快速城鎮(zhèn)化地區(qū)土地利用及生態(tài)效率測(cè)算與分析

金 貴,吳 鋒,李兆華,郭柏樞,趙曉東

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101 2 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,武漢 430062 3 中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)政策研究中心,北京 100101 4 區(qū)域開發(fā)與環(huán)境響應(yīng)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430062

快速城鎮(zhèn)化地區(qū)土地利用及生態(tài)效率測(cè)算與分析

金 貴1,2,3,4,吳 鋒1,3,*,李兆華2,4,郭柏樞2,趙曉東2

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101 2 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,武漢 430062 3 中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)政策研究中心,北京 100101 4 區(qū)域開發(fā)與環(huán)境響應(yīng)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430062

如何以較小的生態(tài)資源損耗獲得較大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益,是我國新型城鎮(zhèn)化與生態(tài)文明建設(shè)關(guān)注的核心議題之一。以快速城鎮(zhèn)化的湖北省為典型研究區(qū),引入隨機(jī)前沿分析(Stochastic Frontier Analysis, SFA)測(cè)度各縣域的土地利用效率、生態(tài)績效指數(shù)和生態(tài)效率。結(jié)果表明：(1)對(duì)比分析非約束模型與約束模型的檢驗(yàn)結(jié)果可知,前者在本研究中有更好的解釋能力,加入生態(tài)變量后縣域土地利用效率平均值增加1.4%；(2)湖北省縣域土地利用效率平均值為0.882,土地利用效率總體水平較高,且生態(tài)績效指數(shù)(Ecological Performance Index, EPI)大于0的縣域占75.73%,EPI隨著土地利用效率(Land Use Efficiency, LUE)的增加表現(xiàn)出先增后減的倒U型變化；(3)湖北省縣域的生態(tài)效率(Ecological Efficiency, EE)分布在0.778—0.989之間,空間格局特征明顯,效率高值縣域在空間上呈現(xiàn)出以武漢城市圈和沿長江、漢江為點(diǎn)軸的A型分布特征。本研究揭示了快速城鎮(zhèn)化區(qū)域土地利用、生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)效益之間的關(guān)系,可為新型城鎮(zhèn)化發(fā)展、土地資源高效利用和生態(tài)資源保護(hù)提供參考。

