基于數據包絡分析法的吉林省土地利用生態效率時空演化規律研究

謝曼曼, 李秀霞

(吉林師范大學 旅游與地理科學學院, 吉林 四平 136000)

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基于數據包絡分析法的吉林省土地利用生態效率時空演化規律研究

謝曼曼, 李秀霞

(吉林師范大學 旅游與地理科學學院, 吉林 四平 136000)

摘要：[目的] 分析吉林省土地利用生態效率時空演化規律, 提出土地利用優化方案。 [方法] 利用數據包絡分析(DEA)的CCR-I模型,對2002—2011年吉林省9個地市(州)的土地利用生態效率進行評價。 [結果] (1) 2002—2011年吉林省松原、白城、延邊3個地市(州)土地利用生態效率均為DEA有效;而長春、吉林、四平、遼源、通化、白山這6個地市的土地生態效率呈波動式變化; (2) 吉林省的土地利用生態效率呈現中部低而東、西部高的空間分布規律. [結論] 氨氮、COD、二氧化硫、廢水、煙塵等排放量是影響土地利用生態效率低下的主要因素。

關鍵詞：土地利用生態效率; 數據包絡分析(DEA); 時空演化; 吉林省

土地資源是人類一切能夠利用的資源中最寶貴的資源。隨著中國經濟發展和城市化進程加快，土地在創造巨大經濟財富的同時，資源快速消耗和環境急劇退化，制約了社會經濟持續發展，因此，土地利用生態效率成為人們研究的重點。

國外生態效率研究起步較早，1992年就提出生態效率一詞，認為生態效率(Eco-efficiency)的核心思想是提供最大化價值的同時最小化消耗與污染[1]。之后生態效率評價成為人們研究的重點，Huppes等[2]探討了研究生態效率的必要性, Ehrenfeld[3]構建生態效率評價的指標體系，Barba-Gutierrez等應用包絡模型(DEA)對生態效率進行評價，歐洲環境署(EEA)采用“生態危險度”以及“資源使用率”等指標,定量評價土地利用生成效率[4]，Reith，Guidry[5]對位于路易斯安那的農業可持續聯合體實驗區進行土地生態效率評價，Sorvari Antikainen等[6]對土地修復生態效率進行研究，Cheng Bihai等[7]利用生態足跡對湖北省耕地生態效率進行測算。

國內土地利用效率評價研究起步相對較晚，彭建等[8]通過構建生態、社會、經濟與環境四方面的土地利用效益評價指標體系，利用層次分析法對南京江寧區的土地利用進行了綜合評價。王棚宇等[9]運用功效系數法對武漢市的城市土地利用效益進行了評價。王筱明[10]將熵權法與綜合評價法有機結合，對濟南市土地利用綜合效益進行了評價。張鳳偉[11]等利用BP人工神經網絡模型對遼陽市城市土地利用效益進行評價。另有一些研究應用數據包絡分析方法(DEA)對城市(鎮)土地利用的經濟效率及綜合效率進行了評價[12-18]。

綜上所述，目前土地生態效率評價尚處于初期階段，尚未形成體系，尤其從時空演化視角進行研究相對薄弱。因此，本文利用數據包絡分析(DEA)的CCR-I模型，對2002—2011年吉林省9個地市(州)的土地利用生態效率進行評價，探討其時空變化規律，提出優化設計方案，旨在為提高吉林省土地利用生態效率提供技術支撐。

1研究區域概況

吉林省位于40°52′—46°18′N,121°38′—131°19′E，處于俄羅斯、日本、韓國、朝鮮、蒙古與中國東北部組成的東北亞幾何中心地帶，是中國重要的老工業基地和商品糧基地。面積1.87×105km2，占全國2%，地形地貌形態差異明顯，地勢由東南向西北傾斜，呈現明顯的東南高、西北低的特征；以中部大黑山為界，可分為東部山地和中西部平原兩大地貌區。截至到2013年年末，總人口為2.75×107人，地區生產總值(GDP)1.30×1012元，一、二、三產業結構比為11.6:52.8:35.6，對經濟增長的貢獻率分別為5.0%，57.5%和37.5%[19]。吉林省現轄長春、吉林、四平、通化、白山、遼源、白城、松原8個地級市和延邊朝鮮族自治州。

