基于熵权法的黄河流域资源环境承载力测度

朱杰堂，陈 阳，岳 超，刘晨光

〔1.郑州航空工业管理学院 经济学院，河南 郑州 450046〕〔2.郑州工业应用技术学院 管理学院，河南 郑州 450064〕

流域是人类生产生活的重要基础，对流域的生态治理关系到我国生态文明建设大局。黄河流域处于干旱、半干旱地区过渡带，是我国北方地区的“生态廊道”，也是中国重要的生态安全保护屏障。但是长期以农业生产和能源开发为主要形式的经济社会发展方式使得整个黄河流域面临着诸如生态系统退化、水土流失和湿地河口萎缩等严峻的生态环境问题。2019年9月，习近平总书记在郑州主持召开黄河流域生态保护和高质量发展座谈会，黄河流域生态安全得到了充分重视。在此背景下，对黄河流域资源环境承载力进行测度，不仅能准确把握其生态现状，而且也能为流域经济高质量发展和生态文明建设提供依据。

目前学术界对资源环境承载力相关问题已经进行了较为翔实的研究。纵观已有成果可以发现，在研究区域上，主要以长江经济带[1-3]、京津冀地区[4-5]和东部沿海城市[6-8]为主，部分学者还单独研究了中西部地区省份和主要城市的资源环境承载力状况[9-11]，采用的评价方法主要有改进的TOPSIS模型、生态足迹法和AHP综合评价模型。在研究内容上，则重点研究了区域资源环境承载力时空特征[12]、经济增长和城镇化与资源环境承载力的相互关系[13-17]。近年来，随着资源环境承载力在评价国土开发过程中的基础性地位不断提升，开展符合国土空间规划和生态修复要求的资源环境承载力评价研究又成为学术界新的研究热点[18]。既有研究认为我国粗放的国土开发方式造成许多生态脆弱地区出现一系列的生态环境问题[19]，而以资源环境承载力为基础的空间开发管控制度对协调生态环境与城市开发、科学制定国土空间规划以及生态修复方面起着至关重要的作用[20]。上述研究成果为掌握区域资源环境承载力水平提供了理论支撑，也为当地政府制定经济发展规划提供了重要的现实依据。

目前鲜有文献对黄河流域资源环境承载力进行研究，大多数学者仅从单一的资源承载力角度出发，重点研究了黄河流域的水资源承载力。路瑞和赵琰鑫基于水生态足迹理论和Tapio弹性分析法得出黄河流域上游青、川水资源生态盈余较大，而中下游各省区水资源生态足迹普遍大于水生态承载力的结论[21]。但也有研究认为黄河流域上、中、下游均处于水资源承载力超载状态[22]。左其亭和张志卓等从省域层面展开的研究也得出相似结论，即在空间维度上黄河流域九省区水资源承载力整体偏弱[23]。另有学者对提高水资源承载力的途径进行研究，认为提高用水效率、兴建引水工程、合理确定城市发展规模、优化经济结构和强化水土保持能力能有效提高区域水资源承载力[24-26]。

以上学者对黄河流域水资源承载力的研究为整个流域水资源保护提供了理论支撑，但资源环境承载力的研究越来越强调综合性与系统性，单一的资源承载力忽略了经济社会发展对环境所产生的影响，因此其研究的结果也难以全面反映该流域的资源禀赋和环境容量，所得出的结论难以为该地区未来的区域规划、生态保护和可持续发展提供参考。基于现有研究缺口，本文借鉴已有文献对资源环境承载力的研究经验，构建了涵盖经济系统、社会系统、资源系统和环境系统的评价指标体系，以黄河流域58个地级市为研究对象，通过综合指数模型测度了该流域各城市的资源环境承载力，以期丰富现有研究成果。

一、城市资源环境承载力理论框架与评价体系

1.研究区概况

黄河流域流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南、山东9省区，共涉及68个地市州，流域面积达79.5万平方公里。与全国平均水平相比，黄河流域的一、二产业占比偏高，且第二产业内部又以能源重化工产业为主，发展方式的不协调使原本生态环境脆弱的黄河流域遭到更严重的破坏。基于此背景，本文对黄河流域的资源环境承载力进行测度，以期为黄河流域的生态文明建设提供依据。考虑数据的可得性，最终选定黄河流域的58个地级市作为研究样本，研究时段为2005-2018年。

