基于载体-载荷视角的资源环境承载力评价——以济南市为例

马文秋周景阳

(山东建筑大学 管理工程学院，山东 济南250101)

0 引言

目前我国已进入“十四五”时期，对发展的质量提出了更高层次的要求。 “十四五”规划指出要合理确定城市规模和空间结构、推动形成高质量发展的空间保护格局，该目标的实现需要立足资源环境承载力[1]。 资源环境承载力是指导城市可持续发展实践的重要尺度，有利于衡量社会经济活动与城市资源环境系统之间的相互作用[2]。 而城市资源环境承载力评价是指科学研判城市资源环境系统状况，有利于指导城市管理和规划者的科学管理和开发，实现经济的高质量发展。

迄今为止，有关资源环境承载力的研究在内涵、研究维度、评价方法上都有了较大进展。 LIU 等[3]将环境承载力定义为“假定环境本身对社会经济发展施加一定的限制，社会经济活动将导致资源环境系统发生不良变化的极限”。 LIAO 等[4]将资源环境承载力表述为“在生态系统保持结构稳定和功能完整的条件下，生态系统所能承受的社会和经济压力”。 在研究维度上，从土地[5]、水[6]、大气[7]等单因素承载力到资源环境[8]、生态承载力[9]等多因素承载力，选取的指标也更加综合。 IRANKHAHI等[10]通过综合城市自然和人为系统的多种因素，利用地理信息系统的方法评价城市环境承载力，并将资源环境承载力评价方法分为不同的等级。 王学军[11]设计了一种基于水、土地、环境和生态4 个维度的评价指标体系，评价了中国省级资源环境承载力。 常用的评价方法有状态空间法[12]、层次分析法[8]、灰色关联度分析-优劣解距离法[13]、集对分析模型[14-15]等。 也有许多的研究者引入了其他方法，如LIU 等[3]的剩余比率模型、CHEN 等[16]的承载力仪表板法等。

上述研究为资源环境承载力内涵理解和评价方法奠定了坚实的理论基础，但关于城市资源环境承载力的定义和方法仍没有达成共识，研究者的多重理解为城市管理者和公众带来了困惑。 基于此，文章提出了一种基于载体-载荷视角的资源环境承载力评价方法，更便于理解，也更符合可持续发展的内在要求。 同时，分析了城市系统，通过载体子系统、载荷子系统以及两者之间的相互作用机制理解城市资源环境承载力的内涵，给出了基于载体-载荷视角的城市资源环境承载力的定义。 将城市载体和城市载荷进行维度的划分，并从载体-载荷的角度建立城市资源环境承载力的承压-压力评价指标体系。 利用熵权法和线性求和的方法，计算出承压指数、压力指数和城市资源环境承载力指数，并以济南市为例展开实证分析。

1 评价方法

1.1 内涵界定

对于城市资源环境承载力的评价需要在理解其内涵的基础上进行。 根据城市生态系统理论，其由自然生态系统、经济生态系统和社会生态系统组成。这一系统是开放、适应性、弹性和复杂的系统，需要依靠能量、物质、信息流的不断输入和输出来维持功能[17]。 自然生态系统为经济生态系统和社会生态系统提供了可利用的资源和发展空间，满足了经济生态系统、社会生态系统的发展需求。 经济生态系统、社会生态系统是人类活动的结果，人类的各类生产和生活活动会产生大量的垃圾和废物，在一定程度上对自然生态系统产生压力或负面影响，其相互作用关系可以用承载力的概念描述。 承载力的概念起源于物理学，包括载荷和支持载荷的载体两个对象，载荷对载体施加压力，载体对载荷进行承压，两者之间的相互作用称为承载力[18]。 此概念已广泛地引入人类社会科学和许多其他与人类活动和资源环境有关的研究领域。 本着这一原则将自然生态系统视为城市载体，将社会生态系统和经济生态系统(统称社会经济生态系统)视为城市载荷。 这两大系统之间物质、能量和信息流的不断流动反映了城市载体和载荷之间的相互作用。 由于载体的承压能力有限，对社会经济生态系统的活动强度有制约作用。 如果载荷对载体施加的压力过大，城市载体可能会超载。 然而这种约束效应在一定程度上是可以改变的，可以采取一定的监管措施来减轻载荷施加的压力和增加载体的承压能力，从而减轻超载问题。基于此分析，把资源环境承载力内涵界定为:在城市资源环境系统保持结构稳定和功能完整的情况下，自然生态系统能够支持社会经济系统发展的最大能力。 这一能力取决于城市载荷对城市载体施加的压力以及城市载体对城市载荷的承压能力。 其概念模型如图1 所示。 城市发展不可持续问题的出现主要是因为社会经济生态系统产生的压力超过了自然生态系统的承压能力。

