江蘇城市土地利用結構及其效率與城市化耦合協調性測度與評估

付永虎 姚瑩瑩 劉俊青 劉 鐵 魏范青

(1.江蘇海洋大學 法律與公共管理學院，江蘇 連云港 222005； 2.香港中文大學 地理與資源管理學系，香港 999077； 3.福建農林大學 公共管理學院，福州 350002)

土地資源作為城市化運行的空間載體，其土地利用結構及其效率對城市的發展水平具有重要影響[1]。城市化是社會經濟發展進步的標志。近年來，隨著工業化和城鎮化的快速推進，我國城市化水平逐步提高，快速城市化必然伴隨著城市建設用地的擴張、生態用地的減少等土地結構變化。合理的土地資源配置與較高的土地利用效率可推動城市化的健康可持續發展；較高的城市化水平亦可推進城市土地利用效益的提升。城市化水平作為反映城市綜合實力的重要指標，與土地利用結構協調程度已成為城市可持續發展的關鍵因素[2]，在城市土地存量有限的情況下，優化城市土地資源配置、提高土地利用效率已成為促進城市土地合理利用、實現城市可持續發展的重要手段之一。

在土地利用結構及其效率與城市化水平間關聯領域，目前國內外相關研究主要圍繞城市土地利用結構評價[3]、土地利用效率評價[4]、城市化進程中生態、環境與經濟效益評價[5-8]、土地資源利用和效率與城市化的耦合機制[9-13]等內容展開，研究目標主要集中在協調處理城市土地利用效益與城市化之間的關系、服務城市化和土地利用政策的制定等方面。在評價指標的選取上，由于城市化水平是由自然、經濟和社會因素構成的復雜生態系統共同作用結果，指標的選取逐漸由反映城市化水平的單一指標向經濟、社會和人口等多指標方向發展[14-15]。在研究方法上，主要研究方法有DEA模型、因子分析法以及耦合協調度模型。例如：Wang等[8]在測度生態環境約束下城市化水平的基礎上，采用耦合協調度模型對南昌、九江城市帶城市化與生態環境耦合關系及其演變進行了定量分析；Rong等[16]基于區域土地利用結構與土地資源可持續利用的關系，運用熵理論和GM(1, 1)模型對徐州市土地利用結構進行了分析；張榮天等[17]對開放條件下內陸地區城鎮化對土地利用效率的影響及區位差異進行了研究。縱觀以上研究，雖然取得了諸多有價值的研究成果，然而仍存在以下2點不足：1)現有對土地利用結構與城市化耦合協調性研究集中在宏觀土地利用結構分析或微觀對土地利用效率與城市化耦合機制上，未能從土地利用結構、效率的綜合層面研究土地利用結構與城市化的耦合協調性，僅研究土地利用效率與城市化耦合協調關系得出的相關結論難免有失偏頗。2)現有土地利用效率的研究，普遍運用傳統的DEA模型，指標多采用為社會和經濟指標，忽略了環境指標中非期望產出(環境污染)對效率的影響，在此種不考慮環境因素下進行的土地利用效率評價結果，可能出現效率失真進而誤導決策。

江蘇作為中國東部城市化率高、經濟發展最為活躍和人地矛盾最突出的省份之一，其城市土地利用問題顯得尤其突出。近年來，隨著江蘇省城鎮化和工業化進程的加快，城市用地規模的迅速擴大，導致城市土地利用結構不合理、效率低下和城市環境污染等問題，直接影響了城市社會經濟發展和人居環境質量。大力提高江蘇省土地利用效率與城市化水平已成為急需解決的關鍵問題。基于此，本研究以江蘇13個地級市為例，綜合運用信息熵、非期望產出的SBM窗式分析模型與因子分析法，全面測度城市土地利用結構的有序度、土地利用效率與城市化水平；在此基礎上運用耦合協調度模型，進行土地利用結構、效率與城市化水平耦合協調度的時空演變分析，以期為調整城市發展戰略，優化土地資源配置提供理論與方法支撐；為政府制定科學的土地政策、加快城市土地利用方式轉變和促進城市化可持續發展提供參考。

