福建省土地利用空间均衡度时空分异及驱动力研究

朱润苗，陈松林

福建师范大学地理科学学院，福建 福州 350007

0 引言

近年来，随着我国改革开放的不断深入和社会经济的快速发展，区域乃至全国在土地利用平衡过程中处于两难困境，一方面城市的加剧扩张和经济发展对建设用地的需求不断增长，另一方面受到粮食安全以及生态安全压力对耕地保护诉求的胁迫[1].尽管随着区域开发强度的提高，大规模的资源利用推动了区域经济社会的发展，特别是工业化和城镇化的推进，但在促进资源环境开发的同时，也打破了资源环境系统的平衡[2].与此同时，中国许多城市出现土地开发失控、空间蔓延加快趋势，城市扩展系数突破“合理界线”，资源存量加速逼近“生存红线”的问题[3].因此研究土地利用中面临的开发与供给间的均衡问题对于促进区域经济社会发展，优化国土空间开发布局具有重要意义.

作为在地理学、经济学等学科中广泛使用的概念，均衡既可以作为数量概念，指相互独立的2个变量在数量上大体相等；也可以作为状态概念，指相互独立的双方均没有改变现状的意愿和能力，彼此处于均势和平衡的状态[4，5].而空间均衡并不是指经济活动在区域空间上的均匀分布，而是代表的是一种与地区资源环境相协调，符合可持续发展要求的区域生产力布局状态[6]，这种状态意味着达到帕累托最优[7].土地利用空间均衡可以理解为土地利用的规模和强度与其区域开发供给能力相协调，而这种均衡不是绝对的而是相对的，如果一个区域的土地开发规模和强度超过空间供给容量则为开发过度，反之，则为开发不足[8，9].目前对土地利用空间均衡度的研究总体而言较少.现有研究对土地利用空间均衡度的研究内容主要有评价研究[7，10，11]，空间均衡分异研究[11～15]，同时预测和态势研究也是重点方向[5，14，15]，还有侧重于土地开发强度驱动因素的研究[16～18]，也有学者从资源场理论角度分析土地利用的空间均衡配置[19]；研究对象上有从城市土地[17，20，21]、建设用地[5，22]、区域土地综合利用[7，12，14]着手；研究尺度上有从单一年份[7，8，22]以及多年分析[12，14，15]土地利用空间均衡度状况，也有从省级区域内[7～8，13，15]、全国范围内[14，22]研究土地利用空间均衡度.研究主要集中在评价研究、空间均衡分异研究以及预测及态势研究方面，而对于土地利用均衡度驱动力的研究相对缺少，往往侧重分析土地开发的影响因素，同时对土地利用空间均衡的空间分异特征也仍有待深入.

福建省作为东南沿海经济发达区的重要省份，沿海的地理优势不言而喻，而福建省多山地的地形条件对其发展限制程度较大，区域内可供开发的土地资源总量有限，同时受到生态环境保护的约束，在这样的背景下，研究福建省的土地利用空间均衡状况意义突出.因此本研究以福建省为研究区域，9个设区市为研究单元，运用指数模型，趋势面分析法研究该区域在2008年～2018年间土地利用空间均衡度的时空差异，同时借助灰色关联分析模型探究影响其土地利用空间均衡度时空差异的驱动力.

1 研究区概况

福建省位于我国东南沿海(23°33′～28°20′N,115°50′～120°40′E).土地面积为12.14×104km2，下辖9个设区市，分别为福州市、厦门市、莆田市、三明市、泉州市、漳州市、南平市、龙岩市和宁德市.福建省属于亚热带海洋性季风气候，年平均降水量为1 400 mm～2 000 mm，年平均气温为17 ℃～21 ℃.福建省的地形素有“八山一水一分田”之称，省内多山地丘陵，森林覆盖率达65.95 %，海岸线曲折，岛屿众多.区域内多山地的地理条件，而近些年城镇化进程又不断加快，可用的土地资源存量有限，福建省的发展受土地要素的制约日益严峻.

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

研究所用的相关社会经济数据来源为2008年～2018年的福建统计年鉴，各设区市的国民经济与社会发展统计公报以及《中国城市统计年鉴》和《中国城市建设统计年鉴》，水资源数据来源为福建省水资源公报，土地利用数据来源为福建省土地利用变更调查数据.相关研究数据部分为初始数据，其他是根据初始数据计算而得.

