于 慧,王根緒,*,楊 燕,呂雅瓊

1 中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,成都 610041 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

承載力理論起源于人口統(tǒng)計學(xué)、種群生物學(xué)和應(yīng)用生態(tài)學(xué)[1- 3]。承載力概念的提出可以追溯到馬爾薩斯的人口增長理論[2],用容納能力指標(biāo)反映環(huán)境約束對人口增長的限制作用是現(xiàn)今承載力起源[4]。承載力研究經(jīng)歷起源奠基、應(yīng)用探索和理論深化3個階段[5],并從單要素發(fā)展到多要素制約承載力[6-7],但尚未形成一套統(tǒng)一的理論與方法體系[5]。

生態(tài)承載力概念演化是人類社會與自然界在發(fā)展過程中衍生的產(chǎn)物。有關(guān)生態(tài)承載力概念已開展了大量工作。Andrew、Hudak T定義生態(tài)承載力為特定時期內(nèi)植被所能提供的最大種群數(shù)量。最佳承載力意在表達(dá)系統(tǒng)所有服務(wù)功能和產(chǎn)品最盈水平[8]。楊理認(rèn)為生態(tài)承載力是在資源合理開發(fā)利用和環(huán)境良性循環(huán)的條件下,“自然資源-生態(tài)環(huán)境-社會經(jīng)濟(jì)”復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的承載能力與承載對象壓力的反映[9]。高吉喜、王寧等認(rèn)為生態(tài)承載力是在特定時期區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的自我維持、調(diào)節(jié)、發(fā)展能力,以及資源與環(huán)境子系統(tǒng)所能承載的人口數(shù)量和維持的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會可持續(xù)發(fā)展的能力[10-11]。就目前研究現(xiàn)狀來看,生態(tài)承載力評估主要從資源供求的角度進(jìn)行,其方法和理論有待完善[12]。

20世紀(jì)初,Hadwen和Palmer將“承載力”一詞引入草原管理,載畜量被賦予科學(xué)含義,即草地資源不受破壞前提下,一定面積的草地能夠承載的家畜數(shù)量[13]。載畜量是草地承載力研究的基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)[14],草地承載力研究主要集中于牧草產(chǎn)量、家畜采食量和載畜量等方面[15-17]?，F(xiàn)有草畜平衡研究較少考慮野生動物的需求量。盡管青海省出臺了《三江源國家公園管理規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用指南》、《三江源國家公園標(biāo)準(zhǔn)體系導(dǎo)則》等相關(guān)文件,但主要是關(guān)于國家公園建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和管理規(guī)范體系方面的規(guī)定,仍然有很多科學(xué)問題值得深入探討和研究。三江源國家公園草地生態(tài)系統(tǒng)承載著區(qū)域畜牧業(yè)的發(fā)展和當(dāng)?shù)鼐用竦纳嫔?隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,其承載壓力日益增加。因此,如何科學(xué)構(gòu)建國家公園草地綠色承載力評價體系,將牲畜控制合理的規(guī)模和空間范圍內(nèi)并科學(xué)支撐草畜平衡,成為亟待解決的科學(xué)問題。本文以三江源國家公園為例,對草地承載力概念進(jìn)行拓展和提升,形成草地綠色承載力概念,以滿足國家公園對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定維持、野生動植物有效保護(hù)的需求,以期為解決草畜平衡、人畜平衡問題提供思路和決策依據(jù)。

1 草地綠色承載力概念和特征

1.1 草地綠色承載力的概念

研究草地生態(tài)承載力的學(xué)者們[18-19]認(rèn)為自然生態(tài)系統(tǒng)承載力應(yīng)以載畜量來衡量。生態(tài)承載力主要強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)承載功能,突出的是對人類活動的承載能力,在確保資源的合理開發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)情況下,可持續(xù)承載的人口、經(jīng)濟(jì)社會總量的能力[20]。

隨著人們認(rèn)識的深入,草地承載力理論和方法體系也是不完善、創(chuàng)新提升的過程。草地綠色承載力是基于草地承載力提出的新概念,是對草地承載力的拓展和提升。以生態(tài)功能維護(hù)+草畜平衡+生態(tài)體驗為草地綠色承載力概念框架,定義草地綠色承載力,即指穩(wěn)定維持并不斷提升生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵功能條件下,維護(hù)草畜平衡、人畜平衡,既能滿足生態(tài)體驗需求又能滿足區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展需要的草地承載能力。草地綠色承載力的“承載體”是整個草地生態(tài)系統(tǒng),“承載對象”包括動物和人兩部分,其中,“動物”主要指野生動物和家畜、“人”指當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)牧民和生態(tài)體驗者。

