江苏城市土地利用结构及其效率与城市化耦合协调性测度与评估

2020-09-15付永虎姚莹莹刘俊青魏范青

中国农业大学学报 2020年9期

付永虎姚莹莹刘俊青刘铁魏范青

(1.江苏海洋大学法律与公共管理学院，江苏连云港 222005； 2.香港中文大学地理与资源管理学系，香港 999077； 3.福建农林大学公共管理学院，福州 350002)

土地资源作为城市化运行的空间载体，其土地利用结构及其效率对城市的发展水平具有重要影响[1]。城市化是社会经济发展进步的标志。近年来，随着工业化和城镇化的快速推进，我国城市化水平逐步提高，快速城市化必然伴随着城市建设用地的扩张、生态用地的减少等土地结构变化。合理的土地资源配置与较高的土地利用效率可推动城市化的健康可持续发展；较高的城市化水平亦可推进城市土地利用效益的提升。城市化水平作为反映城市综合实力的重要指标，与土地利用结构协调程度已成为城市可持续发展的关键因素[2]，在城市土地存量有限的情况下，优化城市土地资源配置、提高土地利用效率已成为促进城市土地合理利用、实现城市可持续发展的重要手段之一。

在土地利用结构及其效率与城市化水平间关联领域，目前国内外相关研究主要围绕城市土地利用结构评价[3]、土地利用效率评价[4]、城市化进程中生态、环境与经济效益评价[5-8]、土地资源利用和效率与城市化的耦合机制[9-13]等内容展开，研究目标主要集中在协调处理城市土地利用效益与城市化之间的关系、服务城市化和土地利用政策的制定等方面。在评价指标的选取上，由于城市化水平是由自然、经济和社会因素构成的复杂生态系统共同作用结果，指标的选取逐渐由反映城市化水平的单一指标向经济、社会和人口等多指标方向发展[14-15]。在研究方法上，主要研究方法有DEA模型、因子分析法以及耦合协调度模型。例如：Wang等[8]在测度生态环境约束下城市化水平的基础上，采用耦合协调度模型对南昌、九江城市带城市化与生态环境耦合关系及其演变进行了定量分析；Rong等[16]基于区域土地利用结构与土地资源可持续利用的关系，运用熵理论和GM(1, 1)模型对徐州市土地利用结构进行了分析；张荣天等[17]对开放条件下内陆地区城镇化对土地利用效率的影响及区位差异进行了研究。纵观以上研究，虽然取得了诸多有价值的研究成果，然而仍存在以下2点不足：1)现有对土地利用结构与城市化耦合协调性研究集中在宏观土地利用结构分析或微观对土地利用效率与城市化耦合机制上，未能从土地利用结构、效率的综合层面研究土地利用结构与城市化的耦合协调性，仅研究土地利用效率与城市化耦合协调关系得出的相关结论难免有失偏颇。2)现有土地利用效率的研究，普遍运用传统的DEA模型，指标多采用为社会和经济指标，忽略了环境指标中非期望产出(环境污染)对效率的影响，在此种不考虑环境因素下进行的土地利用效率评价结果，可能出现效率失真进而误导决策。

江苏作为中国东部城市化率高、经济发展最为活跃和人地矛盾最突出的省份之一，其城市土地利用问题显得尤其突出。近年来，随着江苏省城镇化和工业化进程的加快，城市用地规模的迅速扩大，导致城市土地利用结构不合理、效率低下和城市环境污染等问题，直接影响了城市社会经济发展和人居环境质量。大力提高江苏省土地利用效率与城市化水平已成为急需解决的关键问题。基于此，本研究以江苏13个地级市为例，综合运用信息熵、非期望产出的SBM窗式分析模型与因子分析法，全面测度城市土地利用结构的有序度、土地利用效率与城市化水平；在此基础上运用耦合协调度模型，进行土地利用结构、效率与城市化水平耦合协调度的时空演变分析，以期为调整城市发展战略，优化土地资源配置提供理论与方法支撑；为政府制定科学的土地政策、加快城市土地利用方式转变和促进城市化可持续发展提供参考。

