郑州市土地资源承载力分析
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摘要：土地资源承载力是揭示人地关系、衡量区域可持续发展的重要指标。采用遥感技术，参照生物生产性土地分类，以2009年TM遥感数据为基础对郑州市土地资源进行遥感解译，获得其土地利用/覆盖现状空间分布；同时，通过建立耕地承载力、生态承载力、建设用地承载力数学模型对土地资源承载力进行比较，探索制约城市发展的决定性因素。结果表明，郑州市建设用地承载力和规划耕地承载力可满足人口规模和经济社会发展的需求，但现状耕地承载力及生态承载力存在不同程度的安全隐患。具体表现为郑州市现状耕地承载力存在不同程度的超载，其中中心区超载最为严重。达到耕生产潜力时的规划耕地承载力阈值除了中心区和巩义市处于满载状态外，其他各市（县、区）承载力仍有很大的空间；各市（县、区）人均生态承载力则远低于世界和全国人均水平，中心区最低，为0.106 60 hm2/人；中牟县最高，为0.723 38 hm2/人。表明郑州市土地利用格局不能很好地适应人口和经济社会的发展，是制约经济社会可持续发展的主导因素。
关键词：土地资源承载力；遥感（RS）技术；土地利用/覆盖；郑州市
中图分类号：F301.24 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）16-3799-06
随着人口的不断增长，经济发展和城市化进程的加快使得土地资源更加紧缺，而发展对土地的需求却不断扩大，由此产生一系列的地质环境、社会问题，如生活空间减少、环境恶化等，导致资源、环境、人口之间的矛盾更加尖锐。因此，研究土地资源承载力对于协调人口、资源、环境之间的关系尤为重要。土地资源承载力最初是以土地—粮食—人口关系为主线研究区域经济、社会的可持续发展[1]。20世纪90年代以后，土地资源承载力研究范围进一步扩大。一方面结合其他资源从原来单一的粮食指标向综合指标发展[2]；另一方面根据研究主体的不同发展了城市土地承载力[3]、生态环境承载力[4]等。现有的评价方法往往将耕地承载力、生态承载力和建设用地承载力分开研究，而区域的土地资源承载力本应是一个有机的整体，并且对于开发强度大、工业化程度高的大城市应更加注重土地资源能否满足产业结构和人口的发展规模。人类社会可持续发展是一个广义的概念，包含有人类自身的可持续，与此同时还包括资源、生态、环境等的可持续，并且彼此互相制约和影响。因此，土地资源承载力不单单是土地的粮食供养能力，还应包括环境、生态和城市空间等方面的内容。
随着中原城市群的建立，郑州市将为区域的发展承担更多的责任，对整个郑州市的生态环境也会带来更大的影响。并且随着2008年《河南省土地利用总体规划》中提出建立国家粮食战略工程河南核心区，郑州市作为全省经济政治文化的中心，首当其冲成为核心区之一。作为载体的土地，又不仅仅局限于农业用地，而应该包括城镇居民及工矿、水域、交通和未利用地在内的广义土地。为了能够掌握郑州市居民生产、生活需求对自然生态系统的影响程度，以对该区域的耕地承载力、生态承载力及建设用地承载力进行分析，采用遥感技术，参照生物生产性土地分类对土地利用/覆盖进行遥感解译，获得郑州市土地利用现状空间分布；通过构建农业生态区域法、生态足迹法以及基于城市基本生活空间的土地承载力评价模型，分析郑州市土地利用结构与承载力之间的相互关系；对3种土地承载力模型计算结果进行对比分析，探讨制约城市经济社会可持续发展的决定性因素，为区域城市生态建设和可持续发展提供参考依据。
1 土地利用/覆盖分析
以2009年Landsat TM遥感影像为数据源，参考生物生产性土地分类，把土地利用/覆盖数据划分为6种类型：耕地、草地、林地、建筑用地、水域和未利用地。利用遥感软件ENVI4.7对遥感影像进行裁剪、几何校正等预处理，采用最大似然监督分类法对影像进行解译，获得郑州市土地利用/覆盖各类型面积（表1）及土地利用/覆盖遥感解译图（图1）。
