上海市土地利用變化及其物質代謝效應研究

崔雪竹，王學通

（廣州大學工商管理學院，廣東 廣州 510000）

上海市土地利用變化及其物質代謝效應研究

崔雪竹，王學通

（廣州大學工商管理學院，廣東 廣州 510000）

研究目的：在環境經濟視角下，對土地利用變化過程中的物質資源狀態和利用效率進行分析，明確土地利用變化對城市物質代謝的影響。研究方法：采用物質流分析方法，以物質收支平衡為出發點，通過物質流動邏輯關系分析，對社會各部門物質流動過程與數量進行跟蹤式的數據核算，明確物質流動特征和資源利用效率；采用典型相關分析方法建立數學模型，通過矢量投影與降維使土地利用變化的物質代謝效應得以量化。研究結果：（1）城市各類建設用地數量的增加不同程度地促進了城市物質代謝通量的擴大；（2）城市產業用地效率的變化對城市物質代謝強度和效率也存在較大影響。研究結論：城市土地利用結構和效率變化影響了物質資源的循環特征與流動規律，該研究能夠為城市建設、土地規劃和管理部門決策提供借鑒。

土地管理；代謝效應；典型相關分析；城市土地利用；可持續發展

Key words:land administration; metabolism effect; canonical correlation analysis; urban land use change; sustainable development

1 引言

城市大規模擴張不但導致了土地利用格局的變化，同時，其所排放的廢棄物也造成了生態環境破壞，使地球資源和生態系統面臨日益嚴重的威脅。土地作為人類社會與自然界交互作用的媒介，一方面，為人類所需物質的獲取提供了基礎，尤其是生物能的獲取更依賴于土地生產面積的大小；另一方面，能源運輸、存儲、轉換、消費和廢棄物、污染物的處置與排放等活動都離不開土地資源的利用[1]。

近年來國際上對土地利用/覆被變化（LUCC）的研究進展迅速，成果日益成熟。其中，土地利用變化的環境和生態效應引起了國內外學界的廣泛關注。由于土地利用變化影響全社會凈初級生物物質產量，Wrbka等人用計算HANPP的方法將社會經濟系統的物質代謝行為與土地利用強度的變化聯系起來[2]。Helmut 和Karl-Heinz Helmut等人研究了奧地利土地利用方式變化對社會經濟系統物質代謝的關系，并應用土地利用方式的4種場景對2020年奧地利的社會經濟物質代謝進行了預測分析[3]。近年來，國內也有學者對該問題進行了研究，黃賢金等探討了區域土地利用變化對物質代謝變化的影響，指出區域土地利用方式、強度、格局的變化直接影響了整個社會經濟系統的物質代謝輸入輸出變化[4]。臺灣學者Chun-Lin Lee等人用物質流核算的方法分析了土地利用變化與社會經濟物質代謝的關系，并將GIS可視化應用到結果分析中，研究結果表明臺北都市區高度依賴不可再生能源的流動，同時表現出不可再生能源消耗的土地利用圈層結構[5]。本文以城市土地利用變化為研究核心，對土地數量與結構變化對物質資源流動的影響進行分析，并將土地利用效率與物質代謝效率之間的關系進行量化分析，以反映人類土地利用活動對自然資源、環境所造成的擾動，在此基礎上提出循環經濟型的土地利用方式與政策建議，有利于實現社會經濟在生態環境系統承載力范圍內良性運行。

2 研究方法

隨著學術界土地利用變化的研究成果日益豐富，其所引起的環境、生態效應的研究也日益增多[6-7]，物質代謝論作為分析人與自然相互作用過程中資源環境變化和相互影響的重要理論，目前已經廣泛應用于生態經濟、環境經濟以及城市規劃與管理等相關領域[8-10]。本文從社會物質資源代謝的視角展開研究，將城市作為一個不斷發展的有機體，剖析城市土地資源的利用和其所處的環境條件之間的關系，反映城市用地的演化對自然資源的攝取、存儲，以及對環境影響的綜合結果。

2.1 物質流分析方法

由于人類活動對周圍環境的影響在較大程度上取決于進入社會經濟系統的物質資源的數量和質量，以及向自然生態系統中排放的廢棄物數量與質量[11-12]，因此借助于物質流分析的方法[13-14]，本文構建物質代謝核算的指標體系如表1所示。

區域經濟系統的物質流動與代謝過程復雜，在本文的研究中以農業、工業、生活、交通和建設5個部門的物質流為計算基礎，通過辨識各部門的物質輸入、輸出的流動關系建立分析框架（圖1）。同時除了本區域社會經濟系統自身提供和消耗的物質之外，進出口物質（從本市地域以外的地區輸入或者輸出物質的過程）在區域內外的流動過程也構成了區域物質流的基本組成部分，為本區域的物質流動提供必要的補給并調出本區域多余的物質。整個系統的物質流動遵循物質平衡的原理，即輸入+進口=系統存量凈增+輸出+出口[15]。

