四平市自然資源綜合承載力評價與預測研究

孟 玫，李秀霞，孟祥健

（吉林師范大學旅游與地理科學學院，吉林·四平 136000）

四平市自然資源綜合承載力評價與預測研究

孟 玫，李秀霞*，孟祥健

（吉林師范大學旅游與地理科學學院，吉林·四平 136000）

運用狀態(tài)空間法構建綜合承載力模型，對吉林省四平市2000~2014年自然資源綜合承載力進行了評價，用灰色預測GM(1,1)模型對其進行預測，并針對存在問題提出了合理化建議。結果顯示：四平市自然資源綜合承載力呈現(xiàn)出W型波動式上升，但始終處于嚴重超載狀態(tài)；未來10年四平市自然資源綜合承載力雖然呈現(xiàn)上升趨勢，但仍將處于嚴重超載狀態(tài)；四平市土地資源比較豐富，但水資源和能源相對不足，是制約該市經濟發(fā)展的主要因素。文章最后從提高資源的利用率、保護水資源、優(yōu)化產業(yè)結構等方面給出合理化建議，以期為四平市經濟的可持續(xù)發(fā)展提供技術參考。

自然資源；綜合承載力；評價與預測；狀態(tài)空間法；主成分分析；灰色預測模型

1921年，人類生態(tài)學家帕克（Park）和伯吉斯（Burgess）提出承載力（Carrying Capacity）概念[1]，隨后相繼出現(xiàn)了草地承載力、土地資源承載力、水資源承載力等，內涵不斷豐富，測算方法也逐步完善，尤以土地資源和水資源承載力等方面取得的成果較多[2]。

國內關于承載力的研究始于20世紀80年代，雖起步較晚但研究成果豐富，并主要集中于絕對資源承載力方面[3]。而由于我國人口總量大，資源總量有限，故利用傳統(tǒng)的絕對資源承載力方法并以國際標準來衡量資源的可承載人口數量時，幾乎總是得到實際人口超載甚至嚴重超載的結論，顯然這一結論對實踐的指導意義有限。因此，2000年黃寧生等人提出了相對資源承載力的概念，并以廣東省為例進行了實證研究[4]，之后景躍軍從研究單一的水土資源相對承載力向綜合資源承載力轉變[5]。另有學者分別采用空間差異分析、系統(tǒng)動力學、生態(tài)足跡法等，構建相應的評價模型并進行實證分析與測算，為定量化分析承載力作了有益探討[6~12]。本文在回顧相對資源承載力研究進展基礎上，嘗試對現(xiàn)有測算模型進行改進，并運用狀態(tài)空間法構建綜合承載力模型，對吉林省四平市2000~2014年自然資源綜合承載力予以評價，并用灰色預測GM（1,1）模型對其進行預測，針對存在問題提出合理化建議。

1 研究方法

本文通過構建狀態(tài)空間模型來分析評價自然資源綜合承載力。狀態(tài)空間是歐氏幾何空間用于定量描述系統(tǒng)狀態(tài)的一種有效方法，通常由表示系統(tǒng)各要素狀態(tài)向量的狀態(tài)空間軸組成。表示向量的空間軸分別代表土地、水資源、能源，狀態(tài)空間中的原點與系統(tǒng)狀態(tài)中的其它點所構成的矢量模代表區(qū)域承載力大小。但是不同時期、不同地區(qū)的資源環(huán)境各要素對綜合承載力的影響不同，因此狀態(tài)軸的權重大小不一樣，故自然資源綜合承載力測算模型不是此三種力的簡單相加，而是各種作用的合力，是一個有機的綜合體。因此，自然資源綜合承載力公式為：

式中：ZCC是一定時期一定區(qū)域的自然資源綜合承載力；CT、CS、CN分別代表土地資源承載力、水資源承載力、能源承載力；WT、WS、WN則分別是土地資源承載力、水資源承載力、能源承載力所在狀態(tài)軸的權重值。

