祁连山国家公园生态承载力年际变化特征及其影响因素分析

单姝瑶， 徐浩杰*， 杨 磊， 齐效镰， 陈 甜， 陈生云， 高雅月

(1. 兰州大学草地农业生态系统国家重点实验室/兰州大学农业农村部草牧业创新重点实验室/兰州大学草地农业教育部工程研究中心/兰州大学草地农业科技学院， 甘肃 兰州 730020； 2. 疏勒河源冰冻圈与生态环境综合监测研究站/冰冻圈科学国家重点实验室/中国科学院西北生态环境资源研究院， 甘肃 兰州 730000； 3. 祁连山国家公园国家长期科研基地， 青海 西宁 810000)

气候变化、资源短缺和环境污染威胁社会-经济-自然复合生态系统可持续发展[1]。生态承载力是一定区域和时期内的资源数量与质量，以及可承载的人口与经济社会可持续发展的能力[2]。生态承载力前期研究多以间接描述和静态分析为主[3]，主要包括自然植被净初级生产力(NPP)法、能值分析模型和生态足迹理论[4-6]。近年来，生态承载力研究不断向定量化和动态化方向发展[7]，尤其是TOPSIS模型、质量平衡模型、传递矩阵、种群数量Logistic法、资源供需平衡法与状态空间法的应用深化了生态承载力研究[8]。我国的生态承载力研究开始较晚，多以跟随式为主，主要聚焦于生态承载力的概念、评价方法及其与可持续发展的联系，缺乏本地化的生态承载力评价模型。虽然生态承载力评价模型的适用性尚存在诸多问题，但生态承载力量化方法已呈现出综合化和多元化的特点[9]。此外，以往生态承载力的研究对象主要是城市生态系统，且对生态承载力的影响因素缺乏深入探讨[10]。为推进美丽中国建设，我国建立以国家公园为主体的自然保护地体系。探究国家公园生态承载力动态演变及其驱动机制是检验自然保护地人地关系是否协调的有效手段，对提高自然生态系统可持续管理水平具有重要意义[11-12]。

祁连山国家公园地处青藏高原、内蒙古高原和黄土高原交汇地带，具有水源涵养和生物多样性保护等多种生态系统服务功能，是西部地区重要的生态安全屏障与河西走廊重要的水源补给区[13-14]。受气候变化、过度放牧、矿产开采和水电资源开发等影响，国家公园内出现森林质量下降、草地退化、生物多样性降低、水源涵养能力减退和水土流失加剧等问题[15]。如何实现国家公园人与自然和谐共生是重要的科学问题。为此，本文以祁连山国家公园为研究对象，基于2000—2019年的卫星遥感和社会经济统计数据，采用驱动力(Drive)-压力(Pressure)-状态(State)-影响(Impact)-响应(Response)概念模型(DPSIR)构建生态承载力评价指标体系，以层次分析法和主成分分析法确定指标综合权重，使用综合得分法构建生态承载力指数，分析生态承载力指数的年际变化特征，利用TOPSIS模型和障碍度模型分别对生态承载力状况和障碍因子进行评价。

1 材料与方法1.1 研究区概况

祁连山国家公园横跨甘肃省和青海省，地处北纬36°46′45″至39°47′05″、东经94°49′18″至102°59′08″之间，是我国首批设立的10个国家公园体制试点之一，总面积为5.02万平方公里(图1)。地貌以高山、沟谷和山间盆地为主，平均海拔约3 750 m，属大陆性高寒半湿润山地气候，年均温约4℃，年降水量约400 mm，冬季寒冷干燥，夏季温凉湿润[16]。