草地綠色承載力注重生態(tài)系統(tǒng)的整體效應(yīng),重點研究草地生態(tài)體系中關(guān)鍵承載要素的生態(tài)承載能力與承載對象之間的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系,核心研究內(nèi)容包括生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵功能測度、草地生產(chǎn)力估算、合理載畜規(guī)模與合理人口承載測算、草地綠色承載力預(yù)警5個部分,需要解決的關(guān)鍵問題是草畜平衡與人畜平衡、生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵功能穩(wěn)定維持與提升、生態(tài)體驗需求與牧民脫貧致富。草地綠色承載能力反映草地系統(tǒng)狀態(tài)與承載水平,是衡量草地可持續(xù)發(fā)展能力有力工具,其理論及研究方法是生態(tài)學(xué)、資源學(xué)和生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)研究的交叉前沿領(lǐng)域。

1.2 草地綠色承載力的特征

(1)動態(tài)性。 對于一定數(shù)量和質(zhì)量的草地資源來說,草地綠色承載力不是一成不變的。 在不同的生態(tài)演變發(fā)展階段,人類活動對生態(tài)環(huán)境影響力和治理力度有所差異[21]。

(2)有限性。 有限性指在給定技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)規(guī)模等影響因素的條件下,有限的草地資源存在對社會經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的最大支持能力[22]。

(3)空間異質(zhì)性。草地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過程、區(qū)域水熱組合條件具有明顯的空間分異特征,草地綠色承載力同樣也具有空間異質(zhì)性。

(4)相對性。草地綠色承載力的研究涉及到自然社會經(jīng)濟(jì)這一復(fù)雜系統(tǒng),原本脆弱的生態(tài)環(huán)境加上系統(tǒng)內(nèi)部因素之間影響的不確定性也決定草地綠色承載力具有不確定性。因此,承載能力的衡量不是絕對的,而是相對的[23]。

2 草地綠色承載力與草地承載力區(qū)別

草地綠色承載力的“綠色”在傳統(tǒng)概念中生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵功能穩(wěn)定維持的基礎(chǔ)上,突出了生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵功能不斷提升的理念。在傳統(tǒng)概念中滿足區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展需要的基礎(chǔ)上,即鼓勵生態(tài)體驗需求,又突出了草畜平衡、人畜平衡對生態(tài)體驗的限制和約束力。草地綠色承載力以生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定維持、野生動植物有效保護(hù)為前提目標(biāo),將需要解決的關(guān)鍵問題由傳統(tǒng)意義的草畜平衡拓展為草畜平衡與人畜平衡,將牧民脫貧致富與生態(tài)體驗需求有機(jī)耦合。針對國家公園這一特殊的保護(hù)地,草地綠色承載力評價體系將草地綠色承載力預(yù)警、最優(yōu)承載規(guī)模納入其中,強(qiáng)調(diào)生態(tài)環(huán)境短板要素識別,探索穩(wěn)定維持并不斷提升生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵功能下區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

表1從定義、承載體、承載對象、功能、評價體系、解決問題等角度,闡述了草地綠色承載力與草地承載能力的區(qū)別與聯(lián)系。草地綠色承載力既有傳統(tǒng)意義上草地承載能力的傳承,也有拓展和提升。

表1 草地綠色承載力與草地承載能力對比表

3 三江源國家公園草地綠色承載力評價體系與應(yīng)用框架

三江源國家公園由長江源(可可西里)、黃河源、瀾滄江源三個園區(qū)構(gòu)成,總面積為12.31萬km2,屬于國家級重點生態(tài)功能區(qū),草地生態(tài)系統(tǒng)是三江源國家公園下墊面的主要生態(tài)系統(tǒng)。按照《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》[26],國家級重點生態(tài)功能區(qū)以保護(hù)和修復(fù)生態(tài)環(huán)境、提供生態(tài)產(chǎn)品為首要任務(wù),因地制宜地發(fā)展不影響主體功能定位的適宜產(chǎn)業(yè)。根據(jù)《三江源國家公園條例(試行)》[27](以下簡稱《條例》),三江源國家公園按照生態(tài)系統(tǒng)功能、保護(hù)目標(biāo)和利用價值劃分為核心保育區(qū)、生態(tài)保育修復(fù)區(qū)、傳統(tǒng)利用區(qū)等3類功能區(qū),實行差別化保護(hù)。基于各功能區(qū)的差異化保護(hù)目標(biāo),三江源國家公園草地綠色承載力評價體系的應(yīng)用框架,主要包括各功能區(qū)核心目標(biāo)與關(guān)鍵問題解析、草地綠色承載力評價體系和評價模塊3個部分。

