基于GIS與均方差決策法的山區(qū)縣域資源環(huán)境承載力評價

歐弢++張述清++甘淑++楊焰++廖順寬++馬石林++徐徐

摘要：以典型貧困山區(qū)縣云南省永德縣為例，采用研究區(qū)土地利用總體規(guī)劃成果與相關(guān)資源環(huán)境資料對山區(qū)縣域的土地資源、水資源、地質(zhì)環(huán)境以及生態(tài)環(huán)境等進行了多方面的單要素承載力分析，并基于空間關(guān)聯(lián)建立綜合評價體系，采用均方差決策法確定綜合承載力權(quán)重，借助GIS空間分析技術(shù)計算區(qū)域資源環(huán)境綜合承載力。結(jié)果表明，2013年永德縣綜合承載力為0.517 2。依據(jù)土地利用總體規(guī)劃成果和人口發(fā)展預(yù)測出2020年綜合承載力為0.509 8，較2013年有所下降，但仍處于中級承載力水平。總的來說，永德縣全縣整體承載能力較好，但烏木龍鄉(xiāng)承載力為低級，承載形勢嚴峻。

關(guān)鍵詞：資源環(huán)境承載力；GIS；均方差決策法；永德縣

中圖分類號：F205；F301.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）03-0454-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.03.014

Assessment of Regional Carrying Capacity of Resources and Environment at Mountain County Area Based on GIS and Mean Square Difference Method

OU Tao1， ZHANG Shu-qing2， GAN Shu1， YANG Yan2， LIAO Shun-kuan2， MA Shi-lin2， XU Xu3

（1. Institute of Land and Resources Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650093， China；

2.Yunnan Institute of Land Resource Program and Design， Kunming 650216， China；3.Geophysical and Geochemical Prospecting Team of Yunnan Geology and Mineral Exploration and Development Bureau，Kunming 652100，China）

Abstract： Taking Yongde county of Yunnan province as study area， which is a typical poor mountainous area， the single factor carrying capacity of land resources， water resources， geological environment and ecological environment and so on in mountain area were analyzed based on the overall land use planning results and related resources and environment information. A comprehensive evaluation system was established based on the spatial correlation， the weight of bearing capacity was determined by the method of mean square deviation， and the comprehensive carrying capacity of regional resources and environment was calculated with the GIS spatial analysis technology. The results showed that， the comprehensive carrying capacity of Yongde county was 0.517 2 in 2013， and would be 0.509 8 in 2020 according to the land use overall planning results and population development， compared with the 2013， it was decline， but it would be still in the middle level of bearing capacity. In general， the carrying capacity of resources and environment of Yongde county was good， except Wumulong township， its carrying capacity of resources and environment was low level， and the situation was grim.

Key words： carrying capacity of resource and environment； GIS； mean square difference method； Yongde county

資源與環(huán)境是人類社會存在與發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著人口增長和社會經(jīng)濟發(fā)展，人類與資源供應(yīng)及環(huán)境的矛盾日益突出。對資源環(huán)境承載力的合理評估是避免發(fā)展中的資源環(huán)境問題，保證可持續(xù)發(fā)展的前提[1]。因此，科學(xué)合理評價區(qū)域資源環(huán)境承載力對于區(qū)域發(fā)展具有重要意義。

資源環(huán)境承載力指在維持人地關(guān)系協(xié)調(diào)可持續(xù)的前提下，一定區(qū)域內(nèi)的資源環(huán)境條件對人類生產(chǎn)生活的功能適宜程度及規(guī)模保障程度[2]，它是一個反映經(jīng)濟社會總量的綜合能力指標，需對區(qū)域內(nèi)資源、環(huán)境以及人口進行分析，建立綜合評價的指標體系。而科學(xué)的評價指標選取及指標權(quán)重確定對于科學(xué)客觀評價區(qū)域資源環(huán)境承載力至關(guān)重要。現(xiàn)階段國內(nèi)外對資源環(huán)境承載力的研究多集中于城市、土地資源、水資源、水環(huán)境、大氣環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境等方面[3-9]，而貧困山區(qū)縣域的資源環(huán)境承載力評價缺乏以單要素承載力評價結(jié)果的綜合評價。

