王 昀，张文华

(1.陇东学院 土木工程学院，甘肃 庆阳 745000；2.新疆师范大学 地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054)

由于中国经济快速发展促进城市化进程提升，而有限的国土空间上却承载大规模和高强度的社会经济活动[1-3]，引发了社会发展与生态环境之间的失衡性问题。“生态文明建设”首次在十八大写入党章，十九大报告中提出推进绿色发展[4-6]。在此背景下，研究城市生态承载力，对地区生态环境保护与社会经济可持续发展具有重要意义。在研究过程中主要解决两方面问题：一是城市生态承载力影响指标如何建立，二是随时间序列变动城市生态承载力是否会发生变化？

城市生态承载力相关研究目前倾向于两方面:

(1)概念内涵的扩展，主要影响评价指标的选取。目前城市生态承载力没有明确的定义[7]，从最早Park[4,8]以单一种群数量的角度首次定义承载力的概念，到Reese[4-10]从生态足迹的理论上，主要考虑人口发展对环境资源影响，概念从单一种群转向资源-人口-环境综合要素的研究，Seidle[11,12]提出的复合生态承载力受到学者认同。我国关于生态承载力研究始于20世纪90年代，主要分为两类：第一类环境为主体，如王家骥、张传国[7]，研究生态系统自身调节、自我维护的能力；第二类生态-经济-社会为主体，其中以王中根、夏军[7,13]为代表，提出地区生态系统对人类经济社会的支持能力，同时经济社会对生态系统的调节能力，这一概念对城市生态承载力研究中指标的选取起到重要的指导作用。

(2)评价过程中研究方法的选用。由于不同城市生态状况的差异性，研究目的的不同，常用的有：1)生态足迹：该方法通过赤字和盈余的结果反映生态系统生产和城市活动消耗之间的关系，易于理解，但该方法强调了城市生产性土地面积上的供给能力，较少研究系统内部结构要素关联，及外部环境对系统的影响，如鲜明睿[14]等对常州市生态承载力动态分析，潘竟虎、冯娅娅[15]对甘肃省潜在生态承载力估算；2)系统动力：用数学模型模拟揭示各系统间的因果反馈关系，但模型绝大多数是针对某个地区的一次性模型,如马忠强[16]对大连市生态承载力的预测；3)综合指标评价法，相对通俗易懂，应用广泛，通过构建多层次指标体系，并对指标加权求和得到城市生态承载力的评价结果，需要配合指标权重计算模型(主成分分析法、因子分析、层次分析、状态空间模型、免疫学模型)，该方法涵盖社会经济环境的各方面，可用于结构功能较复杂的区域，但评价指标不统一，首先没有统一的科学指标体系，其次地区统计差异尺度越小数据越难收集，并且动态更新会出现部分指标缺失，再次不同模型计算结果不一致，没有对错之分，但总体而言，综合指标评价法能较好体现出地理现象的发展过程。考虑到要体现生态-经济-社会为主体的复杂性，因此选择综合指标方法。

甘肃省位于中国西北地区，经济欠发达，城市发展既要考虑经济总量的提升，同时还要与生态环境相协调，结合甘肃省地区特征，在选取指标时充分考虑地区生态特征、经济特征、地区指标统计差异性，选取19个指标，并通过综合指标评价法对14个州市2013-2018年城市生态承载力评价结果对比研究，以期能找到甘肃省生态环境与经济发展之间的平衡点。

1 研究区概况及数据来源

甘肃省跨越北纬32°31′～42°57′，东经92°13′～108°46′[16]，黄河上游，与陕西、四川、青海、新疆、内蒙古、宁夏相邻。下设兰州市、嘉峪关市、金昌市、白银市、天水市、酒泉市、张掖市、武威市、定西市、陇南市、平凉市、庆阳市12个市，临夏州、甘南州2个民族自治州，是黄河和长江的重要水源涵养区，也是多民族省份，是连接西北地区与中、东部地区互通的桥梁。由于甘肃广阔的国土面积和相对富集的自然资源，使其在对保障国家生态安全、构建西北地区生态屏障方面具有至关重要的作用。由于甘肃地处大陆腹地，气候受大陆性季风控制影响，气候条件复杂，属干旱、半干旱区[16]，沟壑纵横，地势较高，以山地和高原为主，区域具有较大的差异性，加之甘肃省森林资源较匮乏且分布不均，植被覆盖率低，其脆弱的生态环境状况制约了甘肃省的社会经济发展。

数据主要来源于《中国城市统计年鉴》(2014-2019年)、《甘肃省统计年鉴》(2014-2019年)、各市州统计年鉴(2014-2019年)、甘肃省水资源公报(2013-2018年)及2013-2018年各市州环境质量(状况)公报，2013-2018年各市州国民经济统计公报及政府网站，统计14个市州市区19个指标。

