河南省土地资源承载力时空演变分析与预测

全江涛, 杨永芳, 周嘉昕

(河南大学 环境与规划学院, 河南 开封 475004)

土地资源是人类赖以生存和发展的重要物质基础[1]，在经济社会发展中的地位不言而喻。但是随着我国城市化和工业化进程的快速推进，人地矛盾日益深化，有限且便于利用的后备土地资源持续减少，我国又是世界上人口最多且土地资源相对稀缺的国家，在这一背景下，研究不同时空条件下土地资源的供养能力和区域土地承载能力，是节约高效、可持续利用土地的基础，也是解决耕地保护和粮食安全等问题的关键所在，同样也是国家实现可持续发展的必然选择[2]。

土地资源承载力是指在一定的经济、技术和社会发展水平下，一个国家或地区利用自身土地资源所能持续供养的人口数量[3]。20世纪40年代，美国学者William Vogot最早提出土地承载力的概念，即土地向人类提供饮食、衣物和住所的能力取决于土地的生产潜力[4]。80年代英国学者马尔科姆提出了承载力估算的综合资源计量模型ECCO(Enhancement of Carrying Capcity Options)[5]，它可以有效模拟人口变化与承载力之间的适时变化。1995年，美国学者Joel E. Cohen出版《地球能养活多少人》一书对地球人口承载力做了全面系统的总结[6]，并发现不同学者的观点和结论存在极大差异，有学者认为现有人口数已经超过地球正常承载数量，也有学者认为随着科技和社会因素的持续促进作用，地球能够承载的人口极限值会不断提升。随后对土地承载力的研究更关注环境和可持续发展等领域。国内初期对于土地资源承载力的研究多是基于人—粮—地之间的关系[7]，主要是探讨区域耕地所能供养的最大人口数量。伴随经济社会的快速发展对土地需求的日益增多与土地自身所固有的面积有限、位置固定、质量差异等基本特性之间的矛盾日益凸显，后续对土地资源的研究中面临了诸如土地资源所能支撑的最大社会经济发展规模、土地开发程度与利用效益的协调性等新问题，众多学者意识到对土地资源其他功能研究的重要性，对于土地资源承载力的研究也逐渐从之前的单一侧重点转向多要素、多维度的统筹综合研究，研究方法也日趋多元，其中多数是通过建立土地资源承载力评价指标体系定量分析区域土地承载力大小[8]、开展国土开发强度与资源环境承载力耦合协调度分析[9]、运用系统动力学方法模型和检验与仿真技术开展局部土地承载力评价[10]、依据基于区内生物资源消费情况运用生态足迹法测算土地承载力大小[11]、采用地理探测器区分在不同情境下的区域土地承载力水平[12]，还有运用空间回归分析法[13]来研究区域土地承载力并在此基础上对土地资源利用潜力进行预测[14]等；研究尺度方面，省域[15-16]、市域[8,12]、县域[2]等多个不同层面均有涵盖。纵观现有研究发现，目前对我国粮食主产区运用土地资源承载指数和土地资源限制度模型相结合来测算区域土地资源承载力的实证研究还相对较少且不够深入，本文将采用此法，以河南省为例展开研究。

地处中原地区、誉有“中原粮仓”的河南省，有限的土地资源不仅是本区域“四化”水平提升的基础，也是“中原经济区”和“中原城市群”优化升级的根本，对其开展土地资源承载力研究，不仅能够促进中原地域乡村振兴，助力精准脱贫扶贫，还有助于厘清区域粮食需求与盈余现状，其土地资源承载力的强弱直接关系到区域社会经济的健康发展，也关系到国家层面上的粮食安全。本文以河南省为研究区对辖区内土地资源承载力现状和土地资源限制度进行定量分析，并对后续年份的区域土地资源承载力水平进行预测，以期为河南省可持续发展提供决策支持，同时也为相同资源条件地区提供参考。

