欠发达地区土地利用多功能化演变的时空轨迹：来自西北典型城市的证据

盛羊羊，林 彤，刘新平，高先超，盛建东

(1.新疆农业大学管理学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆自然资源厅，新疆 乌鲁木齐 830000；3.吉林大学地球科学学院，吉林 长春 130021；4.新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

改革开放以来，社会经济的快速发展促进了中国城市化的发展，提高了民众生活的质量，但是快速城市化也带来了一系列发展问题[1]，如人口快速增长[2-3]、生态环境遭到破坏[4-5]、生物多样性减少等[6-7]；同时城市的快速扩张导致耕地资源被占用[8-9]，出现“功能性土地冲突”.因此，协调社会、经济和环境发展，形成有效和可持续的土地利用政策，使土地利用多功能化成为解决这些问题的重要途径[10].

以往的土地利用多功能化研究主要关注的是农业[11]，而多数土地利用变化发生在城市地区[12].近年来，人们开始关注如何提高“土地利用或混合土地利用的多功能性”问题[13]，同时也提出了土地可持续利用的新研究方向.相关的研究[14-15]主要关注的是土地利用规划和制图、混合土地利用对环境和空间演变的影响等，但这些研究多集中于经济社会发展水平相对较高、生态环境抗风险能力较强的湿润、半湿润的中东部地区，而涉及欠发达的干旱、半干旱的西北地区的却较少.此外，土地利用和整合应侧重于生产、生活和生态的综合性开发.因此，本文综合考虑土地的生产、生活、生态等功能，建立土地利用多功能化评价指标体系，采用熵权法、三角模型和耦合协调度模型，对欠发达地区城市土地利用多功能化演变的时空轨迹进行了评估.研究结果对于推动城市土地高效和可持续利用以及协调有序发展、提高国土空间规划的综合性与科学性具有重要意义.

1 研究方法及处理

1.1 研究区概况

西北五省(自治区)位于中国内陆，主要是指大兴安岭以西、长城和昆仑山—阿尔金山—阴山以北地区，包括甘肃、新疆、陕西、青海和宁夏.五省(自治区)总面积约302.63万km2，总人口约1.02亿.地区地貌以高原、平原和盆地为主，大部地区属温带大陆性气候，生态环境脆弱，自然景观从东到西分别为耕地—草原—荒漠草原—荒漠—高原.具有兰州、乌鲁木齐、西安、西宁和银川5个典型城市，见图1.

图1 西北典型城市区位图

西北五省典型城市地处中国经济发展落后地区，地域环境相似，近30年来得益于国家“西部大开发战略”以及“一带一路”倡议的推进实施，人口迅速增加，城市化进程不断加快.5座城市人口从2005年的1 598.12万人增长到2015年的1 954.11万人，国内生产总值从2005年的2 894.45亿元增长到2015年的13 150.01亿元，占西北五省总GDP的33.02%.然而，5座典型城市的快速发展也带来了水资源匮乏、土地资源退化、环境污染和生态破坏、区域间合作缺乏和文化多样性缺失、城乡收入差距拉大等诸多经济、环境和社会问题.

1.2 研究方法

1.2.1 熵权法

步骤1：指标标准化.采用极值标准化方法对原始数据进行处理，从而产生标准化矩阵：

(1)

步骤2：指标权重确定.采用熵权法确定指标权重[14].

步骤3：功能指数计算.使用加权平均的方法计算2005—2015年各年的生产功能指数(IPF)、生活功能指数(IPF)和生态功能指数(IEF)，具体公式如下：

(2)

1.2.2 三角模型

采用三角模型[12]分析土地利用多功能化时空演变的轨迹和趋势.基于三角模型的性质考虑，选取非生产功能指数(INPF=1-IPF)、生活功能指数(ILF)和非生态功能指数(INEF=1-IEF)，使用Grapher10软件构建三角图，结果见图2、表1和表2[12].

