基于熵權-突變級數法的安徽省資源環境承載力時空演變分析及障礙因子診斷

鄭 菲，李洪慶

(河海大學 公共管理學院，江蘇 南京 211100)

0 前言

資源環境是人類經濟社會活動的基本載體。近年來，在工業化、城市化進程不斷加快的同時，生態環境遭到破壞、資源浪費等問題凸顯。十七大首次提出了“生態文明建設”、十八大又提出了“五位一體”總布局以及“十三五”規劃《綠色發展指標體系》和《生態文明建設考核目標體系》的相繼出臺，都明確指出推動生態文明建設、促進城市向綠色健康發展是必然趨勢。而資源環境承載能力評估，是研究城市未來可持續發展和生態文明建設的重要基礎。安徽省處于經濟快速發展階段，截至2016年末，安徽省人均GDP為39561.0元/人，城鎮化率達50.5%，保持穩定增長。而用于環境污染治理投資的僅為439.7億元，占投資總額的2%，工業固體廢物產生量達12653萬t，工業廢氣排放總量達25367萬t。由此可見，資源開發利用不合理、生態環境保護投入不足等問題仍制約著安徽省的發展。因此，科學評價資源環境承載力、揭示時空格局演變，是促進安徽省生態文明建設、實現可持續發展的重要環節。

資源環境承載力是一個涉及社會、經濟、環境、資源等多方面的復雜系統。資源環境承載力是指在一定時間和空間范圍內，在保證區域可持續發展、維持環境功能穩定的前提下，該區域資源環境系統所能容忍人類社會經濟活動的能力，是判斷資源環境開發強度與人類活動是否協調的主要依據之一。國外對于資源環境承載力的研究開始于1981年威廉·福格特[1]所著的《生存之路》一書，首次明確了“承載力”一詞的概念。隨后1990年Slesser[2]結合資源、環境、社會和經濟4個方面建立了ECCO模型，模擬人口與承載力之間的變化關系。此后，學者們對資源環境承載力有了更進一步的研究。國內對于資源環境承載力的研究始于20世紀80年代，早期郭志偉[3]、孫玨[4]等以土地資源、水資源[5-6]等單要素研究為主，隨著研究的深入，秦成等[7]將資源環境作為整體，對其評價指標體系、發展趨勢[8-10]等進行了研究。通過對相關文獻的總結可知，資源環境承載力包括兩大部分：一是評價方法的研究。承載力的評價方法多種多樣，包括生態足跡法[10-12]、模糊綜合評價法[13]、灰色預測法[14-15]、主成分分析法[16]、情景分析法[17]等。二是評價模型的構建。承載力的評價數據多基于統計年鑒、實地調研、調查問卷等形式，因此，在進行承載力評價過程中，需要借助相關模型計算數據，包括多元線性回歸模型[18]、神經網絡模型[19-20]、響應度模型[21]、距離協同模型[22]、TOPSIS模型[23-24]等。綜上所述，資源環境承載力的研究經歷了由定性到定量再到定性與定量相結合、由單一到綜合、由靜態到動態的過程，現階段評價系統發展已較為成熟。因此，本文以安徽省16個地級市為研究對象，采用熵權-突變級數法模型測算出各市在2000、2005、2010、2015和2016年的資源環境承載力綜合值，分析研究區承載力時空演變過程，結合障礙度模型，對各研究區域資源環境承載力進行相似性分類及障礙因子診斷，以期為安徽省生態文明建設、發展綠色城市提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況及數據來源

1.1.1 區域概況 安徽省隸屬華東地區，介于東經114°54′～119°37′，北緯29°41′～34°38′之間，毗鄰江蘇、河南、山東、浙江等6個省份，與江蘇、浙江、上海共同構成長三角城市群。安徽省包括16個地級市，其中巢湖市于2011年撤為縣級市，并將部分行政區域劃歸合肥、馬鞍山和蕪湖3市管轄。土地總面積140140 km2，森林覆蓋率28.65%，截至2016年末，常住人口6196萬人，人均耕地面積0.092 hm2，人均水資源量20018.43 m3，GDP為24117.89億元，其中第三產業占GDP比重的41.30%，單位GDP能耗0.531 t標準煤/萬元，污水排放量159297萬t，城鎮恩格爾系數32.10%。近年來，安徽省經濟呈現出高速發展狀態，GDP增速在8.7%左右，人民生活質量明顯提高。自十八大召開以來，出臺了《安徽省生態文明體制改革實施方案》等一系列文件，生態文明建設被擺在了全省發展的重要位置。實際運行過程中，由于城市資源高強度開發利用，導致安徽省資源和環境對于社會經濟活動的承受能力逐漸變小，生態文明建設仍然面臨挑戰。

