上海市土地綜合承載力的系統(tǒng)動力學研究

祝秀芝，李憲文，賈克敬，祁 帆

（1.山東農業(yè)大學資環(huán)學院，山東 泰安 271018；2.青島農業(yè)大學資環(huán)學院，山東 青島 266109；3.中國土地勘測規(guī)劃院，北京 100035）

上海市土地綜合承載力的系統(tǒng)動力學研究

祝秀芝1,2，李憲文3，賈克敬3，祁 帆3

（1.山東農業(yè)大學資環(huán)學院，山東 泰安 271018；2.青島農業(yè)大學資環(huán)學院，山東 青島 266109；3.中國土地勘測規(guī)劃院，北京 100035）

研究目的: 通過模擬上海市2010—2020年社會經濟發(fā)展狀態(tài)，為上海市未來發(fā)展模式的選擇提供參考。研究方法: 理論分析和實證分析相結合、系統(tǒng)動力學等方法。研究結果: 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、經濟優(yōu)先型、協(xié)調發(fā)展型、環(huán)境保護型；2020年依次是協(xié)調發(fā)展型、現(xiàn)狀延續(xù)型、資源節(jié)約型、環(huán)境保護型、經濟優(yōu)先型。研究結論: “十二五”規(guī)劃中對2015年和2020年上海市人口規(guī)模的預測值大于現(xiàn)狀延續(xù)型、資源節(jié)約型、環(huán)境保護型和協(xié)調發(fā)展型4種模式對人口的預測值，處于超載狀態(tài)；對國民經濟生產總值的預測值大于環(huán)境保護型模擬值，小于其他4種發(fā)展方式模擬值，上海市土地資源對經濟規(guī)模的承載能力在預測期內可以基本滿足實際發(fā)展的需求。

土地利用；土地綜合承載力；系統(tǒng)動力學；上海市

土地承載力是區(qū)域人口、資源與社會經濟可持續(xù)發(fā)展的重要指標之一，其研究興起于20世紀中葉[1]；80年代以計算土地糧食生產力為主題的土地人口承載力研究對全球經濟社會發(fā)展做出了積極貢獻[2-3]；90年代后，其他資源的承載閾值逐漸被關注，水、礦產、旅游、生態(tài)等承載力的研究對區(qū)域經濟發(fā)展部署、土地利用規(guī)劃及生產布局等具有重要的意義[4-7]。21世紀以后，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發(fā)展的真實狀況[9]。綜合承載力的研究方法從土地總量和人均用地標準出發(fā)的傳統(tǒng)方法，發(fā)展到側重因子分析的指標體系法及以城市發(fā)展模擬和容量分析為主的模型方法，其中模型方法因為能夠把核心要素的機理和關系系統(tǒng)化地綜合在一起，進行未來發(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]。

上海市是中國第一大城市，是國家三大綜合性門戶城市之一，其經濟發(fā)展在全國經濟建設和社會發(fā)展中具有十分重要的地位和作用。經濟的快速發(fā)展、人口規(guī)模的迅速膨脹及城市建設規(guī)模的快速擴張，對上海市土地綜合承載力的考驗日益嚴峻。人口、經濟容量與土地所能承載的閾值是否適應,已成為上海市未來可持續(xù)發(fā)展的一個重要前提條件。目前，對上海市承載力的研究較少。單因素承載力研究以對水資源承載力研究為主，結論表明上海市水資源承載力呈逐年下降趨勢[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)足跡法計算能源資源、生物資源等的消耗（需求量）和產出（供應量），進行供需比較，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），就目前經濟發(fā)展水平而言，這些因素的可流動性強，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)境等基礎因素為研究對象，運用系統(tǒng)動力學(Systems Dynamics, SD)方法，探尋人口、社會、經濟發(fā)展與土地綜合承載力的匹配狀況及程度，模擬未來社會發(fā)展情景，對上海市未來可持續(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年全市總人口為2301.91萬人，生產總值為17165.98×108元，其中第一產業(yè)、第二產業(yè)、第三產業(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,其中建設用地面積283581 hm2，占全市土地總面積的35.38%；農用地面積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)的邊界定義為整個上海市。從資源、環(huán)境、人口與經濟發(fā)展之間的關系入手[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)境承載力及社會經濟4個方面，共選取耕地面積、建設用地面積、住宅面積、綜合用水量、總人口、GDP、三產比例、城市化率8個指標作為狀態(tài)變量，對應8個速率變量及多個輔助變量，依托Vensim軟件，構建上海市土地資源承載力系統(tǒng)流圖（圖1）。

2.2 構建系統(tǒng)方程

系統(tǒng)動力學方程共有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)動力學的基本方程，即

式1中，L（t）表示在時刻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時刻的值等于狀態(tài)變量初始值加上在[0，t]這段時間凈流量變化對時間的積累。

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 模型檢驗與仿真

3.1 模型運行檢驗

以2000年為模型基點，以2000—2009為驗證期，2010—2020為預測期，設置2015年和2020年兩個預測點，激活模型獲取模擬數(shù)據(jù)。

選取2000—2009年10年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)[26]與模擬結果進行t檢驗，檢測模型模擬精度（表1）。經計算，多數(shù)指標差異不顯著，模型的模擬精確度較高，系統(tǒng)行為能較為真實地反映上海市土地綜合承載力狀態(tài)，可以用來預測上海市未來土地綜合承載力，進行情景分析。

