除了為保定市生態(tài)建設(shè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)調(diào)控提供定量參考外,也為各縣區(qū)可持續(xù)發(fā)展和區(qū)域協(xié)調(diào)提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

保定市(北緯38°10′—40°00′、東經(jīng)113°40′—116°20′)地處河北省中部,太行山東麓,冀中平原西部,海河流域大清河水系的中上游,屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,冷暖干濕四季分明。目前,保定共轄4市(定州為省直管試點(diǎn))、5區(qū)、15縣和2個(gè)開(kāi)發(fā)區(qū),總面積2.2萬(wàn)km2,截至2017年末,總?cè)丝谶_(dá)1169萬(wàn)[30]。市域境內(nèi)地勢(shì)西北高、東南低,地貌包含山區(qū)和平原兩類;河流眾多,境內(nèi)水系呈扇形,河流資源地區(qū)分布不均;土壤類型較多,以褐土和潮土為主,分布規(guī)律明顯;植被種類繁多,主要種植棉花、玉米、花生、西瓜等作物。經(jīng)過(guò)歸類和調(diào)整,本研究范圍為本市23個(gè)縣(市、區(qū)),2010—2017年,三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)從14.8∶51.9∶33.3調(diào)整為11.7∶45.7∶42.6,GDP從2050.3億元攀升到3227.3億元。

保定市境內(nèi)地形地貌復(fù)雜,土地利用類型眾多,區(qū)域間差異較大,其中包括耕地、林地、建筑用地、草地、水域等,基于土地利用分類可將保定市內(nèi)生態(tài)用地劃分為河流水面、湖泊水面、水庫(kù)水面、有林地、果園、其他草地、旱地等。保定市生態(tài)功能主要包括水源涵養(yǎng)、水土保持、防風(fēng)固沙和生物多樣性維護(hù)功能,其中水源涵養(yǎng)和水土保持為主導(dǎo)生態(tài)功能,集中分布在保定市西部,即太行山脈沿線地區(qū)。本文選取2010年和2017年四項(xiàng)生態(tài)功能與該年生態(tài)承載力進(jìn)行耦合計(jì)算和對(duì)比研究。

2 研究方法和數(shù)據(jù)來(lái)源

生產(chǎn)性生態(tài)承載力計(jì)算方法來(lái)源于生態(tài)足跡模型,是基于全球平均生產(chǎn)能力來(lái)測(cè)算人均生態(tài)承載力的量,再?gòu)墓┙o的角度核算該區(qū)域總體生態(tài)承載的量;生態(tài)功能計(jì)算則是從研究區(qū)生態(tài)支撐能力的重要性評(píng)估著手,量化每一項(xiàng)功能,以便于識(shí)別生態(tài)保護(hù)的重點(diǎn)類型和重要區(qū)域。通過(guò)將二者進(jìn)行耦合與對(duì)比,以評(píng)價(jià)該區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展水平。

2.1 研究方法

2.1.1生產(chǎn)性生態(tài)承載力

生態(tài)承載力計(jì)算公式：

EC=N×ec

(1)

(2)

式中,EC為區(qū)域內(nèi)總體生態(tài)承載力(hm2),ec為人均生態(tài)承載力(hm2/人),N為年末人口總數(shù)。Aj為第j種生產(chǎn)性土地的人均面積,pj為產(chǎn)量因子,rj為均衡因子。

為了平衡世界各地不同生產(chǎn)性土地產(chǎn)出能力的差異,利用均衡因子rj將其轉(zhuǎn)化成具有一致性和可比性的土地面積。本文均衡因子采用世界自然基金會(huì)(World Wide Fund for Nature, WWF)[31]發(fā)布的計(jì)算結(jié)果,草地為0.49,水域?yàn)?.36,耕地和建筑用地為2.21,能源用地和林地為1.34。同時(shí),由于同一種土地類型在不同的國(guó)家和地區(qū),也會(huì)存在生產(chǎn)能力的較大差異,因此需要在均衡統(tǒng)一化的基礎(chǔ)上,再乘以產(chǎn)量因子pj,將其調(diào)整為符合實(shí)際的、具有可比性的生產(chǎn)性土地面積。本文利用第i種消費(fèi)資源單位面積的保定市縣域平均產(chǎn)量和全球/全國(guó)平均水平的比值作為產(chǎn)量因子,以獲得保定市特有的、時(shí)空動(dòng)態(tài)比例系數(shù),使得數(shù)據(jù)更加真實(shí)、合理。

