福建省土地利用隱性形態與土地生態安全耦合協調分析

宋家鵬, 陳松林

(1.福建師范大學 地理科學學院, 福州 350007; 2.福建省亞熱帶資源與環境重點實驗室, 福州 350007)

土地資源為人類生存與發展提供物質基礎，土地利用則是人類與自然界相互影響、相互作用最直接的反映，因此土地利用轉型與國家或區域經濟社會發展的轉型相互反映、相互促進[1]。當前國家工業化和新型城鎮化進程加快，土地利用也亟需轉型以適應社會和經濟發展新階段。因此，土地利用轉型研究迅速成為學界以及政府部門關注的重點領域，相關研究包括理論與假說[2-4]、驅動因素[5]、轉型效應[6-9]、區域土地轉型研究[10]、耕地和建設用地等特殊地類轉型[11-13]、土地利用轉型與城鄉發展的關系[14-15]、土地隱性轉型研究[16-18]等。

土地利用轉型分為顯性轉型和隱性轉型兩種，分別對應顯性形態和隱性形態。顯性形態轉型主要體現在土地數量和土地利用結構的趨勢性變化，而隱性形態轉型則反映土地質量、產權、投入、產出、功能、集約度等方面的變化[19]。當前，土地利用顯性轉型的研究較為多見，而隱性轉型方面，尤其是土地利用隱性轉型的模式及生態效應方面分析研究相對缺乏。因此，本研究以福建省為研究區，構建土地利用隱性形態指數及土地生態安全指數，探討福建省土地利用隱性轉型模式，分析土地利用隱性形態與土地生態安全的耦合協調關系并探測耦合協調度的驅動因素，深入認識土地隱性轉型規律，為區域土地資源優化配置提供依據。

1 研究區與數據來源

1.1 研究區概況

福建省位于中國東南沿海(23°33′—28°20′N，115°50′—120°40′E)，東北、西北和西南分別與浙江省、江西省和廣東省接界，東面與臺灣省隔海相望，下轄福州、廈門、泉州、漳州、莆田、龍巖、三明、南平、寧德9個設區市。福建陸地總面積1.214×105km2，地勢西北高，東南低，境內山地、丘陵占全省90%以上，境內有閩江、晉江、九龍江和長汀四大水系，素有“八山一水一分田”之稱，森林覆蓋率全國第一，但耕地及其后備資源相對缺乏。

福建作為中國東部沿海較發達省份，一直緊跟國家經濟社會發展大勢，自改革開放以來憑借沿海和僑鄉的優勢，經濟發展取得顯著的成就，截至2018年末，福建常住人口3 941萬人，實現地區生產總值35 804億元，全年人均地區生產總值91 197元，在中國大陸31個省份中排名第6。

1.2 數據來源

基于相等間隔年份分析原則，以5 a為間隔，選取2000—2015年作為研究時段。生態服務價值測算基于中國科學院環境科學數據中心(http∥www.resdc.cn/)提供的中國1∶10萬比例尺土地利用現狀遙感監測數據，柵格大小為1 km×1 km，社會經濟統計數據來源于相應年份《中國城市統計年鑒》、《福建統計年鑒》、各市統計年鑒以及福建水資源統計公報等。

2 研究方法

2.1 土地利用隱性形態指數和土地生態安全指數評價方法

2.1.1 指標體系構建 土地利用隱性形態綜合評價指標體系的構建是基于土地利用隱性形態的內涵[16]，參考土地集約利用評價[20-21]和土地多功能評價[22-23]等相關研究，從土地投入、土地利用強度、土地產權變化和土地產出4個維度構建綜合指標體系。土地投入方面選用地均固定資產投入和地均財政支出，地均固定資產投入反映了對土地利用的經濟投入水平，地均財政支出則反映包括社會民生和福利等土地利用社會投入水平；土地產出選擇地均生產總值和地均二、三產業產值反映土地產出程度以及經濟效益的高低[18]；土地利用強度方面選用地均職工人數、地均用電量和人口密度表征[20]，分別對應勞動要素、能源要素和居民生活方面的土地利用強度；土地產權方面選取城鎮化率[22]，該指標表示城鎮化率的提高意味著更多的農村用地轉變為城鎮用地，從側面反映出土地產權的變化。

