陕西省土地可持续利用综合评价与时空分析*

王 莹，郭晨星

(西安建筑科技大学管理学院，陕西西安 710055)

0 引言

城市作为地区经济、政治、文化中心，其土地可持续利用的重要性显而易见。我国正处于城市化快速发展时期，城市化快速推进使得用地需求呈现急剧增长趋势，且伴随城市规模盲目扩张，用地结构不合理及低效的土地利用等问题日益凸显[1]。另一方面，城市化的快速推进也带来了中国经济的高速增长，而这又进一步加剧了土地承载压力，引发一系列环境问题。因此，如何在“十三五”时期坚持绿色发展理念，以有限的土地资源实现经济社会快速稳定发展，并保证资源的代际平衡，成为了亟待解决的课题。

可见，关于城市土地可持续利用方面的研究不仅对于城市土地节约集约利用至关重要，对于促进城市整体的可持续发展也是至关重要的。由于城市土地可持续利用问题的多元复杂性，国内相关研究多采用构建指标体系的综合评价法。土地可持续利用综合评价的关键环节是设计指标体系，已有研究大多基于“经济—社会—环境(生态)”之间的协调关系构建指标体系[2-5]。但该类指标体系在一定程度上忽略了地区的差异性，而且这种基于状态的分析方法忽视了土地利用变化中的因果关系和人地联动的过程，因而，评价结果不利于有效解释现实问题[6]。

近年来，更多的学者选择基于能够充分反映出土地资源动态发展实际的“压力—状态—响应”(PSR)及其扩展模型构建指标体系。如谢花林等[7]以PSR模型构建指标研究了鄱阳湖生态经济区土地资源的可持续利用水平； 李进涛[8]等利用“驱动力—压力—状态—影响—响应”(DPSIR)模型研究了湖北省土地可持续利用水平； ZHOU等[9]依托PSR模型分析了银川平原不同盐碱化过程中的土壤盐渍化风险； 还有Ding等[10]基于PSR理论模型，构建了集空间、逻辑和时间维度三位一体的TCS-SHLD包容性模型，评价发展中国家城市的可持续性(其中逻辑维度是指基于因果网络指导进行可持续指标的选取)。这些研究虽然针对的研究对象不同，提出了不同的可持续利用评价指标体系，并选取不同的评价方法，但都是利用PSR模型既能够反映人类与环境之间相互依存又相互制约的人地链式关系，又能评价、分析导致土地状态发生变化的原因及政府采取的相关措施所取得的结果的优势，清楚地回答了“发生了什么、为什么发生、我们将如何做”这3个可持续发展的基本问题，成为建立土地可持续利用评价指标体系良好的参考框架。

此外，由于土地利用方式及结构的不同将会造成同一区域不同地块的土地可持续利用程度存在一定的差异，而且随着计量地理学革命及计算机技术的发展，利用GIS和遥感技术对土地利用可持续性的动态变化以及空间分异特征的研究越来越受到重视[3]。如Estoque等研究了关于城市土地利用强度和空间格局的变化[11]； 赵旭[12]、赵兴国[13]和苏雄志[14]等也从不同侧面分析了不同研究区域土地可持续利用程度变化的成因、特征、影响因素等诸多科学问题。但土地可持续利用的空间特征是土地利用方式在时间概念上的一种延续，两者是相辅相成，密不可分的。但大多数研究或从时间、或从空间对某区域土地可持续利用程度进行分析[15-18]，结合时间持续性和空间分异性对于省域范围内各城市土地可持续利用程度的比较研究数量较少[19-20]。

文章以2006一2016年为时段，以陕西省10个城市为研究对象，利用PSR模型构建指标体系，采用主成分分析法分别测算各城市土地可持续利用的综合得分及压力—状态—响应3个系统之间的协调度； 并结合GIS方法，选取2006年、2010年、2016年3个时间点进行空间比较分析，以期为陕西省城市土地可持续利用提出有针对性的政策建议。

1 研究区概况

陕西，简称“陕”或“秦”，总面积2 056万hm2，地处我国西北部，横亘于黄河和长江两大水系中部，兼有承东启西，互通南北的重要作用， 2017年全省GDP为2.189 881万亿元，同比增长8.0%； 常住人口3 835.44万人，下辖1个副省级城市、9个地级市和杨凌农业高新技术产业示范区。作为大西北的门户，陕西既是“西部大开发”和“新丝绸之路经济带”战略实施的重要之地，又是国家重要的科研、教育和能源化工基地。与此同时，随着近年来国家政策对西北的大力支持，陕西省加快推进各城市基础设施建设和高新技术、文化产业、特色小镇旅游等新兴产业发展，从而引起对土地资源需求的急剧增加。对陕西省近年来土地可持续利用状况的空间比较分析将有利于比较全面地掌握陕西省各城市土地利用的现状、问题，提出针对性治理建议，促进陕西省“五新”战略实施。

