蘭西城市群縣域土地利用效率時空差異研究

付春雨，石培基，馮 濤，張韋萍

(西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

隨著工業(yè)化和城市化進程的推進，我國社會經(jīng)濟發(fā)展與資源環(huán)境之間的矛盾逐漸凸顯，導(dǎo)致城鎮(zhèn)建設(shè)用地內(nèi)部結(jié)構(gòu)不合理、土地利用低效、資源高消耗和污染高排放等嚴峻問題。國家在“十三五”規(guī)劃中提出綠色發(fā)展理念，表明綠色發(fā)展是緩解當(dāng)前矛盾的必然選擇[1]。綠色發(fā)展理念強調(diào)土地利用過程中的生態(tài)保護和可持續(xù)發(fā)展，即土地利用經(jīng)濟效益、社會效益、生態(tài)環(huán)境效益最大化、環(huán)境負效應(yīng)的最小化，實現(xiàn)土地資源利用模式綠色化，解決社會經(jīng)濟發(fā)展與資源環(huán)境保護兩難問題。

國外對土地利用效率的研究集中在土地利用效率的度量模型及體系構(gòu)建、現(xiàn)實機理及影響因素、優(yōu)化政策措施等方面。如，Peter H、Verburg、Derek B等在生態(tài)和社會環(huán)境條件約束下研究了城市土地利用效率的評價體系及其影響因素[2]；Brett A.、Bryan、Neville D.Crossman等分析了提供多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的城市土地結(jié)構(gòu)布局，提高土地利用效率的優(yōu)化政策[3]。國內(nèi)學(xué)者借鑒相關(guān)理論，結(jié)合我國的實際情況，在土地利用效率評價[4,5]、時空格局[6-8]、影響因素[9-11]、與城鎮(zhèn)化和產(chǎn)業(yè)一體化的耦合關(guān)系[12-14]等方面展開了深入研究。傳統(tǒng)的土地利用效率模型重視土地利用過程中的期望產(chǎn)出，未考慮土地發(fā)展實際過程中存在的環(huán)境惡化、資源消耗過量等問題。隨著國家對生態(tài)文明建設(shè)的深入推進，土地利用效率的內(nèi)涵逐漸轉(zhuǎn)變。近年來，越來越多學(xué)者開始重視環(huán)境因素對土地利用過程的影響、土地利用與綠色發(fā)展間的關(guān)系、環(huán)境因素的具體指標(biāo)，以及如何將其納入評價體系等問題展開研究，以此探尋土地利用效率的提升路徑與策略。如，王德起、龐曉慶借鑒綠色發(fā)展效率模型，將能源消耗、環(huán)境污染等要素納入土地投產(chǎn)過程，構(gòu)建了土地利用效率評價模型[15]。研究方法主要集中于協(xié)調(diào)度模型[16,17]、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析[18-20]、隨機前沿分析[21,22]等評價方法。其中，數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法無需確定投入產(chǎn)出關(guān)系的具體表達和各項指標(biāo)的權(quán)重，且擁有多種形式的拓展模型，使用更加頻繁。研究熱點區(qū)域則聚焦在東部沿海[23,24]、長江流域[25,26]等發(fā)展水平較高的地區(qū)，少有對西北地區(qū)土地利用效率的研究。

本文借鑒綠色發(fā)展指數(shù)評價體系，將資源利用、綠色生活等環(huán)境要素納入土地利用效率指標(biāo)體系，利用SBM-undesirable模型測算了2016—2018年蘭西城市群39個縣域的土地利用效率，評價結(jié)果更加貼近現(xiàn)實需求。同時，本文借助泰爾指數(shù)和空間自相關(guān)，從多尺度探索土地利用效率的時空差異特征，揭示其內(nèi)在規(guī)律，結(jié)果可為蘭西城市群土地利用結(jié)構(gòu)合理配置、生態(tài)保護和相關(guān)政策措施的制定提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)域、方法與指標(biāo)體系