2.数据来源

本文的研究数据主要来源于《中国城市统计年鉴》(2006-2019年)、各省市《统计年鉴》(2006-2019年)、各地市年度统计公报(2006-2019年)、EPS数据平台、国家统计局官网以及各省市统计局官网的权威数据，部分市区的耕地面积数据来自国情地理监测云平台，对于个别年份缺失的数据采用均值插补的方法进行补全处理。

3.研究方法

(1)熵权法及计算步骤。熵权法是一种客观赋权法，目前已经在社会经济领域得到了非常广泛的应用。其基本思路是根据指标变异性的大小来确定客观权重，一般来说某个指标的信息熵ej越小，表明指标值的变异程度越大，提供的信息量越多，其权重也就越大，反之权重越小。具体的计算步骤如下：

令评价指标初始矩阵为：

其中xij为第i个城市第j个指标的数值。

由于指标体系中各项指标的计量单位并不统一，因此要对各指标进行标准化处理，即把指标的绝对值转化为相对值。在进行标准化处理时，需要对指标体系中不同性质的指标采用不同的算法进行处理。具体来讲，正向指标的标准化公式为：

(1)

负向指标的标准化公式为：

(2)

将所有数据标准化处理成0～1之间的无量纲数值后，开始确定各指标的权重，具体流程如下：

计算第j项指标下第i个样本值占该指标的比重，公式为：

(3)

计算第j项指标的熵值，公式为：

(4)

计算信息熵冗余度，公式为：

dj=1-ejj=1,2,…,m

(5)

最后得出各项指标的权重，公式为：

(6)

(2)资源环境承载力计算模型及算法

本文借鉴王坤岩[27]及余茹和成金华[28]的综合评价模型公式，首先分别测度出资源环境压力指数(REP)、资源环境支撑力指数(RES)，然后根据此数据计算出资源环境承载力指数(CRE)。具体模型公式如下：

(7)

(8)

(9)

上式中:yij为资源环境系统中各压力要素，zij为资源环境系统中各支撑力要素，wij为指标j对应的权重值。CRE为资源环境承载力指数，反映的是一个相对承载力。当资源环境承载力指数值在(0，1]区间时，表示城市资源环境的支撑能力大于其所承受的消耗压力，数值越小表明资源环境状况越好；当数值大于1时，表示城市的资源环境消耗压力已经超出其所能承受的范围，数值越大，当地资源环境超载情况就越严重。

4.实证分析

(1)建立指标体系。本文遵循系统性、重要性、科学性和可操作性原则，从资源环境压力和资源环境支撑力两个维度构建指标体系，所构建的指标体系涵盖经济系统、社会系统、资源系统和环境系统，能全面反映人类的经济强度和资源环境支撑能力。具体指标体系如表1所示：

表1 黄河流域资源环境承载力评价指标体系

续表1 黄河流域资源环境承载力评价指标体系

(2)主要计算过程及结果。本文使用MATLAB软件进行计算，为了消除各指标的不同量纲给研究结果带来的影响，将不同性质的指标分别按照公式(1)和公式(2)进行归一化处理，使指标体系的全部数据转化为0～1之间的无量纲数值，然后基于权重公式确定28个指标的权重。限于篇幅，文中仅给出2018年的计算结果，具体如表2所示。

表2 2018年压力和支撑力指标权重计算结果

在确定权重的基础上，按照公式(7)至(9)分别求出各城市历年的资源环境压力指数、资源环境支撑力指数和资源环境承载力指数。同时以指数平均值加减半个标准差为分界点，将各城市资源环境压力、资源环境支撑力以及资源环境承载力划分为四个等级。具体分级标准如表3所示，各指标指数值越大，其所对应的等级就越高。对于资源环境压力指数和资源环境承载力指数而言，较高的等级意味着区域经济社会活动给资源环境造成的压力就越大，资源环境状况就越差；而较高的资源环境支撑力等级，意味着区域资源环境的承受压力能力就越强，利于改善区域资源环境状况。

