湖南省土地资源可持续利用时空差异研究

王 丹， 李晓筝， 陈文成

(1.长春师范大学 地理科学学院， 吉林 长春 130032；2.泉州师范学院 资源与环境科学学院， 福建 泉州 362000)

0 引言

土地资源作为保证人类生存发展、推动城镇化进程以及保障国家粮食安全的重要载体，其利用持续程度直接关系着我国经济社会能否健康高质量发展，因此实现土地资源可持续利用尤为重要[1].从1990年代至今，国内也有大量学者从不同角度提出了一些可持续发展的研究方法.早在1997年,傅伯杰等[2]从生态、经济和社会3方面建立了土地可持续利用评价的指标体系，提出了区域土地可持续利用的评价过程.随着研究的深入，土地可持续利用评价指标体系朝着更多维度的方向发展，随之土地资源可持续利用评价方法也有了较大进展.如张楠楠等[3]基于PSR评价模型构建沈阳市土地生态安全评价指标体系，较好反映了沈阳市近10年来土地生态安全状态；钟锦玲等[4]应用熵权法探讨广西高质量发展与土地资源可持续利用协调发展时空格局；杨庆媛等[5]采用生态足迹法对重庆市三大经济区和重庆市域尺度进行比较，探讨重庆市土地资源可持续利用状况；苏广实等[6]运用BP神经网络进行都安喀斯特土地可持续利用评价，结果表明构成都安喀斯特土地利用系统的资源环境、经济、社会等因素在空间分布上存在明显的差异性，这些指标体系和评价方法为土地资源可持续利用提供了很好的技术支持.但土地资源可持续利用的特征是基于土地利用方式在时间和空间上的发展变化，两者是相辅相成，不可分割的.大多研究仅从空间层面或时间层面对某一区域土地利用进行分析，少有研究结合空间差异性和时间发展性基于地级市对省域范围的土地资源可持续利用程度进行分析.

本文以湖南省为研究对象，建立湖南省土地资源可持续利用指标体系，构建土地资源可持续利用评价模型，计算湖南省各地级市(州)土地资源可持续利用综合指数，旨在揭示湖南省土地资源可持续利用的时空差异特征，并通过地理探测器探究各驱动因子对湖南省土地资源可持续利用发展过程的影响程度，以期为湖南省国土资源开发利用提供参考意见.

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

湖南省处于我国中部地区，全省水、陆、空等交通设施完善，路网发达[7]；得益于优良的自然条件，湖南省连续40年水稻产量居全国首位，农业方面在我国占有重要地位.截至2019年，湖南省人均土地面积已由2009年的0.306公顷减少到0.289公顷，远低于世界和国家水平的人均土地面积，受土地面积有限性和人口增加的影响，土地资源可持续利用问题在未来相当长时间内会成为湖南省综合实力提升过程中的一大难题[8].

1.2 数据来源

本文充分考虑湖南省土地资源特征和开发利用现状，从《湖南省统计年鉴》《国民经济与社会发展统计公报》[9]中获取湖南省地市(州)2009—2019年资源、环境、社会、经济四个方面的20个元指标，构建湖南省土地资源可持续利用评价指标体系(见表1).空间矢量数据选取1∶5 000 000的2009-2019年湖南省市级行政区划矢量数据图.

表1 湖南省土地资源可持续利用评价指标体系及其权重

2 研究方法

2.1 土地资源可持续利用综合评价方法

(1)指标标准化变换.由于各指标的意义和计算方式都存在差异，为减少指标量纲差异对研究结果的影响，本文采用极差标准化方法对数据进行无量纲处理，方法如下：

对于正向指标：

对于负向指标：

(1)

式中，X′ijt为无量纲化数值，xijt为第i(i=1，2，…，20)个指标的第j(j=1，2，…，14)城市第t(t=1，2，…，11，对应于2009，2010，…，2019)年的指标原始数据；xmax、xmin分别为指标i的所有年所有城市的最大值、最小值.

通过上述计算，将2009-2019年湖南省各市土地资源可持续利用程度指标数值映射到[0,1].

