上海市土地利用变化及其物质代谢效应研究

崔雪竹，王学通

（广州大学工商管理学院，广东 广州 510000）

上海市土地利用变化及其物质代谢效应研究

崔雪竹，王学通

（广州大学工商管理学院，广东 广州 510000）

研究目的：在环境经济视角下，对土地利用变化过程中的物质资源状态和利用效率进行分析，明确土地利用变化对城市物质代谢的影响。研究方法：采用物质流分析方法，以物质收支平衡为出发点，通过物质流动逻辑关系分析，对社会各部门物质流动过程与数量进行跟踪式的数据核算，明确物质流动特征和资源利用效率；采用典型相关分析方法建立数学模型，通过矢量投影与降维使土地利用变化的物质代谢效应得以量化。研究结果：（1）城市各类建设用地数量的增加不同程度地促进了城市物质代谢通量的扩大；（2）城市产业用地效率的变化对城市物质代谢强度和效率也存在较大影响。研究结论：城市土地利用结构和效率变化影响了物质资源的循环特征与流动规律，该研究能够为城市建设、土地规划和管理部门决策提供借鉴。

土地管理；代谢效应；典型相关分析；城市土地利用；可持续发展

Key words:land administration; metabolism effect; canonical correlation analysis; urban land use change; sustainable development

1 引言

城市大规模扩张不但导致了土地利用格局的变化，同时，其所排放的废弃物也造成了生态环境破坏，使地球资源和生态系统面临日益严重的威胁。土地作为人类社会与自然界交互作用的媒介，一方面，为人类所需物质的获取提供了基础，尤其是生物能的获取更依赖于土地生产面积的大小；另一方面，能源运输、存储、转换、消费和废弃物、污染物的处置与排放等活动都离不开土地资源的利用[1]。

近年来国际上对土地利用/覆被变化（LUCC）的研究进展迅速，成果日益成熟。其中，土地利用变化的环境和生态效应引起了国内外学界的广泛关注。由于土地利用变化影响全社会净初级生物物质产量，Wrbka等人用计算HANPP的方法将社会经济系统的物质代谢行为与土地利用强度的变化联系起来[2]。Helmut 和Karl-Heinz Helmut等人研究了奥地利土地利用方式变化对社会经济系统物质代谢的关系，并应用土地利用方式的4种场景对2020年奥地利的社会经济物质代谢进行了预测分析[3]。近年来，国内也有学者对该问题进行了研究，黄贤金等探讨了区域土地利用变化对物质代谢变化的影响，指出区域土地利用方式、强度、格局的变化直接影响了整个社会经济系统的物质代谢输入输出变化[4]。台湾学者Chun-Lin Lee等人用物质流核算的方法分析了土地利用变化与社会经济物质代谢的关系，并将GIS可视化应用到结果分析中，研究结果表明台北都市区高度依赖不可再生能源的流动，同时表现出不可再生能源消耗的土地利用圈层结构[5]。本文以城市土地利用变化为研究核心，对土地数量与结构变化对物质资源流动的影响进行分析，并将土地利用效率与物质代谢效率之间的关系进行量化分析，以反映人类土地利用活动对自然资源、环境所造成的扰动，在此基础上提出循环经济型的土地利用方式与政策建议，有利于实现社会经济在生态环境系统承载力范围内良性运行。

2 研究方法

随着学术界土地利用变化的研究成果日益丰富，其所引起的环境、生态效应的研究也日益增多[6-7]，物质代谢论作为分析人与自然相互作用过程中资源环境变化和相互影响的重要理论，目前已经广泛应用于生态经济、环境经济以及城市规划与管理等相关领域[8-10]。本文从社会物质资源代谢的视角展开研究，将城市作为一个不断发展的有机体，剖析城市土地资源的利用和其所处的环境条件之间的关系，反映城市用地的演化对自然资源的摄取、存储，以及对环境影响的综合结果。

2.1 物质流分析方法

由于人类活动对周围环境的影响在较大程度上取决于进入社会经济系统的物质资源的数量和质量，以及向自然生态系统中排放的废弃物数量与质量[11-12]，因此借助于物质流分析的方法[13-14]，本文构建物质代谢核算的指标体系如表1所示。

区域经济系统的物质流动与代谢过程复杂，在本文的研究中以农业、工业、生活、交通和建设5个部门的物质流为计算基础，通过辨识各部门的物质输入、输出的流动关系建立分析框架（图1）。同时除了本区域社会经济系统自身提供和消耗的物质之外，进出口物质（从本市地域以外的地区输入或者输出物质的过程）在区域内外的流动过程也构成了区域物质流的基本组成部分，为本区域的物质流动提供必要的补给并调出本区域多余的物质。整个系统的物质流动遵循物质平衡的原理，即输入+进口=系统存量净增+输出+出口[15]。

