中國土地利用空間均衡度時空特征分析

譚術(shù)魁，劉 琦，李雅楠

（1.華中科技大學公共管理學院，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學管理學院，湖北 武漢 430205）

1 引言

土地利用空間均衡是全國主體功能區(qū)規(guī)劃和國土空間有序開發(fā)戰(zhàn)略的內(nèi)在要求，也是堅持綠色、協(xié)調(diào)發(fā)展理念的必然選擇[1]。中國已步入以資源環(huán)境約束加大為主要特征的矛盾凸顯期[2]，促進土地利用空間均衡發(fā)展尤為重要。土地利用空間均衡度作為衡量土地利用強度與區(qū)域土地實際供給能力協(xié)調(diào)匹配程度的重要指標，成為人們關(guān)注的熱點。目前，關(guān)于土地利用空間均衡度的文獻主要是基于內(nèi)涵界定[3]、空間均衡度模型構(gòu)建[3-4]、空間均衡配置[5-7]、均衡態(tài)勢分析[8]等展開，為土地利用空間均衡度研究構(gòu)建了理論分析框架和模型基礎(chǔ)。已有研究關(guān)注微觀尺度上區(qū)域供給能力和土地利用強度的匹配性[2]，或者研究單一年份的省域均衡度[4]，未從宏觀尺度，多年份數(shù)據(jù)揭示空間均衡度的區(qū)域差異和時間變化特征，缺乏時間—空間大尺度層面的研究。本文將拓展研究單純描述空間均衡度的靜態(tài)特征，分析其時間動態(tài)變化，同時將微觀層面的省內(nèi)空間范圍擴展到大尺度地理空間，揭示其省際差異和地區(qū)差異。

鑒于此，本文在借鑒已有研究成果的基礎(chǔ)上，采集中國三個五年規(guī)劃期的相關(guān)數(shù)據(jù)，基于國土空間的自然、經(jīng)濟、社會和人口環(huán)境異質(zhì)性，以2004、2009和2014年中國31個省份為研究典型單元，嘗試借助指數(shù)模型、ArcGIS 10可視化平臺和Markov鏈，在時間—空間大尺度下，衡量區(qū)域土地供給能力和土地利用開發(fā)強度的匹配性，分析土地利用空間均衡度時空特征，探究其演變規(guī)律，以期為地區(qū)發(fā)展科學管控和土地領(lǐng)域供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革提供重要參考和依據(jù)。

2 研究方法和數(shù)據(jù)來源

2.1 指標選取與數(shù)據(jù)來源

本文參考已有文獻[2-3，9]，依據(jù)空間均衡相關(guān)理論，從區(qū)域土地空間供給能力和土地利用強度兩個維度選取評價指標。區(qū)域土地供給能力主要體現(xiàn)為經(jīng)濟集聚、交通運輸、資源保障和生態(tài)安全，土地利用強度則主要表現(xiàn)為建設(shè)用地比重、經(jīng)濟密度、人口容量和環(huán)境承載。

遵循代表性和數(shù)據(jù)的可獲得性原則，區(qū)域土地供給能力評價指標有：（1）經(jīng)濟集聚指數(shù)，反映地區(qū)經(jīng)濟規(guī)模，用地均財政收入表示。（2）交通經(jīng)濟指數(shù)，衡量地區(qū)可達性水平和交通便捷程度，用公路密度表示。（3）資源保障指數(shù)，反映水土等基本資源的貢獻和支持潛力，用人均水資源和人均土地資源表示。（4）生態(tài)安全指數(shù)，代表自然生境維持的必要性，用濕地、森林、自然保護區(qū)分布面積占比表示。土地利用強度評價指標有：（1）建設(shè)用地比重指數(shù)，反映建設(shè)用地的規(guī)模，用建設(shè)用地占比表示。（2）經(jīng)濟密度，衡量工業(yè)化和城市化建設(shè)的產(chǎn)出水平，用地均GDP表示。（3）人口容量，反映單位面積土地承載的人口數(shù)量，用人口密度表示。（4）環(huán)境承載指數(shù)，反映工業(yè)化和城市化對環(huán)境的影響，用地均COD排放量、地均SO2排放量表示。

