基于GIS与均方差决策法的山区县域资源环境承载力评价

欧弢++张述清++甘淑++杨焰++廖顺宽++马石林++徐徐

摘要：以典型贫困山区县云南省永德县为例，采用研究区土地利用总体规划成果与相关资源环境资料对山区县域的土地资源、水资源、地质环境以及生态环境等进行了多方面的单要素承载力分析，并基于空间关联建立综合评价体系，采用均方差决策法确定综合承载力权重，借助GIS空间分析技术计算区域资源环境综合承载力。结果表明，2013年永德县综合承载力为0.517 2。依据土地利用总体规划成果和人口发展预测出2020年综合承载力为0.509 8，较2013年有所下降，但仍处于中级承载力水平。总的来说，永德县全县整体承载能力较好，但乌木龙乡承载力为低级，承载形势严峻。

关键词：资源环境承载力；GIS；均方差决策法；永德县

中图分类号：F205；F301.2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）03-0454-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.03.014

Assessment of Regional Carrying Capacity of Resources and Environment at Mountain County Area Based on GIS and Mean Square Difference Method

OU Tao1， ZHANG Shu-qing2， GAN Shu1， YANG Yan2， LIAO Shun-kuan2， MA Shi-lin2， XU Xu3

（1. Institute of Land and Resources Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650093， China；

2.Yunnan Institute of Land Resource Program and Design， Kunming 650216， China；3.Geophysical and Geochemical Prospecting Team of Yunnan Geology and Mineral Exploration and Development Bureau，Kunming 652100，China）

Abstract： Taking Yongde county of Yunnan province as study area， which is a typical poor mountainous area， the single factor carrying capacity of land resources， water resources， geological environment and ecological environment and so on in mountain area were analyzed based on the overall land use planning results and related resources and environment information. A comprehensive evaluation system was established based on the spatial correlation， the weight of bearing capacity was determined by the method of mean square deviation， and the comprehensive carrying capacity of regional resources and environment was calculated with the GIS spatial analysis technology. The results showed that， the comprehensive carrying capacity of Yongde county was 0.517 2 in 2013， and would be 0.509 8 in 2020 according to the land use overall planning results and population development， compared with the 2013， it was decline， but it would be still in the middle level of bearing capacity. In general， the carrying capacity of resources and environment of Yongde county was good， except Wumulong township， its carrying capacity of resources and environment was low level， and the situation was grim.

Key words： carrying capacity of resource and environment； GIS； mean square difference method； Yongde county

资源与环境是人类社会存在与发展的基础。随着人口增长和社会经济发展，人类与资源供应及环境的矛盾日益突出。对资源环境承载力的合理评估是避免发展中的资源环境问题，保证可持续发展的前提[1]。因此，科学合理评价区域资源环境承载力对于区域发展具有重要意义。

资源环境承载力指在维持人地关系协调可持续的前提下，一定区域内的资源环境条件对人类生产生活的功能适宜程度及规模保障程度[2]，它是一个反映经济社会总量的综合能力指标，需对区域内资源、环境以及人口进行分析，建立综合评价的指标体系。而科学的评价指标选取及指标权重确定对于科学客观评价区域资源环境承载力至关重要。现阶段国内外对资源环境承载力的研究多集中于城市、土地资源、水资源、水環境、大气环境、地质环境和生态环境等方面[3-9]，而贫困山区县域的资源环境承载力评价缺乏以单要素承载力评价结果的综合评价。

鉴于此，本研究以云南省永德县为例，基于GIS空间分析技术支持，以土地利用总体规划成果为基础，以行政区为评价单元，分别从土地资源、水资源、地质环境以及生态环境方面进行单要素承载力评价；并对单要素承载力评价的结果进行无量纲化处理，采用均方差决策分析法分别计算和预估了研究区2013年和2020年的综合承载力，通过数据对比分析各行政单元单要素及综合承载力，旨在为目前正在开展的土地利用总体规划调整及区域资源环境承载力评价体系构建提供参考。

1 研究区概况

永德县位于云南省临沧市西北部，介于东经99°05′-99°50′、北纬23°45′-24°27′之间。现辖3个镇、5个乡、2个民族乡，118个村委会、1 633个村民小组，2013年全县总人口为35.42万人。永德县为国家级贫困县，气候总体属南亚热带与北亚热带交汇的河谷季风气候。县内山多坝少，山地面积占95%，地质环境相对破碎，自然资源丰富，但开发利用能力不高。