表1 城市物质代谢核算指标体系Tab.1 Indexes of social metabolism

图1 物质流动与代谢分析方法框架Fig.1 Frame of the material flow and metabolism analysis

2.2 典型相关分析法

作为分析两组变量之间因果关系的多变量分析方法，典型相关分析通过找出两组变量最佳结构的线性组合来最大化两组变量之间的关系。在本文的研究中，城市土地利用变化与物质代谢变化两组变量用于建立如下两个典型方程：

式1中，χ1代表p个土地利用变化变量的一条线性组合，η1代表q个城市物质代谢变量的一条线性组合，典型线性相关的目的就在于通过对上述方程的加权系数（α11，α12，…，α1p，β11，β12，…，β1q）的估计，使两条线性组合的相关程度（Rc1）最大化。在此之后仍然继续重复上述步骤，进行第二对典型方程的估计，如式2所示。

通过不断重复以上步骤，可以得到多组典型方程，且每组典型方程之间的典型相关程度Rc呈递减趋势，如式3所示。

式中，E为典型变量的数学期望，Sxx为变量组X的协方差矩阵，Syy为变量组Y的协方差矩阵，Sxy为变量组X与Y的互协方差矩阵。

3 案例研究与分析

3.1 研究区域与数据收集

上海优越的地理区位和良好的自然条件，为人类活动和土地利用的变化提供了有利的自然基础，同时，大量的人类活动也对生态环境系统造成了一定程度的威胁[16]。因此本文选取上海市作为研究对象，能够比较典型地代表中国快速城市化进程中土地利用变化特征[17]与物质代谢特征。

（1）土地利用数据。土地利用数据均来源于上海市历年统计年鉴，由于部分统计数据不完善，仅2004年有按用地类型统计的建设用地面积数据。在此情况下，本文以2000—2012年上海市统计年鉴中的各类房屋分布数据为基础进行分析：一般而言，相同类型房屋建筑，其相邻两年的容积率变化较小，因此在统计数据限制的情况下，考虑分别对各类房屋面积的年变化率进行分析，变化率是无量纲数据，且同种类房屋在相邻年度的容积率相似，从而能够在一定程度上反映该类型建设用地在相邻两个年度的变化情况。

各类用地产业空间经济密度通过各产业增加值可比价格与其用地面积相除计算得到，其中，上海市第一产业用地面积数据用耕地面积代表，工业用地面积和商业用地面积考虑到容积率的影响，采用历年统计年鉴中工厂和商场店铺房屋建筑面积与其相应的容积率相乘得到（容积率的计算根据2004年统计年鉴中各类建设用地面积与房屋面积近似计算）；上海市各产业增加值分别来自上海市历年统计年鉴中第一产业增加值、工业增加值和批发零售业增加值，并进行相应的GDP平减计算。

（2）物质代谢数据。从物质流动环节考虑，物质流分为物质输入、输出和存储三个主要部分，具体包括：本地开采、进出口物质、存储物质、污染排放、耗散性损失、平衡项以及隐藏流。对上述物质分类进行各部门原始数据收集，其中农业部门包括生物质的开采、工业产品的投入等指标，通过上海市统计年鉴直接获得；工业部门主要工业产品生产材料输入根据中国1995年物质型投入产出表进行核算估计得到，工业部门主要产品产出由上海市历年统计年鉴直接得到；生活部门的历年生物质和农业产品输入由历年城市居民家庭人均消费数量与当年人口数相乘得到总消耗量，生活耐用品输入通过统计年鉴查得“年末百户拥有量”指标，与年末户数相乘并减去上年对应数值从而得到当年净增量；建设部门将城市经济系统输入的物质转化为城市物质存量，其输入木材、钢材、铝材、 水泥、玻璃的数量由上海市历年统计年鉴查得，其中2000—2003年的统计数据缺失，因此以各项指标2004年的单耗与当年房屋建筑施工面积近似估计消耗量，机砖的消耗量以房屋建筑平均单耗近似估计；交通部门各种运输方式能源的消耗根据各种运输方式的客运量与燃料单耗和换算系数[18]计算得到，各类交通工具拥有量通过统计年鉴查得并与上年数量相得到当年相减得到本年净增量。

