兰西城市群县域土地利用效率时空差异研究

付春雨，石培基，冯 涛，张韦萍

(西北师范大学 地理与环境科学学院，甘肃 兰州 730000)

随着工业化和城市化进程的推进，我国社会经济发展与资源环境之间的矛盾逐渐凸显，导致城镇建设用地内部结构不合理、土地利用低效、资源高消耗和污染高排放等严峻问题。国家在“十三五”规划中提出绿色发展理念，表明绿色发展是缓解当前矛盾的必然选择[1]。绿色发展理念强调土地利用过程中的生态保护和可持续发展，即土地利用经济效益、社会效益、生态环境效益最大化、环境负效应的最小化，实现土地资源利用模式绿色化，解决社会经济发展与资源环境保护两难问题。

国外对土地利用效率的研究集中在土地利用效率的度量模型及体系构建、现实机理及影响因素、优化政策措施等方面。如，Peter H、Verburg、Derek B等在生态和社会环境条件约束下研究了城市土地利用效率的评价体系及其影响因素[2]；Brett A.、Bryan、Neville D.Crossman等分析了提供多种生态系统服务的城市土地结构布局，提高土地利用效率的优化政策[3]。国内学者借鉴相关理论，结合我国的实际情况，在土地利用效率评价[4,5]、时空格局[6-8]、影响因素[9-11]、与城镇化和产业一体化的耦合关系[12-14]等方面展开了深入研究。传统的土地利用效率模型重视土地利用过程中的期望产出，未考虑土地发展实际过程中存在的环境恶化、资源消耗过量等问题。随着国家对生态文明建设的深入推进，土地利用效率的内涵逐渐转变。近年来，越来越多学者开始重视环境因素对土地利用过程的影响、土地利用与绿色发展间的关系、环境因素的具体指标，以及如何将其纳入评价体系等问题展开研究，以此探寻土地利用效率的提升路径与策略。如，王德起、庞晓庆借鉴绿色发展效率模型，将能源消耗、环境污染等要素纳入土地投产过程，构建了土地利用效率评价模型[15]。研究方法主要集中于协调度模型[16,17]、数据包络分析[18-20]、随机前沿分析[21,22]等评价方法。其中，数据包络分析法无需确定投入产出关系的具体表达和各项指标的权重，且拥有多种形式的拓展模型，使用更加频繁。研究热点区域则聚焦在东部沿海[23,24]、长江流域[25,26]等发展水平较高的地区，少有对西北地区土地利用效率的研究。

本文借鉴绿色发展指数评价体系，将资源利用、绿色生活等环境要素纳入土地利用效率指标体系，利用SBM-undesirable模型测算了2016—2018年兰西城市群39个县域的土地利用效率，评价结果更加贴近现实需求。同时，本文借助泰尔指数和空间自相关，从多尺度探索土地利用效率的时空差异特征，揭示其内在规律，结果可为兰西城市群土地利用结构合理配置、生态保护和相关政策措施的制定提供科学参考。

1 研究区域、方法与指标体系

1.1 研究区域概况

兰西城市群是我国西部地区重要的跨省区城市群，本文以《兰州—西宁城市群发展规划》中划定的兰西城市群范围作为研究区域，具体包括甘肃省兰州市、白银市等4个地市州20个县域单元，青海省西宁市、海东市等5个地市州19个县域单元。兰西城市群是黄河流域的重要组成部分，地处青藏高原生态屏障和北部防沙带之间，具有国家生态安全的重要战略支撑作用，地形主要以山地、河谷盆地、丘陵为主，海拔在1200—5300m之间，西高东低，起伏较大，气候分布差异明显。兰西城市群是我国西北地区人口聚集地之一，城市分布集中、经济基础条件较好，但工业发展基础较薄且动力不足、土地集约利用水平不高、生态环境脆弱。因此，认识和把握兰西城市群县域土地利用效率的现实水平，对促进兰西城市群社会经济可持续发展与生态文明建设具有重要的意义。

