周楊慧，朱紅梅*，張玉平，周 密

（湖南農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，湖南 長沙 410128）

區(qū)域土地綜合承載力個案分析：以長沙市為例
——基于系統(tǒng)動力學視角

周楊慧，朱紅梅*，張玉平，周 密

（湖南農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，湖南 長沙 410128）

根據(jù)系統(tǒng)動力學原理，充分考慮耕地與建設(shè)用地創(chuàng)造的價值和生態(tài)用地對經(jīng)濟的約束，進一步擴大土地承載力研究范圍，分析土地綜合承載力的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其相互關(guān)系，并構(gòu)建土地綜合承載力系統(tǒng)動力學仿真模型。在此基礎(chǔ)上以2008年為基期，對長沙市2009—2020年土地承載力變化進行仿真模擬，其結(jié)果表明：人口低速發(fā)展、經(jīng)濟穩(wěn)步發(fā)展、糧食單產(chǎn)較快增長的發(fā)展模式是長沙市的最優(yōu)選擇，其土地綜合承載力最高。

土地綜合承載力；系統(tǒng)動力學模型；長沙市

一、問題的提出

資源承載力是指地球生物圈或區(qū)域的資源對人口增長和經(jīng)濟發(fā)展的支持能力。它是評價未來社會可持續(xù)發(fā)展最有效的評價指標。[1]土地資源作為一項重要的資源，其承載力的大小是判斷人地關(guān)系是否協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展的一個重要依據(jù)。土地承載力可作為區(qū)域土地資源安全及生態(tài)安全的衡量標準，預警區(qū)域土地資源可持續(xù)開發(fā)利用當中面臨的危機。[2,3]因此，采用正確的方法準確地估算一個地區(qū)的土地承載力一直以來都是學界研究的熱點。由于研究者在立場、觀點和研究方法上存在差異，土地承載力研究可分為生物生理的土地承載力研究、基于現(xiàn)實條件的土地承載力研究、土地的適度承載力研究等。[4]總體來說，傳統(tǒng)的土地承載力研究以土地生產(chǎn)力的靜態(tài)分析為主，注重農(nóng)用地特別是其中耕地的承載力研究，忽略其他用地(建設(shè)用地和生態(tài)用地等)的承載力研究。隨著社會的發(fā)展，人們漸漸認識到土地是一種綜合資源。土地綜合承載力是指在當前經(jīng)濟社會發(fā)展階段下，以可預見的技術(shù)、經(jīng)濟和社會發(fā)展水平為依據(jù)，以可持續(xù)發(fā)展為原則，以維護人類生態(tài)環(huán)境(安全)良性發(fā)展為前提，土地資源可承受的最大人口和城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)模。[5]例如李月輝、黃國勇、哈斯巴根、楊曉鵬等[6-9]根據(jù)系統(tǒng)動力學原理，從種植業(yè)、畜牧業(yè)、水資源、消費、環(huán)境、人口等各系統(tǒng)之間相互影響、相互作用出發(fā)，研究了科爾沁左翼后旗、甘南藏族自治州等西部農(nóng)牧區(qū)土地綜合承載力。受已有研究的啟示，筆者擬進一步擴大土地承載力研究范圍，充分考慮耕地與建設(shè)用地創(chuàng)造的價值和生態(tài)用地對經(jīng)濟的約束，根據(jù)系統(tǒng)動力學原理，分析土地資源承載力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各子系統(tǒng)相互關(guān)系，構(gòu)建土地綜合承載力動力學模型，以長沙市為個案模擬5種方案下的土地承載力狀況。

長沙市處于湘江和瀏陽河交匯的河谷臺地，下轄5區(qū)3縣1市，土地總面積1.18×104km2，市區(qū)面積556 km2，土地以建設(shè)用地為主。2008年各類用地面積中住宅用地最多，達14473.7 hm2，耕地面積只有715.3 hm2，占1.89%；2008年人口為658.56萬人，國內(nèi)生產(chǎn)總值為3000.98億元，三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比為5.7∶52.2∶42.1，全年固定資產(chǎn)投資1873.33億元；糧食作物種植面積35.4×104km2，全年糧食總產(chǎn)量 248.01×104t（圖1）。隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，長沙市人地矛盾日益顯現(xiàn)，正確分析和評價長沙市土地綜合承載力，對于協(xié)調(diào)和解決人地矛盾，促進區(qū)域經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

