湖南省土地多功能耦合協調度時空分異

張路路，鄭新奇，孟 超，張蓬濤

（1.河北經貿大學旅游學院，河北 石家莊 050061；2.中國地質大學（北京）信息工程學院，北京 100083；3.中國國土勘測規劃院，北京 100035；4.河北農業大學國土資源學院，河北 保定 071001）

隨著城鎮化和工業化進程快速發展，人地關系呈現不和諧的特征，表現為生產、生活和生態（“三生”）空間相互爭奪與沖突日趨激烈[1-2]。“三生”空間實質是一種功能空間[3]，“三生”空間的競爭反映出土地不同功能與利用目標的博弈和沖突[4]。如何發揮功能的協同和乘數效應，緩解土地功能沖突，成為當前生態文明建設和可持續發展亟待解決的問題[5]。

土地功能反映了不同土地利用方式所提供的產品與服務[6]。國外運用土地功能理論和方法廣泛開展了可持續性影響評估研究，如DE GROOT采用功能和價值分析綜合模型進行了景觀規劃中土地功能的沖突診斷[6]，HELMING構建了土地利用功能變化對經濟社會和環境影響框架[7]，并應用于規劃過程中土地沖突問題的分析。PARACCHINI等構建了可用于政策情景對土地利用多功能影響的事前評估集成框架，并應用于歐盟和地區多尺度的可持續性發展情景分析[8]。土地多功能的協同（Synergies）、權衡（Trade-off）正成為土地可持續領域關注的熱點[9]。國內對于土地多功能研究主要集中在概念[10]、理論分析框架[11]、評價模型[12-13]、功能變化[14-15]、影響因素[16]分析等方面，目前仍處于初級階段[17-18]。總體來看，土地多功能存在著顯著的時空異質性，且多功能之間存在著相互促進、脅迫的消長關系，對土地系統的發展與演化產生重要影響[15-16]，運用土地多功能的耦合關系來實現土地子系統“聯合生產”，是土地多功能利用的題中之意[19]。土地多功能之間協調性可為土地持續發展提供參考[20]，但當前對多功能間耦合互動關系的研究尚不多見[21]。協同學中的耦合協調度是用于測度系統之間或者內部子系統之間相互作用程度和相互協調配合情況的重要模型，現已廣泛應用于地理、生態、經濟等領域[22-26]，這些成果為探究土地多功能間的互動關系提供了借鑒。

鑒于此，本文在分析土地利用系統耦合協調作用機理的基礎上，以湖南省為案例，通過構建指標體系，應用協同學中的耦合協調模型，揭示湖南省土地生產功能、生活功能和生態功能三者之間協調的時空分異特征，旨在為區域可持續發展提供科學依據。

1 研究區概況

湖南省位于長江中游，總面積21.18萬km2，水、土、氣、生物等資源豐富，轄14個地級市（自治州），122個縣（市、區）。2005年以來，隨著國家“中部崛起”戰略和“兩型社會”建設綜合配套改革實驗區等政策的實施，湖南省社會經濟發展提速明顯。2005—2015期間，GDP年均增長12.09%，三產結構從19.4∶40.2∶40.4調整為11.5∶44.6∶43.9；2015年城鎮化率達50.89%，城鄉居民收入分別達28 838元和10 993元；區域旅游資源豐富，2015年旅游總收入達3 712.91億元，占全省GDP的12.78%[27-28]；區域生態環境日益受到重視，2015年森林覆蓋率達56.4%[28]，土壤污染、水土流失程度逐漸降低。按照湖南省人民政府頒布的《湖南省主體功能區規劃》方案，全省122個縣劃分為重點開發區、農產品主產區和重點生態功能區三類，分別包含43、36和43個縣（市、區）（圖1）①本文將《湖南省主體功能區規劃》中的國家級重點開發區和省級重點開發區統一為重點開發區。。

2 土地系統耦合協調機理

系統學中的耦合反映了系統間或系統內部要素之間相互影響與作用，耦合度（Coupling degree）用以測度這種相互作用和影響程度[24]，但不分利弊。協調（Coordinate）則反映了系統或系統內部要素之間存在的良性互動關系[25]。耦合協調度（Coupling coordinative degree）用以測度在發展過程中彼此間和諧一致的程度，體現了系統由無序向有序轉變的趨勢[26]。

