上海市土地综合承载力的系统动力学研究

祝秀芝，李宪文，贾克敬，祁 帆

（1.山东农业大学资环学院，山东 泰安 271018；2.青岛农业大学资环学院，山东 青岛 266109；3.中国土地勘测规划院，北京 100035）

上海市土地综合承载力的系统动力学研究

祝秀芝1,2，李宪文3，贾克敬3，祁 帆3

（1.山东农业大学资环学院，山东 泰安 271018；2.青岛农业大学资环学院，山东 青岛 266109；3.中国土地勘测规划院，北京 100035）

研究目的: 通过模拟上海市2010—2020年社会经济发展状态，为上海市未来发展模式的选择提供参考。研究方法: 理论分析和实证分析相结合、系统动力学等方法。研究结果: 2015年，5种情景模拟状态承载力指数从高到低依次是：现状延续型、资源节约型、经济优先型、协调发展型、环境保护型；2020年依次是协调发展型、现状延续型、资源节约型、环境保护型、经济优先型。研究结论: “十二五”规划中对2015年和2020年上海市人口规模的预测值大于现状延续型、资源节约型、环境保护型和协调发展型4种模式对人口的预测值，处于超载状态；对国民经济生产总值的预测值大于环境保护型模拟值，小于其他4种发展方式模拟值，上海市土地资源对经济规模的承载能力在预测期内可以基本满足实际发展的需求。

土地利用；土地综合承载力；系统动力学；上海市

土地承载力是区域人口、资源与社会经济可持续发展的重要指标之一，其研究兴起于20世纪中叶[1]；80年代以计算土地粮食生产力为主题的土地人口承载力研究对全球经济社会发展做出了积极贡献[2-3]；90年代后，其他资源的承载阈值逐渐被关注，水、矿产、旅游、生态等承载力的研究对区域经济发展部署、土地利用规划及生产布局等具有重要的意义[4-7]。21世纪以后，承载力成为规划管理中普遍提及的理念[8]，研究人员发现，单一因素的承载阈值并不能从根本上确定区域承载状态，各种资源联合起来的综合性的资源承载力研究更能贴切的反映社会发展的真实状况[9]。综合承载力的研究方法从土地总量和人均用地标准出发的传统方法，发展到侧重因子分析的指标体系法及以城市发展模拟和容量分析为主的模型方法，其中模型方法因为能够把核心要素的机理和关系系统化地综合在一起，进行未来发展情景的模拟，定量表示承载力而得到众多研究者的肯定[10-11]，成为土地综合承载力发展的新方向[12]。

上海市是中国第一大城市，是国家三大综合性门户城市之一，其经济发展在全国经济建设和社会发展中具有十分重要的地位和作用。经济的快速发展、人口规模的迅速膨胀及城市建设规模的快速扩张，对上海市土地综合承载力的考验日益严峻。人口、经济容量与土地所能承载的阈值是否适应,已成为上海市未来可持续发展的一个重要前提条件。目前，对上海市承载力的研究较少。单因素承载力研究以对水资源承载力研究为主，结论表明上海市水资源承载力呈逐年下降趋势[13]，部分地区仍有开发潜力[14]。综合承载力研究以生态足迹法计算能源资源、生物资源等的消耗（需求量）和产出（供应量），进行供需比较，核定区域承载状态是盈余还是赤字，确定承载力水平[15]。该方法中涉及因素主要包括能源（原煤、电力）和生物资源（粮食、豆类等），就目前经济发展水平而言，这些因素的可流动性强，局部的缺乏不足以制约区域的发展，不能完全反映区域的承载力状态。本文以土地资源、水资源和生态环境等基础因素为研究对象，运用系统动力学(Systems Dynamics, SD)方法，探寻人口、社会、经济发展与土地综合承载力的匹配状况及程度，模拟未来社会发展情景，对上海市未来可持续发展规划有重要意义。

