基于承载力动态变化的生态系统适应性管理——以鄂尔多斯乌审旗为例

王祺，蒙吉军，齐杨，彭福利，毛熙彦

(1.北京大学a.城市与环境学院;b.地表过程分析与模拟教育部重点实验室，北京100871;2.中国环境监测总站，北京，100012)

0 引言

20世纪50年代以来，随着人口剧增和经济高速发展，全球变暖、臭氧层被破坏、大气污染与酸雨、土地退化与沙漠化、森林资源退化、陆地水域和海洋污染、生物多样性丧失等问题日趋严峻，在全球范围内产生显著影响。90年代以来，IGBP和IHDP相继展开“土地利用/覆被变化”(land use and cover change，LUCC)研究计划、“全球变化与陆地生态系统计划”(global change and terrestrial ecosystems project，GCTE)和“全球土地计划”(global land project，GLP)，旨在加强土地利用和生态管理的研究［1－3］。生态系统的健康与否影响人类的可持续发展，对生态环境的适应和开发不应该只是被动地修复，主动进行生态系统适应性管理、维持生态系统的健康显得十分重要。这就要求在生态系统评价的过程中，要综合理解生态系统变化过程及其与社会经济之间的反馈，为管理生态系统、提升生态系统服务奠定基础［4］。

生态系统适应性管理(ecosystem adaptive management)是针对生态系统的变化过程、适宜条件和不确定性而产生的适应和调节的过程。适应性管理涉及较长的时间跨度，同时涵盖了各要素之间、个体与整体之间、决策与效果之间的反馈关系。决策者通过对要素组合的最佳理解，探讨区域发展的不确定性和管理目标，通过不断的“观测—调整—再观测”的管理思路，适时调整，维持区域生态系统健康，以达到生态保护和经济发展之间的协调［5－6］。生态系统适应性管理的核心目标是通过生态系统的平衡以实现区域的可持续发展。而其依据在于对区域土地利用和生态系统变化的驱动因子和限制条件的深入理解和剖析。其中，生态胁迫特征的识别是理解生态系统脆弱性的关键，直接影响生态系统管理的有效性［7］。胁迫因子或生态胁迫特征的评价分析，主要基于定性比较与定量评价相结合的分析技术［8－9］。此外，压力—状态—响应模型(PSR)、生态承载力评价、生态系统服务功能评估等技术也能够在一定程度上揭示出区域生态系统的胁迫因子及其特征［10－11］。

生态承载力评价主要是指在生态系统结构和功能不受破坏的前提下，生态系统对外界干扰特别是人类活动的承受能力［12－13］，能够较好地反映出生态系统对社会经济系统的反馈关系。具体表现为生态系统的自我维持和自我调节能力、资源环境的容纳能力、维持人类活动和社会经济发展的承载能力，反映了承载面和压力面相互作用的动态过程。生态承载力计算方法包括净初级生产力估测法［14］、生态足迹法［15］、供需平衡法［16］、系统模型法［17］、回归分析法［18］、综合指标评价法［19］等。综合指标评价法能够区分出生态系统的层次结构，界定生态系统的承载面和压力面，反映出指标间的相关关系和相对重要程度，因而基于动态变化的生态承载力评价能有效地识别不同时间上的生态系统胁迫因子，实现“观测—调整—再观测”的追踪监测，可为适应性管理提供必要的依据。为此，研究借助评价指标体系量化各要素，提取区域生态胁迫因子，在此基础上进行时序上的动态评价，挖掘各胁迫因子在时序上的贡献，以期为研究区实现“因时因地”的生态系统动态化管理提供依据。

