甘肃省庆阳市土地集约利用与土地利用结构的耦合协调关系

鲁学孟, 刘学录, 张 晶, 赵天明， 刘永康， 王全喜

(1.甘肃农业大学 资源与环境学院, 甘肃 兰州 730070;2.甘肃农业大学 管理学院, 甘肃 兰州 730070; 3.中国城市发展研究院， 甘肃 兰州 730070)

土地作为一种人类活动的物质载体，实现其集约利用是我国经济快速发展的必然选择和实现城市可持续发展的重要保障[1]。改革开放以来，我国经济一直保持较快速度的发展，经济的快速增长导致建设用地急剧扩张、耕地面积不断减少，土地利用结构发生很大的变化，严重威胁我国粮食安全和生态安全[2]。因此，通过优化土地利用结构，促进土地集约利用来有效地应对人地矛盾带来的众多挑战。土地集约利用，首先是节约土地，合理利用土地，提高土地的利用率；其次就是要通过调整土地利用结构来有序地置换土地，达到集约程度的目的，增加土地有效利用面积[3]。现有涉及到土地集约利用和土地利用结构关系的研究中，范辉等[4]研究城市土地集约利用内部协调性的时空演变时发现在研究期内，土地集约利用水平与土地结构之间的局部协调性逐渐上升，且所处的协调发展阶段也不断提高。黄佩[5]在评价阿坝州土地可持续利用研究中，发现区域土地利用结构不断优化、效率不断提升，土地资源可持续利用集约化程度不断增强，土地资源的总体质量日趋上升。汪延彬等[6]研究高校教育用地集约利用中提出影响教育用地集约利用水平的最大因素是土地利用结构和高校教育科研产出。于永建等[7]和张昌善等[8]分别运用熵值法和改进灰色关联度模型部分区域土地集约度与土地利用结构之间关系进行研究。在现有研究大多是对各个地类与土地集约度的关系研究，鲜见对土地集约利用与土地利用结构进行系统分析的研究。因此，本文选取庆阳市作为研究对象，构建土地集约利用与土地利用结构评价指标体系。用各个土地类型面积所占比例表征土地利用结构[9-12]，运用多因素综合评价法确定综合指数，采用耦合协调模型研究土地集约利用与土地利用结构变化特征及耦合协调关系，为庆阳市土地优化布局和社会经济有序发展提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

庆阳市位于甘肃省最东部，陕甘宁三省区的交汇处，系黄河中下游黄土高原沟壑区。介于106°20′—108°45′E与35°15′—37°10′N之间。东倚子午岭，北靠羊圈山，西接六盘山，东、西、北三面隆起，中南部低缓，故有“盆地”之称。研究区属大陆性气候，冬季常吹西北风，夏季多行东南风，冬冷常晴，夏热丰雨。降雨量南多北少。降雨多集中在7—9月间，气温南部高于北部，总体呈干旱、温和、光富的特点。庆阳地区已探明油气总储量4.00×1010t，占鄂尔多斯盆地总资源量的41%，油气预测储量相当于延安地区的1.7倍、榆林地区的6.7倍、宁东地区的80倍左右，占鄂尔多斯盆地总资源量的41%。庆阳地区煤炭资源已查明预测总储量2.36×1012t，占甘肃全省预测储量的94%。庆阳市辖1区7县(西峰区和庆城县、华池县、宁县、镇原县、合水县、正宁县、环县)116个乡镇，常住人口224.19万(2016年末)。2016年，庆阳市生产总值为597.83亿元，按可比价计算，比上年增长8.2%。三大产业增加值分别增长5.7%，8.8%，8.1%。按常住人口计算，人均生产总值26 734元。截止2016年末，庆阳市总土地面积27 119 km2，其中耕地面积占比为25.62%，园地面积占比为0.79%，林地面积占比为28.35%，草地面积占比为37.84%，交通运输用地面积占比为0.78%，城镇村工矿用地面积占比为3.79%，水域及水利设施用地面积占比为0.39，未利用土地面积占比为2.44%。2007—2016年庆阳市土地利用结构变化表现为林地面积增加8.16%，草地和未利用地面积分别减少4.24%和4.5%，其他地类结构变化不大。

