基于環境評價的貴陽市土地開發利用優化

沈孝強, 吳次芳, 俞振寧, 羅文斌, 呂添貴

(1.浙江大學 公共管理學院, 浙江 杭州 310029; 2.湖南師范大學 旅游學院,湖南 長沙 410081; 3.江西財經大學 旅游與城市管理學院, 江西 南昌 330013)

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基于環境評價的貴陽市土地開發利用優化

沈孝強1, 吳次芳1, 俞振寧1, 羅文斌2, 呂添貴3

(1.浙江大學 公共管理學院, 浙江 杭州 310029; 2.湖南師范大學 旅游學院,湖南 長沙 410081; 3.江西財經大學 旅游與城市管理學院, 江西 南昌 330013)

[目的] 結合貴州省貴陽市環境承載力和環境承載量綜合評價貴陽市環境狀況，為優化土地開發利用提供依據。 [方法] 分別運用生態足跡理論和能值分析方法評價環境承載力和環境承載量，利用灰色預測模型模擬未來環境演化狀況。 [結果] 貴陽市環境承載力波動明顯，耕地和建設用地生物生產面積變化是主要驅動力；環境承載量快速上升，石油、電力等能源類和建材類、磷礦的能值消耗量大幅增加，廢氣成為污染物同化的主要壓力源。 [結論] 貴陽市當前未出現環境赤字，但根據預測結果，未來環境負荷將會超過環境承受能力閥值，危害區域生態環境安全。需要采取策略優化貴陽市土地開發利用，以避免出現環境赤字，促進可持續發展。

環境承載力; 環境承載量; 土地利用; 貴陽市

文獻參數： 沈孝強, 吳次芳, 俞振寧, 等.基于環境評價的貴陽市土地開發利用優化[J].水土保持通報，2016,36(4)：97-102.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.017

人地關系地域系統理論認為，區域是人類活動和地理環境兩個子系統通過物質流、能量流和信息流之間相互耦合形成的復雜開放巨系統[1]。在人地系統相互作用過程中，必須保證地理環境對人類活動的可容忍度，使人地長期共存[2]。土地利用是人地關系的核心[3]。如何根據人地關系作用機制調整土地利用方式，以滿足人類社會和環境安全需要，成為廣泛關注的議題。已有研究主要集中于土地利用的外部性問題[4]，如何從環境系統本身出發選擇合理土地利用方式的研究較少。而后者更有利于規避環境風險，特別是對于生態脆弱區，一些人類活動的破壞性作用往往是不可逆的，有必要事先根據環境特點確定土地開發利用策略[5]。

貴州省貴陽市地處我國西南生態脆弱區，環境系統的抗干擾能力和恢復能力較差[6]。在快速工業化、城市化和耕地占補平衡的刺激下，該市正經歷大規模土地開發利用活動，主要表現為建設用地快速擴張和耕地大量轉用與開發。根據該市土地變更調查數據：2013年該市城鎮工礦用地33 930 hm2，較2005年增長近60.0%；2005年以來因建設等占用耕地14 845 hm2，通過土地整治等新增耕地5 345 hm2，合計凈減9 500 hm2。土地利用/覆被急劇變化的環境影響令人擔憂。另一方面，貴州省是我國最貧困的省份之一。如何化解發展與保護之間的矛盾是當地面臨的重要現實難題。本研究以貴陽市為例，從環境評價入手，探討土地利用優化措施，為建立可持續的人地關系提供借鑒。

