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百年来的资源环境承载力研究:从理论到实践

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

封志明1,2,, 杨艳昭1,2, 闫慧敏1,2, 潘韬1,2,3, 李鹏1
1. 中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101
2. 中国科学院大学资源与环境学院,北京 100049
3. 中国科学院陆地表层格局与模拟重点实验室,北京 100101

A review of resources and environment carrying capacity research since the 20th Century:from theory to practice

FENGZhiming1,2,, YANGYanzhao1,2, YANHuimin1,2, PANTao1,2,3, LIPeng1
1. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China
2. College of Resources and Environment,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China
3. Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation,Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China
收稿日期:2016-11-10
修回日期:2017-02-20
网络出版日期:2017-03-20
版权声明:2017《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部
基金资助:国家重点研发计划(2016YFC0503500)西藏重大科技专项(Z2016C01G01)
作者简介:
-->作者简介:封志明,男,河北平山人,博士,研究员,主要从事资源开发与区域发展研究,旁及资源科学的理论与方法探讨。E-mail:fengzm@igsnrr.ac.cn



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摘要
从20世纪初期承载力概念提出,到21世纪作为描述发展限制的重要工具,从理论到实践,资源环境承载力研究走过百年,已成为衡量区域可持续发展的重要判据。本文简要回顾了资源环境承载力概念的源起与发展;系统梳理了从土地资源承载力、水资源承载力、环境承载力(容量),到资源环境承载力的研究进程;科学评述了基于生态足迹与虚拟土地、水足迹与虚拟水和能值分析与虚拟能量等方法开展的资源环境承载力研究的跨世纪进展。研究认为:资源环境承载力研究尚未形成一套统一的理论与方法体系,且研究结果的客观性与可比性一直存有争议。鉴于此,资源环境承载力研究应从理论到方法、从实践到应用,切实加强基础理论与承载机理、阈值率定与综合计量、技术标准与技术规范、定量评价与系统集成研究,以促进资源环境承载力研究的标准化与规范化、数字化与系统化,最终满足实用化与业务化的国家需求。

关键词:资源环境承载力;资源承载力;环境承载力;环境容量;承载力
Abstract
Carrying Capacity(CC)was first coined in biology and ecology in the 1920s,and later developed rapidly in related sciences such as natural resources science and environment science. The concept of Resources and Environment Carrying Capacity(RECC),from theoretical investigation to practical implementation,has become an effective and operational tool to describe development restrictions and quantify regional sustainable development. RECC research has become a hot topic methodologically and theoretically in ecology,geography and natural resource and environment. It primarily focuses on the ultimate limit of population and economic development on earth. After briefly looking at the origin of the concept and early headway,we summarize RECC research from land resource carrying capacity,water resource carrying capacity,and environmental carrying capacity(environment capacity). The following evaluating methods,including ecological footprint and virtual land (or the biological productive land by ecological footprint),water footprint and virtual water (or the global flow of virtual water),emergy analysis and virtual energy(or energy equilibrium),are considered as important research progresses in the past century. However,there is still lack of a standard set of evaluation theories and methodologies for RECC research in China and globally,leading to much debate over the objectivity and comparability of resultant figures. Concerning this issue,we propose that RECC research in the future should pay more attention to enhancing exploratory studies in basic theories and carrying mechanisms,thresholds determination and synthetical calculation,technological standards/manuals setting,measurable assessment and systematical integration. More effort is needed to promote the standardization,digitalization and systematization of RECC research in China before according with national practical and operational demands.

Keywords:resources and environment carrying capacity (RECC);resources carrying capacity;environment carrying capacity;carrying capacity

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封志明, 杨艳昭, 闫慧敏, 潘韬, 李鹏. 百年来的资源环境承载力研究:从理论到实践[J]. , 2017, 39(3): 379-395 https://doi.org/10.18402/resci.2017.03.01
FENG Zhiming, YANG Yanzhao, YAN Huimin, PAN Tao, LI Peng. A review of resources and environment carrying capacity research since the 20th Century:from theory to practice[J]. 资源科学, 2017, 39(3): 379-395 https://doi.org/10.18402/resci.2017.03.01

