王 昀，張文華

(1.隴東學院 土木工程學院，甘肅 慶陽 745000；2.新疆師范大學 地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊 830054)

由于中國經濟快速發(fā)展促進城市化進程提升，而有限的國土空間上卻承載大規(guī)模和高強度的社會經濟活動[1-3]，引發(fā)了社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的失衡性問題。“生態(tài)文明建設”首次在十八大寫入黨章，十九大報告中提出推進綠色發(fā)展[4-6]。在此背景下，研究城市生態(tài)承載力，對地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護與社會經濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。在研究過程中主要解決兩方面問題：一是城市生態(tài)承載力影響指標如何建立，二是隨時間序列變動城市生態(tài)承載力是否會發(fā)生變化？

城市生態(tài)承載力相關研究目前傾向于兩方面:

(1)概念內涵的擴展，主要影響評價指標的選取。目前城市生態(tài)承載力沒有明確的定義[7]，從最早Park[4,8]以單一種群數(shù)量的角度首次定義承載力的概念，到Reese[4-10]從生態(tài)足跡的理論上，主要考慮人口發(fā)展對環(huán)境資源影響，概念從單一種群轉向資源-人口-環(huán)境綜合要素的研究，Seidle[11,12]提出的復合生態(tài)承載力受到學者認同。我國關于生態(tài)承載力研究始于20世紀90年代，主要分為兩類：第一類環(huán)境為主體，如王家驥、張傳國[7]，研究生態(tài)系統(tǒng)自身調節(jié)、自我維護的能力；第二類生態(tài)-經濟-社會為主體，其中以王中根、夏軍[7,13]為代表，提出地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)對人類經濟社會的支持能力，同時經濟社會對生態(tài)系統(tǒng)的調節(jié)能力，這一概念對城市生態(tài)承載力研究中指標的選取起到重要的指導作用。

(2)評價過程中研究方法的選用。由于不同城市生態(tài)狀況的差異性，研究目的的不同，常用的有：1)生態(tài)足跡：該方法通過赤字和盈余的結果反映生態(tài)系統(tǒng)生產和城市活動消耗之間的關系，易于理解，但該方法強調了城市生產性土地面積上的供給能力，較少研究系統(tǒng)內部結構要素關聯(lián)，及外部環(huán)境對系統(tǒng)的影響，如鮮明睿[14]等對常州市生態(tài)承載力動態(tài)分析，潘竟虎、馮婭婭[15]對甘肅省潛在生態(tài)承載力估算；2)系統(tǒng)動力：用數(shù)學模型模擬揭示各系統(tǒng)間的因果反饋關系，但模型絕大多數(shù)是針對某個地區(qū)的一次性模型,如馬忠強[16]對大連市生態(tài)承載力的預測；3)綜合指標評價法，相對通俗易懂，應用廣泛，通過構建多層次指標體系，并對指標加權求和得到城市生態(tài)承載力的評價結果，需要配合指標權重計算模型(主成分分析法、因子分析、層次分析、狀態(tài)空間模型、免疫學模型)，該方法涵蓋社會經濟環(huán)境的各方面，可用于結構功能較復雜的區(qū)域，但評價指標不統(tǒng)一，首先沒有統(tǒng)一的科學指標體系，其次地區(qū)統(tǒng)計差異尺度越小數(shù)據(jù)越難收集，并且動態(tài)更新會出現(xiàn)部分指標缺失，再次不同模型計算結果不一致，沒有對錯之分，但總體而言，綜合指標評價法能較好體現(xiàn)出地理現(xiàn)象的發(fā)展過程。考慮到要體現(xiàn)生態(tài)-經濟-社會為主體的復雜性，因此選擇綜合指標方法。

