土地利用转型背景下社会经济-生态环境耦合协调研究: 以长江沿岸城市为例

张 冰,李阳兵,2①,夏春华,曾晨岑 (.重庆师范大学地理与旅游学院,重庆 4033;2.三峡库区地表过程与环境遥感重庆市重点实验室,重庆 4033)

长江经济带的定位为我国“生态文明建设的先行示范带”,在我国经济发展中也有极其重要的战略地位[1]。改革开放以来,随着经济的迅速发展,城市化水平显著提高,该区域土地利用形态产生了巨大的变化,在土地利用转型速度和幅度持续增长的同时潜在的经济和生态风险也日益凸显[2],如不能实现生态环境与社会经济的协调发展,将对该地区乃至全国的可持续发展产生负面影响。因此,对该地区在土地利用转型背景下社会经济与生态环境的相互关系进行探讨具有重大的研究价值与现实意义。

土地利用转型是指与经济社会发展阶段的转型相对应的土地利用形态在时序上的变化[3-4]。国外相关研究内容涉及土地利用转型的基础理论构建[5]、森林转型过程与驱动机制等方面[6-7]。自这一概念引入中国以来[8],众多学者探讨了土地利用转型对气候[9]、生物多样性[10]、生态环境质量[11]等多方面的影响,亦有学者进行了土地利用转型对经济社会的影响研究,如土地利用转型的社会经济驱动力[12-13]、土地利用转型与经济发展之间的相互作用关系[14-15]等。纵观以往大多数学者的研究,侧重点主要在土地利用转型对社会经济或生态环境的单个方面起到了何种作用,如通过InVEST模型评估研究区生境质量[16],而对于土地利用转型过程与社会经济和生态环境耦合协调关系变化之间的联系探讨较少,因此当前研究在该领域存在一定的缺口。

基于此,笔者采用耦合协调度模型、土地利用隐性功能指数等方法,针对我国生态与经济并重的战略点——长江经济带的主要沿江城市进行研究,以厘清其30 a来社会经济与生态环境耦合协调关系的时空演变规律及其与土地利用转型过程的关系,为实现社会经济与生态环境耦合协调与区域可持续发展提供参考。

1 研究区概况

长江经济带以长三角城市群、长江中游城市群、成渝城市群为依托,以长江黄金水道为纽带,成为连接我国东中西部的重要经济走廊,以21%的国土面积聚集了全国42.9%的人口和43.8%的经济总量[29]。推动长江经济带的良性发展不仅是区域需求,更是国家战略,关注其社会经济与生态环境的协同发展极为重要。

笔者选取长江经济带内13个长江沿岸对于流域发展具有引领作用的城市作为研究区,这些城市在各自区段内行政边界相连,经济发展状况总体较好,但也存在内部差异,包括上游城市宜宾、泸州、重庆,中游城市宜昌、荆州、武汉、黄冈、九江,下游城市南京、扬州、泰州、南通、上海。在每一区段内选择数个发展各异的代表性城市,对其土地利用转型特征及生态环境与社会经济耦合协调状况进行深入分析,大体可反映出不同区段整体上的变化趋势以及长江沿岸城市的发展状况,研究区具体范围如图1所示。

审图号:GS(2023)1115号图1 研究区范围Fig.1 Location map of the study area

2 数据来源与研究方法

2.1 研究框架

土地作为一种特殊的自然资源,既是人类生产、生活活动的主要载体,又是一种具有经济与生态等多种功能的复合型资源。土地系统通过土地利用与土地覆被分别对应社会经济系统、生态环境系统[30]。因此在土地利用转型过程当中,区域经济社会发展状况与生态环境质量均会因土地利用类型与功能的变化而受到影响。除不同土地利用类型空间与数量上的变化外,土地利用隐性功能也随着土地利用方式的变化而变化,同时社会经济系统与生态环境系统耦合协调关系也随着新的土地利用形式所对应的经济与生态效益发生变化。对于区域发展来说,厘清土地利用转型与社会经济、生态环境之间的关系,达到土地利用形式、社会经济发展、生态环境质量的良好状态对于实现可持续发展至关重要。

