土地集約利用與城市化時空耦合關系研究

摘要：借助物理學中速度演化模型，定量研究分析土地集約利用與城市化時空耦合關系，并將其分為協調發展區、熵增區、退化解體區和新周期產生區。同時，將協調發展區進一步細分為前期磨合時期、中期協調時期和后期拮抗時期。最后借助ArcGIS10.0軟件進行區域分析和空間聚類分析，發現江蘇省城市耦合協調關系呈集聚發展，蘇南地區為高值集聚，蘇北地區為低值集聚。

關鍵詞：土地集約利用；城市化；耦合關系；空間聚類分析

中圖分類號：F293.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）23-6281-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.23.069

Abstract：By using the speed evolution model in physics，the space-time coupling relationship between land intensive utilization and urbanization was analysed. And the relationship was divided into the coordinated development， entropy increase， degradation disintegration and a new cycle generation. At the same time， the coordinated development area was further subdivided for the early running period， interim coordination period and late antagonistic period. Finally， by using ARCGIS 10.0 software to carry out the regional analysis and spatial clustering analysis， Jiangsu Province was a cluster development： the South of Jiangsu region was high concentration， the northern of Jiangsu area was low concentration.

Key words： land intensive utilization； urbanization； coupling relationship； spatial clustering analysis

隨著城市化進程的加快，大面積地區出現增劃經濟開發區，擴大城區面積，這種無序的擴張行為，導致城市土地粗放利用，嚴重威脅到城市化進程的健康發展。因此，第25個全國“土地日”宣傳主題提出：“節約集約利用土地，推動土地利用方式根本轉變。”

針對城市土地集約利用，國外大體從以下三種角度研究：一是基于可持續發展和城市規劃理論分析研究[1]。二是基于土地資源配置和規劃的模式分析研究[2]。三是基于土地資源利用和保護的角度分析研究[3]。而國內則大體從以下兩個角度研究：一是通過學習國外土地利用理論研究國內土地集約利用[4，5]。二是通過建立評價指標分析、評價土地集約利用。

一些學者基于城市化進程中不同階段發展速度水平，分析城市土地集約利用，研究表明，城市土地集約利用與城市化的目標是一致的，都是為實現城市可持續利用和城市社會-經濟-生態的效益最大化[6]。處于城市化不同發展階段的城市，土地集約利用程度存在明顯不同，從人力資本型集約到資本技術型集約，再到結構型集約，最后形成生態型集約[6]。最后，根據上述研究城市化發展階段與土地集約利用程度的關系，制定出合適的土地政策，合理進行土地資源配置。不過，上述研究雖然創新點十足，但幾乎都為定性分析，未引入定量模型研究城市土地集約利用與區域城市化的時空耦合關系，更沒有實證研究。

本研究引入物理學當中的速度耦合關系模型，定量分析土地集約利用與區域城市化的時空耦合關系，以2004、2007、2010年以及2013年江蘇省13個地級市作為研究對象，構建土地集約利用與城市化的評價指標體系，采取主成分計算綜合因子得分，借助耦合模型，測算土地集約利用與城市發展的耦合度。并基于SPSS17.0和ArcGIS10.0對江蘇省進行空間聚類分析。為國土資源部門制定土地政策，優化城市格局提供科學依據。

1 理論與基礎

1.1 土地集約利用與城市化的內涵

土地的集約化利用是指以提高經濟社會總體效益為目標，以現有平均先進生產技術和生活設施為標準在滿足生產生活合理環境水平基礎上，實現土地資源投入產出的最大化[7]。

城市化的概念分為狹義和廣義。狹義概念是人口城市化，即農村人口遷移到城市轉變為城市人口或農村地區轉變為城市地區[8]。廣義概念是除人口城市化以外，人們通常所說的土地城市化、生活方式的城市化等[9]。簡言之，狹義與廣義概念之間的關系以人口城市化為基石，城市化的廣義概念都是從人口城市化延伸出來的，“人的城鎮化”[9]也正驗證了這一關系。

