基于脱钩理论的城市化水平与耕地安全水平的近程耦合关系研究

陆文勋，李 峥，孙鹏举，蔡志毅，李杨帆①，郭青海

(1.厦门大学环境与生态学院，福建 厦门 361102；2.中国科学院城市环境研究所，福建 厦门 361021)

基于脱钩理论的城市化水平与耕地安全水平的近程耦合关系研究

陆文勋1，李 峥1，孙鹏举1，蔡志毅1，李杨帆1①，郭青海2

(1.厦门大学环境与生态学院，福建 厦门 361102；2.中国科学院城市环境研究所，福建 厦门 361021)

当前我国快速城市化推进对半城市化、农村等近程区域分布的耕地产生直接、强烈的影响，也对耕地安全造成强大的胁迫效应。为此，构建城市化-耕地安全综合评价指标体系，分别计算城市化指数和耕地安全胁迫指数，并基于脱钩理论方法对城市化水平与耕地安全水平的近程耦合关系进行量化分析。以江苏省连云港市为例，定量分析2000—2014年间其城市化水平与耕地安全的脱钩-耦合关系及耕地安全对城市化进程的响应程度。结果表明，2000—2014年间，连云港市城市化指数持续增高，耕地安全胁迫指数波动降低；2000—2007年为强脱钩、弱脱钩、扩张负脱钩及扩张脱钩的波动状态；2008—2014年呈更加强烈的波动状态，包括2008—2012年的强脱钩和2013年的扩张负脱钩状态，这反映出区域发展规划、土地利用规划和城市总体规划的实施对这一典型近程耦合系统产生了较大影响。研究期内连云港市城市化水平大幅提高，耕地安全所受胁迫程度不断降低，两者虽总体呈强脱钩关系，但仍需注意近程耦合结果波动性较大所揭示的不确定性问题，需要谨慎权衡城市化相关政策对耕地安全的影响。与过去的宏观、单一指标模型相比，基于近程耦合关系提出的多指标脱钩-耦合模型更具综合性，能更加全面、精细化分析快速城市化进程与耕地安全保护之间的复杂关系，为半城市化地区景观安全格局评估提供支撑，为城市化与耕地保护之间的协调发展提供决策支持。

近程耦合；城市化；耕地安全；脱钩；连云港

我国城市化的快速推进将对城镇地区近程的资源环境包括耕地安全造成现实或潜在的深刻影响。城市化过程中伴随的耕地数量、质量下降,荒地增加以及农药、化肥的过度使用等问题,严重威胁着我国的耕地、粮食安全以及可持续发展[1-6]。以耕地安全为基础的粮食安全则是关系我国国民经济发展的全局性重大战略问题,对城市化水平和耕地安全水平这一近程耦合关系开展评价和量化研究,有助于为我国城市化的合理推进及国家粮食安全的有力保障,实现城市化和耕地安全的协调可持续发展提供相关决策支持。在可持续性研究领域中,LIU等[7-8]强调了人类与自然耦合系统的不同部分之间的一体化与整体观,并总结了这一思路在行星边界(planetary)、人-自然关系(human-nature nexus)及远程耦合(telecoupling)中的应用。对比LIU等提出的远程耦合概念,即远距离的人类系统和自然系统响应,城市化及其周边耕地安全之间则为较近距离、较小尺度的近程耦合关系,人口城市化、土地城市化、产业城市化都会直接或间接地对城市区域周边的耕地产生影响,从而导致其数量、质量以及生态安全方面出现变化(图1)。TOBLER[9]曾提出任何事物都与其他事物相联系,且邻近的事物比较远事物联系更为紧密。此外空间自相关在空间统计学及在生态学、环境科学上的广泛应用也能反映出某些变量在同一个分布区内的观测数据之间潜在的相互依赖性[10]。这些都为城市化与耕地安全之间存在着复杂交互的近程耦合关系提供了理论支撑。

城市化和耕地安全作为重要的近程耦合系统,近年来已成为研究热点,DENG等[11]定性分析了城市化对耕地的影响,张文斌等[12]、张勇等[13]和SONG[14]进一步定量分析了经济发展与耕地面积占用之间的脱钩关系;SONG等[15]还从耕地质量的角度分析了城市扩张与耕地安全之间的关系;BOMMARCO等[16]认为人口对粮食持续增长的需求给耕地带来了压力;花利忠等[17]研究发现耕地景观被蚕食演变为建设用地是反映城市化进程及半城市化地区空间扩展情况的重要指标。这些研究或定性评价城市化对耕地的影响,或定量分析耕地安全的单一方面(面积、质量)与城市化的单一方面(人口、空间、经济发展)之间的关系,在准确、全面指示城市化水平与耕地安全之间的定量关系上仍有完善空间。