1 研究方法與參數選取

1.1 研究區概況

江蘇省(116°18′～121°57′ E，30°45′～35°20′ N)地處中國東部沿海的中部地區，東瀕黃海，西北連安徽、山東省，東南與浙江、上海市(省)毗鄰，轄13個地級市。在改革開放浪潮的推動下，江蘇地區成為我國經濟體制改革和對外開放的先行者，經濟增速和國內生產總值處于全國領先地位[18]，2017年GDP總量達85 900.94億元，位居全國第2位。在經濟發展快速發展的帶動下，江蘇省城市化不斷推進，城市化水平逐步提高[19]。2017年末江蘇省土地總面積1.072×107hm2，城市建設用地面積4.432×105hm2，城市居住用地面積1.308×105hm2，城市工業用地1.065×105hm2，城市土地利用結構中建設用地、工業用地及居住用地為主要用地類型。

1.2 城市土地利用結構的有序性測度

信息熵可以綜合地反映一定時期研究區域內各種土地利用類型的動態變化以及轉化的程度，對優化和調整區域土地利用結構具有一定指導作用。假定區域的總面積為A，區域內有n類土地利用類型，A(xi)為各類土地利用類型面積，則該土地利用類型出現的概率為：

P(xi)=A(xi)/A;i=1，2，…，n

(1)

式中：ΣP(xi)=1，符合歸一條件，該區域土地利用結構信息熵H為：

H(x)=-Σp(xi)lnp(xi)

(2)

式中：H表示系統地均衡性和復雜性。當區域處于原始狀態時Hmin=0；當區域土地完全均衡時，則P(xi)=1/n，此時Hmax=ln(n)。由上得知，區域土地利用類型越多，面積越接近，土地利用結構信息熵越大。

1.3 城市土地利用效率分析

本研究采用SBM-Undesirable模型的窗式分析方法進行城市土地利用效率分析。針對一個包含非期望產出的生產可能性集合：

P={(x,yg,yb)|x≥Xλ,yg≤Ygλ，yb≥Ybλ，λ≥0}

(3)

構建SBM-Undesirable公式如下:

(4)

1.4 城市化水平評估

本研究采用因子分析法進行江蘇省城市化水平評估。因子分析法是以最少的信息丟失把眾多的原始變量濃縮成少數幾個因子變量，用此概括和解釋眾多具有錯綜復雜關系的觀測事實，從而建立起最簡潔、最基本的概念系統，以揭示事物間最本質的聯系[21]。主要測算步驟如下：

1)無量綱化處理。在目前已有文獻中，常采用極差正規化法、標準化法和均值化法[22]。本研究采用均值化法消除變量量綱不同的影響，計算公式為[23]：

Zij=aij/Xj

(5)

式中：Zij為標準化數值；aij為i城市j指標的取值；Xj是j指標平均值。

2)因子分析法

運用SPSS統計軟件計算特征根和方差貢獻率、因子荷載矩陣和因子回歸系數，根據因子回歸系數計算各因子得分，計算公式為：

Uk=Ck1X1+Ck2X2+…+CkpXp

(6)

式中：Ck1，Ck2，…，Ckp為第k個因子在原始變量的載荷值；X1，X2，…，XP為標準化后的指標值。依據各因子得分與方差貢獻率，計算城市化水平綜合分值，公式為：

(7)

式中：U為城市化水平綜合得分；Um為第m個因子得分；Wm為因子權重。

1.5 耦合—協調度計算

耦合—協調度是反映城市土地利用結構、土地利用效率與城市化相互協調的重要指標，體現三者相互耦合協調的綜合效應的大小。其中，耦合度指征各因素間的交互耦合強度，協調度則反映了各因素間協調發展水平。耦合度計算公式如下：

(8)

式中：C為城市土地利用結構與城市化耦合程度；F1、F2和F3分別代表有序度、城市土地利用效率和城市化水平。C值位于[0,1]。若C=1，表明城市土地利用結構與城市化水平朝有序方向發展；若C=0，表明城市土地利用結構與城市化水平處于無序發展狀態。

協調度計算公式如下：

(9)

式中：D為城市土地利用結構與城市化協調度；T代表二者的綜合協調指數，T=αF1+βF2+χF3，且α+β+χ=1。基于城市土地利用結構與城市化同等重要的思想，最終取值α=0.3，β=0.35，χ=0.35。

