郑州大都市区生态承载力多维测度及影响因素研究

李晓梦

（郑州科技学院土木建筑工程学院，郑州 450064）

改革开放40年来，我国经济社会快速发展，城市化进程不断推进. 城镇化率大幅提升与城市快速扩张过程中，伴随产生的城市人口总量过大、资源环境约束趋紧、生态系统破坏、城市超负荷运转、城乡发展失衡等问题日益突出. 目前这种高能耗、高污染、粗放式的经济模式对生态环境造成了严重破坏，并且城镇化的不可逆性使得城镇化与环境之间的矛盾更加尖锐. 2014年《国家新型城镇化规划》、2015年国务院《关于加快推进生态文明建设的意见》、2017年中共十九大均提出加强生态系统保护，以生态承载能力为依据，科学合理构建城镇化发展布局，提升社会经济发展质量与效益. 在目前的经济社会状况与可持续绿色发展背景下，必须遵守经济社会发展与生态相协调的基本原则才能实现城市长远发展. 城市作为一个区域社会经济发展的重要载体，是人口分布、经济增长、资源消耗和环境污染的集中区，城市生态承载力作为判别区域可持续发展的重要依据，也是评价城市建设与生态环境协调发展的重要基准，逐渐成为国内外学者的关注热点.

总结已有研究成果，对于生态承载力的研究主要包括生态承载力的内涵研究、评价指标体系、评价方法、影响因素、预测分析等几方面内容［1-3］. 生态承载力的内涵演变先后经历了种群承载力、资源承载力、环境承载力以及生态系统承载力等几个演化阶段［4-8］，从最初的在特定空间与环境条件下的个体容纳量研究发展至现在的包含社会发展、经济水平、人口数量、资源环境状况等内容的城市复合生态系统承载力研究. 评价指标体系从单维度指标体系发展至包括社会进步、经济发展、污染治理、资源丰度等多维度指标体系. 评价方法有状态空间法［9］、生态足迹法［10-11］、植被净初级生产力法［12］、综合指数法［13-14］、系统动力学模型［15］等，研究逐渐向多元化与综合化方向发展. 目前对小尺度范围或者宏观整体的研究较多，但对某一区域内部空间的详细研究与差异性评价成果不足. 郑州大都市区作为2016年中原城市群国家战略规划的发展核心，兼具郑州市国家中心城市建设优势，已成为快速城镇化的热点区域，具有城市生态承载力研究的典型性和新颖性. 在国家新型城镇化规划倡导走生态绿色的发展背景下，开展绿色城镇化进程中郑州大都市区生态承载力研究，无论对于承载力理论的发展，还是对郑州大都市区成长为区域增长极，实现可持续发展和新型城镇化建设都具有重要的理论意义和现实指导意义.

1 研究区概况

郑州大都市区包括河南省的郑州、开封、新乡、焦作、许昌5 个城市，位于河南中北部，土地面积约为1.59 万km2，占全省总面积的9.6%，介于东经112°34′～115°16′，北纬33°41′～35°50′之间，年均气温13.59～16.01 ℃，年均降雨量477.85～1 063.05 mm，海拔范围为24～1667 m，地势西高东低，地跨黄河、淮河、海河流域，地貌集山区、丘陵岗地、平原于一体. 2018 年底郑州大都市区常住人口数为2 921.42万人，占河南省总人口的30.4%，GDP 总量为20 711.28 亿元，占河南省GDP 总量的43.1%，城镇化率为60.15%，高于河南省城镇化率水平近9百分点.《中原城市群发展规划》与国家中心城市建设，明确了郑州大都市区的战略崛起引导和区域重点经济地位，郑州大都市区概况如图1所示.

