生態承載力實測研究及其規劃應用探討

周元 姚崇懷 賀雪剛

摘要：為探究武漢市東湖綠心的合理規劃利用方式，基于生態承載力理論，采用3種不同方法，對東湖綠心生態承栽力作出了定量評價。結果表明：研究區自然凈第一性生產力較高.但陸域生產力偏低;生態現狀處于輕度赤字;總體碳氧不平衡。依據評價結果，對東湖綠心提出了規劃控制策略——東湖綠心核心區仍需要5.84 km2的標準林地建設，才能達到本區域的碳氧平衡;此外，東湖綠心核心區的規劃人口上限為5.59萬人，開發強度上限為46.65%。

關鍵詞：生態承載力;自然植被凈第一性生產力;碳氧平衡;生態足跡;生態規劃

中圖分類號：Q948

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）8-0001-07

1 研究范圍

本文主要針對武漢市東湖綠心進行了生態承載力的測算研究，將研究區域分為3個部分，即東湖綠心核心區、聯動區和輻射區（圖1、圖2），三個區域依次嵌套。東湖綠心核心區范圍為東湖風景名勝區范圍，東至武廣鐵路，西至東湖路，北以筲箕湖以北地區及中北路延長線為界，南邊界至老武黃公路、喻家山、南望山一線山脈南麓區域，總用地面積約62 km2。聯動區范圍拓展至東湖風景區管委會托管區及楊春湖地區，其中東湖風景區管委會托管區范圍為東至嚴西湖，西至東湖路，南邊界至珞喻路.北至中北路延長線。聯動區總用地面積約95 km2。輻射區范圍拓展至武昌、洪山、青山、東湖高新等區域。該范圍以核心范圍及聯動范圍為中心，向外蔓延。核心區總用地面積約560 km2。

2 相關理論及研究方法

2.1 生態承載力理論

承載力是衡量人類活動與自然環境之間關系的科學概念，是人類可持續發展管理和評價的重要依據。它形象地將人類生活對于自然的依存關系概括出來，使得其成為生態學、生命科學等學科中最重要的概念之一（向蕓蕓，蒙吉軍，2012）。

承載力理論的起源最早可以追溯到18世紀90年代Malthus提出的人口論，它為承載力理論奠定了堅實的基礎;此后，Malthus本人、比利時數學家Verhulst及其同事Reed分別獨立提出了人口承載力的數學表達公式（Peng Kang，Xu Linyu.2010）;至1953年，Odum出版了Fundamentals of Ecology，完善了以人口統計學為切入點的承載力理論（顧康康2012）。

生態承載力是從生態學與承載力理論中衍生出的概念，1921年，Park和Burgess首次在生態學研究小應用了生態承載力的概念，并賦予其定義——在某個營養物質、生存空間、陽光氣候等生態因子一定的環境條件下，某種個體存在的數量最高極限（封志明等，2017）。

2.2 研究方法

主要選取當前承載力研究領域最為廣泛的3種評價方法——自然植被凈第一性生產力估測法、生態足跡法、碳氧平衡法——對本文的研究區域的生態承載力進行定量評價，并試圖依據評價結果對研究區域的規劃利用提出相應策略。以下分別介紹所選取的研究方法之基本原理與模型。

（1）自然植被凈第一性生產力估測法。植被凈第一性生產力（NPP）是指綠色植物在單位面積、單位時間內所累積的有機物總量，是植物凈光合作用產物總量（周廣勝，張新時，1995）。NPP大小直接反映了植被群落的生產效率及自然生態系統的恢復能力。某一地區的NPP大小可以在一定程度上表征該地區對于人類活動的承載能力強弱（潘竟虎，馮婭婭，2017）。目前世界上已經產生了很多NPP測定的數學模型，大體上可以分為三類：過程模型、氣候模型和光能利用模型。我國一般采用氣候統計模型，如王家驥等人對黑河流域生態承載力的估測（王家驥，等，2000）中，采用的是周廣勝、張新時所提出的氣候模型（周廣勝，張新時，1996），其計算方法如下：

