聚焦︱基于斑块尺度的资源环境承载力测算与国土空间优化策略
The following article is from 城市与区域规划研究 Author 李渊等
导读
资源环境承载力空间格局特征对优化国土空间开发利用具有重要意义。当前，遥感技术是空间数据获取和空间问题分析的有效手段。本文基于遥感技术与生态足迹方法，从土地利用斑块尺度对厦门市的资源环境承载力进行空间测度与格局分析，提出相应的国土空间优化策略。并指出：未来充分利用现代地学技术手段，完善承载力定量评价方法，依托遥感技术的国土空间格局研究将成为大势所趋。
党的十八大将优化国土空间开发格局提升为生态文明建设的首要任务，资源环境承载力作为推进生态文明建设的重要基础性内容，其合理测算与空间格局特征为优化国土空间的开发与利用提供了科学基础和可靠依据。
生态足迹方法从土地利用出发，通过收集社会经济发展数据和资料，建立计算模型，以其较为科学完善的理论基础和精简统一的度量指标，以及评价方法的普适性得到了国内外学者的深入探讨和广泛应用。传统的生态足迹法应用多采取土地利用的统计数据进行计算，由于数据更新的实效性以及统计口径的差异性使得其计算结果在揭示区域承载能力的空间格局方面存在不足。遥感技术的快速发展使其成为生态学研究中空间数据获取和空间问题分析的有效手段。以往利用生态足迹进行承载力空间分布或时空格局的研究多从国家、省市等宏观区域尺度作为评价单元，且大多受限于行政区划。究其原因，主要是由于生态足迹方法依靠的生产性土地面积、资源消费量等数据多依托行政区划统计获取，而遥感技术提取的各地类斑块具有空间属性，能在一定程度上弥补统计数据在小尺度空间可视化的不足。
另外，对土地利用功能进行管制是构建有序空间结构的有效方式和主体内容，特别是对市场机制容易忽视的自然保护区、开敞绿色空间、文化遗产地等大斑块区域的严格管制更为重要。
本文基于遥感技术获取土地利用类型分布，利用生态足迹的基本理论和方法，基于土地利用斑块单元尺度对厦门市的资源环境承载力供需指标进行计算和空间分析。以期定量化、空间化表达该地区资源环境承载力状况，实现区域资源环境承载力的空间测度与格局分析，并依据测算结果并借助街镇单元的人口数据参考，分别从斑块单元和街镇单元两个小尺度层面提出相应的国土空间优化策略。
厦门市位于福建省东南沿海，台湾海峡西岸中部，境域位于24°23′12.7″～24°54′29.3″N，117°52′53.8″～118°26′1.2″E下辖思明、湖里、集美、海沧、同安、翔安6区，共辖26个街道12个镇。
本研究数据主要采用遥感影像数据、生物资源产量数据、能源消费量数据、均衡因子、产量因子、常住人口统计数据及基础地理边界矢量数据等。
图1 厦门市区位与遥感影像图
本文采用监督分类结合目视解译对研究区的遥感影像数据进行土地利用分类，从而获得实际的生物生产性土地面积。通过谷歌地球高分辨率卫星影像选择真实样本进行了抽样验证，土地利用数据分类总体精度可达90%以上。
特定区域的生态足迹供给是指该区域在一定时期内（通常为1年）实际生产人类所需的生物资源和吸纳人类废弃物的所有可用的生物生产土地和水域面积的总和，亦视为生态系统的承载力阈值，体现了自然资源的可再生能力，是人类赖以生存的物质基础。生态足迹方法的核心思想是通过比较一个地区的生态足迹需求和供给的差距，来判断该地区可持续发展的状况。生态足迹方法将“公顷（ha）”这一土地面积单位转换成基于全球平均生产力的生物生产土地面积单位（简称全球公顷（gha）），并利用这一均衡后的生物物理指标定量地指示区域资源环境承载力，实现了不同地区、不同类型土地资源环境承载力的可加性和可比性，这一理论为研究不同类型土地资源环境承载力的转换机制提供了理论基础。
2.2.1 生物生产性土地
各类资源与能源消费项目均折算为耕地、林地、草地、水域、建筑用地和化石能源用地六种类型生物生产土地，未利用土地认为是生物生产力为0的土地类型。
2.2.2 均衡因子与产量因子
