市縣土地生態-生產-生活承載力測度指標體系及核算模型解析

方創琳,賈克敬, 李廣東, 王 巖

1 新疆大學經濟研究所, 烏魯木齊 830046 2 中國科學院地理科學與資源研究所,北京 100101 3 中國土地勘測規劃院,北京 100672

市縣土地生態-生產-生活承載力測度指標體系及核算模型解析

方創琳1,2,*,賈克敬3, 李廣東2, 王 巖2

1 新疆大學經濟研究所, 烏魯木齊 830046 2 中國科學院地理科學與資源研究所,北京 100101 3 中國土地勘測規劃院,北京 100672

土地同時具有生態功能、生產功能和生活功能,相應地具有生態-生產-生活綜合承載力,土地生態承載力、生產承載力和生活承載力是一個相互支持、相互依存的有機整體。土地生態-生產-生活系統承載力是指土地資源與生態環境的供容能力、經濟活動能力和滿足一定生活水平人口數量的社會發展能力的有機綜合體,由處于支持層的生態承載力和處于表現層的生產承載力和生活承載力三部分組成,簡稱土地“三生”承載力。以黨的“十八大”報告提出的“優化國土空間開發格局,促進生產空間集約高效,生活空間宜居適度,生態空間山清水秀”為目標,分析了土地生態-生產-生活綜合承載力的基本構成及作用機制,在此基礎上,以縣級尺度作為測度對象,通過多方案比選,構建了由1個一級指標、3個二級指標、21個三級指標構成的土地生態-生產-生活綜合承載力測度指標體系,給出了不同層級具體指標的量化辨識方法；進一步優選出土地生態-生產-生活綜合承載力核算的SD情景模型。該研究從理論上旨在為推進國土生態、生產、生活空間集約高效利用提供科學判據,為開展全國市縣尺度的土地綜合承載力監測預警提供定量的科學依據。

土地生態-生產-生活承載力；綜合測度指標體系；核算模型；量化辨識；理論辨析

1 土地生態-生產-生活綜合承載力的基本構成及作用機制

1.1 土地的生態功能、生產功能和生活功能

土地同時具有生態功能、生產功能和生活功能,其中生態功能是土地在生態系統支撐下,為滿足人類社會的需求而所要承擔的功能,具體表現形式有維護生物多樣性、調節氣候、水源涵養、減輕旱澇災害、維護土壤功能、廢物的處理、景觀美學與精神文化功能等,生態功能是土地生產功能、生活功能得以維持與穩定的基礎；生產功能與生活功能主要包含了土地第一、二性的生產功能、土地的倉儲功能與承載功能,是人類有形的消費功能,是人類生產和發展的基礎,也是在生態環境支撐下的土地系統最重要的功能[1- 2]。就土地利用方式而言,生產功能、生活功能和生態功能是一個不可分割的整體,三者互相聯系,在一定條件下還可以相互促進[3]。可見,生態系統是人類的生產、生活的支撐基礎,但人類的生產、消費等活動又影響著生態系統。在開展土地承載力研究時,不能單一以糧食生產和人口容量為關鍵詞展開,生產功能只是土地眾多生產功能中的一個分支,土地還具有非常重要的生態調節功能和生活承載功能。因此,對土地承載力的評價與測算需要從生態、生產、生活3個方面進行綜合集成研究。

1.2 土地生態-生產-生活綜合承載力的基本內涵與基本構成

土地生態-生產-生活系統承載力是指土地資源與生態環境的供容能力、經濟活動能力和滿足一定生活水平人口數量的社會發展能力的有機綜合體,它由處于支持層的生態承載力和處于表現層的生產承載力和生活承載力三部分組成,簡稱土地“三生”承載力[4]。土地生態-生產-生活綜合承載力的“綜合”性包括三方面涵義。一方面,對于承載力而言,土地不應僅局限于耕地,而應是包含園地、林地、牧草地、城鎮居民點及工礦用地、水域、交通用地和未利用土地等在內的廣義的土地；另一方面,對于土地功能而言,不只停留在土地為人類提供糧食的基本功能上,還同時考慮土地的生態功能和為人類提供社會經濟活動空間的生產及生活功能；最后,對于承載物而言,由于土地問題是由人的社會、經濟活動所造成的,土地利用的目標是使人類社會、經濟活動與相應的環境相協調,使人類生存發展的土地資源得到保護和改善,所以承載對象不僅是人口,而應是人類的各種社會、經濟活動,包括承載的城市規模、經濟規模、交通規模、環境承載能力等[5]。

