自然保护地生态承载力时空分异研究
——以大连金石滩为例

智 尹,张育庆,*,王 垚

1 辽宁师范大学 人居环境研究中心, 大连 110629 2 辽宁师范大学 地理科学学院, 大连 110629

自1956年我国广东省建立了第一个自然保护地——鼎湖山自然保护区,我国自然保护地事业不断完善,初步建立了种类多样的自然保护地体系[1]。党的十九大进一步提出“中国要加大生态系统保护力度,将生态文明战略地位进一步提高,同时建立以国家公园为主体的自然保护体系”,建立健全自然保护体系成为我国推进生态文明建设的重要任务[2]。探究在国家生态安全中占据重要地位的自然保护地承载力水平,是检验该地资源环境是否人地关系和谐的有效手段,也是当前自然地理学的热点研究[3-4]。

我国自然保护地主要包括国家公园、自然保护区和自然公园三类。其中,有许多自然保护地具有多重身份,如金石滩自然保护地：既是国家公园,具有以保护区域生态环境、维护生态系统为主的功能；同时又是风景名胜区,起着开发风景资源促进社会经济发展的作用,这种拥有多重身份的自然保护区更需要社会各界去关注[5-6]。正是因为同时肩负了环境保护和经济发展的使命,该地成为保护与发展矛盾冲突的区域,是自然与人类社会交错影响的复合系统。在快速城市化的今天,多身份自然保护地受人类活动影响强烈,过度开发当地资源、破坏当地生态环境、超负荷运行基础设施等诸多不合理的人类活动均导致该区域环境质量下降,体现了现阶段众多自然保护地重开发而轻保护的特点[7-9]。自然保护地可持续发展平衡被打破,开发强度大于保护强度,成为威胁区域生态安全格局的一个主要问题。

生态承载力是一个集生态系统-资源环境-社会经济的复杂系统,其内涵体现在三大子系统的3种能力,即弹性生态子系统的支撑能力、资源环境子系统的供容能力和社会经济子系统的协调能力[10-12]。生态承载力是衡量区域生态与社会经济可持续发展的关键,其评估为协调一个区域的保护与发展关系提供重要依据。现有生态承载力研究内容不断丰富,研究对象主要是国家、省际、区域、城市、流域、山地、特殊地理环境地带等不同尺度的区域[13-17],但李苗苗等[18]研究统计截止2018年12月31日以辽宁省自然保护地为研究对象的不足十篇。生态承载力研究方法具有多样性,但均有其各自的局限性：Rees等[19-20]致力将生态足迹法应用于生态承载力研究,但其适用范围一般在国家或国际间；毛汉英等[21]运用状态空间法计算环渤海区域承载力,其方法在一定时间尺度的区域内均适用,但易忽略人的主观能动作用[22]；模糊综合评价模型[23-24]适于直观反映指标权重与指标值间的相互关系,可按各自研究对象特点进行定量分析,比较适合本文微尺度的金石滩地质遗迹保护区。在生态承载力指标构建方面,因生态系统是一个集生态、经济、社会的复杂系统,目前学者选取的指标主要涉及资源、环境、社会、经济发展等方面,鲜有学者将各个方面的指标融合考虑,还未形成普适的指标体系[25-28]。

综上所述,目前关于生态承载力的研究,缺乏乡镇一级等小尺度区域研究；缺乏以兼具保护与发展功能的自然保护地类型为研究对象；缺乏结合遥感解译、社会经济等多源数据开展定量研究。本文的研究对象是具有多类型自然保护地身份的金石滩,在遥感影像和土地利用数据的基础上,从弹性生态支撑系统、资源环境供容系统、社会经济协调系统3方面构建指标体系,对金石滩1998—2018年的生态承载力进行核算,评估该区域发展是否在其可承载范围内,判定其可持续发展程度,为协调金石滩多类型自然保护地的保护与发展提供参考。

1 研究区域、数据与方法

1.1 研究区域

金石滩地处大连市金普新区东部沿海,该区属暖温带季风气候,冬暖夏凉,气候宜人,辖葡萄沟村、河嘴子村、龙山村、满家滩村、什字街村、陈家村、庙上村7个行政村。早在1986年政府批准建立县级自然保护区，1987年晋升为地质遗迹市级自然保护区，1988年金石滩被确定为国家级风景名胜区,2005年被评为国家地质公园。金石滩地质景观独特,珍奇地貌众多,成立地质遗迹保护区,起到景观资源的保存与保护功能；同时风景优美,景点众多,旅游业发达,促进该区域社会经济发展。金石滩是国家公园和风景名胜区的结合区域,是生态保护与地区发展之间矛盾冲突的区域,因此将金石滩作为多类型自然保护地案例研究具有一定典型性(图1)。

