甘肅省慶陽市土地集約利用與土地利用結(jié)構(gòu)的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系

魯學(xué)孟, 劉學(xué)錄, 張 晶, 趙天明， 劉永康， 王全喜

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070; 3.中國城市發(fā)展研究院， 甘肅 蘭州 730070)

土地作為一種人類活動的物質(zhì)載體，實現(xiàn)其集約利用是我國經(jīng)濟快速發(fā)展的必然選擇和實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的重要保障[1]。改革開放以來，我國經(jīng)濟一直保持較快速度的發(fā)展，經(jīng)濟的快速增長導(dǎo)致建設(shè)用地急劇擴張、耕地面積不斷減少，土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生很大的變化，嚴(yán)重威脅我國糧食安全和生態(tài)安全[2]。因此，通過優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，促進土地集約利用來有效地應(yīng)對人地矛盾帶來的眾多挑戰(zhàn)。土地集約利用，首先是節(jié)約土地，合理利用土地，提高土地的利用率；其次就是要通過調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)來有序地置換土地，達(dá)到集約程度的目的，增加土地有效利用面積[3]。現(xiàn)有涉及到土地集約利用和土地利用結(jié)構(gòu)關(guān)系的研究中，范輝等[4]研究城市土地集約利用內(nèi)部協(xié)調(diào)性的時空演變時發(fā)現(xiàn)在研究期內(nèi)，土地集約利用水平與土地結(jié)構(gòu)之間的局部協(xié)調(diào)性逐漸上升，且所處的協(xié)調(diào)發(fā)展階段也不斷提高。黃佩[5]在評價阿壩州土地可持續(xù)利用研究中，發(fā)現(xiàn)區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化、效率不斷提升，土地資源可持續(xù)利用集約化程度不斷增強，土地資源的總體質(zhì)量日趨上升。汪延彬等[6]研究高校教育用地集約利用中提出影響教育用地集約利用水平的最大因素是土地利用結(jié)構(gòu)和高校教育科研產(chǎn)出。于永建等[7]和張昌善等[8]分別運用熵值法和改進灰色關(guān)聯(lián)度模型部分區(qū)域土地集約度與土地利用結(jié)構(gòu)之間關(guān)系進行研究。在現(xiàn)有研究大多是對各個地類與土地集約度的關(guān)系研究，鮮見對土地集約利用與土地利用結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)分析的研究。因此，本文選取慶陽市作為研究對象，構(gòu)建土地集約利用與土地利用結(jié)構(gòu)評價指標(biāo)體系。用各個土地類型面積所占比例表征土地利用結(jié)構(gòu)[9-12]，運用多因素綜合評價法確定綜合指數(shù)，采用耦合協(xié)調(diào)模型研究土地集約利用與土地利用結(jié)構(gòu)變化特征及耦合協(xié)調(diào)關(guān)系，為慶陽市土地優(yōu)化布局和社會經(jīng)濟有序發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