图2 土地利用多功能化状态及趋势的三角模型示意图

表1 土地利用系统的土地利用多功能化现状

表2 土地利用系统的土地利用多功能化演变方向

1.2.3 耦合协调度模型

采用耦合协调度模型量化分析3种土地利用功能指数关系，公式如下：

T=aU1+bU2+cU3；

(3)

(4)

(5)

式中：T为土地利用功能指数；D为耦合协调度，D∈[0，1]；C为耦合度，C∈[0，1]；U1，U2，U3分别代表生产、生活和生态功能指数；k是调节因子(2≤k≤5)，k=2；a，b和c代表这3个土地利用功能指数的贡献度，分别为1/4，1/2，1/4.

对于土地利用系统，耦合协调度越低，表明生产、生活和生态环境中的土地利用冲突越大.因此，根据耦合度(C)、耦合协调度(D)和3个土地利用功能指数的大小，将土地利用系统协调发展状况划分为4个类别和10个子类别，结果见表3.

1.3 指标体系建立

城市的生产、生活和生态功能之间的土地利用关系形成完整的土地利用系统.生产功能是系统的基础，生态功能是系统的保证，而生活功能是系统的最终目的.生产功能是土地利用系统的基础，是产品输出、人类活动、交通运输和贸易等生产和商业运营活动的有效载体，具体包括农业生产功能、经济增长功能以及运输功能.生态功能是土地利用系统的保证，是支持人类高质量生产和生活的一系列自然条件，包括资源安全和生态安全功能.生活功能是系统的最终目的，通过生产功能和生态功能实现调整改进，使土地利用系统为人类提供住房、消费和休闲娱乐，研究过程中常分为就业保障功能、社会保障功能、栖息地功能、娱乐功能与文化和教育功能.

表3 土地利用冲突耦合协调度划分表

在土地利用系统中，生产、生活和生态功能是相互关联、相互影响的.生产功能决定生活功能和生态功能，而生态功能又为生产和生活功能提供保障.生态恶化意味着生产功能将受到限制、生活功能将会受到影响.生活功能是土地利用优化协调的最终产物，在土地利用系统中起到管理生产和生态功能的作用.

本文基于土地的生产-生活-生态等功能，建立城市土地利用多功能化评价指标体系，结果见表4.指标体系具体分为三个层级：标准层(3个指标)、一级指标层(10个指标)和基础级别指标层(21个指标).

表4 土地利用多功能化评价指标体系

1.4 数据来源

社会经济、部分土地利用和资源与环境数据来源于《中国城市统计年鉴》(2006—2016年)，《兰州统计年鉴》《乌鲁木齐统计年鉴》《西安统计年鉴》《西宁统计年鉴》和《银川统计年鉴》(2006—2016年)，兰州、乌鲁木齐、西安、西宁和银川的《国民经济和社会发展统计公报》(2006—2016年).其余土地利用和资源与环境数据分别来源于《中国国土资源统计年鉴》(2006—2016年)和《中国环境统计年鉴》(2006—2016年).

本文借助Matlab平台运用熵权法计算指标权重，通过Grapher10软件构建土地利用功能指数的三角模型，使用ArcMap和Photoshop软件制作土地空间专题地图.

2 结果与分析

2.1 土地利用功能变化

西北典型城市的3个土地利用功能指数在2005—2015年期间呈现整体上升趋势，动态变化如图3所示.由图3可见，生产功能和生活功能指数的曲线上升趋势比生态功能缓慢，这意味着城市对于生态平衡的关注要高于生产力发展和生活水平的提高.在2007年以前，土地利用功能指数生产功能、生活功能和生态功能三者的价值以及被关注程度排序为：ILF>IEF>IPF.2007—2012年期间，生态功能指数始终大于生产功能和生活功能指数，得益于其最快速的上升趋势，而生产功能指数和生活功能指数变化趋势是同步的，但生产功能指数上升速度快于生活功能指数.2012—2014年期间，3个土地利用功能指数呈现交替上升态势.然而，2014—2015年，生产功能指数和生态功能指数均快速上升，而生活功能指数上升趋势减缓，土地利用功能指数的升序排列最终被逆转为：IEF>IPF>ILF.