1 引言

资源环境承载力是从分类到综合的资源承载力与环境承载力(容量)的统称。从评价主体看,资源环境承载力研究既包括单项分类研究,也包括综合集成研究。狭义讲,资源环境承载力是指在自然生态环境不受危害并维系良好的生态系统前提下,一定地域空间的资源禀赋和环境容量所能承载的人口与经济规模[1,2]
资源环境承载力研究事关资源环境“最大负荷”这一基本科学命题。早在20世纪初期,资源环境承载力概念已具雏形,最早可见于1902年Pfaundler的“物理观点之世界经济”和美国1906年农业部年鉴[3,4]。20世纪末期以来,以人口、资源、环境与发展(PRED)为核心的人地关系(Man-Nature Relation)研究逐渐成为地理学、生态学、资源科学、环境经济学等学科的重要命题和关键政策问题。特别是在1990年代后期,出于对资源耗竭和环境恶化的科学关注,资源环境承载力在区域规划、生态系统服务评估、全球环境现状与发展趋势以及可持续发展研究领域受到越来越多的重视[5-7]。“未来地球”研究计划更是将资源环境承载力研究与全球变化、可持续发展研究紧密结合,作为重要的战略研究议程[7,8] 。研究普遍认为:资源环境承载力既是一个区域性问题,也是一个全球性问题,已成为衡量国家或地区人地关系协调发展程度的重要判据。由此可见,资源环境承载力研究既是以“PRED”为核心的资源环境科学综合研究的发展和应用的客观要求,同时也是地理学“人地”关系核心理论的重要科学实践以及“未来地球”科学理念的切入与延伸的现实需要。
进入21世纪,作为描述发展限制的一个常用概念,资源环境承载力的社会意义越来越受到重视。2006年颁布的《国民经济与社会发展“十一五”规划纲要》第20章即提出“推进形成国家主体功能区:根据资源环境承载能力、现有开发密度和发展潜力,统筹考虑未来我国人口分布、经济布局、国土利用和城镇化格局,将国土空间划分为优化开发、重点开发、限制开发和禁止开发四类主体功能区……”。2013年党的十八届三中全会通过的《中共中央关于全面深化改革若干重大问题的决定》第52条再次明确提出“建立资源环境承载能力监测预警机制,对水土资源、环境容量和海洋资源超载区域实行限制性措施”。在实践领域,资源环境承载力不仅作为国家主体功能区规划的科学基础和核心指标实际应用于国家或地区的国土规划和人口规划,同时为汶川、玉树、芦山、鲁甸等地重大自然灾害的灾后重建规划提供了重要的科学基础[9-12]。由此可见,从基础到应用,从理论到实践,走过百年,资源环境承载力研究不仅已成为国家生态文明建设的一项重要基础性工作,而且也是推进中国新型城镇化建设、促进区域可持续发展的重大科学需求所在。

2 承载力概念的源起与发展

承载力(Carrying Capacity)原为力学概念,是指物体在不产生任何破坏时所能承受的最大负荷,可通过实验或经验公式方法进行度量。此后,承载力的概念逐渐被引入生物学和区域系统研究中,分别指某一生境(habitat)所能支持的某一物种的最大数量[13-19]和区域系统对外部环境变化的最大承受能力。从上述概念可知,承载力包含着一定的极限思想,这早在亚里士多德时代就已有论述[20]。工业革命兴起后,随着人类生产水平和生活水平的快速提高,承载力概念遂被正式提出,其内涵与外延随着社会经济的发展不断拓展。

2.1 承载力概念的源起与萌芽——基于生物学与生态学的认识

承载力概念的起源可以追溯到马尔萨斯时代。1798年马尔萨斯发表了著名的《人口原理》,不仅为承载力概念赋予现代内涵,而且对后世达尔文的生物学和生态学发展乃至对20世纪的人口学和经济学研究都产生了深远影响[21]。1838年,Verhulst根据马尔萨斯的基本理论提出著名的逻辑斯蒂方程,成为承载力概念最早的数学表达式[22]。1921年,帕克和伯吉斯将承载力概念扩展到人类生态学中,认为承载力是在某一特定环境条件下(主要指生存空间、营养物质、阳光等生态因子的组合),某种生物个体存在数量的最高极限[23]。由此可知,关注极限容纳量是早期承载力概念的主要特点,但承载机制问题尚未得到重视,且研究对象的范畴也极其有限。1922年,Hawden等从草地生态学角度提出了新的承载力概念:承载力是草场上可以支持的不会损害草场的牲畜数量[24]。该定义明确了动物种群和环境状态间的相互作用,将关注焦点从最大种群平衡转移到环境质量平衡,由绝对数量转向了相对平衡数量,并突出了承载体在承载力定义中的作用。十几年后,Leopold也给出了相似的定义,即认为承载力是区域生态系统能够支撑的最大种群密度变化的范围[25]
资源环境与种群(人口)数量之间关系的理论探讨与预测是这一阶段承载力研究的基本特点,其主要思想是将资源环境对种群(人口)的限制性用环境容纳能力表现,在理清承载力概念基本内涵的同时,还提出了相应的数学表达式。这不仅使人类意识到资源环境对发展的限制作用,还为后世承载力研究的拓展乃至20世纪后期可持续发展理论的产生起到重要启示和奠基作用[17]图1)。
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图1百年来国内外资源环境承载力研究的重要事件
-->Figure 1Milestones of study on carrying capacity of resources and environment at home and abroad in the past two hundred years
-->

