国家级水源保护区土地利用程度与效益的耦合协调分析——以丹江口库区西峡县为例

张海朋,李江苏,b,王丽媛,曹静宇

(河南大学 a.黄河文明与可持续发展研究中心暨黄河文明传承与现代文明建设河南省协同创新中心;b.环境与规划学院,河南 开封 475001)

1 引言

土地利用是指人类在自然环境的基础上,对土地资源进行的一切有目的的开发利用活动,是人类活动与自然环境相互交织的结果,也是土地变化研究的重点内容[1]。土地利用程度和效益是土地利用研究的两个主要方面,分别反映了土地利用系统的状态和效果,两者的关系非常密切[2]。土地利用程度主要反映了人类对土地资源开发利用的强弱,揭示了土地利用的广度和深度[3]。对土地利用程度的研究由来已久,研究方法日益成熟[4]。土地利用效益是指在一定的时间和地域内,单位面积土地投入与消耗在区域发展的社会、经济和生态等方面所实现的物质产出和有效成果[5]。对土地利用效益的研究,是目前学术界关注的热点,研究视角主要集中在土地利用效益的综合评价[6-13],研究方法包括综合指数法[6,7]、三角模型法[8]、TOPSIS法[9,10]、动态耦合法[11]、静态耦合法[12,13]等,研究方法日渐成熟,成果丰硕。

随着经济发展和城镇化进程的推进,区域土地利用强度不断增大,如农用地占用、建设用地扩张、毁林开荒、未利用地开发等均导致土地利用程度的提高，然而土地利用程度的高低不能反映区域土地利用的合理性[2]。土地利用程度与效益的协调发展作为区域土地可持续开发的基本要求,是评价区域发展合理性的重要标志。现有的研究往往从土地利用程度或效益的单一方面展开评价[13-15],对两者相关关系的研究较薄弱。因此,开展区域土地利用程度与效益的耦合协调研究,有利于及时把握区域土地利用过程中存在的问题,对区域土地资源的可持续利用具有重要的现实与指导意义。

丹江口库区是我国南水北调中线工程的水源地,国家一级水源保护区,生态环境质量在区域发展中处于重要的战略性地位。丹江口库区在行政区划上包括湖北省丹江口市、郧西县、郧阳区、十堰市辖区和河南省淅川县和西峡县[16],其中西峡位于水源地上游,是库区最重要的水源涵养空间。全县森林覆盖率达76.8%,2015年全县GDP达到219.47亿元,是除十堰市区外经济发展水平最高的县,经济活动相对活跃,土地利用变化较快。2016年9月,我国批复新增的国家重点生态功能区中,西峡县赫然在列,其主体功能定位为水源地水源涵养区,区域生态环境状况至关重要。近年来随着经济发展,西峡县人口不断增长,城镇化进程明显加快,人地矛盾不断凸显。因此，开展西峡县土地利用程度与效益的耦合协调分析,不但对优化西峡县土地利用格局、提升水源涵养功能具有重要的现实指导意义,而且能为其他国家级水源保护区的土地可持续开发提供科学参考。

2 研究区概况

西峡县位于河南省南阳市的西南部,介于33°05′—33°48′N、111°01′—111°46′E之间,东临内乡县,南依淅川县,西与陕西省商南县接壤,北与三门峡市卢氏县、洛阳市的栾川县、嵩县相邻;属温带大陆性季风气候,年均气温15.1℃,年均降雨量830mm;总面积3452km2,人口约45万人,是河南省第二区域大县。境内水资源丰富,有河流562条,年均水资源总量12.9亿m3。西峡县是南水北调中线工程核心水源区,水源区总面积3156km2,占全县总面积的91.4%,占全省水源区总面积的40.2%,占整个丹江口库区及上游总流域面积的14%,是库区汇水面积最大的县。境内地形复杂,山地面积占全县总面积的92.1%(图1),地势北部高、南部低,土地后备资源有限。