土地資源承載力CT、水資源承載力CS、能源承載力CN的計算式為：

式中：IT為土地資源承載力指數，Qt為研究區(qū)耕地面積，QT為參照區(qū)耕地面積，Po為參照區(qū)人口數量；IS為水資源承載力指數，Wt為研究區(qū)水資源總量，WT為參照區(qū)水資源總量；IN為能源承載力指數，Et為研究區(qū)能源總量，ET為參照區(qū)能源總量。而能源承載力是指在一個可預見的時期內，在當時科技、自然環(huán)境和社會經濟條件下，能源總量所能供養(yǎng)的人口數量。在選取分析的對象上選擇了能源中較常見的三種類型，分別是原煤、石油、風電。

采用主成分分析方法求取權重值，也即將多個有一定相關性的復雜指標的數據通過“降維”處理之后，轉換成少數幾個互不相關的綜合指標來代替的一種多元素統(tǒng)計簡化的分析方法，權重的求取就是主成分分析求綜合評價函數的過程。

主成分分析的數學模型為:

其中，Z1、Z2、…、Zp為p個主成分。

計算線性組合中的系數，對系數做加權平均，得到綜合得分模型，最后對綜合得分模型的系數進行歸一化，得到相應權重。

而自然資源綜合承載力的預測則利用灰色系統(tǒng)理論中的GM(1,1)模型。

2 實證研究

2.1 研究區(qū)概況

吉林省四平市地處北緯42 31~44 09 N、東經123 17 ~12549之間，總面積1.4萬km2，其中市區(qū)面積1075.5km2，總人口341萬，其中市區(qū)人口62.5萬。該市是我國著名的商品糧基地之一，以玉米、大豆、水稻著稱。2015年，全市實現(xiàn)地區(qū)生產總值1622.2億元，比上年增長6.4%。一二三產業(yè)比例為25.1:44.8:30.1，經濟結構進一步優(yōu)化。

2.2 自然資源綜合承載力測算

本文數據來源于《吉林省統(tǒng)計年鑒》（2000~2015）、《四平統(tǒng)計年鑒》（2000~2015）、吉林省水資源公報等。

根據前述，分別計算出四平市土地資源承載力、水資源承載力、能源承載力，結果見表1、表2。

表1 四平市2000~2014年土地資源承載力與水資源承載力變化Table 1 The carrying capacity of land resources and water resources in Siping city during 2000-2014

構建影響自然資源綜合承載力指標體系（表3），并對收集到的相關數據進行標準化處理。利用spss22軟件，對其進行KMO和Bartlett的球形度檢驗。檢驗結果顯示KMO統(tǒng)計量為0.79，說明各變量之間的相關程度無太大差異，數據適合做主成分分析。為了保證提取主成分后，減少變量的信息丟失，一般用特征根值1、累計方差貢獻率不小于80%，因此得出的2個主成分基本可以反映全部指標信息（表4）。

由于原有指標基本可以用前兩個主成分代替，因此指標系數可以看成是以這兩個主成分方差貢獻率為權重。由此求取的土地資源承載力、水資源承載力、能源承載力的權重分別為0.47、0.03、0.50，據此獲得四平市自然資源綜合承載力的測算結果（表5）。

表3 自然資源承載力指標體系Table 3 The index system of carrying capacity of natural resources

表4 主成分分析因子貢獻率Table 4 Factor contribution rate table from principal component analysis

表5 四平市2000~2014自然資源綜合承載力與承載狀態(tài)變化Table 5 The comprehensive carrying capacity of natural resources and its change in Siping city during 2000-2014.