2.2 研究方法

2.2.1 评价指标体系的构建

根据已有的文献[5，7，8，12，15]并结合福建省土地利用的实际情况以及数据获取的可行性，从土地开发强度(LD)以及土地供给能力(LS)两个维度构建指标体系，根据土地开发强度以及土地供给能力的相关性和协调性来判断土地利用的空间均衡状况.土地开发强度是指人类社会在对土地的质量、数量以及地表景观进行开发利用时，所反映出来的开发活动的频率、速度、规模大小、资源的变化程度以及资源反馈效应状况的尺度[11].而区域的土地开发强度与该区域的经济社会的发展程度和活动程度密切相关，因此采用经济密度指数(ED)、人口强度指数(PI)以及土地利用程度指数(LU)用来反映土地开发强度.经济密度指数用人均GDP、地均GDP、地均财政收入以及第二第三产业比重来表征；人口强度指数用城镇化率以及人口密度来表征；土地利用程度指数用建设用地比重以及资金投入强度来表征.土地供给能力是指在一定时期以及区域内，根据区域内的土地自然条件和环境状况所能提供的供土地开发利用的限度[15].选取资源保障指数(RS)、生态安全指数(ES)以及环境承载指数(EV)来反映区域的土地供给能力.资源保障指数用土地总面积、耕地面积以及水资源总量来表征；生态安全指数用林地面积、园地面积以及草地面积来表征；环境承载指数用化学需氧量排放量以及二氧化硫排放量来表征.根据以上指标，构建土地利用空间均衡度评价指标体系(表1).

表1 土地利用空间均衡度评价指标体系Tab.1 Evaluation index system of spatial balance degree of land use

2.2.2 指数计算模型

(1)数据标准化

为了使各评价指标具有可比性，需要对指标进行标准化处理，运用极值法对原始数据进行标准化处理.

正向指标标准化公式

(1)

负向指标标准化公式

(2)

式(1)、式(2)中，Vij为初始指标值，maxVij为j区域内i指标值中的最大值，minVij为j区域内i指标值中的最小值，Vij′为极值法标准化后的值.

(2)土地开发强度和土地供给能力的计算

在对指标进行标准化处理后，运用算数平均法和几何平均法相结合的公式进行土地开发强度和土地供给能力的计算[14，15，17].

(3)

(4)

式(3)、式(4)中，LD为土地开发强度，LS为土地供给能力.经济密度指数(ED)，人口强度指数(PI)，土地利用程度指数(LU)，资源保障指数(RS)，生态安全指数(ES)，环境承载指数(EV)的值也由指数计算模型得出.

(3)土地利用空间均衡度的计算

在土地开发强度以及土地供给能力计算结果的基础上，运用均衡度指数计算土地利用空间均衡度[14，22].

(5)

式(5)中，C为土地利用空间均衡度，C∈[0，1]，C的值越接近1说明土地开发强度和土地供给能力之间的协调性和均衡性较高，土地空间均衡度越好；其中α和β为权重，表明的是土地开发强度指数和土供给能力指数的匹配性，取α=β=0.5，k为调节系数，k≥2，为了使计算结果更具有层次性，取k=3.参考已有研究成果[14，15，23]，将土地利用空间均衡度分为四个等级(表2)，分别为土地利用空间高度均衡、土地利用空间中度均衡、土地利用空间基本均衡和土地利用空间失衡.

表2 土地利用空间均衡度分级Tab.2 The classification of spatial balance degree of land use

2.2.3 趋势面分析

趋势面是实际曲面的近似值，它可以对较大空间跨度的地理数据进行半定量研究.趋势面分析是通过利用空间数据拟合出数学曲面，用来说明较大空间跨度的地理要素观测值在空间上的变化趋势以及分布规律[24].其实质是通过回归分析原理，运用最小二乘法拟合二维多项式函数，模拟地理要素在空间上的分布规律，展示地理要素在地域空间上的变化趋势[25].

2.2.4 灰色关联分析模型

灰色关联分析模型由邓聚龙教授于1982年提出，作为灰色系统理论体系的核心内容之一，它能够有效地度量系统因素间紧密程度，也能很好地反映系统的变化态势[26].灰色关联分析模型的基本思路是依据各评价序列所构成的曲线族与参考数列构成的曲线间的几何接近程度来确定序列之间的关联程度[27～29].几何形状越相似，对应序列间的关联程度就越大，反之越小.灰色关联分析模型的具体计算方法如下：

(1)确定参考数列X0j(j=1,2,…，n)和比较数列Xij(i=1,2,…,m)，采用均值法对二者进行初始化处理；

(2)计算灰色关联度

(6)

为便于分析，参考以往研究[30]，将灰色关联度划分为4个等级：0≤γ≤0.35为低关联，0.35<γ≤0.65为中等关联，0.65<γ≤0.85为较高关联，0.85<γ≤1为高度关联.