2.1.2生態(tài)功能

生態(tài)功能基于保定市氣候、植被、土壤等類型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),利用模型評(píng)價(jià)法對(duì)水源涵養(yǎng)、水土保持、生物多樣性維護(hù)和防風(fēng)固沙四種生態(tài)服務(wù)功能評(píng)估,從而得出研究區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境支撐力強(qiáng)弱分布。計(jì)算方法和過(guò)程參考《指南》。

2.1.3耦合協(xié)調(diào)度模型

參考廖重斌[32]的相關(guān)研究,將生產(chǎn)性生態(tài)承載力和生態(tài)功能計(jì)算結(jié)果作為描述經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出和生態(tài)環(huán)境的函數(shù),分別為：

(3)

式中,x1、x2…xm為描述生態(tài)承載力的m個(gè)要素,y1、y2…yn為描述生態(tài)功能的n個(gè)要素。ki、qj為待定系數(shù),代表所選指標(biāo)在耦合系統(tǒng)中的權(quán)重,由專家系統(tǒng)確定。本文認(rèn)為生產(chǎn)性生態(tài)承載力和生態(tài)功能同等重要,所以將ki、qj均取值為1。為了便于多種量綱和量級(jí)數(shù)據(jù)間比較和計(jì)算,本文對(duì)數(shù)據(jù)歸一化處理。

參考物理學(xué)的容量耦合系數(shù)模型[33],引申得出本文生產(chǎn)性生態(tài)承載力和生態(tài)功能相互影響的耦合度過(guò)程量模型：

(4)

式中,C為耦合度過(guò)程量,僅代表二者之間相互作用力的大小,為了探究生態(tài)生產(chǎn)性土地產(chǎn)出能力和生態(tài)支撐力協(xié)調(diào)發(fā)展程度的強(qiáng)弱,引入耦合協(xié)調(diào)度模型,公式為：

(5)

式中,D為耦合協(xié)調(diào)度,T為生態(tài)承載力綜合評(píng)價(jià)指數(shù),D和T的值均介于0、1之間;α、β為待定系數(shù),由于生產(chǎn)性生態(tài)承載力和生態(tài)功能是自然環(huán)境支撐能力同等級(jí)別的表現(xiàn)形式,故取α=0.5、β=0.5。最后,可將耦合協(xié)調(diào)度劃分為4類：①0

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

根據(jù)生態(tài)承載力理論,生態(tài)生產(chǎn)性土地共分為六類,包括耕地、林地、水域、草地、建筑用地和化石燃料用地,即生物資源和能源資源。生物資源包含耕地要素(稻谷、小麥、玉米、高粱、豆類、薯類、棉花、油料、麻類、蔬菜)、林地要素(木材、水果、堅(jiān)果香料)、水域要素(水產(chǎn)品)、草地要素(豬肉、牛肉、羊肉、禽蛋、奶類、羊毛)。能源資源為化石燃料用地要素(煤、天然氣等)和建筑用地要素(電力)。這些要素的選取均參照了WWF的分類標(biāo)準(zhǔn)[34]。由于化石燃料用地是指用于吸收人類消費(fèi)化石燃料所釋放的CO2的土地,但目前人類沒(méi)有留出此類土地,因此化石燃料用地面積記為0。此外,本文將建筑用地要素的計(jì)算進(jìn)行了改進(jìn),以分縣城鎮(zhèn)化率、第二、三產(chǎn)業(yè)增加值、占比和發(fā)展速度代替原公式中電力的統(tǒng)計(jì),使計(jì)算結(jié)果更能反映經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的產(chǎn)出效果和支撐力。