甘肅省位于中國西北地區(qū)，經濟欠發(fā)達，城市發(fā)展既要考慮經濟總量的提升，同時還要與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調，結合甘肅省地區(qū)特征，在選取指標時充分考慮地區(qū)生態(tài)特征、經濟特征、地區(qū)指標統(tǒng)計差異性，選取19個指標，并通過綜合指標評價法對14個州市2013-2018年城市生態(tài)承載力評價結果對比研究，以期能找到甘肅省生態(tài)環(huán)境與經濟發(fā)展之間的平衡點。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

甘肅省跨越北緯32°31′～42°57′，東經92°13′～108°46′[16]，黃河上游，與陜西、四川、青海、新疆、內蒙古、寧夏相鄰。下設蘭州市、嘉峪關市、金昌市、白銀市、天水市、酒泉市、張掖市、武威市、定西市、隴南市、平涼市、慶陽市12個市，臨夏州、甘南州2個民族自治州，是黃河和長江的重要水源涵養(yǎng)區(qū)，也是多民族省份，是連接西北地區(qū)與中、東部地區(qū)互通的橋梁。由于甘肅廣闊的國土面積和相對富集的自然資源，使其在對保障國家生態(tài)安全、構建西北地區(qū)生態(tài)屏障方面具有至關重要的作用。由于甘肅地處大陸腹地，氣候受大陸性季風控制影響，氣候條件復雜，屬干旱、半干旱區(qū)[16]，溝壑縱橫，地勢較高，以山地和高原為主，區(qū)域具有較大的差異性，加之甘肅省森林資源較匱乏且分布不均，植被覆蓋率低，其脆弱的生態(tài)環(huán)境狀況制約了甘肅省的社會經濟發(fā)展。

數(shù)據(jù)主要來源于《中國城市統(tǒng)計年鑒》(2014-2019年)、《甘肅省統(tǒng)計年鑒》(2014-2019年)、各市州統(tǒng)計年鑒(2014-2019年)、甘肅省水資源公報(2013-2018年)及2013-2018年各市州環(huán)境質量(狀況)公報，2013-2018年各市州國民經濟統(tǒng)計公報及政府網(wǎng)站，統(tǒng)計14個市州市區(qū)19個指標。

2 研究方法

2.1 綜合指標評價法

由于城市生態(tài)環(huán)境是一個復合的系統(tǒng)，包括資源、環(huán)境、社會、經濟多個方面，因此需要通過構建可持續(xù)發(fā)展的指標體系框架評價城市生態(tài)承載力。這就可以使用比較被認可的綜合指標評價法。評價中采用主成分方法(Principal components analysis,PCA)確定各指標權重并通過主成分得分得到甘肅省各市州的城市生態(tài)承載力排序，同時考慮一個區(qū)域的各個城市之間往往因為地域的相近和人口的流動在社會經濟發(fā)展和自然資源條件方面會存在或多或少的相似性。為了更有效地進行分析評價和提出有針對性的建設對策，以促使類間與類內的城市帶動發(fā)展、協(xié)同進步以及資源互補，需要在主成分分析的基礎上進行聚類分析。

2.1.1 主成分分析方法

主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)的基本思想是通過降維，把多指標轉化為幾個綜合指標，也就是主成分，而每個主成分都能夠集中反映原來大部分的信息，且相互獨立。在實際研究工作中，通常按照方差大于1的原則選擇主成分，以達到簡化分析過程的目的[17-19]。由于受篇幅限制具體公式可以參考文獻[19]。

2.1.2 聚類分析方法

聚類分析(Cluster Analysis)是一種按照樣本或變量的相似程度進行分類的統(tǒng)計分析方法，主要是利某個特定標準(如距離準則，這里的距離準則是以14個州市的19個指標為計算基礎，由于進行了主成分分析，因此以6個主成分計算距離)把一個數(shù)據(jù)集分割成不同的類或簇，且同簇內的數(shù)據(jù)相似性大，不同簇中的數(shù)據(jù)差異性也較大。聚類分析的方法十分多樣，主要有：系統(tǒng)聚類法、模糊聚類法、動態(tài)聚類法、最優(yōu)化聚類法、圖論聚類法和聚類預報法[17-19]，其中系統(tǒng)聚類法運用最多。系統(tǒng)聚類法的基本思想是，按照變量(或樣品)之間的距離遠近，將其先后聚類，直到所有的變量都聚合完畢。距離公式可利用絕對值距離計算，公式可以參考文獻[19]。

