李冠英，張建新，劉培學(xué)，王小丹

(南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)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(jīng)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(chǎn)力布局中最大的經(jīng)濟核心區(qū)——長江三角洲，是東部地區(qū)一個綜合性工業(yè)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(qū)僅次于上海的大商埠。改革開放后隨著城市規(guī)模向外持續(xù)擴展，特別是20世紀90年代末以后中心城區(qū)年均擴展速度超過10 km2，原有農(nóng)用地及生態(tài)用地大量轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，生態(tài)空間受到一定程度擠壓［2］。近年來，南京市的工業(yè)得到了飛速發(fā)展，工業(yè)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(chǎn)業(yè)，這些產(chǎn)業(yè)技術(shù)含量不高、占地面積大、環(huán)境污染嚴重，對區(qū)域生態(tài)環(huán)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(xué)合理的依據(jù)之一，也是土地可持續(xù)利用研究的重要內(nèi)容［4－5］。本研究在分析土地利用的社會經(jīng)濟效益和生態(tài)環(huán)境效益耦合關(guān)系的基礎(chǔ)上，運用系統(tǒng)的科學(xué)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(jīng)濟效益與生態(tài)環(huán)境效益之間的動態(tài)關(guān)系。

1 土地利用效益的耦合關(guān)系

物理學(xué)意義上的耦合是指兩個(或以上)系統(tǒng)或運動通過各種相互作用而彼此影響的現(xiàn)象［6］。土地利用是在人類活動持續(xù)或周期性干預(yù)下，進行土地自然再生產(chǎn)和經(jīng)濟再生產(chǎn)的復(fù)雜社會經(jīng)濟過程［7］。土地利用效益主要表現(xiàn)為社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境效益，它們相互影響、相互制約、相互促進［8－9］。

從內(nèi)容實質(zhì)來看，首先，土地是社會經(jīng)濟活動的載體，對土地資源進行開發(fā)利用時，限于一定的技術(shù)條件和認識水平，可能會過度開發(fā)、破壞土地資源，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生脅迫;其次，生態(tài)環(huán)境可以通過生態(tài)負荷、資源貧瘠等因素制約土地利用的社會經(jīng)濟效益;再次，社會經(jīng)濟的發(fā)展為改善生態(tài)環(huán)境提供技術(shù)和資金，提高人類保護土地生態(tài)環(huán)境的能力，而土地生態(tài)環(huán)境的改善，也為社會經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展創(chuàng)造了更好的條件。

從演化進程來看，二者關(guān)系在土地利用強度的驅(qū)動下表現(xiàn)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(jīng)濟效益和生態(tài)環(huán)境效益處于低水平的耦合階段。隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，土地利用強度日益提高，環(huán)境容量瓶頸效應(yīng)開始顯現(xiàn)，二者關(guān)系出現(xiàn)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(tài)環(huán)境的重要性，并有意調(diào)控土地利用方式以提高其生態(tài)環(huán)境效益，進而促使二者關(guān)系趨于協(xié)調(diào)。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(guān)系的演變起到極大的調(diào)控作用。當然，期間也可能存在土地利用強度超越生態(tài)環(huán)境容量而導(dǎo)致二者關(guān)系急劇惡化的短期行為，如圖1中曲線 B 所示［10］。

圖1 生態(tài)環(huán)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(shù)學(xué)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(jīng)濟效益(X)與生態(tài)環(huán)境效益(Y)的計算方法是兩系統(tǒng)元素分別乘以其相應(yīng)的指標權(quán)重。計算公式如下:

式中:xi，yj分別為兩系統(tǒng)的元素;ai，bj分別為各元素的權(quán)重。

2.2 土地利用效益演化方程

鑒于土地利用社會經(jīng)濟效益與生態(tài)環(huán)境效益間的相互耦合關(guān)系，可以把它們作為一個由兩種主導(dǎo)要素組成的復(fù)合系統(tǒng)。參照一般系統(tǒng)理論［11］，這個復(fù)合系統(tǒng)的演化方程可以表示為:

