平原-山地過渡帶土地利用綜合效益耦合協(xié)調度及時空變化研究
——以四川省樂山市為例

張 琴， 李加安， 潘洪義

（四川師范大學地理與資源科學學院西南土地資源評價與監(jiān)測教育部重點實驗室，四川成都610066）

土地利用效益是指一切加諸在土地利用活動中，所取得包括經(jīng)濟、社會、生態(tài)環(huán)境等有用的活動成果的總稱［1］.耦合協(xié)調度是指兩個或多個系統(tǒng)通過各種相互作用而相互影響，在這個作用過程中，系統(tǒng)或系統(tǒng)內各要素之間和諧一致，關系配合得當?shù)默F(xiàn)象［2］.山地平原過渡帶是山地與平原兩大地域單元的交接地帶，具有明顯的自然地理邊緣效應，生態(tài)環(huán)境承受壓力較大，研究其土地利用效益耦合協(xié)調度對改善過渡帶的生態(tài)與土地利用具有重要意義［3］.隨著我國各地區(qū)經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展，城市化和工業(yè)化的水平不斷提高，資源浪費、環(huán)境破壞等問題越來越突出，如何促進土地利用的經(jīng)濟、社會、生態(tài)效益三者之間協(xié)調發(fā)展尤為重要.

國內外已有很多關于土地利用效益的研究，國外學者對土地利用效益的影響因素、土地利用效益的評價及土地利用效益的政策等多方面進行大量研究［4-6］.國內學者同樣從不同方面展開了研究，文獻［7-8］以熵值法、變異系數(shù)法對土地利用經(jīng)濟效益或社會效益進行了分析；史進等［9］基于規(guī)模、結構和集約三維視角，對中國城市群進行了綜合分析；熊征等［10］采用主成分分析法，基于耦合度模型分析1996—2010年武漢市土地利用社會經(jīng)濟效益與生態(tài)環(huán)境效益之間的協(xié)調程度；趙丹丹等［11］采用DEA模型和因子分析法對城市土地利用效率與城市化水平進行了測度，并對二者耦合協(xié)調關系展開了分析；張海朋等［12］改進了土地利用程度分級法，借助耦合協(xié)調度和相對發(fā)展度模型探討了2000—2015年西峽各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用程度與效益耦合協(xié)調關系的時空演變特征；黃鸝等［13］基于耦合協(xié)調度模型，采用熵值賦權與變異系數(shù)法，分析了2013年黑龍江省土地利用經(jīng)濟-社會-生態(tài)效益兩兩間耦合協(xié)調性.彭博等［14］運用耦合協(xié)調模型，采用熵值法，對中國各省份2008—2014年經(jīng)濟、社會和環(huán)境系統(tǒng)三者之間的耦合協(xié)調性進行測度和評價.

目前，在土地利用效益的研究中，多就土地利用的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益中的兩者之間的關系進行探討；在時空范圍上，多以連續(xù)年份面板數(shù)據(jù)城市群區(qū)域為主，其時間跨度較短；并且研究尺度主要是省域和市域，其研究視角多為不同土地利用類型，而以地形特征的視角來研究平原—山地過渡帶土地利用經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益三者之間耦合協(xié)調性較少，對空間差異的刻畫更為鮮見.由于2008年發(fā)生“汶川”特大地震，樂山市也受到一定程度的影響，目前可獲取的數(shù)據(jù)為2016年，為保持年份前后一致，因此，本文選取2000年、2008年和2016年3個具有代表性的年份，以平原一山地過渡帶作為研究對象，選取樂山市各縣（市、區(qū)）為研究區(qū)域，運用變異系數(shù)法和熵值法，分別從經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益以及綜合效益進行研究，揭示不同時間的效益動態(tài)變化和空間差異，并在此基礎上，分析土地利用經(jīng)濟-社會-生態(tài)效益三者之間耦合協(xié)調性，以期為提高樂山市土地利用效益與區(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)上的支撐和理論上的參考.

