廣西城市土地集約利用與生態文明建設耦合時空分異

林樹高, 陸汝成, 葉宗達, 包博建, 韋千桃

(1.南寧師范大學 自然資源與測繪學院, 南寧 530001; 2.廣西壯族自治區自然資源生態修復中心, 南寧 530022)

土地資源是社會經濟活動的載體，伴隨傳統工業化和城鎮化的發展出現了城市土地利用結構失衡、利用效率偏低和城市生態環境破壞等系列問題，土地利用集約化未能與城鎮化過程同步發展，而且追求精明增長的發展目標也尚未實現[1]，隨著國家新型城市化規劃的各項措施紛紛落地，中國城市土地開發利用由傳統外延式擴張轉向內涵式挖潛提升階段[2]。然而，生態文明建設作為破解城市開發建設引發系列生態環境問題的重要抓手，黨的十八大以來，中國社會經濟發展牢固樹立生態文明理念，把大力推進生態文明建設上升到國家層面并列入國家相關發展規劃[3]，黨的十九大之后，把建立國土空間規劃體系并監督實施作為統籌推進國土空間開發和生態文明建設的重要舉措。因此，促進土地集約利用與生態文明建設協同發展對發揮土地利用乘數效應和建設資源節約型、環境友好型的城市社會尤其重要。在建設美麗中國的時代背景下，區域城市土地集約利用與生態文明建設的關系是城市地理學、城市生態學和現代城市問題研究的重點。目前，學者對城市土地集約利用和生態文明建設進行了較為廣泛的研究。在國外，注重城市化與生態環境之間的耦合研究[4]，主要基于可持續發展理論探討了城市土地集約利用的途徑和評價指標體系，并結合“精明型增長”、“緊湊型發展”和“內填型開發”的城市開發建設模式開展了深入研究[5-6]。在中國，對于城市土地集約利用與生態環境耦合的已有研究多聚焦于探究兩者的相互作用機理和效益評價[7]、城市土地集約利用與新型城鎮化發展[8-9]、城市土地集約利用與生態效率[10-11]及人口、土地和產業[12]之間的耦合水平和時空演變規律，研究對象涉及市域[13]、城市群[14]和省域[15]。總體來看，基于省域的相關文獻多以下轄市全域為例，并側重時間維度下的截面分析，缺乏連續定量和動態空間尺度上的探討，而在生態文明理念指導和新型城市化發展對土地要素開發利用的要求下，建立城市土地集約利用與生態文明建設評價指標體系，分析兩者的耦合協調性和相對發展狀態方面的研究鮮有涉足。鑒于此，擬通過構建廣西城市土地集約利用和生態文明建設評價指標體系，基于TOPSIS模型測度兩個子系統發展水平，采用耦合協調度模型及地理信息技術分析兩者之間的耦合協調水平、發展狀態和時空分異特征，以期為探究“壯美廣西”可持續發展路徑提供借鑒。

城市土地集約利用與生態文明建設耦合協調發展是指具有相互促進、相互制約和相互影響的動態耦合關系的土地集約利用與生態文明建設兩個子系統之間通過相互作用實現協同、均衡發展，從而達到城市社會生產高效、生活適宜、生態文明和可持續發展的最優效果[14]。首先，在適度的人力、資本和資源要素投入下，提高土地利用程度，提升土地利用效率，實現城市土地集約利用，促進經濟增長，為生態文明建設提供經濟基礎，從而加大對生態環境治理投入，提高生態承載力，減少生態壓力，推動生態文明建設；生態文明建設水平越高，越有利于吸引投資要素，增加城市資本，促進土地集約利用水平。其次，當片面強調土地集約利用時，大量人口和投資要素向城市集聚，將迫使城市支撐能力、環境承載能力和公共服務供給能力受到嚴峻挑戰，直接導致人口擁擠、交通擁堵和生態環境惡化等城市問題，制約生態文明建設；反之，若僅關注生態文明建設，忽視土地開發利用，也將出現城市人均建設用地面積居高不下、資源浪費和土地投入產出效率失衡等問題，抑制城市土地集約利用[14]。因此，推進土地集約利用和生態文明建設伴隨著城市化進程的兩大基本子系統耦合協調發展，是提高區域可持續發展水平，實現新型城市化發展的關鍵措施。

