基于多情景模式的兰州新区生态适度人口测度
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摘要 适度的人口规模是城市可持续发展的关键，城市生态适度人口的确定取决于区域生态承载力与区域人口对生态资源的需求，生态敏感性分区和区域可利用土地资源评价是生态适度人口测算的前提。本文以兰州新区为例，针对新区存在的主要生态环境问题，在GIS支持下对其生态环境敏感性进行综合评价，明确了生态环境敏感性分布规律。利用数字高程模型、遥感影像解译土地利用图和国土部门土地利用数据，测算和评价了兰州新区可利用土地资源的数量和空间分布特征。基于多情景模型方法，从用地空间、可供水量、绿地指标、生态足迹和生态敏感性分区5个方面测算了兰州新区的生态适度人口与最大人口规模。结果表明：兰州新区生态适度人口规模为82.28万人-119.93万人，生态环境和用地空间对兰州新区人口容量规模的限制作用较其它因素强烈，2030年新区人口将达到或接近适度人口规模。新区发展应统筹城乡各类资源的利用，提高土地节约集约利用水平，提升土地生态承载力。
关键词 生态适度人口；情景分析；生态足迹；生态敏感性；兰州新区
中图分类号 C924；X24 文献标识码 A 文章编号 1002-2104（2012）11-0075-07 doi：103969/jissn1002-21042012.11012
适度人口作为对某项特定目标而言的最佳人口目标，是英国经济学家坎南（E·Cannan）于19世纪末首先提出的，是指能够达到一个特定或一系列目标的“最佳”或“最理想”的人口规模[1]，适度人口既要考虑人口自身协调发展，也要顾及人口与经济、社会、资源环境的协调发展，因此适度人口实际上可以理解为以最令人满意的方式达到某项特定目标的人口，其大小与资源、环境的可持续利用以及人们追求的生活水平密切相关[2]。适度人口理论经历了早期适度人口论、现代适度人口论和可持续生态适度人口论三个发展阶段，从20世纪六七十年代开始，人类认识到适度的人口不仅要与社会经济系统相适应，更要与资源环境系统相协调，即所谓生态适度人口。近年来，国内学者对适度人口进行了大量研究，但大都是单一目标（如水资源、土地、耕地面积、消费水平等）决定下的人口测算。适度人口规模不是柏拉图理想国意义上的最优人口，也不是孤立系统资源环境支持能力的人口承载力，而是多因素决定下的较为合理的人口规模[3]。由于人口对资源消耗的“分母加权效应”，使得人口对资源消耗的增加不仅来自人口绝对数量的增加，而且来自每个人消耗量的增长，因此传统的“人口密度”指标在度量生态系统承受的人口压力方面存在明显不足[4-5]。生态适度人口是指在某区域的某一预见时段，以不损害区域生态环境和破坏资源的永续利用为前提，能够保障生态环境物质能量循环相对均衡，环境和自然资源对人口的平均负荷力与人类最佳生存条件一致的适宜人口量。
兰州市是全国紧凑程度最高的省会城市之一，主城区发展空间严重不足，兰州新区作为兰州市拓展的重要空间承接点和突破口，是提升城市职能、推进城市跨越式发展的重要战略平台。《西部大开发“十二五”规划》中将兰州新区定位为“承接东部地区产业转移的先导区，黄河上游生态修复与未利用土地综合开发示范区，内陆欠发达地区统筹城乡发展、扩大城乡就业和新型城镇化的试验区，实施向西开放战略的重要平台”。然而，兰州新区由于气候干旱少雨，水资源匮乏，地表植被覆盖率低，生态环境极其敏感、脆弱，可利用城市建设用地与基本农田高度重合，人口与环境、发展与保护、统筹与协调成为新区发展的重要问题。本文基于多目标约束视角分析，对兰州新区生态适度人口进行测算，为制定新区可持续发展的人口政策，引导人口分布、经济布局与资源环境承载能力相适应，促进人口、经济、资源环境的空间均衡提供科学依据。
1 土地生态敏感性评价
在土地生态敏感性分区的基础上计算生态适度人口是本文重要内容。土地生态环境敏感性是指区域内土地生态系统中各生态过程，在外界干扰（包括自然和人为）超过一定限度时，对各种不良影响的敏感程度[6]。生态环境敏感性评价就是评价具体的生态过程在自然状况下潜在的产生生态环境问题的可能性大小。兰州新区主要生态环境问题是水土流失、水资源短缺、地质灾害频发等，针对每一生态问题选择若干影响因子，在ArcGIS软件环境下，转换为单因子栅格数据。通过综合各影响因子分布图，采用spatial analyst模块地图代数分析功能得出各生态环境问题的敏感性分布图，然后再进一步综合，得出全区生态环境敏感性分布图。评价标准主要依照国家环保总局《生态功能区划暂行规程》附件C和相关研究[7]。