2.2 指標選取

參考國家環(huán)境保護總局頒發(fā)的《生態(tài)縣、市、省建設指標(試行)》體系、《資源環(huán)境承載力和國土空間開發(fā)適宜性評價方法指南》、城市生態(tài)承載力指標選取科學性和系統(tǒng)性的原則，構建了4個一級指標和19個二級指標體系(表1)。

表1 城市生態(tài)承載力評價指標體系

2.3 2013-2018年甘肅省各州市城市生態(tài)承載力評價得分比較

2014年國務院辦公室下發(fā)了《2014-2015年節(jié)能減排低碳發(fā)展行動方案》，甘肅省為節(jié)能減排做了一系列舉措，2013-2018年數(shù)據(jù)正好處于“十二五”、

“十三五”規(guī)劃年中，其中“十二五”節(jié)能減排指標是對“十一五”約束指標的強化，指標選取時也參考了節(jié)能減排的相關要求，因此該時間序列能有效地反映甘肅省生態(tài)保護相關政策的實施成效。主成分分析前需要通過數(shù)據(jù)的標準化，減小各項指標的量綱差異，受篇幅限制，以2018年數(shù)據(jù)展示結果變化，主成分計算結果從表2總方差解釋表可以看出，只需提取六個主成分便能涵蓋了大于86%信息，且6個主成分是關于19個變量的線性組合，表3反映了19個指標在6個主成分中的荷載變化，因此19個指標通過線性變換后用6個主成分代替。提取的六個主成分分別記為Z1，Z2，Z3，Z4，Z5，Z6。其中第一主成分貢獻率達到35.522%，最終城市生態(tài)承載力貢獻最大的是第一主成分。

表2 總方差解釋

表3 主成分載荷矩陣

荷載分布表3中，Z1與X2、X8、X13、X14、X18等有較強的正相關,其中該因子中經濟因子比重較大，可以將Z1定義為經濟質量因子；Z2和X16、X19有較強的正相關，與社會發(fā)展有一定關聯(lián)，定義為社會發(fā)展因子，由于第二主成分貢獻能力也較大，指標能明顯說明社會進步、文明出行政策的提出對城市生態(tài)承載力的提升的有效性；Z3與X9有較強的正相關，一定程度能代表環(huán)境狀況，定義為環(huán)境質量因子；Z4和X3有較強的正相關，定義為資源節(jié)約因子，說明GDP能耗變化是對甘肅省資源的節(jié)約能力提升的有效指示；Z5與X1、X15呈正相關，定義為資源節(jié)約因子；Z6和X6、X7有較強的正相關，定義為基礎生態(tài)因子，反映甘肅省在基礎生態(tài)方面保護和加強能力。

利用主成分方法計算2013-2018年數(shù)據(jù)，計算6個主成分因子的得分表4(具體公式可參考文獻19)。在此基礎上以各主成分的方差貢獻率作為權重進行加權匯總，得到各市州的綜合得分Z，以2018年為例其公式為：