生物資源的全球平均產(chǎn)量來(lái)源于聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)發(fā)布的參考數(shù)據(jù),保定市生物生產(chǎn)性土地產(chǎn)量與社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于2011年和2018年《保定經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒》[35-36]和2018年《河北經(jīng)濟(jì)年鑒》[37];平衡各類土地生產(chǎn)能力的均衡因子取自WWF計(jì)算生態(tài)承載力時(shí)的數(shù)值。同時(shí),按照世界環(huán)境與發(fā)展委員會(huì)的建議,本文扣除了12%生物多樣性保護(hù)的折算面積[34]。

保定市縣域行政區(qū)劃圖和6類土地面積來(lái)源于全國(guó)第二次土地調(diào)查統(tǒng)計(jì)公布的數(shù)據(jù),根據(jù)調(diào)整和統(tǒng)計(jì),具體將保定市劃分為23個(gè)縣域。

2010年和2017年保定市水源涵養(yǎng)、水土保持、防風(fēng)固沙和生物多樣性維護(hù)四項(xiàng)生態(tài)功能評(píng)估數(shù)據(jù)主要包括該年份250 m×250 m的NDVI數(shù)據(jù),1 m×1 m的土地利用類型數(shù)據(jù),1 m×1 m的土壤類型數(shù)據(jù),河北省及周邊氣象站點(diǎn)的降水量、蒸散量、氣溫、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù),90 m×90 m的DEM高程數(shù)據(jù)等。來(lái)源于MODIS遙感影像成像光譜、世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)、中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)等。

3 結(jié)果分析

3.1 生態(tài)承載力測(cè)算結(jié)果

根據(jù)式(1)、式(2)對(duì)保定市2010年和2017年生態(tài)承載力計(jì)算,得到人均生態(tài)承載力分布圖(圖1)。

圖1 2010年和2017年保定市人均生態(tài)承載力Fig.1 Per capita ecological carrying capacity of Baoding in 2010 and 2017

計(jì)算結(jié)果顯示,2010年保定總生態(tài)承載量為2.55×107hm2,分縣人均生態(tài)承載力的平均值為2.64 hm2/人,到2017年兩項(xiàng)分別提升至2.94×107hm2和2.94 hm2/人,尤其以保定市北部的易縣、定興縣、淶水縣,以及東部的雄縣增長(zhǎng)較為顯著,最高值由2010年易縣的3.70 hm2/人增長(zhǎng)至2017年望都縣的4.32 hm2/人。由于保定市主要農(nóng)作物播種面積為河北省最大,高達(dá)1111857 hm2(不含定州),畜禽產(chǎn)品產(chǎn)量較大,人均草地面積較小,大多數(shù)縣區(qū)草地和可耕地單位面積產(chǎn)量都高于全球平均水平,因此對(duì)保定市生態(tài)承載力貢獻(xiàn)最大的為耕地和草地。兩年相比,耕地、建筑用地和林地人均生態(tài)承載力提高,其他地類變化不明顯。建筑用地占用、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、生態(tài)退耕還林和災(zāi)害毀田導(dǎo)致耕地面積減少,而基本農(nóng)田的保護(hù)任務(wù)極大地提高了土壤肥料和耕地質(zhì)量,完善了農(nóng)田各類基礎(chǔ)設(shè)施,使得耕地、林地產(chǎn)出大量增加。各縣區(qū)第二、三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值逐年提升,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和城鎮(zhèn)化率的提高,促使了各地建筑用地經(jīng)濟(jì)類產(chǎn)出的快速增加。

