快速城鎮化地區土地利用及生態效率測算與分析

金 貴,吳 鋒,李兆華,郭柏樞,趙曉東

1 中國科學院地理科學與資源研究所,北京 100101 2 湖北大學資源環境學院,武漢 430062 3 中國科學院農業政策研究中心,北京 100101 4 區域開發與環境響應湖北省重點實驗室, 武漢 430062

快速城鎮化地區土地利用及生態效率測算與分析

金 貴1,2,3,4,吳 鋒1,3,*,李兆華2,4,郭柏樞2,趙曉東2

1 中國科學院地理科學與資源研究所,北京 100101 2 湖北大學資源環境學院,武漢 430062 3 中國科學院農業政策研究中心,北京 100101 4 區域開發與環境響應湖北省重點實驗室, 武漢 430062

如何以較小的生態資源損耗獲得較大的經濟社會效益,是我國新型城鎮化與生態文明建設關注的核心議題之一。以快速城鎮化的湖北省為典型研究區,引入隨機前沿分析(Stochastic Frontier Analysis, SFA)測度各縣域的土地利用效率、生態績效指數和生態效率。結果表明：(1)對比分析非約束模型與約束模型的檢驗結果可知,前者在本研究中有更好的解釋能力,加入生態變量后縣域土地利用效率平均值增加1.4%；(2)湖北省縣域土地利用效率平均值為0.882,土地利用效率總體水平較高,且生態績效指數(Ecological Performance Index, EPI)大于0的縣域占75.73%,EPI隨著土地利用效率(Land Use Efficiency, LUE)的增加表現出先增后減的倒U型變化；(3)湖北省縣域的生態效率(Ecological Efficiency, EE)分布在0.778—0.989之間,空間格局特征明顯,效率高值縣域在空間上呈現出以武漢城市圈和沿長江、漢江為點軸的A型分布特征。本研究揭示了快速城鎮化區域土地利用、生態系統和經濟效益之間的關系,可為新型城鎮化發展、土地資源高效利用和生態資源保護提供參考。

土地利用效率；生態效率；植被覆蓋；SFA；城鎮化；湖北省

土地績效核算是解決快速城鎮化過程中生態效益與經濟效益權衡的有效方法之一。20世紀90年代以來,中國土地利用變化格局逐步形成了以開墾與退耕、過牧與退牧、毀林與造林和快速城鎮化為代表的4種類型[1]。其中,快速城鎮化地區建設用地擴張對生態系統格局產生重大影響,改變生態系統服務功能、影響人類的福祉[2]。該類區域經濟持續增長的同時,生態資源過度消耗、生態環境急劇惡化[3],如何以最小的生態要素投入獲得最大的經濟效益產出成為城鎮發展轉型研究的熱點議題。在國外,學者們由最初的產業生產技術效率分析逐步轉向可持續發展前提下的土地利用效率評估[4]。Charnes等基于統計數據分析城市化效率及其影響因素[5],Nagi等學者解析了土地資源在經濟社會發展中的作用,并探討如何通過提高土地利用效率來促進社會經濟效益的提高[6]。在國內,相關研究從區域經濟或者工業部門技術效率測算擴展到城市化效率、土地利用效率評估等方面,分析城市群生態效率及影響因素[7]、土地利用生態效率及其對生態的影響[8]等。在模型方法上,數據包絡分析(Data Envelopment Analysis, DEA)和SFA兩類模型應用最為廣泛。前者是一種非參數方法,研究多投入、多產出問題,不考慮隨機因素對技術效率的影響,且前沿面固定[9]；后者考慮了隨機因素的影響,能分析技術效率的影響因素,在研究技術效率時相較前者更有優勢[10]。盡管SFA模型在國內外經濟或工業部門技術效率測算中被廣泛的使用,但國內城市化效率、土地利用效率或者生態效率的研究卻鮮有應用[11-12]。在指標體系構建方面,生態環境效率分析的投入指標一般分為資源類和污染類,產出指標為經濟產值[7,13]；城市化效率投入指標基本為勞動力、資本及土地,產出為經濟產值或城市化率等[14-15]；土地利用效率的投入指標多為勞動力、資本和土地,產出為經濟總量[16-17]；生態環境效率、城市效率和土地利用效率的指標差異較大。因此,本文以湖北省為典型案例區,引入SFA定量測算土地利用效率、生態績效指數和生態效率,并在傳統指標體系的基礎上加入生態變量,揭示研究區土地利用、生態系統、經濟效益之間的關系,及其效率的空間分布規律,為湖北省城鎮化轉型發展提供決策參考。

