土地利用隐性形态与生态环境耦合协调发展及其影响因素研究——以广西为例

韦燕飞，蒙月莹，唐 任，叶宗达

（1.南宁师范大学自然资源与测绘学院，广西 南宁 530001；2.广西壮族自治区自然资源生态修复中心，广西 南宁 530001）

土地利用转型是一种区域土地利用形态在时序上发生变化的表现形式[1]，与国家、地区经济转型及社会变革相互反映、相互促进[2]。在国家工业化、城市化不断推进的背景下，土地利用只有加快转型，才能与新的经济社会时期相匹配[3-5]。生态环境关系到国家和地区的长远发展，是维护社会安定的重要基础，更是当今人类社会可持续进步与发展亟须关注的挑战[6-7]。国家提出要长期规划生态文明建设路线，持续改善生态环境质量，推进生态优先、节约集约、绿色低碳发展，牢固树立人与自然和谐共生理念。在此背景下，既要推动区域土地利用优势转型，促进土地资源的优化配置，又要考虑生态环境问题[8]。土地利用转型与生态环境问题成为学术界和政府部门关心的重大课题。

土地利用转型包含显性形态转型与隐性形态转型两种，隐性形态研究基于显性形态，具有质量、产权、固有投入和产出能力等多种特征[9-11]。土地利用隐性形态研究是土地利用转型研究中的重要组成部分，是探讨土地利用转型演变规律的重要研究方向[12-13]。程建等[14]基于全国尺度开展土地利用隐性形态研究，深入认识土地利用转型规律。戈大专等[15]通过耕地和村庄建设用地视角证明隐性转型能够不断推动粮食生产格局演变。许凤娇等[16]通过分析市域单元演进的时空分异和地域差异格局，了解城乡建设用地隐性转型发展走向。曲艺等[17]以综合分区、时空差异及驱动因子为切入点，根据黄淮海区域土地利用的特点，建立土地开发利用强度、土地经济发展和土地污染排放等指标进行评价。国内外已有众多学者深入开展生态环境研究，基于这些生态环境方面优秀研究成果的积累，研究角度及切入点都逐渐丰富，主要集中在构建指标体系、评价方法、尺度等方面[18-20]，对于生态环境的研究已较为成熟。

由于人们长期对土地利用转型与生态环境概念认识和理解上存在差异，很少在真正意义上对二者进行结合研究。学术界大多从定性的角度去研究二者的关系，而从定量的视角，以系统、整体、动态、量化的角度去探讨二者相互作用、协调发展的研究较少，且相关研究成果仅代表土地利用隐性形态与生态环境各自的整体水平，不能深层次地反映二者所在系统相互协调发展的问题。基于以上因素，本文将土地利用隐性形态与生态环境两大系统整合起来研究，探讨二者的发展关系及耦合规律（图1），为土地利用的可持续发展提供一定的参考。

图1 土地利用隐性形态与生态环境耦合协调机理

1 研究区概况

广西是中国唯一具有沿海、沿江、沿边优势的少数民族自治区。东临广东省，南临北部湾，西与云南省毗邻，西南与越南接壤，西北面靠近云贵高原的交界处，土地面积约2.38×105km2，境内多为山地、丘陵，地势由西北向东南趋缓，林地资源丰富，水力资源充足。2019 年全区森林覆盖率达62.45%，森林蓄积超过8×108m3。广西具有良好的发展前景，全区经济实力不断提升，2019年常住人口4960万人，生产总值为21237.14 亿元。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心，栅格大小为1 km×1 km。自然环境、经济社会等数据来源于对应年份《中国城市统计年鉴》《广西统计年鉴》和广西14 个设区市统计年鉴，以及国民经济和社会发展统计公报等，并借用SPSS19.0 作插值法处理得到部分缺失数据。

2.2 指标体系构建

基于土地利用隐性形态的内涵，以土地的投入水平、产出效益、利用强度3 个维度为切入点构建综合的指标体系[21-23]。从经济社会投入、社会民生发展状况，考虑土地利用投入水平；土地产出效益方面反映土地产量和经济效益水平；土地利用强度综合考虑了劳动、能源，以及生活因素对应的土地利用状态。关于生态环境综合水平评价，则考虑从环境影响及生态属性构建指标体系，环境方面考虑了土地受污染情况及人居环境质量；用人均水资源总量、地均生态服务价值、森林覆盖率来表示生态状况，其中，生态服务价值参考谢高地等[24]的研究，通过量化获取。结合综合权重，构建广西土地利用隐性形态和生态环境指标体系（表1）。