2 评价模型、数据与方法

2.1 PSR模型及指标体系的构建

2.1.1 压力—状态—响应(PSR)模型内涵

20世纪80年代，为评价资源利用和持续发展模式，经济合作发展组织(OECD)与联合国合作开发署(UNEP)提出了PSR模型[21]，该模型认为：经济、自然、环境、社会之间存在着链式因果关系[6， 22]。人类与土地之间存在着相互作用关系，城市土地的利用过程实际上是人类活动对土地所产生出的某种需求(压力P)，造成土地利用系统在数量和质量上的变化(状态S)，人类针对改变做出的反应(响应R)。其中压力(P)主要是指人类的行为方式对土地利用系统产生的一些不利影响，就土地可持续利用来讲，城镇化步伐的加快，也进一步加剧了城市土地所面临的用地范围扩张、人口数量上涨、生态环境破坏等方面的承载压力； 状态(S)是一种影响结果，包括城市土地利用系统的利用密度、强度、消耗状态，及经济、社会、环境状态的改变； 响应(R)是人类对城市土地利用系统状态的不利改变进行主动反应，如土地的管理者—政府，面对威胁土地可持续利用存在的问题，采取相应的政策、制度建设，管理技术改进等来改善不合理现状(S)，以促进经济、社会、资源环境的协调发展。

2.1.2 指标体系构建

PSR模型利用“压力—状态—响应”系统中的链式因果关系来构造指标体系，该文在1993年FAO《可持续土地管理评价大纲》(《FESLM》)中确立的土地可持续利用的评价标准和原则的基础上，首先，根据张凤荣[23]等提出的“城市土地持续利用评价指标体系”及OECD环境状态报告中PSR模型的指标含义，参考相关的研究成果[24-25]，在CNKI数据库中采用指标频率统计法，对相关文献中的指标进行归类筛选； 其次，在科学性、典型性、可更新性及数据可获取原则的指导下，初步确定评价指标体系； 最后，结合陕西省的实际情况，将城市土地可持续利用评价指标体系分为3层：第一层为目标层，即城市土地可持续利用状况； 第二层是准则层，以压力因子、状态因子和响应因子作为目标准则层； 第三层是指标层，分别从经济、社会和资源环境3方面出发选取了19个频数不小于5的指标因子，建立了陕西省城市土地可持续利用评价指标体系(表1)。

该指标体系有效避免了指标间的重复性，真实反映了人地关系间的重要意义，能够利用链式分析考虑到制约土地可持续利用的众多因素，较为全面地体现了研究区各城市的土地可持续发展状况。结合指标体系的PSR模型的因果网络图如图1所示。

图1 陕西省土地可持续利用评价PSR框架的因果网络

2.2 数据来源

该文研究中所使用的基础数据来源于《陕西省统计年鉴》(2015—2017)《陕西区域统计年鉴》(2015—2017)《中国城市统计年鉴》(2007—2017)以及陕西省各个市区的统计年鉴，部分数据来源于政府网站。

2.3 指标数据标准化

由于各评价指标因子的性质不同，取值范围也相差甚远，指标间不可直接比较。因此，该文采用“Z-score标准化”方法对原始数据进行处理，以消除不同指标因子间的量纲差异[21]。其计算公式为：

(1)

2.4 指标权重确定

(1)主成分因子提取

以陕西省的10个城市为研究样本，运用SPSS20.0统计分析软件进行主成分分析。根据因子提取的原则，选取特征根大于1的主成分及解释总方差，提取了累计贡献率大于85%的主成分。因该文涉及陕西省各城市11年的统计数据，不便一一展示，故仅以2016年数据见表2。

表2 主成分提取及解释的总方差

(2)指标权重确定

主成分因子权重的计算公式如下：

(2)

其中，Wj为对应主成分因子的权重，aj为相应的特征根，m为主成分因子个数。

3 评价结果

3.1 综合得分计算

通过数据分析得到主成分因子提取结果和相关因子回归系数。根据因子回归系数算出每个城市的主成分得分：

(3)

