基于时序多指标动态评价的山东省城市土地利用效益比较研究

王筱明，陈柏成，周景红

(1.山东师范大学地理与环境学院，中国 济南 250358；2.北京舜土规划顾问有限公司，中国 北京 100070)

城市是人们生活居住并从事各项生产活动的空间场所，而城市土地是承载人们社会、经济、文化和政治活动的空间载体，是实现城市整体功能的物质基础。城市土地利用与城市发展具有密切关系，城市土地利用既影响城市社会经济发展，也对城市人居环境具有重要影响。城市土地利用效益是城市土地利用产生的社会、经济和生态效益的综合体现，反映了城市土地利用的合理性和可持续性。随着我国城市化进程的加快，城市用地规模不断增长，为城市发展提供了空间，产生了较高的经济效益，但也存在城市用地无序扩张、土地低效利用的现象，导致用地结构不合理、环境污染和生态退化等问题[1-3]。此外，在我国土地资源相对稀缺的现状下，城市用地扩张也加大了耕地保护的压力，加剧了人地矛盾。因此，协调好城市土地利用与社会经济发展、生态环境保护的关系，提高城市土地利用效益，关系到区域可持续发展，是土地利用研究的重要内容[4-6]。目前，土地利用效益评价的相关研究成果较多，涉及土地利用效益的影响因素分析[7,8]、评价指标选取、评价模型构建及实证研究[9-11]、土地利用效益与城市发展的耦合协调关系及提高土地利用效益的途径[12-17]等方面，研究视角由反映土地利用的经济效益、社会效益、生态效益等单项评价逐步向土地利用综合效益评价发展，研究方法也趋于多样性和综合化，主要有主成分分析法、加权法、数据包络分析(DEA)、TOPSIS法、功效函数、模糊积分、神经网络等[7,18-23]。

受城市用地扩张、土地利用政策及产业发展等因素的影响，年度间土地利用效益具有波动变化的特点。一定时期的城市土地利用效益总体状况不但与各年度土地利用效益值的高低有关，也与年度间土地利用效益的波动变化有关。年度间土地利用效益波动变化越大，表明土地利用效果越不稳定，土地利用合理性越差；反之，年度间土地利用效益波动变化越小，说明土地利用效果越稳定，土地利用越合理，有利于城市可持续发展。从已有的研究来看，尽管研究者从不同方面构建了评价指标体系，对城市土地利用效益进行评价，但都以年度指标数据为依据，采用静态评价方法对土地利用效益进行评价，对于某一时期的土地利用效益值计算则是简单地采用各年度土地利用效益值的平均值表示。这种采用静态评价方法虽然能够较好地反映每一年度的土地利用效益，但各年度土地利用效益值的平均值不能体现土地利用效益的波动变化对一定时期土地利用效益的影响，不能准确反映一定时期土地利用效益的综合水平。因此，要更好地反映一定时期内区域土地利用效益的总体水平及变化趋势，不但要评价年度土地利用效益，更要考虑年度间土地利用效益的变化，将二者相结合，构建土地利用效益动态评价模型。本文采用动态评价方法，在静态评价的基础上，结合年度间土地利用效益的波动变化特征，构建了时序多指标土地利用效益动态评价模型，以弥补静态评价方法的不足。

山东省位于我国东部，经济发展较快，也是一个人口大省，在人地矛盾突出的现状下，提高城市土地利用效益是保护耕地、促进社会经济发展的重要途径。为了客观全面地反映在新一轮土地利用总体规划指导下山东省城市土地利用效益状况，本文采用时序多指标动态评价方法，对2007—2016年山东省17个地级及以上城市土地利用效益进行动态评价，并分析土地利用效益的空间差异及协调发展特征，为合理利用城市土地、促进城市健康发展提供参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本文选取2016年山东省域内的17个地级及以上城市为研究对象，指标数据为各城市市辖区数据，指标相关数据来源于2008—2017年的《山东统计年鉴》和各城市统计年鉴，从年鉴中提取各项指标的原始数据，经计算得到各评价指标值。由于我国2012年实施了新的《城市用地分类与规划建设用地标准》，统计指标也发生了相应的变化，2013年统计年鉴取消了原统计指标公共设施用地。因此，本文采用公共管理与公共服务用地面积代替公共设施用地，计算2012—2016年各城市建成区公共设施用地比例。