1　研究方法和數據來源

為全面衡量環境狀況，本研究區分了環境承載力和環境承載量，定義了環境赤字。環境承載力是指區域環境所能承受人類活動規模和強度的閥值[7]。環境承載量，即環境負荷，指環境系統實際承受的人類活動規模與強度。當環境承載量大于承載力時，便產生環境赤字，意味著環境負荷超出環境系統容忍度，威脅地區可持續發展。當前已有大量環境定量評價方法[7]，但單一方法往往只適用于評價環境承載力或承載量，不能全面反映區域人類活動與環境容量之間的關系。因此，有必要對不同方法進行結合運用[8]。在各評價方法中，能值理論通過能值轉化率能夠實現人地子系統不同量綱能流、物流、信息流的統一度量，被廣泛應用于量化各種空間尺度的環境負荷[9]。生態足跡理論通過生物生產面積表征區域環境承載力，是評價環境承載力的常用方法[10]。現有研究表明，通過相應轉化方法能夠統一基于生態足跡的環境承載力和基于能值理論的環境承載量的度量單位，在此基礎上可以進行比較分析，綜合反映地區環境狀況，比如，Siche等[8]指出分別以生態足跡和能值理論計算的環境承載力和環境負荷進行對比分析，比在采用其他環境評價方法基礎上的對比研究更加科學可靠；張子龍等[1]基于生態足跡和能值理論對比分析了甘肅省的環境承載力與承載量；Agostinho與Pereira[11]，Dang等[12]采用類似方法分別綜合評價了玉米生產和環境修復項目的環境影響；還有一些研究[13]首先將能值理論融入生態足跡，在此基礎上評價環境承載力與承載量。

1.1基于生態足跡的環境承載力評價

根據生態足跡理論，生物生產面積的計算公式為：

SFT=∑Aj·Rj·Yj

(1)

式中：j——第j類土地，一般有耕地、林地、草地、水域、建設用地和礦石能源用地等6類;A——某類地的面積;R——均衡因子，使不同類型用地生物生產面積具有可比性;Y——產量因子，使不同區域同一用地類型的生物生產面積具有可比性。SFT——通過生物生產面積衡量的環境承載力，一般扣除12.0%作為生物多樣性保護面積。

1.2基于能值理論的環境承載量評價

環境承載量由資源供給和污染同化兩方面構成。資源供給能力取決于區域環境系統所擁有的資源總量。根據熱力學定律，環境系統利用太陽能等可更新資源同化污染物，當這一過程所需的資源超過低熵資源更新速度時，同化能力達到上限。換言之，可以通過地區可更新資源稟賦衡量環境系統污染物同化能力[1]。從能值角度，“資源供給量”就是環境向人類社會輸出的能值量，“污染同化量”就是環境吸納人類污染物的能值量。為了與環境承載力具有可比性，將環境承載量轉化為環境支撐人類活動所需的土地面積。計算公式為：

S=S1+S2

(2)

S1=(EmN+EmIM+EmRC)/EmD

(3)

S2=EmW/EmDR

(4)

式中：S——代維持區域環境負荷所需土地面積;S1——區域環境提供資源所需土地面積;S2——同化污染物所需土地面積; EmN——不可更新資源能值消耗量; EmRC——可更新資源能值消耗量; EmIM——進口能值，等于進口總額乘以單位貨幣能值量; EmN+EmIM+EmRC——一個地區能值總消耗量; EmD——能值密度，等于環境系統能值總量除以區域土地面積; EmW——人類排放廢棄物的能值； EmDR——可更新資源能值密度，等于區域可更新能值總量除以土地面積。

1.3數據來源

各類用地數據來自貴陽市土地變更調查。按生態足跡的要求，林地包括變更調查土地分類中的園地和林地，草地指牧草地，水域包括水庫水面、河流水面、湖泊水面、養殖水面和坑塘水面，礦石能源用地采用獨立工礦用地數據，建設用地面積為建設用地總量扣除獨立工礦用地后的面積。各類不可更新資源消耗量、污染物排放量、進出口、降水量、日照數等能值的原始數據及糧食產量來自貴陽市統計年鑒。各類資源儲量能值2009年的原始數據來自《貴陽市礦產資源總體規劃2010—2015年》，其余年份原始數據則由統計年鑒中相應年份該礦產資源的消耗量以2009年為基推算而來。可更新資源能值是在貴陽市國土總面積的基礎上根據相關公式計算而來，計算方法詳見文獻[16]。其中，太陽輻射能、雨水勢能與化學能波動分別由年日照時數和降水量變化造成，其他可更新資源能值不發生年際變化。上述資料中，統計年鑒由貴陽市統計局提供，其他數據由貴陽市國土局提供。