1.6 指標體系與數據來源

結合已有研究成果[24-32]與研究區資料的獲取情況，構建指標體系(表1)。

表1 城市土地利用結構、效率與城市化評價指標體系Table 1 Evaluation index system of urban land use structure, land use efficiency and urbanization level

2 結果分析

2.1 耦合協調度的時序變化

2.1.1耦合度的時序變化分析

依據式(1)～(9)，測算出2006—2017年江蘇土地利用結構及其效率與城市化耦合度及協調度。借鑒以往研究成果[2]，本研究對耦合程度進行如下階段劃分：0.0

2006—2017年江蘇城市土地利用結構、土地利用效率與城市化水平之間的耦合作用強度整體呈波動增長的態勢(圖1)。2017年耦合度比2006年增長了2.5%，增長幅度小，土地利用結構、效率及城市化水平相互影響、作用的程度在緩慢提升。研究表明江蘇省在調整土地利用結構，提升土地利用效率，促進城市化水平，增強三者相互影響、相互作用措施的成效并不明顯。2006—2017年耦合度在0.27～0.32，主要處于低級耦合和拮抗階段，12年間平均耦合度為0.309 3，除2006—2007年、2014—2016年耦合度低于平均值外，其余年份均高于平均值。

圖1 江蘇土地利用結構及其效率與城市化耦合協調水平的時序變化Fig.1 Time changes of the coupling and coordination level between land use structure and its efficiency and urbanization level in Jiangsu Province

通過城市耦合程度分類比重看，2006—2017年處于拮抗階段的城市數量占比相對較多(圖2)。總的來說，江蘇省土地利用結構、效率與城市化水平耦合作用較弱，三者之間的相互制約和帶動作用尚未得到充分體現。尚未進入磨合階段以及高水平耦合階段。江蘇既是經濟大省，又是資源小省，人地矛盾十分尖銳。土地資源要素配置呈現出土地開發強度高、耕地保護任務艱巨、城鄉建設用地結構不盡合理和后備資源嚴重短缺的多重壓力。新增城市建設用地向郊區不斷擴張，城市土地利用結構的信息熵也隨之升高，導致城市化水平停留在規模擴張的初級階段。大多數城市的城市化水平提升還是主要依賴于增量建設用地的貢獻率，通過建設用地擴張來實現城市化水平的提升，而忽略了對存量建設用地的深度開發利用，因而未能有效地通過完善土地利用結構、提升效率來促進城市化水平的提升，最終阻礙了城市化發展與城市土地利用結構完善、效率提升之間的相互帶動作用的發揮。

圖2 城市土地利用結構、效率與城市化耦合程度比重Fig.2 Proportion for coupling degree of urban land use structure, land use efficiency and urbanization level

2.1.2協調度時序變化分析

2006—2017年研究區土地利用結構、效率與城市化協調水平總體呈波動上升的趨勢。2017年協調度比2006年增長了10.4%，增長幅度較大(圖1)。借鑒以往研究成果[2]，本研究對協調程度進行如下階段劃分(表2)：

表2 城市土地利用結構、效率與城市化協調發展階段類型Table 2 Types of development stage for coordinated degree of urban land use structure, land use efficiency and urbanization level

由圖3可知，2006—2017年江蘇省勉強協調占比重最大，其次為初級協調類型，城市土地利用結構和城市化將要進入有效的協調發展區間，具有較大的提升潛勢。12年間土地利用結構、效率與城市化協調度均值為0.58，處于勉強協調階段，接近初級協調階段。僅2006—2007年及2015年協調度低于平均值，且2006—2007年勉強協調占比重較多，分別為84.6%、76.9%。2006和2007年作為“十一五”規劃的前兩年，雖然工業化加快推進，城市規模不斷擴大，但由于相關規劃制度的創新滯后，土地利用結構不合理，城市配套設施和許多功能不夠完善，城市化水平比較低，大眾對于土地利用結構、效率與城市化相互影響、作用的認識不深入，未能通過合理的土地利用結構來提升城市化水平，使三者相互影響、作用的程度低。2015年固定資產投入大幅增加，而二三產業產值的增幅很小，非期望產出中工業煙塵排放量比2013年增加了48.7%，投入與產出不合理，土地利用效率下降，使得2013—2014年城市土地利用結構、效率與城市化水平的協調作用減弱。2017年為了減少生態環境對建設用地的限制，保護生態環境，江蘇省通過大力實施“兩減六治三提升”專項行動，有力推進治污減排攻堅，加大生態保護力度，較好的完成了主要污染物總量減排、大氣污染防治等年度目標任務，工業二氧化硫、煙塵排放量比2016年分別減少了32.3%、22.6%，同時由于固定資產投入的增加，二三產業生產總值有較大的增長幅度，使土地利用的效率得到了提高，基礎設施進一步完善，社會城市化水平提升。2017年的初級協調和中級協調類型城市占比重較多，達76.9%，協調度達到了研究時限最高值，為0.628。