圖1 研究區概況Fig.1 General information of study area

土地是一個具有多維功能的復雜系統，其功能可分為生態、生產和生活三種類型[11]，涵蓋生物物理過程、直接和間接生產以及精神、文化、休閑、美學的需求滿足等[18]。其中：生產功能包括為人類提供工、農業產品服務和交通承載功能；生活功能主要是實現居民福祉的功能，包括居住、就業支持、社會保障和休閑娛樂等；生態功能包括非生物質資源供給和生態保育等功能。

土地“三生”功能體現了一定區域內多元用地主體對稀缺的土地資源的差異化利用需求。在相互之間博弈的過程中，實現了對土地功能進行數量和空間上分配。“三生”功能存在著相互作用和影響的耦合共生關系（圖2），其中，生產功能是基礎，可為改善生活條件和生態環境提供資金和技術支撐，決定了生活和生態功能發揮的狀況；生活功能是土地利用的最終目標，其狀況要依托生產和生態功能的改善，是生產和生態功能優化后的產出；生態功能是保證，健康的生態環境是人類生存的需求和區域可持續發展的關鍵[29]。“三生”功能中，單一功能的發揮效果有賴于其余二者的發揮，某一功能的滯后會影響另外兩種功能的發揮，進而影響到整個系統。只有“三生”功能彼此適應、相互協調，才能達到整個系統的平衡與發展。本文將“三生”功能之間相互作用和協調發展的程度定義為土地多功能耦合協調度。其值越高，功能之間相互依存和相互促進的關系越緊密，功能之間的沖突越小，反之則表現為各功能相互干擾、相互破壞，最終削弱土地系統功能。

圖2 土地系統耦合協調作用機理Fig.2 The interactive mechanism of coupling coordination in land system

3 指標體系與研究方法

3.1 指標選取與數據來源

結合研究區土地利用特征，依據綜合性、代表性、科學性和可得性等原則，參考已有研究成果[6，12-13，30-31]構建了湖南省土地多功能評價指標體系（表1）。其中對于旅游休閑功能的指標，如旅游資源品味度、壟斷度和豐度的計算主要參考已有關于旅游資源條件的度量方法[32-33]，生態系統服務價值的計算參考劉永強等[34]的研究成果。

本文人口、社會經濟和產業發展、旅游人次和收入數據來源于中國統計年鑒[27]、湖南省統計年鑒[28]、各縣市國民經濟和社會發展統計公報，等級旅游景區名單來源于湖南省旅游網站[35]；土地利用數據來自湖南省土地利用變更調查。為消除數據量綱的影響，采用極值法對評價指標原始數據進行標準化處理，有效歸一化在0～1之間。由于多功能性指標涉及人文因素，為提高權重結果的合理性，本文綜合運用主客觀方法進行權重確定[36]，目標層和因素層運用德爾菲法，指標層采用熵權法確定（表1）。

3.2 研究方法

以湖南省122個縣（市）為評價單元，通過綜合評價模型計算得到2005年、2010年和2015年每個評價單元的“三生”功能值，然后采用耦合度模型分析“三生”功能之間的耦合協調性，進而分析其時空分異特征。

3.2.1 綜合評價模型

采用多目標加權求和模型對土地生產、生活和生態功能進行綜合評價，計算公式如下：

表1 湖南省土地多功能評價指標體系Tab.1 Indicators for assessing land use multi-functions in Hunan Province

式（1）中：f（x）、g（y）和h（z）分別代表土地生產、生活和生態功能綜合評價函數；ai、bj和ck分別表示“三生”功能內要素的權重；xi、yj和zk分別表示采用極值法得到的“三生”功能內要素的標準化值；n、m、q分別為各功能內要素的個數。

3.2.2 耦合協調度模型

借鑒容量耦合系數模型構建土地多功能的耦合協調度模型，具體公式為[23]：

式（2）—式（4）中：C為功能耦合度，C∈（0，1］；f（x）、g（y）和h（z）分別表示土地生產、生活和生態功能；T為土地生產、生活和生態功能綜合評價指數；α、β、γ為“三生”功能各自的權重系數，考慮當前經濟發展階段，本文分別取值為0.4、0.3和0.3；D為土地多功能耦合協調度，反映“三生”功能之間交互耦合的協調程度。

C值越低，表明土地各功能之間的關聯度越低，系統向無序發展，但C無法反映協調發展水平的高低。D值越低，表明“三生”功能協調性越低，相互間的沖突越大，參照相關研究成果[22]，將D劃分為4大類和10個亞類（表2）。