图1 祁连山国家公园行政区划图Fig.1 Administrative map of Qilian Mountain National Park

1.2 研究数据

基于DPSIR模型选取生态承载力表征变量，运用IBM SPSS Statistics 26软件对预设指标进行多重共线性诊断，剔除相互依赖程度较高的指标，最终选取25个评价因子，构建生态承载力评价指标体系(表1)。年降水量和年潜在蒸散量来自国家气象科学数据中心(http://data.cma.cn/)。第二产业增加值、受教育人口、人口自然增长率、人均GDP、农业机械总动力、化肥施用量、牲畜存栏量、粮食产量、城镇化率、公共财政预算支出、污水处理回用量、人工造林面积、农村就业人员数和农村用网人数由EPS数据平台提供(https://www.epsnet.com.cn/)。可吸入颗粒物来源于县级环境状况公报，从中国知网年鉴数据库获取(https://www.cnki.net/)。可利用水资源量和年输沙量来自甘肃省水资源公报(http://slt.gansu.gov.cn/)。陆地水储量为GRACE卫星观测资料(https://grace.jpl.nasa.gov/)。基于中国土地利用遥感监测数据(https://www.resdc.cn/)计算林草地覆盖度，结合生态环境状况评价技术规范(HJ 192-2015)计算生境质量指数。生态系统质量参照全国生态状况调查评估技术规范-生态系统质量评估(HJ 1172-2021)计算，所用卫星遥感数据为MODIS增强型植被指数、叶面积指数和NPP产品，由美国国家航空航天局地球科学数据分布式数据存档中心提供(https://lpdaac.usgs.gov/)。水源涵养量和土壤保持量采用InVEST模型计算[17-18]。对于空间数据，取国家公园境内各县区所有栅格的平均值。

表1 生态承载力评价指标体系及其指标权重Table 1 Assessment indicator system and index weight for ecological carrying capacity

1.3 研究方法

1.3.1构建生态承载力指数 (1)指标标准化

指标分为正向和负向，正(负)向表示指标对生态承载力的正(负)向影响。采用极差标准化消除指标量纲，使指标间可比。

正向指标：

Yij=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

负向指标：

Yij=(Xmax-Xij)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中，Yij为第i年第j项指标的标准值；Xij为i年第j项指标的原始值；Xmax和Xmin分别为第j项指标的最大和最小值。

(2)确定指标权重

常用的指标权重确定方法有主观赋权法和客观赋权法[19]。主观赋权法基于决策者的经验或偏好，比较指标重要性并赋权，方法成熟，但客观性差，如层次分析法(AHP)；客观赋权法对资料进行整理、计算和分析，得到权重。该方法相对主观赋权法，形成较晚且较为完善，如主成分分析法(PCA)、熵权法和标准离差法等[20]。本文结合AHP和PCA法确定生态承载力评价指标的综合权重。

首先，使用AHP专业分析软件(Yaahp10.5)建立层次结构模型，采用1～9标度法进行重要性评分，构建6个判断矩阵，所有判断矩阵的CR值最高为0.08、最低为0.02，所有CR值均小于0.1。其次，使用IBM SPSS Statistics 26软件进行主成分分析，以检验统计量取值0.7、特征根>1、方差贡献率>85%为标准，提取6个主成分，以主成分方差贡献率为指标权重，对指标在各主成分线性组合中的系数做加权平均，总和标准化后得到指标权重。最后，指标综合权重取2种方法计算权重的均值，并将指标的综合权重和标准值相乘，所有指标的累积值即为生态承载力指数[21]。

1.3.2TOPSIS模型 TOPSIS模型(优劣解距离法)是一种适用于多指标、多维度的组内综合评价法。TOPSIS模型被广泛应用于生态承载力状况的评价[22]。

Y=Yijm×n=Rij×Wi

(3)

Y+={maxyiji=1,2,…,m}={y1+，y2+,…,ym+}

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

1.3.3障碍度模型 采用障碍度模型识别影响生态承载力的障碍因素[23]。因子贡献度Fij表示单项指标对生态承载力的权重，偏离度Iij表示单项指标与生态承载力目标的差距，障碍度Mij和Pij分别表示单项指标和分类指标对生态承载力的障碍度。

Fij=Wij×Wi

(9)

Iij=1-Ri

(10)

(11)

Pij=∑Mij

(12)

