中國土地利用空間均衡度時空特征分析

譚術魁，劉 琦，李雅楠

（1.華中科技大學公共管理學院，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學管理學院，湖北 武漢 430205）

1 引言

土地利用空間均衡是全國主體功能區規劃和國土空間有序開發戰略的內在要求，也是堅持綠色、協調發展理念的必然選擇[1]。中國已步入以資源環境約束加大為主要特征的矛盾凸顯期[2]，促進土地利用空間均衡發展尤為重要。土地利用空間均衡度作為衡量土地利用強度與區域土地實際供給能力協調匹配程度的重要指標，成為人們關注的熱點。目前，關于土地利用空間均衡度的文獻主要是基于內涵界定[3]、空間均衡度模型構建[3-4]、空間均衡配置[5-7]、均衡態勢分析[8]等展開，為土地利用空間均衡度研究構建了理論分析框架和模型基礎。已有研究關注微觀尺度上區域供給能力和土地利用強度的匹配性[2]，或者研究單一年份的省域均衡度[4]，未從宏觀尺度，多年份數據揭示空間均衡度的區域差異和時間變化特征，缺乏時間—空間大尺度層面的研究。本文將拓展研究單純描述空間均衡度的靜態特征，分析其時間動態變化，同時將微觀層面的省內空間范圍擴展到大尺度地理空間，揭示其省際差異和地區差異。

鑒于此，本文在借鑒已有研究成果的基礎上，采集中國三個五年規劃期的相關數據，基于國土空間的自然、經濟、社會和人口環境異質性，以2004、2009和2014年中國31個省份為研究典型單元，嘗試借助指數模型、ArcGIS 10可視化平臺和Markov鏈，在時間—空間大尺度下，衡量區域土地供給能力和土地利用開發強度的匹配性，分析土地利用空間均衡度時空特征，探究其演變規律，以期為地區發展科學管控和土地領域供給側結構性改革提供重要參考和依據。

2 研究方法和數據來源

2.1 指標選取與數據來源

本文參考已有文獻[2-3，9]，依據空間均衡相關理論，從區域土地空間供給能力和土地利用強度兩個維度選取評價指標。區域土地供給能力主要體現為經濟集聚、交通運輸、資源保障和生態安全，土地利用強度則主要表現為建設用地比重、經濟密度、人口容量和環境承載。

遵循代表性和數據的可獲得性原則，區域土地供給能力評價指標有：（1）經濟集聚指數，反映地區經濟規模，用地均財政收入表示。（2）交通經濟指數，衡量地區可達性水平和交通便捷程度，用公路密度表示。（3）資源保障指數，反映水土等基本資源的貢獻和支持潛力，用人均水資源和人均土地資源表示。（4）生態安全指數，代表自然生境維持的必要性，用濕地、森林、自然保護區分布面積占比表示。土地利用強度評價指標有：（1）建設用地比重指數，反映建設用地的規模，用建設用地占比表示。（2）經濟密度，衡量工業化和城市化建設的產出水平，用地均GDP表示。（3）人口容量，反映單位面積土地承載的人口數量，用人口密度表示。（4）環境承載指數，反映工業化和城市化對環境的影響，用地均COD排放量、地均SO2排放量表示。

相關社會經濟數據主要來自《中國統計年鑒》（2005、2010和2015年），2014年耕地面積數據來自《中國環境統計年鑒》（2015年）。由于資料局限，本文未涉及香港、澳門和臺灣地區。

2.2 指數計算模型

（1）數據標準化。本文采用極值法對各解釋變量進行數據標準化處理，以消除量綱影響和變量自身變異大小和數值大小的影響。數據標準化公式如下：

式（1）—式（2）中，Xi為數據標準化后具有10%統計波動的指標值，Xij為省的第i項指標的原始數據值，minXij為j省的第i項指標數據的最小值，maxXij為j省的第i項指標數據的最大值。

（2）指數計算。基于標準化的數據，為減小統計波動，采用算術平均法和幾何平均法相結合的方式分別計算各省的土地供給能力指數（LS）和土地利用強度指數（LD）。在此基礎上，為增強數值分析的層次性和減小計算誤差，采用以下均衡度指數計算土地利用空間均衡度（DB）。計算公式：

