基于低碳视角的土地利用与生态环境耦合关系

赵菁 焦云清 胡银根

摘 要：本文基于低碳发展的視角构建了土地利用与生态环境的综合评价体系，以武汉市1995年至2011年的指标数据为例，建立了武汉市土地利用-生态环境的耦合发展模型，并对武汉市的耦合发展进行时空分异研究。研究结果表明：研究期内武汉市土地利用程度不断增强，特别在2005年以后发展速度显著加快，生态环境水平波动频繁，阶段性显著；土地-生态耦合发展度从0.54上升为0.83，从轻度失调发展向协调发展过渡，其中中心区发展稳定，郊区发展水平快速提高；2004年以后碳排放增加对生态环境负效应逐步显现。基于上述研究，本文提出了长期化持续化的环保举措、发展绿色GDP等建议。

关键词：土地利用 生态环境 耦合发展度

中图分类号：F301.21 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）06（a）-0129-04

近年来随着我国社会经济的快速发展，人类活动与生态环境之间的矛盾日益显现。土地是人类赖以生存与发展的重要资源和物质保障，在“人口-资源-环境-发展（PRED）”复合系统中，土地资源处于基础地位，土地利用反映了人类与自然界相互影响与交互作用最直接和最密切的关系[1]。1995年LUCC计划提出以后，我国部分学者已对土地利用与土地覆被的变化过程、驱动机制等问题进行了深入研究[2]，而生态问题的日益加剧使得土地利用与生态环境的耦合关系成为了新的研究热点。聂艳等研究了区域城市化与生态环境耦合变异特征[3]；李边疆、王万茂等对区域土地利用与生态环境系统耦合关联进行了分析[4]；刘新平等也进行了塔里木河流域土地持续利用和生态协调发展的耦合关系分析[5]。

在现阶段的研究中，大部分学者构建的生态环境评价体系在指标选择上缺乏统一的科学性标准，导致指标差异显著，并且未将碳排放量作为衡量生态环境的重要指标。曲福田等学者的研究发现，土地利用变化已成为仅次于化石能源燃烧的第二大温室气体排放源，土地利用变化既可以发挥碳源作用，又可以发挥碳汇作用[6]。因此，在土地利用与生态环境的耦合关系中，碳排放量的增减也对整个系统的内部作用起到一定的影响。本文从低碳角度评价生态环境发展，建立新型的土地利用与生态耦合模型，对土地利用和生态环境系统的相互作用机制进行进一步研究，以期对促进土地利用与生态环境的协调发展提出科学性建议。

1 土地利用与生态环境的耦合关系

耦合是指两个（或两个以上）的体系或运动形式通过各种相互作用而彼此影响的现象，耦合度则用来描述系统或要素相互影响的程度[3]。土地利用是指由土地质量特性和社会土地需求协调所决定的土地功能过程，土地实施持续利用包含两方面含义：（1）指人类根据土地质量特性开发土地，创造财富，以满足人类生产和生活的需要；（2）指利用土地，改善环境，以满足人类生存的需要[7]。生态环境是指影响人类生存与发展的水资源、土地资源、生物资源以及气候资源数量与质量的总称，是关系到社会和经济持续发展的复合生态系统。土地利用的社会经济系统与生态环境系统相互作用的关系定义为土地利用-生态环境耦合关系，用耦合度来表示其影响作用的大小。土地利用和生态环境耦合关系主要表现在两方面：其一，土地利用通过对地表性质的改变影响生态环境因子的变化；其二，生态环境通过资源约束、人口驱逐等过程束缚土地利用强度，限制土地利用方向。

2 土地利用与生态环境耦合模型的建立

2.1 构建评价指标体系

评价指标体系的构建要遵循以下原则：科学性原则、可比可量可行原则、区域性原则、动态稳定性原则。基于上述原则，本文分别建立了土地利用和生态环境评价指标体系。评价体系分为3个层次：第一层为目标层，即土地利用与生态环境耦合度；第二层为准则层，包括土地开发利用程度、土地集约经营程度、土地利用综合效益、生态环境因子、生态环境保护、生态环境质量、低碳环境等7大准则层；第三层为指标层，选取土地垦殖率等29项指标。有学者研究表明，中国经济发展中碳排放量增长的驱动因素主要有：人均GDP、城市化水平、能源强度、能源消费碳强度、水泥产量等因素[8][9]，本文在低碳生态准则层中选择这5个评价指标：水泥产量、单位工业产值耗能、道路密度、标准营运车数、非农业人口比重（城市化率）。