1.2 数据来源

本文以1998、2003、2007、2012、2015、2018年遥感解译的土地利用数据为基础(图2),并结合《金普年鉴》、《大连经济技术开发区 大连出口加工区 大连金石滩国家旅游度假区年鉴》各生态环境、社会经济统计数据(表1)。土地利用类型根据本文指标体系计算所需的土地类型分为：耕地、园地、林地、草地、水域及水利设施用地、建设用地和未利用土地(图2)。

图2 土地利用类型Fig.2 Land use types

1.3 研究方法

1.3.1指标构建

具备多重自然保护地身份的金石滩在剧烈频繁的人类活动和复杂多变的环境因子影响下,成为地质遗迹保护和国家级风景名胜二合一的区域,故选取指标需反映该地生态系统承载能力。在熊建新等[29]、苏飞等[30]、裴鹰等[31]研究的基础上,本文从弹性生态支撑力、资源环境供容力和社会经济协调力3个方面构建指标体系：弹性生态支撑力用以表征金石滩自然保护地生态系统的自我维持与修复能力,能从根本上反映生态系统内各自然要素的支持状况,从生境质量指数等5个方面构建指标层；资源环境供容力反映区域内资源环境利用现状,从空气质量达标率等5个方面构建指标层；社会经济协调力反映金石滩社会经济发展的协调程度,从游客人次等5个方面构建指标。依据科学性的指标体系构建原则,参考《生态环境状况评价技术规范(发布稿)(HJ192—2015)》中“6.3自然保护区生态保护状况评价指标及计算方法”以及前人研究文献[32-35],同时结合金石滩自然保护地自身特征。因金石滩是地质遗迹保护区类型,而非野生动物保护区类型,去除外来物种入侵度干扰、添加游客人次干扰,综合考虑筛选出15项能反映区域生态系统特征、内涵丰富且便于测度的指标(表2)。

表2 金石滩生态承载力评价指标体系

评价指标体系中,生境质量指数、植被覆盖指数、水域面积占比、空气质量达标率、水质达标率的计算均参考《生态环境状况评价技术规范(发布稿)(HJ192—2015)》,其他指标依据其概念和统计方法计算获得,指标的正负性质参考何念鹏等[36]、周宏浩等[37]的研究。

1.3.2数据处理与权重

指标数据标准化：各项指标数据的计量方式不统一,因此应对原始数据进行标准化处理。本文采用极差正规化法对原始数据进行标准化处理,消除数据间的量纲影响[38-39]。公式如下：

指标权重处理:权重确定方法主要分为主观赋权法和客观赋权法两类,两种方法各有优劣。在吸纳前人经验的同时,结合数据本身的属性,本文通过层次分析法[40]与熵值法[41]分别计算指标权重,尽量避免其缺点,充分发挥其优势,计算其组合权重,采用主客观组合赋权的方法。

1.3.3评价模型

本文主旨在于直观反映指标权重与指标值的相互关系,将指标体系与模糊综合评价模型相结合,对金石滩自然保护地生态承载力进行评估[42]。具体公式如下：

(1)

(2)

式中，RECCb代表各目标层指标值，ωi代表指标权重，Cij代表指标标准化后的值。RECC代表生态承载力，ωb代表目标层的权重值。

1.3.4生态承载力等级划分

生态承载力等级划分参考前人研究成果[43-44],并根据本研究区域实际情况,将生态承载力评价结果取值范围[0,1]分为4个等级(表3),对生态承载力评估结果进行等级划分。

表3 金石滩生态承载力评价分级标准

2 结果分析

2.1 生态承载力时间分异

由图3得出,①金石滩在近30年来生态环境遭受严重破坏,弹性生态支撑力一直在降低,生态系统自我修复能力大大减弱,弹性生态支撑力在1998年到2003年的时间里下降最为明显,从0.2631下降至0.1221,区域开发起步阶段对生态的弹性恢复能力损害最为严重；2015—2018年时段,弹性生态支撑力下降速度缓慢,生态系统整体情况上看有一定的恢复效果。②金石滩在开发利用当地资源飞速发展旅游业的同时,该地资源环境也在承担与之对应的负面后果,资源环境供容力从2007年的0.1935飞速下降至2012年0.0992。③社会、经济和人口是衡量一个地区是否和谐发展的指标,此三要素共同决定社会经济协调力。金石滩社会经济协调力呈现先降后升、之后平稳态势且整体波动变化小。其中,自2003年以来社会经济协调力从0.1291平稳增长至0.1705,表明社会各界对保护生态的重视行动有一定的作用。

图3 金石滩生态承载力变化Fig.3 The change trend of ecological carrying capacity in Jinshitan

根据模糊综合评价模型对1998—2018年金石滩生态承载力水平进行测算。由图3可知,金石滩自然保护地生态承载力从1998年的0.7572降至2018年的0.2940,呈现出“强承载水平-较强承载水平-较弱承载水平”态势,该区生态系统发生紊乱,环境质量快速降低,生态承载能力持续减弱。伴随城镇化发展,建设用地急剧增长导致大量耕地、林地等自然资源被占用,以及旅游业的快速发展对当地环境带来的冲击是导致生态承载力持续走低的主因。2012—2018年生态承载力下降幅度变缓,由0.3582降至0.2940,主要得益于社会经济协调力,社会各界对保护生态做出的贡献小有成效。整体来看,金石滩生态承载力变化的决定性因素是弹性生态支撑力与资源环境供容力,其与生态承载力发展趋势一致,而社会经济协调力先减后增,是生态承载力的调节性因素。

