低碳理念下我國土地集約利用水平時空異質(zhì)性及其障礙因子分析

史思琪，梁彥慶,2*，黃志英，梁麗英，葛京鳳,2

(1. 河北師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，中國 石家莊 050024；2. 河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)實驗室，中國 石家莊 050024；3. 河北地質(zhì)大學(xué)土地資源與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，中國 石家莊 050031)

當(dāng)前，氣候變暖依然為全球共同關(guān)注的熱點問題，相關(guān)研究報道，土地利用是僅次于化石燃料燃燒造成大氣中二氧化碳增加的重要原因[1-2]。土地資源作為人類活動和城市運行的基礎(chǔ)載體[3]，是一種不可或缺的重要自然資源[4]。然而，“粗放式、高碳排”的利用方式使得土地利用問題日益尖銳[5]，為此我國先后出臺了一系列政策措施緩解土地需求增長與環(huán)境保護之間的矛盾。繼2010年我國首次提出“低碳集約”這一概念[6]之后，學(xué)者從研究方法、特征、影響因素等不同角度對土地低碳集約利用開展了相關(guān)研究。如樊鵬飛等[7]在生態(tài)與低碳視角下對京津冀城市群土地集約利用及障礙因子進行了分析；上官彩霞等[8]基于低碳理念對河南省建設(shè)用地集約利用進行了探究；Sun等[9]對河北省耕地集約利用與碳排放效率的相關(guān)性進行了分析；黎孔清[10]等在低碳理念下對南京市土地集約利用進行了評價；Sun[11]等基于PSR模型探究了鄭州市土地低碳集約利用狀況；王莉[12]等對昆山經(jīng)濟開發(fā)區(qū)低碳經(jīng)濟發(fā)展與土地集約利用之間的關(guān)系進行了探討。目前對低碳理念下土地集約利用的研究已取得初步成果，但由于起步較晚，研究的廣度和深度仍然無法完全滿足社會經(jīng)濟發(fā)展的現(xiàn)實需求。主要表現(xiàn)在以下方面：(1)鮮有研究將亟需協(xié)調(diào)統(tǒng)一的集約高效、低碳環(huán)保兩個重要方面同時納入土地利用水平評價范疇；(2)研究尺度主要集中在城市群、省、市和市轄區(qū)等中小尺度，缺乏對宏觀大尺度范圍的差異性探究?；诖?，本研究剖析全國30個省、市近10年低碳理念下土地集約利用水平及省域間系統(tǒng)協(xié)調(diào)度的時空異質(zhì)性特征，探討影響土地集約利用水平的主要障礙因子，旨在為調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)土地高效綠色可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 數(shù)據(jù)來源與處理

1.1 數(shù)據(jù)來源

研究范圍包括4個直轄市、22個省和4個自治區(qū)(因西藏自治區(qū)和臺灣、香港、澳門地區(qū)數(shù)據(jù)缺失嚴重，未包含在內(nèi))。研究時點為2008，2011，2014和2017年，所需能源數(shù)據(jù)來源于相關(guān)年份的《中國能源統(tǒng)計年鑒》和中國能源統(tǒng)計數(shù)據(jù)報告。各類型土地面積來源于國家自然資源部發(fā)布的數(shù)據(jù)及《中國城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計年鑒》和《中國農(nóng)林統(tǒng)計年鑒》《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》，經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于《中國金融數(shù)據(jù)庫》和《中國宏觀經(jīng)濟數(shù)據(jù)庫》，其他數(shù)據(jù)來源于《中國城市統(tǒng)計年鑒》及各省市統(tǒng)計年鑒。

1.2 數(shù)據(jù)處理

指標(biāo)分為正向指標(biāo)、逆向指標(biāo)及適度指標(biāo)，其中C10人均道路面積和C16人均居住用地面積為適度指標(biāo)，根據(jù)國家、國際標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)文獻資料[13，14]，將人均道路面積的合理值確定為12 m2，人均居住用地面積的合理值確定為16 m2·人-1。各指標(biāo)權(quán)重值運用變異系數(shù)法結(jié)合熵值法確定。由于各評價指標(biāo)數(shù)據(jù)的性質(zhì)、單位、量綱等不一致，使用極差標(biāo)準(zhǔn)化法對指標(biāo)數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，公式如下：