图3 2005—2015年西北地区3个土地利用功能指数变化

西北5座典型城市的3个土地利用功能指数(IPF，ILF和IEF)在2005—2015年数值变化情况见图4.由图4可见，兰州和银川的IEF曲线与IPF和ILF曲线呈现出分异上升的态势，而IPF和ILF曲线保持相对接近的增长趋势；乌鲁木齐和西安的ILF曲线与IPF和IEF曲线呈现分异上升趋势，而IPF和IEF曲线保持相对接近的增长趋势；西宁的IPF曲线与ILF和IEF曲线呈现分异上升态势，而ILF和IEF曲线保持相对接近的增长趋势.

5座典型城市的IPF曲线都呈现上升趋势，说明农业生产、工业生产和城市基础设施建设迅速推进.城市强大的经济活力得益于“西部大开发战略”的实施以及对口省市援建，同时也受到省级政府的支持和《国民经济和社会发展规划》的合理指导.

除银川ILF曲线增长速度缓慢外，剩余城市都呈现快速增长趋势.研究结果显示，自2005年以来，这些城市的城乡居民收入、人均住房面积和饮食状况都有了很大改善；就业保障功能、社会保障功能、娱乐功能与文化和教育功能的快速提升，有力推动了城市未来社会生活的可持续发展.

除乌鲁木齐外，剩余城市的IEF曲线都呈现大幅度的波动，说明相对于社会经济的快速发展，城市管理者应该更加关注资源安全和生态平衡.

图4 2005—2015年5座典型城市3个土地利用功能指数变化

2.2 土地利用多功能化的现状与趋势

图5 2005—2015年土地利用多功能化现状及趋势

如图5所示，西北典型城市的土地利用多功能化经历了4个阶段：低水平、较低水平、初级水平、中间水平.第一阶段：2005—2009年位于E区域，土地利用多功能化处于低水平，ILF<0.2，而INPF和INEF的值在较高的0.3～0.6范围内.第二阶段：2010—2012年位于D区域，土地利用多功能化整体处于不断上升趋势，但仍处于较低水平.第三阶段：2013—2014年位于C区域，土地利用多功能化水平持续上升，达到初级水平.第四阶段：2015年位于B区域，土地利用多功能化水平呈现线性快速上升，处于中间水平.根据分析可知，典型城市土地利用多功能化和土地持续利用呈现稳步的加速提升状态，主要得益于5个城市在保持经济增长的同时，采取了一系列措施提高市民生活质量，推动基础设施与市政设施建设；同时，响应国家节能减排政策，加大环境污染治理，推动了城市可持续发展.

从西北典型城市土地利用多功能化时间演变轨迹(见图6)可以看出，2005—2015年期间，土地利用多功能化由无序发展模式转变为有序模式，转变节点在2009年.其中，2005—2008年期间土地利用多功能化水平一致处于摇摆不定的发展状态，处于初级水平；2010—2013年也处于初级水平，直至2014年实现高级水平.很明显在研究期限内，典型城市的土地利用由经济功能占据主导地位逐渐向生活功能和生态功能扩展，资源利用日趋合理，城市生态环境不断改善，对市民生活质量持续提高起到了较大的推动作用.

图6 2005—2015年5座典型城市土地利用多功能化的现状及趋势

如图6所示，西北典型城市土地利用多功能化演变的时空格局有显著差异，具体可分为3种形态：(1)有序发展型，如兰州，此类城市土地利用多功能化和土地持续利用在快速增长后达到中等水平，土地利用多功能化发展最为有序，土地利用渐趋多功能.(2)曲折发展型，如乌鲁木齐和西宁，此类城市宏观规划阶段性不统一、不长久以及政策等因素反复多变造成城市发展方向不确定，导致土地利用多功能化是在反复波动的状态下曲折发展，基本没有形成可持续土地利用状态，土地利用多功能化阶段有序、土地利用逐步多功能.(3)无序发展型，如银川，此类城市土地利用多功能化基本在较低水平长期徘徊，发展最为无序，土地利用未实现可持续，经济功能仍然占据主导地位，土地利用多功能发展趋势不明显.

