山東省縣域土地利用多功能時空演變及影響因素

孫進，張全景，王世清

（1.曲阜師范大學地理與旅游學院，山東日照 276826；2.日照市國土空間規劃與生態建設重點實驗室，山東日照 276826）

近年來，隨著城市化與工業化進程的持續推進，我國土地利用方式和土地利用格局變化顯著，土地資源的稀缺性日益顯現［1］，各種土地利用類型之間的爭奪與沖突日趨激烈［2］，不合理的用地結構導致資源環境沖突形勢也變得越來越嚴峻［3，4］。隨著黃河流域生態保護和高質量發展上升為國家重大戰略，以及我國首個新舊動能轉換綜合試驗區的建設推進，山東省的創新發展、綠色發展和生態保護得到高度重視，土地利用的功能多樣化迎來良好發展契機。基于土地資源狀況、國情需要、國家戰略等多方形勢需要的背景下，土地利用功能也呈現出多樣化趨勢。因此，開展土地利用多功能研究能夠為當前形勢下科學指導土地管理、協調各類用地的關系提供理論支持和經驗借鑒。

土地利用多功能性的概念最早源自國際上對農業、生態系統服務和景觀功能的研究。2004 年啟動的全球土地計劃（GLP）支持的歐盟第六框架計劃下的SENSOR 項目提出了土地利用多功能性的概念，并應用于區域可持續性評價［5］。此后，國外學者聚焦于土地利用多功能性綜合評價［6］，探究不同土地利用政策對土地利用多功能的影響［7，8］。國內學者從土地利用多功能性的概念界定與分析框架［9］、識別與分類［10－12］、可持續性評價［13］、時空演變特征分析［14，15］、權衡與協同［16－18］、影響因素探究［19］等方面展開。多數研究在評價尺度上以國家、省、市為主，而以縣域為評價單元進行區域時空演變特征的研究則相對較少。本文以山東省為例，綜合運用GIS 空間分析、地理探測器等方法模型分析了2005—2018年縣域尺度上土地利用多功能性時空演變特征及影響因素，為土地資源優化配置和可持續利用提供科學參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

山東省地處我國東部沿海地區，位于黃河下游、京杭大運河的中北段處，介于114°47′—112°42.3′E、34°22′—38°24′N 之間，全省國土總面積約15.71 萬km2（圖1）。境內地形地貌差異明顯，東部的山東半島主要為起伏和緩的波狀丘陵區；西部和北部多為黃河沖積平原，地勢相對低洼平坦；中部則主要為魯中南山地丘陵區。山東省地處北溫帶半濕潤季風氣候區，四季分明、雨熱同期、水系發達，境內河流分屬淮河、黃河、海河三大流域，山東半島獨流入海水系。2020年，山東省地區生產總值73129.0 億元，三次產業結構調整為7.3 ∶39.1 ∶53.6。

圖1 山東省研究區行政區劃

1.2 數據來源

數據來源：①社會經濟數據主要來源于《中國縣域統計年鑒》（2006—2019 年）、《中國區域經濟統計年鑒》（2011 年）、《山東統計年鑒》（2006—2019 年）、各縣域統計年鑒與統計公報，個別年份存在統計數據缺失，則按照年均增長率推算得出。②水域面積、林地面積、區域總面積等數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心（http：//www.resdc.cn/）對應年份的山東省土地利用現狀圖（2005 年、2010 年、2018年）。

2 研究方法

2.1 土地利用多功能測度方法

指標體系構建：本文借鑒國土空間“三生”功能理論［20］，從山東省農業種植、社會經濟發展、生態環境保護現狀等實際情況出發，將土地利用功能區分為生產功能、生活功能、生態功能3 類，并基于以上3 個維度，選取相應指標構建山東省土地利用多功能性評價指標體系（表1）。

表1 山東省土地利用多功能性評價指標體系

指標權重確定：首先，運用極差標準化方法對原始數據進行去量綱化處理。計算公式為：

式中，Xij為第i年的第j 項指標值；maxXj、minXj分別為研究期內第j 項指標的最大值和最小值；Zij為第i年第j項指標的標準化值。

其次，運用均方差決策法確定指標權重。

第一步，計算指標標準化值Zij的均值Ej：

第二步，計算指標標準化值Zij的均方差值σj：

第三步，計算各指標權重Wj：

土地利用功能測度：本文運用線性加權法計算了各準則層和目標層的土地利用功能值，計算公式為：

式中，Fi表示評價單元i的土地利用功能值。

2.2 地理探測器

地理探測器是探測空間分異性，揭示其背后驅動因子的一種統計學方法［21］。本文運用地理探測器中的因子探測模塊分別探測了各功能指標對土地利用多功能時空分異的解釋程度，用q值表征，表達式為：