圖3 城市土地利用結構及其效率與城市化協調類型比重Fig.3 Proportion of coordination of urbanization level, land use structure and its efficiency

2.2 耦合度協調度空間分布特征

2.2.1耦合度和協調度的空間分布

依據江蘇省13個地級市城市土地利用結構、效率與城市化水平耦合協調度2006—2017年的年均值，借助ArcGIS軟件得到耦合度與協調度的空間分布(圖4)。為便于分析，結合前人的相關研究成果，將其劃分為3種類型：低級耦合(0.15～0.3)、中級耦合(0.3～0.32)和高級耦合(0.32～0.35)。

總體來看(圖4)，江蘇省13個地級城市土地利用結構及其效率與城市化的耦合度較高，除蘇北的鹽城與宿遷外，其余地市均處于中、高級耦合階段。高級耦合類型的城市數量有3個，分別為南京、蘇州、無錫市，均處于經濟社會發展水平比較高的蘇南地區，其中南京最高，耦合度達0.324，南京作為江蘇省的省會城市，地處長江經濟帶，經濟實力雄厚，其發達的交通運輸網絡便于與其他城市進行經濟貿易交流，南京市現行土地利用總體規劃(2006—2020年)的實施，使南京市生態保護與環境治理工作取得了巨大成就，對社會經濟的可持續發展發揮了積極的作用[35]。中級耦合類型的城市數量最多，為8個，江蘇各區域均有分布，占總數的61.5%。鹽城市自2006年以來，積極適應宏觀調控的新形勢，搶抓沿海開發和長三角一體化兩大國家戰略機遇，圍繞“建設新鹽城、發展上臺階”總定位，深入推進供給側結構性改革，但由于受長江阻隔遠離上海經濟發達城市，輻射效應較弱；且周邊地區經濟發展相對落后，基礎較差，經濟增長方式主要依賴于開發資源、投入勞動力和資金，仍未完全擺脫粗放型經濟增長方式，規劃體系相對不健全，導致了鹽城市耦合度最低，僅為0.276。

圖4 江蘇城市土地利用結構及其效率與城市化耦合度的空間分布Fig.4 Spatial distribution for the coupling degree of urban land use structure, land use efficiency and urbanization level in Jiangsu Province

從協調度看，江蘇省13個城市協調程度均處于勉強協調和初級協調階段，有較大的提升空間(圖5)。其中，勉強協調類型的城市數量為8個，占總數的61.5%，均分布于蘇中和蘇北地區。初級協調類型城市數量有5個，包括南京、蘇州、無錫、常州和鎮江市，主要分布在蘇南地區，協調類型與當地經濟社會發展水平分布相符，空間分異特征明顯。蘇南地區受區位效應的影響，受到長三角經濟帶和上海經濟拉動，經濟社會發展水平較高，企業從生產勞動密集型向資本密集型轉變，城市土地結構配置較為合理，同時面對稀缺的土地資源，不斷加強對建設用地的有效利用，土地利用效率較高，使三者之間產生有效互動，相互協調程度較好。

圖5 江蘇城市土地利用結構及其效率與城市化協調度的空間分布Fig.5 Spatial distribution for coordination degree of urban land use structure, land use efficiency and urbanization level in Jiangsu Province

2.2.2耦合度和協調度的空間演變

為進一步探究江蘇省土地利用結構、效率與城市化耦合度和協調度的空間演變特征，根據江蘇省土地利用結構、效率與城市化耦合度時序演變分析結果，可將耦合協調度時序演變劃分為3個階段：第Ⅰ階段(2006—2009年)、第Ⅱ階段(2009—2013年)和第Ⅲ階段(2013—2017年)。選取2006、2009、2013和2017年江蘇省13個城市的截面數據，得到各市耦合度、協調度4期的空間演化分布圖(圖6和7)。