首先采用地类占比分析、土地利用隐性功能指数对研究区30 a来土地利用显性形态与隐性功能转型进行了测度,从数量-功能角度反映土地利用转型强度;其次通过构建社会经济系统与生态环境系统评价指标体系与耦合协调度模型对两者耦合协调关系变化进行了研究,再通过对不同城市土地利用显性形态变化、隐性功能指数变化与耦合协调度变化趋势的对比总结土地利用转型对社会经济-生态环境耦合协调关系的影响;最后对两者间的驱动效应进行了讨论,并针对不同类型城市提出相应的发展建议,具体研究框架如图2所示。

图2 研究框架Fig.2 The framework of the study

2.2 数据来源

土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心1990、2000、2010和2020年30 m分辨率全国土地利用栅格数据,综合考量研究所涉及的时间与空间尺度,利用ArcGIS 10.2软件将土地利用类型重分类为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地6类,得到研究区1990—2020年土地利用情景(图3)。社会经济数据主要参考各城市1990—2020年《统计年鉴》《中国城市统计年鉴》《中国环境统计年鉴》《长江年鉴》以及各城市国民经济和社会发展统计公报。

审图号:GS(2023)1115号图3 1990—2020年研究区土地利用分布Fig.3 Land use distribution in study area from 1990 to 2020

2.3 研究方法

2.3.1社会经济与生态环境评价指标选取

社会经济-生态环境耦合系统是一个复杂系统,其协调发展程度的好坏是由生态环境系统与社会经济系统2个方面共同决定的,社会经济系统又包含反映经济功能和社会功能的2个层面,因此从经济功能、社会功能以及生态功能3个层面共25个指标进行综合探讨,现状指标与变化指标的结合可以更加真实地反映城市发展的实际状态(表1)。

表1 研究区社会经济与生态环境评价指标体系Table 1 Evaluation indicator system of socio-economic and ecological environment

经济功能从地区经济发展现状、当年获得的经济发展潜力以及地区产业结构占比3个方面进行表达,可较为全面地反映城市经济发展的优劣;社会功能则主要从社会消费与投资增长情况、居民收入水平变化等方面反映城市居民生活水平和社会发展潜力;生态功能对环境污染程度、生态治理力度、生态环境现状等方面进行量化,反映城市生态环境系统的优良程度。笔者认为第一产业产值占比高表示当地经济发展水平较差,因此在社会经济系统中为负向指标,而年末人均耕地面积多可反映一个地区农业生产用地有较多保留,在生态环境系统中为正向指标。为消除因研究区域面积和人口差异引起的误差,所选指标均为相对指标或均量指标。

在指标选取过程中,为减少主观因素对指标权重的干扰,采用熵值法对各项指标进行赋权,得到各项指标权重,如表1所示。

对原始数据进行归一化处理,正向和负向指标的计算公式分别为

(1)

(2)

式(1)～(2)中,xij为第i个城市第j项指标归一化之后的值(i=1,2,3…n;j=1,2,3…m);x为某项指标值;xmax和xmin分别为全部研究区某项指标的最大值和最小值。

计算第j项指标下第i个城市所占该指标的比重(Pij):

(3)

计算第j项指标的熵值(ej):

(4)

式(4)中,k=1/lnn,且k>0,满足ej≥0。

计算信息熵冗余度(dj):

dj=1-ej。

(5)

计算各项指标的权值(wj):

(6)

2.3.2土地利用隐性功能指数

基于土地利用隐性形态内涵,参照文献[32],从经济功能、社会功能、生态功能3个层面构建指标体系,反映土地利用隐性形态转型。单位生态系统服务价值耗地表示土地利用方式所产生的单位生态系统服务价值需要消耗的土地面积(表2)。

表2 土地利用隐性功能评价指标体系Table 2 Evaluation indicator system of the recessive land use morphology

(7)

式(7)中,L为土地利用隐性形态指数;ui′为第i项指标的标准化值;wi为第i项指标的权重,由上述熵值法得出。

2.3.3耦合协调度模型

耦合最初是一个物理学概念,用来表示2个或2个以上系统通过内部要素相互影响的程度,后被广泛应用于农业、经济、环境等多个领域。为了表示社会经济系统与生态环境系统的协调发展程度,参照文献[33]构建耦合协调度模型。

