祝秀芝，李憲文，賈克敬，祁 帆

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資環(huán)學(xué)院，山東 泰安 271018；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資環(huán)學(xué)院，山東 青島 266109；3.中國(guó)土地勘測(cè)規(guī)劃院，北京 100035）

上海市土地綜合承載力的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究

祝秀芝1,2，李憲文3，賈克敬3，祁 帆3

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資環(huán)學(xué)院，山東 泰安 271018；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資環(huán)學(xué)院，山東 青島 266109；3.中國(guó)土地勘測(cè)規(guī)劃院，北京 100035）

研究目的: 通過模擬上海市2010—2020年社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，為上海市未來發(fā)展模式的選擇提供參考。研究方法: 理論分析和實(shí)證分析相結(jié)合、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)等方法。研究結(jié)果: 2015年，5種情景模擬狀態(tài)承載力指數(shù)從高到低依次是：現(xiàn)狀延續(xù)型、資源節(jié)約型、經(jīng)濟(jì)優(yōu)先型、協(xié)調(diào)發(fā)展型、環(huán)境保護(hù)型；2020年依次是協(xié)調(diào)發(fā)展型、現(xiàn)狀延續(xù)型、資源節(jié)約型、環(huán)境保護(hù)型、經(jīng)濟(jì)優(yōu)先型。研究結(jié)論: “十二五”規(guī)劃中對(duì)2015年和2020年上海市人口規(guī)模的預(yù)測(cè)值大于現(xiàn)狀延續(xù)型、資源節(jié)約型、環(huán)境保護(hù)型和協(xié)調(diào)發(fā)展型4種模式對(duì)人口的預(yù)測(cè)值，處于超載狀態(tài)；對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值的預(yù)測(cè)值大于環(huán)境保護(hù)型模擬值，小于其他4種發(fā)展方式模擬值，上海市土地資源對(duì)經(jīng)濟(jì)規(guī)模的承載能力在預(yù)測(cè)期內(nèi)可以基本滿足實(shí)際發(fā)展的需求。

土地利用；土地綜合承載力；系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)；上海市

土地承載力是區(qū)域人口、資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要指標(biāo)之一，其研究興起于20世紀(jì)中葉[1]；80年代以計(jì)算土地糧食生產(chǎn)力為主題的土地人口承載力研究對(duì)全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)[2-3]；90年代后，其他資源的承載閾值逐漸被關(guān)注，水、礦產(chǎn)、旅游、生態(tài)等承載力的研究對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展部署、土地利用規(guī)劃及生產(chǎn)布局等具有重要的意義[4-7]。21世紀(jì)以后，承載力成為規(guī)劃管理中普遍提及的理念[8]，研究人員發(fā)現(xiàn)，單一因素的承載閾值并不能從根本上確定區(qū)域承載狀態(tài)，各種資源聯(lián)合起來的綜合性的資源承載力研究更能貼切的反映社會(huì)發(fā)展的真實(shí)狀況[9]。綜合承載力的研究方法從土地總量和人均用地標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)的傳統(tǒng)方法，發(fā)展到側(cè)重因子分析的指標(biāo)體系法及以城市發(fā)展模擬和容量分析為主的模型方法，其中模型方法因?yàn)槟軌虬押诵囊氐臋C(jī)理和關(guān)系系統(tǒng)化地綜合在一起，進(jìn)行未來發(fā)展情景的模擬，定量表示承載力而得到眾多研究者的肯定[10-11]，成為土地綜合承載力發(fā)展的新方向[12]。

上海市是中國(guó)第一大城市，是國(guó)家三大綜合性門戶城市之一，其經(jīng)濟(jì)發(fā)展在全國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展中具有十分重要的地位和作用。經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人口規(guī)模的迅速膨脹及城市建設(shè)規(guī)模的快速擴(kuò)張，對(duì)上海市土地綜合承載力的考驗(yàn)日益嚴(yán)峻。人口、經(jīng)濟(jì)容量與土地所能承載的閾值是否適應(yīng),已成為上海市未來可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要前提條件。目前，對(duì)上海市承載力的研究較少。單因素承載力研究以對(duì)水資源承載力研究為主，結(jié)論表明上海市水資源承載力呈逐年下降趨勢(shì)[13]，部分地區(qū)仍有開發(fā)潛力[14]。綜合承載力研究以生態(tài)足跡法計(jì)算能源資源、生物資源等的消耗（需求量）和產(chǎn)出（供應(yīng)量），進(jìn)行供需比較，核定區(qū)域承載狀態(tài)是盈余還是赤字，確定承載力水平[15]。該方法中涉及因素主要包括能源（原煤、電力）和生物資源（糧食、豆類等），就目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平而言，這些因素的可流動(dòng)性強(qiáng)，局部的缺乏不足以制約區(qū)域的發(fā)展，不能完全反映區(qū)域的承載力狀態(tài)。本文以土地資源、水資源和生態(tài)環(huán)境等基礎(chǔ)因素為研究對(duì)象，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(Systems Dynamics, SD)方法，探尋人口、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與土地綜合承載力的匹配狀況及程度，模擬未來社會(huì)發(fā)展情景，對(duì)上海市未來可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃有重要意義。

