基于載體-載荷視角的資源環境承載力評價
——以濟南市為例

馬文秋周景陽

(山東建筑大學 管理工程學院，山東 濟南250101)

0 引言

目前我國已進入“十四五”時期，對發展的質量提出了更高層次的要求。 “十四五”規劃指出要合理確定城市規模和空間結構、推動形成高質量發展的空間保護格局，該目標的實現需要立足資源環境承載力[1]。 資源環境承載力是指導城市可持續發展實踐的重要尺度，有利于衡量社會經濟活動與城市資源環境系統之間的相互作用[2]。 而城市資源環境承載力評價是指科學研判城市資源環境系統狀況，有利于指導城市管理和規劃者的科學管理和開發，實現經濟的高質量發展。

迄今為止，有關資源環境承載力的研究在內涵、研究維度、評價方法上都有了較大進展。 LIU 等[3]將環境承載力定義為“假定環境本身對社會經濟發展施加一定的限制，社會經濟活動將導致資源環境系統發生不良變化的極限”。 LIAO 等[4]將資源環境承載力表述為“在生態系統保持結構穩定和功能完整的條件下，生態系統所能承受的社會和經濟壓力”。 在研究維度上，從土地[5]、水[6]、大氣[7]等單因素承載力到資源環境[8]、生態承載力[9]等多因素承載力，選取的指標也更加綜合。 IRANKHAHI等[10]通過綜合城市自然和人為系統的多種因素，利用地理信息系統的方法評價城市環境承載力，并將資源環境承載力評價方法分為不同的等級。 王學軍[11]設計了一種基于水、土地、環境和生態4 個維度的評價指標體系，評價了中國省級資源環境承載力。 常用的評價方法有狀態空間法[12]、層次分析法[8]、灰色關聯度分析-優劣解距離法[13]、集對分析模型[14-15]等。 也有許多的研究者引入了其他方法，如LIU 等[3]的剩余比率模型、CHEN 等[16]的承載力儀表板法等。

上述研究為資源環境承載力內涵理解和評價方法奠定了堅實的理論基礎，但關于城市資源環境承載力的定義和方法仍沒有達成共識，研究者的多重理解為城市管理者和公眾帶來了困惑。 基于此，文章提出了一種基于載體-載荷視角的資源環境承載力評價方法，更便于理解，也更符合可持續發展的內在要求。 同時，分析了城市系統，通過載體子系統、載荷子系統以及兩者之間的相互作用機制理解城市資源環境承載力的內涵，給出了基于載體-載荷視角的城市資源環境承載力的定義。 將城市載體和城市載荷進行維度的劃分，并從載體-載荷的角度建立城市資源環境承載力的承壓-壓力評價指標體系。 利用熵權法和線性求和的方法，計算出承壓指數、壓力指數和城市資源環境承載力指數，并以濟南市為例展開實證分析。

1 評價方法

1.1 內涵界定

對于城市資源環境承載力的評價需要在理解其內涵的基礎上進行。 根據城市生態系統理論，其由自然生態系統、經濟生態系統和社會生態系統組成。這一系統是開放、適應性、彈性和復雜的系統，需要依靠能量、物質、信息流的不斷輸入和輸出來維持功能[17]。 自然生態系統為經濟生態系統和社會生態系統提供了可利用的資源和發展空間，滿足了經濟生態系統、社會生態系統的發展需求。 經濟生態系統、社會生態系統是人類活動的結果，人類的各類生產和生活活動會產生大量的垃圾和廢物，在一定程度上對自然生態系統產生壓力或負面影響，其相互作用關系可以用承載力的概念描述。 承載力的概念起源于物理學，包括載荷和支持載荷的載體兩個對象，載荷對載體施加壓力，載體對載荷進行承壓，兩者之間的相互作用稱為承載力[18]。 此概念已廣泛地引入人類社會科學和許多其他與人類活動和資源環境有關的研究領域。 本著這一原則將自然生態系統視為城市載體，將社會生態系統和經濟生態系統(統稱社會經濟生態系統)視為城市載荷。 這兩大系統之間物質、能量和信息流的不斷流動反映了城市載體和載荷之間的相互作用。 由于載體的承壓能力有限，對社會經濟生態系統的活動強度有制約作用。 如果載荷對載體施加的壓力過大，城市載體可能會超載。 然而這種約束效應在一定程度上是可以改變的，可以采取一定的監管措施來減輕載荷施加的壓力和增加載體的承壓能力，從而減輕超載問題。基于此分析，把資源環境承載力內涵界定為:在城市資源環境系統保持結構穩定和功能完整的情況下，自然生態系統能夠支持社會經濟系統發展的最大能力。 這一能力取決于城市載荷對城市載體施加的壓力以及城市載體對城市載荷的承壓能力。 其概念模型如圖1 所示。 城市發展不可持續問題的出現主要是因為社會經濟生態系統產生的壓力超過了自然生態系統的承壓能力。

