陕西省县域土地利用多功能性时空分异及影响因素研究*

2019-06-20王嘉妮史琴琴梁小英

中国农业资源与区划 2019年5期

王嘉妮，陈海※，史琴琴，刘迪，梁小英

(1.西北大学城市与环境学院，陕西西安 710127； 2.陕西省地表系统与环境承载力重点实验室,西安 710127)

0 引言

随着土地系统概念的进一步深化，学者们认识到土地利用/覆盖变化(LUCC)已不能完整理解土地系统变化，而通过土地利用多功能性研究来加深对土地利用可持续发展的认识已成为学者们的共识[1-5]。除具有传统的生产功能外，土地利用多功能性兼具社会、经济及生态等多种衍生功能[6-9]，开展土地利用多功能性的研究对于土地可持续利用意义重大[10-11]。

近年来，由于土地可持续发展研究的深入，土地利用多功能性研究得到国内外学者的广泛关注[12]。基于可持续发展的社会、经济和生态三维角度，选取典型指标建立土地利用多功能性指标体系已得到诸多学者认可[13-16]，且结合研究区实际情况选择特定指标已成为很多学者的共识[6-8]。当前，现有研究中土地利用多功能性时空分异较侧重时间尺度，空间差异化分析较少，特别是土地利用多功能性时空分异研究多以市域[13-14]、省域[6-7]、国家[17]为评价单元，而基于县域尺度的土地利用多功能性时空分异研究还不多见。目前，土地利用多功能性影响因素研究多基于空间计量模型[19]、改进突变级数法[13]、灰色关联度模型[20]等数学模型法，此类方法受数据自身的影响使得到的结果具有相对性[18]。地理探测器是一种新型空间分析模型，用以探测某地理属性与其解释因子之间的关系，该方法的优势在于没有过多的假设条件，可以区别于传统统计分析方法处理类别变量，并在地理学研究中逐渐受到关注[21-24]。

鉴于此，文章以土地利用多功能性区域差异及演变具有代表性和典型性的陕西省为例，在构建土地利用多功能性指标体系的基础上，采用均值法与熵权法对2000—2015年研究区土地利用多功能性进行评价；以县域为评价单元，探讨土地利用单项和综合功能的时空分异，并结合地理探测器模型分析土地利用多功能性的影响因素，以期为陕西省土地利用可持续发展提供理论参考和实践支持。

1 研究区与数据来源

1.1 研究区概况

陕西省处于西北内陆腹地，土地面积达20.58万km2，从北向南形成3个各具特色的自然区：陕北黄土高原、关中平原和陕南秦巴山地，地势起伏大，地貌类型多，具有了土地利用多功能性发展的优势条件。2000年以来，陕西省受退耕还林政策影响深远。截止2015年，全省耕地面积减少80.8万hm2，林地面积增加157.7万hm2，森林覆盖率增加了18.96%，其退耕还林位居全国前列，土地覆被的剧烈变化引起土地功能的改变。同时，陕西省主体功能区规划的实施也为土地利用功能调整和优化带来前所未有的机遇，为陕西省土地利用多功能性时空分异和影响因素研究提供了良好的研究平台。

1.2 数据来源

该文数据选自省域、县域统计年鉴、统计公报或数据库。其中，城乡居民收入平衡指数、万人拥有卫生机构床位数、农民人均纯收入、人口密度、人均粮食拥有量、土地垦殖率、地均全社会固定投资总额、经济密度、二三产业产值、人均耕地面积等数据主要来自《陕西省区域统计年鉴》(2015年)、《陕西省统计年鉴》(2000—2016年)、《中国国家知识基础设施》数据库；农业从业人员、植被覆盖率、封山育林总面积等数据主要来自《中国县域统计年鉴》(2000—2016年)、《中国林业统计年鉴》(2000—2016年)；针对个别年份缺失数据则通过统计公报查找或按照年均增长率推算整理获取。

