环境约束下的甘肃省城市土地利用效率时空差异及其演进特征

朱立祥, 雒占福, 王启雯, 张 金

(西北师范大学 地理与环境科学学院, 兰州 730070)

土地是自然历史过程的产物，是人类不可或缺和不能再生的自然资源，也是由众多自然因素和人类活动共同作用形成的自然—经济综合体。土地资源在数量上的有限性、位置上的固定性与其供给上的稀缺性要求人们保护土地资源并努力提高土地资源的利用效率。城市土地是人类集中从事生产和生活消费的物质载体，其利用效率状况直接影响到城市社会经济的可持续发展以及城市生态文明的构建[1]。改革开放以来，随着国内市场经济的发展，经济体制和经济增长方式的转变，国内人口基数逐渐增加，导致人地关系矛盾愈加突出。伴随着经济社会的快速发展，城市建设用地迅速扩张的过程中主要占用了周边大量的耕地[2]，对土地资源的合理、节约和集约利用已成为我国土地利用的基本趋势。因此，我国制定了“十分珍惜、合理利用土地和切实保护耕地”的基本国策，城市建设用地粗放式扩张得到了有效控制并且保障了国家粮食和生态安全[3]。甘肃省在全国发展大格局中具有重要的战略地位，处在加快发展的重要阶段，为响应国家最严格的耕地保护政策，于2010年修订了《甘肃省土地利用总体规划(2006—2020年)》，规划将保护耕地、严格控制非农建设用地规模作为重点，在一定程度上为其经济持续、快速和健康发展提供了土地保障。但由于区域间自然条件、经济基础、制度环境等差异，甘肃省城市土地粗放利用的现象依然存在[4]。2016年末，甘肃省土地面积为42.58万km2，其中城市建设用地面积为805.97 km2，较2005年末的525.41 km2增加了53.4%，部分地方主要依靠物质资源消耗支撑经济增长。同时，随着工业化和城市化的快速推进，土地资源紧缺、生态环境污染严重等一系列资源环境问题不断加剧的同时对城市土地造成了污染，而城市土地又是城市化运行的物质载体，提高城市土地利用效率(Urban Land Use Efficiency，ULUE)成为解决人地矛盾的关键。因此，有必要将城市环境污染因素纳入研究范畴，从宏观的角度在时间和空间维度上探究甘肃省城市和不同区域土地利用效率时空差异及动态演进特征，对改善城市环境、促进城市可持续发展具有重要意义。

国外学者对于城市土地利用的研究始于基础理论，主要有20世纪20年代兴起的生态学派[5]，20世纪60—70年代的经济区位学派[6]，20世纪70—80年代的政治经济学派[7]。目前理论体系已经相对成熟，研究内容较为完善，其对于如何提高ULUE具有重要的理论指导意义。近年来，国外学者对城市土地利用的研究内容主要集中在城市土地扩张[8]、城市土地利用评价模型[9]，以及土地利用资源效率评价[10]；研究方法主要将统计学、经济学、以及地理学等学科相关方法融合起来[11]。国内学者对ULUE的研究趋于多样化，主要集中在ULUE基本理论[12]，综合效益评价[13]、评价指标体系[14]、评价方法[15]、效率测度及评价[16-17]、单一因素对ULUE的作用[18]、多方法和多指标的ULUE和影响因素[19]、环境约束下的ULUE[20]等多方面研究。首先，评价指标的选取上向表征ULUE的社会、自然和经济多项指标发展[21]；其次，在研究方法上不断地丰富和优化，主要包括协调度模型[22]、DEA模型[18]、超效率DEA模型[23]、向量自回归模型[21]、随机前沿生产函数模型(SFA)[3]、SBM-Undesirable模型[16]；同时，研究对象主要在省会城市、城市群、地级以上城市[18-19,24]。总体来看，我国学者在ULUE已有众多研究成果，但是仍然存在几点不足：(1) 多数学者只关注社会经济效益，忽视了土地利用过程中工业“三废”排放以及生活垃圾带来的环境污染，较难科学地评价土地利用效率；(2) 很少有学者对处于我国三大自然地理区域过渡带欠发达的甘肃省长时间序列ULUE进行测算；(3) 传统DEA模型多是径向的，没有考虑到投入产出松弛性问题，产出指标一般选择期望产出，无法对包含非期望产出的指标进行精确测度。

