■ 陳紅鳳 陳洪祥 李虎 楊成鋒

1.自然資源部城市國土資源監(jiān)測與仿真重點實驗室 深圳 518040

2.三峽大學水利與環(huán)境學院 宜昌 443002

3.中國地質(zhì)大學（武漢）地理與信息工程學院 武漢 430074

4.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心環(huán)境水質(zhì)學實驗室 北京 100085

0 引言

土地利用(Land-Using)是人類對土地自然屬性的利用方式和目的意圖，是一種動態(tài)過程，土地利用變化影響著眾多自然條件與生態(tài)系統(tǒng)的演變[1-4]。我國土地利用存在諸多問題，例如利用結(jié)構不合理、資源供給與經(jīng)濟發(fā)展矛盾、生態(tài)環(huán)境惡化等。自19 世紀80年代以來，我國經(jīng)濟、社會、文化等各方面的快速發(fā)展，使我國城鎮(zhèn)化水平不斷提高，城市圈逐漸擴大，農(nóng)村圈逐漸縮小[5,6]。這一快速發(fā)展對這兩大圈的交接區(qū)域——城郊結(jié)合帶的土地利用產(chǎn)生著劇烈影響。城郊結(jié)合帶作為城市快速發(fā)展衍生出的一種新型區(qū)域，是城市與農(nóng)村或是周圍郊區(qū)的過渡性地帶，該區(qū)既有城市土地利用特征又有農(nóng)村的空間環(huán)境特征[7,8]。合理利用、開發(fā)和規(guī)劃城郊結(jié)合帶的土地資源，對城市和農(nóng)村的協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

目前，土地利用系統(tǒng)健康評價研究多關注自然生態(tài)系統(tǒng)、城市系統(tǒng)這類土地利用結(jié)構較簡單、脆弱的區(qū)域，很少關注城郊結(jié)合帶區(qū)域。例如李少帥等[9]對內(nèi)蒙古河套灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的健康評價研究；金宇宏等[10]以及張悅和宋戈[11]等學者構建了基于“壓力-狀態(tài)-響應”模型(PSR)的城市土地利用系統(tǒng)健康評價體系。城郊結(jié)合帶的土地利用系統(tǒng)不同于自然生態(tài)系統(tǒng)和城市區(qū)域，其影響因素更復雜，主要是需要考慮自然資源和人類活動的綜合作用對土地利用結(jié)構的影響。由于城郊結(jié)合帶既具有生態(tài)結(jié)構脆弱、土地利用方式變化快、人類活動劇烈等特點，以及社會功能地位次于城市和農(nóng)村，導致其土地利用結(jié)構變化劇烈，其土地利用系統(tǒng)的健康狀況亟待深入了解。

隨著經(jīng)濟、社會的快速發(fā)展，我國的城市化水平快速提高，城郊結(jié)合帶作為城市與農(nóng)村的過渡性地帶，其土地利用變化往往是最迅速、矛盾最尖銳[12,13]，因此對城郊結(jié)合帶的土地進行健康評價，是掌握城市化發(fā)展對農(nóng)用土地資源、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的基本特征、規(guī)律的基礎，為制定合理的土地利用制度等有重要意義。本文以武漢市的城郊結(jié)合帶——江夏區(qū)為研究區(qū)域。江夏區(qū)位于武漢城市化發(fā)展的邊緣地帶，在城市化快速發(fā)展與保護農(nóng)業(yè)用地的沖突與矛盾下，江夏區(qū)的土地利用系統(tǒng)存在著發(fā)展經(jīng)濟與保護生態(tài)、城市擴張與保護農(nóng)用耕地等矛盾與問題。本文從土地利用的人地關系角度出發(fā)，基于城市土地利用系統(tǒng)健康評價體系的PSR 模型，改建了PSR 評價框架內(nèi)的指標因子，從時空角度分析了江夏區(qū)土地利用系統(tǒng)健康狀況差異，探討了影響城郊結(jié)合帶土地利用系統(tǒng)健康狀況的主要障礙因素。