图1 西峡县在丹江口库区所处的位置

3 数据来源及研究方法

3.1 数据来源

本文以河南省南阳市西峡县17个乡镇为研究对象,选取2000年、2005年、2010年和2015年4个典型年份的有关数据,研究2000—2015年西峡县的土地利用程度与效益耦合协调状况的动态变化过程。本文涉及的数据主要包括西峡县的土地利用现状数据、社会经济发展数据和空间矢量数据,分别来自西峡县国土局土地利用现状数据集和西峡县统计局相关年份的《西峡县统计年鉴》,其中空间矢量数据由西峡县1∶10万的纸质行政区划图经扫描、配准、校对、修改后得到,结合《中国土地分类系统》和西峡县土地利用的实际情况,将用地类型划分为8类:耕地、园地、林地、草地、居民地、交通用地、水域和未利用地。

表1 土地利用程度分级

3.2 研究方法

土地利用程度:以往人们对土地利用程度的研究常依据刘纪远[17]等提出的土地利用程度综合指数法,将土地利用程度分为4级,并分别赋予分级指数来确定土地利用程度的定量表达方式。但原模型是基于西藏地区的研究实际提出的,土地利用类型以未利用地和牧草地为主,而本文的研究区属于豫西南中低山地与盆地交错地带,土地利用以林地和园地为主,两个地区的土地利用情况差距较大。为了研究需要,在前人研究的基础上[3],我们对原模型进行了改进,将土地利用程度分级由原来的4级改为5级,可更加真实地测度西峡县的土地利用程度状况(表1)。

土地利用程度综合指数表示为:

(1)

式中,L为土地利用程度综合指数;Ai为第i级土地利用程度分级;Ci为第i级土地利用程度面积百分比;n为土地利用程度的分级数。

评价指标体系的建立:指标体系的合理性决定整个评价结果的可靠性。为了设计出适合本研究的指标体系,在参考相关研究[2,7,8,12,13,18]的基础上,本文结合西峡县经济发展阶段、基础设施建设、主体功能定位、实际发展情况和指标数据的可获取性,构建出以经济效益、社会效益和生态效益为子目标的土地利用综合效益指标体系(表2)。

表2 西峡县土地利用效益评价指标体系

本文对西峡县的经济效益从经济水平和经济结构两个方面选择了5个代表性指标来表征,其中地均固定资产投资既反映出土地利用的投入强度,又是一个地区经济实力的体现;社会效益从社会发展和生活水平两个方面选择了5个指标,粮食自给率反映了地区社会发展的基本保障,交通用地比重体现地区基础设施建设的水平;生态效益主要从环境负荷和生态条件两方面分别选择单位农用地化肥用量、单位农用地农药用量、地均生态系统服务价值、生物丰度指数和森林覆盖率来表征。从表2可见,西峡县生物丰度指数的测算参考了2015年3月国家环境保护部发布的《生态环境状况评价技术规范》,生态服务价值的计算采用Costanza等提出的生态服务价值化评估方法,并参考了谢高地[19,20]等提出的中国生态系统单位面积生态服务价值当量计算方法。

指标的标准化处理:由于各项指标之间的单位不同,为了消除量纲,需首先对指标进行标准化处理,方法为:

(2)

(3)

式中,yi为指标i标准化后的值;xi为指标i的原始值;max xi和min xi分别表示i指标原始数值中的最大值和最小值。

指标权重的确定:运用熵值法确定各项指标权重,设有m个评价单元,每个评价单元有n项评价指标,构建原始矩阵Y={yij}m×n(0

(4)

第j项指标的熵值为:

(5)

式中,k=1/lnm,第j项指标的差异系数表示为gj=1-ej,gj越大表示该项指标越重要,最终第j项指标的权重表示为:

wj=gj/Σgj

(6)

通过计算得到西峡县各项指标的权重见表2。此外,可持续的土地发展模式要求社会效益、经济效益和生态效益均衡发展[3]。为了防止出现片面重视某一方面的效益,同时结合本研究的评价目的和相关研究基础[2,13],本文对西峡县土地利用的经济效益、社会效益和生态效益进行了权重赋值,权重值均取0.3333。

综合效益的计算:结合各指标标准化值和指标权重,计算综合评价指数,公式为:

(7)

式中,A表示土地利用效益综合指数;yi表示各子目标综合值。

土地利用程度与效益耦合协调度模型:耦合度[21]通常表示系统内各要素彼此作用的影响程度,是对要素相互作用强弱的一种度量。本文引入耦合度模型来研究土地利用程度与综合效益之间的关系,能定量揭示两者之间的相互影响,其评价模型[22]为:

C={(u1×u2)/[(u1+u2)/2]2}5C∈[0，1]

(8)

式中,C表示土地利用程度与土地利用综合效益之间的耦合度;u1和u2分别表示标准化后的土地利用程度指数和土地利用综合效益指数。其中,C值越大,意味着两者之间的发展方向越有序,关系越稳定,耦合效果越好;反之,两者相关性越小,越缺乏有序性。

耦合协调性是指系统内各要素之间相互配合的情况,描述的是系统内两个要素之间良性互动的发展程度,主要是对协调状况好坏的一种度量,影响到系统的发展状况。为了进一步了解土地利用程度与效益的良性互动程度,引入耦合协调模型,其计算公式为:

(9)

T=αu1+βu2

(10)

式中,D表示耦合协调度;C表示耦合度;T表示两者之间的综合协调指数;α和β为待定系数,且α+β=1,由于在土地利用程度与效益的研究中,两者同等重要,所以令α=β=0.5。

土地利用程度与效益的相对发展度模型:耦合协调度模型能反映土地利用程度与效益的耦合协调状况,但未能明确测度两者的相对发展情况。因此,引入相对发展度模型,更明确地揭示两者的关系,即H=L/A。借鉴前人研究成果[22],当01.2时,土地利用程度超前于土地利用效益,土地利用处于粗放式、过度发展阶段,系统退化。参考相关研究[22,23],综合耦合协调度与相对发展度,构建土地利用系统发展阶段和发展类型划分标准(表3)。

表3 土地利用程度与效益的耦合协调发展阶段与类型

空间自相关分析:以土地利用程度与效益的耦合协调度指数作为西峡各乡镇的唯一属性,本文运用探索性空间数据分析中的全局Moran′s I指数和局部Moran′s I指数,分析西峡各乡镇耦合协调度的空间关联性和集聚特征,并运用Geoda软件对其进行可视化表达。

全局Moran′s I指数[24]表示为:

(11)

全局Moran′s I指数是用来判断整个区域内各地域单元之间是否存在空间相关性,但要研究具体地域单元与邻近区域耦合协调度的相似性或相关性水平时,则需要进一步引入局部Moran′s I指数(即Local Indicators of Spatial Association,LISA)进行补充,公式为:

(12)

式中,L为局部莫兰指数;S为样本值标准差。

我们将各乡镇耦合协调度的空间关联特征与局部Moran′s I散点图对应,包含两种空间分布模式:正局部空间自相关和负局部空间自相关。正局部空间自相关包括第一和第三象限,表现为空间集聚。第一象限为高—高(H-H)集聚,即高耦合协调度的乡镇被高耦合协调度的其他乡镇包围;第三象限为低—低(L-L)集聚,即低耦合协调度的乡镇被其他低耦合协调度的乡镇包围。负局部空间自相关包括第二和第四象限,表现为空间离散。第二象限为高—低(H-L)集聚,即高耦合协调度的乡镇被其他低耦合协调度的乡镇包围；第四象限为低—高(L-H)集聚,即低耦合协调度的乡镇被高耦合协调度的其他乡镇包围。根据局部莫兰指数的特征,在OpenGeoda中生成存在显著(P<0.05)空间自相关的乡镇集聚图。

4 土地利用程度与效益测度

4.1 土地利用程度分析

采用改进后的土地利用程度分级法,计算了西峡县各乡镇2000年、2005年、2010年和2015年的土地利用程度综合指数(图2)。

图2 西峡县各乡镇土地利用程度变化趋势

从图2可见,西峡全县土地利用程度整体较低,除城关镇土地利用程度达到650以上,其余16个乡镇的土地利用程度指数均介于300—450之间,变化不大。全县的综合土地利用程度指数保持在327—339之间,较稳定。西峡县土地利用程度的高值区和低值区在空间上呈现南北分异的特点,土地利用程度指数在350以上的丹水镇、田关乡、阳城乡、回车乡、城关镇和五里桥乡集中分布在县域东南部地势平坦的区域,而县域北部大部分地区地形起伏、坡度较大,土地开发利用难度大,土地利用程度低;西峡县各乡镇土地利用程度均处于不断增长的趋势,但增幅普遍较小,除城关镇土地利用程度由2000年的654.02增长到2015年的799.48外,增幅较大,其余乡镇土地利用程度指数增幅均在30以内,发展缓慢,主要原因是城关镇为西峡县的县级政府机关所在地,城镇化水平高,全县的经济活动主要集中于此。随着经济发展,西峡县城镇建设用地扩张,土地利用程度不断增大,而其他大部分乡镇受制于地形