1.2 数据来源

本研究中采用的社会经济数据来源于《庆阳市统计年鉴(2008—2017年)》。土地利用数据来源于2007—2016年庆阳市土地利用变更调查资料，土地利用类型分为耕地、园地、林地、草地、交通运输用地、城镇村及工矿用地、水域及水利设施用地、其他用地等8个地类。

2 研究方法

2.1 构建评价指标体系

评价指标体系的构建是进行指标评级的关键，不同类型的研究对象评价的指标都有所差异。指标的选取要遵循真实性、可比性、可操作性、易获得性和简洁实用性等原则。指标不一定越多越好，而在于精。有的学者[13-14]从土地投入、土地利用程度、土地利用效率选取评价指标；有的学者[15]从生态因素、经济因素、社会因素选取评价指标。本研究结合庆阳市社会经济发展实际情况，从土地投入、土地利用程度、土地产出选取评价指标详见表1。该评价指标体系是一个由目标层、准则层、指标层构成，具有相互联系、相互补充的具有层次性和结构性的指标所构成的层次体系，其准则层都为正向指标。用各个土地类型面积所占比例表征土地利用结构，构建评价指标详见表2。

表1 土地集约利用评价指标体系

表2 土地利用结构指标体系

2.2 计算土地集约利用和土地利用结构综合指数

2.2.1 指标标准化 多指标评价体系中，由于各评价指标的性质不同，通常具有不同的量纲和数量级。当各指标间的相差很大时，如果直接用原始指标值进行分析，就会突出数值较高的指标在综合分析中的作用，相对削弱数值较低指标的作用。因此，为了保证结果的可靠性，需要对原始指标数据进行标准化处理。本研究采用极差标准化对原始指标值进行标准化，得到标准化矩阵。计算公式为：

(1)

式中：Xij′——标准化后某指标的值；Xij——标准化处理前某指标的值；Xjmin——标准化处理前某指标的最小值；Xjmax——标准化处理前某项的最大值。

2.2.2 确定各指标权重 为了能客观反映各个指标对目标层的影响程度，本研究选择客观赋权法中的熵值法来确定各个指标的权重。某项指标的熵值越小，有序度越高；反之越低。

(1) 计算第j项指标的比重Pij

(i=1,2,3,…,m；j=1,2,3,…,n)

(2)

(2) 计算第j项指标的信息熵值ej：

(i=1,2,3,…,m；j=1,2,3,…,n)

(3)

式中：常数k=1/lnm(k>0，m——评价单元个数)。

(3) 计算第j项指标的冗余度dj：

dj=1-ej(j=1,2,3,…,n)

(4)

(4) 计算第j项指标的权重值Wj：

(5)

2.2.3 确定综合指数 由以上得出Pij和Wj，运用多因素评价模型确定综合指数F：

(i=1,2,3,…,m；j=1,2,3,…,n)

(6)

我国在土地集约利用评价研究上还没有一个统一的评价等级标准，本次研究在阅读大量关于土地集约利用评价的文献基础上[16-19]，结合庆阳市土地集约利用实际状况，确定评价指标分值分级标准，即把土地集约利用状态分为[0，0.45)为土地粗放利用；[0.45，0.6) 为基本集约利用；[0.6，0.75)为适度集约利用；[0.75，1]为高度集约利用。

2.3 确定信息熵

在土地利用结构中信息熵 可以用来反映二者的有序程度。当土地利用面积相等，即各类面积占地比例相等时，信息熵最大。即，土地利用类型越多越复杂，各类型所占土地总面积的百分比差值就会越小，信息熵的值就越大；反之，越小。

(7)

为增加熵的可比性和直观性，引入均衡度J和优势度I。熵值大小可以反映土地利用的均衡度，熵值越大，土地利用类型越多，各类型面积相差越小，有序度越低，优势度越低，均衡度越高；反之，同理。

