基于投影寻踪模型的湖南省资源环境承载力评价及障碍因素诊断

徐 美，刘春腊，刘小铭，周慧灵

（1.中南林业科技大学 旅游学院，湖南 长沙 410004；2.湖南师范大学 a.资源与环境科学学院；b.地理空间大数据挖掘与应用湖南省重点实验室，湖南 长沙 410081）

资源环境承载力指在自然生态环境不受危害并维系良好的生态系统前提下，一定地域空间的资源禀赋和环境容量所能承载的人口与经济规 模[1-3]，是衡量区域可持续发展和人地关系协调发展程度的重要依据[1,4]。近年来，随着我国人口规模的不断增长和社会经济的快速发展，其与资源环境之间的矛盾也日益凸显，对区域可持续发展产生重要影响。开展资源环境承载力研究，不仅受到了国家层面的关注和重视，成为国家社会经济发展规划的重要决策依据[5-6]，也引起了不少学者的关注，成为地理学、资源科学、环境科学、生态学等学科的重要关注点。

承载力原是物理学概念，后被引入自然生态系统[1]。在资源环境承载力领域，国外的相关研究最早可见于20 世纪初期的能量承载力和畜牧承载力研究[7]，此后，生态承载力的概念被提出[8]， 继而土地承载力、水资源承载力研究逐渐发展；20 世纪60-70年代以来，随着全球性资源环境问题的频发，资源环境承载力研究蓬勃开展[9-12]，在理论和方法上均取得了明显成绩。国内的相关研究源于20 世纪80年代，早期重点关注单一要素承载力研究，其中土地资源承载力研究开展最早、应用最广，水资源、矿产资源、旅游资源、大气环境、水环境、土壤环境等要素研究也较丰富；20 世纪90年代以来，随着我国资源、环境问题的日益凸显，资源、环境、生态承载力乃至资源环境综合承载力研究逐渐兴起，相关成果也日渐丰硕；近年来，随着国家生态文明战略的推进，资源环境承载力研究再掀高潮[13]，学者们围绕资源环境承载力评价、时空分异、预警及区域实证等问题进行了广泛而深入的探讨。就资源环境承载力评价而言，国内外的相关研究呈现出如下特点：在研究内容上，理论分析与实证成果均越来越丰硕，但关于资源环境承载力的机制机理、驱动因素、影响因子等深层次的理论问题仍需深化；在研究方法上，已由定性分析转向了定性与定量相结合，生态足迹模型[14-15]、TOPSIS 模 型[16-17]、主成分分析法[18]、状态空间法[4,19]、可变模糊识别方法[20]、突变级数法[21-22]、弹簧模 型[23]等方法广泛运用，极大地推动了资源环境承载力研究的定量化，但总体仍以传统评价方法为主，统一的方法体系尚未形成，现代新方法、新技术运用也不多；在指标体系上，学者们结合不同区域实际提出了“DPSIR”[24-25]、“压力- 承压”[2,22]“承载本底- 承载状态- 承载潜力”[26]“DPSIRM”[27]“经济-社会-资源-环境”[21]“生态- 环境- 社会经济”[28]“生态健 康度-自然驱动力-社会经济压力”[13]“PS-DRDP”[29]等诸多指标体系建设框架，但总体而言，评价体系的综合性、开放性、动态性仍显不足，与社会运用存在一定脱节[9]；在研究视角上，已由单一要素的承载力研究转向综合承载力分析，但总体仍以静态的现状分析和评价为主，动态的变化过程分析较少。

湖南是长江经济带的重要组成部分，正在努力建设“长江经济带生态优先绿色发展主战场”。开展资源环境承载力研究，对推进人与自然和谐共生、落实“三高四新”战略、建设美丽湖南都具有重要意义。有鉴于此，本研究以湖南省为例，尝试从动态演变过程和障碍因素诊断等角度对其资源环境承载力进行评价和分析，以期为其资源环境承载力和社会经济的协调发展、国土空间开发保护格局的优化提供借鉴和参考。

一、区域概况、指标体系及数据来源

（一）研究区概况

湖南省位于长江中游，地处东部沿海地区和中西部地区的过渡带、长江开放经济带和沿海开放经济带的结合部，为长江经济带的重要组成部分。近年来，湖南坚持绿色富省、绿色惠民，把生态文明建设融入经济社会发展的各方面和全过程，强化推进“两型社会”建设、低碳循环经济发展、资源节约高效利用、环境综合治理和生态系统保护，资源节约与环境保护取得了明显成效，2017年全省单位GDP 能耗较上年下降5.24%、单位GPD 电耗较上年下降2.07%、污水处理率达95.5%、生活垃圾无害化处理率达99.8%、森林覆盖率达59.68%、建成区绿化覆盖率达41.2%。但与此同时，当前湖南正处于工业化、城镇化加速发展阶段，发展中面临的资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化等问题也日趋明显，对资源的可持续利用和区域可持续发展产生重要影响，开展资源环境承载力评价及障碍因素分析，有利于为其资源开发利用、经济发展和环境保护等战略决策的制定提供依据和参考，也是落实主体功能区制度、推进绿色发展和生态文明建设、实施“三高四新”战略的题中之义。