2.3 預測

將2000~2014年的數據輸入到DPS系統(tǒng)中，在工具欄選擇GM(1,1)模型，根據提示建立GM(1,1)預測模型為：

X(t+1)=9874.417102e0.018638t-9669.547102

模型精確檢驗值為C=0.5565、P=0.7857，表明上述模型可以預測，得到結果如表6、表7。

表6 參差擬合表Table 6 Stagger fitting table

表7 自然資源承載力預測結果Table 7 The predictive results of carrying capacity of natural resources

由此可以看出，未來十年四平市自然資源綜合承載力呈逐漸遞增的態(tài)勢，但在未來相當長的一段時間仍舊處于嚴重超載的狀態(tài)，對四平市社會經濟的發(fā)展起到一定的制約作用。

2.4 結果分析

由表5可知，四平市自然資源綜合承載力呈現(xiàn)出W型波動式上升：從2000~2004年大體呈下降趨勢，2004年自然資源綜合承載力達到最低值為182.47萬人；2004~2010年不斷上升，2010~2013年自然資源綜合承載力又有所下降，在2014年自然資源綜合承載力表現(xiàn)出上升態(tài)勢，并達到峰值為244.62萬人。但與四平市實際人口相比，2000~2014年四平市始終處于嚴重超載狀態(tài)。

由表7可知，未來10年四平市綜合承載力呈現(xiàn)出上升趨勢，但仍然低于現(xiàn)實人口，說明未來四平還是處于嚴重超載狀態(tài)

由表5可見，從其構成上來看，土地資源承載力最大，雖然呈現(xiàn)出下降趨勢，但遠遠高于現(xiàn)實人口，始終保持在可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)，但水資源承載力和能源承載力相對較小，且遠低于現(xiàn)實人口，說明四平市土地資源比較豐富，但水資源和能源相對不足。

從表5還可看出，水資源承載力呈穩(wěn)步上升態(tài)勢。而在2012年出現(xiàn)一個小波動，由于該年為豐水年，全省水資源總量為歷年最高，但人口數比上年增長了0.88%，由此導致水資源承載能力有所降低。四平市水資源承載力雖然持續(xù)增長，但遠不能滿足本地區(qū)需求，與中國人均水資源量2100m3/年的標準相差很遠，僅只為其1/2，由此可見水資源承載力是制約四平市自然資源承載力的主要因素之一。

而能源承載力一直處于明顯上升的趨勢，2007年和2010年是兩個重要的轉折點，從2000~2007年四平市能源總量中主要以原煤為主，從2007年開始原油資源的出現(xiàn)和2010年風電能源等新興的能源類型的出現(xiàn)對能源承載力起到重要的影響作用，因此2008年之后能源承載力大幅增長。但能源承載的人口與實際相差較大，說明能源是限制四平經濟發(fā)展的重要因素。

3 結論與建議

3.1 結論

（1）四平市自然資源綜合承載力呈現(xiàn)出W型波動式上升，但始終處于嚴重超載狀態(tài)。

（2）未來10年四平市自然資源綜合承載力雖然呈現(xiàn)出上升趨勢，但仍然低于現(xiàn)實人口，說明未來四平市還是處于嚴重超載狀態(tài)。

（3）從其構成上來看，土地資源承載力最大，而水資源承載力和能源承載力相對比較小，而且遠遠低于現(xiàn)實人口，說明四平市土地資源比較豐富，但水資源和能源相對不足，是制約四平經經濟發(fā)展的主要因素。

3.2 建議

基于相對資源承載力的角度，對四平市自然資源承載力的研究表明，四平市自然資源承載力處于嚴重超載的狀態(tài)，其將制約四平市社會經濟健康可持續(xù)發(fā)展。因此，該市在今后的發(fā)展中應合理利用自然資源，提高資源的使用效率，加大對新興能源的研發(fā)力度，以促進四平市更好發(fā)展。

（1）集約節(jié)約土地資源，提高利用效率

四平市的耕地資源富足，土地資源尚有很大的挖掘潛力，所以應提高土地資源的利用效率。在城市土地利用方面，要充分盤活存量土地，控制規(guī)劃擴張，做到人口城市化與土地城市化協(xié)調發(fā)展。在農業(yè)用地方面，加大基本農田的保護力度，加強相關基礎設施建設，構建高效、高產、節(jié)能的現(xiàn)代農業(yè)；在農產品生產方面，調整農業(yè)產業(yè)結構，改造中低產田，積極培育良種，降低農業(yè)生產的消耗水平，發(fā)展生態(tài)農業(yè)，推廣先進的農業(yè)生產技術，在提高農業(yè)科學管理水平的同時，積極治理土壤和水污染，提高土地單位產量。