1.2 研究方法

SBM-undesirable模型：数据包络分析法(DEA)是对具有相同类型的多项投入和产出指标的决策单元(DMU)进行相对有效性分析评价的一种非参数方法。传统的DEA模型包含CCR和BCC两种最基本模型，缺点是未考虑变量松弛，测算结果存在不准确性。本文选用考虑环境变量的SBM-undesirable模型，在解决投入产出变量松弛性的同时兼顾到非期望产出的效率评价问题[27]。SBM-undesirable模型定义为：

(1)

(2)

泰尔指数：泰尔指数是衡量区域某一属性差异的重要指标之一，优点是能将区域差异结构及其来源进行有效分解，即区域间差异和区域内差异[28]。本文引入泰尔指数衡量县域土地利用效率的区域差异程度。计算公式为：

(3)

式中，T为泰尔指数；m是将39个县域单元划分的组数，每组为gm，第m组gm中的个体数目则为nm；yi为县域i的土地利用效率份额；ym为某群组m的县域土地利用效率总份额；Tb、Tw分别为区域间差异和区域内差异。

空间自相关：为明确邻接或邻近县域土地利用效率在空间关系上是否存在着集聚性或异质性，本文采用空间自相关分析方法中的Moran′s I指数对其进行测度和检验。计算公式为：

(4)

(5)

若判定单一县域内部空间集聚或离散的具体位置，需采用局部Moran′s I指数和LISA集聚图反映。计算公式为：

(6)

式中，Ii为局部空间自相关指数。

1.3 指标体系构建

本文借鉴已有研究成果，结合绿色发展理念对土地利用效率内涵的影响，从投入、期望产出和非期望产出3个方面构建了土地利用效率的指标体系，见表1。本文选取县域建成区面积、固定资产投资额和单位从业人员数衡量土地、资本、劳动力要素在土地利用投入过程中的参与度；期望产出指标的经济与社会效益能反映县域土地利用的经济和社会价值，本文采用第二、三产业增加值、社会消费品销售总额来表示；期望产出环境效益选取县域建成区绿地覆盖率、一般工业固体废物综合利用率表征土地利用的环境质量。由于第三产业污染物排放比重很小，县域数据来源的局限性，因此主要取工业废水排放量、工业二氧化硫排放量作为县域社会经济活动对环境产生负效应的非期望产出。

表1 县域土地利用效率评价指标体系

本文测算所需经济社会数据主要来源于2006年、2010年、2014年、2018年的《甘肃省统计年鉴》《青海省统计年鉴》和各地市州的《统计年鉴》；资源环境数据来源于《中国县域统计年鉴》《甘肃省建设年报》等；部分数据补充自各地市州的国民经济与社会发展统计公报和政府工作报告。

2 结果及分析

2.1 县域土地利用效率时序变化特征

本文基于SBM-undesirable模型计算了2016—2018年兰西城市群39个县域单元的土地利用效率，数据处理后得到兰西城市群县域土地利用效率均值和泰尔指数(表2)。研究期内，兰西城市群县域土地利用效率均值递增，泰尔指数呈现倒“V”型的变化趋势，2010年达到最高值，表明兰西城市群县域土地利用效率存在两个阶段的演进特征。第一阶段(2006—2010年)：兰西城市群县域土地利用效率均值由2006年的0.4995增加至2010年的0.5484，年均增长率为1.96%，泰尔指数由0.0420增加至0.0452，年均增长率为1.52%，即县域土地利用效率水平和区域差异同时扩大。在此阶段，政府重视改造传统产业、淘汰落后产能，生产技术条件和产业结构得以优化，土地利用投产资源分配协调发展，土地利用效率提升，但由于县域土地利用效率提升程度不一，形成明显的区域差异。第二阶段(2010—2018年)：兰西城市群县域土地利用效率均值持续升高，年均增长率达到3.76%，泰尔指数减少至0.0353，县域土地利用效率区域差异呈收敛的趋势。在“十二五”和 “十三五”规划期间，地方政府出台有关环境保护、节能减排等方面的政策，强化环境监督管理与环境预警体系，鼓励产业绿色化转型，在减少土地利用过程中生态环境污染和破坏上取得一定成效，区域差异有所缓解。