土地生態-生產-生活綜合承載力由土地生態承載力(ECC)、土地生產承載力(PCC)和土地生活承載力(LCC)三部分有機融合而成。其中：土地生態承載力(ECC)是指區域自我維持與自我調節能力,是指在不危害區域生態系統的前提下所反映的資源與環境承載能力和由資源和環境承載力決定的區域本身所表現出來的彈性力大小,通過資源承載力、環境承載力和生態系統的彈性力來反映[6]。土地生產承載力(PCC)是指在區域的生態彈性限度內和現有經濟技術水平約束下所能達到的適度經濟活動規模與強度。土地生活承載力(LCC)是指能滿足一定生活水平人口數量的社會發展能力,反映區域中以人口為中心的社會發展狀況及人們生活質量狀況。這是區域資源環境所支持下的生態系統和經濟系統所創造的物質財富與精神財富在特定區域的全面反映[7-8]。

1.3 土地生態-生產-生活綜合承載力的相互作用機制

土地生態-生產-生活綜合承載力是一組系統概念,生態承載力是基礎,以生態承載力支持下的生產承載力是主體,以生態承載力與生產承載力共同支持下的生活承載力是目標,三者之間存在著復雜的相互作用、彼此制約的關系,這種關系表現為非線性多重反饋、多維連鎖、多元耦合關系和因果關系,正是這種關系才使土地“三生”承載力有機地結合成一個整體。按照系統論的觀點,土地“三生”承載力相互作用的驅動機制指維持土地“三生”承載力的結構與功能正常運作的動力因子的種類、大小、傳遞方向及其相互作用方式等[9]。

基于土地“三生”綜合承載力相互作用關系的特點,分別選取對土地生態承載力、生產承載力和生活承載力變化起決定作用的核心因子——人口、資源和環境作為土地“三生”承載力的驅動因子,分析土地“三生”承載力的相互作用機制[10],如圖1所示。這些驅動因子中的一項或幾項發生變化都會引起其它因子之間的連鎖反應,導致土地生態承載力、生產承載力與生活承載力不同程度的變化,進而引起土地“三生”承載力整體變動。這種情況表明,積極創造條件,充分發揮這些驅動因子的功能,人類才能對土地綜合承載力進行調控[11]。

圖1 土地生態-生產-生活綜合承載力相互作用的驅動機制Fig.1 The interactive driving mechanism of land eco-production-living carrying capacity

土地生態承載力作為土地“三生”承載力的支持層,一方面為生產承載力提供生態支持,另一方面又為生活承載力提供生態支持,而生產承載力既是生態承載力的支持者,又為生活承載力提供經濟支持,與生態承載力共同支持著生活承載力；同時,生活承載力又會對生產承載力與生態承載力產生反作用,而且土地承載力的整體變動也會從不同程度上分別引起生態承載力、生產承載力與生活承載力的變化。總之,土地“三生”承載力之間借助人口流、物質流、能量流、信息流、價值流和技術流等的連接,形成了錯綜復雜的相互關系[12]。

2 土地生態-生產-生活承載力測度指標體系的優選方案

土地生態-生產-生活綜合承載力綜合測度指標的選擇堅持系統綜合原則、層次性原則、三生空間優化原則、區域差異原則、可比可量原則和縣市行政區劃完整性原則,在這些原則指導下,提出土地生態-生產-生活承載力測度指標體系的優選方案。

2.1 土地生態-生產-生活綜合承載力綜合測度尺度的選擇

土地生態-生產-生活綜合承載力綜合測度尺度以縣級行政單位為主尺度,采用網格數據單元,建立通用指標體系,形成全國層面的土地綜合承載力指標測度配置系統。目前,我國縣級行政單位包括地級市的市轄區、縣級市、縣、自治縣、旗、自治旗、特區、林區、農場、牧場及圍場等。因此,在構建指標體系時將根據評價單元自然本底特征,差異性選取反映區域土地承載力狀態的指標。本文將土地資源承載指標分為市轄區、農區縣(市、旗)、牧區縣(市、旗)、林區縣(市、旗)。其中市轄區包括直轄市及地級市的市轄區。牧區縣(市、旗)、農區縣(市、旗)范圍；半農半牧區根據實際情況選取農區及牧區指標。林區縣(市、旗)包括縣級林區(湖北神農架林區),及位于我國三大林區(東北林區、西南林區、南方林區)的相關縣級行政單位。貴州六盤水市的六枝特區是一個大型煤礦區,屬我國唯一縣級特區,參照市轄區測度指標進行評價。

