基于突變級數法的江蘇省資源環境承載力評價及障礙因素診斷

翁翎燕

(南京大學 金陵學院, 南京 210089)

人口、經濟、社會、資源、環境之間的協調發展是可持續發展研究的重要命題，資源環境承載力是衡量可持續發展的重要標志。資源環境承載力是指在確保資源合理開發利用、生態環境系統良性循環和區域可持續發展的前提下，在一定的時間和區域范圍之內，資源環境系統所能承載的人口規模和社會經濟總量[1]。資源環境承載力受到特定時期和特定區域的資源環境本底條件、區域發展水平、人口數量及素質、產業結構、科技水平及政策環境等多種因素的影響[2]。

資源環境承載力的研究始于土地資源承載力研究，屬于生態學范疇[3]，環境承載力研究則拓寬了其內涵[4]，后又相繼發展起來人口承載力[5]、水資源承載力[6]、生態承載力[7]，旅游資源承載力[8]等方面的研究，形成了較多且富有成效的研究成果。隨著承載力理論研究的不斷深入，同時隨著人口、資源、環境之間矛盾的不斷凸顯，學者們發現資源或環境單要素承載力的研究存在一定局限，將資源與環境綜合起來研究，是承載力理論應用于資源環境領域的必然趨勢[1]，因而，“資源環境綜合承載力”應運而生[9]，并開始廣泛而深入的研究與應用。資源環境承載力研究主要采用定量研究的方法，建立評價指標體系，通過一定的模型或方法進行綜合評價，已有的成果中主要有生態足跡法[10]、時間序列[11]、能值分析法[12]、灰色關聯分析法[13]、狀態空間法[14]、TOPSIS法[3，15]及系統動力學模型[16]等，這些方法各有特點，用于評價區域資源環境承載力具有一定的可行性，但這些方法普遍存在著權重分配過程中受主觀因素影響大，評價過程偏復雜等問題。突變級數法克服了以上方法的缺點，無需人為確定權重，只需把握各指標間的主次關系，且運算簡單，適用于內部結構不明朗的灰色系統的多目標決策問題。基于此，本文嘗試運用突變級數理論，選取省級區域作為研究區域，從資源供給系統、環境支撐系統、社會、經濟壓力系統對江蘇省資源環境承載力進行動態評價。通過構建障礙因素診斷模型，對引起資源環境承載力變化的根源進行識別，旨在為江蘇省優化資源配置，推動綠色發展，促進江蘇省經濟社會環境的可持續發展提供理論支撐。

1　評價指標體系與研究方法

1.1　評價指標體系建立

資源環境承載力是一個多目標復雜系統，反映了區域資源、環境、經濟、社會系統間的協調程度[1]，其中資源子系統是決定承載力大小的基礎，反映區域資源狀況對人口規模和社會經濟總量的支撐能力，可用耕地資源、水資源、能源資源等進行量化；環境子系統反映環境對人類活動的容納能力和環境自身的修護力度，和環境結構及污染治理有關；經濟子系統和社會子系統一方面反映人類活動給資源、環境帶來的壓力，如人口增長、人口密度增大等，另一方面，人類也可通過自身的活動提高資源、環境子系統的承壓能力，如產業結構調整、資源環境保護投資水平增強、人口素質提高等?；谝陨戏治觯梃b相關研究成果[17-20]，遵循系統性、科學性、代表性和可操作性等原則，從資源供給子系統、環境支撐子系統，經濟壓力子系統、社會壓力子系統4個維度，選取16項指標，構建了江蘇省資源環境承載力評價指標體系(表1)。

表1　江蘇省資源環境承載力評價指標體系

1.2　數據來源

數據資料主要來源于中國統計年鑒(2005—2015年)、中國環境統計年鑒(2005—2015年)、江蘇統計年鑒(2005—2015年)。其中，人均GDP、地均固定資產投資、第三產業比重、城鎮居民人均可支配收入、人口自然增長率、城鎮化水平、人口密度、人均水資源量、人均耕地面積、人均能源占有量來源于《江蘇統計年鑒》，除了城鎮居民人均可支配收入、人口自然增長率及人口密度三項指標直接獲取外，其他指標均為經處理后獲??；大專及以上人口占總人口比重來源于《中國統計年鑒》，為經處理后獲取的指標；森林覆蓋率、城市污水處理率、工業固體廢物綜合利用率、環境基礎設施投資總額來源于《中國環境統計年鑒》；萬元GDP工業廢氣排放量由來源于《中國環境統計年鑒》的工業廢氣排放量指標和來源于《江蘇統計年鑒》的GDP總量指標經處理后獲取。