图1 耕地安全与城市化脱钩-耦合模型Fig.1 The decoupling-coupling model for farmland safety and urbanization

从城市化与耕地安全之间的近程耦合关系出发,选取能够全面且精细化反映城市化水平及耕地安全水平变化的主要指标,以江苏省连云港市为研究区域,结合人口、产业、空间的城市化与耕地的质量、数量、生态安全构建城市化水平与耕地安全综合评价体系,分别计算城市化指数及耕地安全胁迫指数,并对城市化与耕地安全之间的耦合、脱钩关系进行定量分析,以期对协调城市化进程与耕地安全保护工作之间的关系提供建议与参考。

1 研究区域概况及数据

研究区为江苏省连云港市的市域范围,位于江苏省沿海工业区与陇海线东部带状区域的“T”形交界处,是江苏北部经济发展和江苏“两个率先”战略的支柱区域[18-19]。2014年连云港市地区生产总值为1 965.89亿元,户籍总人口526.51万,其中市区人口219.07万;城市化率由2000年的28.02%上升至2014年的57.13%;城市建成区面积由2000年的51.4 km2上升到2014年的275.0 km2;全市人均耕地面积由2000年的0.828 hm2下降到0.767 hm2,低于全国平均水平1.02 hm2。研究涉及数据主要来源于2000—2014年《连云港市统计年鉴》以及2000—2014年《连云港市国民经济和社会发展统计公报》等。

2 研究方法

2.1 城市化与耕地安全综合评价指标体系构建

2.1.1指标体系构建

综合指数法能综合表达城市化与耕地安全交互胁迫中的定性与定量因素,表现形式简洁清晰[20]。开展城市化水平评价时,应从人口、经济和社会等诸多方面选取若干既相互联系又相对独立的指标,构建综合评价指标体系。在设置评价指标体系时,结合案例区实际情况,按照科学性、系统整体性原则以及数据的可获取性,选取城市建设用地面积、城镇人口占总人口比例、第二与第三产业GDP占总GDP比例为指标,并采用熵权法计算各指标权重,最后形成基于人口城市化、土地城市化、产业城市化的城市化水平综合评价指标体系(表1)。

表1城市化水平综合评价指标体系
Table1Thecomprehensiveurbanizationlevelevaluationindexsystem

目标层指标层单位权重指标效应城市化指数城市建设用地面积km20 519正城镇人口占总人口比例%0 253正二、三产业GDP占总GDP比例%0 228正

耕地安全与否涉及数量、质量和生态3个方面,即耕地资源的数量、质量和结构是否处于有效供给状态[21]。以耕地安全胁迫指数为目标层,从耕地的数量安全、质量安全和生态安全角度选取若干指标,并采用熵权法计算各指标权重,构建耕地安全综合评价指标体系(表2)。

表2耕地安全综合评价指标体系
Table2Thecomprehensivefarmlandsafetyevaluationindexsystem

目标层指标层单位权重指标效应耕地安全胁迫指数单位面积化肥使用量t·km-20 123正单位面积农药使用量t·km-20 129正单位面积地膜使用量t·km-20 127正耕地面积km20 085负粮食单产kg·hm-20 536负

2.1.2指标标准化

首先对数据进行无量纲化处理,使各数据标准化而具备比较性。记第i个评价对象第j项指标为Xij,当指标呈正效应时,其标准化公式为

(1)

对于负效应指标,其标准化公式为

(2)

式(1)～(2)中,Xij为指标的标准化值。当Yij=1时,指标代表项达最佳状态;相反,当Yij=0时,达最差状态。

2.1.3指标权重赋值及指标值计算

权重用来表示各指标变量或要素对于上一层次等级要素的相对重要程度。信息熵理论是一种客观的赋权方法,信息熵权的原理为:对于某项指标,指标值间的差距越大,表明该指标在综合评价中所起的作用越大;如果差异为0,表明该指标在综合评价中不起作用。该研究采用熵权法计算指标权重，以尽量避免主观因素对各指标相对重要程度的影响[22]。