鑒于此，本研究以云南省永德縣為例，基于GIS空間分析技術(shù)支持，以土地利用總體規(guī)劃成果為基礎(chǔ)，以行政區(qū)為評價單元，分別從土地資源、水資源、地質(zhì)環(huán)境以及生態(tài)環(huán)境方面進行單要素承載力評價；并對單要素承載力評價的結(jié)果進行無量綱化處理，采用均方差決策分析法分別計算和預(yù)估了研究區(qū)2013年和2020年的綜合承載力，通過數(shù)據(jù)對比分析各行政單元單要素及綜合承載力，旨在為目前正在開展的土地利用總體規(guī)劃調(diào)整及區(qū)域資源環(huán)境承載力評價體系構(gòu)建提供參考。

1 研究區(qū)概況

永德縣位于云南省臨滄市西北部，介于東經(jīng)99°05′-99°50′、北緯23°45′-24°27′之間。現(xiàn)轄3個鎮(zhèn)、5個鄉(xiāng)、2個民族鄉(xiāng)，118個村委會、1 633個村民小組，2013年全縣總?cè)丝跒?5.42萬人。永德縣為國家級貧困縣，氣候總體屬南亞熱帶與北亞熱帶交匯的河谷季風(fēng)氣候。縣內(nèi)山多壩少，山地面積占95%，地質(zhì)環(huán)境相對破碎，自然資源豐富，但開發(fā)利用能力不高。

2 評價方法與結(jié)果

2.1 數(shù)據(jù)收集

本研究所使用的數(shù)據(jù)包括土地利用及規(guī)劃數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)等。土地利用及規(guī)劃數(shù)據(jù)主要為永德縣2013年土地利用變更數(shù)據(jù)庫、2020年土地利用總體規(guī)劃數(shù)據(jù)庫；統(tǒng)計數(shù)據(jù)主要來源于永德縣統(tǒng)計年鑒和現(xiàn)有的資料收集和整理。

2.2 單要素評價分析

資源承載力必須與區(qū)域可承載的人口相結(jié)合。資源承載力是指在可以預(yù)見的時期內(nèi)，利用本地的能源和其他資源以及智力、技術(shù)等，在保證與其社會文化準則相符的物質(zhì)生活水平下能夠持續(xù)供養(yǎng)的人口數(shù)量。資源承載力的研究主要集中于土地和水資源兩個方面[10]，本研究從土地和水資源方面對資源承載力進行評價。利用永德縣2013年末的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和2020年的規(guī)劃數(shù)據(jù)，與人口數(shù)據(jù)進行承載力評價，得出土地資源與人口現(xiàn)狀的供需關(guān)系。

環(huán)境承載力是指在一定的時期和一定區(qū)域范圍內(nèi)，在維持區(qū)域環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不發(fā)生質(zhì)的改變，區(qū)域環(huán)境功能不朝惡性方向轉(zhuǎn)變的條件下，區(qū)域環(huán)境系統(tǒng)所能承受的人類各種社會經(jīng)濟活動的能力[11]。永德縣的地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境較為破碎，在未來一段時間內(nèi)并不會有較大變化，故預(yù)測至2020年環(huán)境承載力與2013年保持不變。

2.2.1 土地資源承載力

1）耕地資源人口承載力。耕地資源人口承載力主要反映區(qū)域土地、糧食與人口的關(guān)系，利用耕地的面積計算糧食產(chǎn)量可預(yù)測區(qū)域可承載的人口數(shù)量，與現(xiàn)狀人口數(shù)量進行比較，評價出區(qū)域的承載力。相應(yīng)計算過程與公式：糧食產(chǎn)量=耕地面積×糧食播種面積比例×單產(chǎn)×復(fù)種指數(shù)，耕地可承載人口=糧食產(chǎn)量/人均需求量，耕地人口承載力=耕地可承載人口/人口規(guī)模。