1.2 土地利用效益动态评价方法

1.2.1 土地利用效益评价指标体系构建 城市土地利用是一个多目标的复合系统，城市土地的规模、结构及空间分布对城市社会经济发展和生态环境变化都有重要影响，城市土地利用效益是经济发展、社会状况和生态质量的综合体现。根据城市土地利用效益的含义并结合相关文献[11，12,21]，本文从经济、社会和生态环境3方面初步选取了相关指标，在征询有关专家的意见后，最终构建了土地利用效益评价指标体系(表1)。

1.2.2 评价指标标准化处理 土地利用效益受多种指标的共同影响，由于不同指标的性质和度量单位不同，不能将其直接应用于土地利用效益评价模型，因此，需要先对其进行预处理，将各评价指标转化为相同的度量标准。根据评价指标对评价目的的影响性质，可将其分为两大类，其中单位工业增加值SO2排放量、地均固体废弃物产生量和地均工业废气排放量3个生态指标对土地利用效益的影响为负，称为负效应指标；其他评价指标对土地利用效益的影响为正，称为正效应指标。采用极值法对评价指标进行标准化处理，公式如下

(1)

1.2.3 评价指标权重确定 采用均方差权重决策法计算各评价指标的权重值，公式如下：

(2)

(3)

为了使各年份指标具有可比性，同时体现各指标对土地利用效益的综合影响，先根据指标间的差异性，分别计算各年份的指标权重系数，再取其几何平均值作为统一的指标权重值。评价指标权重值见表1。

表1 山东省城市土地利用效益评价指标体系Tab. 1 Evaluation index of urban land use efficiency in Shandong

1.2.4 土地利用效益动态评价模型 在动态评价中，土地利用效益与评价指标的优劣密切相关，同时也受评价指标值变化的影响。本文首先采用静态评价方法，计算评价对象各年度的土地利用效益值，再考虑年度间评价指标值的变化对土地利用效益产生的增长变化影响，构建时序多指标动态评价模型，计算一定时期内城市土地利用动态效益指数，反映一定时期内城市土地利用效益的总体水平。

(1)静态评价模型

设有m个评价对象，选取N个评价因素、每个评价因素选取n个评价指标，则xij’(tk)表示tk年(1≤k≤T，k=1表示距现在最远的年份，k=T表示距现在最近的年份)第i个评价对象第j个评价指标的标准化值，wI和wj分别为第I个评价因素的权重值和第j个评价指标的权重值，则第tk年评价对象i的土地利用单项效益值yiI(tk)及综合效益值Yi(tk) 计算如下：

(4)

(5)

(2)时序多指标动态评价模型

(6)

1.3 土地利用效益的协调发展度模型

首先，采用物理学中的容量耦合模型，建立土地利用效益子系统相互作用的耦合度模型，反映土地利用效益子系统的协同作用；然后，进一步构建土地利用效益子系统的协调发展度模型，反映土地利用的社会、经济和生态效益的协调发展程度。

耦合度模型：C={(u1×u2×…×um)/[∏(ui+uj)]}1/m，

(7)

协调发展度模型：D=(C×Y)1/2，

(8)

式中：C为耦合度；D为协调发展度；Y为土地利用综合效益评价值；ui，uj和um分别为土地利用经济、社会和生态效益评价值。协调发展度(D)值介于0～1之间，其值越高，表明土地利用过程中各子系统的协调发展程度越好。

2 山东省城市土地利用效益动态评价结果与分析

山东省17城市2007—2016年土地利用动态效益评价结果见图1。

图1 2007—2016年山东省城市土地利用动态效益评价结果Fig. 1 Dynamic evaluation results of urban land use efficiency in Shandong from 2007 to 2016