1 研究區概況

湖北省位于我國中部,長江中游,地處108°21′42″—116°07′50″E、29°01′53″—33°6′47″N,包括103個縣(市、區),國土總面積18.59萬km2,其中山地占56%,丘陵占24%,平原占20%。近年來,湖北省社會經濟發展迅速,2015年城鎮化率達到55.67%,地區生產總值為29550.19億元,較2014年增長8.9%,經濟總量居中部第2位。中部地區是目前我國城鎮化快速崛起的重要區域之一,湖北作為中部地區的重要省域,城鎮化發展正進入一個新的階段,尤其是“資源節約型與環境友好型”城市圈建設試點以來,逐步形成以經濟發展為重心的武漢城市圈和以生態建設為核心的鄂西生態旅游圈。隨著經濟發展取得較大成就,湖北省生態保育和城鎮化發展之間的矛盾也日益凸顯,城鎮建設用地不斷擴張,林地、耕地、草地、水域和其他生態用地銳減,糧食供給能力和生態安全保障能力不斷下降。因此,探究湖北省縣域土地利用效率、生態效率,及其空間分布規律具有較強的典型性,可為其他快速城鎮化地區的相關研究提供參考。

2 數據與方法

2.1 數據來源與處理

本研究數據主要包括社會經濟數據、土地利用數據、區位條件數據、植被覆蓋數據和其他相關數據等。社會經濟數據來源于2015年湖北省各市、縣統計年鑒；土地利用數據來源于2014年末湖北省土地利用更新數據(1∶1萬)中各縣建設用地規模,該數據主要以航拍影像為基本信息源；區位條件數據是基于2014年末湖北省交通網絡圖整理得到的動車組站點、交通干線等信息；植被覆蓋數據來源于MODIS衛星定量遙感反演的標準數據中的2014年末植被指數產品,經校正、拼接、裁剪等處理步驟計算得到縣域尺度的NDVI數據。上述土地利用數據、區位條件數據和植被覆蓋數據均通過GIS的數據格式轉換、數據鏈接、空間離散化,空間采樣等操作得到不同投入水平的縣級數據,并與社會經濟數據一起制備成投入產出分析初始數據庫。

2.2 研究方法

2.2.1 SFA模型

Meeusen和van den Broeck、 Aigned等最早建立了SFA模型,使其成為測算技術效率的有效工具[18]。Battese和Coelli先后提出了改進模型,自此SFA得到廣泛的應用[19-20]。確定性前沿生產函數和SFA都可以估計生產者的技術效率,前者忽略了隨機沖擊對生產活動的影響,將生態環境因素的影響都歸咎于技術無效率,導致技術效率估計的偏誤[21]。因此,在充分考慮技術無效率因素和難以預期的隨機沖擊效應的基礎上,SFA模型的表達形式為：

yi=f(xi;β)·exp(vi)·exp(-ui)

(1)

式中,f(xi;β)·exp(vi)是隨機前沿,f(xi;β)反映投入與產出間確定性的技術結構關系,exp(vi)是隨機因素,揭示隨機沖擊對生產者的影響。exp(-ui)為技術效率,具體到本研究是LUE,表征觀察的土地利用產出與處于生產前沿上潛在最大產出的比值,具體公式如下：

(2)