表1 陕西省土地利用多功能性评价指标体系

目标层准则层(权重)指标层指标权重指标属性土地利用功能社会功能U1(0.333)农业从业人员X10.200+城乡居民收入平衡指数X20.204+万人拥有卫生机构床位数X30.194+农民人均纯收入X40.197+人口密度X50.205-经济功能U2(0.333)人均粮食拥有量X60.227+土地垦殖率X70.222+地均全社会固定投资总额X80.163+经济密度X90.163+二、三产业结构X100.225+生态功能U3(0.333)植被覆盖率X110.268+人均耕地面积X120.272+封山育林总面积X130.461+

2 研究方法

2.1 土地利用功能类型及指标选取

基于可持续发展视角，从经济、社会与生态维度，按照科学性、代表性及数据的可获得性原则选取13个指标构建土地利用多功能性评价指标体系(表1)。其中，社会功能的健康发展能够满足人们对土地利用最基本的需求，为了能够综合反映区域土地资源对社会功能的影响，选取农业从业人员、城乡居民收入平衡指数、万人拥有卫生机构床位数、农村居民人均纯收入、人口密度等指标表征土地利用的社会功能；经济功能指土地利用活动中所产生的直接或间接经济价值，考虑指标的典型性及地域的特殊性，选取人均粮食拥有量、土地垦殖率、地均全社会固定投资总额、经济密度、产业结构等指标反映土地利用效益和经济发达程度；生态功能的良性发展是土地可持续发展的目标，陕西省作为全国最大的退耕还林区，10多年来生态环境改善明显，其森林覆盖率、人均耕地面积、封山育林总面积等变化最为剧烈，这些指标能够有效体现该区域的生态效应。

2.2 区域土地利用多功能性评价方法

首先，该文采用均值法确定准则层权重，熵权法确定指标层权重；其次，参考学者杜国明[7]的研究，并根据陕西省土地利用实际情况确定各指标阈值，并对其进行标准化处理；最后，基于土地利用多功能性评价方法测算土地利用功能值以此表征土地利用功能水平，D值越大，表示土地利用功能程度越高。公式为：

(1)

D=∑W0D′

(2)

式(2)中，D表示土地利用总功能值；W0表示目标层权重；D′表示土地利用各功能值。

2.3 区域土地利用多功能性动态变化测算方法

功能变化动态度表征某一时期内土地利用功能的相对变化程度，依托于d值将功能变化进行分类，d>20%为快速提高； 0

(3)

式(3)中，d为功能变化动态度；Ft+1及Ft分别表示t+1及t时期某土地利用功能值。

功能标准差(σ)表征土地利用多功能间的协调性，σ越小，土地利用多功能协调性越高[6]。计算为：

(4)

式(4)中，σ为功能标准差，F为功能值，N为功能数。

功能变化优势度(L)表征某时段内土地利用功能变化差异性。L最大值为1，L越大，期间土地利用多功能性变化差异越大，土地利用越趋于单一化[6]。公式为：

(5)

式(5)中，L为功能变化优势度； |d|max为动态度绝对数最大值； |d|为动态度绝对值之和。

2.4 地理探测器

该文借助地理探测器中因子探测和交互探测揭示土地利用多功能性变化的影响因素。其中，交互探测用来判定土地利用单项功能对总功能是起独立作用还是交互作用；因子解释力[24](Power of Determinant，PD)主要测度各单项功能对总功能的解释力程度，计算公式为：

(6)

3 结果与分析

3.1 土地利用多功能性时空分异分析

基于熵权法测算的指标层权重及均值法确定的准则层权重，采用公式(1)与(2)计算得到2000—2015年陕西省县域土地利用各单项功能值和总功能值，为直观了解其空间差异，利用ArcGIS10.2的自然断裂法实现空间可视化，将各功能值分为低值区、较低值区、中值区、较高值区和高值区5类。结果见图1。

3.1.1 土地利用多功能性时空变化分析

图1 2000—2015年陕西省县域社会、经济、生态和总功能值的时空分布

由图1可以看出， 2000—2015年陕西省各区县土地利用社会、经济、生态及总功能的空间格局差异明显且随时间的推移各功能均呈现出不断增强态势。其中经济功能空间格局变化最为显著，其次依次为总功能、生态功能和社会功能。具体空间格局演变如下。