慶陽市位于甘肅省最東部，陜甘寧三省區(qū)的交匯處，系黃河中下游黃土高原溝壑區(qū)。介于106°20′—108°45′E與35°15′—37°10′N之間。東倚子午嶺，北靠羊圈山，西接六盤山，東、西、北三面隆起，中南部低緩，故有“盆地”之稱。研究區(qū)屬大陸性氣候，冬季常吹西北風(fēng)，夏季多行東南風(fēng)，冬冷常晴，夏熱豐雨。降雨量南多北少。降雨多集中在7—9月間，氣溫南部高于北部，總體呈干旱、溫和、光富的特點。慶陽地區(qū)已探明油氣總儲量4.00×1010t，占鄂爾多斯盆地總資源量的41%，油氣預(yù)測儲量相當(dāng)于延安地區(qū)的1.7倍、榆林地區(qū)的6.7倍、寧東地區(qū)的80倍左右，占鄂爾多斯盆地總資源量的41%。慶陽地區(qū)煤炭資源已查明預(yù)測總儲量2.36×1012t，占甘肅全省預(yù)測儲量的94%。慶陽市轄1區(qū)7縣(西峰區(qū)和慶城縣、華池縣、寧縣、鎮(zhèn)原縣、合水縣、正寧縣、環(huán)縣)116個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，常住人口224.19萬(2016年末)。2016年，慶陽市生產(chǎn)總值為597.83億元，按可比價計算，比上年增長8.2%。三大產(chǎn)業(yè)增加值分別增長5.7%，8.8%，8.1%。按常住人口計算，人均生產(chǎn)總值26 734元。截止2016年末，慶陽市總土地面積27 119 km2，其中耕地面積占比為25.62%，園地面積占比為0.79%，林地面積占比為28.35%，草地面積占比為37.84%，交通運輸用地面積占比為0.78%，城鎮(zhèn)村工礦用地面積占比為3.79%，水域及水利設(shè)施用地面積占比為0.39，未利用土地面積占比為2.44%。2007—2016年慶陽市土地利用結(jié)構(gòu)變化表現(xiàn)為林地面積增加8.16%，草地和未利用地面積分別減少4.24%和4.5%，其他地類結(jié)構(gòu)變化不大。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究中采用的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于《慶陽市統(tǒng)計年鑒(2008—2017年)》。土地利用數(shù)據(jù)來源于2007—2016年慶陽市土地利用變更調(diào)查資料，土地利用類型分為耕地、園地、林地、草地、交通運輸用地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、水域及水利設(shè)施用地、其他用地等8個地類。

2 研究方法

2.1 構(gòu)建評價指標(biāo)體系

評價指標(biāo)體系的構(gòu)建是進行指標(biāo)評級的關(guān)鍵，不同類型的研究對象評價的指標(biāo)都有所差異。指標(biāo)的選取要遵循真實性、可比性、可操作性、易獲得性和簡潔實用性等原則。指標(biāo)不一定越多越好，而在于精。有的學(xué)者[13-14]從土地投入、土地利用程度、土地利用效率選取評價指標(biāo)；有的學(xué)者[15]從生態(tài)因素、經(jīng)濟因素、社會因素選取評價指標(biāo)。本研究結(jié)合慶陽市社會經(jīng)濟發(fā)展實際情況，從土地投入、土地利用程度、土地產(chǎn)出選取評價指標(biāo)詳見表1。該評價指標(biāo)體系是一個由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層構(gòu)成，具有相互聯(lián)系、相互補充的具有層次性和結(jié)構(gòu)性的指標(biāo)所構(gòu)成的層次體系，其準(zhǔn)則層都為正向指標(biāo)。用各個土地類型面積所占比例表征土地利用結(jié)構(gòu)，構(gòu)建評價指標(biāo)詳見表2。

表1 土地集約利用評價指標(biāo)體系

表2 土地利用結(jié)構(gòu)指標(biāo)體系

2.2 計算土地集約利用和土地利用結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)

2.2.1 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化 多指標(biāo)評價體系中，由于各評價指標(biāo)的性質(zhì)不同，通常具有不同的量綱和數(shù)量級。當(dāng)各指標(biāo)間的相差很大時，如果直接用原始指標(biāo)值進行分析，就會突出數(shù)值較高的指標(biāo)在綜合分析中的作用，相對削弱數(shù)值較低指標(biāo)的作用。因此，為了保證結(jié)果的可靠性，需要對原始指標(biāo)數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。本研究采用極差標(biāo)準(zhǔn)化對原始指標(biāo)值進行標(biāo)準(zhǔn)化，得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣。計算公式為：

(1)

式中：Xij′——標(biāo)準(zhǔn)化后某指標(biāo)的值；Xij——標(biāo)準(zhǔn)化處理前某指標(biāo)的值；Xjmin——標(biāo)準(zhǔn)化處理前某指標(biāo)的最小值；Xjmax——標(biāo)準(zhǔn)化處理前某項的最大值。

2.2.2 確定各指標(biāo)權(quán)重 為了能客觀反映各個指標(biāo)對目標(biāo)層的影響程度，本研究選擇客觀賦權(quán)法中的熵值法來確定各個指標(biāo)的權(quán)重。某項指標(biāo)的熵值越小，有序度越高；反之越低。