1 研究区概况

河南省(31°23′—36°22′N，110°21′—116°39′E)地处我国地势二、三阶梯交界和南北分区过渡地带，全省地形多样，地势西高东低，北部为太行山区，西部为伏牛山区，南部为桐柏山和大别山，中东部为黄淮海平原，西南部为南阳盆地。平原盆地、山地丘陵分别占总面积的55.7%，44.3%，全省土地总面积1.67×107hm2，其中耕地面积8.112 27×106hm2(2017年)，占土地总面积的48.58%，区域属于我国粮食主产区。2017年，全省辖17个地级市和1个省直管县级市，区域GDP为44 552.83亿元，三次产业结构比为9.3∶47.4∶43.3，总人口10 853万人，其中城镇人口为5 444万人，城镇化率为50.16%。

2 数据来源与研究方法

本文所需数据来源于《河南省统计年鉴》(2000—2017年)，所用数据均是通过各项指标原始数据统计或者进一步计算得出。

2.1 粮食生产波动指数

从时间趋势看，因为粮食生产会遭受诸如作物播种面积、人类活动、自然和气候等方面一系列不确定性因素扰动，进而导致不同年份粮食产量产生差异。本文通过运用波动指数来表达年际粮食产量变化实际值与趋势值之间的变化程度[15]。公式如下：

(1)

2.2 土地资源承载力(LCC)模型

土地资源承载力通常用于反映地区人口和粮食之间的关系，即在一定粮食消费水平下，区域生产的粮食所能供养的人口数来衡量[16]，公式如下：

LCC=G/Gpc

(2)

式中：LCC表示土地资源承载力(人)；G表示地区粮食总产量(kg)；Gpc表示人均粮食消费水平(kg/人)。根据联合国粮农组织(FAO)公布的人均营养热值标准，结合中国的国情，国内诸多专家计算得出了中国人均年粮食消费400 kg即可达到营养安全要求[15]，本文同样采用此数值作为营养安全参考标准。

2.3 土地资源承载指数(LCCI)模型

为了进一步揭示区域现实人口数与土地资源承载力之间的关系，文章引入LCCI模型[15]，据此测算土地资源承载指数(LCCI)及相关指数，计算公式如下：

LCCI=Pa/LCC

(3)

Rp=(Pa-LCC)/LCC×100%=(LCC-1)×100%

(4)

Rg=(LCC-Pa)/LCC×100%=(1-LCC)×100%

(5)

式中：LCCI为土地资源承载指数；LCC为土地资源承载力(人)；Pa为现实人口数(人)；Rp为人口超载率；Rg为粮食盈余率。根据区域LCCI值的不同可将各区域的土地承载力划分为粮食盈余地区、人粮平衡地区和人口超载地区，具体划分标准[17]见表1。

表1 基于LCCI的土地资源承载力分级评价标准

2.4 土地资源限制度模型

土地资源限制度是指土地资源对人口集聚、数量及分布规律的规制，可以从土地资源角度明晰地区人口分布特征。基于市级层面，将土地资源限制度模型应用于土地资源承载指数(LCCI)模型，对河南省分地市人口分布的土地资源限制性进行分析，进而从土地资源角度明晰河南省人口分布状况。

PLI=Prl/Pa×100

(6)

式中：PLI为分地市土地资源限制度；Prl为分地市土地资源超载人口数；Pa为分地市现实人口数；PLI取值范围为0～100(结合现有对中国全域不同尺度的研究[18]和中国实情得知目前国内并无区域超载人口数大于现实人口数的特例)，值越大，表明该地市人口分布的土地资源限制性越强。

2.5 灰色预测模型

灰色预测模型GM(1,1)是依据灰色关联分析，分析相关因素对系统的影响程度，然后依据数据树检验处理结果，建立GM(1,1)模型，并对此进行求解。本文依据河南省各地市2000—2016年的土地资源承载指数(LCCI)，借助灰色预测模型GM(1,1)分别对河南省分地市2017—2026年土地资源承载指数(LCCI)进行预测。

为了确保GM(1,1)模型预测结果的精度，需对模型进行精度验证，在本文中采取后验差检验。均方差比值C和小误差概率p的计算公式如下[19]：

(7)

式中：C为模型预测值与实际值之间的离散程度，值越小越好，其中S1，S2分别为原始数据的标准差、预测数据的标准差；p为小误差概率，取值范围为0～1，值越大越好。

本文通过借助南航灰色系统研究所(http:∥igss.nuaa.edu.cn/)开发的灰色建模软件(GSTA 7.0),在通过精度验证的前提下求取2017—2026年河南省各地市土地资源承载指数(LCCI)结果。

