山东省县域土地利用多功能时空演变及影响因素

孙进，张全景，王世清

（1.曲阜师范大学地理与旅游学院，山东日照 276826；2.日照市国土空间规划与生态建设重点实验室，山东日照 276826）

近年来，随着城市化与工业化进程的持续推进，我国土地利用方式和土地利用格局变化显著，土地资源的稀缺性日益显现［1］，各种土地利用类型之间的争夺与冲突日趋激烈［2］，不合理的用地结构导致资源环境冲突形势也变得越来越严峻［3，4］。随着黄河流域生态保护和高质量发展上升为国家重大战略，以及我国首个新旧动能转换综合试验区的建设推进，山东省的创新发展、绿色发展和生态保护得到高度重视，土地利用的功能多样化迎来良好发展契机。基于土地资源状况、国情需要、国家战略等多方形势需要的背景下，土地利用功能也呈现出多样化趋势。因此，开展土地利用多功能研究能够为当前形势下科学指导土地管理、协调各类用地的关系提供理论支持和经验借鉴。

土地利用多功能性的概念最早源自国际上对农业、生态系统服务和景观功能的研究。2004 年启动的全球土地计划（GLP）支持的欧盟第六框架计划下的SENSOR 项目提出了土地利用多功能性的概念，并应用于区域可持续性评价［5］。此后，国外学者聚焦于土地利用多功能性综合评价［6］，探究不同土地利用政策对土地利用多功能的影响［7，8］。国内学者从土地利用多功能性的概念界定与分析框架［9］、识别与分类［10－12］、可持续性评价［13］、时空演变特征分析［14，15］、权衡与协同［16－18］、影响因素探究［19］等方面展开。多数研究在评价尺度上以国家、省、市为主，而以县域为评价单元进行区域时空演变特征的研究则相对较少。本文以山东省为例，综合运用GIS 空间分析、地理探测器等方法模型分析了2005—2018年县域尺度上土地利用多功能性时空演变特征及影响因素，为土地资源优化配置和可持续利用提供科学参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

山东省地处我国东部沿海地区，位于黄河下游、京杭大运河的中北段处，介于114°47′—112°42.3′E、34°22′—38°24′N 之间，全省国土总面积约15.71 万km2（图1）。境内地形地貌差异明显，东部的山东半岛主要为起伏和缓的波状丘陵区；西部和北部多为黄河冲积平原，地势相对低洼平坦；中部则主要为鲁中南山地丘陵区。山东省地处北温带半湿润季风气候区，四季分明、雨热同期、水系发达，境内河流分属淮河、黄河、海河三大流域，山东半岛独流入海水系。2020年，山东省地区生产总值73129.0 亿元，三次产业结构调整为7.3 ∶39.1 ∶53.6。

图1 山东省研究区行政区划

1.2 数据来源

数据来源：①社会经济数据主要来源于《中国县域统计年鉴》（2006—2019 年）、《中国区域经济统计年鉴》（2011 年）、《山东统计年鉴》（2006—2019 年）、各县域统计年鉴与统计公报，个别年份存在统计数据缺失，则按照年均增长率推算得出。②水域面积、林地面积、区域总面积等数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn/）对应年份的山东省土地利用现状图（2005 年、2010 年、2018年）。

2 研究方法

2.1 土地利用多功能测度方法

指标体系构建：本文借鉴国土空间“三生”功能理论［20］，从山东省农业种植、社会经济发展、生态环境保护现状等实际情况出发，将土地利用功能区分为生产功能、生活功能、生态功能3 类，并基于以上3 个维度，选取相应指标构建山东省土地利用多功能性评价指标体系（表1）。

表1 山东省土地利用多功能性评价指标体系

指标权重确定：首先，运用极差标准化方法对原始数据进行去量纲化处理。计算公式为：

式中，Xij为第i年的第j 项指标值；maxXj、minXj分别为研究期内第j 项指标的最大值和最小值；Zij为第i年第j项指标的标准化值。

其次，运用均方差决策法确定指标权重。

第一步，计算指标标准化值Zij的均值Ej：

第二步，计算指标标准化值Zij的均方差值σj：

第三步，计算各指标权重Wj：

土地利用功能测度：本文运用线性加权法计算了各准则层和目标层的土地利用功能值，计算公式为：

式中，Fi表示评价单元i的土地利用功能值。

2.2 地理探测器

地理探测器是探测空间分异性，揭示其背后驱动因子的一种统计学方法［21］。本文运用地理探测器中的因子探测模块分别探测了各功能指标对土地利用多功能时空分异的解释程度，用q值表征，表达式为：

