平原地区资源环境承载力评价与短板要素分析*——以山东省平原县为例

刘金花，郑 璐，董光龙，陈书琳

(山东建筑大学管理工程学院，济南 250101)

0 引言

随着经济社会的快速发展，资源环境问题日益严峻，如何科学、定量地研究资源、环境、经济间的可持续发展，逐渐成为学术界普遍关注的问题[1]。对此，党中央提出“建立资源环境承载能力监测预警机制，对水土资源、环境容量和海洋资源超载区域实行限制性措施”的重大决策部署。同时，在中央全面深化改革领导小组第三十五次会议中强调，要开展承载能力评价，规范空间开发秩序，合理控制开发强度，促进人口、经济、资源环境的空间均衡。

资源环境承载力评价已经从单一的土地资源承载力(Land Resource Carrying Capacity)研究[2]、水资源承载力(Water Resource Carrying Capacity)研究[3]，上升到动态综合性研究[4-6]。国内学者根据不同的研究领域，建立了不同的指标体系。如：付云鹏等[7]从社会资源、自然资源、社会环境和自然环境4个维度出发，构建城市资源环境承载力测算的综合评价指标体系； 李磊等[8]建立资源与环境、经济、社会子系统，分析武汉市水环境承载力； 汪嘉杨等[9]以DPSIRM模型为基础，从社会经济、水资源、水质状态、投资管理等方面选取指标，分析太湖流域水环境承载力； 杨潇[10]从资源条件优越、经济协调发展、生态环境健康、社会民生改善4个方面构建湖北省资源环境承载力评价指标体系。不同学者的研究方法也不尽相同。如：刘子刚等[11]运用生态足迹(Ecological Footprint)[12]； 潘安娥等[13]运用水足迹(Water Footprint)[14]； 韩鹏等[15]采用快速评估方法分析了中原经济区资源环境承载力特点； 刘惠敏[16]采用时序全局因子分析的方法，对长江三角洲城市群综合承载力的动态变化规律进行分析； 陈芳淼等[17]参考 Costanza的生态系统服务价值计算方法，建立了基于供给生态服务价值的土地资源承载力评估参数及标准； 黄宇驰等[18]构建了土地资源承载力SEP评价模型，以指数形式通过模糊评价法对闵行区的土地资源承载力进行评价。

纵观以往研究，有丰富成果的同时仍存在局限与不足。在研究尺度上，当前研究多为跨省级[19， 20]、市级[21]，县级尺度承载力评价研究[22]不多。在研究区域上，当前研究多是以西部欠发达区[23]、水源生态区[24， 25]、山地丘陵区[26]、东部沿海区[27， 28]、城市经济群[29-31]为研究对象，而针对农业资源丰富、农业问题亟待解决的平原地区的资源环境承载力评价[32-34]较少。

鉴于此，文章以山东省平原县为例，以县级作为评价尺度单元，根据水土资源承载力、生态环境承载力和社会经济承载力3个子系统建立指标体系，利用德尔菲法和层次分析法综合赋权，运用模糊综合评价法计算2016年平原县资源环境承载力综合得分，结合短板要素分析，提出提升策略，旨在为国土、城规、发改委等相关部门编制长、中期发展规划和制定相关政策提供技术支撑和决策依据。

1 资源环境承载力评价模型构建

1.1 评价指标体系的构建

平原地区资源环境承载力评价指标体系的建立应在充分遵守科学性、全面性等原则的基础上，结合指标的可获得性以及平原地区的自然环境和社会经济特征确定。借鉴相关文献[34-36]、技术规程[37]，该文将平原地区资源环境承载力作为目标层，划分了3个准则层， 27个具体指标，详见表1。

表1 平原地区资源环境承载力指标体系

目标层准则层指标层指标单位指标属性平原地区资源环境承载力A水土资源承载力B1 人均耕地面积 C1hm2/人正向耕地开发利用程度 C2-正向人均建设用地面积 C3hm2/人正向建设用地现状开发程度 C4-正向人均水资源占有量 C5万t/人正向人均粮食产量 C6万t/人正向灌溉面积占耕地比例 C7%正向土地利用率 C8%正向生态环境承载力 B2森林覆盖率 C9%正向建成区绿化覆盖率 C10%正向空气质量二级及二级以上天气比重 C11%正向地膜覆盖率 C12t/hm2逆向单位面积化肥使用量 C13t/hm2逆向单位面积农药使用量 C14%逆向生态用地面积占比 C15%正向风沙化土地面积占比 C16逆向社会经济承载力B3人均GDP C17亿元/人正向经济密度 C18万元/hm2正向人口密度 C19人/hm2逆向人均农业机械动力 C20kW/人正向人均耕地生产能力 C21万t/人正向农民人均纯收入 C22万元正向万元GDP能耗 C23tce/万元逆向万元GDP耗电量 C24万kW·h/万元逆向单位建设用地GDP C25亿元/hm2正向环保投资占GDP比重 C26%正向第二、三产业总产值占比 C27%正向

