國(guó)土空間視角下的華亭縣土地資源承載力分析與預(yù)測(cè)

汶嬋邢連凱

(1.匯金科技控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710065；2.西安榮城景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，陜西 西安 710061)

引言

土地資源承載力又稱土地承受力或土地忍耐力，是指一定時(shí)期內(nèi)，在維持相對(duì)穩(wěn)定的前提下，土地資源所能容納的人口規(guī)模和經(jīng)濟(jì)規(guī)模的大小，其實(shí)質(zhì)是研究人口消費(fèi)與食物生產(chǎn)、人類需求與資源供給間的平衡關(guān)系。地球的土地面積和空間的有限性決定了土地資源是有限的，顯然土地資源的承載力也是有限的[1]。長(zhǎng)期以來(lái)，人們總是期望土地產(chǎn)出極大豐富能滿足人類快速增長(zhǎng)的消費(fèi)欲望，并實(shí)現(xiàn)人口、資源永續(xù)平衡發(fā)展，土地資源承載力的研究就成為實(shí)現(xiàn)這一愿望的先驅(qū)。

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和城市化進(jìn)程加快，使得土地資源更加緊缺，人口、資源、環(huán)境等全球性問(wèn)題日益突出，耕地保有量減少、耕地質(zhì)量降低等一系列問(wèn)題導(dǎo)致資源、環(huán)境、人口之間的矛盾更加尖銳[2]。在此背景下，有限的耕地?cái)?shù)量和無(wú)限的人類需求如何實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡成為專家學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。我國(guó)是世界上人口最多且人均耕地資源相對(duì)稀缺的國(guó)家,保障糧食安全是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定的重要前提[3]。基于以上背景，研究區(qū)域土地資源承載力是掌握區(qū)域資源儲(chǔ)量與人口供養(yǎng)之間動(dòng)態(tài)關(guān)系的重要基石，通過(guò)分析當(dāng)下及預(yù)測(cè)未來(lái)，可以克服資源和人口政策的盲目性、不確定性，發(fā)揮決策管理的先導(dǎo)作用，實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)永續(xù)發(fā)展。

華亭縣是甘肅省平?jīng)鍪邢螺牭?個(gè)縣，因境內(nèi)皇甫山麓有華尖山亭而得名，地處陜、甘、寧3省交界處，境內(nèi)梁峁起伏，群山逶迤，耕地資源零散，生產(chǎn)能力較低。本文運(yùn)用土地承載力指數(shù)和灰色預(yù)測(cè)模型，通過(guò)對(duì)研究區(qū)10a間耕地、糧食產(chǎn)量、人口之間動(dòng)態(tài)變化情況進(jìn)行分析，并對(duì)2021—2025年土地承載力指數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，旨在掌握研究區(qū)耕地資源、人口數(shù)量、糧食產(chǎn)量的動(dòng)態(tài)變化情況，定量研究人口消費(fèi)與食物生產(chǎn)、人類需求與資源供給間的平衡關(guān)系，為管理決策提供一定參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所用的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于華亭縣統(tǒng)計(jì)年鑒和國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展公報(bào)，利用Excel對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、分類、匯總，將研究需要指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一化處理，得到數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表1。

1.2 研究方法與模型

1.2.1 土地資源承載力指數(shù)

一定區(qū)域內(nèi)人口對(duì)糧食需求與糧食生產(chǎn)能力之間的關(guān)系，是資源承載力研究的核心問(wèn)題，土地資源承載力(LCC)[4]的計(jì)算公式：

(1)

式中，G為區(qū)域糧食總產(chǎn)量；Gpc為人均糧食消費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，kg/人。

表1 華亭縣2011—2020年基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

土地資源承載力指數(shù)(LCCI)是表征承載力程度和能力的指標(biāo)[5]，公式：

(2)

(3)

(4)

式中，Pa為區(qū)域人口總數(shù)；Rp為人口超載率，%；Rg為糧食盈余率，%。

根據(jù)人口超載率和糧食盈余率可把土地資源承載力劃分為8個(gè)等級(jí)[3]，土地資源承載力分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 基于LCCI的土地資源承載力分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.2.2 灰色預(yù)測(cè)模型

灰色預(yù)測(cè)是一種對(duì)含有不確定因素系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法，克服了系統(tǒng)因素的復(fù)雜性和不確定性[6]，極大地提高了預(yù)測(cè)精度。其理論核心是通過(guò)鑒別系統(tǒng)因素之間發(fā)展趨勢(shì)的相異程度，進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，并對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行生成處理來(lái)尋找系統(tǒng)的變化規(guī)律，通過(guò)求解微分方程得到預(yù)測(cè)模型，達(dá)到預(yù)測(cè)事物未來(lái)趨勢(shì)和狀態(tài)的目的?；趩巫兞?、一階的GM(1，1)模型是當(dāng)下常用的灰色預(yù)測(cè)模型[7]，模型原理：設(shè)時(shí)間序列X(0)={X(0)(1),X(0)(2)，……，X(0)(n)}，對(duì)序列X(0)進(jìn)行累加生成計(jì)算，保證序列呈現(xiàn)較好的規(guī)律性[6]，計(jì)算中令：