1 研究區概況

廣西屬于典型的喀斯特地區，是西部生態脆弱省份之一，位于東經104°26′—112°04′，北緯20°54′—26°24′，與廣東、湖南、云南和貴州省交界，鄰北部灣與海南省隔海相望，與越南接壤，是中國延邊沿海省份之一。廣西下轄南寧、桂林等14個地級市，國土總面積達23.76萬km2，管轄北部灣海域面積約4萬km2，陸域面積中，山地、丘陵、石山和臺地占76.01%，平原占20.63%，水域占3.36%，素有“八山一水一分田”之稱。2017年末，廣西總人口約5 600萬人，城鎮化率為49.21%。近年來，廣西經濟社會快速發展，2008—2017年，GDP年均增長率為12.31%；一二三產業結構占比連年優化，由20.65∶43.34∶36.01調整為10.28∶45.58∶44.14；城市建設用地面積年均增幅達5.91%；區域生態環境日益受到重視，森林覆蓋率提高了8.11%。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本文所用的社會經濟發展數據來源于廣西統計局發布的2009—2018年《廣西統計年鑒》，城市用地面積源自同期住房和城鄉建設部發布的《城市建設統計年鑒》，生態環境數據摘自同期國家統計局和生態環境部發布的《中國環境統計年鑒》，對于缺失的個別年份數據通過相關城市的《統計公報》和《政府工作報告》補充或利用等比法進行補齊。

2.2 研究方法

2.2.1 評價指標體系及權重確定 構建符合地方實際和具有代表性的評價指標體系是正確分析耦合協調水平的前提。目前，學者多從土地投入、產出和效率等[16]方面分析土地集約利用狀況，生態文明建設則從生態環境本底、生態破壞程度和生態環境保護等方面開展評價[17]。當前，國家出臺指導地方城市建設的意見和政策，均把建成區人口密度、城市發展和經濟規模、產業結構、城市居民生活水平以及公共基礎設施密度作為測評城市土地集約利用情況的主要指標，把水土資源開發、環境保護投入和應對氣候變化等指標納入生態環境保護績效考核。因此，立足子系統相互關系，遵循系統性、代表性和可得性原則，在篩選國內學者相關研究中使用頻度較高的評價指標基礎上，結合廣西城市土地利用狀況和自然生態本底特征，分別以土地集約利用和生態文明建設兩個系統層構建耦合評價指標體系，各系統層包括3個準則層和12個指標層。其中，土地集約利用系統層中，選取人口密度、地均投資情況等復合指標表征土地投入水平，選取人均建設用地面積和公共設施密度等指標表示土地利用程度，選取城市居民生活收入水平和地均經濟效益等指標反映土地利用效率；生態文明建設系統層中，選取能源投入產出效率和城市生態環境設施等復合指標表征生態文明要素，選取資源消耗和工業生產排放量等指標表示生態文明建設面臨的壓力，選取生態建設投入和成效等指標反映生態文明治理情況。

科學確定評價指標權重是準確測度耦合協調水平的關鍵。目前，學者主要采用主客觀的方法確定指標權重，為避免人為因素和單一方法確定權重的偶然性對耦合協調水平測度帶來的影響，對數據進行標準化后同時采用客觀方法中的熵權法、均方差法和變異系數法綜合確定評價指標權重，結果見表1。

表1 廣西城市土地集約利用與生態文明建設耦合協調評價指標及權重

2.2.2 TOPSIS模型 TOPSIS模型是一種基于多目標的綜合評價方法，被廣泛應用于區域經濟、資源與環境的研究中[18]，利用TOPSIS模型測度研究區各地級市的城市土地集約利用與生態文明建設綜合評分。為消除不同性質評價指標之間差異，采用極差法對原始數據作歸一化處理，計算公式如下：

(1)

(2)

式中：xij，xijmax與xijmin分別為原始數據及其同項指標數據中的最大值和最小值；Uij為標準化后數據，Uij∈[0,1]。基于歸一化數據，計算各指標距離正負理想的加權距離和各城市評價結果與最優方案的貼近度，計算公式如下：

(i=1，2，…，n;j=1,2,…,m)