第1步,建立社会经济与生态环境耦合模型,计算耦合度(C)。

(8)

式(8)中,S1为社会经济系统综合得分;S2为生态环境系统综合得分;耦合度C的取值范围为[0,1]。

第2步,耦合度仅表示2个系统之间内部要素的相互作用程度,并不能体现协调状况的好坏,故引入耦合协调度模型。

(9)

式(9)中,D为耦合协调度;T为系统综合得分,计算公式为

T=αS1+βS2。

(10)

式(10)中,α和β为待定系数,α+β=1,由于经济发展与生态环境同等重要,令α=β=0.5,并根据耦合协调度进行分级(表3)。

表3 耦合协调等级划分标准Table 3 Standard for coupling coordination level

3 结果与分析

3.1 土地利用转型特征

3.1.1土地利用显性形态转型特征

利用ArcGIS 10.2软件对各城市进行地类面积统计。根据图3可知,同一区段内的城市用地类型变化较为相似,因此按照上、中、下游分区,计算各地类在不同区段中所占比例(表4)。上游城市与中游城市均以耕地、林地为主,且上游耕地比例略多于中游,林地比例略少于中游,草地所占比例为全流域最高,呈较为明显的下降趋势,建设用地增长较为明显,但所占比例为全流域最低;中游水域比例较高但逐年降低,耕地则至2020年之前呈缓慢上升态势;长江流域下游多为平原、丘陵,耕地占比远大于中上游,林地、草地比例为整个流域最低,与中上游差距亦十分明显,但水域与建设用地比例为全流域最高,且建设用地比例增幅最大,耕地比例以较快的速度下降,至2020年建设用地占比已高于20%,耕地占比降幅超过10%,显示出明显的耕地侵占现象。

表4 1990—2020年研究区各地类占比Table 4 Percentage of each land use type in the study area from 1990 to 2020

3.1.2土地利用隐性功能指数变化

1990—2020年研究区土地利用隐性功能指数如图4所示。平均值呈先下降后上升的趋势,1990年平均值最高,2020年处于次高值。各年间土地利用隐性功能指数平均值均为下游最高,中游次之,上游最低,与实际发展状况相符合。

审图号:GS(2023)1115号图4 土地利用隐性功能指数Fig.4 The recessive function index of land use

30 a来,大部分城市土地利用隐性功能指数呈“U”字型变化,武汉呈持续升高态势,荆州则为持续降低态势,但下降趋势逐渐变缓。研究期内处于次低值区间[0.2～0.4)的城市由2个上升为4个,处于中值区间[0.4～0.6)的城市由10个降低为7个,仅有上海始终处于次高值区间[0.6～0.8),该现象与上海强大的经济实力密切相关,且武汉在2020年达到次高值。1990年各地区工业化程度普遍较低,污染物排放量较少,城镇化率较低,农田、林地保有量大,生态系统服务价值较高,生态效应和环境效应较好,土地利用隐性功能指数较高;2000—2010年我国处于城镇化快速发展时期,随着建设用地扩张和工业发展,生态环境承受巨大的压力,致使土地利用隐性功能指数呈下降趋势;随着生态文明发展战略的提出,强调经济发展的同时更加注重生态环境保护,城市产业结构也发生了较大变化,因此2010—2020年土地利用隐性功能指数又普遍回升。根据对研究区土地利用显性形态和隐性功能变化的分析可以看出,该区域土地利用转型明显,不同区段发生转型的强度和方向有所差异,为后续研究提供了支撑依据。

3.2 社会经济-生态环境耦合协调分析

3.2.1社会经济-生态环境耦合协调变化特征

为深入研究长江沿岸城市在过去30 a中社会经济与生态环境的耦合协调状态,根据上述耦合协调度模型及耦合协调水平分级标准,得到各城市社会经济-生态环境耦合协调状况(表5),利用ArcMap 10.2软件进行空间可视化表达(图5)。

表5 社会经济-生态环境耦合协调状况Table 5 The condition of coupling coordination of socio-economic and ecological environment