關于土地生態安全指數評價方面，以往都是基于對生態環境的認識結合城市經濟特性所進行的評價。本研究從生態和環境兩個方面評價福建省各市土地生態安全指數：環境層面選取地均工業廢水排放量、地均工業二氧化硫排放量和建成區綠化覆蓋率[20]，工業廢水及二氧化硫排放是城市污染的主要來源，綠化覆蓋率則可以體現城市土地利用的環境優化狀況，生態層面選取人均水資源總量[23]和地均生態服務價值[18]，人均水資源總量體現了土地利用生態系統供給生產資源的能力，地均生態服務價值的變化反映土地利用的生態效應，體現了土地利用隱性形態的各種屬性。生態服務價值的結果主要由謝高地[24]、戴文遠[25]等生態服務價值量化和本地化的參考文獻得出。

參考相關研究，根據指標的系統性、代表性、可操作性和數據可得性等原則，建立福建省土地利用隱性形態轉型和土地生態安全評價指標體系(表1)。

2.1.2 綜合指數模型 采用綜合指數模型，基于土地利用隱性形態與生態安全評價指標體系，定義并計算土地利用隱性形態指數[19]，同時計算土地生態安全指數，對每個年份的土地利用隱性形態和生態安全進行評價。計算公式為：

(1)

(2)

式中：f(x)，g(x)分別為土地利用隱性形態指數和土地生態安全指數，取值[0，1]，數值越大表示土地利用隱性形態越高級，土地生態越安全；ai,bi分別為土地利用隱性形態和生態安全第i個指標的權重，通過變異系數法確定；Xi，Yi分別為土地利用隱性形態和生態安全第i個指標經極值標準化無量綱處理后的指標值。

表1 土地利用隱性形態與土地生態安全指標體系

福建省區域間發展不平衡，沿海城市和內陸山區城市指標值相差懸殊，如2015年廈門地均固定資產投資為1.12億元，遠大于2000年南平的1.93×105元。極大值的存在導致標準化穩定性較差，因此按以下規則對原始數據分布進行優化[26]：

(3)

式中：maxp，minl分別為指標原始值從小到大排序后得到的第p大及第l小的指標值，通過人工判讀來確定。

2.2 耦合協調模型

采用物理學中的耦合協調度模型，通過計算土地利用隱性形態與土地生態安全協調度從而度量某一年份二者的耦合協調程度，可有效評估系統運行的穩定性和可持續性[27]。計算公式為：

(4)

T=αf(x)+βg(y)

(5)

(6)

式中：C為耦合度；T為協調度；D為耦合協調度，取值為[0，1]，值越大，表明土地利用隱性形態與土地生態安全協調程度越強，反之越弱；α，β為待定參數，考慮到二者在協同發展下同等重要，取α=β=0.5。

依據耦合協調度，采用均勻分布函數法[28]，將福建省土地利用隱性形態與土地生態安全協調程度D進行了等級劃分(表2)。

2.3 地理探測器

地理探測器是探測地理事物空間分異及驅動因素的新方法，成為地理學探測區域性和差異性機制適當方法[29]，本研究采用地理探測器模型，探測相關因子土地利用隱性形態與土地生態安全耦合協調演變的影響程度。采用q值進行度量，模型為：

(7)