式中:VA，VB分別為兩個子系統(tǒng)的演化速度，整個系統(tǒng)的演化速度V可以看作是VA和VB的函數(shù)，當兩個子系統(tǒng)協(xié)調(diào)時，整個系統(tǒng)也是協(xié)調(diào)發(fā)展的。由于在整個復(fù)合系統(tǒng)中，A和B是互相影響的，任何一個子系統(tǒng)的變化都會導(dǎo)致整個系統(tǒng)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(tǒng)以及兩個子系統(tǒng)間的耦合關(guān)系。

2.3 土地利用效益耦合模型

由于社會經(jīng)濟效益系統(tǒng)的演化速度滿足組合S型發(fā)展機制，假定社會經(jīng)濟效益演化的速度是周期性的，土地利用生態(tài)環(huán)境效益演化速度受社會經(jīng)濟效益的影響也出現(xiàn)周期性［12］。在每個周期內(nèi)，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(tài)環(huán)境效益演化速度沒有社會經(jīng)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(jīng)濟效益子系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境效益子系統(tǒng)的演化狀態(tài);t表示年份。A與B互相影響，任一X或Y的變化，會導(dǎo)致A和B的變化;反之，A或B任一變化，都會導(dǎo)致X或Y的變化以及整個系統(tǒng)的變化。即任一要素的變化都依賴于其他所有要素，系統(tǒng)表現(xiàn)為一個整體。

在受到自身與外界的共同影響下，兩個子系統(tǒng)的演化速度可以表示為:

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

根據(jù)α的變化，可以確定整個系統(tǒng)的演化狀態(tài)，揭示土地利用社會經(jīng)濟效益與生態(tài)環(huán)境效益協(xié)調(diào)發(fā)展的耦合程度，即耦合度(表1)。顯然，在一個演化周期內(nèi)，整個系統(tǒng)將經(jīng)歷低級共生(Ⅰ)、協(xié)調(diào)發(fā)展(Ⅱ)、極限發(fā)展(Ⅲ)、再生發(fā)展(Ⅳ)4 個階段［13］(圖2)。

表1 土地利用效益耦合關(guān)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(xué)地評價土地利用社會經(jīng)濟效益與生態(tài)環(huán)境效益，根據(jù)土地利用效益的定義，在選取評價指標時應(yīng)遵循以下基本原則。(1)科學(xué)性原則:選取的指標要有科學(xué)性。(2)系統(tǒng)優(yōu)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(xiàn)評價指標體系的總體最優(yōu)。(3)可比性原則:在評價過程中，評價指標的內(nèi)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(shù)據(jù)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(qū)域土地利用的效益。(6)動態(tài)性與前瞻性原則:選用的指標要能反映出土地系統(tǒng)的動態(tài)特征且能適應(yīng)其變化。

3.2 評價指標體系

依據(jù)土地利用效益評價指標的選取原則，借鑒相關(guān)研究指標體系［14－17］，綜合考慮南京市社會經(jīng)濟發(fā)展和土地利用特點，分別從社會、經(jīng)濟、生態(tài)和環(huán)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(quán)重Tab.2 The indexes and their weights of land use benefits in Nanjing City

3.3 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)主要來源于南京市統(tǒng)計年鑒(2000—2009)、南京市社會經(jīng)濟與發(fā)展統(tǒng)計公報(1999—2009)、江蘇年鑒(2000—2010)及南京市環(huán)境統(tǒng)計資料。其中，景觀多樣性指數(shù)采用Gibbs-Mirtin多樣性指數(shù)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(shù);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(quán)重確定

本研究采用熵權(quán)法對各指標賦權(quán)。熵權(quán)法是一種客觀的賦權(quán)方法，根據(jù)各項評價指標的差異程度，確定各評價指標的權(quán)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(quán)重也應(yīng)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(quán)重也應(yīng)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(shù)據(jù)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(shù)，取值范圍為1～20;j為年份(1999—2009年)，相應(yīng)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(yè)廢水排放量、單位面積工業(yè)廢氣排放量、單位面積工業(yè)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(guān)系分析