1.2 载体-载荷维度划分

社会经济生态系统以人的生活和生产活动为主导，涉及农业、工业、城市建设和日常的生活活动[19]。 各类活动消耗了资源，产生了垃圾、废水、废气和废物，在一定程度上对自然环境造成了污染[20]。 城市载荷具有客观性，还受到人口、社会经济发展水平及结构的影响。 由于社会经济生态系统的主体是人，人口的多少直接决定着对资源的索取量，并且社会经济发展水平及结构是生产方式和生活方式的体现，生产力的水平和结构对自然生态系统的作用在广度和深度都有着重大的影响[21]。 因此，认为城市载荷主要包括人口、社会经济发展水平及结构、资源消耗和环境污染4 个维度，如图2所示。

自然生态系统包括自然资源、环境吸收、生态服务，并受社会支持的影响，如图3 所示。 其中，自然资源系统由水资源、土地资源、森林资源和矿产资源等众多要素组成，为社会经济生态系统提供可利用的资源。 环境吸收是指自然环境子系统中的水环境、土地环境和大气环境等要素，对人类活动产生的废气和污染物的吸收[3]。 生态服务是指自然生态系统中地质系统和其他自然现象的统称[3]，包含供应、调节文化和支持服务等。 社会支持是指人类社会通过科学技术和政策支持，在有限的时空环境中，提高可利用资源量、环境吸收能力和生态服务能力。社会支持能力是一个外生变量，通过改变其他3 个因素影响着自然资源环境的承载力。

图3 自然生态系统4 个维度示意图

1.3 评价指标体系的确定

在识别城市资源环境系统载体和载荷的基础上，从载体-载荷的视角出发建立承压-压力两个方面的评价指标体系。 承压指标主要反映自然生态系统对社会经济生态系统的承压能力，包括自然要素构成的客体实在指标和提高载体承压能力的潜力指标两个方面。 压力指标主要反映在社会经济生态系统中人类的各类经济社会活动带给自然生态系统的压力。 通过梳理相关研究发现，前人的研究为资源环境承载力的评价引入了各种评价体系[22-24]，这些研究为后续评价城市的资源环境承载力提供了有价值的参考。 文章首先利用频度分析方法筛选出常用的指标，作为指标选取的基础；其次在载体-载荷理论分析的基础上，同时兼顾科学性、协调性、代表性和可操作性的原则，选择能够反映自然资源能力、环境吸收能力、生态服务能力、社会支持能力、人口、社会经济发展水平及结构、资源消耗和环境污染8 个维度的指标。 承压指标和压力指标分别见表1、2。

表1 承压指标表

表2 压力指标表

自然资源能力是城市资源环境系统的本质属性，为人类的生产和生活提供最基本的物质、能量和空间。 土地资源为城市的发展提供空间，具有有限性和不可移动性[25]。 水资源和能源资源为城市的运行提供物质和能量。 三者成为制约城市发展的关键要素。 因此，采用人均天然气供应量、人均土地面积、人均供水量来衡量城市资源环境系统的自然资源承载力。

环境吸收能力反映了城市资源环境系统对排放到大气环境和水环境中的废水和污染物的处理吸收能力。 通过基础设施的处理，生活垃圾、废物和污染物得到了处理和二次利用，对环境系统起到了支持。因此，选择集中式饮水水质达标率、清运垃圾、污水处理率指标来衡量环境吸收能力。