1 研究區(qū)概況

樂山市地處岷江、青衣江、大渡河中下游，四川盆地向西南山地過渡地帶（東經(jīng)102°15′～104°15′、北緯28°28′～29°56′之間），總體趨勢西南高，東北低，最高海拔4 288 m，最低海拔307 m，高差懸殊大.全市屬于中亞熱帶氣候帶，具有四季分明的特點.地貌有山地、丘陵、平壩3種類型，以山地為主，平均海拔500 m，樂山城區(qū)海拔360 m（圖1）.樂山市幅員面積12 827 km2，占四川省幅員面積的2.64%.轄區(qū)含11個區(qū)市縣，分別是4個市轄區(qū)、4個縣和2個自治縣，代管1個縣級市，其中，2個國家級貧困縣：沐川縣和馬邊彝族自治縣，2個省級貧困縣：金口河區(qū)和峨邊彝族自治縣，這“三縣一區(qū)”是精準扶貧的重點對象.2017年，全市戶籍人口354.7萬，年末常住人口326.5萬人.樂山市為四川省平原向山地過渡的典型地帶，是成（都）綿（陽）樂（山）經(jīng)濟帶重要組成部分，其土地利用變化較為強烈，同時存在生態(tài)環(huán)境脆弱的特點，因此研究該區(qū)域土地利用效益耦合協(xié)調度和時空變化既可以揭示平原山地過渡帶的耦合協(xié)調度現(xiàn)狀和區(qū)域內的時空差異，為其優(yōu)化發(fā)展指明方向；又可以為其貧困縣的發(fā)展提供借鑒.

圖1 研究區(qū)位置及高程示意圖Fig.1 Research area location and elevation diagram

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源依據(jù)資料的可獲取性與現(xiàn)實性等條件，樂山市行政區(qū)劃圖來自中國基礎地理數(shù)據(jù)，統(tǒng)計數(shù)據(jù)包括經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境三方面的數(shù)據(jù)，主要來源于2000年、2008年和2016年樂山市各區(qū)市縣土地利用效益相關數(shù)據(jù)《樂山統(tǒng)計年鑒（2001—2017）》，部分數(shù)據(jù)由計算所得.

2.2 研究方法

2.2.1指標體系的構建 為了使研究結果能更好的反映研究區(qū)域概況，在指標選取時，要遵循科學性、系統(tǒng)性、可操作性等原則，結合樂山市實際情況，借鑒已有研究成果［7-14］，選取經(jīng)濟效益、社會效益、生態(tài)效益3個準則層，投入程度、經(jīng)濟效果、人民生活水平、社會發(fā)展狀況、生態(tài)條件和環(huán)境質量6個因子層，共24個具體指標，構建樂山市土地利用綜合效益評價指標體系（表1）.

2.2.2指標數(shù)據(jù)標準化的處理 由于每個指標都具有各自的特點且量綱單位不同，為方便數(shù)據(jù)研究，采用極差法對數(shù)據(jù)進行無量綱化處理.指標標準化公式如下：正向指標

負向指標

適度指標

其中，Xij為標準處理的數(shù)值；xij為指標實際值；別為指標數(shù)據(jù)最大值和最小值；i表示城市，j表示指標個數(shù)為城市i第j個指標的理想.

2.2.3指標權重確定的方法 指標權重的確定方法有很多，主要分為主觀賦權法和客觀賦權法這2個方面，包括層次分析法、熵值法、主成分分析法及變異系數(shù)法等.本文采用變異系數(shù)法和熵值法這2種客觀賦權法確定權重，將其進行組合賦權確定綜合權重，不但能減輕主觀賦權法導致的偏差，而且能避免單一客觀賦權法所帶來的錯誤與缺點.

用變異系數(shù)法［15］確定指標的權重Sj：

其中，n為城市數(shù)是第j項指標的平均數(shù)，Xij是第j項指標的標準差，m為指標個數(shù)，Vj表示變異系數(shù).

用熵值法［］確定指標的權重Wj：16

其中，Yij為城市i的第j項指標值的比重，k＝1／lnn為常數(shù)，為指標冗余度dj.

用組合賦權法確定綜合權重：

綜合效益得分：

其中，u為綜合效益得分，u1、u2、u3為分別代表土地利用經(jīng)濟、社會、生態(tài)效益3個子系統(tǒng)綜合水平，m為指標個數(shù)，Xij為標準值，Zj為第j項指標的綜合權重.ut∈［0，1］，ut值越大，說明效益越好.

通過把相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行標準化處理，利用熵值法和變異系數(shù)法分別計算權重，再結合（6）式計算出樂山市土地利用效益的綜合權重（表1）.

指標性質分為正向、負向和適度指標三類.由于適度指標的理想值難以確定，故根據(jù)研究區(qū)域實際情況可轉化為正向或負向指標.選取的指標中有人口密度和單位種植面積農用化肥施用量為適度指標，由于樂山市目前的農業(yè)土地使用化肥的程度遠高于世界平均水平，農業(yè)技術革新迫在眉睫，加之受樂山市經(jīng)濟發(fā)展水平和科技創(chuàng)新能力等因素影響，在處理中將以上兩個指標轉化為負向指標.