1 研究方法与参数选取

1.1 研究区概况

江苏省(116°18′～121°57′ E，30°45′～35°20′ N)地处中国东部沿海的中部地区，东濒黄海，西北连安徽、山东省，东南与浙江、上海市(省)毗邻，辖13个地级市。在改革开放浪潮的推动下，江苏地区成为我国经济体制改革和对外开放的先行者，经济增速和国内生产总值处于全国领先地位[18]，2017年GDP总量达85 900.94亿元，位居全国第2位。在经济发展快速发展的带动下，江苏省城市化不断推进，城市化水平逐步提高[19]。2017年末江苏省土地总面积1.072×107hm2，城市建设用地面积4.432×105hm2，城市居住用地面积1.308×105hm2，城市工业用地1.065×105hm2，城市土地利用结构中建设用地、工业用地及居住用地为主要用地类型。

1.2 城市土地利用结构的有序性测度

信息熵可以综合地反映一定时期研究区域内各种土地利用类型的动态变化以及转化的程度，对优化和调整区域土地利用结构具有一定指导作用。假定区域的总面积为A，区域内有n类土地利用类型，A(xi)为各类土地利用类型面积，则该土地利用类型出现的概率为：

P(xi)=A(xi)/A;i=1，2，…，n

(1)

式中：ΣP(xi)=1，符合归一条件，该区域土地利用结构信息熵H为：

H(x)=-Σp(xi)lnp(xi)

(2)

式中：H表示系统地均衡性和复杂性。当区域处于原始状态时Hmin=0；当区域土地完全均衡时，则P(xi)=1/n，此时Hmax=ln(n)。由上得知，区域土地利用类型越多，面积越接近，土地利用结构信息熵越大。

1.3 城市土地利用效率分析

本研究采用SBM-Undesirable模型的窗式分析方法进行城市土地利用效率分析。针对一个包含非期望产出的生产可能性集合：

P={(x,yg,yb)|x≥Xλ,yg≤Ygλ，yb≥Ybλ，λ≥0}

(3)

构建SBM-Undesirable公式如下:

(4)

1.4 城市化水平评估

本研究采用因子分析法进行江苏省城市化水平评估。因子分析法是以最少的信息丢失把众多的原始变量浓缩成少数几个因子变量，用此概括和解释众多具有错综复杂关系的观测事实，从而建立起最简洁、最基本的概念系统，以揭示事物间最本质的联系[21]。主要测算步骤如下：

1)无量纲化处理。在目前已有文献中，常采用极差正规化法、标准化法和均值化法[22]。本研究采用均值化法消除变量量纲不同的影响，计算公式为[23]：

Zij=aij/Xj

(5)

式中：Zij为标准化数值；aij为i城市j指标的取值；Xj是j指标平均值。

2)因子分析法

运用SPSS统计软件计算特征根和方差贡献率、因子荷载矩阵和因子回归系数，根据因子回归系数计算各因子得分，计算公式为：

Uk=Ck1X1+Ck2X2+…+CkpXp

(6)

式中：Ck1，Ck2，…，Ckp为第k个因子在原始变量的载荷值；X1，X2，…，XP为标准化后的指标值。依据各因子得分与方差贡献率，计算城市化水平综合分值，公式为：

(7)

式中：U为城市化水平综合得分；Um为第m个因子得分；Wm为因子权重。

1.5 耦合—协调度计算

耦合—协调度是反映城市土地利用结构、土地利用效率与城市化相互协调的重要指标，体现三者相互耦合协调的综合效应的大小。其中，耦合度指征各因素间的交互耦合强度，协调度则反映了各因素间协调发展水平。耦合度计算公式如下：

(8)