表2 耦合協調度等級劃分

3 結果與分析

3.1 福建省土地利用隱性形態時空分異特征及轉型模式

3.1.1 土地利用隱性形態時空分異特征 2000—2015年福建省土地利用隱性形態時空分異特征顯著，總體上呈東南高西北低的空間格局(圖1)。從時序角度看，2000—2015年福建省土地利用隱性形態指數均值呈上升態勢，從0.17上升到0.49，平均增幅高達177%，而且3個時段平均增速分別為45%，30%，46%。各年度土地利用隱性形態指數均呈現出良好的正態分布，處于較高及以上水平(0.456 4，1.00]的城市由2000年的1個增加到2015年的4個；處于中等水平(0.215 1，0.456 4]的城市由2000年的0個增加至2015年的1個；而低水平(0.00，0.215 1]城市則由2000年的7個減少至2015年的4個，按此趨勢低水平城市有望繼續減少。分階段看，2000年，福建省土地利用隱性形態整體處于低水平，但也有廈門以及泉州分別處于較高水平和中等水平，這得益于改革開放和經濟特區政策，促使廈門經濟社會得以快速發展，帶動泉州率先發展(圖1A)；2005年，福建土地利用隱性形態指數總體在提高，廈門率先進入高水平，福州和莆田也相繼由低水平進入中等水平，其余漳州、龍巖、南平、三明和寧德5個城市仍處于土地利用隱性形態低水平階段(圖1B)；2010年，隨著福建社會經濟繼續又好又快發展，土地利用隱性形態指數持續上升，廈門在高水平保持穩定，泉州進入較高水平階段，漳州也達到中等水平，福州和莆田仍處于中等水平但土地利用隱性形態指數達到0.44，0.36，而寧德、龍巖、南平和三明仍然在低水平的階段(圖1C)。2015年，福建省土地利用隱性形態指數相較于前一階段大幅提高，福州和莆田相繼進入較高水平的階段，分別達到0.75，0.67，而泉州是繼廈門后首個土地利用隱性形態指數達到0.8的城市，寧德、龍巖、南平和三明4個城市雖然仍處于低水平階段，但相較于上一時期有長足進步，漳州土地利用隱性形態指數已達到0.456 4，有望成為下一個達到較高水平的城市(圖1D)。近15 a來，閩東南地區借助沿海的區位優勢和國家政策扶持率先崛起，經濟發展迅速，社會轉型劇烈，土地利用隱性形態相對高級。同級土地利用隱性形態呈現出“條帶狀”的集聚特征，呈現出福州—莆田—泉州高級形態區和寧德—南平—三明—龍巖低級形態區，福州、廈門、泉州、漳州、莆田等較發達城市與寧德、龍巖、南平、三明等相對落后城市之間的土地利用隱性形態指數均值之比高達4.63∶1，同時廈門對其周邊城市泉州和漳州也具有輻射帶動作用，促使其土地利用隱性形態指數提高。

圖1 2000-2015年土地利用隱性形態指數時空分異

3.1.2 土地利用隱性轉型模式 由于中國土地利用統計數據的時間序列比較短，在土地利用轉型研究上不利于直接采用國際上常用的較長時間序列的縱向比較法，因此借鑒龍花樓等[2-3]的相關研究，結合時間序列上的縱向比較和空間上橫向比較法，將福建省9個設區市的土地利用隱性形態指數按時序變化繪制折線圖(圖2)，通過對比不同時間和不同城市土地利用隱性形態指數，比較分析轉折點前后的變化規律，發現研究期內福建省的各城市土地利用隱性形態表現出明顯的階段性特征，由此觀察結果建立土地利用轉型模式圖(圖3)。由圖3可知，在一定周期內土地利用隱性形態轉型遵循一定的規律，具有階段性特征。根據曲線周期內的變化規律將土地利用隱性轉型分為3個階段，稱之為“低階緩慢轉型期”(指數在0.3以下)、“中階劇烈轉型期”(指數在0.3～0.8)、“高階穩定轉型期”(指數在0.8以上)。土地利用轉型曲線在周期中表現為一條“S型曲線”。其中，轉型初期由于缺乏動力，區域土地利用隱性形態指數增長緩慢，但經濟快速發展、社會劇烈轉型會刺激土地利用隱性形態進入“中階劇烈轉型期”，增長速率明顯提高，當指數接近0.8時，曲線會放緩直到曲線頂端，即進入高階穩定轉型期。至此，經過3個階段、2次轉型，區域完成這一周期內土地利用轉型。值得注意的是，每一次土地利用轉型都是有社會經濟發展直接驅動的，到達高階穩定轉型期只是當前周期的結束并不意味著土地利用轉型的結束，通過制度政策的變革，新科技革命的出現等，又將觸發下一個周期的土地利用轉型。