(5)

通過(guò)計(jì)算得到新的數(shù)列X(1)={X(1)(1),X(1)(2)，……，X(1)(n)}，新數(shù)列的變量在時(shí)間上的微分方程是連續(xù)的，近似于指數(shù)模型，求解新數(shù)列得：

(6)

(7)

式中，a、u是待識(shí)別的灰色參數(shù)，a為發(fā)展系數(shù)，反映x的發(fā)展趨勢(shì)；u為灰色作用量，反映數(shù)據(jù)間的變化關(guān)系。

根據(jù)導(dǎo)數(shù)定義將其式進(jìn)行整理得：

(8)

其離散形式矩陣：

(9)

令Y=[x(0)(2),x(0)(3),……,x(0)(n)]T，得到：

(10)

將上式簡(jiǎn)化為線性模型，得到函數(shù)：

(11)

(12)

2 結(jié)果與分析

2.1 土地承載力指數(shù)與預(yù)測(cè)模型結(jié)果

以表1數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)式(2)進(jìn)行計(jì)算過(guò)去10a研究區(qū)土地承載力指數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

根據(jù)GM(1，1)模型和2011—2020年土地承載力指數(shù)，用MATLAB建立預(yù)測(cè)模型[9,10]。

表3 華亭縣2011—2020年土地承載力指數(shù)表

設(shè)時(shí)間序列X(0)有10個(gè)觀察值：

X(0)={0.985,0.986,0.958,0.989,0.928,0.929,0.899,0.905,0.868,0.857}

一階累加生成矩陣：

灰色參數(shù)：[a,u]=[0.018,1.017]

GM(1，1)的模型：x(0)-0.018z(i)=1.017

響應(yīng)函數(shù)：y=57.452-56.467×exp(-0.018×t)

2.2 動(dòng)態(tài)變化分析

依據(jù)2011—2020年耕地面積、種植面積、糧食產(chǎn)量、人口數(shù)量及土地利用承載力等數(shù)據(jù)，借助MATLAB軟件平臺(tái)，模擬10a間耕地、人口、糧食產(chǎn)量動(dòng)態(tài)變化圖，如圖1所示。

2.2.1 耕地動(dòng)態(tài)變化

2011—2020年華亭縣耕地?cái)?shù)量呈現(xiàn)正增長(zhǎng)趨勢(shì)，年平均增長(zhǎng)高達(dá)333.33hm2。其中，2011—2018年呈現(xiàn)穩(wěn)步增長(zhǎng)，主要原因是這期間研究區(qū)進(jìn)行了大規(guī)模的土地綜合整治和高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)，促使耕地資源得到補(bǔ)充；2018—2020年出現(xiàn)輕微減少趨勢(shì)，主要是因?yàn)橥烁€林等生態(tài)保護(hù)措施的實(shí)施，使部分坡地耕地資源退出復(fù)綠。10a間研究區(qū)人均耕地占有量基本穩(wěn)定在0.19hm2/人，保持平穩(wěn)狀態(tài)，未出現(xiàn)較大幅度波動(dòng)。由此可見(jiàn)，過(guò)去10a研究區(qū)耕地動(dòng)態(tài)變化呈現(xiàn)穩(wěn)定態(tài)勢(shì)，變化受宏觀政策影響較大。

2.2.2 糧食產(chǎn)量的動(dòng)態(tài)變化

2011—2020年間研究區(qū)糧食種植面積較為穩(wěn)定，糧食總產(chǎn)量呈先增后減趨勢(shì)。其中，2016年后增幅較大，年均產(chǎn)量為8353.46萬(wàn)kg，單位面積糧食產(chǎn)量穩(wěn)定在234.4kg·667m-2；10a間糧食總產(chǎn)共增加2222.82萬(wàn)kg，增幅達(dá)30.1%。其中，2011—2016年共增加1234.73萬(wàn)kg，增幅為16.7%，2020年較2016年相比共增加988.09萬(wàn)kg，增幅達(dá)11.5%；10a來(lái)，年人均糧食產(chǎn)量約為452kg，達(dá)到人糧平衡狀態(tài)，糧食生產(chǎn)取得豐碩的成績(jī)。這主要是因?yàn)?013年以來(lái)，該縣土地綜合整治和高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)取得了舉世矚目的成就，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件得以極大提升，土地產(chǎn)出比顯著上升，農(nóng)民生產(chǎn)的積極性大大提高，再加上科技創(chuàng)新的投入增加，糧食不斷增產(chǎn)。

