謝曼曼, 李秀霞

(吉林師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院, 吉林 四平 136000)

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基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法的吉林省土地利用生態(tài)效率時(shí)空演化規(guī)律研究

謝曼曼, 李秀霞

(吉林師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院, 吉林 四平 136000)

摘要：[目的] 分析吉林省土地利用生態(tài)效率時(shí)空演化規(guī)律, 提出土地利用優(yōu)化方案。 [方法] 利用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(DEA)的CCR-I模型,對(duì)2002—2011年吉林省9個(gè)地市(州)的土地利用生態(tài)效率進(jìn)行評(píng)價(jià)。 [結(jié)果] (1) 2002—2011年吉林省松原、白城、延邊3個(gè)地市(州)土地利用生態(tài)效率均為DEA有效;而長(zhǎng)春、吉林、四平、遼源、通化、白山這6個(gè)地市的土地生態(tài)效率呈波動(dòng)式變化; (2) 吉林省的土地利用生態(tài)效率呈現(xiàn)中部低而東、西部高的空間分布規(guī)律. [結(jié)論] 氨氮、COD、二氧化硫、廢水、煙塵等排放量是影響土地利用生態(tài)效率低下的主要因素。

關(guān)鍵詞：土地利用生態(tài)效率; 數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(DEA); 時(shí)空演化; 吉林省

土地資源是人類一切能夠利用的資源中最寶貴的資源。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程加快，土地在創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)財(cái)富的同時(shí)，資源快速消耗和環(huán)境急劇退化，制約了社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，因此，土地利用生態(tài)效率成為人們研究的重點(diǎn)。

國(guó)外生態(tài)效率研究起步較早，1992年就提出生態(tài)效率一詞，認(rèn)為生態(tài)效率(Eco-efficiency)的核心思想是提供最大化價(jià)值的同時(shí)最小化消耗與污染[1]。之后生態(tài)效率評(píng)價(jià)成為人們研究的重點(diǎn)，Huppes等[2]探討了研究生態(tài)效率的必要性, Ehrenfeld[3]構(gòu)建生態(tài)效率評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，Barba-Gutierrez等應(yīng)用包絡(luò)模型(DEA)對(duì)生態(tài)效率進(jìn)行評(píng)價(jià)，歐洲環(huán)境署(EEA)采用“生態(tài)危險(xiǎn)度”以及“資源使用率”等指標(biāo),定量評(píng)價(jià)土地利用生成效率[4]，Reith，Guidry[5]對(duì)位于路易斯安那的農(nóng)業(yè)可持續(xù)聯(lián)合體實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行土地生態(tài)效率評(píng)價(jià)，Sorvari Antikainen等[6]對(duì)土地修復(fù)生態(tài)效率進(jìn)行研究，Cheng Bihai等[7]利用生態(tài)足跡對(duì)湖北省耕地生態(tài)效率進(jìn)行測(cè)算。

國(guó)內(nèi)土地利用效率評(píng)價(jià)研究起步相對(duì)較晚，彭建等[8]通過(guò)構(gòu)建生態(tài)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境四方面的土地利用效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用層次分析法對(duì)南京江寧區(qū)的土地利用進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。王棚宇等[9]運(yùn)用功效系數(shù)法對(duì)武漢市的城市土地利用效益進(jìn)行了評(píng)價(jià)。王筱明[10]將熵權(quán)法與綜合評(píng)價(jià)法有機(jī)結(jié)合，對(duì)濟(jì)南市土地利用綜合效益進(jìn)行了評(píng)價(jià)。張鳳偉[11]等利用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)遼陽(yáng)市城市土地利用效益進(jìn)行評(píng)價(jià)。另有一些研究應(yīng)用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法(DEA)對(duì)城市(鎮(zhèn))土地利用的經(jīng)濟(jì)效率及綜合效率進(jìn)行了評(píng)價(jià)[12-18]。

綜上所述，目前土地生態(tài)效率評(píng)價(jià)尚處于初期階段，尚未形成體系，尤其從時(shí)空演化視角進(jìn)行研究相對(duì)薄弱。因此，本文利用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(DEA)的CCR-I模型，對(duì)2002—2011年吉林省9個(gè)地市(州)的土地利用生態(tài)效率進(jìn)行評(píng)價(jià)，探討其時(shí)空變化規(guī)律，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，旨在為提高吉林省土地利用生態(tài)效率提供技術(shù)支撐。