3.2 土地生態安全時空變化

福建省土地生態安全指數總體呈波動上升的趨勢，市域間存在較大差異(圖4)。全省土地生態安全指數最低值分布于廈門，原因是廈門市土地面積小，城鄉建設用地占比高，經濟發展快速，生態環境相對脆弱；而高值區分布在寧德、龍巖和南平等城市，這得益于3個城市森林覆蓋率高、林地面積占土地總面積比例大，生態環境優良。土地生態安全指數的變化趨勢與土地利用隱性形態轉型階段有密切關系。在“低階緩慢轉型期”，福建省土地利用轉型緩慢，對生態環境造成的壓力較小，土地生態安全指數略有提高(圖4A—B)。隨著更多的城市進入“中階劇烈轉型期”，土地生態安全指數又有新的變化趨勢。其中，轉型前期，經濟社會發展迅速、土地轉型劇烈的同時也導致了生態環境的惡化，這一時期的土地生態安全指數下降可以證實這一觀點(圖4C)；發展到“中階劇烈轉型期”的后期，政府開始注重經濟和生態環境協調發展，生態破壞和環境污染得到有效的遏制，土地生態安全指數有所回升(圖4D)。可以預期，在生態文明建設和五位一體全面發展的思想指導下，福建省土地利用形態全面進入高階穩定轉型期的過程中，土地生態安全指數將會持續提升，生態環境會得到進一步改善。

圖2 土地隱性形態指數排序 圖3 土地利用轉型模式

圖4 土地生態安全指數時空分異

3.3 土地利用隱性形態與土地生態安全耦合協調分析

土地利用隱性形態與土地生態安全耦合協調度的計算結果顯示(表3)，研究期內福建省各城市土地利用隱性形態與土地生態安全處于由失調向協調變化的過程，且階段性明顯。福建省整體土地利用隱性形態與土地生態安全耦合協調度在2000—2005年顯著提升，2005—2010年協調度上升速度減緩，與前文中所分析的土地利用隱性形態快速提升而土地生態指數下降有關，2010年后又再次顯著上升。從空間異質性角度看，城市間土地利用隱性形態和生態安全耦合協調度空間差異明顯，表現出沿海城市協調性較好的格局特征。其中，廈門和莆田在2000年開始就一直處于協調狀態，而福州和泉州市則從2000年的瀕臨失調提升到2015年的初級協調，這4個城市處于土地利用隱性形態指數和生態安全水平均較高的協調發展狀態，寧德和漳州則得益于周邊發達城市經濟發展“溢出效應”和自身良好生態環境稟賦也逐步達到勉強協調的狀態。龍巖、南平、三明3個城市，長期處于失調狀態，直到2015年才達到勉強協調但協調度仍然較低，這是因為該地區土地利用隱性形態的發展滯后于土地生態安全的提高，土地利用隱性形態指數嚴重落后于土地生態安全指數，需要加強經濟建設和社會建設，做到既要金山銀山也要綠水青山。

表3 福建省土地利用隱性形態與土地生態安全耦合協調等級及其變化

3.4 福建省土地利用隱性形態與土地生態安全耦合協調的驅動力分析

對同一地區不同年份的相關因子取平均值，利用自然斷點法將每個因子劃分為4級，運用地理探測器方法得到各因子對福建省土地利用隱性形態與生態安全耦合協調度影響程度的q值(圖5)。結果顯示：不同影響因子存在較大差異，地均用電量、人口密度、地均生產總值、地均二三產業產值、人均水資源總量和地均生態服務價值的q值>0.5，對耦合協調度影響顯著，是主導因子；地均職工、城鎮化率、地均工業二氧化硫排放和建成區綠化率q值為0.28～0.35，屬于一般影響因子；剩余的地均固定資產投入、地均財政支出和地均工業廢水排放q值較小，影響不顯著。對主導因子進行機理分析，可以將土地利用隱性形態與生態安全耦合協調度影響因素分為3大類：

