中国环境科学
CHINA ENVIRONMENTAL SCIENCE
1998年 第18卷 第3期 No.3 Vol.18 1998
科技期刊

环境承载力的本质及其定量化初步研究
唐剑武　叶文虎　（北京大学环境科学中心，北京 100871）
文　摘　环境承载力描述了环境系统对人类活动支持能力的阈值，是环境系统功能的外在表现，是包含时间、空间和经济行为等自变量的函数。通过环境承载力指标体系及其综合值的计算可以描述实际环境承载量和环境承载力的大小，通过环境承载率（环境承载量/环境承载力）的计算可反映环境承载力的超载状况或环境与经济的协调程度。并以实例对环境承载力进行分析。
关键词　环境承载力　环境承载量　环境承载力指标体系　环境承载率
Study on environmental bearing capacity and its quantification. Tang Jianwu, Ye Wenhu (Center for Environmental Science, Peking University, Beijing 100871).China Environmental Science.1998,18(3):227～230
Abstract—The concept of environmental bearing capacity describes the threshold of environmental system supporting the human activity, and expresses the function of environmental system, decided by time, space and human socio-economic activity. Based on one practical case, using the indicator system of environmental bearing capacity and its comprehensive value, the environmental bearing capacity and the environmental bearing quantity can be measured; through calculating the environmental bearing rate(environmental bearing quantity/environmental bearing capacity),the excess of environmental bearing capacity or the extent of coordination of environment and economics can be recognized .
Key words:environmental bearing capacity　environmental bearing quantity　indicator system for environmental bearing capacity　environmental bearing rate
　　环境承载力是环境科学的一个重要而又区别于其他学科的概念，它反映了环境与人类的相互作用关系，在环境科学的许多分支学科可以得到广泛的应用。国外目前很少见到这方面报道。此概念最初出现于中国科研项目《我国沿海新经济开发区环境的综合研究——福建省湄洲湾开发区环境规划综合研究总报告》中〔1〕，随后出现在一些论文中〔2〕，但仅论述了环境承载力在不同地区或不同政策行为下的大小比较。本文结合实例，探讨环境承载力的本质特征及其自身的量化研究，以此用于同一地区不同时期及不同发展战略下环境承载力的变化。
1　环境承载力的本质
1.1　环境系统
　　要全面阐述环境承载力概念，首先要从环境系统的结构和功能上来理解环境承载力。一般系统论认为，系统是由两个以上要素构成的具有特定结构和功能的集合体。研究一个系统，既可从结构出发，即具体分析各组成元素的特征与相互关系；也可从功能入手，通过系统的宏观状态来把握系统的运动规律。
　　环境科学所要研究的环境是指以人类社会为中心的外部世界。这是一个极其复杂的巨系统，且是一个不断依靠能量、物质和信息的输入、输出维持其自身稳态运动的远离平衡态的开放系统。如果将人类社会也视为一个大系统，则环境系统与人类系统相互作用，互为耦合。
　　环境系统的组成要素有各大气组成物、水、土壤、各种生物以及人类生存所处的近地空间与各种人工构建物，它们分别构成了大气环境、水环境、土壤环境以及城市环境等要素子系统。环境系统的结构指环境系统各要素之间的联系和相互作用方式，包括各环境要素的赋存量及其有规律的运动变化。环境系统的功能指环境系统与外部介质（主要是人类系统）相互作用的能力，它由环境系统的固有结构决定。具体地说，某一区域环境或某一要素环境子系统的功能是指其维持自身稳态或自组织的能力及其与人类系统相互作用（提供自然资源、容纳并净化废弃物）的能力和方式。如果从人类系统选取与环境最为相关的社会子系统与经济子系统，则其与环境系统的相互作用关系如图1所示。