1.1 研究區(qū)域概況

蘭西城市群是我國西部地區(qū)重要的跨省區(qū)城市群，本文以《蘭州—西寧城市群發(fā)展規(guī)劃》中劃定的蘭西城市群范圍作為研究區(qū)域，具體包括甘肅省蘭州市、白銀市等4個地市州20個縣域單元，青海省西寧市、海東市等5個地市州19個縣域單元。蘭西城市群是黃河流域的重要組成部分，地處青藏高原生態(tài)屏障和北部防沙帶之間，具有國家生態(tài)安全的重要戰(zhàn)略支撐作用，地形主要以山地、河谷盆地、丘陵為主，海拔在1200—5300m之間，西高東低，起伏較大，氣候分布差異明顯。蘭西城市群是我國西北地區(qū)人口聚集地之一，城市分布集中、經(jīng)濟基礎(chǔ)條件較好，但工業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)較薄且動力不足、土地集約利用水平不高、生態(tài)環(huán)境脆弱。因此，認識和把握蘭西城市群縣域土地利用效率的現(xiàn)實水平，對促進蘭西城市群社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)文明建設(shè)具有重要的意義。

1.2 研究方法

SBM-undesirable模型：數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法(DEA)是對具有相同類型的多項投入和產(chǎn)出指標(biāo)的決策單元(DMU)進行相對有效性分析評價的一種非參數(shù)方法。傳統(tǒng)的DEA模型包含CCR和BCC兩種最基本模型，缺點是未考慮變量松弛，測算結(jié)果存在不準(zhǔn)確性。本文選用考慮環(huán)境變量的SBM-undesirable模型，在解決投入產(chǎn)出變量松弛性的同時兼顧到非期望產(chǎn)出的效率評價問題[27]。SBM-undesirable模型定義為：

(1)

(2)

泰爾指數(shù)：泰爾指數(shù)是衡量區(qū)域某一屬性差異的重要指標(biāo)之一，優(yōu)點是能將區(qū)域差異結(jié)構(gòu)及其來源進行有效分解，即區(qū)域間差異和區(qū)域內(nèi)差異[28]。本文引入泰爾指數(shù)衡量縣域土地利用效率的區(qū)域差異程度。計算公式為：

(3)

式中，T為泰爾指數(shù)；m是將39個縣域單元劃分的組數(shù)，每組為gm，第m組gm中的個體數(shù)目則為nm；yi為縣域i的土地利用效率份額；ym為某群組m的縣域土地利用效率總份額；Tb、Tw分別為區(qū)域間差異和區(qū)域內(nèi)差異。

空間自相關(guān)：為明確鄰接或鄰近縣域土地利用效率在空間關(guān)系上是否存在著集聚性或異質(zhì)性，本文采用空間自相關(guān)分析方法中的Moran′s I指數(shù)對其進行測度和檢驗。計算公式為：

(4)

(5)

若判定單一縣域內(nèi)部空間集聚或離散的具體位置，需采用局部Moran′s I指數(shù)和LISA集聚圖反映。計算公式為：

(6)

式中，Ii為局部空間自相關(guān)指數(shù)。

1.3 指標(biāo)體系構(gòu)建

本文借鑒已有研究成果，結(jié)合綠色發(fā)展理念對土地利用效率內(nèi)涵的影響，從投入、期望產(chǎn)出和非期望產(chǎn)出3個方面構(gòu)建了土地利用效率的指標(biāo)體系，見表1。本文選取縣域建成區(qū)面積、固定資產(chǎn)投資額和單位從業(yè)人員數(shù)衡量土地、資本、勞動力要素在土地利用投入過程中的參與度；期望產(chǎn)出指標(biāo)的經(jīng)濟與社會效益能反映縣域土地利用的經(jīng)濟和社會價值，本文采用第二、三產(chǎn)業(yè)增加值、社會消費品銷售總額來表示；期望產(chǎn)出環(huán)境效益選取縣域建成區(qū)綠地覆蓋率、一般工業(yè)固體廢物綜合利用率表征土地利用的環(huán)境質(zhì)量。由于第三產(chǎn)業(yè)污染物排放比重很小，縣域數(shù)據(jù)來源的局限性，因此主要取工業(yè)廢水排放量、工業(yè)二氧化硫排放量作為縣域社會經(jīng)濟活動對環(huán)境產(chǎn)生負效應(yīng)的非期望產(chǎn)出。

表1 縣域土地利用效率評價指標(biāo)體系

本文測算所需經(jīng)濟社會數(shù)據(jù)主要來源于2006年、2010年、2014年、2018年的《甘肅省統(tǒng)計年鑒》《青海省統(tǒng)計年鑒》和各地市州的《統(tǒng)計年鑒》；資源環(huán)境數(shù)據(jù)來源于《中國縣域統(tǒng)計年鑒》《甘肅省建設(shè)年報》等；部分數(shù)據(jù)補充自各地市州的國民經(jīng)濟與社會發(fā)展統(tǒng)計公報和政府工作報告。