3 结果分析

3.1 土地利用空间均衡度的时间特征分析

3.1.1 土地开发强度和土地供给能力分析

通过计算各设区市的土地开发强度以及土地供给能力的平均值来反映福建省的土地开发强度和土地供给能力状况.

(1)土地开发强度分析

2008年～2018年福建省土地开发强度处于不断上升的状态，由2008年的0.139 0上升到2018年的0.370 5(图1).土地开发强度的经济密度指数、人口强度指数以及土地利用程度指数均逐年增加，其中经济密度指数由2008年的0.111 0增长到2018年的0.303 6，表明在这段期间内福建省经济发展水平提升较快，这得益于福建省这段时间内大力发展经济，推动经济腾飞.人口强度指数由2008年的0.197 4增长到2018年的0.372 0，表明了福建省的人口集聚程度有所提升，反映随着经济发展，城镇化水平也不断提升，人口往城镇迁移.土地利用程度指数由2008年的0.122 2增长到2018年的0.447 4，这是因为福建省建设用地比重增长较快，资金投入强度加强，对土地开发利用的程度显著提高.从土地开发强度的各指标来看，土地利用程度指数增加的速度最快，人口强度指数增长相对较慢，这是因为城镇化进程具有先由城市面积扩张进而推动人口集聚的特点.

(2)土地供给能力分析

2008年～2018年福建省土地供给能力先上升再保持稳定最后下降，由2008年的0.265 2上升到2012年的0.407 2，2012年后开始下降，由0.407 2下降到0.284 4(图1).根据土地供给能力的各指标变化可以看出：2008年～2018年资源保障指数整体波动较大，处于先升高后下降的态势，表明福建省资源保障能力先升后降，资源保障面临缺口，这是因为福建省多山地，地表起伏大，耕地资源有限；生态安全指数由2008年的0.144 7上升到2010年的0.412 9，随后保持在相对稳定的状态，表明福建省环境状况良好且相对稳定，这是因为福建省特有的地形和气候的特点，森林资源丰富，森林覆盖率高；环境承载指数整体上处于先升后降的态势，由2008年的0.301 3上升到2011年的0.425 6再逐年下降到2018年的0.147 9，反映从2008年～2011年期间由于大力发展经济而对环境效益关注不够，导致环境压力上升，2011年以后，地方政府在发展过程中注重保护环境，发展低碳经济，环境承载力日益增强.

图1 2008年～2018年福建省土地开发强度与土地供给能力变化趋势Fig.1 The change trend of exploitative intensity of land resources and land supply capacity from 2008 to 2018 in Fujian province

3.1.2 土地利用空间均衡度分析

通过计算土地利用空间均衡度的平均值来表征福建省的土地利用空间均衡度.福建省的土地利用空间均衡度总体上呈上升态势，土地利用空间均衡状态由失衡转变为土地利用空间基本均衡(图2).从2008年～2018年，福建省的土地利用空间均衡度从0.331 5增加为0.648 5，2008年～2011年土地利用空间均衡度先增后降，2011年以后土地利用空间均衡度逐年增加，且增加的速度先快后慢.这是因为福建省自2008年以来土地开发强度逐年提升，土地供给能力由缓慢提高到下降，随着土地开发强度指数大于土地供给能力指数时，土地利用空间均衡度提升速度放缓.福建省大部分设区市的土地利用空间均衡度处于上升的态势，少数几个设区市的土地利用空间均衡度呈下降趋势(图3).其中，龙岩市的土地利用空间均衡度上升速度最大，由2008年的0.009 9上升到0.985 1；莆田市在2008年～2018年间的土地利用空间均衡度先升后降，2010年以后逐年下降，下降速度最快，从0.770 4下降到0.168 0.这是因为龙岩市在这段期间内土地开发强度不断提升，而土地供给能力能够满足土地开发的需要以及强度，与其关系适配良好；而莆田市随着土地开发强度的不断提升，土地供给能力无法满足土地开发强度，土地开发超过土地所能提供的供给能力，导致土地利用空间度在2010年以后不断下降.