审图号:GS(2023)1115号图5 社会经济-生态环境耦合协调状况Fig.5 The condition of coupling coordination of socio-economic and ecological environment

研究区耦合协调程度整体呈上升趋势,但具体到各个城市之间则有较大不同。1990年大部分城市均处于濒临失调与轻度失调状态,仅有上海达到勉强协调,此时国内处于改革开放初期,经济发展较为缓慢,上海作为沿海经济特区,较其他地区经济发展水平更高,产业结构更加合理,耦合协调程度更高。同时,上中下游区段平均耦合协调度表现为下游最高,上游次之,中游最低;2000年上下游城市耦合协调等级整体上升,但中游城市除武汉略有上升外,均呈下降趋势,荆州、九江由濒临失调降为轻度失调,黄冈更是由轻度失调变为中度失调,该时期黄冈第二产业产值占比超过45%,且工业水平不高,多为污染严重的重工业类型,又侵占了部分农业用地,对生态环境造成了严重破坏;2010年,随着经济发展,研究区大部分城市社会经济与生态环境的耦合协调程度有所提高,但上海表现为由初级协调下降到濒临失调。和2000年相比,2010年上海市常住人口大幅增长,对资源的需求和消耗能力随之大幅提高,环境污染和生态破坏程度加剧;2020年,随着科技水平的进步与国家生态文明建设战略的提出,各地区经济与生态条件理论上应该有较大提升,但由于受到疫情影响,经济向好发展的趋势减弱,尤其是对以武汉为中心的中游城市影响最为严重,经济发展失去活力。对于旅游业较为发达、第三产业产值占比较高的城市,在当年社会环境下经济发展速度减缓,导致耦合协调等级整体呈下降趋势。

3.2.2社会经济-生态环境失调原因识别

社会经济发展与生态环境不协调时可分为2种情况,经济发展滞后或生态环境状况跟不上经济,判断两者的发展情况可更好地认清区域内实际存在的问题,从而更有针对性地进行调整。通过式(10)对失调地区生态环境系统和社会经济系统综合得分进行对比(表6),可在一定程度上说明区域问题更多聚焦于何处。研究发现,经济发展程度越高的地区两系统间综合得分差距变大的趋势越为明显,且上游城市在1990年均为经济发展滞后于生态环境,这些城市农业用地比例较多,而引领经济发展的建设用地数量较少,且随着时间的推移,上游城市社会经济系统综合得分逐渐赶超生态环境系统,至2020年已变为生态环境落后于经济发展;中游城市除武汉外,其他城市发展状况均与上游城市一致,但系统综合得分差距更小,武汉作为省会城市发展程度明显高于其他城市,表现为与下游城市一致的发展趋势,即生态环境系统得分滞后于社会经济;下游城市整体均表现为社会经济较多超前于生态环境,且随着经济发展,建设用地比例不断扩大,两系统间的综合得分差距也不断加大,由相对平衡逐渐变为差异明显,尤其是上海与南京,由于其强大的经济实力以及经济发展过程中对具有生态功能的用地类型的侵占,系统综合得分差距由较小升至较大,不平衡现象愈发明显。根据研究结果,城市发展过程中社会经济系统与生态环境系统综合得分的变化趋势应该分为3个阶段:经济发展落后于生态环境、系统得分趋于平衡、生态环境滞后于经济发展。若想实现区域的可持续发展,就要针对处于不同发展阶段的城市采取不同的措施,如对于刚刚实现经济系统得分反超的中上游城市,要提前制定好经济发展的合理规划,不以过度牺牲环境为代价,提前做好预防措施;对于社会经济系统综合得分过于超前的下游城市,应该提高环境保护投资比例,利用经济优势进行产业革新与技术升级,避免该趋势进一步加大。

表6 社会经济系统与生态环境系统综合得分Table 6 Comprehensive score of socio-economic system and eco-environmental system