鉴于此，本研究从单位建设用地面积上产生的经济效益、社会效益以及环境效益进行考虑，运用包含窗口的SBM-Undesirable模型对甘肃省14个市州2005—2016年城市以及不同区域土地利用效率进行测度，从时空分异特征揭示甘肃省ULUE演变规律，并运用核密度估计从时间段上描绘出甘肃省ULUE的动态演进特征。优化投入与产出要素的配置比例，为各区域促进城市土地集约利用提供科学参考。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究方法

1.1.1 变异系数 运用变异系数来揭示甘肃省ULUE的变动差异程度，其计算公式：

(1)

1.1.2 SBM-Undesirable模型 数据包络分析(DEA)是以相对效率为基础[25]。DEA模型的特殊优势是可以对多投入多产出的决策单元(DMU)进行有效评价，无须对数据进行无量纲化处理，采用了最优化方式确定各指标的权重，避免了主观影响[26]。目前已广泛应用于各个领域，涉及到地理学、经济学、管理学以及医疗卫生等多个学科研究。DEA为非参数前沿分析方法，如果DMU数量过少，很容易出现大部分甚至全部DMU均有效的结果，使DEA失去对DMU效率区分的能力。本研究DMU数量只有14个，因此选择基于面板数据计算的窗口DEA模型，窗口宽度d选为3[27]。

(2)

(3)

1.1.3 核密度估计 核密度估计用连续的密度曲线描述随机变量的分布形态，属于非参数检验的一种方法，其优势不仅具有函数预设的客观性，而且能直观地揭示出动态演进趋势。其公式为：

(4)

式中：K为核函数；N为样本数据观测值的个数；h为带宽。本研究选择随机变量x服从正态分布的高斯核函数对ULUE分布动态演进进行估计[29]，即：

(5)

参考Burkhauser等[30]的研究，根据Kernel密度估计图得出ULUE分布形态、峰值和延伸性等方面的变化进而描述ULUE的演进特征。

1.2 指标选取与数据来源

孙新华[31]以地理区间和土地形态为基础并将城市区域内的水域、陆地以及其地上地下空间作为城市土地。城市建设用地作为经济社会活动的空间载体，是助力城市发展的基础，同时也是城市二三产业从事社会生产活动的直接依托。因此，本研究将城市土地定义为城市建设用地。本研究的建设用地利用效率定义为单位建设用地面积上的投入得到的最大产出。城市土地利用投入的要素资源主要包括资本、土地、劳动力。其中，资本代表城市的物质资金存量；土地代表可供利用的土地资源及其所涵盖的其他资源；劳动力是具有一定教育背景和健康水平以及技能的人。因此本研究选取土地、资本、劳动力作为投入指标，分别对应城市建设用地面积、固定资产投资和二三产业从业人员数。建设用地是指城市用地中除水域与其他用地之外的各项用地面积，固定资产投资是指建造和购置市政公用设施的经济活动，二三产业从业人员是指城市从事第二产业和第三产业的人员数。

本研究从期望产出和非期望产出两个方面考虑，选取经济、社会和环境效益作为产出指标，其中环境效益既考虑了正面效益也考虑了负面效益。期望产出分别对应二三产业增加值、城镇职工平均工资和人均公园绿地面积。二三产业增加值是衡量城市土地利用经济效益好坏的一个重要指标，城市土地可持续发展需要人力资源的保证、以及良好的生活条件和优美的生态环境，城镇职工平均工资是城市人力资源的重要保障，人均公园绿地面积是衡量城市环境状况的一个重要指标。非期望产出主要从土地利用过程工业产生的三废和生活垃圾两个方面选取指标，工业三废主要选取了工业废水排放总量、工业二氧化硫排放量，生活主要选取了生活垃圾清运量作为城市经济社会发展过程中对环境造成负面影响的指标。

本研究选取甘肃省12个地级市、2个自治州为研究对象。城市建设用地面积数据来源《中国城市建设统计年鉴》；二三产业从业人员数据来源《中国城市统计年鉴》；其余指标数据来源《甘肃省统计年鉴》，部分环境污染数据来源各城市历年统计年鉴，其中地级市数据为各城市市辖区数据。

2 甘肃省ULUE的特征分析

2.1 ULUE总体特征

根据窗口SBM-Undesirable模型，并运用MaxDEA软件计算得到2005—2016年甘肃省各ULUE值(表1)。根据潘竟虎等[32]关于城市发展效率的研究,基于2005—2016年甘肃省土地利用效率实际值，设定ρ*=1为高效率；0.8≤ρ*<1为中等效率；0.6≤ρ*<0.8为低效率；ρ*<0.6为无效率。