1研究區(qū)域概況

吉林省位于40°52′—46°18′N,121°38′—131°19′E，處于俄羅斯、日本、韓國(guó)、朝鮮、蒙古與中國(guó)東北部組成的東北亞幾何中心地帶，是中國(guó)重要的老工業(yè)基地和商品糧基地。面積1.87×105km2，占全國(guó)2%，地形地貌形態(tài)差異明顯，地勢(shì)由東南向西北傾斜，呈現(xiàn)明顯的東南高、西北低的特征；以中部大黑山為界，可分為東部山地和中西部平原兩大地貌區(qū)。截至到2013年年末，總?cè)丝跒?.75×107人，地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)1.30×1012元，一、二、三產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比為11.6:52.8:35.6，對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)率分別為5.0%，57.5%和37.5%[19]。吉林省現(xiàn)轄長(zhǎng)春、吉林、四平、通化、白山、遼源、白城、松原8個(gè)地級(jí)市和延邊朝鮮族自治州。

隨著中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，吉林省社會(huì)經(jīng)濟(jì)處于快速發(fā)展和轉(zhuǎn)型時(shí)期，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)非農(nóng)化程度在逐步提高，社會(huì)資金投入持續(xù)加大，城市擴(kuò)張加劇，不斷蠶食農(nóng)田，使土地城市化遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于人口城市化，土地集約利用率低下，土地環(huán)境受到嚴(yán)重污染。

2研究方法及數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1　DEA模型的選擇

數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法(data envelopment analysis，DEA)，是由著名的運(yùn)籌學(xué)家A.Charnes 和W. W. Cooper等在“相對(duì)效率評(píng)價(jià)”概念基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)一種系統(tǒng)分析方法。本研究選擇DEA的CCR-I模型作為土地利用生態(tài)效率評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)平臺(tái)。CCR模型是利用投入與產(chǎn)出的比例來(lái)評(píng)估效率，借用包絡(luò)的概念將所有的決策單元(DMU)的投入和產(chǎn)出投射到超平面中，尋找產(chǎn)出最高或者投入最少的“有效前沿面”。凡是落在有效前沿面的DMU稱DEA有效，落在有效前沿面以內(nèi)的DMU稱DEA無(wú)效，同時(shí)用投影方法指出非DEA有效和弱DEA有效的原因及其改進(jìn)的方向和程度[20]。式(1)對(duì)hp的計(jì)算給出土地利用生態(tài)效率值的大小，式(2)則可以計(jì)算土地生態(tài)效率非有效地區(qū)的松弛變量與剩余變量，所得結(jié)果為實(shí)現(xiàn)DEA優(yōu)化服務(wù)。

假設(shè)將對(duì)n個(gè)地區(qū)的土地利用效率進(jìn)行評(píng)價(jià)，每個(gè)DMUP通過(guò)投入Xip生產(chǎn)出Yjp，則第p個(gè)DMU的效率值如下：

(1)

(2)

Uj≥ε>0(?j,j=1,2,3,…,s)

Vi≥ε>0(?i,i=1,2,3,…,m)

式中：Xik——第k個(gè)DMU第i項(xiàng)投入； Yjk——第k個(gè)DMU第j項(xiàng)產(chǎn)出； Vi——第i項(xiàng)投入權(quán)重； Uj——第j項(xiàng)產(chǎn)出權(quán)重； hp——第p個(gè)DMU的效率值(相對(duì)效率)； ε——非阿基米德無(wú)窮小量。

將式(1)轉(zhuǎn)為線性方程式，并根據(jù)線性規(guī)劃對(duì)偶理論，進(jìn)一步獲得對(duì)偶方程見(jiàn)式(5)。

(3)

(4)

(5)