(1) 計算第j項指標(biāo)的比重Pij

(i=1,2,3,…,m；j=1,2,3,…,n)

(2)

(2) 計算第j項指標(biāo)的信息熵值ej：

(i=1,2,3,…,m；j=1,2,3,…,n)

(3)

式中：常數(shù)k=1/lnm(k>0，m——評價單元個數(shù))。

(3) 計算第j項指標(biāo)的冗余度dj：

dj=1-ej(j=1,2,3,…,n)

(4)

(4) 計算第j項指標(biāo)的權(quán)重值Wj：

(5)

2.2.3 確定綜合指數(shù) 由以上得出Pij和Wj，運用多因素評價模型確定綜合指數(shù)F：

(i=1,2,3,…,m；j=1,2,3,…,n)

(6)

我國在土地集約利用評價研究上還沒有一個統(tǒng)一的評價等級標(biāo)準(zhǔn)，本次研究在閱讀大量關(guān)于土地集約利用評價的文獻基礎(chǔ)上[16-19]，結(jié)合慶陽市土地集約利用實際狀況，確定評價指標(biāo)分值分級標(biāo)準(zhǔn)，即把土地集約利用狀態(tài)分為[0，0.45)為土地粗放利用；[0.45，0.6) 為基本集約利用；[0.6，0.75)為適度集約利用；[0.75，1]為高度集約利用。

2.3 確定信息熵

在土地利用結(jié)構(gòu)中信息熵 可以用來反映二者的有序程度。當(dāng)土地利用面積相等，即各類面積占地比例相等時，信息熵最大。即，土地利用類型越多越復(fù)雜，各類型所占土地總面積的百分比差值就會越小，信息熵的值就越大；反之，越小。

(7)

為增加熵的可比性和直觀性，引入均衡度J和優(yōu)勢度I。熵值大小可以反映土地利用的均衡度，熵值越大，土地利用類型越多，各類型面積相差越小，有序度越低，優(yōu)勢度越低，均衡度越高；反之，同理。

(8)

I=1-J

2.4 建立耦合評價模型

耦合是指兩個或兩個以上的系統(tǒng)之間彼此影響的一種現(xiàn)象，用來探索相互協(xié)調(diào)，彼此促進的動態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系。由于沒有土地集約利用與土地利用結(jié)構(gòu)耦合關(guān)系研究相關(guān)文獻，本文在閱讀土地利用結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)耦合分析、土地集約利用和土地利用結(jié)構(gòu)變化相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，選用各土地利用類型面積占比來反映土地利用結(jié)構(gòu)。結(jié)合慶陽市社會經(jīng)濟發(fā)展情況，從土地投入、土地利用強度、土地產(chǎn)出選取相關(guān)評價指標(biāo)來反映土地集約利用。通過土地集約利用和土地利用結(jié)構(gòu)的耦合評價體系反映二者的內(nèi)在聯(lián)系。本文借鑒相關(guān)文獻，建立土地集約利用與土地利用結(jié)構(gòu)耦合度模型。

(9)

式中：C——耦合度，0≤C≤1，C趨于1，表示兩個子系統(tǒng)越協(xié)調(diào)，C趨于0，表示兩個子系統(tǒng)越失調(diào)；F(x,t)——某一時間的土地利用結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)；F(y,t)——某一時間的土地集約利用綜合指數(shù)；K——調(diào)節(jié)系數(shù)，本文共有土地集約利用和土地利用結(jié)構(gòu)兩個子系統(tǒng)，K取值為2。

耦合度只能反映兩個子系統(tǒng)的耦合程度，為了反映二者的綜合，本文引入耦合協(xié)調(diào)度 來反映二者的整體效益。

(10)

式中：α，β——兩個子系統(tǒng)的重要程度，因二者對城市的可持續(xù)發(fā)展同等重要，即α=β=0.5；D值越大，耦合協(xié)調(diào)發(fā)展越好，反之，系統(tǒng)越失調(diào)。借鑒相關(guān)文獻[7-9]，將土地集約利用與土地利用結(jié)構(gòu)兩個系統(tǒng)之間的耦合協(xié)調(diào)度劃分為4個階段：[0，0.4)為低協(xié)調(diào)耦合；[0.4，0.5)為中度協(xié)調(diào)耦合；[0.5，0.8)為高協(xié)調(diào)耦合；[0.8，1]為極度協(xié)調(diào)耦合。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地集約利用變化分析