2.2 土地生態-生產-生活承載力綜合測度指標體系的優選方案

按照土地生態-生產-生活承載力綜合測度指標體系選擇的基本原則,在研制土地生態-生產-生活承載力綜合測度指標體系過程中,分別從不同視角提出了土地生態-生產-生活承載力選擇指標體系優選的6種方案(表1),通過6種方案的優選比較,最終將土地生態-生產-生活綜合承載力指標體系確定為由生態承載力指標、生產承載力指標、生活承載力指標三部分構成(表2)。綜合測度指標體系按照市轄區、農區縣(市、旗)、牧區縣(市、旗)、林區縣(市、旗)等不同區域類型進一步細化評價指標。土地生態-生產-生活承載力總體上是生態系統、生產系統和生活系統分別相對于人口系統的承載力,可根據居民生活水平所能達到的標準確定本地區所能承載的相應生活水準下的人口數量,因而在指標體系的選取中同時兼顧了衡量生活水平的指標。土地生態-生產-生活綜合承載力指標體系由1個一級指標、3個二級指標、21個三級指標構成。

表1 土地生態-生產-生活承載力選擇的指標體系優選的6種方案

(1)土地生態承載力測度指標 由人均水資源量、地下水超采率、單位用水GDP、地表水功能區達標率、水土資源匹配程度、生態用地面積比率、土地退化指數、地質災害高易發區面積占總面積比率、空氣質量指數、單位GDP碳排放量(碳排放強度)、建成區綠化覆蓋率等11個三級指標構成,主要目標是測度區域自我調節和自我維持能力狀況。

(2)土地生產承載力測度指標 由可生產用地潛力指數、生產用地效益指數、人均可生產用地面積、生產用地合理利用指數4個三級指標構成；其中生產用地潛力指數包括可建設用地承載強度、耕地生產潛力指數、后備耕地潛力指數、草地承載潛力指數、林地承載潛力指數等；主要測度區域目前的經濟活動規模與強度下生產資料狀況和基礎設施狀況。

(3)土地生活承載力測度指標 由人口密度、城鎮化水平、城鎮居民人均可支配收入、農民人均純收入、人均居住建筑面積、人均公共綠地面積6個三級指標構成,主要是測度區域在現狀資源、環境、人口狀態下人類生活水平。

表2 土地生態-生產-生活承載力綜合測度指標體系

3 土地生態-生產-生活承載力綜合測度指標的量化辨識

3.1 土地生態承載力測度指標的量化辨識

土地生態承載力測度指標由11個三級指標構成。

(1)人均水資源量 反映區域水資源豐富程度。人均水資源量=區域水資源總量/區域總人口。國際公認的缺水標準分為四個等級：人均水資源低于3000m3,為輕度缺水；人均水資源低于2000m3,為中度缺水；人均水資源低于1000m3,為重度缺水；人均水資源低于 500m3,為極度缺水。

(2)地下水超采率 地下水超采是指在某一開采水平下,多年平均地下水開采量超過多年平均的地下水可開采量,從而造成地下水位持續下降、水質惡化及水源地產水量減少或其他環境問題的現象。地下水超采率用同一范圍內某時間段的地下水開采量、地下水可開采量兩者之差與地下水可開采量的比值表示。年均地下水超采系數大于0.3區域為嚴重超采區。計算公式如下：地下水超采率=(地下水開發利用時期內年均地下水開采量-地下水開發利用時期內年均地下水可開采量)/地下水開發利用時期內年均地下水可開采量。

(3)單位用水GDP 反映水資源利用效率及產生效益,是衡量區域集約節約用水水平的重要指標。單位用水GDP=GDP/區域總用水量,區域總用水量=工業用水量+生活用水量。

(4)地表水功能區達標率 是指區域地表水環境質量達到相應功能水體要求,區域內跨界斷面出境水質達到國家或省考核目標,能夠整體反映區域水環境質量狀況,數據可從省級環境狀況公報及省級水資源公報獲取。計算公式如下：地表水功能區達標率=1-劣五類以上水質斷面(河流長度)/總斷面(河流總長度)。

