南京市土地利用效益耦合關(guān)系研究

李冠英，張建新，劉培學(xué)，王小丹

(南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，南京 210093)

南京市位于我國(guó)沿海中部的長(zhǎng)江下游平原、江蘇省西南部，市域地理坐標(biāo)處于北緯 31°54'～32°16'，東經(jīng)118°32'～119°24'之間。全市土地面積 6 582.31 km2，常住人口771.31萬(wàn)人，戶籍人口629.77 萬(wàn)人［1］。南京市位于我國(guó)生產(chǎn)力布局中最大的經(jīng)濟(jì)核心區(qū)——長(zhǎng)江三角洲，是東部地區(qū)一個(gè)綜合性工業(yè)基地、重要的交通樞紐和通訊中心城市，是全國(guó)四大科研和教育中心城市之一，也是華東地區(qū)僅次于上海的大商埠。改革開(kāi)放后隨著城市規(guī)模向外持續(xù)擴(kuò)展，特別是20世紀(jì)90年代末以后中心城區(qū)年均擴(kuò)展速度超過(guò)10 km2，原有農(nóng)用地及生態(tài)用地大量轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，生態(tài)空間受到一定程度擠壓［2］。近年來(lái)，南京市的工業(yè)得到了飛速發(fā)展，工業(yè)用地成為南京市增長(zhǎng)幅度最大地類，已形成了石化、汽車(chē)等支柱產(chǎn)業(yè)，這些產(chǎn)業(yè)技術(shù)含量不高、占地面積大、環(huán)境污染嚴(yán)重，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響不容忽視［3］。

土地利用效益的耦合程度是評(píng)價(jià)土地利用是否科學(xué)合理的依據(jù)之一，也是土地可持續(xù)利用研究的重要內(nèi)容［4－5］。本研究在分析土地利用的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益耦合關(guān)系的基礎(chǔ)上，運(yùn)用系統(tǒng)的科學(xué)理論建立起土地利用效益之間的耦合模型，嘗試定量評(píng)價(jià)南京市土地利用社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)環(huán)境效益之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。

1 土地利用效益的耦合關(guān)系

物理學(xué)意義上的耦合是指兩個(gè)(或以上)系統(tǒng)或運(yùn)動(dòng)通過(guò)各種相互作用而彼此影響的現(xiàn)象［6］。土地利用是在人類活動(dòng)持續(xù)或周期性干預(yù)下，進(jìn)行土地自然再生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)再生產(chǎn)的復(fù)雜社會(huì)經(jīng)濟(jì)過(guò)程［7］。土地利用效益主要表現(xiàn)為社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境效益，它們相互影響、相互制約、相互促進(jìn)［8－9］。

從內(nèi)容實(shí)質(zhì)來(lái)看，首先，土地是社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的載體，對(duì)土地資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用時(shí)，限于一定的技術(shù)條件和認(rèn)識(shí)水平，可能會(huì)過(guò)度開(kāi)發(fā)、破壞土地資源，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生脅迫;其次，生態(tài)環(huán)境可以通過(guò)生態(tài)負(fù)荷、資源貧瘠等因素制約土地利用的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益;再次，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展為改善生態(tài)環(huán)境提供技術(shù)和資金，提高人類保護(hù)土地生態(tài)環(huán)境的能力，而土地生態(tài)環(huán)境的改善，也為社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展創(chuàng)造了更好的條件。

從演化進(jìn)程來(lái)看，二者關(guān)系在土地利用強(qiáng)度的驅(qū)動(dòng)下表現(xiàn)出明顯的V型軌跡。在人類社會(huì)初期，土地利用強(qiáng)度較低，土地利用的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益處于低水平的耦合階段。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，土地利用強(qiáng)度日益提高，環(huán)境容量瓶頸效應(yīng)開(kāi)始顯現(xiàn)，二者關(guān)系出現(xiàn)惡化，土地利用效益的耦合度跌至最低。此后，人們開(kāi)始意識(shí)到生態(tài)環(huán)境的重要性，并有意調(diào)控土地利用方式以提高其生態(tài)環(huán)境效益，進(jìn)而促使二者關(guān)系趨于協(xié)調(diào)。如圖1所示，在此過(guò)程中，土地利用強(qiáng)度S型演化模式(曲線A)對(duì)二者耦合關(guān)系的演變起到極大的調(diào)控作用。當(dāng)然，期間也可能存在土地利用強(qiáng)度超越生態(tài)環(huán)境容量而導(dǎo)致二者關(guān)系急劇惡化的短期行為，如圖1中曲線 B 所示［10］。

圖1 生態(tài)環(huán)境容量約束下土地利用強(qiáng)度演化軌跡Fig.1 Evolvement trace of land use intensity under the control of eco-environment capacity