关键指标的计算方法如下：

(1)耕地开发利用程度

耕地开发利用程度用来分析现状耕地与耕地后备资源之间的关系。计算公式如下：

(1)

(2)建设用地现状开发程度

建设用地现状开发程度用来分析现状开发强度与极限开发强度间的关系。计算公式如下：

(2)

式(2)中，现状开发强度为DI，极限开发强度为LDI。

依据建设开发适宜性评价结果，将最适宜、基本适宜两类空间与现状建设用地的空间并集视为极限开发规模，并测算极限开发强度与现状开发强度，计算公式如下：

(3)

(4)

式(3)、(4)中，C为区域现状建设用地面积，S为评价单元国土总面积，E1与E2分别为土地建设开发适宜性评价中的最适宜和基本适宜区域。

(3)人均农业机械动力

人均农业机械动力指区域农业机械总动力与农业人口之比，是反映区域农业生产能力的指标。计算公式如下：

(5)

(4)人均耕地生产能力

人均耕地生产能力指区域内每人所获耕地生产农作物的量值，是反映区域耕地生产能力的指标。计算公式如下：

(6)

1.2 评价指标的标准化

由于各指标间量纲不同，无法直接使用原始数据进行承载力评价，需要进行标准化处理，以消除量纲差异。该文采用对数Log模式标准化的方法，用以10为底的对数函数进行转换，对数函数转换的表达式如下：

y=log10(x)

(7)

(8)

1.3 评价指标权重的确定

该文采用德尔菲法和层次分析法相结合综合赋权的方法，以确保指标权重的合理性和准确性。德尔菲法是依据调查成果，专家小组根据自身知识储备进行推断，经过反复征询和反馈，进行评价研究[38]。层次分析法(AHP)将决策问题按总目标、各层子目标、评价准则直至具体的备投方案的顺序分解为不同的层次结构[39]，确定同一层各元素的相对重要性次序的权值，层层排序，最后对排序结果分析。

表2 判断矩阵

AB1B2…BnB1b11b12…b1nB2b21b22…b2n︙︙︙︙Bnb n1b n2…b nn

采用层次分析法中的和法，其计算步骤为：

(1)建立层次结构。

(2)构造判断矩阵。

判断矩阵表示针对上一层次某元素A，该层次与之有关的元素B1，B2，…，Bn之间的相对重要性，详见表2。

因素bi与bj的相对重要性通常取数值1， 3， 5， 7， 9及其倒数。

(3)计算特征值并判断一致性。

首先，将判断矩阵A的每一列向量归一化：

(9)

其次，将归一化的各行相加：

(10)

然后，将行向量归一化：

(11)

(12)

最后，计算最大特征值的近似值，判断一致性：

(13)

(14)

(15)

当CI=0时，说明判断矩阵完全一致。利用CI与平均随机一致性指标RI，得到一致性比率CR。如果CR<0.1，表示判断矩阵的一致性符合研究要求，否则需要重新确定指标间的相对重要程度。平均随机一致性指标RI见表3。

表3 平均随机一致性指标

阶数1234567891011RI000.520.891.121.261.361.411.461.491.52

1.4 综合评价

综合考虑各指标的评价值，采用模糊综合评价的方法计算出综合分值，消除指标单一性的影响。计算公式如下：

(16)

