南京市土地利用效益耦合關系研究

李冠英，張建新，劉培學，王小丹

(南京大學地理與海洋科學學院，南京 210093)

南京市位于我國沿海中部的長江下游平原、江蘇省西南部，市域地理坐標處于北緯 31°54'～32°16'，東經118°32'～119°24'之間。全市土地面積 6 582.31 km2，常住人口771.31萬人，戶籍人口629.77 萬人［1］。南京市位于我國生產力布局中最大的經濟核心區——長江三角洲，是東部地區一個綜合性工業基地、重要的交通樞紐和通訊中心城市，是全國四大科研和教育中心城市之一，也是華東地區僅次于上海的大商埠。改革開放后隨著城市規模向外持續擴展，特別是20世紀90年代末以后中心城區年均擴展速度超過10 km2，原有農用地及生態用地大量轉化為建設用地，生態空間受到一定程度擠壓［2］。近年來，南京市的工業得到了飛速發展，工業用地成為南京市增長幅度最大地類，已形成了石化、汽車等支柱產業，這些產業技術含量不高、占地面積大、環境污染嚴重，對區域生態環境的影響不容忽視［3］。

土地利用效益的耦合程度是評價土地利用是否科學合理的依據之一，也是土地可持續利用研究的重要內容［4－5］。本研究在分析土地利用的社會經濟效益和生態環境效益耦合關系的基礎上，運用系統的科學理論建立起土地利用效益之間的耦合模型，嘗試定量評價南京市土地利用社會經濟效益與生態環境效益之間的動態關系。

1 土地利用效益的耦合關系

物理學意義上的耦合是指兩個(或以上)系統或運動通過各種相互作用而彼此影響的現象［6］。土地利用是在人類活動持續或周期性干預下，進行土地自然再生產和經濟再生產的復雜社會經濟過程［7］。土地利用效益主要表現為社會經濟和生態環境效益，它們相互影響、相互制約、相互促進［8－9］。

從內容實質來看，首先，土地是社會經濟活動的載體，對土地資源進行開發利用時，限于一定的技術條件和認識水平，可能會過度開發、破壞土地資源，對生態環境產生脅迫;其次，生態環境可以通過生態負荷、資源貧瘠等因素制約土地利用的社會經濟效益;再次，社會經濟的發展為改善生態環境提供技術和資金，提高人類保護土地生態環境的能力，而土地生態環境的改善，也為社會經濟持續穩定發展創造了更好的條件。

從演化進程來看，二者關系在土地利用強度的驅動下表現出明顯的V型軌跡。在人類社會初期，土地利用強度較低，土地利用的社會經濟效益和生態環境效益處于低水平的耦合階段。隨著經濟社會發展，土地利用強度日益提高，環境容量瓶頸效應開始顯現，二者關系出現惡化，土地利用效益的耦合度跌至最低。此后，人們開始意識到生態環境的重要性，并有意調控土地利用方式以提高其生態環境效益，進而促使二者關系趨于協調。如圖1所示，在此過程中，土地利用強度S型演化模式(曲線A)對二者耦合關系的演變起到極大的調控作用。當然，期間也可能存在土地利用強度超越生態環境容量而導致二者關系急劇惡化的短期行為，如圖1中曲線 B 所示［10］。

圖1 生態環境容量約束下土地利用強度演化軌跡Fig.1 Evolvement trace of land use intensity under the control of eco-environment capacity

2 數學模型

2.1 土地利用效益綜合值

評價對象的土地利用社會經濟效益(X)與生態環境效益(Y)的計算方法是兩系統元素分別乘以其相應的指標權重。計算公式如下:

式中:xi，yj分別為兩系統的元素;ai，bj分別為各元素的權重。

2.2 土地利用效益演化方程

鑒于土地利用社會經濟效益與生態環境效益間的相互耦合關系，可以把它們作為一個由兩種主導要素組成的復合系統。參照一般系統理論［11］，這個復合系統的演化方程可以表示為:

式中:VA，VB分別為兩個子系統的演化速度，整個系統的演化速度V可以看作是VA和VB的函數，當兩個子系統協調時，整個系統也是協調發展的。由于在整個復合系統中，A和B是互相影響的，任何一個子系統的變化都會導致整個系統的變化，因此，可以以VA，VB為控制變量，通過分析V的變化來研究整個系統以及兩個子系統間的耦合關系。