圖1 2008年長沙市土地利用結(jié)構(gòu)

二、系統(tǒng)分析與模型的建立

遵循系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定系統(tǒng)功能的原理，筆者將構(gòu)建結(jié)構(gòu)與功能統(tǒng)一，利用反饋、調(diào)節(jié)和控制原理進一步設(shè)計反映系統(tǒng)行為的反饋回路，最終建立計算機仿真模型，并借助計算機仿真，定量研究高階次、非線性、多重反饋復雜時變系統(tǒng)。[10]相關(guān)數(shù)據(jù)資料主要來源于1997—2008年長沙市土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)、《長沙統(tǒng)計年鑒》及長沙市歷年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報。

1.系統(tǒng)分析

土地綜合承載力包括土地生產(chǎn)力承載力和土地經(jīng)濟社會承載力。土地生產(chǎn)力承載力需要考慮人口、糧食生產(chǎn)之間的關(guān)系；土地經(jīng)濟社會承載力需要考慮經(jīng)濟社會和建設(shè)建筑系統(tǒng)之間的關(guān)系。也就是說土地綜合承載力的大小取決于土地生產(chǎn)力承載力和經(jīng)濟社會承載力的大小，它們之間呈正相關(guān)關(guān)系。經(jīng)濟社會承載力受地區(qū)生產(chǎn)總值和平均消費水平影響，它與地區(qū)生產(chǎn)總值呈正相關(guān)，與平均消費水平呈負相關(guān)；土地生產(chǎn)力承載力受糧食總產(chǎn)量和糧食消費水平影響，它與糧食總量呈正相關(guān)，與糧食消費水平呈負相關(guān)。因此，要提高土地綜合承載力，需加強與它呈正相關(guān)的因素，抑制與它呈負相關(guān)的因素，即提高糧食單產(chǎn)增長率，提高經(jīng)濟增長率，提高生態(tài)用地比例，控制人口自然增長率，控制耕地減少比率，控制各種消費水平。隨著經(jīng)濟的增長，建設(shè)用地不斷增加，其他用地面積相應(yīng)減少，因而，土地生產(chǎn)力承載力對土地綜合承載力的貢獻比率也將減少。

由于各個地方不同發(fā)展階段土地生產(chǎn)力承載力和經(jīng)濟社會承載力對土地綜合承載力的貢獻率不一樣，因此，本文根據(jù)現(xiàn)階段長沙市相對資源承載力中相對土地資源承載力和相對經(jīng)濟資源承載力對綜合承載力的貢獻率，并結(jié)合專家意見，按耕地和經(jīng)濟對長沙市的重要性各占一半建議，本文確定土地生產(chǎn)力承載力和經(jīng)濟承載力在土地綜合承載力中的權(quán)重各為0.5。

2.模型的建立

(1)系統(tǒng)變量的設(shè)置與系統(tǒng)流圖。根據(jù)以上系統(tǒng)分析和長沙市的實際情況，筆者確定了土地利用結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型變量，共包括5個狀態(tài)變量，6個速率變量，21個輔助變量，7個表函數(shù)和8個常量。并使用系統(tǒng)動力學專用軟件Vensim，構(gòu)建長沙市土地綜合承載力系統(tǒng)流圖(圖2)。

(2)系統(tǒng)方程的建立。系統(tǒng)動力學結(jié)構(gòu)方程是定量分析系統(tǒng)的動態(tài)行為，是計算機仿真程序的基本組成部分，主要有狀態(tài)方程(L)、速率方程(R)、輔助方程(A)、常量方程(C)、初始值方程(N)。確定參數(shù)的方法主要有以下幾種：1）應(yīng)用統(tǒng)計資料、調(diào)查資料確定參數(shù)；2）運用一些常用的數(shù)學方法，重點是經(jīng)濟計量學方法；3）從模型中部分變量關(guān)系中確定參數(shù)值；4）根據(jù)模型的參考行為特征估計參數(shù)值；5）專家評估。系統(tǒng)的模型是由多組動態(tài)方程有機地組合構(gòu)成的。當數(shù)據(jù)不足或函數(shù)關(guān)系復雜時，各變量之間的關(guān)系可以用表函數(shù)來表達。