式中，Wij为第i个准则层第j个指标的权重；Wi为第j个指标所在的第i个准则层的权重；Ri为单项指标的标准值。

1.3.4相关分析 采用皮尔逊相关系数揭示生态承载力指数与生态承载力各子系统的贴近度和所有3级指标的相关性，相关系数0.44和0.56分别对应95%和99%的置信区间。

2 结果与分析2.1 生态承载力年际变化特征

2000—2019年，生态承载力指数先降低后增加，2014年为时间序列的突变点(图2)。2000—2014年，生态承载力指数呈显著降低趋势，从2000年的0.51下降至2014年的0.34。2014—2019年，生态承载力指数呈显著增加趋势，2019年值为0.55。

图2 生态承载力指数的年际变化Fig.2 Inter-annual variation of ecological carrying capacity index

2.2 驱动生态承载力变化的主要因素

生态承载力贴近度的多年值为0.28±0.04，表明生态承载力处于较差水平，经济发展与生态环境保护矛盾突出，生态问题显著(图3a)。2000—2019年，驱动力和压力的贴近度大致呈V形变化，与生态承载力指数的年际变化相似(图3b,c)。2000—2014年，驱动力的贴近度呈显著下降趋势，从2000年的0.52下降至2014年的0.12。2014年以后，驱动力的贴近度逐渐上升，2019年变为0.23。压力的贴近度从2000年的0.4下降至2014年的0.14。2014年以后，压力的贴近度显著上升至2019年的0.49。

第二产业增加值、可吸入颗粒物、化肥施用量、人口自然增长率、牲畜存栏量和林草地覆盖度与生态承载力指数显著相关(表1)。2000—2019年，第二产业增加值、可吸入颗粒物、化肥施用量、人口自然增长率和牲畜存栏量均呈倒V形变化(图4a-e)。可吸入颗粒物和化肥施肥量减少可降低大气和土壤中的污染物排放，产业结构调整可减少资源能源消耗。减缓人口增长和降低放牧强度可减轻环境压力，促进生态恢复。2000—2019年，状态和响应的贴近度均呈显著上升趋势(图3 d-f)。2015年以后，状态、影响和响应的贴近度均快速增加，与林草地覆盖度快速增加相吻合(图4f)，说明生态建设工程已取得积极成效。生态承载力指数与驱动力、压力、状态、影响和响应子系统的相关系数分别为0.36，0.77，0.44，0.59和0.09。

图3 生态承载力各子系统贴近度的年际变化Fig.3 Inter-annual variation of the closeness degree of each subsystem of ecological carrying capacity

图4 第二产业增加值、人口自然增长率、可吸入颗粒物、化肥施用量、牲畜存栏量和林草地覆盖度的年际变化Fig.4 Inter-annual variation of the added value of the secondary industry,natural population growth rate,inhalable particulate matter,applying quantity of chemical fertilizer,amount of livestock on hand,and forest and grassland coverage

2.3 生态承载力障碍度诊断

2000—2019年，驱动力、压力、状态、影响和响应子系统的多年平均障碍度分别为0.218，0.188，0.120，0.119和0.354(图5)，响应>驱动力>压力>状态>影响，表明现阶段生态承载力的主要限制因素是响应子系统，其次是驱动力和压力子系统。综合生态承载力各子系统贴近度的年际变化特征，得出驱动力和压力子系统的变化是导致2014年之前生态承载力下降的主要因素，2014年以后生态承载力增加是驱动力、压力和响应子系统共同作用的结果。从响应指标的权重来看，农村用网人数、污水处理回用量、农村就业人员数和人工造林面积的影响较大，公共财政预算支出的影响较小(表1)。在状态和影响子系统中，陆地水储量、可利用水资源量、土壤保持量和年输沙量均有较高权重，表明提升国家公园生态承载力的关键是水土资源合理利用与保护。污水处理回用能减少水污染，并增加水资源利用率。人工造林是涵养水源和保持水土的有效措施。由于研究区生态承载力状况较差，上述提升生态承载力的措施能够在短期内发挥明显成效。从生态承载力各子系统障碍度的年际变化趋势来看，驱动力的障碍度呈显著上升趋势(图5a)，影响和响应的障碍度呈显著下降趋势(图5d,e)，压力和状态不显著变化(图5b,c)。因此，响应子系统对生态承载力的影响减弱，驱动力子系统对生态承载力的影响增强。未来在保持生态承载力稳定的基础上，调控驱动力对提升生态承载力更为重要。从驱动力指标的权重来看，人均GDP、第二产业增加值和农业机械总动力的权重较大(表1)。提高农业机械化水平可提高粮食产量，减少国家公园周边的农业活动。优化产业结构和提高居民生活水平有助于生态承载力的可持续发展。