表1 城市物質代謝核算指標體系Tab.1 Indexes of social metabolism

圖1 物質流動與代謝分析方法框架Fig.1 Frame of the material flow and metabolism analysis

2.2 典型相關分析法

作為分析兩組變量之間因果關系的多變量分析方法，典型相關分析通過找出兩組變量最佳結構的線性組合來最大化兩組變量之間的關系。在本文的研究中，城市土地利用變化與物質代謝變化兩組變量用于建立如下兩個典型方程：

式1中，χ1代表p個土地利用變化變量的一條線性組合，η1代表q個城市物質代謝變量的一條線性組合，典型線性相關的目的就在于通過對上述方程的加權系數（α11，α12，…，α1p，β11，β12，…，β1q）的估計，使兩條線性組合的相關程度（Rc1）最大化。在此之后仍然繼續重復上述步驟，進行第二對典型方程的估計，如式2所示。

通過不斷重復以上步驟，可以得到多組典型方程，且每組典型方程之間的典型相關程度Rc呈遞減趨勢，如式3所示。

式中，E為典型變量的數學期望，Sxx為變量組X的協方差矩陣，Syy為變量組Y的協方差矩陣，Sxy為變量組X與Y的互協方差矩陣。

3 案例研究與分析

3.1 研究區域與數據收集

上海優越的地理區位和良好的自然條件，為人類活動和土地利用的變化提供了有利的自然基礎，同時，大量的人類活動也對生態環境系統造成了一定程度的威脅[16]。因此本文選取上海市作為研究對象，能夠比較典型地代表中國快速城市化進程中土地利用變化特征[17]與物質代謝特征。

（1）土地利用數據。土地利用數據均來源于上海市歷年統計年鑒，由于部分統計數據不完善，僅2004年有按用地類型統計的建設用地面積數據。在此情況下，本文以2000—2012年上海市統計年鑒中的各類房屋分布數據為基礎進行分析：一般而言，相同類型房屋建筑，其相鄰兩年的容積率變化較小，因此在統計數據限制的情況下，考慮分別對各類房屋面積的年變化率進行分析，變化率是無量綱數據，且同種類房屋在相鄰年度的容積率相似，從而能夠在一定程度上反映該類型建設用地在相鄰兩個年度的變化情況。

各類用地產業空間經濟密度通過各產業增加值可比價格與其用地面積相除計算得到，其中，上海市第一產業用地面積數據用耕地面積代表，工業用地面積和商業用地面積考慮到容積率的影響，采用歷年統計年鑒中工廠和商場店鋪房屋建筑面積與其相應的容積率相乘得到（容積率的計算根據2004年統計年鑒中各類建設用地面積與房屋面積近似計算）；上海市各產業增加值分別來自上海市歷年統計年鑒中第一產業增加值、工業增加值和批發零售業增加值，并進行相應的GDP平減計算。

（2）物質代謝數據。從物質流動環節考慮，物質流分為物質輸入、輸出和存儲三個主要部分，具體包括：本地開采、進出口物質、存儲物質、污染排放、耗散性損失、平衡項以及隱藏流。對上述物質分類進行各部門原始數據收集，其中農業部門包括生物質的開采、工業產品的投入等指標，通過上海市統計年鑒直接獲得；工業部門主要工業產品生產材料輸入根據中國1995年物質型投入產出表進行核算估計得到，工業部門主要產品產出由上海市歷年統計年鑒直接得到；生活部門的歷年生物質和農業產品輸入由歷年城市居民家庭人均消費數量與當年人口數相乘得到總消耗量，生活耐用品輸入通過統計年鑒查得“年末百戶擁有量”指標，與年末戶數相乘并減去上年對應數值從而得到當年凈增量；建設部門將城市經濟系統輸入的物質轉化為城市物質存量，其輸入木材、鋼材、鋁材、 水泥、玻璃的數量由上海市歷年統計年鑒查得，其中2000—2003年的統計數據缺失，因此以各項指標2004年的單耗與當年房屋建筑施工面積近似估計消耗量，機磚的消耗量以房屋建筑平均單耗近似估計；交通部門各種運輸方式能源的消耗根據各種運輸方式的客運量與燃料單耗和換算系數[18]計算得到，各類交通工具擁有量通過統計年鑒查得并與上年數量相得到當年相減得到本年凈增量。

隱藏流的核算通過物質質量與隱藏流比率相乘得到。中國各類物質的隱藏流實測數據還很少，因而隱藏流比率通常采用德國烏博特研究所、歐盟生態經濟研究所和中國臺灣永續發展中提供的全球平均隱藏流比率。