（二）评价指标体系的建立

资源环境承载力涵盖资源、环境、社会、经济等诸多方面，是一个复杂的巨系统。有鉴于此，基于复合生态系统理论，将区域资源环境承载力与社会经济支撑力统筹考虑，从资源承载力、环境承载力、社会经济支撑力三方面构建湖南省资源环境承载力评价指标体系。其中资源承载力重点考察区域水资源、土地资源、能源资源的利用状况和承载能力，环境承载力主要包括固体废弃物环境、水环境、大气环境、生态环境等的现状格局和承载能力，社会经济支撑力重点从社会、经济、管理等方面衡量社会经济发展对资源环境保护及其承载力的保障、调节和支撑能力。在此基础上，遵循指标体系建立的代表性、科学性、系统性等原则，考虑数据的可得性，选取23 个指标构建具体指标体系（表1）。

表1 湖南省资源环境承载力评价指标体系†

（三）数据来源

本研究的数据主要来源于2006—2018年《中国统计年鉴》《中国环境统计年鉴》《湖南统计年鉴》及2005—2017年《湖南省环境状况公报》《湖南省环境质量状况》《湖南省国民经济和社会发展统计公报》，个别缺失的数据采取趋势外推的方法得到。

二、研究方法

（一）评价方法

资源环境承载力评价涉及资源、环境、社会、经济等诸多要素，为典型的多指标、非线性问题。投影寻踪模型作为多学科交叉的一种新型数理统计方法，对于高维度、非正态、非线性数据具有很强的适应性，有利于克服传统评价方法存在的信息丢失、指标权重确定具有主观性、对高维非线性问题适应性不强等弊端，更加全面、客观地反映评价对象的综合水平[30-31]，已广泛运用于区域经济、资源脆弱性、资源管理、灾害风险、生态文明、生态安全、环境质量等领域的评价工作中，并取得了良好效果，但其在资源环境承载力评价中的运用仍较少，有鉴于此，本研究尝试运用该模型对湖南省资源环境承载力进行评价。

投影寻踪模型的基本原理为：将高维数据投影到低维空间上，运用投影指标函数来描述投影值暴露原系统综合评价某种分类排序结构的可能性大小，寻找出使投影指标函数达到最优的投影值，并根据该投影值进行分析评价[30,32]，其计算过程为[31,33-34]：

1.评价指标标准化

设xij（i=1,…,m；j=1,…,n）为 第i年 第j个评价指标的指标值，则标准化公式为：

式中：yij为第i年第j个评价指标标准化后的值；m、n分别为年份数和评价指标数；maxxj、minxj分别为第j个指标的最大值和最小值。

2.构造投影目标函数Q(a)

即将n维数据综合成以a={a1，a2…an}为投影方向的一维投影值，其公式为：

式中：zi为投影值，在优化投影值时，要求其散布特征为：局部投影点尽可能密集，而在整体上投影点团之间尽可能散开。为此可用分类指标作为目标函数，其公式为：

式中：a为单位长度向量；Sz为zi的标准差、Dz为zi的局部密度，其计算公式分别为：

3.求解最佳投影方向a

通过求解投影指标函数最大化问题来估计a，其公式为：

约束条件为：

4.建立评价模型

将a代入公式求得各评价年份的投影值zi。根据zi即可对各年份的资源环境承载力进行评价。zi越大，资源环境承载力越高；反则反之。

（二）障碍因素诊断方法

借鉴吕锋等学者提出的障碍度模型对障碍因素进行诊断和分析，其公式为[22,35]：

式中：Zij为第i年第j个指标对资源环境承载力的影响程度，即障碍度；wj为第j个指标的权重，本研究运用具有较强客观性的熵值法求得。

三、结果及分析

（一）子系统承载力分析

借助WPS 数据处理系统，分别将资源承载力、环境承载力、社会经济支撑力子系统标准化后的数据导入软件，求得其最优投影方向如表2，在此基础上，分别求得资源承载力、环境承载力、社会经济支撑力子系统的投影值如图1 ～图3。