空間上,保定市人均生態(tài)承載力由北向南遞減,異質(zhì)性強(qiáng),北部以易縣、定興縣、徐水區(qū)、淶水縣、淶源縣等地為重心,南部則以望都縣、博野縣為重心,競(jìng)秀區(qū)、蓮池區(qū)承載力最弱。2010年與2017年人均生態(tài)承載力的分布格局基本一致,2017年承載力普遍增強(qiáng),市域邊緣11個(gè)縣區(qū)人均生態(tài)承載力高于保定市平均值。

3.2 生態(tài)功能時(shí)空變化

通過(guò)計(jì)算水源涵養(yǎng)、水土保持、防風(fēng)固沙和生物多樣性維護(hù)功能量,獲得保定市2010年和2017年各類生態(tài)功能時(shí)空分布圖(圖2)。

圖2 2010年和2017年保定市各類生態(tài)功能對(duì)比Fig.2 Comparison of each ecological function of Baoding in 2010 and 2017

空間上,各類生態(tài)功能的高值區(qū)主要分布在市域西部和安新縣,覆蓋了保定市三分之一的區(qū)域,表明太行山區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)和白洋淀的濕地生態(tài)系統(tǒng)使該地區(qū)的生態(tài)狀況遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他地區(qū)。水源涵養(yǎng)功能非低值區(qū)覆蓋率最高,分布連續(xù)性強(qiáng);水土保持功能次之;生物多樣性維護(hù)功能區(qū)域差異顯著;防風(fēng)固沙功能分布最為分散。與2010年保定市生態(tài)功能評(píng)估結(jié)果相比,除生物多樣性維護(hù)功能外,2017年其余生態(tài)功能峰值均有提高,但空間分布變化趨勢(shì)不明顯,防風(fēng)固沙功能略有提升,水源涵養(yǎng)功能空間差異增強(qiáng),低值區(qū)范圍增加,主要集中于曲陽(yáng)縣、淶源縣、雄縣和高碑店市等地。

3.3 耦合協(xié)調(diào)度時(shí)空變化規(guī)律

3.3.1耦合協(xié)調(diào)度時(shí)序變化

利用耦合協(xié)調(diào)度模型測(cè)算出的保定市人均生態(tài)承載力與各生態(tài)功能的耦合協(xié)調(diào)度如圖3所示。耦合協(xié)調(diào)度用以表示系統(tǒng)間或系統(tǒng)內(nèi)各要素在相互作用中的一致性水平,意味著系統(tǒng)存在從無(wú)規(guī)則狀態(tài)向有序發(fā)展的傾向[2],側(cè)重表達(dá)協(xié)調(diào)效果的優(yōu)劣。

整體上,水源涵養(yǎng)功能與生態(tài)承載力的耦合協(xié)調(diào)程度最強(qiáng),生物多樣性維護(hù)功能次之,防風(fēng)固沙功能最弱。與2010年相比,2017年水土保持功能、生物多樣性維護(hù)功能、防風(fēng)固沙功能與生態(tài)承載力的耦合沒(méi)有太大波動(dòng),水源涵養(yǎng)與其的協(xié)調(diào)性存在區(qū)域性變化。由于生態(tài)功能區(qū)域性降低,生態(tài)承載力提升,二者變化并未保持一致,而導(dǎo)致相互協(xié)調(diào)能力降低,因此淶源縣部分區(qū)域由良好降至輕度協(xié)調(diào)階段,競(jìng)秀區(qū)降至嚴(yán)重失調(diào)階段。反映出人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)資源利用程度加大,為了支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,人為干擾增強(qiáng),土地產(chǎn)出也隨之增加,對(duì)環(huán)境和生態(tài)帶來(lái)了明顯的壓力,各要素協(xié)調(diào)性減弱。順平縣耦合性增加則是生態(tài)功能和生態(tài)承載力共同提升的結(jié)果。