2 結(jié)果及分析

2.1 縣域土地利用效率時序變化特征

本文基于SBM-undesirable模型計算了2016—2018年蘭西城市群39個縣域單元的土地利用效率，數(shù)據(jù)處理后得到蘭西城市群縣域土地利用效率均值和泰爾指數(shù)(表2)。研究期內(nèi)，蘭西城市群縣域土地利用效率均值遞增，泰爾指數(shù)呈現(xiàn)倒“V”型的變化趨勢，2010年達到最高值，表明蘭西城市群縣域土地利用效率存在兩個階段的演進特征。第一階段(2006—2010年)：蘭西城市群縣域土地利用效率均值由2006年的0.4995增加至2010年的0.5484，年均增長率為1.96%，泰爾指數(shù)由0.0420增加至0.0452，年均增長率為1.52%，即縣域土地利用效率水平和區(qū)域差異同時擴大。在此階段，政府重視改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、淘汰落后產(chǎn)能，生產(chǎn)技術(shù)條件和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)得以優(yōu)化，土地利用投產(chǎn)資源分配協(xié)調(diào)發(fā)展，土地利用效率提升，但由于縣域土地利用效率提升程度不一，形成明顯的區(qū)域差異。第二階段(2010—2018年)：蘭西城市群縣域土地利用效率均值持續(xù)升高，年均增長率達到3.76%，泰爾指數(shù)減少至0.0353，縣域土地利用效率區(qū)域差異呈收斂的趨勢。在“十二五”和 “十三五”規(guī)劃期間，地方政府出臺有關(guān)環(huán)境保護、節(jié)能減排等方面的政策，強化環(huán)境監(jiān)督管理與環(huán)境預(yù)警體系，鼓勵產(chǎn)業(yè)綠色化轉(zhuǎn)型，在減少土地利用過程中生態(tài)環(huán)境污染和破壞上取得一定成效，區(qū)域差異有所緩解。

表2 蘭西城市群縣域土地利用效率均值和泰爾指數(shù)

2.2 縣域土地利用效率空間分異特征

總體分布特征：本文采用ArcGIS自然斷點法將2006年、2010年、2014年、2018年蘭西城市群39個縣域土地利用效率值劃分為4類，以探討土地利用效率的空間分布特征與規(guī)律(圖1)。

蘭西城市群縣域土地利用效率表現(xiàn)出明顯空間分布差異，存在中心高—外圍低、西高東低、南北分異的空間格局特征。其中，蘭州市區(qū)和西寧市區(qū)是整個城市群土地利用效率值最高的區(qū)域，在中部地區(qū)形成以蘭州和西寧為中心，由城市群中心向外圍土地利用效率逐層降低的結(jié)構(gòu)，具有顯著的等級效應(yīng)。較高效率值區(qū)空間上呈“條帶狀”連接分布，如平安區(qū)—樂都區(qū)、紅古區(qū)—西固區(qū)—安寧區(qū)—七里河區(qū)等區(qū)域。2006年，蘭西城市群西部地區(qū)近一半縣域單元處于較低效率區(qū)；2010年，海北州、共和縣、湟中縣等土地利用效率值從較低效率區(qū)增長過渡到較高效率區(qū)，靖遠縣、同仁縣等從低效率區(qū)增長過渡到較低效率區(qū)，即較低效率區(qū)開始向西南和東部地區(qū)擴散。2006年低效率區(qū)的數(shù)量高達15個，連續(xù)成片覆蓋在南部和東北部地區(qū)； 2018年低效率區(qū)轉(zhuǎn)移到城市群東南部，數(shù)量減少至6個，包括景泰縣、積石山縣、永靖縣等。總體上，蘭西城市群大部分縣域的土地利用效率已達到較高效率及以上水平，低效率區(qū)的縣域數(shù)量大幅減少，城市群距離實現(xiàn)土地利用投產(chǎn)合理布局、協(xié)調(diào)發(fā)展的目標(biāo)更進一步。