從2013-2018年綜合得分以0為界，其中綜合得分為正值的，則說明其城市生態(tài)承載力位于全省平均水平之上，反之同理，其中只有6個城市為正。14個市州在綜合得分上的排名，由大到小依次為：嘉峪關、蘭州、金昌、酒泉、張掖、白銀、天水、武威、平涼、定西、慶陽、臨夏、甘南、隴南。從表4中可以看出甘肅省整體城市生態(tài)承載力排名從2013-2018年變化不大，除個別地區(qū)有上升和下降外，整體變化較為平穩(wěn)。第一主成分與經濟的高度相關，也說明經濟對城市生態(tài)承載力貢獻作用，但甘肅省多數(shù)城市屬于資源型型城市，對資源的過度消耗又會影響生態(tài)環(huán)境，因此保持經濟增長又要降低資源消耗，就必須通過“綠色+智慧”的創(chuàng)新發(fā)展模式。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)中也反映出，甘肅省經濟總量在逐年增長，而各州市GDP能耗呈逐年下降趨勢，R&D經費比重增加，同時第三產業(yè)比重呈現(xiàn)上升趨勢，也與第五主成分中第三產業(yè)呈現(xiàn)的相關特征相吻合，雖然甘肅省在第三產業(yè)方面發(fā)展較慢，也能印證綠色發(fā)展對城市生態(tài)承載力提升的重要作用，這些充分說明國家節(jié)能降耗對生態(tài)的貢獻作用。

2.4 各州市聚類關系

以2018年的6個主成分的分析結果作為原始數(shù)據(jù)輸入并進行聚類分析，可以得到群集成員表(見表5)和甘肅省14個市州生態(tài)承載力的聚類分析譜系圖(見圖1)。根據(jù)群集成員表和聚類分析譜系圖可知，14個市州被劃為五類：嘉峪關市為第一類；蘭州市為第二類；金昌市為第三類；酒泉、張掖、白銀、天水、慶陽、武威、平涼、定西為第四類；臨夏州、甘南州、隴南市為第五類，城市生態(tài)承載力由第一類向第五類逐級遞減。

表5 群集成員

綜合聚類分析結果與主成分分析的綜合得分及排名可以看出，兩者的結果基本保持一致，可以彼此印證，說明分析有效。

3 結果分析

根據(jù)以上主成分分析和聚類分析將甘肅省14個市州劃分為五類：

第一類為嘉峪關市，綜合得分位居全省首位。之所以占首位主要和人口基數(shù)較小有直接關系，人均占有率較高。嘉峪關在經濟質量上有明顯的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在：其人均生產總值位居全省第一；城鎮(zhèn)化率為93.45%；工業(yè)轉型取得重大突破，文化旅游融合發(fā)展。在生態(tài)文明建設方面，市政府高度重視生態(tài)環(huán)境建設，先后建成了110多處公共綠地和13座公園，同時加大工業(yè)排放治理力度。因此較高的經濟質量和良好的環(huán)境保證了嘉峪關較好的生態(tài)承載能力。

第二類為蘭州市，蘭州是甘肅省的省會城市。相比于嘉峪關，2019年蘭州市年末常住人口為379.09萬人，眾多的人口給蘭州的環(huán)境承載造成一定的壓力，且蘭州為河谷型城市，廢氣較難擴散稀釋，導致蘭州的空氣質量較差，空氣質量優(yōu)良天數(shù)比例依據(jù)2017年統(tǒng)計數(shù)據(jù)為全省最低達到68.9%。蘭州在社會發(fā)展方面優(yōu)勢明顯，主要表現(xiàn)在：全市社會保障水平高，基礎設施完善。在城鄉(xiāng)建設方面，著力實施三大攻堅戰(zhàn)(交通秩序整治攻堅戰(zhàn)，城鄉(xiāng)環(huán)境整治攻堅戰(zhàn)，背街小巷整治攻堅戰(zhàn))，不斷加快生態(tài)公園、濕地公園建設，使得城市環(huán)境大幅改善，這在一定程度上提高了蘭州的生態(tài)承載能力。

第三類為金昌市，僅次于蘭州。金昌素來有“鎳都”之稱，是典型的資源型城市，三次產業(yè)比例失調，其二產占比較高，以重工業(yè)為主，相比于嘉峪關和蘭州，金昌的工業(yè)SO2排放強度較高，工業(yè)固體廢物利用率低，環(huán)境污染較為嚴重。主要表現(xiàn)在：其城鎮(zhèn)化率達到70.09%，工業(yè)不斷升級轉型，產業(yè)結構進一步調整，現(xiàn)代服務業(yè)穩(wěn)步發(fā)展。在環(huán)境保護方面，著重整改祁連山生態(tài)環(huán)境問題，大力實施“碧水、藍天、田園”三大重點環(huán)保工程，生態(tài)環(huán)境建設體制逐漸完善，環(huán)境質量不斷向好，生態(tài)承載力有所提升。