2.3 土地利用效益耦合模型

由于社會經濟效益系統的演化速度滿足組合S型發展機制，假定社會經濟效益演化的速度是周期性的，土地利用生態環境效益演化速度受社會經濟效益的影響也出現周期性［12］。在每個周期內，由于V的變化是VA和VB引起的，所以，可以在兩維平面(VA，VB)中分析V，以VA，VB為變量建立坐標系，則V的變化軌跡為坐標系中的一個橢圓(土地利用生態環境效益演化速度沒有社會經濟效益變化迅速，幅值偏小)。由圖2可知，V與VB的夾角α(耦合度)滿足:

式中:A，B分別為受自身與外界影響下土地利用社會經濟效益子系統與生態環境效益子系統的演化狀態;t表示年份。A與B互相影響，任一X或Y的變化，會導致A和B的變化;反之，A或B任一變化，都會導致X或Y的變化以及整個系統的變化。即任一要素的變化都依賴于其他所有要素，系統表現為一個整體。

在受到自身與外界的共同影響下，兩個子系統的演化速度可以表示為:

圖2 土地利用效益的耦合關系Fig.2 The coupling relationships of land use benefits

根據α的變化，可以確定整個系統的演化狀態，揭示土地利用社會經濟效益與生態環境效益協調發展的耦合程度，即耦合度(表1)。顯然，在一個演化周期內，整個系統將經歷低級共生(Ⅰ)、協調發展(Ⅱ)、極限發展(Ⅲ)、再生發展(Ⅳ)4 個階段［13］(圖2)。

表1 土地利用效益耦合關系判別Tab.1 The discrimination of the coupling relationship of land use benefits

3 指標體系

3.1 評價指標選取原則

為了準確、科學地評價土地利用社會經濟效益與生態環境效益，根據土地利用效益的定義，在選取評價指標時應遵循以下基本原則。(1)科學性原則:選取的指標要有科學性。(2)系統優化原則:要避免指標體系過于龐雜，以較少的指標較全面、客觀地反映土地利用的綜合效益，實現評價指標體系的總體最優。(3)可比性原則:在評價過程中，評價指標的內涵要盡可能地相同，使指標間有可比性。(4)可獲得性原則:選用的指標數據要具有可獲得性，而且來源要可靠。(5)精確性原則:選用的指標要盡可能地準確地反映出區域土地利用的效益。(6)動態性與前瞻性原則:選用的指標要能反映出土地系統的動態特征且能適應其變化。

3.2 評價指標體系

依據土地利用效益評價指標的選取原則，借鑒相關研究指標體系［14－17］，綜合考慮南京市社會經濟發展和土地利用特點，分別從社會、經濟、生態和環境4個方面選擇了20個指標建立指標體系(表2)。

表2 南京市土地利用效益綜合評價指標體系及權重Tab.2 The indexes and their weights of land use benefits in Nanjing City

3.3 數據來源

本研究數據主要來源于南京市統計年鑒(2000—2009)、南京市社會經濟與發展統計公報(1999—2009)、江蘇年鑒(2000—2010)及南京市環境統計資料。其中，景觀多樣性指數采用Gibbs-Mirtin多樣性指數對南京市景觀多樣性程度進行評價，公式為［18］:

式中:GM為多樣性指數;fi為第i種土地利用類型的面積;n為土地利用類型。

3.4 權重確定

本研究采用熵權法對各指標賦權。熵權法是一種客觀的賦權方法，根據各項評價指標的差異程度，確定各評價指標的權重。當評價對象在某項指標上的值相差較大時，熵值較小，說明該指標提供的有效信息量較大，該指標的權重也應較大;反之，若某項指標的值相差越小，熵值較大，說明該指標提供的信息量較小，該指標的權重也應較小。當各被評價對象在某項指標上的值完全相同時，熵值達到最大，這意味著該項指標未向決策提供任何有用的信息，可以考慮從評價指標體系中去除。熵值的具體計算方法詳見參考文獻［19－20］。

為了消除指標量綱或指標測度量級的不同而造成的影響，首先對指標數據進行無量綱處理。對正向指標和負向指標分別按下式標準化，即:

式中:xij為指標實際值;xij'為標準化后的值;i為指標個數，取值范圍為1～20;j為年份(1999—2009年)，相應取值為1～11;mi為第i個指標的最小值;Mi為第i個指標的最大值。其中，負向指標包括單位面積工業廢水排放量、單位面積工業廢氣排放量、單位面積工業固廢排放量、單位面積耕地化肥施用量;其余的為正向指標。

4 南京市土地利用效益耦合關系分析

4.1 土地利用效益

根據公式(1)、(2)計算得出南京市1999—2009年土地利用社會經濟和生態環境效益的綜合值(圖3)。由圖3可見，1999年以來，南京市土地利用社會經濟效益處于持續快速上升狀態，其綜合值介于0.036～1之間;土地利用的生態環境效益總體處于上升趨勢，期間略有波動，其綜合值介于0.225～0.750之間。