式(3)中，Yik为第i个城市第k个主成分的因子得分，bj为第j个指标的因子回归系数，Zij为第i个城市第j个指标标准化后的数值。

据此求出各城市土地可持续利用最终的综合得分(表3)，然后根据综合得分结果进行排序，其公式为：

Fi=∑YikWj

(4)

式(4)中，Fi为第i个城市的土地可持续利用综合得分值，即主成分综合得分值。

表3 2006—2016年陕西省各市的土地可持续利用评价得分

3.2 PSR系统协调度计算

城市土地可持续利用是一个包含动态人地关系的循环过程，在一定时期的循环完成后，其土地整体的压力、状态、响应的状况都会发生相应的变化。因此，该文借鉴相关研究建立了基于离散系数和距离函数的协调度函数，用于帮助分析PSR框架下土地可持续利用各子系统间的协调程度[26]。公式：

(5)

式(5)中，CI为协调度指数，A1、A2、A3分为压力、状态和响应系统的综合得分。

表4 2006—2016年各个年份陕西省各市的土地可持续利用协调度

城市20062007200820092010201120122013201420152016西安市-1.636 -1.482 -1.719 -1.612 0.534 1.331 1.437 0.934 1.628 1.503 1.698 铜川市-1.618 -1.667 -1.674 -1.554 -0.459 1.546 1.655 1.545 1.601 1.507 1.235 宝鸡市 -1.582 -1.072 -1.696 -1.392 -1.489 0.639 1.503 1.622 1.689 1.691 1.679 咸阳市-0.842 -1.513 -1.644 -0.718 0.019 0.521 1.426 1.051 1.162 1.272 1.654 渭南市-1.659 -1.596 -1.428 -1.343 0.910 1.574 0.713 1.304 1.536 1.365 1.617 延安市-1.704 -1.237 -1.633 -1.051 -0.543 -0.001 1.526 1.563 1.325 1.722 1.430 汉中市-1.448 -1.627 -1.623 -1.451 0.360 -1.345 1.214 1.659 1.377 1.421 1.694 榆林市-1.531 -1.686 -1.646 -1.652 0.286 1.178 1.667 1.703 1.526 1.538 1.606 安康市-1.543 -1.611 -1.717 -1.711 0.298 0.631 1.441 1.705 1.614 1.676 1.651 商洛市-1.667 -1.695 -1.620 -1.201 0.206 1.033 1.691 1.615 1.392 1.447 1.621

4 结果分析

4.1 时序分析

根据陕西省各城市的综合得分情况(表3)，可分析其土地可持续利用水平在时间尺度上的变化。

(1)2006年全省土地皆处于不可持续发展，且此情况一直持续到2012年。虽然陕西省在此期间处于不可持续发展阶段，但是各市的土地可持续利用得分大致呈现稳步增长状态。自2012年起，西安、渭南、铜川3市土地的可持续综合得分达到了初步可持续。截止2016年底，全省各市的土地均达到初步可持续水平，除铜川土地可持续综合得分在2015年有所回落外，其余城市的得分大致呈上升趋势。铜川是典型的能源型城市，因煤而兴，先矿后市，境内矿产资源种类众多且储量丰富。在2013年产业结构升级，以及2015年五大发展理念提出这样的背景下，铜川市调整发展战略， 2015年该市建设用地面积为3 700万km2，比2014年下降26%，房地产开发投资完成28.3亿元，比2014年下降10.6%。其中，住宅投资17.09亿元，下降17.2%。由此引起相关指标如城市人口与用地弹性系数、建设用地年增长率以及人均住房面积等指标因子的急剧变化，造成了铜川市2015年土地可持续利用评价得分的大幅降低。

(2)截止2016年底，只有西安市处于完全可持续阶段。西安作为陕西省省会，十三朝古都，作为“古丝绸之路”起点城市，自2013年“丝绸之路经济带”战略提出以来，依靠国家政策支持，充分利用相关优质发展资源，其土地可持续利用得分的年平均增长率大致维持在17%，并且于2013年底已达到基本可持续阶段。

(3)截止2016年底，处于基本可持续阶段的城市共计6个，分别为铜川、宝鸡、咸阳、汉中、安康以及商洛。其中咸阳借助西安打造国际化大都市、“西咸一体化”国家级发展新区的相关政策优势得到了快速发展，在2014年时土地利用就已经达到了基本可持续水平。