生态服务能力包含供应、调节、文化和支持服务，直接或间接来自自然，有助于提高人们的生活质量，这些服务是根据生态系统的特征确定的。 文章采用人均公园绿地面积、人均城市道路面积和建成区绿化覆盖率来衡量城市资源环境系统的生态服务能力。

社会支持能力是一个外生变量，通过改变内生变量(自然资源能力、环境吸收能力、生态服务能力)来影响城市自然资源环境的承载力。 作为最活跃和最易管理的变量，社会支持能力用环保投入占财政支出的比重和科学技术支出占财政支出的比重来衡量。

人口是城市资源环境系统中最活跃的要素，直接主导着城市的发展和演变[25]。 人类围绕着衣食住行进行着各类活动是城市系统运转的动力因素。人口聚集密度越大，对城市自然资源环境系统产生的压力也就越大。 因此，采用人口密度衡量。

社会经济发展水平及结构反映了一个地区当前的发展状态，表明了对资源环境的冲击程度。 社会经济发展的最终目的是增加人类福祉、提高生活水平，因此选取城镇人均可支配收入和农村人均可支配收入来衡量。 社会经济发展的结构不同严重影响着对自然资源环境系统的索取，在此选择第二产业GDP 占比来衡量。

资源消耗反映了人类各种活动对自然资源系统的压力，与资源消耗总量、资源消费结构、利用效率和利用方式密切相关。 因此，选取人均日生活用水量、万元GDP 电耗、万元GDP 水耗对资源消耗程度进行衡量。

环境污染反映了城市载荷对自然生态系统产生的压力。 人类的各种活动会产生大量的废物和污染物，对土地环境、水环境和大气环境产生侵害。 因此，选取万元GDP 废水排放量、万元GDP 二氧化硫排放量和万元GDP 的COD 排放量来衡量。

1.4 评价模型

根据城市资源环境承载力的内涵，在评价城市资源环境承载力时，不仅要反映出城市载体对城市载荷的承压能力及城市载荷对城市载体施加的压力，而且还要从整体上反映出城市载体对城市载荷的响应程度。 因此，采用载荷与载体之间的比率来衡量城市资源环境承载力。 此模型借鉴参考文献[26]，并根据研究的需要进行了优化，由式(1)表示为

式中ρ为特定城市的资源环境承载力指数；C为城市载体对城市载荷的承压指数；L为城市载荷对城市载体的压力指数。0＜ρ≤1，意味着城市载体支撑城市载荷的能力过剩，城市资源环境系统的承载力没有得到充分的利用；ρ ＞1，意味着城市资源环境系统超载的风险很高，并且城市资源环境的长期可持续性较差。 计算将通过指标标准化、权重确定和线性加权3 个过程完成。

1.4.1 指标标准化

为了计算城市资源环境承载力评价模型，需要归一化处理变量的值，消除不同指标之间量纲的影响，使指标之间具有可比性。 承压指标的标准化由式(2)表示为

式中i =1，2，…，n；j =1，2，…，m；Cij为第j个承压指标在第i年的值； maxCij、minCij分别为所有研究年份中承压指标j的最大和最小值；为承压指标j在第i年的标准化值，其值越大，表示城市载体对城市载荷的承压能力越大。

压力指标的标准化由式(3)表示为

式中Lij为第j个压力指标在第i年的值； maxLij、minLij分别为所有年份中压力指标j的最大和最小值；为压力指标j在第i年的标准化值，指标值越小，表示城市载荷对城市载体施加的压力越小。

1.4.2 确定指标权重

确定指标权重的方法有多种，目前熵权法为主流方法[27]，其确定的权重较为客观。 因此文章采用熵权法来确定指标权重。 熵权法的原理是指标样本值之间的差异越大，包含的信息量越多，指标在评价中的意义越大，因此给该指标赋予更高的权重值。