(2)熵值法赋权.指标权重表明了某指标在评价体系中的相对重要性，是构成评价指标体系的重要组成部分[10].为使研究结论更具科学性和参考性，本文采用客观性更强、精度更高的熵值法.

计算第i项指标下第j年份的方案指标值的比重：

(2)

式中，Pijt表示j(j=1，2，…，14)市第t(t=1，2，…，11)年第i项指标的标准化值的比重，n代表年份(n=11).

计算熵值ei：

ei=-∑Pijtln(Pijt)，

(3)

式中，ei为熵值，表示i指标的土地资源信息熵，ei≥0.

权重值wi：

(4)

其中，wi为第i个指标的权重.

(3)土地资源可持续利用综合评价模型[11]：

式中，It表示土地资源综合可持续指数.

2.2 土地资源可持续利用差异评价方法

(1)土地资源可持续利用综合指数变化率.变化率指数可直观地反映一个地区土地资源可持续利用综合指数的变化程度，也可通过地区间的比较反映空间变化差异[12].公式如下：

式中，K为研究期间湖南省各市(州)土地资源可持续利用综合指数的年变化率，Ua、Ub分别为研究初期及研究末期某市土地资源可持续利用综合指数；T为研究时段长.

(2)可持续发展水平分位法分级.根据上述研究方法分别计算出湖南省14个地级市2009-2019年土地资源可持续利用综合指数，并将其从高至低排序，采用分位数法分为四个等级，则三个分位点依次为(14+1)/4=3.75、((14+1)/4)×2=7.5、((14+1)/4)×3=11.25,分别为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级，Ⅰ级和Ⅳ级各包括三个城市、Ⅱ和Ⅲ级各含四个城市.

(3)相对变化率.相对变化率基于变化率指数，根据上述分等级结果，比较研究期内各等级城市的土地资源可持续利用综合指数变化率与整体等级变化率，以分析在研究区范围内土地资源可持续利用变化的等级差异与不同等级变化的热点区域，其公式如下：

式中：R为湖南省某一等级城市土地资源可持续利用综合指数的相对变化率，Ka、Kb表示全研究区内某个等级城市研究初期和研究末期的土地资源可持续利用综合指数，Ca、Cb分别代表全研究区某一城市等级研究初期和末期的土地资源可持续利用综合指数.

(4)地理探测器.地理探测器是探测空间分异性，以及揭示其背后驱动力的一组统计学方法[13]，本文采用地理探测器中的因子探测模块来识别湖南省土地资源可持续利用的驱动因子，用q值来表示各因子的影响程度.其公式如下：

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h级的单元样本数；σ和σh2分别为第h级和全区的土地资源可持续利用综合指数的方差；q的分布区间为[0,1]，q值越大说明因子的影响力越大.

3 结果与讨论

3.1 土地资源可持续利用综合指数时间差异动态比较

根据前文计算的土地资源可持续利用综合指数的结果，比较2009-2019年湖南省各地级市(州)的土地资源可持续利用综合指数变化幅度，并计算其10年间的年变化率(取两位小数)，以此来反映湖南省土地资源可持续利用时间差异，如表2所示.

由表2可知，作为省会的长沙市土地资源可持续利用综合指数始终保持最高，且与娄底市、湘西州等城市的土地资源可持续利用综合指数差距明显；从土地资源可持续利用综合指数年变化率来看，湖南省各地级市(州)土地资源可持续利用综合指数年变化率均大于零，其中益阳市、邵阳市、永州市和衡阳市变化率较高，都大于3.00%，说明在研究期间其土地资源可持续利用水平的变化幅度较大且都得到了较高程度的提升，衡阳市、常德市等大部分城市土地资源可持续利用综合指数年变化率高于2.00%，说明其具有较高的可持续发展潜力.由此表明，在时间层面上，湖南省各地级市(州)的土地资源可持续利用是正态的、可持续的，土地利用方式逐步趋于合理化.