式(16)中，P为区域资源环境承载力综合评价指数，yij为各项指标标准化后的数值，wj为各项指标对于目标层的权重，n为指标项个数。

2 平原县资源环境承载力计算与短板要素分析

2.1 研究区概况及数据获取

图1 研究区地理位置

平原县地处京、津、济都市圈和环渤海经济圈的黄金地带，位于鲁西北黄泛冲积平原，山东省西北部、德州市中部(图1)。南北长39km，东西宽48km，总面积1 047.32km2，是国家大型粮棉生产基地县、京津蔬菜园区、畜牧业强县、全国平原绿化达标县。全县土地资源丰富、土壤类型复杂，主要有潮土、盐土、风沙土3个土类； 植被多为农作物和林木组成的人工植被； 属于暖温带半湿润易旱季风气候区，年平均气温12.7℃，四季分明，春季干旱多风，夏季湿热多雨，秋季凉爽，冬季干冷少雨雪。作物生长季节，光照充足，热量丰富，有利于农、林、牧业发展； 水资源主要为地表径流、引黄干渠和地下水资源； 河流断面水质稳定，达到地表水V类标准。全县辖8镇2乡2个街道和1个省级经济开发区， 2016年，平原县总人口45.86万人，实现地区生产总值203.64亿元，三次产业比例为13.8： 49.0： 37.2。

该文数据主要来源于《山东省平原县国民经济统计资料》 (2016)、2016年度土地利用变更调查数据库、耕地后备资源调查评价、农用地分等定级、永久基本农田划定等成果和资料，水利普查数据等水资源数据，生态保护红线(各类自然保护区、森林公园、湿地公园等)、大气环境质量监测、水环境质量监测、土壤污染调查监测等生态环境数据。

2.2 平原县资源环境承载力计算

根据各项成果资料及指标计算公式，定量计算得到各项评价指标原始数据，采用对数Log模式标准化方法对原始数据进行标准化处理，以进行评价分析。

各指标权重确定过程如下：首先，采用德尔菲法和层次分析法分别计算指标权重； 然后，由于两者运算方法不同，故所确定的指标权重存在差异，为减少主观随意性，取加权系数为0.5，将上述两种方法确定的权重进行综合赋权。

依据各项指标的综合权重，计算子系统中各项指标间的相对权重。基于式(8)、式(16)对平原县3个子系统承载力进行模糊评价，结果见表4。

表4 平原县子系统承载力评价分值

准则层指标层原始数据标准化数值 相对权重指标得分承载力分值水土资源承载力B1人均耕地面积 C10.179 80.544 80.267 30.145 6耕地开发利用程度 C20.978 40.726 80.163 30.118 7人均建设用地面积 C30.039 50.509 90.092 70.047 3建设用地现状开发程度 C40.558 40.636 10.163 10.103 7人均水资源占有量 C50.065 90.516 50.092 70.047 90.603 2人均粮食产量 C60.000 20.500 00.080 40.040 2灌溉面积占耕地比例 C775.030.679 20.047 80.032 5土地利用率 C897.680.726 50.092 70.06 73生态环境承载力B2森林覆盖率 C935.760.588 50.252 10.148 40.573 2建成区绿化覆盖率 C1037.970.593 80.135 90.080 7空气质量二级及二级以上天数达标率 C1154.980.634 10.098 20.062 3地膜覆盖率 C128.270.520 70.037 50.019 5单位面积化肥使用量 C130.241 40.560 10.079 90.044 7单位面积农药使用量 C140.008 90.502 20.070 90.035 6生态用地面积占比 C1523.590.558 70.242 80.135 7风沙化土地面积占比 C1624.070.559 90.082 70.046 3社会经济承载力B3人均GDP C170.000 40.50010.132 30.066 20.664 7经济密度 C1820.866 01.000 00.069 10.069 1人口密度 C194.023 30.982 40.047 90.047 1人均农业机械动力 C204.395 60.987 80.096 20.09 50人均耕地生产能力 C210.000 50.500 10.159 90.080 0农民人均纯收入 C221.259 10.778 90.031 20.024 3万元GDP能耗 C230.820 10.694 30.179 80.124 8万元GDP耗电量 C240.100 70.525 20.068 20.035 8单位建设用地GDP C250.015 60.503 90.096 60.048 7环保投资占GDP比重 C261.960.504 90.048 80.024 6第二、三产业总产值比重 C2786.20.703 10.070 00.049 2

根据式(16)计算平原县资源环境承载力综合评价分值：

Y1=0.603 2Y2=0.573 2Y3=0.664 7

W1=0.389 4W2=0.389 2W3=0.221 4

P=Y1×W1+Y2×W2+Y3×W3=0.605 1

(17)

式(17)中，Y1为水土资源承载力得分值，Y2为生态环境承载力得分值，Y3为社会经济承载力得分值，W1为水土资源承载力子系统所占比重，W2为生态环境承载力子系统所占比重，W3为社会经济承载力子系统所占比重，P为平原县资源环境承载力综合评价分值。