表2 兰西城市群县域土地利用效率均值和泰尔指数

2.2 县域土地利用效率空间分异特征

总体分布特征：本文采用ArcGIS自然断点法将2006年、2010年、2014年、2018年兰西城市群39个县域土地利用效率值划分为4类，以探讨土地利用效率的空间分布特征与规律(图1)。

兰西城市群县域土地利用效率表现出明显空间分布差异，存在中心高—外围低、西高东低、南北分异的空间格局特征。其中，兰州市区和西宁市区是整个城市群土地利用效率值最高的区域，在中部地区形成以兰州和西宁为中心，由城市群中心向外围土地利用效率逐层降低的结构，具有显著的等级效应。较高效率值区空间上呈“条带状”连接分布，如平安区—乐都区、红古区—西固区—安宁区—七里河区等区域。2006年，兰西城市群西部地区近一半县域单元处于较低效率区；2010年，海北州、共和县、湟中县等土地利用效率值从较低效率区增长过渡到较高效率区，靖远县、同仁县等从低效率区增长过渡到较低效率区，即较低效率区开始向西南和东部地区扩散。2006年低效率区的数量高达15个，连续成片覆盖在南部和东北部地区； 2018年低效率区转移到城市群东南部，数量减少至6个，包括景泰县、积石山县、永靖县等。总体上，兰西城市群大部分县域的土地利用效率已达到较高效率及以上水平，低效率区的县域数量大幅减少，城市群距离实现土地利用投产合理布局、协调发展的目标更进一步。

图1 2006年、2010年、2014年、2018年兰西城市群县域土地利用效率空间分布

两区域差异现象：从甘肃青海县域土地利用效率差异视角探索区域空间差异规律。2006—2018年，甘肃、青海县域土地利用效率逐渐提升，增幅分别为39.11%、43.14%，青海地区始终高于甘肃地区，表现出“西—东”空间递减规律。甘肃泰尔指数相对较高，青海相对较低，甘青两地区的空间非均衡程度均呈下降状态，且区域内差异高于区域间差异，说明两个地区内部发展不平衡制约了土地利用效率的提升。青海生态环境基础好、植被覆盖度高，需遵循人与自然和谐发展的前提下实现社会经济可持续发展。同时，政府建立约束开发的法规制度，促进传统产业向绿色循环型产业转型，推行光伏、风能等清洁能源技术的投入应用，科技创新和对外合作能力提高，生态环境压力逐渐减小，土地利用效率保持稳定增长。甘肃高能耗、高污染传统产业比重相对较高，产业结构不合理且层次低，阻碍了县域土地利用效率的提高，区域内部不平衡。随着政府对生态文明建设的落实，甘肃地区限制高耗能、高污染产业的扩张，调整产业结构与布局，鼓励高新技术产业发展，土地利用效率开始提升、区域差异缩小。

2.3 县域土地利用效率空间关联特征

全局空间自相关分析：为进一步了解效率的空间集聚情况与演变特征，运用全局空间自相关模型，测度兰西城市群县域土地利用效率Global Moran′s I指数。2006—2018年，Global Moran′s I指数值分别为0.247、0.287、0.328和0.310，均通过P值小于0.05的显著性检验，表明兰西城市群县域土地利用效率存在着空间正向相关性，即土地利用效率较高的县域单元趋于毗邻，效率较低的县域单元相毗邻。其中，Global Moran′s I指数由2010年的0.328减少至2018年0.310，但整体上呈增加趋势，说明兰西城市群县域土地利用效率水平动态变化相对平稳，空间集聚态势虽然有所减弱，但是依然表现出较强的空间集聚特征。

局部空间自相关分析。全局空间自相关不能反映发生集聚或异常的具体位置，需要局部空间自相关检验县域土地利用效率与邻近县域土地利用效率的相关性。结合兰西城市群县域土地利用效率的LISA集聚图(图2)发现，2006—2018年兰西城市群县域土地利用效率局部空间集聚发生了明显的变化，高—高集聚和低—低集聚的县域个数分别为8、8、6、6个，数量减少表明土地利用效率高—高集聚区和低—低集聚区总体上呈减弱态势，高—低集聚区和低—高集聚区的县域数量略有波动，但基本保持不变。