水土流失敏感性以Reynard K G等提出的通用土壤流失方程（USLE）为基础进行评价[8]，即A=R·K·LS·C·P。式中A为土壤侵蚀量；降水侵蚀力（R）值采用王万忠等提出的适合干旱区的简便算式[9]，利用气象站的多年降雨纪录资料，借助ArcGIS的创建表面功能，采用样条函数内插法得到全区30 m×30 m的R值分布栅格图；坡度坡长因子（LS）在大尺度区域上很难计算，为此本研究采用地形起伏度值（即地面一定距离范围内最大高差）作为区域土壤侵蚀评价的地形指标，以1∶10万DEM（数字高程模型）上的每个栅格点作为目标栅格，利用ArcGIS的Focalrange函数，用3×3分析窗口对全图逐栅格求取高差，求得地形起伏度的栅格数字矩阵；土壤质地因子（K）由1∶10万土壤图经数字化后提取获得；覆盖因子（C）通过2010-9-10的Landsat TM遥感影像提取NDVI后求取获得。农业措施因子（P）是与人类活动密切相关的因子，与生态系统的自然敏感性关系不大，这里不做考虑。水源敏感性以数字化的兰州新区河流水系图为基础，生成200 m缓冲区。地质灾害敏感性评价以甘肃有色工程勘察设计研究院编制的《兰州新区灾害危险性评价图》为依据，数字化后转为栅格，赋值得到。
将各敏感性专题栅格图层（像元大小均为30 m×30 m），转化到相同投影和比例尺下，通过ArcGIS进行栅格地图代数乘积运算，对多个生态环境问题进行综合评价。然后采用自然分界（natural break）法将敏感性分为5级。这种分类方法是基于统计学的Jenk最优化法得出的分界点，能够使各级的内部方差之和最小。生态敏感性综合评价涉及诸多因子，任何因子受影响的程度一旦超过阈值，整体生态环境将受到严重的破坏。而将多个环境因子的评价结果进行加权求和，在一定程度上将导致单因子评价结果之间的抵消或放大，从而影响区域综合生态敏感性的评价结果。因此，本文采用取极大值的方法，取各因子生态敏感性评价结果中的最大值进行综合评价：I=（Sj）max，式中I为生态综合敏感性评价结果，Sj为第j个因子的敏感程度。评价结果如图1所示，生态敏感性分区面积见表1。
2 可利用土地资源评价
可利用土地资源是后续基于用地空间和绿地指标进行人口测算的基础。可利用土地资源是指在一定空间尺度上可作为后备建设用地的土地。采用《省级主体功能区划编制规程》中可利用土地资源计算方法[10]，即：
可利用土地资源面积={适宜建设用地}-{已有建设用地}-{基本农田}，其中：适宜建设用地={可用地形}-{林草地}-{水域}-{沼泽}-{荒漠}，可用地形={适宜高程的土地}∩{适宜坡度的土地}，林草地面积={林地面积+草地面积}×0.85。
已有建设用地={已有城镇村建设用地}+{已有交通用地}+{已有工矿用地}+{已有特殊用地}+{已有农村居民点}+{已有水利设施用地}。
《省级主体功能区域划分技术规程》中有关海拔高程、坡度、人均可利用土地资源等分级标准不适合兰州新区，根据新区实际提出可利用土资源技术规程如下：新区无
借助Landsat TM影像判读和DEM，提取新区范围内适宜建设用地面积为37 024.47 hm2，根据第二次全国土地调查数据，新区范围内基本农田面积为16 30467 hm2，扣除范围内的现状建设用地和林地、湿地等，兰州新区范围内可利用土地资源15 33675 hm2（见图2）。
3 适度人口测算
3.1 基于用地空间的人口容量
土地是城市空间扩展的载体，有无开阔的空间往往成为其规模大小的决定条件。可供建设用地的总量是确定城市人口容量规模的前提，因此，城市用地分析是城市人口容量确定的基础。
3.1.1 基于人均建设用地指标的适度人口容量准，尽可能地节约利用各种自然资源，发展紧凑型城市，实行“精明增长”政策[11]。根据欧美发达国家经验，大城市较为合理的城区人口密度为1万人/km2左右。据此，可得到城市适度人口容量P的经验公式：
P=1×Ls（1）
式中：Ls表示适宜建设用地面积（km2），下同；P（万人），下同。根据《城市用地分类与规划建设用地标准GB50137-2011》[12]，城市的规划人均建设用地指标应不低于65.0 m2/人，据此，得到城市最大人口容量Pmax计算公式：
Pmax=（100×Ls）/65.0（2）
据此，可计算出兰州新区适度人口为153.37万，最大人口容量为255.61万。
3.1.2 基于人均居住用地指标的适度人口容量
规划的居住用地占建设用地的比例（25 %-40 %）及人均居住用地标准 （28-38 m2/人）是限制人口容量的两个硬性指标，但不同性质的城市、不同的居住高度（中高层或中低层）等对人口容量有一定影响。因此，适度人口容量的求算在规定范围内就有一定的浮动空间，视具体城市而定。总体上应符合：
P=（100×Ls×rs）/Rs（3）
式中：rs 代表居住用地的适宜比例，单位为%；Rs代表适宜人均居住用地标准，单位为m2/人。
参考兰州中心城区2010年居住用地占建设用地比例26.38%（取自甘肃省住房和城乡建设厅《甘肃省城市建设统计年报2010》），按建设园林城市和生态宜居城市的目标要求，降低工业用地和居住用地比重，本文将rs取25%，Rs取中间值（33 m2/人），则兰州新区适宜人口数为116.19万；若按照rs为40 %的最高标准及Rs为28 m2/人的最低标准，则兰州新区最大人口规模为219.10万。