1.3　基于突變級數法的資源環境承載力評價方法

突變級數法的理論基礎是突變理論[21]，是用突變數學模型進行多目標評價決策的管理技術。其核心思想是將評價目標進行逐級分解，將突變理論運用到模糊數學中，產生突變模糊隸屬函數，通過分歧集的歸一化處理，將多目標參數歸一為一個參數，即求出總的隸屬度，從而進行評價目標的綜合評價。

運用突變級數法進行資源環境承載力評價時要明確以下幾點：一是突變模型的研究對象是勢函數，勢函數是描述系統控制變量與狀態變量之間相互關系的函數。根據突變理論，如果1個指標(系統狀態變量)包含1個對應的下級指標(系統控制變量)可視為折疊突變。由此可推出，當1個指標分別含有2，3，4個下級指標時，可依次根據尖點、燕尾、蝴蝶突變模型進行計算[22]。常見的突變模型見表2。二是在利用突變級數法的計算過程中，要求對每個層次中各個指標的相對重要性進行排序，重要程度相對大的排在前面，相對次要的指標排在后面。熵值法是客觀賦權相對精準的一種方法，克服了人為排序的主觀性，因此，本文采用熵值法[23]確定各級指標的相對重要性(表1)。三是利用突變級數法進行綜合評價時必須遵循兩個評價準則：(1) 互補準則。若系統的諸控制變量間可相互彌補不足，對應突變級數值按平均值法取值；(2) 非互補準則。若系統的諸控制變量之間不存在明顯的相關性，則按“大中取小”的原則取值。根據上述方法構建江蘇省資源環境承載力評價突變級數法結構[18]，見圖1。

表2　突變模型

注：a，b，c，d為外部控制變量；xa，xb，xc，xd為各控制變量相應的突變級數值

圖1　江蘇省資源環境承載力突變級數法結構

1.4　評價標準的確定

根據突變級數法計算結果的特點，在常規標準的基礎上，制定出適合突變級數法的等級標準，可以使資源環境承載力評價更具有使用價值[24]。參考已有研究，將資源環境承載力評價標準分為弱承載力(Ⅰ)、較弱承載力(Ⅱ)、適中承載力(Ⅲ)、較高承載力(Ⅳ)和高承載力(Ⅴ)5個等級[25]。設底層控制指標相對隸屬度均取為xi(xi=0.2，0.4，0.6，0.8)時，根據圖1的突變級數模型，由下至上逐級計算各層次隸屬度值，最終得出總隸屬度值，由此得出基于突變級數法的資源環境承載力等級標準(表3)。

1.5　障礙因素診斷模型

在分析資源環境承載力的基礎上，進一步探究制約資源環境承載力提高的障礙因子，引入“因子貢獻率”、“指標偏離度”和“障礙度”構建障礙度模型[26]，對障礙因子進行診斷。相關計算公式如下：

qj=wi×wij

(1)

(2)

(3)

(4)

2　結果與分析

2.1　江蘇省資源環境承載力動態評價

原始數據通過直接取值或簡單運算得到江蘇省2004—2014年16項指標數據。根據突變級數法的計算規則，運用極值法[27]將控制變量的原始數據進行歸一化處理，將原始數據轉化到[0，1]之間，使不同指標間具有可比性，且對于正向指標和逆向指標分別采用不同的公式進行標準化處理。然后，運用突變級數法逐級計算得出2004—2014年江蘇省資源環境承載力(表4)。根據表4繪制出江蘇省資源環境承載力變化趨勢(圖2)，以及經濟、社會、資源、環境4個子目標層的承載力變化趨勢(圖3)。

