基于熵权-突变级数法的安徽省资源环境承载力时空演变分析及障碍因子诊断

郑 菲，李洪庆

(河海大学 公共管理学院，江苏 南京 211100)

0 前言

资源环境是人类经济社会活动的基本载体。近年来，在工业化、城市化进程不断加快的同时，生态环境遭到破坏、资源浪费等问题凸显。十七大首次提出了“生态文明建设”、十八大又提出了“五位一体”总布局以及“十三五”规划《绿色发展指标体系》和《生态文明建设考核目标体系》的相继出台，都明确指出推动生态文明建设、促进城市向绿色健康发展是必然趋势。而资源环境承载能力评估，是研究城市未来可持续发展和生态文明建设的重要基础。安徽省处于经济快速发展阶段，截至2016年末，安徽省人均GDP为39561.0元/人，城镇化率达50.5%，保持稳定增长。而用于环境污染治理投资的仅为439.7亿元，占投资总额的2%，工业固体废物产生量达12653万t，工业废气排放总量达25367万t。由此可见，资源开发利用不合理、生态环境保护投入不足等问题仍制约着安徽省的发展。因此，科学评价资源环境承载力、揭示时空格局演变，是促进安徽省生态文明建设、实现可持续发展的重要环节。

资源环境承载力是一个涉及社会、经济、环境、资源等多方面的复杂系统。资源环境承载力是指在一定时间和空间范围内，在保证区域可持续发展、维持环境功能稳定的前提下，该区域资源环境系统所能容忍人类社会经济活动的能力，是判断资源环境开发强度与人类活动是否协调的主要依据之一。国外对于资源环境承载力的研究开始于1981年威廉·福格特[1]所著的《生存之路》一书，首次明确了“承载力”一词的概念。随后1990年Slesser[2]结合资源、环境、社会和经济4个方面建立了ECCO模型，模拟人口与承载力之间的变化关系。此后，学者们对资源环境承载力有了更进一步的研究。国内对于资源环境承载力的研究始于20世纪80年代，早期郭志伟[3]、孙珏[4]等以土地资源、水资源[5-6]等单要素研究为主，随着研究的深入，秦成等[7]将资源环境作为整体，对其评价指标体系、发展趋势[8-10]等进行了研究。通过对相关文献的总结可知，资源环境承载力包括两大部分：一是评价方法的研究。承载力的评价方法多种多样，包括生态足迹法[10-12]、模糊综合评价法[13]、灰色预测法[14-15]、主成分分析法[16]、情景分析法[17]等。二是评价模型的构建。承载力的评价数据多基于统计年鉴、实地调研、调查问卷等形式，因此，在进行承载力评价过程中，需要借助相关模型计算数据，包括多元线性回归模型[18]、神经网络模型[19-20]、响应度模型[21]、距离协同模型[22]、TOPSIS模型[23-24]等。综上所述，资源环境承载力的研究经历了由定性到定量再到定性与定量相结合、由单一到综合、由静态到动态的过程，现阶段评价系统发展已较为成熟。因此，本文以安徽省16个地级市为研究对象，采用熵权-突变级数法模型测算出各市在2000、2005、2010、2015和2016年的资源环境承载力综合值，分析研究区承载力时空演变过程，结合障碍度模型，对各研究区域资源环境承载力进行相似性分类及障碍因子诊断，以期为安徽省生态文明建设、发展绿色城市提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及数据来源

1.1.1 区域概况 安徽省隶属华东地区，介于东经114°54′～119°37′，北纬29°41′～34°38′之间，毗邻江苏、河南、山东、浙江等6个省份，与江苏、浙江、上海共同构成长三角城市群。安徽省包括16个地级市，其中巢湖市于2011年撤为县级市，并将部分行政区域划归合肥、马鞍山和芜湖3市管辖。土地总面积140140 km2，森林覆盖率28.65%，截至2016年末，常住人口6196万人，人均耕地面积0.092 hm2，人均水资源量20018.43 m3，GDP为24117.89亿元，其中第三产业占GDP比重的41.30%，单位GDP能耗0.531 t标准煤/万元，污水排放量159297万t，城镇恩格尔系数32.10%。近年来，安徽省经济呈现出高速发展状态，GDP增速在8.7%左右，人民生活质量明显提高。自十八大召开以来，出台了《安徽省生态文明体制改革实施方案》等一系列文件，生态文明建设被摆在了全省发展的重要位置。实际运行过程中，由于城市资源高强度开发利用，导致安徽省资源和环境对于社会经济活动的承受能力逐渐变小，生态文明建设仍然面临挑战。