3.1 核心目標(biāo)與關(guān)鍵問題解析

針對三江源國家公園,解析各功能區(qū)的核心目標(biāo)。在草地綠色承載力評價中體現(xiàn)各功能區(qū)關(guān)鍵問題的解決路徑。

3.1.1生態(tài)功能維護(hù)提升

根據(jù)《條例》,三江源國家公園核心保育區(qū)以強(qiáng)化保護(hù)和自然恢復(fù)為主,提高水源涵養(yǎng)和生物多樣性服務(wù)功能。保育修復(fù)區(qū)加強(qiáng)退化草地和沙化土地治理、水土流失防治、林地保護(hù)。

草地生態(tài)系統(tǒng)承擔(dān)著水源涵養(yǎng)、生物多樣性等重要生態(tài)功能。放牧是對高寒草地影響最為廣泛也是最常見的土地利用方式[28]。根據(jù)中度干擾假說,中等程度的干擾既能刺激物種競爭,此時生態(tài)系統(tǒng)具有較高的物種多樣性和生態(tài)系統(tǒng)生力[29]。外界如何適度放牧干擾,提高資源有效性,維護(hù)生態(tài)功能,科學(xué)確定承載力閾值,將物種多樣性和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力同時維持在最佳水平成為核心保育區(qū)、保育修復(fù)區(qū)亟待解決的科學(xué)問題。

3.1.2草畜平衡與人畜平衡

根據(jù)《條例》,三江源國家公園的生態(tài)保育修復(fù)區(qū)實行嚴(yán)格的禁牧、休牧、輪牧,逐步實現(xiàn)草畜平衡。傳統(tǒng)利用區(qū)適度發(fā)展生態(tài)畜牧業(yè),合理控制載畜量,保持草畜平衡。因此,生態(tài)保育修復(fù)區(qū)和傳統(tǒng)利用區(qū)以草畜平衡與人畜平衡為核心問題。

草地畜牧業(yè)的核心問題是草畜平衡問題[30]。平衡理論強(qiáng)調(diào)家畜和草地資源之間的生物反饋,草地管理的目標(biāo)是調(diào)節(jié)草地牧草供給量和家畜飼草需求量平衡[16]。承載力本質(zhì)上特定管理措施下為了實現(xiàn)特定目標(biāo)的最優(yōu)化水平,而不是數(shù)量最大化[31],合理的放牧率是放牧決策管理的基礎(chǔ)[32]?？茖W(xué)地確定草地載畜量(包括野生食草動物和家畜),實現(xiàn)草畜平衡與人畜平衡是關(guān)鍵科學(xué)問題。

3.1.3生態(tài)體驗塑造與牧民脫貧致富

根據(jù)《建立國家公園體制總體方案》(2017),國家公園的首要功能是重要自然生態(tài)系統(tǒng)的原真性、完整性保護(hù),同時兼具科研、教育、游憩等綜合功能。同時,《條例》指出：三江源國家公園實行嚴(yán)格保護(hù),除生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程和不損害生態(tài)系統(tǒng)的居民生活生產(chǎn)設(shè)施改造,以及自然觀光、科研教育、生態(tài)體驗外,禁止其他開發(fā)建設(shè),保護(hù)自然生態(tài)和自然文化遺產(chǎn)的原真性、完整性。

國家公園發(fā)展生態(tài)旅游,是以生態(tài)旅游資源為載體,向社會公眾提供生態(tài)旅游產(chǎn)品的過程。在三江源國家公園試點區(qū)適度開展生態(tài)觀光、科考探險、野生動物觀賞、民族文化體驗、宗教朝圣等生態(tài)旅游活動。探索人與自然和諧發(fā)展的模式,塑造好當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民全面發(fā)展與牧民脫貧致富、資源環(huán)境有效保護(hù)與科學(xué)利用的生態(tài)體驗?zāi)Ｊ健?/p>

3.2 草地綠色承載力評價體系

在穩(wěn)定維持并不斷提升生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵功能前提下,從如何解決野生動物種群多樣性與繁衍興盛,實現(xiàn)禁牧減畜后的牧民脫貧致富,保障不斷增長的生態(tài)體驗或旅游經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的視角出發(fā),構(gòu)建草地綠色承載力評價體系。草地綠色承載力評價體系由生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵功能模塊、草地生產(chǎn)力模塊、載畜規(guī)模模塊、人口承載模塊、監(jiān)測預(yù)警模塊5個部分。三江源國家公園草地綠色承載力評價體系見圖1。

圖1 三江源國家公園草地綠色承載力評價體系框架圖Fig.1 Technique flow chart of green carrying capacity in Three-River-Source National Park

