基于耦合模型的长春市建设用地与经济发展双向作用研究

刘蜀涵，王冬艳，李　红

(吉林大学地球科学学院，吉林 长春 130061)

基于耦合模型的长春市建设用地与经济发展双向作用研究

刘蜀涵，王冬艳，李红

(吉林大学地球科学学院，吉林 长春 130061)

[摘要]在构建了“建设用地-经济发展”系统的基础上，建立耦合模型，并利用长春市2001—2010年数据，测算了长春市建设用地与经济发展系统综合指数、耦合度及耦合协调度.结果表明：长春市2001—2010年间“建设用地与经济发展”系统耦合度持续上升并持续保持在高耦合度阶段，两子系统间关系日益紧密，不断发展；系统间耦合协调度不断提高，结合系统间综合指数及耦合度，当系统处于低耦合协调度状态下的高度耦合阶段时表明建设用地与经济发展间存在相互制约的不协调发展关系，后随着土地利用方式等的转变，系统协调性不断提高，逐步向有序方向发展.

[关键词]建设用地；经济发展；耦合模型；双向作用；长春市

近年来我国经济持续高速发展，城市化进程加快，导致大量农地向城市用地流转，建设用地面积快速增加.未来一段时间内，建设用地仍将继续扩张，土地资源与用地需求间的矛盾将逐渐加深.研究建设用地与经济发展间的关系，对于调节土地供需矛盾，在保障经济发展的同时实现建设用地的节约集约利用具有重要意义.目前对建设用地与经济发展间的关系研究，许多学者从单一方向入手，研究了建设用地对经济增长的贡献及影响或分析经济要素对建设用地的驱动作用等[1-2]，而建设用地与经济发展间是复杂的双向作用关系，仅从单向分析难以揭示系统间的相互作用和建设用地与经济发展间的协调程度.

对于建设用地对经济增长的贡献研究，丰雷(2008)等[3]在索洛模型里加入了土地要素，实证分析了土地对经济增长的贡献和影响机制；杜官印(2010)等[4]利用数据包络CCR模型研究了建设用地等投入要素对GDP产出的影响；叶剑平(2011)等[5]利用生产函数与空间面板模型剥离了土地要素对中国经济增长的贡献.在研究经济要素对建设用地的影响方面， Fischer.G(1997)等[6]在LUCC土地利用变化驱动力研究中将社会经济变化概括为影响土地利用的一个因素；刘瑞(2009)等[7]利用Logistic回归模型分析了经济发展对建设用地扩张的影响及作用强度.而关于建设用地与经济发展间相互作用的研究中，曲福田(2004)等[8]提出了经济增长与耕地非农化间的库兹涅茨曲线假说并进行了验证；钟太洋(2010)等[9]引入环境领域的脱钩理论对经济增长与建设用地扩张间进行了脱钩分析；骆东奇(2007)等[10]在分析重庆市土地利用与经济发展的耦合关系时利用线性相关进行了分析.以往的研究多注重研究建设用地与经济发展间的单向作用关系，但是两者间的作用是相互的，简单的线性分析很难对系统间的相互作用进行全面的阐述.因此，本文在分析了建设用地与经济发展间存在线性相关关系的基础上，进一步深化了耦合内涵，构建了耦合模型，从双向角度入手，分析了两个系统间的耦合性以及耦合协调性，探讨了建设用地与经济发展间的双向协调作用关系.

1建设用地-经济发展体系及模型的构建

1.1指标体系的构建

本文以长春市为例，建立“建设用地-经济发展指标体系”，通过文献检索及专家咨询的方法在两个子系统中分别选择影响较大的7个指标，并确定指标指向性[11].根据《长春市统计年鉴》中长春市2001—2010年数据，计算指标权重并构建耦合度模型及耦合协调度模型，进行耦合分析.