式中，h为对因变量或自变量的分级数；L 为各分级区域的个数；N和Nh分别为全区和第h 级的单元样本数；和σ2分别为第h 级和全区的土地利用总功能值的方差；q的分布区间为［0，1］。

3 结果及分析

3.1 土地利用总功能时空演变特征

采用地统计分析（Geostatistical Analyst）模块中的趋势分析工具（Trend Analysis Tool）分析山东省县域土地利用多功能值时空分异的总体格局特征及趋势，结果见图2。从图2 可见，2005—2018 年山东省县域东西方向总体上地域差异不显著，呈由西至东土地利用多功能水平缓慢上升的分布格局，空间形态呈现为一条坡度变化平缓的曲线，且差距逐渐缩小。研究区域南北方向总体呈现中部高、南北低的倒“U”型空间格局，地域差异较东西方向显著。

图2 2005—2018 年山东省土地利用多功能水平趋势研究

从图3 可见，2005—2010 年山东省土地利用总功值明显上升，高水平和较高水平分布区明显增多，低水平分布区则明显减少。其中，高水平分布区由2005 年的泰安中心城区、张店区、青岛中心城区3个增至2010 年的济南中心城区、烟台中心城区、青岛中心城区等7 个区县；处于较高水平的分布区由2005年的济南中心城区、滕州市、博山区等12 个区县增至2010 年的龙口市、荣成市、平度市等25 个区县。与2005 年相比，鲁西南的单县、菏泽中心城区、郓城县等，鲁西北的阳谷县、冠县、临清市等和鲁中地区的昌乐县、安丘市、沂水县等众多区县由低水平功能区转变为较低水平及中等水平分布区，鲁西北的武城县、平原县、陵城区等、鲁东的蓬莱区、文登区、黄岛市、日照中心城区等区县由较低水平转为中等水平和较高水平。

图3 2005—2018 年山东省土地利用总功能时空分异

从图3 可以发现，2018 年山东省土地利用总功值与2010 年相比有了明显提高，高水平与较高水平分布区明显增多，较低水平与低水平分布区明显减少。其中，2010—2018 年山东省土地利用多功能性高水平分布区由点状分布转变为面状分布，形成了四大面状高水平集聚区，分别包括以泰安中心城区与济南中心城区为核心的岱岳区、章丘区、莱芜区等9个区县，以张店为核心的临淄区、周村区、桓台县等7 个区县，荣成市、威海中心城区、文登区3 个区县，龙口市、蓬莱区、烟台中心城区3 个区县。另外，还包括滕州市、枣庄中心城区、城阳区、青岛中心城区、黄岛区等较为零散的高水平点状分布区。2018年山东省土地利用多功能性较高水平分布区与2010年相比，片状集聚分布明显，鲁东地区形成了由东北向西南延伸呈面状分布的较高水平集聚区。此外，在鲁西南的菏泽中心城区、郓城县、鄄城县等区县，鲁西北的武城县、宁津县、陵城区、平原县等区县、鲁中的宁阳县、曲阜市、兖州区等区县也形成了较小范围的较高水平集聚区。2018 年较低水平与低水平分布区与2010 年相比则明显减少。其中，2018年低水平分布区仅剩余微山县，较低水平分布区仅剩余无棣县、沾化区、夏津县、山亭县等15 个区县，其他均转变为较低水平和中等水平分布区。中等水平分布区呈现出减少的趋势，其中新增中等水平分布区主要来自于冠县、曹县、郯城区、乐陵市等低水平、较低水平分布区，减少的中等水平分布区主要提升至蓬莱区、乳山市、牟平区、定陶区等高水平及较高水平分布区。