2.2.4土地利用經(jīng)濟-社會-生態(tài)效益的耦合度模型 耦合是物理學中的概念，指2個（或2個以上）體系通過相互作用而互相影響的現(xiàn)象［17］.根據(jù)樂山市土地利用效益現(xiàn)狀，借鑒物理學中的耦合協(xié)調度模型來定量辨識土地的經(jīng)濟、社會及生態(tài)功能間相互作用的強弱及耦合協(xié)調程度，揭示三者之間的協(xié)同演化狀態(tài)［18］，其公式為：

其中，C為各地區(qū)3種效益之間的耦合度，u1、u2、u3分別為各地區(qū)土地利用經(jīng)濟、社會、生態(tài)效益得分.C∈［0，1］，C＝0時，耦合度極小，系統(tǒng)間或系統(tǒng)內部要素之間處于無序狀態(tài)；當C＝1時，耦合度極大，子系統(tǒng)之間或系統(tǒng)內部要素之間達到良性共生耦合；當C∈（0，0.3］、（0.3，0.5］、（0.5，0.8］、（0.8，1］時，土地利用效益分別處于低度耦合、拮抗、磨合和高度耦合階段［19］.

2.2.5土地利用經(jīng)濟-社會-生態(tài)效益的協(xié)調度模型 協(xié)調度是指系統(tǒng)演變過程內部各要素各種質的差異部分，在組成一個統(tǒng)一整體時的相互和諧一致的屬性［20］.由于2個子系統(tǒng)發(fā)展水平各異，因此有可能存在兩者評價得分均較低而耦合度較高的結果［21］.故采用協(xié)調度模型評價各效益之間的協(xié)調發(fā)展水平，其公式為：

表1 樂山市土地利用綜合效益指標體系Tab.1 Comprehensive benefit index system of land use in Leshan City

其中，D為各地區(qū)3種效益之間的協(xié)調度，D∈［0，1］；T為各地區(qū)土地利用經(jīng)濟、社會、生態(tài)效益的綜合協(xié)調指數(shù)；a、b、c為待定系數(shù)，且a+b+c＝1.在此研究中，參見文獻［13］，土地利用經(jīng)濟、社會、生態(tài)效益同等重要，故a＝b＝c＝1／3；將其劃分為10個等級：1）D∈（0，0.1］為極度失調；2）D∈（0.1，0.2］為嚴重失調；3）D∈（0.2，0.3］為中度失調；4）D∈（0.3，0.4］為輕度失調；5）D∈（0.4，0.5］為瀕臨失調；6）D∈（0.5，0.6］為勉強協(xié)調；7）D∈（0.6，0.7］為初級協(xié)調；8）D∈（0.7，0.8］為中級協(xié)調；9）D∈（0.8，0.9］為良好協(xié)調；10）D∈（0.9，1］為優(yōu)質協(xié)調［22］.

3 結果與分析

3.1 土地利用綜合效益時空變化分析由（7）式計算出綜合效益得分；運用ArcGIS 10軟件的自然斷裂法將其劃分為低值區(qū)、中低值區(qū)、中值區(qū)、中高值區(qū)和高值區(qū)（圖2）.通過對比可以發(fā)現(xiàn)，2000、2008和2016年樂山市各縣（市、區(qū)）土地利用綜合效益得分呈現(xiàn)不同幅度的變化.

圖2 2000、2008和2016年樂山市土地利用綜合效益得分空間分布Fig.2 Spatial distributions of land use comprehensive benefit scores in Leshan City in 2000，2008 and 2016

從圖2可知，樂山市土地利用綜合效益空間分布差異性顯著且保持兩級分化的特點，北部平原區(qū)較高，最高是市中區(qū)，維持在0.8左右；而南部山地區(qū)較低，最低是馬邊彝族自治縣，介于0.1～0.2之間.2000—2008年，沙灣區(qū)和五通橋區(qū)土地利用綜合效益從中值區(qū)上升到中高值區(qū)，峨邊彝族自治縣和沐川縣從中低值區(qū)下降到低值區(qū)，經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益均下降，但生態(tài)效益仍最高，維持在0.1左右，經(jīng)濟效益最低，維持在0.03左右，效益之間差異顯著，在發(fā)展過程中，經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益未能保持均衡發(fā)展，總體水平下降.2008—2016年，唯有沐川縣，從低值區(qū)上升到中低值區(qū)，其他區(qū)縣出現(xiàn)不同程度波動，但均保持原來的分值區(qū)，因為發(fā)揮地理優(yōu)勢，發(fā)展旅游業(yè)，兼顧經(jīng)濟效益和生態(tài)效益，總體水平提高.而2000—2016年馬邊彝族自治縣和市中區(qū)的效益分值一直分別保持在低值區(qū)和高值區(qū)，相差0.65左右.