鄂尔多斯乌审旗位于毛乌素沙地，是中国北方典型农牧交错带，生态环境脆弱。近年来在经济高速发展的背景下，生态系统面临着巨大的压力，荒漠化加剧，景观破碎化日趋严重，生态系统脆弱性特征显著［20－23］。与此同时，生态系统状态的恶化也反作用于社会经济系统，对当地的经济发展与农牧户生计产生了显著影响［24－25］。为此，本研究以乌审旗为例，借助生态承载力分析技术，识别区域生态系统的胁迫因子，并进行动态评价，以此为依据探讨乌审旗生态系统的适应性管理路径，以期为典型生态脆弱区的生态系统管理提供参考。

1 研究区与数据来源

乌审旗位于鄂尔多斯市东南部，与陕西省相邻。地理坐标为108°17'36″～109°40'22″E，37°38'54″～39°23'50″N，旗境南北长194 km，东西宽104 km，总面积11 645 km2(图1)。地处与鄂尔多斯构造剥蚀高原向陕北黄土高原过渡的乌审洼地中，地势由西北向东南逐渐倾斜。属温带大陆性气候区，具有干旱少雨、风大沙多、寒暑剧变的特点。年降水量350～400 mm(南部少于北部)，年蒸发量约2 592 mm。植被类型以沙生、草甸和盐生等为主。2009年，总人口10.7万人，其中蒙古族3.14万人，农牧业人口8.03万人。地区生产总值达到153.13亿元，人均突破15万元;财政收入达到12.7亿元;工业产值为97.68亿元［26］。

图1 乌审旗地理位置Fig.1 The geographic location of Uxin Banner

数据主要来自于乌审旗1998，2008年的土地覆被数据。其中1998年土地覆被数据由中国科学院资源与环境数据中心利用Landsat TM影像解译获得。2008年土地覆被数据由研究组基于Landsat TM影像通过人机交互式目视解译获得，分类精度＞70%。通过ArcGIS平台，对数据进行重分类，将地类划归为8种土地利用类型，即耕地、林地、水域、居民建设用地、未利用土地、高覆盖度草地、中覆盖度草地和低覆盖度草地。另外，气候、水文及社会经济数据来自乌审旗环保局、乌审旗统计局及《内蒙古统计年鉴》(1999—2009)。

2 研究方法

2.1 生态承载力动态评价模型

生态承载力模型通常包括2层含义，一是指生态系统的自我维持与自我调节能力，表现为生态系统对压力的承受面，可用承载指数来表征;二是指生态系统中自然灾害和社会经济发展对生态系统的抑制能力，表现为生态系统的压力面［27］，可用压力指数来表征。其中，承载指数表示为:

式中:Csi为承载力指数;Si为相应承载分量或承载分值;Wi为各因子权重。

压力指数表示为:

式中:Cpi为压力指数;Pi为相应承载分量或承载分值;Wi为各因子权重。

生态承载力可用承载度或承载负荷度表示:

式中:Ccps为生态承载度;Cpi为压力指数;Csi为承载力指数。当Ccps=1时，说明生态系统承载能力与压力处于平衡状态;当Ccps＞1时，说明生态压力大于生态承载能力，生态系统超载，面临一定的生态环境问题;当Ccps＜1时，表明生态承载能力大于生态压力，生态系统具有较好的恢复力，生态系统相对稳定。

2.2 生态承载力动态评价指标体系及权重

评价指标体系和权重采用层次分析法(AHP)来确定，是通过对研究区熟悉的专家学者组成专家系统，分别填写判断矩阵表。通过综合各位专家学者的判断矩阵表统一成一套判断矩阵，通过矩阵求各指标权重并进行一致性检验，如果CR＜0.1，一致性可以接受(表1)。

指标处理采用min-max标准化方法，对原始数据进行线性变换，所有指标均在［0，1］区间，转化函数为:

式中:Xmax为样本数据的最大值;Xmin为样本数据的最小值。

表1 乌审旗生态承载力指标体系及权重Tab.1 The weight value and index system of ecological carrying capacity in Uxin Banner