表2 湖南省土地资源可持续利用综合指数变化情况

3.2 土地资源可持续利用综合指数空间特征动态比较

经由以上分析计算可知，湖南省土地资源可持续性综合指数在不断增长，为更直观高效地分析湖南省土地资源可持续利用水平空间特征动态变化，生成湖南省土地资源可持续利用水平趋势(图1)和空间差异图(图2)，并计算各等级城市可持续利用指数相对变化率(表3)进行湖南省土地资源可持续利用空间差异特征分析.

注：图中XY面的点为样本点；ZX面、YZ面的点分别为样本点在ZX面、YZ面的投影；黑色直线长度为样本点数据值；灰色曲线(ZX面)表示东西走向样本的投影趋势；黑色曲线(YZ面)表示南北走向样本的投影趋势.

图2 湖南省土地资源可持续利用空间特征差异图

(1)选取研究期间2009、2016、2019三年数据，采用Arcgis10.5版软件的统计分析模块中的趋势分析工具(trend analysis tool)分析湖南省土地资源可持续利用时空差异的总体格局特征,结果如图1所示.2009-2019年湖南省各地级市(州)南北方向总体呈现中部高南北低的倒“U”状分布状态，研究区域东西方向总体上空间差异显著，表现为土地资源可持续利用水平由西向东呈指数型缓慢上升的格局特征，且差距逐渐增大，东西方向上的空间差异较南北方向更为显著.

(2)由图2可见，湖南省土地资源可持续利用城市等级空间分布存在一定的差异性，14个地级市(州)土地资源可持续利用等级呈“川”字分布，由东向西呈阶梯式递减.其中省会城市长沙土地资源可持续利用等级稳居Ⅰ级，在2009年时其可持续发展指数已达0.6728，远高于其他城市；临近长沙市的株洲、湘潭、衡阳受到国家城市群发展战略的影响，可持续等级较高，常属Ⅰ级城市；位于环洞庭湖区的常德、岳阳、益阳、永州和湘中南地区的郴州、永州几市受“3+5”城市群的带动，几个城市的经济、资源发展能力相当，城市等级较好；位于大湘西区的湘西、邵阳、张家界、怀化及湘中南地区的娄底受地理区位影响，土地资源可持续利用状态处于靠后状态，2009-2019年期间，其土地资源可持续利用城市等级主要处于Ⅲ、Ⅳ等级.由此可见，湖南省土地资源可持续利用程度受地理区位影响较为显著，存在明显的空间差异.

(3)土地资源可持续利用综合指数相对变化率大于1的城市，其可持续性指数变化幅度大于该市所处城市等级可持续性指数的变化，反之则小于该市所处城市等级可持续性指数的变化(见表3).由表3可知，截至2019年，湖南省土地资源可持续利用指数的高低变化也存在明显的区域差异，其中永州市的变化最大，相对变化率高达1.31；Ⅰ级城市的变化中，长沙市和株洲市并列第一，相对变化率达到1.07，衡阳市次之；Ⅱ级城市变化以永州市最大，岳阳市最小；Ⅲ级城市变化益阳市最大，怀化市最小；Ⅳ级城市以湘西州最大，娄底市最小.

表3 2009-2019年土地资源可持续利用综合指数相对变化率

综上考虑湖南省各地级市土地资源可持续性等级的变化过程及相对变化率指数的大小，可将省内14个地级市(州)分为以下两类：

(1)稳定型：Ⅰ级城市土地资源可持续利用指数排名靠前，长沙、株洲常年处于该可持续性等级；Ⅱ级城市属于土地资源可持续利用指数较高的城市，岳阳、永州常属于该等级；Ⅲ级城市土地资源可持续利用指数较低，益阳、邵阳、郴州三市一直属于Ⅲ级；Ⅳ级城市土地资源可持续利用指数排名靠后的城市，娄底和张家界在研究期间常属于Ⅳ级；并且郴州、娄底两市在研究期间内相对变化率均小于1.

(2)波动型：常德、湘潭、衡阳三市持续在Ⅰ级城市和Ⅱ级城市中变换；张家界、湘西州、怀化三市常在Ⅲ级和Ⅳ级城市中变动；波动型城市总体上来说土地资源可持续利用综合指数也是不断增长的，只是不同年份中有一定的波动.