第四類分別為白銀市、張掖市、酒泉市、天水市、武威市、平涼市、定西市和慶陽市。這類城市相比于前三類在經濟質量、社會發(fā)展方面相對落后，但部分城市在生態(tài)效益、環(huán)境衛(wèi)生方面表現(xiàn)較好。

白銀綜合得分位列第六，過去白銀以重工業(yè)發(fā)展為主，曾有“銅城”之稱。由于監(jiān)管不力，造成了部分區(qū)域重金屬污染和土壤污染。但近年來白銀注重老工業(yè)基地改造和傳統(tǒng)產業(yè)轉型升級，以及加大工業(yè)廢棄物再利用，重視環(huán)境整治，使得其在生態(tài)環(huán)境方面表現(xiàn)較為突出，城鄉(xiāng)面貌有所改善，生態(tài)承載力較好。

張掖位于河西走廊中部，地貌復雜多樣，素有“塞上江南”之美譽。據(jù)表4可知，張掖在社會經濟發(fā)展水平方面略低于白銀，但由于其境內河流眾多，陽光充足，土地肥沃，有利于農業(yè)的發(fā)展，使其成為國家現(xiàn)代農業(yè)示范區(qū)。在生態(tài)環(huán)境方面，重視綠地系統(tǒng)建設，綠地面積位于全省第一，工業(yè)污染較小。

酒泉地處河西走廊西部，風能和太陽能較豐富。由于地廣人稀,環(huán)境承載壓力則相對較小。但由于土地沙化較嚴重，森林覆蓋率僅為5.29%，為全省最低。而目前酒泉正著重治理沙化土地，有序組織實施濕地保護與恢復項目，不斷加大生態(tài)環(huán)境保護力度。使其在生態(tài)環(huán)境方面有明顯的改善，全市生態(tài)承載力高于甘肅省平均水平。

天水境內林區(qū)眾多，森林覆蓋率達到36.45%，被稱為“隴上江南”。其社會保障水平高，社會事業(yè)蓬勃發(fā)展，因此在社會發(fā)展方面位于全省前列，但因其年常住人口僅次于省會蘭州，人口眾多，給當?shù)厣鷳B(tài)承載造成很大壓力，且由于天水是一個工業(yè)城市，在環(huán)境質量方面重視度不夠，使其生態(tài)承載力綜合得分低于全省平均水平。

武威相比于前幾個城市，在社會經濟發(fā)展方面處于劣勢。其人均水資源擁有量較低，水資源相對匱乏；工業(yè)廢水排放量較大，水污染較嚴重；森林覆蓋率較低，沙化嚴重；祁連山自然保護區(qū)生態(tài)環(huán)境問題突出。

平涼境內氣候宜人，資源豐富，森林覆蓋率為33.42%，是西北地區(qū)重要的農牧基地。由于其是全省最大的煤電化產業(yè)基地，工業(yè)SO2排放強度較高，城市污水處理率為全省最低，因此全市環(huán)境污染較嚴重，經濟質量水平低，生態(tài)承載能力不高。

定西地勢西高東低，氣候較干旱，年降水量為500mm左右，水土流失嚴重，制約了農業(yè)的發(fā)展；城市人均綠地面積僅為6m2/人，生態(tài)環(huán)境建設不到位，人均生產總值低于全省平均水平，社會經濟發(fā)展較為薄弱，生態(tài)承載水平較低。