根據(jù)永德縣歷年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2013年糧食單產(chǎn)為178.6 kg/667 m2，糧食播種面積為71.65%，復(fù)種指數(shù)為196.5%。相關(guān)研究表明，人均糧食370 kg是一個明顯的界限，達到這個水平，就能夠基本滿足目前的食品消費需要，為確保糧食安全，須保障每年人均400 kg的糧食消費水平[12]。

利用2020年規(guī)劃的耕地面積進行糧食產(chǎn)量的預(yù)測，考慮到技術(shù)的革新和社會的進步，糧食播種面積比例、單產(chǎn)和復(fù)種指數(shù)均有所提高，假設(shè)糧食播種面積比例增加到75%，單產(chǎn)增加到190.3 kg/667 m2，復(fù)種指數(shù)為200%，而人均需求量也相應(yīng)增加到420 kg。其承載力結(jié)果如表1所示。

2）城鎮(zhèn)生活空間。城鎮(zhèn)建設(shè)用地空間根據(jù)建制鎮(zhèn)的面積與人均用地標準來推算可承載人口，其計算方式為：建制鎮(zhèn)可承載人口=建制鎮(zhèn)面積/城鎮(zhèn)建設(shè)用地標準，建制鎮(zhèn)人口承載力=建制鎮(zhèn)可承載人口/城鎮(zhèn)人口。研究區(qū)只有德黨、永康和小勐統(tǒng)3個建制鎮(zhèn)，鎮(zhèn)規(guī)劃人均建設(shè)用地保持為90 m2。其承載力如表1所示。

3）農(nóng)村生活空間。農(nóng)村生活空間根據(jù)農(nóng)村居民點面積和人均用地標準來推算可承載人口，其計算方式為：農(nóng)村可承載人口=農(nóng)村居民點面積/農(nóng)村人均用地標準，農(nóng)村居民點人口承載力=農(nóng)村可承載人口/農(nóng)村人口。農(nóng)村居民點人口承載力評價涉及全縣10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，農(nóng)村居民點人均用地不應(yīng)超過150 m2；其承載力如表1所示。

2.2.2 水資源承載力 本研究采用區(qū)域人均水資源量來衡量。國際公認的人均水資源標準為1 750 m3，依據(jù)永德縣志水資源分區(qū)與分區(qū)人口計算人均水資源量，再計算出水資源承載力如表1所示。 計算方式為：人均水資源量=區(qū)域水資源量/區(qū)域總?cè)丝冢Y源承載力=人均水資源量/國際人均用水標準。

2.2.3 地質(zhì)環(huán)境承載力 通過對坡度和海拔的分級評價適宜人類開發(fā)的程度，海拔越高，越不適宜人類居住，土地開發(fā)利用率越低；地形坡度越大，土地開發(fā)利用難度越大，開發(fā)成本也相應(yīng)提高，且過于陡峭的地形容易發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。通過坡度和海拔的分級與面積比例計算出各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的承載力等級。其中，坡度與海拔的計算公式為：坡度=∑（坡度等級值×面積比例）；海拔=∑（海拔等級值×面積比例）。

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性主要表現(xiàn)為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻率和程度，通過地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的高低來確定區(qū)域的發(fā)展方向。根據(jù)永德縣地質(zhì)災(zāi)害與區(qū)劃報告獲取地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分區(qū)，同樣通過地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)等級范圍和面積比例計算出鄉(xiāng)鎮(zhèn)承載力等級。計算公式為：地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性=∑（地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性等級值×面積比例）。