相關(guān)社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)主要來自《中國統(tǒng)計年鑒》（2005、2010和2015年），2014年耕地面積數(shù)據(jù)來自《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》（2015年）。由于資料局限，本文未涉及香港、澳門和臺灣地區(qū)。

2.2 指數(shù)計算模型

（1）數(shù)據(jù)標準化。本文采用極值法對各解釋變量進行數(shù)據(jù)標準化處理，以消除量綱影響和變量自身變異大小和數(shù)值大小的影響。數(shù)據(jù)標準化公式如下：

式（1）—式（2）中，Xi為數(shù)據(jù)標準化后具有10%統(tǒng)計波動的指標值，Xij為省的第i項指標的原始數(shù)據(jù)值，minXij為j省的第i項指標數(shù)據(jù)的最小值，maxXij為j省的第i項指標數(shù)據(jù)的最大值。

（2）指數(shù)計算?；跇藴驶臄?shù)據(jù)，為減小統(tǒng)計波動，采用算術(shù)平均法和幾何平均法相結(jié)合的方式分別計算各省的土地供給能力指數(shù)（LS）和土地利用強度指數(shù)（LD）。在此基礎(chǔ)上，為增強數(shù)值分析的層次性和減小計算誤差，采用以下均衡度指數(shù)計算土地利用空間均衡度（DB）。計算公式：

式（3）—式（5）中，LS為區(qū)域土地供給能力指數(shù)，EA為經(jīng)濟集聚指數(shù)，TR為運輸經(jīng)濟指數(shù)，RG為資源保障指數(shù)，ES為生態(tài)安全指數(shù)，LD為土地利用強度指數(shù)，CP為建設(shè)用地比重指數(shù)，ED為經(jīng)濟密度指數(shù)，PD為人口密度指數(shù)，EV為環(huán)境承載指數(shù)，DB代表土地利用空間均衡度，α和β為權(quán)重，表明土地供給能力指數(shù)和土地利用強度指數(shù)的匹配性，k為調(diào)節(jié)系數(shù)，當k = 1/2時，DB為LD與LS的幾何平均值相對于算術(shù)平均值的均衡度。通過權(quán)衡土地利用強度與區(qū)域土地供給能力的重要性，本文取最佳匹配值α= β= 0.5。為使計算結(jié)果具有較好的層次性，取k = 3。在歸一化的區(qū)間，DB = ［0，1］，改進的DB分析式（5）給出理想的極限。當DB = 0，表示根本不均衡；當DB = 1，表示最佳均衡狀態(tài)；DB越大則越均衡。

2.3 馬爾科夫鏈

馬爾科夫鏈是一種特殊的隨機過程[10]。土地利用空間均衡度的類型演化符合馬爾科夫過程的“無后效性”特征，即預測將來土地利用空間均衡度的類型，只需掌握當前類型，無需知道其歷史狀態(tài)?；诳臻g均衡度的馬爾科夫演化規(guī)律，進一步采用中國31個?。▍^(qū)、市）在三個五年規(guī)劃期間的典型數(shù)據(jù)，通過對比數(shù)值分析空間均衡度隨時間的變化，研究中國土地利用空間均衡度的時間演化特征。采用數(shù)據(jù)離散化方法，將中國土地利用空間均衡度劃分為N種狀態(tài)區(qū)間，統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率P，為馬爾科夫鏈的遍歷性和平穩(wěn)分布提供基礎(chǔ)，其中，矩陣元Pij是定量測度土地利用空間均衡度由類型i轉(zhuǎn)到類型j的概率。

3 結(jié)果與分析

數(shù)據(jù)標準化后，運用指數(shù)模型計算出2004、2009和2014年中國31個?。▍^(qū)、市）土地利用空間均衡度值，如表1。本文將土地利用空間均衡度（DB）設(shè)定為4種等級類型：土地利用空間優(yōu)質(zhì)均衡（0.9＜DB≤1）、土地利用空間中度均衡（0.7＜DB≤0.9）、土地利用空間勉強均衡（0.5＜DB≤0.7）和土地利用空間失衡（0≤DB≤0.5）。