據(jù)圖1所示，慶陽市土地集約利用綜合指數(shù)總體變化趨勢較為顯著，呈逐年上升狀態(tài)，由2001年的0.01上升到2016年的0.97，平均增幅為0.096。根據(jù)增長幅度變化，可以分為3個時段：2007—2009年，土地集約利用水平相對較低，呈緩慢增長，由0.01增長到0.12；2009—2010年，增速最快，由0.12增長到0.48；2010—2016年，土地集約利用呈穩(wěn)步上升趨勢，土地利用集約化態(tài)勢明顯，由0.48增長到0.97。2009—2010年，土地集約利用綜合指數(shù)變化較大可能是由于慶陽市石油和煤炭儲量豐富，市政府堅持“兩手抓”的思路，既抓資源開發(fā)、又抓轉(zhuǎn)化增值，既抓重工業(yè)、又抓輕工業(yè)，使工業(yè)在穩(wěn)農(nóng)、增收、富市中發(fā)揮骨干作用，促進了社會經(jīng)濟水平。此外，市政府全力發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，使各區(qū)域的道路、供水、排水、垃圾處理等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進展順利。在整個研究期內(nèi)，表征土地集約利用的各個評價指標(biāo)增長速度差別較大，總體上土地投入和土地產(chǎn)出增速較快，土地利用強度增速較慢，其中土地投入中的單位建設(shè)用地固定資產(chǎn)投資額平均增速達(dá)到0.29，土地產(chǎn)出中的地均財政收入平均增速達(dá)到0.23。其次，慶陽市政府大力推動經(jīng)濟發(fā)展，不斷地對土地投入經(jīng)濟、勞動、科技，使土地集約利用水平得到很大程度的提高。

圖1 慶陽市土地集約利用綜合指數(shù)變化

3.2 土地利用結(jié)構(gòu)變化分析

本研究基于土地利用變更數(shù)據(jù)從均衡度、優(yōu)勢度、土地利用綜合指數(shù)和信息熵來反映2007—2016年慶陽市土地利用結(jié)構(gòu)變化狀況。由表3可知在研究期內(nèi)： ①慶陽市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵總體上呈下降趨勢，由1.436 3下降到1.386 4。均衡度逐漸降低，由0.690 7下降到0.666 7，優(yōu)勢度逐漸增加，由0.309 3增加到0.333 3。土地利用結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)呈下降趨勢，由0.765 0下降到0.234 6，其直接原因是土地利用內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整，園地、草地、水域及水利設(shè)施用地、未利用地面積逐漸減小，耕地、林地、交通運輸用地及城鎮(zhèn)村工礦用地在逐漸增加，使得各類土地面積占比差值變大，土地利用結(jié)構(gòu)均衡度降低，趨勢向無序發(fā)展。 ②慶陽市林地面積增加了2 211.72 km2，草地面積減少了1 148.18 km2，未利用地面積減少了1 219.18 km2，慶陽市政府加大土地開發(fā)利用，開發(fā)可墾荒草地、未利用地，以及荒山荒坡植樹造林等使草地和未利用地面積減少。