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 土地利用效益綜合值

評(píng)價(jià)對(duì)象的土地利用社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益(X)與生態(tài)環(huán)境效益(Y)的計(jì)算方法是兩系統(tǒng)元素分別乘以其相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重。計(jì)算公式如下:

式中:xi，yj分別為兩系統(tǒng)的元素;ai，bj分別為各元素的權(quán)重。

2.2 土地利用效益演化方程

鑒于土地利用社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)環(huán)境效益間的相互耦合關(guān)系，可以把它們作為一個(gè)由兩種主導(dǎo)要素組成的復(fù)合系統(tǒng)。參照一般系統(tǒng)理論［11］，這個(gè)復(fù)合系統(tǒng)的演化方程可以表示為:

式中:VA，VB分別為兩個(gè)子系統(tǒng)的演化速度，整個(gè)系統(tǒng)的演化速度V可以看作是VA和VB的函數(shù)，當(dāng)兩個(gè)子系統(tǒng)協(xié)調(diào)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)也是協(xié)調(diào)發(fā)展的。由于在整個(gè)復(fù)合系統(tǒng)中，A和B是互相影響的，任何一個(gè)子系統(tǒng)的變化都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的變化，因此，可以以VA，VB為控制變量，通過(guò)分析V的變化來(lái)研究整個(gè)系統(tǒng)以及兩個(gè)子系統(tǒng)間的耦合關(guān)系。

2.3 土地利用效益耦合模型

由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益系統(tǒng)的演化速度滿足組合S型發(fā)展機(jī)制，假定社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益演化的速度是周期性的，土地利用生態(tài)環(huán)境效益演化速度受社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的影響也出現(xiàn)周期性［12］。在每個(gè)周期內(nèi)，由于V的變化是VA和VB引起的，所以，可以在兩維平面(VA，VB)中分析V，以VA，VB為變量建立坐標(biāo)系，則V的變化軌跡為坐標(biāo)系中的一個(gè)橢圓(土地利用生態(tài)環(huán)境效益演化速度沒(méi)有社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益變化迅速，幅值偏小)。由圖2可知，V與VB的夾角α(耦合度)滿足:

式中:A，B分別為受自身與外界影響下土地利用社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益子系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境效益子系統(tǒng)的演化狀態(tài);t表示年份。A與B互相影響，任一X或Y的變化，會(huì)導(dǎo)致A和B的變化;反之，A或B任一變化，都會(huì)導(dǎo)致X或Y的變化以及整個(gè)系統(tǒng)的變化。即任一要素的變化都依賴于其他所有要素，系統(tǒng)表現(xiàn)為一個(gè)整體。

在受到自身與外界的共同影響下，兩個(gè)子系統(tǒng)的演化速度可以表示為:

圖2 土地利用效益的耦合關(guān)系Fig.2 The coupling relationships of land use benefits

根據(jù)α的變化，可以確定整個(gè)系統(tǒng)的演化狀態(tài)，揭示土地利用社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)環(huán)境效益協(xié)調(diào)發(fā)展的耦合程度，即耦合度(表1)。顯然，在一個(gè)演化周期內(nèi)，整個(gè)系統(tǒng)將經(jīng)歷低級(jí)共生(Ⅰ)、協(xié)調(diào)發(fā)展(Ⅱ)、極限發(fā)展(Ⅲ)、再生發(fā)展(Ⅳ)4 個(gè)階段［13］(圖2)。

表1 土地利用效益耦合關(guān)系判別Tab.1 The discrimination of the coupling relationship of land use benefits

3 指標(biāo)體系

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取原則

為了準(zhǔn)確、科學(xué)地評(píng)價(jià)土地利用社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)環(huán)境效益，根據(jù)土地利用效益的定義，在選取評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)應(yīng)遵循以下基本原則。(1)科學(xué)性原則:選取的指標(biāo)要有科學(xué)性。(2)系統(tǒng)優(yōu)化原則:要避免指標(biāo)體系過(guò)于龐雜，以較少的指標(biāo)較全面、客觀地反映土地利用的綜合效益，實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的總體最優(yōu)。(3)可比性原則:在評(píng)價(jià)過(guò)程中，評(píng)價(jià)指標(biāo)的內(nèi)涵要盡可能地相同，使指標(biāo)間有可比性。(4)可獲得性原則:選用的指標(biāo)數(shù)據(jù)要具有可獲得性，而且來(lái)源要可靠。(5)精確性原則:選用的指標(biāo)要盡可能地準(zhǔn)確地反映出區(qū)域土地利用的效益。(6)動(dòng)態(tài)性與前瞻性原則:選用的指標(biāo)要能反映出土地系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征且能適應(yīng)其變化。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