隨著中國社會經濟的發展，吉林省社會經濟處于快速發展和轉型時期，經濟結構非農化程度在逐步提高，社會資金投入持續加大，城市擴張加劇，不斷蠶食農田，使土地城市化遠遠快于人口城市化，土地集約利用率低下，土地環境受到嚴重污染。

2研究方法及數據來源

2.1　DEA模型的選擇

數據包絡分析方法(data envelopment analysis，DEA)，是由著名的運籌學家A.Charnes 和W. W. Cooper等在“相對效率評價”概念基礎上發展起來一種系統分析方法。本研究選擇DEA的CCR-I模型作為土地利用生態效率評價的基礎平臺。CCR模型是利用投入與產出的比例來評估效率，借用包絡的概念將所有的決策單元(DMU)的投入和產出投射到超平面中，尋找產出最高或者投入最少的“有效前沿面”。凡是落在有效前沿面的DMU稱DEA有效，落在有效前沿面以內的DMU稱DEA無效，同時用投影方法指出非DEA有效和弱DEA有效的原因及其改進的方向和程度[20]。式(1)對hp的計算給出土地利用生態效率值的大小，式(2)則可以計算土地生態效率非有效地區的松弛變量與剩余變量，所得結果為實現DEA優化服務。

假設將對n個地區的土地利用效率進行評價，每個DMUP通過投入Xip生產出Yjp，則第p個DMU的效率值如下：

(1)

(2)

Uj≥ε>0(?j,j=1,2,3,…,s)

Vi≥ε>0(?i,i=1,2,3,…,m)

式中：Xik——第k個DMU第i項投入； Yjk——第k個DMU第j項產出； Vi——第i項投入權重； Uj——第j項產出權重； hp——第p個DMU的效率值(相對效率)； ε——非阿基米德無窮小量。

將式(1)轉為線性方程式，并根據線性規劃對偶理論，進一步獲得對偶方程見式(5)。

(3)

(4)

(5)

θk≥0,k=1,2,3,…,n

2.2　評價指標及數據選取

土地利用投入與產出指標是土地利用生態效率評價的基礎，在確定了需要評價的9個DMU之后，需要提供能夠基于DMU同類型的投入產出指標。本文結合吉林省地域特點，借鑒游和遠等[21]的土地利用生態效率評價指標體系，將地均勞動力投入、地均能源投入、地均供水投入、地均資金投入作為DMU的土地利用投入；將地區生產總值(GDP)代表土地利用的期望產出，將COD排放量、SO2排放量、氨氮排放量、廢水排放量、煙塵排放量為確定為土地利用的非期望產出。由于CCR-I模型要求產出指標必須與投入指標正相關，所以視土地利用非期望產出為期望產出的伴隨量，最終確定土地利用生態效率評價產出指標為COD-GDP負荷、SO2-GDP負荷、氨氮-GDP負荷、廢水-GDP負荷、煙塵-GDP負荷(見表1)。

表1　土地利用生態效率評價投入產出指標

數據中各項指標數據均來自2003—2012年《吉林省統計年鑒》《四平市統計年鑒》《白城市統計年鑒》《松原市統計年鑒》《吉林市統計年鑒》《長春市統計年鑒》《遼源市統計年鑒》《白山市統計年鑒》《通化市統計年鑒》《延邊州統計年鑒》。

3結果與分析

3.1　土地利用生態效率的測算

以數據包絡分析軟件Deap2.1為計算平臺，選擇CCR-I模型對收集的數據進行計算，得到吉林省9個地級市(州)2002—2011年的土地利用生態效率及各年的平均值(表2)。