各種資源、污染物、進出口的能值轉化率詳見參考文獻[14-16]。均衡因子和產量因子(除耕地外)取自貴州省平均值，耕地2009年的產量因子由當年全國耕地產量因子根據貴陽市糧食每1 hm2產量水平與全國平均水平比值作調整，其余年份根據糧食單位面積產量以2009年為基進行調整。

2　研究結果

2.1環境承載力

表1顯示，研究區各年份環境承載力均在1.19×106hm2以上，總體呈現“兩頭低，中間高”的特點，由2005年1.24×106hm2，升至2010年1.38×106hm2，增長12.1%；隨后又減至2013年1.19×106hm2，分別是2010年的86.0%，2005年的96.5%。全市生物生產面積的年均變化率為-0.4%，說明環境承載力基本趨于穩定。但2010年以來下降比較明顯。耕地、林地和建設用地是最重要的生物生產面積來源，而其他3種用地的貢獻率不足1.0%。

2005年以來，貴陽市耕地總量凈減9 500 hm2，其產量因子從0.95減至0.69，造成耕地生物生產面積從7.35×105hm2降為5.12×106hm2，是環境承載力最主要的下行壓力源。建設占用是耕地總量下降的首要原因，占耕地減少量的近75.0%；而自然災害、“占優補劣”是耕地單位面積生產能力下降的重要原因。

貴陽市建設用地持續擴張，從4.57×104hm2增至7.00×104hm2，且較其他用地具有最高的均衡因子和產量因子，促使其貢獻的生物生產面積增長53.2%，是研究區最重要的環境承載力增長源。此外，貴陽市2013年林地面積為3.50×105hm2，形成生物生產面積3.50×105hm2，較2005年增長24.2%。林地成為貴陽市生物生產面積的第二大來源，比重從期初22.8%上升至期末29.4%；是僅次于建設用地的環境承載力增長源。

表1　貴陽市2005-2013年環境承載力及其構成　hm2

2.2環境承載量

2.2.1貴陽市各類能值統計由表2可知，研究區可更新資源供給量比較穩定，其小幅波動主要由降水量和日照時數的年際變化引起。不可更新資源能值消耗量快速上升，2013年達2.66×1023sej，是2005年的2.3倍，快速侵蝕著環境系統的資源稟賦。不可更新資源儲量由期初3.27×1024sej降為期末2.59×1024sej，減少20.8%。以占貴陽市不可更新資源能值儲量1/2以上的磷礦為例，可開采量已由2.41×1024sej減至1.40×1024sej。剩余量按2005—2013年的年均消耗量，僅可維持15 a；按2013開采量計，可支撐不足10 a。在能源類不可更新資源能值消耗結構中，電力、煤炭和石油消費量最多。2005年以來，除了氣類能源消耗有所下降外，其余能源消耗均顯著上升，石油以21.1%的年均增速一躍超過煤炭成為最重要的能源之一。非能源類中，磷礦、水泥、鋁、鋼材和有色金屬是主要消耗品。磷礦的消耗量一直占貴陽市能值總消耗量的1/2以上。水泥消耗量從6.60×1021sej猛增至2.60×1022sej，鋼材消耗量的年均增幅也超過10.0%，體現了建設用地擴張對建材消費的拉動作用。貴陽市污染物能值排放呈波動下降的趨勢，且發生了顯著的結構性變化：固體廢棄物能值排放量下降了91.1%，占污染物排放總能值的比例從50.6%降至5.8%；廢氣和廢水的能值排放量波動上升，2013年分別占污染物能值排放總量的49.7%和44.4%，成為最主要的污染物能值源。

表2　貴陽市2005-2013年各類能值統計　1020 sej

2.2.2貴陽市環境承載量分析環境承載量(S)，包括環境系統供給資源所需的土地面積(S1)和同化污染物所需土地面積(S2)，結果如圖1所示。由圖1可知，區域環境系統的環境負荷主要來自同化人類社會排放的污染物，其所占比重維持在75.0%以上，并成為S變化的主要驅動力，呈現“先增后減再增”的變化特點，并均在2007，2012年出現極大值。廢氣排放量大幅增加，廢固排放量反彈是2007年S2增至4.55×105hm2，S增至5.03×106hm2的原因；廢氣、廢水能值排放量的劇烈上升導致2012年S2，S快速上漲。與S2，S的波動情形不同，S1保持穩定快速上升，2013年達到8.83×108hm2，是2005年的2.7倍，年均增幅13.2%。S1占S的比例已由期初7.2%上升至21.0%，說明人類社會的不可更新資源索取正成為當地環境系統十分顯著的壓力源。