2 研究方法

2.1 综合指标评价法

由于城市生态环境是一个复合的系统，包括资源、环境、社会、经济多个方面，因此需要通过构建可持续发展的指标体系框架评价城市生态承载力。这就可以使用比较被认可的综合指标评价法。评价中采用主成分方法(Principal components analysis,PCA)确定各指标权重并通过主成分得分得到甘肃省各市州的城市生态承载力排序，同时考虑一个区域的各个城市之间往往因为地域的相近和人口的流动在社会经济发展和自然资源条件方面会存在或多或少的相似性。为了更有效地进行分析评价和提出有针对性的建设对策，以促使类间与类内的城市带动发展、协同进步以及资源互补，需要在主成分分析的基础上进行聚类分析。

2.1.1 主成分分析方法

主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)的基本思想是通过降维，把多指标转化为几个综合指标，也就是主成分，而每个主成分都能够集中反映原来大部分的信息，且相互独立。在实际研究工作中，通常按照方差大于1的原则选择主成分，以达到简化分析过程的目的[17-19]。由于受篇幅限制具体公式可以参考文献[19]。

2.1.2 聚类分析方法

聚类分析(Cluster Analysis)是一种按照样本或变量的相似程度进行分类的统计分析方法，主要是利某个特定标准(如距离准则，这里的距离准则是以14个州市的19个指标为计算基础，由于进行了主成分分析，因此以6个主成分计算距离)把一个数据集分割成不同的类或簇，且同簇内的数据相似性大，不同簇中的数据差异性也较大。聚类分析的方法十分多样，主要有：系统聚类法、模糊聚类法、动态聚类法、最优化聚类法、图论聚类法和聚类预报法[17-19]，其中系统聚类法运用最多。系统聚类法的基本思想是，按照变量(或样品)之间的距离远近，将其先后聚类，直到所有的变量都聚合完毕。距离公式可利用绝对值距离计算，公式可以参考文献[19]。

2.2 指标选取

参考国家环境保护总局颁发的《生态县、市、省建设指标(试行)》体系、《资源环境承载力和国土空间开发适宜性评价方法指南》、城市生态承载力指标选取科学性和系统性的原则，构建了4个一级指标和19个二级指标体系(表1)。

表1 城市生态承载力评价指标体系

2.3 2013-2018年甘肃省各州市城市生态承载力评价得分比较

2014年国务院办公室下发了《2014-2015年节能减排低碳发展行动方案》，甘肃省为节能减排做了一系列举措，2013-2018年数据正好处于“十二五”、

“十三五”规划年中，其中“十二五”节能减排指标是对“十一五”约束指标的强化，指标选取时也参考了节能减排的相关要求，因此该时间序列能有效地反映甘肃省生态保护相关政策的实施成效。主成分分析前需要通过数据的标准化，减小各项指标的量纲差异，受篇幅限制，以2018年数据展示结果变化，主成分计算结果从表2总方差解释表可以看出，只需提取六个主成分便能涵盖了大于86%信息，且6个主成分是关于19个变量的线性组合，表3反映了19个指标在6个主成分中的荷载变化，因此19个指标通过线性变换后用6个主成分代替。提取的六个主成分分别记为Z1，Z2，Z3，Z4，Z5，Z6。其中第一主成分贡献率达到35.522%，最终城市生态承载力贡献最大的是第一主成分。

表2 总方差解释

表3 主成分载荷矩阵

荷载分布表3中，Z1与X2、X8、X13、X14、X18等有较强的正相关,其中该因子中经济因子比重较大，可以将Z1定义为经济质量因子；Z2和X16、X19有较强的正相关，与社会发展有一定关联，定义为社会发展因子，由于第二主成分贡献能力也较大，指标能明显说明社会进步、文明出行政策的提出对城市生态承载力的提升的有效性；Z3与X9有较强的正相关，一定程度能代表环境状况，定义为环境质量因子；Z4和X3有较强的正相关，定义为资源节约因子，说明GDP能耗变化是对甘肃省资源的节约能力提升的有效指示；Z5与X1、X15呈正相关，定义为资源节约因子；Z6和X6、X7有较强的正相关，定义为基础生态因子，反映甘肃省在基础生态方面保护和加强能力。

利用主成分方法计算2013-2018年数据，计算6个主成分因子的得分表4(具体公式可参考文献19)。在此基础上以各主成分的方差贡献率作为权重进行加权汇总，得到各市州的综合得分Z，以2018年为例其公式为：