式（3）—式（5）中，LS為區域土地供給能力指數，EA為經濟集聚指數，TR為運輸經濟指數，RG為資源保障指數，ES為生態安全指數，LD為土地利用強度指數，CP為建設用地比重指數，ED為經濟密度指數，PD為人口密度指數，EV為環境承載指數，DB代表土地利用空間均衡度，α和β為權重，表明土地供給能力指數和土地利用強度指數的匹配性，k為調節系數，當k = 1/2時，DB為LD與LS的幾何平均值相對于算術平均值的均衡度。通過權衡土地利用強度與區域土地供給能力的重要性，本文取最佳匹配值α= β= 0.5。為使計算結果具有較好的層次性，取k = 3。在歸一化的區間，DB = ［0，1］，改進的DB分析式（5）給出理想的極限。當DB = 0，表示根本不均衡；當DB = 1，表示最佳均衡狀態；DB越大則越均衡。

2.3 馬爾科夫鏈

馬爾科夫鏈是一種特殊的隨機過程[10]。土地利用空間均衡度的類型演化符合馬爾科夫過程的“無后效性”特征，即預測將來土地利用空間均衡度的類型，只需掌握當前類型，無需知道其歷史狀態。基于空間均衡度的馬爾科夫演化規律，進一步采用中國31個省（區、市）在三個五年規劃期間的典型數據，通過對比數值分析空間均衡度隨時間的變化，研究中國土地利用空間均衡度的時間演化特征。采用數據離散化方法，將中國土地利用空間均衡度劃分為N種狀態區間，統計區域內不同狀態之間的轉移概率P，為馬爾科夫鏈的遍歷性和平穩分布提供基礎，其中，矩陣元Pij是定量測度土地利用空間均衡度由類型i轉到類型j的概率。

3 結果與分析

數據標準化后，運用指數模型計算出2004、2009和2014年中國31個省（區、市）土地利用空間均衡度值，如表1。本文將土地利用空間均衡度（DB）設定為4種等級類型：土地利用空間優質均衡（0.9＜DB≤1）、土地利用空間中度均衡（0.7＜DB≤0.9）、土地利用空間勉強均衡（0.5＜DB≤0.7）和土地利用空間失衡（0≤DB≤0.5）。

3.1 土地利用空間均衡度時間特征分析

（1）土地利用空間均衡度總體上在一定范圍內平穩波動。表1顯示，從全國層面看，2004、2009和2014年，土地利用空間均衡度的全國平均水平處于中度均衡狀態：2004—2009年，空間均衡度總體表現為下降趨勢，平均值從2004年的0.888降到2009年的0.878；2009—2014年，空間均衡度總體呈現上升趨勢，2014年升至0.882；2004—2014年，空間均衡度表現出鋸齒狀波動下降趨勢，但降幅極小，變化速率僅0.7%。從省份層面看（圖1），2004—2014年，全國31個省（區、市）不同等級空間均衡度的數量變化情況是：優質均衡和失衡的省（區、市）數量在下降，分別從19個和1個減少到17個和0；中度均衡和勉強均衡的省份數量在上升，分別從9個和2個增加到11個和3個。總體而言，土地利用空間均衡度變化相對平穩。此外，優質均衡和中度均衡的省份數量之和保持不變，共28個，占比90.3%，說明中國絕大多數省（區、市）的土地利用強度與區域土地供給能力基本協調。

表1 全國31個省（區、市）土地利用空間均衡度值Tab.1 Spatial balance degrees of land use in 31 provinces of China

圖1 2004—2014年省（區、市）土地利用空間均衡度類型分布統計Fig.1 Cartogram of spatial balance degrees of land use of provinces from 2004 to 2014

（2）土地利用空間均衡度省域差異呈現縮小的趨勢。從各省（區、市）狀態轉移方面看，2004—2014年，江西、四川、貴州、陜西和寧夏5個省（區、市）由優質均衡轉為中度均衡，只有北京、青海和新疆3個省份由中度均衡轉成優質均衡。2004年均衡度指數的最低值（0.483）和2014年均衡度指數的最低值（0.527）均出現在西藏，狀態由失衡轉為勉強均衡，變化幅度為9.11%。各省（區、市）等級類型間轉移總體上表現出從失衡和優質均衡向勉強均衡和中度均衡集中的特征，表明中國各省（區、市）間均衡度差異逐漸縮小。為進一步驗證，根據計算得到的土地利用空間均衡度值，結合相關公式，計算土地利用空間均衡度的極差、標準差、變異系數，得到的結果如表2。極差和標準差能夠反映省（區、市）間土地利用空間均衡度的絕對差異。中國31個省（區、市）土地利用空間均衡度的極差從2004年（0.517）到2014年（0.473），呈減小趨勢，下降幅度為9.3%，標準差從2004年（0.129）到2014年（0.117）下降10.26%。變異系數可以反映省（區、市）間土地利用空間均衡度的相對差異。土地利用空間均衡度的變異系數從2004年（0.145）到2014年（0.133）下降8.28%。綜合來看，各省（區、市）土地利用空間均衡度在考察期內呈現向省域差距縮小的格局演變。