2.2 建立系统评价函数

评价指标体系由多种因素构成，各指标的数据值计量单位不同，首先对各指标统一量纲，缩小指标之间数量级的差异。对原始数据标准化的公式如下：

（1）

式中，表示标准化后某一因子的标准值，表示其对应的原始数据，分别表示该类指标中的最小值和最大值。正向指标指该指标对土地利用程度的加强具有正效应，负向指标指该指标对土地利用程度的加强具有负效应。标准化后，土地利用系统对该类指标的满意程度越高，其对应的数值越趋近于1，反之则越趋近于0。采用相同的方法将生态环境评价体系的指标标准化（）。

其次，确定各类指标的权重。本文运用熵权法对指标赋权。熵权法是一种在综合考虑各因素提供信息量的基础上计算一个综合指标的数学方法。作为客观综合定权法，主要根据各指标传递给决策者的信息量大小来确定权重。本文选择熵权法出于以下考虑：熵权法能准确反映本文涉及的两系统中评价指标所含的信息量，可解决土地利用评价和生态环境评价各指标信息量大、准确进行量化难的问题，减少了人为主观性对评价过程的干扰。

土地利用系统的评价函数为：

（2）

生态环境系统的评价函数为：

（3）

式中，为土地利用系统各指标的权重；为该系统各指标标准化后的标准值；为生态环境系统各指标的权重；为该系统各指标标准化后的标准值。

2.3 建立耦合度及耦合发展度模型

借鉴物理学中多个系统相互作用耦合度模型，土地利用系统和生态环境系统的耦合度函数为：

（4）

式中，C为耦合度，取值在0-1之间，C值越大，土地利用-生态环境系统耦合度越大，即；K为调节系数，取值大于2，为了增强2005-2011年间耦合度的区分度，本文取K=2。

耦合度反映的是土地利用-生态环境之间相互作用的强度大小，很难反应系统整体的功效与协同效应，判断系统整体发展水平的高低，所以进一步建立耦合发展度模型：

（5）

（6）

式中，D为耦合发展度，耦合发展度越高，代表土地利用-生态环境系统发展的整体水平越高，其耦合关系越和谐；T为反映土地利用与生态环境整体效益的综合评价指数；、为土地利用与生态环境在综合效益中的权重值，由于土地利用与生态环境同样重要所以取值均为0.5。土地利用与生态环境的耦合度与耦合协调度的评价标准见表1。

3 武汉市土地利用与生态环境耦合发展度时空变异分析

3.1 研究区域概况及数据来源

武汉位于中国腹地中心、长江与汉江交汇处、江汉平原东部，是中部六省唯一的副省级城市，也是国务院批准的中部地区中心城市。地处东经113°41′—115°05′，北纬29°58′—31°22′。武汉市土地总面积8494平方公里，人口1054.5万，下辖江岸区、青山区等13个市辖区，2013年地区生产总值GDP超过9000亿元，以9051.27亿元在全国15个副省级城市中再次稳居第四位。分析该市土地利用与生态环境耦合关系有一定的意义和代表性。本文的研究数据来源于1998年至2012年《武汉市统计年鉴》。

3.2 武汉市土地利用与生态环境耦合模型的构建

基于上述建立的土地利用与生态环境体系评价体系，本文依据1995年至2011年间武汉市各指标数据，运用熵权法对评价体系的指标赋权，各指标权重见表2。

依据式2、式3分别建立土地利用和生态环境的评价函数，再依据式4～式6建立武汉市土地利用与生态环境耦合模型。

3.3 武汉市土地利用与生态环境耦合的时间特征

通过上述土地利用与生态环境耦合模型，计算出武汉市1995年至2011年各年土地-生态耦合度C和耦合发展度D，计算结果见表3。

土地利用-生态环境耦合关系在1995年至2011年间的变化大致有以下特征。

3.3.1 土地利用的强度持续增强

在1995年至2011年间，土地利用综合评价函数的值基本上处于不断上升的状态。1995年至2000年间，土地利用情况稳定；2001年以后，随着各项建设力度的加大，武汉市土地利用强度持续快速增强。期间，土地开发的力度不断加大，武汉市人口密度从836人/km2上升至1180人/km2，人均住宅建筑面积从7.2 m2上升至35.3 m2；土地集约经营程度也在不断加强，单位土地上的固定资产投资也从1995年的379万元/km2上升到2011年的5009万元/km2，提高了12倍；土地利用的综合效益不断提高，单位土地产值、单位土地财政收入、农村居民人均纯收入有了较大水平的提高，其中农村居民人均纯收入从1995年的1842元上升至2011年的9814元。