2.2 承载力概念的拓展与完善——基于资源环境科学的认识

20世纪60-70年代,随着资源耗竭和环境恶化等全球性问题的爆发,人们逐渐意识到生态系统与人类之间的相互矛盾与依存关系。承载力研究范围迅速扩展到了整个生态系统。相比环境容量,承载力研究更多考虑环境变化和人类活动对生态环境的影响[26]。研究目的由种群平衡延伸到社会决策,承载本质由绝对上限走向相对平衡,研究对象日趋复杂,概念核心由现象描述转向机制分析,承载理念由静态平衡转到动态变化,进而深化到系统可持续发展[27]。1972年,Meadows等所著《增长的极限》[28]便是其中的杰出代表,不仅阐明了环境的重要性以及资源与人口之间的基本联系,还为可持续发展思想奠定了科学基础。20世纪70-80年代, FAO和联合国教科文组织(UNESCO)先后组织了承载力研究,提出一系列承载力定义和量化方法[29,30];1995年,Arrow等发表“经济增长、承载力和环境”一文[31],引发了人们对环境承载力相关问题的高度关注。当前,承载力研究在人口[32,33]、区域[34,35]、城市[36-38]、自然资源[39-41]、生态系统管理[42-44]以及环境规划和管理[45-47]等领域都得到了广泛的应用,同时也催生了诸如生物物理承载力(Biophysical carrying capacity)、文化承载力(Cultural carrying capacity)和社会承载力(Social carrying capacity)等一系列外延概念和量化模型[48,49] 表1)。
Table 1
表1
表1承载力概念的演化与发展
Table 1Development of the concept of carrying capacity
承载力名称产生背景承载力的含义
种群承载力生态学发展生态系统中可承载的某种种群数量
资源承载力土地资源承载力人口剧增,土地资源紧缺土地资源的生产能力及可承载的最大人口数量
水资源承载力人口膨胀,工业用水增加,水环境污染导致水资源短缺水资源可支持的最大人口数量;可支持的工农业生产活动强度
矿产承载力资源短缺矿产资源所容纳的人口数量
森林承载力森林砍伐森林资源所能承载的人口数量
旅游承载力旅游广泛旅游景点可承载的最大人口数量
………………
环境承载力水环境
大气环境环境污染某特定环境对人口增长和经济发展的承载能力
土壤环境
生态承载力生态破坏生态系统可承载的人类社会经济活动的能力


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总体上,承载力是一个与资源禀赋、技术手段、社会选择和价值观念等密切相关且具有极限内涵和伦理特征的概念,具有不确定性和非线性[31,50]。从应用上,承载力可分为生物学和生态学、应用生态学、人口生态学等视角[17];从研究方法上,可分为特殊实证、一般实证和理论承载力等类型;从具体实践上,可主要归纳为自然资源或环境对人口或经济的承载力、某生境对特定生物种群的承载力以及娱乐旅游系统对游客的承载力等等[41,51-53]。因此,资源环境承载力概念越来越强调综合性与系统性。

3 资源环境承载力研究的过去与现在

作为描述发展限制的概念,资源环境承载力的研究主题首先是自然资源。UNESCO提出并已被广泛接受的资源承载力定义为:一个国家或地区的资源承载力是指在可以预见的期间内,利用本地能源及其他自然资源和智力、技术等条件,在保证符合其社会文化准则的物质生活水平下,该国家或地区所能持续供养的人口数量[30]
与可持续发展研究相适应,资源环境承载力研究已由单一的土地资源、水资源承载力研究发展到资源、环境、生态乃至资源环境承载力综合研究。下文通过回顾土地资源、水资源、环境和资源环境承载力的发展进程来讨论资源环境承载力的研究进展。

