熊 征， 談 兵， 宋成舜， 翟文俠

(湖北科技學(xué)院 資源環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 湖北 咸寧 437100)

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城市土地利用綜合效益耦合分析
——以武漢市為例

熊 征， 談 兵， 宋成舜， 翟文俠

(湖北科技學(xué)院 資源環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 湖北 咸寧 437100)

實現(xiàn)社會經(jīng)濟效益和生態(tài)環(huán)境效益的均衡發(fā)展，是全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。在深入分析土地利用效益評價等有關(guān)理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合武漢市土地利用現(xiàn)狀，從土地產(chǎn)出的綜合效益均衡角度，形成了由社會經(jīng)濟效益和生態(tài)環(huán)境效益兩個子系統(tǒng)構(gòu)成的評價指標(biāo)體系，采用主成分分析法確定各指標(biāo)權(quán)重，對武漢市土地利用社會經(jīng)濟效益和生態(tài)環(huán)境效益進(jìn)行評價；再構(gòu)建武漢市土地利用的社會經(jīng)濟效益與生態(tài)環(huán)境效益的耦合模型，辨識兩者之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，分析兩者之間的協(xié)調(diào)程度。研究結(jié)果顯示，1996—2010年武漢市土地利用社會經(jīng)濟效益與生態(tài)環(huán)境效益均呈上升態(tài)勢，其中社會經(jīng)濟效益表現(xiàn)出起點低、增幅大、速度快的特征，而生態(tài)環(huán)境效益則呈現(xiàn)出起點較高，增幅較大，在波動中穩(wěn)定上升的特點。土地利用社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境效益耦合度評價結(jié)果顯示，在1996—2010年，武漢市城市土地利用社會經(jīng)濟效益與生態(tài)環(huán)境效益的耦合演化進(jìn)程近似于對數(shù)曲線，從形成初期的不協(xié)調(diào)至激烈博弈后的利益分化，之后經(jīng)歷相對最佳協(xié)調(diào)后，又逐漸向不協(xié)調(diào)發(fā)展并呈現(xiàn)新的演化特點。

土地利用效益; 武漢市; 生態(tài)環(huán)境效益; 耦合關(guān)系

城市土地利用的核心效益為經(jīng)濟效益，故早期關(guān)于土地利用效益的評價多在經(jīng)濟效益領(lǐng)域展開。各種評價不斷向著專業(yè)化評價和為了指導(dǎo)實際的土地經(jīng)營而展開，土地評價指標(biāo)體系和方法不斷完善。諸如1930年美國康奈爾大學(xué)的土地經(jīng)濟效益分級(Cornell system)和1948年H.E.康克林從勞動收入不均衡角度進(jìn)行的土地經(jīng)濟效益分級系統(tǒng)化，還有影響較為廣泛的對農(nóng)業(yè)土地利用效益評價的FAO《土地評價綱要》AEZ法，以及1976年前蘇聯(lián)的“全蘇土地評價方法”。進(jìn)入20世紀(jì)，土地評價的方法不斷完善，評價的領(lǐng)域從農(nóng)村發(fā)展到城市。就城市土地利用的經(jīng)濟效益而言，Ewing(1997)、Cauffman(1998)、Downs.A(1998)和Burchell(1999)從宏觀的角度得出城市擴張會促進(jìn)城市用地經(jīng)濟效益[1-3]，F(xiàn)ulton(2001)驗證了城市用地擴展與用地經(jīng)濟效益兩者的顯著相關(guān)關(guān)系[4]。

在土地利用的生態(tài)效益方面，國外對此的研究是圍繞土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值論展開。以1994年世界可持續(xù)發(fā)展商務(wù)委員(WBCSD)提出生態(tài)效率(Eco-Efficiency)為標(biāo)志，土地利用生態(tài)效益的研究在世界范圍內(nèi)展開。特別是1997年Costanza.R等得出全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能平均經(jīng)濟價值價值33萬億美元[5]，引起了全球范圍內(nèi)對生態(tài)系統(tǒng)種群，如海洋、淡水、濕地、草地、森林的服務(wù)功能價值各種尺度的評價。