式中：RDI為輻射干燥度;r為年降水量;NPP為自然植被的凈第一性生產力;PER為可能蒸散率;PET為可能蒸散量;BT為年平均生物溫度;t為氣溫小于30℃、大于O℃的日均值;T為氣溫小于30℃、大丁0℃的月均值。

（2）生態足跡法。生態足跡理論最早是由加拿大經濟學家William及其博士生Wackermgel在1991年提出的，是指在一定人口與經濟規模下，維持資源消費和廢物消納所必須的生物生產性土地面積，生態承載力則是某個地區所能提供給人類的生物生產性土地總和（譚偉文，文禮章，2012）。當某一地區生態足跡大于生態承載力時，則該地區產生生態盈余，即區域內生態現狀維持較好并可持續發展;反之，則該地區出現生態赤字，即區域內生態遭到破壞并可能進一步惡化（ Lu Zhang，Mawuli，2017）。

生態足跡理論將人類對于資源的需求轉換為生物生產性土地面積，并將地表用地分為6類——耕地、林地、牧草地、建筑用地、化石能源用地及水體，人類所需要的各類資源均由此6類用地提供（吳朝陽，周璨，2017）。其計算模型如下（周濤，王云鵬，等，2015）：

公式中：EF為總的生態足跡;EC為區域總生態承載力;N為人門總數;ef為人均生態足跡;ec為人均生態承載力;aa：為人均第i種交易商品折算的生物生產面積，i為消費商品和投入的類型;j為生物生產性土地類型;c;為第i種商品的人均消費量;p：為第i種消費商品的平均生產熊力;a;為人均生物生產面積;rj為均衡因子;yj為產量因子。

（3）碳氧平衡法。人類活動不斷消耗氧氣、釋放二氧化碳，綠色植物光合作用則不斷消耗二氧化碳、釋放氧氣，這就是碳氧平衡的基本原理。碳氧平衡理論的計算模型（陳燕飛，胡海波，2010）如下。

從釋碳耗氧角度而言，人類活動引起碳失衡的主要原因有化石燃料燃燒、水泥生產、不合理的土地利用和人類自身以及動物的呼吸作用。將釋碳耗氧源分為煤炭、石油、天然氣、水泥生產、人口呼吸、大牲畜呼吸以及土壤呼吸7類。分別計算其釋碳量及耗氧量。

從固碳釋氧角度而言，植物生態系統是固碳重要的“匯”，也是釋氧唯一的“源”。生態用地主要包括林地、果園、耕地、草地以及水域等。應用生物量法計算固碳量（Sc）和釋氧量（So）：

式中，i為上地類型;Ai為第i種上地類型面積;bi為第i種土地類型單位面積生物量;a為單位生物量固碳系數;β為單位生物量釋氧系數。

碳氧平衡計算模型：計算區域生態系統的釋碳耗氧與固碳釋氧能力的差異（ELc、ELo），進而預測保證區域碳氧平衡所需要的生態用地數量。計算公式為：

式中，Dc為釋碳量;Do為耗氧量。取上式中較大者為預測區域生態用地需求量的依據，即Max（ELc，ELo）。

考慮到全國年耗能（煤炭、石油）釋放的CO2有l/3進入大氣，1/3被海洋吸收，1/3固定在陸地生態系統中，一般設定其釋碳耗氧量的1/3作為其生態用地的平衡目標（楊璐，章錦河，等，2014），因此將區域碳氧平衡公式改寫為：

ELc=（1/3Dc-So）/（αbi）

ELo=（1/3Do-So）/（βbi）

3 測算結果

3.1 自然植被凈第一性生產力測算結果

測算植物的凈第一性生產力的計算分為兩部分，首先采用氣候模型類算法中周廣勝、張新時提出的氣候模型來計算武漢地區的NPP均值，再基于RS/GIS地表植物覆被判別東湖核心區的植物覆被情況，并依據不同植物的生產能力對研究區的NPP進行量化汁算，將研究區域與武漢市的整體水平進行比較，得出的結論更有參考價值。具體測算結果如表1所示。