土地利用效率；生態(tài)效率；植被覆蓋；SFA；城鎮(zhèn)化；湖北省

土地績效核算是解決快速城鎮(zhèn)化過程中生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益權(quán)衡的有效方法之一。20世紀(jì)90年代以來,中國土地利用變化格局逐步形成了以開墾與退耕、過牧與退牧、毀林與造林和快速城鎮(zhèn)化為代表的4種類型[1]。其中,快速城鎮(zhèn)化地區(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對(duì)生態(tài)系統(tǒng)格局產(chǎn)生重大影響,改變生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能、影響人類的福祉[2]。該類區(qū)域經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長的同時(shí),生態(tài)資源過度消耗、生態(tài)環(huán)境急劇惡化[3],如何以最小的生態(tài)要素投入獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)出成為城鎮(zhèn)發(fā)展轉(zhuǎn)型研究的熱點(diǎn)議題。在國外,學(xué)者們由最初的產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)效率分析逐步轉(zhuǎn)向可持續(xù)發(fā)展前提下的土地利用效率評(píng)估[4]。Charnes等基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析城市化效率及其影響因素[5],Nagi等學(xué)者解析了土地資源在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中的作用,并探討如何通過提高土地利用效率來促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的提高[6]。在國內(nèi),相關(guān)研究從區(qū)域經(jīng)濟(jì)或者工業(yè)部門技術(shù)效率測(cè)算擴(kuò)展到城市化效率、土地利用效率評(píng)估等方面,分析城市群生態(tài)效率及影響因素[7]、土地利用生態(tài)效率及其對(duì)生態(tài)的影響[8]等。在模型方法上,數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(Data Envelopment Analysis, DEA)和SFA兩類模型應(yīng)用最為廣泛。前者是一種非參數(shù)方法,研究多投入、多產(chǎn)出問題,不考慮隨機(jī)因素對(duì)技術(shù)效率的影響,且前沿面固定[9]；后者考慮了隨機(jī)因素的影響,能分析技術(shù)效率的影響因素,在研究技術(shù)效率時(shí)相較前者更有優(yōu)勢(shì)[10]。盡管SFA模型在國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)或工業(yè)部門技術(shù)效率測(cè)算中被廣泛的使用,但國內(nèi)城市化效率、土地利用效率或者生態(tài)效率的研究卻鮮有應(yīng)用[11-12]。在指標(biāo)體系構(gòu)建方面,生態(tài)環(huán)境效率分析的投入指標(biāo)一般分為資源類和污染類,產(chǎn)出指標(biāo)為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值[7,13]；城市化效率投入指標(biāo)基本為勞動(dòng)力、資本及土地,產(chǎn)出為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值或城市化率等[14-15]；土地利用效率的投入指標(biāo)多為勞動(dòng)力、資本和土地,產(chǎn)出為經(jīng)濟(jì)總量[16-17]；生態(tài)環(huán)境效率、城市效率和土地利用效率的指標(biāo)差異較大。因此,本文以湖北省為典型案例區(qū),引入SFA定量測(cè)算土地利用效率、生態(tài)績效指數(shù)和生態(tài)效率,并在傳統(tǒng)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上加入生態(tài)變量,揭示研究區(qū)土地利用、生態(tài)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)效益之間的關(guān)系,及其效率的空間分布規(guī)律,為湖北省城鎮(zhèn)化轉(zhuǎn)型發(fā)展提供決策參考。

1 研究區(qū)概況

湖北省位于我國中部,長江中游,地處108°21′42″—116°07′50″E、29°01′53″—33°6′47″N,包括103個(gè)縣(市、區(qū)),國土總面積18.59萬km2,其中山地占56%,丘陵占24%,平原占20%。近年來,湖北省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,2015年城鎮(zhèn)化率達(dá)到55.67%,地區(qū)生產(chǎn)總值為29550.19億元,較2014年增長8.9%,經(jīng)濟(jì)總量居中部第2位。中部地區(qū)是目前我國城鎮(zhèn)化快速崛起的重要區(qū)域之一,湖北作為中部地區(qū)的重要省域,城鎮(zhèn)化發(fā)展正進(jìn)入一個(gè)新的階段,尤其是“資源節(jié)約型與環(huán)境友好型”城市圈建設(shè)試點(diǎn)以來,逐步形成以經(jīng)濟(jì)發(fā)展為重心的武漢城市圈和以生態(tài)建設(shè)為核心的鄂西生態(tài)旅游圈。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展取得較大成就,湖北省生態(tài)保育和城鎮(zhèn)化發(fā)展之間的矛盾也日益凸顯,城鎮(zhèn)建設(shè)用地不斷擴(kuò)張,林地、耕地、草地、水域和其他生態(tài)用地銳減,糧食供給能力和生態(tài)安全保障能力不斷下降。因此,探究湖北省縣域土地利用效率、生態(tài)效率,及其空間分布規(guī)律具有較強(qiáng)的典型性,可為其他快速城鎮(zhèn)化地區(qū)的相關(guān)研究提供參考。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究數(shù)據(jù)主要包括社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、區(qū)位條件數(shù)據(jù)、植被覆蓋數(shù)據(jù)和其他相關(guān)數(shù)據(jù)等。社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于2015年湖北省各市、縣統(tǒng)計(jì)年鑒；土地利用數(shù)據(jù)來源于2014年末湖北省土地利用更新數(shù)據(jù)(1∶1萬)中各縣建設(shè)用地規(guī)模,該數(shù)據(jù)主要以航拍影像為基本信息源；區(qū)位條件數(shù)據(jù)是基于2014年末湖北省交通網(wǎng)絡(luò)圖整理得到的動(dòng)車組站點(diǎn)、交通干線等信息；植被覆蓋數(shù)據(jù)來源于MODIS衛(wèi)星定量遙感反演的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)中的2014年末植被指數(shù)產(chǎn)品,經(jīng)校正、拼接、裁剪等處理步驟計(jì)算得到縣域尺度的NDVI數(shù)據(jù)。上述土地利用數(shù)據(jù)、區(qū)位條件數(shù)據(jù)和植被覆蓋數(shù)據(jù)均通過GIS的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)鏈接、空間離散化,空間采樣等操作得到不同投入水平的縣級(jí)數(shù)據(jù),并與社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)一起制備成投入產(chǎn)出分析初始數(shù)據(jù)庫。