而國內(nèi)對于土地利用的經(jīng)濟效益評價經(jīng)過多年的成長，從理論到實踐、從理論基礎(chǔ)到評價方法上，都已經(jīng)取得了較多的成果。從實踐上，對中國的東部、中部地區(qū)、西部地區(qū)的城市土地利用評價均有涉及，從研究方法上，定量化數(shù)學(xué)模型得到廣泛應(yīng)用。如以系統(tǒng)論為基礎(chǔ)的深圳市、寧波市等地土地利用效益動態(tài)耦合模型[6-7]，但指標(biāo)權(quán)重采用德爾菲法，主觀性較強；如以線性規(guī)劃的數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(DEA)、C2R模型對東北城市哈爾濱、西部城市蘭州進(jìn)行土地利用的有效性評價[8-10]，但從投入產(chǎn)出角度分析土地利用效益難以反映土地利用綜合效益的均衡性程度；還有以Choquet積分方法對武漢東湖高新技術(shù)開發(fā)區(qū)進(jìn)行了土地經(jīng)濟效益評價[11]，依然是土地投入與產(chǎn)出的對比問題，區(qū)域上也存在局限。

本研究采用與土地利用效益密切相關(guān)的指標(biāo)體系，從土地產(chǎn)出的經(jīng)濟效益、社會效益、生態(tài)效益和環(huán)境效益四方面，建立了土地利用綜合效益評價指標(biāo)體系，并對武漢市土地利用社會經(jīng)濟效益與生態(tài)環(huán)境效益的耦合協(xié)調(diào)度機制進(jìn)行綜合分析，可以為區(qū)域土地資源的高效協(xié)調(diào)利用和科學(xué)管理提供借鑒。

1 城市土地利用效益耦合關(guān)系評價

1.1 評價原理

社會經(jīng)濟效益系統(tǒng)是一個能量耗散系統(tǒng)，這個動力系統(tǒng)在動態(tài)演化，在(t，∞)呈現(xiàn)與時間無關(guān)的定態(tài)，非線性系統(tǒng)由周期運動變到混沌不穩(wěn)定，相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境效益系統(tǒng)也具備類似演化特點[12]，兩者間具有耦合關(guān)系，可用如下方程表達(dá)其演化進(jìn)程：

(1)

根據(jù)李雅普諾夫第一法近似數(shù)學(xué)模型(線性化模型)穩(wěn)定性的方法，即在平衡態(tài)求其一次Taylor展開式，然后利用這一次展開式表示的線性化方程去分析系統(tǒng)穩(wěn)定性，解出線性化狀態(tài)方程組或線性狀態(tài)方程組的特征值：

(2)

因此，計算土地利用社會經(jīng)濟效益Q1(x)和生態(tài)環(huán)境效益Q2(y)的一般函數(shù)為：

(3)

(4)

式中：xi，yj——兩系統(tǒng)的元素；ai，bj——各元素的權(quán)重；i，j——兩系統(tǒng)元素序號。

1.2 演化方程

李雅普諾夫第一法需要求解線性化后系統(tǒng)的特征值，因此該方法也僅能適用于非線性定常系統(tǒng)，土地利用社會經(jīng)濟效益與生態(tài)環(huán)境效益存在非線性耦合關(guān)系，可以看作是非線性定常系統(tǒng)。隨著系統(tǒng)平衡態(tài)漸近穩(wěn)定，則系統(tǒng)經(jīng)激勵后，其儲存的能量將隨著時間推移而衰減，當(dāng)趨于平衡態(tài)時，其能量達(dá)到最小值，非均衡動態(tài)系統(tǒng)的演化方程為：

(5)