3.2　土地利用生態效率時間演化規律

根據表2可以看出，松原、白城、延邊3個地市(州)在10年間土地生態效率均為DEA有效，表明在這3個地區實現了二氧化碳-GDP負荷等5個指標現有產出水平下最小化了地均勞動力投入等4個投入，而其他非生態效率有效地區則需要通過改變投入與產出量，以達到土地利用生態效率的DEA有效。

表2　2002-2011年吉林省各區域生態效率

長春、吉林、四平、遼源、通化、白山這6個城市的土地生態效率在0.4～1，呈波動式變化。其中，長春、遼源分別在0.805~0.466和0.732～0.49，呈現波動式下降；吉林在0.673～0.721，呈現波動式小幅上升；四平在0.815～0.754，在2005—2008年間連續4 a達到了DEA有效，以此為中心基本成對稱分布，呈現“倒U”型的變化規律。通化、白山在0.725～0.717和1～0.447~1，先降后升，基本呈現“U”型。總之，吉林省9個地市(州)在2002—2012年這10年間整體變化不大，各年平均值約為0.783。

3.3　土地利用生態效率空間演化規律

為了了解吉林省9個地市(州)的土地利用生態效率空間的分布規律，對其進行分區定等。分區標準如下：[1.00,0.8)為土地利用生態高效區；[0.80,0.6)為土地利用生態效率中高效區；[0.6,0.4)為土地利用生態效率中低效區；0.4以下為土地利用生態效率低效區。根據表2利用ArcGIS軟件制作2002年、2007年、2011年的吉林省土地利用生態效率空間分布圖(圖1)。

圖1　2002,2007,2011年吉林省土地利用生態效率空間分布

從圖1可以看出2002年吉林省松原市、白城市、延邊市、長春市、四平市、白山市為土地利用生態效率高效區，而吉林、遼源、通化則在土地利用生態效率中亞高效區；2007年吉林省松原、白城、延邊、四平這4個市為土地利用生態效率高效區，吉林、白山為亞高效區，長春為土地利用中效區，遼源和通化為土地利用生態效率低效區；2011年吉林省松原、白城、延邊、白山為土地利用生態效率高效區，吉林、通化、四平3市為土地利用生態效率亞高效區，長春市，遼源市為土地利用生態效率中效區。

總之，吉林省土地利用生態效率空間存在差異性，中部的長春市、吉林市、四平市、遼源市土地利用生態效率明顯低于東部的延邊朝族自治州、白山市、通化市以及西部的白城市、松原市，呈現出中部低而東、西部高之勢。主要是吉林省東西部經濟相對落后，土地利用的強度、規模和技術都要相對于落后其中部地區，地均勞動力、能源和資金相對投入也少；而吉林省中部相對經濟比較發達，經濟發展主要是高投入，高產出所導致的土地利用低效，今后要向“低消耗、低污染、高效益”的集約型經濟增長模式轉變，使其可以實現土地利用健康有序的發展。

3.2.3土地利用生態效率優化設計土地利用生態效率優化將按照下面3條原則進行：(1) DMU落在效率前緣面上是DEA有效的充分必要條件；(2) 土地利用生態效率優化優先考慮污染物的排放控制與減少，在優化中將固定部分次要指標因子進行改善；(3) 在實現 DEA有效中，資源約束條件不納入考慮，即現實的客觀條件不約束土地利用過程中的投入產出與實現DEA有效的投入產出改變，在文中指所涉及的表1中的投入產出指標。

廢水-GDP負荷、SO2-GDP負荷、氨氮-GDP負荷、COD-GDP負荷、煙塵-GDP負荷的增加實現可以通過提高GDP產出來實現，也可以通過COD、廢水、SO2、氨氮、煙塵等的排放量減少實現。土地利用生態效率的核心思想是做到土地GDP產出最大化的同時實現資源消耗和污染物排放量最小。因此，對表3進行分析，計算得到實現DEA有效條件下，廢水、SO2、氨氮、COD、煙塵的排放最小量：長春市最應控制COD、SO2、氨氮的排放量，其次是吉林市、四平市、遼源、通化市，可以看出這與城市的土地利用強度呈明顯的正相關，說明其經濟增長是高投入、高能耗、高產出的外延式增長模式。因此，今后優化土地利用結構，提高土地利用率，優化產業結構，減少對資本和資源的依賴和污染物的排放，轉變經濟增長方式，堅持把科技創新作為推動經濟發展的根本動力，走“科技創新型和資本、資源集約型”道路。