2.2 研究方法

2.2.1 SFA模型

Meeusen和van den Broeck、 Aigned等最早建立了SFA模型,使其成為測(cè)算技術(shù)效率的有效工具[18]。Battese和Coelli先后提出了改進(jìn)模型,自此SFA得到廣泛的應(yīng)用[19-20]。確定性前沿生產(chǎn)函數(shù)和SFA都可以估計(jì)生產(chǎn)者的技術(shù)效率,前者忽略了隨機(jī)沖擊對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)的影響,將生態(tài)環(huán)境因素的影響都?xì)w咎于技術(shù)無效率,導(dǎo)致技術(shù)效率估計(jì)的偏誤[21]。因此,在充分考慮技術(shù)無效率因素和難以預(yù)期的隨機(jī)沖擊效應(yīng)的基礎(chǔ)上,SFA模型的表達(dá)形式為：

yi=f(xi;β)·exp(vi)·exp(-ui)

(1)

式中,f(xi;β)·exp(vi)是隨機(jī)前沿,f(xi;β)反映投入與產(chǎn)出間確定性的技術(shù)結(jié)構(gòu)關(guān)系,exp(vi)是隨機(jī)因素,揭示隨機(jī)沖擊對(duì)生產(chǎn)者的影響。exp(-ui)為技術(shù)效率,具體到本研究是LUE,表征觀察的土地利用產(chǎn)出與處于生產(chǎn)前沿上潛在最大產(chǎn)出的比值,具體公式如下：

(2)

2.2.2 投入產(chǎn)出指標(biāo)體系

投入產(chǎn)出的調(diào)查與核算信息是SFA模型測(cè)算效率的基礎(chǔ)。不同的研究目標(biāo),指標(biāo)體系差異較大[22-24]。為了能夠科學(xué)測(cè)算城鎮(zhèn)化地區(qū)的土地利用及生態(tài)效率,產(chǎn)出指標(biāo)應(yīng)源于城鎮(zhèn)地區(qū),本研究選取非農(nóng)產(chǎn)值作為產(chǎn)出指標(biāo)。投入指標(biāo)方面,由于城鎮(zhèn)化發(fā)展主要依賴于資本投入、城鎮(zhèn)人口、城市建成區(qū)規(guī)模、居民收入、產(chǎn)值、區(qū)位條件等影響因素,因此投入指標(biāo)從上述幾個(gè)方面篩選。另外,由于城鎮(zhèn)快速擴(kuò)張過程中會(huì)占用大量的非建設(shè)用地,消耗生態(tài)環(huán)境資源,導(dǎo)致生態(tài)植被覆蓋度顯著下降[25],故研究將植被覆蓋度指數(shù)作為生態(tài)投入指標(biāo)引入到生產(chǎn)函數(shù)中。綜上所述,結(jié)合已有研究成果、相關(guān)文獻(xiàn)及我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的相關(guān)實(shí)踐[15, 26-29],同時(shí)考慮數(shù)據(jù)資料的可獲取性和湖北省地域特征確定投入產(chǎn)出指標(biāo)體系(表1)。