（2）調水節(jié)水治污，提高水資源承載能力

四平市屬于中度缺水地區(qū)，人口和生態(tài)雙重缺水，雖然水資源承載力穩(wěn)步上升，但遠遠不能滿足四平市的需求。要從源頭解決這一問題就要完善水利設施，引松供水工程能大大地緩解四平市的水資源緊張的局面，轉山湖、二龍湖引水工程也能減緩水資源供需的壓力。同時應提高保護水資源意識，在工業(yè)方面，提高水資源的重復利用率；在農業(yè)方面，提高農業(yè)的灌溉技術增加有效的灌溉面積；在居民生活方面，要完善用水節(jié)水管理辦法，對超額用水實施等級價格收費的體質，引入市場方法進行節(jié)水調節(jié)[16]。加強污染治理，加大投資，建立污水治理廠，制定并實施有關規(guī)章制度，使四平市水資源承載力進一步提升。

（3）開發(fā)新能源，提高能源利用率

四平市的能源總產量不足以滿足城市發(fā)展的需要，能源匱乏問題嚴重，這也是制約經濟發(fā)展的一個重要原因。為解決能源供應緊張的現(xiàn)實問題，從長遠看最有效的辦法就是開發(fā)新能源，加大資金投入，積極引進和推廣國內外先進的清潔能源技術，如太陽能、風能等可再生能源。面對當前局面，應先提高能源的利用效率，控制高耗能產業(yè)的生產，提高節(jié)約能源的意識，提高綜合承載力。

（3）優(yōu)化產業(yè)結構，大力發(fā)展循環(huán)經濟

從總體上，水資源和能源是限制四平經濟發(fā)展的主要因素，因此，要優(yōu)化四平市的產業(yè)結構，大力發(fā)展節(jié)能低碳、高新技術等產業(yè)，改變粗放型的能源產業(yè)發(fā)展模式。政府應鼓勵發(fā)展循環(huán)經濟，加快產品結構和產業(yè)布局的調整，推進清潔能源的使用，著力發(fā)展節(jié)水產業(yè)，大力發(fā)展第三產業(yè)。要抓住“振興東北”的戰(zhàn)略契機，利用好四平市的區(qū)位優(yōu)勢，構建現(xiàn)代化的產業(yè)體系，使傳統(tǒng)粗放式向集約式發(fā)展，全面提升四平市自然資源綜合承載力。

References)

[1] Park F, Burgess E W. Anintroduction to the Science of Sociology[M]. Chicago,1921.

[2] Cuadra M, Jorklund J. Assessment of economic and ecological carrying capacity of agricultural crops in Nicaragua[J]. Ecological Indicators, 2007,(1):133-149.

[3] 郭秀銳,毛顯強,冉圣宏. 國內環(huán)境承載力研究進展[J]. 中國人口?資源與環(huán)境,2000,10(3):28-30.

Guo X R, Mao X Q, Ran S H. Research progress in environmental carrying capacity in China[J]. China Population, Resources and Environment, 2000,10(3):28-30.

[4] 黃寧生,匡耀求. 廣東相對資源承載力與可持續(xù)發(fā)展問題[J]. 經濟地理,2000,20(2):52-56.

Huang N S, Kuang Y Q. The carrying capacity of resources and the problems of sustainable development in Guangdong province[J]. Economic geography, 2000,20(2):52-56.

[5] 景躍軍. 東北地區(qū)相對資源承載力動態(tài)分析[J]. 吉林大學社會科學學報,2006,46(4):104-110.

Jing Y J. Dynamic analysis of bearing capacity of relative resources in Northeast China[J]. Jilin University Journal Social Sciences Edition, 2006,46(4):104-110.

[6] 李澤紅,董鎖成,湯尚穎. 相對資源承載力模型的改進及其實證分析[J]. 資源科學,2008,30(9):1336-1342.