θk≥0,k=1,2,3,…,n

2.2　評(píng)價(jià)指標(biāo)及數(shù)據(jù)選取

土地利用投入與產(chǎn)出指標(biāo)是土地利用生態(tài)效率評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，在確定了需要評(píng)價(jià)的9個(gè)DMU之后，需要提供能夠基于DMU同類型的投入產(chǎn)出指標(biāo)。本文結(jié)合吉林省地域特點(diǎn)，借鑒游和遠(yuǎn)等[21]的土地利用生態(tài)效率評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，將地均勞動(dòng)力投入、地均能源投入、地均供水投入、地均資金投入作為DMU的土地利用投入；將地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)代表土地利用的期望產(chǎn)出，將COD排放量、SO2排放量、氨氮排放量、廢水排放量、煙塵排放量為確定為土地利用的非期望產(chǎn)出。由于CCR-I模型要求產(chǎn)出指標(biāo)必須與投入指標(biāo)正相關(guān)，所以視土地利用非期望產(chǎn)出為期望產(chǎn)出的伴隨量，最終確定土地利用生態(tài)效率評(píng)價(jià)產(chǎn)出指標(biāo)為COD-GDP負(fù)荷、SO2-GDP負(fù)荷、氨氮-GDP負(fù)荷、廢水-GDP負(fù)荷、煙塵-GDP負(fù)荷(見(jiàn)表1)。

表1　土地利用生態(tài)效率評(píng)價(jià)投入產(chǎn)出指標(biāo)

數(shù)據(jù)中各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)均來(lái)自2003—2012年《吉林省統(tǒng)計(jì)年鑒》《四平市統(tǒng)計(jì)年鑒》《白城市統(tǒng)計(jì)年鑒》《松原市統(tǒng)計(jì)年鑒》《吉林市統(tǒng)計(jì)年鑒》《長(zhǎng)春市統(tǒng)計(jì)年鑒》《遼源市統(tǒng)計(jì)年鑒》《白山市統(tǒng)計(jì)年鑒》《通化市統(tǒng)計(jì)年鑒》《延邊州統(tǒng)計(jì)年鑒》。

3結(jié)果與分析

3.1　土地利用生態(tài)效率的測(cè)算

以數(shù)據(jù)包絡(luò)分析軟件Deap2.1為計(jì)算平臺(tái)，選擇CCR-I模型對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到吉林省9個(gè)地級(jí)市(州)2002—2011年的土地利用生態(tài)效率及各年的平均值(表2)。

3.2　土地利用生態(tài)效率時(shí)間演化規(guī)律

根據(jù)表2可以看出，松原、白城、延邊3個(gè)地市(州)在10年間土地生態(tài)效率均為DEA有效，表明在這3個(gè)地區(qū)實(shí)現(xiàn)了二氧化碳-GDP負(fù)荷等5個(gè)指標(biāo)現(xiàn)有產(chǎn)出水平下最小化了地均勞動(dòng)力投入等4個(gè)投入，而其他非生態(tài)效率有效地區(qū)則需要通過(guò)改變投入與產(chǎn)出量，以達(dá)到土地利用生態(tài)效率的DEA有效。

表2　2002-2011年吉林省各區(qū)域生態(tài)效率

長(zhǎng)春、吉林、四平、遼源、通化、白山這6個(gè)城市的土地生態(tài)效率在0.4～1，呈波動(dòng)式變化。其中，長(zhǎng)春、遼源分別在0.805~0.466和0.732～0.49，呈現(xiàn)波動(dòng)式下降；吉林在0.673～0.721，呈現(xiàn)波動(dòng)式小幅上升；四平在0.815～0.754，在2005—2008年間連續(xù)4 a達(dá)到了DEA有效，以此為中心基本成對(duì)稱分布，呈現(xiàn)“倒U”型的變化規(guī)律。通化、白山在0.725～0.717和1～0.447~1，先降后升，基本呈現(xiàn)“U”型。總之，吉林省9個(gè)地市(州)在2002—2012年這10年間整體變化不大，各年平均值約為0.783。

3.3　土地利用生態(tài)效率空間演化規(guī)律

為了了解吉林省9個(gè)地市(州)的土地利用生態(tài)效率空間的分布規(guī)律，對(duì)其進(jìn)行分區(qū)定等。分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)如下：[1.00,0.8)為土地利用生態(tài)高效區(qū)；[0.80,0.6)為土地利用生態(tài)效率中高效區(qū)；[0.6,0.4)為土地利用生態(tài)效率中低效區(qū)；0.4以下為土地利用生態(tài)效率低效區(qū)。根據(jù)表2利用ArcGIS軟件制作2002年、2007年、2011年的吉林省土地利用生態(tài)效率空間分布圖(圖1)。