(1) 计算PijPij为承压指标中第j项指标在第i年的标准化值在整个评价年份序列中的比重，由式(4)表示为

(2) 计算第j项指标的熵值Ei，由式(5)表示为

式中k为玻尔兹曼常数，

(3) 求承压指标第j项指标的权重，由式(6)表示为

利用同样的方法，求得各个压力指标的权重ωl

j。

1.4.3 计算承压指数和压力指数

指标C1～C3 用于测量自然资源维度(A1)的承载力，指标C4 ～C6 用于测量环境吸收维度(A2)的承载力，指标C7 ～C9 用于测量生态服务维度(A3)的承载力，指标C10 ～C11 用于测量社会支持维度(A4)的承载力。 因此，基于每个指标上述所求的归一化值和加权值，利用线性加权的方法来计算研究区域的承压指数和压力指数。 线性加权方法由式(7)～(12)表示为

式中C(A1)为自然资源维度承压指数的值；C(A2)为环境吸收维度承压指数的值；C(A3)为生态服务维度承压指数的值；C(A4)为社会支持维度承压指数的值；L为载荷对载体的整体压力指数的值；C为载体整体承压指数的值。

利用式(13)～(16)，计算出研究区域每个维度的承载力；利用式(17)计算出整体的城市资源环境承载力。

式中ρ A1()为自然资源维度承载力的值；ρ A2()为环境吸收维度承载力的值；ρ A3()为生态服务维度承载力的值；ρ A4()为社会支持维度承载力的值；ρ为城市资源环境整体承载力的值。

2 实证分析

2.1 研究区概况

济南市是山东省的省会，是山东半岛城市群和济南都市圈的核心城市，也是山东省重要的政治、工业和经济中心。 其位于山东省的中西部地区，北跨黄河，南依泰山，境内泉水资源较为丰富，又称“泉城”，是重要的旅游城市。 气候属于半湿润性季风气候，四季分明，全年平均降水量较少，低山丘陵和平原地形所占面积大于总面积的95%。 济南市由市中、历下、天桥、槐荫、历城、长清、莱芜、钢城、章丘、济阳10 个区和平阴、商河2 个县组成。 2020年，总人口为920.24 万，人口自然增长率为3.14%。工业、钢铁、化工和建筑等为经济发展的支柱产业，2020 年生产总值为10 140.9 亿元。 然而，经济的飞速发展给济南市的资源环境系统带来了沉重的负担。2020 年，PM2.5达到0.047 mg/m3，超过GB 3095—2012《环境空气质量标准》[28]二级标准的0.34 倍。 该市人均水资源占有量仅为283 m3，远低于山东省的平均水平。 可用于建筑开发的土地稀缺，而且用于农业和工业发展的土地数量的增加又加剧了这种困境。 在发展的过程中，生态系统也遭到一定程度的破坏。

2.2 数据来源

所有的原始数据均来自国家统计局，因此其是可信且有效的[29-32]。

2.3 结果分析

利用研究提出的评价方法，选取济南市作为案例进行评价。 通过极差法对数据进行标准化处理，利用熵权法得到每个指标的权重，再利用线性求和的方法计算出整体及每个维度的承压能力和压力，从而得到资源环境承载力的值。 每个指标的权重见表3，其评价结果见表4。

表3 承压-压力指标权重表 %

表4 各维度承载力计算结果表

2.3.1 承压能力、压力及承载力评价结果分析

资源环境承载力承压指数、压力指数、资源环境承载力指数变化趋势如图4 所示，2009—2019 年，城市载体对城市载荷的承压能力呈现稳步上升的态势，从2009 年的0.17 到2019 年的0.92，得益于济南市城市基础设施建设的不断加强和城市公共事业发展水平的不断提高。 城市的绿化覆盖率和人均公园绿地面积等都呈现上升的趋势。 政府部门不断增加环保方面的投入。 无论是从硬件还是从软件出发，城市的生态环境都更加符合人们对美好生活的殷切期盼。 随着国家创新型城市和中国软件名城的试点，济南市政府对于科学技术的投入不断提高，促进了产业结构调整，从而提升了城市载体的承压能力。 城市载荷对城市载体施加的压力可分为2009—2013 年的上升阶段和2014—2019 年下降阶段。 2009—2013 年压力的上升，与当时的经济大环境是密不可分的。 (1) 在2008 年的经济危机后，国际、国内的经济形势极为复杂，经济复苏迫在眉睫；(2) 2011年是“十二五”的开局之年，为了建成更高水平的小康社会，加快经济发展成了首要任务，快速的发展势必会对城市载体施加压力，因此导致了该时期城市载荷施加的压力不断增加。 然而，自2014年起，济南市开始认真落实“加快科学发展、建设美丽泉城”的各项任务，经济发展稳中向好。 济南市政府严格落实节能减排目标责任制，关掉落后产能产业，并大力开发、应用新能源和可再生能源，推行风力发电、太阳能发电、生物质发电等[30]，从而降低了城市载荷对城市载体施加的压力。 自2009 年起，城市资源环境承载力在大多数年份呈现上升趋势，在2013 年达到最大值1.92。 这说明了2009—2013年，济南市的资源系统整体超载风险较高，可持续性较差。 自2014 年，城市资源环境承载力的值呈现下降趋势，在2019 年达到最小值0.16，且在该期间承载力值均＜1，说明济南市的资源环境系统承载城市载荷的能力过剩，济南市的发展可持续性较好。