1.2 載體-載荷維度劃分

社會經濟生態系統以人的生活和生產活動為主導，涉及農業、工業、城市建設和日常的生活活動[19]。 各類活動消耗了資源，產生了垃圾、廢水、廢氣和廢物，在一定程度上對自然環境造成了污染[20]。 城市載荷具有客觀性，還受到人口、社會經濟發展水平及結構的影響。 由于社會經濟生態系統的主體是人，人口的多少直接決定著對資源的索取量，并且社會經濟發展水平及結構是生產方式和生活方式的體現，生產力的水平和結構對自然生態系統的作用在廣度和深度都有著重大的影響[21]。 因此，認為城市載荷主要包括人口、社會經濟發展水平及結構、資源消耗和環境污染4 個維度，如圖2所示。

自然生態系統包括自然資源、環境吸收、生態服務，并受社會支持的影響，如圖3 所示。 其中，自然資源系統由水資源、土地資源、森林資源和礦產資源等眾多要素組成，為社會經濟生態系統提供可利用的資源。 環境吸收是指自然環境子系統中的水環境、土地環境和大氣環境等要素，對人類活動產生的廢氣和污染物的吸收[3]。 生態服務是指自然生態系統中地質系統和其他自然現象的統稱[3]，包含供應、調節文化和支持服務等。 社會支持是指人類社會通過科學技術和政策支持，在有限的時空環境中，提高可利用資源量、環境吸收能力和生態服務能力。社會支持能力是一個外生變量，通過改變其他3 個因素影響著自然資源環境的承載力。

圖3 自然生態系統4 個維度示意圖

1.3 評價指標體系的確定

在識別城市資源環境系統載體和載荷的基礎上，從載體-載荷的視角出發建立承壓-壓力兩個方面的評價指標體系。 承壓指標主要反映自然生態系統對社會經濟生態系統的承壓能力，包括自然要素構成的客體實在指標和提高載體承壓能力的潛力指標兩個方面。 壓力指標主要反映在社會經濟生態系統中人類的各類經濟社會活動帶給自然生態系統的壓力。 通過梳理相關研究發現，前人的研究為資源環境承載力的評價引入了各種評價體系[22-24]，這些研究為后續評價城市的資源環境承載力提供了有價值的參考。 文章首先利用頻度分析方法篩選出常用的指標，作為指標選取的基礎；其次在載體-載荷理論分析的基礎上，同時兼顧科學性、協調性、代表性和可操作性的原則，選擇能夠反映自然資源能力、環境吸收能力、生態服務能力、社會支持能力、人口、社會經濟發展水平及結構、資源消耗和環境污染8 個維度的指標。 承壓指標和壓力指標分別見表1、2。

表1 承壓指標表

表2 壓力指標表

自然資源能力是城市資源環境系統的本質屬性，為人類的生產和生活提供最基本的物質、能量和空間。 土地資源為城市的發展提供空間，具有有限性和不可移動性[25]。 水資源和能源資源為城市的運行提供物質和能量。 三者成為制約城市發展的關鍵要素。 因此，采用人均天然氣供應量、人均土地面積、人均供水量來衡量城市資源環境系統的自然資源承載力。

環境吸收能力反映了城市資源環境系統對排放到大氣環境和水環境中的廢水和污染物的處理吸收能力。 通過基礎設施的處理，生活垃圾、廢物和污染物得到了處理和二次利用，對環境系統起到了支持。因此，選擇集中式飲水水質達標率、清運垃圾、污水處理率指標來衡量環境吸收能力。