表1 投入產(chǎn)出指標(biāo)體系

表1中,x1—x4是傳統(tǒng)意義的投入指標(biāo),表征土地、資本和勞動(dòng)力等要素對(duì)城鎮(zhèn)化發(fā)展的貢獻(xiàn)。x5為生態(tài)變量,體現(xiàn)城鎮(zhèn)化過程中生態(tài)植被用地轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)建設(shè)用地而帶來的生態(tài)系統(tǒng)損失,并由此產(chǎn)生的外部不經(jīng)濟(jì)問題,本研究嘗試將土地植被覆蓋損耗直接作為一項(xiàng)生態(tài)投入加入模型中,揭示生態(tài)要素投入對(duì)土地利用效率的影響機(jī)理。x6、x7為城鎮(zhèn)人均可支配收入和動(dòng)車組站點(diǎn),是作為投入產(chǎn)出模型解釋變量加入到方程中,與上述投入變量不同。

2.2.3 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

(1)土地利用效率與生態(tài)績效指數(shù)分析?；谏鲜鐾度氘a(chǎn)出指標(biāo)體系構(gòu)建投入產(chǎn)出模型,在具體選擇生產(chǎn)函數(shù)時(shí),較為常用的有柯布道格拉斯和超越對(duì)數(shù)兩類,前者假定技術(shù)中性和產(chǎn)出彈性固定,后者放寬了這些假設(shè),增加了二次的項(xiàng)數(shù),可以清楚分析生產(chǎn)函數(shù)中投入的相互影響、各種投入技術(shù)進(jìn)步的差異,更適合估計(jì)SFA模型[30]。本文選擇超越對(duì)數(shù)函數(shù),假設(shè)產(chǎn)出變量為y,投入變量一共有k種,構(gòu)建出包含生態(tài)變量的SFA非約束模型：

(3)

進(jìn)一步,通過極大似然估計(jì)(Maximum Likelihood Estimate, MLE)分別獲得包含生態(tài)變量的LUExeco和不包含生態(tài)變量的LUEx,計(jì)算出EPI值,即

(4)

EPI大于0表示生態(tài)要素投入對(duì)LUE有正向影響,EPI小于0表示生態(tài)要素投入對(duì)LUE有負(fù)向影響。EPI揭示出生態(tài)資源投入對(duì)土地利用效率提升的影響,體現(xiàn)了地表植被覆蓋損失對(duì)城鎮(zhèn)化發(fā)展的貢獻(xiàn)程度。

(2)生態(tài)效率測(cè)算。引入生態(tài)效率概念來測(cè)度城市擴(kuò)張過程中的生態(tài)資源對(duì)城鎮(zhèn)化發(fā)展的貢獻(xiàn)[31]。本研究中生態(tài)效率指在其他投入和產(chǎn)出都不變的情況下,最小可行生態(tài)投入和實(shí)際生態(tài)投入的比值。為了測(cè)算生態(tài)變量的效率,假設(shè)特定經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出保持一定時(shí)當(dāng)生態(tài)投入最小時(shí)生態(tài)效率最高,故在以投入為導(dǎo)向的超越對(duì)數(shù)生產(chǎn)函數(shù)中分別將xz,ui替換為最小生態(tài)投入xz′及其對(duì)應(yīng)的技術(shù)無效率誤差項(xiàng)ui′,即生態(tài)效率最優(yōu)時(shí)得到最小生態(tài)投入的生產(chǎn)函數(shù),替換后的SFA模型表達(dá)式如下：

(5)

將替換式(5)減式(3),得到如下形式：

(6)

(7)