1.1.2 数据来源 本文以安徽省16个地级市作为研究对象，研究期为2000、2005、2010、2015和2016年，其数据主要来自于《安徽省统计年鉴》、《中国城市统计年鉴》、《中国环境统计年鉴》、安徽省及各市国民经济与社会发展统计公报和环境状况公报等(巢湖市因行政区划调整在此不做研究)。

1.2 研究方法

1.2.1 熵权-突变级数法

1.2.1.1 熵权法 由于每个评价指标对资源环境承载力的影响程度不同，因此在计算资源环境承载力值前，要对评价指标的重要性程度进行排序，即计算每个评价指标的权重。由于本文数据主要源于统计年鉴，因此采用熵权法确定权重，可尽量避免人为主观干扰，最大程度保证评价结果的客观性。

1.2.1.2 突变级数模型 1972年法国数学家Rene Thom提出突变理论，用于揭示事物连续性中断的质变过程[25]。该方法按照评价指标重要性程度依次带入隶属函数中求出隶属值，再利用归一化公式计算出承载力值。具体计算步骤如下。

(1)构建评价指标体系。构建科学合理的评价指标体系是进行资源环境承载力评价的重要环节，是影响评价结果的关键因素。在选取评价指标时，既要遵循科学性、可获得性、综合性和可比性等原则，又要能够反映现阶段城市发展的特点和水平。因此，笔者在阅读大量相关研究的基础上，从资源、环境、社会和经济4个方面，借助SPSS软件中的主成分分析，最终选取了16个具有代表性和针对性的评价指标(表1)。

表1 安徽省各市资源环境承载力评价指标体系

(2)数据标准化处理。由于各指标数据间单位不统一，因此采用极值法对数据进行标准化处理。即正向指标数据越大，表明该指标对资源环境承载力系统的正向影响力越大。正项指标的标准化处理公式为：

(1)

负向指标数据越大，表明该指标对资源环境承载力系统负向影响力越大。负向指标的标准化处理公式为：

(2)

其中，xij′为第i准则层第j个指标标准化处理后的数据，xij为第i准则层第j个指标的原始数据，xmin为xij的最小值，xmax为xij的最大值。

(3)基于熵权法确定指标权重。熵权法属于客观赋权法的一种，该方法根据评价指标传递信息的多寡来确定其权重大小，当评价指标的信息熵越小，表明传递的信息越多，影响力越大，权重越高(表2)。

表2 安徽省各年资源环境承载力评价指标权重

(4)突变模型计算。当某一准则层包含4个评价指标时，可用蝴蝶突变模型，同理当准则层分别包含1、2、3个评价指标时，可相继采用折叠突变模型、尖点突变模型和燕尾突变模型。本文基于熵权法计算出指标权重的基础上，采用突变级数模型中的蝴蝶突变模型逐个计算每一目标年度的资源环境承载力综合值，归一化方程为：

xa=a1/2,xb=b1/3,xc=c1/4,xd=d1/5

(3)

1.2.2 因子障碍度模型 资源环境承载力评价既在于对区域承载力水平进行评判，更重要的在于厘清影响资源环境承载力的障碍因子，以便有针对性地对城市发展规划与政策进行调整，因此需进一步对研究区进行障碍因子诊断。障碍度模型将因子贡献度(Wi)、指标偏离度(Jij)和障碍度(Oij、Uij)引入模型进行因子诊断。具体公式为：

Jij=1-Xij

(4)

(5)

Uij=∑Oij

(6)