1.2 土地集約利用與城市化耦合關系

城市化是人類經濟社會發展的客觀要求和必然產物[10]，土地集約利用在城市化發展過程中扮演著極為重要的角色，為其提供物質基礎和承載空間，土地集約利用與城市化之間存在著密切的關系[11]。土地集約利用作為一個系統而言，具有動態性和相對性[12]，受土地投入程度-土地利用程度-土地產出程度3個因素的制約。土地集約利用系統通過優化土地布局，增加土地存量，來實現城市化系統內人口-經濟-社會-生態效益的最大化。相反，城市化是人類活動的過程導致的，所以空間集聚性是城市化的顯著特性，空間集聚成為城市化形成的動力來源[13]。這種空間集聚是伴隨著人力、資本以及土地的匯聚。匯聚程度越高，土地集約利用程度越強，匯聚程度越低或分散，土地集約利用程度越弱。因此，土地集約利用與城市化系統的耦合關系，將直接影響系統之間的協調發展，影響社會經濟的健康發展。

2 評價方法與過程

2.1 指標體系的建立

指標體系建立需遵循的基本原則有科學性原則、綜合性原則、簡明性原則、可操作性原則、可比性原則、動態性原則等[14]。借鑒葛京鳳[15]、韋素瓊[6]構建的土地集約利用水平指標以及劉浩[16]構建的城市化水平指標，結合江蘇地區城市的實際情況，選取12個指標（表1）從土地投入程度、土地利用程度、土地產出程度3個方面構建土地集約利用綜合評價指標體系；選取8個指標（表2）從人口城市化、經濟城市化、社會城市化、生態城市化4個方面構建城市化綜合評價指標體系。

2.2 模型的構建

2.2.1 數據標準化 評價指標體系中評價層設有M項（T1，T2，…，TM），同時設有N項評價指標Tij（i=1，2，…，M；j=1，2，…，N），組成原始數據矩陣，Tij為j城市第i項指標體系中的原始數據。指標體系中原始數量具有不同的單位，因此，需要對指標體系中原始數據進行無量綱化處理。

正向指標無量綱化：

負向指標無量綱化：

式中，Tij為指標數據的原始值，maxTij為指標數據的最大值，minTij為指標數據的最小值，Pij為無量綱化后的標準值。

2.2.2 主成分分析計算綜合得分 主成分是將多個變量通過線性變換以選出較少個數的重要變量的一種多元統計分析方法[12]。利用SPSS軟件，對標準化的數據進行因子分析，得出特征值以及方差貢獻率。因子分析結果中的主因子數目決定主成分分析中主成分的數目。根據因子分析的結果，計算特征向量矩陣，特征向量矩陣便是主成分公式中的回歸系數。最后，得出主成分的計算公式。具體的數學模型如下：

式中，矩陣Zm為主成分計算結果；矩陣um為主成分的回歸系數；矩陣Pmm為原始數據標準化結果。

考慮在主成分分析中，各主成分所代表的信息具有不同性和獨立性。最后，將方差貢獻率作為權重計算各因子的綜合得分，公式如下：

式中，Vm為因子綜合得分；Zmt為式（3）中主成分計算結果；Qt為權重。

因此，城市土地集約利用水平（UL）和城市化水平（UD）綜合得分便可表示為：

2.2.3 土地利用與城市化耦合關系模型[17] 土地集約利用與城市化系統存在非線性關系，其系統方程表示為：

利用泰勒級數原理，得到系統方程展開公式：

再利用李雅普諾夫第一近似原理保證穩定性，求出近似線性系統公式：

城市化（UD）與土地集約利用（UL）系統的一般函數，表示為：

式中，城市化系統指標的權重為e，土地集約利用系統指標的權重為f，α、β分別為系統內指標。然后將其作為一個系統分析，再依據貝塔蘭菲的一般系統理論，求得土地集約利用與城市化的系統演化方程：