圖2 長沙市土地綜合承載力系統(tǒng)流圖

整個系統(tǒng)的關(guān)系式：

土地綜合承載力=土地生產(chǎn)力承載力×0.5+經(jīng)濟社會承載力×0.5

土地生產(chǎn)力承載力=糧食總產(chǎn)量/糧食消費水平

經(jīng)濟社會承載力=(地區(qū)生產(chǎn)總值－固定資產(chǎn)投資額)×1E8/平均消費支出

糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的主要方程式：

L 糧食單產(chǎn)= INTEG (糧食單產(chǎn)增加量，615204)

R 糧食單產(chǎn)增加量=糧食單產(chǎn)×額定單產(chǎn)增長率/100

L 耕地面積= INTEG (耕地面積變化量，2806.87)

R 耕地面積變化量=耕地面積×耕地面積變化因子/100×耕地減少比率

A 耕地面積變化因子= WITH LOOKUP (糧食供需差，[(1,-1)-(10,1)],(1,0.98), (2,0.896), (3,0.832),(4,0.812),(5,0.765),(6,0.716),(7,0.654),(8,0.423),(9,0.315),(10,0.31))

人口系統(tǒng)的主要方程式：

L 人口總量= INTEG (年人口增加量+機械增長人數(shù)，6.5856E6)

R 年人口增加量=人口總量×人口自然增長率/1000

R 機械增長人數(shù)= 人口總量×機械增長率/1000

經(jīng)濟社會系統(tǒng)的主要方程式：

L 地區(qū)生產(chǎn)總值=INTEG(地區(qū)生產(chǎn)總值增長量，3000.98)

R 地區(qū)生產(chǎn)總值增長量=地區(qū)生產(chǎn)總值×額定經(jīng)濟增長率×GDP增長乘子

A GDP增長乘子=WITH LOOKUP(生態(tài)差距比,[(1,0.4)-(10,1)],(1,0.926), (2,0.937),(3,0.951), (4,0.953),(5,0.968),(6,0.978),(7,0.982),(8,0.989),(9,0.995),(10,0.997))

建設(shè)建筑系統(tǒng)的主要方程式：

L 建設(shè)用地面積= INTEG (建設(shè)用地增加量，1458.04)

R 建設(shè)用地增加因子=差距驅(qū)動因子表×經(jīng)濟驅(qū)動因子表/100

A 建設(shè)用地增加量=建設(shè)用地面積×建設(shè)用地增加因子

三、模型檢驗與仿真分析

模型中涉及參數(shù)眾多，而且有的不容易確定，本文大部分參數(shù)是通過統(tǒng)計調(diào)查資料及模擬試驗來確定的。模擬試驗即在參數(shù)值的變化范圍內(nèi)先粗略地試用一些參數(shù)進行模型調(diào)試，如果模型行為無顯著變化則可以確定該參數(shù)值?；诩Z食耕種面積不太可能出現(xiàn)大的增長的實際，根據(jù)長沙市近10年人口和經(jīng)濟變化率情況（人口自然增長率基本保持在2‰-5‰之內(nèi)，機械增長率6.3‰；GDP年平均增長率為16.11 %），糧食單產(chǎn)必須年均增長1%以上，才能與人口和消費增長供需平衡，[11]結(jié)合長沙市的特點和未來的發(fā)展趨勢，本文設(shè)定三種增長趨勢下的糧食單產(chǎn)水平、人口增長率和經(jīng)濟增長水平（表1）。

表1 三種增長趨勢下常數(shù)值的設(shè)定 %

為準確地計算土地綜合承載力，本文將大眾的消費分為兩部分，即食物和貨幣消費。食物主要以糧食為單位確定，根據(jù)中國食物安全目標(糧食部分)規(guī)定：基本小康社會人均占有 391kg、全面小康社會人均占有 437kg、向富裕階段過渡時期人均占有472kg。[12]貨幣消費是指人民除了食品消費之外，還有衣著、設(shè)備、醫(yī)療、居住、娛樂等消費支出。恩格爾系數(shù)是衡量一個國家和地區(qū)人民生活水平的一個重要指標。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織提出的標準，恩格爾系數(shù)在 59%以上為貧困，50%—59%為溫飽，40%—50%為小康，低于 40%為富裕、30%以下為最富裕。