1.1.2 數據來源 本文以安徽省16個地級市作為研究對象，研究期為2000、2005、2010、2015和2016年，其數據主要來自于《安徽省統計年鑒》、《中國城市統計年鑒》、《中國環境統計年鑒》、安徽省及各市國民經濟與社會發展統計公報和環境狀況公報等(巢湖市因行政區劃調整在此不做研究)。

1.2 研究方法

1.2.1 熵權-突變級數法

1.2.1.1 熵權法 由于每個評價指標對資源環境承載力的影響程度不同，因此在計算資源環境承載力值前，要對評價指標的重要性程度進行排序，即計算每個評價指標的權重。由于本文數據主要源于統計年鑒，因此采用熵權法確定權重，可盡量避免人為主觀干擾，最大程度保證評價結果的客觀性。

1.2.1.2 突變級數模型 1972年法國數學家Rene Thom提出突變理論，用于揭示事物連續性中斷的質變過程[25]。該方法按照評價指標重要性程度依次帶入隸屬函數中求出隸屬值，再利用歸一化公式計算出承載力值。具體計算步驟如下。

(1)構建評價指標體系。構建科學合理的評價指標體系是進行資源環境承載力評價的重要環節，是影響評價結果的關鍵因素。在選取評價指標時，既要遵循科學性、可獲得性、綜合性和可比性等原則，又要能夠反映現階段城市發展的特點和水平。因此，筆者在閱讀大量相關研究的基礎上，從資源、環境、社會和經濟4個方面，借助SPSS軟件中的主成分分析，最終選取了16個具有代表性和針對性的評價指標(表1)。

表1 安徽省各市資源環境承載力評價指標體系

(2)數據標準化處理。由于各指標數據間單位不統一，因此采用極值法對數據進行標準化處理。即正向指標數據越大，表明該指標對資源環境承載力系統的正向影響力越大。正項指標的標準化處理公式為：

(1)

負向指標數據越大，表明該指標對資源環境承載力系統負向影響力越大。負向指標的標準化處理公式為：

(2)

其中，xij′為第i準則層第j個指標標準化處理后的數據，xij為第i準則層第j個指標的原始數據，xmin為xij的最小值，xmax為xij的最大值。

(3)基于熵權法確定指標權重。熵權法屬于客觀賦權法的一種，該方法根據評價指標傳遞信息的多寡來確定其權重大小，當評價指標的信息熵越小，表明傳遞的信息越多，影響力越大，權重越高(表2)。

表2 安徽省各年資源環境承載力評價指標權重

(4)突變模型計算。當某一準則層包含4個評價指標時，可用蝴蝶突變模型，同理當準則層分別包含1、2、3個評價指標時，可相繼采用折疊突變模型、尖點突變模型和燕尾突變模型。本文基于熵權法計算出指標權重的基礎上，采用突變級數模型中的蝴蝶突變模型逐個計算每一目標年度的資源環境承載力綜合值，歸一化方程為：

xa=a1/2,xb=b1/3,xc=c1/4,xd=d1/5

(3)

1.2.2 因子障礙度模型 資源環境承載力評價既在于對區域承載力水平進行評判，更重要的在于厘清影響資源環境承載力的障礙因子，以便有針對性地對城市發展規劃與政策進行調整，因此需進一步對研究區進行障礙因子診斷。障礙度模型將因子貢獻度(Wi)、指標偏離度(Jij)和障礙度(Oij、Uij)引入模型進行因子診斷。具體公式為：

Jij=1-Xij

(4)

(5)

Uij=∑Oij

(6)