表3 2018年黄河流域城市承载力等级划分标准

二、黄河流域城市资源环境承载力评价

1.城市资源环境承载力现状

按照上文所述方法步骤，本文依次测算出2005—2018年黄河流域58个城市的资源环境压力指数、资源环境支撑力指数和资源环境承载力指数。根据2018年的计算结果，首先对黄河流域的资源环境现状进行评价。由于研究的城市样本数量过大，因此本文依次对黄河流域上、中、下游区域城市展开分析。

根据城市资源环境承载力测度结果，黄河流域上游13个城市的资源环境状况由好到坏的次序是：固原、银川、兰州、中卫、吴忠、石嘴山、西宁、定西、白银、武威、天水、平凉和庆阳。其中前7位城市的承载力指数值小于1，表明当地资源环境承载潜力较大，区域经济社会发展仍处于资源环境承载力的可载状态。后6位城市承载力指数值均大于1，尤其是平凉和庆阳两市，承载力指数值更是高达2.0以上，表明经济社会发展给当地资源环境带来的压力已经严重超出其所能承受的范围，给资源环境造成威胁。可以看出，城市本身资源环境支撑能力弱也是造成平凉和庆阳资源环境状况恶化的原因。因此对于资源环境状况较差的城市，在加强环境保护力度和转变经济发展方式的同时，也要注重提高对现有资源环境的利用效率，重视对资源环境承载力潜力的充分挖掘。另外从总体上看，黄河流域上游城市资源环境承载力高等级(1级和2级)数量与低等级(3级和4级)数量之比为3：10，整体状况优于中下游城市。

表4 2018年黄河流域上游城市承载力指数值

由表5结果可知，黄河流域中游24个城市中只有西安、太原、阳泉、呼和浩特和乌兰察布5市的资源环境承载力处于可载状态，承载力状况最优的是西安和太原。从压力指数和支撑力指数来看，西安和太原都面临着较大的资源环境压力，然而由于省会城市通常具有资源供给优势突出、资源开发利用模式合理以及环境治理经费充足等优势，能极大地提升城市资源环境支撑能力，为城市后续可持续发展提供可靠保障。因此在人口集聚程度不断提高和经济持续快速增长的同时，西安和太原仍保持了较好的资源环境状况。余下的19个城市目前均处于超载状态，资源环境状况最差的是吕梁和商洛，承载力指数分别高达3.5211和3.2082。这两座城市面临的资源环境压力并不突出，但是资源环境支撑能力严重不足，造成资源供不应求的非平衡状态最为显著。因此对于吕梁和商洛而言，目前亟需优化和提升资源配置结构，以缓解支撑能力不足的现实问题。黄河中游城市资源环境承载力高等级(1级和2级)数量与低等级(3级和4级)数量之比为13∶11，且区域内大部分城市承载力等级为1级，与上游和下游区域相比，面临着最为严峻的资源环境恶化形势。

表5 2018年黄河流域中游城市承载力指数值

2018年黄河下游城市的资源环境承载力测算结果如表6所示，其中仅有济南、淄博和青岛的资源环境承载力处于可载状态，但是承载力指数也高达0.9以上，濒临超载的边缘。

表6 2018年黄河流域下游城市承载力指数值

三门峡和菏泽的承载力指数最高，分别达到2.0838和2.0759，资源环境支撑力弱是造成这两座城市资源环境承载力超载的主要原因。河南省会郑州处于略微超载的状态，郑州虽然拥有较强的资源环境支撑力，但是其经济发展势头强劲，人口密度过高且增长势头不减，在发展过程中存在资源节约集约利用水平低、污染处理力度不够等短板，给当地资源环境带来巨大压力。从总体上看，黄河流域下游城市资源环境承载力高等级(1级和2级)数量与低等级(3级和4级)数量之比为10∶11，整体状况在上、中、下游中处于居中水平。另外与黄河流域中游城市相比，下游各城市之间的资源环境承载力状况差异性不大，承载力水平相对一致。

续表6 2018年黄河流域下游城市承载力指数值

2.城市资源环境承载力时空格局

(1)城市资源环境承载力水平总体不高。2005、2009、2012、2016、2018年黄河流域资源环境承载力处于可载状态的城市数量占比分别为26.5%、8.6%、22.4%、18.97%、25.86%，资源环境承载力指数分别为1.3099、1.7816、1.4555、1.6642、1.4330，可见黄河流域大部分城市的资源环境承载力状况并不乐观，在14年的发展过程中，呈现出恶化—改善—恶化—改善的走势，总体呈现小幅改善的波动变化趋势。另外2005年城市资源环境承载力最大值与最小值的比例为6.22，2018年增至7.36，意味着城市间资源环境承载力具有显著的空间差异特征，且这种差异有进一步扩大的趋势，这可能是城市资源环境禀赋不同和生态文明建设力度不平衡造成的。