和经济发展条件,土地利用程度发展缓慢。

4.2 土地利用效益分析

根据上述土地利用效益指标体系,计算了不同年份西峡县各乡镇土地利用效益(图3)。

从图3a可见,西峡县经济发展呈现明显的极化效应,经济活动主要集中在城关镇,其经济效益始终处在0.98以上,而其他乡镇的经济效益普遍较低,均在0.1以下。2000—2015年,西峡县经济效益整体处于缓慢增长趋势,其中有12个乡镇的经济效益在波动中逐渐上升,但增幅较小,其他5个乡镇的经济效益略有下降。其原因在于2000—2015年是南水北调中线工程集中建设和通水的重要时期,西峡县作为核心水源保护区,为保障水源地生态环境质量,陆续关停和取缔了一大批“小散乱污”的工矿企业,同时特色农副产业、生态观光旅游业等转型产业刚刚起步,经济效益尚未显现,导致全县经济效益整体增长缓慢。

从图3b可见,西峡县各乡镇的社会效益与经济效益特征相似,呈现两极分化,城关镇的社会效益稳定在0.9356,其他乡镇的社会效益指数均处于0.2以下;各乡镇的社会效益较稳定,其中有10个乡镇的社会效益处于波动上升趋势,其他7个乡镇的社会效益表现为波动下降,增减幅度均较小。

从图3c可见,西峡县各乡镇的生态效益普遍较高,除城关镇低于0.2外,全县其他乡镇的生态效益均在0.45以上，其中丹水镇和田关乡主要介于0.46—0.63之间,其他14个乡镇均在0.7以上。从发展时间来看,2000—2015年在17个乡镇中有16个乡镇的生态效益均有明显提高,生态环境趋于改善。该阶段为保护南水北调中线水源地生态安全,西峡县陆续开展了一系列生态环境治理措施,使全县的生态环境质量得到显著提高。

图3 西峡县各乡镇土地利用效益变化趋势

从综合效益来看(图3d),西峡县各乡镇的综合效益普遍较低且保持两极分化的特点,城关镇一枝独秀,综合效益始终在0.65以上,其他乡镇的综合效益均低于0.4;2000—2015年,全县综合效益整体处于不断发展趋势,其中处于提升阶段的乡镇达到16个。

从各子效益的变化情况来看,2000—2015年西峡各乡镇经济效益和社会效益普遍较低且增长缓慢,生态效益整体较高且不断增长,综合效益的变化主要受生态效益提升的影响,其中生态效益提升较快的丹水镇、重阳乡、桑坪乡、石界河乡、米坪乡和军马河乡的综合效益均有明显提高。

5 土地利用程度与效益的耦合协调分析

5.1 耦合协调度

2000—2015年,西峡县各乡镇土地利用程度与效益的耦合协调度主要处于磨合期和拮抗期,且呈现动态变化的特征(图4)。2000年,西峡县各乡镇土地利用程度与效益的耦合协调关系涉及协调、磨合和拮抗三种类型,以磨合期为主,除城关镇处于协调期、双龙镇处于拮抗期外,其他乡镇均处于磨合期(图4a)。从2005年起,西峡县各乡镇的土地利用程度与效益的耦合协调度呈现持续下降趋势,耦合协调阶段开始从磨合转向拮抗,磨合期的乡镇由15个减少到9个,拮抗期的乡镇由1个增加到7个(图4b);2010年,西峡县拮抗期的乡镇继续增长至9个,磨合期的乡镇继续减少到7个(图4c);2015年,西峡县有11个乡镇处于拮抗期,仅有5个乡镇处于磨合期,城关镇始终处于协调期(图4d)。从乡镇内部对比看,耦合协调度始终在0.48以上的包括丹水镇、田关乡、阳城乡、回车乡、城关镇和五里桥乡,其中城关镇的耦合协调度始终在0.65以上,且处于不断增长趋势,2015年高达0.70,发展状况不断优化;丹水镇和田关乡的耦合协调度不断上升,分别由2000年的0.4835和0.4970增长到2015年的0.5275和0.5226,发展态势良好;回车乡的耦合协调度在0.5左右徘徊,发展不稳定;阳城乡和五里桥乡的耦合协调度呈现小幅下降趋势,但始终为0.48—0.50;全县其他乡镇的耦合协调度均在0.47以下,且在不断降低。