(1) 甘肃省ULUE整体上处于中等水平。从整体来看，2005—2016年甘肃省ULUE平均值为0.830，达到最优水平的83%。其中，2005—2007年效率值均处于中等水平，3 a均值为0.779，处于最优水平的77.9%；2008—2016年效率值均处于高等水平，9 a均值为0.847，达到最优水平的84.7%。从个体来看，2005年效率值为0.772，处于12 a间效率最低水平，仅达到最优水平的77.2%。其中，白银(0.286)、张掖(0.432)、平凉(0.419)、定西(0.405)4个城市处于无效状态，拉低了2005年甘肃省土地利用效率整体水平；2008年效率值为0.880，处于12 a间效率最高值，达到最优水平的88%。其中，处于效率最优的城市有兰州、金昌、天水、武威等9个城市，处于中等效率的有嘉峪关(0.892)和酒泉(0.898)共2个城市，从而带动了2008年甘肃省土地利用效率。表明甘肃省2005—2016年土地利用效率处于中等水平。

表1 2005-2016年甘肃省ULUE值

(2) 甘肃省城市间土地利用效率差异显著。2005—2016年甘肃省14个市州共168个城市，土地利用处于高效率、中等效率、低效率、无效率的城市分别有89，18，22，39个，占到总数的52.98%，10.71%，13.10%，23.21%，表明甘肃省ULUE差异较大。具体来看，2005—2016年合作土地利用效率均值为1，排名第1，且每年效率值都为1，属于DEA有效；兰州平均土地利用效率为0.994，排名第2，除了2012年效率值为0.932之外其余效率值都为1；庆阳平均土地利用效率为0.988，排名第3，除了2007年效率值为0.857之外其余效率值都为1；而白银和平凉土地利用效率均值分别是0.625，0.462，排名第13，14，白银除了2011年和2013年效率值为1外其余效率值小于1，而平凉效率值都小于1，表明ULUE值差异明显。

(3) 甘肃省城市间土地利用效率波动较频繁，整体呈现上升的趋势。根据2005—2016年甘肃省城市土地利用效率均值图(图1)，可以看出甘肃省ULUE整体上呈现增加的态势，均值由2005年的0.772增长到2016年的0.830，涨幅达到7.5%。2005年有兰州、嘉峪关、天水、酒泉、庆阳、陇南、临夏和合作8个城市效率值达到1；2010年有兰州、嘉峪关、金昌、庆阳、定西和合作6个城市效率值为1；2016年有兰州、嘉峪关、天水、威武、张掖、庆阳、定西、陇南和合作9个城市效率值达到1，属于DEA有效。甘肃省城市土地利用变异系数由2005年的0.366下降到2008年的0.223，即12 a间的最大值和最小值，随后不断升降，到2016年达到0.276，总体减幅为24.48%。表明甘肃省城市间土地利用效率在波动的变化，整体上呈现增加趋势。

图1 甘肃省城市土地利用平均效率

2.2 ULUE时空演变特征

为了更加直观地表达甘肃省ULUE的空间分布特征，基于2005年、2010年、2016年ULUE数值，依照上文对效率值的分类，利用ArcGIS 10.2进行可视化(图2)。

(1) 甘肃省高效、中效、低效、无效率城市分别由2006年的8，0，1，5发展到2016年的9，0，2，3个城市，占其所有城市的比重分别为57%，0%，7%，36%与64%，0%，14%，22%。中效、低效与无效城市2006年、2016年分别占到了43%和36%，呈现下降趋势。令人鼓舞的是中等效率以上的城市占比由57%上升到64%，高效率城市增长1个，低效率城市数由5个减少到3个。甘肃省城市土地利用低效和无效城市在减少，表明在快速城镇化进程中，甘肃省积极推进土地集约利用，优化升级经济和产业结构，ULUE不断提升。

(2) 甘肃省2005年、2010年和2016年高效率的城市均有兰州、嘉峪关、庆阳和合作4个城市，而处于无效率的城市均有白银和平凉2个城市。其中，平凉土地利用效率值最低，土地利用粗放，究其原因是其处于偏远的黄土丘陵沟壑区，经济实力薄弱，对外交通不便，社会生产生活条件差。2005年、2010年和2016年张掖和定西这两个城市土地利用水平提升明显，其中定西从2006年的0.405上升到2010年的1，张掖从2006年的0.432上升到2010年的0.843再上升到2016年的1，这些城市位于陇海—兰新线，经济发展迅速，对外交通便利，区位优势明显，土地集约化利用趋势明显。