3.3.2耦合協(xié)調(diào)度空間分異

圖3表明,保定市各縣區(qū)人均生態(tài)承載力與各類生態(tài)功能的耦合協(xié)調(diào)度空間分布區(qū)域差異性較大。以阜平縣、淶源縣、淶水縣等地為主耦合協(xié)調(diào)度較高,由于該地區(qū)土地產(chǎn)出性較好,自然環(huán)境具有優(yōu)勢(shì),使得生態(tài)功能與承載力相輔相成,協(xié)同效應(yīng)明顯。其次是易縣、唐縣、安新縣等地,如安新縣由于擁有白洋淀濕地資源,水源涵養(yǎng)能力和生物多樣性維護(hù)功能較強(qiáng),再加上當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好,進(jìn)而協(xié)調(diào)性強(qiáng)。

在實(shí)際的生產(chǎn)生活過(guò)程中,生態(tài)承載力和生態(tài)功能的交互耦合關(guān)系主要體現(xiàn)在兩方面：一是生態(tài)承載力的提升,意味著相應(yīng)經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)出的增加,包括經(jīng)濟(jì)、人口、資源需求的增長(zhǎng),從而造成對(duì)生態(tài)環(huán)境的干擾;二是生態(tài)功能的優(yōu)化,是政策干預(yù)、人口疏解、資源排斥的結(jié)果,對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展形成約束。另外,從空間格局可以看出,耦合協(xié)調(diào)度的整體分布狀態(tài)是由生態(tài)功能強(qiáng)弱主導(dǎo)的,而變化范圍和程度則由生態(tài)承載力控制。因此,人為的開(kāi)發(fā)利用資源和過(guò)度干預(yù)生態(tài)環(huán)境直接造成了耦合協(xié)調(diào)度的差異。

生態(tài)功能的分布是耦合協(xié)調(diào)度空間格局的基礎(chǔ),人均生態(tài)承載力的變化導(dǎo)致耦合結(jié)果的偏移?；诖?以2017年水源涵養(yǎng)功能與生態(tài)承載力耦合協(xié)調(diào)度為例,采用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法劃分耦合協(xié)調(diào)類型(表1)。其中,位于數(shù)值范圍邊緣的縣域特征類似。

表1 耦合協(xié)調(diào)度分類標(biāo)準(zhǔn)

從空間特征來(lái)看(圖4),高承載高耦合區(qū)主要分布在北部,集中且連續(xù),向南貫穿全市,區(qū)域內(nèi)擁有較高的生態(tài)性和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)出;低承載高耦合區(qū)多分布在高承載高耦合區(qū)外圍,其社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件雖然相對(duì)一般,但水源涵養(yǎng)功能帶來(lái)了更強(qiáng)的正面效果,二者形成良性互動(dòng);由于耦合協(xié)調(diào)度出現(xiàn)的兩極分化現(xiàn)象,高耦合區(qū)數(shù)量遠(yuǎn)大于低耦合區(qū),因此低承載低耦合區(qū)僅包括競(jìng)秀區(qū)和蓮池區(qū),該區(qū)域人口密度較大,可發(fā)展的生態(tài)空間極為有限,部分生態(tài)資源依靠其他縣區(qū)供給,人地矛盾最為突出,導(dǎo)致生態(tài)承載力和耦合協(xié)調(diào)度均處于較低水平。由于生態(tài)功能的空間分辨率較高,不同等級(jí)的耦合協(xié)調(diào)度出現(xiàn)了跨縣區(qū)分布。不同的耦合類型反映了耦合協(xié)調(diào)度的空間變化規(guī)律,這是在生態(tài)基礎(chǔ)條件和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展雙重作用下的結(jié)果。

圖3 2010年和2017年保定市人均生態(tài)承載力和4類生態(tài)功能耦合協(xié)調(diào)度Fig.3 Coupling coordinative degree of per capita ecological carrying capacity and 4 types ecological functions of Baoding in 2010 and 2017