結(jié)合永德縣土地現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)和地質(zhì)災(zāi)害普查數(shù)據(jù)，采用3D分析的方法構(gòu)建海拔和坡度的分級。結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)，將坡度、海拔和地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分為表2中的4個等級，并按面積比例計算到各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

2.2.4 水土流失強度 研究區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境問題主要是水土流失，全縣的水土流失面積為1 370.7 km2，占全縣總面積的42.7%，其中，強度流失面積為127.8 km2，中度流失面積為579.1 km2，輕度流失面積為663.8 km2。水土流失強度較大主要是由于坡度較大，且雨季降水量較大時對地表的沖刷造成的。我國水土流失強度分類分級標準實際上是用土壤侵蝕強度分類分級標準來代替的[13]。研究區(qū)位于西南土石山區(qū)，是以水力侵蝕為主的類型區(qū)，其水力侵蝕強度分級如表3所示。

采用各級水力侵蝕強度等級范圍的中間值計算出各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤侵蝕模數(shù)，其計算方式為：區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)=∑（強度分級中值×面積比例），水土流失強度=區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)/區(qū)域容許土壤流失量。

地區(qū)是否產(chǎn)生水土流失的標準是容許土壤流失量[14]。根據(jù)《土壤侵蝕分級分類標準》中西南土石山區(qū)的容許土壤流失量為500 t/（km2·年）[15]；土壤流失量在500 t/（km2·年）以下的為微度流失，不計入計算。按以上方法計算出水土流失強度如表4所示。

2.3 綜合承載力計算方法

2.3.1 評價指標體系構(gòu)建 資源環(huán)境承載力評價指標體系的構(gòu)建需在資源方面和環(huán)境方面單要素評價的基礎(chǔ)上，建立綜合承載力的指標評價體系。根據(jù)永德縣的實際情況，綜合評價需選取土地資源和水資源、地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境進行資源環(huán)境的綜合評價；土地資源分為耕地資源和城鎮(zhèn)生活空間和農(nóng)村生活空間，水資源采用人均水資源量進行計算，地質(zhì)環(huán)境包含了高程、坡度和地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價，生態(tài)環(huán)境以水土流失強度為評價指標。

各單因素承載力評價結(jié)果具有不同的量綱和量綱單位，為了消除不同指標量綱單位及數(shù)量級間的差異造成的影響，在進行綜合評價之前，采用極差變換法對單要素承載力的結(jié)果進行標準化處理[16]。

2.3.2 指標權(quán)重確定 綜合主觀和客觀賦權(quán)的優(yōu)缺點，均方差方法具有計算簡便、涵義明顯等特點[17]。本研究采用均方差決策法確定各單要素指標的權(quán)重，該方法是反映隨機變量離散程度最常用的指標。其計算步驟為：

1）求隨機變量的均值。

E（Gi）=■■Zij

2）求得均方差。

？滓（Gi）=■

3）求得權(quán)系數(shù)。

Wj=■

式中，E（Gi）為Gi各指標的均值，？滓（Gi）為其均方差，Wj為第j項評價指標的權(quán)重，Zij表示無量綱化的第i個評價因素第j項指標的標準化值。

按照均方差決策法計算出單要素承載力的權(quán)重，結(jié)果如表5所示。

2.3.3 綜合承載力計算結(jié)果 將各單因素承載力標準化后的評價結(jié)果與其權(quán)重相乘，并求和，即得到綜合承載力的指數(shù)值。計算公式為；

Ei（W）=■（Zij×Wj）

式中，Ei（W）表示綜合承載力的指數(shù)。

為了更明確地評價最終的國土資源環(huán)境綜合承載力，參照相關(guān)研究資料，確定評價等級分值在0～1（表6），評價分值越高，表明資源環(huán)境承載力越大[18]。