1 研究区域概况

上海全市面积6340.5 km2，其中市区面积为2648.6 km2。至2010年全市总人口为2301.91万人，生产总值为17165.98×108元，其中第一产业、第二产业、第三产业分别大致占0.7%、42%、57.3%[16]。2009年上海市土地资源总量为801492 hm2,其中建设用地面积283581 hm2，占全市土地总面积的35.38%；农用地面积332397 hm2(其中耕地面积202300 hm2)，占全市土地总面积的41.47%；未利用土地面积185515 hm2，占全市土地总面积的23.15%[17]。

2 系统分析与模型的建立

2.1 系统分析与建立

本文将系统的边界定义为整个上海市。从资源、环境、人口与经济发展之间的关系入手[11,18-25]，根据建模目的将土地综合承载力分为土地资源承载力、水资源承载力、生态环境承载力及社会经济4个方面，共选取耕地面积、建设用地面积、住宅面积、综合用水量、总人口、GDP、三产比例、城市化率8个指标作为状态变量，对应8个速率变量及多个辅助变量，依托Vensim软件，构建上海市土地资源承载力系统流图（图1）。

2.2 构建系统方程

系统动力学方程共有5种，分别为水平方程（L）、速率方程（R）、辅助方程（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）是系统动力学的基本方程，即

式1中，L（t）表示在时刻t状态变量L的值，L0表示L的初始值，Rin表示状态变量的输入流，Rout表示状态变量的输出流，（））表示状态变量的净流入。以上积分方程表明，状态变量在t时刻的值等于状态变量初始值加上在[0，t]这段时间净流量变化对时间的积累。

速率方程（R）表示为状态变量和常量的函数，即：

模型主要系统方程如下：

图1 上海市土地资源承载力系统流图Fig.1 System fow chart of land resource carrying capacity in Shanghai City

3 模型检验与仿真

3.1 模型运行检验

以2000年为模型基点，以2000—2009为验证期，2010—2020为预测期，设置2015年和2020年两个预测点，激活模型获取模拟数据。

选取2000—2009年10年的统计数据[26]与模拟结果进行t检验，检测模型模拟精度（表1）。经计算，多数指标差异不显著，模型的模拟精确度较高，系统行为能较为真实地反映上海市土地综合承载力状态，可以用来预测上海市未来土地综合承载力，进行情景分析。

表1 状态变量t检验值Tab.1 Level variable t test

3.2 模型仿真

按照关键指标的不同组合模式，设定5种社会经济发展的情景模式：经济优先模式、环境保护模式、资源节约模式、现状延续模式和协调发展模式。经济优先型情景模式下，以社会经济快速发展为目的，以高经济增长率和高资源消耗率以及低效能的环境保护投入为主要特征，设定城市公共绿地面积增加率为近10年最小值，其余各指标则取最大值。其余4种情景模式的变量设置和取值参照相同的方法，指标取值见表2和表3。

表2 5种情景模式指标组合与取值设置方案Tab.2 Five scenarios evaluation program

表3 5种情景模式指标取值表Tab.3 Five scenarios index value table

将表3数值分别代入系统，模拟主要状态变量2010—2020年的变化情况，记录各状态变量2010—2020年模拟值。为消除各项评价指标量纲不同的影响，用指标的变异系数衡量模拟后各项指标预测值的差异程度。

式3中，Vi是第i项指标的变异系数，也称为标准差系数；σi是第i项指标的标准差；是第i项指标的平均数。再以变异系数法求取各变量权重。

最后计算各模拟情景的土地资源承载力指数：

上海市2010—2020年土地资源承载力指数在上述5种情景模式下的计算结果如图2。

图2 上海市不同情景模式土地资源承载力趋势预测图Fig.2 The different scenarios land resource carrying capacity in Shanghai City trend

4 仿真结果与承载潜力分析

4.1 不同模拟情景分析

情景模拟结果显示，2010年现状延续模式的承载指数介于5种情景模式承载能力的中间水平， 2010—2020年间呈上升趋势。2011—2019年高于除经济优先模式以外的其他4种情景，2019年后低于协调发展模式的承载指数。说明上海市当前的发展模式在短时间内是合理的，长远发展中尚需进一步完善。