1.2耦合模型的构建

耦合是物理学中的一个概念，是指两个或两个以上系统或运动方式之间通过各种相互作用而彼此影响以至协同的现象，是在各子系统之间的良性互动下，相互依赖、相互协调、相互促进的动态关联关系[12].系统从无序走向有序的过程就是要素和子系统相互协同的过程，程度由耦合度来表示.基于这种理论，可以通过耦合模型来确定两个系统间的相互作用及影响关系.本文将建设用地和经济发展作为两个子系统，系统间的相互影响定义为“建设用地-经济发展”耦合度，利用耦合模型了解两者间的相互关系.

1.2.1耦合函数

借鉴物理学中耦合概念及模型，可以推广出适用于多个系统间相互作用的耦合模型，可表示为

Cn={(u1·u2·…·un)/∏(ui+uj)}1/n.

(1)

式中：Cn为耦合值，C∈[0，1]；n为子系统个数，本文中有建设用地与经济发展两个子系统，n=2；u为系统的功效系数，通过系统综合指数表征，表示子系统对系统的贡献.“建设用地-经济发展”子系统耦合度可以分为6种类型，详见表1[12].

表1　耦合度类型划分表

1.2.2综合指数

指标对系统的贡献程度可以用功效系数u表示，建设用地-经济发展系统的功效系数可表示为：

(2)

式中：ui(i=1，2，…，m)为系统序参量；uij表示第i个序参量的第j个指标，是变量xij对系统的功效贡献大小，uij∈[0，1]；α，β为系统稳定临界点上序参量的上、下限值.

子系统中各个序参量对系统的总贡献可以表示为综合指数：

(3)

式中：ui表示子系统序参量对总系统的贡献；λij表示各个序参量的权重.权重的计算可以通过特尔菲法、AHP、主成分分析法等多种方法得出，但多具有较大的主观性或体现的是简单的线性关系.基于本文主要研究两个系统间多项指标间的耦合关系，故采用熵值法加以确定，在一定程度上避免了主观因素带来的偏差，更有利于客观分析系统间的非线性关系.熵值法确定权重方式如下.

将各指标数值进行标准化，其公式为：

(4)

式中：xij表示第i年第j个指标数值；max(xj)和min(xj)分别为所有年份中第j项评价指标的最大值和最小值.利用熵值法计算系统中各项指标熵值及熵权值，其中m为评价年数，n为指标数.

定义熵

(5)

定义熵权

(6)

利用系统中各项指标数据可计算得出指标熵值和熵权值.

1.2.3耦合协调度模型

耦合度对反映建设用地与经济发展间的耦合作用强度、发展进程等具有重要意义.但是，单纯依靠耦合度并不能完全表征两系统间的耦合协调程度，当两个系统综合发展水平均较低时，也可以得到两者间耦合程度较高的结果.因此可构建耦合协调度模型，更全面地反映两系统间的耦合协调程度.耦合协调度模型如下：

(7)

式中：D为耦合协调度；C为耦合度；T为建设用地与经济发展间的综合协调指数，表示了建设用地与经济增长的整体发展水平对协调度的贡献；u1，u2为两个系统的综合评价指数；A，b为待定系数，经参考相关研究，取A=b=0.5[12].对于耦合协调度可以进行如下分类：①D∈(0，0.3]为低度协调耦合；②D∈(0.3，0.5]为中度协调耦合；③D∈(0.5，0.8]为高度协调耦合；④D∈(0.8，1]为极度协调耦合.

2建设用地与经济发展耦合关系的实证分析

2.1长春市建设用地与经济发展相关性分析

研究数据来自2001—2010年《长春市统计年鉴》.利用长春市建设用地面积、GDP数值及固定资产投资额数据进行相关性分析，得出长春市2001—2010年建设用地面积变化与地区GDP及固定资产投资间的相关关系，结果见图1、图2.

图1　长春市建设用地面积与地区GDP的相关关系

图2　长春市建设用地面积与固定资产投资的相关关系

由图1、图2可以看出，长春市地区GDP和固定资产投资与建设用地面积呈高度正相关，地区GDP与建设用地面积相关系数为0.942 2，呈极显著正相关，相关关系模型为y=0.059x-11 612；固定资产投资与建设用地面积的相关系数为0.955 2，呈极显著正相关，相关关系模型为y=0.069 6x-14 748.上述相关性关系表明，长春市建设用地与经济发展间相关程度很高，可以利用耦合模型进一步分析系统间的耦合关系.