圖4 耦合協(xié)調(diào)度分類Fig.4 Classification of coupling coordinative degree

3.4 耦合協(xié)調(diào)度空間分布影響因素

保定市自然資源結(jié)構(gòu)復(fù)雜,環(huán)境功能多樣,對(duì)耦合協(xié)調(diào)度時(shí)空格局演化有明顯的影響。生態(tài)系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)性變化以生態(tài)和資源環(huán)境為基礎(chǔ),以社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展為直接驅(qū)動(dòng)力。因此,基于各類耦合協(xié)調(diào)度的時(shí)空對(duì)比研究,將經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平、自然稟賦、區(qū)域發(fā)展政策等作為驅(qū)使其空間結(jié)構(gòu)演化的主要影響因素。

3.4.1經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平

圖5 生態(tài)承載力和水源涵養(yǎng)功能耦合協(xié)調(diào)度與社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素相關(guān)分析Fig.5 Correlation analysis of social economy and coupling coordinative degree of ecological carrying capacity and water conservation function

2010—2017年保定各縣區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平處于上升時(shí)期。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,近十年保定市地區(qū)生產(chǎn)總值始終維持在7%以上的上升趨勢(shì),人均GDP由2010年18451元增長(zhǎng)至29983元,但23個(gè)縣域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平具有顯著區(qū)別。僅從人均GDP來(lái)看,保定市區(qū)遙遙領(lǐng)先,成為保定市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的最高增長(zhǎng)極,人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了較大影響,因此市區(qū)的耦合度處于失調(diào)階段;相對(duì)而言唐縣、曲陽(yáng)縣等縣區(qū)則處于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的相對(duì)弱勢(shì),生態(tài)環(huán)境狀況也處于一般狀態(tài),但二者發(fā)展速度保持一致,所以該地達(dá)到了協(xié)調(diào)狀態(tài)。

以2017年生態(tài)承載力和水源涵養(yǎng)功能耦合協(xié)調(diào)結(jié)果為例,將當(dāng)年的人均GDP、年末常住人口、城鎮(zhèn)化率、社會(huì)消費(fèi)品零售總額、社會(huì)固定資產(chǎn)投資、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值和工業(yè)總產(chǎn)值在相對(duì)獨(dú)立的情況下作為影響耦合協(xié)調(diào)度的社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素進(jìn)行相關(guān)性分析(圖5)。

Pearson相關(guān)分析結(jié)果表明,人均GDP、城鎮(zhèn)化率、社會(huì)消費(fèi)品零售總額與耦合協(xié)調(diào)度的相關(guān)性最顯著,且均為負(fù)相關(guān),sig.小于0.01。由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境條件的差異,部分地區(qū)社會(huì)產(chǎn)品的產(chǎn)出和消耗較大,城鎮(zhèn)化率較高,但生態(tài)用地占比極少,生態(tài)功能一般,經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度大過(guò)于環(huán)境保護(hù),從而導(dǎo)致耦合協(xié)調(diào)不理想,如競(jìng)秀區(qū)、蓮池區(qū)。此外,耦合協(xié)調(diào)度與社會(huì)固定資產(chǎn)投資、工業(yè)總產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的相關(guān)性也較強(qiáng),但僅與農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值呈正相關(guān),這是由于農(nóng)產(chǎn)品代表土地生態(tài)性產(chǎn)出水平,產(chǎn)出越高,與生態(tài)功能耦合性越好;而工業(yè)總產(chǎn)值和社會(huì)固定資產(chǎn)投資恰恰相反,代表經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)出,與生態(tài)功能的發(fā)展相互制約。

3.4.2自然稟賦

良好的自然資源環(huán)境是人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、甚至是基本生活的重要支撐平臺(tái)。保定市西部為太行山區(qū),太行山區(qū)以森林生態(tài)系統(tǒng)為主,河流水系眾多,與區(qū)域內(nèi)的大型水庫(kù),如西大洋水庫(kù)、王快水庫(kù)等,共同構(gòu)成了該區(qū)域的水源涵養(yǎng)和水土保持功能。以阜平縣、淶源縣、淶水縣和易縣為代表的太行山區(qū),加上以安新縣為代表的白洋淀濕地區(qū)域,其豐厚的植被覆蓋度、豐富的生物多樣性、發(fā)達(dá)的水系形成了優(yōu)越的自然條件,提供了大量的生態(tài)性產(chǎn)出,這種環(huán)境稟賦足以抵消因?yàn)榻?jīng)濟(jì)發(fā)展水平一般或較低而帶來(lái)的負(fù)面效果,從而該區(qū)域耦合協(xié)調(diào)度普遍較高。