3.1 土地资源承载力研究

土地资源是人类赖以生存和发展的自然资源,随着土地、粮食与人口之间矛盾的日益加剧,土地生产能力与人类粮食需求能否平衡日益成为国际焦点。以现有土地可承载多少人口为着眼点,帕克等在1921年首次提出了土地承载力概念,由此,土地资源承载力成为承载力研究中较早开始且最为成熟的研究领域[23]
国外早期研究多是生态学承载力定义基础上的直接延伸,其中较有影响的是威廉·福格特的《生存之路》和威廉·阿伦的计算方法[54,55]。1970年以来,以协调人地关系为中心的承载力研究再度兴起,期间较具影响的有:1970年代初澳大利亚的土地资源承载力研究[56],1977年FAO开展的发展中国家土地的潜在人口支持能力研究[29],1980年代初UNESCO资助的基于ECCO模型的肯尼亚、毛里求斯、赞比亚等发展中国家资源承载力的研究等[30]。除土地资源承载力之外,与之并用的概念还有区域人口承载量、土地负载力、地域容量、地域潜力等[57]
中国人口众多,土地、粮食与人口之间的矛盾尤为尖锐,受FAO的影响,土地资源承载力也是中国开展最早且应用最为广泛的资源环境承载力研究领域。1986年以前,中国的土地资源承载力研究以理论引进和方法探索为主,研究工作主要集中于农业生产潜力方面,任美鄂、竺可桢先生是中国承载力研究的先驱[58,59]。此后很多****从不同角度对作物生产潜力进行了原创性的研究,在概念确定、机理分析和估算方法等方面做了大量工作,并采用各自的模型和方法对中国不同区域、不同作物的生产潜力进行了估算,还有部分****从人口角度出发,综合考虑土地面积、农作物增产潜力和营养水平等对未来中国适宜人口规模进行了评估[60-63],这些都为以后开展的土地资源承载力研究奠定了科学基础。
中国土地资源承载力研究正式起步于1980年代,至2000年先后进行过三次颇具代表性的、大规模的土地资源承载力研究工作:①1986-1990年中国科学院自然资源综合考察委员会主持完成的“中国土地资源生产能力及人口承载量研究”,开创了国内土地资源承载力系统研究的先河[64];②1989-1994年国家土地管理局在联合国开发计划署和国家科委的资助下,与FAO合作完成的“中国土地的食物生产潜力和人口承载潜力研究”[65-67];③1996-2000年中国科学院地理科学与资源研究所主持完成的“中国农业资源综合生产能力与人口承载能力”研究,进一步拓展了土地资源承载力研究的领域和范围[68]。三次大规模的土地资源承载力研究均以生态区作为研究单元,着重评估了中国土地资源承载力的总量、地域类型和空间格局,为后来的土地资源承载力研究奠定了理论与方法基础。期间,还有很多专家****对中小尺度的土地资源承载力进行了研究[69-77],丰富了区域层面土地资源承载力的研究内容并发展了研究方法。但必须指出的是,这一时期的研究在方法和标准上存在较大差异,相关研究成果难以互相利用并推广,且多注重承载力运算结果,对资源状况、平衡关系、生产过程的探讨有待深入,从而影响了研究的实用价值。
2000年以后,随着人口、资源、环境与发展矛盾的日益加剧,尽管土地资源承载力研究限于其综合性、横断性的特点,且在研究对象、方法、前提和条件等方面各有差异,导致研究结果难以验证和比较。但总体而言土地资源承载力研究仍普遍被认为是认识土地、人口与食物之间关系和解决人口与资源、环境矛盾的主要途径。目前,“以多少土地、粮食,养活多少人口”仍是土地资源承载力研究的核心内容[78]。同时,土地资源研究重心正逐步由注重结果转向注重过程,在开放系统下,从区域资源、环境、生态与发展之间的关系出发进行实证分析成为土地资源承载力研究的重要发展方向。技术方法层面亦有重要突破,借助3S技术等获取准确的资源空间信息并实现基础数据的空间化,提高了研究的科学性和精确程度。

3.2 水资源承载力研究

相对于土地资源承载力,水资源承载力研究起步较晚。国际上多将水资源承载力研究纳入可持续发展理论,将水资源与土地等其它因素等作为可持续发展的重要因子来研究,尚未见到明确以水资源承载力为内容的系统研究成果。目前,国际上对水资源承载力的概念暂未取得广泛共识,通常用“可持续利用水量”、“水资源的生态限度”、“水资源系统的极限”或者“水资源紧缺程度”等来近似表述,且一般指天然水资源开发利用的极限量[79-83]
中国对水资源承载力研究较为重视。20世纪80年代初,宋子成等根据中国水资源量与人均耗水量等估算出中国百年后淡水资源可承载的人口数,可认为是水资源承载力的早期探索研究[84]。1989年,出于统筹社会经济与水资源之间的紧张关系考虑,施雅风先生等率先提出了水资源承载力的概念:某一地区的水资源,在一定社会和科学技术发展阶段,在不破坏社会和生态系统时,最大可承载的农业、工业、城市规模和人口水平,是一个随社会经济和科学技术水平发展变化的综合目标[85]
20世纪90年代中期以后,国内水资源承载力研究取得空前进展,多个“九五”攻关项目和自然科学基金课题均涉及这一领域,水资源承载力的概念、内涵、特征、影响要素,以及相关研究理论和方法等得到快速发展。水资源承载力除反映可供养人口数量外[86,87],有****从水资源开发规模论或水资源开发容量角度,强调了水资源可利用量[88,89];水资源承载力内涵更加重视水资源承载对象的多样性和综合性,将水资源承载力理解为对“社会-经济-生态”复合系统的一种支撑能力[90-92],但总体而言依旧存在着概念模糊、可操作性不强等问题;研究方法上,早期的供需平衡法、层次分析法、模糊综合评价等方法多偏重于静态研究[93-96],忽略了人口发展、经济活动和水资源系统之间的动态反馈关系,因此系统动力学、多目标情景规划等动态研究方法逐渐在水资源承载力研究得到应用[97-100]
进入21世纪,因为水资源承载力研究的可操作性问题,如指标不统一、结果不可比、缺乏实用性等,受到了部分****的质疑。针对这些问题,有关****对水资源承载力研究重新进行了思考。王浩等在对西北内陆干旱区水资源承载力研究中,按照经典的土地资源承载力研究思路,从确定人均消费水平入手,采用了农产品价格交换比的平衡分析方法,将其表征为一定生活水平下区域水资源能够承载的最大人口数量[40];姚治君等从承载力研究的根本性问题出发对水资源承载力本质进行了探讨,认为水资源承载力不再是一个客观内在的值,而是受区域发展目标所影响,并随之变化[101]
总体而言,水资源承载力研究的时间相对较短,理论方法尚不完善,但水资源承载力并非一个过时概念,需要众多****从理论到实践进一步深入研究。从发展趋势看,水资源承载力是一个涉及资源、环境、经济和社会等多系统的综合概念,以水资源的可持续利用为中心,探讨影响区域水资源承载力的因素及其相互关系已成为相关研究的重点问题。同时,考虑到水资源具有动态性、随机性和不确定性等特点,在水资源承载力研究中亦需加强动态模拟研究,通过一套能反映其本质的模拟体系实现水资源承载力的估算与动态变化的预测。此外,水资源承载力研究要充分考虑水资源的调入、调出以及跨区占用问题,在开放系统下对区域水资源承载力进行评价也是水资源承载力研究的重要命题。