2.2长春市建设用地与经济发展耦合关系

2.2.1指标权重计算

本文选取长春市2001—2010年10年间的数据，对长春市建设用地与经济发展间的耦合关系进行分析.首先根据熵值法求得建设用地与经济发展两子系统中各个指标的权重，结果见表2.

表2　建设用地-经济发展系统指标权重

得出权重后，根据耦合模型以及耦合协调度模型，计算出两个子系统的功效系数(U)、耦合度(C)以及耦合协调度(D).

根据测算，得出2001—2010年长春地区建设用地与经济发展的耦合度及耦合协调度，结果见表3.

表3　长春市建设用地与经济增长耦合度与耦合协调度值

2.2.2综合指数分析

综合指数能够表示指标对系统的贡献大小，本文计算了建设用地与经济发展两个子系统对整个系统的贡献率，结果见图3.

2001年以来长春市建设用地与经济发展综合指数均呈上涨态势，2001—2009年建设用地综合指数一直大于经济发展综合指数，2010年经济发展综合指数超过建设用地综合指数，而建设用地综合指数在一定程度上代表了建设用地的节约集约利用程度，计算结果能够表明经济发展和建设用地发展水平在10年间均持续快速增长.其中2004年建设用地综合指数有所波动，是由于长春市2003年调整土地政策，导致2004年长春市建设用地数量有较大提高，因此建设用地对长春市总体发展贡献相对减小，综合指数也随之减小.

从其数值来看建设用地综合指数由2001年的0.110增长到2010年的0.924，表明建设用地节约集约利用水平有了显著提升，到2010年已经达到较高水平的节约集约利用程度.经济发展综合水平也由2001年的0.014增长到2010年的0.985，说明经济发展综合水平也已经达到较高标准.

图3　长春市建设用地与经济发展综合指数

图4　长春市建设用地与经济发展耦合度

2.2.3耦合度分析

利用耦合模型及相关数据，对两系统进行耦合分析，得到耦合度的变化结果(见图4).

结果表明，2001—2010年间长春市建设用地与经济发展系统间一直处于高度耦合阶段，其中2001—2006年间耦合度快速上升，其数值由2001年的0.626升至2006年的0.991，在2004年达到一个峰值，后又有回落.2007年后持续保持在高耦合度阶段，维持在0.99以上，系统间趋向有序发展.

两系统间的高耦合度说明建设用地与经济发展两个系统间耦合性强、联系紧密，经济发展仍然是建设用地的主要驱动力之一.但也反映出经济发展很大程度上依赖建设用地的扩张，继而引发“土地财政”等问题，而经济发展对建设用地的驱动作用也加快了建设用地的扩张，通过建设用地扩张来实现经济的快速增长就会使大量建设用地被粗放利用，导致土地节约集约利用程度不高.

2.2.4耦合协调度分析

图5　长春市建设用地与经济发展耦合协调度

由耦合协调度模型计算出10年间长春市建设用地及经济发展系统的耦合协调度，结果见图5.

耦合协调度表明，长春市2001—2010年间建设用地与经济发展两个系统耦合协调度呈持续上升趋势，其数值由2001年的0.110增长至2010年的0.690.其中2001—2003年两系统耦合协调度为低度协调耦合阶段，2004—2006年为中度协调耦合阶段，2007年以后进入高度协调耦合阶段.

结合系统综合指数，在低耦合协调度下两系统间的高耦合度表明建设用地与经济发展在相互制约、限制下不断发展，经济增长过度依赖建设用地的增加，建设用地难以节约集约利用，从而会造成经济发展与建设用地间的恶性循环.随着耦合协调度和综合水平的不断上升，两系统间正逐渐转变到更加协调发展的方向上，原因主要是政府能够及时转变经济发展和土地利用方式，使经济增长不过度依赖建设用地的增加，有效遏制了“土地财政”问题，调节土地政策，保障土地节约集约利用，从而使建设用地与经济发展间耦合协调程度不断上升，相互作用更加紧密且协调，系统逐步向有序发展.