根据土地利用动态效益评价结果(Y)，计算其均值(Y-)和标准差(σ)。采用一倍标准差方法将各类型土地利用动态效益值划分为4个等级：高值区(Y-+σ

图2 2007—2016年山东省城市土地利用动态效益指数空间分布格局Fig. 2 Spatial distribution of dynamic efficiency index of urban land use in Shandong from 2007 to 2016

2.1 土地利用动态经济效益分析

2007—2016年山东省城市土地利用动态经济效益指数分布在0.42～0.77之间，平均值为0.527，土地利用经济效益最高值是青岛市(0.761)，最低值是德州市(0.423)，差异明显。其中高值区为青岛、东营、济南，动态经济效益指数均大于0.69；中高值区分布在济南和青岛周边的淄博、日照、烟台、济宁，动态经济效益指数均高于平均值；其他城市分布在中低值区，动态经济效益指数低于全省平均值。从空间分布看，东部地区除了威海和潍坊，其他城市都具有较高的土地利用经济效益，而中西部地区除了济南及周边少数几个城市外，土地利用经济效益普遍较低，这一特征与山东省从东向西经济发展水平逐步下降的空间格局相吻合。东部沿海地区具有优越的区位优势、资金和技术条件优越，经济发展速度快，土地投入产出效率高，因此，土地利用经济效益总体较好。中西部地区土地利用经济效益总体水平较低，一方面是因为西部地区发展较慢，土地集约利用程度低，从而导致土地利用经济效益较差，另一方面，随着城市用地面积增加，在产业结构调整过程中部分年份土地利用经济效益波动大，也影响了土地利用经济效益总体水平的提高，特别是德州、聊城和菏泽。近年来，城市用地扩张速率加快，影响了土地利用效率提高，2007—2016年这3个城市的土地利用经济效益年均波动率均大于11%，明显高于其他城市。由此可见，城市用地扩张过快会对土地利用经济效益产生消极影响。

2.2 土地利用动态社会效益分析

2007—2016年山东省城市土地利用社会效益总体较低，动态社会效益指数平均值0.431，分布区间为0.31～0.58，威海市土地利用社会效益最高，莱芜市土地利用社会效益最低。高值区分布在威海、济南、东营，中高值区分布在烟台、济宁、青岛、滨州、淄博，均分布于东部城市和济南周边的中部城市，其他城市则位于中低值区和低值区，空间分异比较明显。与土地利用经济效益相比，山东省城市土地利用社会效益普遍低于经济效益，除了威海和滨州土地利用产出效率低下，土地利用的经济效益滞后于社会效益以外，其他城市土地利用的社会效益均滞后于经济效益，说明在城市发展过程中，注重提高土地利用的经济产出，对城市基础设施建设和市民福利重视不够。从土地利用社会效益的影响因素来看，城市在吸纳人口的同时，未能提供足够的就业岗位，道路及公共设施用地比例不足是导致土地利用社会效益低的主要原因。其中，土地利用社会效益低的日照、莱芜和菏泽，地均城市就业人数、人均城市道路面积、建成区公共设施用地比例均低于全省平均水平。枣庄和泰安的土地利用社会效益主要受人均城市道路面积和建成区公共设施用地比例较低的影响；地均城市就业人数和建成区公共设施用地比例较低是影响德州和聊城土地利用社会效益提高的主要因素，同时年度间土地利用社会效益波动大也是导致德州市土地利用社会效益较低的重要原因。潍坊和临沂的土地利用社会效益则分别受建成区公共设施用地比例较低和人均城市道路面积不足的影响。