式中，C和D分別表示城市化和土地集約利用的演化狀態。C系統和D系統彼此作用，以斜率反映變化速度，其公式為：

當f（UL）和f（UD）處于平衡時，整個系統呈現協調發展的狀態，系統的演化速度V=f（VC，VD），如果城市化為周期性變化，將導致土地集約利用系統也出現周期性變化。

可以用VC和VD作為變量建立坐標系，得到V的變化軌跡（圖1）。

由圖1可見，系統演化狀態下土地集約利用與城市化的耦合關系分別為：①協調發展區、②熵增區、③退化解體區、④新周期產生區。當θ趨近于0°時，土地集約利用滯后城市化，城市土地利用存在粗放利用；當θ的值為45°時，土地集約利用與城市化處于同步狀態，促進城市發展，城市土地趨向集約利用，系統優化；當θ靠近90°時，土地集約利用超前于城市發展，土地存在過度利用（表3）。

第二象限熵增區城市發展出現負增長；θ為180°時，經濟發展速度到達波谷；θ為225°時是系統的崩潰點，系統進入下一周期變化。第四象限區域中，系統開始進入新演化周期。當VC為0°時，是土地利用系統演變中的突變點，同時是進入新周期的準備階段。

3 實證研究

3.1 研究區概況及數據來源

研究區選取江蘇省13個地級市，包括南京市、蘇州市、無錫市、常州市、泰州市、南通市、揚州市、鎮江市、徐州市、鹽城市、淮安市、連云港市、宿遷市。總面積1 026萬km2，占全國總面積的1.1%，其中平原面積706萬km2，水面面積173萬km2，海岸線長954 km。

研究數據來源于2004、2007、2010年以及2013年的江蘇省統計年鑒。

3.2 實證結果

3.2.1 土地集約利用與城市化的耦合度結果 以江蘇省南京市為例，其他12個地級市依次類推。首先，利用式（1）-式（6），算出2004、2007、2010年以及2013年江蘇省南京市土地集約利用與城市化綜合值（表4）。其次，通過其變化趨勢可以得到以下方程：

C=0.013 3X3-0.081 3X2+0.450 2X1-0.285 9 （18）

D=0.017 5X3-0.134 2X2+0.611 0X1-0.466 3（19）

式中，X取值為（1，4），分別代表2004、2007、2010年以及2013年；C為城市化綜合值；D為土地集約利用綜合值。然后，對變化趨勢方程式進行求導。

VC=0.039 9X2-0.162 6X1+0.450 2 （20）

VD=0.052 5X2-0.268 4X1+0.611 0 （21）

式中，X取值為（1，4），分別代表2004、2007、2010年以及2013年；VC為城市化變化速率；VD為土地集約利用變化速率。根據式（14）、式（17），計算土地集約利用與城市化耦合度（表5）。

3.2.2 土地集約利用與城市化的耦合關系評價 根據上述計算方式，得出2004、2007、2010年以及2013年江蘇省13個地級市土地集約利用與城市化耦合度，并根據耦合模型（圖1）以及協調發展區細分結果（表3），得到江蘇省13個地級城市土地利用與城市化耦合關系（表6）。

3.3 結果與分析

3.3.1 區域綜合分析 根據表6得出的2004、2007、2010年以及2013年江蘇省13個地級市土地利用與城市化耦合關系，利用ArcGIS10.0軟件將地理信息空間化（圖2）。研究發現，江蘇省13個地級市土地集約利用與城市化耦合關系均處于協調發展區。從區域空間看，2004年處于前期磨合期（Ⅰ）的城市有3個，地處蘇北地區；處于中期協調區（Ⅱ）的城市有10個，地處蘇中和蘇南地區。2007年處于前期磨合期（Ⅰ）的連云港、宿遷和淮安向中期協調期（Ⅱ）轉變；2010年處于后期拮抗期（Ⅲ）的城市增加到3個，地處蘇南地區；2013年處于后期拮抗期（Ⅲ）的城市增加到6個，地處蘇南地區。