式中：C为城市土地利用结构与城市化耦合程度；F1、F2和F3分别代表有序度、城市土地利用效率和城市化水平。C值位于[0,1]。若C=1，表明城市土地利用结构与城市化水平朝有序方向发展；若C=0，表明城市土地利用结构与城市化水平处于无序发展状态。

协调度计算公式如下：

(9)

式中：D为城市土地利用结构与城市化协调度；T代表二者的综合协调指数，T=αF1+βF2+χF3，且α+β+χ=1。基于城市土地利用结构与城市化同等重要的思想，最终取值α=0.3，β=0.35，χ=0.35。

1.6 指标体系与数据来源

结合已有研究成果[24-32]与研究区资料的获取情况，构建指标体系(表1)。

表1 城市土地利用结构、效率与城市化评价指标体系Table 1 Evaluation index system of urban land use structure, land use efficiency and urbanization level

2 结果分析

2.1 耦合协调度的时序变化

2.1.1耦合度的时序变化分析

依据式(1)～(9)，测算出2006—2017年江苏土地利用结构及其效率与城市化耦合度及协调度。借鉴以往研究成果[2]，本研究对耦合程度进行如下阶段划分：0.0

2006—2017年江苏城市土地利用结构、土地利用效率与城市化水平之间的耦合作用强度整体呈波动增长的态势(图1)。2017年耦合度比2006年增长了2.5%，增长幅度小，土地利用结构、效率及城市化水平相互影响、作用的程度在缓慢提升。研究表明江苏省在调整土地利用结构，提升土地利用效率，促进城市化水平，增强三者相互影响、相互作用措施的成效并不明显。2006—2017年耦合度在0.27～0.32，主要处于低级耦合和拮抗阶段，12年间平均耦合度为0.309 3，除2006—2007年、2014—2016年耦合度低于平均值外，其余年份均高于平均值。

图1 江苏土地利用结构及其效率与城市化耦合协调水平的时序变化Fig.1 Time changes of the coupling and coordination level between land use structure and its efficiency and urbanization level in Jiangsu Province

通过城市耦合程度分类比重看，2006—2017年处于拮抗阶段的城市数量占比相对较多(图2)。总的来说，江苏省土地利用结构、效率与城市化水平耦合作用较弱，三者之间的相互制约和带动作用尚未得到充分体现。尚未进入磨合阶段以及高水平耦合阶段。江苏既是经济大省，又是资源小省，人地矛盾十分尖锐。土地资源要素配置呈现出土地开发强度高、耕地保护任务艰巨、城乡建设用地结构不尽合理和后备资源严重短缺的多重压力。新增城市建设用地向郊区不断扩张，城市土地利用结构的信息熵也随之升高，导致城市化水平停留在规模扩张的初级阶段。大多数城市的城市化水平提升还是主要依赖于增量建设用地的贡献率，通过建设用地扩张来实现城市化水平的提升，而忽略了对存量建设用地的深度开发利用，因而未能有效地通过完善土地利用结构、提升效率来促进城市化水平的提升，最终阻碍了城市化发展与城市土地利用结构完善、效率提升之间的相互带动作用的发挥。

图2 城市土地利用结构、效率与城市化耦合程度比重Fig.2 Proportion for coupling degree of urban land use structure, land use efficiency and urbanization level

2.1.2协调度时序变化分析

2006—2017年研究区土地利用结构、效率与城市化协调水平总体呈波动上升的趋势。2017年协调度比2006年增长了10.4%，增长幅度较大(图1)。借鉴以往研究成果[2]，本研究对协调程度进行如下阶段划分(表2)：

表2 城市土地利用结构、效率与城市化协调发展阶段类型Table 2 Types of development stage for coordinated degree of urban land use structure, land use efficiency and urbanization level