3 結(jié)果與分析

3.1 SFA模型結(jié)果檢驗(yàn)

使用一步估計(jì)法估算以非農(nóng)產(chǎn)值為因變量的SFA模型,約束性模型和非約束性模型的檢驗(yàn)和回歸結(jié)果如表2所示。

分析可知,土地利用無效率項(xiàng)為隨機(jī)擾動(dòng)項(xiàng)的1.6倍,占總誤差項(xiàng)的62%,說明本研究中土地利用無效率差異存在,其影響不能被忽略。因此,本研究中通過SFA模型分離隨機(jī)因素和土地利用無效率的處理方法是科學(xué)可行的。在95%置信水平上,非約束模型中生態(tài)變量、非農(nóng)人口、上一年非農(nóng)產(chǎn)值、固定投資總額等參量較約束模型而言顯著水平均有所提高。分別用似然比檢驗(yàn)(LRT)和赤池信息量準(zhǔn)則(AIC)判斷：非約束模型的LRT值為53.71,約束模型的LRT值為43.68,說明前者有更好的解釋能力；非約束模型的AIC為-57.43,約束模型的AIC值為-49.36,非約束模型數(shù)值更小,同樣表明非約束模型能更好的揭示城鎮(zhèn)化區(qū)域土地利用效率。因此,后續(xù)LUE、EPI和EI等分析均基于非約束模型下的結(jié)果展開。

3.2 影響要素分析

在本研究的生產(chǎn)函數(shù)投入體系之中,除了非農(nóng)人口和是否有動(dòng)車組站點(diǎn)要素外,其他投入要素均與非農(nóng)產(chǎn)值顯著相關(guān)。就全省縣域平均水平而言,增加生態(tài)要素則非農(nóng)產(chǎn)值會(huì)顯著提高,說明城鎮(zhèn)擴(kuò)張占用耕地、林地、草地等生態(tài)資源短時(shí)期內(nèi)會(huì)大幅增加經(jīng)濟(jì)收益。非農(nóng)人口數(shù)量與非農(nóng)產(chǎn)值顯著正相關(guān),在湖北省多數(shù)經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的縣域經(jīng)濟(jì)體實(shí)際背景下,勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)是城鎮(zhèn)化地區(qū)產(chǎn)值的主要來源,非農(nóng)人口規(guī)模既能客觀體現(xiàn)區(qū)域人口城鎮(zhèn)化水平,也可以反映出二、三產(chǎn)業(yè)勞動(dòng)力的充足與否。城市建成區(qū)面積與非農(nóng)產(chǎn)值顯著負(fù)相關(guān),說明大部分縣域城鎮(zhèn)土地利用效益偏低,經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后縣域盲目建設(shè)或擴(kuò)建經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū),這種攤大餅式的發(fā)展導(dǎo)致大量土地資源浪費(fèi),單位面積土地產(chǎn)出率不高。全社會(huì)固定投資總額與非農(nóng)產(chǎn)值顯著正相關(guān),可見將投資作為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的手段對(duì)湖北省多數(shù)縣域依然有作用,但在今后城鎮(zhèn)化發(fā)展轉(zhuǎn)型中應(yīng)不斷提升全要素生產(chǎn)率、完善基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)科技化水平和優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。上一年非農(nóng)產(chǎn)值對(duì)下一年非農(nóng)產(chǎn)值的正向影響尤為顯著,說明城鎮(zhèn)化發(fā)展過程中前一年的生產(chǎn)活動(dòng)會(huì)影響后一年的生產(chǎn)活動(dòng),縣域經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出的歷史積累會(huì)推動(dòng)地區(qū)的整體發(fā)展和進(jìn)步。

表2 土地利用效率SFA模型MLE結(jié)果

*P< 0.1, **P< 0.05,***P< 0.01,括號(hào)內(nèi)數(shù)值表示t統(tǒng)計(jì)量

3.3 土地利用及生態(tài)效率測(cè)算與分析

3.3.1 土地利用效率測(cè)算

結(jié)合公式(3)—(7)編寫SFA模型算法,以Stata為平臺(tái)運(yùn)行SFA模型,分別估算出非約束模型下的103個(gè)縣域單元的LUE值(表3)。

對(duì)上述103個(gè)縣域的土地利用效率繪制頻率分布圖(圖2)。LUE頻率分布為正態(tài)分布,滿足地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析相關(guān)要求,故不對(duì)103個(gè)縣域LUE進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等處理。進(jìn)一步,以非約束模型的LUE值為基礎(chǔ),由式(4)和(7)測(cè)算出全省各縣域的EPI和EE值。