隐藏流的核算通过物质质量与隐藏流比率相乘得到。中国各类物质的隐藏流实测数据还很少，因而隐藏流比率通常采用德国乌博特研究所、欧盟生态经济研究所和中国台湾永续发展中提供的全球平均隐藏流比率。

3.2 城市土地利用变化及其物质代谢效应分析

3.2.1 上海市土地利用变化

（1）土地利用动态度。土地利用数量变化用动态度指标来表示，如式4所示，指在某个区域在某个时间段内某一种土地利用类型的用地数量变化情况，反映一定时间内某类型土地利用变化的数量和速度[19]。

式4中，K表示某种类型土地利用的动态度，Ua和Ub分别表示研究期起始时间点和研究期末时间点，T表示整个研究期。根据上海市2000—2012年的土地利用数据可以计算出各类建设用地和耕地变化动态度（表2）。

表2 上海市土地利用动态度变化情况Tab.2 The dynamic degree of land use in Shanghai

上海市居住用地、工业用地、仓储用地、公共设施用地、道路用地和绿地变化2000—2004年增长率变动较为剧烈，相比之下其2004—2012年变化速度比较缓慢。从耕地变化动态度来看，两个阶段的耕地变化速度差距不大，都保持在每年以3.5%的平均速度持续减少。

（2）土地利用空间经济密度。土地利用效率的变化用空间经济密度来表示。本文分别以第一产业、工业和商业的空间经济密度[20-21]来解释几种主要用地类型的用地效率，如式5所示：

式5中，K表示产业用地的空间经济密度，Ga表示该类产业用地上的GDP增加值，M表示该类用地面积。上海市2000—2012年土地利用效率变化情况如图2所示。

3.2.2 上海市物质代谢动态分析指标

图2 上海市2000—2012年空间经济密度分布情况Fig.2 Distribution of the spatial economic density in Shanghai （2000—2012）

（1）物质代谢通量：总输入与总输出。2000—2012年上海市直接物质输入量和物质需求总量总体上均呈现出递增的趋势。2012年的直接物质输入量和物质总需求分别达到2.94×108t和9.95×108t，是2000年的1.49倍和1.84倍，平均年递增分别为800×104t和3787×104t，平均年增长率为4.04%和7.01%。在2004 年直接物质输入量和物质总需求都有一峰值，分别达到3.32×108t和10.3×108t。

从总需求的组成来看，2000—2012年上海市直接物质输入及市内隐流和市外隐流的平均规模从高到低排序依次为：市内隐流、直接物质输入和市外隐流，近12年来上海市物质总需求中市内隐流所占的比重呈现出逐渐增大的趋势，总量上平均约占上海市总需求的50%。该情况说明上海市在近10年的物质投入过程中，市内生产和生活对各种资源的需求对当地生态环境系统造成了较大压力，资源、环境压力比较突出。从上海市生产、消费等过程的排放总规模来看，2000—2012年上海市内经济生产过程中排出量TMO总体呈现增加趋势，且带有明显阶段特征。市内生产排放规模从2000年的27111×104t，增加到2012年的60776×104t，约是2000年的2.25倍。其中，2000—2004年上海市TMO处于快速增加阶段，年增速约16%，即每年以4367×104t的速度在增加；2004—2012年上海市生产过程排出量处于缓慢增加的波动阶段，从2004年的44581×104t增加到2012年的60776×104t，年增长率约为4.5%，即每年以2024×104t的速度递增，其中2007年和2009年的总排出量均有小幅下降。

（2）物质代谢效率：物质消耗强度与物质生产力。上海市的物质消耗强度变化趋势与物质总需求十分相似，从2000年的32.93 t增加到2012年的51.02 t，并在2004年有峰值为59.16 t，年增长率为4.58%，明显大于同期人口的年增长率1.6%。人均直接消耗强度变化趋势与物质消耗强度相似，从2000年12.07 t增加到2012年14.11 t，并在2004年有一峰值为19.11 t。

自2000年以来，上海市的资源生产率总体呈上升趋势，其中2002—2004年有小幅下降。2000年上海市的物质生产力为882.8元/t，2003 年为1289.74元/t，增长率达46.1%，年增长率为4.61%。物质生产效率的提高说明2000—2012年上海市经济增长的速度超过物质消耗的速度，资源利用效率总体上得到提升。