1 江夏區(qū)概況

武漢市地處我國中部，內(nèi)陸地區(qū)的中心城市，且是唯一副省級城市；位于江漢平原東部，長江與漢江交匯處[14]。優(yōu)越的地理位置，造就了武漢城區(qū)的快速發(fā)展。然而，經(jīng)濟的迅速增長、人口的急速膨脹，周邊農(nóng)村人口向城市圈的遷移，導致武漢城市圈向周邊區(qū)域急劇擴散，進而影響了武漢城區(qū)邊緣地區(qū)——城郊結(jié)合帶土地利用系統(tǒng)結(jié)構的健康發(fā)展。江夏區(qū)位于湖北省武漢市最南端，北與武漢主城區(qū)——洪山區(qū)相連，南與咸寧市咸安區(qū)、嘉魚縣接壤，東臨鄂州市、大冶市，西與蔡甸區(qū)、漢南區(qū)隔江相望。處于東經(jīng)114°01′至114°35′、北緯29°58′至30°32′之間，南北長83.2 km，東西寬54.17 km，總面積約2018.3 km2。研究區(qū)地理位置如圖1 所示，本區(qū)地處武漢中心城區(qū)邊緣，城鄉(xiāng)兼?zhèn)?，是武漢市的新型城郊結(jié)合區(qū)。

圖1 江夏區(qū)地理位置示意圖

2 數(shù)據(jù)來源

土地利用系統(tǒng)健康評價指標數(shù)據(jù)主要涉及區(qū)域人類活動、社會發(fā)展水平土地利用結(jié)構和生態(tài)環(huán)境3 個方面，評價指標數(shù)據(jù)主要來源于武漢市、江夏區(qū)統(tǒng)計部門的相關統(tǒng)計資料(2009～2018年)。

3 評價指標與評價框架

PSR 模型，由壓力子系統(tǒng)(P)、狀態(tài)子系統(tǒng)(S)和響應子系統(tǒng)(R)構成，3個子系統(tǒng)相互制約、影響。P反映的是人類活動、社會經(jīng)濟發(fā)展對土地利用結(jié)構的壓力;S反映的是土地利用系統(tǒng)對壓力系統(tǒng)的緩沖能力和抗干擾能力，即在人類活動、社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生的壓力之下，體現(xiàn)的土地集約利用水平與社會經(jīng)濟效益的關系;R 是土地利用管理者、決策者根據(jù)土地利用結(jié)構面臨的壓力和土地資源集約利用現(xiàn)狀所作出的響應[10,11,15]。PSR 模型是在評價土地利用系統(tǒng)健康發(fā)展、土地利用結(jié)構可持續(xù)性基礎上，揭示人類活動和生態(tài)環(huán)境變化的因果關系[16]。因此根據(jù)PSR 模型在城市土地利用系統(tǒng)健康評價中的應用，該模型也可應用于城郊結(jié)合帶的土地利用系統(tǒng)健康評價中。根據(jù)城郊結(jié)合帶特點，指標因子的選取將根據(jù)區(qū)域內(nèi)土地利用結(jié)構特征進行調(diào)整優(yōu)化，使PSR 模型適用于人類活動劇烈、生態(tài)結(jié)構脆弱的城郊結(jié)合帶區(qū)域。但土地利用系統(tǒng)健康評價的內(nèi)涵不變，即土地利用的3個子系統(tǒng)之間是良性循環(huán)、健康發(fā)展的，最終形成良好的“作用—反饋—作用”機制[11]。

3.1 評價指標體系

城郊結(jié)合帶的土地利用系統(tǒng)既具有城市土地利用系統(tǒng)和自然生態(tài)土地利用系統(tǒng)特征，又有其本身特性，是一個綜合土地利用、人類活動、自然、經(jīng)濟、環(huán)境的復合系統(tǒng)。城郊結(jié)合帶受中心城區(qū)擴張的劇烈影響，其土地利用結(jié)構快速轉(zhuǎn)換、人-地關系不協(xié)調(diào)，自然生態(tài)系統(tǒng)變得更脆弱、土地結(jié)構矛盾激化，其土地利用結(jié)構較城市土地利用系統(tǒng)、自然生態(tài)土地利用系統(tǒng)更復雜。因此，城郊結(jié)合帶內(nèi)土地利用系統(tǒng)健康評價指標因子選取，需要根據(jù)區(qū)內(nèi)土地利用結(jié)構特征。

本文在構建城郊結(jié)合帶評價指標體系時，將在遵循土地利用系統(tǒng)一般規(guī)律上，結(jié)合城郊結(jié)合帶特有區(qū)域特征。江夏區(qū)地處武漢最南端，水域發(fā)達，水土流失嚴重、森林覆蓋率低，生態(tài)環(huán)境脆弱。為了客觀、全面地評價江夏區(qū)土地利用系統(tǒng)的健康狀況，本文采用人口壓力、經(jīng)濟發(fā)展、人均收入等一般規(guī)律，結(jié)合植被覆蓋率、水土協(xié)調(diào)度等生態(tài)環(huán)境脆弱特征的方法構建江夏區(qū)土地利用系統(tǒng)指標體系。根據(jù)上述構建的原則和思路，評價指標體系結(jié)構和指標見表1，根據(jù)指標對土地利用系統(tǒng)健康的正、負影響，將指標性質(zhì)定義為正效應和負效應指標。構建的土地利用系統(tǒng)健康評價指標體系用“綜合指數(shù)”來反映土地利用系統(tǒng)的好壞，“綜合指數(shù)”反映的是壓力、狀態(tài)和響應指數(shù)之間的協(xié)調(diào)關系[17]。