3.3 社会经济-生态环境耦合协调度变化与土地利用转型的关系

从土地利用显性形态转型与社会经济-生态环境耦合协调度研究结果来看,大多数城市的耦合协调度在研究初期与耕地、林草地、水域这类包含生态功能的用地类型占比呈正相关,而与经济功能为主的建设用地占比呈负相关。随着城市的发展,在研究期后半段建设用地占比仍在不断增长,但耦合协调度逐渐回升,且经济越发达的城市回升时间点越早,说明在该时期内新增的建设用地在经济发展上效益提高的同时降低了对于生态环境的污染,即经济结构发生了转型。但荆州与上海较为特殊,前者因农业产值占比较高,缺乏高附加值的工业体系,建设用地增长的同时经济发展却较为缓慢,耦合协调度持续降低;上海则是由于建设用地增长与耕地缩减均过于迅速,对生态环境造成的损失并不能被迅速发展的经济弥补。两市耦合协调度虽持续降低,但降低趋势均在减小,即回升折点较为滞后。

从土地利用隐性功能指数与耦合协调度的研究结果来看,将两者的变化趋势进行对比,亦会呈现出较为明显的线性相关关系,如图6所示。长江沿岸城市在研究期间内大体可分为5种类型:①正相关型(同增同减)、②负相关型(一增一减)、③正-负相关型(先同后异)、④负-正相关型(先异后同)、⑤无序型(规律不稳定)。其中①型城市有重庆、黄冈和九江,②型城市有扬州,③型城市有宜昌、武汉,④型城市有宜宾、南京、泰州、南通、上海,⑤型城市为泸州和荆州。研究区内整体平均值表现为④型,从分区上来看,上游为⑤型,中游为③型,下游为④型。其中④型城市最多,且④型城市中以下游城市居多,与研究区整体趋势一致,基本表现为土地利用隐性功能指数呈先下降趋势,同时耦合协调度呈上升趋势,最后过渡到两者同时上升的趋势。研究初期工业发展所产生的经济效益不能对所造成的环境污染与生态破坏进行完全弥补,直至产业结构发生转型,经济与生态同步向好时,两者才能同时提高;中游城市平均值与武汉变化情况类似,说明该区段以武汉为中心,辐射带动周边地区,符合实际情况,亦说明区段发展情况受到大城市的影响作用最强;上游各个城市所处类型各不相同,整体亦处于无序型状态,说明上游城市之间发展不平衡,各城市所处的发展阶段不同,应该进一步发挥处于①型的重庆的带动作用,加强城市之间的联系,促进区域协调发展。

图6 社会经济-生态环境耦合协调度与土地利用隐性型态指数变化趋势Fig.6 The change trend of the degree of coupling coordination and recessive function index of land use of socio-economic-ecological environment

4 讨论

土地利用转型过程中引起的土地利用/覆被变化以及土地利用功能的转变均在一定程度上影响着当地生态环境与经济发展方式的变化,同时土地利用转型受到人类生产生活需求的影响,而社会经济与生态环境的变化又反过来影响着人类的生产生活活动,构成人类活动-土地利用转型-耦合协调关系变化三方面要素的循环,如图7所示。由此可知,对社会经济与生态环境耦合协调状况的研究不仅是了解区域发展状态优劣的关键手段,亦能通过该研究锁定区域实现可持续发展面临的主要问题。两者耦合协调度较低,说明此时区域经济与生态现状处于不平衡状态,可利用该研究提出针对性的解决方案,实现人类活动促发展,发展成果益人民的生态与经济的双赢局面。在研究期第1时段,经济发展较为平缓,产业发展也较为薄弱,同时从事农业劳动人数较多,土地利用形式和功能变化较小,生态环境更加稳定,但经济发展较为滞后,两者耦合协调度较低;第2时段内,为了追求更高的经济收益,进行产业变革,从事农业劳动人数减少,城市化进程明显加快,土地利用方式和功能发生了较大的变化,经济高速发展的同时致使生态环境承受了的较大的压力,但随着严守耕地红线等措施的提出,这一趋势有所减缓,两者耦合协调度相对第1时期有所提升;第3时段内,随着科学技术的高速发展、国家生态文明建设战略的提出、人们环保意识的加强和对生活环境要求的提高,越来越多的高新科技企业出现,工业污染也大大降低。虽然建设用地扩张依旧迅猛,但对于生态用地的恢复也在同步进行,土地利用方式变得更为集约,附加值更高,生态环境和社会经济同步向好,两者耦合协调度较高。由此可知,土地利用转型起源于人类活动又最终作用于人类本身,由此在转型过程中注重生态环境和经济的同步发展显得尤为重要。在其他尺度的研究中,刘鹏凌等[34]针对全国经济与环境的协调可持续发展提出了合理规划布局、突破薄弱环节、政企建立合作等建议;张青峰等[35]则通过对黄土高原经济与生态环境系统耦合规律的深入认识提出了适合当地县域发展的经济模式。因此长江经济带日后的发展应关注到自身经济定位的特殊性以及生态环境敏感度高的特点,结合其他地区发展经验,加强对水资源以及生物多样性的保护,合理利用区域资源,打造产业优化、布局合理、生态健康、环境优美的发展道路,加强流域前后两端的联系,构建全方位开放型经济新格局,以转型促发展,带动流域整体朝着更为和谐和可持续的方向迈进。