3 结果分析

3.1 生态系统结构时空变化

研究区草地和荒漠是面积最广的生态系统类型，两者面积之和占总面积的93%以上。耕地主要分布于南部和东部河流阶地等水系较为发达的地区，林地主要分布在区域南部，湖泊主要分布在区域北部和西北部，建设用地较为分散，主要分布在各乡镇中心镇、工业园区和居民聚集地等。荒漠和草地分布广泛，但也存在一定的集中区，荒漠主要集中在北部地区，与毛乌素沙地的分布位置密切相关，草地整体较为集中在西南部和北部边缘地区，草地内部不同覆盖度草地分布地区差异也较大，高覆盖度草地主要分布在西部和北部地区，中覆盖度草地在全旗分散布局，以南部地区为主，低覆盖度草地在草地面积中占比最大，在全旗各地区都广泛存在，在荒漠和建设用地周围集中分布(图2，表2)。

图2 乌审旗1998，2008年土地覆被类型图Fig.2 Land cover pattern of Uxin Banner in 1998 and 2008

表2 1998—2008年乌审旗生态系统数量结构变化%Tab.2 The quantitative structure of ecosystems in Uxin Banner during 1998—2008

通过转移矩阵可以看出:1998—2008年间，高覆盖度草地、中覆盖度草地、林地和建设用地均有增加，低覆盖度草地和荒漠面积减少。一方面反映了研究区社会经济的快速发展，建设用地急速扩张;另一方面反映了生态基础设施的建设取得了较好的效果。林地面积成倍增加，高度盖度草地比重恢复到1988年的水平，中覆盖度草地面积超过以往各阶段的比重，低覆盖度草地面积有所下降，主要转向了高中覆盖度草地，荒漠比重减少到40%以下，主要转向了建设用地、林地和低覆盖度草地。整体而言，研究区社会经济发展和生态环境保护之间的矛盾有所缓和，生态治理工程取得显著成效。

景观格局指数也显示研究区景观生态效应1998—2008年有所好转。景观多样性指数由0.56增加到0.63，景观均匀度由0.27增加到0.30，说明各种景观类型的比例差异在减少，土地利用格局和生态功能趋于稳定;景观优势度由1.52下降到1.45，说明景观的空间异质性进一步得到改善，土地利用向着多样化和均匀化方向发展。

3.2 生态承载力动态变化

1998年以来，研究区生态承载负荷度在不断下降，表明研究区生态压力指数在减小，承载力指数在上升。其中，2000年前，生态承载负荷度＞1，生态压力＞环境承载能力，生态环境超载;但1998—2000年间生态承载负荷度在急剧下降，说明生态环境压力在减小。2000年后，生态承载负荷度维持在1以下，表明生态环境承载能力＞环境压力，生态系统具有较好的恢复力，生态系统处于相对稳定的状态。但从2003年起，生态承载负荷度指数在逐年上升，虽然未超过1，但也反映了生态压力有增加的趋势，应该引起管理者的关注(图3)。

图3 乌审旗生态承载负荷度Fig.3 Ecological carrying rate in Uxin Banner

研究区压力指数曲线是“U”型曲线。2000年前，生态压力处于较高的水平但在不断减小，2000以后维持在较低水平，2003年之后压力又在攀升，到2008年增长速度达到最大。承载力指数则自1998年以来不断上升，2003年有一个突增，2004年相对下降，但生态承载能力总体在波动提高(图4)。各要素对压力子系统的影响(图5)表明，1998年后压力指数下降主要归因于工业煤炭消费总量、工业固体废弃物产生量和SO2排放量的降低，特别是工业煤炭消费量在压力系统中具有很大的影响权重，其波动直接影响了生态压力的波动。2003年后，生态压力的上升主要是因为GDP的快速增加，即经济发展带来的间接影响，同时，煤炭消费、工业废水和COD量等工业发展也是导致后期生态压力不断增大的重要因素。

图4 乌审旗压力系统指数和承载力系统指数Fig.4 Indices of pressure system and bearing pressure system in Uxin Banner