3.2 土地利用經(jīng)濟-社會-生態(tài)效益耦合度與協(xié)調度分析

3.2.1耦合度分析 從圖3可知，樂山市各縣（市、區(qū)）土地利用經(jīng)濟-社會-生態(tài)效益耦合度分別處于低度耦合和拮抗階段，耦合度水平較低.

圖3 2000、2008和2016年樂山市土地利用經(jīng)濟-社會-生態(tài)效益耦合度空間分布Fig.3 Spatial distributions of coupling degree of land use economic-social-ecological benefits in Leshan City in 2000，2008 and 2016

總體來看，2000—2016年樂山市各縣（市、區(qū)）土地利用經(jīng)濟-社會-生態(tài)效益耦合度變化幅度較小，區(qū)域差異不大，但平原區(qū)大多為拮抗階段，山地區(qū)為低度耦合階段.2000年，樂山市各縣（市、區(qū)）耦合度除夾江縣、五通橋區(qū)等4個縣區(qū)為低度耦合期，其余均為拮抗期；2008年，沙灣區(qū)耦合度下降，馬邊彝族自治縣耦合度上升，與五通橋區(qū)一同處于低度耦合期，其余耦合度上升，但仍處于拮抗期；2016年，樂山市各縣（市、區(qū)）耦合度逐漸集中，處于拮抗階段的區(qū)域主要分布在樂山市的東北部平原，處于低度耦合階段的區(qū)域在樂山市的西南部山地，即峨邊彝族自治縣和馬邊彝族自治縣.既受地形西南高東北低的影響，又因為各縣（市、區(qū)）在發(fā)展社會經(jīng)濟的同時，忽略了生態(tài)環(huán)境的保護，人地矛盾突出，經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益耦合度低，尤其是峨邊彝族自治縣和馬邊彝族自治縣.

3.2.2協(xié)調度分析 由圖4可知，樂山市各縣（市、區(qū)）協(xié)調度呈現(xiàn)不均衡發(fā)展的特點，平原與山地協(xié)調度差異明顯.

圖4 2000、2008和2016年樂山市土地利用經(jīng)濟-社會-生態(tài)效益協(xié)調度空間分布Fig.4 Spatial distributions of coordination degree of economic-social-ecological benefits of land use in Leshan City in 2000，2008 and 2016

圖5 2000—2016年樂山市土地利用經(jīng)濟-社會-生態(tài)效益協(xié)調度變化Fig.5 Changes of coordination degree of economic-socialecological benefits of land use in Leshan City from 2000 to 2016

從時間尺度看，2000—2016年樂山市各縣（市、區(qū)）協(xié)調度發(fā)生不同幅度變化，總體上存在上升的趨勢（圖5），但仍處于失調狀態(tài).2000年僅有平原區(qū)的峨眉山市和市中區(qū)協(xié)調性較好，處于中度失調，大部分縣（市、區(qū)）處于嚴重失調，更有山地區(qū)的馬邊彝族自治縣處于極度失調狀態(tài).對比發(fā)現(xiàn)，2008年平原區(qū)的五通橋區(qū)協(xié)調度提高為中度失調；山地區(qū)的峨邊彝族自治縣和沐川縣協(xié)調度下降；其余區(qū)縣協(xié)調度保持原有狀態(tài).2016年以來，沙灣區(qū)協(xié)調度提高為中度失調狀態(tài)；馬邊彝族自治縣協(xié)調性得以突破，出現(xiàn)較好的態(tài)勢，從極度失調轉為嚴重失調；各縣（市、區(qū)）協(xié)調度均有所提高.

從空間尺度看，樂山市土地利用經(jīng)濟-社會-生態(tài)效益協(xié)調度分布不均，協(xié)調度較好的區(qū)域與綜合效益得分較高的地域基本一致，都集中在平原區(qū)，市中區(qū)最好，協(xié)調度在0.29左右，并存在往輕度失調發(fā)展的趨勢；而綜合效益得分較低和耦合度、協(xié)調度較差的區(qū)域都分布在山地區(qū)，馬邊彝族自治縣最差，協(xié)調度在0.1左右，但總體存在上升趨勢.樂山市各縣域協(xié)調度較好的城市數(shù)量增加，由2個縣區(qū)協(xié)調性較好提升到4個縣區(qū)協(xié)調性較好，各城市協(xié)調發(fā)展水平都有較大提升.