2.2.2 投入產出指標體系

投入產出的調查與核算信息是SFA模型測算效率的基礎。不同的研究目標,指標體系差異較大[22-24]。為了能夠科學測算城鎮化地區的土地利用及生態效率,產出指標應源于城鎮地區,本研究選取非農產值作為產出指標。投入指標方面,由于城鎮化發展主要依賴于資本投入、城鎮人口、城市建成區規模、居民收入、產值、區位條件等影響因素,因此投入指標從上述幾個方面篩選。另外,由于城鎮快速擴張過程中會占用大量的非建設用地,消耗生態環境資源,導致生態植被覆蓋度顯著下降[25],故研究將植被覆蓋度指數作為生態投入指標引入到生產函數中。綜上所述,結合已有研究成果、相關文獻及我國城鎮化進程的相關實踐[15, 26-29],同時考慮數據資料的可獲取性和湖北省地域特征確定投入產出指標體系(表1)。

表1 投入產出指標體系

表1中,x1—x4是傳統意義的投入指標,表征土地、資本和勞動力等要素對城鎮化發展的貢獻。x5為生態變量,體現城鎮化過程中生態植被用地轉化為城鎮建設用地而帶來的生態系統損失,并由此產生的外部不經濟問題,本研究嘗試將土地植被覆蓋損耗直接作為一項生態投入加入模型中,揭示生態要素投入對土地利用效率的影響機理。x6、x7為城鎮人均可支配收入和動車組站點,是作為投入產出模型解釋變量加入到方程中,與上述投入變量不同。

2.2.3 經驗模型構建

(1)土地利用效率與生態績效指數分析。基于上述投入產出指標體系構建投入產出模型,在具體選擇生產函數時,較為常用的有柯布道格拉斯和超越對數兩類,前者假定技術中性和產出彈性固定,后者放寬了這些假設,增加了二次的項數,可以清楚分析生產函數中投入的相互影響、各種投入技術進步的差異,更適合估計SFA模型[30]。本文選擇超越對數函數,假設產出變量為y,投入變量一共有k種,構建出包含生態變量的SFA非約束模型：

(3)

進一步,通過極大似然估計(Maximum Likelihood Estimate, MLE)分別獲得包含生態變量的LUExeco和不包含生態變量的LUEx,計算出EPI值,即

(4)

EPI大于0表示生態要素投入對LUE有正向影響,EPI小于0表示生態要素投入對LUE有負向影響。EPI揭示出生態資源投入對土地利用效率提升的影響,體現了地表植被覆蓋損失對城鎮化發展的貢獻程度。

(2)生態效率測算。引入生態效率概念來測度城市擴張過程中的生態資源對城鎮化發展的貢獻[31]。本研究中生態效率指在其他投入和產出都不變的情況下,最小可行生態投入和實際生態投入的比值。為了測算生態變量的效率,假設特定經濟產出保持一定時當生態投入最小時生態效率最高,故在以投入為導向的超越對數生產函數中分別將xz,ui替換為最小生態投入xz′及其對應的技術無效率誤差項ui′,即生態效率最優時得到最小生態投入的生產函數,替換后的SFA模型表達式如下：

(5)

將替換式(5)減式(3),得到如下形式：

(6)

(7)

3 結果與分析

3.1 SFA模型結果檢驗

使用一步估計法估算以非農產值為因變量的SFA模型,約束性模型和非約束性模型的檢驗和回歸結果如表2所示。

分析可知,土地利用無效率項為隨機擾動項的1.6倍,占總誤差項的62%,說明本研究中土地利用無效率差異存在,其影響不能被忽略。因此,本研究中通過SFA模型分離隨機因素和土地利用無效率的處理方法是科學可行的。在95%置信水平上,非約束模型中生態變量、非農人口、上一年非農產值、固定投資總額等參量較約束模型而言顯著水平均有所提高。分別用似然比檢驗(LRT)和赤池信息量準則(AIC)判斷：非約束模型的LRT值為53.71,約束模型的LRT值為43.68,說明前者有更好的解釋能力；非約束模型的AIC為-57.43,約束模型的AIC值為-49.36,非約束模型數值更小,同樣表明非約束模型能更好的揭示城鎮化區域土地利用效率。因此,后續LUE、EPI和EI等分析均基于非約束模型下的結果展開。