3.2 指標權重計算

土地利用系統(tǒng)健康評價的關鍵在于評價指標權重計算的合理性，指標原始數(shù)據(jù)量綱不一致，各指標之間無可比性，首先需將評價指標的原始數(shù)據(jù)進行無量綱化計算[11,18]。本文采用功效函數(shù)根據(jù)指標因子的正、負效應，根據(jù)公式(1)和(2)進行無量綱化計算[11]，并統(tǒng)一到[0，1]區(qū)間內(nèi):

式中，指標無量綱值Ui;指標初值Xi;指標初值的最大值ai(指標上限)；指標初值的最小值bi(指標下限)。

對評價指標因子進行無量綱計算后，采用信息熵值法計算評價指標在體系中的權重，公式(3～5)如下，計算的權重值見表1：

表1 江夏區(qū)土地利用系統(tǒng)健康評價指標體系及權重

式中，ej為信息熵，dj熵冗余度，Wj為指標權重；m 為評價年數(shù)；n 為指標個數(shù)；Uij表示第j項指標下，第i年份指標值的比例。各指標權重應滿足0≤Wj≤1，各指標權重之和為1。指標權重越大，表示該指標在土地利用系統(tǒng)中越重要；反之，則重要性越小。對土地利用系統(tǒng)的健康評價，正是對多項指標定量綜合評價的過程，指標數(shù)值的準確性影響健康評價結(jié)果。本研究采用的熵值法是一種客觀賦值法，其權重根據(jù)指標的變異程度大小確定，客觀性較強，不依賴人的主觀判斷。指標變異程度與信息熵值成反比，權重越大，熵值越小[19-21]。

4 土地利用系統(tǒng)健康綜合評價

PSR 模型中“壓力—狀態(tài)—響應”系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)之間的相互協(xié)調(diào)關系反映了土地利用系統(tǒng)的健康程度，是研究區(qū)內(nèi)土地利用的綜合呈現(xiàn)，土地利用健康評價體系中每個評價指標都從不同角度呈現(xiàn)了土地利用系統(tǒng)的健康狀況?；诙尉C合函數(shù)在城市土地利用系統(tǒng)健康評價中的成功應用[11,17]，本文將二次綜合函數(shù)用于城郊結(jié)合帶土地利用系統(tǒng)的健康指數(shù)評定:

式中,P 為城市土地利用系統(tǒng)健康綜合水平；w1、w2、w3分別為3 個子系統(tǒng)的權重；ri、rj、rk分別為各個子系統(tǒng)內(nèi)單項因子的權重；Ui、Uj、Uk為各子系統(tǒng)內(nèi)單項指標的量化值[11,17]。

5 障礙因素診斷

基于土地利用系統(tǒng)的健康水平，可進一步分析影響土地利用系統(tǒng)健康水平的主要影響因子，對其進行障礙因素診斷[20]。從單項因素對總目標的影響程度Vj(Wi*Wij)、單項指標與土地利用系統(tǒng)健康目標差距(指標偏離度)兩個方面計算障礙度[20,21]，計算公式下：

式中，zij表示指標偏離度；bj 表示第i年單項指標對土地利用系統(tǒng)的障礙度，Bj分類指標對土地利用系統(tǒng)總的障礙度，體現(xiàn)的是土地利用系統(tǒng)健康障礙診斷的目標和結(jié)果。