(1)

式中：Cij′為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值，Cij為指標(biāo)實際值，Cmin為第i項指標(biāo)的最小值，Cmax為第i項指標(biāo)的最大值，a為適度指標(biāo)的合理值。

2 研究方法

2.1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

為全面、科學(xué)、客觀、合理地建立低碳理念下土地集約利用水平評價指標(biāo)體系，在CNKI庫中進行頻度搜索統(tǒng)計，借鑒已有研究成果[15-19]選取使用頻率較高的指標(biāo)，并結(jié)合各省市實際情況、土地利用現(xiàn)勢性特征以及數(shù)據(jù)可獲取性和指標(biāo)體系的可操作性，構(gòu)建了包含土地投入強度、土地產(chǎn)出效益、土地利用程度、土地低碳利用水平和土地可持續(xù)性5大準(zhǔn)則層共33項指標(biāo)的評價指標(biāo)體系(表1)。

表1 低碳理念下土地集約利用水平評價指標(biāo)體系

土地投入強度反映對土地利用的投入水平，合理增加土地投入能夠促進土地集約化程度。土地產(chǎn)出效益是在土地利用之后所實現(xiàn)的成果和利益，低碳理念下的土地產(chǎn)出不僅強調(diào)經(jīng)濟、社會方面的高效，也注重生態(tài)方面的低污染、低碳排。土地利用程度是土地利用現(xiàn)狀及強度的直接體現(xiàn)，是土地集約利用的重要內(nèi)涵。土地低碳利用水平是土地使用過程中碳排放強度的直接反映，在實現(xiàn)“集約式”的同時還要強調(diào)“低碳化”。土地可持續(xù)性用來反映土地利用對資源安全和生態(tài)環(huán)境的影響。其中，土地利用碳排放分為直接碳排放和間接碳排放兩類，雖然耕地是綠色植物吸收二氧化碳進行生產(chǎn)的主要場所，但耕地自身釋放的二氧化碳量遠超過其吸收的二氧化碳量，即碳匯作用遠遠小于碳源作用[20，21]。因此，將耕地和建設(shè)用地作為碳源，林地、園地、草地、水域和未利用地作為碳匯，各類型土地碳排放通過土地面積與碳排放系數(shù)直接求取，建設(shè)用地的碳排放一般通過人類生產(chǎn)生活過程中消耗的各類能源間接測算得出。本研究主要考慮煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、天然氣和電力消耗所產(chǎn)生的碳排放，計算公式如下：

E=∑(Siδi+ejβjδj)，

(2)

式中，E為土地利用碳排放總量，Si為對應(yīng)的土地面積，δi為該土地類型對應(yīng)的碳排放系數(shù)，ej為第j種能源的消耗量，βj為其標(biāo)準(zhǔn)煤換算系數(shù)，δj為該能源的碳排放系數(shù)。根據(jù)余雪振[22]的總結(jié)，耕地、園地、林地、草地、水域和未利用土地碳排放系數(shù)分別為0.497 0，-0.398 0，-0.581 0，-0.021 0，-0.400 0，-0.005 0 t·hm-2·a-1。根據(jù)2006年IPCC《國家溫室氣體排放清單指南》，煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、天然氣、電力的碳排放系數(shù)分別為0.755 0，0.855 0，0.585 7，0.553 8，0.571 4，0.592 1，0.618 5，0.448 3，0.747 5 t·tce-1；折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)分別為0.714 3，0.971 4，1.428 6，1.471 4，1.471 4，1.457 1，1.428 6，1.330 0 kgce·m-2和3.270 0 t·(kW·h)。

2.2 多因素綜合評價法

低碳理念下土地集約利用水平評價是多因素評價的綜合[23]，多因素綜合評價法綜合考慮影響土地集約利用的各指標(biāo)因子，采用定性與定量研究相結(jié)合方法以保證評價結(jié)果的科學(xué)性，其計算公式為

(3)

式中：Pi為第i年份的土地集約利用值，Uij為第i年份第j項指標(biāo)的單項土地集約利用值，Wij為該項指標(biāo)權(quán)重，Cij為其標(biāo)準(zhǔn)值。