(1)社会功能：陕西省县域2000年社会功能值分布于1.78～2.60之间，其中， 66.36%的县区处于低值区、较低值区和中值区， 33.64%的县区处于高值区或较高值区。中值区和较低值区成块状集聚分布于全省各区域，仅有4.67%的县区处于低值区零散分布于陕北和陕南区域，这些县区农民收入低，经济发展落后，社会服务无法得到充分发挥；高值区所占比例为6.54%，零星分布于关中和陕南地区，较高值区则分布于高值区外围，这些地区农民收入较高，城乡收入差距小，经济发展较快，社会基础服务完善。2015年社会功能值分布于1.82～3.43之间，高值区全部分布于关中地区，由零散分布演变为集中分布，较高值区的部分县域依然在高值区外围，中值区由2000年的条带状分布演变为与其他功能值交错分布的状态，较低值区所占比例最大，占比达到42.06%且在全省均有分布，低值区所占比例依然最小且数量减少，这说明随着时间的推移，社会经济不断发展，社会功能整体水平提高。

(2)经济功能：陕西省县域2000年经济功能值分布于1.39～1.61之间，呈现出北部边缘区和西南部较高，中部和西部较低的空间格局。高值区所占比例略高于社会功能，在西南地区形成两个集聚区；较高值区分布在3个区域，一是在陕北北部形成了条带状，二是在西南部形成了集中连片区，三是在关中一带呈东西走向分布，这些地区均是经济发展良好的县区。中值区所占比例达到25.23%，呈南北向交错分布于全省各部，低值区所占比例最少，在全省零散分布，这些区县均属于经济发展较慢区域，所以经济功能值偏低。2015年经济功能值分布于1.50～2.85之间，高值区县域个数增加，占比上升到12.15%，西南部的团块区域范围变大；较高值区变化最为剧烈，占比由26.17%上升到33.64%，空间上在陕北和陕南均形成了连片的集聚区；其余中值区、较低值区和低值区交错分布于陕西省中部。这是陕北、陕南地区受“十二五规划”政策等的影响，经济发展表现强劲，又由于前期陕北、陕南地区经济发展缓慢，致使其后期经济发展空间潜力巨大，所以经济变化较大，而关中、陕北部分县区受“十五规划”、“十一五规划”等政策的影响，经济发展速度较快，使得经济在短时间内达到一定的规模，而“十二五规划”的到来，更加强调经济结构的转变，使得这些地区经济趋于平稳发展，但其经济总量仍在上升。

(3)生态功能：陕西省县域2000年生态功能值分布于1.04～1.37之间，总体来说北部的生态功能值高于南部，生态功能值大体都不高但空间差异较大。高值区或较高值区所占比例达到19.63%，主要分布于陕北、关中地区，与其余功能值相比，生态功能低值区所占比例较大， 23.36%的县区处于低值区且大部分位于陕南地区，这是由于陕南地区生态环境基础良好，但改善的幅度较低，而陕北、关中地区虽然生态环境基础较差，但受“退耕还林”政策影响，植被覆盖率和封山育林总面积显著增加，生态功能大幅提升； 2015年生态功能值分布于1.10～3.35之间， 2015年， 19.63%的县区生态功能从低值区变成了中值区或较高值区；低值区数量显著减少，仅有3.74%的县区处于低值区，这也与2000年以来陕西省大力推行“退耕还林”政策密不可分。

(4)总功能：土地利用总功能是社会、经济和生态3子功能的集成表达。2000年，总功能值从北向南呈现出高低高低条带状相间分布的空间格局。高值区集中分布于关中地区及陕南的个别县区；总功能的低值区所占比例也大于其他功能低值区，占比达到23.36%且全省各部均有分布； 2015年总功能值整体上有明显增加的趋势，高值区略有减少但低值区急剧减少，低值区占比由2000年的22.36%降低到2015年的5.61%，较高值区所占比例上升到23.36%，整个区域总功能值区域平衡。