3.1 土地利用空間均衡度時間特征分析

（1）土地利用空間均衡度總體上在一定范圍內(nèi)平穩(wěn)波動。表1顯示，從全國層面看，2004、2009和2014年，土地利用空間均衡度的全國平均水平處于中度均衡狀態(tài)：2004—2009年，空間均衡度總體表現(xiàn)為下降趨勢，平均值從2004年的0.888降到2009年的0.878；2009—2014年，空間均衡度總體呈現(xiàn)上升趨勢，2014年升至0.882；2004—2014年，空間均衡度表現(xiàn)出鋸齒狀波動下降趨勢，但降幅極小，變化速率僅0.7%。從省份層面看（圖1），2004—2014年，全國31個省（區(qū)、市）不同等級空間均衡度的數(shù)量變化情況是：優(yōu)質(zhì)均衡和失衡的省（區(qū)、市）數(shù)量在下降，分別從19個和1個減少到17個和0；中度均衡和勉強均衡的省份數(shù)量在上升，分別從9個和2個增加到11個和3個?？傮w而言，土地利用空間均衡度變化相對平穩(wěn)。此外，優(yōu)質(zhì)均衡和中度均衡的省份數(shù)量之和保持不變，共28個，占比90.3%，說明中國絕大多數(shù)?。▍^(qū)、市）的土地利用強度與區(qū)域土地供給能力基本協(xié)調(diào)。

表1 全國31個省（區(qū)、市）土地利用空間均衡度值Tab.1 Spatial balance degrees of land use in 31 provinces of China

圖1 2004—2014年省（區(qū)、市）土地利用空間均衡度類型分布統(tǒng)計Fig.1 Cartogram of spatial balance degrees of land use of provinces from 2004 to 2014

（2）土地利用空間均衡度省域差異呈現(xiàn)縮小的趨勢。從各?。▍^(qū)、市）狀態(tài)轉(zhuǎn)移方面看，2004—2014年，江西、四川、貴州、陜西和寧夏5個?。▍^(qū)、市）由優(yōu)質(zhì)均衡轉(zhuǎn)為中度均衡，只有北京、青海和新疆3個省份由中度均衡轉(zhuǎn)成優(yōu)質(zhì)均衡。2004年均衡度指數(shù)的最低值（0.483）和2014年均衡度指數(shù)的最低值（0.527）均出現(xiàn)在西藏，狀態(tài)由失衡轉(zhuǎn)為勉強均衡，變化幅度為9.11%。各?。▍^(qū)、市）等級類型間轉(zhuǎn)移總體上表現(xiàn)出從失衡和優(yōu)質(zhì)均衡向勉強均衡和中度均衡集中的特征，表明中國各?。▍^(qū)、市）間均衡度差異逐漸縮小。為進一步驗證，根據(jù)計算得到的土地利用空間均衡度值，結(jié)合相關(guān)公式，計算土地利用空間均衡度的極差、標準差、變異系數(shù)，得到的結(jié)果如表2。極差和標準差能夠反映省（區(qū)、市）間土地利用空間均衡度的絕對差異。中國31個?。▍^(qū)、市）土地利用空間均衡度的極差從2004年（0.517）到2014年（0.473），呈減小趨勢，下降幅度為9.3%，標準差從2004年（0.129）到2014年（0.117）下降10.26%。變異系數(shù)可以反映?。▍^(qū)、市）間土地利用空間均衡度的相對差異。土地利用空間均衡度的變異系數(shù)從2004年（0.145）到2014年（0.133）下降8.28%。綜合來看，各省（區(qū)、市）土地利用空間均衡度在考察期內(nèi)呈現(xiàn)向省域差距縮小的格局演變。

表2 土地利用空間均衡度描述性統(tǒng)計Tab.2 The descriptive statistics of spatial balance degrees of land use