3.2 影響要素分析

在本研究的生產函數投入體系之中,除了非農人口和是否有動車組站點要素外,其他投入要素均與非農產值顯著相關。就全省縣域平均水平而言,增加生態要素則非農產值會顯著提高,說明城鎮擴張占用耕地、林地、草地等生態資源短時期內會大幅增加經濟收益。非農人口數量與非農產值顯著正相關,在湖北省多數經濟不發達的縣域經濟體實際背景下,勞動密集型產業是城鎮化地區產值的主要來源,非農人口規模既能客觀體現區域人口城鎮化水平,也可以反映出二、三產業勞動力的充足與否。城市建成區面積與非農產值顯著負相關,說明大部分縣域城鎮土地利用效益偏低,經濟發展落后縣域盲目建設或擴建經濟開發區,這種攤大餅式的發展導致大量土地資源浪費,單位面積土地產出率不高。全社會固定投資總額與非農產值顯著正相關,可見將投資作為促進經濟發展的手段對湖北省多數縣域依然有作用,但在今后城鎮化發展轉型中應不斷提升全要素生產率、完善基礎設施建設、增強產業科技化水平和優化產業結構。上一年非農產值對下一年非農產值的正向影響尤為顯著,說明城鎮化發展過程中前一年的生產活動會影響后一年的生產活動,縣域經濟產出的歷史積累會推動地區的整體發展和進步。

表2 土地利用效率SFA模型MLE結果

*P< 0.1, **P< 0.05,***P< 0.01,括號內數值表示t統計量

3.3 土地利用及生態效率測算與分析

3.3.1 土地利用效率測算

結合公式(3)—(7)編寫SFA模型算法,以Stata為平臺運行SFA模型,分別估算出非約束模型下的103個縣域單元的LUE值(表3)。

對上述103個縣域的土地利用效率繪制頻率分布圖(圖2)。LUE頻率分布為正態分布,滿足地統計學分析相關要求,故不對103個縣域LUE進行數據轉換等處理。進一步,以非約束模型的LUE值為基礎,由式(4)和(7)測算出全省各縣域的EPI和EE值。

湖北省103個縣域土地利用效率最大值為0.973、最小值為0.623、均值為0.882。LUE高值區主要聚集在長江、漢水沿線和高速鐵路的串聯區域,是武漢城市圈和鄂西生態旅游圈的中心城區,交通便利、經濟發展迅速,新興技術產業、水電產業和新型制造業集聚特征明顯。除上述地區以外,部分山區縣的土地利用效率也較高,如竹溪縣、興山縣、宣恩縣等,這些縣域受地形地貌條件影響,中心城區平地面積不足,城鎮空間擴展受到約束,很大程度上被動提高城鎮土地集約利用程度。LUE低值區主要分布在鄂西生態旅游圈,以及距離省級中心或副中心城市較遠的地區,多為礦業、重工業發達的城市或處于鄉村旅游發展起步階段的縣域,并不一定是某個市域內經濟發展較落后的縣域,如鐵山區、猇亭區和竹山縣等,這些縣域城鎮用地迅速擴張,大都建有經濟技術開發區、工業園區或風景區,降低了土地集約利用程度。一般而言,所有市域范圍內總有一些縣域的土地利用效率較高,另一些縣域的土地利用效率相對較低,縣域間存在明顯不均衡。發揮各縣域地區特色,避免區域內土地、資本、勞動力和生態資源的不合理使用是提高土地利用效率、促進經濟發展、保護生態環境的重要方式。