計算工況：靜力計算按照旁多心墻壩分期施工的填筑順序，自底向上模擬施工填筑的過程。填筑完成后模擬兩級蓄水的過程。動力計算模擬穩定滲流時的正常運行期間遭遇9級地震的情況。計算方案及工況見表1。

(3)

(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)

(4)

(5)

2.2.3 耦合協調度模型 鑒于兩個子系統既相互獨立又彼此影響，為避免兩者發展差異出現“雙低”而耦合度卻較高的現象，通過構建兩者耦合協調度模型，用于分析兩者之間的耦合協調水平，計算公式如下：

(6)

T=αf(x)+βg(x)

(7)

(8)

式中：C為系統耦合度，C∈[0,1]，C值越接近于1表示系統耦合度越高；T為系統協調指數；D為系統協調度，D∈[0,1]，D值越高表示系統協調水平越好；α，β為待定系數，α+β=1，用于表示土地集約利用與生態文明建設對于廣西城市發展的重要程度，基于可持續發展理念，本研究認為兩者對廣西城市發展同等重要，故α和β取值均為0.5。參照已有研究成果[19-20]，結合研究區實際，將系統協調度分為嚴重失調(0≤D<0.2)、輕度失調(0.2≤D<0.4)、低度協調(0.4≤D<0.6)、中度協調(0.6≤D<0.8)和高度協調(0.8≤D<1.0)5個等級。

2.2.4 相對發展度模型 為探究系統協調發展制約因素提供依據，引入相對發展度模型(Ei)分析兩個子系統相對發展狀態，計算公式如下：

Ei=f(x)/g(x)

(9)

式中：Ei為相對發展度，當Ei=1時，表明兩個子系統達到最高水平的同步發展。參照已有研究成果[14]，結合地方實際，依據相對發展度大小，將兩個子系統劃分為土地集約利用滯后于生態文明建設發展(Ei<0.9)、土地集約利用與生態文明建設同步發展(0.9≤Ei≤1.1)和土地集約利用超前于生態文明建設發展(Ei>1.1)3種狀態。

2.2.5 空間自相關分析 基于耦合協調度計算結果，采用Arc-GIS空間統計工具中的全局莫蘭指數(Moran′sI)分析研究區各市之間城市土地集約利用與生態文明建設協調性的空間關聯性和差異特征[21]，計算公式如下：

(10)

3 結果與分析

3.1 綜合發展水平分析

2008—2017年，廣西各市城市土地集約利用綜合評分總體呈上升趨勢，近年來，廣西在《國家新型城鎮化規劃》和《廣西壯族自治區主體功能區規劃》以及土地節約集約利用政策指導下，通過土地資源領域供給側結構性改革，優化城市用地布局、規范城市土地供應和盤活閑置城市土地等措施，控制城市發展規模，提高土地投入產出比，降低土地消耗程度，促進各市城市土地集約利用。由圖1A可知，廣西各市城市土地集約利用綜合評分波動明顯，市際差異先擴大后逐漸收窄，從各市土地集約利用綜合評分來看，柳州、北海和玉林市綜合評分較高，主體功能區規劃將以上3市列為國家層面和自治區層面上的重點開發區域，在產業發展和空間環境等方面占有較大優勢，是城市投資要素集聚區，土地集約利用水平較其他城市高；河池和百色兩市是廣西喀斯特地貌出露面積最大的城市，普遍存在建設用地與耕地保護、產業轉型與土地供給多種用地矛盾問題，土地集約利用水平較低；此外，就城市土地集約利用綜合評分增長速度來看，玉林市增長速度最快，年均增速為8.70%，尤以2011—2015年期間增長最為明顯，主要是因該市地均二三產業增加值、地均GDP和地均公共預算收入大幅提升，使得土地集約利用水平迅速提高，貴港和北海次之，而增長速度最慢是來賓市，年均增速僅有3.80%，在2014—2016年由于地均二三產業增加值等單項指標值不高一度出現增長停滯現象，提高城市土地利用效率是該市實現可持續發展的艱巨任務。