2 土地资源承载力研究
2.1 农业生态区域法耕地承载力
农业生态区域法（AEZ）是最早应用于耕地承载力研究的方法[5]。其计算过程包含有两方面内容：其一，依据一定的生产条件测算耕地生产潜力；其二，在生产潜力基础上根据一定生活水平计算承载人口的数量。本文以耕地生产潜力作为上限，农作物实际产量为下限，结合粮食消费水平分别计算出耕地资源承载力阈值。其中耕地面积、耕地生产力和人口数据来自《郑州市统计年鉴（2010）》[6]。
根据模型计算各地区的光合生产潜力，在此基础上利用光温因子、气候因子、土壤因子进行修正得到。其中光合生产潜力指作物在水分、养分和温度等外界条件下保持最适宜状态，由太阳辐射资源所决定的产量，计算模型为：Y（Q）=62.748×Q，Q是太阳总辐射，单位是kJ/cm2；温度因子采用方光迪提出的温度修正系数，并参考迈阿密模型对气候生产力进行计算[7]，公式为：Yw=Y（Q，T）·（1-e-0.055r），其中Yw为气候生产潜力，r为降水量；土壤肥力修正系数取决于该地区耕地质量的等级，其公式为[8]：Ks=∑fi·ksi，其中，fi为第i级耕地占总耕地比例；ksi为第i级耕地土壤肥力修正系数，依据土壤质量等级由专家评分得到。区内土壤质量等级，可根据速效磷、速效钾、全氮、有机质、质地、地貌、年降水量等分布图赋予相应的权值并通过综合指数法模型评价得到。其中一级土壤可得到气候潜在生产力的60%，二级土壤可得30%，三级土壤得15%[7]；最终作物生产潜力利用公式Y（Q，T，W，S）=Yw×Ks计算得到（表2）。
2.2 生态足迹模型土地承载力
生态足迹法广泛应用于国内外生态承载力计算[11-14]。生态承载力的大小取决于土地利用/覆盖面积和土地生产力，它们的变化会直接引发生态承载力值的变化，与此同时决定了生态承载力的空间格局。
生态承载力是某地区在一定时期内生态系统对外界干扰特别是人类活动干扰的承受能力[15-17]。生态足迹的核心思想是通过对比一个地区的生态承载力需求和供给之间的差距，以此来判断该地区可持续发展的情况[11，18，19]。随着地区经济的快速发展，人口稳步增加，人类对自然资源的不合理开发和过度利用不断加剧，由此带来的生态环境问题日益突出。因此，通过对城市生态足迹的分析，可以量度城市人类活动对整个区域生态系统产生的压力和影响程度。
2.2.1 生态足迹模型 根据生态足迹理论，生态足迹法包含有两大部分：生态足迹消费和生态足迹供给。其中生态足迹消费指的是，在一定技术条件下，要维持某一物质消费水平下的某一人口的持续生存必需的生态生产性土地；生态足迹供给则指，一定区域实际所能提供给人类的资源和产品折合为所有生物生产性土地面积的总和[20-23]。
2.2.2 郑州市生态足迹计算 生态足迹消费计算由生物资源消费和能源消费两部分组成。生物资源主要有农产品、动物产品、水果和蔬菜等构成，各大类下面进一步细分；能源可分为燃料油、液化石油气、其他石油制品、电力、原煤、洗精煤、焦炭、液化天然气、原油、汽油、煤油和柴油。这两大类数据均来自《郑州市统计年鉴（2010）》[6]。在生物资源生产面积折算时，采用联合国粮农组织1993年公布的有关生物资源的世界平均产量资料，能源消费计算时以世界单位化石燃料生产性土地面积的平均发热量为标准。
对比世界人均生态足迹供给（2.2 hm2/人）、全国人均生态足迹供给（0.9 hm2/人）[25]，郑州市人均生态足迹供给总体偏低（平均为0.432 hm2/人），且空间上表现为不均匀的分布趋势。对比生态承载指数可以看出，郑州各市（县、区）存在不同程度的人口超载，以中心区最为严重。这体现了随着国内和国际贸易的进行，大量消耗资源，从而导致较高的生态足迹。为了满足当地人口现有生活水平下的消费需求，很大程度上需要从经济欠发达地区输入生态足迹来弥补自身发展所带来的生态赤字，而这一行为同时也加剧了不发达地区的生态恶化。因此从可持续发展的角度出发，各市（县、区）应该尽可能减少占有的生态足迹面积，减少对资源的消耗和不发达地区生态足迹的输入，推进经济社会的可持续发展。