(8)

I=1-J

2.4 建立耦合评价模型

耦合是指两个或两个以上的系统之间彼此影响的一种现象，用来探索相互协调，彼此促进的动态关联关系。由于没有土地集约利用与土地利用结构耦合关系研究相关文献，本文在阅读土地利用结构与产业结构耦合分析、土地集约利用和土地利用结构变化相关文献的基础上，选用各土地利用类型面积占比来反映土地利用结构。结合庆阳市社会经济发展情况，从土地投入、土地利用强度、土地产出选取相关评价指标来反映土地集约利用。通过土地集约利用和土地利用结构的耦合评价体系反映二者的内在联系。本文借鉴相关文献，建立土地集约利用与土地利用结构耦合度模型。

(9)

式中：C——耦合度，0≤C≤1，C趋于1，表示两个子系统越协调，C趋于0，表示两个子系统越失调；F(x,t)——某一时间的土地利用结构综合指数；F(y,t)——某一时间的土地集约利用综合指数；K——调节系数，本文共有土地集约利用和土地利用结构两个子系统，K取值为2。

耦合度只能反映两个子系统的耦合程度，为了反映二者的综合，本文引入耦合协调度 来反映二者的整体效益。

(10)

式中：α，β——两个子系统的重要程度，因二者对城市的可持续发展同等重要，即α=β=0.5；D值越大，耦合协调发展越好，反之，系统越失调。借鉴相关文献[7-9]，将土地集约利用与土地利用结构两个系统之间的耦合协调度划分为4个阶段：[0，0.4)为低协调耦合；[0.4，0.5)为中度协调耦合；[0.5，0.8)为高协调耦合；[0.8，1]为极度协调耦合。

3 结果与分析

3.1 土地集约利用变化分析

据图1所示，庆阳市土地集约利用综合指数总体变化趋势较为显著，呈逐年上升状态，由2001年的0.01上升到2016年的0.97，平均增幅为0.096。根据增长幅度变化，可以分为3个时段：2007—2009年，土地集约利用水平相对较低，呈缓慢增长，由0.01增长到0.12；2009—2010年，增速最快，由0.12增长到0.48；2010—2016年，土地集约利用呈稳步上升趋势，土地利用集约化态势明显，由0.48增长到0.97。2009—2010年，土地集约利用综合指数变化较大可能是由于庆阳市石油和煤炭储量丰富，市政府坚持“两手抓”的思路，既抓资源开发、又抓转化增值，既抓重工业、又抓轻工业，使工业在稳农、增收、富市中发挥骨干作用，促进了社会经济水平。此外，市政府全力发展基础设施建设，使各区域的道路、供水、排水、垃圾处理等基础设施建设进展顺利。在整个研究期内，表征土地集约利用的各个评价指标增长速度差别较大，总体上土地投入和土地产出增速较快，土地利用强度增速较慢，其中土地投入中的单位建设用地固定资产投资额平均增速达到0.29，土地产出中的地均财政收入平均增速达到0.23。其次，庆阳市政府大力推动经济发展，不断地对土地投入经济、劳动、科技，使土地集约利用水平得到很大程度的提高。

图1 庆阳市土地集约利用综合指数变化

3.2 土地利用结构变化分析

本研究基于土地利用变更数据从均衡度、优势度、土地利用综合指数和信息熵来反映2007—2016年庆阳市土地利用结构变化状况。由表3可知在研究期内： ①庆阳市土地利用结构信息熵总体上呈下降趋势，由1.436 3下降到1.386 4。均衡度逐渐降低，由0.690 7下降到0.666 7，优势度逐渐增加，由0.309 3增加到0.333 3。土地利用结构综合指数呈下降趋势，由0.765 0下降到0.234 6，其直接原因是土地利用内部结构调整，园地、草地、水域及水利设施用地、未利用地面积逐渐减小，耕地、林地、交通运输用地及城镇村工矿用地在逐渐增加，使得各类土地面积占比差值变大，土地利用结构均衡度降低，趋势向无序发展。 ②庆阳市林地面积增加了2 211.72 km2，草地面积减少了1 148.18 km2，未利用地面积减少了1 219.18 km2，庆阳市政府加大土地开发利用，开发可垦荒草地、未利用地，以及荒山荒坡植树造林等使草地和未利用地面积减少。