综上所述，雷公藤内脂醇作用于PC3细胞后可以下调肿瘤细胞VEGF的含量，抑制肿瘤血管的新生，从而诱导细胞凋亡，抑制细胞生长增殖。

第j项指标的熵值ej计算公式为

(3)

式(3)中,k=1/lnm,kgt;0；0≤ej≤1。如果Yij为0,则用0.000 01 代替计算。

第j项指标的权重Wj计算公式为

(4)

式(4)中,dj为指标Xj的差异系数,其值等于1-ej。

在确定指标权重的基础上,可计算单指标评价得分(Sij)及综合评价指数(ESI,IES),公式分别为

Sij=Wi×Yij,

据此模型分别计算耕地安全胁迫指数(ALSI，IALS)与城市化指数(UI，IU)。

2.2 脱钩

脱钩理论(decoupling)的本质是研究具有响应关系的2个或多个系统之间的相互关系的存在和消亡[23],该研究中的脱钩则是指城市化进程与耕地安全胁迫之间联系的阻断。随着对脱钩理论的研究不断深入,国内学者将其应用于探究GDP增速、人口增速和工业产值增加值等变量与城市扩张的关系,并将脱钩概念细化为扩张性复钩、强复钩、弱复钩、弱脱钩、强脱钩、衰退性脱钩等[24-25]。就脱钩的测度方法来看,主要有IPAT模型法[24]、Tapio弹性系数法[26]和脱钩指数法[27]等。其中Tapio弹性系数法更加全面细致,其将弹性值在0.8～1.2间视作耦合,避免了对弹性值的细微变化过度解读。由此可以得到脱钩状态的8种情形及相应判定标准,见图2[14,28-29]。

In—脱钩指数; △UI—城市化指数(UI)年变化量；△ALSI—耕地安全胁迫指数(ALSI)年变化量。

采用Tapio法对城市化与耕地安全的脱钩关系进行分析,其具体公式为

(5)

式(5)中,n为年份;In为第n年的脱钩指数;IALS，n和IALS，n-1分别为第n年和第n-1年的耕地安全胁迫指数;IU，n和IU，n-1分别为第n年和第n-1年的城市化水平指数。

3 结果与讨论

3.1 城市化水平及耕地安全综合指数

采用综合评价方法,对2000—2014年连云港市城市化水平及耕地安全胁迫程度进行评价,结果如表3和图3所示。2000—2014年,连云港市城市化水平呈持续上升趋势,2008—2010年城市化水平增长最快。相较于城市化水平的持续上升趋势,耕地安全胁迫指数则呈现较为复杂的波动变化情况,2000—2014年耕地安全胁迫指数整体呈下降趋势,2000—2007年耕地安全胁迫指数在波动中下降,2008—2014年耕地安全胁迫指数总体呈较为平稳的下降趋势,但2013年耕地安全胁迫指数有小幅上升。

表32000—2014年连云港市城市化指数与耕地安全胁迫指数及其脱钩关系
Table3UrbanizationindexandfarmlandsafetystressindexofLianyungangCityin2000-2014andtheirdecouplingrelationship

年份城市化指数城市化指数变化率耕地安全胁迫指数耕地安全胁迫指数变化率脱钩指数脱钩程度20000 0000 83020010 0290 65620020 0902 0860 639-0 025-0 012强脱钩20030 1400 5600 7560 1830 327弱脱钩20040 1950 3950 492-0 350-0 886强脱钩20050 2590 3270 6970 4161 271扩张负脱钩20060 3160 2210 427-0 387-1 750强脱钩20070 3520 1140 4670 0950 837扩张连接20080 3900 1100 362-0 227-2 064强脱钩20090 6440 6510 307-0 152-0 233强脱钩20100 7870 2220 289-0 057-0 256强脱钩20110 8420 0700 178-0 386-5 500强脱钩20120 8890 0550 119-0 328-5 952强脱钩20130 9530 0730 1510 2663 665扩张负脱钩20141 0000 0490 130-0 139-2 848强脱钩

3.2 脱钩指数

由表3可知,2000—2014年连云港市城市化指数与耕地安全胁迫指数的脱钩-耦合状态主要呈现出弱脱钩、强脱钩、扩张负脱钩和扩张连接4种状态,并呈动态变化态势(图4)。

3.2.1第1阶段(2000—2007年)