慶陽蘊藏著豐富的石油和天然氣能源，為長慶油田的主產區(qū)，二產比重較大。人均生產總值較高，位于全省第三。經濟發(fā)展較好，但經濟的發(fā)展卻伴隨著環(huán)境質量的降低。城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理率僅為61.93%，位于全省最低。城市人均綠地面積較少，河流污染較嚴重，水源地環(huán)境問題突出，全市環(huán)境質量較差，生態(tài)承載水平低。因此慶陽市要想實現(xiàn)綠色低碳循環(huán)發(fā)展，應重點加強、深化綠色生態(tài)產業(yè)發(fā)展，同時結合資源型城市發(fā)展規(guī)律，調整能源型城市產業(yè)結構，降低能源依賴性，延伸石油化工、煤化工下游產業(yè)鏈，促進綠色三產的發(fā)展。

第五類分別為臨夏州、隴南市、甘南州。這三個城市相比于前四類在經濟質量、社會發(fā)展、生態(tài)環(huán)境、資源利用等方面都有顯著的差距。

臨夏由于公共服務保障水平低，城鄉(xiāng)居民收入不高，社會經濟發(fā)展較落后，其在經濟質量因子上的得分位于全省最末。但在環(huán)境保護方面，其大力整治環(huán)境污染問題，全面落實河長制，不斷推進生態(tài)建設，這使其生態(tài)承載力綜合得分高于隴南和甘南。

隴南光照充足、雨量充沛，森林覆蓋率為全省最高。但在社會經濟發(fā)展水平和生態(tài)環(huán)境等方面與前面的城市均有一定的差距。主要表現(xiàn)在：隴南以農業(yè)為主，人均生產總值較低，社會發(fā)展較落后；且由于監(jiān)管不力，部分企業(yè)隨意排污，導致土壤、河道污染嚴重，環(huán)境質量差，生態(tài)承載水平低。

甘南為全省重要的天然林區(qū)和牧區(qū)，水資源和森林資源豐富，空氣質量優(yōu)良天數(shù)比例為全省最高。但由于海拔較高，使其生態(tài)系統(tǒng)修復能力極差。全州“三化”(退化、沙化、鹽堿化)嚴重，草畜矛盾突出，加上植被的破壞，且人均生產總值低，經濟發(fā)展落后，生態(tài)系統(tǒng)脆弱與社會經濟發(fā)展緩慢導致甘南州的生態(tài)承載水平低。

4 政策建議

(1)注重提升經濟質量。通過之前的分析可以看出，經濟質量對于影響一個地區(qū)的生態(tài)承載能力至關重要。經濟發(fā)展是保障整個城市生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定的根本。同時也要做好經濟轉型，不斷優(yōu)化產業(yè)結構，發(fā)展綠色、低碳、循環(huán)經濟。

(2)切實提高人口素質。部分城市居民環(huán)保意識薄弱，資源浪費現(xiàn)象普遍，人口素質不高，因此需要提升居民的受教育程度，努力落實義務教育，大力推進高等教育，提高人口素質，加強環(huán)境保護的宣傳，增強環(huán)保意識。

(3)加大節(jié)能減排工作力度。部分企業(yè)亂排亂放，城市居民用水浪費，垃圾分類落實不到位，使得城市水資源短缺，環(huán)境質量降低。因此需要政府對企業(yè)加大監(jiān)管力度，按照相關環(huán)保法律嚴格執(zhí)法。同時加快城市生活污水處理和生活垃圾無害化處理工程建設，確保生活污水達標排放，垃圾分類處理，進而控制水污染和空氣污染。

(4)重視生態(tài)環(huán)境建設。近年來森林亂砍濫伐，森林火災頻發(fā)，城市綠地面積減少，使得城市環(huán)境逐漸惡劣化。森林和綠地具有防風固沙和涵養(yǎng)水源等功能，因此政府需要重視城市綠地系統(tǒng)建設和城鄉(xiāng)生態(tài)建設，將重點投入到生態(tài)公園建設、植樹造林、采伐管理、森林防火以及病蟲害防治等工作中來。