3.3 环境容量与环境承载力研究

环境容量是指区域自然环境和环境要素对人为干扰或污染物容纳的承受量或负荷量。该概念最早由比利时数学生物学家Verhulst于1838年所提出:生物种群在环境中可以利用的食物量有一个最大值,动植物的增加相应也有一个极限,这个极限数值在生态学中被定义为环境容量[22]。1968年,日本****将其引入环境科学,并逐渐成为污染物总量控制的理论基础。与之相类似,欧美国家则多用“同化容量”、“最大容许排污量”和“水体容许污染水平”等概念反映区域所能容纳的污染物最大负荷[102,103]
环境承载力概念由环境容量概念演化而来,与资源承载力相类似,它是区域环境与经济发展矛盾激化的结果,本质上反映了两者的辩证关系。1974年,Bishop在其《区域环境管理中的承载力》一书中认为环境承载力是“在维持一个可以接受的生活水平前提下,一个区域能永久承载的人类活动的强烈程度”[104],Schneider则认为环境承载力是“自然或人造环境系统在不会遭到严重退化的前提下,对人口增长的容纳能力”[105]。中国环境界在20世纪70年代后期引入环境容量的概念,并于1991年在《我国沿海新经济开发区环境的综合研究――福建省楣洲湾开发区环境规划综合研究报告》中首次明确提出环境承载力的概念[106]。随后,国内****围绕基础理论、评价方法及实践应用等方面对区域大气、水、土壤、噪声、固废和辐射等单一环境要素的承载力开展了深入研究,环境对各种污染物的容纳能力以及人类在不损害环境的前提下能够进行的最大活动限度成为环境承载力研究的核心[107-111]。进入21世纪,环境承载力研究方法日趋多样化、研究的深度和可操作性不断提高,相关成果在环境管理与规划、区域可持续发展等领域也得到广泛的应用[112-115]
经过二、三十年的发展,环境承载力研究在中国有了长足进步,但能够将区域环境系统和区域社会经济活动的方向、规模实现较好整合的环境承载力系统研究还很少见。在中国环境状况仍在恶化、新问题不断涌现的形势下,跨学科交叉研究、完善相关理论体系将是环境承载力研究的首要任务。由于环境承载力的动态性特点,传统的数据获取与分析方法亟需突破,通过将地面观测与遥感相结合,将环境承载力研究方法与GIS集成,促进环境承载力研究向模式化和动态化方向发展。此外,面向可操作性与实用性,建立同时描述环境承载力客观性、区域性及动态性的实用评价模型,促使环境承载力研究更好地用于指导人类社会经济活动,将是环境承载力由基础研究走向实际应用的重要途径。