3.2 土地利用单项功能时空演变特征

生产功能时空演变特征：从图4 可见，2005—2010年较高水平分布区及低水平分布区变化较大，与2005 年相比，2010 年山东省土地生产功能低水平分布区仅剩余淄川区和博山区两个区县。2018 年高水平分布区数量与2010 年相比未发生变化，其中新泰由较高水平转为高水平分布区，临淄区由高水平分布区转为较高水平分布区。2005—2010 年山东省土地生产功能中等水平分布区转入与转出并存，新增中等水平分布区主要来源于庆云县、沾化区、垦利区等较低水平、低水平分布区，减少的中等分布区主要转化为郯城区、乳山市、单县等较高水平与高水平分布区；2010—2018 年高水平分布区由7 个增加到9 个，其中，栖霞市、青岛中心城区、兰陵县、阳谷县等区县由较高水平分布区转变为高水平分布区，肥城市由高水平分布区转变为较高水平分布区。2018年低水平分布区的区县数目由2010 年的2 个增加至3 个，沂源县由中等水平转化为低水平。2010—2018 年，较高水平、中等水平与较低水平分布区转入与转出并存，与高水平和低水平分布区相比变化较大。

图4 2005—2018 年山东省土地生产功能时空分异

生活功能时空演变特征：从图5 可见，2005—2010年山东省土地生活功能时空变化差异显著，以低水平与较低水平、低水平与中等水平之间的变化为主。高水平和较高水平呈零星分布，其中，2010年高水平分布区由2005 年的5 个转化为2010 年的15 个，主要来自于济南中心城区、滨州中心城区、临沂中心城区等较高水平、中等水平分布区。2010 年低水平分布区与2005 年相比大面积减少，主要转化为日照中心城区、莒南县、冠县等较低水平、中等水平分布区。2005—2010 年中等水平分布区显著增加，这一时期中等水平分布区的转入与转出并存，新增中等水平分布区主要来自于低水平、较低水平分布区，减少的中等水平分布区主要转为了较高水平、高水平分布区；2010—2018 年山东省土地生活功能较高水平分布区显著增加，呈片状分布，形成了鲁西南定陶区、曹县、巨野县等区县，鲁中钢城区、莱芜区、广饶县、寿光市等区县，鲁东日照中心城区、诸城市、莒县等区县，鲁西北武城县、宁津县、平原县等区县四大面状分布区。相较于2000 年2018 年低水平分布区明显减少，仅剩余沂源县一个区县，与2010年相比，2018 年较低水平、中等水平分布区均呈现减少的趋势，向高水平、较高水平转化明显。2018年，山东省生活功能高水平分布区明显增多且形成了小范围集聚的面状分布。

图5 2005—2018 年山东省土地生活功能时空分异

生态功能时空演变特征：从图6 可见，2005—2010年山东省土地生态功能与其他功能区相比变化较小，高水平分布区由2005 年的2 个增加至2010年的4 个，淄川区和威海中心城区由较高水平转为高水平分布区。2010 年较高水平分布区由2005 年的12 个增加至14 个，其中，淄川区、威海中心城区由较高水平转为高水平分布区，东营中心城区、昌邑市、文登区、临朐县等区县由中等水平转化为较高水平分布区。2010 年低水平、较低水平和中等水平分布区转入与转出并存，与2005 年相比数目变化较小；2010—2018 年山东省土地生态功能与2005—2010 年相比时空分异变化较为显著。2018 年高水平分布区显著增多，由2010 年的4 个增加至9 个，且在鲁东地区的烟台中心城区、牟平区、威海中心城区出现了小范围的面状分布。2010—2018 年低水平分布区显著减少，仅剩余庆云县、金乡县、滕州市、峄城区等4 个区县。2018 年较高水平分布区在鲁中地区出现面状分布，费县、平邑县、岱岳区等较低水平和中等水平分布区转化为较高水平分布区。2018年较低水平和中等水平分布区与2010 年相比均有所增加，主要来源于单县、阳谷县、莱阳市等低水平分布区。

图6 2005—2018 年山东省土地生态功能时空分异

3.3 山东省土地利用多功能时空演变的驱动因素

本文根据山东省县区尺度土地利用单项功能及指标，并基于ArcGIS10.2 平台，将该省2005 年、2010年、2018 年指标值利用自然断裂法划分为7 个等级，运用地理探测器测算各指标的q 值，具体如表2所示。