2.3 土地利用功能间的耦合协调关系

图7和图8显示了在时间和空间尺度上土地利用系统的协调与冲突过程.图7动态展现了2005—2015年耦合度(C)与耦合协调度(D)不同程度的变化情况：耦合度在2005—2015年呈指数增长并达到高级耦合发展阶段；同一时期土地利用功能之间的耦合协调度几乎呈线性快速增长.具体关系可以分为以下4个阶段：

第一阶段(2005—2006年)：土地利用功能的协调程度发生了从高级冲突阶段向低级冲突阶段转变的过程，这一时期的土地利用系统处于较低耦合状态.

第二阶段(2006—2009年)：土地利用功能的协调度持续远离低级冲突阶段，以相对较快的速度向低级平衡阶段发起冲击.在这个时间段内土地利用系统进入矛盾高发阶段.

第三阶段(2009—2014年)：土地利用功能的耦合协调度由低级冲突阶段转变到低级平衡阶段，但在向较高平衡阶段发起冲击的过程中速度相对缓慢.这一时间段土地利用系统以磨合发展的状态运行.

第四阶段(2014—2015年)：土地利用功能的耦合协调度缓慢增加，并且达到了较高平衡发展阶段.这一时期的土地利用系统耦合度较高.

图7 2005—2015年土地利用多功能化的耦合度(C)与耦合协调度(D)变化

图8中分别显示了5座典型城市耦合度(C)和耦合协调度(D)的时空格局演变.自2005年以来耦合度(C)和耦合协调度(D)持续增加并呈现一定空间分布规律，一般而言，东部地区城市的C和D高于西部地区.对于C，西安>西宁>乌鲁木齐>兰州>银川，可分为两个阶段：磨合发展阶段和高级耦合发展阶段.对于D而言，西宁>西安>兰州>乌鲁木齐>银川，主要分为中间平衡阶段、较高平衡阶段和高平衡阶段3个阶段.此外，这5个城市的D有比C更大的变化，银川无论C或D都处于发展相对落后阶段.

通过综合分析土地利用功能间的耦合协调关系，可以推断出以下初结果：

(1)西北典型城市的土地利用多功能化程度在2005—2015年间有所增加；

(2)西北典型城市的土地利用系统由低水平发展阶段、无序状态进入高水平发展阶段、有序状态；

(3)整体而言东部典型城市的土地利用耦合协调度大于西部典型城市，所以西部地区城市的土地利用冲突高于东部地区；

(4)每个城市指定的职能和经济发展活力对土地利用的多功能化产生了深远影响.

3 建议与对策

为了保持高效的土地利用过程和改善土地利用多功能化，扩大功能整体效应，根据各城市土地利用多功能化的时空演变轨迹，分别提出以下建议与对策：

(1) 兰州地处河谷盆地，用地面积稀缺，近十几年来城市发展不断向周边山地拓展；此外，城市化学工业的快速发展导致大量“三废” 的排放，使土地生态环境面临较大压力.基于此，兰州应持续加强环境保护，因地制宜地开展城市建设，实现环境与发展的协调，提高城市生态环境治理投资比例，继续加大城市“三废”处理力度，调整产业结构，实现产业集约化发展，改善城市环境质量.