图5 生态承载力各子系统障碍度的年际变化Fig.5 Inter-annual variation of the obstacle degree of each subsystem of ecological carrying capacity

3 讨论3.1 生态承载力水平

祁连山国家公园的生态承载力水平较差，主要是高寒干旱的气候所决定的[21]。在状态和影响子系统中，陆地水储量、可利用水资源量、土壤保持量和年输沙量对生态承载力有较高权重且与生态承载力的年际变化显著相关。水土资源是限制国家公园生态承载力水平的主要因素，可能原因是：(1)该区域降水量低，难以发育大面积的乔木林，水源涵养功能的主体是草地和灌木林[24]，它们的水源涵养能力明显低于乔木林；(2)气候条件导致土壤发育程度低，极易遭受水蚀[17]。随着全球变暖，极端气候将增加水土流失的风险[25]，并对生态系统适应性构成挑战。实施生态建设工程降低了部分地区人类活动的干扰，但自然生态系统的监测是保证国家公园生态系统可持续发展的关键[26]。开展林草地长势、病虫害、火灾和气象灾害的大面积动态监测[27]，界定食草类野生动物的承载力[28]，是保障国家公园生态系统健康的重要内容。

3.2 影响生态承载力年际变化的主要驱动力

2014年以前，第二产业发展和人口增加造成过度放牧、过度开垦、无序开发资源、水污染与大气污染等环境问题[29-30]，化肥施用量增加引发土壤酸化和重金属污染[31]，导致生态承载力下降。农牧民的放牧习惯使其对草原的依赖性强，缺乏从事其他工作的技能，导致他们的就业渠道狭窄，就业率低下，粗放落后的农业经营方式不利于国家公园的可持续发展[32]。2014年环保部督察发现祁连山区存在严重的生态环境问题，随即当地政府持续加强整改治理，2014年以后生态治理成效突显。2017年祁连山被纳入国家公园建设范围，生态环境保护力度进一步增强，山水林田湖草的系统保护和综合治理使生态系统向好发展，林草地覆盖度显著增加与生态系统承载力增强相吻合[33]。随着国家公园建设的持续推进，推测生态质量对生态承载力的影响下降，外部环境的影响增强，该影响主要来自国家公园之外的经济社会发展[21]。建设和管理国家公园不能局限于自身边界，未来应着重分析区域生态、经济和社会系统的关联性、制约性和耦合协调关系[34]。本文采用主观和客观相结合的方法确定指标综合权重，但生态承载力无法用观测数据直接验证，因而指标权重仍具有不确定性。

3.3 提升生态承载力的对策建议

(1)提高环境保护支出占公共预算支出的比重，严格落实天然林保护、退耕还林还草与退牧还草政策；(2)降低人口自然增长率，提高受教育水平；(3)推动产业结构转型升级，增加农村就业人员数，转移农村劳动力；(4)推进生态移民搬迁，优化生态补偿机制。

4 结论

2000—2019年，祁连山国家公园生态承载力较差，应加强水土资源保护。环境污染、人口增加和过度放牧导致生态承载力下降，生态环境保护与区域经济绿色发展提高生态承载力。响应子系统是影响生态承载力的主要障碍因素，其次是驱动力和压力子系统。预计生态质量对生态承载力的影响将降低，外部环境的影响将升高。国家公园应纳入区域发展，通过调整产业结构、减缓人口增长、提高居民生活水平和保持水土等提升生态承载力，调和自然生态环境保护与社会经济发展的矛盾。