图1 郑州大都市区概况图Fig.1 The overview of Zhengzhou metropolitan area

2 评价指标体系与数据来源

2.1 评价指标体系

在经济社会持续快速发展和资源环境约束趋紧的双重压力下，提升经济社会发展质量和效益，结合绿色城镇化理念，实现可持续发展，生态发展、绿色发展已成为必然选择. 建立具有科学性、可行性、全面性以及阶段适应性的郑州大都市区复合生态系统承载力评价指标体系与模型，对郑州大都市区城市复合生态系统进行综合评价，对指导郑州大都市区中远期的生态可持续发展具有重要意义. 在这一系列设计原则指导下，结合郑州大都市区实际情况并考虑指标的可获取性，从系统论的角度出发，将城市复合生态系统承载力分解为由社会、经济、资源环境三个子系统构成的复合系统，然后统计能反映每一个子系统的量化因子，构建一套全面、完整的城市复合生态系统承载力评价指标体系，具体如表1所示.

表1 郑州大都市区生态承载力综合评价指标体系Tab.1 Comprehensive evaluation index system of ecological carrying capacity in Zhengzhou metropolitan area

2.2 数据来源

数据主要来源于2010—2019年的《河南省统计年鉴》《中国城市统计年鉴》《中国环境统计年鉴》以及相关政府部门统计数据与公布资料，对于个别不能直接获取的数据，通过收集到的统计数据利用相关公式计算获得，包括年人均水资源量、人均耕地面积、科技教育投入占GDP比重、环保投资占GDP比重、每万人在校大学生数、单位GDP水耗等按照其统计内涵进行计算.

3 研究方法

3.1 熵权法

熵权法利用信息熵反映指标效用价值，能避免主观因素的干扰，具有较高的可信度和客观性［16］.

1）指标数据预处理

为消除各指标量纲不一致、数量级不同及正负取向不同的影响，首先进行标准化处理. 为确保标准化赋值后有意义，对处理后数值加0.001，具体指标处理如下.

正向指标处理公式：

逆向指标处理公式：

式中：x′ij是标准化处理后的结果；xij是第i个系统指标j的原始数值；max(xij)、min(xij)分别为指标xij的最大值、最小值.

2）指标权重的确定

第i个系统指标j的比重Pij：

指标j的熵值ej：

指标j的差异度aj：

指标j熵权ωj：

由此得到的郑州大都市区生态承载力评价各指标权重如表1所示.

3.2 状态空间法

状态空间法用三维状态空间轴来定量描述系统的状态，三维状态空间中的每个点代表资源环境与当时人类社会经济活动状况的空间组合，通过点的位置就可以判断系统的一个特定的承载状态，状态点到原点的距离表示此点的承载力［17-18］. 不少研究利用状态空间法对区域的生态承载力进行定量评价与研究，取得了较好的结果［3，19-22］，结合已有的相关研究成果，考虑郑州大都市区社会、经济、资源环境的实际现状，将三维状态轴分别定义为社会生态承载力轴、经济生态承载力轴、资源环境承载力轴，从而构建郑州大都市区生态承载力评价模型：

式中：ECS为区域生态承载力；M为状态空间生态承载力向量的模；ECS1j为社会生态承载力（ECS1）的指标j在空间坐标轴上的投影；ECS2j为经济生态承载力（ECS2）的指标j在空间坐标轴上的投影；ECS3j为资源环境生态承载力（ECS3）的指标j在空间坐标轴上的投影；ω1j、ω2j、ω3j分别为ECS1、ECS2、ECS3对应的指标j的权重；m、n、o分别为ECS1、ECS2、ECS3子系统的指标个数；ECSij为指标原始值与理想值的比值系数，ECSij>1 代表超载，ECSij=1 代表满载，ECSij<1 代表可载. 对于理想值下指标j，ECSij为单位向量，此时状态空间的理想承载力为：

通过比较ECS与ECC的大小，确定状态空间的承载状态. ECS>ECC，超载；ECS=ECC，满载；ECS

表2 郑州大都市区生态承载力理想值Tab.2 Ideal value of ecological carrying capacity in Zhengzhou metropolitan area

对于本研究各指标理想值的确定，采用国家生态园林城市标准、国家环保模范城市标准、中国人居环境奖标准指标、中原城市群规划、“十三五”规划纲要目标以及专家咨询的方式综合确定.