图4 西峡县各乡镇耦合协调阶段与类型

5.2 耦合协调度空间分异

全局Moran′s I:由表4可见,西峡县17个乡镇2000年、2005年、2010年和2015年四个时间点的p值均小于0.01,通过了1%水平的显著性检验,且各个时间节点的莫兰指数均为正,表现为极显著的空间正相关性,说明研究时段内西峡各乡镇耦合协调度存在明显的空间集聚特征。从时间变化来看,2000—2015年,西峡县全局Moran′s I指数呈现波动上升趋势,由此可知各乡镇耦合协调度的空间集聚程度逐渐增大。

表4 西峡县17个乡镇耦合协调度的全局莫兰指数

局部Moran′s I:从图5可见，在四个时间点上西峡县17个乡镇耦合协调度局部空间自相关的集聚特征,在四个时间点内各乡镇空间集聚性主要表现为H-H集聚、L-L集聚和空间不显著三种类型。2000年,H-H集聚的乡镇为城关镇和回车乡,L-L集聚的乡镇为米坪乡和二郎坪乡(图5a);2005年,西峡县各乡镇局部空间自相关程度增强,呈现H-H集聚的乡镇增加到3个,在2000年的基础上,增加了五里桥乡,L-L集聚的乡镇增加到4个,与2000年相比增加了军马河乡和太平镇乡(图5b);2010年,H-H集聚的乡镇变为城关镇和回车乡,L-L集聚的乡镇变为米坪乡和丁河乡(图5c);与2010年相比,2015年呈现H-H集聚的乡镇保持不变,L-L集聚的乡镇增加到4个,分别为米坪乡、军马河乡、太平镇乡和二郎坪乡(图5d)。从研究时段看,耦合协调度的高值集聚区空间范围较稳定,主要包括以西峡县城关镇为中心的周边乡镇,其耦合协调度具有明显的地域带动性。回车乡受其发展影响,始终属于H-H集聚区;五里桥乡也由空间不显著转变为H-H集聚区,而后的发展有所下降;L-L集聚区范围呈现分散—集聚—分散—集聚的波动变化特征,主要位于县域北部地区,总体呈现以米坪乡为中心的L-L锁定状态,其中以二郎坪乡、太平镇乡、军马河乡和米坪乡的空间集聚特征尤为明显,各乡镇耦合协调发展水平较低且呈现互相制约的发展模式。

通过以上分析可知,研究时段内西峡县各乡镇土地利用程度与效益的耦合协调度整体呈现出集聚分布态势,主要以H-H集聚和L-L集聚为主。H-H集聚区主要分布在县域东南部地势平坦且位于交通干线附近的城关镇及其周围乡镇,耦合协调度表现出明显的地域带动性;L-L集聚的乡镇主要分布在县域北部地形起伏大且远离经济活动的地区。由于发展缺乏辐射带动且发展条件落后,各乡镇发展不协调的程度逐年增大,耦合协调度表现为低值锁定状态。

图5 西峡县各乡镇耦合协调度局部空间自相关集聚状态

5.3 相对发展度

研究期内,西峡县各乡镇土地利用程度与效益的相对发展关系包括滞后型、同步型和超前型三种,以滞后型为主(图4)。2000—2005年,西峡各乡镇土地利用程度与效益发展情况一致,各类型的乡镇个数相同。其中,滞后型乡镇14个,同步型乡镇2个,超前型乡镇1个(图4a、图4b)。2010年以后,西峡县土地利用程度与效益的相对发展关系仅剩滞后型和同步型两种,滞后型乡镇增加到15个,同步型乡镇有2个(图4c)。与2010年相比,2015年西峡县各类型的乡镇个数保持不变(图4d)。16年间西峡县滞后型乡镇由14个增加到15个,超前型乡镇由1个减少到0个,同步型乡镇有2个且保持不变,各乡镇土地利用程度普遍滞后于土地利用效益,呈现“一头大”的发展状态。西峡县土地利用程度与效益始终保持同步发展的乡镇仅有田关乡,其土地利用程度低,自身经济发展水平低且接受城关镇经济辐射的作用不强,土地利用效益不高,土地利用系统的状态和效果呈现低—低发展模式;丹水镇由超前型转变为同步型,随着西峡县生态环境治理措施的实施,丹水镇森林覆盖率不断提高,农田面源污染得到有效控制,土地生态系统服务价值不断增大,生态效益的提升拉动了综合效益的发展,在土地利用程度发展缓慢的背景下,土地利用程度与效益逐渐呈现低水平的同步发展状态。