图7 人类活动-土地利用转型-耦合协调关系变化驱动机制及响应Fig.7 The driving mechanism and response of human activities-land use transition-coupling coordination degree change

除了提高人类生活环境质量外,两者的协调发展还可为区域节约治理生态环境问题的成本,对于任何大范围地区来说,该方面人力物力投资消耗都十分巨大。如彭苏萍等[36]认为治理黄河流域煤矿区因煤炭开采而造成的水土流失、植被退化等问题需开发新的生态环境修复关键技术;冯兆忠等[37]提出应对永定河流域的水资源、沙土、气候等问题除以植被建设为根本思路外,还要与社会、人文、经济各方面相结合,增强人为意识;罗小勇等[38]针对长江流域水生态环境修复提出了四大问题与五大对策。以上研究均表明生态环境修复是一个耗时费力的长期工程,要从源头杜绝该问题就不应走先污染后治理的老路。若经济发展过程中对生态环境的污染和破坏未过多超出其自我修复和承载能力,则生态环境治理成本将大幅降低,同时可用于社会发展建设的资源相应增多,再次说明了社会经济和生态环境保持协调的重要性。

此外,该研究依然存在一定的不足之处,如各区段所选择的样本数量不够丰富,在反映该区段的整体情况上可能会有一定的偏差,对于统计年鉴空缺数据的推算和模拟也可能存在误差。在日后研究中应该充实样本城市的选取量,如选取长江经济带三大城市群作为研究对象,以更加真实和全面地反映区域发展状况。

5 结论

该研究通过对1990—2020年长江经济带沿江城市社会经济-生态环境耦合协调演变规律的分析,厘清了其与土地利用转型过程之间的联系,对研究区城市社会经济和生态环境的协调发展提出了相应的建议,具体结论如下:

(1)长江沿岸城市表现出较为明显的土地利用转型趋势,同一区段城市的显性形态转型特征较为类似,且下游变化最为明显,主要表现为耕地占比缩减和建设用地占比猛增;土地利用隐性功能指数则呈整体先下降后上升的“U”型趋势,且1990年平均值最高,武汉在2020年达到次高值,只有上海始终处于次高值区间。

(2)长江沿岸城市耦合协调程度呈整体上升趋势,处于失调状态的城市数量波动下降,2020年以武汉为中心的中游城市失调较为严重,与疫情冲击了区域经济发展活力有密切联系。失调城市中大多城市表现为经济发展滞后于生态环境状况,下游城市则相反。

(3) 研究初期耦合协调度与具有生态功能的地类占比呈正相关,与经济功能为主的地类占比呈负相关;根据土地利用隐性功能指数与耦合协调度的增减情况可将城市分为5种类型,处于负-正相关型的城市数量最多,且以下游城市为主,与研究区整体类型一致,各区段类型则主要受到区段内经济较为发达城市的主导。

(4)土地利用格局和功能的改变与社会经济发展、生态环境变化以及人类生产生活活动相互促进,研究区城市要善于利用自身优势,扬长避短,通过调整产业结构、优化土地利用格局、关注生态环境问题、增强区域内的联系等手段不断促使社会经济和生态环境朝着协调可持续方向发展。