近年來，長沙市城鄉(xiāng)居民發(fā)展型和享受型消費比重不斷提高，食品支出比重持續(xù)下降。城鎮(zhèn)居民的恩格爾系數(shù)由1998年的42.5%下降到2008年的36.9%，下降了5.6個百分點；農(nóng)村居民的恩格爾系數(shù)由1998年的54%下降到2008年的41.7%，下降了12.7個百分點。隨著汽車進入家庭，電腦和手機等電子產(chǎn)品的普及，交通通信這些發(fā)展型和享受型消費比重將不斷增加，恩格爾系數(shù)也會繼續(xù)下降。根據(jù)長沙提出的 2015年率先在全省建成全面小康社會的目標，恩格爾系數(shù)低于40%。本文設(shè)定的全面小康型消費水平如下：糧食消費水平為437kg/人、城鎮(zhèn)居民恩格爾系數(shù)為34.1%、農(nóng)村居民恩格爾系數(shù)為35.4 %。

1.仿真方案的設(shè)計

土地資源綜合承載力受到自然因素、社會因素和政策法規(guī)因素等多方面的影響，且在不同時期內(nèi)這些影響還不一樣，從而導致土地資源承載力也不斷地變化。因此，本文以發(fā)展的觀點，應(yīng)用動態(tài)仿真的思想，根據(jù)未來可能出現(xiàn)的社會、經(jīng)濟和政策條件提出不同的方案，以確保仿真方案的彈性、可調(diào)性、可操作性。筆者在對1998—2007年數(shù)據(jù)進行模擬的基礎(chǔ)上，以長沙市實際情況和中國未來整體發(fā)展情況為基礎(chǔ)，考慮土地利用實行耕地占補平衡的政策，根據(jù)GDP、人口、糧食單產(chǎn)和不同消費水平等發(fā)展指數(shù)的組合設(shè)定，設(shè)置仿真方案(表2)。

表2 長沙市土地綜合承載力仿真方案

2.模型的歷史檢驗

歷史仿真檢驗是指選定某一時刻，將仿真得到的結(jié)果與實際結(jié)果比照，觀察其偏差程度大小，從而驗證所建立的模型是否有效。[10]當模擬誤差較小，即可認定結(jié)論可靠、模型有效。如果所建立模型運行輸出結(jié)果與實際偏差較大，那么就應(yīng)對模型進行修正?，F(xiàn)以1998 年為基期，取步長dt=1年進行仿真，得出長沙市土地綜合承載力模型模擬結(jié)果。再根據(jù)公式：

相對誤差=[(仿真值－歷史值)/歷史值]×100%

計算得知，除了 2007年地區(qū)生產(chǎn)總值的相對誤差為9.61%外，其余年份均小于5% 。表3是長沙市土地綜合承載力模型模擬結(jié)果對比 2006年和2007年的數(shù)據(jù)。由此可見，該模型所描述的系統(tǒng)行為與實際系統(tǒng)行為基本相符，具有一定的代表性和可行性。

表3 長沙市土地綜合承載力模型模擬結(jié)果對比

3.仿真結(jié)果分析

筆者以長沙市 2008年數(shù)據(jù)作為初始值，對長沙市土地承載力系統(tǒng)進行仿真模擬。模擬的區(qū)間為2009—2020年，時間步長為1年，得到5種仿真方案下的土地承載力及各類用地面積發(fā)展動態(tài)圖（圖3）。

圖3 長沙市土地綜合承載力主要指標預測結(jié)果

比較五種方案可以看出：方案1，土地生產(chǎn)力承載力、人均國內(nèi)生產(chǎn)總值和生態(tài)用地面積最高，建設(shè)用地和人均耕地面積最少，生態(tài)用地最多，但土地綜合承載力和經(jīng)濟承載力較低，2020年分別為2986.58萬人和4960.83萬人；方案2和方案3的土地綜合承載力、土地生產(chǎn)力承載力和經(jīng)濟承載力最高(2020年分別為3138.1萬人、1012.32萬人和5263.89萬人)，人均國內(nèi)生產(chǎn)總值較高，建設(shè)用地、生態(tài)用地較多，方案2實行寬松型人口政策，致使總?cè)丝跀?shù)高于方案3，人均資源占有量(如人均建設(shè)用地)高于方案1；方案4，經(jīng)濟承載力較強，建設(shè)用地、生態(tài)用地及人均耕地面積較多，但土地綜合承載力和土地生產(chǎn)力承載力不如方案2和方案3；方案 5，土地綜合承載力、土地生產(chǎn)力承載力、經(jīng)濟承載力和人均國內(nèi)生產(chǎn)總值最低，建設(shè)用地最高，生態(tài)用地最少，很明顯這是一種不可取的高耗費低效益發(fā)展模式。