滯后發展狀態，即城市土地集約利用滯后于城市化，制約城市化發展，城市土地趨于粗放利用，系統退化[16]。2004年和2007年，連云港、宿遷和淮安一直處于前期磨合期（Ⅰ），城市土地存在無序擴張現象，城市土地應進行內部挖潛，需重視內涵立體式綜合利用。

同步發展狀態，即城市土地集約利用同步于城市化，推動城市化發展，城市土地趨向集約利用，系統優化[16]。2004年中期協調期（Ⅱ）有10個；2007年中期協調期（Ⅱ）有9個；2010年中期協調期（Ⅱ）有10個；2013年中期協調期（Ⅱ）有7個。研究表明，江蘇省城市化處于健康發展的城市較多，城市化得到持續性發展。

超前發展狀態，即城市土地集約利用超前于城市化，影響城市化發展，城市土地趨于過度利用，系統退化[16]。2004、2007、2010年以及2013年，處于后期拮抗期（Ⅲ）的城市相對應的個數分別為0、1、3、6，且幾乎都為蘇南地區。可見蘇南地區城市土地過度利用現象較為嚴重，需綜合規劃城市發展，發揮城市化系統內人口-社會-經濟-生態綜合效益的最大化。

3.3.2 空間聚類分析 通過ArcGIS10.0的空間聚類分析模塊，分析城市土地集約利用與城市化的耦合協調發展度的空間分布狀況，采用全局莫蘭指數I和局部杰瑞指數Li對江蘇省城市的耦合協調發展度進行分析，計算公式如下：

式中，I為莫蘭指數，Li為局部杰瑞指數，n為樣本總數，Wij為空間權重，xi為樣本i的屬性，i≠j，x0為樣本的平均值，S2為方差。

全局莫蘭指數檢驗研究區中臨近地域間的相似、相異或相互獨立（-1≤I≤1）。當I的值接近于1時表明具有相似的屬性集聚在一起（高值與高值相鄰、低值與低值相鄰）；I的值接近于-1時表明具有相異的屬性集聚在一起（高值與低值相鄰、低值與高值相鄰）；I的值接近于0則表示屬性是隨機分布的或不存在空間自相關性。

蘇南地區2007年和2013年耦合協調度為相似屬性的集聚狀態，呈穩定狀態發展；蘇中地區2007、2010年和2013年耦合協調度為相似屬性的集聚狀態，呈穩定狀態發展；蘇北地區2010年和2013年耦合協調度為相異屬性的集聚狀態；江蘇地區2010年和2013年耦合協調度為相異屬性的集聚狀態；總體上呈集聚發展趨勢（表7）。

局部杰瑞指數則檢驗局部地區是否存在高值或低值在空間上趨于集聚，高值Li代表高值集聚地域，低值Li則代表低值集聚地域（圖2）。局部杰瑞指數進行空間聚類分析表明：①蘇南、蘇中和蘇北三大區域各自內部呈集聚效應。②蘇南地區屬于高集聚區域，表明城市耦合協調度最高；蘇中地區屬于中度集聚區域，表明城市耦合協調度一般；蘇北地區屬于低集聚區域，表明城市耦合協調度較低，其加速也相對慢。③從2004、2007、2010年和2013年時間維度變化來看，蘇北地區在向蘇中地區集聚，蘇中地區在向蘇南地區集聚，城市耦合協調度也呈相似狀態發展（圖3）。

4 結論與討論

1）江蘇省13個地級市土地集約利用與城市化耦合度在時間上具有動態性。研究發現，2004年和2007年，蘇北地區3個城市處于前期磨合時期（Ⅰ），分別是連云港、宿遷和淮安。2010年以后，轉變為中期協調時期（Ⅱ）。蘇南地區處于中期協調時期（Ⅱ），隨著時間的推移，也漸漸轉變為后期拮抗時期（Ⅲ）。