表2 土地利用空間均衡度描述性統計Tab.2 The descriptive statistics of spatial balance degrees of land use

（3）階段性變化以土地利用空間均衡度下降為主要特征。分別考察兩個5年時間段空間均衡度的變化情況，通過分析可得：2004—2009年，空間均衡度降低的省（區、市）分別是山西、遼寧、安徽、江西、湖北、湖南、廣東、廣西、重慶、四川、貴州、陜西、天津、吉林、黑龍江、甘肅、青海和新疆，共18個，比重為58.1%，北京、內蒙古、上海、江蘇、山東、云南、西藏、河北、浙江、山東、河南、海南和寧夏13個省（區、市）的空間均衡度則上升。2009—2014年，山西、遼寧、安徽、江西、湖北、湖南、廣東、廣西、重慶、四川、貴州、陜西、河北、浙江、山東、河南、海南和寧夏等的空間均衡度下降，下降的省（區、市）有所差別，但數量與上一階段相同。在這一階段，空間均衡度上升的省（區、市）是北京、內蒙古、上海、江蘇、山東、云南、西藏、天津、吉林、黑龍江、甘肅、青海和新疆，共13個，僅占比41.9%。這說明在兩個5年研究時段，全國范圍內的土地利用強度與區域土地供給能力的協調匹配程度普遍下降。

3.2 土地利用空間均衡度空間特征分析

（1）土地利用空間均衡度空間分布不平衡。圖2顯示，從全國地理分區來看，2004年，優質均衡區分布在中國華東、華中、華南部，中度均衡區分布在中國東北、華北、西北部，勉強均衡區分布在西南、華東部，失衡區分布在西南部。2009年土地利用空間均衡度空間分布格局與2004年的大體一致，但略有差別，具體表現在：優質均衡區在西南部的分布范圍有所縮減，中度均衡區擴展到西南部，勉強均衡區轉移到東北部。2014年土地利用空間均衡度空間分布格局較之2009年發生顯著變化，分別是：優質均衡區在華中的分布范圍縮減，但在西北部的分布優勢十分明顯，取代中度均衡區在西北部的部分區域；中度均衡區在西北部的分布優勢減弱，分布范圍銳減；勉強均衡區取代失衡區在西南部分布；失衡區消失。從沿海與內陸間關系看，考察期內，優質均衡區主要集中在東部沿海、“胡煥庸線”的東側，覆蓋山西、遼寧、江蘇、浙江、安徽、福建、山東、河南、湖北、湖南、廣東、廣西和重慶等，而中度均衡區、勉強均衡區和失衡區主要集中在內陸地區、“胡煥庸線”的西側，包括內蒙古、甘肅和西藏等。除個別省（區、市）外，土地利用空間均衡度基本上呈現從東部沿海地區向內陸地區遞減的空間格局。

圖2 中國土地利用空間均衡度空間分布Fig.2 Spatial distribution of spatial balance degrees of land use in China

（2）土地利用空間均衡度具有顯著的地區差異。按照傳統劃分方法，將中國劃分為東部、中部、西部三大地區，考察土地利用空間均衡度的地區分異規律。圖3顯示，2004—2014年，東部和中部地區空間均衡度的變化軌跡大致是一個旋轉90°的“X”形狀，東部地區空間均衡度逐漸增加，中部地區則相反，但兩個地區的變化速率大體相當。西部地區空間均衡度在2004—2009年不斷下降，之后逐漸趨向平穩。2004—2014年，東部地區和中部地區的空間均衡度一直高于全國平均值，而西部地區遠低于全國平均水平，表明土地利用空間均衡度分布具有東、中部高，西部低的地區分異特征。考察期內，土地利用空間均衡度逐漸與三大地區經濟格局相吻合。2004年，東、中、西部分別有36%、25%和50%的省份沒有達到優質均衡，而到2014年，東、中、西部沒有達到優質均衡的分別為27%、37.5%和67%，表明東部地區與中、西部地區土地利用空間均衡水平的差距正在擴大。

