發(fā)展中城市的土地資源承載力評價及預(yù)測

劉兆霞 皇傳華 楊克俊 王瑞燕

摘要：長期以來，土地資源在發(fā)展中城市發(fā)揮著極其重要的作用。定量評價和預(yù)測土地承載力狀況為提高發(fā)展中城市土地承載力提供科學(xué)依據(jù)，也為土地承載力評價研究提供新思路。以濟南為例，濟南市是一個典型的發(fā)展中城市，依據(jù)濟南市區(qū)域的自然社會經(jīng)濟的實際狀況，從土地資源社會承載力、經(jīng)濟承載力、建設(shè)規(guī)模承載力、生態(tài)承載力4個方面中選取20個指標建立評價指標體系，研究濟南市土地資源承載力2007—2017年11年的變化狀況，通過熵值法計算濟南市各指標權(quán)重和土地資源承載力指數(shù)，運用灰度模型預(yù)測法對其進行預(yù)測。結(jié)果表明，濟南市在11年期間，土地資源承載力經(jīng)歷了由低承載水平向較高承載水平發(fā)展的過程，其中，生態(tài)承載力較快速提升，經(jīng)濟承載力、建設(shè)規(guī)模承載力穩(wěn)步提升，但社會承載力增長較慢，仍需不斷加強，且未來6年，濟南市土地資源承載力穩(wěn)步上升。生態(tài)承載力的增長對濟南市的土地資源承載力貢獻最大，社會承載力是制約濟南市整體發(fā)展的主要因素，須調(diào)整濟南市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等方面提升濟南市的土地資源承載力。

關(guān)鍵詞：土地資源承載力;熵值法;評價;濟南市;灰度模型預(yù)測法

中圖分類號： F301.2文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）07-0217-06

收稿日期：2020-07-28

基金項目：山東省重點研發(fā)計劃（編號：2015GNC110010）。

作者簡介：劉兆霞（1995—），女，山東龍口人，碩士研究生，主要從事土地資源管理研究。E-mail：1021258336@qq.com。

通信作者：王瑞燕，博士，副教授，主要從事土地資源和遙感方面的研究。E-mail：wry@sdau.edu.cn。

當(dāng)前經(jīng)濟社會不斷發(fā)展，城市化進程不斷推進，城市人口數(shù)量劇增，土地開發(fā)強度增大，生態(tài)環(huán)境安全不斷惡化，導(dǎo)致各資源與區(qū)域經(jīng)濟、社會協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)系越來越嚴峻，近年來，資源環(huán)境承載力評價越來越多地出現(xiàn)在城市的各項規(guī)劃之中[1]。土地是人們賴以生存的基礎(chǔ)，隨著城市人口持續(xù)增長和城市化地快速推進，城市土地資源供給的稀缺性與社會需求的增長性之間的矛盾日益突出[2]。土地資源承載力是土地資源可持續(xù)利用研究的核心[3]，區(qū)域人口、資源與社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要指標[4]。土地資源承載力作為資源環(huán)境承載力中重要的一部分，科學(xué)合理地對其進行規(guī)劃對于區(qū)域土地資源的可持續(xù)利用以及區(qū)域的可持續(xù)性發(fā)展具有重要的作用[5]。