由上述分析可看出，馬邊彝族自治縣、峨邊彝族自治縣、沐川縣和金口河區(qū)（三縣一區(qū)）這幾個處于地勢較高、地形起伏大的縣區(qū)，由于受自然條件的影響，土地利用限制性因素較多，經(jīng)濟發(fā)展水平低，耦合協(xié)調度極低；其余區(qū)縣在經(jīng)濟社會發(fā)展時，未能深入挖掘土地資源，使得各效益間的協(xié)調度處于失調狀態(tài).

4 討論與結論

4.1 討論本文研究平原山地過渡帶的土地利用耦合協(xié)調度及時空變化，而樂山市是四川盆地向西南山地過渡地帶的典型，以此為例，綜合分析發(fā)現(xiàn)，樂山市土地利用綜合效益耦合協(xié)調度雖在不斷增加，但總體水平偏低，平原與山地差異明顯，土地利用的經(jīng)濟-社會-生態(tài)系統(tǒng)間不協(xié)調.

在十九大的背景下，根據(jù)平原與山地的不同實際情況提出對應建議.對于山地區(qū)的“三縣一區(qū)”應該打好脫貧攻堅戰(zhàn)，不斷完善道路等基礎設施建設，提高教育文化水平，化劣勢為優(yōu)勢，利用自然條件發(fā)展旅游業(yè)，吸引外地游客；對于市中區(qū)、五通橋區(qū)、沙灣區(qū)和峨眉山市這4個地區(qū)，經(jīng)濟社會發(fā)展較為迅速，要著重加強生態(tài)建設，不斷增加綠地面積，提高廢棄物處理技術，并優(yōu)化其設備，保持三大效益同步上升；而其他區(qū)縣需調整土地利用方式，根據(jù)自身條件，挖掘土地潛力，在發(fā)揮好生態(tài)環(huán)境優(yōu)勢的基礎上，加強社會經(jīng)濟建設，調整產業(yè)結構，大力發(fā)展以旅游業(yè)為主的第三產業(yè)，提高土地利用率，充分響應“綠水青山就是金山銀山”，使得經(jīng)濟-社會-生態(tài)系統(tǒng)和諧共生，提高其耦合協(xié)調性.

本文以平原山地過渡帶作為研究對象，僅以樂山市11個縣級尺度為例，通過耦合協(xié)調度模型，研究樂山市土地利用綜合效益、耦合度和協(xié)調度的時空特征及演變規(guī)律，未深入到鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度，使其精確性稍弱.除此之外，受數(shù)據(jù)來源局限，部分更加具有代表性的指標未能選取，使得樂山市土地利用經(jīng)濟-社會-生態(tài)三者之間的耦合協(xié)調度仍有一定的偏差.如何改善樂山市土地利用方式，提高其效益，特別是“三縣一區(qū)”使其綠色有序發(fā)展，需進一步研究分析.

4.2 結論1）2000—2016年樂山市各縣域土地利用綜合效益空間差異大且兩極分化明顯，東北部平原區(qū)較高，而西南部山地區(qū)較低，其效益最高值和最低值分別為市中區(qū)和馬邊彝族自治縣，2個區(qū)縣效益得分相差0.65左右.沙灣區(qū)、夾江縣等4個縣區(qū)的綜合效益隨時間穩(wěn)定增長，但增加幅度不一；而金口河區(qū)和峨邊彝族自治縣隨時間持續(xù)下降，但下降幅度較小；其他區(qū)縣波動變化.

2）2000—2016年樂山市土地利用經(jīng)濟-社會-生態(tài)三者效益之間的耦合度水平低且變化幅度較小，區(qū)域差異不大，但平原區(qū)大多為拮抗階段，山地區(qū)為低度耦合階段.樂山市各（市、區(qū)）耦合度在研究期內總體上都在提升，尤其是夾江縣和五通橋區(qū)由低度耦合轉變?yōu)檗卓闺A段；沙灣區(qū)和峨邊彝族自治縣隨時間不斷在低度耦合和拮抗間變化；馬邊彝族自治縣雖一直處于低度耦合階段，但在不斷上升.

3）2000—2016年樂山市土地利用經(jīng)濟-社會-生態(tài)三者效益之間的協(xié)調度區(qū)域差異顯著，主要呈現(xiàn)為極度失調、嚴重失調和中度失調.平原區(qū)的協(xié)調度較高，與綜合效益高得分值一致，山地區(qū)的協(xié)調度較低，與綜合效益低得分值和耦合度低值均一致.各縣（市、區(qū)）協(xié)調度也在不斷提高，沙灣區(qū)和五通橋區(qū)由嚴重失調轉為中度失調，馬邊彝族自治縣由極度失調轉為嚴重失調，但仍處于失調階段，需待繼續(xù)提升效益三者間的協(xié)調性.