式中：A，B——分別為社會經(jīng)濟子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的演化狀態(tài)，由于系統(tǒng)的耗散結(jié)構(gòu)其演化能量來源外界，即為A，B系統(tǒng)外部能量或是雙方相互能量影響。

任Q1隨時間發(fā)生變化，就會導(dǎo)致A和B系統(tǒng)內(nèi)部的變化；反之，A或B系統(tǒng)的非穩(wěn)定性若發(fā)生變化，會導(dǎo)致Q1的演化甚至于系統(tǒng)的時變演化和非穩(wěn)定變化。也就是說由于系統(tǒng)作為有機整體內(nèi)部要素之間存在有機結(jié)構(gòu)和功能依賴，系統(tǒng)存在著任一要素的變化就會導(dǎo)致其他要素的變化。在受時間和外在動力的作用下，耗散開放兩個系統(tǒng)的演化速度可表示為：

(6)

式中：VA，VB——分別為兩子系統(tǒng)演化速度，分析狀態(tài)變化所反映的能量變化關(guān)系可以分析出狀態(tài)的變遷或演變，整個系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，其演化速度V為VA與VB的函數(shù)。

1.3 耦合模型

(7)

1.4 耦合度及其關(guān)系

根據(jù)上述耦合模型，由VA與VB形成的夾角α是土地利用社會經(jīng)濟效益與生態(tài)環(huán)境效益的二維關(guān)系，用耦合度α的大小可以反映系統(tǒng)間協(xié)調(diào)發(fā)展的程度。由于反正切函數(shù)具有周期性，值域在(-π/2,π/2)，為單調(diào)遞增函數(shù)(圖1)。故此，可將整個系統(tǒng)演化劃分為4個階段：初始期、分化發(fā)展期、博弈發(fā)展期、形成期。

1) 當(dāng)-90°<α≤-45°時，初始期：主要標(biāo)志是差異的出現(xiàn)。由于系統(tǒng)內(nèi)外的種種不確定性的存在，土地利用的強度較小，生態(tài)環(huán)境容量大，主體之間的差異開始出現(xiàn)；這個階段基本上是在原有的、比較低級、比較簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中運行，處于低級共生階段。

2) 當(dāng)-45°<α≤0°時，分化發(fā)展期：主要標(biāo)志是主體的分化，即差異的固定和放大。在追求優(yōu)化和高效率的利益推動下，子系統(tǒng)之間開始產(chǎn)生分工，出于各種原因形成的差距得到固定和放大。在這個階段，原有的秩序受到?jīng)_擊，生態(tài)環(huán)境的破壞與惡化，社會經(jīng)濟效益受到限制，二者之間的矛盾日益突出，愈演愈烈。

3) 當(dāng)0°<α≤45°時，博弈發(fā)展期：子系統(tǒng)間的平衡狀態(tài)達(dá)到是這個階段完成的標(biāo)志(α等于45°)。各種利益的矛盾和沖突出現(xiàn)，社會經(jīng)濟與生態(tài)保護博弈過程開始，在特定機制下經(jīng)歷必要過程以矛盾和沖突形式達(dá)到某種平衡。社會經(jīng)濟效益與生態(tài)環(huán)境效益都有明顯改善，其結(jié)果走向、代價大小和時間長短都在期內(nèi)得到確認(rèn)。

4) 當(dāng)45°<α<90°時，形成期：本期主旋律是新秩序的建立和走向穩(wěn)定，激烈的沖突和博弈已經(jīng)過去，取而代之的是在新體制內(nèi)的調(diào)節(jié)和完善。各種利益以合作為紐帶，在原有主體上構(gòu)成新的主體，并穩(wěn)定下來，為新系統(tǒng)的可持續(xù)運行打下基礎(chǔ)。歷經(jīng)舊系統(tǒng)解體，新系統(tǒng)產(chǎn)生而使得新舊系統(tǒng)的關(guān)系表現(xiàn)為4種模式[13](圖2)。