3.4.3區(qū)域發(fā)展政策

區(qū)域發(fā)展政策對(duì)人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)行為具有重要指導(dǎo)意義,每個(gè)時(shí)期的政府決策和發(fā)展戰(zhàn)略對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、資源、環(huán)境和生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展產(chǎn)生重大現(xiàn)實(shí)影響[2]。在保定市土地利用總體規(guī)劃及調(diào)整完善方案的戰(zhàn)略目標(biāo)下[38],各縣區(qū)農(nóng)用地、建筑用地、其他土地等地類得到有效調(diào)整與部署,如基本農(nóng)田總面積超過(guò)保護(hù)任務(wù)要求,土壤肥力和耕地質(zhì)量提升,耕地產(chǎn)出普遍增加,規(guī)劃現(xiàn)狀直接影響到生態(tài)承載力的結(jié)果。2012年,為加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和解決各項(xiàng)生態(tài)問(wèn)題,國(guó)家環(huán)保部決定實(shí)施生態(tài)保護(hù)紅線的劃定工作,其中保定市生態(tài)保護(hù)紅線面積為3720.82 km2,以水土保持、水源涵養(yǎng)為主導(dǎo)生態(tài)功能,生態(tài)保護(hù)紅線的劃定有助于維護(hù)和逐步提升保定市生態(tài)功能,改善人居環(huán)境,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展;2014年黨和國(guó)家提出京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略,旨在拓寬京津冀環(huán)境容量和生態(tài)空間;2017年,黨中央、國(guó)務(wù)院在此基礎(chǔ)上批準(zhǔn)設(shè)立雄安新區(qū),快速啟動(dòng)生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和環(huán)境整治戰(zhàn)略,為保定市各類生態(tài)功能的提升起到助推作用。國(guó)家一系列區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略與政策的實(shí)施,科學(xué)合理地平衡了保定市自然生態(tài)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的運(yùn)行環(huán)境,促使生態(tài)承載力良性作用增強(qiáng)的同時(shí),與生態(tài)功能的耦合協(xié)調(diào)性也隨之增強(qiáng)。

4 結(jié)論與討論

生態(tài)承載力是生態(tài)系統(tǒng)自我維持和調(diào)節(jié)的能力,它融合了生態(tài)環(huán)境、資源、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)多個(gè)部分,其與生態(tài)功能可以形成相互作用、彼此影響的耦合關(guān)系。利用生產(chǎn)性生態(tài)承載力模型,測(cè)算2010年和2017年保定市23個(gè)縣域的實(shí)際生態(tài)承載量,并運(yùn)用物理學(xué)中容量耦合模型分析人均生態(tài)承載力與各類生態(tài)功能的耦合協(xié)調(diào)度,對(duì)保定市生態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)系進(jìn)行深度解讀,為生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)科學(xué)理論依據(jù)。研究結(jié)果表明：

(1)保定市人均生態(tài)承載力存在著較為明顯的時(shí)空差異,生態(tài)功能變化不顯著。生態(tài)承載力將自然與社會(huì)經(jīng)濟(jì)相結(jié)合,形成一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng),它體現(xiàn)著土地生態(tài)性產(chǎn)出能力,同時(shí)也是一種社會(huì)經(jīng)濟(jì)的支撐能力。2010年和2017年保定市總生態(tài)承載量和人均生態(tài)承載力均有所提升,以耕地、草地貢獻(xiàn)率最高;空間上承載力由北向南遞減,市區(qū)由于建筑用地占比較大,耕地極少,生態(tài)承載力出現(xiàn)極化現(xiàn)象,而易縣、望都縣等地則恰恰相反,耕地產(chǎn)出的增加,使其生態(tài)承載量位居前列。2010年和2017年水源涵養(yǎng)、水土保持、防風(fēng)固沙、生物多樣性維護(hù)四項(xiàng)生態(tài)功能高值區(qū)均主要集中于市域西北部太行山區(qū)一帶,其中水源涵養(yǎng)功能整體較強(qiáng),2017年與2010年相比并未產(chǎn)生較大變動(dòng)。