图4 资源环境承载力承压指数、压力指数、资源环境承载力指数变化趋势图

2.3.2 短板因素及载体各维度承载力特点分析

城市资源环境系统的承载力是由自然资源承载力、环境吸收承载力、生态服务能力和社会支持能力4 个维度构成的。 分维度的分析，有利于政府管理和决策者洞察城市资源环境系统的短板因素和特点，从而制定更具有针对性的政策。 根据承载力指数数值＞1 的频数高低来确定资源环境系统的短板因素。 在2009—2019 年的11 年研究期内，承载力指数＞1 的次数分别为:环境吸收能力6 次、社会支持能力5 次、生态服务能力3 次、自然资源能力1 次。 因此，在济南市资源环境系统中，环境吸收能力为最大的短板因素，社会支持能力为次要的短板因素。 除此之外，4 个维度的承载力随时间序列的变化也各有特点，如图5 所示。 在研究期内环境吸收承载力指数变化最为显著，在2009—2014 年间环境吸收能力指数均大于1，更甚者在2011 年最大值达到了4.07。 自2015 年环境吸收承载力指数呈现下降趋势，在2019 年最小值达到了0.15。 在此期间政府严格控制污染物的排放量，对污染物和废物进行及时处理，济南市的环境质量有了很大程度的改善。 官方数据也显示，大气环境中各类污染物不断降低，全年空气质量良好天数逐步增加，水环境和土地环境各项指标趋于正常。 社会支持能力在研究期内存在多处转折点，也证实了前人的结论:社会支持力是一个外在变量，较为活跃，易受到外界因素的影响。 因此，政府部门对于生态文明建设的态度和资金支持起着关键作用。 政府部门应该把生态建设放在重要的位置，不遗余力地持续推进生态文明建设。与生态服务能力相比，自然资源能力的变化就较为平缓，自然资源能力是资源环境系统的自然禀赋，济南市境内富有各类矿产资源和森林资源，对城市载荷的支持能力较好，因此在资源量一定的情况下，进行工业结构调整和节能减排是提高自然资源能力的关键举措。

图5 载体分维度承载力值雷达图

3 结语

针对目前关于城市资源环境承载力还没有统一的评价方法的现状，文章提出了一种基于载体和载荷视角的城市资源环境评价的理论方法。 通过对城市系统的分析，从载体和载荷的角度对城市资源环境承载力进行定义。 社会经济生态系统作为城市的载荷，包含人口、社会经济发展水平及结构、资源消耗和环境污染4 个维度；自然生态系统作为城市的载体，包含自然资源、环境吸收、生态服务和社会支持4 个维度。 利用频度分析法和理论分析法选取具有代表性的指标，构建科学、综合的指标评价体系。文章提出的方法有助于从本质上认识城市资源环境承载力。 以济南市为例进行了案例分析，证明了所引入的城市资源环境评价方法的实用性和有效性。通过分析发现济南市的城市载体对城市载荷的承压能力不断提高，城市载荷对城市载体施加的压力呈现小幅度的下降趋势。 城市资源环境系统的承载力过剩，济南市的可持续发展状态较好。