（3）土地利用空間均衡度在空間上經歷從集中到“分散化集中”的過程。由圖2可知，優質均衡區和中度均衡區在2004年占主體，集中連片特征明顯，其中，優質均衡區呈團狀聚集，中度均衡區呈東—西向條帶狀分布，而勉強均衡區和失衡區面積較小，聚集在一兩個省份，不同等級土地利用空間均衡度的空間分布較為集中。考察期末，不同等級土地利用空間均衡度的空間分布則表現出“分散化集中”的特征，具體體現在：優質均衡區分散在中國東、西部地區，且面積大體相當，但組團分布特征明顯；中度均衡區主體范圍呈團狀，但有小面積的中度均衡區內嵌在東部優質均衡區，勉強均衡區分散在中國東北和西南兩個方向。對比兩個時期的整體分布方向和特點，2004—2014年，中國土地利用空間均衡度的空間演變過程具有從集中到“分散化集中”的特點。

圖3 2004—2014年土地利用空間均衡度三大地區對比Fig.3 Comparison of three regions of spatial balance degrees of land use from 2004 to 2014

3.3 土地利用空間均衡度Markov鏈分析

表3 2004—2014年中國土地利用空間均衡度演變的Markov轉移概率矩陣Tab.3 Markov transfer probability matrix of spatial balance degrees of land use in China from 2004 to 2014

運用Markov模型計算2004—2014年土地利用空間均衡度的不同類型轉移概率矩陣，其中，對角線上的數值表示類型沒有發生變化的概率，非對角線的數值表示類型發生轉移的概率。表3所反映的2004—2014年不同類型間轉移的特點是：（1）對角線上的數值分別為0.737、0.445、0.000和0.000，說明一個省（區、市）如果在初期處于優質均衡、中度均衡，在隨后年份屬于該類型的可能性為73.7%和44.5%，如果處于勉強均衡、失衡狀態，則在隨后年份屬于該類型的可能性幾乎不存在。其中，中度均衡的穩定性較差，但轉換為優質均衡的概率（33.3%）比轉換為勉強均衡（22.2%）的概率大。（2）概率轉移矩陣的第3行第2列和第4行第3列元素數值均為1.000，大于對角線區域，說明在考察期內，土地利用空間均衡度的狀態正在往更高一級別均衡水平發展。這種不同土地利用空間均衡等級向上轉移或向下轉移的概率大于其向下轉移或向上轉移的概率，直至逐步趨向中度均衡，所形成的土地利用空間均衡等級朝著某一等級趨同的現象稱為“俱樂部趨同”[11]。（3）通過對遍歷性的考察，2004—2014年中國土地利用空間均衡度的平穩分布呈現出從優質均衡到失衡遞減的態勢，說明在轉移概率矩陣保持不變的前提下，土地利用空間均衡度的總體發展格局會趨向中度均衡乃至優質均衡。

4 結論

（1）時間特征方面。中國土地利用空間均衡度總體處于較高水平，并在一定范圍內波動變化，省域差異呈現縮小的趨勢，階段性變化以土地利用空間均衡度下降為主要特征。

（2）空間特征方面。土地利用空間均衡度空間分布不平衡，具有顯著的地區差異，東部地區與中、西部地區的土地利用空間均衡水平差距在擴大，在整體空間上由集中向“分散化集中”演變。

（3）土地利用空間均衡度各類型狀態轉移方面。優質均衡相對穩定，而中度均衡、勉強均衡和失衡三種類型的流動性較大，若轉移概率矩陣保持不變，整體發展格局會趨向中度均衡乃至優質均衡。

（4）土地開發強度和區域土地供給能力的相對關系變化會引起土地利用空間均衡度的變動，進而推動土地利用空間均衡度分布格局的演變。因此，對于已經達到優質均衡的省份需要維持二者的均衡，而屬于中度均衡、勉強均衡和失衡的省份應該調整土地開發強度與區域土地供給能力的協調匹配程度。各省份要結合自身實際情況，開發過度的地區應該在資源環境約束下控制土地利用開發強度，注重內涵挖潛，開發不足的地區，則應在生態環境保護的前提下重點開發。

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