(1) 土地利用強度。地均用電量和人口密度都屬于表征土地利用強度的因子，表明土地利用強度對福建省土地利用隱性形態與土地生態安全耦合協調度有顯著影響。這是由于土地利用強度不僅直接影響土地利用隱性形態，還對土地生態安全產生一定影響。福建省多山地丘陵，內陸地區相較于沿海地區發展滯后，但是生態安全指數較高，人口密度和地均用電量的適度提高利于促進經濟發展，有助于土地利用隱性形態和土地生態安全的協同提高。

(2) 土地產出效益。地均二三產業產值和地均生產總值共同反映了土地產出效益的變化對福建土地利用隱性形態與土地生態安全耦合協調度產生影響。究其原因，2000—2015年福建省地均二三產業產值和地均生產總值都是穩步上揚的，其中地均生產總值提高體現社會經濟發展變好，表明原本土地利用隱性形態往更高級的形態發展；地均二三產業產值則表明經濟發展更加依賴于產業的升級轉型，走更加清潔高效的發展模式，推動土地利用隱性形態和土地生態安全同步發展。

(3) 生態資源稟賦。人均水資源總量和地均生態服務價值體現當地生態資源稟賦，不僅直接影響地區土地生態安全，而且從物質基礎上決定了土地利用隱性形態的發展態勢。研究期內，福建省人均水資源量和生態服務價值總體上保持平穩，這是保障社會經濟發展，土地利用隱性形態升級的基礎，對福建土地利用隱性形態與土地生態安全耦合協調度產生顯著影響。

4 討論與結論

4.1 討 論

本研究關注市域尺度上的土地利用隱性轉型，試圖掌握福建各設區市的土地利用隱性轉型特征及規律，希望能夠在城市土地資源短缺背景下，指導區域社會經濟可持續發展。但土地利用轉型是由一系列復雜動因造成的，對于其模式研究尚未成熟，未來可以往更小的尺度、更長的時間序列發展，同時結合各種數據源和新方法以期更加全面深刻地描繪土地利用隱性轉型的規律。

圖5 基于地理探測器的因子影響程度分析

城市土地利用隱性形態與土地生態安全耦合協調性在時間和空間上的分布體現了不同城市之間經濟發展和生態環境的相互關系。研究顯示，土地利用隱性形態與土地生態安全的分布并不協調，需要重視區域間發展階段與資源環境稟賦的差異，因地制宜的施行政策以提高城市土地利用可持續水平。

4.2 結 論

福建省土地利用隱性形態與經濟發展階段高度吻合，土地利用隱性形態指數時間上呈現出上升態勢；空間上表現為閩東南向閩西北減小的2級階梯分布。空間格局趨于穩定，福州—莆田—泉州高級形態區的輻射作用較強。根據研究期內各城市土地利用隱性形態指數所呈現的變化特征，建立土地利用轉型模式。土地利用轉型在一定周期內具有階段性，轉型速度由慢到快再到慢的變化規律分別對應“低階緩慢轉型期”、“中階劇烈轉型期”、“高階穩定轉型期”。福建省土地生態安全與土地利用轉型模式高度相關，處于“低階緩慢轉型期”和“高階穩定轉型期”時，土地生態安全指數提高；處于“中階劇烈轉型期”時，土地生態安全水平則與經濟發展方式息息相關。

當前福建省城市土地利用隱性形態與土地生態安全耦合協調度總體上處于初級協調狀態，并逐漸往更協調狀態發展。內部差異主要是相對與內陸城市而言，沿海城市表現出更高的協調性。

福建省土地利用隱性形態與土地生態安全協調性差異并不是單一因子影響，而是受到復合因素作用，土地利用強度和土地產出效益提高要與生態資源稟賦相適應才能促進土地利用隱性形態與土地生態安全協調發展。

綜上，未來土地利用隱性形態與生態效應方面研究不僅要掌握不同區域的規律，還要從服務國家或地區發展戰略出發，深入探討驅動力因素以及模擬分析各種演化情景，進而提出土地利用優化具體措施。