表3 湖北省各縣域土地利用效率

圖2 土地利用效率頻率分布直方圖Fig.2 Frequency histogram of land use efficiency

湖北省25個縣域EPI小于0,占24.27%,78個縣域EPI大于0,占75.73%(圖3)。從整個城鎮化發展的投入產出系統來看,EPI大于0的縣域,植被資源消耗對城鎮經濟發展有正向貢獻；EPI小于0的縣域,盡管在城鎮化發展過程中也消耗了大量的植被資源,但卻對城鎮經濟發展沒有顯著貢獻。整體而言,全省大部分縣域的生態植被損耗對城鎮化發展的貢獻明顯,尤其是生態環境本底質量越好的縣域單元,其植被資源消耗產生的經濟價值越高。綠色發展戰略和嚴格的環境保護制度要求生態資源損耗應充分轉化為相應的社會經濟價值。

進一步,分析LUE與EPI之間的相互關系(圖4)可知,縣域EPI低于平均水平時,LUE越大,則EPI越高。EPI隨著LUE的增加出現先增加后減少的倒U型變化,說明LUE較低縣域的植被資源對生態生產功能和土地利用效率模型有更顯著的正面影響,也意味著植被資源投入對土地利用效率高的縣域而言并不十分重要。

圖3 縣域生態績效指數圖Fig.3 Ecological performance index in county scale

圖4 LUE和EPI關系散點圖Fig.4 Scatter diagram between LUE and EPI

3.3.2 生態效率空間分布

根據非約束模型下的LUE測算出湖北省各縣域EE,最大值為0.989、最小值為0.778、均值為0.871。EE值與快速城鎮化過程中對生態植被資源的開發利用有關,其值越大表明城鎮化發展所付出的生態代價越低。因此,當前湖北省各縣域城鎮化發展并不存在過度消耗生態植被資源的情況,生態植被資源作為城鎮化發展的投入要素沒有被過度浪費,被破壞的生態植被資源大都高效轉化為經濟產值。

盡管各縣域EE數值普遍較高,但仍存在顯著的空間分異規律。采用自然斷點法對非約束模型下EE數值進行分級(圖5),將生態效率分為4種類型。整體而言,湖北省縣域生態效率呈現出由東(城市圈)向西(生態旅游圈)從高到低的A型分布,基本與《湖北省城鎮化與城鎮發展戰略規劃(2012—2030)》中的城鎮發展點軸形態相一致。武漢城市圈生態效率整體上普遍高于鄂西生態旅游圈,說明相較生態圈而言,城市圈縣域的生態用地轉化為建設用地后可以產生更多的經濟效益,這是因為經濟發展水平較高、區位條件相對較好的城市圈縣域的新增建設用地的產出率和利用率更高。武漢城市圈中EE一類和二類縣域所占比例較高,鄂西生態旅游圈中則以EE三類、四類縣域為主。具體而言,EE一類和二類區主要集中在武漢城市圈和鄂西旅游生態圈地級市的中心縣域,如武漢、鄂州、黃岡、孝感、咸寧、仙桃和天門的中心城區,十堰市的張灣區、茅箭區,襄陽市的樊城區,宜昌市的點軍區等。此外,在恩施州的咸豐縣、鶴峰縣,宜昌的五峰縣的EE也相對較高。三類區主要分布在武漢城市圈周邊縣域和鄂西生態圈,如黃陂、浠水、松滋、竹山等縣域。四類區則分布在鄂西北地區的鄖西、鄖縣、房縣、?？档瓤h域,該類區往往是快速城鎮化的縣域,城鎮在擴張過程中不斷侵占耕地、林地、園地和草地等生態植被資源,造成一定程度的植被資源浪費。

圖5 湖北省縣域EE空間分布Fig.5 Spatial distribution of EE in Hubei Province

4 結論與討論

本文基于SFA模型開展快速城鎮化背景下湖北省縣域生態經濟投入產出分析,揭示快速城鎮化區域土地利用、生態與經濟系統之間關系。研究認識可為區域新型城鎮化發展轉型、土地資源高效利用和生態資源保護提供參考依據。

本研究中土地利用無效率項高于隨機擾動項,無效率影響不能被忽略,故本研究中通過SFA模型分離隨機因素和土地利用無效率的處理方法是科學可行的。較約束模型而言,非約束模型中投入參量的顯著水平均有所提高,用LRT和AIC判斷表明非約束模型能更好的揭示城鎮化區域土地利用效率。