3.3 影响因素指标选取与模型构建

城市复合生态系统包含社会、经济、资源环境等子系统，由于其承载基体与承载对象之间的关系错综复杂并且交互性比较强，使得生态承载力受到各种因素的综合影响. 城市复合生态系统兼供给和需求于一体，有限的资源环境供给与无限的社会经济发展需求决定了城市生态系统承载力阈值存在的必然性［23］，对城市生态系统承载力的影响因素进行研究，对促进城市生态系统良性可持续发展具有重要意义. 结合前人城市生态承载力研究成果，并考虑指标的科学性、可获取性与可量化性，从经济发展、人口规模、社会发展水平、自然资源水平、居民生活消费水平、生态环保观念6 个方面对郑州大都市区生态承载力的影响因素进行分析，郑州大都市区生态承载力影响因素及其具体指标体系见表3所示.

表3 郑州大都市区生态承载力影响因素指标体系Tab.3 Index system of influencing factors of ecological carrying capacity in Zhengzhou metropolitan area

本文参考已有研究成果与地区实际情况，采用多元线性回归进行回归分析. 设定的实证分析模型如下：

其中：Yit为被解释变量生态负荷系数；α为常数项；β1、β2、…、β6为解释变量X1it、X2it、…、X6it的回归系数；i=1，2，…，5 为郑州大都市区的5 个城市；t=1，2，…，10 为2009—2018 年共10 年的分析时期；εit为误差项. 以2009—2018年郑州大都市区的面板数据为基础进行实证分析.

4 郑州大都市区城市生态承载力演变与影响因素分析

4.1 郑州大都市区社会生态系统承载力演变

社会生态子系统由以人为核心的社会服务体系构成，反映人口发展与社会进步、基础设施、文明提升的协调程度. 选取2009、2013、2018年三个节点年份表述郑州大都市区社会生态系统承载力演变情况，如表4所示.

表4 郑州大都市区社会子系统生态承载力现状值与状态Tab.4 The present value and state of ecological carrying capacity of social subsystem in Zhengzhou metropolitan area

从表4中可以看出，研究时段内郑州大都市区各城市社会生态系统承载力稳步改善；郑州市、开封市、新乡市、焦作市的社会生态系统由超载状态逐渐改善为可载状态，并且处于持续改善的发展状态；许昌市在研究时段内社会生态系统承载状态持续改善，虽然截至2018年其社会生态承载力依然处于超载状态，但是愈加接近理想值；郑州大都市区5个城市中，郑州市和新乡市的社会子系统整体承载状况优于开封市、焦作市，许昌市社会子系统生态承载压力最大.

4.2 郑州大都市区经济生态系统承载力演变

经济生态子系统由经济实力、经济效率、经济结构及科技支撑等内容构成，反映经济投入与产出情况、产业结构状况. 选取2009、2013、2018 年三个节点年份表述郑州大都市区经济生态系统承载力演变情况.如表5所示，从表中可以看出，研究时段内郑州大都市区各城市经济生态系统承载力稳步改善；郑州市经济生态承载力由超载状态转变为可载状态；开封市、新乡市、焦作市、许昌市经济子系统始终为超载状态，但是愈加接近城市生态系统承载力理想值，经济生态子系统承载状态愈加改善；郑州大都市区5个城市中郑州市的经济优势明显，经济子系统承载压力相对较小，最先进入可载状态.