(5)水土資源匹配指數 是水土組合匹配程度,表征區域水、土兩大基本生產要素組合狀況。水和土作為兩大基本生產要素,其地域組合狀況在很大程度上決定著區域土地生產潛力的發揮。水土協調度小,水少土地多；反之則水多土地少。水土協調度為1,表明水資源和土地資源空間分布均勻。計算公式如下：水土資源匹配指數=α×農業水土資源匹配指數+(1-α)×工業水土資源匹配指數；農業水土資源匹配指數=(評價單元農業用水量/研究區農業用水量)/(評價單元耕地規模/研究區耕地規模)；工業水土資源匹配指數=(評價單元工業用水量/研究區工業用水量)/(評價單元城鎮工礦用地規模/研究區城鎮工礦用地規模)。

(6)生態用地面積比率 是指生態用地占評價區域土地面積的百分比,是區域生態環境質量的重要表征,用來衡量生態用地對維持區域生態平衡和持續發展的能力,生態用地面積具體包括林地面積、天然草地面積和水域面積。計算公式為：生態用地面積比率=生態用地面積/區域總面積。

(7)土地退化指數 是指區域內土地退化面積占評價區域面積的比重,包括土地侵蝕(水土流失)、土地沙漠化、土地鹽堿化、土地次生潛育化、土地污染及土地質量退化面積的總和。土地退化指數=土地退化面積/土地總面積。

(8)地質災害指數 是指地質災害高易發區面積占區域總面積比率。就地質環境或地質體變化的速度而言,可分突發性地質災害與緩變性地質災害兩大類。前者如崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂縫,即習慣上的狹義地質災害；后者如水土流失、土地沙漠化等,又稱環境地質災害。地質災害指數表征區域發生災害的可能性,影響區域土地承載力。計算公式為：地質災害指數=地質災害高易發區面積/區域總面積；地質災害高易發區面積=突發性地質災害高易發區面積+緩變性地質災害高易發區面積。

(9)空氣質量指數 是定量描述空氣質量狀況的無量綱指數。根據《環境空氣質量指數技術規定》(HJ 633—2012)規定：空氣污染指數劃分為0—50、51—100、101—150、151—200、201—300和大于300六檔,對應于空氣質量的6個級別,指數越大,級別越高,說明污染越嚴重,對人體健康的影響也越明顯。由于目前數據獲取存在一定困難,可采用空氣質量二級以上天數比重代替反映評價單元的空氣質量狀態。

(10)單位GDP碳排放量 是指每單位國民生產總值的增長所帶來的二氧化碳排放量。計算公式為：單位GDP碳排放量=二氧化碳排放總量/GDP。

綜上所述，文中提出了一種基于國產平臺的安全存儲系統設計與實現架構。安全存儲系統中的數據加解密由硬件系統完成，實現時可以采用FPGA等方式。以FPGA為例，硬件加解密模塊工作時通過PCIE總線將國產存儲陣列接收的數據傳輸到安全加解密模塊的緩存中，FPGA從緩存中讀取數據并啟動加解密模塊進行處理，處理后的數據存放至緩存中，最后通過PCIE總線將處理后數據傳回至存儲陣列內存。

(11)建成區綠化覆蓋率 是指在城市建成區的綠化覆蓋率面積占建成區的百分比,計算公式為：建成區綠化覆蓋率=建成區綠化覆蓋面積/建成區總面積。

3.2 土地生產承載力測度指標的量化辨識

土地生產承載力測度指標由4個三級指標構成。

(12)可生產用地潛力指數 根據不同評價單元區域類型,選擇可建設用地承載強度、耕地生產潛力指數、后備耕地潛力指數、草地承載潛力指數、林地承載潛力指數分別反映市轄區、農區縣(市、旗)、牧區縣(市、旗)及林區縣(市、旗)的可生產用地潛力。1)市轄區采用可建設用地承載強度,是現狀建設用地面積與適宜建設用地面積之比；適宜建設用地面積=區域土地總面積-區域所需生態用地面積-區域不適宜建設面積。2)農區縣(市、旗)采用耕地生產潛力指數、后備耕地潛力指數。耕地生產潛力指數是指一定區域內耕地資源能為人類提供生活所需能量和蛋白質量(糧食和肉蛋)的潛力,用來表征生產方式的現狀。耕地生產潛力估算是土地人口承載力計算的重要前提和基礎。計算公式如下：耕地生產潛力指數=(理論產量-實際單產)/理論產量。后備耕地潛力指數反應區域補充建設占用耕地的能力,及區域未來開發的耕地保障水平,計算公式如下：后備耕地潛力指數=后備耕地面積/可耕地面積；可耕地面積=現狀耕地面積+后備耕地面積。3)牧區縣(市、旗)采用草地承載潛力指數。是指一定區域內草地資源支撐畜牧業發展的潛在能力,用來表征牧區土地利用程度與承載狀態,計算公式如下：草地承載潛力指數=(理論載畜量-實際載畜量)/理論載畜量；理論載畜量=區域可食草潛量/每綿陽單位年食草量；區域可食草潛量=暖季草地可食草潛量+冷季草地可食草潛量+全年草地可食草潛量。4)林區縣(市、旗)采用林地承載潛力指數。是指一定區域內林地資源支撐林業發展的潛在能力,同時也體現林地紅線對土地利用的約束力,計算公式如下：林地承載潛力指數=(可開發林地面積-已開發林地面積)/可開發林地面積。