圖1　貴陽市2005-2013年環境承載量及其構成

2.3環境承載量與承載力對比分析與預測

表3顯示，環境系統維系資源供給和污染同化所需的土地面積一直保持在環境系統所能承受閥值范圍內，未出現環境赤字。但2009年以來，環境承載量與環境承載力的比值快速增大，5 a間從不足1/4上升到超過1/3。為進一步分析未來環境狀況，本研究對S1，S2，SFT(環境承載力)進行預測。S2，SFT的波動性使回歸估計效果不能令人滿意。灰色預測方法可以從少數、雜亂的數據中找出規律性。故采用GM(1，1)進行模擬研究。經檢驗，各列數據符合級比檢驗的要求。對S2進行預測時，發現平均相對誤差超過10.0%。去掉前兩年數據后，平均相對誤差降為8.6%。灰色預測對樣本數要求較低，因此S2的預測以2007—2013年為觀測數據。相應時間序列和平均相對誤差s為：

S1(k+1)=2.07×105×e(0.148 184k)-

1.75×105(s=7.3%)

S2(k+1)=2.60×107×e(0.012 369k)-

2.56×107(s=8.6%)

SFT(k+1)=-2.35×108×e(-0.005 409k)+

2.367×108(s=5.4%)

由表4可得，S1仍將快速上漲，并在2026年超過S2成為研究區最主要的環境負荷；S2穩定上升，年均增幅為1.2%；SFT以0.5%的速度緩慢遞減。在S1的驅動下，研究區將在2030年出現環境赤字。因此，需采取措施扭轉當前的不良發展態勢。

表3　貴陽市2005-2013年環境承載量與環境承載力比值

表4　貴陽市2014-2030年環境狀況預測結果　hm2

注：S1，S2，SFT分別為環境系統供給資源所需的土地面積、同化污染物所需土地面積和環境承載力。

3　貴陽市土地開發利用優化策略

3.1加強優質耕地保護，改善農業生產條件

耕地具有較高的均衡因子和產量因子，是貴陽市生物生產面積最重要的來源。耕地生物生產面積不斷下降，是環境承載力下行的主要驅動力。由兩方面原因造成： (1) 貴陽市近75.0%的新增建設用地由耕地轉用而來，導致耕地總量特別是優質耕地不斷減少； (2) 農業基礎設施薄弱，嚴重制約耕地生產能力的提高。應加強保護優質耕地和改造中低產田，改善農業生產條件，有利于保障單位面積耕地產出能力，穩定區域環境承載力。

3.2合理增加建設用地規模，促進城市理性增長

建設用地是研究區單位面積產生生物生產面積最高的用地類型，適當增加建設用地規模可以提高環境承載力。但建設用地擴張會侵占耕地等其他用地，從而減少這些用地的生物生產面積。此外，對2005—2013年貴陽市建設用地規模與鋁、鋼材、水泥等建材類能值消耗總量進行Pearson相關性檢驗發現，二者在0.01水平上存在顯著相關性，相關系數達0.951。另外，2012年建筑業電力消費量近1.50×109kW，是2007年的5.6倍。說明大規模建設用地擴張會消耗大量建材、能源等不可更新資源，加大區域環境負荷。從用地效率看，以貴陽市中心城區為例，土地城鎮化顯著快于人口城鎮化，表明研究區存在一定程度的城市蔓延現象。因此，應當合理擴大建設用地規模，同時加強低效用地再開發，提高產量因子，兼顧改善環境承載力和控制環境負荷。