3.1.2 土地利用多功能性动态变化分析

为进一步明晰土地利用多功能性的相对变化程度、协调性和变化差异大小，分别采用公式(3)、(4)和(5)计算2000—2015年陕西省县域土地利用功能变化动态度、标准差和变化优势度。结果见表2和表3。

表2 2000—2015年陕西省县域土地利用社会、经济、生态和总功能动态度数量变化

功能动态度年份功能变化类型快速退化缓慢退化维持不变缓慢提高快速提高社会功能县区数量及比例2000—20050(0%)73(68.22%)0(0%)34(31.78%)0(0%)2005—20100(0%)8(7.48%)0(0%)98(91.59%)1(0.93%)2010—20152(1.87%)4(3.74%)0(0%)99(92.52%)2(1.87%)经济功能县区数量及比例2000—20050(0%)16(14.95%)4(3.74%)84(78.50%)3(2.80%)2005—20101(0.93%)13(12.15%)1(0.93%)91(85.05%)1(0.93%)2010—20151(0.93%)36(33.64%)0(0%)49(45.79%)21(19.63%)生态功能县区数量及比例2000—20050(0%)0(0%)1(0.93%)18(16.82%)88(82.24%)2005—20100(0%)5(4.67%)1(0.93%)41(38.32%)60(56.07%)2010—20151(0.93%)10(9.35%)1(0.93%)76(71.03%)19(17.76%)总功能县区数量及比例2000—20054(3.74%)8(7.48%)1(0.93%)90(84.11%)4(3.74%)2005—20102(1.87%)6(5.61%)3(2.80%)94(87.85%)2(1.87%)2010—20150(0%)3(2.80%)0(0%)100(93.46%)4(3.74%)

表3 陕西省县域土地利用功能标准差及变化优势度

层次功能标准差功能变化优势度2000年2005年2010年2015年2000—2005年2005—2010年2010—2015年单项功能0.4750.3830.3100.4310.0210.0320.017

(1)土地利用功能相对变化幅度不大。从动态变化度来看，整体上陕西省保持在缓慢提高阶段，未能突破原有状态，说明土地利用功能等级不强，有待进一步改善(表2)。社会功能2000—2005年大部分地区呈缓慢退化态势，占比达到68.22%， 2005—2010年和2010—2015年大部分地区呈缓慢提高或快速提高态势，占比均在90%以上；而经济功能在2000—2005年和2005—2010年两个阶段的动态度基本处于缓慢提高状态， 2010—2015年大部分地区动态度则差异多样化，快速退化、缓慢退化、缓慢提高或快速提高均有分布；生态功能2000—2005年区段82.24%县区呈缓慢提高趋势， 2005—2010年区段大部分地区快速提高，部分地区呈缓慢提高趋势， 2010—2015年大部分地区由快速提高转变为缓慢提高态势；总功能2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年80%以上地区呈缓慢提高，说明土地利用生态功能活跃度较高。

(2)土地利用多功能协调性缓慢提升。表3显示， 2000年、2005年、2010年、2015年陕西省单项功能标准差分别为0.475、0.383、0.310、0.431，呈现出先降低再上升的趋势，但整体由2000年的0.475降低到2015年的0.431，功能标准差趋小揭示了陕西省县域土地利用多功能协调性逐渐增强。

(3)土地利用由单一功能向多功能转变，但仍未发生实质性变化。2000—2005年，陕西省土地利用的社会、经济及生态功能变化动态度均值为-0.7%、7.2%、34.9%，其土地利用多功能中变化最大的是生态功能，功能变化优势度高达0.021，表明期间土地利用以单一的生态功能为主； 2005—2010年，陕西省土地利用多功能性中变化最大的是生态功能，功能变化动态度均值为4.8%、4.0%、21.9%，相对于上一阶段经济、生态功能分别下降3.2%、13.0%，而社会功能则上升了5.5%，功能变化优势度高达0.032，表明期间土地利用仍以单一的生态功能为主； 2010—2015年，陕西省土地利用多功能性中变化最大的是生态功能，其功能变化动态度均值为7.9%、6.7%、12.3%，相对于上一阶段生态功能下降9.6%，而社会、经济功能则上升了3.1%、2.7%，功能变化优势度高达0.017，表明期间土地利用仍以单一的生态功能为主。纵观上述研究表明，虽然土地利用一直以单一功能为主，但其重心一直在慢慢转移，由生态功能发展逐渐转变为社会、经济及生态等多功能发展。