湖北省103個(gè)縣域土地利用效率最大值為0.973、最小值為0.623、均值為0.882。LUE高值區(qū)主要聚集在長江、漢水沿線和高速鐵路的串聯(lián)區(qū)域,是武漢城市圈和鄂西生態(tài)旅游圈的中心城區(qū),交通便利、經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)、水電產(chǎn)業(yè)和新型制造業(yè)集聚特征明顯。除上述地區(qū)以外,部分山區(qū)縣的土地利用效率也較高,如竹溪縣、興山縣、宣恩縣等,這些縣域受地形地貌條件影響,中心城區(qū)平地面積不足,城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展受到約束,很大程度上被動(dòng)提高城鎮(zhèn)土地集約利用程度。LUE低值區(qū)主要分布在鄂西生態(tài)旅游圈,以及距離省級(jí)中心或副中心城市較遠(yuǎn)的地區(qū),多為礦業(yè)、重工業(yè)發(fā)達(dá)的城市或處于鄉(xiāng)村旅游發(fā)展起步階段的縣域,并不一定是某個(gè)市域內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較落后的縣域,如鐵山區(qū)、猇亭區(qū)和竹山縣等,這些縣域城鎮(zhèn)用地迅速擴(kuò)張,大都建有經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、工業(yè)園區(qū)或風(fēng)景區(qū),降低了土地集約利用程度。一般而言,所有市域范圍內(nèi)總有一些縣域的土地利用效率較高,另一些縣域的土地利用效率相對(duì)較低,縣域間存在明顯不均衡。發(fā)揮各縣域地區(qū)特色,避免區(qū)域內(nèi)土地、資本、勞動(dòng)力和生態(tài)資源的不合理使用是提高土地利用效率、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要方式。

表3 湖北省各縣域土地利用效率

圖2 土地利用效率頻率分布直方圖Fig.2 Frequency histogram of land use efficiency

湖北省25個(gè)縣域EPI小于0,占24.27%,78個(gè)縣域EPI大于0,占75.73%(圖3)。從整個(gè)城鎮(zhèn)化發(fā)展的投入產(chǎn)出系統(tǒng)來看,EPI大于0的縣域,植被資源消耗對(duì)城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有正向貢獻(xiàn)；EPI小于0的縣域,盡管在城鎮(zhèn)化發(fā)展過程中也消耗了大量的植被資源,但卻對(duì)城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展沒有顯著貢獻(xiàn)。整體而言,全省大部分縣域的生態(tài)植被損耗對(duì)城鎮(zhèn)化發(fā)展的貢獻(xiàn)明顯,尤其是生態(tài)環(huán)境本底質(zhì)量越好的縣域單元,其植被資源消耗產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價(jià)值越高。綠色發(fā)展戰(zhàn)略和嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)制度要求生態(tài)資源損耗應(yīng)充分轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

進(jìn)一步,分析LUE與EPI之間的相互關(guān)系(圖4)可知,縣域EPI低于平均水平時(shí),LUE越大,則EPI越高。EPI隨著LUE的增加出現(xiàn)先增加后減少的倒U型變化,說明LUE較低縣域的植被資源對(duì)生態(tài)生產(chǎn)功能和土地利用效率模型有更顯著的正面影響,也意味著植被資源投入對(duì)土地利用效率高的縣域而言并不十分重要。

圖3 縣域生態(tài)績效指數(shù)圖Fig.3 Ecological performance index in county scale

圖4 LUE和EPI關(guān)系散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter diagram between LUE and EPI

3.3.2 生態(tài)效率空間分布

根據(jù)非約束模型下的LUE測(cè)算出湖北省各縣域EE,最大值為0.989、最小值為0.778、均值為0.871。EE值與快速城鎮(zhèn)化過程中對(duì)生態(tài)植被資源的開發(fā)利用有關(guān),其值越大表明城鎮(zhèn)化發(fā)展所付出的生態(tài)代價(jià)越低。因此,當(dāng)前湖北省各縣域城鎮(zhèn)化發(fā)展并不存在過度消耗生態(tài)植被資源的情況,生態(tài)植被資源作為城鎮(zhèn)化發(fā)展的投入要素沒有被過度浪費(fèi),被破壞的生態(tài)植被資源大都高效轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值。

