發(fā)展中城市的土地資源承載力評價及預測

劉兆霞 皇傳華 楊克俊 王瑞燕

摘要：長期以來，土地資源在發(fā)展中城市發(fā)揮著極其重要的作用。定量評價和預測土地承載力狀況為提高發(fā)展中城市土地承載力提供科學依據，也為土地承載力評價研究提供新思路。以濟南為例，濟南市是一個典型的發(fā)展中城市，依據濟南市區(qū)域的自然社會經濟的實際狀況，從土地資源社會承載力、經濟承載力、建設規(guī)模承載力、生態(tài)承載力4個方面中選取20個指標建立評價指標體系，研究濟南市土地資源承載力2007—2017年11年的變化狀況，通過熵值法計算濟南市各指標權重和土地資源承載力指數，運用灰度模型預測法對其進行預測。結果表明，濟南市在11年期間，土地資源承載力經歷了由低承載水平向較高承載水平發(fā)展的過程，其中，生態(tài)承載力較快速提升，經濟承載力、建設規(guī)模承載力穩(wěn)步提升，但社會承載力增長較慢，仍需不斷加強，且未來6年，濟南市土地資源承載力穩(wěn)步上升。生態(tài)承載力的增長對濟南市的土地資源承載力貢獻最大，社會承載力是制約濟南市整體發(fā)展的主要因素，須調整濟南市產業(yè)結構等方面提升濟南市的土地資源承載力。

關鍵詞：土地資源承載力;熵值法;評價;濟南市;灰度模型預測法

中圖分類號： F301.2文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）07-0217-06

收稿日期：2020-07-28

基金項目：山東省重點研發(fā)計劃（編號：2015GNC110010）。

作者簡介：劉兆霞（1995—），女，山東龍口人，碩士研究生，主要從事土地資源管理研究。E-mail：1021258336@qq.com。

通信作者：王瑞燕，博士，副教授，主要從事土地資源和遙感方面的研究。E-mail：wry@sdau.edu.cn。

當前經濟社會不斷發(fā)展，城市化進程不斷推進，城市人口數量劇增，土地開發(fā)強度增大，生態(tài)環(huán)境安全不斷惡化，導致各資源與區(qū)域經濟、社會協調發(fā)展的關系越來越嚴峻，近年來，資源環(huán)境承載力評價越來越多地出現在城市的各項規(guī)劃之中[1]。土地是人們賴以生存的基礎，隨著城市人口持續(xù)增長和城市化地快速推進，城市土地資源供給的稀缺性與社會需求的增長性之間的矛盾日益突出[2]。土地資源承載力是土地資源可持續(xù)利用研究的核心[3]，區(qū)域人口、資源與社會經濟可持續(xù)發(fā)展的重要指標[4]。土地資源承載力作為資源環(huán)境承載力中重要的一部分，科學合理地對其進行規(guī)劃對于區(qū)域土地資源的可持續(xù)利用以及區(qū)域的可持續(xù)性發(fā)展具有重要的作用[5]。