第1阶段的脱钩关系经历了包括强脱钩、弱脱钩、扩张连接和扩张负脱钩4种形态的复杂变化过程,脱钩曲线主要处于非理想状态—畸形状态—理想状态的“M”型周期性变化中的前2种状态。在这一阶段,连云港市城市化指数平稳上升,耕地安全胁迫指数整体下降并呈波动变化趋势。

2007年,连云港市的城市建设面积,二、三产业比例与城镇人口比例比2000年分别增长75.10%、13.75%和44.54%,随之增长的还有对建设用地、生活空间和粮食的需求，使得连云港市城市化水平保持稳定增长。连云港市大量耕地被转变为非农用的商服用地、工矿仓储用地和住宅用地等不透水面的土地利用类型。为了提升粮食产量,化肥、农药和地膜的使用量不断增加。该阶段城市化指数持续上升但仍处于较低水平,属于典型的半城市化状态。尽管耕地安全胁迫指数整体呈下降趋势,但由于缺乏协调城市化与耕地安全之间关系的相关经验,耕地安全土地利用管理规划滞后,耕地安全胁迫指数在2003、2005和2007年均出现上升趋势,城市透水地面/不透水地面比例失衡,耕地安全的保障形势严峻。

图3 2000—2014年连云港市城市化指数与耕地安全胁迫指数变化Fig.3 Variation of the urbanization index and farmland safety stress index of Lianyungang City 2000-2014

图4 2002—2014年连云港城市化水平与耕地安全水平脱钩弹性变化Fig.4 Variation of the decoupling elasticity of the relationship between urbanization level and farmland safety level of Lianyungang City 2000-2014

3.2.2第2阶段(2008—2014年)

第2阶段的城市化指数与耕地安全胁迫指数的脱钩关系主要以强脱钩为主,且波动更为剧烈。城市化指数持续上升,耕地安全胁迫指数呈较为平稳的下降趋势。该阶段二、三产业GDP增长仍保持强劲势头,人口继续保持稳步增长,城市建设用地面积持续增加。2009年,连云港市建成区面积增长1倍,城市化指数变化率为0.651,是城市化水平提升最快的一年。《连云港市城市总体规划(2008—2030)》确定的“一体两翼”成为连云港发展的新格局,“城市东进,拥抱大海”成为连云港市城乡建设推进工作的主题。与此同时,《连云港市土地利用总体规划(2006—2020)》中特别强调了对农用地的合理利用与保护,加大耕地保护力度、增加耕地转用成本,耕地数量得以保持;《到2020年江苏省化肥使用量零增长行动方案》大力推广测土配方施肥对保持耕地质量起到良好作用。2008—2012年,城市化指数与耕地安全胁迫指数呈现良好的强脱钩关系。2012年是江苏沿海开发两步走第1阶段的收官期,这一时期连云港市基础设施建设、滩涂围垦等沿海开发重点项目加速实施,但二、三产业比例及城市人口比例增幅,乃至城市化进程较2010年以前有所放缓。在耕地安全胁迫指数有所上升的2013年,城市化指数与耕地安全胁迫指数呈扩张负脱钩关系。该时段耦合关系呈现的强烈波动可能与前期相关政策、项目实施的滞后效应有关,这与LIU等[7]在远程耦合框架中所提到的时间动态(temporal dynamics)概念相吻合。城市化进程与耕地安全的近程耦合关系中存在着不确定性因素,需要谨慎权衡城市化相关政策可能对耕地安全产生的影响。LI等[19]在研究连云港城市化与环境耦合关系时发现,采用统计数据得到的脱钩、耦合状态分析结果较实际情况呈现出向好的趋势,这样的情况也同样出现在笔者研究中。

4 结论与展望

在对城市化和耕地安全的耦合、脱钩关系进行研究时,明确了其近程研究的尺度,综合考虑了人口、土地、产业的城市化与耕地的质量安全、数量安全、生态安全,构建了城市化水平综合评价指标体系及耕地安全综合评价指标体系,采用城市化水平指数和耕地安全胁迫指数对耕地安全与城市化水平的关系进行脱钩、耦合分析,可以更加全面、具体地反映在城市化进程中农村人口转变为城镇人口，第一产业转变为二、三产业，农村区域向城市地域转变对耕地安全的影响。