3.4 资源环境承载力研究

20世纪70年代,随着世界范围内工业化和城市化进程的加速,传统的单要素资源环境承载力研究已难以解决社会发展所遇到的新问题,于是资源环境综合承载力研究逐渐成为承载力理论研究深化的重要方向。国外相关研究最早可追溯至1948年威廉·福格特所著《生存之路》,书中首次将人类对资源环境的过度开发导致的生态变化称为“生态失衡”,并明确提出区域承载力概念以反映区域资源环境所能承载人口与经济发展的容量[54]。1972年,罗马俱乐部发表的《增长的极限》利用系统动力学模型对世界范围内的资源环境与人口增长进行定量评价,构建了著名的“世界模型”,深入分析了人口增长、工业化发展与不可再生资源枯竭、生态环境恶化和粮食生产的关系,认为全球的增长将会因粮食短缺和环境破坏在某个时段达到极限[28],由此提出了经济“零增长”的发展模式。报告一经发表便引起了世界范围的对资源环境承载力的强烈关注。
中国涉足以资源环境诸要素综合体为对象的区域承载力研究始于20世纪90年代,****们尝试从自然资源支持力、环境生产支持力和社会经济技术水平等角度,通过构建综合评价模型对区域资源环境承载力状况进行评估[1,9,116,117]。此外,日益严重的生态破坏问题亦引起学界的重视,出于保持生态系统完整性考虑,反映区域资源环境综合承载力的生态承载力概念逐渐兴起,其中以高吉喜等人提出的概念最具代表性:“生态承载力是指生态系统的自我维持、自我调节能力,资源与环境子系统的共容能力及其可维持的社会经济活动强度和具有一定生活水平的人口数量”[118]。该概念不仅强调了特定生态系统所提供的资源和环境对人类社会系统的支持能力,涵盖了资源与生态环境的共容、持续承载和时空变化,而且考虑了人类价值的选择、社会目标和反馈影响[2,5]。此后,许多****从系统的整体性、稳定性和可持续性出发,以区域“自然—经济—社会”复合生态系统的协调发展为目标,对生态承载力的概念、本质及指标体系进行了系统研究[119-122],研究区域方面则以生态脆弱地区、城市地区以及流域等典型生态系统的承载力为主[123-125]
综上所述,如果根据承载主体的涵盖范围来划分,可将承载力分为两类:第一类是以某一具体的自然要素作为研究对象,又称为单要素承载力研究,如土地资源、水资源、矿产资源承载力等;另一类是从区域整体的角度出发进行的综合承载力研究,诸如区域承载力、生态承载力等。单要素承载力是综合承载力研究的前提,综合承载力研究是对单要素承载力在区域尺度上的系统集成,因而必须是在作为其组成要素的主要资源环境承载力问题已经基本解决的基础上才能进行(图2)。鉴于目前单要素资源环境承载力研究的基本问题尚未完全解决,综合承载力的研究只能停留在概念泛化层面,很难进行精细量化的深入研究。
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图2单要素资源环境承载力与资源环境综合承载力的关系
-->Figure 2Technical flowchart between signal factors of RECC and comprehensive RECC
-->

4 资源环境承载力研究的跨世纪进展

2000年前后,资源环境承载力研究逐渐实现了由分类到综合、由静态到动态、由定性到定量、由基础到应用的转变,但资源环境承载力的阈值界定与关键参数率定、标准化评价与综合计量等仍是综合研究的热点与难点。资源环境承载力综合研究兴起以来,为统一量纲,人们试图把不同物质折算成能量、货币或其他尺度,以求横向对比与综合计量。基于上述考量,从20世纪末期到21世纪初期,****们发展了基于生态足迹的“虚拟土地”、基于水足迹的“虚拟水”和基于能值分析的“虚拟能量”等理论与实践相结合的资源环境承载力综合评价理论与方法,极大地推动了承载力研究的跨世纪发展。

4.1 生态承载力与“虚拟土地”:生物生产性土地与生态足迹

在人类生态学领域,生态承载力的研究包括资源承载力和环境承载力两类。其中,资源承载力侧重于研究资源所能供养人口数量,环境承载力则是指环境所能容纳某一活动或污染物排放的最大幅度[118]。然而,由于生态系统中资源与环境很难进行严格区分,故单独基于某一视角的生态承载力研究并不完整。生态足迹(Ecological footprint)概念的提出,则在一定程度上弥补了这种缺陷。
生态足迹是指能够持续地提供资源或消纳废物的、具有生物生产力的地域空间,最早由加拿大生态经济学家William等于1992年提出[126]。他指出,人类对自然资本的占用可以定量衡量,由于自然资本与地球表面的紧密联系,故而可以用“生物生产性土地”(如耕地、林地、水域等)来表示,即虚拟土地。理论上,人类的所有消费都可以回溯到提供该消费品的原始物质和能量的土地上并折算出相应生物生产性土地面积,从而可以直观反映出人类消费与自然资本之间的相互影响。
生态足迹分析存在如下假设:①各类生物生产性土地在空间上是互斥的,因而其面积可以加和得到人类对自然系统的需求总量;②人类活动所消耗的资源、能源及其所产生的废弃物可以定量估算;③生产和消纳上述资源和废弃物所需的生物生产性土地面积可以定量折算。通过对维持人类社会所需的自然资源量和消纳废弃物所需的生物生产性空间的计算,并与区域生态承载力相比较,进而完成对区域可持续发展能力的评估。
与过往的承载力不同的是,生态足迹法同时从供给和需求两方面出发评估区域生态承载力:一方面,对区域实际生物承载能力进行测算,作为衡量区域可持续发展水平的基础;另一方面,对承载一定生活质量人口所需生态空间(即生态足迹)进行测算,然后将两者对比确定区域的生态赤字或盈余量[127]。通过这种简单的术语表达,使其成为全面分析人类对自然影响的有效工具之一。因此,生态足迹一经提出,便引起了世界范围内的关注,并迅速应用于不同尺度地域空间和学科领域中[127-130]
然而,在生态足迹法迅速发展的同时,亦得到不少****的质疑和争论,主要体现在:对假设中“各类土地空间互斥”和“将资源和废弃物等量折算为生产面积”太过理想化、与实际不符[131,132],而主要根据吸收CO2排放量转化为对应土地面积的计算方法不够科学,同时忽视了不同国家和地区地理环境的差异以及人类社会对自然资产的储存等[133],所计算的结果多为一象征性的指向指标,对可持续发展的指导意义相对有限[134]