3.3開展土地混合利用，發展公共交通

2005—2013年貴陽市城鎮工礦用地增長近60.0%，但據統計年鑒，2012年公共汽車保有量較2005年僅增加126輛，增長5.8%，體現當地公共交通發展的嚴重滯后。汽車尾氣排放量大幅增加，使廢氣成為最重要的污染物能值來源。這表明過度依賴小汽車，會同時顯著增加環境系統的資源供給壓力和污染同化壓力。土地混合利用具有較少的戶均汽車占有量、更高的公交使用率和自行車、步行出行率等優點。在城市用地擴張和再開發過程中，應打破當前貴陽市建成區過度分區化的局面，適當將產業、居住、公共服務等用地進行混合布局，形成完整生活單元，減少通勤；同時，大力發展公共交通，減少交通能源消耗和環境污染。

3.4實施未利用地和劣等地的綜合開發

根據土地變更調查和農用地分等定級數據，貴陽市有未利用地近100 000 hm2，農用地大部分屬于9等地以上的劣等地。受制于多種不利因素，這些土地生產能力低，傳統的農業開發利用方式往往無法取得良好經濟效益，同時帶來很高的環境風險。根據貴陽市國土局統計，該市水土流失面積占土地總面的32.6%，其中中度以上流失面積占43.9%，多發于坡耕地和未利用地。對于這些劣等地，應當改變傳統的單一利用方式，根據條件進行綜合開發利用。

4　結 論

利用能值和生態足跡理論，結合環境承載力、環境承載量和環境赤字可以綜合評價區域環境狀況，量化人類社會資源索取和污染排放造成的環境負擔和本地環境系統對人類活動的容量上限，為優化土地開發利用提供參考，有效避免土地利用外部性對環境系統造成的不可逆性破壞作用。貴陽市的環境承載力趨于穩定。耕地總量下降是環境承載力下降的主要壓力源，而建設用地和林地生物生產性面積增加有效緩解了耕地減少的下拉作用。但建設用地擴張侵占大量耕地，導致建筑用電、鋼材、水泥等能值消耗迅速增長，對環境承載力和負荷產生負面影響。另一方面，貴陽市環境負荷快速上升，石油、電力、建材類、磷礦消耗量和廢氣排放量大幅增加是主要驅動力，預計將在2030年前后出現環境赤字。

從土地開發利用的角度，可以通過保護優質耕地和改善農業基礎設施，合理增加建設用地規模，促進土地混合利用和公共交通建設，未利用地和劣等地的綜合開發等手段提高環境承載力、降低環境負荷，促進地區可持續發展。

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Optimizing Land Use for Guiyang City Based on Environmental Assessment

SHEN Xiaoqiang1, WU Cifang1, YU Zhenning1, LUO Wenbin2, Lü Tiangui3

(1.SchoolofPublicAdministration,ZhejiangUniversity,Hangzhou,Zhejiang310029,China;2.CollegeofTourism,HunanNormalUniversity,Changsha,Hu’nan410081,China; 3.SchoolofTourismandUrbanManagement,JiangxiUniversityofFinanceandEconomics,Nanchang,Jiangxi330013,China)

[Objective] The environmental situation of Guiyang City of Guizhou Province was comprehensively assessed to provide guidance for optimizing land use. [Methods] Ecological footprint and energy theory were used respectively to quantify environmental carrying capacity(ECC) and environmental load, both of which were stimulated by Grey model for the changing tendency in near future. [Results] ECC fluctuated noticeably since 2005 which was predominantly driven by the variation of arable land and construction land. In contrast, environmental load increased stably and quickly, which was mainly caused by the significant expansion of consumptions of petroleum, electric power, building materials and phosphate, and by the ever growing emission of exhaust gas. [Conclusion] Environmental load has been below ECC so for, but environmental deficit would come according to the prediction. Measurements that tailored to the main influence factors of ECC and environmental load should be taken to avoid environmental deficit and to facilitating local sustainable development.

environmental carrying capacity; environmental load; land use; Guiyang City

2015-09-23

2015-11-01

國家社會科學基金重點項目“促進區域協調發展的差別化土地調控政策研究”(13AZD012); 國家自然科學基金項目“農村土地整理的治理績效測度、行為過程機理及政策仿真研究”(41301629)

沈孝強(1988—),男(漢族),浙江省桐鄉市人,博士研究生,研究方向為土地利用管理。E-mail:shenxq0904@126.com。

B

1000-288X(2016)04-0097-06

F327