表1 土地利用隐性形态和生态环境指标体系

2.3 数据处理

2.3.1 数据标准化

以评价指标实际情况为基础，借助极差法进行数据无量纲化处理，公式如下：

式中，Yij为第j个评价单元第i个指标的标准化值；Xij为第j个评价单元第i个指标的原始值；Xmax和Xmin为指标的最大值和最小值。

2.3.2 指标权重确定

（1）熵权法

熵权法是指可以通过指标变异度，分析各项指标间的关联程度，从而判断指标权重。计算步骤如下：

①第n项指标下第m个指标的比重：

②计算第j项指标的熵值：

③ 计算指标的权重：

（2）变异系数法

变异系数法是基于均值与方差，通过指标的相互关系及内部变异信息来计算权重的方法。计算步骤如下：

①计算均值与方差：

②计算变异系数：

③计算指标权重：

（3）确定最终指标权重

2.3.3 综合指数模型

运用综合指数模型分别计算土地利用隐性形态指数与生态环境综合指数，公式为：

式中：M（x），N（y）代表隐性形态水平与生态环境综合水平；ai，bi为第i个指标综合权重；Xi，Yi为无量纲化处理后的第i个指标值。

2.4 耦合协调模型

耦合协调模型是通过对土地利用隐性形态与生态环境进行耦合协调度的测算，得到二者的耦合协调程度，从而分析其协调发展水平。公式为：

式中：C∈[0，1]，是耦合度，C越大说明耦合状态越好，反之则说明越弱。根据已有的研究[25]，当C=0 时，表明无耦合；当C∈(0，0.3]时，表明低水平耦合；当C∈(0.3，0.5]时，表明拮抗耦合；当C∈(0.5，0.8]时，表明磨合耦合；当C∈(0.8，1]时，表明高水平耦合。α，β是待定系数，土地利用隐性形态与生态环境权重等同，因此α，β都为0.5；T是综合协调度；D介于[0，1]，为耦合协调度，D值越大，表明协调关系越好，反之越弱；E是相对发展系数。判定准则见表2。

表2 耦合协调度的判定准则及相对发展类型分类表

2.5 地理探测器

地理探测器模型[26]是用于研究地理事物空间异质性及其驱动力的一种手段。借助统计量q值，探测自变量对因变量的空间分异的解释程度。模型为：

式中：h为耦合协调度级别；N和Nh为研究区和第h级的单元数；σ2和为研究区和第h级的耦合协调度方差。

3 结果分析

3.1 土地利用隐性形态与生态环境水平时空特征分析

3.1.1 土地利用隐性形态水平时空特征

将计算结果制图，得到2005—2019 年土地利用隐性形态指数变化趋势雷达图（图2），按照自然断点法将土地利用隐性形态进行分级（低水平、较低水平、较高水平、高水平）。时序上，2005—2019 年土地利用隐性形态水平整体呈现缓慢上升趋势。2005 年广西土地利用隐性形态水平处于较低水平，各城市间相差较大；处于较高水平及以上的有南宁、柳州、北海、贵港和玉林，处于较低水平的有桂林、梧州、防城港、钦州、贺州和来宾，处于低水平的有百色、河池和崇左。2010 年土地利用隐性转型有所发展，隐性形态水平总体在缓步提高，其中防城港市的形态指数由0.2485 上升至0.3826，进入较高水平阶段。2015 年土地利用隐性形态总体变化不大，但南宁市的形态指数由0.6923 下降至0.6229，下降到较高水平阶段。2019 土地利用隐性转型进入快速发展时期，隐性形态水平持续上升，南宁市和崇左市均上升了一个阶段，其余城市的隐性形态指数均有所提高，均有着向更高水平迈进的趋势。空间上，2005—2019 年广西土地利用隐性形态水平大体呈现“东南高、西北低”的发展态势。原因在于，广西东南地区城市在改革开放政策的支持下，借助沿海的区位优势迅速崛起；东北地区城市也借助工业、旅游业等产业而稳步发展。相较于广西的西北地区，这些地区的城市规模和经济规模加大，社会转型加快，隐性形态也更为高级。