(2) 2005年以来乌鲁木齐经济实现了快速发展，但整体水平仍然较低；同时民众社会生活质量的提高相对于经济发展和生态质量改善较为缓慢.所以，乌鲁木齐需要抓住国家推进“一带一路”倡议的机遇，制定新型城镇化方案，推动产业与城市融合发展，提高自主创新能力，推进产业升级，积极发展现代服务业，实现经济跨越式发展.同时，需要不断优化城市社区布局，完善城市基础设施，提高城市的宜居性，强化社会保障和就业对民众生活的支撑功能.

(3) 西安属于特大城市，辖区面积大，流动人口和常驻人口较多，由于交通等城市基础设施和市政设施建设滞后，给城市的发展和治理带来了巨大的压力，社会的可持续发展也受到影响.所以，西安应当控制人口数量，积极探索人口流动和城市建设用地同向流动的机制措施，逐步加强城市基础设施和市政设施建设，提升公共设施建设用地比重，保障市民生活质量，提高土地利用的可持续性.

(4) 西宁地处青藏高原的湟水河谷地带，生态环境脆弱，工业化程度低，社会发展水平不高.基于此，西宁首先要制定符合实际的产业政策，吸引资金和技术落地，发展特色产业，调整经济结构，使其向第二、第三产业发展；其次，加强政府主导，培育新兴增长空间，以传统产业改造优化升级为基础，提升工业化水平和就业保障能力，提高市民生活质量，强化城市道路等基础设施建设；最后，在发展经济和保障民生的同时，强调生态空间的保护，形成社会-经济-生态的全面、协调和可持续发展.

(5) 银川在生产-生活-生态方面的土地利用存在不协调和弱可持续性问题，建议城市管理者在推动经济生产发展的同时，需要保护生态空间，减少城市建设对生态用地的侵占，确保生态保护政策的长期稳定性；同时，加大基础设施建设和民生保障领域的资金投入，切实提高民众生活质量，着力促进城市各领域综合协调发展；另外，土地利用政策和城市管理水平需要不断提升，并为土地的可持续利用提供更多的综合性规划和前瞻性设计.

4 结论

本文基于“生产、生活、生态”(“三生”)功能视角，以西北5座典型城市为评价单元，构建土地利用多功能化评价指标体系，采用熵权法、三角模型、耦合协调度模型，系统分析 了2005—2015 年西北典型城市土地利用多功能化演变的发展现状、趋势及耦合协调度的时空轨迹.得出以下结论：(1)土地利用多功能化及其在时间和空间的演变(冲突或协调)是一个动态过程，并从无序渐变为有序态势；(2)土地利用多功能化逐年加速提升，“三生”功能由最初的“生产”功能占据主导逐渐向“生活、生态”功能扩展；(3)土地利用多功能的时空演变分异为3种类型：有序发展型、曲折发展型、无序发展型；(4)时间尺度上，土地利用冲突逐渐变小，各功能间的耦合协调度在波动中提高；(5)银川的土地利用功能、和谐发展程度最低，剩余城市在空间上基本呈现“东高西低”格局.

土地是“三生”功能的承载体，土地利用多功能性是土地管理行业的重点.随着经济社会的快速发展、工业化和城镇化的进一步推进，土地资源的稀缺性、国土空间的有限性等矛盾日益突出，“三生”功能在国土空间的布局就显得至关重要.本文通过分析西北典型城市土地利用多功能化的变化情况，发现其时空变化和耦合协调规律，可以为有效统一空间规划体系、实现“三生”空间差别化管制[16]提供科学依据与参考，也为这一地区国土空间优化提供了决策支持，实现国土空间治理体系和治理能力的现代化[17].

土地是人类赖以生存的重要资源，更是实现脱贫攻坚的重要载体.西北5座典型城市地处我国欠发达地区，是脱贫攻坚的主战场之一.分析土地利用多功能及其时空耦合关系，探究耦合发展水平和类型，总结土地利用存在的问题，可以科学地推动城乡融合发展，实现“三生”功能在乡村地区的高效配置，进而有益于土地扶贫探索，巩固欠发达地区脱贫攻坚成果，实现乡村振兴.