從耦合度的空間演變來看，在第Ⅰ階段空間演化過程中，大部分城市主要處于中級耦合階段，耦合程度與當地經濟發展水平、城市規模等因素緊密相關。2006年江蘇省以中級耦合類型為主。處于高級耦合階段的城市數量為3個，均分布在蘇南地區。空間分布集聚，高級耦合與中級耦合分布區分明顯。2009年江蘇省耦合類型仍以中級耦合類型為主，有9個城市處于中級耦合階段，占總數的69.2%，徐州由中級耦合階段上升至高級耦合階段，處于高級耦合階段的城市數量增加到4個，低級耦合類型城市數量減少為0個。在此階段，土地利用結構、效率與城市化之間的相互影響程度有待提升。南部地區高級耦合類型城市數量較多；中部、北部地區由于周邊經濟實力相對落后，城市人力、資本和技術要素相對匱乏，土地利用結構相對不均衡，城市化發展機制不完善，受到上海的經濟輻射較弱，中級耦合城市數量較多，江蘇省耦合度空間演變不大。第Ⅱ階段，受長江三角洲地區區域規劃及加快沿海開發、促進蘇中崛起和實現區域共同發展戰略等政策的影響，逐步呈現向高級耦合的態勢。中部、南部地區處于長江經濟帶，受到上海、南京經濟的輻射，經濟發展較快，各項建設快速發展，土地利用結構趨于均衡，城市化水平較高，三者之間相互影響、作用的程度得到增強，高級耦合類型城市數量明顯增加。至2013年江蘇省耦合類型以高級耦合為主，占總數的53.8%，揚州、鎮江、常州、連云港4個城市上升至高級耦合階段，高級耦合類型城市增至7個，中級耦合類型城市數量減少至5個。高級耦合和中級耦合分布分區不明顯。受上述因素的持續推動，在第Ⅲ階段，江蘇省耦合度水平整體提高，且逐步呈向北擴散的趨勢，南部與北部地區差異逐漸變小，江蘇南北各地市相互聯系與學習的程度在增強。至2017年高級耦合類型數量上升至8個，已成為為江蘇省主要耦合類型，中級耦合類型降至4個。

圖6 2006—2017年江蘇城市土地利用結構及其效率與城市化耦合度空間演變Fig.6 Spatial evolution for coupling degree of urban land use structure, land use efficiency and urbanization level in Jiangsu Province from 2006 to 2017

從江蘇省13個城市協調度空間演變來看(圖7)，總體協調度不高，可看出4個不同時段的協調度逐年增強，南部地區協調度比北部地區協調度高，協調度由南向北減少，與經濟發展狀況相同，空間演變的幅度基本與耦合度一致。

第Ⅰ階段空間演變中，勉強協調類型占主導地位，徐州和無錫市由勉強協調階段上升至初級協調階段，初級協調類型數量增加，其他城市保持不變。2006年江蘇協調類型包括勉強協調和初級協調，勉強協調數量較多，占總數的84.6%，處于初級協調階段的城市有南京和蘇州市，位于江蘇南部，南部協調度大于北部地區。2009年江蘇城市協調類型仍以勉強協調類型為主，占總數的69.2%，數量由11個減少至9個。初級協調類型城市數量增加到4個。在此階段，土地利用結構、效率與城市化的協調水平有較大的提升空間，空間演變不明顯。徐州通過采取一系列措施振興徐州老工業基地、抓住融入長三角的機遇，經濟發展保持了較快的增長速度，由勉強協調階段進入初級協調階段，無錫位于南京與上海之間，受到兩大城市的雙重經濟輻射的影響，經濟社會發展水平得到提升，進入初級協調階段。