圖1　2002,2007,2011年吉林省土地利用生態(tài)效率空間分布

從圖1可以看出2002年吉林省松原市、白城市、延邊市、長(zhǎng)春市、四平市、白山市為土地利用生態(tài)效率高效區(qū)，而吉林、遼源、通化則在土地利用生態(tài)效率中亞高效區(qū)；2007年吉林省松原、白城、延邊、四平這4個(gè)市為土地利用生態(tài)效率高效區(qū)，吉林、白山為亞高效區(qū)，長(zhǎng)春為土地利用中效區(qū)，遼源和通化為土地利用生態(tài)效率低效區(qū)；2011年吉林省松原、白城、延邊、白山為土地利用生態(tài)效率高效區(qū)，吉林、通化、四平3市為土地利用生態(tài)效率亞高效區(qū)，長(zhǎng)春市，遼源市為土地利用生態(tài)效率中效區(qū)。

總之，吉林省土地利用生態(tài)效率空間存在差異性，中部的長(zhǎng)春市、吉林市、四平市、遼源市土地利用生態(tài)效率明顯低于東部的延邊朝族自治州、白山市、通化市以及西部的白城市、松原市，呈現(xiàn)出中部低而東、西部高之勢(shì)。主要是吉林省東西部經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后，土地利用的強(qiáng)度、規(guī)模和技術(shù)都要相對(duì)于落后其中部地區(qū)，地均勞動(dòng)力、能源和資金相對(duì)投入也少；而吉林省中部相對(duì)經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要是高投入，高產(chǎn)出所導(dǎo)致的土地利用低效，今后要向“低消耗、低污染、高效益”的集約型經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式轉(zhuǎn)變，使其可以實(shí)現(xiàn)土地利用健康有序的發(fā)展。

3.2.3土地利用生態(tài)效率優(yōu)化設(shè)計(jì)土地利用生態(tài)效率優(yōu)化將按照下面3條原則進(jìn)行：(1) DMU落在效率前緣面上是DEA有效的充分必要條件；(2) 土地利用生態(tài)效率優(yōu)化優(yōu)先考慮污染物的排放控制與減少，在優(yōu)化中將固定部分次要指標(biāo)因子進(jìn)行改善；(3) 在實(shí)現(xiàn) DEA有效中，資源約束條件不納入考慮，即現(xiàn)實(shí)的客觀條件不約束土地利用過(guò)程中的投入產(chǎn)出與實(shí)現(xiàn)DEA有效的投入產(chǎn)出改變，在文中指所涉及的表1中的投入產(chǎn)出指標(biāo)。

廢水-GDP負(fù)荷、SO2-GDP負(fù)荷、氨氮-GDP負(fù)荷、COD-GDP負(fù)荷、煙塵-GDP負(fù)荷的增加實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)提高GDP產(chǎn)出來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)COD、廢水、SO2、氨氮、煙塵等的排放量減少實(shí)現(xiàn)。土地利用生態(tài)效率的核心思想是做到土地GDP產(chǎn)出最大化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)資源消耗和污染物排放量最小。因此，對(duì)表3進(jìn)行分析，計(jì)算得到實(shí)現(xiàn)DEA有效條件下，廢水、SO2、氨氮、COD、煙塵的排放最小量：長(zhǎng)春市最應(yīng)控制COD、SO2、氨氮的排放量，其次是吉林市、四平市、遼源、通化市，可以看出這與城市的土地利用強(qiáng)度呈明顯的正相關(guān)，說(shuō)明其經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)是高投入、高能耗、高產(chǎn)出的外延式增長(zhǎng)模式。因此，今后優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，提高土地利用率，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，減少對(duì)資本和資源的依賴和污染物的排放，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式，堅(jiān)持把科技創(chuàng)新作為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的根本動(dòng)力，走“科技創(chuàng)新型和資本、資源集約型”道路。

表3　2011年5個(gè)城市的土地利用生態(tài)效率優(yōu)化設(shè)計(jì)