表5 郑州大都市区经济子系统生态承载力现状值与状态Tab.5 The present value and state of ecological carrying capacity of economic subsystem in Zhengzhou metropolitan area

4.3 郑州大都市区资源环境生态系统承载力演变

资源环境子系统生态承载力由区域资源对经济社会发展的支撑能力、环境对经济社会发展的容纳能力、生态潜力与环境综合治理能力，综合反映资源环境与社会经济发展的协调程度. 同样选取2009、2013、2018年三个节点年份表述郑州大都市区资源环境生态子系统承载力演变情况，结果如表6所示. 可以看出，研究时段内郑州大都市区各城市资源环境承载力出现了波动，评价结果变化规律不同于社会、经济子系统始终保持稳步改善的现象，说明在郑州大都市区经济社会发展进程与资源环境适应度还未完全协调；郑州市资源环境承载力由超载状态转变为可载状态，并保持继续改善；开封市、新乡市、焦作市、许昌市呈现生态承载压力先增加后减小的趋势；截至2018年，除许昌市资源环境生态承载力处于超载状态以外，其余均处于可载状态；郑州市的资源环境承载力评价结果优于其他4个城市，说明郑州市的资源环境与社会经济发展协调度相对较好.

表6 郑州大都市区资源环境子系统承载力现状值与状态Tab.6 The present value and state of carrying capacity of resources environment subsystem in Zhengzhou metropolitan area

4.4 郑州大都市区城市复合生态系统承载力演变

由表7可以知道，在研究时期内郑州大都市区城市复合系统生态承载力均处于超载状态，虽然郑州大都市区各城市社会子系统和经济子系统承载力稳步改善，逐渐由超载状态向可载状态转变，但由于资源环境子系统承载力的变化，整体上各城市承载压力呈现先增加后减小的趋势，但始终处于超载状态，说明郑州大都市区城市生态系统超负荷运转，未来郑州大都市区生态承载力还存在较大的提升空间.

表7 郑州大都市区城市复合生态系统承载力现状值与状态Tab.7 The present value and state of urban composite ecosystem carrying capacity in Zhengzhou metropolitan area

4.5 影响因素分析

利用EViews 10软件，结合郑州大都市区2009—2018年生态系统承载力评价结果，构造城市生态负荷系数为被解释变量，城市生态负荷系统为生态承载力现状值与理想值之差，作为反映生态系统承载超载程度指标，单位GDP能耗、人口密度、失业率、人均水资源量、恩格尔系数、每万人在校大学生数为解释变量，进行多元线性回归，经过单位根检验与协整检验最终回归结果如表8所示.

表8 郑州大都市区2009—2018年面板数据回归结果Tab.8 The panel data regression results of Zhengzhou metropolitan area from 2009 to 2018

从回归的结果可以看出：单位GDP能耗、人口密度、恩格尔系数的增加在一定程度上加剧了区域能源资源的消耗和生态环境的污染，加大了城市复合生态系统的供给与修复压力，对生态系统承载力有负向影响，使城市生态系统负荷系数增大. 人均水资源量的增加对城市生态系统良性发展提供了充分的资源保障和基础，地区资源供给水平对城市复合生态系统的供给能力产生着直接影响，对生态系统承载力有正向影响，使城市生态系统负荷系数减小. 另外，社会的就业情况对生态承载力不产生显著影响，这点还需进一步验证.

5 郑州大都市区城市生态承载提升对策

5.1 合理控制人口规模，避免城市过度扩张

人口作为城市形成与发展的重要因素，是城市运行与资源承载的主体. 人口集聚随着城市化进程的推进而不断扩张，人口在城市的大量集聚与快速扩张给资源与环境的承载带来巨大的压力. 郑州大都市区2009—2018年平均人口自然增长率5.58%，持续较高的人口增长率对城市生态系统施加了长期的巨大压力，并且市区人口占总人口数的比重大，造成城市处于超负荷的运行状态，随之而来的是城市功能不足、交通堵塞、污染严重、高能源消耗等问题层出不穷，如何协调城市发展、人口增长、生态系统保护的相互作用关系，寻找三者之间的动态平衡，已成为可持续绿色发展背景下城市管理者所面对的难题. 合理控制人口规模要遵从城市发展与人口增长的基本规律，从产业、政策、资金、资源的调整升级与合理引流等方面综合采取措施，疏堵结合，兼顾治标与治本，逐渐从根本上解决相关难题.