由图3可知，2006—2017年江苏省勉强协调占比重最大，其次为初级协调类型，城市土地利用结构和城市化将要进入有效的协调发展区间，具有较大的提升潜势。12年间土地利用结构、效率与城市化协调度均值为0.58，处于勉强协调阶段，接近初级协调阶段。仅2006—2007年及2015年协调度低于平均值，且2006—2007年勉强协调占比重较多，分别为84.6%、76.9%。2006和2007年作为“十一五”规划的前两年，虽然工业化加快推进，城市规模不断扩大，但由于相关规划制度的创新滞后，土地利用结构不合理，城市配套设施和许多功能不够完善，城市化水平比较低，大众对于土地利用结构、效率与城市化相互影响、作用的认识不深入，未能通过合理的土地利用结构来提升城市化水平，使三者相互影响、作用的程度低。2015年固定资产投入大幅增加，而二三产业产值的增幅很小，非期望产出中工业烟尘排放量比2013年增加了48.7%，投入与产出不合理，土地利用效率下降，使得2013—2014年城市土地利用结构、效率与城市化水平的协调作用减弱。2017年为了减少生态环境对建设用地的限制，保护生态环境，江苏省通过大力实施“两减六治三提升”专项行动，有力推进治污减排攻坚，加大生态保护力度，较好的完成了主要污染物总量减排、大气污染防治等年度目标任务，工业二氧化硫、烟尘排放量比2016年分别减少了32.3%、22.6%，同时由于固定资产投入的增加，二三产业生产总值有较大的增长幅度，使土地利用的效率得到了提高，基础设施进一步完善，社会城市化水平提升。2017年的初级协调和中级协调类型城市占比重较多，达76.9%，协调度达到了研究时限最高值，为0.628。

图3 城市土地利用结构及其效率与城市化协调类型比重Fig.3 Proportion of coordination of urbanization level, land use structure and its efficiency

2.2 耦合度协调度空间分布特征

2.2.1耦合度和协调度的空间分布

依据江苏省13个地级市城市土地利用结构、效率与城市化水平耦合协调度2006—2017年的年均值，借助ArcGIS软件得到耦合度与协调度的空间分布(图4)。为便于分析，结合前人的相关研究成果，将其划分为3种类型：低级耦合(0.15～0.3)、中级耦合(0.3～0.32)和高级耦合(0.32～0.35)。

总体来看(图4)，江苏省13个地级城市土地利用结构及其效率与城市化的耦合度较高，除苏北的盐城与宿迁外，其余地市均处于中、高级耦合阶段。高级耦合类型的城市数量有3个，分别为南京、苏州、无锡市，均处于经济社会发展水平比较高的苏南地区，其中南京最高，耦合度达0.324，南京作为江苏省的省会城市，地处长江经济带，经济实力雄厚，其发达的交通运输网络便于与其他城市进行经济贸易交流，南京市现行土地利用总体规划(2006—2020年)的实施，使南京市生态保护与环境治理工作取得了巨大成就，对社会经济的可持续发展发挥了积极的作用[35]。中级耦合类型的城市数量最多，为8个，江苏各区域均有分布，占总数的61.5%。盐城市自2006年以来，积极适应宏观调控的新形势，抢抓沿海开发和长三角一体化两大国家战略机遇，围绕“建设新盐城、发展上台阶”总定位，深入推进供给侧结构性改革，但由于受长江阻隔远离上海经济发达城市，辐射效应较弱；且周边地区经济发展相对落后，基础较差，经济增长方式主要依赖于开发资源、投入劳动力和资金，仍未完全摆脱粗放型经济增长方式，规划体系相对不健全，导致了盐城市耦合度最低，仅为0.276。

图4 江苏城市土地利用结构及其效率与城市化耦合度的空间分布Fig.4 Spatial distribution for the coupling degree of urban land use structure, land use efficiency and urbanization level in Jiangsu Province