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

3.2 模型仿真

按照關鍵指標的不同組合模式，設定5種社會經濟發(fā)展的情景模式：經濟優(yōu)先模式、環(huán)境保護模式、資源節(jié)約模式、現(xiàn)狀延續(xù)模式和協(xié)調發(fā)展模式。經濟優(yōu)先型情景模式下，以社會經濟快速發(fā)展為目的，以高經濟增長率和高資源消耗率以及低效能的環(huán)境保護投入為主要特征，設定城市公共綠地面積增加率為近10年最小值，其余各指標則取最大值。其余4種情景模式的變量設置和取值參照相同的方法，指標取值見表2和表3。

表2 5種情景模式指標組合與取值設置方案Tab.2 Five scenarios evaluation program

表3 5種情景模式指標取值表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。為消除各項評價指標量綱不同的影響，用指標的變異系數(shù)衡量模擬后各項指標預測值的差異程度。

式3中，Vi是第i項指標的變異系數(shù)，也稱為標準差系數(shù)；σi是第i項指標的標準差；是第i項指標的平均數(shù)。再以變異系數(shù)法求取各變量權重。

最后計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種情景模式下的計算結果如圖2。

圖2 上海市不同情景模式土地資源承載力趨勢預測圖Fig.2 The different scenarios land resource carrying capacity in Shanghai City trend

4 仿真結果與承載潛力分析

4.1 不同模擬情景分析

情景模擬結果顯示，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。2011—2019年高于除經濟優(yōu)先模式以外的其他4種情景，2019年后低于協(xié)調發(fā)展模式的承載指數(shù)。說明上海市當前的發(fā)展模式在短時間內是合理的，長遠發(fā)展中尚需進一步完善。

經濟優(yōu)先模式在2010年承載指數(shù)最大，其在2010—2014年間漸增，2014年達到承載力峰值，之后減少到最低承載水平，再沒有明顯升高趨勢，2018年后低于其他4種情景模式。表明經濟優(yōu)先模式的承載力“初勁強勢”，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)調發(fā)展模式；后期增加幅度較大，2020年僅次于協(xié)調發(fā)展模式的增加幅度。說明資源節(jié)約模式對應的經濟發(fā)展模式雖然前期承載能力較低，但具有較高的增長空間。

環(huán)境保護模式在2010年的初始承載指數(shù)僅低于經濟優(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)出上揚趨勢，低于現(xiàn)狀延續(xù)模式、資源節(jié)約模式和協(xié)調發(fā)展模式。

協(xié)調發(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的增長趨勢，到2020年增加到5種情景模式的最高水平，是承載力增長幅度最大的模式。說明綜合協(xié)調的發(fā)展是上海市未來發(fā)展的理想模式。

4.2 主要承載指標分析

根據(jù)模擬結果對上海市不同情景模式下的人口總量和經濟規(guī)模進行預測，結果見表4。

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

據(jù)預測，2015年上海市土地資源可承載人口總量介于經濟優(yōu)先模式3627.12×104人和環(huán)境保護模式1853.12×104人之間， 2020年介于經濟優(yōu)先模式4693.51×104人和環(huán)境保護模式的1916.99×104人之間。2015年土地資源可承載的經濟總量介于經濟優(yōu)先模式的79121.46×108元和環(huán)境保護模式的13055.35×108元之間，2020年增長到經濟優(yōu)先模式的201767.31×108元和環(huán)境保護模式的18260.38×108元之間。

5 討論

根據(jù)上海市“十二五”規(guī)劃預期，常住人口年均增長率1.5%，GDP年均增長率8%，預計到2015年上海市常住人口增長到2416.82×104人，GDP增長到25222.46×108元；2020年常住人口增長到2603.60×104人，GDP增長到37060.06×108元[27]。與表4中不同情景模式下的承載預測值比較可知，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)境保護型和協(xié)調發(fā)展型4種模式對人口的預測值，處于超載狀態(tài)，小于經濟優(yōu)先模式的預測值，尚有一定承載空間。造成超載的原因：一是上海市人口機械增長過快；二是在模型中，設置了人均住宅面積等限制性指標，這些指標的取值范圍參照《城市用地分類與規(guī)劃建設用地標準》。實際上，上海市的人均住宅面積偏低，參照上海市發(fā)展的實際狀況，可以適當降低該類指標取值范圍，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)劃中對國民經濟生產總值的預測值大于環(huán)境保護型模擬值，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濟發(fā)展規(guī)模在承載限度之內，可以滿足經濟發(fā)展的需求。其中技術水平的提升和先進設備的應用促進了土地資源對經濟規(guī)模承載能力的提高，實現(xiàn)了經濟的可持續(xù)發(fā)展。

從上述分析可知，上海市未來的發(fā)展應適度控制人口規(guī)模的過快增長，以緩解人口與資源的關系，調整產業(yè)結構和用地結構、促進資源的節(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

重點地區(qū)土地綜合承載力調查評價（2011）（DCPJ11-8.1）。

祝秀芝（1976-），女，山東泰安人，博士，講師。主要研究方向為土地資源利用。E-mail:zhuxiuzhi@163.com

李憲文（1965-），男，山東聊城人，博士，研究員。主要研究方向為土地利用與管理。E-mail:lixianwen@mail.clspi.org.cn