5.2 促进城乡融合发展，缩小城乡收入差距

城市和乡村作为两种不同的聚落空间形态，城乡二元结构所带来的收入差距大、农村贫困化与内需不足、“三农问题”、城市病等问题，影响绿色城镇化的内涵建设与协调发展. 城乡发展不协调、居民收入差距持续性扩大的原因十分复杂，受历史与现实、经济与政治等影响. 促进融合发展、缩小城乡差距、提升农村收入是社会稳定和构建和谐社会的必然需求，需逐渐消除制度与体制屏障. 加大劳务市场开拓力度，带动和完善劳动力转移就业；发展农村特色经济，推进农业专业化、一体化、产业化生产和经营，并且扩大公共财政支农力度；以发展特色小城镇、大中小城市协调发展为引导，以城乡互助、产业融通、要素配置、双向开放为途径，多举措促进高质量融合发展.

5.3 加强公共基础设施配置，提升城市功能和承载能力

公共基础设施作为城市正常发展和有序运行的物质基础条件，是城市必不可少的组成要素. 加强公共基础设施配置，对于提升城市运行效率、完善城市功能、促进城市健康发展、协调城市生态系统具有重要作用. 为提升城市生态承载力，基础设施建设要围绕改善民生、促进社会和谐、保障城市稳定等效应明显的重点城市领域. 通过加强城市道路交通基础设施建设，提升人均道路面积，完善轨道交通、互通式立交、快速公交、常规公交、公共自行车运行效率与结构，提升公共出行和低碳出行率，并且全面建设综合立体交通枢纽，利用区位优势带动经济增长；通过城市管道综合治理，完善水网、电网、气网、通信网、热力网等管网建设，在保障城市正常运行的基础上尽量降低管网漏损率，节能减耗；通过加强医院、卫生院、诊所、疗养院等医疗机构建设，对于提升诊疗水平，提高居民健康水平，优化治疗环境，营造良好的人文环境，应对突发性灾害及疫情事件，提高城市承载能力具有重要意义.

5.4 优化经济产业结构，降低经济发展对工业的依赖度

产业结构是经济发展模式的决定性因素. 产业构成对经济发展过程中的煤炭、天然气等能源耗费，水、土地、矿产等资源的占用，细颗粒、固体废物、废水等污染排放起到控制性影响. 以工业高能耗为主的快速城市化经济模式，与绿色城镇化高质量发展的内涵不符，与城市生态系统的保护格格不入且背道而驰. 提升郑州大都市区城市经济子系统的生态承载力，首先要降低经济发展对高耗能工业的依赖度，通过结构升级与优化，由资源密集逐步向技术密集转变，由资源能源利用粗放式管理向精准化、循环化、节约化管理转变，提升现代服务业发展水平，发展碳汇产业，提升经济子系统的生态储备.

5.5 促进清洁能源高效利用，推动能源结构转型升级

郑州大都市区作为一个典型的内陆城市群，在经济发展和城市化推进过程中多年仍是以煤炭为主的化石能源消费结构. 对于郑州大都市区的清洁能源开发与利用可以从以下几方面进行：①强化传统清洁能源天然气与水能的开发潜力、普及范围、利用效率与消耗占比，尤其要依托地理优势强化河南省四大流域丰富的水电资源的利用；②加大太阳能发电装机容量，普及推广太阳能热水器、太阳能灯具与蓄电池等设备在民众日常生产生活中的使用；③促进风能的开发与使用，郑州大都市区要充分利用山区向平原过渡的低山丘陵地带所蕴藏的丰富风能资源，重点开发郑州、新乡、焦作的风能资源；④开发生物质能潜力，利用郑州大都市区丰富的农业秸秆资源、林业废弃物、畜禽粪便，进行沼气开发、生物燃料制作等. 通过清洁能源的开发和相应配套设施的完善，提升郑州大都市区清洁能源消耗占比，提升能源结构，从源头上减少经济发展对生态系统的不利影响.