圖1 廣西各市城市土地集約利用和生態文明建設綜合評分

研究期內，廣西各市生態文明建設綜合評分均呈波動式上升，近年來，廣西以建設生態文明示范區為契機，推進生態文明體制改革，轉變以環境換經濟的傳統發展方式，把“生態立區，綠色發展”理念貫穿經濟社會發展各個領域，生態文明建設水平明顯提高。由圖1B可知，由于前期經濟刺激政策效應影響，廣西各市生態文明建設綜合評分在2010—2014年出現集體性的上升或下降。2017年，生態文明建設綜合評分最高是賀州市，達到0.796，較2008年提高了0.529，賀州市以打造世界長壽之鄉為契機，著力提高建成區綠化覆蓋率，人居環境大幅改善，城市生態文明建設成績顯著；生態文明建設綜合評分最低是北海市，為0.540，研究期內北海市綜合評分在2014年達到峰值，之后出現倒退，原因是近年北海市重點發展臨港工業，導致區域工業廢水和工業粉塵排放量增加，城市生態環境惡化。從生態文明綜合評分增速來看，玉林市增長速度最快，年均達20.38%，防城港市綜合評分增速最低，年均僅為1.60%；按區域來看，以發展現代農業和外向型經濟為重點的桂東地區生態環境恢復較快，生態文明建設綜合評分快速提高，以發展港口經濟、海洋產業為重點的桂南地區評分較低且增速慢，表明該地區個別城市在加強土地集約利用的同時未與生態文明建設實現協調發展，保障生態可持續發展壓力較其他地區更大，今后仍需加大企業污染物排放管控、治理和自然生態修復工作力度。

3.2 耦合協調發展分析

從耦合協調度的變化時序上看，研究期內廣西城市土地集約利用與生態文明建設耦合協調度顯著提高，選取4個截面年份的耦合協調度均值分別為0.596，0.686，0.756，0.795(表2)，耦合協調發展水平呈優化趨勢。近年來，廣西堅守“生態與發展”底線，加大石漠化地區生態環境治理和生態基礎設施建設，積極發展生態經濟，拓寬生態建設與經濟發展同步推進的可持續發展之路，促進城市土地集約利用與生態文明建設協同發展。各市耦合協調度提升幅度差異明顯，可分為以下3個梯度：ΔD>0.3，玉林市，耦合協調度增幅最高，年均達6.96%，表明其耦合協調發展水平優化最明顯；0.2<ΔD≤0.3，包括柳州、梧州、貴港、來賓和賀州市；ΔD≤0.2，包含南寧、桂林、北海、防城港、欽州、百色、河池和崇左市，其中防城港市最小，為0.126，年均增速僅有2.01%，桂林市是國際旅游勝地，生態環境基礎較好，加上近年來社會經濟平穩發展，故其耦合協調度變化不明顯，百色和河池兩市是深度貧困人口聚集區，隨著異地扶貧搬遷安置工作持續發力，大量農村人口涌向城市地區，社會經濟發展空前繁榮，土地集約利用水平顯著提高，但城市在快速發展過程中，因受制于生態資源本底和未能充分顧及生態環境建設，導致城市生態基礎設施建設滯后，生態環境承載壓力持續加大，生態文明建設成效較土地集約利用水平低，兩者耦合協調性優化程度不高，其余各市是北部灣經濟區主要城市，在《廣西北部灣經濟區發展規劃》批復實施后，一直處于密集的開發建設中，以犧牲一定生態環境為代價的城市土地集約利用水平得到提升，區域自然生態環境的先天優越性不再顯著，加快推進生態文明建設工作被擺在更加突出的位置。

從耦合協調類型的空間演變上看，2008年，百色、河池、來賓、貴港、梧州、賀州和玉林等市處于低度協調發展階段，主要是因該時期以上各市土地利用相對粗放，生態環境治理成效較低，導致土地集約利用水平和生態文明建設綜合評分出現“雙低”，耦合協調程度處于較低水平，其余各市均為中度協調發展型，兩種類型城市各占地級市總數的50.00%；2017年，南寧、桂林、梧州、北海、防城港、欽州、河池、百色和崇左等市屬于中度協調發展階段，占地級市總數的64.28%，柳州、來賓、貴港、玉林和賀州市為高度協調發展類型，占地級市總數的35.72%。研究期內，廣西兩個子系統由低度協調發展邁向中度協調發展，各市由中低度協調發展轉向中高度協調發展，同時，各市的協調發展水平地域層次性差異顯著：2008年北部灣經濟區和桂北部的協調發展水平相對較高，桂西和桂東部協調發展水平較低，耦合協調類型呈典型的“X”型地域分布特征；2017年整體上以“桂北—桂東”為中心的協調發展度“高值區”明顯高于其他地區，耦合協調類型呈近似“Ш”型分布。耦合協調類型的空間格局演變是由各市土地集約利用水平和生態文明建設成效之間的差距所致，與各地區實施的經濟發展、土地利用和環境保護政策息息相關(圖2)。