2.2 生态承载力空间分异

在土地利用数据基础上,根据实际情况结合统计数据和指标权重,利用ArcGIS软件得到金石滩生态承载力等级分布(图4)。从近30年总体来看,金石滩承载力自北部内陆向南部海岸逐渐减弱,内陆与海岸生态承载力情况完全不同,呈现出极不平衡的空间分异,伴随来之的是弱承载范围迅速激增和强承载范围快速缩减：1998年,金石滩生态承载力以强承载水平为主,沿海的河嘴子村、庙上村和满家滩村开始出现较强承载水平分布区域；到 2003年,弱承载范围开始连区成片,该区承载力等级显著降低,主要表现为强承载向较强承载演变。具体来看,河嘴子村和龙山村的沿海区域表现出较弱承载水平,满家滩村和庙上村的沿海区域表现出弱承载水平。1998年后为加强金石滩与大连市市区联系从而吸引游客促进当地旅游发展,开始修建轻轨快车并于2002年建成,轻轨快车的占地修建与之伴随的建设用地快速扩张是此阶段金石滩生态承载力变化剧烈的主要原因。

图4 金石滩生态承载力等级分布Fig.4 Ecological carrying capacity level distribution of Jinshitan

金石滩生态承载力空间分异在2003—2012年表现明显,金石滩地区的北部和陈家村与庙上村交界之处表现出强承载力,且强承载范围一直在加速缩小,主要原因是该地区植被覆盖较高,林地、草地资源丰富；较弱承载范围自南部海岸一路扩张至北部,弱承载力则牢牢占据金石滩南部中心位置,尤其是满家滩村和庙上村南部。弱承载范围扩张趋势与建设用地一致,说明人类开发活动对当地生态环境资源造成很大干扰。2015—2018年,金石滩生态承载力以弱承载水平为主,等级下降速度减缓,且空间分异趋于稳定。主要原因为：该阶段已是经济开发的成熟阶段,建设用地占据了金石滩中部与南部绝大多数地区,森林、草地资源分布范围很小,生态承载力等级分布已稳定。

3 结论与讨论

3.1 结论

本文从弹性生态支撑系统、资源环境供容系统、社会经济协调系统3方面构建指标体系,运用模糊综合评价模型,对金石滩多身份自然保护地生态承载力的时空分异进行评估,以期监测自然保护地生态环境变化,促进自然保护地可持续利用与发展,望能为其他自然保护地的生态承载力评估及发展的科学决策提供参考。结论如下:

(1)从金石滩自然保护地生态承载力总体来看,1998—2018年间金石滩生态承载力表现出先快后慢的下降趋势,先后经历“强承载水平—较强承载水平—较弱承载水平”三个阶段。

(2)从金石滩生态承载力准则层评估来看,弹性生态支撑力和资源环境供容力呈现持续降低的剧烈下降趋势,社会经济协调力呈现先降后升、之后平稳发展的趋势。其中,弹性生态支撑力和资源环境供容力与生态承载力变化趋势一致,是生态承载力变化的基础。

(3)金石滩生态承载力呈现极其不平衡的海陆空间分异,陆地为强、较强承载力,海岸为弱、较弱承载力,自北部陆地向南部海岸逐渐减弱。海陆生态承载力水平完全不同,与之伴随的是弱承载范围迅速激增和强承载范围快速缩减。

3.2 讨论

本文以多身份自然保护地为研究对象,探讨具有多种类型、多种功能自然保护地生态承载力的评估方法,反映该区域生态承载力变化情况及可承载能力,以期为促进多类型自然保护地的可持续发展服务。在目前关于生态承载力的研究中,不同的生态承载力研究方法各有侧重,结果也会不同。但在长时序范围内,研究得到的生态承载力时空分异特征具有一定的科学性和准确性,能够反映区域的生态承载力变化情况。由于本文指标体系构建是专门针对金石滩地质遗迹保护区,可能对野生动物保护区提供的参考意义不大,不过给同类型自然保护地研究提供了新思路。

金石滩自然保护地在近20年的发展中,强烈的人类开发活动是生态承载力持续走低的主因,对资源和环境加大保护力度是金石滩可持续发展的重点,处于生态承载力等级弱、较弱的南部沿海地区更是应将环境、经济与社会的可持续发展作为今后发展的方向。未来研究可将生态承载力时空分异的影响机制作为重点,定量研究其影响因素,因地制宜提出改善措施。