21世紀以來，對于土地承載力的研究也變得越來越多。Saveriades主要通過對資源環(huán)境承載力、經(jīng)濟社會承載力等方面進行研究，進一步研究塞浦路斯旅游承載力[6]。Gerst探索循環(huán)發(fā)展及其對環(huán)境的影響，來實現(xiàn)資源可持續(xù)利用的目的[7]。McKeon等研究澳大利亞氣候變化與環(huán)境承載力之間的關(guān)系[8]。很多學(xué)者都對馬里的Diamou地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展進行了研究，得出的結(jié)果是由于牧區(qū)人群的粗放作業(yè)，造成了該地區(qū)的土地資源的持續(xù)退化[9]。Kawa等對土地承載力的另一方面進行了研究，其通過梳理、分析而得出最優(yōu)的成果，研究了地基土壤種類與厚度對土地承載的相互關(guān)系，并根據(jù)計算得出的最優(yōu)結(jié)果從新的方面對土地承載力進行研究[10]。國內(nèi)對于土地資源承載力的研究處于不斷發(fā)展階段，孫鈺等基于TOPSIS模型對京津冀城市群地區(qū)的土地承載力進行了研究[11];張紅等基于層次分析法對舟山市的土地承載力進行了評價研究[12]。對于土地承載力的評價研究，主要包括土地承載力的短板因素研究，傅世鋒等基于空間分析方法對開發(fā)區(qū)土地的承載力狀況進行了研究[13]。何剛等基于GM（1，1）對安徽省 2016—2020年的土地承載力狀態(tài)進行了預(yù)測研究[14]。隨著科學(xué)技術(shù)的提高，相關(guān)研究也開始借助于 ArcGIS、遙感等現(xiàn)代科技手段對土地資源承載力進行探索，嚴惠明采用GIS（地理信息系統(tǒng)）空間法對福建土地資源承載力進行評估研究[15]。何尹杰等運用客觀評價法和GIS技術(shù)相結(jié)合的方式對土地資源承載力進行評價分析[16]。這些研究豐富了土地資源承載力的相關(guān)理論和研究成果，為之后的土地利用奠定了堅實的基礎(chǔ)，但同時發(fā)現(xiàn)了一些不足之處：承載力評價主要是定性分析，定量分析相對較少研究，評價指標多是資源與環(huán)境狀況方面的，很少綜合考慮人類活動、社會經(jīng)濟等對評價承載力的影響，而且對土地承載力動態(tài)預(yù)測較少，且不同方法之間預(yù)測結(jié)果不便于比較。在評價的基礎(chǔ)之上進行預(yù)測，可以準確把握區(qū)域土地承載力未來變化趨勢，為之后土地利用的動態(tài)管理提供重要依據(jù)。

目前，在土地利用方面，發(fā)展中城市存在各種問題，比如無序建設(shè)使得建設(shè)用地不規(guī)范，部分建設(shè)用地在控制范圍之外，造成用地不合理的現(xiàn)象。發(fā)展中城市目前都正處于經(jīng)濟社會快速發(fā)展的重要時期，各項建設(shè)用地對土地需求逐漸增大，土地資源供需矛盾突出;發(fā)展中城市人口密度大，人多地少，土地資源尤為珍貴，總的來說，城市存在用地緊張、后備資源不足、生態(tài)環(huán)境較脆弱、土地利用也不合理等問題亟待解決，且現(xiàn)在發(fā)展中城市大多都處于工業(yè)化、城市化發(fā)展的重要階段，人口與土地、土地與土地之間的矛盾較尖銳，以濟南市為代表。近幾年，并無濟南市的土地資源的承載力分析評價的研究，因此，探究濟南市的土地資源承載力，分析土地資源的現(xiàn)狀、存在問題，以及提出建設(shè)性合理意見很有必要。

本研究在分析總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，利用熵值法、指數(shù)法和灰色模型相結(jié)合的方法對土地承載力進行評價與預(yù)測，以期完善和提高土地承載力理論體系及評價方法。通過熵權(quán)法對指標賦權(quán)，在一定程度上避免了指標權(quán)重受主觀因素的影響;運用多目標資源評價模型的指數(shù)法進行評價，利用灰色模型對未來6年土地承載力進行預(yù)測，能直觀了解濟南市土地承載力的現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢，便于相關(guān)部門準確把握土地利用的動態(tài)變化并進行及時監(jiān)督管理，研究結(jié)果可為濟南市可持續(xù)發(fā)展和相關(guān)土地利用規(guī)劃決策提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