21世紀以來，對于土地承載力的研究也變得越來越多。Saveriades主要通過對資源環(huán)境承載力、經濟社會承載力等方面進行研究，進一步研究塞浦路斯旅游承載力[6]。Gerst探索循環(huán)發(fā)展及其對環(huán)境的影響，來實現資源可持續(xù)利用的目的[7]。McKeon等研究澳大利亞氣候變化與環(huán)境承載力之間的關系[8]。很多學者都對馬里的Diamou地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展進行了研究，得出的結果是由于牧區(qū)人群的粗放作業(yè)，造成了該地區(qū)的土地資源的持續(xù)退化[9]。Kawa等對土地承載力的另一方面進行了研究，其通過梳理、分析而得出最優(yōu)的成果，研究了地基土壤種類與厚度對土地承載的相互關系，并根據計算得出的最優(yōu)結果從新的方面對土地承載力進行研究[10]。國內對于土地資源承載力的研究處于不斷發(fā)展階段，孫鈺等基于TOPSIS模型對京津冀城市群地區(qū)的土地承載力進行了研究[11];張紅等基于層次分析法對舟山市的土地承載力進行了評價研究[12]。對于土地承載力的評價研究，主要包括土地承載力的短板因素研究，傅世鋒等基于空間分析方法對開發(fā)區(qū)土地的承載力狀況進行了研究[13]。何剛等基于GM（1，1）對安徽省 2016—2020年的土地承載力狀態(tài)進行了預測研究[14]。隨著科學技術的提高，相關研究也開始借助于 ArcGIS、遙感等現代科技手段對土地資源承載力進行探索，嚴惠明采用GIS（地理信息系統）空間法對福建土地資源承載力進行評估研究[15]。何尹杰等運用客觀評價法和GIS技術相結合的方式對土地資源承載力進行評價分析[16]。這些研究豐富了土地資源承載力的相關理論和研究成果，為之后的土地利用奠定了堅實的基礎，但同時發(fā)現了一些不足之處：承載力評價主要是定性分析，定量分析相對較少研究，評價指標多是資源與環(huán)境狀況方面的，很少綜合考慮人類活動、社會經濟等對評價承載力的影響，而且對土地承載力動態(tài)預測較少，且不同方法之間預測結果不便于比較。在評價的基礎之上進行預測，可以準確把握區(qū)域土地承載力未來變化趨勢，為之后土地利用的動態(tài)管理提供重要依據。

目前，在土地利用方面，發(fā)展中城市存在各種問題，比如無序建設使得建設用地不規(guī)范，部分建設用地在控制范圍之外，造成用地不合理的現象。發(fā)展中城市目前都正處于經濟社會快速發(fā)展的重要時期，各項建設用地對土地需求逐漸增大，土地資源供需矛盾突出;發(fā)展中城市人口密度大，人多地少，土地資源尤為珍貴，總的來說，城市存在用地緊張、后備資源不足、生態(tài)環(huán)境較脆弱、土地利用也不合理等問題亟待解決，且現在發(fā)展中城市大多都處于工業(yè)化、城市化發(fā)展的重要階段，人口與土地、土地與土地之間的矛盾較尖銳，以濟南市為代表。近幾年，并無濟南市的土地資源的承載力分析評價的研究，因此，探究濟南市的土地資源承載力，分析土地資源的現狀、存在問題，以及提出建設性合理意見很有必要。

本研究在分析總結前人研究成果的基礎上，利用熵值法、指數法和灰色模型相結合的方法對土地承載力進行評價與預測，以期完善和提高土地承載力理論體系及評價方法。通過熵權法對指標賦權，在一定程度上避免了指標權重受主觀因素的影響;運用多目標資源評價模型的指數法進行評價，利用灰色模型對未來6年土地承載力進行預測，能直觀了解濟南市土地承載力的現狀和未來的發(fā)展趨勢，便于相關部門準確把握土地利用的動態(tài)變化并進行及時監(jiān)督管理，研究結果可為濟南市可持續(xù)發(fā)展和相關土地利用規(guī)劃決策提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

山東省濟南市地處36°01′～ 37°32′N，116°11′～117°44′E，占地面積7 998 km2，地勢是南高北低，地形復雜多樣。濟南泉水眾多，地下是可溶性灰?guī)r，泉群眾多，水量充沛，被稱為天然的泉水博物館。濟南是明顯的季風性氣候，四季分明，年平均氣溫為13.5～15.5 ℃，全年無霜期230 d左右，降水量為600～900 mm。2017年全市地區(qū)生產總值達到 7 201.96 億元，比2016年增長8.0%，就業(yè)形式保持穩(wěn)定，全年新增就業(yè)人數18.9萬人，年末城鎮(zhèn)登記失業(yè)率降為2.08%。近年，濟南市改革深化，優(yōu)化公共服務?？偠灾?，濟南市整體水平不斷上升。

1.2 濟南市土地資源承載力指標體系

1.2.1 數據來源以及體系框架構建

國內外土地資源承載力研究已很成熟，在評價指標的選擇和指標體系的構建等方面也不斷完善。結合濟南市的土地資源利用情況，通過參考前人研究方法及成果[17]，構建了評價指標體系。指標設計時遵循以下原則：可操作性，在選取指標時，要考慮到指標的實用性與量化的難易程度;科學性，選取真實數據，運用科學方法進行分析，使評價結果具有更高的可信度;層次性，土地是一個較為復雜的多因素系統，在構建指標體系時，須結合實際情況建立層次分明的指標體系，并逐步分析評價。本研究查詢了2007—2017年《濟南市統計年鑒》《山東省統計年鑒》《濟南市政府工作報告》等數據，具體見表1。