生態服務能力包含供應、調節、文化和支持服務，直接或間接來自自然，有助于提高人們的生活質量，這些服務是根據生態系統的特征確定的。 文章采用人均公園綠地面積、人均城市道路面積和建成區綠化覆蓋率來衡量城市資源環境系統的生態服務能力。

社會支持能力是一個外生變量，通過改變內生變量(自然資源能力、環境吸收能力、生態服務能力)來影響城市自然資源環境的承載力。 作為最活躍和最易管理的變量，社會支持能力用環保投入占財政支出的比重和科學技術支出占財政支出的比重來衡量。

人口是城市資源環境系統中最活躍的要素，直接主導著城市的發展和演變[25]。 人類圍繞著衣食住行進行著各類活動是城市系統運轉的動力因素。人口聚集密度越大，對城市自然資源環境系統產生的壓力也就越大。 因此，采用人口密度衡量。

社會經濟發展水平及結構反映了一個地區當前的發展狀態，表明了對資源環境的沖擊程度。 社會經濟發展的最終目的是增加人類福祉、提高生活水平，因此選取城鎮人均可支配收入和農村人均可支配收入來衡量。 社會經濟發展的結構不同嚴重影響著對自然資源環境系統的索取，在此選擇第二產業GDP 占比來衡量。

資源消耗反映了人類各種活動對自然資源系統的壓力，與資源消耗總量、資源消費結構、利用效率和利用方式密切相關。 因此，選取人均日生活用水量、萬元GDP 電耗、萬元GDP 水耗對資源消耗程度進行衡量。

環境污染反映了城市載荷對自然生態系統產生的壓力。 人類的各種活動會產生大量的廢物和污染物，對土地環境、水環境和大氣環境產生侵害。 因此，選取萬元GDP 廢水排放量、萬元GDP 二氧化硫排放量和萬元GDP 的COD 排放量來衡量。

1.4 評價模型

根據城市資源環境承載力的內涵，在評價城市資源環境承載力時，不僅要反映出城市載體對城市載荷的承壓能力及城市載荷對城市載體施加的壓力，而且還要從整體上反映出城市載體對城市載荷的響應程度。 因此，采用載荷與載體之間的比率來衡量城市資源環境承載力。 此模型借鑒參考文獻[26]，并根據研究的需要進行了優化，由式(1)表示為

式中ρ為特定城市的資源環境承載力指數；C為城市載體對城市載荷的承壓指數；L為城市載荷對城市載體的壓力指數。0＜ρ≤1，意味著城市載體支撐城市載荷的能力過剩，城市資源環境系統的承載力沒有得到充分的利用；ρ ＞1，意味著城市資源環境系統超載的風險很高，并且城市資源環境的長期可持續性較差。 計算將通過指標標準化、權重確定和線性加權3 個過程完成。

1.4.1 指標標準化

為了計算城市資源環境承載力評價模型，需要歸一化處理變量的值，消除不同指標之間量綱的影響，使指標之間具有可比性。 承壓指標的標準化由式(2)表示為

式中i =1，2，…，n；j =1，2，…，m；Cij為第j個承壓指標在第i年的值； maxCij、minCij分別為所有研究年份中承壓指標j的最大和最小值；為承壓指標j在第i年的標準化值，其值越大，表示城市載體對城市載荷的承壓能力越大。

壓力指標的標準化由式(3)表示為

式中Lij為第j個壓力指標在第i年的值； maxLij、minLij分別為所有年份中壓力指標j的最大和最小值；為壓力指標j在第i年的標準化值，指標值越小，表示城市載荷對城市載體施加的壓力越小。

1.4.2 確定指標權重

確定指標權重的方法有多種，目前熵權法為主流方法[27]，其確定的權重較為客觀。 因此文章采用熵權法來確定指標權重。 熵權法的原理是指標樣本值之間的差異越大，包含的信息量越多，指標在評價中的意義越大，因此給該指標賦予更高的權重值。