（3）階段性變化以土地利用空間均衡度下降為主要特征。分別考察兩個5年時間段空間均衡度的變化情況，通過分析可得：2004—2009年，空間均衡度降低的?。▍^(qū)、市）分別是山西、遼寧、安徽、江西、湖北、湖南、廣東、廣西、重慶、四川、貴州、陜西、天津、吉林、黑龍江、甘肅、青海和新疆，共18個，比重為58.1%，北京、內(nèi)蒙古、上海、江蘇、山東、云南、西藏、河北、浙江、山東、河南、海南和寧夏13個?。▍^(qū)、市）的空間均衡度則上升。2009—2014年，山西、遼寧、安徽、江西、湖北、湖南、廣東、廣西、重慶、四川、貴州、陜西、河北、浙江、山東、河南、海南和寧夏等的空間均衡度下降，下降的?。▍^(qū)、市）有所差別，但數(shù)量與上一階段相同。在這一階段，空間均衡度上升的?。▍^(qū)、市）是北京、內(nèi)蒙古、上海、江蘇、山東、云南、西藏、天津、吉林、黑龍江、甘肅、青海和新疆，共13個，僅占比41.9%。這說明在兩個5年研究時段，全國范圍內(nèi)的土地利用強度與區(qū)域土地供給能力的協(xié)調(diào)匹配程度普遍下降。

3.2 土地利用空間均衡度空間特征分析

（1）土地利用空間均衡度空間分布不平衡。圖2顯示，從全國地理分區(qū)來看，2004年，優(yōu)質(zhì)均衡區(qū)分布在中國華東、華中、華南部，中度均衡區(qū)分布在中國東北、華北、西北部，勉強均衡區(qū)分布在西南、華東部，失衡區(qū)分布在西南部。2009年土地利用空間均衡度空間分布格局與2004年的大體一致，但略有差別，具體表現(xiàn)在：優(yōu)質(zhì)均衡區(qū)在西南部的分布范圍有所縮減，中度均衡區(qū)擴展到西南部，勉強均衡區(qū)轉(zhuǎn)移到東北部。2014年土地利用空間均衡度空間分布格局較之2009年發(fā)生顯著變化，分別是：優(yōu)質(zhì)均衡區(qū)在華中的分布范圍縮減，但在西北部的分布優(yōu)勢十分明顯，取代中度均衡區(qū)在西北部的部分區(qū)域；中度均衡區(qū)在西北部的分布優(yōu)勢減弱，分布范圍銳減；勉強均衡區(qū)取代失衡區(qū)在西南部分布；失衡區(qū)消失。從沿海與內(nèi)陸間關(guān)系看，考察期內(nèi)，優(yōu)質(zhì)均衡區(qū)主要集中在東部沿海、“胡煥庸線”的東側(cè)，覆蓋山西、遼寧、江蘇、浙江、安徽、福建、山東、河南、湖北、湖南、廣東、廣西和重慶等，而中度均衡區(qū)、勉強均衡區(qū)和失衡區(qū)主要集中在內(nèi)陸地區(qū)、“胡煥庸線”的西側(cè)，包括內(nèi)蒙古、甘肅和西藏等。除個別省（區(qū)、市）外，土地利用空間均衡度基本上呈現(xiàn)從東部沿海地區(qū)向內(nèi)陸地區(qū)遞減的空間格局。

圖2 中國土地利用空間均衡度空間分布Fig.2 Spatial distribution of spatial balance degrees of land use in China

（2）土地利用空間均衡度具有顯著的地區(qū)差異。按照傳統(tǒng)劃分方法，將中國劃分為東部、中部、西部三大地區(qū)，考察土地利用空間均衡度的地區(qū)分異規(guī)律。圖3顯示，2004—2014年，東部和中部地區(qū)空間均衡度的變化軌跡大致是一個旋轉(zhuǎn)90°的“X”形狀，東部地區(qū)空間均衡度逐漸增加，中部地區(qū)則相反，但兩個地區(qū)的變化速率大體相當。西部地區(qū)空間均衡度在2004—2009年不斷下降，之后逐漸趨向平穩(wěn)。2004—2014年，東部地區(qū)和中部地區(qū)的空間均衡度一直高于全國平均值，而西部地區(qū)遠低于全國平均水平，表明土地利用空間均衡度分布具有東、中部高，西部低的地區(qū)分異特征?？疾炱趦?nèi)，土地利用空間均衡度逐漸與三大地區(qū)經(jīng)濟格局相吻合。2004年，東、中、西部分別有36%、25%和50%的省份沒有達到優(yōu)質(zhì)均衡，而到2014年，東、中、西部沒有達到優(yōu)質(zhì)均衡的分別為27%、37.5%和67%，表明東部地區(qū)與中、西部地區(qū)土地利用空間均衡水平的差距正在擴大。