4.2 水资源承载力与“虚拟水”:虚拟水流动与水足迹

进入20世纪,水资源安全问题已成为国际社会关注的重点问题之一,世界各国都在努力探索应对水资源危机的新途径。20世纪90年代初,“虚拟水”概念的提出为上述问题提供了一种新的研究与解决思路,并迅速成为水资源研究热点领域。
1993年,英国****Allan首次提出“虚拟水”(Virtual water)[135],并将其定义为生产农产品所需要的水资源量,在此之前,Allan还曾经使用过“嵌入水”(Embeded Water)等近似概念[136-138]。虚拟水概念提出的初衷是为贫水国家和地区维护其水资源安全提供一种新思路,即通过进口水资源密集型的农产品来减少水赤字[136]。随着研究的不断深入,虚拟水概念逐步扩展到服务、加工、材料,以及服务过程中和材料形成过程中所消耗的水资源[139,140],从而也派生出了诸如虚拟水贸易(Virtual water trade)、虚拟水含量(Virtual water content)、虚拟水流(Virtual water flow)、虚拟水平衡(Virtual water balance)等子概念。
受“生态足迹”理论启发,2002年,Hoekstra进一步提出了“水足迹”(Water Footprint)[141]概念,即虚拟水,通过整合人类活动所消费产品和服务过程中对水资源的使用和污染状况,以对产品和服务的潜在水资源占用进行定量核算,以直观呈现人类消费和全球水资源占用之间的联系。水足迹主要由蓝水(Blue water)、绿水(Green water)和灰水(Grey water)三部分组成,从研究对象看,包括国家水足迹(Nation’s water footprint)和个人水足迹(Individual water footprint),分别用来估算国家、地区或个人生产或消费的产品和服务的水资源量。
虽然当前水资源承载力尚未有统一的理论和方法框架,但水足迹的提出仍不失为其研究提供了很好的研究思路:即从消费角度入手,籍由虚拟水概念实现消费品与所含水资源之间的连通,进而用一定消费水平下可维持的区域人口数量作为水资源承载力的衡量指标,实现了评价指标的统一。此外,虚拟水概念的引入可进一步获得区域水资源自然承载力以及水资源的对外依存度等数据,有利于全面把握区域水资源安全状况[142]。程国栋院士指出,虚拟水战略是缓解我国水资源短缺矛盾、保证我国水资源安全的新举措,特别对化解我国西北内陆干旱区水资源短缺具有重大意义[143]
值得注意的是,相对于学术界的热议,“虚拟水”战略却很少能够在现实中得以实际应用。究其原因,在于传统的“虚拟水”战略只强调通过贸易的手段节约农业需水,但如果所节约的水量无法被二、三产业吸收以产生更大的效益,所节约的水资源反而成为了一种浪费[144]。因此,只有通过发展二、三产业,使水资源能够在三次产业间流动起来,方为“虚拟水”战略实施的关键。