表2 廣西各市耦合協調度與相對發展度測度結果

圖2 廣西各市耦合協調發展類型空間分布

3.3 相對發展類型分析

城市土地集約利用與生態文明建設相對發展度可描述兩個子系統在耦合協調發展過程中的相對發展狀態，是子系統協調發展優化程度的具體表現，反映各市在土地利用效益和生態環境保護成效之間的差異，對于診斷城市問題和精準制定調控措施有參考意義。從時間上看，廣西城市土地集約利用與生態文明建設相對發展呈現逐步均衡趨勢，2008年、2011年、2014年和2017年相對發展度平均值分別為1.076，1.031，0.971，0.981，逐漸接近于1，表明廣西在提升城市土地集約利用水平的同時，注重生態文明建設，區域生態環境質量總體提高(表2)。研究期內各市相對發展度變化顯著、差異突出，可劃分為3個梯度：ΔEi>1.0，包括玉林市，2008年玉林市相對發展度最高，達到2.255，2017年為0.990，年均降幅達9.70%；0.5<ΔEi≤1.0，包括來賓和賀州市，相對發展度變化量均為0.671；0.5≤ΔEi，包括南寧、柳州、桂林、梧州、北海、防城港、欽州、貴港、百色、河池和崇左市，其中梧州市變化值最小，僅為0.01。研究期內，大部分地區相對發展度變化幅度較低，表明廣西在動態調控兩者發展中逐漸縮減發展差距，城市土地集約利用與生態文明建設同步發展成為主流趨勢。

從相對發展類型的空間分異來看，廣西城市土地集約利用與生態文明建設由瀕臨土地集約利用超前于生態文明建設發展轉向兩者高水平同步發展。2008年南寧、桂林、防城港和欽州市屬于土地集約利用滯后于生態文明建設發展型，占地級市總數的28.57%，表明以上4市土地集約利用水平與生態文明建設成效存在“一低一高”現象，南寧以“綠城”著稱，桂林“山水甲天下”享譽中外，防城港和欽州市同屬濱海城市，具有較好的生態資源本底和生態系統建設條件，加上此時期南寧、防城港和欽州市正處快速發展起步階段，尚無大型工業污染企業，而桂林市一直致力于旅游業發展，土地集約利用水平變化不顯著；柳州、梧州、北海、貴港、百色、河池和崇左市屬于土地集約利用與生態文明建設同步發展型，占地級市總數的50.00%；玉林、來賓和賀州等市屬于土地集約利用超前于生態文明建設發展型，占地級市總數的21.43%。過去10 a間，大部分城市實現了土地集約利用與生態文明建設優化升級發展，2017年，南寧、柳州、桂林、梧州、防城港、欽州、貴港、玉林、河池和崇左市屬于土地集約利用和生態文明建設同步發展型，占地級市總數的71.43%，相較2008年提升了21.43%，表明在以主體功能區規劃為代表的規劃引導和土地集約利用與生態文明建設政策驅動下，廣西土地集約利用與生態文明建設工作取得重大突破，進一步厚實區域可持續發展基礎；百色、來賓和賀州市屬于土地集約利用滯后于生態文明建設發展型，占地級市總數的21.43%，以上3市下一步仍需強化城市內部土地開發，著力加大地均固定資產投資，加強公共設施建設，優化城市開發建設布局，促進兩個子系統同步發展，增強新型城市化水平；北海市屬于土地集約利用超前于生態文明建設發展型，占地級市總數的7.14%，近年來北海市經濟快速發展，GDP增速多年位列全區前三，土地利用強度不斷提升，研究期內北海市城市土地集約利用相比于生態文明建設先后經歷了“同步—滯后—同步—超前”4個發展階段，今后需加大生態文明建設力度，實現兩者同步發展(圖3)。