第Ⅱ階段，隨著蘇南現代化建設示范區規劃、江蘇沿海開發戰略的實施，沿海與蘇中地區通過沿海鐵路、鹽靖高速提升了通達速度，蘇通、崇啟、潤揚大橋的通車加強了南部與中部、北部的聯系，協調度整體呈現上升態勢。南部地區空間演變較大，初級協調類型城市數量明顯增加，南部地區協調水平整體上升。協調度分布南北差異明顯。至2013年勉強協調類型占總數的百分比減少到53.8%，數量減少至7個，初級協調類型城市數量增至5個，蘇州由初級協調階段上升至中級協調階段。受上述因素的持續推動，在第Ⅲ階段，江蘇城市協調度水平整體提高，中部、北部地區初級協調類型城市數量明顯增加，南部與北部地區差異逐漸變小，江蘇各地市協同效應的程度在增強。至2017年初級協調類型成為江蘇城市的主要協調類型，數量增加至9個，占總數的69.2%，勉強協調類型減少至2個，包括宿遷和連云港市，鹽城由于未完全擺脫粗放型經濟增長方式，土地利用效率低，由勉強協調階段下降至瀕臨失調階段。

圖7 2006—2017年江蘇城市土地利用結構及其效率與城市化協調度空間演變Fig.7 Spatial evolution for coordination degree of urban land use structure, land use efficiency and urbanization level in Jiangsu province from 2006 to 2017

3 政策建議

1)江蘇應加強鐵路公路等基礎設施建設、共建產業園區和促進跨江合作，加強對接“一帶一路”與長三角經濟帶，繼續促進區域資源要素的合理流動。推進全省環境綜合整治工作，加強長三角污染防治聯動民主監督，深入實施“兩減六治三提升”專項行動與環保制度改革，減少環境污染對土地利用效率的制約。城市在促進產業結構調整的同時，應大力推動第三產業的發展，向新型工業化的方向轉變，通過創新技術減少資源投入量，提升資源利用率。

2)蘇北地區新增城市建設用地向郊區不斷擴張，城市化水平停留在規模擴張的初級階段，因此要加強對存量建設用地的深度開發利用，改善土地利用結構。加大基礎設施建設，尤其是交通設施，積極推進徐宿淮鹽、連淮揚鎮等鐵路的建設，加強區域內部各城市之間、區域內部城市與中部和南部地區城市之間的交通可達性。通過培育區域經濟增長極、加強城市吸引力來改善人力、資本和技術要素相對匱乏的現狀，帶動周邊城市發展。沿海城市如連云港應利用好城市資源，加強發展海洋經濟、推動旅游等第三產業的發展。

3)江蘇南部地區目前應通過大力發展信息技術來推動產業升級改造，促進現代產業核心技術的創新，培育創新型城市群。注重生態保護，發展清潔型經濟，減少對土地、水等環境的污染。中部地區濱江臨海，應繼續推進交通設施建設、完善海陸空立體式交通網；利用好長三角核心區的經濟貿易輻射及北部地區的資源，通過互動借力發展；同時加強區域創新能力與促進高新技術產業發展，深化國際國內合作，吸引各方投資，加快融入長三角核心區。

4 結 論

開展江蘇省城市土地利用結構、土地利用效率與城市化耦合協調度的提升和優化策略研究對于緩解土地資源供需矛盾，推進城市可持續發展具有重要的現實意義。本研究以江蘇省為例，采用信息熵、非期望產出的SBM窗式分析模型與因子分析法開展土地利用結構、土地利用效率與城市化水平耦合協調度研究。主要結論如下：

1)2006—2017年江蘇土地利用結構、效率與城市化耦合作用強度整體呈波動增長的趨勢，相互影響、作用的程度在緩慢提升。江蘇城市主要處于低級耦合和拮抗階段，耦合作用較弱，三者之間的相互制約和帶動作用尚未得到充分體現。

2)2006—2017年研究區土地利用結構、效率與城市化協調水平總體呈波動上升的趨勢，增長幅度較大。城市協調類型中勉強協調占比重最大，表明城市土地利用結構和城市化將要進入有效的協調發展區間，提升空間較廣。

3)從耦合度與協調度的空間分布來看：中級耦合類型城市數量較多，占總數的61.5%。勉強協調類型是江蘇省城市主要協調類型，占總數的61.5%。耦合類型和協調類型的分布大致與江蘇經濟社會發展水平分布相符。

4)從土地利用結構、效率與城市化耦合度和協調度的空間演變來看：2006—2017年耦合度呈增長的態勢，高級耦合類型城市數量逐漸增多，中級耦合類型城市數量逐漸變少，南部與北部地區差異逐漸變小。總體協調度不高，4個不同時段的協調度逐年增強，南部地區協調度比北部地區協調度高，區域差異逐漸變小。