周元 姚崇懷 賀雪剛

摘要：為探究武漢市東湖綠心的合理規(guī)劃利用方式，基于生態(tài)承載力理論，采用3種不同方法，對東湖綠心生態(tài)承栽力作出了定量評價(jià)。結(jié)果表明：研究區(qū)自然凈第一性生產(chǎn)力較高.但陸域生產(chǎn)力偏低;生態(tài)現(xiàn)狀處于輕度赤字;總體碳氧不平衡。依據(jù)評價(jià)結(jié)果，對東湖綠心提出了規(guī)劃控制策略——東湖綠心核心區(qū)仍需要5.84 km2的標(biāo)準(zhǔn)林地建設(shè)，才能達(dá)到本區(qū)域的碳氧平衡;此外，東湖綠心核心區(qū)的規(guī)劃人口上限為5.59萬人，開發(fā)強(qiáng)度上限為46.65%。

關(guān)鍵詞：生態(tài)承載力;自然植被凈第一性生產(chǎn)力;碳氧平衡;生態(tài)足跡;生態(tài)規(guī)劃

中圖分類號：Q948

文獻(xiàn)標(biāo)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(jìn)行了生態(tài)承載力的測算研究，將研究區(qū)域分為3個(gè)部分，即東湖綠心核心區(qū)、聯(lián)動(dòng)區(qū)和輻射區(qū)（圖1、圖2），三個(gè)區(qū)域依次嵌套。東湖綠心核心區(qū)范圍為東湖風(fēng)景名勝區(qū)范圍，東至武廣鐵路，西至東湖路，北以筲箕湖以北地區(qū)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(qū)域，總用地面積約62 km2。聯(lián)動(dòng)區(qū)范圍拓展至東湖風(fēng)景區(qū)管委會(huì)托管區(qū)及楊春湖地區(qū)，其中東湖風(fēng)景區(qū)管委會(huì)托管區(qū)范圍為東至嚴(yán)西湖，西至東湖路，南邊界至珞喻路.北至中北路延長線。聯(lián)動(dòng)區(qū)總用地面積約95 km2。輻射區(qū)范圍拓展至武昌、洪山、青山、東湖高新等區(qū)域。該范圍以核心范圍及聯(lián)動(dòng)范圍為中心，向外蔓延。核心區(qū)總用地面積約560 km2。

2 相關(guān)理論及研究方法

2.1 生態(tài)承載力理論

承載力是衡量人類活動(dòng)與自然環(huán)境之間關(guān)系的科學(xué)概念，是人類可持續(xù)發(fā)展管理和評價(jià)的重要依據(jù)。它形象地將人類生活對于自然的依存關(guān)系概括出來，使得其成為生態(tài)學(xué)、生命科學(xué)等學(xué)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(jì)90年代Malthus提出的人口論，它為承載力理論奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ);此后，Malthus本人、比利時(shí)數(shù)學(xué)家Verhulst及其同事Reed分別獨(dú)立提出了人口承載力的數(shù)學(xué)表達(dá)公式（Peng Kang，Xu Linyu.2010）;至1953年，Odum出版了Fundamentals of Ecology，完善了以人口統(tǒng)計(jì)學(xué)為切入點(diǎn)的承載力理論（顧康康2012）。

生態(tài)承載力是從生態(tài)學(xué)與承載力理論中衍生出的概念，1921年，Park和Burgess首次在生態(tài)學(xué)研究小應(yīng)用了生態(tài)承載力的概念，并賦予其定義——在某個(gè)營養(yǎng)物質(zhì)、生存空間、陽光氣候等生態(tài)因子一定的環(huán)境條件下，某種個(gè)體存在的數(shù)量最高極限（封志明等，2017）。