從可持續(xù)發(fā)展長遠目標出發(fā)，方案3是最優(yōu)發(fā)展方案，它既考慮到了長沙市的國民經(jīng)濟的持續(xù)穩(wěn)定增長，又兼顧了自然資源的合理開發(fā)利用與保護；既保證了經(jīng)濟發(fā)展的總量水平與速度水平，又考慮到了經(jīng)濟發(fā)展造成的環(huán)境污染與生態(tài)破壞限度，并把人口規(guī)?？刂圃诮?jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境許可的范圍內(nèi)。

在實行耕地占補平衡政策和全面小康社會發(fā)展水平條件下，長沙市土地綜合承載力5種仿真方案主要指標的預測結(jié)果表明：隨著建設(shè)用地的不斷增加，生態(tài)用地面積逐漸縮??；人口、地區(qū)生產(chǎn)總值不斷增長，土地綜合承載力、經(jīng)濟承載力和土地生產(chǎn)力承載力也呈增長態(tài)勢。

四、結(jié)論

本文采用Vensim軟件，建立了長沙市土地綜合承載力SD模型，在通過歷史有效性檢驗后，模擬5種方案下2010年至2020年的土地綜合承載力，依據(jù)經(jīng)濟、資源、生態(tài)、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展原則，方案3為最優(yōu)方案，即人口低速增長 (機械增長率和自然增長率6.3‰，3.0‰)、經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展（16%）、糧食單產(chǎn)快速增長（1.4%）。方案3的模擬結(jié)果顯示：2010年和2020年長沙市人口為670.64萬人和734.45萬人；在全面小康型消費水平下，土地生產(chǎn)可承載的人口為898.42萬和1012.32萬人，經(jīng)濟社會可承載人口分別為2492.18萬人和5263.89萬人，綜合承載人口為1695.3萬人和3138.1萬人。

土地綜合承載力系統(tǒng)是一個由各類土地在自然和社會因素綜合作用下的復雜系統(tǒng)，土地綜合承載力的大小不僅僅是自然地理環(huán)境特點的反映，也取決于人類社會、經(jīng)濟技術(shù)的發(fā)展水平，人類對于土地資源的有效利用和生態(tài)環(huán)境的改善狀況[5]。文中所構(gòu)建的長沙市土地綜合承載力系統(tǒng)動力學模型僅考慮了承載力中的幾個主要因子，是一個土地—經(jīng)濟—人口—消費水平的簡化模型。全面考慮各類用地、社會經(jīng)濟貢獻、自然因素限制和政策因素影響，提高模型的模擬能力，有待于今后進一步研究。

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Land resources synthetic carrying capacity in Changsha city: A systematic dynamics perspective

ZHOU Yang-hui, ZHU Hong-mei*, ZHANG Yu-ping, ZHOU Mi
(College of Resources and Environment, Human Agricultural University, Changsha 410128, China)

Based on the principles and methodology of system dynamics，land resource synthetic carrying capacity system dynamics model of Changsha city was established according to the analysis of land resource synthetic carrying capacity system, its structure and the interrelation inside the structure .Taking 2008 as the base year，we simulated the changes of land resource synthetic carrying capacity from 2009 to 2020 in Changsha city.The results show the model characterized by lowest population increasing rate, stable economic development and rapidly growth in grain yield per hectare is the best model for Changsha city.

land resource synthetic carrying capacity；Systematic Dynamic Model；Changsha city

F301.2

A

1009-2013(2011)03-0023-06

2011-03-04

湖南省科技廳資助項目(2008FJ3044)

周楊慧(1982一)，女，湖南安仁人，碩士研究生。研究方向：土地經(jīng)濟與可持續(xù)利用。*為通訊作者。

李東輝