其中，Xij為指標的標準值。

2 結果與分析

結合前文熵權法計算出的指標權重，利用公式(1)～公式(3)計算出安徽省各市2000～2016年資源環境承載力評價結果(表3)。

表3 2000～2016年安徽省各市資源環境承載力綜合值

2.1 資源環境承載力評價結果與分析

由于突變級數模型計算出的資源環境承載力綜合值較高，數值間的差異較小，且較為繁雜，為使得計算結果更具有研究意義，本文通過SPSS軟件的聚類分析功能對承載力結果按其相似性進行分類，結合相關研究成果[26-27]，將16個城市5年間的資源環境承載力平均值設為變量，進行結果劃分。具體可將承載力值劃分為優(Ⅰ)、良(Ⅱ)、一般(Ⅲ)、較差(Ⅳ)、差(Ⅴ)5個承載力等級。其中，第Ⅰ類為蕪湖；第Ⅱ類包括淮南、馬鞍山、淮北、合肥、滁州、安慶和蚌埠；第Ⅲ類包括宣城、黃山和池州；第Ⅳ類包括宿州、銅陵、六安和亳州；第Ⅴ類為阜陽。

蕪湖5年間資源環境承載力均處于較高水平，綜合值從0.788逐步增長到0.882，其中資源承載力和社會承載力處于上升趨勢，環境承載力和經濟承載力略有下降。16年間蕪湖經濟迅猛發展，綜合實力穩健提升。同2000年相比，2016年底人均GDP增長7倍，城鎮化水平提高93.69%，恩格爾系數下降至35.85%，擁有高等學校在校生數132049人。蕪湖在保持經濟高速發展和社會穩定進步的同時，資源與環境也得到了改善，因而綜合承載力處于較優狀態。

合肥、馬鞍山和蚌埠等7個城市的資源環境承載力水平為良，16年間綜合值有較小波動，但總體仍處在較高水平。由表2可知，馬鞍山綜合值穩步增加；合肥、淮南和蚌埠呈現正“V”型變化趨勢。其中合肥和淮南在2010年有所下降。這主要是因為2010年前后城市工業快速發展帶動經濟發展的同時，工業所產生的廢氣、廢水排放量等也大幅增加，導致2010年資源承載力和環境承載力偏低；蚌埠2005年經濟水平較差，GDP增長率、社會固定資產投資額等經濟指標值均低于全省平均水平，導致其經濟承載力呈明顯下降趨勢。而淮北、滁州和安慶綜合值呈倒“V”型，至2016年末3市綜合值都有所下降，這是由于經濟發展速度放緩導致經濟承載力下降，從而出現倒“V”型。

宣城、黃山和池州的資源環境承載力評價水平一般，從5年變化趨勢來看，3個城市綜合值變化都呈倒“V”型，資源環境承載力波動較大。其中宣城資源環境承載力在2005年達到最大值后，受到工業廢氣排放總量、人口密度以及社會固定資產投資總額等指標的影響，導致近10年的環境承載力、經濟承載力和社會承載力有所降低；而黃山和池州的資源環境承載力綜合值在2010年處最大，其余年份均較低，是因為這2個城市綜合發展實力較為薄弱，而且經濟發展相較于上述8個城市也處于劣勢，使得資源環境承載力整體水平一般。

宿州、銅陵、六安和亳州資源環境承載力較弱，且波動幅度較大。至2016年末，除銅陵外均有不同程度的降低，變化趨勢呈倒“V”型。近年來，宿州、六安和亳州的整體發展水平低下，人均GDP低于全省平均水平，社會固定資產投資額不足，再加上教育水平的落后，使得經濟和社會承載力連續下降，影響了資源環境承載力的整體水平。雖然銅陵近年來環境得到改善，人民生活質量有所提高，資源環境承載力有一定提升，但由于早期銅陵經濟發展過度消耗了大量資源和環境，所以在計算5年平均值時仍處于較弱水平。

阜陽資源環境承載力整體水平最弱。至2016年末，阜陽資源、環境、社會和經濟承載力均呈下降趨勢。阜陽是一個人口大市，常住人口達799.1萬人，其人均耕地面積、人均水資源量等明顯低于其他城市，而人均GDP、城鎮農村居民收入等反映經濟發展狀況的指標也位于全省末位，因而拉低了綜合承載力水平。但隨著阜陽大力調整產業結構，逐步推進農業向機械化、產業化現代農業的發展，同時扶持第三產業發展，資源環境承載力呈現逐步穩定增加的趨勢。

2.2 障礙因子診斷分析

本文以2016年為研究期，根據公式(4)～公式(6)，計算出安徽省各市資源環境承載力準則層障礙度(表4)，選取障礙度排名前5的指標作為主要障礙因子(表5)，通過分析表3和表4得到以下結論。