表3　2011年5個城市的土地利用生態效率優化設計

4結論與建議

4.1　結 論

(1) 從時間上看，2002—2011年吉林省的松原、白城、延邊3個地市(州)土地利用生態效率均為DEA有效；而長春、吉林、四平、遼源、通化、白山這6個城市的土地利用生態效率在0.4～1，呈波動式變化，但整體變化不大，各年平均值約為0.783。

(2) 從空間上看，吉林省的土地利用生態效率存在空間差異性，位于中部的長春、吉林、四平、遼源這4市土地利用生態效率明顯低于東部的延邊、白山、通化以及西部的白城、松原，呈現出中部低而東、西部高之勢。

(3) 從優化設計上看，工業生產以及城市生活中的氨氮、COD、二氧化硫、廢水、煙塵排放量是影響長春、吉林、四平、遼源、通化土地利用生態效率低下的主要因素，今后應控制COD、SO2、氨氮的排放量，減少地均勞動力投入量、地均能源投入量、地均供水投入量、地均資金投入量。

4.2　建 議

(1) 松原、白城、延邊、白山應在原有經濟發展基礎上，加快經濟發展速度，提高經濟發展效率，加大技術投入，調整產業結構，培育壯大戰略性新興產業，發展現代服務業，加快發展精品旅游產業，將資源優勢轉化為經濟發展動力，走“資本集約型和勞動力集約型”道路。

(2) 長春、吉林、四平、遼源、通化今后應優化產業結構，提高土地利用效率，減少對資本和資源的依賴以及污染物的排放，轉變經濟增長方式，堅持把科技創新作為推動經濟發展的根本動力，走“科技創新型和資本、資源集約型”道路。

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Research on Spatiotemporal Evolution Regulation of Eco-efficiency of Land Utilization in Jilin Province Based on Data Envelopment Analysis

XIE Manman, LI Xiuxia

(FacultyofTourismandGeographicalSciences,JilinNormalUniversity,Siping,Jilin13600,China)

Abstract：[Objective] To analyze the spatiotemporal evolution regulation of eco-efficiency of land utilization in order to put forward an optimization scheme on land utilization in Jilin Province. [Methods] The eco-efficiency of land utilization of the nine cities and areas in Jilin Province during 2002 to 2011 were evaluated based on the CCR-1 model of the data envelopment analysis(DEA). [Results] (1) In terms of DEA, the eco-efficiency of land utilization in Songyuan, Baicheng, Yanbian of Jilin Province are all effective, while the data in Changchun, Siping, Jilin, Liaoyuan, Tonghua and Baishan cities of Jilin Province were fluctuant. (2) The eco-efficiency of land utilization in the center area of Jilin Province is low while the efficiency in the east and west area is relatively high. [Conclusion] The emissions of ammonia nitrogen, COD, sulfur dioxide, waste water and dust are the main influencing factors related to the eco-efficiency of land utilization.

Keywords:eco-efficiency of land utilization; data envelopment analysis(DEA); spatiotemporal evolution; Jilin Province

文獻標識碼：

文章編號：1000-288X(2015)03-0225-06

中圖分類號：F301.24

通信作者：李秀霞(1964—),女(漢族),博士,教授,碩士生導師,房地產估價師,土地估價師,主要從事土地利用與開發研究。E-mail:jykxzz@163.com。

收稿日期：2014-07-20修回日期：2014-09-02

資助項目：吉林省科技廳項目“吉林省西部土地生態安全與土地資源利用優化研究”(201115086); 吉林省科技發展計劃項目(20120691); 吉林省科技廳項目(201201080)

第一作者：謝曼曼(1990—),女(漢族),河南省焦作市人,碩士,研究方向為自然資源保護與利用。E-mail:xieman0214@sina.com。