图2 2005—2019 年广西土地利用隐性形态指数

3.1.2 土地利用隐性转型模式

本文在龙花楼[3]、赵丽[11]等的研究基础上，采用时间纵向比较法与空间横向比较法，分别将4个年期的各城市隐性形态指数进行从左至右升序的横向排序，观察趋势性转折点的土地利用隐性形态演变情况，发现广西各城市的土地利用隐性形态具有明显的阶段分布性。依据土地利用隐性转型的变化规律与阶段特点绘制转型模式图[14]（图3）。其演变规律大致为一条“J”字曲线，隐性形态指数＜0.1的阶段为“低阶转型期”，隐性形态指数为0.1～0.5的阶段为“缓慢转型期”，隐性形态指数＞0.5 为“剧烈转型期”[2]。转型之初土地利用隐性转型处于摸索阶段，驱动力匮乏，进步极为缓慢，处于“低阶转型期”；当进入一定成长期，受到外界的推动作用，隐性形态水平呈现相对较慢的提升趋势，即“缓慢转型期”；当经济发展与社会变革给予新动力时，土地利用隐性形态进入“剧烈转型期”，发展速度显著上升。值得关注的是，每一次的土地利用隐性转型都是由经济社会发展直接推动的[15]。随着政策与技术的变革，土地利用隐性转型受到新的刺激，系统重新调整适应新的格局，将会进入下一轮演变。

图3 广西土地利用转型模式图

3.1.3 生态环境综合水平时空特征

本研究将计算得到的生态环境综合指数结果制图，得到2005—2019 年生态环境综合指数变化趋势雷达图（图4），按照自然断点法进行分级（低水平、较低水平、较高水平、高水平）。时序上，2005—2019 年生态环境水平整体表现为波动性增长趋势，研究期内有小幅度的上涨。2005—2010 年，经济稳步发展，对生态环境产生一定影响，但其影响尚可控。2010—2015 年，经济社会进一步发展，对生态与环境破坏更为严重，生态环境水平出现降低的态势。2015—2019 年，经济社会平稳发展，土地产出能力逐步提升，有更多的资源用于保护生态环境，生态环境水平得到提高。空间上，市域间生态环境水平分异显著，总体呈现“中部、西部低，东部高”的空间分布格局。生态环境水平较高的城市有南宁、柳州、桂林、玉林、贺州，这些城市在发展过程中，工业污染物排放较低，城市绿化覆盖面积比例大，生态环境优良，生态环境水平也就更高。

图4 2005—2019 年广西各市生态环境综合指数

生态环境水平变化态势与隐性形态转型阶段高度联系。“低阶转型期”“缓慢转型期”阶段，土地利用转型迟缓，对生态环境影响不大，生态环境水平稍有上升。“剧烈转型期”阶段的生态环境水平反而有所下降，原因是此时土地利用剧烈转型，引起生态环境恶化。2019 年，生态环境水平有所回升，该时期，土地利用隐性转型进入“剧烈转型期”的后期，政府部门开始注重保护生态环境，有效治理城市生态破坏与环境污染。

3.2 土地利用隐性形态与生态环境综合水平耦合协调分析

3.2.1 耦合协调时序特征

本研究运用耦合协调模型，计算出2005—2019年广西14 个设区市的土地利用隐性形态与生态环境耦合度及耦合协调度（图5）。2005—2019 年各城市的耦合度水平处于缓慢波动时期，大部分城市耦合度在0.80 以上，这表明广西的土地利用隐性形态与生态环境为高水平耦合关系。

图5 广西土地利用隐性形态与生态环境的耦合度及耦合协调度

总体上，土地利用隐性形态和生态环境耦合协调水平为缓慢波动改善的状态。这反映出二者的演变规律相同，能相互推动，且逐步向良性阶段发展。2005—2019 年，可划分为三个时期。第一个时期为2005—2010 年，耦合协调度呈现波动性提高的趋势，在此期间土地利用隐性转型加快，对生态环境造成了一定程度的破坏，但还在控制之内，加之隐性形态水平升高显著，阶段性促进耦合协调度提高。第二个时期为2010—2015 年，耦合协调度出现降低的趋势，该时期土地利用隐性转型加快，生态承载能力下降，生态环境对土地利用隐性形态造成制约，严重影响二者的协调发展水平。第三个时期为2015—2019 年，耦合协调度呈逐步上升态势。该时期的隐性形态已经趋于高级水平，逐渐优化用地结构，改善与治理生态环境，促进生态环境质量提升，使二者相互提升，协调发展。

综上所述，土地利用隐性转型会对生态环境造成威胁，表现为隐性形态水平提高带来生态环境水平的下降，但长远来看，随着生态保护政策的施行，土地生态环境态势趋好。土地利用隐性形态与生态环境二者是能够协同发展的。

3.2.2 耦合协调空间特征

2005—2019 年，广西各城市耦合协调发展不均衡，但大多数城市耦合协调趋于良好状态，空间上呈现“东部、中部高，西部低”的特征。

2005 年，南宁市耦合协调度最高，处于优质协调阶段，属于同步发展型，北海市处于高级协调阶段，属于生态环境滞后型；桂西北的百色、河池、崇左等市均处于失调衰退阶段，发展极度不平衡，属于隐性形态滞后型城市。