其中，Xij为指标的标准值。

2 结果与分析

结合前文熵权法计算出的指标权重，利用公式(1)～公式(3)计算出安徽省各市2000～2016年资源环境承载力评价结果(表3)。

表3 2000～2016年安徽省各市资源环境承载力综合值

2.1 资源环境承载力评价结果与分析

由于突变级数模型计算出的资源环境承载力综合值较高，数值间的差异较小，且较为繁杂，为使得计算结果更具有研究意义，本文通过SPSS软件的聚类分析功能对承载力结果按其相似性进行分类，结合相关研究成果[26-27]，将16个城市5年间的资源环境承载力平均值设为变量，进行结果划分。具体可将承载力值划分为优(Ⅰ)、良(Ⅱ)、一般(Ⅲ)、较差(Ⅳ)、差(Ⅴ)5个承载力等级。其中，第Ⅰ类为芜湖；第Ⅱ类包括淮南、马鞍山、淮北、合肥、滁州、安庆和蚌埠；第Ⅲ类包括宣城、黄山和池州；第Ⅳ类包括宿州、铜陵、六安和亳州；第Ⅴ类为阜阳。

芜湖5年间资源环境承载力均处于较高水平，综合值从0.788逐步增长到0.882，其中资源承载力和社会承载力处于上升趋势，环境承载力和经济承载力略有下降。16年间芜湖经济迅猛发展，综合实力稳健提升。同2000年相比，2016年底人均GDP增长7倍，城镇化水平提高93.69%，恩格尔系数下降至35.85%，拥有高等学校在校生数132049人。芜湖在保持经济高速发展和社会稳定进步的同时，资源与环境也得到了改善，因而综合承载力处于较优状态。

合肥、马鞍山和蚌埠等7个城市的资源环境承载力水平为良，16年间综合值有较小波动，但总体仍处在较高水平。由表2可知，马鞍山综合值稳步增加；合肥、淮南和蚌埠呈现正“V”型变化趋势。其中合肥和淮南在2010年有所下降。这主要是因为2010年前后城市工业快速发展带动经济发展的同时，工业所产生的废气、废水排放量等也大幅增加，导致2010年资源承载力和环境承载力偏低；蚌埠2005年经济水平较差，GDP增长率、社会固定资产投资额等经济指标值均低于全省平均水平，导致其经济承载力呈明显下降趋势。而淮北、滁州和安庆综合值呈倒“V”型，至2016年末3市综合值都有所下降，这是由于经济发展速度放缓导致经济承载力下降，从而出现倒“V”型。

宣城、黄山和池州的资源环境承载力评价水平一般，从5年变化趋势来看，3个城市综合值变化都呈倒“V”型，资源环境承载力波动较大。其中宣城资源环境承载力在2005年达到最大值后，受到工业废气排放总量、人口密度以及社会固定资产投资总额等指标的影响，导致近10年的环境承载力、经济承载力和社会承载力有所降低；而黄山和池州的资源环境承载力综合值在2010年处最大，其余年份均较低，是因为这2个城市综合发展实力较为薄弱，而且经济发展相较于上述8个城市也处于劣势，使得资源环境承载力整体水平一般。

宿州、铜陵、六安和亳州资源环境承载力较弱，且波动幅度较大。至2016年末，除铜陵外均有不同程度的降低，变化趋势呈倒“V”型。近年来，宿州、六安和亳州的整体发展水平低下，人均GDP低于全省平均水平，社会固定资产投资额不足，再加上教育水平的落后，使得经济和社会承载力连续下降，影响了资源环境承载力的整体水平。虽然铜陵近年来环境得到改善，人民生活质量有所提高，资源环境承载力有一定提升，但由于早期铜陵经济发展过度消耗了大量资源和环境，所以在计算5年平均值时仍处于较弱水平。

阜阳资源环境承载力整体水平最弱。至2016年末，阜阳资源、环境、社会和经济承载力均呈下降趋势。阜阳是一个人口大市，常住人口达799.1万人，其人均耕地面积、人均水资源量等明显低于其他城市，而人均GDP、城镇农村居民收入等反映经济发展状况的指标也位于全省末位，因而拉低了综合承载力水平。但随着阜阳大力调整产业结构，逐步推进农业向机械化、产业化现代农业的发展，同时扶持第三产业发展，资源环境承载力呈现逐步稳定增加的趋势。

2.2 障碍因子诊断分析

本文以2016年为研究期，根据公式(4)～公式(6)，计算出安徽省各市资源环境承载力准则层障碍度(表4)，选取障碍度排名前5的指标作为主要障碍因子(表5)，通过分析表3和表4得到以下结论。