(13)生產用地效益指數 根據不同評價單元區域類型,選擇地均GDP、耕地質量指數、地均牧業產值及地均林業產值分別反映市轄區、農區縣(市、旗)、牧區縣(市、旗)及林區縣(市、旗)的生產用地效益。1)市轄區采用地均GDP。指國內生產總值與區域面積之比；2)農區縣(市、旗)采用耕地質量指數,根據耕地質量分等定級規程,耕地質量可分為自然等、利用等和經濟等3個系列。耕地質量指數用以表征區域耕地在人類活動的參與下所能達到的平均產能狀況。耕地質量自然等、利用等和經濟等可從耕地質量等級評定結果中直接獲取。計算公式如下：耕地質量指數=α×耕地自然等+β×耕地利用等+(1-α-β)×耕地綜合等。3)牧區縣(市、旗)采用地均牧業產值,是牧業產值與牧草業用地面積之比；4)林區縣(市、旗)采用地均林業產值,是林業產值與林業用地面積之比。

(14)人均可生產用地面積 根據不同評價單元區域類型,選擇人均建設用地面積、人均耕地面積、人均草場面積及人均林地面積分別反映市轄區、農區縣(市、旗)、牧區縣(市、旗)及林區縣(市、旗)的生產用地狀態。1)市轄區采用人均建設用地面積,是建設用地總面積與總人口之比；2)農區縣(市、旗)采用人均耕地面積；3)牧區縣(市、旗)采用人均草場面積,是牧區草地面積與該區總人口比值；4)林區縣(市、旗)采用人均林地面積,是林區林地面積與該區總人口比值。

(15)生產用地合理利用指數 根據不同評價單元區域類型,選擇人均城鄉建設用地偏離指數、建設用地布局合理指數、農用地不合理利用指數、草地不合理利用指數及林地不合理利用指數分別衡量市轄區、農區縣(市、旗)、牧區縣(市、旗)及林區縣(市、旗)的生產用地利用合理與否。1)市轄區——人均城鄉建設用地偏離指數、建設用地布局合理指數。人均城鄉建設用地偏離指數是指現狀人均城鄉建設用地面積與人均城鄉建設用地標準比值,人均城鄉建設用地偏離指數=α×城鎮人均建設用地面積/城鎮人均建設用地標準+(1-α)×農村人均建設用地面積/農村人均建設用地標準。建設用地布局合理指數是指不適宜建設用地區域內建設用地面積比例。2)農區縣(市、旗)——農用地不合理利用指數,是非法占用農業用地面積與農用地面積之比。3)牧區縣(市、旗)——草地不合理利用指數,是非法占用草地面積與草地面積之比。4)林區縣(市、旗)——林地不合理利用指數,是非法占用林地面積與林地面積之比。

3.3 土地生活承載力測度指標的量化辨識

土地生活承載力測度指標由6個三級指標構成。

(16)人口密度 指單位土地面積上居住人口數,人口密度=區域總人口/土地總面積。

(17)城鎮化水平 通常用城鎮人口占全部人口的百分比來表示,是一個國家或地區經濟發展、城鎮化水平的重要指標,也是衡量一個國家或地區社會組織程度和管理水平的重要標志,可用于反映人口向城市聚集的過程和聚集程度。

(18)城鎮居民人均可支配收入 指城鎮居民家庭人均可用于最終消費支出和其它非義務性支出以及儲蓄的總和,即居民家庭可以用來自由支配的收入。用以衡量城市居民收入水平和生活水平,反映城鎮居民的現金收入情況。數據可從城市統計年鑒中獲取。