3.2 城市土地利用變化及其物質代謝效應分析

3.2.1 上海市土地利用變化

（1）土地利用動態度。土地利用數量變化用動態度指標來表示，如式4所示，指在某個區域在某個時間段內某一種土地利用類型的用地數量變化情況，反映一定時間內某類型土地利用變化的數量和速度[19]。

式4中，K表示某種類型土地利用的動態度，Ua和Ub分別表示研究期起始時間點和研究期末時間點，T表示整個研究期。根據上海市2000—2012年的土地利用數據可以計算出各類建設用地和耕地變化動態度（表2）。

表2 上海市土地利用動態度變化情況Tab.2 The dynamic degree of land use in Shanghai

上海市居住用地、工業用地、倉儲用地、公共設施用地、道路用地和綠地變化2000—2004年增長率變動較為劇烈，相比之下其2004—2012年變化速度比較緩慢。從耕地變化動態度來看，兩個階段的耕地變化速度差距不大，都保持在每年以3.5%的平均速度持續減少。

（2）土地利用空間經濟密度。土地利用效率的變化用空間經濟密度來表示。本文分別以第一產業、工業和商業的空間經濟密度[20-21]來解釋幾種主要用地類型的用地效率，如式5所示：

式5中，K表示產業用地的空間經濟密度，Ga表示該類產業用地上的GDP增加值，M表示該類用地面積。上海市2000—2012年土地利用效率變化情況如圖2所示。

3.2.2 上海市物質代謝動態分析指標

圖2 上海市2000—2012年空間經濟密度分布情況Fig.2 Distribution of the spatial economic density in Shanghai （2000—2012）

（1）物質代謝通量：總輸入與總輸出。2000—2012年上海市直接物質輸入量和物質需求總量總體上均呈現出遞增的趨勢。2012年的直接物質輸入量和物質總需求分別達到2.94×108t和9.95×108t，是2000年的1.49倍和1.84倍，平均年遞增分別為800×104t和3787×104t，平均年增長率為4.04%和7.01%。在2004 年直接物質輸入量和物質總需求都有一峰值，分別達到3.32×108t和10.3×108t。

從總需求的組成來看，2000—2012年上海市直接物質輸入及市內隱流和市外隱流的平均規模從高到低排序依次為：市內隱流、直接物質輸入和市外隱流，近12年來上海市物質總需求中市內隱流所占的比重呈現出逐漸增大的趨勢，總量上平均約占上海市總需求的50%。該情況說明上海市在近10年的物質投入過程中，市內生產和生活對各種資源的需求對當地生態環境系統造成了較大壓力，資源、環境壓力比較突出。從上海市生產、消費等過程的排放總規模來看，2000—2012年上海市內經濟生產過程中排出量TMO總體呈現增加趨勢，且帶有明顯階段特征。市內生產排放規模從2000年的27111×104t，增加到2012年的60776×104t，約是2000年的2.25倍。其中，2000—2004年上海市TMO處于快速增加階段，年增速約16%，即每年以4367×104t的速度在增加；2004—2012年上海市生產過程排出量處于緩慢增加的波動階段，從2004年的44581×104t增加到2012年的60776×104t，年增長率約為4.5%，即每年以2024×104t的速度遞增，其中2007年和2009年的總排出量均有小幅下降。

（2）物質代謝效率：物質消耗強度與物質生產力。上海市的物質消耗強度變化趨勢與物質總需求十分相似，從2000年的32.93 t增加到2012年的51.02 t，并在2004年有峰值為59.16 t，年增長率為4.58%，明顯大于同期人口的年增長率1.6%。人均直接消耗強度變化趨勢與物質消耗強度相似，從2000年12.07 t增加到2012年14.11 t，并在2004年有一峰值為19.11 t。

自2000年以來，上海市的資源生產率總體呈上升趨勢，其中2002—2004年有小幅下降。2000年上海市的物質生產力為882.8元/t，2003 年為1289.74元/t，增長率達46.1%，年增長率為4.61%。物質生產效率的提高說明2000—2012年上海市經濟增長的速度超過物質消耗的速度，資源利用效率總體上得到提升。

3.2.3 土地利用數量變化的物質代謝效應 應用土地利用動態度指標與物質代謝通量指標進行典型相關建模，通過SPSS 13.0計算，第一對方程的典型相關值為0.997，表明上海市土地利用結構的變化在極大程度上正向影響了其物質代謝通量。從影響大小來看，倉儲用地和道路交通用地增長率的典型負荷量較大，分別為0.652和0.690，交叉負荷系數為0.668和0.599，如表3所示。該情況說明，近12年來上海市物質代謝狀態與土地利用結構變化的相關關系在很大程度上被倉儲和道路交通用地影響。從影響方向來看，居住用地、工業用地、倉儲用地、公共設施用地和道路交通用地促進了物質代謝通量的增長，而園林綠地和耕地的影響是起抑制作用的（載荷系數分別為-0.351和-0.073），且相比之下綠地的作用大于耕地的作用。