(2)城市资源环境承载力状况纬向空间分异明显。根据黄河流域各城市资源环境承载力指数值，利用ArcGIS软件绘制出各城市资源环境承载力空间格局图(见图1)。从空间上看，上游城市资源环境承载力整体状况较好，原因是黄河上游承担着整个流域水源涵养和水源补给的重要任务，生态战略地位突出，在发展过程中对生态环境保护与修复给予了充分重视。5个年份里中游城市的资源环境状况最差，且承载力波动变化最为明显。其中西安和太原人口规模和经济总量相对较大，居民的高消费能力给资源环境带来较大压力，虽然其资源环境承载力也呈现出先恶化后改善的走势，但是承载力系数的变化幅度显著小于其他大中型城市，资源环境状况也明显优于中游其他城市。鄂尔多斯、榆林、延安、宝鸡、天水等城市在面临较大的资源环境压力下，铁腕推进降污治霾，不断加强生态文明示范区建设，有效改善了承载力状况。山西境内的临汾、吕梁、长治、晋城等城市虽然也在积极推进生态治理和生态保护，但其资源环境支撑力过于薄弱，治理难度较高，因此一直都是资源环境状况较为严峻的城市。黄河下游城市经济总量和人口密度较大，相应的资源消耗和污染排放也较为严重，但与中游城市相比，经济发展水平较高，对生态修复和环境治理给予了大量财政投入，提高了地区资源环境支撑力，因此其资源环境承载力状况优于中游城市，处于居中水平。

图1 黄河流域各城市资源环境承载力空间格局

(3)城市资源环境承载力状况的空间格局发生变化。在2016年及以前，城市资源环境承载力状况较差的城市均集中在内蒙古、陕西和山西，而2018年承载力形势较为严峻的城市大部分位于山西，少量城市位于陕西。主要原因是，近几年陕西和内蒙古持续淘汰过剩产能，培育绿色发展新动能，从源头上缓解了资源环境压力，另一方面通过推进生态文明建设增强了其环境治理能力，资源环境承载力状况得到改善。

3.资源环境承载力动态变化总体特征

由于城市个体间差异度过高，若完全运用地级市数据对黄河流域资源环境承载力状况展开研究，难以得到总体性认识，因此本文分别对上、中、下游城市做合成处理。具体方法是：运用熵权法分别确定上、中、下游各城市的权重，结合各城市承载力指数并采用加权平均的计算方法，合成上游、中游和下游区域的综合资源环境承载力指数，合成结果见表7。为了更直观反映14年来黄河流域资源环境承载力变化趋势，利用MATLAB软件将表7的结果绘制成折线统计图，具体见图2。

表7 2005—2018年黄河流域资源环境承载力指数值

图2 黄河流域资源环境承载力变化趋势

总体来看黄河流域资源环境承载力状况形势严峻，在2005—2018年期间呈现出恶化—改善—恶化—改善的变化特征，上、中、下游资源环境承载力指数变化趋势大致可分为四个阶段。

第一阶段：2006—2009年。上、中、下游区域资源环境承载力指数呈现出明显的上升态势。这是由于当时我国正处在经济高速增长时期，对资源能源消耗需求的持续增加给资源环境带来了巨大压力。同时也反映出当时对生态文明建设和资源环境保护未给予充分重视，没有准确把握好开发与保护之间的度量关系。

第二阶段：2010—2012年。上、中、下游区域资源环境承载力指数呈现出明显的下降趋势，并且在中游和下游地区表现更为显著。这可能是2008年爆发的全球性金融危机导致我国经济增速下滑，工业发展受到较大冲击，许多重化工企业以及与之相关的产业企业不断缩减生产规模甚至停产，减少了对生产资料和资源能源的需求，地区资源供给压力也因此得到有效缓解。