2.2.3 人口的動(dòng)態(tài)變化

研究區(qū)10a間人口動(dòng)態(tài)變化呈現(xiàn)波浪式上升態(tài)勢(shì)，波峰出現(xiàn)在2020年，波谷則出現(xiàn)在2013年，10a間人口最大值和最小值分別為19.6萬(wàn)人和17萬(wàn)人。10a間人口凈增約2.3萬(wàn)人，年均增長(zhǎng)幅度13.2%。其中，2011—2013年人口呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，2013年達(dá)到波谷，年均減少幅度1.8%；2013—2020年人口呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，到2020年達(dá)到波峰，年均增幅達(dá)15.3%。這主要?dú)w因于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的改善、國(guó)家政策的支持以及農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步，促使外出務(wù)工人員大量返鄉(xiāng)，外遷人口規(guī)模逐年降低，人口紅利逐漸凸顯。

圖1 華亭縣2011—2020年耕地、人口、糧食產(chǎn)量、土地利用承載力動(dòng)態(tài)變化圖

2.2.4 土地資源承載力動(dòng)態(tài)變化

土地資源承載力動(dòng)態(tài)變化實(shí)質(zhì)上是人口規(guī)模、糧食產(chǎn)量、耕地?cái)?shù)量綜合作用的結(jié)果，其變化也是三者綜合動(dòng)態(tài)度的集中體現(xiàn)。由圖1可以看出，10a間研究區(qū)土地承載力指數(shù)持續(xù)走低，而土地綜合承載力則呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，隨著人口規(guī)模的不斷增長(zhǎng)，土地綜合承載力也在逐年增強(qiáng)。其中，2011—2014年土地承載力呈現(xiàn)較平穩(wěn)狀態(tài)，基本實(shí)現(xiàn)人糧平衡；2014年后土地承載力開(kāi)始穩(wěn)中有升，表明研究區(qū)土地開(kāi)始能夠完全供養(yǎng)增長(zhǎng)人口的生產(chǎn)生活需要，達(dá)到富足狀態(tài)。

2.3 土地承載力預(yù)測(cè)

在指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合表3中2011—2020年的土地承載力指數(shù)，利用MatLab軟件編程，預(yù)測(cè)華亭縣2021—2025年土地承載力，預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，華亭縣2021—2025年土地承載力呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)，從2021年始土地承載力在糧食盈余類型下均處于[0.75，0.875]，表明2021年開(kāi)華亭縣糧食處于盈余狀態(tài)，人均糧食占有量平衡有余，人口臨界超載消失，主要原因是國(guó)土綜合整治、鄉(xiāng)村振興、生態(tài)修復(fù)的一系列政策的紅利在未來(lái)逐漸展現(xiàn)，華亭縣經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展瓶頸被打破，走上新時(shí)代富足富強(qiáng)的道路。

表4 2021—2025年土地承載力預(yù)測(cè)值

3 結(jié)論

本文以華亭縣土地資源、糧食產(chǎn)出、人口規(guī)模等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從時(shí)間尺度上分析了研究區(qū)10a間耕地、糧食產(chǎn)量、人口之間動(dòng)態(tài)變化情況，并在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用土地承載力指數(shù)和灰色預(yù)測(cè)模型，分析預(yù)測(cè)了研究區(qū)2021—2025年土地承載力，通過(guò)分析研究得出如下結(jié)論。

研究區(qū)10a間耕地?cái)?shù)量呈現(xiàn)正增長(zhǎng)趨勢(shì)，年平均增長(zhǎng)高達(dá)333.33hm2，趨勢(shì)平穩(wěn)；糧食種植面積較為穩(wěn)定，糧食總產(chǎn)量呈先增后減趨勢(shì)，累計(jì)增加2222.82萬(wàn)kg，增幅達(dá)30.1%；人口動(dòng)態(tài)變化呈現(xiàn)波浪式上升態(tài)勢(shì)，波峰、波谷人口值分別為19.6萬(wàn)人和17萬(wàn)人，10a間人口凈增約2.3萬(wàn)人，年均增長(zhǎng)幅度13.2%；資源供給與人口消費(fèi)之間呈現(xiàn)平衡狀態(tài)，糧食實(shí)現(xiàn)自足基礎(chǔ)上達(dá)到富足，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件得以改善，土地資源承載力得到了極大提升。

灰色模型預(yù)測(cè)的華亭縣2020—2025年土地承載力表明，研究區(qū)土地承載力呈遞增趨勢(shì)，預(yù)計(jì)到2025年達(dá)到0.86，處于盈余水平。由此可見(jiàn)，華亭縣未來(lái)人口規(guī)模、糧食產(chǎn)量及土地供給達(dá)到平衡狀態(tài)，人地矛盾得以緩解，土地承載力逐年變強(qiáng)，糧食產(chǎn)出盈余，能夠持續(xù)滿足“十四五”時(shí)期縣域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的需求，可實(shí)現(xiàn)綠色永續(xù)發(fā)展。