式中，h為對因變量或自變量的分級數；L 為各分級區域的個數；N和Nh分別為全區和第h 級的單元樣本數；和σ2分別為第h 級和全區的土地利用總功能值的方差；q的分布區間為［0，1］。

3 結果及分析

3.1 土地利用總功能時空演變特征

采用地統計分析（Geostatistical Analyst）模塊中的趨勢分析工具（Trend Analysis Tool）分析山東省縣域土地利用多功能值時空分異的總體格局特征及趨勢，結果見圖2。從圖2 可見，2005—2018 年山東省縣域東西方向總體上地域差異不顯著，呈由西至東土地利用多功能水平緩慢上升的分布格局，空間形態呈現為一條坡度變化平緩的曲線，且差距逐漸縮小。研究區域南北方向總體呈現中部高、南北低的倒“U”型空間格局，地域差異較東西方向顯著。

圖2 2005—2018 年山東省土地利用多功能水平趨勢研究

從圖3 可見，2005—2010 年山東省土地利用總功值明顯上升，高水平和較高水平分布區明顯增多，低水平分布區則明顯減少。其中，高水平分布區由2005 年的泰安中心城區、張店區、青島中心城區3個增至2010 年的濟南中心城區、煙臺中心城區、青島中心城區等7 個區縣；處于較高水平的分布區由2005年的濟南中心城區、滕州市、博山區等12 個區縣增至2010 年的龍口市、榮成市、平度市等25 個區縣。與2005 年相比，魯西南的單縣、菏澤中心城區、鄆城縣等，魯西北的陽谷縣、冠縣、臨清市等和魯中地區的昌樂縣、安丘市、沂水縣等眾多區縣由低水平功能區轉變為較低水平及中等水平分布區，魯西北的武城縣、平原縣、陵城區等、魯東的蓬萊區、文登區、黃島市、日照中心城區等區縣由較低水平轉為中等水平和較高水平。

圖3 2005—2018 年山東省土地利用總功能時空分異

從圖3 可以發現，2018 年山東省土地利用總功值與2010 年相比有了明顯提高，高水平與較高水平分布區明顯增多，較低水平與低水平分布區明顯減少。其中，2010—2018 年山東省土地利用多功能性高水平分布區由點狀分布轉變為面狀分布，形成了四大面狀高水平集聚區，分別包括以泰安中心城區與濟南中心城區為核心的岱岳區、章丘區、萊蕪區等9個區縣，以張店為核心的臨淄區、周村區、桓臺縣等7 個區縣，榮成市、威海中心城區、文登區3 個區縣，龍口市、蓬萊區、煙臺中心城區3 個區縣。另外，還包括滕州市、棗莊中心城區、城陽區、青島中心城區、黃島區等較為零散的高水平點狀分布區。2018年山東省土地利用多功能性較高水平分布區與2010年相比，片狀集聚分布明顯，魯東地區形成了由東北向西南延伸呈面狀分布的較高水平集聚區。此外，在魯西南的菏澤中心城區、鄆城縣、鄄城縣等區縣，魯西北的武城縣、寧津縣、陵城區、平原縣等區縣、魯中的寧陽縣、曲阜市、兗州區等區縣也形成了較小范圍的較高水平集聚區。2018 年較低水平與低水平分布區與2010 年相比則明顯減少。其中，2018年低水平分布區僅剩余微山縣，較低水平分布區僅剩余無棣縣、沾化區、夏津縣、山亭縣等15 個區縣，其他均轉變為較低水平和中等水平分布區。中等水平分布區呈現出減少的趨勢，其中新增中等水平分布區主要來自于冠縣、曹縣、郯城區、樂陵市等低水平、較低水平分布區，減少的中等水平分布區主要提升至蓬萊區、乳山市、牟平區、定陶區等高水平及較高水平分布區。

3.2 土地利用單項功能時空演變特征

生產功能時空演變特征：從圖4 可見，2005—2010年較高水平分布區及低水平分布區變化較大，與2005 年相比，2010 年山東省土地生產功能低水平分布區僅剩余淄川區和博山區兩個區縣。2018 年高水平分布區數量與2010 年相比未發生變化，其中新泰由較高水平轉為高水平分布區，臨淄區由高水平分布區轉為較高水平分布區。2005—2010 年山東省土地生產功能中等水平分布區轉入與轉出并存，新增中等水平分布區主要來源于慶云縣、沾化區、墾利區等較低水平、低水平分布區，減少的中等分布區主要轉化為郯城區、乳山市、單縣等較高水平與高水平分布區；2010—2018 年高水平分布區由7 個增加到9 個，其中，棲霞市、青島中心城區、蘭陵縣、陽谷縣等區縣由較高水平分布區轉變為高水平分布區，肥城市由高水平分布區轉變為較高水平分布區。2018年低水平分布區的區縣數目由2010 年的2 個增加至3 個，沂源縣由中等水平轉化為低水平。2010—2018 年，較高水平、中等水平與較低水平分布區轉入與轉出并存，與高水平和低水平分布區相比變化較大。