图2 2008年～2018年福建省土地利用空间均衡度变化趋势Fig.2 The change trend of spatial balance degree on land use from 2008～2018 in Fujian province

图3 2008年～2018年福建省各设区市土地利用空间均衡度变化趋势Fig.3 Administrative cities’change trend of spatial balance degree on land use from 2008 to 2018 in Fujian province

3.2 土地利用空间均衡度的空间特征分析

3.2.1 土地利用空间均衡度的趋势面分析

通过Arcgis 10.2中的地统计分析方法，对2008年、2013年和2018年三个时间段的截面数据的土地利用空间均衡度进行趋势面分析的研究.如图4所示，X代表东西方向，Y代表南北方向，Z代表土地利用空间均衡度指数值.可以看出，3个时间断面上土地利用空间均衡度的差异明显，东西方向上由“S”型变成了“U”型，说明由西向东土地利用空间均衡度由上升转为下降，而靠近东部区域的土地利用空间均衡度是在上升，“U”型谷底所代表的区域的土地利用均衡度在三个时间断面上呈现出由高到低的变化特点；南北方向上由倒“U”型变成了“N”型，且曲线位置整体向上移动，说明南北方向区域的土地利用空间均衡度处于上升态势，土地利用状态向着均衡方向演变.从曲线的弯曲程度可以看出，东西方向上，土地利用空间均衡度的差异在变小，南北方向上的土地利用空间均衡度的差异在变大.

图4 福建省土地利用空间均衡度趋势分析Fig.4The trend analysis of spatial balance degree on land use in Fujian province

3.2.2 土地利用空间均衡度空间分异

(1)选取2008年、2013年和2018年3年的截面数据对福建省的土地利用空间均衡度在空间上的变化进行研究，并用ArcGIS 10.2 加以可视化.福建省土地利用空间均衡状态总体上不稳定，整体上在提高(图5).在2008年无土地利用空间高度均衡和土地利用基本均衡的设区市，3个设区市处于土地利用空间中度均衡的状态，其余的6个设区市均处于土地利用空间失衡的状态.在2013年，福州市处于土地利用空间高度均衡的状态，泉州市土地利用空间均衡状态为中度均衡，莆田市的土地利用空间均衡状态为基本均衡，其余6个设区市均处于土地利用空间失衡的状态.2018年有4个设区市处于土地利用空间高度均衡状态，分别为：福州市、泉州市、漳州市和龙岩市；宁德市和三明市分别处于土地利用空间中度均衡状态以及土地利用空间基本均平衡的状态，有3个设区市(南平市、莆田市和厦门市)处于土地利用空间失衡的状态.土地利用空间处于高度平衡状态的城市数量增多是由于随着福建省经济的快速发展，土地开发强度随之增强，而各区域土地供给能力有所提升并保持相对稳定，因此使得土地利用空间均衡状态提升.

图5 2008年～2018年福建省土地利用空间均衡度空间变化情况Fig.5 The situation of spatial balance degree on land use from 2008 to 2018 in Fujian province

(2)土地利用空间均衡度分布不均匀.闽西北地区土地利用空间均衡度较低，闽东南地区土地利用空间均衡度相对较高，而厦门市一直处于土地利用空间失衡的状态，莆田市的土地利用空间状态由中度均衡下降为失衡.这是因为，闽西北地区靠近内陆，经济发展水平相对滞后，对人口的吸引力不强，因此经济密度指数、人口强度指数都相对较低，从而影响该区域的土地开发强度，但是该区域的生态功能较强，环境承载力也较大，因此土地供给能力较高，导致过低的土地开发强度与高的土地供给能力不匹配，而使该区域土地利用空间均衡状态处于失衡或基本均衡的状态.闽东南地区位于沿海，地理位置优越，发展机遇多，该区域的经济活动密切，对人口的吸附力也强，因此土地开发强度高，土地供给能力也能与之匹配，因此有较高的土地利用空间均衡度.2008年～2018年厦门市一直处于土地利用空间失衡的状态，这是因为厦门市行政面积相对较小，且人口和社会经济活动相对密集，导致土地开发强度水平远大于土地供给能力水平，而造成该区域的土地利用空间失衡.莆田市则是由于建设用地扩张速度加快，导致耕地资源、园地资源减少，由此土地利用程度提高速度加快，土地开发强度提升速度加快，而随着土地供给能力的下降，而使莆田市的土地开发强度和土地供给能力之间关系处于不协调发展状态，使得土地利用空间均衡状态下降.

(3)土地利用空间均衡度在空间上经历了由低值集中分布到高值集中分布的过程.2008年～2013年土地利用空间状态以失衡为主，有6个设区市处于土地利用空间失衡状态，2013年后土地利用空间均衡度上升速度明显，到2018年土地利用空间基本均衡及以上的设区市达6个，占全省的66 %以上，其中高度均衡有4个设区市.