5.6 加强生态环境综合治理，开发推广环境保护技术

生态环境的综合治理为城市生态系统的运转提供修复力和保护力，生态环境治理涉及水环境、大气环境、固体废物、生活垃圾、土壤污染防治等诸多方面，是一个庞大繁杂又环环相扣的大工程. 在生态环境治理过程应避免仅关注某方面治理的杯水车薪效果，从全方位出发进行综合治理实现绿色可持续发展. 在进行环境综合治理过程中应积极推广对应的环境保护技术，利用科技的生产力提升治理效果. 对于水污染，可通过强化水质监测、水源地规范建设与综合治理，确保饮用水水源安全；深推重污染行业系统整治，加强工业污染源治理与达标排放监测；加强雨污水分流收集与处理设施建设及提标改造，提高污水处理和再生水平；开展重点河流水质提标整治，强力推进黑臭水体治理等多举措进行水环境综合治理. 对于大气污染，可以通过科学削减用煤总量，推进新能源开发利用，强化锅炉污染治理，降低燃煤污染影响；加强工业行业企业整治监管，开展重点行业深度治理和监管力度；淘汰重污染车辆，严抓机动车环保管控与污染治理；通过强化扬尘污染防治，严控农村焚烧污染，开展挥发性有机物综合整治，强化重污染天气应急策略，加强区域大气污染防治联动等措施. 对于土壤污染严重，可通过深入开展污染调查，构建土壤质量监测网进行动态跟踪、质量评估与风险管控；完善工业固体废物、生活垃圾、重金属污染综合监管与治理，深化土壤环境污染源控制；开展污染土壤治理和修复，推动试点示范工程建设等多举措科学防治.

5.7 多渠道加大环保资金投入，坚持经济发展与环境保护相向而行

环保资金为改善环境、提升生态环境弹性力提供资金支持和不竭动力. 郑州大都市区近年来环保资金投入占国内生产总值的比例逐年增加，但环保投资需求与实际投入的资金缺口仍然较大. 未来加大环保资金投入总量，完善财政保障制度，确保环保工程项目和其他相关支出的落实，切实发挥环保资金的效益. 环保资金投入除政府财政投入外，可以通过政策倾斜等相关激励机制，调动民间资本、民间金融机构等对环保融资项目的积极性，创建多元化投融资格局，坚持经济与环保相向而行，经济越发达，环保力度越大.

6 结语

本文在梳理总结生态承载力相关研究基础上，从社会、经济、资源环境三个维度构建郑州大都市区生态承载力评价指标体系，采用熵权法赋权，利用状态空间法对2009—2018年郑州大都市区生态承载力进行评价，并结合EViews软件进行面板数据回归，明确生态负荷影响因素，提出郑州大都市区生态承载优化建议，得到如下结论：

1）2009—2018年郑州大都市区复合生态系统的生态承载压力总体呈现先增加后减小的趋势，社会子系统和经济子系统生态承载压力稳步改善明显，部分城市从超载状态进入可载状态，资源环境子系统生态承载状态出现波动变化，郑州大都市区经济社会发展进程与资源环境的适应度还未完全协调.

2）郑州大都市区面板数据对城市生态负荷系数多元线性回归显示，单位GDP能耗、人口密度、恩格尔系数增加会导致郑州大都市区复合生态系统的供给与修复压力变大，人均水资源量的增加对生态系统承载力有正向影响，社会的就业情况对生态承载力的影响有待进一步验证.

3）结合郑州大都市区生态承载力定量评价和影响因素分析结果，提出合理控制人口规模、提升城市功能和承载能力、推动能源转型升级、加强生态综合治理、多渠道加大环保投入等措施，促进郑州大都市区绿色城镇化和可持续发展.