结合前文对湖南省土地资源可持续利用空间分布总体格局、各城市可持续性等级以及综合指数相对变化率的变化情况分析，可以进一步确定，湖南省土地资源可持续利用存在明显的空间差异且地区分布相对集中，可持续性水平较高的地区主要分布在长株潭城市群及其周边辐射地区，其可持续性等级常在Ⅰ、Ⅱ级变动，可持续性水平较弱的地区主要分布在湘中南地区和大湘西地区，其可持续性等级主要在Ⅲ、Ⅳ两级间变换.

3.3 湖南省土地资源可持续利用时空差异驱动因子

据上述研究结论可知:湖南省土地资源可持续利用综合指数总体上在不断提升，但仍存在一定的空间差异.为探究湖南省土地资源可持续利用水平的驱动因子，本文根据湖南省土地资源可持续利用综合指数及一级指标、二级指标，基于ArcGIS10.5平台，将湖南省2009年、2016年、2019年指标值利用自然断裂法划分为4个等级，运用地理探测器测算各指标的q值，结果如表4所示.

表4 土地资源可持续性一级驱动因子探测结果

土地资源可持续利用水平变化受到资源、环境、经济、社会因素的影响，本文将这四个方面作为一级指标，利用地理探测器对其影响程度进行分析.由表4可知，2009年和2016年湖南省土地资源可持续利用一级驱动因子按排序为：q(H)>q(S)>q(J)>q(Z)，2019年一级驱动因子按从排序为q(S)>q(H)>q(J)>q(Z)，这一时期不仅主导因子发生变化，驱动因子的解释力较上一时期都有明显提高.受到土地资源等相关自然资源的有限性和位置固定性特征的影响，资源因素在研究期间对湖南省土地资源可持续利用水平的解释力较低.

二级驱动因子对湖南省土地资源可持续利用水平的影响的结果如表5所示.

表5 土地资源可持续性二级驱动因子探测结果

(1)在资源条件方面，对湖南省土地资源可持续利用影响最大的驱动因子为耕地年减少率(X2)，因子探测结果q值在2009、2016、2019年分别为0.567、0.837、0.635.耕地是实现粮食安全的关键，是人类赖以生存的载体，是社会稳定的基础.耕地减少率是人类活动改造自然资源的重要体现.耕地面积的变化，对土地资源可持续利用既有促进作用，亦存在抑制作用.耕地年减少率的降低有利于稳固农业基础，保障粮食安全，但也对土地的社会功能产生相应的抑制作用.故湖南省应平衡好耕地保护和社会发展的关系，确保既提升土地的生产功能，也充分发挥土地的生活功能和社会功能，从总体上实现土地资源可持续利用.

(2)在环境水平方面，对湖南省土地资源可持续利用影响最大的驱动因子为绿化覆盖面积(X7)，因子探测结果q值在2009、2016、2019年分别为0.975、0.917、0.920.绿化覆盖面积是反映一个国家或地区生态环境保护状况、文明建设水平的重要指标，是实现生态保护和社会经济发展的需要.绿化建设不仅形成完整的绿地系统和优美的景观效果，也使得区域人民的生活质量得到改善.绿化覆盖面积受限于当地的土地面积及其利用情况.区域绿化覆盖面积越大，则说明对区域土地利用和生态保护越重视.近年来，湖南省着力推进国土绿化事业，不断完善国土机制，组织全民开展造林绿化行动，实现了国土绿化工作数量与质量的并重发展，有效带动了各地级市(州)土地资源可持续利用水平的提升.