连云港市城市化水平与耕地安全之间近程耦合关系的脱钩弹性曲线呈非理想状态—畸形状态—理想状态的“M”型周期性变化,主要呈弱脱钩、强脱钩、扩张负脱钩和扩张连接4种状态,研究期内多处于强脱钩状态,说明连云港市的城市化水平与耕地安全总体上发展较为协调。2007—2014年,连云港市脱钩指数呈强烈波动变化,相关政策对城市化与耕地安全的影响增强,且存在滞后效应、累积效应等不确定性因素,因此必须谨慎对待相关政策规划的制定实施。

该研究提出了近程耦合理念并应用到城市化和耕地安全耦合系统研究中,在对其关系进行量化时运用了脱钩的基本原理方法,通过关键指标的选取,对这一复杂的耦合系统进行了简化。针对近程耦合关系提出的多指标脱钩-耦合模型,可用于快速分析城市化进程-耕地安全之间的复杂关系,有助于表征半城市化区域耕地安全特点,建立较为完善的半城市化地区-耕地耦合系统景观格局分析模型。

定量评价和分析只是手段,该研究试图从发展规划、土地利用规划和城市总体规划等角度去分析研究连云港城市化-耕地安全耦合系统的实际内涵和演化机理,特别是将研究结果与相关区域战略政策等具体实际相结合,但仍存在一定的不确定性,需在下一步研究工作中通过完善指标体系和评估方法,以期更全面地开展近程耦合系统的研究。

致谢：感谢厦门大学李艺博士、邱建慧硕士、林静玉硕士、Muhanmmad Sajjad硕士在指标体系选取和英文表达方面给予的帮助。

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陆文勋(1994—)，男，福建宁德人，硕士生，主要研究方向为城市与区域环境变化。E-mail：wenxunlu@pku.edu.cn

(责任编辑：许 素)

Neighboring/AdjacentCouplingRelationshipBetweenUrbanizationandFarmlandSafetyBasedontheDecouplingTheory.

LU Wen-xun1,LI Zheng1,SUN Peng-ju1,CAI Zhi-yi1,LI Yang-fan1,GUO Qing-hai2

(1.College of Environment and Ecology,Xiamen University,Xiamen 361102,China; 2.Institute of Urban Environment,Chinese Academy of Sciences,Xiamen 361021,China)

The current rapid development of urbanization in China has directly and seriously affected farmlands distribution in its para-urbanized neighboring/adjacent regions,and also posed severe stresses on safety of these land. It is,therefore,essential to build up a comprehensive urbanization and farmland safety assessment indicator system,work out quantitatively urbanization index and farmland safety stress index,and analyze quantitatively neighboring coupling relations between urbanization and arable land safety based on the decoupling theory and method. A case study was conducted of Lianyungang City of Jiangsu Province to explore quantitatively coupling-decoupling relationship between urbanization and farmland safety and response of farmland safety to the progress of urbanization during the period from 2000 to 2014. Results show that during the study period,urbanization index of Lianyungang City increased steadily,while farmland safety stress index fluctuated with a declining trend. Their relationship displayed a wavy trend from 2000 to 2007,i.e. strong decoupling-weak decoupling-expanding negative decoupling-expanding connection and a strong fluctuation curve from 2008 to 2014,including strong decoupling during 2008-2012 and expanding negative decoupling in 2013,which reflects strong impacts of the implementation of the regional development,land use and city overall programs on this typical neighboring/adjacent coupling system. During the study period,Lianyungang City made a huge and steady progress in urbanization,while reducing fluctuation of its stress on farmland safety. Though the two posed a strong decoupling relationship,the problem of uncertainty reflected in the huge fluctuation of the result of the neighboring/adjacent decoupling calls for high attention,and the influence urbanization had on farmland safety needs to be weighed prudently. Compared to the macroscopic single indicator models used in the past,the multi-index decoupling-coupling model built for the neighboring coupling relationship is more comprehensive and capable of analyzing the complex relationship between rapid urbanization and protection of farmland safety in a more holistic and finer way. Furthermore,it may provide theoretical support to landscape safety assessment of para-urbanizd regions and to decision-making on harmonized development of both urbanization and protection of farmland.

neighboring/ adjacent coupling；urbanization；arable land safety；decoupling; Lianyungang City

2017-02-06

国家自然科学基金(41271008); 厦门大学大学生创新创业训练计划; 中国科学院大学生创新实践训练计划

① 通信作者E-mail：yangf@xmu.edu.cn

F293.2; X22

A

1673-4831(2017)11-0968-07

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.11.002