2.2 研究方法

主要選取當(dāng)前承載力研究領(lǐng)域最為廣泛的3種評價(jià)方法——自然植被凈第一性生產(chǎn)力估測法、生態(tài)足跡法、碳氧平衡法——對本文的研究區(qū)域的生態(tài)承載力進(jìn)行定量評價(jià)，并試圖依據(jù)評價(jià)結(jié)果對研究區(qū)域的規(guī)劃利用提出相應(yīng)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(chǎn)力估測法。植被凈第一性生產(chǎn)力（NPP）是指綠色植物在單位面積、單位時(shí)間內(nèi)所累積的有機(jī)物總量，是植物凈光合作用產(chǎn)物總量（周廣勝，張新時(shí)，1995）。NPP大小直接反映了植被群落的生產(chǎn)效率及自然生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)能力。某一地區(qū)的NPP大小可以在一定程度上表征該地區(qū)對于人類活動(dòng)的承載能力強(qiáng)弱（潘竟虎，馮婭婭，2017）。目前世界上已經(jīng)產(chǎn)生了很多NPP測定的數(shù)學(xué)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(tǒng)計(jì)模型，如王家驥等人對黑河流域生態(tài)承載力的估測（王家驥，等，2000）中，采用的是周廣勝、張新時(shí)所提出的氣候模型（周廣勝，張新時(shí)，1996），其計(jì)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(chǎn)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(tài)足跡法。生態(tài)足跡理論最早是由加拿大經(jīng)濟(jì)學(xué)家William及其博士生Wackermgel在1991年提出的，是指在一定人口與經(jīng)濟(jì)規(guī)模下，維持資源消費(fèi)和廢物消納所必須的生物生產(chǎn)性土地面積，生態(tài)承載力則是某個(gè)地區(qū)所能提供給人類的生物生產(chǎn)性土地總和（譚偉文，文禮章，2012）。當(dāng)某一地區(qū)生態(tài)足跡大于生態(tài)承載力時(shí)，則該地區(qū)產(chǎn)生生態(tài)盈余，即區(qū)域內(nèi)生態(tài)現(xiàn)狀維持較好并可持續(xù)發(fā)展;反之，則該地區(qū)出現(xiàn)生態(tài)赤字，即區(qū)域內(nèi)生態(tài)遭到破壞并可能進(jìn)一步惡化（ Lu Zhang，Mawuli，2017）。

生態(tài)足跡理論將人類對于資源的需求轉(zhuǎn)換為生物生產(chǎn)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(jì)算模型如下（周濤，王云鵬，等，2015）：

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

（3）碳氧平衡法。人類活動(dòng)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(jì)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(dòng)引起碳失衡的主要原因有化石燃料燃燒、水泥生產(chǎn)、不合理的土地利用和人類自身以及動(dòng)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(chǎn)、人口呼吸、大牲畜呼吸以及土壤呼吸7類。分別計(jì)算其釋碳量及耗氧量。

從固碳釋氧角度而言，植物生態(tài)系統(tǒng)是固碳重要的“匯”，也是釋氧唯一的“源”。生態(tài)用地主要包括林地、果園、耕地、草地以及水域等。應(yīng)用生物量法計(jì)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(shù);β為單位生物量釋氧系數(shù)。

碳氧平衡計(jì)算模型：計(jì)算區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的釋碳耗氧與固碳釋氧能力的差異（ELc、ELo），進(jìn)而預(yù)測保證區(qū)域碳氧平衡所需要的生態(tài)用地?cái)?shù)量。計(jì)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(yù)測區(qū)域生態(tài)用地需求量的依據(jù)，即Max（ELc，ELo）。

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

ELc=（1/3Dc-So）/（αbi）

ELo=（1/3Do-So）/（βbi）

3 測算結(jié)果

3.1 自然植被凈第一性生產(chǎn)力測算結(jié)果

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

根據(jù)徐繼填等在中國生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力區(qū)劃（徐繼填，陳百明，等2001）文中將中國植被的凈第一性生產(chǎn)力的高低劃分的5個(gè)等級（表2），分析東湖綠心的NPP。

根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果和表2的中國的植被NPP等級的判斷標(biāo)準(zhǔn)，武漢地區(qū)的生產(chǎn)力處于中間水平，是三等植被凈第一性生產(chǎn)力，該系統(tǒng)最低限值為826.03 g/（m2·a），而東湖區(qū)域陸域NPP值為794. 63 g/（m2·a），與武漢市總體的自然植被生產(chǎn)力水平相近，表明東湖綠心陸域植被保存完好。自然系統(tǒng)的恢復(fù)穩(wěn)定性可根據(jù)植被凈生產(chǎn)力的多少度量，東湖綠心陸域植被凈生產(chǎn)力高，故其恢復(fù)穩(wěn)定性強(qiáng)。但從東湖綠心整體（計(jì)算水體）的NPP計(jì)算結(jié)果來看，研究區(qū)平均NPP僅412.67 g/（m2·a），造成這一結(jié)果的主要原因是東湖綠心區(qū)域，尤其是核心區(qū)域范圍內(nèi)，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(nóng)田）面積只占全部面積的約31%，因此單獨(dú)算其植被的凈初級生產(chǎn)力遠(yuǎn)低于武漢平均水平?？偠灾?，東湖綠心陸域植被凈第一性生產(chǎn)力雖然較高達(dá)到我國中等水平，但其總體生產(chǎn)力是處于中等偏下水平，這同時(shí)也表明了東湖區(qū)域生態(tài)環(huán)境極為脆弱和敏感，其自身恢復(fù)能力較弱。