6 結(jié)果分析

6.1 綜合評價結(jié)果

根據(jù)公式(6、7)，計算出2009～2018年武漢市江夏區(qū)土地利用系統(tǒng)P、S、R這3個子系統(tǒng)的評價指數(shù)和綜合指數(shù)值如圖2。同時，基于土地利用系統(tǒng)的健康等級[16,17]，根據(jù)計算的綜合指數(shù)值對不同時間段的土地利用系統(tǒng)健康程度進行健康級別評價。由圖2 可知，江夏區(qū)2009～2018年的土地利用系統(tǒng)健康的綜合指數(shù)曲線在2009～2014年呈上升趨勢，在2014年之后呈下降趨勢，表明土地利用系統(tǒng)健康狀況是從2014年開始逐漸變差的。2009～2014年，系統(tǒng)綜合指數(shù)從0.27802 上升到0.45719，平均增長率達10.20%，表明城郊結(jié)合帶的土地利用系統(tǒng)健康狀況有所改善，土地利用結(jié)構朝良性發(fā)展；而2014～2018年，系統(tǒng)綜合指數(shù)下降明顯，平均減少率為15.54%。各子系統(tǒng)的評價指數(shù)變化趨勢與綜合指數(shù)一致，其中壓力指數(shù)下降趨勢明顯，由0.21946 下降到0.09053，遞減率為26.26%，說明土地利用系統(tǒng)壓力導致土地利用系統(tǒng)健康水平降低，人類對土地利用系統(tǒng)的干擾不斷加強(負向指標數(shù)值越小，生態(tài)壓力相對越大[22-24])，這與江夏區(qū)快速城鎮(zhèn)化相關。

圖2 2009～2018年武漢江夏區(qū)土地利用系統(tǒng)健康評價指數(shù)

根據(jù)土地利用系統(tǒng)健康分級判斷標準[16,17,20]，可判斷江夏區(qū)土地利用系統(tǒng)健康水平在2014年以前雖有所提升，但總體上仍處于“臨界狀態(tài)”到“不健康狀態(tài)”之間；2011～2014年，其健康水平逐漸好轉(zhuǎn)為“臨界狀態(tài)”；2014年以后，土地利用系統(tǒng)健康水平又降低為“不健康狀態(tài)”。以上土地利用健康評價結(jié)果與江夏區(qū)2009～2018年的經(jīng)濟、社會發(fā)展，對土地利用結(jié)構造成影響的實際情況相吻合。根據(jù)《武漢市土地利用總體規(guī)劃(2006～2020 和2010～2020)》，在2010年以前武漢市的發(fā)展重心在中心城區(qū)，更注重中心經(jīng)濟發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設，從而對城郊結(jié)合帶的影響較小，在此期間內(nèi)江夏區(qū)的土地利用系統(tǒng)受中心城區(qū)影響較??；2010年以后，中心城區(qū)的快速發(fā)展開始向城郊結(jié)合帶輻射，導致大量工業(yè)用地和建設用地增加，進而加劇了土地結(jié)構的不合理，因此江夏區(qū)的土地利用系統(tǒng)健康狀況在2014年以前有所改善，2014年以后開始下降。

6.2 障礙因子分析

根據(jù)障礙因素診斷方法[公式(7)]計算的2009、2013和2018年武漢江夏區(qū)土地利用系統(tǒng)健康障礙度結(jié)果，見表2。2009、2013 和2018年阻礙其健康水平提高的障礙因素主要在P 和S 兩個子系統(tǒng)。2009年，障礙度較低的指標因子主要有人口壓力、土地利用率、城鎮(zhèn)人均可支配收入、森林覆蓋率、水土協(xié)調(diào)度等；2013年是人口壓力、GDP 增長率、城鎮(zhèn)人均可支配收入、人均耕地面積、固定資產(chǎn)投資增長率、土地墾殖率等；2018年主要是城市化水平、基本農(nóng)田保護率、人口壓力、人均耕地面積、固定資產(chǎn)投資增長率、地墾殖率等。2009～2018年，由于武漢中心城區(qū)的快速城鎮(zhèn)化發(fā)展帶動其周邊城郊結(jié)合帶的城鎮(zhèn)化進展加快，導致江夏區(qū)總?cè)丝跀?shù)量增加、大部分農(nóng)業(yè)人口向非農(nóng)人口轉(zhuǎn)變、耕地面積減少，這些均加劇了江夏區(qū)的人口、耕地不足等壓力。此外，基本農(nóng)田保護率、城鎮(zhèn)人均可支配收入、建設用地率、森林覆蓋率、水土協(xié)調(diào)度、環(huán)保投資強度等指標障礙度的下降，主要與江夏區(qū)的政策響應相關。根據(jù)《武漢市江夏區(qū)土地利用總體規(guī)劃（2010-2020年）》，其明確規(guī)定到2020年江夏區(qū)耕地保有量不低于77825 公頃，基本農(nóng)田保護面積不低于60845 公頃，建設用地總規(guī)?？刂圃?5498 公頃，新增建設用地控制在9845 公頃[25,26]。規(guī)劃還指出，江夏區(qū)要嚴守生態(tài)紅線，將加大水土保持力度?；谕恋乩每傮w規(guī)劃，使得該區(qū)基本農(nóng)田保護率、建設用地率、森林覆蓋率、水土協(xié)調(diào)度等指標的障礙度下降。