2010 年，大部分城市的协调水平有所进步，协调度在0.70 以上的城市有南宁、柳州、北海和玉林，其中南宁、柳州和玉林发展均衡，属于同步发展型城市，北海仍属于生态环境滞后型。桂西北地区处于失调衰退阶段，土地利用转型处于初步阶段，生态环境水平也不高，协调度升高不明显，未能突破至协调阶段。

2015 年，各城市整体耦合协调水平呈现下降的态势。南宁下降到高级协调阶段，属于较高水平同步发展型；柳州、北海和玉林下降到中级协调阶段，属于较低水平同步发展型。低水平城市仍集中在桂西北地区。

2019 年，各城市总体协调水平呈现上涨的趋势，突出的有南宁市、柳州市，均属于同步发展型。处于失调衰退阶段的城市大多属于隐性形态滞后型，其中崇左从中度失调升至濒临失调，一定程度上表明处于衰退阶段的城市也在不断进步，有向耦合协调阶段发展的趋势。

综上所述，土地利用隐性形态与生态环境能够达到较高耦合协调发展分为两种情况，一是二者相互影响较强，土地利用隐性转型合适，对原生态环境威胁较小，能实现协调发展；二是二者相互影响较弱，存在单一方面的滞后。

3.3 耦合协调影响因素分析

借助地理探测器模型计算每个因子对耦合协调关系的影响水平q值（图6）。各因子p值均＜0.05，通过显著性检验。结果显示，按照影响力程度高低排序依次为：地均国内生产总值＞单位面积二三产业产值＞地均固定资产投入＞城镇化率＞地均财政支出＞地均社会服务支出＞地均生态服务价值＞森林覆盖率，这些因子产生较为剧烈的影响，为主导因子。人口密度、地均从业人员、地均用电量、建成区绿化覆盖面积、工业二氧化硫排放量、人均水资源总量为一般影响因子，因子解释力在0.20～0.40之间。工业废水排放量、生活垃圾无公害处理率的q值＜0.10，影响最小。

图6 基于地理探测器的驱动因子影响水平分析

通过分析主导因子的机制，可以发现：地均国内生产总值、单位面积第二第三产业产值、地均固定资产投入、地均财政支出为经济因素，其对耦合协调的影响非常明显，原因在于经济产业的蓬勃发展，直接推动土地利用隐性形态发展，并作用于生态环境。城镇化率、地均社会服务支出为社会因素，城镇化率的提高体现城市结构与规模趋向高级，社会服务支出的提高表明经济社会发展态势良好，均促进协同发展。地均生态服务价值、森林覆盖率为生态资源因素，既能保护生态环境，又能推动土地利用隐性形态发展，对协调发展水平有推动作用。

4 结论与讨论

（1）2005—2019 年，广西土地利用隐性形态与经济发展水平相一致，隐性形态水平有上升的趋势，总体呈现从桂东南地区到桂西北地区逐渐下降的阶梯状分布格局。生态环境综合水平总体上呈波动增长的趋势，在市域间差异较大且分布规律不均匀，大体特征为桂东北和桂东南地区高，桂中、桂南和桂西北地区低的格局。

（2）2005—2019 年，广西土地利用隐性形态与生态环境协调发展关系日趋良好，大多数城市处于中级耦合协调阶段，为良好状态；空间上呈“东部、中部高，西部低”的特征。桂东地区耦合协调度总体呈上升趋势；桂中地区耦合协调度总体变化不大，区域间分异显著；桂西北地区耦合协调度时序变化较小，保持在中度失调阶段。

（3）广西土地利用隐性形态与生态环境耦合协调发展水平受到多个因子的共同作用。其中，地均国内生产总值、单位面积第二第三产业产值、地均固定资产投入、城镇化率、地均财政支出、地均社会服务支出、地均生态服务价值、森林覆盖率的影响力均较显著，对推动协调发展水平起重要作用。

根据上述结论，广西土地利用隐性形态与生态环境在空间分布上存在差异，二者耦合协调度整体处于中等偏上水平，提升较慢。要使土地利用隐性形态与生态环境协调发展，必须更加关注经济、社会、生态资源因素的共同作用，使土地投入水平、产出效益和利用强度的提升与生态环境资源禀赋相匹配。今后，要因地制宜地提高土地可持续利用水平，引导土地利用优势转型，促进生态环境建设；加快产业的升级转型，形成更加绿色循环的发展模式，实现协调均衡发展。