1 研究區(qū)域概況

上海全市面積6340.5 km2，其中市區(qū)面積為2648.6 km2。至2010年全市總?cè)丝跒?301.91萬人，生產(chǎn)總值為17165.98×108元，其中第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)分別大致占0.7%、42%、57.3%[16]。2009年上海市土地資源總量為801492 hm2,其中建設(shè)用地面積283581 hm2，占全市土地總面積的35.38%；農(nóng)用地面積332397 hm2(其中耕地面積202300 hm2)，占全市土地總面積的41.47%；未利用土地面積185515 hm2，占全市土地總面積的23.15%[17]。

2 系統(tǒng)分析與模型的建立

2.1 系統(tǒng)分析與建立

本文將系統(tǒng)的邊界定義為整個(gè)上海市。從資源、環(huán)境、人口與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系入手[11,18-25]，根據(jù)建模目的將土地綜合承載力分為土地資源承載力、水資源承載力、生態(tài)環(huán)境承載力及社會(huì)經(jīng)濟(jì)4個(gè)方面，共選取耕地面積、建設(shè)用地面積、住宅面積、綜合用水量、總?cè)丝凇DP、三產(chǎn)比例、城市化率8個(gè)指標(biāo)作為狀態(tài)變量，對(duì)應(yīng)8個(gè)速率變量及多個(gè)輔助變量，依托Vensim軟件，構(gòu)建上海市土地資源承載力系統(tǒng)流圖（圖1）。

2.2 構(gòu)建系統(tǒng)方程

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程共有5種，分別為水平方程（L）、速率方程（R）、輔助方程（A）、常量方程（C）和初值方程（N）。其中水平方程和速率方程是模型的核心。

水平方程（L）是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的基本方程，即

式1中，L（t）表示在時(shí)刻t狀態(tài)變量L的值，L0表示L的初始值，Rin表示狀態(tài)變量的輸入流，Rout表示狀態(tài)變量的輸出流，（））表示狀態(tài)變量的凈流入。以上積分方程表明，狀態(tài)變量在t時(shí)刻的值等于狀態(tài)變量初始值加上在[0，t]這段時(shí)間凈流量變化對(duì)時(shí)間的積累。

速率方程（R）表示為狀態(tài)變量和常量的函數(shù)，即：

模型主要系統(tǒng)方程如下：

圖1 上海市土地資源承載力系統(tǒng)流圖Fig.1 System fow chart of land resource carrying capacity in Shanghai City

3 模型檢驗(yàn)與仿真

3.1 模型運(yùn)行檢驗(yàn)

以2000年為模型基點(diǎn)，以2000—2009為驗(yàn)證期，2010—2020為預(yù)測(cè)期，設(shè)置2015年和2020年兩個(gè)預(yù)測(cè)點(diǎn)，激活模型獲取模擬數(shù)據(jù)。

選取2000—2009年10年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[26]與模擬結(jié)果進(jìn)行t檢驗(yàn)，檢測(cè)模型模擬精度（表1）。經(jīng)計(jì)算，多數(shù)指標(biāo)差異不顯著，模型的模擬精確度較高，系統(tǒng)行為能較為真實(shí)地反映上海市土地綜合承載力狀態(tài)，可以用來預(yù)測(cè)上海市未來土地綜合承載力，進(jìn)行情景分析。

表1 狀態(tài)變量t檢驗(yàn)值Tab.1 Level variable t test

3.2 模型仿真

按照關(guān)鍵指標(biāo)的不同組合模式，設(shè)定5種社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的情景模式：經(jīng)濟(jì)優(yōu)先模式、環(huán)境保護(hù)模式、資源節(jié)約模式、現(xiàn)狀延續(xù)模式和協(xié)調(diào)發(fā)展模式。經(jīng)濟(jì)優(yōu)先型情景模式下，以社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展為目的，以高經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率和高資源消耗率以及低效能的環(huán)境保護(hù)投入為主要特征，設(shè)定城市公共綠地面積增加率為近10年最小值，其余各指標(biāo)則取最大值。其余4種情景模式的變量設(shè)置和取值參照相同的方法，指標(biāo)取值見表2和表3。