(3) 从地域上看，城市土地利用的空间分布变化显著，高效、中效、低效和无效城市相间分布。历年DEA高效率的城市主要有两类：一类是在经济发展水平与城市化水平很高的省会城市(兰州)、工业城市(嘉峪关、庆阳)，这类城市经济基础好，在土地利用规划的同时重视废弃物排放监管和生活垃圾处理，注重资源的合理配置和利用；另一类是在经济基础相对较弱和工业化程度低的城市(合作)，究其原因本研究考虑了非期望产出，这类城市环境污染较少，城市土地利用的产出和集约利用程度高。

图2 2005年、2010年和2016年甘肃省ULUE空间分布

2.3 不同地区ULUE特征

根据胡雪瑶等研究成果[33]，依据城市经济区差异程度将甘肃省划分为陇中、河西、陇东、陇南、南部民族地区5个，分别计算5个地区的平均值(表2)，进一步揭示不同地区甘肃省ULUE特征。

表2 甘肃省不同地区ULUE值

(1) 甘肃省ULUE呈现南部民族>河西>陇东>陇中>陇南的等级差异特征。2005—2016年南部民族、河西、陇东、陇中、陇南地区ULUE均值分别为0.925，0.852，0.837，0.794，0.725，依次降低，表明南部民族地区ULUE最高。究其原因本研究考虑了非期望产出，南部民族地区城市发展过程中带来的工业污染和生活垃圾少，有效地保护了生态环境，效率最高；河西地区资源型城市多，自然条件较好，地势平坦，城镇经济发达，能够很好地利用城市土地资源；陇东、陇中和陇南大多地区处于山地和黄土高原干旱区，地质地貌复杂，自然条件差，多为甘肃省老工业基地，经济发展过程中带来的环境污染严重，效率最低。

(2) 甘肃省不同地区ULUE差异显著，呈现不同程度的上升和下降趋势。2005—2016年波动上升的为陇中和河西地区，陇中地区2005年效率值为0.564，2011年效率值为0.947，达到12 a间最高值，2016年效率值为0.857，比2005年上升了51.95%；河西地区2005年效率值为0.738，2008年效率值为0.958，为12 a间最高值，2016年效率值为0.871，涨幅了18.02%，表明2005—2016年陇中和河西地区ULUE有所提高。2005—2016年波动下降的有陇南和南部民族地区，陇南地区2005年效率值为0.710，2012年效率值为0.658，为12 a间最低值，2016年效率值为0.681，下降了7.32%；南部民族地区2005年效率值为1，为DEA有效，土地利用效率高，2016年效率值为0.720，为12 a间最低值，下降了28%，表明2005—2016年陇东和南部民族地区ULUE有所下降。陇东地区2005年效率值为1，效率值最低为2012年的0.595，随后又上升到2 016的1，效率达到最大值。

2.4城市土地利用分解效率特征

为了能更好地描述甘肃省ULUE变化趋势，进一步揭示出驱动ULUE变化的原因，本研究运用MaxDEA软件将技术效率分解为纯技术效率和规模效率(图3)。同时，为了清晰地反映纯技术效率与规模效率对技术效率的贡献度，本研究绘制了技术效率与纯技术效率、技术效率与规模效率关系散点图(图4)。

图3 2005-2016年甘肃省城市土地利用效率及其分解效率

(1) 甘肃省城市土地利用分解效率整体呈现上升趋势，且规模效率突出。从图3可以看出纯技术效率和规模效率变化趋势和技术效率变化趋势一致，且呈现上升的趋势。2005—2016年规模效率和纯技术效率均值分别为0.904和0.830，规模效率均值高于纯技术效率近8个百分点，且技术效率与规模效率的相关系数为0.957，高于技术效率与纯技术效率的相关系数0.933，表明城市土地利用规模效率是城市土地利用技术效率的主要驱动因素。