山東省濟南市地處36°01′～ 37°32′N，116°11′～117°44′E，占地面積7 998 km2，地勢是南高北低，地形復(fù)雜多樣。濟南泉水眾多，地下是可溶性灰?guī)r，泉群眾多，水量充沛，被稱為天然的泉水博物館。濟南是明顯的季風(fēng)性氣候，四季分明，年平均氣溫為13.5～15.5 ℃，全年無霜期230 d左右，降水量為600～900 mm。2017年全市地區(qū)生產(chǎn)總值達到 7 201.96 億元，比2016年增長8.0%，就業(yè)形式保持穩(wěn)定，全年新增就業(yè)人數(shù)18.9萬人，年末城鎮(zhèn)登記失業(yè)率降為2.08%。近年，濟南市改革深化，優(yōu)化公共服務(wù)。總而言之，濟南市整體水平不斷上升。

1.2 濟南市土地資源承載力指標體系

1.2.1 數(shù)據(jù)來源以及體系框架構(gòu)建

國內(nèi)外土地資源承載力研究已很成熟，在評價指標的選擇和指標體系的構(gòu)建等方面也不斷完善。結(jié)合濟南市的土地資源利用情況，通過參考前人研究方法及成果[17]，構(gòu)建了評價指標體系。指標設(shè)計時遵循以下原則：可操作性，在選取指標時，要考慮到指標的實用性與量化的難易程度;科學(xué)性，選取真實數(shù)據(jù)，運用科學(xué)方法進行分析，使評價結(jié)果具有更高的可信度;層次性，土地是一個較為復(fù)雜的多因素系統(tǒng)，在構(gòu)建指標體系時，須結(jié)合實際情況建立層次分明的指標體系，并逐步分析評價。本研究查詢了2007—2017年《濟南市統(tǒng)計年鑒》《山東省統(tǒng)計年鑒》《濟南市政府工作報告》等數(shù)據(jù)，具體見表1。

1.3 濟南市土地資源承載力綜合評價方法

1.3.1 評價指標的標準化

因為土地資源承載力評價系統(tǒng)具有復(fù)雜性，許多評價指標之間不存在關(guān)聯(lián)，指標中各原始數(shù)據(jù)量綱不同，難以進行統(tǒng)一的評價，指標中存在著成本型指標，又存在著效益型指標，所以比較起來不便。因而，為了數(shù)據(jù)的可比性，須要對各評價指標進行無綱量化處理使其一致，采用極差法對原始數(shù)據(jù)進行無量綱化處理[18]，計算公式如下：對原始資料矩陣R=（rij）mxn（i=1，2，…，m;j=1，2，…，n）進行標準化得到矩陣B=（bij），其中m為評價對象年數(shù)，n為評價指標個數(shù)，bij表示指標的無量綱化。

bij=rij-rminrmax-rmin;（1）

bij=rmax-rijrmax-rmin。（2）

式中：rmax為指標的最大值;rmin為指標的最小值。當(dāng)評價指標為效益型指標時，用式（1）進行標準化處理;當(dāng)評價指標為成本型指標時， 用式（2）進行標準化處理。

1.3.2 確定評價指標權(quán)重

在土地資源承載力評價中，各個指標的權(quán)重大小對評價結(jié)果有很大影響，指標權(quán)重的正確性、合理性直接決定評價結(jié)果是否具有可研究性。確定指標權(quán)重的方法分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法，主觀賦權(quán)法包括層次分析法、德爾菲法等，客觀賦權(quán)法包括變異系數(shù)法、信息熵法等[5]。由于本研究選取指標較多、土地資源承載力評價是一個較為復(fù)雜的系統(tǒng)，為了避免主觀賦權(quán)法的主觀性，結(jié)合濟南市實際情況，采用熵值法來確定權(quán)重。

根據(jù)式（3）計算第j項指標下第i個方案指標值的比重（Pij）。

Pij=bij∑mi=1bij。（3）

根據(jù)式（4）計算第j項指標的熵值（ej）。

ej=-[∑mi=1Pijln（Pij）]/lnm。（4）

根據(jù)式（5）計算第j項指標的差異性系數(shù)（效用值，gj）。對于第j項指標，指標值的差異系數(shù)越大，對方案評價的作用就越大。

gj=1-ej。（5）

根據(jù)式（6）計算第j個評價指標的熵權(quán)（wj）。

wj=gj∑njgj（1≤j≤n）。（6）

1.4 土地資源承載力指數(shù)評價

土地資源承載力評價體系是由多種指標因素所構(gòu)成的一個較為龐雜的系統(tǒng)，它們之間彼此互相作用，因而采取多目標資源評價模型的方法來計算土地資源承載力指數(shù)（D）。公式為