2.3 土地利用动态生态效益分析

2007—2016年山东省城市土地利用生态效益水平整体较好，动态生态效益指数平均值0.786，最小值为济宁市(0.595)，与经济效益和社会效益相比，土地利用生态效益的区域差异较小。高值区和中高值区城市数量达到9个，超过总城市数的一半。生态效益提高一方面是国家近年来加强了环境保护，城市建设中注重了生态用地的投入，从而改善了城市生态环境条件；另一方面，随着城市用地规模扩大，单位面积负效应指标值相应降低，也提高了生态效益指数。从空间分布上看，东部地区城市土地利用动态生态效益指数均高于中西部地区，威海、东营、日照、泰安、青岛和烟台的土地利用动态生态效益指数较高，动态生态效益指数均大于0.8。枣庄、临沂、潍坊、聊城土地利用动态生态效益指数接近于全省平均水平，而济南、滨州、菏泽、淄博、德州、莱芜、济宁土地利用动态生态效益指数则明显低于全省平均值。除泰安外，生态效益指数较高的城市，均位于东部沿海地区，可见优越的自然条件有利于促进人地关系和谐。另外，东部沿海地区城市的经济效益也较高，能够保证环境保护投资，提高生态效益。

2.4 土地利用动态综合效益分析

土地利用综合效益是经济效益、社会效益和生态效益综合作用的结果。结果显示，2007—2016年山东省城市土地利用动态综合效益指数最高值和最低值分别是东营市(0.725)和莱芜市(0.492)，平均值为0.578。2007—2016年山东省城市土地利用动态综合效益指数分布以中低值区最多，占53%，低值区最少，仅有菏泽和莱芜，在空间分布上具有明显的空间集聚特征，其中高值区和中高值区集中分布在济南、青岛及其周边的威海、烟台、东营和淄博，形成两大土地利用高效区域。

3 土地利用效益协调发展度评价结果与分析

为了进一步分析土地利用的经济效益、社会效益和生态效益的协调发展关系以及对土地利用综合效益的影响，本文基于2006—2017年山东省城市土地利用的经济效益、社会效益和生态效益的动态评价值，计算土地利用效益的协调发展度(D)，并计算均值(D-)和标准差(σ)，采用一倍标准差方法划分土地利用效益协调发展类型：滞后失调(0

表2 2007—2016年山东省城市土地利用效益协调发展类型Tab. 2 Types of coordinated development of urban land use efficiency in Shandong from 2007 to 2016

图3 2007—2016年山东省城市土地利用效益协调发展度空间分布格局Fig. 3 Spatial distribution of coordinated development degree of urban land use efficiency in Shandong from 2007 to 2016

从总体上看，2007—2016年山东省城市土地利用效益协调发展水平不高，17个城市的土地利用效益协调发展度介于0.48～0.60，平均0.529。其中处于轻度失调阶段的城市数量最多，共9个城市，占城市总面积的39.45%；处于协调发展和初级协调发展阶段的城市各有3个，分别占城市总面积的30.37%和23.58%；2个城市处于滞后失调阶段，占城市总面积的6.60%。山东省城市土地利用的生态效益均高于经济效益和社会效益，除了威海和滨州土地利用经济效益滞后于社会效益以外，其他城市均为土地利用社会效益滞后型。因此，土地利用社会效益普遍较低是导致山东省城市土地利用效益协调性差的主要原因。未来在保持良好的城市生态环境和提高土地经济产出的同时，应注重基础设施建设，改善居民生活条件，努力提高土地利用的社会效益，才能促进城市健康发展。

从空间分布上看，山东省城市土地利用效益协调发展度空间分布格局与综合效益指数空间分布格局相一致，综合效益高、协调发展度高的城市都分布在济南和青岛两个中心城市的周边。从评价结果来看，综合效益指数和三大效益协调发展度的变化趋势也具有一致性，综合效益高的城市均为协调发展型，综合效益位于中高值区的城市均为初级协调型，而综合效益位于中低值区和低值区的城市则分别为轻度失调型和滞后失调型，说明土地利用综合效益的高低与土地利用效益子系统的协调发展程度密切相关。在城市土地利用中，只有全面兼顾土地利用的经济、社会和生态效益，促进三大效益协调发展，才能实现提高土地利用综合效益的目的。

4 讨论

本文的评价结果是基于山东省城市土地利用现状的相对值，反映2007—2016年山东省城市土地利用效益的总体水平及区域差异，可为山东省城市土地利用提供参考。今后，如何将城市发展特色与土地利用相结合，提出有针对性的土地利用对策，优化土地资源配置，寻求区域土地利用效益子系统协调发展的有效途径，还需进一步研究。