(2) 甘肃省城市土地利用技术效率受到两种分解效率的影响，且规模效率的贡献度较大。从图4可以看出纯技术效率和规模效率与技术效率分别呈现正相关关系，即随着技术效率的增加纯技术效率和规模效率也呈现增加的趋势。各个ULUE与45°对角线不能很好的重合，说明城市土地利用技术效率受到纯技术效率和规模效率的共同作用。由图4A可以看出散点更接近45°对角线，拟合度高；而图4B散点多位于顶端和偏上部，且偏离45°对角线的散点较纯技术效率的更多，拟合度低，分解中的规模效率对技术效率的贡献度更高于纯技术效率，说明了甘肃省土地利用效率处于中等水平的主因是纯技术效率不高造成的，进一步解释了技术效率变化是由规模效率变化引起的。因此各个城市在今后的土地利用过程中更应该重视土地资源的配置和利用，重视技术进步对ULUE的提升作用，提高土地利用水平，严格控制土地的低效和粗放使用，尤其是ULUE较低的陇东和陇南地区要结合自身发展实情，把技术创新作为提升ULUE的根本动力。

图4 甘肃省城市土地利用技术效率与各分解效率的关系

3 甘肃省ULUE的核密度估计

为了揭示ULUE的动态演进特征，本研究利用Eviews 8.0软件对甘肃省2005年、2008年、2011年、2014年和2016年ULUE值进行Kernel密度估计并绘制了动态演进图(图5)。从总体形状上看，核密度函数中心向右移动，变化区间基本保持不变，说明ULUE总体水平不断提高，地区差距不断加剧。从演变过程来看，核密度函数总体分布大致呈现“M”形双峰，且波峰总体变陡，说明ULUE出现两极分化的现象，比如出现合作效率高和平凉效率低的情况；核密度函数呈现由宽峰向尖峰形发展，说明ULUE趋同；核密度函数双尾延长度除2008年大幅度减小外其余年份都是小幅度增加，说明ULUE的差距基本上在扩大。2005年、2008年、2011年、2014年和2016年主波峰都在右侧，说明该期间ULUE都呈现高值聚集。

图5 甘肃省城市土地利用效率的动态演进

4 讨论与结论

4.1 讨 论

土地是由多种自然因素和人类活动共同作用形成的自然—经济综合体，甘肃位于西北内陆，土地总面积大，但土地生产力水平低下，人均耕地不足，用地矛盾突出，本研究也揭示出甘肃省土地利用效率不高且呈现两极分化和空间非均衡性。与以往相关研究相比[4]，在研究角度、方法以及研究的系统性有了一定的改进，本研究从土地、资本、劳动力与经济、社会、环境产出以及产生的负面效益作为ULUE的指标选取，尽可能考虑城市土地利用投入产出的共性指标。虽然在该共性指标下的研究结论具有较好的整体性，比较符合当前甘肃省城市土地利用的现状，但部分城市的土地利用仍然存在偏差，从而使得部分ULUE与实际感知有一定的出入。如白银、平凉等ULUE水平低的结论，表明ULUE研究除了加强共性因素外，也要考虑不同个体城市建设用地类型、经济发展水平、城镇化水平以及政府干预等综合因素影响。研究发现甘肃省ULUE不高的主因是纯技术效率较低，因此各城市在发展经济的同时需要进一步加强资源要素配置、利用等能力，进一步加大改善环境质量的力度，限制城市建设规模向外扩张的速度，开发闲置土地。甘肃省应以“一带一路”经济带建设为契机，充分发挥本地独特的优势，加强交通等基础设施建设，创新发展思路，尤其是ULUE较低的陇南地区，以提高ULUE。此外，由于数据的可获取性，目前分析尺度限于地级市州，城市土地利用过程中环境负面效益只考虑了工业废水排放总量、工业二氧化硫排放量和生活带来的垃圾。未来，对影响甘肃省ULUE的内在机理有待深入研究。

4.2 结 论

(1) 甘肃省ULUE整体处于中等水平。城市间土地利用效率差异显著，呈波动上升的趋势，空间分布上具有区域非均衡分布特征，高效、中效、低效和无效城市相间分布，中高效率城市不断增加且主要分布在陇海—兰新线经过的省会城市和工业城市。

(2) 甘肃省不同地区ULUE差异同样显著，呈现南部民族>河西>陇东>陇中>陇南的区域差异特征。同时不同地区呈现不同程度的升降趋势。

(3) 甘肃省城市土地利用技术效率受到两种分解效率的影响，技术效率及其分解效率均呈现上升趋势，且规模效率>技术效率>纯技术效率。规模效率是技术效率的主要驱动因素。

(4) 甘肃省ULUE在地域空间上呈现两极分化的特征，且差异不断扩大，呈现“增加—减小—增加”的变化趋势，聚集类型呈现高值聚集。