3.3.2 生态环境状况整体提升，不断波动

武汉市生态环境变化的整体情况大致分为两个阶段：1995年至2004年间，生态环境状态平稳，有轻微波动；2005年至2011年间生态环境水平整体提高，发展有阶段性。1995年至2004年之间10年研究区间内，生态环境的评价函数值稳定在0.4左右，没有出现较大的波动。这一时期武汉市社会经济发展较为缓慢，对生态环境产生的影响较弱且没有立即显现。2004年至2005年期间，武汉市的生态环境水平有了显著性提高。从环境保护的角度出发，2005年武漢市污水处理厂集中处理率比上一年提高了20%，污染治理投资也比2003年之前有大幅提高；从环境质量角度出发，2005年武汉市建成区绿化覆盖率从上一年的34.16%提高到37.6%，而在此前从1995年31.1%提高到2004年34.16%，经历了10年的时间。2005年武汉市城市绿化工作得到较快的推进。2005年以后，生态环境水平在波动中小幅度提高，到2011年较2010年有明显下降。生态环境状况的波动一定程度上取决于环境治理工作的阶段性和生态环境响应的滞后性。政府每年对环境污染的治理力度大小不一，环境保护初见成效后就降低治理力度，导致原本较为脆弱的生态环境随时间出现时好时坏的情况；社会经济的发展对生态环境造成的影响是长久持续的，生态环境对这种影响的响应具有滞后性。

如果不考虑碳排放因素对环境的影响，将低碳生态的指标层从生态环境评价体系中去除后重新对武汉市1995年至2011年间的生态环境进行评价，并与原来的评价结果进行对比，比较结果见图2。

由图可见，在不考虑碳排放对环境的负效应的情况下，武汉市1995年至2011年间生态环境的综合评价值保持先稳定后快速上升的趋势，特别是2004年以后，生态环境质量加速提升。普通评价体系的函数值在2006年首次超过低碳评价体系，两者的差距呈不断扩大的趋势。在武汉市城市化水平不断提高，经济水平快速发展的情况下，碳排放量的增加对环境造成的影响从2005年开始逐渐显露，其影响程度也逐步加深。

有学者研究表明，碳排放量增长的驱动因素主要有：人均GDP、城市化水平、能源强度、能源消费碳强度、水泥产量。城市居民人均能源消费量是农村居民的约3.5～4倍，武汉市城市化率在研究期内增长了8.8%，城市化的推进是碳排放增长的重要因素之一。与此同时，武汉市水泥产量增长了4.29倍，道路密度增长了29.6%，社会经济的发展也为低碳发展带来巨大压力。碳排放对生态环境的影响不容忽视，对经济-生态系统的协调发展的负效应也不容忽视。

3.3.3 耦合发展度稳步提高

武汉市土地利用-生态环境的耦合发展度变化主要经历了两大阶段：1995年至2004年轻度失调发展经济滞后型；2004年至2011年期间由低水平协调发展经济滞后型-协调发展同步型-良好协调发展同步型的过度阶段。1995年至2010年土地利用的综合评价值始终低于生态环境综合评价，特别在2000年以前，武汉市社会经济发展水平较为落后，二者耦合发展度始终处于经济滞后状态。2000年以后，土地利用的发展速度明显高于生态环境，二者的水平逐渐趋近。在2011年土地利用水平首次超过生态环境。随着这种去趋势的发展，武汉市土地-生态的耦合发展度将由同步发展逐步转变为以经济为主导，如果不重视对生态环境的保护和发展，耦合发展度将呈“倒U”型变化，逐步转变为生态损益型的失调发展。

3.4 武汉市土地-生态耦合发展度分区研究

为进一步研究武汉市土地利用与生态环境发展之间的关系，对武汉市13个城郊区进行分区研究。结合各区的发展差异，从农业、工业、商业的不同角度衡量各区的土地利用情况，基于上述的土地利用评价体系的3个准则层，重新建立分区的土地利用评价体系，指标包括：土地垦殖率、单位土地规模以上工业企业数、人口密度、单位耕地化肥施用量、单位土地资金集约度、单位土地房地产开发投资额、单位土地产值、居民人均纯收入、单位土地财政收入（以占该区人口类型较多的人口的人均纯收入为该区人均纯收入）。