表3 慶陽市土地利用結(jié)構(gòu)變化

3.3 土地集約利用與土地利用結(jié)構(gòu)耦合分析

根據(jù)相關(guān)公式(9)—(10)得出研究期內(nèi)慶陽市土地集約利用與土地利用結(jié)構(gòu)耦合協(xié)調(diào)評價結(jié)果如圖2所示。 ①土地集約利用與土地利用結(jié)構(gòu)耦合度分析。土地利用結(jié)構(gòu)布局的合理性影響著土地集約利用效率，同時，盡管土地具有有限性和位置固定性的短板，但隨著社會經(jīng)濟和科技的發(fā)展，合理的加大對土地的經(jīng)濟、勞動、科技的投入，提高土地利用效率，進而影響土地集約利用。慶陽市土地利用結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)與土地集約利用綜合指數(shù)耦合協(xié)調(diào)度呈先上升后下降的趨勢，在2007—2010年由0.046 9上升到0.887 2，在2010—2016年由0.887 2下降到0.628 1，主要是因為2010年慶陽市政府加大力度開發(fā)草地和未利用地進行植樹造林，使土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，土地利用結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)下降；在2009—2010年慶陽市土地集約利用指數(shù)增速明顯提高，土地利用結(jié)構(gòu)的變化促進了土地集約利用水平，同時在這段間期耦合協(xié)調(diào)度增速很快，表明土地集約利用與土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)展密切。 ②土地集約利用與土地利用結(jié)構(gòu)耦合協(xié)調(diào)度分析。據(jù)圖2所示，研究期內(nèi)慶陽市土地集約利用與土地利用結(jié)構(gòu)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展度呈逐步上升的趨勢，由0.134 7上升到0.614 5。根據(jù)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展度評價標(biāo)準(zhǔn)，2007—2008年屬于低協(xié)調(diào)耦合；2009—2010年屬于中度協(xié)調(diào)耦合；2010—2016年屬于高度協(xié)調(diào)耦合。因此，2007—2016年土地集約利用與土地利用結(jié)構(gòu)兩個系統(tǒng)之間的耦合性越來越好，慶陽市越來越重視土地利用布局和土地利用效率的協(xié)調(diào)發(fā)展，在大力推動經(jīng)濟發(fā)展的同時，也注重提高土地利用的效率，調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，優(yōu)化布局。

圖2 慶陽市2007-2016年土地集約利用與土地利用結(jié)構(gòu)耦合協(xié)調(diào)評價結(jié)果

4 討論與結(jié)論

(1) 慶陽市土地集約利用水平呈上升趨勢，達(dá)到高度集約利用。可以分為3個時段；2007—2009年，由0.01增長到0.12；2009—2010年，由0.12增長到0.48；2010—2016年，由0.48增長到0.97。

(2) 慶陽市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵總體上呈下降趨勢，主要表現(xiàn)在園地、草地、水域及水利設(shè)施用地、未利用地面積逐漸減小，其中草地和未利用地面積減小最多；耕地、林地、交通運輸用地，城鎮(zhèn)村及工礦用地在逐漸增加，其中林地面積增加最多。

(3) 慶陽市土地集約利用與土地利用結(jié)構(gòu)耦合度、耦合協(xié)調(diào)度總體呈上升的趨勢，土地利用結(jié)構(gòu)的變化促進了土地集約利用水平的提高，兩個系統(tǒng)趨向于協(xié)調(diào)、平穩(wěn)的發(fā)展。

在土地集約利用與土地利用結(jié)構(gòu)現(xiàn)有的研究中，對單一系統(tǒng)的評價研究工作較為成熟，但對二者結(jié)合起來研究的成果較少，在現(xiàn)有研究中大多是對各個功能地類與土地集約度的關(guān)系研究，主要針對各個地類與土地集約度的相關(guān)程度提出建議和意見，鮮見對土地集約利用與土地利用結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)分析的研究。而本文引入耦合協(xié)調(diào)模型，系統(tǒng)地研究土地利用結(jié)構(gòu)與土地集約利用兩個系統(tǒng)間的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系，從整體上研究二者關(guān)系，是一個新的方向。結(jié)合本文與現(xiàn)有研究的思路，后續(xù)研究中可以同時對研究區(qū)進行兩個系統(tǒng)關(guān)系研究和各個地類與土地集約利用系統(tǒng)進行研究，整體上掌握二者關(guān)系，局部進行土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整和優(yōu)化，以達(dá)到最優(yōu)的效果。本文不足之處是本研究主要著眼于時間變化分析，缺少在空間尺度的特征分析，未來應(yīng)結(jié)合時間與空間雙重尺度對區(qū)域土地集約利用和土地利用結(jié)構(gòu)進行研究。