2.3 建设用地承载力
对于发达的大城市而言，土地的功能除了粮食生产、生态环境保护之外，更主要的是城市建设用地的供给。随着经济发展、城市人口规模不断扩大，由此产生越来越多的生态问题，因此城市发展必定存在人口容量极限。鉴于此，从城市发展对建设用地的需求和各类用地合理配置角度出发研究大城市的土地对人口的承载力更有现实意义，并且能更好地把握城市的发展空间。
采用2009年郑州市土地利用/覆盖遥感解译中的建设用地面积，结合人均建设用地面积计算现状条件下郑州各市（县、区）建设用地承载力（表5）。由表5可知，郑州各市（县、区）的建设用地承载力均在可承载范围内，且登封市承载剩余量最大，中心区最小。建设用地承载力主要决定于一个地区的经济发展和人口规模，对于中心区而言，要注意合理规划土地利用结构，提高整个区域内现有可利用土地的利用率和努力挖掘潜在可利用土地。
3 土地承载力对比分析
为了便于比较郑州各市（县、区）耕地承载力、生态足迹承载力和建设用地承载力之间的关系以及掌握适合城市发展的最佳人口，结合实际人口数量绘制郑州市土地资源承载力对比分析图如图2。
由图2可知，农业生态区域法计算的耕地人口承载力在空间上呈现一定的异质性，从西部到东部整体呈上升趋势；生态足迹法计算得到的生态承载力空间上虽然变化趋势不明显，但也表现为西高东低的分布格局。两种土地资源承载力的分析结果，表现为受地形地貌特征、土地利用/覆盖和环境资源禀赋制约的特点。与此同时也呈现了郑州市经济的空间发展特征，西部市县由于矿产资源丰富成为郑州市主要的能源工业基地，与此相反东部的黄淮平原地区则因为地形平坦、土壤肥沃而成为重要的粮食生产基地。
各市（县、区）生态承载力低于实际人口，是制约城市可持续发展的决定性因素。并且在计算模型中由于忽略可降解废弃物及水资源消费，使得土地生态足迹人口承载力结果偏大。即便如此，生态承载力仍然小于实际人口，因此对土地生态承载力不容乐观。现状条件下的耕地承载力中心区远低于实际人口，登封、巩义和新密也存在不同程度的超载，其他市（县、区）有一定剩余；农业生态区域法计算得到的规划耕地承载力一般大于实际人口，完全能够承载现有生活水平标准下人口的增长。对比现状和规划耕地承载力不难发现，按照现有的人口增长率，通过农业科技水平的提高和充分利用可耕地资源，各市（县、区）粮食生产完全能够承载未来人口的发展规模。从满足人类基本空间需求角度出发，各市（县、区）建设用地人口承载力均有很大的剩余量，说明各市（县、区）经济密度在合理范围以内，城市发展存有很大空间，能够满足地区人口规模的基本生活用地需求。
区域土地资源承载力的空间异质性是整个土地资源系统固有的性质，但其时空格局的变化往往通过人类的经济社会活动表现出来。土地资源承载力的影响因素众多，主要有土地利用结构、消费水平和习惯、资源禀赋、科技水平等，通过提高和改变这些因素中的负面作用，对提升区域土地资源承载力起到促进作用。在制定国土规划和经济社会发展战略时，可将3种土地资源承载力进行对比分析，农业生态区域法能够预测耕地承载力上限；生态承载力则体现人类经济社会发展带给区域自然生态系统的影响程度和压力大小，反映城市的可持续发展状态；基于城市基本生活空间得到的建设用地承载力是区域经济发展条件下城市建设用地能够容纳的合理人口规模。
4 结论
区域土地资源承载力研究可为地区经济社会的持续发展和合理利用土地资源提供依据。基于RS分析土地利用空间分布并通过构建不同的土地资源承载力模型研究区域土地资源承载力，获得郑州市土地资源利用的空间分布特征，掌握制约土地资源承载力的决定性因素。但其中任意一种土地资源承载力模型都没有能够完全考虑到社会经济、资源环境的相互作用，从而弱化了该承载力模型的代表性。因此，土地资源承载力模型作为区域经济社会可持续发展评价方法均还需要不断完善。
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