2.3 短板要素分析

在充分了解平原县资源环境承载力及其各个子系统的承载力得分的基础上，结合实际需要和数据的可获得性，选取代表性指标，进行短板要素分析，以便提出针对性策略。

将各指标2016年现状值与阈值区间相比较，采用极差归一方法计算正向指标和逆向指标的状态指数(R)，以衡量该指标所处的状态级别。状态指数(R)计算公式如下：

(18)

式(18)中，V现状值为指标实际状态值，V最大值为指标在阈值区间内的最大值，V最小值为指标在阈值区间内的最小值。

状态指数级别划分见表5。

表5 状态指数级别划分

状态指数范围状态级别R<-1.0危机状态(短板因素)-1.0≤R<0.0预警状态(限制性因素)0.0≤R<1.0一般状态R≥1.0良好状态

参考《城市用地分类与规划建设用地标准》、村镇规划标准(GB 50188-93)和相应指标在山东省的最大值最小值等资料，确定阈值区间，根据状态指数计算方法测算各项指标状态指数和级别，详见表6。

表6 指标状态指数和级别

准则层指标层阈值区间指标数据状态指数状态级别水土资源承载力人均耕地面积0.116 1～0.161 20.17981.412 4良好状态人均宜耕后备资源0.065～0.1220.0690.070 1一般状态人均建设用地面积0.005 6～0.0140.03954.035 7良好状态人均城镇建设用地100～11097.4-0.260 0预警状态人均农村居民点用地120～1502835.433 3良好状态人均水资源占有量167～3716592.411 8良好状态生态环境承载力森林覆盖率 1.71～10.6835.763.796 0良好状态社会经济承载力单位建设用地GDP 104.97～172.01156.410.767 3一般状态

虽然平原县资源环境承载力中没有处于危机状态的短板因素，但是人均城镇建设用地状态指数小于0，处于预警状态； 人均宜耕后备资源、单位建设用地GDP状态指数接近0，濒临预警状态； 人均农村居民点面积状态指数为5.433 3，指标数据远大于阈值区间最大值，属于超标因素。

3 结果与分析

3.1 结果分析

资源环境承载力分值区间为0～1，为使评价结果更加科学合理，根据统计学原理，将评价分值分为5个等级，等级划分见表7。

表7 资源环境承载力评价等级

评价等级高较高中较低低取值范围0.8～10.6～0.80.4～0.60.2～0.40～0.2

平原县资源环境承载力综合分值为0.605 1，处于较高等级。其中，水土资源承载力得分0.603 2，处于较高等级； 生态环境承载力得分0.573 2，处于中等水平； 社会经济承载力得分0.664 7，处于较高等级。3个子系统承载力得分从大到小的排序为：社会经济承载力、水土资源承载力、生态环境承载力。

在水土资源承载力子系统中，人均耕地面积所占权重最大。2016年平原县耕地占土地总面积的78.42%，耕地开发利用程度为97.84%，开发程度高； 分析耕地利用等级图(图2)，以7、8等级耕地为主； 结合短板要素分析，人均宜耕后备资源较少(图3)。农村居民点用地1.078 694万hm2，占总面积的10.30%，人均农村居民点用地面积远超阈值区间最大值，可见农村建设用地已严重超标且布局松散，表明平原县农村居民点利用效益低下，农村土地综合整治潜力较大。人均城镇建设用地处于预警状态，说明平原县城镇建设用地供需紧张，需求空间较大。

图2 平原县现状耕地利用等级 图3 平原县耕地后备资源空间分布

在生态环境承载力子系统中，森林覆盖率所占权重最大。2016年平原县森林覆盖率为35.76%，结合短板要素分析，知平原县森林覆盖率尚处于良好状态； 但是风沙化土地面积占比较高，为24.07%； 生态用地面积占比较低，仅为23.59%，可见平原县生态环境基础条件一般； 而且农业生产活动居多，大量秸秆无序焚烧，农药、化肥、地膜过量使用，导致土壤易污染，环境易恶化。

在社会经济承载力子系统中，万元GDP能耗所占权重最大。虽然社会经济承载力子系统得分最高，但平原县产业层次不高，与其他城市相比存在显著差距，仍处于经济增长方式转型期。2016年人均农业机械动力4.395 6kW/人，人均耕地生产能力0.000 5万t/人，可见平原县虽是农业大县，但农业生产能力不强、农业现代化水平不足。