2.3 HR協(xié)調(diào)度模型

協(xié)調(diào)度是度量各子系統(tǒng)或要素之間協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r的定量指標(biāo)，可以有效評估系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可持續(xù)性[24]。因此，在對低碳理念下土地集約利用水平進行測算基礎(chǔ)上，借鑒周振等[25]運用HR協(xié)調(diào)度模型對低碳理念下土地集約利用系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展進行研究，計算公式如下：

(4)

(5)

表2 低碳理念下土地集約利用系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展類型劃分

2.4 障礙度模型

通過引入“因子貢獻度”、“偏離度”和“障礙度”3個概念建立障礙度模型，對低碳理念下土地集約利用水平的影響因素進行病理性診斷，其中，因子貢獻度為單項評價指標(biāo)對最終總目標(biāo)的貢獻程度，即指標(biāo)權(quán)重值Wij，偏離度為單項指標(biāo)與最終總目標(biāo)之間的差值，記為Iij，計算公式如下：

Iij=1-Cij。

(6)

障礙度則為該項指標(biāo)對土地集約利用水平的影響程度，記為Oij，計算公式如下：

(7)

3 結(jié)果與分析

3.1 低碳理念下土地集約利用水平時空異質(zhì)性分析

借助ArcGIS自然斷點法將全國30個省市低碳理念下土地集約利用水平分為4類：優(yōu)效利用區(qū)(0.400 6～0.686 0)、高效利用區(qū)(0.298 7～0.400 5)、中效利用區(qū)(0.245 0～0.298 6)和低效利用區(qū)(0～0.244 9)。研究結(jié)果顯示全國30個省市低碳理念下土地集約利用水平在時間和空間上均存在一定異質(zhì)性。

3.1.1 低碳理念下土地集約利用水平時間異質(zhì)性特征

從圖1可以看出，各省市的低碳理念下土地集約利用水平存在一定程度的時間異質(zhì)性，總體表現(xiàn)為隨時間變化大致處于上升態(tài)勢。2008年全國平均土地集約利用水平值為0.277 3，處于中效利用水平，其中優(yōu)效利用區(qū)2個(上海、北京)，高效利用區(qū)5個(天津、江蘇、廣東、重慶、浙江)，中效利用區(qū)11個(遼寧、海南、福建、山東、云南、湖南、江西、廣西、安徽、河南、吉林)，低效利用區(qū)12個(河北、山西、四川、黑龍江、陜西、青海、湖北、內(nèi)蒙古、新疆、寧夏、貴州、甘肅)。2011年全國平均土地集約利用水平值增長到0.285 1，依舊處于中效利用水平，其中優(yōu)效利用區(qū)增長為3個，天津土地集約利用由高效利用水平上升到優(yōu)效利用水平，高效利用區(qū)增加到6個。其中，福建和海南由中效利用水平上升為高效利用水平，中效利用區(qū)較2008年減少2個，河南和廣西由中效利用水平下降為低效利用水平，低效利用區(qū)依然為12個，河北和山西由低效利用水平上升為中效利用水平。2014年全國平均土地集約利用水平值為0.333 0，上升為高效利用水平，優(yōu)效利用區(qū)變?yōu)樯虾：捅本?個，天津由優(yōu)效利用水平又下降為高效利用水平，此時高效利用區(qū)增長到15個，其中由中效利用水平上升為高效利用水平的省份包括山東、遼寧、湖南、江西、安徽、云南、吉林和河北，低效利用區(qū)降為4個，分別為內(nèi)蒙古、貴州、新疆和甘肅。2017年全國平均土地集約利用水平值達到0.347 5，仍處于高效利用水平，相比2008年增長25.27%，優(yōu)效利用區(qū)共5個，分別為上海、北京、天津、廣東和浙江。處于高效利用水平和中效利用水平的省市分別有15個和7個，其中廣西、河南和山西由低效利用水平上升到中效利用水平，此時的低效利用區(qū)僅有新疆、貴州、甘肅3個，全國處于中效及以上層級的省市已達90%。