根據徐繼填等在中國生態系統生產力區劃（徐繼填，陳百明，等2001）文中將中國植被的凈第一性生產力的高低劃分的5個等級（表2），分析東湖綠心的NPP。

根據表1的計算結果和表2的中國的植被NPP等級的判斷標準，武漢地區的生產力處于中間水平，是三等植被凈第一性生產力，該系統最低限值為826.03 g/（m2·a），而東湖區域陸域NPP值為794. 63 g/（m2·a），與武漢市總體的自然植被生產力水平相近，表明東湖綠心陸域植被保存完好。自然系統的恢復穩定性可根據植被凈生產力的多少度量，東湖綠心陸域植被凈生產力高，故其恢復穩定性強。但從東湖綠心整體（計算水體）的NPP計算結果來看，研究區平均NPP僅412.67 g/（m2·a），造成這一結果的主要原因是東湖綠心區域，尤其是核心區域范圍內，水體占全部面積的約46%，而所有的植被（包括密林、疏林、草地和農田）面積只占全部面積的約31%，因此單獨算其植被的凈初級生產力遠低于武漢平均水平?？偠灾?，東湖綠心陸域植被凈第一性生產力雖然較高達到我國中等水平，但其總體生產力是處于中等偏下水平，這同時也表明了東湖區域生態環境極為脆弱和敏感，其自身恢復能力較弱。

3.2 生態足跡法測算結果

根據統計資料，計算研究區域的生態足跡及承載力。具體數據統計結果如表3～5所示。

根據計算結果，生物資源人均足跡中水域所占比重最大，其次是牧草地和耕地。依靠東湖和嚴西湖的水域條件，生物資源的消費中水產品的消耗最大。其后依次是豬肉、蔬菜、稻谷，可以反映出東湖綠心區域人民生活水平較高。能源消費量大于生物資源消費的總和，說明東湖綠心區域人為干擾程度較高。

由人均生態承載力及人均生態足跡，計算研究區域的生態盈虧情況如表6所示。

根據生態足跡與生態承載力的計算結果來看，研究范圍內的3個不同尺度的區域中的核心區和聯動區承載力高于生態足跡，表現為現狀的生態盈余，而輻射區生態承載力略低于生態足跡，表現為生態赤字，核心區、聯動區、輻射區的生態盈虧數值分別為：0.16063、0.2194、-0.0989?？傮w來看，由于東湖區域的優良生態環境，帶來了本地區較高的生態承載力與生態效益，在輻射區范圍內，雖然出現生態虧損，但仍然遠遠低于武漢市人均生態赤字1.8，處于輕度超載運行的狀態，這與武漢市主城區的高度城市化、硬質化以及人口的高度集中有著密切關系。

3.3 碳氧平衡法計算結果

碳氧平衡法計算結果如表7～9所示。

依據研究區內部釋碳耗氧及釋氧耗碳量的統計結果，計算研究區域內的碳氧供求余缺。

由計算結果可知.研究區域內，除核心區范圍內碳氧平衡得到滿足并存在盈余，聯動區、輻射區均存在虧損。而隨著研究范圍的擴大，碳氧供求不平衡的狀況越發嚴重，這正是聯動區及核心區的高度硬質化和高強度人群活動所導致的。

4 基于承載力研究的東湖綠心生態策略

4.1 基于自然植被凈第一性生產力估測法的生態策略

從自然植被凈第一性生產力估測法的結果來看，東湖綠心存在的問題主要是NPP均值過低，過低的NPP值使得東湖綠心區域生態環境極為敏感，小范圍的人為干擾都有可能對研究區域的生態環境造成重大傷害。研究區NPP值過低的主要原因是水體占比過大，缺乏高生產率的綠色植物?；诖?，對東湖綠心提出規劃策略如下。