图1　环境系统与人类社会、经济系统的相互作用
Fig.1　Interaction of environmental system and human 
socio-economic system
1.2　环境系统的方程
　　脱离人类系统来精确地研究环境系统的内部结构（如环境化学、环境物理学等所研究的）固然很重要，但从环境系统的功能入手，研究与人类系统的相互输入、输出关系，也可以掌握系统的整体特征。
　　研究环境系统的功能要运用综合的、统计的思维，即研究环境系统结构的宏观表现。再引入环境状态的概念，环境状态是环境系统结构和功能在某一时刻的表现形态，它可以用一系列参量来宏观描述。环境系统作为开放系统，处于不断的变化中，依靠太阳能输入，在与人类系统的相互作用中维持低熵状态，其进化方程可以表示为：
E=N(H,S,t)+R(t) （1）
式中：H为人类系统的干扰参量；S为自身的状态向量；R为随机性的涨落；t为时间。这是一个含有确定性的向量函数N与随机性的向量函数R的方程。
　　如果忽略随机性的涨落R，设法将人类的干扰作用H并入状态向量S之内，认为某一时刻环境系统的状态是环境系统自身运动规律和人类活动共同作用的结果，则：
E=N(S,t) （2）
　　此时环境系统的状态参量包括环境要素的作用O、人类的作用H，即
S=S(O,H) （3）
　　因为人类系统与环境系统的作用是相互的，所以人类系统对环境系统的作用，即人类系统从环境系统获取资源并向其排放废弃物等可以用环境系统承受人类系统的这一作用来描述。实际上，这一作用也是环境系统功能的外在表现，用环境承载量（Environmental Bearing Quantity）和环境承载力（Environmental Bearing Capacity）来表示。
1.3　环境承载量和环境承载力
　　环境承载量是某一时刻环境系统实际承受的人类系统的作用量值。人类系统主要指社会和经济系统，不包括环境系统赋于人类精神上和美学上的享受。在实际工作中，更关心这一作用的极限值，即环境承载力。环境承载力指某一时刻环境系统所能承受的人类社会、经济活动的能力阈值。
　　环境承载力是环境系统功能的外在表现，即环境系统具有依靠能流、物流和负熵流来维持自身的稳态，有限地抵抗人类系统的干扰并重新调整自组织形式的能力。环境承载力是描述环境状态的重要参量之一，即某一时刻环境状态不仅与其自身的运动状态有关，还与人类对其作用有关。
　　可以看出，环境承载力既不是一个纯粹描述自然环境特征的量，又不是一个描述人类社会的量，它反映了人类与环境相互作用的界面特征，是研究环境与经济是否协调发展的一个重要判据。当今环境问题，大多是人类活动超过了环境承载力的极限所造成的。
2　环境承载力的量化模型
　　要将环境承载力运用于实际工作，需要将其量化。环境承载力是环境系统固有功能的表现，它不仅与环境系统本身的结构有关，还与外界（人类社会经济活动）的输入、输出有关。若将环境承载力EBC看成一个函数，那么它至少包含三个自变量：时间(T)、空间（S） 、人类经济行为的规模与方向(B)：
EBC = f (T, S, B) (4) 
　　在一定时刻上、在一定的区域范围内，可以将环境系统自身的固有特征视为定值，则环境承载力随人类经济行为规模与方向的变化而变化。
　　若借鉴力学中的弹性理论，若将人类经济行为的方向仅用二维坐标来表示，则在某一时间和空间上，可以画出环境承载力不规则椭圆E1，E2，…，En（图2）。图2中｜OE1｜、｜OE2｜、｜OEn｜表示在某一经济行为方向上不同的经济规模所表现出来的不同的环境承载力。

图2　环境承载力椭圆
Fig. 2　Environmental bearing capacity ellipse
　　另外，针对不同的经济行为方向和环保投入水平，可以画出环境承载力和环境承载量随经济规模的变化图（图3）。图3中曲线EBC1、EBC2、EBCn表示不同的环保投入水平下的环境承载力；曲线EBQ1,EBQ2,EBQm 表示不同的经济行为方向的环境承载量；交点Cij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)及其相应的经济规模（C011…）表示某一经济行为方向和环保投资水平下的环境承载力和环境承载量平衡点及其对应的最佳经济规模。

