国土空间视角下的华亭县土地资源承载力分析与预测

汶婵邢连凯

(1.汇金科技控股集团有限公司，陕西 西安 710065；2.西安荣城景观规划设计有限公司，陕西 西安 710061)

引言

土地资源承载力又称土地承受力或土地忍耐力，是指一定时期内，在维持相对稳定的前提下，土地资源所能容纳的人口规模和经济规模的大小，其实质是研究人口消费与食物生产、人类需求与资源供给间的平衡关系。地球的土地面积和空间的有限性决定了土地资源是有限的，显然土地资源的承载力也是有限的[1]。长期以来，人们总是期望土地产出极大丰富能满足人类快速增长的消费欲望，并实现人口、资源永续平衡发展，土地资源承载力的研究就成为实现这一愿望的先驱。

近年来，随着经济迅速发展和城市化进程加快，使得土地资源更加紧缺，人口、资源、环境等全球性问题日益突出，耕地保有量减少、耕地质量降低等一系列问题导致资源、环境、人口之间的矛盾更加尖锐[2]。在此背景下，有限的耕地数量和无限的人类需求如何实现动态平衡成为专家学者重点关注的问题。我国是世界上人口最多且人均耕地资源相对稀缺的国家,保障粮食安全是我国国民经济发展和社会稳定的重要前提[3]。基于以上背景，研究区域土地资源承载力是掌握区域资源储量与人口供养之间动态关系的重要基石，通过分析当下及预测未来，可以克服资源和人口政策的盲目性、不确定性，发挥决策管理的先导作用，实现区域经济、社会永续发展。

华亭县是甘肃省平凉市下辖的1个县，因境内皇甫山麓有华尖山亭而得名，地处陕、甘、宁3省交界处，境内梁峁起伏，群山逶迤，耕地资源零散，生产能力较低。本文运用土地承载力指数和灰色预测模型，通过对研究区10a间耕地、粮食产量、人口之间动态变化情况进行分析，并对2021—2025年土地承载力指数进行预测，旨在掌握研究区耕地资源、人口数量、粮食产量的动态变化情况，定量研究人口消费与食物生产、人类需求与资源供给间的平衡关系，为管理决策提供一定参考。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

本研究所用的社会经济数据来源于华亭县统计年鉴和国民经济与社会发展公报，利用Excel对收集的数据进行筛选、分类、汇总，将研究需要指标进行统一化处理，得到数据统计分析结果见表1。

1.2 研究方法与模型

1.2.1 土地资源承载力指数

一定区域内人口对粮食需求与粮食生产能力之间的关系，是资源承载力研究的核心问题，土地资源承载力(LCC)[4]的计算公式：

(1)

式中，G为区域粮食总产量；Gpc为人均粮食消费标准，kg/人。

表1 华亭县2011—2020年基础数据统计表

土地资源承载力指数(LCCI)是表征承载力程度和能力的指标[5]，公式：

(2)

(3)

(4)

式中，Pa为区域人口总数；Rp为人口超载率，%；Rg为粮食盈余率，%。

根据人口超载率和粮食盈余率可把土地资源承载力划分为8个等级[3]，土地资源承载力分级评价标准见表2。

表2 基于LCCI的土地资源承载力分级评价标准

1.2.2 灰色预测模型

灰色预测是一种对含有不确定因素系统进行预测的方法，克服了系统因素的复杂性和不确定性[6]，极大地提高了预测精度。其理论核心是通过鉴别系统因素之间发展趋势的相异程度，进行关联分析，并对原始数据进行生成处理来寻找系统的变化规律，通过求解微分方程得到预测模型，达到预测事物未来趋势和状态的目的。基于单变量、一阶的GM(1，1)模型是当下常用的灰色预测模型[7]，模型原理：设时间序列X(0)={X(0)(1),X(0)(2)，……，X(0)(n)}，对序列X(0)进行累加生成计算，保证序列呈现较好的规律性[6]，计算中令：

(5)

通过计算得到新的数列X(1)={X(1)(1),X(1)(2)，……，X(1)(n)}，新数列的变量在时间上的微分方程是连续的，近似于指数模型，求解新数列得：

(6)

(7)

式中，a、u是待识别的灰色参数，a为发展系数，反映x的发展趋势；u为灰色作用量，反映数据间的变化关系。

根据导数定义将其式进行整理得：

(8)

其离散形式矩阵：

(9)

令Y=[x(0)(2),x(0)(3),……,x(0)(n)]T，得到：

(10)

将上式简化为线性模型，得到函数：

(11)

(12)

2 结果与分析

2.1 土地承载力指数与预测模型结果

以表1数据为基础，根据式(2)进行计算过去10a研究区土地承载力指数，计算结果见表3。

根据GM(1，1)模型和2011—2020年土地承载力指数，用MATLAB建立预测模型[9,10]。

表3 华亭县2011—2020年土地承载力指数表

设时间序列X(0)有10个观察值：

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

一阶累加生成矩阵：

灰色参数：[a,u]=[0.018,1.017]

GM(1，1)的模型：x(0)-0.018z(i)=1.017

响应函数：y=57.452-56.467×exp(-0.018×t)