①高—高集聚区位于兰州和西宁两个区域中心城市。该类型区在城市群中属于区位优势明显、经济发展与技术水平较高、产业结构较合理、环境管理制度严格的一类地区，土地利用效率保持高水平，且对邻接县域产生正向带动作用，空间溢出效应显著。②低—高集聚区包含湟中县、皋兰县、互助县等县域单元。这些县域虽然分布在土地利用效率较高县域的扩散效应区，但自身接受“被扩散”效应的能力有限，土地利用效率远低于周边县域。③高—低集聚区呈散布分布，从2006—2010年的白银区、临夏市变化到2014年安定区再到2018年的安定区、临夏市。这类区域具有明显的资源禀赋优势，环境负效应影响小，土地利用效率水平较高，但缺乏有效区域合作机制、产业链布局不合理等，难以对周围县域产生辐射带动作用，导致其土地利用效率高而周边县域土地利用效率低。④低—低集聚区集中在兰西城市群南部地区。这些地区经济发展落后、生态环境脆弱、资源利用率较低，远离高效率区辐射范围，土地利用产出水平不高。2014年，定西市安定区由低—低集聚区转变为高—低集聚区，陇西县、渭源县、临洮县由低低集聚区转变为不显著的集聚趋势，说明土地利用低效率开始出现由东南向西南扩散现象。2016—2018年，兰西城市群约70%县域单元无显著的集聚特征，说明兰西城市群大部分县域土地利用效率集聚水平不高。

图2 2006年、2010年、2014年、2018年兰西城市群县域土地利用效率LISA集聚图

3 结论与建议

3.1 结论

本文在考虑绿色发展内涵的基础之上，运用SBM-undesirable模型测度了2006—2018年兰西城市群县域土地利用效率值，并采用泰尔指数、空间自相关方法揭示了其时空差异特征。主要结论如下：①从时间变化分析，2006—2018年兰西城市群县域土地利用效率均值由2006年的0.4995上升到2018年的0.7134，总体提升了42.8%,泰尔指数呈倒“V”型变化，使县域土地利用效率具有两个阶段的演进特征。2006—2010年，县域土地利用效率上升，区域差异扩大；2010—2018年，县域土地利用效率上升，区域差异开始缩小。②从空间总差异进行分析，兰西城市群土地利用效率呈现中部高—外围低、西高东低、南北分异的格局特征，低效率区数量大幅度减少，较高效率、高效率区数量明显增加，县域土地利用效率水平取得了较大改善；从区域差异进行分析，甘肃和青海地区土地利用效率均为上升趋势，呈“西—东”空间递减规律，且区域内部差异是影响两个地区县域土地利用效率发展不平衡的主要原因。③从空间关联性进行分析，兰西城市群县域土地利用效率的Global Moran′s I指数大于0，表明县域土地利用效率存在显著的空间关联性。由局部空间格局演变特征发现，土地利用效率高—高集聚区始终集中在两个区域中心城市内，低—低集聚区研究期间出现从东南向西南的扩散现象，高—低集聚区分布相对分散，低—高集聚区则主要围绕中部土地高集约水平地区分布。

3.2 建议

绿色发展理念下县域土地利用效率区域差异现象是多种因素复杂交织的结果，直接反映出土地利用过程中不同参与要素的配置差异。本文基于兰西城市群县域土地利用效率时空差异特征分析，提出以下建议：①依据资源环境承载能力和国土空间开发适宜性实施土地资源分类管控，严格控制建设用地总量与开发强度，逐步提高存量土地供应比例和土地利用集约程度，确保建设用地的可持续发展。②实施生态共建环境共治，推进重点区域和重要生态系统保护与修复，维护好黄河上游地区的生态安全。③限制污染严重、能源资源消耗大的落后产业，深化传统优势产业改造升级，培育清洁高效的绿色新兴产业，保障城市群生态化建设及绿色发展。④加强兰州、西宁两个区域中心城市的科技创新和服务功能投入，推动产业转型及土地利用管理模式转变，辐射带动整个城市群的协调发展，促进土地利用效率的稳步提升，最终实现兰西城市群土地资源利用绿色化，区域经济、社会与生态环境系统可持续协调发展的土地利用格局。