从协调度看，江苏省13个城市协调程度均处于勉强协调和初级协调阶段，有较大的提升空间(图5)。其中，勉强协调类型的城市数量为8个，占总数的61.5%，均分布于苏中和苏北地区。初级协调类型城市数量有5个，包括南京、苏州、无锡、常州和镇江市，主要分布在苏南地区，协调类型与当地经济社会发展水平分布相符，空间分异特征明显。苏南地区受区位效应的影响，受到长三角经济带和上海经济拉动，经济社会发展水平较高，企业从生产劳动密集型向资本密集型转变，城市土地结构配置较为合理，同时面对稀缺的土地资源，不断加强对建设用地的有效利用，土地利用效率较高，使三者之间产生有效互动，相互协调程度较好。

图5 江苏城市土地利用结构及其效率与城市化协调度的空间分布Fig.5 Spatial distribution for coordination degree of urban land use structure, land use efficiency and urbanization level in Jiangsu Province

2.2.2耦合度和协调度的空间演变

为进一步探究江苏省土地利用结构、效率与城市化耦合度和协调度的空间演变特征，根据江苏省土地利用结构、效率与城市化耦合度时序演变分析结果，可将耦合协调度时序演变划分为3个阶段：第Ⅰ阶段(2006—2009年)、第Ⅱ阶段(2009—2013年)和第Ⅲ阶段(2013—2017年)。选取2006、2009、2013和2017年江苏省13个城市的截面数据，得到各市耦合度、协调度4期的空间演化分布图(图6和7)。

从耦合度的空间演变来看，在第Ⅰ阶段空间演化过程中，大部分城市主要处于中级耦合阶段，耦合程度与当地经济发展水平、城市规模等因素紧密相关。2006年江苏省以中级耦合类型为主。处于高级耦合阶段的城市数量为3个，均分布在苏南地区。空间分布集聚，高级耦合与中级耦合分布区分明显。2009年江苏省耦合类型仍以中级耦合类型为主，有9个城市处于中级耦合阶段，占总数的69.2%，徐州由中级耦合阶段上升至高级耦合阶段，处于高级耦合阶段的城市数量增加到4个，低级耦合类型城市数量减少为0个。在此阶段，土地利用结构、效率与城市化之间的相互影响程度有待提升。南部地区高级耦合类型城市数量较多；中部、北部地区由于周边经济实力相对落后，城市人力、资本和技术要素相对匮乏，土地利用结构相对不均衡，城市化发展机制不完善，受到上海的经济辐射较弱，中级耦合城市数量较多，江苏省耦合度空间演变不大。第Ⅱ阶段，受长江三角洲地区区域规划及加快沿海开发、促进苏中崛起和实现区域共同发展战略等政策的影响，逐步呈现向高级耦合的态势。中部、南部地区处于长江经济带，受到上海、南京经济的辐射，经济发展较快，各项建设快速发展，土地利用结构趋于均衡，城市化水平较高，三者之间相互影响、作用的程度得到增强，高级耦合类型城市数量明显增加。至2013年江苏省耦合类型以高级耦合为主，占总数的53.8%，扬州、镇江、常州、连云港4个城市上升至高级耦合阶段，高级耦合类型城市增至7个，中级耦合类型城市数量减少至5个。高级耦合和中级耦合分布分区不明显。受上述因素的持续推动，在第Ⅲ阶段，江苏省耦合度水平整体提高，且逐步呈向北扩散的趋势，南部与北部地区差异逐渐变小，江苏南北各地市相互联系与学习的程度在增强。至2017年高级耦合类型数量上升至8个，已成为为江苏省主要耦合类型，中级耦合类型降至4个。

图6 2006—2017年江苏城市土地利用结构及其效率与城市化耦合度空间演变Fig.6 Spatial evolution for coupling degree of urban land use structure, land use efficiency and urbanization level in Jiangsu Province from 2006 to 2017

从江苏省13个城市协调度空间演变来看(图7)，总体协调度不高，可看出4个不同时段的协调度逐年增强，南部地区协调度比北部地区协调度高，协调度由南向北减少，与经济发展状况相同，空间演变的幅度基本与耦合度一致。