圖1 低碳理念下土地集約利用水平圖

3.1.2 低碳理念下土地集約利用水平空間異質(zhì)性特征 空間分布上，全國低碳理念下土地集約利用水平地域差異性顯著，總體上呈現(xiàn)出由東南沿海向西北內(nèi)陸逐級遞減的趨勢(圖2)。2008，2011，2014和2017年4個時間點不同區(qū)域土地集約利用水平的排序均表現(xiàn)為：華東地區(qū)>華北地區(qū)>華南地區(qū)>東北地區(qū)>華中地區(qū)>西南地區(qū)>西北地區(qū)。居于首位的華東地區(qū)(上海、江蘇、浙江、安徽、福建、江西、山東)多為臨海省市，受經(jīng)濟發(fā)展的驅(qū)動，土地需求旺盛，使得土地利用程度較高，并且這些省市借助其特殊的區(qū)位優(yōu)勢和交通便捷度，重點發(fā)展低能耗低污染產(chǎn)業(yè)。華北地區(qū)包括首都北京和我國北方最大的沿海開放城市天津、環(huán)抱京津的河北、礦產(chǎn)資源豐富的山西以及幅員遼闊的內(nèi)蒙古。由于山西以重工業(yè)為主的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不盡合理及內(nèi)蒙古在土地利用上存在較大的開發(fā)潛力，使得該地區(qū)土地集約利用水平僅次于華東地區(qū)。華南地區(qū)包括經(jīng)濟綜合競爭力強的廣東和自然條件優(yōu)越的廣西及海南，但由于勞動力和土地資源的短缺使得華南地區(qū)整體土地集約利用水平居于第3位。東北三省是中國重工業(yè)基地，土地利用碳排放量不可避免會高于其他省市，由于過去發(fā)展經(jīng)濟的同時疏于對環(huán)境的保護與管理，導(dǎo)致土地集約利用水平不高。華中地區(qū)包含河南、湖北、湖南3省，重點發(fā)展旅游、文化教育等產(chǎn)業(yè)，但由于建設(shè)用地面積比重低、土地利用程度不高，導(dǎo)致該地區(qū)整體土地集約利用水平較低。西南地區(qū)(重慶、四川、貴州、云南)受地形地貌影響較大，山區(qū)較多，城市發(fā)展受限，當(dāng)?shù)厝丝谳^多離家前往他鄉(xiāng)謀職生活，導(dǎo)致土地集約利用水平偏低。西北地區(qū)(陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆)身居大陸內(nèi)部，人口稀少，土地利用程度不高，由于交通便捷度、經(jīng)濟發(fā)展水平等條件的限制，城市發(fā)展較為困難，同時人們低碳環(huán)保意識有待增強，導(dǎo)致該地區(qū)土地集約利用水平居于末位。

圖2 低碳理念下土地集約利用水平區(qū)域差異分布圖

3.2 低碳理念下土地集約利用系統(tǒng)協(xié)調(diào)度分析

通過式(4)和(5)對各省市低碳理念下土地集約利用系統(tǒng)協(xié)調(diào)度進行計算(圖3)。結(jié)果顯示，2008年處于重度失調(diào)的為新疆、寧夏、甘肅和貴州4省，處于弱度失調(diào)的為青海、內(nèi)蒙古、黑龍江、湖北、山西、陜西、河南、四川、吉林、河北、云南、安徽和江西13省，處于基本協(xié)調(diào)的為湖南、福建、廣西、山東、海南、廣東、遼寧、江蘇和重慶9省市，處于良好協(xié)調(diào)的為余下的上海、浙江、天津和北京。2011年，江西和安徽由弱度失調(diào)上升為基本協(xié)調(diào)，廣西由基本協(xié)調(diào)下降為弱度失調(diào)，江蘇由基本協(xié)調(diào)上升為良好協(xié)調(diào)，浙江由良好協(xié)調(diào)下降為基本協(xié)調(diào)，其他省市未發(fā)生變動。2014年，貴州上升為弱度失調(diào)，湖北下降為重度失調(diào)，浙江、重慶上升為良好協(xié)調(diào)，仍未有省市達到極度協(xié)調(diào)。2017年，江西下降為弱度失調(diào)，河北上升為基本協(xié)調(diào)，此時北京達到極度協(xié)調(diào)。總體來看，土地集約利用系統(tǒng)協(xié)調(diào)度普遍偏低，各子系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)性較差，缺乏良性互動，有待進一步提高。通過對比4個時點低碳理念下土地集約利用水平與系統(tǒng)協(xié)調(diào)度排名情況(圖4)，可以看出二者呈顯著正相關(guān)關(guān)系，這與張苗[26]、范輝[27]等人的研究結(jié)果基本一致，說明系統(tǒng)的平衡協(xié)調(diào)發(fā)展在一定程度上有助于提高土地集約利用水平。