2 评价方法与结果

2.1 数据收集

本研究所使用的数据包括土地利用及规划数据、统计数据、地形数据等。土地利用及规划数据主要为永德县2013年土地利用变更数据库、2020年土地利用总体规划数据库；统计数据主要来源于永德县统计年鉴和现有的资料收集和整理。

2.2 单要素评价分析

资源承载力必须与区域可承载的人口相结合。资源承载力是指在可以预见的时期内，利用本地的能源和其他资源以及智力、技术等，在保证与其社会文化准则相符的物质生活水平下能够持续供养的人口数量。资源承载力的研究主要集中于土地和水资源两个方面[10]，本研究从土地和水资源方面对资源承载力进行评价。利用永德县2013年末的现状数据和2020年的规划数据，与人口数据进行承载力评价，得出土地资源与人口现状的供需关系。

环境承载力是指在一定的时期和一定区域范围内，在维持区域环境系统结构不发生质的改变，区域环境功能不朝恶性方向转变的条件下，区域环境系统所能承受的人类各种社会经济活动的能力[11]。永德县的地质环境和生态环境较为破碎，在未来一段时间内并不会有较大变化，故预测至2020年环境承载力与2013年保持不变。

2.2.1 土地资源承载力

1）耕地资源人口承载力。耕地资源人口承载力主要反映区域土地、粮食与人口的关系，利用耕地的面积计算粮食产量可预测区域可承载的人口数量，与现状人口数量进行比较，评价出区域的承载力。相应计算过程与公式：粮食产量=耕地面积×粮食播种面积比例×单产×复种指数，耕地可承载人口=粮食产量/人均需求量，耕地人口承载力=耕地可承载人口/人口规模。

根据永德县历年统计数据，2013年粮食单产为178.6 kg/667 m2，粮食播种面积为71.65%，复种指数为196.5%。相关研究表明，人均粮食370 kg是一个明显的界限，达到这个水平，就能够基本满足目前的食品消费需要，为确保粮食安全，须保障每年人均400 kg的粮食消费水平[12]。

利用2020年规划的耕地面积进行粮食产量的预测，考虑到技术的革新和社会的进步，粮食播种面积比例、单产和复种指数均有所提高，假设粮食播种面积比例增加到75%，单产增加到190.3 kg/667 m2，复种指数为200%，而人均需求量也相应增加到420 kg。其承载力结果如表1所示。

2）城镇生活空间。城镇建设用地空间根据建制镇的面积与人均用地标准来推算可承载人口，其计算方式为：建制镇可承载人口=建制镇面积/城镇建设用地标准，建制镇人口承载力=建制镇可承载人口/城镇人口。研究区只有德党、永康和小勐统3个建制镇，镇规划人均建设用地保持为90 m2。其承载力如表1所示。

3）农村生活空间。农村生活空间根据农村居民点面积和人均用地标准来推算可承载人口，其计算方式为：农村可承载人口=农村居民点面积/农村人均用地标准，农村居民点人口承载力=农村可承载人口/农村人口。农村居民点人口承载力评价涉及全县10个乡镇，农村居民点人均用地不应超过150 m2；其承载力如表1所示。

2.2.2 水资源承载力 本研究采用区域人均水资源量来衡量。国际公认的人均水资源标准为1 750 m3，依据永德县志水资源分区与分区人口计算人均水资源量，再计算出水资源承载力如表1所示。 计算方式为：人均水资源量=区域水资源量/区域总人口，水资源承载力=人均水资源量/国际人均用水标准。

2.2.3 地质环境承载力 通过对坡度和海拔的分级评价适宜人类开发的程度，海拔越高，越不适宜人类居住，土地开发利用率越低；地形坡度越大，土地开发利用难度越大，开发成本也相应提高，且过于陡峭的地形容易发生滑坡、泥石流等地质灾害。通过坡度和海拔的分级与面积比例计算出各乡镇的承载力等级。其中，坡度与海拔的计算公式为：坡度=∑（坡度等级值×面积比例）；海拔=∑（海拔等级值×面积比例）。

地质灾害易发性主要表现为地质灾害的发生频率和程度，通过地质灾害易发性的高低来确定区域的发展方向。根据永德县地质灾害与区划报告获取地质灾害易发分区，同样通过地质灾害易发性分区等级范围和面积比例计算出乡镇承载力等级。计算公式为：地质灾害易发性=∑（地质灾害易发性等级值×面积比例）。