表2 精度检验等级

3 结果与分析

3.1 2000-2016年河南省粮食生产变化特征与态势分析

通过对河南省2000—2016年的粮食产量数据进行计算，得出粮食产量趋势线拟合方程Yi′=163.68x+3844。由图1可得，2000—2016年河南省粮食产量波动指数相对较小，基本维持在-0.12～0.07，除2003年外其余年份粮食产量波动指数均为正向，原因是2003年河南省遭受大面积持续性的洪涝灾害扰动，致使秋季种植业受损，作物播种面积和粮食产量较相邻年份相比大幅度降低，其余年份全省的粮食产量整体上呈现波动增长趋势，在2015年河南省粮食产量达到研究时段内的峰值，为6.435 63×107t。

图1 2000-2016年河南省粮食产量波动变化状况

3.2 2000-2016年河南省土地资源承载力状况变化特征与趋势分析

由图2可以看出，2000—2016年河南省土地资源承载指数总体上处于下降状态，表明区域土地资源人口承载量呈现逐年增加趋势，除2003年土地资源承载指数为1.01，处于临界超载级别外，其余年份土地资源承载力类型随时间推移由人粮平衡转变为粮食盈余类型区，级别上也随之由平衡有余转变为盈余再到富裕。河南省现实人口数则呈现出平缓上升的趋势，依据2016年统计数值计算出的土地承载力所能容纳的人口数尚有5 531.42万人的额外空间，意味着按照现行人均年粮食400 kg的消费水平，河南省还能满足除本省外5 531.42万人口的粮食消费需求，但是河南省作为粮食生产核心区，自身人口数量在2010年度已超过1亿，土地资源承载力级别虽然呈现上升趋势，随着中原经济区、中原城市群的深入发展，人—粮—地三者之间的矛盾不可避免会进一步激化。因此，深入了解全省土地资源承载情况，对河南省分市的分析也必不可少，以便于明晰市级层面的土地资源承载状况。

图2 2000-2016年河南省土地资源承载力状况

3.3 基于人粮关系的河南省各地市土地资源承载力状况空间分布与动态变化

通过公式(2)，(3)计算河南省各地市土地资源承载指数，并选取河南省18地市2000年、2005年、2010年、2016年4个年份土地资源承载指数(LCCI)数据，借助ArcGIS软件对这4个年份河南省分地市的土地资源承载指数(LCCI)进行可视化处理，并对其时空演变状况进行分析，结果如图3所示。

结合图3进一步分析河南省各地市土地资源承载力空间分布和动态变化原因可知，2000年，分地市中土地资源承载力3种类型区均有分布，其中郑州、洛阳、三门峡和平顶山这4个地市属于不同级别的人口超载类型区，土地资源承载指数分别为1.57，1.25，1.54，1.37，这些地区人口超载的原因也不尽相同。郑州作为河南省的省会，本年度城市化率已达到35%，随着建成区面积的逐年扩大，优质耕地持续被占用，耕地面积总量和人均量均随之减少，市场导向型的农业发展模式也会反向调整农业种植结构以至降低粮食作物的种植比重，加之快速工业化和城市化进程中创造的众多就业机会，吸引以省内为主的外来务工人口到此就业和定居，这就使得人口超载率逐年上升。洛阳、三门峡和平顶山同属豫西山区，山地丘陵面积均超过区域总面积的80%，由于地形地势原因，辖区内耕地面积总量少且坡耕地比重较大、质量差，农业生产发展条件受到极大的限制，其中平顶山又属煤炭资源型城市，持续的煤炭资源开采致使局部地区产生众多的矿山塌陷区，进而破坏地表耕地和植被进一步减少耕地面积，这就使得区域人口超载程度加剧。南阳、济源、开封、漯河、安阳、驻马店属于人粮平衡类型区，其中南阳、济源属于临界超载级别，驻马店、漯河、安阳、开封属于平衡有余级别，表明土地承载力的增强对区域人口增长带来的压力得到不同程度的抵消；余下的8个地市则属于粮食盈余类型区，其中周口、商丘、信阳、焦作属于盈余级别，许昌、濮阳、新乡、鹤壁土地资源承载力都达到富裕级别，原因在于这些地市多位于黄淮海平原区，耕作条件良好，农田水利基础设施相对完善，灌区的农田有效灌溉面积均超过80%，上述因素都使得区域粮食产量得以提升、产量较高且增产潜力大。