(19)農村居民人均可支配收入 是農村居民當年從各個渠道得到的總收入,可用于最終消費支出和其它非義務性支出以及儲蓄的總和。農民人均可支配收入則是指按農村人口平均的可支配收入,反映的是一個國家或地區農村居民收入的平均水平。數據可從農村統計年鑒中獲取。

(20)人均居住用地面積 人均居住用地面積是居住區用地面積與居住人口比值,是反映評價單元人口生活居住水平的重要指標,也是區域土地生活承載力的重要表征。

(21)人均綠地面積 指區域人口每人擁有的綠地面積。綠地面積不包括屋頂綠化、垂直綠化和覆土小于2 米的土地，其高低是區域環境質量及居民生活福利水平的重要指標。

4 土地生態-生產-生活綜合承載力核算模型

土地生態-生產-生活綜合承載力是一個涉及資源、環境、社會、經濟、空間、科技文化等諸多因素的復雜系統概念,因此,土地生態-生產-生活綜合承載力大小的定量測算,單純依靠傳統分析方法還不能完全反映區域資源環境與社會經濟諸系統之間的相互作用和反饋關系,需要采用系統動力學方法進一步對土地生態-生產-生活綜合承載力進行系統分析和模擬,通過情景分析,對土地生態-生產-生活綜合承載力的變化趨勢和影響因素進行科學分析和預測[13]。按照土地生態-生產-生活綜合承載力的作用機制和測算指標體系,將土地綜合承載力研究系統劃分為生態子系統、生產子系統和生活子系統3個子系統。土地生態-生活-生產綜合承載力研究系統是一個復雜的大系統,系統包含的因素(變量)眾多,各個因素(變量)之間相互聯系,互相影響,構成了具有多重反饋的因果關系回路,如圖2所示。基于以上基本反饋結構和要素之間的相互作用機理,在Vensim PLE軟件中,繪制完成土地生態-生產-生活綜合承載力系統因果反饋流程圖,生態承載力、生產承載力和生活承載力分別核算模型如下。

4.1 土地生態承載力子系統因果反饋流程及核算模型

土地生態承載力子系統的因果反饋流程圖包括7個狀態變量,分別為水環境容量、二氧化碳排放量、二氧化硫排放量、大氣環境容量、COD排放量、氨氮排放量。包括10個速率變量,分別為生態用地增加率、生態用地減少率、草地面積增加率、草地面積減少率、大氣極限容量、大氣消納容量、水體極限容量、水體同化容量、造林面積、林地減少面積。包括若干輔助變量,例如用來幫助建立速率方程的輔助變量,包括二氧化硫濃度、生活二氧化硫控制排放量、工業二氧化硫控制排放量、生活二氧化硫排放系數、工業二氧化硫排放系數、COD極限容量、生活COD 控制排放量、工業COD 控制排放量、生活COD 排放系數、工業COD 排放系數、工業總產值等；還包括測度分要素及綜合要素承載力的變量,如：大氣環境承載人口規模、大氣環境承載經濟規模、水環境承載人口規模、水環境承載經濟規模、生態承載人口規模、生態承載經濟規模等；還包括若干常數,如：生活二氧化碳排放系數、工業二氧化碳排放系數、生活二氧化硫排放系數、工業二氧化硫排放系數、生活COD排放系數、工業COD排放系數、生活氨氮排放系數、工業氨氮排放系數、工業產值比重、人均生態用地面積標準等；還包括若干個表函數(如：生活用水比重表函數、二氧化硫濃度表函數、工業產值比重表函數、生活二氧化硫排放系數等)和若干最小值函數(指大氣環境承載人口規模、水環境承載人口規模、生態用地承載人口規模、生態承載人口規模、生態承載經濟規模等)。

圖2 土地生態-生產-生活綜合承載力核算的SD模型因果反饋流程示意圖Fig.2 The causal feedback flow of system dynamics model for calculating the synthetic carrying capacity of land ecological-production-living spaces