表2 5種情景模式指標(biāo)組合與取值設(shè)置方案Tab.2 Five scenarios evaluation program

表3 5種情景模式指標(biāo)取值表Tab.3 Five scenarios index value table

將表3數(shù)值分別代入系統(tǒng)，模擬主要狀態(tài)變量2010—2020年的變化情況，記錄各狀態(tài)變量2010—2020年模擬值。為消除各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)量綱不同的影響，用指標(biāo)的變異系數(shù)衡量模擬后各項(xiàng)指標(biāo)預(yù)測(cè)值的差異程度。

式3中，Vi是第i項(xiàng)指標(biāo)的變異系數(shù)，也稱為標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)；σi是第i項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差；是第i項(xiàng)指標(biāo)的平均數(shù)。再以變異系數(shù)法求取各變量權(quán)重。

最后計(jì)算各模擬情景的土地資源承載力指數(shù)：

上海市2010—2020年土地資源承載力指數(shù)在上述5種情景模式下的計(jì)算結(jié)果如圖2。

圖2 上海市不同情景模式土地資源承載力趨勢(shì)預(yù)測(cè)圖Fig.2 The different scenarios land resource carrying capacity in Shanghai City trend

4 仿真結(jié)果與承載潛力分析

4.1 不同模擬情景分析

情景模擬結(jié)果顯示，2010年現(xiàn)狀延續(xù)模式的承載指數(shù)介于5種情景模式承載能力的中間水平， 2010—2020年間呈上升趨勢(shì)。2011—2019年高于除經(jīng)濟(jì)優(yōu)先模式以外的其他4種情景，2019年后低于協(xié)調(diào)發(fā)展模式的承載指數(shù)。說明上海市當(dāng)前的發(fā)展模式在短時(shí)間內(nèi)是合理的，長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展中尚需進(jìn)一步完善。

經(jīng)濟(jì)優(yōu)先模式在2010年承載指數(shù)最大，其在2010—2014年間漸增，2014年達(dá)到承載力峰值，之后減少到最低承載水平，再?zèng)]有明顯升高趨勢(shì)，2018年后低于其他4種情景模式。表明經(jīng)濟(jì)優(yōu)先模式的承載力“初勁強(qiáng)勢(shì)”，但資源的大量消耗致使該模式“后勁不足”。

資源節(jié)約模式初始承載力指數(shù)較低，僅稍高于協(xié)調(diào)發(fā)展模式；后期增加幅度較大，2020年僅次于協(xié)調(diào)發(fā)展模式的增加幅度。說明資源節(jié)約模式對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式雖然前期承載能力較低，但具有較高的增長(zhǎng)空間。

環(huán)境保護(hù)模式在2010年的初始承載指數(shù)僅低于經(jīng)濟(jì)優(yōu)先模式的初始承載力； 2015年前逐年降低，2016年起開始表現(xiàn)出上揚(yáng)趨勢(shì)，低于現(xiàn)狀延續(xù)模式、資源節(jié)約模式和協(xié)調(diào)發(fā)展模式。

協(xié)調(diào)發(fā)展模式在2010年的初始承載指數(shù)最小， 2015年開始逐漸顯示出較強(qiáng)的增長(zhǎng)趨勢(shì)，到2020年增加到5種情景模式的最高水平，是承載力增長(zhǎng)幅度最大的模式。說明綜合協(xié)調(diào)的發(fā)展是上海市未來發(fā)展的理想模式。

4.2 主要承載指標(biāo)分析

根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)上海市不同情景模式下的人口總量和經(jīng)濟(jì)規(guī)模進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果見表4。

表4 不同情景模式下的上海市土地資源承載力預(yù)測(cè)值Tab.4 Predictive value of land resource carrying capacity in Shanghai under different scenarios

據(jù)預(yù)測(cè)，2015年上海市土地資源可承載人口總量介于經(jīng)濟(jì)優(yōu)先模式3627.12×104人和環(huán)境保護(hù)模式1853.12×104人之間， 2020年介于經(jīng)濟(jì)優(yōu)先模式4693.51×104人和環(huán)境保護(hù)模式的1916.99×104人之間。2015年土地資源可承載的經(jīng)濟(jì)總量介于經(jīng)濟(jì)優(yōu)先模式的79121.46×108元和環(huán)境保護(hù)模式的13055.35×108元之間，2020年增長(zhǎng)到經(jīng)濟(jì)優(yōu)先模式的201767.31×108元和環(huán)境保護(hù)模式的18260.38×108元之間。