圖1 2006年、2010年、2014年、2018年蘭西城市群縣域土地利用效率空間分布

兩區(qū)域差異現(xiàn)象：從甘肅青?？h域土地利用效率差異視角探索區(qū)域空間差異規(guī)律。2006—2018年，甘肅、青?？h域土地利用效率逐漸提升，增幅分別為39.11%、43.14%，青海地區(qū)始終高于甘肅地區(qū)，表現(xiàn)出“西—東”空間遞減規(guī)律。甘肅泰爾指數(shù)相對較高，青海相對較低，甘青兩地區(qū)的空間非均衡程度均呈下降狀態(tài)，且區(qū)域內(nèi)差異高于區(qū)域間差異，說明兩個地區(qū)內(nèi)部發(fā)展不平衡制約了土地利用效率的提升。青海生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)好、植被覆蓋度高，需遵循人與自然和諧發(fā)展的前提下實現(xiàn)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。同時，政府建立約束開發(fā)的法規(guī)制度，促進傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)向綠色循環(huán)型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，推行光伏、風(fēng)能等清潔能源技術(shù)的投入應(yīng)用，科技創(chuàng)新和對外合作能力提高，生態(tài)環(huán)境壓力逐漸減小，土地利用效率保持穩(wěn)定增長。甘肅高能耗、高污染傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)比重相對較高，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理且層次低，阻礙了縣域土地利用效率的提高，區(qū)域內(nèi)部不平衡。隨著政府對生態(tài)文明建設(shè)的落實，甘肅地區(qū)限制高耗能、高污染產(chǎn)業(yè)的擴張，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與布局，鼓勵高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，土地利用效率開始提升、區(qū)域差異縮小。

2.3 縣域土地利用效率空間關(guān)聯(lián)特征

全局空間自相關(guān)分析：為進一步了解效率的空間集聚情況與演變特征，運用全局空間自相關(guān)模型，測度蘭西城市群縣域土地利用效率Global Moran′s I指數(shù)。2006—2018年，Global Moran′s I指數(shù)值分別為0.247、0.287、0.328和0.310，均通過P值小于0.05的顯著性檢驗，表明蘭西城市群縣域土地利用效率存在著空間正向相關(guān)性，即土地利用效率較高的縣域單元趨于毗鄰，效率較低的縣域單元相毗鄰。其中，Global Moran′s I指數(shù)由2010年的0.328減少至2018年0.310，但整體上呈增加趨勢，說明蘭西城市群縣域土地利用效率水平動態(tài)變化相對平穩(wěn)，空間集聚態(tài)勢雖然有所減弱，但是依然表現(xiàn)出較強的空間集聚特征。

局部空間自相關(guān)分析。全局空間自相關(guān)不能反映發(fā)生集聚或異常的具體位置，需要局部空間自相關(guān)檢驗縣域土地利用效率與鄰近縣域土地利用效率的相關(guān)性。結(jié)合蘭西城市群縣域土地利用效率的LISA集聚圖(圖2)發(fā)現(xiàn)，2006—2018年蘭西城市群縣域土地利用效率局部空間集聚發(fā)生了明顯的變化，高—高集聚和低—低集聚的縣域個數(shù)分別為8、8、6、6個，數(shù)量減少表明土地利用效率高—高集聚區(qū)和低—低集聚區(qū)總體上呈減弱態(tài)勢，高—低集聚區(qū)和低—高集聚區(qū)的縣域數(shù)量略有波動，但基本保持不變。

①高—高集聚區(qū)位于蘭州和西寧兩個區(qū)域中心城市。該類型區(qū)在城市群中屬于區(qū)位優(yōu)勢明顯、經(jīng)濟發(fā)展與技術(shù)水平較高、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)較合理、環(huán)境管理制度嚴格的一類地區(qū)，土地利用效率保持高水平，且對鄰接縣域產(chǎn)生正向帶動作用，空間溢出效應(yīng)顯著。②低—高集聚區(qū)包含湟中縣、皋蘭縣、互助縣等縣域單元。這些縣域雖然分布在土地利用效率較高縣域的擴散效應(yīng)區(qū)，但自身接受“被擴散”效應(yīng)的能力有限，土地利用效率遠低于周邊縣域。③高—低集聚區(qū)呈散布分布，從2006—2010年的白銀區(qū)、臨夏市變化到2014年安定區(qū)再到2018年的安定區(qū)、臨夏市。這類區(qū)域具有明顯的資源稟賦優(yōu)勢，環(huán)境負效應(yīng)影響小，土地利用效率水平較高，但缺乏有效區(qū)域合作機制、產(chǎn)業(yè)鏈布局不合理等，難以對周圍縣域產(chǎn)生輻射帶動作用，導(dǎo)致其土地利用效率高而周邊縣域土地利用效率低。④低—低集聚區(qū)集中在蘭西城市群南部地區(qū)。這些地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展落后、生態(tài)環(huán)境脆弱、資源利用率較低，遠離高效率區(qū)輻射范圍，土地利用產(chǎn)出水平不高。2014年，定西市安定區(qū)由低—低集聚區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)楦摺图蹍^(qū)，隴西縣、渭源縣、臨洮縣由低低集聚區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙@著的集聚趨勢，說明土地利用低效率開始出現(xiàn)由東南向西南擴散現(xiàn)象。2016—2018年，蘭西城市群約70%縣域單元無顯著的集聚特征，說明蘭西城市群大部分縣域土地利用效率集聚水平不高。