(3)在经济水平方面，对湖南省土地资源可持续利用影响最大的驱动因子为人均GDP(X12)，因子探测结果q值在2009、2016、2019年分别为0.974、0.953、0.920.在土地利用过程中，人口是最活跃的因素，经济发展的高低直接决定着土地资源可持续利用的方向和程度，人均GDP这一指标可从宏观方面衡量经济发展状况和人民生活水平.2009-2019年期间，湖南省人口迅速增长，从2009年的6900.20万人增长到2019年的7319.53万人，十年间共计增长419.33万人；到2019年湖南省生产总值达39 752.12亿元，是2009年的3.04倍，人口和经济的高速发展相应地也会改变土地资源的利用方式和结构布局.同时经济水平具有较好的辐射作用，长株潭城市群是湖南省经济发展核心增长极，常处于湖南省土地资源可持续利用Ⅰ级城市，其经济的发展和土地利用的好坏对周边地区乃至整个省份具有重要意义，邻近长株潭核心增长极的洞庭湖区的常德市、岳阳市和湘中南区的衡阳市均受到其辐射带动作用的影响.

(4)在社会水平方面，城市化水平(X17)、高等学校毕业生人数(X19)两个驱动因子都具有较强的影响，影响最大的驱动因子是高等学校毕业生人数(X19)，因子探测结果q值在2009、2016、2019年分别为0.953、0.916、0.928.高等学校毕业生人数是土地资源可持续利用的潜力因素，表明一个地区专业技能和科技创新水平.地区高等学校毕业生人数越多.则从事第二、三产业的人数越多，土地利用结构越合理，单位土地所产生的利用效益越高，故土地可持续性较高.其次是城市化水平(X17)，因子探测结果q值在2009、2016、2019年分别为0.945、0.962、0.945.城市化水平是一个国家或地区的基础设施建设水平和生活质量的综合体现，城市化水平的进步可以提高土地生产力和土地的使用效率，改变土地利用的方式，也可通过科学技术增加可利用的土地面积，实现从深度和广度两个层面推动土地资源的可持续利用.

(5)除上述因素外，政策因素在区域土地利用变化过程中起着不可估量的重要驱动作用，影响着区域土地的格局分布和发展趋势[14].国家和政府根据各区域土地的发展情况制定相符的土地政策直接作用于土地.《湖南省土地利用总体规划(2016-2020年)》中提到全省实施“一带一部”战略，形成 “一核两带三组团”为主体的城镇化战略格局，“一圈三区”为主体的农业战略格局和“一湖三山四水”为主体的生态安全战略格局，致力于建设美丽湖南，提升湖南省土地用途管控和严格土地用途管制[15],对土地资源可持续利用具有深远的影响.

综上所述，在2009-2019年期间湖南省土地资源可持续利用综合水平主要驱动因素为环境、社会经济因素，尤其是绿化覆盖面积、人均GDP、城市化水平、高等学校毕业生人数、耕地年减少率和土地政策的颁布和实施6个主导驱动因子对土地资源可持续性影响显著.因此环境保护治理、经济发展和城市化等社会经济因素和宏观政策是10年间湖南省土地资源可持续利用水平变化的主要驱动力.

4 结论

湖南省作为我国重要的粮食安全保障基地，伴随着工业化、城市化的冲击，使得土地问题日趋尖锐，土地资源可持续发展是解决湖南省土地资源问题的必经之路.本文通过构建土地资源可持续利用评价模型，利用GIS空间分析、地理探测器模型分析了2009-2019年湖南省土地资源可持续利用时空差异及其影响因素，主要结论如下：

(1)2009-2019年湖南省14个地市(州)土地资源可持续利用程度大体上显示出缓慢的增长趋势，但不同城市间土地资源可持续利用综合指数和变化率存在一定差距；且不同城市间土地资源可持续利用程度在时空分布上存在一定差距，呈现“东高西低，南北低中间高”的总体空间分布格局，东部长株潭城市群及其周边城市的土地资源可持续利用综合指数较高，多处于Ⅰ级或Ⅱ级城市；湘中南区和大湘西地区的可持续性排名靠后，大多数为Ⅲ级或Ⅳ级城市.

(2)运用地理探测器分析土地资源可持续利用时空差异的影响因素，发现湖南省土地资源可持续利用水平受多种因素的综合影响，其中社会经济和环境表现出较强的驱动性，耕地年减少率、绿化覆盖面积、人均GDP、城市化水平、高等学校毕业生人数及相关政策的颁布与实施是湖南省土地资源可持续利用水平变化的主要驱动力.