图3 2005—2017年湖南省社会经济支撑力子系统投影值

表2 湖南省资源环境承载力各子系统的最佳投影方向

图1 2005—2017年湖南省资源承载力子系统投影值

1.资源承载力分析

近年来，湖南省积极推行最严格的水资源管理制度，水资源利用水平不断提高，人均日生活用水量、单位工业增加值水耗明显下降；强化落实最严格的用地制度，严格保护耕地，土地资源节约集约利用水平持续提升；顺应节能减排、环境保护优先的要求，优化能源利用结构，提高能源利用效率，节能降耗工作成效显著，有效促进了经济社会发展与资源承载能力的协调，全省资源承载力投影值呈波动上升态势，由2005年的0.173 1 提升到2017年的2.070 1（图1），各类资源保障和承载经济社会发展的能力持续增强。但整体而言，全省资源承载力的投影值仍不高，资源利用方式粗放、耕地保护压力加大、能源利用结构不优等问题仍较明显，面临的形势仍不乐观，需要以新的发展理念为指导，进一步加强资源管理、加大资源供给侧改革力度、全面提升资源利用质量和效益，为全省社会经济发展提供坚实保障。

2.环境承载力分析

2005—2017年，其投影值由0.075 2 直线提升到2.940 8，全省环境承载力显著提升（图2）。这与近年湖南高度重视生态文明建设和环境保护，大力推进污染减排、环境监管、环境质量改善和生态安全保障支撑体系建设等密切相关，在这些政策制度的推动下，全省垃圾、污水处理水平和工业固体废物综合利用水平稳步提升，SO2、NO2等空气污染物排放量明显减少，青山绿水的生态优势得到进一步巩固，环境质量逐步向好，为社会经济发展和生态安全维护提供了重要保障。但与相关环境质量标准相比，全省环境承载力仍存在不少问题，在局部地区水污染治理、城市大气污染防治、生态红线控制、农村环境整治等方面均有较大提升空间。值得注意的是，2010年的投影值略高于相近年份，主要是因为其工业固体废弃物综合利用率较高，说明提高工业固体废弃物综合利用水平，对全省环境承载力的提升具有重要意义。

图2 2005—2017年湖南省环境承载力子系统投影值

3.社会经济支撑力分析

近年，全省社会经济发展迅速，人均GDP 由2005年的10 606 元增长到2017年的49 558 元，城乡居民收入分别由2005 的9 524、3 117 元增长到2017年的33 947.9、12 935.8 元；产业结构不断优化调整，2017年第三产业比重达49.5%；加之“两型社会”建设、绿色生产、绿色生活、生态文明等理念的日益深入人心和节能环保支出、环境污染治理投资的不断增加，全省社会经济支撑资源环境建设的能力和水平逐步提升，其投影值由2005年的0.341 6 波动增长到2017年的2.171 7（图3），为资源环境的保护及其承载力的提升提供了重要保障。但与此同时，人口规模的增加也给资源环境承载力带来了一定压力，在今后的发展中，如何协调人口与资源环境承载力之间的关系，推进人口、资源、环境的协调，需要引起重视。此外，2010、2014、2016年的投影值明显低于上年，主要是由于其环境污染治理投资占GDP 比重较上年下降明显所致，说明加大环境污染治理投资力度，对全省资源环境承载力的提升具有重要促进作用。

（二）资源环境承载力综合分析

将标准化后的指标数据导入WPS 数据处理系统，求得最优投影方向如表3，进而求得2005— 2017年湖南省资源环境综合承载力的投影值（如图4）。由图4 可知，近13年来，湖南省资源环境承载力投影值呈波动状上升态势，由2005年的0.747 3 提升到2017年的3.524 1，资源环境承载力不断增强，这与近年来湖南强化资源节约型和环境友好型社会建设，生活、生产用水效率提升，单位GDP 能耗、电耗大幅降低，“三废”排放量显著减少，森林、湿地等生态用地数量稳步提升等因素密切相关。其中2005—2012年投影值呈平稳增长态势，承载力有一定提升，但幅度相对不大，主要是单位工业增加值水耗、单位GDP 能耗、单位GDP 电耗等资源能源消耗指标较高所致，说明提高资源能源利用效率对湖南省资源环境承载力的提升具有重要意义。2013年以来，在生态文明战略的引导下，全省对资源环境保护的重视程度进一步提升，资源利用、节能减排和生态建设水平显著提高，资源环境承载力提升较快（表3）。