3.2 提升策略

为提高平原县资源环境承载力，使经济、资源与环境协调发展，促进平原县可持续发展，针对存在的问题，提出以下建议。

(1)促进水土资源高效集约利用，提升水土资源承载力。基于上述分析结果，发现平原县人均农村居民点面积远超国家标准，而人均城镇建设用地面积较少，处于预警状态，即城乡居民点结构失衡。为改变这种城乡居民点不平衡状况，建议对区域内布局散乱、规模较小的居民点及空闲用地进行整合，并加强中心村和中心社区建设； 通过推进城乡建设用地增减挂钩，在保持城乡建设用地规模不变的前提下，缩减农村居民点用地，增加城镇建设用地，一方面满足城镇建设用地需求，改善农村“三生”环境，另一方面促进建设用地集约利用和承载力的提高。

针对耕地开发利用程度高、耕地后备资源不足的问题，建议实行耕地内涵式开发，通过高标准基本农田、节水灌溉项目建设，加强农业基础设施建设，提升耕地质量和利用等级，保障粮食稳产增产，提升耕地承载力。

(2)树立“绿色”意识，加强治理，提升生态环境承载力。鉴于平原县作为农业主产区，化肥农药使用量大，易造成农业面源污染，建议推行农业绿色生产，开展有机肥替代化肥、地膜污染防治、农药化肥减量使用等工作，加强农业面源污染防治，强化畜禽粪便无害化处理和秸秆资源化利用，促进农业绿色可持续发展。

基于新旧动能转换契机，进一步调产业结构，优能源结构。持续推进绿色低碳工业发展，构建多层次的循环经济产业链，继续争创全国循环经济示范县。狠抓环境污染综合治理，严格落实减煤、抑尘、增绿等各项措施，做好大气污染防治，确保平原县空气质量明显改善。

深入开展全域绿化行动，着力推进沿路林网、沿河林网“双网同建”，产业林、生态林、景观林“三林共造”，城市绿化、城镇绿化、村庄绿化、庭院绿化“四位一体”，全力构建绿色生态安全网，加强生态建设，提升生态环境承载力。

(3)强化转型升级，注重提质增效，促进社会经济承载力稳步提升。坚持以供给侧改革为主线，加快产业转型升级，优化升级产业集群，推动化工造纸、装备制造、纺织服装等传统企业向价值链中高端跃升，培育节能环保、新能源、新材料等战略性新兴产业，聚焦新旧动能转换，着力构建创新驱动的产业格局。

加快转变农业发展方式，聚力发展精致农业，走产出高效、产品安全、资源节约、环境友好的现代农业发展之路。坚持提质为先，抓好新型经营主体培育，引进培养农业龙头企业，推进土地集中流转、专业化订单服务等适度规模经营，打造平原县“绿色、安全、信用”农产品品牌，逐步将平原县打造成京津冀地区知名的“放心农场”。此外，做精乡村旅游业，打造富有平原特色的乡村休闲旅游产业，促进社会经济承载力的提升。

4 研究结论与展望

平原县作为山东省资源环境承载力评价的重要试点，在当前积极推进区域协调发展和城镇可持续发展的大格局下，以平原县为例进行资源环境承载力评价研究，在区域层面上，可以为平原地区承载力评价提供参考借鉴； 在国家层面上，是对山地、丘陵及平原等不同地貌类型的资源环境综合承载力评价的补充完善。

4.1 研究结论

(1)运用模糊综合评价方法，得到平原县资源环境承载力综合评价分值0.605 1，处于较高等级。社会经济承载力、水土资源承载力、生态环境承载力分值依次降低。

(2)通过短板要素分析，得知平原县尚没有短板要素，但是存在处于预警状态的限制因素：人均城镇建设用地。而且人均农村居民点用地面积过大，属于超标因素。

(3)通过促进水土资源高效集约利用、树立“绿色”意识、加强生态环境治理、促进产业结构转型升级等措施综合提高承载力。

4.2 展望

该文以平原县为研究单元，结合短板要素分析，进行资源环境承载力评价。由于县级单元数据难以搜集等因素，致使该文存在某些局限性，这也是今后有待进一步改进的地方。

(1)增加时间尺度的纵向对比，以反映时间变化趋势，完善在时间序列上的资源环境承载力研究。

(2)细化评价单元，以乡镇为研究对象，结合GIS技术，在空间地域上分析平原县不同乡镇间资源环境承载力的空间差异性。