从2013-2018年综合得分以0为界，其中综合得分为正值的，则说明其城市生态承载力位于全省平均水平之上，反之同理，其中只有6个城市为正。14个市州在综合得分上的排名，由大到小依次为：嘉峪关、兰州、金昌、酒泉、张掖、白银、天水、武威、平凉、定西、庆阳、临夏、甘南、陇南。从表4中可以看出甘肃省整体城市生态承载力排名从2013-2018年变化不大，除个别地区有上升和下降外，整体变化较为平稳。第一主成分与经济的高度相关，也说明经济对城市生态承载力贡献作用，但甘肃省多数城市属于资源型型城市，对资源的过度消耗又会影响生态环境，因此保持经济增长又要降低资源消耗，就必须通过“绿色+智慧”的创新发展模式。从统计数据中也反映出，甘肃省经济总量在逐年增长，而各州市GDP能耗呈逐年下降趋势，R&D经费比重增加，同时第三产业比重呈现上升趋势，也与第五主成分中第三产业呈现的相关特征相吻合，虽然甘肃省在第三产业方面发展较慢，也能印证绿色发展对城市生态承载力提升的重要作用，这些充分说明国家节能降耗对生态的贡献作用。

2.4 各州市聚类关系

以2018年的6个主成分的分析结果作为原始数据输入并进行聚类分析，可以得到群集成员表(见表5)和甘肃省14个市州生态承载力的聚类分析谱系图(见图1)。根据群集成员表和聚类分析谱系图可知，14个市州被划为五类：嘉峪关市为第一类；兰州市为第二类；金昌市为第三类；酒泉、张掖、白银、天水、庆阳、武威、平凉、定西为第四类；临夏州、甘南州、陇南市为第五类，城市生态承载力由第一类向第五类逐级递减。

表5 群集成员

综合聚类分析结果与主成分分析的综合得分及排名可以看出，两者的结果基本保持一致，可以彼此印证，说明分析有效。

3 结果分析

根据以上主成分分析和聚类分析将甘肃省14个市州划分为五类：

第一类为嘉峪关市，综合得分位居全省首位。之所以占首位主要和人口基数较小有直接关系，人均占有率较高。嘉峪关在经济质量上有明显的优势，具体表现在：其人均生产总值位居全省第一；城镇化率为93.45%；工业转型取得重大突破，文化旅游融合发展。在生态文明建设方面，市政府高度重视生态环境建设，先后建成了110多处公共绿地和13座公园，同时加大工业排放治理力度。因此较高的经济质量和良好的环境保证了嘉峪关较好的生态承载能力。

第二类为兰州市，兰州是甘肃省的省会城市。相比于嘉峪关，2019年兰州市年末常住人口为379.09万人，众多的人口给兰州的环境承载造成一定的压力，且兰州为河谷型城市，废气较难扩散稀释，导致兰州的空气质量较差，空气质量优良天数比例依据2017年统计数据为全省最低达到68.9%。兰州在社会发展方面优势明显，主要表现在：全市社会保障水平高，基础设施完善。在城乡建设方面，着力实施三大攻坚战(交通秩序整治攻坚战，城乡环境整治攻坚战，背街小巷整治攻坚战)，不断加快生态公园、湿地公园建设，使得城市环境大幅改善，这在一定程度上提高了兰州的生态承载能力。

第三类为金昌市，仅次于兰州。金昌素来有“镍都”之称，是典型的资源型城市，三次产业比例失调，其二产占比较高，以重工业为主，相比于嘉峪关和兰州，金昌的工业SO2排放强度较高，工业固体废物利用率低，环境污染较为严重。主要表现在：其城镇化率达到70.09%，工业不断升级转型，产业结构进一步调整，现代服务业稳步发展。在环境保护方面，着重整改祁连山生态环境问题，大力实施“碧水、蓝天、田园”三大重点环保工程，生态环境建设体制逐渐完善，环境质量不断向好，生态承载力有所提升。

第四类分别为白银市、张掖市、酒泉市、天水市、武威市、平凉市、定西市和庆阳市。这类城市相比于前三类在经济质量、社会发展方面相对落后，但部分城市在生态效益、环境卫生方面表现较好。

白银综合得分位列第六，过去白银以重工业发展为主，曾有“铜城”之称。由于监管不力，造成了部分区域重金属污染和土壤污染。但近年来白银注重老工业基地改造和传统产业转型升级，以及加大工业废弃物再利用，重视环境整治，使得其在生态环境方面表现较为突出，城乡面貌有所改善，生态承载力较好。

张掖位于河西走廊中部，地貌复杂多样，素有“塞上江南”之美誉。据表4可知，张掖在社会经济发展水平方面略低于白银，但由于其境内河流众多，阳光充足，土地肥沃，有利于农业的发展，使其成为国家现代农业示范区。在生态环境方面，重视绿地系统建设，绿地面积位于全省第一，工业污染较小。