圖2 2006年、2010年、2014年、2018年蘭西城市群縣域土地利用效率LISA集聚圖

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

本文在考慮綠色發(fā)展內(nèi)涵的基礎(chǔ)之上，運用SBM-undesirable模型測度了2006—2018年蘭西城市群縣域土地利用效率值，并采用泰爾指數(shù)、空間自相關(guān)方法揭示了其時空差異特征。主要結(jié)論如下：①從時間變化分析，2006—2018年蘭西城市群縣域土地利用效率均值由2006年的0.4995上升到2018年的0.7134，總體提升了42.8%,泰爾指數(shù)呈倒“V”型變化，使縣域土地利用效率具有兩個階段的演進特征。2006—2010年，縣域土地利用效率上升，區(qū)域差異擴大；2010—2018年，縣域土地利用效率上升，區(qū)域差異開始縮小。②從空間總差異進行分析，蘭西城市群土地利用效率呈現(xiàn)中部高—外圍低、西高東低、南北分異的格局特征，低效率區(qū)數(shù)量大幅度減少，較高效率、高效率區(qū)數(shù)量明顯增加，縣域土地利用效率水平取得了較大改善；從區(qū)域差異進行分析，甘肅和青海地區(qū)土地利用效率均為上升趨勢，呈“西—東”空間遞減規(guī)律，且區(qū)域內(nèi)部差異是影響兩個地區(qū)縣域土地利用效率發(fā)展不平衡的主要原因。③從空間關(guān)聯(lián)性進行分析，蘭西城市群縣域土地利用效率的Global Moran′s I指數(shù)大于0，表明縣域土地利用效率存在顯著的空間關(guān)聯(lián)性。由局部空間格局演變特征發(fā)現(xiàn)，土地利用效率高—高集聚區(qū)始終集中在兩個區(qū)域中心城市內(nèi)，低—低集聚區(qū)研究期間出現(xiàn)從東南向西南的擴散現(xiàn)象，高—低集聚區(qū)分布相對分散，低—高集聚區(qū)則主要圍繞中部土地高集約水平地區(qū)分布。

3.2 建議

綠色發(fā)展理念下縣域土地利用效率區(qū)域差異現(xiàn)象是多種因素復(fù)雜交織的結(jié)果，直接反映出土地利用過程中不同參與要素的配置差異。本文基于蘭西城市群縣域土地利用效率時空差異特征分析，提出以下建議：①依據(jù)資源環(huán)境承載能力和國土空間開發(fā)適宜性實施土地資源分類管控，嚴格控制建設(shè)用地總量與開發(fā)強度，逐步提高存量土地供應(yīng)比例和土地利用集約程度，確保建設(shè)用地的可持續(xù)發(fā)展。②實施生態(tài)共建環(huán)境共治，推進重點區(qū)域和重要生態(tài)系統(tǒng)保護與修復(fù)，維護好黃河上游地區(qū)的生態(tài)安全。③限制污染嚴重、能源資源消耗大的落后產(chǎn)業(yè)，深化傳統(tǒng)優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)改造升級，培育清潔高效的綠色新興產(chǎn)業(yè)，保障城市群生態(tài)化建設(shè)及綠色發(fā)展。④加強蘭州、西寧兩個區(qū)域中心城市的科技創(chuàng)新和服務(wù)功能投入，推動產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型及土地利用管理模式轉(zhuǎn)變，輻射帶動整個城市群的協(xié)調(diào)發(fā)展，促進土地利用效率的穩(wěn)步提升，最終實現(xiàn)蘭西城市群土地資源利用綠色化，區(qū)域經(jīng)濟、社會與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展的土地利用格局。