3.2 土地利用多功能性影响因素分析

土地是一个综合性系统，该文利用地理探测器中的因子探测和交互探测，以2015年陕西省县区土地利用准则层的3个子功能及所选定的指标层13个影响因素作为参考，探寻陕西省县域土地利用多功能性指标体系内部作用，计算结果见表4和表5。

3.2.1 土地利用多功能性指标层分析

表4 土地利用多功能性指标因素探测结果

探测因子X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12X13X10.0140.9110.9220.8370.911X20.0790.9120.9300.902X30.0230.9300.912X40.0470.930X50.688X60.0430.9300.8910.9240.938X70.3950.8840.9590.960X80.0220.9710.653X90.0330.897X100.021X110.0590.9580.995X120.0140.995X130.343

表5 社会、经济及生态功能探测结果

探测因子U1U2U3U10.244U20.7770.257U30.7650.7850.308

表4所示，社会类指标对社会功能强弱排序依次为：X5>X2>X4>X3>X1，表明社会功能受人口密度指标的作用最为强烈，即人口密度和社会功能之间具有最强的一致性；次要指标为城乡居民收入平衡指数，因子解释力为0.079；卫生机构床位数和农民人均纯收入较为接近，均在0.02～0.05之间；农业从业人员对社会功能的因子解释力要明显偏弱，因子解释力仅为0.014。经济类指标对经济功能强弱排序依次为：X7>X6>X9>X8>X10，揭示经济功能受地均全社会固定投资总额土地垦殖率指标的控制作用最为强烈；人均粮食拥有量，经济密度、地均全社会固定投资总额、二三产业结构的因子解释力较为接近，分别为为0.043、0.033、0.022、0.021，说明这4项指标与经济功能呈现出相对较强的一致性。生态类指标对生态功能强弱排序依次为：X13>X11>X12人均耕地面积，说明生态功能受封山育林总面积指标的控制作用最为强烈，即其和生态功能之间具有最强的一致性；次要指标为植被覆盖率，因子解释力为0.059；人均耕地面积因子解释力为0.014；其因子解释力要明显偏弱。

社会、经济和生态功能指标两两交互后对社会、经济和生态功能的解释力程度均表现为增强态势。其中，城乡居民收入平衡指数、万人拥有卫生机构床位数、人口密度和农民人均纯收入交互后对社会功能因子解释力最大，均为0.930；地均全社会固定投资总额和经济密度交互后对经济功能因子解释力最大为0.971；植被覆盖率、人均耕地面积和农封山育林总面积交互后对生态功能因子解释力最大为0.995。因此，土地利用单项功能受到各指标的共同作用，指标两两交互后对土地利用各功能的因子解释力要明显强于单个指标。

3.2.2 土地利用多功能性准则层分析

表5所示，单项功能对总功能强弱排序依次为：U3>U2>U1。表明总功能受生态功能的作用最为强烈，因子解释力为0.308，即其与总功能之间具有最强的一致性；次要作用为经济功能，因子解释力为0.257；而社会功能的因子解释力最弱，因子解释力为0.244。而任意两个功能交互后对土地利用总功能的因子解释力均表现为双因子增强和非线性增强，其中，经济功能和生态功能交互后因子解释力最强，达到0.785；社会功能和经济功能交互后因子解释力次之，为0.777；社会功能和生态功能交互后因子解释力为0.765。这说明，土地利用功能评价受到各维度功能的共同制约，任意两个功能交互后对土地利用总功能的因子解释力要明显强于原来单个功能。