表3　資源環境承載力評價等級標準

表4　江蘇省2004-2014年資源環境承載力測度結果

2.1.1資源環境承載力總體變化趨勢由圖2可知，2004—2014年江蘇省資源環境承載力水平總體呈小幅波動上升趨勢，數值從2004年的0.829 0上升到2014年的0.967 8，資源環境承載能力從較弱承載力發展到較高承載力。資源環境承載力水平在11 a間存在小幅波動，2008年，江蘇省資源環境承載力水平較2007年下降了0.12%，但并未影響承載力等級的變化，2009年又上升了2.52%，此后2010—2012年資源環境承載力水平連續三年下降，特別是資源環境承載力等級在2011—2012年由較高承載力(Ⅳ)調整到適中承載力(Ⅲ)。

2.1.2經濟社會復合系統變化趨勢由圖2可知，經濟社會復合系統承載力存在一個穩定上升的過程，承載力水平由2004年的0.682 7上升到2014年的0.993 1，年均增速達3.82%。由圖3可知，2004—2012年江蘇省經濟子系統承載力指數總體呈線性增長趨勢，年平均增長速度達14.39%，居各子系統之首，這與近年來江蘇省實施“富民強省”的戰略目標，倡導“綠色增長”，加快經濟結構調整的發展方式有密切的關系。2004—2014年，江蘇省GDP總量由15 003.6億元增加到65 088.32億元，年均增長4 553.16億元。隨著經濟總量的快速增長，地均GDP持續增長，第三產業加速發展，城鎮居民人均可支配收入穩步提升，直接促進經濟承載力的提升。

社會子系統承載力指數呈現一個波動上升的態勢，由2004年的0.631 5上升到2014年的0.954 2，但2008年、2009年和2010年的社會子系統承載力指數分別較上一年有一定幅度回落，其中2008年社會子系統承載力指數較2007年下降了3.25%，主要原因是大專及以上人口比重在這一年有所下降；而2009年和2010年社會子系統承載力指數較上一年度分別下降了3.95%和9.78%，原因在于這兩年人口自然增長率和人口密度這兩項逆向指標值大大增加，其中，人口自然增長率這一指標達到11 a間的最大值，為2.85%，人口的增長大大加劇了社會子系統的壓力。但經濟子系統與社會子系統的協同作用，使得經濟社會復合系統承載力呈穩步上升趨勢。

圖2　江蘇省兩大復合系統與資源環境承載力變化趨勢(2004-2014年)

2.1.3資源環境復合系統變化趨勢由圖2可知，江蘇省2004—2014年的資源環境復合系統承載力呈波動上升趨勢，指數變化于0.687 3～0.936 6。由圖3可知，資源子系統承載力在11 a間的波動更為明顯，主要是由于江蘇省人均耕地面積較少，且耕地后備資源潛力有限，隨著人口的增長，人均耕地面積逐年減小，同時，由于人們生活水平的提高，能源消費量持續增加，而水資源量具有年際變化大的特點，從而使得江蘇省資源子系統承載力隨時間呈波動變化趨勢。2004—2014年期間，江蘇省環境子系統承載力水平總體也呈增加趨勢，2010年和2012年的承載力指數較上一年有所下降，是由這兩年的工業固體廢棄物綜合利用率水平相對降低導致的。環境子系統承載力反映了環境對于人類活動的包容能力，而人類活動具有雙向性，人類通過提高城市污水處理率、工業固體廢棄物處理率，加大環境基礎設施投資，減少單位GDP的廢物排放等行為可以有效地增加環境子系統承載力。

圖3　2004-2014年江蘇省各子系統承載力變化趨勢

2.2　障礙因素分析

為深入了解制約江蘇省資源環境承載力提高的障礙因素，根據障礙因素計算模型，得到江蘇省資源環境承載力平均障礙因子(表5)，且進一步從指標層厘清主要障礙因子及其隨時間的變化(表6)。