结合永德县土地现状调查数据和地质灾害普查数据，采用3D分析的方法构建海拔和坡度的分级。结合研究区地质灾害易发性分区，将坡度、海拔和地质灾害易发性分为表2中的4个等级，并按面积比例计算到各个乡镇。

2.2.4 水土流失强度 研究区内的生态环境问题主要是水土流失，全县的水土流失面积为1 370.7 km2，占全县总面积的42.7%，其中，强度流失面积为127.8 km2，中度流失面积为579.1 km2，轻度流失面积为663.8 km2。水土流失强度较大主要是由于坡度较大，且雨季降水量较大时对地表的冲刷造成的。我国水土流失强度分类分级标准实际上是用土壤侵蝕强度分类分级标准来代替的[13]。研究区位于西南土石山区，是以水力侵蚀为主的类型区，其水力侵蚀强度分级如表3所示。

采用各级水力侵蚀强度等级范围的中间值计算出各乡镇的土壤侵蚀模数，其计算方式为：区域土壤侵蚀模数=∑（强度分级中值×面积比例），水土流失强度=区域土壤侵蚀模数/区域容许土壤流失量。

地区是否产生水土流失的标准是容许土壤流失量[14]。根据《土壤侵蚀分级分类标准》中西南土石山区的容许土壤流失量为500 t/（km2·年）[15]；土壤流失量在500 t/（km2·年）以下的为微度流失，不计入计算。按以上方法计算出水土流失强度如表4所示。

2.3 综合承载力计算方法

2.3.1 评价指标体系构建 资源环境承载力评价指标体系的构建需在资源方面和环境方面单要素评价的基础上，建立综合承载力的指标评价体系。根据永德县的实际情况，综合评价需选取土地资源和水资源、地质环境和生态环境进行资源环境的综合评价；土地资源分为耕地资源和城镇生活空间和农村生活空间，水资源采用人均水资源量进行计算，地质环境包含了高程、坡度和地质灾害易发性评价，生态环境以水土流失强度为评价指标。

各单因素承载力评价结果具有不同的量纲和量纲单位，为了消除不同指标量纲单位及数量级间的差异造成的影响，在进行综合评价之前，采用极差变换法对单要素承载力的结果进行标准化处理[16]。

2.3.2 指标权重确定 综合主观和客观赋权的优缺点，均方差方法具有计算简便、涵义明显等特点[17]。本研究采用均方差决策法确定各单要素指标的权重，该方法是反映随机变量离散程度最常用的指标。其计算步骤为：

1）求随机变量的均值。

E（Gi）=■■Zij

2）求得均方差。

？滓（Gi）=■

3）求得权系数。

Wj=■

式中，E（Gi）为Gi各指标的均值，？滓（Gi）为其均方差，Wj为第j项评价指标的权重，Zij表示无量纲化的第i个评价因素第j项指标的标准化值。

按照均方差决策法计算出单要素承载力的权重，结果如表5所示。

2.3.3 综合承载力计算结果 将各单因素承载力标准化后的评价结果与其权重相乘，并求和，即得到综合承载力的指数值。计算公式为；

Ei（W）=■（Zij×Wj）

式中，Ei（W）表示综合承载力的指数。

为了更明确地评价最终的国土资源环境综合承载力，参照相关研究资料，确定评价等级分值在0～1（表6），评价分值越高，表明资源环境承载力越大[18]。

以行政区为评价单元，利用标准化后的数据计算永德县各乡镇2013年及2020年资源环境综合承载力，结果如图1所示。2013年永德县综合承载力为0.517 2。依据土地利用总体规划成果和人口发展预测出2020年综合承载力为0.509 8，较2013年有所下降，但仍处于中级承载力水平。其中，承载力最高的乡镇为永康镇，最低的为乌木龙乡。按照分级标准，永德县内各个乡镇中并没有高级承载力的地区。其中，资源环境承载力较高的乡镇有小勐统镇和永康镇；资源环境承载力为中级的乡镇有德党镇、大雪山乡、崇岗乡；资源环境承载力较低的为勐板乡、亚练乡、班卡乡和大山乡；资源环境承载力低的是乌木龙乡。