第三阶段：2013—2016年。黄河中游和上游的资源环境承载力指数迅速上升，下游地区则呈现出波动式缓慢上升态势。中游地区资源环境压力在这一阶段虽略有下降，但资源环境支撑力的持续减弱导致其资源环境状况不断恶化。在此期间陕西和山西的单位GDP能耗和单位GDP电耗明显下降，再加上清洁能源的广泛使用，极大缓解了资源环境压力。但能源产业依旧是中游地区的重要支柱性产业，长期高强度开采煤炭，使得原本有限的资源环境支撑力不断减弱，造成当地资源环境状况日益恶化。

第四阶段：2017—2018年。黄河上游和下游资源环境承载力指数明显下降，中游区域资源环境承载力指数呈现出先下降后上升的走势，但是上升幅度不大，远低于2016年的峰值水平。近几年在生态保护高于一切的要求下，黄河上游加强了对生态环境的综合治理与修复，极大降低了当地资源环境压力。下游区域资源环境支撑力的提高是其承载力状况得到改善的主要原因，河南省通过划定生态保护红线、实施“四水同治”工程、推行“河长制”，极大改善了全省水域环境。黄河中游承载力状况改善成效并不明显，依然面临着较为严峻的形势。

三、结论与建议

黄河流域资源环境状况虽有改善，但距离良性可载的平衡状态存在较大差距；流域资源环境禀赋及环境治理力度不平衡导致城市资源环境状况存在明显的空间差异，呈现出中游城市最差、下游次之、上游最优的空间格局；城市间的生态环境协同治理能力不足，区域内城市资源环境差异显著且有进一步扩大趋势；城市人口规模、经济总量、产业结构和产业布局是影响区域资源环境状况的重要因素。

黄河流域内资源环境状况空间差异显著，在制定生态保护政策时要突出因地施策、分类治理的思路，在尊重实际的基础上充分考虑上、中、下游生态保护与治理的关键问题，制定与当地发展状况和承载力水平相适应的策略。本文根据黄河不同区段的主要特征，分别提出针对性建议，具体如下：

(1)上游区域要准确把握水源涵养的生态功能定位，积极承担“上游责任”。一是要强化生态监管，对三江源、祁连山、甘南山地进行“封存式”保护，对保护区内超载过牧、无序采矿、水电开发等生产活动进行严格管制。二是要加快推动实施重大生态保护修复和建设工程，继续推进山水林田湖草综合系统治理，促进保护区生态系统良性循环。三是要做好生态产品文章。双碳战略机遇下，生态产品价值与需求会大幅提升，上游各地要打造具有地域特色的生态产品和生态服务，通过发展绿色生态旅游业实现生态产品价值的有效转化，以生态效益缓解生态保护与发展经济之间的现实矛盾。

(2)中游区域要以水土保持和污染整治为抓手，大力治理承载力严重超载问题。对于水土流失问题，一是要综合工程、农业和生物技术做好固沟、保源、护坡、栽培种植、退耕还林还草等水土保持工作，还可以通过适当种植经济植物来兼顾水土保持与经济发展之间的平衡。关于污染整治，要坚持绿色发展导向，积极引导重化工产业绿色转型，严格审批高污染和高能耗的新建项目，加强对企业环保技术改造的力度，推动实现清洁、绿色、循环生产。

(3)下游区域要以湿地恢复、滩区治理以及节能减耗、集约发展为核心，逐步改善承载力水平。一方面要将退耕还湿、退养还滩等自然修复措施与生态水量保障、生态补水等人工干扰措施结合，促进黄河三角洲湿地以及其他重要生态系统的功能修复。另一方面要以集聚集约发展为原则，在对传统产业进行优化升级的同时，积极推动以新材料、新能源和信息技术等具有较好发展前景的战略性新兴产业发展，另外要充分利用当地丰富的旅游资源，大力发展现代服务业，依靠文化资源优势推动经济绿色增长。

(4)针对黄河流域城市间生态环境协同治理能力不足的问题，要深化区域顶层设计。黄河流域资源环境承载能力的提升，绝非一地治理就能实现，而是需要整个黄河流域的每个城市的参与。黄河流域沿线城市需要突破行政边界约束，加快建立流域内各省区的协同治理工作机制，确保黄河流域的生态环境保护及监测工作能够协同开展。