3.3 土地利用空间均衡度驱动力分析

借助DPS 7.05软件从经济密度、人口强度、土地利用程度、资源保障、生态安全及环境承载等6个方面指标对土地利用空间均衡度进行关联度分析.福建省土地利用空间均衡度与这6个方面的指标关联度在0.564 1以上(表3)，属于中等关联以上，说明土地利用空间均衡度是区域经济、社会和自然多方面综合作用的结果.其中，经济密度对土地利用空间均衡度的影响最为明显，关联度达0.860 2，处于高度关联状态，这说明区域土地供给和利用的适配状态在很大程度上取决于区域的经济发展状态；人口强度、土地利用程度、资源保障和生态安全与土地利用空间均衡度的关联度在0.692 1以上，为较高程度的关联，说明这些指标与土地利用空间均衡度的联系相对紧密，反映土地利用空间均衡度受人口状态、土地利用情况、资源和生态等多方面因素的影响明显；另外一方面，土地利用空间均衡度与区环境承载的关联度达到中等程度，反映土地利用空间均衡度与区域环境承载能力也存在一定关系，环境承载能力对于区域土地利用平衡及可持续发展意义重大.

表3 土地利用空间均衡度与主要指标的灰色关联度Tab.3 Degree of grey correlation between spatial balance degree on land use and main indicators

本研究中所选取的16个评价指标与土地利用空间均衡度的关联程度均在0.80以上，达到较高程度关联(表4).按照关联度的大小排序，排在前五的单项指标有：COD排放量>资金投入强度>SO2排放量>第二第三产业比重>人均GDP.前五项指标与土地利用空间均衡度的关联度均大于0.879 8，这5个单项指标都为环境承载、土地利用程度与经济密度相关方面的指标.其中COD排放量(化学需氧量排放量)和SO2排放量的关联度分别居首位和第三位，资金投入强度居次位，说明区域的土地利用空间是否均衡很大程度上取决于在生产生活所产生的污染是否在环境承载力以内，一旦超过环境承载的红线，生态环境则会遭到破坏甚至造成无可挽回的后果，土地利用以及区域发展将处于失衡状态；而资金投入强度是区域土地利用状况的客观反映，但资金投入不是无边界行为，适度而有边界的资金投入强度有利于推动土地利用空间平衡；第二第三产业比重反映的是区域产业结构状况，任何产业的落地发展以一定的土地空间为承载，产业结构决定产业空间布局，从而对土地利用格局产生重要影响；人均GDP是区域经济发展的平均反映，一定程度上反映经济发展强度与密度，区域经济发展状况影响着区域土地需求以及利用强度，因此对土地利用空间均衡有显著意义.

表4 土地利用空间均衡度与单个指标关联度Tab.4 Degree of grey correlation between spatial balance degree on land use and single indicators

4 结论和建议

以福建省为研究区域，对土地利用空间均衡度进行时空特征分析并利用灰色关联分析模型识别土地利用空间均衡度时空分异的影响因素，得到以下结论：

(1)福建省2008年～2018年土地开发强度整体上在提高，而土地供给能力呈现波动下降的趋势，土地利用空间均衡度总体呈上升态势.土地利用空间均衡状态由失衡转向基本均衡.土地利用空间均衡度整体上处于不稳定的状态，且地区分布不均匀.从趋势面分析来看，东西方向上土地利用空间均衡度的差异缩小，南北方向上土地利用空间均衡度的差异拉大.

(2)土地利用空间均衡度的空间分异特征受到自然、经济和社会等多方面因素的影响.其中，经济密度对土地利用空间均衡度的影响最为显著，人口强度、土地利用程度、资源保障和生态安全与土地利用空间均衡度联系密切，环境承载对土地利用空间均衡度的影响也不容忽视.

近年来随着福建省城镇化进程快速推进，一方面带来了经济社会的快速发展，另一方面区域也面临严峻挑战，一是受资源禀赋影响建设空间有限，二是福建省着力打造的“生态省”形象也存在生态红线受威胁，各种类型的环境污染状况不容乐观的问题.尽管目前土地利用空间均衡度的发展趋势向好，但区域发展的土地供给能力有限和生态保护要求较高所带来的差异对福建省的土地利用空间均衡仍然存在着不利影响.因此，为了进一步推动国土空间合理布局，土地利用均衡发展，应该从区域差异出发，以资源本底条件，环境承载能力为发展基础，促进经济活力迸发，协调经济发展与生态建设之间矛盾，促进区域健康良性发展，打造生产—生活—生态功能均衡发展空间.