圖1 土地利用效益的耦合度分析

圖2 土地利用效益耦合關(guān)系的演化模式

2 城市土地利用效益指標(biāo)體系

為科學(xué)評價武漢市土地利用效益，從社會、經(jīng)濟、生態(tài)、環(huán)境四個方面構(gòu)建土地利用效益的評價體系，將土地利用效益區(qū)分為社會經(jīng)濟效益和生態(tài)環(huán)境效益兩個子系統(tǒng)并分別進(jìn)行效益評價。在遵循科學(xué)、簡潔、系統(tǒng)、可計算等原則的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)域具體發(fā)展現(xiàn)狀和數(shù)據(jù)資料的可獲取性，建立了四個方面，二十二個評價指標(biāo)(見表1)。該評價指標(biāo)體系中大部分?jǐn)?shù)據(jù)取自《中國城市年鑒》(1997—2011)和《武漢統(tǒng)計年鑒》(1997—2011)，另有部分關(guān)于生態(tài)和環(huán)境指標(biāo)來源于《武漢市環(huán)境狀況公報》(1997—2011)。依據(jù)這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)值，標(biāo)準(zhǔn)化后，利用主成分分析法對各子系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行客觀賦權(quán)，結(jié)果如下表1所示。

表1 武漢市土地利用效益評價指標(biāo)體系及權(quán)重

3 武漢市城市土地利用效益耦合關(guān)系

3.1 土地利用效益綜合值計算

利用公式(3)、(4)計算出武漢市1996—2010年城市土地利用社會經(jīng)濟效益與生態(tài)環(huán)境效益各年的綜合值，其演化曲線如圖3所示。

從圖3可看出，1996—2010年，武漢市土地利用社會經(jīng)濟效益呈現(xiàn)明顯的逐年上升的發(fā)展態(tài)勢，這與當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展的實際水平基本相符。這不僅得益于國家宏觀政策的大力支持，同時也受武漢市社會經(jīng)濟發(fā)展內(nèi)在動力驅(qū)動的強烈影響。

在土地利用生態(tài)環(huán)境效益方面，相比土地利用的社會經(jīng)濟效益，生態(tài)環(huán)境效益的增長略小，增長速度也相對較慢，這主要是與生態(tài)環(huán)境響應(yīng)的滯后性有關(guān)。而生態(tài)環(huán)境效益的波動性則是有別于社會經(jīng)濟效益增長的更顯著特點，這反映出生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的脆弱性與敏感性。

比較土地利用社會經(jīng)濟效益和生態(tài)環(huán)境效益曲線的發(fā)展趨勢曲線，可以看出在1996—1997，1999—2001和2003—2004年這三個時段，兩者發(fā)展趨勢呈反方向變化，這是由于在這幾個階段中生態(tài)環(huán)境效益在1997年，2004兩年呈下降趨勢，社會經(jīng)濟效益在2001年呈下降趨勢。其余時段兩曲線均處于同步變化狀態(tài)，即兩者保持著相同的增長態(tài)勢。

圖3 武漢市土地利用效益演化

3.2 土地利用效益耦合度計算

運用統(tǒng)計分析軟件spss，選取多項式非線性分別擬合上述兩曲線，計算得到武漢市社會經(jīng)濟效益A和生態(tài)環(huán)境效益B關(guān)于時間t的函數(shù)式(8)和式(9)：

A=0.0049t2-0.0189t+0.1044(R2=0.9819)

(8)

B=0.0023t2+0.0234t+0.0672(R2=0.9854)

(9)

利用公式(6)分別對A，B求導(dǎo)，得到武漢市社會經(jīng)濟效益的演化速度VA方程式和生態(tài)環(huán)境效益的演化速度VB方程式如式(10)和式(11)，下兩式中t取值范圍為1～15，相應(yīng)年份為1996—2010年。

(10)

(11)