4.1 土地利用效益

根據(jù)公式(1)、(2)計算得出南京市1999—2009年土地利用社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)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(jīng)濟效益處于持續(xù)快速上升狀態(tài)，其綜合值介于0.036～1之間;土地利用的生態(tài)環(huán)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(jīng)濟效益與生態(tài)環(huán)境效益的耦合程度，根據(jù)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(jīng)濟效益與生態(tài)環(huán)境效益的耦合度 α一直處于19.16°～70.65°之間，即處于協(xié)調(diào)發(fā)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(zhuǎn)化。2000年南京市國內(nèi)生產(chǎn)總值首次突破1 000億元大關(guān)，進入全國18個GDP總量超1 000億元城市行列，同時，社會事業(yè)、社區(qū)建設(shè)、交通管理等方面工作卓有成效，人們生活水平繼續(xù)提高，社會經(jīng)濟有了長足發(fā)展，人們開始關(guān)注土地開發(fā)利用中的生態(tài)和環(huán)保建設(shè)。同時，《南京市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十個五年計劃綱要》也提出，要實施一批環(huán)境建設(shè)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(tài)功能顯著的國內(nèi)先進園林城市，爭創(chuàng)“全國人居環(huán)境獎”，形成對國內(nèi)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(jīng)濟效益不斷提高的同時，加大對生態(tài)環(huán)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(xié)調(diào)狀態(tài)。(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(jīng)過前一階段的調(diào)整，繼續(xù)走新型工業(yè)化道路，大力發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，同時，加大了“三城九鎮(zhèn)”建設(shè)力度，城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展的步伐加快，使得土地利用社會經(jīng)濟效益迅速提高。在人口增長和產(chǎn)業(yè)集聚的雙重壓力下，南京市生態(tài)保護與環(huán)境治理工作取得了巨大成就，相繼完成了生態(tài)市建設(shè)規(guī)劃編制工作、生態(tài)縣建設(shè)啟動，新創(chuàng)建了21個綠色人居環(huán)境社區(qū)。建立了循環(huán)經(jīng)濟清潔生產(chǎn)技術(shù)推廣中心，在揚子石化、金陵石化、南鋼集團等企業(yè)開展循環(huán)經(jīng)濟試點工作，“綠色南京”建設(shè)成效顯著。但是由于隨著開放型經(jīng)濟和社會事業(yè)不斷取得新成效，地鐵一號線、長江三橋等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)完善，社會經(jīng)濟效益快速提升，生態(tài)環(huán)境效益發(fā)展速度落后于社會經(jīng)濟效益的發(fā)展速度，導(dǎo)致耦合度逐年上升，二者趨向于不甚協(xié)調(diào)。

表3 1999—2009年南京市土地利用效益的發(fā)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(jié)論

(1)本研究運用熵權(quán)法確定土地利用效益各個指標的權(quán)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(quán)，從而減少了人為因素的影響。在確定權(quán)重的過程中，將同一個評價指標的不同評價對象相結(jié)合來確定權(quán)重，既考慮了評價對象間的聯(lián)系，又削弱了異常值的影響，使評價結(jié)果更為準確、合理。

(2)本研究在分析土地利用社會經(jīng)濟效益與生態(tài)環(huán)境效益耦合關(guān)系的基礎(chǔ)上，借助于系統(tǒng)科學(xué)理論與方法，建立起南京市土地利用社會經(jīng)濟效益與生態(tài)環(huán)境效益之間的耦合模型和相應(yīng)的指標體系，用耦合度來表達這兩種效益之間的協(xié)調(diào)關(guān)系與程度。結(jié)果表明:1999—2009年，南京市土地利用社會經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境效益都處于上升狀態(tài)，前者持續(xù)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(xié)調(diào)發(fā)展階段。

(3)盡管南京市土地利用社會經(jīng)濟效益與生態(tài)環(huán)境效益之間的耦合處于協(xié)調(diào)發(fā)展水平，但是由于經(jīng)濟的持續(xù)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(tǒng)的土地利用模式，提出環(huán)境友好型土地利用模式，協(xié)調(diào)土地利用與生態(tài)環(huán)境建設(shè)已成為土地資源管理的迫切需要。否則，滯后的生態(tài)環(huán)境建設(shè)將會阻礙、限制社會經(jīng)濟的發(fā)展，最終導(dǎo)致耦合系統(tǒng)整體惡化。

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