(1) 計算PijPij為承壓指標中第j項指標在第i年的標準化值在整個評價年份序列中的比重，由式(4)表示為

(2) 計算第j項指標的熵值Ei，由式(5)表示為

式中k為玻爾茲曼常數，

(3) 求承壓指標第j項指標的權重，由式(6)表示為

利用同樣的方法，求得各個壓力指標的權重ωl

j。

1.4.3 計算承壓指數和壓力指數

指標C1～C3 用于測量自然資源維度(A1)的承載力，指標C4 ～C6 用于測量環境吸收維度(A2)的承載力，指標C7 ～C9 用于測量生態服務維度(A3)的承載力，指標C10 ～C11 用于測量社會支持維度(A4)的承載力。 因此，基于每個指標上述所求的歸一化值和加權值，利用線性加權的方法來計算研究區域的承壓指數和壓力指數。 線性加權方法由式(7)～(12)表示為

式中C(A1)為自然資源維度承壓指數的值；C(A2)為環境吸收維度承壓指數的值；C(A3)為生態服務維度承壓指數的值；C(A4)為社會支持維度承壓指數的值；L為載荷對載體的整體壓力指數的值；C為載體整體承壓指數的值。

利用式(13)～(16)，計算出研究區域每個維度的承載力；利用式(17)計算出整體的城市資源環境承載力。

式中ρ A1()為自然資源維度承載力的值；ρ A2()為環境吸收維度承載力的值；ρ A3()為生態服務維度承載力的值；ρ A4()為社會支持維度承載力的值；ρ為城市資源環境整體承載力的值。

2 實證分析

2.1 研究區概況

濟南市是山東省的省會，是山東半島城市群和濟南都市圈的核心城市，也是山東省重要的政治、工業和經濟中心。 其位于山東省的中西部地區，北跨黃河，南依泰山，境內泉水資源較為豐富，又稱“泉城”，是重要的旅游城市。 氣候屬于半濕潤性季風氣候，四季分明，全年平均降水量較少，低山丘陵和平原地形所占面積大于總面積的95%。 濟南市由市中、歷下、天橋、槐蔭、歷城、長清、萊蕪、鋼城、章丘、濟陽10 個區和平陰、商河2 個縣組成。 2020年，總人口為920.24 萬，人口自然增長率為3.14%。工業、鋼鐵、化工和建筑等為經濟發展的支柱產業，2020 年生產總值為10 140.9 億元。 然而，經濟的飛速發展給濟南市的資源環境系統帶來了沉重的負擔。2020 年，PM2.5達到0.047 mg/m3，超過GB 3095—2012《環境空氣質量標準》[28]二級標準的0.34 倍。 該市人均水資源占有量僅為283 m3，遠低于山東省的平均水平。 可用于建筑開發的土地稀缺，而且用于農業和工業發展的土地數量的增加又加劇了這種困境。 在發展的過程中，生態系統也遭到一定程度的破壞。

2.2 數據來源

所有的原始數據均來自國家統計局，因此其是可信且有效的[29-32]。

2.3 結果分析

利用研究提出的評價方法，選取濟南市作為案例進行評價。 通過極差法對數據進行標準化處理，利用熵權法得到每個指標的權重，再利用線性求和的方法計算出整體及每個維度的承壓能力和壓力，從而得到資源環境承載力的值。 每個指標的權重見表3，其評價結果見表4。

表3 承壓-壓力指標權重表 %

表4 各維度承載力計算結果表

2.3.1 承壓能力、壓力及承載力評價結果分析

資源環境承載力承壓指數、壓力指數、資源環境承載力指數變化趨勢如圖4 所示，2009—2019 年，城市載體對城市載荷的承壓能力呈現穩步上升的態勢，從2009 年的0.17 到2019 年的0.92，得益于濟南市城市基礎設施建設的不斷加強和城市公共事業發展水平的不斷提高。 城市的綠化覆蓋率和人均公園綠地面積等都呈現上升的趨勢。 政府部門不斷增加環保方面的投入。 無論是從硬件還是從軟件出發，城市的生態環境都更加符合人們對美好生活的殷切期盼。 隨著國家創新型城市和中國軟件名城的試點，濟南市政府對于科學技術的投入不斷提高，促進了產業結構調整，從而提升了城市載體的承壓能力。 城市載荷對城市載體施加的壓力可分為2009—2013 年的上升階段和2014—2019 年下降階段。 2009—2013 年壓力的上升，與當時的經濟大環境是密不可分的。 (1) 在2008 年的經濟危機后，國際、國內的經濟形勢極為復雜，經濟復蘇迫在眉睫；(2) 2011年是“十二五”的開局之年，為了建成更高水平的小康社會，加快經濟發展成了首要任務，快速的發展勢必會對城市載體施加壓力，因此導致了該時期城市載荷施加的壓力不斷增加。 然而，自2014年起，濟南市開始認真落實“加快科學發展、建設美麗泉城”的各項任務，經濟發展穩中向好。 濟南市政府嚴格落實節能減排目標責任制，關掉落后產能產業，并大力開發、應用新能源和可再生能源，推行風力發電、太陽能發電、生物質發電等[30]，從而降低了城市載荷對城市載體施加的壓力。 自2009 年起，城市資源環境承載力在大多數年份呈現上升趨勢，在2013 年達到最大值1.92。 這說明了2009—2013年，濟南市的資源系統整體超載風險較高，可持續性較差。 自2014 年，城市資源環境承載力的值呈現下降趨勢，在2019 年達到最小值0.16，且在該期間承載力值均＜1，說明濟南市的資源環境系統承載城市載荷的能力過剩，濟南市的發展可持續性較好。