表2 2009、2013和2018年武漢江夏區(qū)土地利用系統(tǒng)健康障礙度因素排序

在計算單項指標障礙度基礎上，進一步計算了分類指標障礙度，結(jié)果見圖3。由圖3 可知，P 系統(tǒng)的障礙度持續(xù)上升，而S 系統(tǒng)和R 系統(tǒng)的障礙度持續(xù)下降。根據(jù)指標障礙度的數(shù)值可知，2013年之前S 系統(tǒng)的障礙度最大，其次是P 和R 系統(tǒng)；2013年開始，P 系統(tǒng)的障礙度升至最大，其次是S、R 系統(tǒng)。可見，提高土地利用系統(tǒng)健康水平必須著重于P 和S 系統(tǒng)的改善，同時注重加強R系統(tǒng)的改善。從各分類指標障礙度年變化率來看，2009～2018年P系統(tǒng)的障礙度的增速達到年均15.76%，S和R 系統(tǒng)的障礙度平均變化速率分別是-13.64%和-37.59%。基于此可判斷，2009～2018年期間，影響江夏區(qū)土地利用系統(tǒng)健康的是壓力系統(tǒng)中的指標因子。

圖3 2009～2018年各分類指標障礙度

7 結(jié)論與討論

2009年以來，江夏區(qū)土地利用系統(tǒng)健康水平總體呈先上升后下降趨勢，在2014年時土地利用健康水平達到最高，但其健康等級為“臨界狀態(tài)”。2009～2018年系統(tǒng)壓力的指標障礙度以年均15.76%的速度增加，系統(tǒng)狀態(tài)和響應的障礙度分別以年均13.64%和37.59%的速度下降。根據(jù)不同時段評價指標對系統(tǒng)的障礙度分析，影響江夏區(qū)土地利用系統(tǒng)健康的主要評價指標有人口壓力、城鎮(zhèn)人均可支配收入、人均耕地面積、土地墾殖率、森林覆蓋率、水土協(xié)調(diào)度、固定資產(chǎn)投資增長率等。根據(jù)以上結(jié)果，對于江夏區(qū)土地利用系統(tǒng)健康發(fā)展意見如下：

(1)提升江夏區(qū)土地利用系統(tǒng)健康水平的關鍵是改善系統(tǒng)壓力，其次則是系統(tǒng)狀態(tài)和響應的綜合水平提升。系統(tǒng)壓力主要體現(xiàn)在人類活動對土地資源的不合理開發(fā)利用，導致人地關系不協(xié)調(diào)?；诖?，江夏區(qū)需要進一步轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構，降低經(jīng)濟增長對生態(tài)環(huán)境的破壞和土地資源的過度消耗；提高耕地、基本農(nóng)田保護率，降低建筑用地對土地資源的消耗，有效增加土地集約利用度，進而提升土地資源對經(jīng)濟、生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展的保障能力。

(2)根據(jù)江夏區(qū)土地利用系統(tǒng)健康評價和障礙度分析，系統(tǒng)響應指標對土地利用系統(tǒng)健康發(fā)展促進作用較低。土地利用管理者和決策者需要繼續(xù)增加環(huán)境保護投入，加大環(huán)境治理力度，提升生活污水、工業(yè)廢水處理率，降低土地墾殖率，保護水土資源，有效控制水土流失程度，進而持續(xù)改善江夏區(qū)土地利用系統(tǒng)的健康狀況。江夏區(qū)水產(chǎn)資源豐富，漁業(yè)較發(fā)達，漁業(yè)對該區(qū)水土資源消耗較大，政府需要加大對漁業(yè)的管控，保護該區(qū)水資源。

(3) 江夏區(qū)緊鄰武漢光谷高新開發(fā)區(qū)，其經(jīng)濟發(fā)展除傳統(tǒng)農(nóng)林牧漁業(yè)外，現(xiàn)代裝備制造、互聯(lián)網(wǎng)、電子、現(xiàn)代物流業(yè)等已成為其主導產(chǎn)業(yè)。受武漢中心城區(qū)影響較大，其生產(chǎn)總值快速發(fā)展，帶到了城鎮(zhèn)人均可支配收入、固定資產(chǎn)投資增長率；同時增加了人口流動，導致人均耕地面積、土地墾殖率等下降；另外現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，必然導致該區(qū)建設用地增加，耕地面積、森林覆蓋率等的減少，以及現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)對社會環(huán)境的壓力加大。政府管理部分需要在發(fā)展社會經(jīng)濟的同時，提前做好土地利用規(guī)劃，合理分配土地資源，守住耕地紅線和基本農(nóng)田保護率，減少土地資源的過渡消耗對環(huán)境、社會產(chǎn)生的負影響。