(4)截止2016年底，处于初步可持续阶段的城市有渭南、延安和榆林3个城市，其中榆林市土地的综合利用得分最低。榆林市位于陕西省最北部，地貌主要为风沙草滩和黄土丘陵，风蚀沙化和水土流失严重，加之21世纪初期对于煤炭、石油、天然气等能源的大规模开发，更是造成了地下水位下降和地表塌陷等环境问题，加剧了该市生态环境的恶化。因此，研究时段前期，其土地可持续利用主要受制于其生态环境的脆弱性，其中水土流失是阻碍土地可持续利用的重要因素。但随着榆林市政府提出建设“西部经济强市，特色文化大市，绿色生态名市”的战略发展目标，且2015年被确定为国家生态示范区后，榆林市的发展也进入了快车道，尤其是2013年开始的新区建设更是在极大程度上促进了延安市土地可持续利用水平的提升。

4.2 空间差异分析

为更清晰直观地显示出各城市土地可持续利用程度的空间差异，根据表3数据及土地可持续利用等级的划分标准，选取2006年、2012年、2016年这3个时间点，利用Arc GIS软件制作出陕西省土地可持续利用等级分布图(图2)。

注：因2006年陕西省各市的PSR子系统得分均为负值，故在图中不予呈现图2 陕西省土地可持续利用等级分布

由图2可以分析出： 2006—2016年这11年间，陕西省各城市土地可持续利用等级总体上由不可持续向初步可持续利用水平转变， 2016年底，呈现出由西安市向周围辐射的格局特征。

(1)从空间分布格局来看， 2006年，全省土地均处于不可持续利用水平； 2012年，只有西安、渭南、铜川3市处于初步可持续水平，主要集中分布于关中地区，其余各城市仍处于不可持续利用水平； 2016年，处于初步可持续的城市减少到3个，但是处于基本可持续水平的城市增加到了6个，主要分布在关中和陕南地区。

(2)从演化特征来看，陕西省土地可持续利用等级在空间上呈现出一定的地域特征，即其土地可持续利用水平由高到低依次为关中地区、陕南地区和陕北地区。这表示，各城市的土地可持续利用水平存在一定的空间关联性，这与经济条件(产业结构、城市建设现状、人均GDP等)，社会条件(政府政策、文化条件等)和资源环境(地形地貌、水土资源等)有着密不可分的关系。

城市土地可持续利用评价结果除了受用地效率、投入产出因素影响外，还与自然资源环境、区位条件、政策扶持等因素密切相关。关中地区又称关中平原，地形平坦，邻近渭河，有灌溉之利，植被覆盖率较高，是陕西省主要的粮棉生产基地，且城市化进程较快，因此土地可持续利用水平较高。陕南地区地形以低山丘陵为主，土地利用类型多样，水热资源丰富。随着2013年，陕南3市的发展被纳入国家战略层面，相关政策、资金、技术不断投入，使得其土地可持续利用程度也在不断增强。而位于黄土高原的陕北地区，生态环境相对更为脆弱，常年降水少、植被覆盖率低、人口密度大、城市产业结构调整缓慢等因素阻碍了其土地可持续利用水平的快速提升。

4.3 系统协调度分析

PSR模型反映了土地可持续利用过程中“压力(P)”“状态(S)”和“响应(R)”3方面之间的动态链式关系，根据上文表4，选择2006年、2012年及2016年3年数据做图3。

图3 陕西省土地可持续利用PSR系统协调度

从整体上看， 2006—2016年陕西省土地可持续利用系统协调度差异较大。从变化趋势来看， 2006年以来PSR系统协调度总体为波动上升趋势。从2012年起，逐渐有城市出现协调度大于1.650的较优值，说明系统整体协调度不断向好。尤其是2016年，除个别城市外，其系统协调度总体维持在1.60-1.70，西安市的协调度更是达到了1.698的最高值，最为接近1.732的最优值。

通过Pearson相关系数的计算，可知PSR协调度与土地可持续利用水平之间显著相关，故两者可综合比较，该文选取表3和表4中2006年、2012年和2016年的土地可持续利用综合得分与协调度数据用以分析两者的拟合程度，如图4所示(其中2016年的详细数据在表5中列出)。

表5 2016年陕西省土地可持续利用PSR子系统得分、综合得分及排序

图4 陕西省城市土地可持续利用水平和协调度水平拟合图

由表5及图4可知， 2006年陕西省的土地可持续利用水平与协调度的拟合程度较差，主要是由于该时期全省整体的土地可持续利用程度都相对较差； 2012年底，虽然土地可持续利用水平与协调度大幅提升，但拟合效果仍不显著； 直至2016年底，才呈现出明显的拟合效果。