图5 乌审旗压力系统各要素分量Fig.5 Components of pressure system in Uxin Banner

各要素对承载力子系统的影响(图6)表明，导致承载力指数不断上升的显著影响因素是耕地。1998年以来，耕地分量在不断上升，由于耕地所占的权重比较大(占了所有要素比重的50%)，因此，耕地的波动对承载力子系统具有直接的影响。此外，森林覆盖率、全年日照时数没有表现出明显的影响，而年降水量、第三产业比重等因素属于非常规性变动，也会在短期内导致承载力子系统的变化。如2003年年降水量和第三产业比重有明显的上升，导致系统承载力上升。因此，不仅仅是主导因素的变化会影响生态承载力，其他因素的非常规变化也会影响生态承载力。

4 生态系统适应性管理

生态系统适应性管理是建立在对乌审旗生态系统结构时空变化及生态胁迫因子了解的基础上，权衡各因子间的重要程度，并针对各因子在研究区生态承载力上的贡献大小，制定未来研究区生态系统适应性管理对策，并经过观察、反馈和更新，不断调整并实现区域生态、经济社会平衡发展的过程。

图6 乌审旗承载力系统各要素分量Fig.6 Components of bearing pressure system in Uxin Banner

4.1 适应性管理的不确定性

不确定性分析是生态系统管理的关键。在生态系统适应性管理过程中必须考虑不确定性因素及其可能带来的威胁。

4.1.1 自然条件的不确定性。长时间尺度看，自然条件的变化具有明显的趋势，但在短时间尺度下，自然条件的变化却有很强的不确定性。研究区年降水量、全年日照时数等对承载力系统的影响虽然不大，但2003年降水量突增的年份，承载力系统指数也相应增加;相反，如果出现重大的自然灾害，则可能导致承载能力骤减，短期内恢复较慢，从而产生严重的生态问题。因此，自然条件异常波动，会直接导致生态系统状况的变化，自然条件的不确定性，同样会影响适应性管理。

4.1.2 经济发展的不确定性。经济发展中的不确定性因素很多，随着经济发展全球化，投资主体多元化，加之产业结构和布局的快速变化，土地利用的不确定性增大，进一步影响到生态系统的不确定性。目前，土地利用多根据市场变动而不计生态后果。经济的短期刺激可能导致乌审旗对资源开发需求的剧增，从而导致资源环境消耗量和排污量的增大，增加了乌审旗的生态压力，影响整个生态系统健康状况。随着经济全球化，国际市场的变动也逐渐影响中国区域的经济发展，从而增加了发展中的不确定性。

4.1.3 管理行为的不确定性。管理的关键在于目标设定的明确性和可行性。然而在发展过程中，经济和生态的博弈一直在进行，生态建设和生态恢复虽然被提上议程，但仍旧是弱势决策对象。决策者的决策很可能随着经济发展的波动而变化。“经济第一”的观念是现代发展观念的主流，因此，决策行为也为生态发展提供了很大的不确定性。

4.1.4 系统边界的不确定性。生态系统边界与行政边界通常是不重合的。毛乌素沙地包括内蒙古鄂尔多斯南部、陕西榆林市北部和宁夏盐池县东北部，是一个完整的生态系统。基于乌审旗行政区的生态系统管理，就必然会受到行政区外生态系统的影响，出现行政区内不可控制的不确定性，例如周边县区出现重大的自然灾害、自然条件短期的极端情况、污染的排放等都会对乌审旗的生态系统造成影响。因此，乌审旗生态系统适应性的管理必须要考虑毛乌素沙地生态系统的整体性和统一性，评估周边区域对乌审旗生态系统的不确定性影响。