3.2 生態(tài)足跡法測算結(jié)果

根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，計(jì)算研究區(qū)域的生態(tài)足跡及承載力。具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3～5所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)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(yán)西湖的水域條件，生物資源的消費(fèi)中水產(chǎn)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(qū)域人民生活水平較高。能源消費(fèi)量大于生物資源消費(fèi)的總和，說明東湖綠心區(qū)域人為干擾程度較高。

由人均生態(tài)承載力及人均生態(tài)足跡，計(jì)算研究區(qū)域的生態(tài)盈虧情況如表6所示。

根據(jù)生態(tài)足跡與生態(tài)承載力的計(jì)算結(jié)果來看，研究范圍內(nèi)的3個(gè)不同尺度的區(qū)域中的核心區(qū)和聯(lián)動(dòng)區(qū)承載力高于生態(tài)足跡，表現(xiàn)為現(xiàn)狀的生態(tài)盈余，而輻射區(qū)生態(tài)承載力略低于生態(tài)足跡，表現(xiàn)為生態(tài)赤字，核心區(qū)、聯(lián)動(dòng)區(qū)、輻射區(qū)的生態(tài)盈虧數(shù)值分別為：0.16063、0.2194、-0.0989?？傮w來看，由于東湖區(qū)域的優(yōu)良生態(tài)環(huán)境，帶來了本地區(qū)較高的生態(tài)承載力與生態(tài)效益，在輻射區(qū)范圍內(nèi)，雖然出現(xiàn)生態(tài)虧損，但仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于武漢市人均生態(tài)赤字1.8，處于輕度超載運(yùn)行的狀態(tài)，這與武漢市主城區(qū)的高度城市化、硬質(zhì)化以及人口的高度集中有著密切關(guān)系。

3.3 碳氧平衡法計(jì)算結(jié)果

碳氧平衡法計(jì)算結(jié)果如表7～9所示。

依據(jù)研究區(qū)內(nèi)部釋碳耗氧及釋氧耗碳量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，計(jì)算研究區(qū)域內(nèi)的碳氧供求余缺。

由計(jì)算結(jié)果可知.研究區(qū)域內(nèi)，除核心區(qū)范圍內(nèi)碳氧平衡得到滿足并存在盈余，聯(lián)動(dòng)區(qū)、輻射區(qū)均存在虧損。而隨著研究范圍的擴(kuò)大，碳氧供求不平衡的狀況越發(fā)嚴(yán)重，這正是聯(lián)動(dòng)區(qū)及核心區(qū)的高度硬質(zhì)化和高強(qiáng)度人群活動(dòng)所導(dǎo)致的。

4 基于承載力研究的東湖綠心生態(tài)策略

4.1 基于自然植被凈第一性生產(chǎn)力估測法的生態(tài)策略

從自然植被凈第一性生產(chǎn)力估測法的結(jié)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(qū)域生態(tài)環(huán)境極為敏感，小范圍的人為干擾都有可能對研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境造成重大傷害。研究區(qū)NPP值過低的主要原因是水體占比過大，缺乏高生產(chǎn)率的綠色植物?；诖?，對東湖綠心提出規(guī)劃策略如下。

（1）豐富現(xiàn)狀植被層次，將現(xiàn)狀的單層群落改造為喬一灌一草結(jié)構(gòu)為主的復(fù)層結(jié)構(gòu)，充分利用中、下層植物的生產(chǎn)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(chǎn)能力，另一方面也對東湖的水體凈化起到作用，并具有保護(hù)岸線土壤、提供游覽觀賞等價(jià)值。

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

4.2 基于碳氧平衡法的生態(tài)策略

依據(jù)研究區(qū)域釋碳耗氧情況以及區(qū)域內(nèi)植被的固碳釋氧能力，將本區(qū)域各類綠地折合為標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)用地（按標(biāo)準(zhǔn)林地的固碳釋氧能力折算）并計(jì)算達(dá)到碳氧平衡時(shí)所需要的標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)林地總需求量，計(jì)算結(jié)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(zhǔn)歸一化后，計(jì)算當(dāng)前研究區(qū)的綠地缺額（以標(biāo)準(zhǔn)林地計(jì)），計(jì)算結(jié)果如表11所示。