圖3 廣西各市相對發展狀態空間分布

3.4 空間自相關分析

通過ArcGIS 10.5軟件計算2008年、2011年、2014年和2017年各市耦合協調度的Z值(表3)均未通過顯著性檢驗(基于5%顯著性水平，Z5%=1.960)，表示系統耦合協調度處于弱相似性隨機分布狀態，Moran′sI由正值轉為負值且逐漸減小，說明耦合協調度空間分布由集聚演變為趨異，相鄰城市差異不斷擴大，表明廣西在平衡區域城市土地集約利用與生態文明建設發展，協同提高城市可持續水平等方面仍面臨巨大壓力。

表3 廣西各市耦合協調度Moran′s I指數

進一步運用空間自相關方法，分析2008年和2017年各市耦合協調發展的空間分布聚類格局。由圖4可知，各類型空間分布格局存在不穩定性，具體來看，2008年各市的耦合協調度呈現較為明顯的空間分布差異，防城港市屬于“H—H”型，其自身和周邊地級市的協調度都較高；貴港市和梧州市屬于“L—L”型，其自身和周邊地級市的協調度都較低；兩種類型城市占地級市總數的21.43%，呈現較弱的空間自相關性，空間上表現為組團分布，其余78.57%的區域為“N—S”型，在空間上隨機分布。相較于研究基期，2017年貴港市退出“L—L”型，轉變為“N—S”型，梧州和桂林市分別由“L—L”型和“N—S”型轉為“L—H”型，表現為空間負相關，其自身協調度較低而周邊城市協調度較高，85.71%的城市屬于“N—S”型，沒有明顯集聚特征，空間差異增強。下一步，應制定差異化的城市土地集約利用和生態文明建設政策，統籌推進兩者發展，縮小中度協調發展型與高度協調發展型城市之間的地域差異，激發正向集聚效應，達到全面高度協調發展。

圖4 廣西各市協調度空間集聚格局

4 結 論

(1) 廣西城市土地集約利用和生態文明建設綜合評分逐漸提高，但部分城市在推進兩者發展中仍有差異。廣西各市間土地集約利用效益較生態文明建設成效的差異更為顯著，發展速度較快的桂東南和發展速度相對較慢的桂西北城市分別面臨著城市用地污染嚴重的土地利用轉型和用地結構不合理問題；同時，71.43%的地級市實現了土地集約利用與生態文明建設同步發展，但北海、百色、來賓和賀州仍存在土地集約利用水平相對超前或生態文明建設不足等問題，兩者的不平衡發展具有加重趨勢。統籌推進城市低效用地整治再開發和自然生態修復工作是實現城市土地集約利用與生態文明建設高水平協調發展的重要路徑。

(2) 廣西城市土地集約利用與生態文明建設耦合協調程度由中低水平邁向中高水平，并以中度協調發展型為主，高度協調發展型城市數量逐漸增多，兩個子系統耦合水平持續上升。耦合協調類型城市空間分布由“X”型轉向近似“Ш”型，耦合協調度相對較高的城市由片狀分布走向線性排列的空間演變特征，以“桂北—桂東”為中心的耦合協調度“高值區”高于其他地區，發展速度較快的北部灣經濟區和發展相對較慢的桂西部耦合協調水平總體偏低，且優化趨勢不明顯，其城市土地集約利用與生態文明建設的穩定性有待提高，正確處理城市發展過程中土地利用效益和生態環境保護的突出問題已是推進新型城市化建設和實現區域可持續發展的關鍵。

(3) 廣西各市城市土地集約利用與生態文明建設耦合協調度Moran′sI指數由正值轉為負值并逐漸減小，協調度呈現弱相似隨機分布狀態，相鄰城市間的差距逐漸擴大，空間集聚效應不斷減弱。防城港和貴港市分別由“H—H”型和“L—L”型轉為“N—S”型；梧州和桂林市則分別由“L—L”型和“N—S”型轉為“L—H”型，成為區域極化的“主戰場”；大部分城市屬于“N—S”型，即集聚或分異效應不明顯。