图3　环境承载力和环境承载量变化示意
Fig.3　The change of environmental bearing capacity 
and environmental bearing quantity
　　环境承载力的特征表现为时间性、区域性及与人类社会经济行为的相关性。不同的时刻、不同的地点、不同的经济行为的作用力，具有不同的环境承载力。环境承载力既是一个客观的表现环境特征的量，又与人类的主观经济行为息息相关。
3　环境承载力指标体系
　　给出环境承载力的概念模型还不能得到量化值，因为目前不能直接得到其函数表达式，所以采用环境承载力指标体系来间接地表达某一区域的环境承载力。环境承载力是一多维向量，其每一分量又可能由多维指标构成，所以描述环境承载力的指标构成一庞大的指标体系。
　　上述指标体系均可能由更次一级指标构成，这些指标的实际值描述了某一区域在某一时期的环境承载量，而其理论上的阈值即为环境承载力。在实际应用中，由于某些理论值需要花大量的人力和时间去研究，可以暂以国家统一颁布的标准值或当地公认的目标值来表示，因为这些值间接地表示了人类可以接受的环境状态,这是一种简化的环境承载力指标值选取法。指标体系中的“环境污染”类指标的目标值采用环境质量（浓度）标准，因为总量目标作为管理目标，是从环境质量目标推算出来的。
4　实例研究
　　本文对山东某市的环境承载量（力）进行了分析。用污染承受类的SO2、TSP、COD、总P浓度、噪声，以及自然资源类的地下水开采量，社会条件类的单位绿地面积人群数 （1/人均绿地面积）、单位居住面积人群数（1/人均居住面积）等共8项指标组成指标体系（见表1）。环境承载量采用实际调查和监测值；环境承载力数值分两类：一类是能容易得到的理论最佳值，则采用此数值（如地下水最佳开采量）；另一类是不容易直接得到的理论最佳值，则采用预定要达到的目标值（标准值）来间接表示。
　　在给出EBQ和EBC的各项指标值后，引入环境承载率（EBR=EBQ/EBC)来进行评价：当EBR＞1，表明环境承载量超出环境承载力阈值，即超载，将可能引发相应的环境问题。
表1　环境承载力指标值
Table 1　Environmental bearing capacity indicator

指标　　规划区规划区 小清河大明湖交通噪声地下水开单位绿地单位居住
　SO2
(mg/m3)TSP
(mg/m3)COD
(mg/L)总磷
(mg/L)(dB)采量
(104m3/d)面积人群
数(m-2)面积人群
数(m-2)
EBQ　　0.178 0.60 102 1.053 72.149 0.26 0.13
EBC　　0.10 0.50 25 0.2 70　40　0.110.125
EBR(%)178120408527103　123236104

　　在求得EBR之后，可以进行综合，例如
（5）
式中：Wi为EBRi的权重，暂取Wi=1/8，由此得到综合值EBR=2.2。从此值可以看出，该地的环境承载量已远远超出环境承载力阈值，如果得到多年的数据，就可以比较环境承载力超载的变化，它可以反映环境问题的严重程度及环境保护的成果如何。
　　由此例可知，对一个地区某一时间段，相应的人类行为导致一定的环境承载量与环境承载力，通过对其比较即环境承载率的计算，可以判断当地环境承载量和环境承载力的匹配程度或者说当地环境与发展的协调程度。不同地区可以根据当地具体特征参考上述指标确定适合本地的指标体系。
5　结论
　　通过环境承载力指标体系，可以得到某一区域的环境承载量和环境承载力，并将其作为环境对经济发展的约束作用或环境与经济是否协调发展的重要判据之一。也就是说，如果某一项或某一些社会经济行为（如发展战略、规划措施、治理方案等）所带来相应的环境承载量没有超过环境承载力阈值，且有可能提高该地的环境承载力，则认为此行为是被环境所接受的，即是与环境相协调的。因此，环境承载力可以被广泛应用于环境决策、环境规划等，作为其理论基础、判断依据和约束条件之一。
参考文献
1　叶文虎，梅凤桥，关伯仁.环境承载力理论及其科学意义.环境科学研究，1992,5(增刊):108～111
2　唐剑武，郭怀成，叶文虎.环境承载力及其在环境规划中的初步应用.中国环境科学，1997,17(1):6～9
3　(美)贝塔朗菲.林康义，魏宏森译.一般系统论.北京:清华大学出版社，1987
作者简介
唐剑武　男，1970年6月生。1995年获北京大学理学硕士。现为北京大学环境科学中心讲师。主要从事环境规划、环境管理和环境政策的教学和科研工作。曾参与“中国ODS整体淘汰计划”、“中国中小城市环境规划示范研究”、“济南市环境规划”等项目。发表论文10余篇。
收稿日期：1997-05-22