表2 山东省土地利用多功能性影响因子探测

由表2 可知，研究期内经济发展水平、空间承载力、社会保障能力等对山东省土地利用多功能性空间分异的解释力度较强，且呈逐步增强的趋势，而农业生产水平、环境净化能力、资源供给能力对该省土地利用多功能性空间分异的解释力度较弱，且在2005—2018 年间呈现减弱的趋势。主要表现在：①经济发展水平与土地利用多功能的空间分布关系密切。经济密度（X4）的解释力在2005 年、2010 年、2018年分别为0.558、0.594、0.640。经济密度代表单位面积上经济活动的效率和土地利用的密集程度，表征着一个地区高质量发展水平的高低。经济密度越大，说明能够以更低的土地资源消耗支撑更高效益的经济发展。经济增长是经济密度演化的宏观动力，经济的发展使得居民收入水平和消费需求扩大刺激产业加速发展，从而推动区域内土地经济功能提升，促进土地利用多功能水平的提高。第二、三产业占比（X5）在3 个时间截面的解释力分别为0.515、0.512、0.406，产业结构演化是一个长期的历史过程，在其不同发展历史阶段，经济增长的动力也随之演变，促使土地利用由单一的农业生产转向多产业融合发展模式，通过调整优化产业结构，刺激土地利用多功能潜力的发挥，有效提升土地利用效率。②社会保障能力对于土地利用多功能性的空间分异也具有显著影响。万人医疗卫生床位数（X8）在3 个时间截面上的解释力分别为0.555、0.627、0.699，随着社会经济发展、人民生活水平改善，基本医疗卫生服务和居民健康保障水平不断上升，医疗设施建设成为城乡社会服务体系的重要组成，然而优质医疗资源在山东省各区域的分布不够均衡。完善欠发达地区医疗基础设施建设，对于提升区域公共卫生服务水平，促使土地更有效地发挥生活功能，提高人类福祉具有重要意义。人均城乡居民储蓄存款余额（X9）的解释力分别为0.489、0.601、0.595，其增加一定程度上受传统习惯和居民对于未来收入的信心的影响，但关键在于社会基础保障制度的完善和居民收入水平的提升，人们面对突发事件时的抗风险能力增强。应指出的是，人均城乡居民储蓄存款余额的持续增长从侧面反映了人们投资意向薄弱、投资渠道闭塞，引导人们选择较低风险的投资理财积累财富，这也是提高社会保障功能的关键要义。③就业支撑能力对于土地利用多功能性的空间分异解释力度较强。从业人口密度（X10）在3 个时间截面上的解释力分别为0.647、0.650、0.699，其大小能够反映所在区域经济社会发展程度和就业服务水平。近年来，山东省经济运行稳中有进，经济结构不断优化，对稳定基础性岗位、拓宽就业创业渠道、提高就业质量形成了有力拉动，形成了保障民生和增强经济发展活力的良性循环。

4 结论与建议

4.1 结论

本文综合运用GIS 空间分析、地理探测器模型分析了2005—2018 年山东省县域土地利用多功能时空演变及影响因素，主要结论如下：①运用趋势分析、GIS空间分析方法发现，2005—2018 年山东省县域土地利用多功能水平总体呈现“东高西低、南北低中部高”的空间格局。2005—2018 年山东省县域土地利用多功能差距逐渐缩小，空间分布格局差异明显，具体表现为高水平和较高水平分布区显著增加，低水平和较低水平分布区显著减少，中等水平分布区在这一时期转入与转出并存，总体变化相对较小。2005—2018 年山东省县域土地生产功能时空变化较小，生活功能与生态功能变化显著。②运用地理探测器分析土地利用多功能时空演变的影响因素，发现2005—2018 年山东省经济发展水平、社会保障能力、就业支撑能力对山东省县域土地利用多功能的时空分异影响最大，经济密度、人口密度、建设用地比例、万人医疗卫生床位数的解释力较强且对山东省土地利用多功能时空分异的影响逐渐增强；而水果产量，第二、三产业占比，人均水域面积，森林覆盖率等探测因素对研究区土地利用多功能空间分异的影响相对较弱。

4.2 建议

本文基于以上研究结论，综合考虑山东省新旧动能转换发展背景和土地利用现状，提出以下发展建议：①鲁西南和鲁西北平原地区应借助现代科技手段和经营方式提升农业生产功能，积极转变经济发展方式，创新型发展生态农业，并加大盐碱地改造、退耕还林、水污染治理等生态建设力度，提高生态功能。②鲁中南山地丘陵区应优化城乡居民生产生活布局，保障就业、医疗、住房、交通等公共服务水平，完善相关基础设施建设，充分利用资源优势打造优势产业，为经济发展增速。同时，完善林地分级管护措施，增强森林资源的环境效益。③鲁东地区应立足区位和海洋资源优势，打造海洋生产和生态保护模式，加快新旧动能转换，实现经济增长与生态保护并举；优化基础设施建设，进一步提升居民生活质量，打造沿海宜居城市带。