表2 土地多功能耦合協調度等級分類Tab.2 Classi fi cation and gradation criteria of LUMF coupling coordination degree

4 結果與分析

4.1 土地功能空間分異與演變

利用GIS技術繪制湖南省2005年、2015年土地“三生”功能評價結果圖（圖3—圖5）。可以看出，土地生態功能值要高于生產和生活功能，生產功能和生活功能值的空間分布均呈現非均衡性特征。

4.1.1 生產功能

圖3 湖南省土地生產功能值時空差異Fig.3 Spatio-Temporal characteristics of land production function in Hunan Province

研究期間，湖南省縣域生產功能在空間上呈現明顯的以長株潭城市群核心區為高值區向外梯度遞減的圈層分布（圖3），2005年、2010年和2015年三年的均值分別為0.301、0.405和0.441。2005年高值區主要分布在長沙市、株洲市和湘潭市部分縣市。該地區海拔在200～500 m，水熱充足，農業生產優勢明顯，也是全省經濟發展的增長極和高端產業與基礎設施的集聚區。10年間不斷并向外擴散，帶動周邊地區形成了較為明顯的生產功能優勢區。北部洞庭湖周圍和南部“京廣鐵路”沿線縣市的生產功能值略低于長株潭城市群核心區。生產功能低值區主要位于湘西地區和東南部羅霄山山地丘陵區，這些地區農業生產自然本底較差，人均耕地資源少且布局分散，產業基礎薄弱，基礎設施落后，一直是政府關注的重點和難點區域。自2004年湖南省正式提出湘西地區開發戰略以來，通過改善交通、項目支持等方式扶貧攻堅，該地區生產功能得到明顯改善，但與東部地區仍有一定差距。

4.1.2 生活功能

圖4 湖南省土地生活功能值時空差異Fig.4 Spatio-Temporal characteristics of land living function in Hunan Province

圖5 湖南省土地生態功能值時空差異Fig.5 Spatio-Temporal characteristics of land ecological function in Hunan Province

生活功能包括社會保障、居住、就業功能和旅游休閑功能。2005年、2010年和2015年，湖南省縣域生活功能平均值分別為0.276、0.318和0.389。圖4顯示，2005年生活功能高值區主要分布在以長株潭城市群為核心的區域以及各市轄區，與生產功能具有一定的空間重疊性。這些地區是全省社會服務的重點供給區域。而西部張家界、吉首和懷化等地區受自然條件和發展基礎等限制，社會保障水平相對較弱。研究期間，西部地區在就業吸納、生活服務等方面改善明顯，社會保障服務水平呈增長趨勢。旅游功能在研究期間呈上升趨勢，旅游收入和人次逐年提高，10年間旅游總收入增加了3259.33億元，相應占全省GDP的比重提高了5.78個百分點，旅游功能高值區主要位于長株潭地區和湘西地區，而其他區域旅游功能較弱。綜合兩項子功能，全省生活功能整體提升。

4.1.3 生態功能

研究期間，湖南省生態功能強度呈小幅降低趨勢，2005年、2010年和2015年三期平均值為0.480、0.478、0.476。圖5顯示，生態功能空間上呈西部高東部低的分布，且分布格局比較穩定，這與湖南省自然條件和地形地貌有一定關系。高值區位于西部武陵山—雪峰山、南部的南嶺山、東部羅霄山和幕阜山等山地丘陵區，這些區域森林覆蓋率較高，生物多樣性豐富。低值區則主要分布在中部和北部的平原或低矮丘陵區，城鎮化和工業化程度較高，人類活動對生態環境的干擾明顯，生態空間不斷被擠壓和干擾，土地生態功能有所降低。洞庭湖地區的部分縣市受“退田環湖”政策影響，水域面積有所增加，生態功能有所提升。綜合來看，研究期間湖南省生態功能略微下降，未來仍需加強生態保護。