3.2.3 土地利用数量变化的物质代谢效应 应用土地利用动态度指标与物质代谢通量指标进行典型相关建模，通过SPSS 13.0计算，第一对方程的典型相关值为0.997，表明上海市土地利用结构的变化在极大程度上正向影响了其物质代谢通量。从影响大小来看，仓储用地和道路交通用地增长率的典型负荷量较大，分别为0.652和0.690，交叉负荷系数为0.668和0.599，如表3所示。该情况说明，近12年来上海市物质代谢状态与土地利用结构变化的相关关系在很大程度上被仓储和道路交通用地影响。从影响方向来看，居住用地、工业用地、仓储用地、公共设施用地和道路交通用地促进了物质代谢通量的增长，而园林绿地和耕地的影响是起抑制作用的（载荷系数分别为-0.351和-0.073），且相比之下绿地的作用大于耕地的作用。

表3 用地数量变化的典型载荷系数表Tab.3 Canonical loading coefficients of land use change

3.2.4 土地利用效率的物质代谢效应 以土地利用效率指标与物质代谢效率指标构建模型，建立的两组方程都通过了显著性检验，相关系数分别为0.989和0.900，表明两组变量之间关系密切，即土地利用效率的变化能够清晰地解释上海市物质代谢效率变化的规律。用地效率与物质代谢效率的统计分析结果如表4所示。从第一对典型变量来看，物质生产力受耕地经济密度影响较大，呈现出较强的正相关，即农用地单位面积上的经济活动效率和农地集约利用程度越高，上海市单位物质消耗所创造的GDP就越多。从第二对典型变量来看，物质消耗强度受工业用地的空间经济密度和商业用地的空间经济密度影响较大，呈负相关关系，城市工业用地和商业用地的集约程度和经济效率越高，物质消耗强度越低，对生态环境造成的压力越小。

表4 用地效率的典型载荷表Tab.4 Canonical loading coefficients of land use efficiency

4 结论

本文以物质代谢理论为基础，将物质流分析方法与多元统计分析有机耦合，通过量化手段分析了城市土地利用变化的物质代谢效应，从物质资源流动的视角进行城市土地利用问题的研究，在一定程度上为解决城市土地利用与资源环境协调发展中的矛盾提供了有效方法，该研究有利于促进循环经济型的土地利用，有利于人类社会的可持续发展与生态环境系统的健康发展。通过理论研究与上海市的实证分析，本文得出以下主要结论：

（1）物质代谢可以被看成是生态系统与人类社会经济系统以生态服务为基础的全社会物质流动所形成的系统过程，城市土地利用的变化通过改变物质资源的生产和存储改变了社会物质代谢的状态，从而影响人类社会物质资源的再生产、存储、排放和出口，影响了城市和人类社会的可持续发展。

（2）从土地利用结构变化的物质代谢效应来看，城市土地利用结构的调整和优化是改善物质代谢通量过大以及生态环境污染的主要路径之一。结合城市经济发展特点和产业布局要求，增加抑制代谢通量的用地类型比例，减少代谢通量过大的用地类型比例，对城市各类用地的比例结构关系进行科学调整，从社会经济运行与资源环境反馈这一层面入手，实现土地利用结构优化。

（3）从土地利用效率变化的代谢效应来看，提高城市土地利用效率能够促进物质代谢效率的提高。在政策制定过程中，通过效率差距比较，结合城市经济发展状况、工业发展阶段和农业发展模式，判断用地潜在需求和效率改进空间，以代谢效率的提升为政策作用点，实现土地利用效率的提高和城市可持续发展。

由于受到统计资料的限制，本文在数据收集和整理过程中进行了一些近似估算，使个别数据的精准性受到一定的影响，如果能够在统计数据的支持下进一步提高数据精度，将增强研究结论的可靠性。在本研究基础上，值得进一步探索的问题是如何通过城市土地利用的调控提高物质代谢效率、促进物质代谢通量平衡，从而为土地利用规划与管理部门提供科学的理论与方法参考。

参考文献（References）：

［1］Xuezhu Cui, Yaowu Wang, Yuan Chang. The Anthropogenic Factors on Urban growth: an Empirical Quantification in China［J］. Advanced Materials Research，2012, （518-523）: 6042-6049.

［2］Wrbka T, Erb KH, Schulz NB, et al. Linking pattern and process in cultural landscape. An empirical study based on specially explicit indicators［J］. Land Use Policy, 2003，（10）: 10-12.

［3］Heinz Schandl, Niels Schulz. Changes in the United Kingdom's natural relation interms of society's metabolism and land use from 1850 to the present day［J］. Ecolofocal Economics, 2002，（41）:203-221.

［4］黄贤金，于术桐，马其芳，等.区域土地利用变化的物质代谢响应初步研究［J］.自然资源学报，2006，21（1）：1-8.