3 结论

1）依据综合承载力的结果，综合承载力较高的2个乡镇小勐统镇和永康镇都是永德县最主要的粮食生产地区，在保护耕地的前提下还有较大的建设开发空间，小勐统镇由于在2013年有较大的农村人口转化为城镇人口，故城镇生活空间的承载形式较为严峻，故需要在调整完善中对建制镇和农村居民点之间进行结构调整。

2）处于资源环境承载力中级的德党镇、崇岗乡和大雪山乡3个乡镇中，德党镇作为永德县城所在地，需要更多的建设开发空间，通过土地利用总体规划后其综合承载能力有所提升；崇岗乡虽然资源承载力较好，但其水土流失和地质环境较为严重，要在注重生态保护的前提下进行建设开发；大雪山乡在保护好自然保护区的前提下，仍然具有较好的耕地人口承载力和建设开发空间。

3）处于资源环境承载力较低的勐板乡、亚练乡、班卡乡和大山乡中，勐扳乡和亚练乡的环境承载力较好，但资源承载力严峻，应控制人口规模，提高对自然资源的利用能力；班卡乡和大山乡资源环境承载情况相对严峻，班卡乡耕地资源丰富，但地质灾害易发性为全县最高，而大山乡水土流失最为严重，应注意保护生态环境，进行合理的开发建设。

4）处于资源环境承载力低级的只有乌木龙乡，其资源承载能力为全县最低，经过土地利用总体规划使得至2020年其综合承载力有所提升，但承载形势依然严峻。应控制人口规模，与全县其他地区加强交流和发展。

针对资源、环境和人口对区域进行资源环境承载力评价，本研究虽然对单要素和综合承载力进行了连续评价，但以乡镇作为评价单元并不能较好地反映空间地理位置上的承载力水平。通过2013与2020年的承载力对比，指出了各鄉镇的不足，可为土地利用总体规划的调整与完善提供相应的依据。

参考文献：

[1] 韩 鹏，李 涛.资源环境承载力综合评价方法研究——以中原经济区为例[J].应用基础与工程科学学报，2015，23（增刊）：88-101.

[2] 周 侃，樊 杰.中国欠发达地区资源环境承载力特征与影响因素——以宁夏西海固地区和云南怒江州为例[J].地理研究，2015，34（1）：39-52.

[3] 杨 亮，吕 耀，郑华玉.城市土地承载力研究进展[J].地理科学进展，2010，29（5）：593-600.

[4] 郭秀锐，毛显强.中国土地承载力计算方法研究综述[J].地球科学进展，2000，15（6）：705-711.

[5] 刘佳俊，董锁成，李泽红.中国水资源承载力综合评价研究[J].自然资源学报，2011，26（2）：258-269.

[6] 王金南，于 雷，万 军，等.长江三角洲地区城市水环境承载力评估[J].中国环境科学，2013，33（6）：1147-1151.

[7] 范丽雅，余锡刚，金 均.浙江省大气环境承载力时空分布特征研究[J].环境污染与防治，2013，35（12）：72-77.

[8] 王奎峰，韩祥银，张太平.山东半岛地质环境承载力评价指标体系构建及应用研究[J].环境污染与防治，2015，37（9）：29-38.

[9] 肖 俞，李卓卿，吴学灿，等.区域生态承载力综合评价及分析——以云南省易门县为例[J].环境科学导刊，2016，35（1）：67-74.

[10] 张 红.国内外资源环境承载力研究述评[J].理论学刊，2007（10）：80-83.

[11] 高太忠，杨 柳，闫兰娜，等.河北省环境综合承载力研究[J].金属矿山，2010（2）：137-141.

[12] 孟旭光.国土资源与环境承载力评价[M].北京：中国大地出版社，2010.191-199.

[13] 连米钧.水土流失概念及水土流失强度分级标准[J].水土保持应用技术，2007（1）：25-44.

[14] 高海东，李占斌，贾莲莲，等.基于土壤侵蚀控制度的黄土高原水土流失治理潜力研究[J].地理学报，2015，70（4）：1503-1515.

[15] SL 190-2007，土壤侵蚀分类分级标准[S].

[16] 李美娟，陈国宏，陈衍泰.综合评价中指标标准化方法研究[J].中国管理科学，2004，12（专辑）：45-48.

[17] 江文奇.无量纲化方法对属性权重影响的敏感性和方案保序性[J].系统工程与电子技术，2012，34（12）：2520-2523.

[18] 刘春艳，冯艳玲.基于均方差决策分析法的吉林市土地资源承载力动态评价[J].农村经济与科技，2012，23（10）：12-15.