（3）土地利用空間均衡度在空間上經(jīng)歷從集中到“分散化集中”的過程。由圖2可知，優(yōu)質(zhì)均衡區(qū)和中度均衡區(qū)在2004年占主體，集中連片特征明顯，其中，優(yōu)質(zhì)均衡區(qū)呈團狀聚集，中度均衡區(qū)呈東—西向條帶狀分布，而勉強均衡區(qū)和失衡區(qū)面積較小，聚集在一兩個省份，不同等級土地利用空間均衡度的空間分布較為集中。考察期末，不同等級土地利用空間均衡度的空間分布則表現(xiàn)出“分散化集中”的特征，具體體現(xiàn)在：優(yōu)質(zhì)均衡區(qū)分散在中國東、西部地區(qū)，且面積大體相當，但組團分布特征明顯；中度均衡區(qū)主體范圍呈團狀，但有小面積的中度均衡區(qū)內(nèi)嵌在東部優(yōu)質(zhì)均衡區(qū)，勉強均衡區(qū)分散在中國東北和西南兩個方向。對比兩個時期的整體分布方向和特點，2004—2014年，中國土地利用空間均衡度的空間演變過程具有從集中到“分散化集中”的特點。

圖3 2004—2014年土地利用空間均衡度三大地區(qū)對比Fig.3 Comparison of three regions of spatial balance degrees of land use from 2004 to 2014

3.3 土地利用空間均衡度Markov鏈分析

表3 2004—2014年中國土地利用空間均衡度演變的Markov轉(zhuǎn)移概率矩陣Tab.3 Markov transfer probability matrix of spatial balance degrees of land use in China from 2004 to 2014

運用Markov模型計算2004—2014年土地利用空間均衡度的不同類型轉(zhuǎn)移概率矩陣，其中，對角線上的數(shù)值表示類型沒有發(fā)生變化的概率，非對角線的數(shù)值表示類型發(fā)生轉(zhuǎn)移的概率。表3所反映的2004—2014年不同類型間轉(zhuǎn)移的特點是：（1）對角線上的數(shù)值分別為0.737、0.445、0.000和0.000，說明一個?。▍^(qū)、市）如果在初期處于優(yōu)質(zhì)均衡、中度均衡，在隨后年份屬于該類型的可能性為73.7%和44.5%，如果處于勉強均衡、失衡狀態(tài)，則在隨后年份屬于該類型的可能性幾乎不存在。其中，中度均衡的穩(wěn)定性較差，但轉(zhuǎn)換為優(yōu)質(zhì)均衡的概率（33.3%）比轉(zhuǎn)換為勉強均衡（22.2%）的概率大。（2）概率轉(zhuǎn)移矩陣的第3行第2列和第4行第3列元素數(shù)值均為1.000，大于對角線區(qū)域，說明在考察期內(nèi)，土地利用空間均衡度的狀態(tài)正在往更高一級別均衡水平發(fā)展。這種不同土地利用空間均衡等級向上轉(zhuǎn)移或向下轉(zhuǎn)移的概率大于其向下轉(zhuǎn)移或向上轉(zhuǎn)移的概率，直至逐步趨向中度均衡，所形成的土地利用空間均衡等級朝著某一等級趨同的現(xiàn)象稱為“俱樂部趨同”[11]。（3）通過對遍歷性的考察，2004—2014年中國土地利用空間均衡度的平穩(wěn)分布呈現(xiàn)出從優(yōu)質(zhì)均衡到失衡遞減的態(tài)勢，說明在轉(zhuǎn)移概率矩陣保持不變的前提下，土地利用空間均衡度的總體發(fā)展格局會趨向中度均衡乃至優(yōu)質(zhì)均衡。