3.2 基于可供水量的适度人口
在城市日最大总可供给水资源量已知情况下，根据现状人均用水量指标，科学分析主要影响因素的发展趋势，反推可容纳的适中或最大城市人口量，这种“以供定需”的测算法，是现今城市用水预测最常用的方法之一。兰州新区由大气降水形成的自产水资源总量为2.34亿m3，但无长年地表径流形成，均以蒸发、入渗的方式回归自然。目前和今后一段时间，新区供水主要依靠引大（通河）入秦（王川）工程调水，根据兰州市水电勘测设计院的评价报告，引大入秦灌溉工程不同水平年向兰州新区可供支配水资源总量为22 288万m3，其中生活用水量按总用水量的34.6 %计算（兰州市2010年水平），则可供生活用水7 706.27万 m3/a。兰州新区目前处于开发起步阶段，现状年人均综合用水定额为80 L/d，参考《城市居民生活用水量标准》（GB/T50331-2002）、甘肃省地级城市和中国北方城市居民人均生活用水情况，考虑到人们生活水平提高的要求，确定兰州新区人均生活用水适度值为180 L/d，人均生活用水极限方案取城市居民生活用水量标准的下限值110 L/d。对照2010年全国和黄河流域城市居民人均生活用水量（分别为212 L/d和207 L/d，来源于中国水资源公报），兰州新区人均生活用水适度值明显偏低，这也符合兰州新区属于西北干旱区的实际。如不增加建设新的水源工程，按照上述标准，兰州新区2020年适度人口应为117.30万，最大人口规模则为191.94万。
3.3 基于绿地指标约束的人口容量
通过绿地计算城市生态人口容量是较常用的方法之一。最新的《城市用地分类与规划建设用地标准GB50137-2011》规定绿地占城市建设用地比例为10%-15%，人均绿地面积≥10 m2， 其中人均公园绿地面积≥8 m2。根据《兰州新区总体规划2011-2030》，兰州新区规划绿地占城市建设用地比例为11.50 %，人均19.5 m2，人均公共绿地10.65 m2。根据中华人民共和国住房和城乡建设部《国家园林城市标准》，秦岭-淮河以北100万以上人口大城市的人均公共绿地需达到6.6 m2，绿地率不低于28 %，绿化覆盖率不低于33 %。截止2010年，我国共有128个地级以上城市被命名为国家园林城市，其中秦岭-淮河以北有36座。本文计算出这些城市2009年人均绿地平均值为32.84 m2，其中秦岭-淮河以南城市平均值为36.69 m2，以北城市平均值为28.55 m2。以北方园林城市人均绿地面积平均值作为参考，取29 m2作为兰州新区未来适宜人均绿地面积；以甘肃省城市2010年平均人均绿地面积（17.26 m2）作为参考，取18 m2作为兰州新区未来最低的人均绿地面积，城市绿地覆盖率取定为30%，可得：
P=（100×Ls×30%）/29（4）
Pmax=（100×Ls×30%） /17（5）
计算得到兰州新区适度人口为158.66万，最大人口规模为255.62万。
3.4 基于生态足迹的人口容量
生态足迹方法是利用生物生产土地面积这一生物物理指标来定量地指示区域生态承载力的需求和供给的。模型计算公式为[13]：
ef=∑n[]i=1（ci/pi）（6）
其中， ef为人均生态足迹； ci为第i商品的人均消费量；pi为第i种消费品的平均生产能力；i为消费商品和投入类型。生态承载力的计算公式为[14]：
EC=∑[DD（]n[]j=1[DD）]aj×rj×yj（7）
式中，EC为区域生态承载力（hm2），aj为实际第j类生物生产性土地面积，rj为均衡因子，是使不同类型的生物生产性土地转化为在生物生产力上等价的系数，yj为产量因子，表示某地区的某种生物生产性土地的平均生态生产力与同类土地的世界平均生态生产力之间的比率。生态足迹的计算过程由两个部分构成：生物资源和能源。均衡因子采用世界野生基金会Livin Planet Report 2004中研究的最新成果；产量因子则沿用Wackernagel计算中国生态足迹时所采用的值。同时，根据世界环境与发展委员会（WCED）的报告，在计算兰州新区生态足迹时扣除12%的生物多样性保护面积。
基于生态足迹的生态适度人口用公式表示为[15]：
P=[SX（]EC[]ef-ec[SX）]（8）
式中，P为区域的生态适度人口，ec为人均实际利用的生态承载力，ef为人均生态足迹。兰州新区2010年生态足迹计算结果见表2，计算数据来源于2010年兰州统计年鉴、永登县统计年鉴和皋兰县统计年鉴，地类面积来源于兰州新区土地利用更新调查数据。由表2可知，兰州新区2010年的生态承载力面积为1.197 hm2/人，生态足迹为1.907 hm2 /人，生态赤字为0.738 hm2/人。由公式8，计算出兰州新区生态人口容量为91.78万。
3.5 基于土地生态敏感性的人口容量