全县其他15个乡镇的土地利用程度长期滞后于土地利用效益,可分为两种类型:一类为土地利用系统高度发展下的滞后,如城关镇,未来需要在稳定土地利用效益的同时,不断提高土地的集约利用水平;另一类滞后是处于土地利用系统低度开发的情况下,如回车乡、西坪镇、石界河乡和军马河乡等14个乡镇,此类区域需要探索特殊地形条件下土地的适宜开发方式,实现土地利用程度和土地利用效益的同步提升。

6 结论与建议

6.1 结论

本文以耦合协调度模型和相对发展度模型为基础,借助空间自相关分析方法,对丹江口库区西峡县2000—2015年的土地利用程度与效益耦合协调关系的时空变化特征进行了分析。主要结论包括:①西峡县各乡镇的土地利用程度和综合效益整体不高,2000—2015年两者均呈现缓慢发展的趋势,其中城关镇一枝独秀,土地利用程度和综合效益均位居全县前列,受地形影响,各乡镇土地利用程度在空间上呈现“北低南高”的特点,研究期内各乡镇土地利用综合效益的发展主要受生态效益变化主导。②西峡各乡镇土地利用程度与土地利用效益的耦合协调关系分为拮抗、磨合、协调三种类型。研究期内大部分乡镇的土地利用耦合协调度呈现下降的趋势,表现为磨合转为拮抗,其中磨合期的乡镇由15个减少到5个,拮抗期的乡镇由1个增加到11个。从空间分布来看,西峡县各乡镇土地利用耦合协调度的空间集聚性呈现“南高北低”的特点,H-H集聚区主要位于县域东南部,范围较小,以城关镇为中心表现出地域带动性;L-L集聚区主要分布在县域北部地形起伏较大的地区,由于远离经济活动集中区,存在着被边缘化的趋势,表现为低值锁定。③西峡县各乡镇土地利用程度普遍滞后于土地利用效益,呈现“一头大”的发展状态,滞后表现为土地利用系统高度发展和低度开发两种情况,各乡镇土地资源潜力均有待进一步挖掘。

6.2 建议

通过对西峡县2000—2015年各乡镇土地利用程度与效益的耦合协调度及相对发展关系分析,发现西峡县由于受特殊地形的影响,土地利用程度和社会经济效益普遍较低且呈现南北分异的特点,地区发展不协调。

针对这类问题,本文分区域提出西峡县土地发展对策:①西峡县城关镇属于优化发展地区,土地利用程度滞后于土地利用效益,需要进一步推进土地整理和复垦开发,提高土地利用程度及集约利用水平,依托建设省级产业集聚区的优势,重点打造环保型高增长产业,增强经济发展的辐射作用,带动附近乡镇的经济效益提高。②西峡县丹水镇、田关乡、阳城乡、回车乡和五里桥乡位于县域东南部地势平坦地区,毗邻城关镇,属于重点发展区,发展条件较好但土地利用程度和土地利用效益偏低,要结合国家重点生态功能区产业准入负面清单制度建设契机,积极引进生态型产业,依托自身区位优势,重点打造特色“果、菌、药”生态产业基地,推动基础设施建设,合理安排产业及城镇发展用地规模和布局,在生态环境保护的前提下,实现土地资源的高效开发和经济发展水平的稳步提升。③西峡县县域北部大部分乡镇的地形起伏,属于生态涵养空间,土地利用程度和效益极低且发展受地形限制,需要探索适宜性开发方式,提高发展效益,实行荒山绿化,推动优质猕猴桃、山茱萸、天麻等经济林木种植,利用地区山水资源优势,打造生态旅游、特色林果基地,完善配套的基础设施建设,在土地资源承载力的基础上促进地区土地利用系统的协调发展。

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