D=∑ni=1wijbij。（7）

式中：wij表示指標對目標層的權(quán)重。指數(shù)越高，就表示土地的可承載性能越好。依據(jù)濟南市現(xiàn)狀，將承載力指數(shù)的標準進行分級。

1.5 濟南市土地承載力預(yù)測

1.5.1 土地承載力預(yù)測方法

由于數(shù)據(jù)的離散程度和數(shù)據(jù)量的有限性，很難確定與其相吻合的線性回歸模型，所以這里采用灰度模型預(yù)測的方法。灰度模型預(yù)測法是能充分利用數(shù)據(jù)信息的一種方法，其理論主要將數(shù)據(jù)存在的不確定性量化為不同的灰度值進行計算，多次利用數(shù)據(jù)間的和差積商關(guān)系進行數(shù)據(jù)的處理，不斷逼近最精確的那個數(shù)值。灰度預(yù)測模型的種類也有很多，有GM（1，1）、GM（1，N）等，這里簡單地采用GM（1，1）的方法。

1.5.2 灰度模型預(yù)測法進行預(yù)測

基于2007—2017年的土地承載力指數(shù)，通過灰度模型預(yù)測法推算出未來6年的土地資源承載力指數(shù)，以其值為預(yù)測結(jié)果。

根據(jù)灰度模型中的G（1，1）的方法，分別給各年份賦予不同的時間序列，r（2007）=1，r（2008）=2，…，r（2017）=11。令X為各年份人口的初始數(shù)據(jù)，X′為灰度關(guān)聯(lián)后的擬合數(shù)值。

（1）設(shè)原始數(shù)列排成時間數(shù)列：

X（0）={X（0）（1），X（0）（2），X（0）（3），…，X（0）（r） }。

（2）生成AGO數(shù)列。對原始數(shù)據(jù)進行一節(jié)累加處理：

X（1）（r）=∑ri=1X（0）（r），r=1，2，…，n。

（3）確定數(shù)據(jù)矩陣B和Y。

令Z（1）={Z（1）（1），Z（1）（2），Z（1）（3），…，Z（1）（r）}，Z（1）為X（1）相鄰2個數(shù)值之間的平均值，即

Z（1）（r）=0.5×X（1）（r）+0.5×X（1）（r-1），r=1，2，3，…，n。

引入矩陣參數(shù)列u=ab，Y=X（0）（2） X（0）（r），B=-Z（1）（2）1-Z（1）（r）1，其中u為2行1列的矩陣列，Y為r-1行1列的矩陣列，B為r-1行2列的矩陣列，帶入數(shù)據(jù)。

（4）用最小二乘法求得矩陣列u，也就求得了發(fā)展系數(shù)a與灰作用量b的常數(shù)值，即

u=ab=（BTB）-1·BTY，帶入數(shù)據(jù)進行運算。

（5）通過解上面的一階非齊次常微分方程，可以求得數(shù)列X（1）′的表達式，進而求得X（1）′的每一個元素值，即灰度矯正下的每個元素的數(shù)量。

求得X（1）′（r）={0.474 6，0.564 8，0.627 9，0.698 2，0.776 3，0.863 1，0.959 6，1.067 0，1.186 3，1.131 90，1.466 5，1.630 6}。

經(jīng)檢驗，ε>0.95可以進行預(yù)測，且預(yù)測模型數(shù)據(jù)之間高度關(guān)聯(lián)，與原數(shù)據(jù)高度吻合，驗證模型X（0）′是正確的。