4.2 土地生產承載力子系統因果反饋流程及核算模型

土地生產承載力子系統因果反饋流程圖包括7個狀態變量,分別為林地面積(hm2)、草地面積(hm2)、水域及濕地面積(hm2)、耕地面積(hm2)、化石用地面積(hm2)、建設用地面積(hm2)、生物生產面積(hm2)。包括12個速率變量,分別為林地面積增加率、林地面積較少率、草地面積增加率、草地面積減少率、耕地面積增加率、耕地面積減少率、水域及濕地面積增加率、水域及濕地面積減少率、化石用地面積增加率、化石用地面積減少率、建設用地面積增加率、建設用地面積減少率。包括若干輔助變量,1)用來幫助建立速率方程的輔助變量——退耕還草面積、草場退化面積、退耕還林面積、林地砍伐面積、耕地轉化率、水域及濕地增加面積、水域及濕地減少面積、化石用地面積增加系數等。2)測度分要素及綜合要素承載力的變量,如：生物生產能力(全球公頃)、生物生產承載人口規模、耕地承載人口規模、生產承載經濟規模、生產承載人口規模。包括若干常數,例如草地初始面積、林地初始面積、耕地初始面積、水域及濕地面積初始值、化石面積初始值、建設用地面積初始值、退耕還草系數、草場退化系數、退耕還林系數、森林砍伐系數、水域及濕地增加系數、水域及濕地減少系數、耕地轉化率、化石面積增加系數、化石面積減少系數、建設用地效益、單位工業產值用水、禁止建設用地面積、人均糧食需求量等。包括若干函數,如退耕還草系數表函數、退耕還林系數表函數、耕地轉化率表函數、化石面積增加率、耕地承載人口規模、生物生產承載人口規模、生產承載經濟規模等。

4.3 土地生活承載力子系統因果反饋流程及核算模型

土地生活承載力子系統包括7個狀態變量,分別為總人口數量、建成區面積、居民生活水平、醫療設施水平、交通設施水平、國內生產總值、水資源量。包括9個速率變量,分別為人口增長率、人口減少率、建成區面積增加率、建成區面積減少率、供水增加量、GDP增長率、醫療衛生投資來、交通設施投資率、居民生活水平提高率。若干輔助變量,1)用來幫助建立速率方程的輔助變量——出生人口、死亡人口、遷入人口、全社會固定資產投資、交通投資比重、醫療衛生投資比重等。2)測度分要素及綜合要素承載力的變量,如：醫療承載人口規模、交通設施承載人口規模、經濟承載人口規模、水資源承載人口規模等。包括若干常數,例如人口初始總量、建成區初始面積、額定出生系數、額定死亡系數、醫療衛生投資比重、交通設施投資比重、全社會固定資產投資初始值、研發投資比重等。包括若干函數,表函數包括額定出生系數表函數、額定死亡系數表函數、醫療衛生投資比重表函數、交通設施投資表函數、研發投資比重表函數等；STEP函數,工程供水STEP函數；最小值函數,包括醫療承載人口規模、交通設施承載人口規模、經濟承載人口規模、生活用水承載人口規模等。

5 結論與討論

5.1 結論

土地生態-生產-生活系統承載力是指土地資源與生態環境的供容能力、經濟活動能力和滿足一定生活水平人口數量的社會發展能力的有機綜合體,由處于支持層的生態承載力和處于表現層的生產承載力和生活承載力三部分組成,簡稱土地“三生”承載力。本文以黨的“十八大”報告提出的“優化國土空間開發格局,促進生產空間集約高效,生活空間宜居適度,生態空間山清水秀”為目標,通過分析土地生態-生產-生活綜合承載力的作用機制發現,土地同時具有生態功能、生產功能和生活功能,相應地具有生態承載力、生產承載力和生活承載力；生態承載力是基礎,以生態承載力支持下的生產承載力是主體,以生態承載力與生產承載力共同支持下的生活承載力是目標,三者之間存在著復雜的相互作用、彼此制約的關系,這種關系表現為非線性多重反饋、多維連鎖、多元耦合關系和因果關系,正是這種關系才使土地“三生”承載力有機地結合成一個整體。

在土地生態-生產-生活綜合承載力作用機制的基礎上,以縣級尺度作為測度對象,通過多方案比選,構建了由1個一級指標、3個二級指標、21個三級指標構成的土地生態-生產-生活綜合承載力測度指標體系,給出了不同層級具體指標的量化辨識方法；進一步優選出土地生態-生產-生活綜合承載力核算的SD情景模型。該研究從理論上為推進國土生態、生產、生活空間集約高效利用、為開展全國市縣尺度的土地綜合承載力監測預警提供了可操作性的指標體系和核算方法。