圖4 資源環境承載力承壓指數、壓力指數、資源環境承載力指數變化趨勢圖

2.3.2 短板因素及載體各維度承載力特點分析

城市資源環境系統的承載力是由自然資源承載力、環境吸收承載力、生態服務能力和社會支持能力4 個維度構成的。 分維度的分析，有利于政府管理和決策者洞察城市資源環境系統的短板因素和特點，從而制定更具有針對性的政策。 根據承載力指數數值＞1 的頻數高低來確定資源環境系統的短板因素。 在2009—2019 年的11 年研究期內，承載力指數＞1 的次數分別為:環境吸收能力6 次、社會支持能力5 次、生態服務能力3 次、自然資源能力1 次。 因此，在濟南市資源環境系統中，環境吸收能力為最大的短板因素，社會支持能力為次要的短板因素。 除此之外，4 個維度的承載力隨時間序列的變化也各有特點，如圖5 所示。 在研究期內環境吸收承載力指數變化最為顯著，在2009—2014 年間環境吸收能力指數均大于1，更甚者在2011 年最大值達到了4.07。 自2015 年環境吸收承載力指數呈現下降趨勢，在2019 年最小值達到了0.15。 在此期間政府嚴格控制污染物的排放量，對污染物和廢物進行及時處理，濟南市的環境質量有了很大程度的改善。 官方數據也顯示，大氣環境中各類污染物不斷降低，全年空氣質量良好天數逐步增加，水環境和土地環境各項指標趨于正常。 社會支持能力在研究期內存在多處轉折點，也證實了前人的結論:社會支持力是一個外在變量，較為活躍，易受到外界因素的影響。 因此，政府部門對于生態文明建設的態度和資金支持起著關鍵作用。 政府部門應該把生態建設放在重要的位置，不遺余力地持續推進生態文明建設。與生態服務能力相比，自然資源能力的變化就較為平緩，自然資源能力是資源環境系統的自然稟賦，濟南市境內富有各類礦產資源和森林資源，對城市載荷的支持能力較好，因此在資源量一定的情況下，進行工業結構調整和節能減排是提高自然資源能力的關鍵舉措。

圖5 載體分維度承載力值雷達圖

3 結語

針對目前關于城市資源環境承載力還沒有統一的評價方法的現狀，文章提出了一種基于載體和載荷視角的城市資源環境評價的理論方法。 通過對城市系統的分析，從載體和載荷的角度對城市資源環境承載力進行定義。 社會經濟生態系統作為城市的載荷，包含人口、社會經濟發展水平及結構、資源消耗和環境污染4 個維度；自然生態系統作為城市的載體，包含自然資源、環境吸收、生態服務和社會支持4 個維度。 利用頻度分析法和理論分析法選取具有代表性的指標，構建科學、綜合的指標評價體系。文章提出的方法有助于從本質上認識城市資源環境承載力。 以濟南市為例進行了案例分析，證明了所引入的城市資源環境評價方法的實用性和有效性。通過分析發現濟南市的城市載體對城市載荷的承壓能力不斷提高，城市載荷對城市載體施加的壓力呈現小幅度的下降趨勢。 城市資源環境系統的承載力過剩，濟南市的可持續發展狀態較好。