由計(jì)算結(jié)果可知.核心區(qū)若需要達(dá)到碳氧平衡，還需要標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)用地5.8373 km2;聯(lián)動(dòng)區(qū)達(dá)到碳氧平衡還需標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)用地31.3921 km2;輻射區(qū)達(dá)到碳氧平衡還需2834.6715 km2。其中，輻射區(qū)所需生態(tài)用地遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出輻射區(qū)本身用地面積，說明輻射區(qū)目前釋碳耗氧量極大，自身無法滿足其體系內(nèi)部的碳氧平衡，這與城市本身的硬質(zhì)化程度高、建設(shè)量大、建設(shè)密度大存在直接關(guān)系。

由此，提出相應(yīng)生態(tài)策略如下。

（1）輻射區(qū)及聯(lián)動(dòng)區(qū)由于用地限制，不可能通過調(diào)整用地達(dá)到碳氧平衡，但東湖核心區(qū)實(shí)現(xiàn)碳氧平衡是可行且必要的。對東湖核心區(qū)增設(shè)5.8373 km2的標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)用地。推薦建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)用地的選址如下：①核心區(qū)所有農(nóng)田區(qū)域，共計(jì)510.27hm2;②核心區(qū)草地，共計(jì)10.03 hm2;②建設(shè)面積縮減189.42 hm2，可以作為生態(tài)林地建設(shè)用地;④水體沿岸通過栽培池杉林、水杉林，可作為生態(tài)林地，具體面積視設(shè)計(jì)情況而定;⑤核心區(qū)建設(shè)用地綠地率控制在30%以上，群落結(jié)構(gòu)盡可能選取復(fù)層結(jié)構(gòu)，此部分綠地建設(shè)不計(jì)入標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)用地面積，但有利于核心區(qū)生態(tài)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(qū)域內(nèi)倡導(dǎo)使用清潔能源，如光能、風(fēng)能、電能等，控制化石能源的消耗量。

（3）改善區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，逐步弱化第一、第二產(chǎn)業(yè)，扶持第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

4.3 基于生態(tài)足跡法的生態(tài)策略

利用生態(tài)足跡法對研究區(qū)域的規(guī)劃人口進(jìn)行預(yù)測，核心區(qū)與輻射區(qū)的生態(tài)盈余是由于區(qū)域內(nèi)人口密度小，而現(xiàn)有建設(shè)強(qiáng)度足以滿足現(xiàn)狀人口的需要。如需要增加規(guī)劃人口，則在需要滿足目前生態(tài)盈余狀態(tài)不變的同時(shí)，繼續(xù)增加建設(shè)用地面積。由于單位面積耕地與建設(shè)用地對承載力貢獻(xiàn)相當(dāng)，且大規(guī)模的耕地對于都市發(fā)展區(qū)的戰(zhàn)略價(jià)值不高，因此可以考慮將耕地置換為建設(shè)用地以滿足規(guī)劃人口的增加。隨著城市發(fā)展，武漢市都市發(fā)展區(qū)的耕地將逐漸轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地與綠化用地。就現(xiàn)狀承載力而言，保持生態(tài)不惡化的基礎(chǔ)上，3個(gè)研究范圍內(nèi)最大能夠承受的開發(fā)強(qiáng)度、新增建設(shè)用地指標(biāo)及最大規(guī)劃人口估算數(shù)據(jù)如表12所示。

此外，由于東湖核心區(qū)主要作為風(fēng)景名勝區(qū)，為保證核心區(qū)生態(tài)資源不遭受破壞，應(yīng)控制合理游客量，故在此計(jì)算基于生態(tài)足跡的核心區(qū)游客承載力上限，如表13所示。

由此，提出生態(tài)策略如下。

（1）為保證可持續(xù)發(fā)展，核心區(qū)、聯(lián)動(dòng)區(qū)、輻射區(qū)分別控制開發(fā)強(qiáng)度在46.65%、70.35%、92.03%以下。

（2）為提升用地效率與區(qū)域承載力，區(qū)域內(nèi)用地逐漸減少農(nóng)業(yè)用地，增設(shè)居住用地與綠地。

（3）為保護(hù)區(qū)域內(nèi)生態(tài)資源，控制核心區(qū)年游客量820萬人/（次·d）。

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