根据上述对武汉市1995年以来的土地-生态耦合发展度的研究，2005年以后是其快速变化的阶段。本文选取2005年至2010年为研究的时间区间对武汉市进行分区研究。依据耦合发展度模型计算出2005年至2010年武汉市各区耦合度发展水平，计算结果见表4。

从各区耦合发展度的变化角度分析，可以将其分为3种类型：稳定型、波动型、提高型。稳定型包括：江岸区、硚口区、汉南区；波动型包括：江汉区、汉阳区、武昌区、青山区、洪山区、江夏区；提高型包括：东西湖区、蔡甸区、黄陂区、新洲区。

江岸区、硚口区、汉南区基本稳定在较高的耦合发展度，发展状况从轻度失调到协调发展过渡。其中，江岸区、硚口区的发展以商业为主，人口密度大、单位土地产值、房地产投资额都高于其他区域，与环境发展较为协调。汉南区以农业发展为主，该区的土地垦殖率远高于武汉市其他各区，农业发展的资金集约度和土地产值比其他农业区域发展水平高。土地利用与生态环境的发展较为协调。

江汉区、汉阳区、武昌区、青山区、洪山区、江夏区的耦合发展度波动较大。其中，青山区发展较为典型。青山区以工业发展为主，其单位土地规模以上工业企业数远高于其他区域，但该区域发阶段性明显，从投资上看该区的固定资产投资、房地产投资都经历了先增后降的过程，该区域吸引的投资在2007、2008两年达到近期内最大，同时土地的综合利用效率也有这一显著特征。由于土地利用情况的波动，耦合发展度也呈现先上升后下降的较大波动。江汉区以商业发展为主，其人口密度最大，单位土地的产值和财政收入是同期江岸区、硚口区的2～3倍，是周边郊区的10倍以上，但其发展也具有明显阶段性，该区域的固定资产投资、房地产投资不稳定，随政策等的变化而大幅度变化，进而对土地利用产生阶段性波动的影响。

东西湖區、蔡甸区、黄陂区、新洲区的耦合发展度在2006年以后持续提高。随着武汉市对周边郊区发展的重视，武汉市1+8城市圈的提出等都带动了武汉市郊区的经济快速发展。随着土地投入的不断提高，土地利用程度加强，使得原本经济滞后型的失调发展逐步向低水平协调发展、协调发展水平过渡。以黄陂区为例，该区单位土地固定资产投资从2005年的105万逐年提高到2010年845万，增幅为原来的7倍；单位土地的产值也从2005年的380万提高到2010年的1137万元。

4 结论

1995年至2011年间，武汉市土地利用强度快速提高，生态环境状况不稳定。随着“中部崛起”战略、“武汉1+8城市圈”建设等的提出，武汉市在2005年以后进入了经济快速发展的新阶段。在经济社会快速发展的背景下，土地利用的强度不断提高，土地的开发利用程度、集约经营程度、综合利用效益均有所提高。而与此同时，武汉市也注重环境保护，但由于相应措施的阶段性和污染程度的加剧，生态环境水平时好时坏，波动频繁。

土地-生态耦合发展度稳步提升。研究期内武汉市耦合发展度变化经历两个阶段：1995年至2004轻度失调发展经济滞后阶段，2005年至2011年向协调同步发展过渡阶段。由于后一阶段土地利用发展速度显著大于生态环境，预计未来武汉市发展为经济主导型，耦合发展度将以“倒U”型下降，生态环境问题亟待重视。2005年至2011年各区耦合发展主要为稳定型、波动型、提高型，周边郊区的土地利用强度快速提升。

2004年以后碳排放增加对系统协调发展的负效应显著。随着社会经济的快速发展，碳排放量的增加对生态环境的负效应逐步显现，这种负效应会通过生态系统作用于经济系统，从而影响整体的协调发展。

针对以上结论，本文提出以下几点建议：（1）促进环保措施的长期化持续化。在优化生态环境的政策上，政府应当抛弃急于求成的的心态，环境保护是一场持久战，需要长期性持久性的战略措施的支持保障。（2）注重节能减排，发展绿色经济。碳排放量的增加是在社会经济快速发展的背景下不可避免的问题，相关部门不能只注重效益，应结合科技发展逐步实现产业转型，从“高耗能高污染”向“绿色经济”转变，提倡“绿色GDP”的核算方法。（3）促进土地利用程度合理性增强。继续推行严格的土地用途管制，土地用途的变更对碳排放有显著影响，林地是最主要的碳汇；严格执行“城乡建设用地增减挂钩”，在城市化快速发展的情况下，保证基本能农田的数量和质量，保证居民的粮食安全。

参考文献

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