4 結(jié)論

（1）時間特征方面。中國土地利用空間均衡度總體處于較高水平，并在一定范圍內(nèi)波動變化，省域差異呈現(xiàn)縮小的趨勢，階段性變化以土地利用空間均衡度下降為主要特征。

（2）空間特征方面。土地利用空間均衡度空間分布不平衡，具有顯著的地區(qū)差異，東部地區(qū)與中、西部地區(qū)的土地利用空間均衡水平差距在擴大，在整體空間上由集中向“分散化集中”演變。

（3）土地利用空間均衡度各類型狀態(tài)轉(zhuǎn)移方面。優(yōu)質(zhì)均衡相對穩(wěn)定，而中度均衡、勉強均衡和失衡三種類型的流動性較大，若轉(zhuǎn)移概率矩陣保持不變，整體發(fā)展格局會趨向中度均衡乃至優(yōu)質(zhì)均衡。

（4）土地開發(fā)強度和區(qū)域土地供給能力的相對關(guān)系變化會引起土地利用空間均衡度的變動，進而推動土地利用空間均衡度分布格局的演變。因此，對于已經(jīng)達到優(yōu)質(zhì)均衡的省份需要維持二者的均衡，而屬于中度均衡、勉強均衡和失衡的省份應該調(diào)整土地開發(fā)強度與區(qū)域土地供給能力的協(xié)調(diào)匹配程度。各省份要結(jié)合自身實際情況，開發(fā)過度的地區(qū)應該在資源環(huán)境約束下控制土地利用開發(fā)強度，注重內(nèi)涵挖潛，開發(fā)不足的地區(qū)，則應在生態(tài)環(huán)境保護的前提下重點開發(fā)。

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）：

［1］ 張玉澤，張俊玲，程鈺，等. 供需驅(qū)動視角下區(qū)域空間均衡內(nèi)涵界定與狀態(tài)評估──以山東省為例［J］ . 軟科學，2016，30（12）：54 - 58.

［2］ 卞鳳鳴，劉彥彤，趙玲. 吉林省土地利用空間均衡度評價研究［J］ . 中國土地科學，2015，29（12）：74 - 80.

［3］ 呂曉，黃賢金，鐘太洋，等. 建設(shè)用地擴張過程的時間均衡態(tài)勢分析［J］ . 農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29（15）：236 - 243.

［4］ 陳逸，黃賢金，陳志剛，等. 中國各省域建設(shè)用地開發(fā)空間均衡度評價研究［J］ . 地理科學，2012，32（12）：1424 - 1429.

［5］ Sudarshan C, Athula N. Climate change adaptation in agriculture: A computable general equilibrium analysis of land-use change in Nepal［J］ . Land Use Policy，2016，59（11）：241 - 250.

［6］ Lossau S, Fischer G, Tramberend S, et al. Brazil’s current and future land balances: Is there residual land for bioenergy production? ［J］ .Biomass and Bioenergy，2015，81（4）：452 - 461.

［7］ 荀文會，劉友兆. 資源場理論與土地利用的空間均衡配置──以江蘇省為例［J］ . 廣東土地科學，2005，（5）：24 - 28.

［8］ 呂曉，黃賢金. 縣域建設(shè)用地擴張的空間均衡態(tài)勢分析──以江蘇通州為例［J］ . 地理與地理信息科學，2015，31（5）：53 - 59.［9］ 陳雯，孫偉，趙海霞. 區(qū)域發(fā)展的空間失衡模式與狀態(tài)評估──以江蘇省為例［J］ . 地理學報，2010，65（10）：1209 - 1217.

［10］ 杜際增，王根緒，李元壽. 基于馬爾科夫鏈模型的長江源區(qū)土地覆蓋格局變化特征［J］ . 生態(tài)學雜志，2015，34（1）：195 - 203.

［11］ Quah，Danny T. Regional convergence clusters across Europe［J］ . European Economic Review，1996，40（3 - 5）：951 - 958.