草地綠色承載力評價體系的基本思路是在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價(約束力)的基礎(chǔ)上,結(jié)合遙感方法、地面調(diào)查等手段,獲取地表植被、水源涵養(yǎng)、水土保持等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),評估生態(tài)系統(tǒng)支撐條件,衡量草地生態(tài)系統(tǒng)自平衡、自調(diào)節(jié)能力,揭示生態(tài)體系維持生態(tài)功能的閾值,為監(jiān)測預(yù)警模塊提供科學(xué)支撐;測算可食性牧草(承載體)的空間分布數(shù)據(jù),評估草地生產(chǎn)力。以此為基礎(chǔ),優(yōu)先保障野生動物(承載對象)的可食牧草最大需求量前提下,測算合理的家畜載畜量(承載對象);在充分考慮到牧民脫貧致富、生態(tài)體驗地可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)能保持自我平衡與調(diào)節(jié)能力的前提下,結(jié)合人口承載力模型,測算農(nóng)牧民最優(yōu)承載規(guī)模、生態(tài)體驗活動所能容納的最大游客數(shù)(承載對象),提出適宜產(chǎn)業(yè)、合理的人口布局及承載規(guī)模,為三江源區(qū)國家公園科學(xué)制定建設(shè)規(guī)劃和發(fā)展目標(biāo)、劃分草地綠色承載力預(yù)警等級,推動三江源國家公園生態(tài)保護(hù)與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)和基本思路。

3.3 草地綠色承載力評價模塊

圖2 草地綠色承載力評價模塊關(guān)系圖 Fig.2 The module relation diagram of grass green carrying capacity

在3.2章節(jié)中介紹了草地綠色承載力評價由5個模塊組成,這里就5個模塊的相互支撐關(guān)系(圖2)以及可能涉及的相關(guān)評價方法做簡要介紹。

五大模塊之間是相互支撐、互相反饋的作用機(jī)制。其中,模塊1為模塊2草地生產(chǎn)力測算提供數(shù)據(jù)支撐,為模塊5提供預(yù)警的關(guān)鍵參數(shù)閾值;模塊2支撐模塊3和4承載對象測算并限制最大承載規(guī)模;模塊3和模塊4為模塊5提供承載規(guī)模關(guān)鍵預(yù)警參數(shù);模塊5達(dá)到預(yù)警狀態(tài),識別短板要素,為政府決策提供依據(jù)。

草地綠色承載力評價可通過構(gòu)建多目標(biāo)規(guī)劃模型,測算合理的野生動物與家畜載畜量,解決生態(tài)系統(tǒng)功能提升、草蓄平衡問題;測算農(nóng)牧民最優(yōu)承載規(guī)模、生態(tài)體驗活動所能容納的最大游客數(shù),解決人草平衡與生態(tài)系統(tǒng)功能維護(hù)的問題。隨著認(rèn)識的不斷深入,草地綠色承載力評價5大模塊的相關(guān)研究方法將根據(jù)研究的需要做相應(yīng)調(diào)整。

3.3.1生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵功能模塊

在分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能、特征的基礎(chǔ)上。識別評估區(qū)的主導(dǎo)生態(tài)服務(wù)功能和關(guān)鍵生態(tài)問題,進(jìn)而確定相應(yīng)的評估指標(biāo)。如三江源國家公園選擇評估時重點考慮水源涵養(yǎng)重要性、防風(fēng)固沙功能和水土保持功能等,通過地面調(diào)查實驗和遙感數(shù)據(jù)等方式獲取評估所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù),開展生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵功能評價,揭示關(guān)鍵參數(shù)閾值。

[生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性][31]= Max ([水源涵養(yǎng)重要性],…,[防風(fēng)固沙功能重要性],

[水土保持重要性])

(1)

水源涵養(yǎng)重要性以水源涵養(yǎng)能力或水源涵養(yǎng)量作為衡量指標(biāo),主要考慮河流源區(qū)、河流供水功能、地表覆蓋、地形等因子[31]。公式如下：

(2)

式中：Pi為降雨量,Ri為地表徑流量,ETi為蒸散發(fā)量,Ai為i類生態(tài)系統(tǒng)面積。

防風(fēng)固沙功能重要性以防風(fēng)固沙量作為主要評估指標(biāo),采用修正的風(fēng)蝕方程來進(jìn)行計算,主要考慮因素有風(fēng)速、降雨、溫度、土壤、地形和植被等[31]。公式如下：

防風(fēng)固沙量=潛在風(fēng)蝕量-實際風(fēng)蝕量

(3)