图3 2000-2016年河南省各地市土地资源承载力空间格局

2005年，全省土地资源承载力状况中属于人口超载类型区的地市与2000年相比，除原先的4个地市外又增加了一个济源，济源由临界超载转变为严重超载，土地资源承载指数由2000年的1.07增至2005年的1.46，原因在于济源属于工业型城市，工业化和城镇化进程中有限耕地资源逐步被压缩，且区域水土协调度较差，粮食增产缓慢，这也与当地政府和农民为了追求经济效益，人为调整农业种植结构，粮食作物的播种比重由2000年的81.62%降至2005年的69.99%，致使济源的土地资源承载力由2000年的临界超载级别转变为2005年的严重超载级别。人粮平衡类型区仅剩下开封和南阳两市，原因在于开封通过对黄河沿岸的盐碱和沙化土地进行修复，改造中低产田使得耕地生产力得以提升；南阳虽然也属豫西山区且人口早已超过1 000万，但是有适宜耕作的南阳盆地，且通过土地整治，坡改梯田和移土培肥等多项措施，耕地面积得到增加，耕地生产力得以提升，上述两市均是通过增强土地资源承载力得以抵消区域人口增长带来的压力。漯河、安阳和驻马店3市土地承载力得以提升，由人粮平衡类型区转变为粮食盈余类型区，粮食盈余类型区地市由8个增至11个。

2010年，人口超载类型区包括郑州、洛阳、三门峡和济源。之前属于人口超载类型区的平顶山转变为人粮平衡类型区中的平衡有余级别，通过查阅统计年鉴并计算得出在2006—2010年，平顶山、郑州、洛阳、三门峡和济源这5个地市的年均粮食增长速率分别为5.79%，1.77%，2.36%，4.20%，3.40%，可以看出，虽然这5个地市粮食产量都处于增长状态，但是在同一时段内平顶山的粮食增产速度超过其余4市的粮食增产速度，这就使得之前均处于严重超载行列的平顶山转变成为人粮平衡类型区。粮食盈余类型区地市增至13个。

2016年，人口超载类型区依旧包括郑州、洛阳、三门峡和济源4市。2012年，国务院正式批复中原经济区，郑州、洛阳、三门峡、平顶山和济源均作为中原经济区的核心区域和优先发展极，各自基于自然和经济层面的区域人粮紧张关系在相当长一段时间内无法扭转。平顶山目前虽属人粮平衡类型区，但已从平衡有余级别转变为临界超载级别，表明如若不采取有效措施区域将会再次转变成为人口超载类型区。粮食盈余类型区地市也依旧为剩余的13个地市。总的来看，17 a间，河南省土地资源承载指数均在空间上呈现出“西高东低”的特征，即土地资源承载力呈现“东高西低”的格局。

3.4 基于人口分布的河南省各地市土地资源限制度分析

由表3和数据计算得出，2000年、2016年河南省分地市分别有12，13个地市不受土地资源限制，2000年、2016年处于低等级(0—40)土地资源限制度的地市分别有6个(郑州、洛阳、三门峡、平顶山、济源、南阳)和4个(三门峡、洛阳、济源、平顶山)。分地市的土地资源限制度整体处于较低水平，表明区域人口分布受土地资源的限制较小；2016年与2000年相比，土地资源限制度较低的地市数和人口数均减少明显，唯有作为省会的郑州由于人口密度大，经济较发达，土地资源限制度呈现出恶化趋势，由20—40转变为40—60等级。此评价结果与基于人粮关系的土地承载力评价结果的分地市现状近似一致。

表3 2000年、2016年河南省分地市土地资源限制度评价

3.5 河南省土地资源承载指数(LCCI)预测与分析

本文运用灰色建模软件(GSTA 7.0)，对河南省各地市2017—2026年土地资源承载指数(LCCI)进行预测，由于预测具有不确定性，因此需要对预测结果进行精度验证。根据检验结果并对照精度检验等级参照表(表2)，在土地资源承载指数(LCCI)预测精度等级达到1级水平的前提下求取预测结果(表4)。