2 土地資源承載力評價及預(yù)測結(jié)果

2.1 土地資源承載力評價結(jié)果

2.1.1 濟南市土地資源承載力指標體系權(quán)重值

采用熵值法，通過式（3）至式（6）計算出各個準則層和各指標的權(quán)重，結(jié)果見表2。

由表2可知，各準則層中，社會承載力的權(quán)重最高，建設(shè)規(guī)模承載力權(quán)重最低;從各個指標來看生活垃圾無害化處理量權(quán)重最高，人均耕地面積權(quán)重最低。

2.1.2 土地資源承載力指數(shù)評價

2007—2017年濟南市土地資源承載力指數(shù)變動狀況見圖1，各分項土地資源承載力指數(shù)見圖2。依據(jù)濟南市現(xiàn)狀，將承載力指數(shù)的標準進行了分級，分為5種標準，見表3。

由圖1可知，2007—2017年濟南市土地資源承載力指數(shù)呈穩(wěn)步上升趨向，且增長較為均勻，由0.131 4增長到了0.835 8，增長了0.704 4。2017年達到了最大值，在11年中速度增長最快，為較高承載力。

2.1.3 分項土地資源承載力指數(shù)評價

由圖2可知，濟南市社會承載力指數(shù)2007—2017年呈緩慢上升趨勢，由0.038 4上升至0.220 6;人口自然增長率由3.08‰上升至7.97‰，人口增長較快，社會人口壓力較大，造成社會承載力增長較遲緩。經(jīng)濟承載力指數(shù)11年期間總體處于上升的狀態(tài)，承載力指數(shù)年均增長0.033 5，地區(qū)生產(chǎn)總值逐年增長，第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值貢獻率不斷提高，工業(yè)總產(chǎn)值、人均生產(chǎn)總值、單位土地年工業(yè)總產(chǎn)值也是逐年不斷增加，因此濟南經(jīng)濟實力不斷增強，經(jīng)濟承載力也不斷提高，經(jīng)濟承載指數(shù)穩(wěn)步上升。建設(shè)規(guī)模承載力指數(shù)變化較平穩(wěn)，2007—2017年11年期間建設(shè)規(guī)模承載力指數(shù)總體處于上升的狀態(tài)，年均增長0.041 6。2007—2017年，濟南市生態(tài)承載力指數(shù)一直處于快速上升的狀態(tài)，生態(tài)承載力指數(shù)年均上升0.061 1，工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量不斷減少，建成區(qū)綠化覆蓋率不斷增大，生活垃圾無害化處理量提高，污水處理總量也不斷提高，濟南市生態(tài)質(zhì)量不斷提高。

2.2 土地資源承載力評價預(yù)測的結(jié)果

采用灰度模型預(yù)測法，根據(jù)GM（1，1）建模方法，對濟南市2018—2023年土地資源承載力進行預(yù)測。由表4可以看出，濟南市土地資源承載力指數(shù)不斷上升，且上升幅度穩(wěn)定，土地承載力指數(shù)在2019年以后均超過了1，呈可持續(xù)利用的發(fā)展趨勢，說明濟南市在土地資源承載力方面不斷提高。

2.3 結(jié)果與分析

總的來說，濟南市土地資源承載力的提高處于一個比較平穩(wěn)的狀態(tài)，在2007—2017年，各單指標承載系統(tǒng)之間不斷協(xié)調(diào)，土地生產(chǎn)力不斷提高，土地利用方式趨于合理， 雖然資源評價值有了一定提升，但是各單指標承載系統(tǒng)協(xié)調(diào)性依然須要進一步提高，尤其是社會承載力方向，須要進一步提高承載能力。這一時期，土地服務(wù)功能得到了完善，土地生產(chǎn)力得到了巨大提高，土地利用結(jié)構(gòu)較合理，土地集約節(jié)約利用程度高[19]，生態(tài)環(huán)境受保護程度高，生態(tài)系統(tǒng)良好，區(qū)域經(jīng)濟處于良好發(fā)展趨勢，達到土地利用最佳狀態(tài)[20]。由預(yù)測結(jié)果可知，濟南市土地資源承載力指數(shù)逐步穩(wěn)定上升，說明濟南市在土地資源承載力方面不斷提高。對濟南市土地資源承載力指數(shù)的預(yù)測是在現(xiàn)有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行的，但隨著政策和社會發(fā)展的變化，所選取的目標值與未來指標會存在一定的差異性，會產(chǎn)生一定的誤差，因此對于分析濟南市未來土地資源承載力有一定的影響。