表3 湖南省资源环境承载力各指标的最佳投影方向

图4 2005—2017年湖南省资源环境承载力投影值

（三）资源环境承载力障碍因素诊断

由于指标较多，参考相关学者设定的标准，以障碍度≥5%作为障碍因素诊断的依据[36]。由障碍度模型计算结果（表4）可知，2005—2017年，影响湖南省资源环境承载力的主要障碍因素在类型、数量、障碍程度等方面发生了一定变化，其 中：环境污染治理投资占GDP 比重（x23）一直为障碍因素，且近年其障碍度呈扩大趋势，说明全省虽在不断加大环境污染治理投资力度，但与污染治理需求相比，投入仍显不足，投入比重依然偏低，需要进一步加大工作力度。第三产业比重（x22）为大部分年份的障碍因素，说明产业结构的优化调整对湖南省资源环境承载力的提升产生重要影响。单位GDP 能耗（x6）、单位GDP电耗（x7）、污水处理率（x11）、森林覆盖率（x14）、自然保护区面积比重（x15）、人均GDP（x19）、农民人均纯收入（x21）为早期的障碍因素，近年来，随着全省节能减排工作的不断推进、自然生态保护力度的逐步加大及区域经济发展水平和人民生活水平的稳步提升，其对资源环境承载力提升的障碍程度正逐渐减少。人均耕地面积（x4）、工业固体废物综合利用率（x8）、人口密度（x17）、人口自然增长率（x18）为近年的主要障碍因素，其中人均耕地面积近三年的障碍度不断增加，在资源环境承载力提升过程中，推进耕地保护和人地矛盾协调的任务依然艰巨；工业固体废物综合利用率的障碍度也较明显，需要进一步加大综合利用程度；人口密度和人口自然增长率的障碍度呈上升趋势，说明人口增加带来的资源消耗、环境污染和生态破坏等问题越来越明显，对资源环境承载力的威胁不断扩大，需要引起重视。总体而言，早期影响湖南省资源环境承载力的主要因素为能源资源消耗高、污水处理水平低、自然生态用地规模不大、区域经济支撑水平不高等，近年来则逐步转变为耕地保护压力加大、固体废弃物处理率不高、人地矛盾突出、环保投入不足等因素。

表4 2005—2017年湖南省资源环境承载力的主要障碍因素及其障碍度†

四、结论

运用投影寻踪模型对2005—2017年湖南省资源环境承载力进行评价，评价结果较为客观真实地反映了湖南省资源环境承载力的现实情况，说明投影寻踪模型在资源环境承载力评价领域具有较强的适应性。

总体上，2005—2017年，湖南省资源环境承载力投影值呈波动状上升态势，由0.747 3 提升到3.524 1，资源环境承载力不断增强。就各子系统而言，全省资源承载力、环境承载力和社会经济支撑力均呈提升态势，其中环境承载力提升最快，其投影值由0.075 2 直线上升到2.940 8；其次为资源承载力，其投影值由0.173 1 波动提升到2.070 1；社会经济支撑力相对较慢，其投影值由0.341 6 波动增长到2.171 7。

2005—2017年，影响湖南省资源环境承载力的因素产生了一定变化，早期的主要因素为能源资源消耗高、污水处理水平低、自然生态用地规模不大、区域经济支撑水平不高等，近年来则逐步转变为耕地保护压力加大、固体废弃物处理率不高、人地矛盾突出、环保投入不足等因素。

2005—2017年，湖南省资源环境承载力上升明显，为社会经济发展提供了重要支撑，但面临的问题也较突出，今后一段时期，应结合湖南实际，创新生态文明建设体制机制，重点抓好如下几方面的工作。一是转变经济发展方式，积极培育新经济、新产业、新业态，不断优化调整产业结构，推动产业向中高端水平迈进，进一步降低产业发展的资源能源依赖程度和环境影响程度。二是加大财政专项资金投入力度，广泛吸纳社会资本，建立多渠道、多元化的生态建设和环境保护资金投入机制，进一步扩大生态建设与环境治理投资，有效缓解环保资金投入不足的现实。三是优化国土空间开发格局，合理布局生产、生活、生态空间，严格保护自然生态，维护生态安全。四是在保持人口规模适度增长的同时，加大资源节约、环境优化、节能减排、生态文明等理念的宣传推广力度，努力提高民众的环保意识和综合素质，减少生产生活过程的资源消耗和环境破坏。五是加大现代科技推广运用力度，提高资源利用水平和污染治理水平，降低环境污染排放力度，提高资源环境的人口容量，推进人口增长与资源利用、环境保护的协调。六是建立资源环境承载能力动态监测预警机制，对临界超载区域给予警示警告，对超载地区采取严格的限制性管控措施，确保各类开发建设活动不超越资源环境承载界限。

资源环境承载力是一项复杂的系统工程，本研究仅从时间角度对湖南省2005—2017年的资源环境承载力发展态势进行了分析，对于其演变趋势预测预警、空间格局、时空分异及与区域经济发展、城镇化的耦合协调机制等问题，是下一步探讨的方向。同时，合理的评价指标体系对评价产生重要影响，受资料数据、统计口径等的限制，本研究的指标体系不够健全，有待进一步 优化。