由表4可知，2017—2026年河南省各地市土地资源承载力变化相对较小，变化结果具有一定的延续性。对全省而言，在这一时段土地资源承载指数呈现逐年下降趋势，河南省的土地资源承载指数由预测期初的0.74降至研究期末的0.51，虽同属于粮食盈余类型区的富裕级别，但是富裕程度得以优化，表明粮食生产还有极大的潜力，国家粮食战略工程河南核心区建设的实施成效较为显著。这里选取2021年、2026年两个年份的土地承载指数进行对比，参照土地承载指数分级评价标准(表1)，2021年河南省属于人口超载类型区的地市包括郑州、三门峡和济源；人粮平衡类型区的地市有平顶山和洛阳，剩余13个地市属于粮食盈余类型区。2026年，河南省人口超载类型区的地市仅剩郑州和三门峡，原先属于此类型的济源，与平顶山和洛阳同归于人粮平衡类型区，粮食盈余类型区土地承载力级别优化，属于粮食盈余类型区的13地市中富富有余级别的地市由2021年的5个增至7个，具体情况见表5。

由此可见，土地资源承载指数高值区在预测时段内依然位于目前所属的豫西山区和经济相对发达的5个地市，在现行条件下，从人粮角度分析土地资源承载力状况，土地资源承载力强弱与耕地资源的分布呈现出显著的相关性。区域自然源禀赋和经济因素对当地土地资源承载力影响极大，其中三门峡、洛阳、平顶山均属于前者，这些地市位于豫西山区，自然资源禀赋因素对其影响不言而喻；郑州和济源属于后者，经济相对发达，2016年底，两市的城市化率已分别达到71%，59%，其中郑州市的建设用地面积已达到区域总面积的1/5，建设用地的面积比重将会继续上升，进而增加区域耕地压力，进一步降低土地资源承载力。

表4 河南省各地市2017-2026年土地资源承载指数预测结果

表5 2021年、2026年河南省各地市土地资源承载力分区

4 讨论与结论

4.1 讨 论

(1) 本文只是以市域为研究单元展开研究，得到的结果可能会存在不足。微观尺度上的分析便于细化更小单元的土地资源承载力，更有利于精准揭示区域人粮之间的关系，在数据可获取情况下，后续研究将以县域为研究尺度，并通过构建综合评价指标体系，来探讨研究区域的土地资源承载力时空分异和演化特征。

(2) 由于不同时期人们的饮食结构和消费水平不尽相同，本文并未考虑时段差异对人均粮食需求量进行分段界定，以便能够更准确地衡量人们的消费需求。此外，粮食产量受到自然和气候因素的扰动较大且考虑到粮食增产的极限问题，这里只是依据河南省整体土地资源承载力水平逐年提升，粮食盈余类型区的地市个数和人口数量远超人口超载类型区的地市个数和人口数量，并未对河南省各地市未来10 a粮食产量进行预测，以便能够明确得出河南省未来粮食产量除满足自身需求外可以对外输出的数量或养育的人口数，这些都是下一步工作研究的重点。

4.2 结 论

(1) 2000—2016年河南省土地资源承载指数呈现逐步下降趋势，土地资源承载力由平衡有余上升至富裕级别，表明区域总体土地资源仍有较大的开发潜力。

(2) 2000—2016年，河南省分地市中人口超载类型区集中在坡耕地比重较大、质量差，农业生产发展条件受到限制的豫西山区(三门峡、洛阳和平顶山)和经济相对发达、人口增长较快的郑州和济源；17 a间，土地资源承载指数在空间上均呈现出“西高东低”的特征；2016年与2000年相比，河南省分地市中土地资源限制度较低的地市数和人口数均减少明显，不受土地资源限制的地市数量增多，省会郑州的土地资源限制度由轻度转向中度，呈现恶化趋势，需单独关注。

(3) 2017—2026年河南省除郑州和三门峡人口超载外，其余地市的土地资源承载力均呈现逐年上升的趋势，粮食盈余类型区的地市数量稳定，且盈余级别不断优化，表明区域土地承载力逐步增强，在未来相当长一段时间内仍满足经济发展需要和具备向省内外人口超载区域大量输出粮食的条件和基础。