1.3 濟南市土地資源承載力綜合評價方法

1.3.1 評價指標的標準化

因為土地資源承載力評價系統具有復雜性，許多評價指標之間不存在關聯，指標中各原始數據量綱不同，難以進行統一的評價，指標中存在著成本型指標，又存在著效益型指標，所以比較起來不便。因而，為了數據的可比性，須要對各評價指標進行無綱量化處理使其一致，采用極差法對原始數據進行無量綱化處理[18]，計算公式如下：對原始資料矩陣R=（rij）mxn（i=1，2，…，m;j=1，2，…，n）進行標準化得到矩陣B=（bij），其中m為評價對象年數，n為評價指標個數，bij表示指標的無量綱化。

bij=rij-rminrmax-rmin;（1）

bij=rmax-rijrmax-rmin。（2）

式中：rmax為指標的最大值;rmin為指標的最小值。當評價指標為效益型指標時，用式（1）進行標準化處理;當評價指標為成本型指標時， 用式（2）進行標準化處理。

1.3.2 確定評價指標權重

在土地資源承載力評價中，各個指標的權重大小對評價結果有很大影響，指標權重的正確性、合理性直接決定評價結果是否具有可研究性。確定指標權重的方法分為主觀賦權法和客觀賦權法，主觀賦權法包括層次分析法、德爾菲法等，客觀賦權法包括變異系數法、信息熵法等[5]。由于本研究選取指標較多、土地資源承載力評價是一個較為復雜的系統，為了避免主觀賦權法的主觀性，結合濟南市實際情況，采用熵值法來確定權重。

根據式（3）計算第j項指標下第i個方案指標值的比重（Pij）。

Pij=bij∑mi=1bij。（3）

根據式（4）計算第j項指標的熵值（ej）。

ej=-[∑mi=1Pijln（Pij）]/lnm。（4）

根據式（5）計算第j項指標的差異性系數（效用值，gj）。對于第j項指標，指標值的差異系數越大，對方案評價的作用就越大。

gj=1-ej。（5）

根據式（6）計算第j個評價指標的熵權（wj）。

wj=gj∑njgj（1≤j≤n）。（6）

1.4 土地資源承載力指數評價

土地資源承載力評價體系是由多種指標因素所構成的一個較為龐雜的系統，它們之間彼此互相作用，因而采取多目標資源評價模型的方法來計算土地資源承載力指數（D）。公式為

D=∑ni=1wijbij。（7）

式中：wij表示指標對目標層的權重。指數越高，就表示土地的可承載性能越好。依據濟南市現狀，將承載力指數的標準進行分級。

1.5 濟南市土地承載力預測

1.5.1 土地承載力預測方法

由于數據的離散程度和數據量的有限性，很難確定與其相吻合的線性回歸模型，所以這里采用灰度模型預測的方法?；叶饶Ｐ皖A測法是能充分利用數據信息的一種方法，其理論主要將數據存在的不確定性量化為不同的灰度值進行計算，多次利用數據間的和差積商關系進行數據的處理，不斷逼近最精確的那個數值?；叶阮A測模型的種類也有很多，有GM（1，1）、GM（1，N）等，這里簡單地采用GM（1，1）的方法。

1.5.2 灰度模型預測法進行預測

基于2007—2017年的土地承載力指數，通過灰度模型預測法推算出未來6年的土地資源承載力指數，以其值為預測結果。

根據灰度模型中的G（1，1）的方法，分別給各年份賦予不同的時間序列，r（2007）=1，r（2008）=2，…，r（2017）=11。令X為各年份人口的初始數據，X′為灰度關聯后的擬合數值。