3 討論與結(jié)論

本研究以濟南市當(dāng)前的土地資源承載力為基礎(chǔ)，以土地社會承載力、土地建設(shè)規(guī)模承載力、土地經(jīng)濟承載力和土地生態(tài)承載力為依據(jù)，從中挑選出20個可供參考的評價指標，結(jié)合濟南自然地理條件和社會經(jīng)濟條件的實際情況，對濟南市2007—2017年土地承載力進行資源評價分析并預(yù)測，得出結(jié)論如下：2007—2017年，濟南市各項土地資源承載力均在逐步上升，其中社會承載力、建設(shè)規(guī)模承載力、經(jīng)濟承載力處于穩(wěn)步提升狀態(tài)，而生態(tài)承載力的提升較為明顯，其對濟南市土地資源承載力的增長有著巨大的貢獻，相對來說土地社會承載力上升的程度不是很大，對濟南市土地資源承載力的貢獻并不是很明顯。由預(yù)測結(jié)果可知，濟南市未來6年土地資源承載力穩(wěn)步上升。因此，在以后的建設(shè)過程中，在環(huán)境允許的條件下，可以適當(dāng)?shù)亻_墾一些未利用的宜耕土地，增加人均擁有的耕地面積，提高土地利用率;適當(dāng)加大土地利用開發(fā)程度，將閑置土地高效利用，達到土地資源配置最優(yōu)化;適當(dāng)控制人口的增長，加強基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，提高人們的生活水平;適當(dāng)加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，將第三產(chǎn)業(yè)開發(fā)作為重點目標，提高社會經(jīng)濟發(fā)展進程。要加強監(jiān)管制度，讓生態(tài)與經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展，從各方面提高土地資源承載力。根據(jù)此次濟南市土地承載力評價結(jié)果，近年來濟南市土地承載力的發(fā)展仍有一些不協(xié)調(diào)因素，仍需更具協(xié)調(diào)性的優(yōu)化才能保證其健康發(fā)展。

本研究主要分析了生態(tài)、經(jīng)濟、人口以及建設(shè)規(guī)模這4個大類，但是土地資源承載力的內(nèi)部影響因素比較多，并且系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)系也比較復(fù)雜，所以本研究分析過程還不夠精確：首先在評價指標的選擇上不夠全面，后期的結(jié)論可能出現(xiàn)偏差;其次評價技術(shù)仍需提高。在以后的研究中須要健全評價指標體系，使結(jié)果更加精確;要運用多種方法評價，對評價結(jié)果進行對比分析，使評價結(jié)果更具有綜合性。

當(dāng)前，對土地資源承載力評價的研究仍處于發(fā)展研究階段，須要不斷完善理論和方法。同時要結(jié)合定性與定量，在準確把握理論概念的基礎(chǔ)上，定量地對數(shù)據(jù)進行深入研究，從而準確了解濟南市的土地資源承載力，依據(jù)承載力結(jié)果分析研究，從而制定適合濟南市的戰(zhàn)略對策。目前仍沒有完善的標準評價指標體系，所以，要加強在理論方面的研究，須要對其進行全面系統(tǒng)的研究調(diào)查;理論要與實地調(diào)查緊密結(jié)合，使結(jié)果更準確，更具有參考價值。土地資源承載力評價是對一個區(qū)域土地資源承載力研究的高度重視，對推動該區(qū)域的社會經(jīng)濟、生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義，因此應(yīng)著眼于提高每個區(qū)域的土地資源承載力，促進城市的發(fā)展和進步。

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