4.3 资源承载力与“虚拟能量”:能量平衡与能值分析

人类生态系统是一个统一的有机体,资源、环境、社会经济要素之间的相互影响与相互作用关系十分复杂。因此,单一要素所代表的区域承载力具有一定的局限性和片面性,如何对资源环境系统全要素或多要素承载力的综合量化进行系统研究成为重点和难点。
自然界的能量是平衡、可相互转化的。从能量系统理论角度,所有系统均可视为能量系统,故而自然环境与社会经济的关系均可转化为能量分析[145]。但由于在能量分析时,不同种类、性质能量的能质各异,难以直接对比和计算[146,147],导致出现了“能量壁垒”问题[148],而能值理论与分析方法的出现为解决这一问题提供了新思路[149]
能值(emergy)分析由美国生态学家Odum于20世纪80年代创立,其与能路语言、系统分析方法相结合,可作为环境核算和生态经济系统分析的共同尺度。在能值分析理论中,系统中经济、资源环境等要素均以太阳能值作为统一衡量标准,克服了传统方法的局限性,为资源合理利用以及资源环境价值评估提供了度量标准和科学依据,因而被广泛用于不同尺度的生态经济系统分析与模拟、国际贸易评估、资源环境的管理与研究等领域[150-159]
Odum将能值定义为某一流动或储存的能量中所包含的另一种能量的数量[160]。单位能量(物质)所含的太阳能量称为太阳能值转换率,是度量某种能量(物质)能质的尺度,能值转换率越高,表明该种能量(物质)的能质越高,在能量系统中的等级也越高[161]。从中可以清楚地看出,所谓能值,实际与“虚拟土地”、“虚拟水”相似,即实质不存在,但可以通过转化而来的一种“虚拟能量”。借助能值理论和分析方法,可将各种生态系统和生态经济系统的能流、物流和其他生态流进行统一度量,方便比较和分析。以能值为量纲,将不同种类、能质、能量转换成同一标准的能值进行衡量和比较,便可得到一系列反映资源生态与经济效率的能值综合指标,如净能值产出率(net emergy yield ratio,NEYR)、能值投入率(emergy investment ratio,EIR)、能值货币比(emergy dollar ratio,EDR)等。与此同时,表征自然资源承载能力的指标也应运而生,如能值承载力(emergy carrying capacity,ECC)、废弃物能值比(waste to renewable ratio,WRR)等。这些指标极大的深化了资源环境承载力研究的理论与方法,对推动研究的定量化具有重要意义。
相较于传统的资源环境承载力理论而言,能值分析理论为承载力评估确立了一个衡量的统一标准,具有划时代的意义。但是,相较于其先进的理论而言,能值分析的方法论研究却处于一个较为滞后的状态,主要表现在能值转换率的计算较为繁杂、能值流程图尚未有一个较为科学而全面的绘制方法、能值计算过程中对研究对象的区域性和动态性考虑不周等[162-164]。有鉴于此,未来能值分析需要在能值的量化、综合评价方法优化等多方面进行改进,以进一步完善能值分析理论[163]

5 结语

从20世纪初期承载力概念提出,到21世纪初期成为可持续发展的重要判据,历经百年,承载力研究与可持续发展相适应,已由传统的土地资源承载力、水资源承载力等单项承载力发展到资源、环境、生态、资源环境承载力等综合承载力。特别是2000年前后,生态足迹、虚拟水和能值分析等资源环境综合研究理论和方法的兴起与发展,极大地推动了资源环境承载力研究的定量化和模式化,承载力日益成为描述发展限制的一个重要概念和关键指标。纵观资源环境承载力研究的百年历程,承载力概念的演化与发展,不仅体现了人类对人与自然关系的认识深化过程,而且表达了不同发展阶段和不同约束条件下,人们对资源环境限制性的认识与响应过程。可以说,资源环境承载力不仅是区域可持续发展的内生变量,而且已成为区域人口与经济规模和发展方式与速度的刚性约束[165,166]
作为生态学、地理学、资源环境科学等学科的研究热点和理论前沿,资源环境承载力研究不仅是一个具有人类极限意义的科学命题,而且是一个具有实践价值的人口与资源环境协调发展的政策议题,甚至是一个涉及人与自然关系、关乎人类命运的哲学问题[167]。资源环境承载力研究事关资源环境“最大负荷”这一基本科学命题,尽管起步较早,但直到20世纪70年代方进入系统发展时期,限于相对较短的发展历史,统一的理论基础和方法体系尚未完全成形,有关承载力基础理论与实践依据的争论时有发生。鉴于此,为进一步解决资源环境承载力研究面临的理论与实践问题,需着力突破:
(1)理论基础上,资源承载力的科学基础是资源可得性、最大持续产量与资源支持力,环境承载力的科学基础则是环境容量、环境吸收或同化能力与环境支撑力;虽然资源承载力、环境承载力各有一套自己的理论基础,但均相互独立、导致资源环境承载力研究缺乏统一的科学基础,承载机理和演化机制等基础理论研究亟待加强。
(2)技术方法上,资源环境承载力分类研究已比较系统,但资源环境承载力综合研究相对薄弱,且承载力评价多偏重于封闭系统和静态研究,系统开放与承载动态研究需要加强;此外,资源环境承载力的阈值界定与关键参数率定,资源环境承载力定量评价与综合计量是资源环境承载力研究由分类走向综合、由静态走向动态、由定性走向定量的关键技术方法所在,有待突破。
(3)实际应用上,考虑到资源环境承载力对区域发展的指导意义,理论探索与实证研究相结合已成为未来发展的重要方向,目前亟待建立资源环境承载力的评价标准与技术规范,研究发展资源环境承载力动态评价与监测预警系统,并在国家生态文明先行示范区或资源环境压力较大地区等开展先行示范,促进资源环境承载力研究向规范化与标准化、数字化与系统化转变,使之更好地服务于国家和地区可持续发展需要,满足资源环境承载力动态评价与监测预警的部门实用化与业务化需求。
The authors have declared that no competing interests exist.

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