［5］Chun-Lin Leea, Shu-Li Huang, Shih-Liang Chan. Synthesis and spatial dynamics of socio-economic metabolism and land use change of Taipei Metropolitan Region［J］. Ecological Modelling，2009，（220）：2940-2959.

［6］王寿兵，马小雪，陈雅敏，等. 面向生命周期评价的土地利用生态影响评价方法［J］. 中国环境科学，2013，33（6）：1141-1146.

［7］谢花林. 基于景观结构的土地利用生态风险空间特征分析——以江西兴国县为例［J］. 中国环境科学，2011, 31（4）：688 -695.

［8］彭文甫, 周介铭, 罗怀良，等. 土地利用变化与城市空气环境效应的关系［J］. 水土保持研究，2010，17（4）：87-91.

［9］Henning Nuissl, Dagmar Haaseb, Martin Lanzendorfc, et al. Environmental impact assessment of urban land use transitions——A context-sensitive approach［J］. Land use policy，2009，（26）：414-424.

［10］彭晓春, 陈新庚, 李明光, 等. 城市生长管理与城市生态规划［J］. 中国人口·资源与环境，2002，12（4）：24-27.

［11］马其芳, 黄贤金, 于术桐, 等. 物质代谢研究进展综述［J］. 自然资源学报，2007，22（1）：141-152.

［12］刘勇. 城市形态与城市物质代谢效率的相关性分析［J］. 城市发展研究，2010，17（6）：27-31.

［13］Heinz Schandl, Niels Schulz. Changes in the United Kingdom's natural relations in terms of society's metabolism and land-use from 1850 to the present day［J］. Ecological economics, 2002，（41）: 203-221.

［14］Stephanie Pincetla, Paul Bunje, Tisha Holmesc. An expanded urban metabolism method: Toward a systems approach for assessing urban energy processes and causes［J］. Landscape and urban planning, 2012，（107）: 193-202.

［15］Xavier Cusso, Ramon Garrabou, Enric Tello. Social metabolism in an agrarian region of Catalonia（Spain） in 1860-1870: Flows, energy balance and land use［J］. Ecological economics, 2006，（58）: 49-65.

［16］程江, 杨凯, 赵军, 等. 基于生态服务价值的上海土地利用变化影响评价［J］. 中国环境科学，2009，29（1）：95-100.

［17］崔雪竹, 王要武. 城市用地扩张的社会人文驱动机制——以上海市为例的实证研究［J］. 土木工程学报，2012，45（增刊2）：306 -310.

［18］李夏苗，谢如鹤. 论交通运输与能源的关系——兼论交通运输的能源消耗与节能［J］. 综合运输，1999，1（10）：23-27.

［19］张静, 马彩虹, 王启名, 等. 汉中市土地利用变化的动态变化研究［J］. 水土保持研究，2012，19（1）：112-116.

［20］罗文斌, 吴次芳, 冯科. 城市土地经济密度的时空差异及其影响机理——基于湖南省城市面板数据的实证分析［J］. 城市发展研究，2010，17（6）：68-74.

［21］秦波. 上海市产业空间分布的密度梯度及影响因素研究［J］. 人文地理，2011，26（1）：39-43.

（本文责编：陈美景）

Urban Land Use Change and Its Effect of Social Metabolism: A Case Study of Shanghai City

CUI Xue-zhu, WANG Xue-tong
（College of Business Management, Guangzhou University, Guangzhou 510000, China）

The purpose of this study is to explore the relationship between urban land use change and the state of social metabolism under the perspective of environmental economy. Method of material flow analysis was employed to establish a metabolism accounting frame, which based on the logical relationship analysis and data tracking and collection among different social segments. It allows for the understanding of the material flow characteristics and resource use efficiency. And meanwhile, method of canonical correlation analysis was employed to establish an effect model to quantify the metabolism effect through the vector projection. The results indicate that 1） different level of increasing construction land can increase the metabolism amount in different degree; 2） efficiency of the urban industry land can influence the intensity and efficiency of the social metabolism. Conclusion of this study shows that quantity and efficiency of urban land has influenced the law of social metabolism, which would provide effective method for city planning and management government during the process of urbanization.

F301.2

A

1001-8158（2014）12-0039-08

2013-12-17

2014-11-10

广东省哲学社会科学“十二五”规划项目（GD14CGL02）。

崔雪竹（1982-），女，辽宁沈阳人，博士。主要研究方向为城市建设管理与土地利用。E-mail: cuixuezhu_598@163.com