圖3 低碳理念下土地集約利用系統(tǒng)協(xié)調(diào)度情況

圖4 低碳理念下土地集約利用水平與系統(tǒng)協(xié)調(diào)度排名情況

3.3 低碳理念下土地集約利用水平障礙因子診斷

在分析低碳理念下土地集約利用水平基礎(chǔ)上，運用式(6)和(7)，進一步探尋影響全國30個省市低碳理念下土地集約利用水平的障礙因子。經(jīng)測算，影響各省市不同年份土地集約利用水平的障礙因子相近，受篇幅的限制及考慮到問題的現(xiàn)勢性，在此僅列出2017年位于前8位的主要障礙因子及其障礙度(表3)。

表3 2017年影響各省市低碳理念下土地集約利用水平主要障礙因子及障礙度

從表3可以看出，影響全國過各省市土地集約利用水平的主要障礙因子在土地投入強度、土地產(chǎn)出效益、土地利用程度、土地低碳利用和土地可持續(xù)性5方面均有涉及。其中，土地利用碳結(jié)構(gòu)系數(shù)、地均財政收入成為首要障礙因子，積極調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟發(fā)展方式應(yīng)作為未來重要發(fā)展方向；同時地均二、三產(chǎn)業(yè)增加值、地均GDP、地均社會消費品零售額、地均財政支出、地均固定資產(chǎn)投資額等經(jīng)濟因素為重要障礙因子，積極發(fā)展經(jīng)濟仍是社會發(fā)展的主線與目標(biāo)。影響北京、天津、上海、浙江、重慶、廣東等經(jīng)濟發(fā)達省市的主要障礙因子還包括人均居住用地面積、人均城市建設(shè)用地面積、人均綠地面積、人均建成區(qū)面積、人均碳排放量、每萬人擁有公交車輛等，加強基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，控制外來人口流入規(guī)模、緩解城市壓力、著力控制建設(shè)用地?zé)o序擴張、增加碳匯面積同時增強土地碳吸收作用是這些省市在發(fā)展過程中應(yīng)注意的問題。黑龍江、吉林、遼寧、山西這些以重工業(yè)發(fā)展為主的省份，能源工業(yè)投資比重、地均凈碳排放量、單位GDP能耗等在一定程度上影響其土地集約利用水平，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、積極鼓勵發(fā)展低能耗產(chǎn)業(yè)應(yīng)成為這些省份未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。區(qū)域面積廣闊、居住人口較少的新疆、內(nèi)蒙古、甘肅、青海等省份，土地閑置率、綜合容積率、人口密度、地均從業(yè)人員數(shù)等也是其主要障礙因子，這些省份需積極發(fā)展經(jīng)濟，減少人口外流，同時應(yīng)合理開發(fā)利用土地資源。

4 討論

基于當(dāng)前我國土地利用存在的問題，將集約高效、低碳環(huán)保統(tǒng)一納入到土地利用評價范疇，能夠較為科學(xué)全面地反映低碳理念下土地集約利用狀況。研究結(jié)果表明，各省市土地低碳集約水平仍須提升，可從土地低碳水平和土地產(chǎn)出效益入手進行潛力挖掘，同時應(yīng)著力控制建設(shè)用地規(guī)模和強度，積極轉(zhuǎn)變土地利用方式，在增強土地利用碳減排能力的同時，促進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級，努力打造中國式低碳經(jīng)濟。拘于可借鑒資料及數(shù)據(jù)獲取性的局限，本文基于時點數(shù)據(jù)對低碳理念下土地集約利用狀況進行研究，未來可逐步延長時間序列，以進一步探討其規(guī)律性，同時指標(biāo)體系的構(gòu)建仍需進一步充實、完善。