2）江蘇省13個地級市土地集約利用與城市化耦合度在空間上具有差異性且有序上升。研究發現，一方面，蘇北地區土地集約利用與城市化耦合度低于蘇中地區城市，蘇中地區城市低于蘇南地區城市，各區域城市之間存在較大的差異。另一方面，2004-2013年期間，蘇南地區城市由中期協調時期（Ⅱ）轉向后期拮抗時期（Ⅲ），蘇北地區城市由前期磨合時期（Ⅰ）轉向中期協調時期（Ⅱ），總體趨勢呈有序上升狀態。

3）江蘇省13個地級市土地集約利用與城市化耦合度在空間上具有集聚效應。研究發現，蘇南、蘇中和蘇北三大區域各自內部呈集聚效應，蘇南地區屬于高集聚區域，蘇中地區屬于中集聚區域，蘇北地區屬于低集聚區域。同時，蘇北地區在向蘇中地區集聚，蘇中地區在向蘇南地區集聚，城市耦合協調度也呈相似狀態發展。

4）借鑒物理學中速度演化的耦合模型，成功分析了土地集約利用與城市化耦合協調度關系。同時，測算了土地集約利用與城市化系統在不同時間點綜合值的多項式方程，成功地反映了變化趨勢，也彌補了中間斷隔時間點的數據。最后運用ArcGIS10.0軟件繪制了土地集約利用與城市化耦合協調度在空間上的集聚效應圖。

參考文獻：

[1] CHRISTOPH K，CLAUDIA B，ULRICH C.Effects of urban land use on surface temperature in Berlin：Case study[J].Journal of Urban PlanningDevelopment，2007，133（2）：128-137.

[2] TONY P. Evaluating land use plans under uncertainty[J].Land Use Policy，2007，24（1）：165-174.

[3] SINGH R K，MURTY H R，GUPTA S K，et al.An overview of sustainability assessment methodologies[J].Ecological Indicators，2009，9（2）：189-212.

[4] 朱天明，楊桂山，萬榮榮.城市土地集約利用國內外研究進展[J].經濟地理，2009，29（6）：977-983.

[5] 邵曉梅，劉 慶，張衍毓.土地集約利用的研究進展及展望[J].地理科學進展，2006，25（2）：85-95.

[6] 韋素瓊.基于耦合模型的城市土地集約利用與城市化協調發展研究——以福建省9個設區市為例[J].福建師范大學學報（自然科學版），2015，31（2）：97-105.

[7] 黃木易，程志光.區域城市化與社會經濟耦合協調發展度的時空特征分析——以安徽省為例[J].經濟地理，2012，32（2）：77-81.

[8] 王長健，張小雷，杜宏茹，等.近30a新疆城市化與生態環境互動關系的動態計量分析[J].中國沙漠，2012，32（6）：1794-1802.

[9] 李克強.協調推進城鎮化是實現現代化的重大戰略選擇[J].行政管理改革，2012，11（4）：4-11.

[10] 鄭新奇.城市土地優化配置與集約利用評價：理論、方法、技術、實證[M].北京：科學出版社，2004.

[11] 林 堅，陳祁暉，晉璟瑤.土地應該怎么用：城市土地集約利用的內涵與指標評價[J].中國土地，2004，25（11）：4-7.

[12] 郭愛請，葛京鳳.河北省城市土地集約利用潛力評價方法探討[J].資源科學，2006，28（4）：65-70.

[13] 肖捷穎，葛京鳳，沈彥俊，等.基于GIS的石家莊市城市土地利用擴展分析[J].地理研究，2003，22（6）：789-798.

[14] 歷 偉.城市化進程與土地持續利用[M].北京：中國大地出版社，2010.

[15] 葛京鳳.河北省城市土地集約利用與城市化的耦合協調度分析[J].水土保持研究，2013，20（2）：239-249.

[16] 劉 浩.城市土地集約利用與區域城市化的時空耦合協調發展評價——以環渤海地區城市為例[J].地理研究，2011，30（20）：1806-1817.

[17] 朱 琳，卞正富，朱 環，等.資源枯竭型城市轉型期土地利用與城市發展耦合關系分析——以徐州市賈汪區為例[J].城市發展研究，2013，20（1）：62-67.