2.2 动态变化分析

依据2011—2020年耕地面积、种植面积、粮食产量、人口数量及土地利用承载力等数据，借助MATLAB软件平台，模拟10a间耕地、人口、粮食产量动态变化图，如图1所示。

2.2.1 耕地动态变化

2011—2020年华亭县耕地数量呈现正增长趋势，年平均增长高达333.33hm2。其中，2011—2018年呈现稳步增长，主要原因是这期间研究区进行了大规模的土地综合整治和高标准基本农田建设，促使耕地资源得到补充；2018—2020年出现轻微减少趋势，主要是因为退耕还林等生态保护措施的实施，使部分坡地耕地资源退出复绿。10a间研究区人均耕地占有量基本稳定在0.19hm2/人，保持平稳状态，未出现较大幅度波动。由此可见，过去10a研究区耕地动态变化呈现稳定态势，变化受宏观政策影响较大。

2.2.2 粮食产量的动态变化

2011—2020年间研究区粮食种植面积较为稳定，粮食总产量呈先增后减趋势。其中，2016年后增幅较大，年均产量为8353.46万kg，单位面积粮食产量稳定在234.4kg·667m-2；10a间粮食总产共增加2222.82万kg，增幅达30.1%。其中，2011—2016年共增加1234.73万kg，增幅为16.7%，2020年较2016年相比共增加988.09万kg，增幅达11.5%；10a来，年人均粮食产量约为452kg，达到人粮平衡状态，粮食生产取得丰硕的成绩。这主要是因为2013年以来，该县土地综合整治和高标准基本农田建设取得了举世瞩目的成就，农业生产条件得以极大提升，土地产出比显著上升，农民生产的积极性大大提高，再加上科技创新的投入增加，粮食不断增产。

2.2.3 人口的动态变化

研究区10a间人口动态变化呈现波浪式上升态势，波峰出现在2020年，波谷则出现在2013年，10a间人口最大值和最小值分别为19.6万人和17万人。10a间人口净增约2.3万人，年均增长幅度13.2%。其中，2011—2013年人口呈现减少趋势，2013年达到波谷，年均减少幅度1.8%；2013—2020年人口呈现逐年增长趋势，到2020年达到波峰，年均增幅达15.3%。这主要归因于农业生产条件的改善、国家政策的支持以及农业科学技术的长足进步，促使外出务工人员大量返乡，外迁人口规模逐年降低，人口红利逐渐凸显。

图1 华亭县2011—2020年耕地、人口、粮食产量、土地利用承载力动态变化图

2.2.4 土地资源承载力动态变化

土地资源承载力动态变化实质上是人口规模、粮食产量、耕地数量综合作用的结果，其变化也是三者综合动态度的集中体现。由图1可以看出，10a间研究区土地承载力指数持续走低，而土地综合承载力则呈现上升趋势，随着人口规模的不断增长，土地综合承载力也在逐年增强。其中，2011—2014年土地承载力呈现较平稳状态，基本实现人粮平衡；2014年后土地承载力开始稳中有升，表明研究区土地开始能够完全供养增长人口的生产生活需要，达到富足状态。

2.3 土地承载力预测

在指标动态变化分析的基础上，结合表3中2011—2020年的土地承载力指数，利用MatLab软件编程，预测华亭县2021—2025年土地承载力，预测结果见表4。

由表4可知，华亭县2021—2025年土地承载力呈现逐年上升趋势，从2021年始土地承载力在粮食盈余类型下均处于[0.75，0.875]，表明2021年开华亭县粮食处于盈余状态，人均粮食占有量平衡有余，人口临界超载消失，主要原因是国土综合整治、乡村振兴、生态修复的一系列政策的红利在未来逐渐展现，华亭县经济社会发展瓶颈被打破，走上新时代富足富强的道路。

表4 2021—2025年土地承载力预测值

3 结论

本文以华亭县土地资源、粮食产出、人口规模等数据为基础，从时间尺度上分析了研究区10a间耕地、粮食产量、人口之间动态变化情况，并在此基础上，运用土地承载力指数和灰色预测模型，分析预测了研究区2021—2025年土地承载力，通过分析研究得出如下结论。

研究区10a间耕地数量呈现正增长趋势，年平均增长高达333.33hm2，趋势平稳；粮食种植面积较为稳定，粮食总产量呈先增后减趋势，累计增加2222.82万kg，增幅达30.1%；人口动态变化呈现波浪式上升态势，波峰、波谷人口值分别为19.6万人和17万人，10a间人口净增约2.3万人，年均增长幅度13.2%；资源供给与人口消费之间呈现平衡状态，粮食实现自足基础上达到富足，农业生产条件得以改善，土地资源承载力得到了极大提升。

灰色模型预测的华亭县2020—2025年土地承载力表明，研究区土地承载力呈递增趋势，预计到2025年达到0.86，处于盈余水平。由此可见，华亭县未来人口规模、粮食产量及土地供给达到平衡状态，人地矛盾得以缓解，土地承载力逐年变强，粮食产出盈余，能够持续满足“十四五”时期县域经济、社会发展的需求，可实现绿色永续发展。