5.2 討論

(1)本文構建的市縣尺度土地生態-生產-生活系統承載力是基于黨的“十八大”報告提出的“優化國土空間開發格局,促進生產空間集約高效,生活空間宜居適度,生態空間山清水秀”這一國土空間利用戰略進行的,與傳統的以水資源、土地資源、礦產資源、生態環境等要素層面劃分的承載力指標體系相比,本指標體系淡化了要素承載力分割核算承載力的弊端,因而更具有綜合性、創新性和時代適應性。突出了國土部門以三生空間承載的基本功能為出發點,對國土生態空間、生產空間和生活空間的精準識別、精準利用和精準管理。

(2)本文構建的市縣尺度土地生態-生產-生活系統承載力測度指標體系既考慮了指標體系的全國普適性,又兼顧了指標體系的地區差異性。將市縣尺度的指標體系在城區、農區、牧區、林區等不同質地的地區設置了不同的指標體系,避免了以往傳統的以水土要素為主導的承載力核算中指標體系的同質性現象。

(3)本文構建的市縣尺度土地生態-生產-生活系統承載力核算模型是從眾多的單要素承載力模型(如水資源承載力模型、土地承載力模型、人口承載力模型、環境承載力模型等)中,通過綜合比選得出的,認為系統動力學SD模型具有與水、土、人口、生態環境承載力等單要素承載力模型最多的接口和熔點,而且可將承載力指標體系中的總量指標、均量指標、速率指標和政策指標用多重非線性因果反饋流程很好地體現出來,因而被認為是核算市縣尺度土地生態-生產-生活系統承載力的最佳模型。

本文目前先從理論上構建了市縣尺度土地生態-生產-生活系統承載力測度指標體系和核算模型,在實踐中有待進一步應用,這也是本文下一步選擇實地案例進行驗證研究的主要方向。

致謝：本研究中,得到中國土地勘測規劃院李憲文研究員、鄧紅蒂研究員、劉康研究員、徐小黎研究員、祁帆工程師、楊楓高級工程師、蘇東襲高級工程師、趙雲泰工程師、王菲菲工程師的支持和幫助，特此致謝。

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Theoreticalanalysisoftheindexsystemandcalculationmodelofcarryingcapacityoflandecological-production-livingspacesfromcountyscale

FANG Chuanglin1,2,*,JIA Kejing3, LI Guangdong2, WANG Yan2

1InstituteofEconomics,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China2InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing100101,China3ChineseLandSurveyingandPlanningInstitute,Beijing100672,China

Land holds the function of ecological, production and living at the same time. Correspondingly, it possesses the synthetic carrying capacity of ecological-production-living spaces, and the ecological carrying capacity, production carrying capacity and living carrying capacity are mutual support and interdependence. The synthetic carrying capacity of land ecological-production-living spaces means the capacity of mutualistic symbiosis between the land resource and ecological environment, and economic and social development ability with high standard of living. It consists of a support layer and a presentation layer. The ecological carrying capacity is support layer, and the production carrying capacity and living carrying capacity are presentation layers. Thus, the synthetic carrying capacity of land ecological-production-living spaces is called “San Sheng carrying capacity” for short. The Eighteenth National Congress of the Communist Party of China claimed, “We should improve development of China′s geographical space, and ensure that the space for production is used intensively and efficiently, that the living space is livable and proper in size, and that the ecological space is unspoiled and beautiful.” Based on this, we analyzed the basic composition and function mechanism of the synthetic carrying capacity of land ecological-production-living spaces, and a comprehensive index system from county scale is constructed by multi-scheme comparison, which including a primary index, three secondary indexes, 22 three-level indexes. The quantitative calculation method of each index was also given. At last, we proposed a system dynamics model to account and simulate the synthetic carrying capacity of land ecological-production-living spaces. This study aims at providing a scientific criterion for promoting intensive utilization of land ecology, production and living spaces, and providing methods for the land comprehensive carrying capacity monitoring and early warning in China at the county scale.

synthetic carrying capacity of ecological-production-living spaces; index system; calculation model; quantitative identification; theoretical analysis

國家自然科學基金重大資助項目(41590842),中國土地勘測規劃院外協資助項目(2014121106433)

2016- 04- 26; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 03- 22

10.5846/stxb201604260791

*通訊作者Corresponding author.E-mail: fangcl@igsnrr.ac.cn

方創琳,賈克敬,李廣東,王巖.市縣土地生態-生產-生活承載力測度指標體系及核算模型解析.生態學報,2017,37(15):5198- 5209.

Fang C L,Jia K J, Li G D, Wang Y.Theoretical analysis of the index system and calculation model of carrying capacity of land ecological-production-living spaces from county scale.Acta Ecologica Sinica,2017,37(15):5198- 5209.