酒泉地处河西走廊西部，风能和太阳能较丰富。由于地广人稀,环境承载压力则相对较小。但由于土地沙化较严重，森林覆盖率仅为5.29%，为全省最低。而目前酒泉正着重治理沙化土地，有序组织实施湿地保护与恢复项目，不断加大生态环境保护力度。使其在生态环境方面有明显的改善，全市生态承载力高于甘肃省平均水平。

天水境内林区众多，森林覆盖率达到36.45%，被称为“陇上江南”。其社会保障水平高，社会事业蓬勃发展，因此在社会发展方面位于全省前列，但因其年常住人口仅次于省会兰州，人口众多，给当地生态承载造成很大压力，且由于天水是一个工业城市，在环境质量方面重视度不够，使其生态承载力综合得分低于全省平均水平。

武威相比于前几个城市，在社会经济发展方面处于劣势。其人均水资源拥有量较低，水资源相对匮乏；工业废水排放量较大，水污染较严重；森林覆盖率较低，沙化严重；祁连山自然保护区生态环境问题突出。

平凉境内气候宜人，资源丰富，森林覆盖率为33.42%，是西北地区重要的农牧基地。由于其是全省最大的煤电化产业基地，工业SO2排放强度较高，城市污水处理率为全省最低，因此全市环境污染较严重，经济质量水平低，生态承载能力不高。

定西地势西高东低，气候较干旱，年降水量为500mm左右，水土流失严重，制约了农业的发展；城市人均绿地面积仅为6m2/人，生态环境建设不到位，人均生产总值低于全省平均水平，社会经济发展较为薄弱，生态承载水平较低。

庆阳蕴藏着丰富的石油和天然气能源，为长庆油田的主产区，二产比重较大。人均生产总值较高，位于全省第三。经济发展较好，但经济的发展却伴随着环境质量的降低。城镇生活垃圾无害化处理率仅为61.93%，位于全省最低。城市人均绿地面积较少，河流污染较严重，水源地环境问题突出，全市环境质量较差，生态承载水平低。因此庆阳市要想实现绿色低碳循环发展，应重点加强、深化绿色生态产业发展，同时结合资源型城市发展规律，调整能源型城市产业结构，降低能源依赖性，延伸石油化工、煤化工下游产业链，促进绿色三产的发展。

第五类分别为临夏州、陇南市、甘南州。这三个城市相比于前四类在经济质量、社会发展、生态环境、资源利用等方面都有显著的差距。

临夏由于公共服务保障水平低，城乡居民收入不高，社会经济发展较落后，其在经济质量因子上的得分位于全省最末。但在环境保护方面，其大力整治环境污染问题，全面落实河长制，不断推进生态建设，这使其生态承载力综合得分高于陇南和甘南。

陇南光照充足、雨量充沛，森林覆盖率为全省最高。但在社会经济发展水平和生态环境等方面与前面的城市均有一定的差距。主要表现在：陇南以农业为主，人均生产总值较低，社会发展较落后；且由于监管不力，部分企业随意排污，导致土壤、河道污染严重，环境质量差，生态承载水平低。

甘南为全省重要的天然林区和牧区，水资源和森林资源丰富，空气质量优良天数比例为全省最高。但由于海拔较高，使其生态系统修复能力极差。全州“三化”(退化、沙化、盐碱化)严重，草畜矛盾突出，加上植被的破坏，且人均生产总值低，经济发展落后，生态系统脆弱与社会经济发展缓慢导致甘南州的生态承载水平低。

4 政策建议

(1)注重提升经济质量。通过之前的分析可以看出，经济质量对于影响一个地区的生态承载能力至关重要。经济发展是保障整个城市生态系统健康稳定的根本。同时也要做好经济转型，不断优化产业结构，发展绿色、低碳、循环经济。

(2)切实提高人口素质。部分城市居民环保意识薄弱，资源浪费现象普遍，人口素质不高，因此需要提升居民的受教育程度，努力落实义务教育，大力推进高等教育，提高人口素质，加强环境保护的宣传，增强环保意识。

(3)加大节能减排工作力度。部分企业乱排乱放，城市居民用水浪费，垃圾分类落实不到位，使得城市水资源短缺，环境质量降低。因此需要政府对企业加大监管力度，按照相关环保法律严格执法。同时加快城市生活污水处理和生活垃圾无害化处理工程建设，确保生活污水达标排放，垃圾分类处理，进而控制水污染和空气污染。

(4)重视生态环境建设。近年来森林乱砍滥伐，森林火灾频发，城市绿地面积减少，使得城市环境逐渐恶劣化。森林和绿地具有防风固沙和涵养水源等功能，因此政府需要重视城市绿地系统建设和城乡生态建设，将重点投入到生态公园建设、植树造林、采伐管理、森林防火以及病虫害防治等工作中来。