经济优先模式在2010年承载指数最大，其在2010—2014年间渐增，2014年达到承载力峰值，之后减少到最低承载水平，再没有明显升高趋势，2018年后低于其他4种情景模式。表明经济优先模式的承载力“初劲强势”，但资源的大量消耗致使该模式“后劲不足”。

资源节约模式初始承载力指数较低，仅稍高于协调发展模式；后期增加幅度较大，2020年仅次于协调发展模式的增加幅度。说明资源节约模式对应的经济发展模式虽然前期承载能力较低，但具有较高的增长空间。

环境保护模式在2010年的初始承载指数仅低于经济优先模式的初始承载力； 2015年前逐年降低，2016年起开始表现出上扬趋势，低于现状延续模式、资源节约模式和协调发展模式。

协调发展模式在2010年的初始承载指数最小， 2015年开始逐渐显示出较强的增长趋势，到2020年增加到5种情景模式的最高水平，是承载力增长幅度最大的模式。说明综合协调的发展是上海市未来发展的理想模式。

4.2 主要承载指标分析

根据模拟结果对上海市不同情景模式下的人口总量和经济规模进行预测，结果见表4。

表4 不同情景模式下的上海市土地资源承载力预测值Tab.4 Predictive value of land resource carrying capacity in Shanghai under different scenarios

据预测，2015年上海市土地资源可承载人口总量介于经济优先模式3627.12×104人和环境保护模式1853.12×104人之间， 2020年介于经济优先模式4693.51×104人和环境保护模式的1916.99×104人之间。2015年土地资源可承载的经济总量介于经济优先模式的79121.46×108元和环境保护模式的13055.35×108元之间，2020年增长到经济优先模式的201767.31×108元和环境保护模式的18260.38×108元之间。

5 讨论

根据上海市“十二五”规划预期，常住人口年均增长率1.5%，GDP年均增长率8%，预计到2015年上海市常住人口增长到2416.82×104人，GDP增长到25222.46×108元；2020年常住人口增长到2603.60×104人，GDP增长到37060.06×108元[27]。与表4中不同情景模式下的承载预测值比较可知，2015年和2020年上海市的人口规模已大于现状延续型、资源节约型、环境保护型和协调发展型4种模式对人口的预测值，处于超载状态，小于经济优先模式的预测值，尚有一定承载空间。造成超载的原因：一是上海市人口机械增长过快；二是在模型中，设置了人均住宅面积等限制性指标，这些指标的取值范围参照《城市用地分类与规划建设用地标准》。实际上，上海市的人均住宅面积偏低，参照上海市发展的实际状况，可以适当降低该类指标取值范围，提高人口承载力，满足上海市未来人口发展的需求。

“十二五”规划中对国民经济生产总值的预测值大于环境保护型模拟值，小于其他4种发展方式模拟值，2015年和2020年的发展空间分别为9239.39×108—53899×108元、29555.62×108—164707×108元，说明上海市未来的经济发展规模在承载限度之内，可以满足经济发展的需求。其中技术水平的提升和先进设备的应用促进了土地资源对经济规模承载能力的提高，实现了经济的可持续发展。

从上述分析可知，上海市未来的发展应适度控制人口规模的过快增长，以缓解人口与资源的关系，调整产业结构和用地结构、促进资源的节约集约利用，提高土地综合承载力，保障上海市稳定持续发展。

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（本文责编：郎海鸥）

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

重点地区土地综合承载力调查评价（2011）（DCPJ11-8.1）。

祝秀芝（1976-），女，山东泰安人，博士，讲师。主要研究方向为土地资源利用。E-mail:zhuxiuzhi@163.com

李宪文（1965-），男，山东聊城人，博士，研究员。主要研究方向为土地利用与管理。E-mail:lixianwen@mail.clspi.org.cn