Li Z H, Dong S C, Tang S Y. Model modification and empirical analysis of the relative carrying capacity of resources[J]. Resources Science, 2008,30(9):1336-1342.

[7] 唐劍武,葉文虎. 環(huán)境承載力的本質及其定量化初步研究[J]. 中國環(huán)境科學,1998,18(3):227-230.

Tang J W, Ye W H. Study on environmental bearing capacity and its quantification[J]. China Environmental Science, 1998,18(3):227-230.

[8] 謝高地,周海林,甄霖,等. 中國水資源對發(fā)展的承載能力研究[J].資源科學,2005,27(4):2-7.

Xie G D, Zhou H L, Zhen L, et al. Carrying capacity of water resources for China is development[J]. Resources Science, 2005,27(4):2-7.

[9] 熊櫻,曾光明,黃國和,等. 基于季節(jié)調整的水資源承載力不確定性分析[J]. 中國環(huán)境科學,2005,25(1):73-76.

Xiong Y, Zeng G M, Huang G H, et al. Analysis of uncertainty of water resource bearing capacity based on seasonal adjustment[J]. China Environmental Science, 2005,25(1):73-76.

[10] 李念春. 黃河三角洲高效生態(tài)經濟區(qū)地質環(huán)境承載力評價研究[J]. 上海國土資源,2016,37(1):77-81.

Li N C. The geological environment carrying capacity study of Yellow River Delta high-efficiency ecological economic zone[J]. Shanghai Land & Resources, 2016,37(1):77-81.

[11] 石悅樾,銀正彤,趙楊茜,等. 修正后的生態(tài)足跡分析內陸山地城市土地生態(tài)經濟系統(tǒng)[J]. 上海國土資源,2016,37(4):47-51.

Shi Y Y, Yin Z T, Zhao Y X, et al. Land eco-economics in an inland mountainous urban region: Modifying the ecological footprint model to study the city of Guiyang[J]. Shanghai Land & Resources, 2016,37(4):47-51.

[12] 張婷婷,鄭喜珅. 基于生態(tài)足跡的四平市土地生態(tài)安全評價研究[J]. 上海國土資源,2016,37(2):17-20.

Zhang T T, Zheng X S. Evaluation of land ecological securityin Siping based on ecological footprint[J]. Shanghai Land & Resources, 2016,37(2):17-20.

Evaluation and forecast of comprehensive carrying capacity of natural resources in Siping city

MENG Mei, LI Xiu-Xia, MENG Xiang-Jian
(School of Tourism and Geography Science, Jilin Normal University, Jilin Siping 136000, China)

The article uses state space model to construct the comprehensive carrying capacity model in order to evaluate the comprehensive carrying capacity of natural resources in Siping from the year 2000 to 2014. Then, by using the grey forecasting models GM(1,1), the article makes forecasts of the above topic, and proposes feasible solution for the existing problems. Results reveal: (1) In the past 10 years, the comprehensive carrying capacity of narual resources in Siping increases with fluctuations of an S shape, but has always been in a state of overload. (2) In the next 10 years, the comprehensive carrying capacity of narual resources in Siping will continue to increase, and will stay overlaoded. (3) Siping has adundant land resource, but lack water resource and energyresources, which is the main factor that restricts the development of local developement. Finally, the article will put forward some suggestions regarding improving resource utilization rate, protecting water resource and optimizing industrial structures.

natural resources; comprehensive carrying capacity; evaluation and forecast; state space method; principal component analysis; grey prediction model

F124.5

A

2095-1329(2017)01-0074-05

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.01.017

2016-12-19

修回日期: 2017-03-05

孟玫(1991-),女,碩士生,自然地理學專業(yè),主要從事土地利用研究.

電子郵箱: 18643003322@163.com

聯(lián)系電話: 0434-3291130基金項目: 吉林省科技廳科研項目(20120691; 20130420044FG)

*通信作者: 李秀霞(博士/教授):jykxzz@163.com