第Ⅰ阶段空间演变中，勉强协调类型占主导地位，徐州和无锡市由勉强协调阶段上升至初级协调阶段，初级协调类型数量增加，其他城市保持不变。2006年江苏协调类型包括勉强协调和初级协调，勉强协调数量较多，占总数的84.6%，处于初级协调阶段的城市有南京和苏州市，位于江苏南部，南部协调度大于北部地区。2009年江苏城市协调类型仍以勉强协调类型为主，占总数的69.2%，数量由11个减少至9个。初级协调类型城市数量增加到4个。在此阶段，土地利用结构、效率与城市化的协调水平有较大的提升空间，空间演变不明显。徐州通过采取一系列措施振兴徐州老工业基地、抓住融入长三角的机遇，经济发展保持了较快的增长速度，由勉强协调阶段进入初级协调阶段，无锡位于南京与上海之间，受到两大城市的双重经济辐射的影响，经济社会发展水平得到提升，进入初级协调阶段。

第Ⅱ阶段，随着苏南现代化建设示范区规划、江苏沿海开发战略的实施，沿海与苏中地区通过沿海铁路、盐靖高速提升了通达速度，苏通、崇启、润扬大桥的通车加强了南部与中部、北部的联系，协调度整体呈现上升态势。南部地区空间演变较大，初级协调类型城市数量明显增加，南部地区协调水平整体上升。协调度分布南北差异明显。至2013年勉强协调类型占总数的百分比减少到53.8%，数量减少至7个，初级协调类型城市数量增至5个，苏州由初级协调阶段上升至中级协调阶段。受上述因素的持续推动，在第Ⅲ阶段，江苏城市协调度水平整体提高，中部、北部地区初级协调类型城市数量明显增加，南部与北部地区差异逐渐变小，江苏各地市协同效应的程度在增强。至2017年初级协调类型成为江苏城市的主要协调类型，数量增加至9个，占总数的69.2%，勉强协调类型减少至2个，包括宿迁和连云港市，盐城由于未完全摆脱粗放型经济增长方式，土地利用效率低，由勉强协调阶段下降至濒临失调阶段。

图7 2006—2017年江苏城市土地利用结构及其效率与城市化协调度空间演变Fig.7 Spatial evolution for coordination degree of urban land use structure, land use efficiency and urbanization level in Jiangsu province from 2006 to 2017

3 政策建议

1)江苏应加强铁路公路等基础设施建设、共建产业园区和促进跨江合作，加强对接“一带一路”与长三角经济带，继续促进区域资源要素的合理流动。推进全省环境综合整治工作，加强长三角污染防治联动民主监督，深入实施“两减六治三提升”专项行动与环保制度改革，减少环境污染对土地利用效率的制约。城市在促进产业结构调整的同时，应大力推动第三产业的发展，向新型工业化的方向转变，通过创新技术减少资源投入量，提升资源利用率。

2)苏北地区新增城市建设用地向郊区不断扩张，城市化水平停留在规模扩张的初级阶段，因此要加强对存量建设用地的深度开发利用，改善土地利用结构。加大基础设施建设，尤其是交通设施，积极推进徐宿淮盐、连淮扬镇等铁路的建设，加强区域内部各城市之间、区域内部城市与中部和南部地区城市之间的交通可达性。通过培育区域经济增长极、加强城市吸引力来改善人力、资本和技术要素相对匮乏的现状，带动周边城市发展。沿海城市如连云港应利用好城市资源，加强发展海洋经济、推动旅游等第三产业的发展。

3)江苏南部地区目前应通过大力发展信息技术来推动产业升级改造，促进现代产业核心技术的创新，培育创新型城市群。注重生态保护，发展清洁型经济，减少对土地、水等环境的污染。中部地区滨江临海，应继续推进交通设施建设、完善海陆空立体式交通网；利用好长三角核心区的经济贸易辐射及北部地区的资源，通过互动借力发展；同时加强区域创新能力与促进高新技术产业发展，深化国际国内合作，吸引各方投资，加快融入长三角核心区。