(2)保定市人均生態(tài)承載力和生態(tài)功能的耦合協(xié)調(diào)度時(shí)序變化不大,空間異質(zhì)性明顯。與2010年相比,2017年水土保持和生物多樣性維護(hù)功能與生態(tài)承載力的耦合協(xié)調(diào)性均沒(méi)有太大波動(dòng),水源涵養(yǎng)功能的耦合由于經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的增強(qiáng)而存在區(qū)域性降低。生態(tài)功能的分布是耦合協(xié)調(diào)度空間格局的基礎(chǔ),人均生態(tài)承載力的變化導(dǎo)致了耦合結(jié)果的偏移。在生態(tài)基礎(chǔ)環(huán)境與人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展共同作用下,生態(tài)承載力和水源涵養(yǎng)功能的協(xié)調(diào)性可分為3個(gè)層次,低承載低耦合區(qū)、高承載高耦合區(qū)和低承載高耦合區(qū)。

(3)影響保定市人均生態(tài)承載力和生態(tài)功能耦合協(xié)調(diào)度的因素主要包括經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平、自然稟賦和區(qū)域發(fā)展政策等方面。人均GDP、城鎮(zhèn)化率、社會(huì)消費(fèi)品零售總額與耦合協(xié)調(diào)度的相關(guān)性最為顯著,且均為負(fù)相關(guān),經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的影響超過(guò)了自然條件的正面效果;良好的自然資源環(huán)境是生態(tài)承載力和生態(tài)功能獲得良性互動(dòng)的基礎(chǔ),自然稟賦的分布引導(dǎo)著耦合協(xié)調(diào)度的總體格局,經(jīng)濟(jì)支撐力決定耦合協(xié)調(diào)度變化的強(qiáng)弱和范圍;區(qū)域發(fā)展政策是耦合協(xié)調(diào)度變化的大方向,擁有政策導(dǎo)向優(yōu)勢(shì),可以從整體上推動(dòng)地區(qū)生態(tài)承載力和生態(tài)功能的聯(lián)動(dòng)性,還可以激發(fā)欠發(fā)達(dá)地區(qū)和待發(fā)展地區(qū)的潛力。

將人均生態(tài)承載力的空間定量評(píng)價(jià)結(jié)果與生態(tài)功能作耦合協(xié)調(diào)性分析,是討論生態(tài)和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)出對(duì)自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)系統(tǒng)作用效果的一種嘗試。由于數(shù)據(jù)的收集和處理方式存在差異,生態(tài)承載力數(shù)據(jù)以縣域?yàn)閱卧?生態(tài)功能的評(píng)估結(jié)果數(shù)據(jù)則為250 m×250 m的柵格單元,導(dǎo)致生態(tài)承載量和生態(tài)功能存在空間分辨率的不同,因此,縮小生態(tài)承載力數(shù)據(jù)空間尺度有助于優(yōu)化耦合協(xié)調(diào)度計(jì)算結(jié)果,其空間尺度效應(yīng)也有待進(jìn)一步研究。基于耦合協(xié)調(diào)度模型的生態(tài)承載力和生態(tài)功能的相互作用研究應(yīng)向多角度、多指標(biāo)的方向推進(jìn),長(zhǎng)時(shí)間序列、不同空間尺度的動(dòng)態(tài)分析和模擬預(yù)測(cè)是未來(lái)的發(fā)展方向,將具有極強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。