以行政區(qū)為評價單元，利用標準化后的數(shù)據(jù)計算永德縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)2013年及2020年資源環(huán)境綜合承載力，結(jié)果如圖1所示。2013年永德縣綜合承載力為0.517 2。依據(jù)土地利用總體規(guī)劃成果和人口發(fā)展預(yù)測出2020年綜合承載力為0.509 8，較2013年有所下降，但仍處于中級承載力水平。其中，承載力最高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為永康鎮(zhèn)，最低的為烏木龍鄉(xiāng)。按照分級標準，永德縣內(nèi)各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中并沒有高級承載力的地區(qū)。其中，資源環(huán)境承載力較高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有小勐統(tǒng)鎮(zhèn)和永康鎮(zhèn)；資源環(huán)境承載力為中級的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有德黨鎮(zhèn)、大雪山鄉(xiāng)、崇崗鄉(xiāng)；資源環(huán)境承載力較低的為勐板鄉(xiāng)、亞練鄉(xiāng)、班卡鄉(xiāng)和大山鄉(xiāng)；資源環(huán)境承載力低的是烏木龍鄉(xiāng)。

3 結(jié)論

1）依據(jù)綜合承載力的結(jié)果，綜合承載力較高的2個鄉(xiāng)鎮(zhèn)小勐統(tǒng)鎮(zhèn)和永康鎮(zhèn)都是永德縣最主要的糧食生產(chǎn)地區(qū)，在保護耕地的前提下還有較大的建設(shè)開發(fā)空間，小勐統(tǒng)鎮(zhèn)由于在2013年有較大的農(nóng)村人口轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)人口，故城鎮(zhèn)生活空間的承載形式較為嚴峻，故需要在調(diào)整完善中對建制鎮(zhèn)和農(nóng)村居民點之間進行結(jié)構(gòu)調(diào)整。

2）處于資源環(huán)境承載力中級的德黨鎮(zhèn)、崇崗鄉(xiāng)和大雪山鄉(xiāng)3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，德黨鎮(zhèn)作為永德縣城所在地，需要更多的建設(shè)開發(fā)空間，通過土地利用總體規(guī)劃后其綜合承載能力有所提升；崇崗鄉(xiāng)雖然資源承載力較好，但其水土流失和地質(zhì)環(huán)境較為嚴重，要在注重生態(tài)保護的前提下進行建設(shè)開發(fā)；大雪山鄉(xiāng)在保護好自然保護區(qū)的前提下，仍然具有較好的耕地人口承載力和建設(shè)開發(fā)空間。

3）處于資源環(huán)境承載力較低的勐板鄉(xiāng)、亞練鄉(xiāng)、班卡鄉(xiāng)和大山鄉(xiāng)中，勐扳鄉(xiāng)和亞練鄉(xiāng)的環(huán)境承載力較好，但資源承載力嚴峻，應(yīng)控制人口規(guī)模，提高對自然資源的利用能力；班卡鄉(xiāng)和大山鄉(xiāng)資源環(huán)境承載情況相對嚴峻，班卡鄉(xiāng)耕地資源豐富，但地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性為全縣最高，而大山鄉(xiāng)水土流失最為嚴重，應(yīng)注意保護生態(tài)環(huán)境，進行合理的開發(fā)建設(shè)。

4）處于資源環(huán)境承載力低級的只有烏木龍鄉(xiāng)，其資源承載能力為全縣最低，經(jīng)過土地利用總體規(guī)劃使得至2020年其綜合承載力有所提升，但承載形勢依然嚴峻。應(yīng)控制人口規(guī)模，與全縣其他地區(qū)加強交流和發(fā)展。

針對資源、環(huán)境和人口對區(qū)域進行資源環(huán)境承載力評價，本研究雖然對單要素和綜合承載力進行了連續(xù)評價，但以鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為評價單元并不能較好地反映空間地理位置上的承載力水平。通過2013與2020年的承載力對比，指出了各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的不足，可為土地利用總體規(guī)劃的調(diào)整與完善提供相應(yīng)的依據(jù)。

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