（1）豐富現狀植被層次，將現狀的單層群落改造為喬一灌一草結構為主的復層結構，充分利用中、下層植物的生產能力。

（2）增加水生植物、濕生植物的種植，一方面可以提升水體的生產能力，另一方面也對東湖的水體凈化起到作用，并具有保護岸線土壤、提供游覽觀賞等價值。

（3）提升區域總體綠化率，對建設用地綠化率提出40%以上的綠化率要求;對非建設用地中的裸地進行人工增綠滅荒。

4.2 基于碳氧平衡法的生態策略

依據研究區域釋碳耗氧情況以及區域內植被的固碳釋氧能力，將本區域各類綠地折合為標準生態用地（按標準林地的固碳釋氧能力折算）并計算達到碳氧平衡時所需要的標準生態林地總需求量，計算結果如表10所示。

如表10所示，將所有類型綠地一林地的固碳釋氧能力為基準歸一化后，計算當前研究區的綠地缺額（以標準林地計），計算結果如表11所示。

由計算結果可知.核心區若需要達到碳氧平衡，還需要標準生態用地5.8373 km2;聯動區達到碳氧平衡還需標準生態用地31.3921 km2;輻射區達到碳氧平衡還需2834.6715 km2。其中，輻射區所需生態用地遠遠超出輻射區本身用地面積，說明輻射區目前釋碳耗氧量極大，自身無法滿足其體系內部的碳氧平衡，這與城市本身的硬質化程度高、建設量大、建設密度大存在直接關系。

由此，提出相應生態策略如下。

（1）輻射區及聯動區由于用地限制，不可能通過調整用地達到碳氧平衡，但東湖核心區實現碳氧平衡是可行且必要的。對東湖核心區增設5.8373 km2的標準生態用地。推薦建設標準生態用地的選址如下：①核心區所有農田區域，共計510.27hm2;②核心區草地，共計10.03 hm2;②建設面積縮減189.42 hm2，可以作為生態林地建設用地;④水體沿岸通過栽培池杉林、水杉林，可作為生態林地，具體面積視設計情況而定;⑤核心區建設用地綠地率控制在30%以上，群落結構盡可能選取復層結構，此部分綠地建設不計入標準建設用地面積，但有利于核心區生態承載力的維持。通過用地盤整，具體選址情況如圖3所示。

（2）區域內倡導使用清潔能源，如光能、風能、電能等，控制化石能源的消耗量。

（3）改善區域內經濟結構，逐步弱化第一、第二產業，扶持第三產業發展。

4.3 基于生態足跡法的生態策略

利用生態足跡法對研究區域的規劃人口進行預測，核心區與輻射區的生態盈余是由于區域內人口密度小，而現有建設強度足以滿足現狀人口的需要。如需要增加規劃人口，則在需要滿足目前生態盈余狀態不變的同時，繼續增加建設用地面積。由于單位面積耕地與建設用地對承載力貢獻相當，且大規模的耕地對于都市發展區的戰略價值不高，因此可以考慮將耕地置換為建設用地以滿足規劃人口的增加。隨著城市發展，武漢市都市發展區的耕地將逐漸轉化為建設用地與綠化用地。就現狀承載力而言，保持生態不惡化的基礎上，3個研究范圍內最大能夠承受的開發強度、新增建設用地指標及最大規劃人口估算數據如表12所示。

此外，由于東湖核心區主要作為風景名勝區，為保證核心區生態資源不遭受破壞，應控制合理游客量，故在此計算基于生態足跡的核心區游客承載力上限，如表13所示。

由此，提出生態策略如下。

（1）為保證可持續發展，核心區、聯動區、輻射區分別控制開發強度在46.65%、70.35%、92.03%以下。

（2）為提升用地效率與區域承載力，區域內用地逐漸減少農業用地，增設居住用地與綠地。

（3）為保護區域內生態資源，控制核心區年游客量820萬人/（次·d）。

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