3结论

长春市2001—2010年间建设用地和经济发展系统耦合分析表明：

(1)长春市10年间建设用地与经济发展单项综合指数均呈上升趋势，说明其对经济和社会发展贡献率不断提高；从其数值意义来看，经济发展水平不断提升，建设用地子系统在10年间由粗放利用水平逐渐转变为高节约集约利用水平.

(2)从耦合度数值来看，在2001—2010年间长春市建设用地与经济发展耦合度快速上升，后持续保持在高耦合度阶段，说明长春市建设用地与经济发展间关系紧密，两者间联系不断增强且均快速发展.

(3)从耦合协调度分析，长春市建设用地与经济发展间作用关系在10年间逐渐由低耦合协调阶段过渡到中耦合协调阶段，后发展到高耦合协调阶段.结合耦合度及系统综合指数来看，整个系统始终处于高度耦合阶段，但在低耦合协调度下，建设用地与经济发展间存在着相互制约的矛盾，原因在于经济发展过度依靠建设用地的扩张，进而引起“土地财政”等问题，而经济因素对建设用地的驱动作用也使得建设用地数量迅速增长，引发土地粗放利用，建设用地节约集约利用水平不高等问题.而后随着土地市场化改革与经济体制改革的不断推进，土地利用与经济发展模式进一步优化，建设用地与经济发展间的关系不断改善，土地节约集约利用水平持续提升，系统综合指数和耦合协调度不断上升，最后发展到高耦合协调阶段，长春市建设用地与经济发展系统间的相互作用愈发协调，逐步向有序方向发展.

[参考文献]

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[4]杜官印，蔡运龙.1997—2007年中国建设用地在经济增长中的利用效率[J].地理科学进展，2010，29(6):693-700.

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[6]FISCHER G， HEILIG G K.Population momentum and the demand on land and water resources[J].Philosophical Transactions of the Royal Society of London.Series B:Biological Sciences，1997，352(1356):869-888.

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[8]曲福田，吴丽梅.经济增长与耕地非农化的库兹涅茨曲线假说及验证[J].资源科学，2004，26(5):61-67.

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(责任编辑：方林)

Study on the bidirectional relationship between construction land and economic development of Changchun City based on coupling model

LIU Shu-han，WANG Dong-yan，LI Hong

(College of Earth Sciences，Jilin University，Changchun 130061，China)

Abstract:The coupling model can show bidirectional relationships between two systems.On the basis of previous studies，a system of “construction land & economic development” is put forward in the paper.In order to explore the relationship between two systems，coupling model is used.As an example，calculate the composite index，coupling degrees and the coupling coordination degrees in Changchun from 2001 to 2010.The results indicate that the coupling degrees during 2001—2010 in Changchun increase rapidly and keep in a high level，the relationships between construction land and economic development are closely linked.The coupling coordination degrees improve continually.There exist uncoordinated development relations between construction land and economic development when the system is under a state of low coupling coordination degree with a high coupling degree stage.As the way of land use has been changed，the level of coupling coordination degrees keep rising，the system develops gradually to an orderly direction.

Keywords:construction land； economic development； coupling model； bidirectional relationship； Changchun

[文章编号]1000-1832(2016)02-0127-06

[收稿日期]2014-11-04

[基金项目]国家自然科学基金资助项目(41201158).

[作者简介]刘蜀涵(1992—)，女，硕士研究生；通讯作者：王冬艳(1967—)，女，博士，教授，博士研究生导师，主要从事土地资源评价研究.

[中图分类号]F 293.2[学科代码]790·4720

[文献标志码]A

[DOI]10.16163/j.cnki.22-1123/n.2016.02.027