盡管各縣域EE數(shù)值普遍較高,但仍存在顯著的空間分異規(guī)律。采用自然斷點(diǎn)法對(duì)非約束模型下EE數(shù)值進(jìn)行分級(jí)(圖5),將生態(tài)效率分為4種類型。整體而言,湖北省縣域生態(tài)效率呈現(xiàn)出由東(城市圈)向西(生態(tài)旅游圈)從高到低的A型分布,基本與《湖北省城鎮(zhèn)化與城鎮(zhèn)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃(2012—2030)》中的城鎮(zhèn)發(fā)展點(diǎn)軸形態(tài)相一致。武漢城市圈生態(tài)效率整體上普遍高于鄂西生態(tài)旅游圈,說明相較生態(tài)圈而言,城市圈縣域的生態(tài)用地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地后可以產(chǎn)生更多的經(jīng)濟(jì)效益,這是因?yàn)榻?jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高、區(qū)位條件相對(duì)較好的城市圈縣域的新增建設(shè)用地的產(chǎn)出率和利用率更高。武漢城市圈中EE一類和二類縣域所占比例較高,鄂西生態(tài)旅游圈中則以EE三類、四類縣域?yàn)橹鳌＞唧w而言,EE一類和二類區(qū)主要集中在武漢城市圈和鄂西旅游生態(tài)圈地級(jí)市的中心縣域,如武漢、鄂州、黃岡、孝感、咸寧、仙桃和天門的中心城區(qū),十堰市的張灣區(qū)、茅箭區(qū),襄陽市的樊城區(qū),宜昌市的點(diǎn)軍區(qū)等。此外,在恩施州的咸豐縣、鶴峰縣,宜昌的五峰縣的EE也相對(duì)較高。三類區(qū)主要分布在武漢城市圈周邊縣域和鄂西生態(tài)圈,如黃陂、浠水、松滋、竹山等縣域。四類區(qū)則分布在鄂西北地區(qū)的鄖西、鄖縣、房縣、?？档瓤h域,該類區(qū)往往是快速城鎮(zhèn)化的縣域,城鎮(zhèn)在擴(kuò)張過程中不斷侵占耕地、林地、園地和草地等生態(tài)植被資源,造成一定程度的植被資源浪費(fèi)。

圖5 湖北省縣域EE空間分布Fig.5 Spatial distribution of EE in Hubei Province

4 結(jié)論與討論

本文基于SFA模型開展快速城鎮(zhèn)化背景下湖北省縣域生態(tài)經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出分析,揭示快速城鎮(zhèn)化區(qū)域土地利用、生態(tài)與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間關(guān)系。研究認(rèn)識(shí)可為區(qū)域新型城鎮(zhèn)化發(fā)展轉(zhuǎn)型、土地資源高效利用和生態(tài)資源保護(hù)提供參考依據(jù)。

本研究中土地利用無效率項(xiàng)高于隨機(jī)擾動(dòng)項(xiàng),無效率影響不能被忽略,故本研究中通過SFA模型分離隨機(jī)因素和土地利用無效率的處理方法是科學(xué)可行的。較約束模型而言,非約束模型中投入?yún)⒘康娘@著水平均有所提高,用LRT和AIC判斷表明非約束模型能更好的揭示城鎮(zhèn)化區(qū)域土地利用效率。