生态敏感性评价是土地资源承载力评价的核心，也是生态适宜性评价和生态限制条件下土地承载力评价的基础。生态敏感性评价的结果依据前文对土地生态敏的评价结果，综合考虑区域内对城市空间发展的限制因素，根据不同生态敏感程度，基于不同分区及对应人口密度，估算土地资源可承载人口规模。极度和高度敏感区主要安排能够直接或间接改良区域生态环境、改善区域人地关系的地类，如林地、园地、水域、绿地、城市缓冲用地和休养与休闲用地等，可有条件布置适量的农用地和居住用地。国内外关于不同生态敏感区域人均用地标准可参考的文献不多，且存在较大差异，目前该方面的研究尚无统一结论。本文在参考前人研究的基础上[16]，确定不同生态敏感区人口承载水平（见表1），根据表1敏感分区面积，计算求得兰州新区生态人口容量约在74.11万-90.45万之间，取其均值作为适度人口，则为82.28万。
3.6 综合评价
城市人口容量应是各个因素同时作用的结果，对于每个影响因素的人口容量测算，若存在多情景模式，可以取不同情景模式下人口容量的平均值作为该影响因素的最终人口容量[17]。如果按照这种测算依据，从而兰州新区适度人口为119.93万，最大人口规模为230.57万。生态足迹法由于忽视了地下资源和水资源的估算，计算生态承载力时也没有考虑未利用地，相对比较保守；由于兰州新区地处内陆，自然环境恶劣，生态敏感性方法较多地从保护生态环境角度出发，淡化产业发展和城市扩展带来的人口集聚，计算结果亦偏小。
根据胁迫定理，城市发展的优劣往往不是由最优的条件决定，而应由最制约发展的因素左右，每一个影响因素都可能成为人口容量的最短边。本文研究表明，生态环境和用地空间对兰州新区人口容量规模的限制作用较其它因素强烈，而作为“客水区”的兰州新区受水资源的约束作用反而不是十分突出。根据木桶原理，生态敏感性因素是影响兰州新区人口规模的“最短边”，从而兰州新区适宜人口规模为82.28万，但这种结果弹性不大。根据《兰州新区城市总体规划》，2030年新区人口规模为110.6万人，意味着将达到或接近适度人口规模。
4 讨 论
可持续发展的适度人口理论要求人口生产、物质生产和资源环境生产统一协调，运用多种方法、多角度深入研究区域生态人口承载力是制定区域社会经济发展和土地利用战略的必然要求。本文提出了“生态适度人口”的概念和测算方法，并以兰州新区为例，从可利用土地资源、可供水资源、生态承载力、生态敏感性等多种约束条件出发，对其生态适度人口进行了测算。
迄今为止，国务院已先后批准成立了上海浦东新区、天津滨海新区、沈阳沈北新区和重庆两江新区4个国家级新区，这些新区已经成为区域经济发展的“引擎”。同时，国内许多城市为了破解发展难题，也都在新区建设上进行了有益尝试，不仅拓展和优化了城市的发展空间，而且促进了经济发展方式的转变和产业结构的升级。兰州新区作为建设中的国家向西开放的战略平台，承担着甘肃省跨越式发展重要经济增长极的重任，但新区总体生态环境脆弱，干旱少雨气候，地表植被覆盖率低，生态承载能力有限。本文研究表明，兰州新区的生态承载力高于整个兰州中心城区和市域水平，生态赤字低于整个兰州市域水平[18]。通过与国内其它主要城市相关数据进行对比，新区生态赤字属中游水平。按照本文测算结果，兰州新区生态适度人口规模为82.28万-119.93万，与最大人口相比约有110万人的承载剩余空间。但由于土壤贫瘠，土壤次生盐渍化趋势较严重，耕地面积不断减少因素影响，东南和西部山体为典型的黄土丘陵，沟壑纵横，城市东西向扩展成本较高，需对地形进行改造，中部发展要占用大量优质农田，土地资源的生态支撑能力逐步面临较大的压力。新区所在的秦王川盆地几乎完全依赖于外来调水，新区建设将挤占秦王川盆地农业用水和生态环境用水，随着新区建设推进和产业聚集，水资源也将成为制约新区人口发展的重要因素。
未来新区发展应统筹城乡各类资源的利用，提高城乡空间资源的集约、节约利用水平，推进形成主体功能分区，严格实施土地用途分区管制和建设用地分区管制，按照城市建成区、镇区、村庄等空间层次，有序引导人口集中发展。加快新区的生态绿化建设，以沿引大东一干渠和东二干渠两侧防护林带及周边山体绿化为重点，实现万亩生态绿化工程，逐步推进“千塘百湖”的生态水系工程，保育山水、构筑生态屏障。充分利用生态和自然资源优势，优化新区南部山区和北部农业地区的功能布局，保护生态基底，形成兰州新区快速发展的生态保障和环境基础；结合自然地形、河流水系等自然基底建设贯穿城市的大型绿色廊道，构筑线型绿化生态骨架，分隔城市组团，保护城市环境，形成完整的生态廊道和良好的景观绿化体系，提高土地生态环境承载力。
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Study on Ecooptimum Population in Lanzhou New Area Using Multiple Scenarios Model
PAN Jinghu SUN Huihui SHI Peiji
（College of Geographic and Environmental Science，Northwest Normal University，Lanzhou Gansu 730070，China）