依據(jù)土地利用效益評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取原則，借鑒相關(guān)研究指標(biāo)體系［14－17］，綜合考慮南京市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和土地利用特點(diǎn)，分別從社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和環(huán)境4個(gè)方面選擇了20個(gè)指標(biāo)建立指標(biāo)體系(表2)。

表2 南京市土地利用效益綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重Tab.2 The indexes and their weights of land use benefits in Nanjing City

3.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究數(shù)據(jù)主要來(lái)源于南京市統(tǒng)計(jì)年鑒(2000—2009)、南京市社會(huì)經(jīng)濟(jì)與發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)(1999—2009)、江蘇年鑒(2000—2010)及南京市環(huán)境統(tǒng)計(jì)資料。其中，景觀多樣性指數(shù)采用Gibbs-Mirtin多樣性指數(shù)對(duì)南京市景觀多樣性程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，公式為［18］:

式中:GM為多樣性指數(shù);fi為第i種土地利用類型的面積;n為土地利用類型。

3.4 權(quán)重確定

本研究采用熵權(quán)法對(duì)各指標(biāo)賦權(quán)。熵權(quán)法是一種客觀的賦權(quán)方法，根據(jù)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的差異程度，確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。當(dāng)評(píng)價(jià)對(duì)象在某項(xiàng)指標(biāo)上的值相差較大時(shí)，熵值較小，說(shuō)明該指標(biāo)提供的有效信息量較大，該指標(biāo)的權(quán)重也應(yīng)較大;反之，若某項(xiàng)指標(biāo)的值相差越小，熵值較大，說(shuō)明該指標(biāo)提供的信息量較小，該指標(biāo)的權(quán)重也應(yīng)較小。當(dāng)各被評(píng)價(jià)對(duì)象在某項(xiàng)指標(biāo)上的值完全相同時(shí)，熵值達(dá)到最大，這意味著該項(xiàng)指標(biāo)未向決策提供任何有用的信息，可以考慮從評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中去除。熵值的具體計(jì)算方法詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)［19－20］。

為了消除指標(biāo)量綱或指標(biāo)測(cè)度量級(jí)的不同而造成的影響，首先對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱處理。對(duì)正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)分別按下式標(biāo)準(zhǔn)化，即:

式中:xij為指標(biāo)實(shí)際值;xij'為標(biāo)準(zhǔn)化后的值;i為指標(biāo)個(gè)數(shù)，取值范圍為1～20;j為年份(1999—2009年)，相應(yīng)取值為1～11;mi為第i個(gè)指標(biāo)的最小值;Mi為第i個(gè)指標(biāo)的最大值。其中，負(fù)向指標(biāo)包括單位面積工業(yè)廢水排放量、單位面積工業(yè)廢氣排放量、單位面積工業(yè)固廢排放量、單位面積耕地化肥施用量;其余的為正向指標(biāo)。

4 南京市土地利用效益耦合關(guān)系分析

4.1 土地利用效益

根據(jù)公式(1)、(2)計(jì)算得出南京市1999—2009年土地利用社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境效益的綜合值(圖3)。由圖3可見(jiàn)，1999年以來(lái)，南京市土地利用社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益處于持續(xù)快速上升狀態(tài)，其綜合值介于0.036～1之間;土地利用的生態(tài)環(huán)境效益總體處于上升趨勢(shì)，期間略有波動(dòng)，其綜合值介于0.225～0.750之間。

圖3 1999—2009年南京市土地利用效益演化曲線Fig.3 The evolving curves of land use benefits of Nanjing City in 1999—2009

4.2 土地利用效益的耦合度分析

分別將上述二曲線進(jìn)行非線性擬合后，將所得方程用公式(4)計(jì)算得:

采用公式可求得1999—2009 年間的VA，VB，tan α和α的值(表3)。為了更清楚地反映南京市土地利用社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)環(huán)境效益的耦合程度，根據(jù)表3繪出耦合度的演化曲線(圖4)。從圖4可以看出，自1999年以來(lái)，南京市土地利用社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)環(huán)境效益的耦合度 α一直處于19.16°～70.65°之間，即處于協(xié)調(diào)發(fā)展階段。(1)1999—2002年，耦合度從 19.16°上升至49.53°，表明這一時(shí)期土地利用效益的耦合度向更好的方向轉(zhuǎn)化。2000年南京市國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值首次突破1 000億元大關(guān)，進(jìn)入全國(guó)18個(gè)GDP總量超1 000億元城市行列，同時(shí)，社會(huì)事業(yè)、社區(qū)建設(shè)、交通管理等方面工作卓有成效，人們生活水平繼續(xù)提高，社會(huì)經(jīng)濟(jì)有了長(zhǎng)足發(fā)展，人們開(kāi)始關(guān)注土地開(kāi)發(fā)利用中的生態(tài)和環(huán)保建設(shè)。同時(shí)，《南京市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十個(gè)五年計(jì)劃綱要》也提出，要實(shí)施一批環(huán)境建設(shè)和綜合整治重點(diǎn)工程，把南京建成一個(gè)布局較合理、綠視率較高、舒適度較好、城市生態(tài)功能顯著的國(guó)內(nèi)先進(jìn)園林城市，爭(zhēng)創(chuàng)“全國(guó)人居環(huán)境獎(jiǎng)”，形成對(duì)國(guó)內(nèi)外投資者有吸引力、對(duì)市民有凝聚力的城市新貌。在土地利用社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益不斷提高的同時(shí)，加大對(duì)生態(tài)環(huán)境治理的重點(diǎn)投入，使二者的耦合度在這一時(shí)期逐漸上升，土地利用效益耦合度達(dá)到最佳協(xié)調(diào)狀態(tài)。(2)2003—2009年，土地利用效益耦合度逐年上升，從 54.95°增至 70.65°，表面看這一時(shí)期土地利用效益的耦合程度有所降低。經(jīng)過(guò)前一階段的調(diào)整，繼續(xù)走新型工業(yè)化道路，大力發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，同時(shí)，加大了“三城九鎮(zhèn)”建設(shè)力度，城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展的步伐加快，使得土地利用社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益迅速提高。在人口增長(zhǎng)和產(chǎn)業(yè)集聚的雙重壓力下，南京市生態(tài)保護(hù)與環(huán)境治理工作取得了巨大成就，相繼完成了生態(tài)市建設(shè)規(guī)劃編制工作、生態(tài)縣建設(shè)啟動(dòng)，新創(chuàng)建了21個(gè)綠色人居環(huán)境社區(qū)。建立了循環(huán)經(jīng)濟(jì)清潔生產(chǎn)技術(shù)推廣中心，在揚(yáng)子石化、金陵石化、南鋼集團(tuán)等企業(yè)開(kāi)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)試點(diǎn)工作，“綠色南京”建設(shè)成效顯著。但是由于隨著開(kāi)放型經(jīng)濟(jì)和社會(huì)事業(yè)不斷取得新成效，地鐵一號(hào)線、長(zhǎng)江三橋等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)完善，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益快速提升，生態(tài)環(huán)境效益發(fā)展速度落后于社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)展速度，導(dǎo)致耦合度逐年上升，二者趨向于不甚協(xié)調(diào)。

表3 1999—2009年南京市土地利用效益的發(fā)展速度與耦合度Tab.3 Coupling degrees and development speeds of land use benefits in Nanjing City

圖4 1999—2009年南京市土地利用效益耦合度演化曲線Fig.4 Evolving curve about coupling degrees of land use benefits in Nanjing City in 1999—2009

5 結(jié)論

(1)本研究運(yùn)用熵權(quán)法確定土地利用效益各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值，不僅減少了工作量，而且能做到每一個(gè)指標(biāo)的客觀賦權(quán)，從而減少了人為因素的影響。在確定權(quán)重的過(guò)程中，將同一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的不同評(píng)價(jià)對(duì)象相結(jié)合來(lái)確定權(quán)重，既考慮了評(píng)價(jià)對(duì)象間的聯(lián)系，又削弱了異常值的影響，使評(píng)價(jià)結(jié)果更為準(zhǔn)確、合理。

(2)本研究在分析土地利用社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)環(huán)境效益耦合關(guān)系的基礎(chǔ)上，借助于系統(tǒng)科學(xué)理論與方法，建立起南京市土地利用社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)環(huán)境效益之間的耦合模型和相應(yīng)的指標(biāo)體系，用耦合度來(lái)表達(dá)這兩種效益之間的協(xié)調(diào)關(guān)系與程度。結(jié)果表明:1999—2009年，南京市土地利用社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境效益都處于上升狀態(tài)，前者持續(xù)快速上升，后者總體上升，略有波動(dòng)。在這11年間，土地利用效益耦合度逐年上升，介于19.16°～70.65°之間，處于協(xié)調(diào)發(fā)展階段。

(3)盡管南京市土地利用社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)環(huán)境效益之間的耦合處于協(xié)調(diào)發(fā)展水平，但是由于經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)和城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，使得土地利用效益間的矛盾依然存在。所以，改變傳統(tǒng)的土地利用模式，提出環(huán)境友好型土地利用模式，協(xié)調(diào)土地利用與生態(tài)環(huán)境建設(shè)已成為土地資源管理的迫切需要。否則，滯后的生態(tài)環(huán)境建設(shè)將會(huì)阻礙、限制社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，最終導(dǎo)致耦合系統(tǒng)整體惡化。

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