湖北省LUE高值縣域主要分布在武漢城市圈和鄂西生態(tài)旅游圈的中心城區(qū),及其部分發(fā)展空間受限制的山區(qū)；低值縣域主要分布在鄂西生態(tài)旅游圈,以及距離省級(jí)中心或副中心較遠(yuǎn),多為礦產(chǎn)資源枯竭或處于鄉(xiāng)村旅游發(fā)展起步階段的縣域。EPI隨著LUE的增加出現(xiàn)先增加后減少的倒U型變化,說明土地利用效率較低縣域的生態(tài)資源對(duì)土地利用效率有更顯著的正向影響,且生態(tài)資源投入對(duì)土地利用效率高的縣域而言并不十分重要。湖北省縣域城鎮(zhèn)化發(fā)展并不存在過度消耗生態(tài)資源的情況,植被資源作為城鎮(zhèn)化發(fā)展的投入要素沒有被過度浪費(fèi),被破壞的生態(tài)植被資源大都高效轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值?？h域生態(tài)效率呈現(xiàn)出由東向西從高到低的A型分布,且武漢城市圈生態(tài)效率整體上普遍高于鄂西生態(tài)旅游圈。

研究將植被覆蓋度指數(shù)作為生態(tài)變量引入到SFA生產(chǎn)函數(shù)中揭示生產(chǎn)要素投入、土地利用效率提升和生態(tài)損耗之間的關(guān)系,為快速城鎮(zhèn)化地區(qū)的系統(tǒng)研究提供了新視角。本研究為進(jìn)一步開展長時(shí)間序列的城鎮(zhèn)化地區(qū)土地利用及生態(tài)效率分析,及其在空間上集聚特征和分布規(guī)律提供了核算方法。同時(shí),土地效率精確核算可有效銜接國民經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)劃與土地利用規(guī)劃的用地指標(biāo),服務(wù)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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Estimationandanalysisoflanduseandecologicalefficiencyinrapidurbanizationarea

Jin Gui1,2,3,4, WU Feng1,3,*, LI Zhaohua2,4, GUO Baishu2, ZHAO Xiaodong2

1InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China2FacultyofResourcesandEnvironmentalScience,HubeiUniversity,Wuhan430062,China3CenterforChineseAgriculturalPolicy,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China4HubeiProvinceKeyLaboratoryofRegionalDevelopmentandEnvironmentalResponse,Wuhan430062,China

One of the core issues of the new urbanization and ecological civilization construction is developing strategies for obtaining larger economic and social benefits with smaller ecological resource loss in China. In this study, Hubei Province, which has rapid urbanization, was considered a typical case area, and the stochastic frontier analysis (SFA) was used to measure the land use efficiency, ecological performance index, and ecological efficiency of each county in Hubei Province. The following results were obtained in this study. (1) We found that the non-constrained model had a better explanatory power than the constrained model did and the average land use efficiency increased by 1.4% after the addition of the ecological variable. (2) The average land use efficiency of Hubei Province was 0.882, whereas the overall land use efficiency was high and the counties with ecological performance indexes (EPIs) greater than 0 accounted for 75.73%. Furthermore, an increase in land use efficiency (LUE) resulted in EPI values showing inverted U-shape changes that first increased and then decreased. (3) The ecological efficiency (EE) of the counties of Hubei Province were between 0.778 and 0.989 and showed an obvious characteristic spatial pattern. In addition, the high-efficiency counties showed “A” type distribution characteristics that indicated the Wuhan metropolitan region was the point whereas the Yangtze River and Hanjiang River were on the axis. This study revealed that the relationship between land use, ecological system, and economic benefit in rapid urbanization area could provide a reference for new urbanization development, efficient utilization of land resources, and strategies for protecting ecological resources.

land use efficiency; ecological efficiency; vegetation cover; SFA; urbanization; Hubei Province

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41501593,71225005)；中國博士后科學(xué)基金(2015M581163)

2016- 10- 18;

2017- 04- 11

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wufeng@igsnrr.ac.cn

10.5846/stxb201610182126

金貴,吳鋒,李兆華,郭柏樞,趙曉東.快速城鎮(zhèn)化地區(qū)土地利用及生態(tài)效率測(cè)算與分析.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(23):8048- 8057.

Jin G, Wu F, Li Z H, Guo B S, Zhao X D.Estimation and analysis of land use and ecological efficiency in rapid urbanization area.Acta Ecologica Sinica,2017,37(23):8048- 8057.