表3 用地數量變化的典型載荷系數表Tab.3 Canonical loading coefficients of land use change

3.2.4 土地利用效率的物質代謝效應 以土地利用效率指標與物質代謝效率指標構建模型，建立的兩組方程都通過了顯著性檢驗，相關系數分別為0.989和0.900，表明兩組變量之間關系密切，即土地利用效率的變化能夠清晰地解釋上海市物質代謝效率變化的規律。用地效率與物質代謝效率的統計分析結果如表4所示。從第一對典型變量來看，物質生產力受耕地經濟密度影響較大，呈現出較強的正相關，即農用地單位面積上的經濟活動效率和農地集約利用程度越高，上海市單位物質消耗所創造的GDP就越多。從第二對典型變量來看，物質消耗強度受工業用地的空間經濟密度和商業用地的空間經濟密度影響較大，呈負相關關系，城市工業用地和商業用地的集約程度和經濟效率越高，物質消耗強度越低，對生態環境造成的壓力越小。

表4 用地效率的典型載荷表Tab.4 Canonical loading coefficients of land use efficiency

4 結論

本文以物質代謝理論為基礎，將物質流分析方法與多元統計分析有機耦合，通過量化手段分析了城市土地利用變化的物質代謝效應，從物質資源流動的視角進行城市土地利用問題的研究，在一定程度上為解決城市土地利用與資源環境協調發展中的矛盾提供了有效方法，該研究有利于促進循環經濟型的土地利用，有利于人類社會的可持續發展與生態環境系統的健康發展。通過理論研究與上海市的實證分析，本文得出以下主要結論：

（1）物質代謝可以被看成是生態系統與人類社會經濟系統以生態服務為基礎的全社會物質流動所形成的系統過程，城市土地利用的變化通過改變物質資源的生產和存儲改變了社會物質代謝的狀態，從而影響人類社會物質資源的再生產、存儲、排放和出口，影響了城市和人類社會的可持續發展。

（2）從土地利用結構變化的物質代謝效應來看，城市土地利用結構的調整和優化是改善物質代謝通量過大以及生態環境污染的主要路徑之一。結合城市經濟發展特點和產業布局要求，增加抑制代謝通量的用地類型比例，減少代謝通量過大的用地類型比例，對城市各類用地的比例結構關系進行科學調整，從社會經濟運行與資源環境反饋這一層面入手，實現土地利用結構優化。

（3）從土地利用效率變化的代謝效應來看，提高城市土地利用效率能夠促進物質代謝效率的提高。在政策制定過程中，通過效率差距比較，結合城市經濟發展狀況、工業發展階段和農業發展模式，判斷用地潛在需求和效率改進空間，以代謝效率的提升為政策作用點，實現土地利用效率的提高和城市可持續發展。

由于受到統計資料的限制，本文在數據收集和整理過程中進行了一些近似估算，使個別數據的精準性受到一定的影響，如果能夠在統計數據的支持下進一步提高數據精度，將增強研究結論的可靠性。在本研究基礎上，值得進一步探索的問題是如何通過城市土地利用的調控提高物質代謝效率、促進物質代謝通量平衡，從而為土地利用規劃與管理部門提供科學的理論與方法參考。

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（本文責編：陳美景）

Urban Land Use Change and Its Effect of Social Metabolism: A Case Study of Shanghai City

CUI Xue-zhu, WANG Xue-tong
（College of Business Management, Guangzhou University, Guangzhou 510000, China）

The purpose of this study is to explore the relationship between urban land use change and the state of social metabolism under the perspective of environmental economy. Method of material flow analysis was employed to establish a metabolism accounting frame, which based on the logical relationship analysis and data tracking and collection among different social segments. It allows for the understanding of the material flow characteristics and resource use efficiency. And meanwhile, method of canonical correlation analysis was employed to establish an effect model to quantify the metabolism effect through the vector projection. The results indicate that 1） different level of increasing construction land can increase the metabolism amount in different degree; 2） efficiency of the urban industry land can influence the intensity and efficiency of the social metabolism. Conclusion of this study shows that quantity and efficiency of urban land has influenced the law of social metabolism, which would provide effective method for city planning and management government during the process of urbanization.

F301.2

A

1001-8158（2014）12-0039-08

2013-12-17

2014-11-10

廣東省哲學社會科學“十二五”規劃項目（GD14CGL02）。

崔雪竹（1982-），女，遼寧沈陽人，博士。主要研究方向為城市建設管理與土地利用。E-mail: cuixuezhu_598@163.com