4.2 适应性管理对策

针对研究区生态系统变化的不确定性及生态承载力的不稳定性，须遵循“观测—调整—再观测”的反馈循环模式，提出适应性管理对策。

4.2.1 缓解工业压力。研究区生态系统不稳定，很大程度是由于系统的压力过大。因此，减轻压力是缓解生态系统不稳定性最根本的措施。近年来，随着经济的快速增长，工业消耗和工业污染成为研究区最重要的生态压力。作为压力系统中影响最为显著的因子，如何尽可能减少工业煤炭消耗是研究区首要考虑的对策。建议推广多种能源，特别是新型、少污染甚至无污染能源的使用。研究区光能资源相对丰富，提高光能利用率，缓解煤炭的大量消耗。此外，还须控制工业SO2排放量、工业废水排放量和工业废弃物排放量等。

4.2.2 改善承载面。研究区承载力子系统中，耕地是最重要的承载因素，具有提高区域生态承载能力的作用。虽然2000年后推行退耕还林(草)政策，但耕地的效用不可忽视。因此，提高耕地利用率，充分发挥耕地经济、生态双重效应的功能。自然要素的波动也会影响区域生态承载能力，提高自然基础要素的观测精度，增强预测预报的能力亦很重要。

4.2.3 长期监测和调整。适应性管理是一个长期的过程，系统的反馈和调节是适应性管理的核心内容。由研究区1998—2008年生态承载力动态变化可知，工业煤炭消耗总量和耕地面积是最主要的压力因素和承载因素，是决策者进行决策管理的重要指标。1998年以来生态承载能力在迅速好转，但2003年后有恶化趋势。因此，适应性管理需要根据生态承载趋势所传递的信息，控制相关的变量，使生态承载力维持在一个相应稳定的水平。

4.2.4 加强与周围县区的合作。由于生态系统的统一性、生态系统边界和行政边界的不重合性，乌审旗的生态系统适应性管理必须依赖于周围县区的合作，以便减弱边界外部不确定性对乌审旗的冲击。各县区之间甚至各省之间应该开展生态对话，对毛乌素沙地实行共同保护、共同开发。制定区域间的补偿机制，遵守“谁污染谁治理”的原则，对生态环境外部性问题进行经济或生态补偿。通过区域间的交流合作，可以将区域生态问题分为行政区内外两个部分，针对不同问题采取不同的对策。

5 结论与讨论

1)草地和荒漠是研究区面积最广的生态系统类型，两者之和占总面积的93%以上。1998—2008年间，生态系统结构发生了显著变化，由于退耕还林(草)政策的实施，草地覆盖度明显提高，主要表现为低覆盖度草地向中、高覆盖度草地的转化。部分荒漠转化为耕地、林地和草地。另外，景观格局指数表明研究区景观异质性增加，景观结构趋于稳定，生态效应显著提升。

2)1998—2008年间，研究区生态承载力不断提高。2000年以前生态压力大于生态承载能力，环境问题显著;2000年后生态承载力维持在较高水平，但从2003年以来，生态承载力略有下降。就压力子系统而言，工业煤炭消费量和经济发展(GDP)是主要影响因子，工业SO2排放量、工业废水等在一定程度上加剧了生态压力;就承载力子系统而言，耕地是最重要的影响因素，自然因素的波动也会影响生态系统的承载能力。

3)基于研究区生态承载力动态变化提出其生态适应性管理的对策，在生态压力方面须降低工业煤炭消耗总量，控制工业SO2、工业废水和工业固体废弃物排放量;生态承载能力方面要重视耕地的保护，加强基础数据的观测，提高预测和预报能力;加强区域间的合作管理，制定相应补偿机制，共同管理、共同开发、共同治理;建立适应性管理的“反馈—调节”机制，寻求经济发展和生态健康的最佳结合点。

地处农牧交错带的乌审旗，既是我国典型的生态脆弱区，又是资源富集型区域，通过揭示乌审旗生态承载负荷的变化趋势，进而分析承载面和压力面的相关指标，能够找出区域生态胁迫因子，为乌审旗生态适应性管理提供依据。在未来对适应性管理的理论研究和实践应用中，需进一步加强胁迫因子选取的代表性和科学性，综合考虑区域的共性因子和个性因子，实现生态系统适应性管理的实时动态追踪。

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