均衡因子是全球某种生物生产土地类型的平均生态生产力与全球各种生物生产性土地的平均生产力的比值。处理之后的面积就是具备全球平均生态生产力且能够加和的世界平均生物生产面积。产量因子为一个地区或国家的特定土地的平均生产力与世界同类土地的平均生产力的比值。将每种生物生产性土地面积乘上产量因子，即可转变为世界平均生态生产水平的生物生产土地面积。未利用地因生产力极低，其产量因子和均衡因子均赋值为0。
表1 均衡因子与产量因子数值表
2.2.3 资源环境承载力计算方法
资源环境的承载能力，是自然系统调节能力的真实表现，是在生态系统构造、功能不受影响的前提下，生态系统对外界干预（尤其是人类活动干预）的承受能力。本文资源环境承载力的计算采用生态足迹方法中生态承载供给模型，公式为：
式中：EC是区域生态足迹总供给；aj是人均实际占有的第j类生物生产性土地面积；rj是均衡因子；yj是产量因子。
2.2.4 生态足迹计算方法
生态足迹指支撑一定地区的人口而需要的生产性土地和水域的面积，以及吸纳同样人口所生成的废物而需要的土地总和。任何特定人口的生态足迹是生产这些人口所消耗的资源及吸收他们生成的废弃物而所需的生物生产土地总面积。公式为：
式中：EF是总生态足迹；ef是人均生态足迹；N是人口数；i是消费项目类别；j是生物生产面积的类别；rj是各种土地类型的均衡因子；ai是i种消费项目所代表土地类型均衡前人均生态足迹分量；Ci是i种消费项目年人均消费量；Yi是第i种消费项目全球年平均产量。
资源环境承载力是从供给角度出发计算的自然生态系统所能供给的生物生产土地面积。生态足迹是从需求角度出发计算的人类利用自然资源满足一定人口的消费活动所需的生物生产土地面积。生态赤字/盈余是综合考虑需求与供给水平，通过判断供给是否满足需求来判断一个区域的资源利用模式是否是可持续的，生态系统是否处于超负荷状态。公式：
如果ED<0，那么生态赤字，表明该区域生态系统的发展是不可持续的；反之则表示生态盈余，表明该区域生态系统的发展是可持续的。
在ArcGIS 10.2软件平台中，依据上述公式获得每个斑块单元的资源环境承载力计算结果，将计算结果利用自然间断点法分为从低到高5类，从而得到斑块尺度的厦门资源环境承载力供给空间分布图，用以表示资源环境承载力在斑块尺度上的区域空间差异。
从图2厦门市生态系统6种土地利用类型的分布格局来看，建设用地分布广泛，主要分布于厦门岛，在岛外基本呈现沿海分布的“马鞍形”，体现了厦门港口城市的湾区特征。林地与耕地生态系统面积次之，林地主要分布于厦门北部山区。耕地多零散分布于建设用地与林地之间。水域主要为围绕厦门岛的海域，以及多处水库、湖泊等。未利用地呈斑块状零散分布。
图2 厦门市土地利用类型图
利用生态足迹供给模型计算厦门地区资源环境承载力供给及相关指标（表2）。厦门资源环境承载力总供给为689239.66gha，人均资源环境承载力为0.172gha/cap，表示生态系统可以为每人提供0.17公顷的生物生产土地面积。其中，水域人均资源环境承载力占据的比重最大，说明水域生态系统在厦门的资源环境承载力供给中占有重要地位，体现了厦门作为典型的沿海城市的特征。其次为耕地，说明耕地是承载力供给的重要生物生产用地。
表2 资源环境承载力计算结果统计表
图3可以看出，厦门市资源环境承载力供给的空间分布不均，整体分布格局与土地利用类型分布的地理特征具有一定的相似性，具体表现为南部海域的整体资源环境承载力最高，说明海洋生态系统具有较高的稳定性；其次为厦门北部林地，具有较高的资源环境承载力，体现森林的生态稳定性；建设用地和北部的大部分耕地区域具有中等的资源环境承载力；位于城区建设用地内部的林地、水域，以及部分耕地区域具有相对较低的承载力，说明受到城市建成环境人类活动的影响，原本具有较高生态调节能力的林地和水体的资源环境承载力降低；厦门岛内部分林地和筼筜湖、湖边水库，岛外部分林地、耕地，以及鼓浪屿等周边岛屿具有最低的资源环境承载力，体现该类型地类环境的生态脆弱性。