計算得出1996—2010年VA，VB，和耦合度α值(表2)，并據(jù)此繪出耦合度α的演化曲線圖(圖4)。

圖4 武漢市城市土地利用效益耦合度演化曲線

3.3 武漢市土地利用效益耦合關(guān)系分析

由圖4可看出在1996—2010年，武漢市城市土地利用效益的耦合度變化近似于對數(shù)曲線，整個研究期耦合曲線變化速度先快后慢，經(jīng)歷了從低級不協(xié)調(diào)到協(xié)調(diào)再到不協(xié)調(diào)發(fā)展三個過程，且絕大多數(shù)年份處于不協(xié)調(diào)發(fā)展階段。從武漢市土地利用效益耦合度演化曲線來看，可將其土地利用效益耦合狀態(tài)粗略的劃分為4個階段：

表2 武漢市城市土地利用效益的發(fā)展速度與耦合度

第一階段：1996年—1997年，此階段及其以前各年份屬于系統(tǒng)的形成初期，土地利用效益耦合度變化劇烈，在這一時期，生態(tài)環(huán)境效益的發(fā)展速度要明顯高于社會經(jīng)濟效益，即VA

第二階段：1998—2002年，城市土地利用效益處于分化期和激烈博弈期。VA

第三階段：2003—2004年，耦合度從44.66°上升到46.92°，在45°的最佳位置左右徘徊，土地利用效益處于博弈末期，相對最佳的協(xié)調(diào)狀態(tài)。這一時期，武漢市經(jīng)濟發(fā)展開始提速，GDP以年均14.5%速度在增長，各項指標(biāo)均有明顯增長，社會經(jīng)濟發(fā)展取得了長足進(jìn)步。同時隨著環(huán)保相關(guān)的市場機制、政府調(diào)控日趨完善，經(jīng)濟社會發(fā)展所提供的有力支持，使得生態(tài)環(huán)境的工業(yè)廢水、廢氣等主要污染指標(biāo)有了顯著下降，生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，退化得到一定程度的遏制。土地生態(tài)環(huán)境的改善和退化遏制，可為社會經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展提供保障條件，進(jìn)一步促進(jìn)土地利用社會經(jīng)濟快速發(fā)展，處于相對最佳協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

第四階段：2005—2010年，VA>VB，耦合度從48.74°上升至54.20°，城市土地利用效益由相對最佳協(xié)調(diào)狀態(tài)向相對不協(xié)調(diào)狀態(tài)演化，新的形態(tài)將在未來一定時期內(nèi)出現(xiàn)。這一時期武漢市GDP年均增長速度達(dá)到21.10%，經(jīng)濟持續(xù)、高速發(fā)展，土地利用結(jié)構(gòu)和強度超過了生態(tài)治理和環(huán)境保護投資的力度和投入力度，土地資源承載能力下降。城市的各種生態(tài)問題不斷深化并對社會經(jīng)濟子系統(tǒng)制約作用不斷增加，環(huán)境的惡化遏制力度不夠，兩個子系統(tǒng)新的分化又開始出現(xiàn)，總體協(xié)調(diào)程度趨于下降。

綜上所述，1996—2010年武漢市土地利用效益耦合演化歷經(jīng)了以下四個階段：從形成初期的不協(xié)調(diào)至激烈博弈后的利益分化，之后經(jīng)歷相對最佳協(xié)調(diào)，又逐漸向不協(xié)調(diào)發(fā)展并呈現(xiàn)新的演化特點。武漢市土地利用效益耦合演化進(jìn)程表明武漢市社會經(jīng)濟發(fā)展仍以有環(huán)境為代價的趨勢，經(jīng)濟與環(huán)境新的博弈和矛盾激化趨勢已經(jīng)呈現(xiàn)，經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設(shè)在土地利用過程中負(fù)反饋機制將可能出現(xiàn)新的變化[14-16]。

4 結(jié)論與展望

城市土地利用效益評價是個系統(tǒng)工程，本研究將土地利用的綜合效益分解為社會經(jīng)濟效益和生態(tài)環(huán)境效益兩個子系統(tǒng)，在分析借鑒相關(guān)的研究成果和相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，對兩子系統(tǒng)效益及其耦合關(guān)系做出評價，得到以下結(jié)論：