Abstract Optimum population scale plays a key role in ensuring urban sustainability in the long run. The ecological optimum population of a city is decided by ecological capacity in the region and regional population’demand about the ecological resources. Ecosensitivity regionalization and available land （reserved construction land potential） assessment is a key foundation of ecooptimum population estimation. In this paper， taking Lanzhou New Area as a case， integrated assessments of sensitivity to water erosion， river buffer， geological hazard and its spatial distribution in Lanzhou New Area was done by GIS spatial analysis method， and the spatial distribution of ecosensitivity were characterized. Using Digital Elevation Map （DEM）， TM remote sensing land use map and land use investigation data， the paper calculated and assessed quantitative and spatial differentiation of available land of Lanzhou New Area. On these basis， the authors adopt scenarios analysis to explore the citys appropriate scale and maximal ecological population scale from the aspects of land space， water supply， grassland norms， GDP， ecological footprint and ecoenvironmental sensitivity. The results showed that， considering the available land， water resources and environmental determinants， the local ecological optimum population scale was expected to amount to around 0.82-1.19 million. The calculation outcome reflected that the restriction effect of ecological environment and proper land space to population scale were sharper than effect of other factors. The authors drew the conclusion that the urban population would reach close to the scale of ecological optimum population in 2030. Finally， the authors presented countermeasures for development of Lanzhou New Area from the perspective of integrating the utilization of urban and rural resources improving， intensive using and saving of land and raising land ecological bearing capacity.
Key words ecooptimum population； scenarios analysis； ecological footprint； ecosensitivity； Lanzhou New Area