（1）設原始數列排成時間數列：

X（0）={X（0）（1），X（0）（2），X（0）（3），…，X（0）（r） }。

（2）生成AGO數列。對原始數據進行一節(jié)累加處理：

X（1）（r）=∑ri=1X（0）（r），r=1，2，…，n。

（3）確定數據矩陣B和Y。

令Z（1）={Z（1）（1），Z（1）（2），Z（1）（3），…，Z（1）（r）}，Z（1）為X（1）相鄰2個數值之間的平均值，即

Z（1）（r）=0.5×X（1）（r）+0.5×X（1）（r-1），r=1，2，3，…，n。

引入矩陣參數列u=ab，Y=X（0）（2） X（0）（r），B=-Z（1）（2）1-Z（1）（r）1，其中u為2行1列的矩陣列，Y為r-1行1列的矩陣列，B為r-1行2列的矩陣列，帶入數據。

（4）用最小二乘法求得矩陣列u，也就求得了發(fā)展系數a與灰作用量b的常數值，即

u=ab=（BTB）-1·BTY，帶入數據進行運算。

（5）通過解上面的一階非齊次常微分方程，可以求得數列X（1）′的表達式，進而求得X（1）′的每一個元素值，即灰度矯正下的每個元素的數量。

求得X（1）′（r）={0.474 6，0.564 8，0.627 9，0.698 2，0.776 3，0.863 1，0.959 6，1.067 0，1.186 3，1.131 90，1.466 5，1.630 6}。

經檢驗，ε>0.95可以進行預測，且預測模型數據之間高度關聯，與原數據高度吻合，驗證模型X（0）′是正確的。

2 土地資源承載力評價及預測結果

2.1 土地資源承載力評價結果

2.1.1 濟南市土地資源承載力指標體系權重值

采用熵值法，通過式（3）至式（6）計算出各個準則層和各指標的權重，結果見表2。

由表2可知，各準則層中，社會承載力的權重最高，建設規(guī)模承載力權重最低;從各個指標來看生活垃圾無害化處理量權重最高，人均耕地面積權重最低。

2.1.2 土地資源承載力指數評價

2007—2017年濟南市土地資源承載力指數變動狀況見圖1，各分項土地資源承載力指數見圖2。依據濟南市現狀，將承載力指數的標準進行了分級，分為5種標準，見表3。

由圖1可知，2007—2017年濟南市土地資源承載力指數呈穩(wěn)步上升趨向，且增長較為均勻，由0.131 4增長到了0.835 8，增長了0.704 4。2017年達到了最大值，在11年中速度增長最快，為較高承載力。

2.1.3 分項土地資源承載力指數評價

由圖2可知，濟南市社會承載力指數2007—2017年呈緩慢上升趨勢，由0.038 4上升至0.220 6;人口自然增長率由3.08‰上升至7.97‰，人口增長較快，社會人口壓力較大，造成社會承載力增長較遲緩。經濟承載力指數11年期間總體處于上升的狀態(tài)，承載力指數年均增長0.033 5，地區(qū)生產總值逐年增長，第三產業(yè)生產總值貢獻率不斷提高，工業(yè)總產值、人均生產總值、單位土地年工業(yè)總產值也是逐年不斷增加，因此濟南經濟實力不斷增強，經濟承載力也不斷提高，經濟承載指數穩(wěn)步上升。建設規(guī)模承載力指數變化較平穩(wěn)，2007—2017年11年期間建設規(guī)模承載力指數總體處于上升的狀態(tài)，年均增長0.041 6。2007—2017年，濟南市生態(tài)承載力指數一直處于快速上升的狀態(tài)，生態(tài)承載力指數年均上升0.061 1，工業(yè)固體廢物產生量不斷減少，建成區(qū)綠化覆蓋率不斷增大，生活垃圾無害化處理量提高，污水處理總量也不斷提高，濟南市生態(tài)質量不斷提高。

2.2 土地資源承載力評價預測的結果

采用灰度模型預測法，根據GM（1，1）建模方法，對濟南市2018—2023年土地資源承載力進行預測。由表4可以看出，濟南市土地資源承載力指數不斷上升，且上升幅度穩(wěn)定，土地承載力指數在2019年以后均超過了1，呈可持續(xù)利用的發(fā)展趨勢，說明濟南市在土地資源承載力方面不斷提高。