(1)经济承载能力弱是制约安徽省资源环境承载力的最大障碍。16市资源环境承载力的主要障碍因子60%来自于经济承载力，包括城镇居民人均可支配收入、农民人均纯收入等，说明城市经济发展水平明显影响着安徽省综合承载能力的大小。其中滁州、六安、宣城、池州、安庆和黄山指标层的首要障碍因子是社会固定资源投资总额，近年来这6个城市经济发展速度有所提升，但至2016年底6市社会固定资源投资额均不足500亿元，与安徽省最高投资额相差近3500亿元，产业结构较为单一、城市核心竞争力低等问题仍阻碍着城市整体发展。

(2)由表5可以看出：除上述6市外，剩余10个城市的首要障碍因子为人均水资源量。2016年安徽省人均水资源量平均值为2874.16 m3/人，而10个城市均低于此水平线。除此之外，人均耕地面积指标也位于前5障碍因子排序中，说明城市水资源、土地资源等自然资源利用程度对城市资源环境承载能力仍有较大限制作用，如淮北市土地利用程度较高，耕地资源较少，人均耕地面积不足0.077 hm2，低于全省和全国平均水平。从准则层来看，合肥、马鞍山和芜湖3市资源环境承载力的薄弱环节也体现在资源承载力方面。近年来由于城市发展的需要，以合肥为中心的经济圈不断扩大建成区面积，建厂引资、设立经济开发区，导致耕地资源随着城市发展逐年减少，垦殖系数下降，进而影响着城市综合承载力水平。

(3)在社会承载力方面，每万人拥有高等学校在校学生人数和人口密度是影响城市资源环境承载力的重要障碍因子。以亳州市为例，作为中原经济区成员城市及安徽省域交汇中心城市，亳州在经济得到快速发展的同时，教育、医疗等社会基础设施尚未受到经济的带动，2016年每万人拥有高等学校在校学生人数仅为22人，与安徽省平均水平相差150人。从环境承载力来看，安徽省各市受到此方面限制相对较小，仅有化肥使用量一个指标进入合肥市前5障碍因子序列中。尽管合肥市出台了《合肥市化肥减量增效实施方案》(讨论稿)等相应政策，化肥使用情况有所改观，但2016年化肥用量仍位于全省前列，达27.86万t。

表4 2016年安徽省各市资源环境承载力准则层指标障碍度 %

3 结论与讨论

3.1 结论

由上述研究结果可知，安徽省整体资源环境承载力较好，呈现出一定的空间差异。总体可划分为5个等级，其中芜湖为优等水平；合肥等7个城市为良等水平；宣城市等3个城市为一般水平；铜陵等4个城市为较弱水平；阜阳为差等水平。由障碍因子诊断结果可知，社会固定资产投资总额、城镇居民人均可支配收入、每万人拥有高等学校在校学生人数、人均水资源量、化肥使用量等是影响安徽省各市资源环境承载力的主要因子。因此，今后发展过程中，势必要通过结合各市发展优势，加大社会固定资产投资额，保护并合理使用自然资源，充分发挥地理优势，借助长江三角洲城市群、合肥都市圈等的辐射带动能力，提升城市经济实力和竞争力等方式提高各市资源环境承载能力，实现全省绿色可持续发展战略。

表5 2016年安徽省各市资源环境承载力指标层主要障碍因子障碍度 %

3.2 讨论

探究区域资源环境承载能力是复杂而系统的过程。本文基于熵权-突变级数法模型，对安徽省16个地级市2000、2005、2010、2015和2016年的统计数据进行计算，评价其资源、环境、社会和经济承载力水平，从时序角度分析了各城市资源环境承载力的动态变化过程，同时利用障碍度模型测算出限制各市资源环境承载力提升的障碍因子。此研究结果可为安徽省未来发展规划提供科学依据；同时，本文采用定性与定量相结合的方法，避免了人为因素的干扰，提高了评价结果的精确性，可为其他区域资源环境承载力评价提供一定的借鉴。本文初步研究了区资源环境承载力的时序变化特征并对障碍因子进行了分析，其资源环境承载力未来发展趋势及空间格局等问题仍待进一步研究。