水土保持重要性以水土保持量作為評價指標(biāo),采用修正的水土流失方程進(jìn)行計算[31-32]。公式如下：

A=R×K×L×S×(1-C)

(4)

式中：A為水土保持量,R為降水因子,K為土壤侵蝕因子,L、S為地形因子,C為植被覆蓋因子。

3.3.2草地生產(chǎn)力模塊

草地生產(chǎn)力(B)是指區(qū)域在某段時間內(nèi)生產(chǎn)的牧草干物質(zhì)總產(chǎn)量[33]。計算公式如下:

B= NPP/S(C+1)

(5)

式中：S為草地生物量換算成 NPP 的轉(zhuǎn)換系數(shù),C為地下與地上部分生物量比例系數(shù)。

3.3.3載畜規(guī)模模塊

草地理論載畜量指在確保野生動物的牧草需求量的前提下,剩余可食用牧草的載畜量,其計算公式為:

TGCi=(ELi-PNi)/(I×D)

(6)

式中,TGCi代表理論草地載畜量,ELi代表可食用的牧草生物量,PNi代表野生動物牧草需求量,D為放牧天數(shù),I為標(biāo)準(zhǔn)綿羊單位的采食量。

3.3.4人口承載模塊

基于草地生產(chǎn)力的人口合理規(guī)模,指在一定的放牧?xí)r間內(nèi),保證野生食草動物及家畜正常生長的前提下所能承載的人口規(guī)模。計算公式如下:

PS= [Y×E×C/(I×D×L)]/P

(7)

式中,PS為人口規(guī)模,Y為單位面積內(nèi)的可食牧草產(chǎn)量,E為全年放牧草地利用率,C為實際可利用可食牧草面積,I為綿羊單位日食量,D為放牧草地的放牧天數(shù),L為牦牛、綿羊、馬等家畜轉(zhuǎn)換等到標(biāo)準(zhǔn)羊總數(shù),P為人均糧食定額。

生態(tài)體驗最優(yōu)承載規(guī)模主要通過生態(tài)體驗活動所能容納的最大游客數(shù)來反映,包括生態(tài)環(huán)境、資源空間、生態(tài)旅游三個部分。

生態(tài)環(huán)境承載力模型：EECC=Min(水體環(huán)境承載力,大氣環(huán)境承載力, …)

(8)

資源空間承載力模型：RECC=步道長度承載力+景點面積承載力

(9)

生態(tài)旅游承載力模型：TECC=Min(住宿承載力,餐飲承載力, …)

(10)

3.3.5監(jiān)測預(yù)警模塊

草地綠色承載力預(yù)警主要是指主控因子超過生態(tài)系統(tǒng)功能維持的關(guān)鍵參數(shù)閾值、草畜平衡與人畜平衡的最大承載閾值時,草地綠色承載力呈現(xiàn)預(yù)警狀態(tài),其計算公式為:

草地綠色承載力監(jiān)測預(yù)警模型：GEEW=Max(生態(tài)功能維持閾值,草畜平衡閾值,人畜平衡閾值, …)

(11)

4 結(jié)語

在草地系統(tǒng)綠色發(fā)展理念的指引下,基于已有的基礎(chǔ)理論與方法,逐漸完善草地承載力理論與評估方法體系,提出了草地綠色承載力概念,明確了草地綠色承載力的承載體、承載對象。在傳統(tǒng)草地承載力的基礎(chǔ)上,從生態(tài)系統(tǒng)支撐條件、草地生產(chǎn)力、野生動物與家畜承載規(guī)模、農(nóng)牧民與生態(tài)體驗人口承載規(guī)模、監(jiān)測預(yù)警五個維度,創(chuàng)建草地綠色承載力評價體系并構(gòu)建三江源國家公園草地綠色承載力應(yīng)用框架,為科學(xué)合理測算生態(tài)系統(tǒng)功能、載畜量、農(nóng)牧民最優(yōu)承載規(guī)模、生態(tài)體驗最優(yōu)游客數(shù)等提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐,為推動三江源國家公園生態(tài)保護(hù)與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。隨著研究和認(rèn)識的不斷深入,相關(guān)研究方法體系將會做相應(yīng)調(diào)整,希望通過本研究可以拋磚引玉,建立更加科學(xué)合理的草地綠色承載力評估體系。研究團(tuán)隊也將根據(jù)草地綠色承載力評價體系,在三江源國家公園開展深入的研究,以期為解決生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵功能穩(wěn)定維持與提升、野生動物種群多樣性與繁衍興盛、禁牧減畜后牧民脫貧致富、不斷增長的生態(tài)體驗或旅游經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的沖突問題找到解決突破口。