2.3 結果與分析

總的來說，濟南市土地資源承載力的提高處于一個比較平穩(wěn)的狀態(tài)，在2007—2017年，各單指標承載系統之間不斷協調，土地生產力不斷提高，土地利用方式趨于合理， 雖然資源評價值有了一定提升，但是各單指標承載系統協調性依然須要進一步提高，尤其是社會承載力方向，須要進一步提高承載能力。這一時期，土地服務功能得到了完善，土地生產力得到了巨大提高，土地利用結構較合理，土地集約節(jié)約利用程度高[19]，生態(tài)環(huán)境受保護程度高，生態(tài)系統良好，區(qū)域經濟處于良好發(fā)展趨勢，達到土地利用最佳狀態(tài)[20]。由預測結果可知，濟南市土地資源承載力指數逐步穩(wěn)定上升，說明濟南市在土地資源承載力方面不斷提高。對濟南市土地資源承載力指數的預測是在現有數據的基礎上進行的，但隨著政策和社會發(fā)展的變化，所選取的目標值與未來指標會存在一定的差異性，會產生一定的誤差，因此對于分析濟南市未來土地資源承載力有一定的影響。

3 討論與結論

本研究以濟南市當前的土地資源承載力為基礎，以土地社會承載力、土地建設規(guī)模承載力、土地經濟承載力和土地生態(tài)承載力為依據，從中挑選出20個可供參考的評價指標，結合濟南自然地理條件和社會經濟條件的實際情況，對濟南市2007—2017年土地承載力進行資源評價分析并預測，得出結論如下：2007—2017年，濟南市各項土地資源承載力均在逐步上升，其中社會承載力、建設規(guī)模承載力、經濟承載力處于穩(wěn)步提升狀態(tài)，而生態(tài)承載力的提升較為明顯，其對濟南市土地資源承載力的增長有著巨大的貢獻，相對來說土地社會承載力上升的程度不是很大，對濟南市土地資源承載力的貢獻并不是很明顯。由預測結果可知，濟南市未來6年土地資源承載力穩(wěn)步上升。因此，在以后的建設過程中，在環(huán)境允許的條件下，可以適當地開墾一些未利用的宜耕土地，增加人均擁有的耕地面積，提高土地利用率;適當加大土地利用開發(fā)程度，將閑置土地高效利用，達到土地資源配置最優(yōu)化;適當控制人口的增長，加強基礎設施的建設，提高人們的生活水平;適當加快產業(yè)結構調整，將第三產業(yè)開發(fā)作為重點目標，提高社會經濟發(fā)展進程。要加強監(jiān)管制度，讓生態(tài)與經濟協調發(fā)展，從各方面提高土地資源承載力。根據此次濟南市土地承載力評價結果，近年來濟南市土地承載力的發(fā)展仍有一些不協調因素，仍需更具協調性的優(yōu)化才能保證其健康發(fā)展。

本研究主要分析了生態(tài)、經濟、人口以及建設規(guī)模這4個大類，但是土地資源承載力的內部影響因素比較多，并且系統內部關系也比較復雜，所以本研究分析過程還不夠精確：首先在評價指標的選擇上不夠全面，后期的結論可能出現偏差;其次評價技術仍需提高。在以后的研究中須要健全評價指標體系，使結果更加精確;要運用多種方法評價，對評價結果進行對比分析，使評價結果更具有綜合性。

當前，對土地資源承載力評價的研究仍處于發(fā)展研究階段，須要不斷完善理論和方法。同時要結合定性與定量，在準確把握理論概念的基礎上，定量地對數據進行深入研究，從而準確了解濟南市的土地資源承載力，依據承載力結果分析研究，從而制定適合濟南市的戰(zhàn)略對策。目前仍沒有完善的標準評價指標體系，所以，要加強在理論方面的研究，須要對其進行全面系統的研究調查;理論要與實地調查緊密結合，使結果更準確，更具有參考價值。土地資源承載力評價是對一個區(qū)域土地資源承載力研究的高度重視，對推動該區(qū)域的社會經濟、生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義，因此應著眼于提高每個區(qū)域的土地資源承載力，促進城市的發(fā)展和進步。

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