表3 庆阳市土地利用结构变化

3.3 土地集约利用与土地利用结构耦合分析

根据相关公式(9)—(10)得出研究期内庆阳市土地集约利用与土地利用结构耦合协调评价结果如图2所示。 ①土地集约利用与土地利用结构耦合度分析。土地利用结构布局的合理性影响着土地集约利用效率，同时，尽管土地具有有限性和位置固定性的短板，但随着社会经济和科技的发展，合理的加大对土地的经济、劳动、科技的投入，提高土地利用效率，进而影响土地集约利用。庆阳市土地利用结构综合指数与土地集约利用综合指数耦合协调度呈先上升后下降的趋势，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，主要是因为2010年庆阳市政府加大力度开发草地和未利用地进行植树造林，使土地利用结构发生较大变化，土地利用结构综合指数下降；在2009—2010年庆阳市土地集约利用指数增速明显提高，土地利用结构的变化促进了土地集约利用水平，同时在这段间期耦合协调度增速很快，表明土地集约利用与土地利用结构发展密切。 ②土地集约利用与土地利用结构耦合协调度分析。据图2所示，研究期内庆阳市土地集约利用与土地利用结构耦合协调发展度呈逐步上升的趋势，由0.134 7上升到0.614 5。根据耦合协调发展度评价标准，2007—2008年属于低协调耦合；2009—2010年属于中度协调耦合；2010—2016年属于高度协调耦合。因此，2007—2016年土地集约利用与土地利用结构两个系统之间的耦合性越来越好，庆阳市越来越重视土地利用布局和土地利用效率的协调发展，在大力推动经济发展的同时，也注重提高土地利用的效率，调整土地利用结构，优化布局。

图2 庆阳市2007-2016年土地集约利用与土地利用结构耦合协调评价结果

4 讨论与结论

(1) 庆阳市土地集约利用水平呈上升趋势，达到高度集约利用。可以分为3个时段；2007—2009年，由0.01增长到0.12；2009—2010年，由0.12增长到0.48；2010—2016年，由0.48增长到0.97。

(2) 庆阳市土地利用结构信息熵总体上呈下降趋势，主要表现在园地、草地、水域及水利设施用地、未利用地面积逐渐减小，其中草地和未利用地面积减小最多；耕地、林地、交通运输用地，城镇村及工矿用地在逐渐增加，其中林地面积增加最多。

(3) 庆阳市土地集约利用与土地利用结构耦合度、耦合协调度总体呈上升的趋势，土地利用结构的变化促进了土地集约利用水平的提高，两个系统趋向于协调、平稳的发展。

在土地集约利用与土地利用结构现有的研究中，对单一系统的评价研究工作较为成熟，但对二者结合起来研究的成果较少，在现有研究中大多是对各个功能地类与土地集约度的关系研究，主要针对各个地类与土地集约度的相关程度提出建议和意见，鲜见对土地集约利用与土地利用结构进行系统分析的研究。而本文引入耦合协调模型，系统地研究土地利用结构与土地集约利用两个系统间的耦合协调关系，从整体上研究二者关系，是一个新的方向。结合本文与现有研究的思路，后续研究中可以同时对研究区进行两个系统关系研究和各个地类与土地集约利用系统进行研究，整体上掌握二者关系，局部进行土地利用结构的调整和优化，以达到最优的效果。本文不足之处是本研究主要着眼于时间变化分析，缺少在空间尺度的特征分析，未来应结合时间与空间双重尺度对区域土地集约利用和土地利用结构进行研究。