湖北省LUE高值縣域主要分布在武漢城市圈和鄂西生態旅游圈的中心城區,及其部分發展空間受限制的山區；低值縣域主要分布在鄂西生態旅游圈,以及距離省級中心或副中心較遠,多為礦產資源枯竭或處于鄉村旅游發展起步階段的縣域。EPI隨著LUE的增加出現先增加后減少的倒U型變化,說明土地利用效率較低縣域的生態資源對土地利用效率有更顯著的正向影響,且生態資源投入對土地利用效率高的縣域而言并不十分重要。湖北省縣域城鎮化發展并不存在過度消耗生態資源的情況,植被資源作為城鎮化發展的投入要素沒有被過度浪費,被破壞的生態植被資源大都高效轉化為經濟產值?？h域生態效率呈現出由東向西從高到低的A型分布,且武漢城市圈生態效率整體上普遍高于鄂西生態旅游圈。

研究將植被覆蓋度指數作為生態變量引入到SFA生產函數中揭示生產要素投入、土地利用效率提升和生態損耗之間的關系,為快速城鎮化地區的系統研究提供了新視角。本研究為進一步開展長時間序列的城鎮化地區土地利用及生態效率分析,及其在空間上集聚特征和分布規律提供了核算方法。同時,土地效率精確核算可有效銜接國民經濟社會發展規劃與土地利用規劃的用地指標,服務區域社會經濟與生態環境的協調發展。

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Estimationandanalysisoflanduseandecologicalefficiencyinrapidurbanizationarea

Jin Gui1,2,3,4, WU Feng1,3,*, LI Zhaohua2,4, GUO Baishu2, ZHAO Xiaodong2

1InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China2FacultyofResourcesandEnvironmentalScience,HubeiUniversity,Wuhan430062,China3CenterforChineseAgriculturalPolicy,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China4HubeiProvinceKeyLaboratoryofRegionalDevelopmentandEnvironmentalResponse,Wuhan430062,China

One of the core issues of the new urbanization and ecological civilization construction is developing strategies for obtaining larger economic and social benefits with smaller ecological resource loss in China. In this study, Hubei Province, which has rapid urbanization, was considered a typical case area, and the stochastic frontier analysis (SFA) was used to measure the land use efficiency, ecological performance index, and ecological efficiency of each county in Hubei Province. The following results were obtained in this study. (1) We found that the non-constrained model had a better explanatory power than the constrained model did and the average land use efficiency increased by 1.4% after the addition of the ecological variable. (2) The average land use efficiency of Hubei Province was 0.882, whereas the overall land use efficiency was high and the counties with ecological performance indexes (EPIs) greater than 0 accounted for 75.73%. Furthermore, an increase in land use efficiency (LUE) resulted in EPI values showing inverted U-shape changes that first increased and then decreased. (3) The ecological efficiency (EE) of the counties of Hubei Province were between 0.778 and 0.989 and showed an obvious characteristic spatial pattern. In addition, the high-efficiency counties showed “A” type distribution characteristics that indicated the Wuhan metropolitan region was the point whereas the Yangtze River and Hanjiang River were on the axis. This study revealed that the relationship between land use, ecological system, and economic benefit in rapid urbanization area could provide a reference for new urbanization development, efficient utilization of land resources, and strategies for protecting ecological resources.

land use efficiency; ecological efficiency; vegetation cover; SFA; urbanization; Hubei Province

國家自然科學基金項目(41501593,71225005)；中國博士后科學基金(2015M581163)

2016- 10- 18;

2017- 04- 11

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wufeng@igsnrr.ac.cn

10.5846/stxb201610182126

金貴,吳鋒,李兆華,郭柏樞,趙曉東.快速城鎮化地區土地利用及生態效率測算與分析.生態學報,2017,37(23):8048- 8057.

Jin G, Wu F, Li Z H, Guo B S, Zhao X D.Estimation and analysis of land use and ecological efficiency in rapid urbanization area.Acta Ecologica Sinica,2017,37(23):8048- 8057.