4結(jié)論與建議

4.1　結(jié) 論

(1) 從時(shí)間上看，2002—2011年吉林省的松原、白城、延邊3個(gè)地市(州)土地利用生態(tài)效率均為DEA有效；而長(zhǎng)春、吉林、四平、遼源、通化、白山這6個(gè)城市的土地利用生態(tài)效率在0.4～1，呈波動(dòng)式變化，但整體變化不大，各年平均值約為0.783。

(2) 從空間上看，吉林省的土地利用生態(tài)效率存在空間差異性，位于中部的長(zhǎng)春、吉林、四平、遼源這4市土地利用生態(tài)效率明顯低于東部的延邊、白山、通化以及西部的白城、松原，呈現(xiàn)出中部低而東、西部高之勢(shì)。

(3) 從優(yōu)化設(shè)計(jì)上看，工業(yè)生產(chǎn)以及城市生活中的氨氮、COD、二氧化硫、廢水、煙塵排放量是影響長(zhǎng)春、吉林、四平、遼源、通化土地利用生態(tài)效率低下的主要因素，今后應(yīng)控制COD、SO2、氨氮的排放量，減少地均勞動(dòng)力投入量、地均能源投入量、地均供水投入量、地均資金投入量。

4.2　建 議

(1) 松原、白城、延邊、白山應(yīng)在原有經(jīng)濟(jì)發(fā)展基礎(chǔ)上，加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度，提高經(jīng)濟(jì)發(fā)展效率，加大技術(shù)投入，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，培育壯大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，發(fā)展現(xiàn)代服務(wù)業(yè)，加快發(fā)展精品旅游產(chǎn)業(yè)，將資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)發(fā)展動(dòng)力，走“資本集約型和勞動(dòng)力集約型”道路。

(2) 長(zhǎng)春、吉林、四平、遼源、通化今后應(yīng)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高土地利用效率，減少對(duì)資本和資源的依賴以及污染物的排放，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式，堅(jiān)持把科技創(chuàng)新作為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的根本動(dòng)力，走“科技創(chuàng)新型和資本、資源集約型”道路。

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Research on Spatiotemporal Evolution Regulation of Eco-efficiency of Land Utilization in Jilin Province Based on Data Envelopment Analysis

XIE Manman, LI Xiuxia

(FacultyofTourismandGeographicalSciences,JilinNormalUniversity,Siping,Jilin13600,China)

Abstract：[Objective] To analyze the spatiotemporal evolution regulation of eco-efficiency of land utilization in order to put forward an optimization scheme on land utilization in Jilin Province. [Methods] The eco-efficiency of land utilization of the nine cities and areas in Jilin Province during 2002 to 2011 were evaluated based on the CCR-1 model of the data envelopment analysis(DEA). [Results] (1) In terms of DEA, the eco-efficiency of land utilization in Songyuan, Baicheng, Yanbian of Jilin Province are all effective, while the data in Changchun, Siping, Jilin, Liaoyuan, Tonghua and Baishan cities of Jilin Province were fluctuant. (2) The eco-efficiency of land utilization in the center area of Jilin Province is low while the efficiency in the east and west area is relatively high. [Conclusion] The emissions of ammonia nitrogen, COD, sulfur dioxide, waste water and dust are the main influencing factors related to the eco-efficiency of land utilization.

Keywords:eco-efficiency of land utilization; data envelopment analysis(DEA); spatiotemporal evolution; Jilin Province

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：

文章編號(hào)：1000-288X(2015)03-0225-06

中圖分類號(hào)：F301.24

通信作者：李秀霞(1964—),女(漢族),博士,教授,碩士生導(dǎo)師,房地產(chǎn)估價(jià)師,土地估價(jià)師,主要從事土地利用與開(kāi)發(fā)研究。E-mail:jykxzz@163.com。

收稿日期：2014-07-20修回日期：2014-09-02

資助項(xiàng)目：吉林省科技廳項(xiàng)目“吉林省西部土地生態(tài)安全與土地資源利用優(yōu)化研究”(201115086); 吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20120691); 吉林省科技廳項(xiàng)目(201201080)

第一作者：謝曼曼(1990—),女(漢族),河南省焦作市人,碩士,研究方向?yàn)樽匀毁Y源保護(hù)與利用。E-mail:xieman0214@sina.com。