1) 采用主成分分析方法，對各指標(biāo)進(jìn)行客觀賦權(quán)并作標(biāo)準(zhǔn)化處理，進(jìn)行武漢市1996—2010年土地利用效益的評價，結(jié)果顯示武漢市土地利用社會經(jīng)濟效益與生態(tài)環(huán)境效益均呈上升態(tài)勢，但特點有所區(qū)別，社會經(jīng)濟效益隨著經(jīng)濟的穩(wěn)步發(fā)展表現(xiàn)出起點低、增幅大、速度快的特征，而在土地利用生態(tài)環(huán)境效益方面，則呈現(xiàn)出起點較高，增幅較大，在波動中穩(wěn)定上升的特點，反映了生態(tài)環(huán)境的相對脆弱性與敏感性。

2) 在土地利用社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境效益從形成初期的不協(xié)調(diào)至激烈博弈后的利益分化，之后經(jīng)歷相對最佳協(xié)調(diào)后，又逐漸向不協(xié)調(diào)發(fā)展并呈現(xiàn)新的演化特點。武漢市土地利用效益耦合演化進(jìn)程表明武漢市社會經(jīng)濟的發(fā)展以環(huán)境為代價的趨勢依然存在，經(jīng)濟與環(huán)境新的博弈和矛盾激化趨勢已經(jīng)呈現(xiàn)，經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設(shè)在土地利用過程中負(fù)反饋機制將可能出現(xiàn)新的變化。

3) 在后續(xù)研究中若能在土地利用效益耦合度分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步找出影響社會經(jīng)濟效益與生態(tài)環(huán)境效益耦合的驅(qū)動因子，并做相應(yīng)對策研究，將能切實有效的促進(jìn)武漢市土地利用效益的均衡發(fā)展。

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Analysis on Coupling Relationship of Urban Land Use Benefits—A Case Study of Wuhan City

XIONG Zheng, TAN Bing, SONG Chengshun, ZHAI Wenxia

(SchoolofResourcesandEnvironmentalScience&Engineering,HubeiUniversityofScience&Technology,Xianning,Hubei437100,China)

Enhancing the land use comprehensive benefits is an inevitable requirement of sustainable development. Based on the data of land use and socio-economic development in Wuhan City during the period from 1996 to 2010, the evaluation weight system of socio-economic and eco-environment benefits was established. And the weight of each indicator was evaluated using principal component analysis (PCA), and then the socio-economic and eco-environment benefits of land use from 1996 to 2010 were evaluated. In order to determine the coordinated degree between socio-economic and eco-environmental benefits systems, a coupling model on two systems was built by the method of system science theory. The result showed that land use socio-economic benefits and eco-environment efficiency had increased in Wuhan City during the period from 1996 to 2010. The socio-economic benefits underwent the process of low beginning, fast speed and large increase. However, the trend of eco-environment benefits showed the process of high beginning, and the process of larger increases and steady fluctuation rise. The results of coupling degree showed that the trend of coupling degree was similar to a logarithmic curve in Wuhan from 1996 to 2010, which differentiated from the interests of the early formation of incongruity to the intense game, and then experienced relatively coordination, gradually uncoordinated development and presented a new evolutionary feature.

urban land benefits; Wuhan City; eco-environmental benefits; coupling relationship

2014-05-10

2014-06-02

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(B2013048)；湖北省教育廳人文社會科學(xué)研究項目(13g390)

熊征(1982—)，女，碩士研究生，講師，主要從事數(shù)據(jù)模型的分析研究。E-mial:xiong_zheng@126.com

談兵(1981—)，男，湖北咸寧人，碩士研究生，講師主要從事土地資源利用與評價的研究。E-mail:tanbing_xnc@163.com

F301.24

1005-3409(2015)02-0278-06