总体而言，陕西省各城市的土地可持续利用水平与其PSR系统的协调度呈正相关，即PSR系统协调度越高，城市土地可持续利用的水平越高。例如2016年西安、宝鸡、咸阳3城市的土地可持续利用水平和城市土地可持续利用的系统协调度水平都较高，尤其是西安市，其两次排序结果相同，说明该城市子系统之间的反馈关系是良性的。剩余大部分城市中的土地可持续利用水平与协调度水平总体趋势相同，且差异不大。但是样本内仍存在部分偏差，例如铜川、榆林两市的土地可持续利用水平和协调度水平存在较大差异，从PSR系统内部分析，即虽然该市土地可持续利用水平不高(“压力”指标得分低为负值或较低值)，但是却未能有明显的改善对策(“响应”指标得分偏低)，或是采取对策后，土地可持续利用状况的改善并不明显(“状态”指标得分偏低)，因此3个子系统之间内在关系不强，拟合度较低。

5 结论与建议

该文探讨了土地可持续利用的重要性以及土地可持续利用水平与PSR系统协调度的相关关系，以市域为单元，提出了基于PSR模型、主成分分析的土地可持续利用评价指标体系和方法。并综合时间的延续性和空间的差异性，对陕西省2006—2016年各城市的土地可持续利用状况进行综合评价，较好地揭示了研究区域土地可持续利用水平的时空变化特征。通过研究，得出以下结论。

(1)2006—2016年，陕西省各城市土地可持续利用水平总体偏低，处于初步可持续向基本可持续转变阶段。但整体呈良性发展趋势，土地可持续利用水平不断提升。2006—2012年，各城市土地可持续利用水平较差，基本处于不可持续到初步可持续之间； 2013年以后，各城市的土地可持续利用水平得到大幅度提升，但依然不高； 到2016年底，仅有渭南、延安、榆林3市土地可持续利用水平偏低，其余城市都上升到了基本可持续水平及以上，但总体水平有待进一步提高。

(2)陕西省土地可持续利用水平在空间上呈现出放射状发展态势，并存在一定的区域特征。西安作为丝路西北沿线的龙头城市，其土地可持续利用水平一直位于陕西省各城市前列，且呈现出以西安市为高值中心向周围辐射的态势。另外，关中地区、陕南地区、陕北地区的土地可持续利用水平大致呈依次递减形势。

(3)陕西省的城市土地可持续利用水平与PSR系统协调度总体上呈正相关趋势。PSR系统的协调程度能较好地显示出“压力”(P)、“状态”(S)、“响应”(R)3个子系统间的相互关系。要达到更高水平的土地可持续利用等级，面对城镇化进程所带来的经济、社会、资源环境方面的“压力”(P)，必须通过相关经济、行政手段“响应”(R)其发展需求，从而促进城市土地可持续利用水平的转化速率。

城市土地的可持续利用水平关系到城市的可持续发展，陕西省各城市土地可持续利用水平发展不均衡，但总体发展趋势良好。在今后的发展中，应充分利用“新丝绸之路经济带”的国家战略优势，结合创建“大西安”的相关规划，以西安为中心带动关中地区土地的可持续利用水平提升，发挥好西安作为中国第三大国际化大都市以及“丝绸之路经济带”枢纽的龙头作用。同时，针对土地可持续利用水平较低的陕北和陕南地区，应利用好《陕甘宁革命老区振兴规划》《关中—天水经济区发展规划》的政策、资源优势加大陕南、陕北地区的投资力度，挖掘城市土地的可持续发展潜力。

土地可持续利用具有集聚经济和规模经济效益，但由于土地报酬递减规律的作用，过度开发或投入可能会引起边际效益递减问题，如城市交通拥堵、空气和噪音污染加重，以及资源短缺等城市问题。因此，在城市化进程加快的同时，应该：①从各城市土地利用的特点出发，加强土地规划控制力度，注重新增建设用地与现有城市功能和产业布局，提高城市土地开发强度和用地效率，极力避免土地浪费现象； ②统筹考虑陕西发展的产业定位和布局，以产业升级拉动城市土地利用结构升级。统筹各城市的产业发展，加快产业结构调整步伐，细化功能分工，从而实现产业互补； ③盘活城市土地存量，让城市用地走内涵式挖潜的发展道路。重视城市更新项目的开展，对城市建成区内闲置、废弃地块及时回收为土地储备或另作他用，充分发挥存量土地的效益。最终达到促进全省各城市土地可持续利用水平均衡发展的目的。