图3 斑块尺度资源环境承载力供给空间分布图
表3所示为生物资源消费账户。使用世界上单位化石燃料生产土地面积的平均发热量为标准，将当地能源所消耗的热量折算成一定的化石燃料土地面积，得到表4所示能源消费账户。依据生态足迹测算方法，测算厦门市生态足迹的需求结果，计算结果如表5所示。
表3 2017年生物资源消费账户
注:木材消费量单位为立方米，木材全球平均产量单位为m3/hm2。
表4 2017年能源消费账户
注：天然气消费量单位为万m3，天然气密度：0.7174Kg/m3；热力消费量单位为百万kJ；电力消费量单位为万kW·h，1kW·h=3600000J。
表5 生态足迹需求结果统计表
计算得到厦门总生态足迹6238385.07gha，人均生态足迹面积为1.555gha/cap，即厦门市每人需要1.555公顷的土地面积进行生产。从生态足迹构成来看，水域、化石能源用地所占比例最大，分别占总需求量的61.90%和30.21%，草地、耕地、建设用地、林地生态足迹占比较小。说明厦门对水域生态系统的需求量大，体现了沿海城市水产品消费占重要地位以及对海洋生产的依赖性。人口对化石燃料用地的需求次之，而对草地、耕地、建设用地的需求不高。
当前厦门市生态足迹总供给为689239.66gha，总需求为6238385.07gha，供给远小于需求量，ED<0，生态预算为赤字。说明2017年厦门地区总人口对自然资产的消耗已经超出了生态系统承载能力的阈值，在不考虑相关消费品输出与输入的情况下，该地区资源利用模式处于不可持续发展状态。如图4所示，从各单项生产性土地提供的供给（人均资源环境承载力）和需求（人均生态足迹）情况分析，生物生产性土地类型中的耕地和林地的资源环境承载力均大于生态足迹，保持生态盈余。其他类型的生物生产性土地，如草地、水域和建设用地，均处于供小于求的生态赤字状态，其中水域的生态赤字最大，且远远高于草地与建设用地。
图4 各土地类型生态盈余/赤字状况
依据厦门资源环境承载力在斑块单元呈现的空间分异特征，提出针对性的国土空间格局优化策略（图5）。
国土空间规划必须根据资源环境承载力的大小来调节区域内资源开发的强度和环境治理的广度与深度，要求规划内容与承载力大小相契合、相适应。斑块单元的国土质量提升策略打破了行政区划的壁垒，避免了资源环境自然分区的机械割裂，有助于实现区域的均衡协调发展。
图5 典型斑块单元国土空间质量提升策略
按厦门市街镇单元分别计算其资源环境承载力，借助各街道的人口分布数据，通过比较各街道现状常住人口数量和资源环境承载力的大小，针对性地对厦门各街镇尺度面对的承载压力状况进行判别。理论上讲，资源环境承载力与人口数量有直接的关系，对一些人口数量多，且资源环境承载力低的地区应当优先进行调控。
图6 各街镇资源环境承载力与常住人口数
图7 各街镇单元提升策略图
如图6和图7所示，可按照资源环境承载力和常住人口的数量与其各自均值的大小关系，将厦门各街道划分为四类区域，针对其不同情况，可将资源环境承载力低且人口数量高的区域定义为优先提升区，对该类区域进行优先提升，科学有序疏解人口，缓解承载压力；将资源环境承载力高且人口数也高、资源环境承载力低且人口数也低的区域定义为优化引导区，进一步优化现状人口规模，合理引导布局；将资源环境承载力高且人口数量低的区域定义为保护控制区，该类区域面临的生态压力相对较小，且多位于北部林地、耕地集中区，应当更强调对其的生态保护价值。
人口规模的承载往往精细化程度高，涉及单元尺度小，政策操作性强，依据资源环境承载力评价结果对地区人口数量进行有机疏散，将人口与承载能力相匹配，有助于促进人地关系协调发展。
斑块尺度的资源环境承载力探索有助于实现国土空间规划精细化实施需求。承载能力在斑块尺度的拓展研究与持续影响，将在完善政府空间治理体系、统筹国土空间合理配置中发挥越来越重要的作用。
责任编辑：林冬娜、邓小云
文章来源：《城市与区域规划研究》2019年第1期