圖4 2005—2018 年山東省土地生產功能時空分異

生活功能時空演變特征：從圖5 可見，2005—2010年山東省土地生活功能時空變化差異顯著，以低水平與較低水平、低水平與中等水平之間的變化為主。高水平和較高水平呈零星分布，其中，2010年高水平分布區由2005 年的5 個轉化為2010 年的15 個，主要來自于濟南中心城區、濱州中心城區、臨沂中心城區等較高水平、中等水平分布區。2010 年低水平分布區與2005 年相比大面積減少，主要轉化為日照中心城區、莒南縣、冠縣等較低水平、中等水平分布區。2005—2010 年中等水平分布區顯著增加，這一時期中等水平分布區的轉入與轉出并存，新增中等水平分布區主要來自于低水平、較低水平分布區，減少的中等水平分布區主要轉為了較高水平、高水平分布區；2010—2018 年山東省土地生活功能較高水平分布區顯著增加，呈片狀分布，形成了魯西南定陶區、曹縣、巨野縣等區縣，魯中鋼城區、萊蕪區、廣饒縣、壽光市等區縣，魯東日照中心城區、諸城市、莒縣等區縣，魯西北武城縣、寧津縣、平原縣等區縣四大面狀分布區。相較于2000 年2018 年低水平分布區明顯減少，僅剩余沂源縣一個區縣，與2010年相比，2018 年較低水平、中等水平分布區均呈現減少的趨勢，向高水平、較高水平轉化明顯。2018年，山東省生活功能高水平分布區明顯增多且形成了小范圍集聚的面狀分布。

圖5 2005—2018 年山東省土地生活功能時空分異

生態功能時空演變特征：從圖6 可見，2005—2010年山東省土地生態功能與其他功能區相比變化較小，高水平分布區由2005 年的2 個增加至2010年的4 個，淄川區和威海中心城區由較高水平轉為高水平分布區。2010 年較高水平分布區由2005 年的12 個增加至14 個，其中，淄川區、威海中心城區由較高水平轉為高水平分布區，東營中心城區、昌邑市、文登區、臨朐縣等區縣由中等水平轉化為較高水平分布區。2010 年低水平、較低水平和中等水平分布區轉入與轉出并存，與2005 年相比數目變化較小；2010—2018 年山東省土地生態功能與2005—2010 年相比時空分異變化較為顯著。2018 年高水平分布區顯著增多，由2010 年的4 個增加至9 個，且在魯東地區的煙臺中心城區、牟平區、威海中心城區出現了小范圍的面狀分布。2010—2018 年低水平分布區顯著減少，僅剩余慶云縣、金鄉縣、滕州市、嶧城區等4 個區縣。2018 年較高水平分布區在魯中地區出現面狀分布，費縣、平邑縣、岱岳區等較低水平和中等水平分布區轉化為較高水平分布區。2018年較低水平和中等水平分布區與2010 年相比均有所增加，主要來源于單縣、陽谷縣、萊陽市等低水平分布區。

圖6 2005—2018 年山東省土地生態功能時空分異

3.3 山東省土地利用多功能時空演變的驅動因素

本文根據山東省縣區尺度土地利用單項功能及指標，并基于ArcGIS10.2 平臺，將該省2005 年、2010年、2018 年指標值利用自然斷裂法劃分為7 個等級，運用地理探測器測算各指標的q 值，具體如表2所示。