4.2 土地功能耦合協調度的空間分異

結果顯示，近10年來湖南省土地功能的耦合協調性逐步提高，其中2005年、2010年和2015年均值分別為0.486、0.581和0.620，表明區域整體“三生”功能之間沖突強度趨于減弱。研究期間，耦合協調度空間分布上形成中心—外圍結構（圖6），高值區主要位于長株潭城市群（3 + 5）的核心區（長沙、株洲、湘潭），并向外輻射降低。湖南省土地功能耦合協調度包括輕度失調型（Ⅶ）、瀕臨失調型（Ⅵ）、勉強協調型（Ⅴ）、初級協調型（Ⅳ）和中級協調型（Ⅲ）5種狀態。2005年耦合協調度類型以勉強協調型、輕度失調型和瀕臨失調型為主，2010年耦合協調度整體提高，類型以勉強協調型和初級協調型為主，耦合協調度高值區的擴散效應明顯。2015年土地功能耦合協調度進一步提高至以初級協調型和勉強協調型為主。

進一步將土地功能耦合協調度等級結果與主體功能區劃定成果疊加統計，得到不同類型主體功能區的土地功能耦合協調度情況（表3）。結果顯示，不同類型主體功能區的土地功能耦合協調度由大到小順序為：農產品主產區＞重點開發區＞重點生態功能區，表明重點生態功能區的土地功能沖突最大，其次為重點開發區和農產品主產區。研究期間，三類功能區土地功能耦合協調度均呈增長狀態，反映出各功能區土地系統均向協調有序方向發展，且前一階段（2005—2010年）的耦合協調度變化強度高于后一階段（2010—2015年）。

圖6 湖南省土地“三生”功能耦合協調度的時空分異Fig.6 Spatio-Temporal characteristics of LUMF coupling coordination degree

表3 不同主體功能區的土地功能耦合協調度Tab.3 LUMF coupling coordination degree in different major function orientated zones

從不同類型的功能區來看，生態功能區協調度的變化程度要高于重點開發區和農產品主產區。城市化地區2005年以勉強協調型為主，2010年則轉變為以勉強協調型和初級協調型兩種類型為主，2015年提高至以初級協調型為主；農產品主產區2005年以勉強協調型為主，2010年和2015年則分別轉變為以初級協調型和初級協調發展型為主；重點生態功能區2005年協調度類型以輕度失調型和瀕臨失調型為主，2010年轉變為以勉強協調型為主，而2015年則以初級協調型和勉強協調型為主。

4.3 土地功能耦合協調度的時空演化影響因素

土地功能耦合協調度的空間分布差異主要受經濟發展水平、區域發展政策和自然資源條件等因素影響。

宏觀政策和戰略。區域政策對土地利用具有明顯的導向作用，研究期間對應湖南省國民經濟和社會發展的“十一五”和“十二五”規劃期。“十五”末期湖南省仍以經濟發展為主要任務，生態環境問題未引起足夠重視，土地功能水平不高且耦合協調度屬于瀕臨失調型和勉強協調型。“十一五”期間，隨著“長株潭城市群成為國家兩型社會試驗區”等重大發展戰略的出臺，引導了長株潭城市群產業結構調整和增長方式的轉變，并逐步帶動了周邊地區轉型發展和生態環境建設的積極性，使得全省土地功能耦合協調度呈上升趨勢，并形成了中心—外圍的空間分布特征。“十二五”時期是湖南省實施結構戰略性調整和加快發展方式轉變的關鍵期，大湘西地區也設定和實施了一批扶貧攻堅項目，有效平衡了各地“三生”功能的運行環境，提高了西部地區生產和生活功能，促使土地功能耦合協調性明顯提高。

經濟發展。經濟發展不僅影響土地“三生”功能水平，還影響“三生”功能之間的協調性。從時間維度上看，經濟發展初期單純追逐土地經濟產出，加上產業結構不合理，土地生態功能會受到影響。隨著經濟發展水平提升和土地利用目標多元化，驅動土地利用觀念、管理和策略等進行調整，引導湖南省土地功能向協調方向發展。空間維度上，傳統經濟發展模式下，湖南省經濟發展水平較高的城鎮化地區土地生產和生活功能較高，但生態功能水平與之協調性不高；重點生態功能區通常也是經濟發展落后地區，由于高度關注經濟產出而忽視了土地生態問題，導致環境壓力也較大；發展水平居中的農產品主產區土地生態壓力相對較小。此外，城鎮化地區的生態環境響應較高，且具有進行生態建設改造的能力，重點生態功能區由于工業起步晚、規模小，生態環境要素具有優勢，但在環境保護和生態建設方面往往相對較弱，易受到忽視且治理能力不強，造成土地多功能耦合協調度不高。