5 討論

根據(jù)上海市“十二五”規(guī)劃預(yù)期，常住人口年均增長(zhǎng)率1.5%，GDP年均增長(zhǎng)率8%，預(yù)計(jì)到2015年上海市常住人口增長(zhǎng)到2416.82×104人，GDP增長(zhǎng)到25222.46×108元；2020年常住人口增長(zhǎng)到2603.60×104人，GDP增長(zhǎng)到37060.06×108元[27]。與表4中不同情景模式下的承載預(yù)測(cè)值比較可知，2015年和2020年上海市的人口規(guī)模已大于現(xiàn)狀延續(xù)型、資源節(jié)約型、環(huán)境保護(hù)型和協(xié)調(diào)發(fā)展型4種模式對(duì)人口的預(yù)測(cè)值，處于超載狀態(tài)，小于經(jīng)濟(jì)優(yōu)先模式的預(yù)測(cè)值，尚有一定承載空間。造成超載的原因：一是上海市人口機(jī)械增長(zhǎng)過快；二是在模型中，設(shè)置了人均住宅面積等限制性指標(biāo)，這些指標(biāo)的取值范圍參照《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》。實(shí)際上，上海市的人均住宅面積偏低，參照上海市發(fā)展的實(shí)際狀況，可以適當(dāng)降低該類指標(biāo)取值范圍，提高人口承載力，滿足上海市未來人口發(fā)展的需求。

“十二五”規(guī)劃中對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值的預(yù)測(cè)值大于環(huán)境保護(hù)型模擬值，小于其他4種發(fā)展方式模擬值，2015年和2020年的發(fā)展空間分別為9239.39×108—53899×108元、29555.62×108—164707×108元，說明上海市未來的經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模在承載限度之內(nèi)，可以滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。其中技術(shù)水平的提升和先進(jìn)設(shè)備的應(yīng)用促進(jìn)了土地資源對(duì)經(jīng)濟(jì)規(guī)模承載能力的提高，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

從上述分析可知，上海市未來的發(fā)展應(yīng)適度控制人口規(guī)模的過快增長(zhǎng)，以緩解人口與資源的關(guān)系，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和用地結(jié)構(gòu)、促進(jìn)資源的節(jié)約集約利用，提高土地綜合承載力，保障上海市穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展。

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（本文責(zé)編：郎海鷗）

A Study on System Dynamics of Land Comprehensive Carrying Capacity in Shanghai City

ZHU Xiu-zhi1,2, LI Xian-wen3, JIA Ke-jing3, QI Fan3
(1. College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China; 2. College of Resources and Environment, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China; 3. China Land Surveying and Planning Institute, Beijing 100035, China )

The purpose of the paper is to simulate the development status of Shanghai City from 2010 to 2020, providing a reference for the future development mode of Shanghai city. Theoretical analysis, empirical analysis and Systems Dynamics (SD) analysis were used in this study. In 2015, the carrying capacity indexes of 5 socio-economic development model scenarios from highest to lowest are the current situation continuation mode, resource-saving mode, economy-priority mode, the harmony-development mode and environment-protection mode. And the order in 2020 changes into the harmonydevelopment mode, the current situation continuation mode, resource-saving mode, environment-protection mode and economy-priority mode. Population scale predicted value, in the 12th Five-Year Plan, is greater than the one in the current situation continuation mode, resource-saving mode, the harmony-development mode and the environment-protection mode.Therefore, it is overload. GDP predicted value from the 12th Five-Year Plan is greater than the one in the environmentprotection mode, i.e., it is less than the values in the other models. The paper concludes that the land resources carrying capacity of the economy of scale can meet the actual development needs in the forecast period in Shanghai.

land use; land comprehensive carrying capacity; system dynamics(SD); Shanghai City

F301.24

A

1001-8158（2014）02-0090-07

2013-04-18

2013-10-02

重點(diǎn)地區(qū)土地綜合承載力調(diào)查評(píng)價(jià)（2011）（DCPJ11-8.1）。

祝秀芝（1976-），女，山東泰安人，博士，講師。主要研究方向?yàn)橥恋刭Y源利用。E-mail:zhuxiuzhi@163.com

李憲文（1965-），男，山東聊城人，博士，研究員。主要研究方向?yàn)橥恋乩门c管理。E-mail:lixianwen@mail.clspi.org.cn