表2 山東省土地利用多功能性影響因子探測

由表2 可知，研究期內經濟發展水平、空間承載力、社會保障能力等對山東省土地利用多功能性空間分異的解釋力度較強，且呈逐步增強的趨勢，而農業生產水平、環境凈化能力、資源供給能力對該省土地利用多功能性空間分異的解釋力度較弱，且在2005—2018 年間呈現減弱的趨勢。主要表現在：①經濟發展水平與土地利用多功能的空間分布關系密切。經濟密度（X4）的解釋力在2005 年、2010 年、2018年分別為0.558、0.594、0.640。經濟密度代表單位面積上經濟活動的效率和土地利用的密集程度，表征著一個地區高質量發展水平的高低。經濟密度越大，說明能夠以更低的土地資源消耗支撐更高效益的經濟發展。經濟增長是經濟密度演化的宏觀動力，經濟的發展使得居民收入水平和消費需求擴大刺激產業加速發展，從而推動區域內土地經濟功能提升，促進土地利用多功能水平的提高。第二、三產業占比（X5）在3 個時間截面的解釋力分別為0.515、0.512、0.406，產業結構演化是一個長期的歷史過程，在其不同發展歷史階段，經濟增長的動力也隨之演變，促使土地利用由單一的農業生產轉向多產業融合發展模式，通過調整優化產業結構，刺激土地利用多功能潛力的發揮，有效提升土地利用效率。②社會保障能力對于土地利用多功能性的空間分異也具有顯著影響。萬人醫療衛生床位數（X8）在3 個時間截面上的解釋力分別為0.555、0.627、0.699，隨著社會經濟發展、人民生活水平改善，基本醫療衛生服務和居民健康保障水平不斷上升，醫療設施建設成為城鄉社會服務體系的重要組成，然而優質醫療資源在山東省各區域的分布不夠均衡。完善欠發達地區醫療基礎設施建設，對于提升區域公共衛生服務水平，促使土地更有效地發揮生活功能，提高人類福祉具有重要意義。人均城鄉居民儲蓄存款余額（X9）的解釋力分別為0.489、0.601、0.595，其增加一定程度上受傳統習慣和居民對于未來收入的信心的影響，但關鍵在于社會基礎保障制度的完善和居民收入水平的提升，人們面對突發事件時的抗風險能力增強。應指出的是，人均城鄉居民儲蓄存款余額的持續增長從側面反映了人們投資意向薄弱、投資渠道閉塞，引導人們選擇較低風險的投資理財積累財富，這也是提高社會保障功能的關鍵要義。③就業支撐能力對于土地利用多功能性的空間分異解釋力度較強。從業人口密度（X10）在3 個時間截面上的解釋力分別為0.647、0.650、0.699，其大小能夠反映所在區域經濟社會發展程度和就業服務水平。近年來，山東省經濟運行穩中有進，經濟結構不斷優化，對穩定基礎性崗位、拓寬就業創業渠道、提高就業質量形成了有力拉動，形成了保障民生和增強經濟發展活力的良性循環。

4 結論與建議

4.1 結論

本文綜合運用GIS 空間分析、地理探測器模型分析了2005—2018 年山東省縣域土地利用多功能時空演變及影響因素，主要結論如下：①運用趨勢分析、GIS空間分析方法發現，2005—2018 年山東省縣域土地利用多功能水平總體呈現“東高西低、南北低中部高”的空間格局。2005—2018 年山東省縣域土地利用多功能差距逐漸縮小，空間分布格局差異明顯，具體表現為高水平和較高水平分布區顯著增加，低水平和較低水平分布區顯著減少，中等水平分布區在這一時期轉入與轉出并存，總體變化相對較小。2005—2018 年山東省縣域土地生產功能時空變化較小，生活功能與生態功能變化顯著。②運用地理探測器分析土地利用多功能時空演變的影響因素，發現2005—2018 年山東省經濟發展水平、社會保障能力、就業支撐能力對山東省縣域土地利用多功能的時空分異影響最大，經濟密度、人口密度、建設用地比例、萬人醫療衛生床位數的解釋力較強且對山東省土地利用多功能時空分異的影響逐漸增強；而水果產量，第二、三產業占比，人均水域面積，森林覆蓋率等探測因素對研究區土地利用多功能空間分異的影響相對較弱。

4.2 建議

本文基于以上研究結論，綜合考慮山東省新舊動能轉換發展背景和土地利用現狀，提出以下發展建議：①魯西南和魯西北平原地區應借助現代科技手段和經營方式提升農業生產功能，積極轉變經濟發展方式，創新型發展生態農業，并加大鹽堿地改造、退耕還林、水污染治理等生態建設力度，提高生態功能。②魯中南山地丘陵區應優化城鄉居民生產生活布局，保障就業、醫療、住房、交通等公共服務水平，完善相關基礎設施建設，充分利用資源優勢打造優勢產業，為經濟發展增速。同時，完善林地分級管護措施，增強森林資源的環境效益。③魯東地區應立足區位和海洋資源優勢，打造海洋生產和生態保護模式，加快新舊動能轉換，實現經濟增長與生態保護并舉；優化基礎設施建設，進一步提升居民生活質量，打造沿海宜居城市帶。