自然資源稟賦條件。土地利用結構的多樣化決定著區域土地多功能性。作為土地資源多功能利用的前提，區域自然資源條件往往與農業生產和資源供給功能緊密相關，進而影響著區域土地利用多功能水平的高低[12]，如洞庭湖地區墾殖率和糧食單產水平高，光溫水熱等條件均適宜農業生產；以湘西地區為代表的重點生態地區，土地生態功能較高，但經濟發展和社會保障水平相對落后，雖然政府高度關注經濟和生活水平提高，但受自然環境條件限制，生產和生活功能提高的幅度仍然與東部重點開發區有一定差距，土地“三生”功能協調程度也受到一定影響。

5 結論與討論

土地是一個多功能復雜系統，在闡述土地功能耦合協調作用機理的基礎上，本文構建了土地“ 三生”功能評價指標體系，對2005年、2010年和2015年湖南省122個縣級單元的多功能進行綜合評價，應用耦合協調度模型揭示了土地功能耦合協調度時空分異特征，并定性分析了影響因素，結果表明：

（1）土地生態功能值略高于土地生產和生活功能值。研究期內，土地生產、生活功能值在所有區縣幾乎均增強，生態功能值小幅下降。土地生產功能存在著明顯的以長株潭城市群核心區向外梯度遞減的圈層分布特征，高值區集中分布在長株潭城市群，低值區主要位于湘西地區和東南部羅霄山地區；生活功能呈現出東部強西部弱的差異格局，高值區主要分布在以長株潭為核心的“京廣線”鐵路的區域；生態功能分布呈現西高東低的格局，高值區主要位于西部山地丘陵地區，低值區主要分布在中部和北部的平原區。

（2）近10年來湖南省 “三生”功能的耦合協調性顯著提高，2005年、2010年和2015年均值分別為0.486、0.581和0.620，土地利用沖突正逐步減小。土地耦合協調度空間分布上形成中心—外圍結構，高值區主要位于以長株潭（3 + 5）城市群的核心區（長沙、株洲、湘潭），并向外輻射降低。不同類型主體功能區的土地功能耦合協調度由大到小順序為：農產品主產區＞重點開發區＞重點生態功能區，表明土地功能沖突最大的區域為重點生態功能區。研究期間三種類型區的土地功能耦合協調度均不同程度的提高，表明各區土地系統均呈現協調有序發展的趨勢，前一階段（2005—2010年）的耦合協調度變化強度高于后一階段（2010—2015年）。

（3）影響土地利用多功能耦合度的因素主要包括宏觀政策和戰略、經濟發展和自然資源稟賦等。為更好地發揮重點開發區、農產品主產區和重點生態功能區的優勢土地功能，形成土地功能互補共生的格局，建議根據不同類型區域的經濟發展水平和自然資源條件，制定差異化的宏觀調控政策促進土地系統協調發展。①生態功能區應立足區域生態功能優勢，嚴格落實生態紅線劃定成果，發展生態旅游、特色生態農業以帶動當地經濟發展，并以提升交通功能、社會保障就業居住功能為重點，加大產業、就業、交通等政策扶貧力度，補齊基礎設施短板，從而解決地區發展的非均衡性問題；②城鎮化地區為實現高質量的土地功能耦合協同，應強化產業引導政策，鼓勵發展高新技術研發、服務外包、現代服務業以及高附加值制造業，率先實現轉型升級，并明確產業準入的投入產出強度、節能減排和環境保護等標準；③農產品主產區是“鄉村振興”政策實施重點區域之一，加強耕地保護和高標準農田建設力度，鞏固提高農產品供給能力，促進當地農業資源稟賦和功能優勢方向深度融合，建立農業產業負面清單制度，依托生態資源和歷史文化資源優勢，有序發展游憩休閑、健康養生、傳統工藝等環境友好型產業，推動農業轉型升級。此外，應加強土地“三生”功能變化及耦合的監測、響應、反饋機制研究，推動區域土地系統向健康協調方向發展。

本文將耦合協調度模型應用于土地多功能耦合協調性分析，客觀展現了湖南省土地三生功能強度和耦合協調性的時空分異狀況，模型具有較強的適用性，豐富了土地多功能研究。但鑒于統計數據的獲取性，功能表達尚不完善，如農業生產功能的林果產品等，可用人均水果蔬菜產量、人均林木產量等指標來全面表征，有待進一步完善。此外本文定性分析了功能耦合協調度時空影響因素，如何采用模型開展不同類型區的影響因素定量分析尚有待深入探討。