2.2.1障礙因素總體分析由表5可知，江蘇省資源環境承載力平均障礙因素最大是森林覆蓋率，其值達到16.64%；第二障礙因素和第三障礙因素分別是人均耕地面積和環境基礎設施投資總額，平均障礙度分別達14.99%和10.05%。第四到第七障礙因素全都是社會經濟復合系統中的因素，依次是人口密度、地均固定資產投資、第三產業比重和人均GDP。依據表5，從中選取障礙度排名前八位的因素為重點研究對象(障礙度均大于5%)，經濟子系統占4個，資源子系統占2個(排名前兩位)、環境子系統占1個，社會子系統占1個。說明經濟子系統和資源子系統是阻礙江蘇省資源環境承載力提高的兩大障礙因素。雖然2004—2014年江蘇省經濟持續增長、資源利用效率逐漸提高、生態環境不斷改善，但經濟結構、經濟增長方式及質量仍有提升的巨大潛能，經濟發展中對資源的利用率、環境的保護力度有待進一步提高。

2.2.2指標層障礙因素分析為進一步探究制約江蘇省資源環境承載力提高的主要障礙因素，按照指標層指標障礙度的大小，選取障礙度排序在前5位的障礙因素作為重點分析對象(表6)。由表6可知，障礙因素頻率超過一半(出現6年)的因素有環境基礎設施投資總額、森林覆蓋率、地均固定資產投資、人口密度和人均耕地面積5個方面的因素，且每一個障礙因素在研究期間均連續出現。環境基礎設施投資總額雖然出現的頻率最多(90.91%)，但從2011年開始障礙度排序已由第二位降為第四位，說明江蘇省逐步加大環保投入，意識到環境建設對于提高區域資源環境承載力的重要性。森林覆蓋率障礙因素出現的頻率為81.82%，且在2004—2012年期間均為第一障礙因素，因為森林資源作為一種自然資源，森林面積的多與少與生態功能、環境容量的大小有密切的關系，因此，森林覆蓋率必然成為制約區域資源環境承載力的第一因素。研究時段內，經濟子系統中的地均固定資產投資出現的頻率也較高，達72.73%，但障礙度排序逐漸由第三位過渡到第五位，說明地均固定資產投資雖然是影響區域資源環境承載力的主要障礙因素，但隨著江蘇省經濟的發展、經濟結構的逐步調整，該障礙因素的作用在不斷弱化。人均耕地面積與人口密度兩個指標的障礙度出現頻率均為54.55%，但人均耕地面積作為主要的障礙因素從2009年開始連續出現，且障礙度排序由第三位逐漸躍升到第一位，說明江蘇省作為經濟相對發達地區，經濟的發展、人口的增多擠占了大量的耕地資源，而耕地資源直接影響到一個區域的糧食安全，因此，保護耕地資源成為提高區域資源環境承載力的第一要務。

表5　資源環境承載力平均障礙因素排序

表6　江蘇省資源環境承載力主要障礙因素排序

注：羅馬字母的大小代表障礙因素的排序，如：Ⅰ表示某指標障礙度排序第一，依次類推。

3　結論與討論

(1) 在構建適用于省級的資源環境承載力指標體系的基礎上，運用突變級數法對2004—2014年江蘇省的資源環境承載力進行實證研究。結果表明：江蘇省的資源環境承載力在波動中不斷上升，資源環境承載能力從較弱承載力(Ⅱ)發展到較高承載力(Ⅳ)，這是經濟社會復合系統與資源環境復合系統共同作用的結果。

(2) 為了進一步研究制約江蘇省資源環境承載力的因素，引入障礙因素模型對江蘇省資源環境承載力的障礙度進行測算，結果表明：經濟子系統和資源子系統是影響江蘇省資源環境承載力提高的主要因素，而其中人均耕地面積是最重要的障礙因素。主要障礙因素的影響力和影響時間隨時間會發生不斷變化，如地均固定資產投資和環境基礎設施投資總額兩項障礙因素對資源環境的影響力在逐步降低，而人均耕地面積因素對資源環境的影響力卻在不斷提高。

本文基于突變級數模型從時間尺度探討了江蘇省資源環境承載力大小的演變并進行了障礙因子的識別，但本文未從空間尺度進行資源環境承載力的計算與探討，江蘇省各市資源環境承載力如何，空間演化規律如何還有待進一步研究與探討。

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