(1)經濟承載能力弱是制約安徽省資源環境承載力的最大障礙。16市資源環境承載力的主要障礙因子60%來自于經濟承載力，包括城鎮居民人均可支配收入、農民人均純收入等，說明城市經濟發展水平明顯影響著安徽省綜合承載能力的大小。其中滁州、六安、宣城、池州、安慶和黃山指標層的首要障礙因子是社會固定資源投資總額，近年來這6個城市經濟發展速度有所提升，但至2016年底6市社會固定資源投資額均不足500億元，與安徽省最高投資額相差近3500億元，產業結構較為單一、城市核心競爭力低等問題仍阻礙著城市整體發展。

(2)由表5可以看出：除上述6市外，剩余10個城市的首要障礙因子為人均水資源量。2016年安徽省人均水資源量平均值為2874.16 m3/人，而10個城市均低于此水平線。除此之外，人均耕地面積指標也位于前5障礙因子排序中，說明城市水資源、土地資源等自然資源利用程度對城市資源環境承載能力仍有較大限制作用，如淮北市土地利用程度較高，耕地資源較少，人均耕地面積不足0.077 hm2，低于全省和全國平均水平。從準則層來看，合肥、馬鞍山和蕪湖3市資源環境承載力的薄弱環節也體現在資源承載力方面。近年來由于城市發展的需要，以合肥為中心的經濟圈不斷擴大建成區面積，建廠引資、設立經濟開發區，導致耕地資源隨著城市發展逐年減少，墾殖系數下降，進而影響著城市綜合承載力水平。

(3)在社會承載力方面，每萬人擁有高等學校在校學生人數和人口密度是影響城市資源環境承載力的重要障礙因子。以亳州市為例，作為中原經濟區成員城市及安徽省域交匯中心城市，亳州在經濟得到快速發展的同時，教育、醫療等社會基礎設施尚未受到經濟的帶動，2016年每萬人擁有高等學校在校學生人數僅為22人，與安徽省平均水平相差150人。從環境承載力來看，安徽省各市受到此方面限制相對較小，僅有化肥使用量一個指標進入合肥市前5障礙因子序列中。盡管合肥市出臺了《合肥市化肥減量增效實施方案》(討論稿)等相應政策，化肥使用情況有所改觀，但2016年化肥用量仍位于全省前列，達27.86萬t。

表4 2016年安徽省各市資源環境承載力準則層指標障礙度 %

3 結論與討論

3.1 結論

由上述研究結果可知，安徽省整體資源環境承載力較好，呈現出一定的空間差異。總體可劃分為5個等級，其中蕪湖為優等水平；合肥等7個城市為良等水平；宣城市等3個城市為一般水平；銅陵等4個城市為較弱水平；阜陽為差等水平。由障礙因子診斷結果可知，社會固定資產投資總額、城鎮居民人均可支配收入、每萬人擁有高等學校在校學生人數、人均水資源量、化肥使用量等是影響安徽省各市資源環境承載力的主要因子。因此，今后發展過程中，勢必要通過結合各市發展優勢，加大社會固定資產投資額，保護并合理使用自然資源，充分發揮地理優勢，借助長江三角洲城市群、合肥都市圈等的輻射帶動能力，提升城市經濟實力和競爭力等方式提高各市資源環境承載能力，實現全省綠色可持續發展戰略。

表5 2016年安徽省各市資源環境承載力指標層主要障礙因子障礙度 %

3.2 討論

探究區域資源環境承載能力是復雜而系統的過程。本文基于熵權-突變級數法模型，對安徽省16個地級市2000、2005、2010、2015和2016年的統計數據進行計算，評價其資源、環境、社會和經濟承載力水平，從時序角度分析了各城市資源環境承載力的動態變化過程，同時利用障礙度模型測算出限制各市資源環境承載力提升的障礙因子。此研究結果可為安徽省未來發展規劃提供科學依據；同時，本文采用定性與定量相結合的方法，避免了人為因素的干擾，提高了評價結果的精確性，可為其他區域資源環境承載力評價提供一定的借鑒。本文初步研究了區資源環境承載力的時序變化特征并對障礙因子進行了分析，其資源環境承載力未來發展趨勢及空間格局等問題仍待進一步研究。