圖3 1999—2009年南京市土地利用效益演化曲線Fig.3 The evolving curves of land use benefits of Nanjing City in 1999—2009

4.2 土地利用效益的耦合度分析

分別將上述二曲線進行非線性擬合后，將所得方程用公式(4)計算得:

采用公式可求得1999—2009 年間的VA，VB，tan α和α的值(表3)。為了更清楚地反映南京市土地利用社會經濟效益與生態環境效益的耦合程度，根據表3繪出耦合度的演化曲線(圖4)。從圖4可以看出，自1999年以來，南京市土地利用社會經濟效益與生態環境效益的耦合度 α一直處于19.16°～70.65°之間，即處于協調發展階段。(1)1999—2002年，耦合度從 19.16°上升至49.53°，表明這一時期土地利用效益的耦合度向更好的方向轉化。2000年南京市國內生產總值首次突破1 000億元大關，進入全國18個GDP總量超1 000億元城市行列，同時，社會事業、社區建設、交通管理等方面工作卓有成效，人們生活水平繼續提高，社會經濟有了長足發展，人們開始關注土地開發利用中的生態和環保建設。同時，《南京市國民經濟和社會發展第十個五年計劃綱要》也提出，要實施一批環境建設和綜合整治重點工程，把南京建成一個布局較合理、綠視率較高、舒適度較好、城市生態功能顯著的國內先進園林城市，爭創“全國人居環境獎”，形成對國內外投資者有吸引力、對市民有凝聚力的城市新貌。在土地利用社會經濟效益不斷提高的同時，加大對生態環境治理的重點投入，使二者的耦合度在這一時期逐漸上升，土地利用效益耦合度達到最佳協調狀態。(2)2003—2009年，土地利用效益耦合度逐年上升，從 54.95°增至 70.65°，表面看這一時期土地利用效益的耦合程度有所降低。經過前一階段的調整，繼續走新型工業化道路，大力發展高新技術產業，產業結構不斷優化，同時，加大了“三城九鎮”建設力度，城鄉統籌發展的步伐加快，使得土地利用社會經濟效益迅速提高。在人口增長和產業集聚的雙重壓力下，南京市生態保護與環境治理工作取得了巨大成就，相繼完成了生態市建設規劃編制工作、生態縣建設啟動，新創建了21個綠色人居環境社區。建立了循環經濟清潔生產技術推廣中心，在揚子石化、金陵石化、南鋼集團等企業開展循環經濟試點工作，“綠色南京”建設成效顯著。但是由于隨著開放型經濟和社會事業不斷取得新成效，地鐵一號線、長江三橋等基礎設施的建設完善，社會經濟效益快速提升，生態環境效益發展速度落后于社會經濟效益的發展速度，導致耦合度逐年上升，二者趨向于不甚協調。

表3 1999—2009年南京市土地利用效益的發展速度與耦合度Tab.3 Coupling degrees and development speeds of land use benefits in Nanjing City

圖4 1999—2009年南京市土地利用效益耦合度演化曲線Fig.4 Evolving curve about coupling degrees of land use benefits in Nanjing City in 1999—2009

5 結論

(1)本研究運用熵權法確定土地利用效益各個指標的權重值，不僅減少了工作量，而且能做到每一個指標的客觀賦權，從而減少了人為因素的影響。在確定權重的過程中，將同一個評價指標的不同評價對象相結合來確定權重，既考慮了評價對象間的聯系，又削弱了異常值的影響，使評價結果更為準確、合理。

(2)本研究在分析土地利用社會經濟效益與生態環境效益耦合關系的基礎上，借助于系統科學理論與方法，建立起南京市土地利用社會經濟效益與生態環境效益之間的耦合模型和相應的指標體系，用耦合度來表達這兩種效益之間的協調關系與程度。結果表明:1999—2009年，南京市土地利用社會經濟與生態環境效益都處于上升狀態，前者持續快速上升，后者總體上升，略有波動。在這11年間，土地利用效益耦合度逐年上升，介于19.16°～70.65°之間，處于協調發展階段。

(3)盡管南京市土地利用社會經濟效益與生態環境效益之間的耦合處于協調發展水平，但是由于經濟的持續增長和城市化進程的快速推進，使得土地利用效益間的矛盾依然存在。所以，改變傳統的土地利用模式，提出環境友好型土地利用模式，協調土地利用與生態環境建設已成為土地資源管理的迫切需要。否則，滯后的生態環境建設將會阻礙、限制社會經濟的發展，最終導致耦合系統整體惡化。

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