基于遥感生态指数的土地利用程度与环境质量协调发展研究——以浙江省为例

朱悦，徐志红，蒋晓敏，张嫣然，王建锋，王善华，陈昱蓉，张丰*

（1.浙江大学 地球科学学院，浙江 杭州 310027；2.浙江省自然资源调查登记中心，浙江 杭州 310012；3.杭州中房信息科技有限公司，浙江 杭州 310014）

土地利用与生态环境之间存在复杂的、非线性的动态耦合关系［1］。土地开发利用应充分考虑生态环境的承载能力［2］，生态文明建设亦需适度结合当前土地利用结构，两者之间的协调发展程度是衡量区域可持续发展的重要标准。因此，定量评价土地利用程度与生态环境质量之间的耦合关系，有助于发现潜在的土地利用生态环境问题［3］，为制定土地利用规划、优化土地利用模式、促进人与自然的和谐发展提供重要依据［4］。

近年来，许多学者在土地利用程度与生态环境质量协调发展评价方面进行了深入研究［5-7］，先针对土地利用程度与生态环境质量2 个子系统分别构建指标体系进行评价，再结合耦合度计算模型进行协调度评价［8］：选取土地利用投入、效益、土地承载力等层面指标评价土地利用程度［9］；选取生态环境压力、生态涵养能力、环境治理能力［10］、低碳环境［11］等层面指标评价生态环境质量；用主成分分析［12］、熵值法［13］计算指标权重；用耦合度［14］、耦合协调度［15］等评价土地利用程度与生态环境质量协调状况。

现有土地利用程度与生态环境质量协调发展研究，在生态环境质量子系统中选取的指标更倾向于环保投资力度与环境治理强度，这些指标受城市发展与政策导向等因素的影响，更多表现为环保重视程度及可持续发展素养，并不能直观反映区域生态环境质量。2006 年，我国生态环境部通过了《生态环境状况评价技术规范（试行）》，给出了生态环境状况指数（ecological index，EI）的计算方法［16］，由于该方法主要依赖土地利用分类和统计数据，在数据收集上存在一定难度。文献［17-19］基于遥感影像改进了EI 的计算方法，借助主成分分析法结合绿度、干度、湿度、热度4 个指标创建了完全基于遥感影像的遥感生态指数（remote sensing ecological index，RSEI），证实了RSEI 与EI 存在较好的一致性。RSEI 使得生态质量快速评价更容易实现，受到了许多学者的青睐。本文将RSEI 应用于土地利用程度与生态环境质量协调研究，力求探索区域土地利用程度与实际生态环境质量之间的耦合关系。

已有的对浙江省土地利用程度与生态协调性的评价［20-21］，数据大多来自统计年鉴，结构单一，数据丰度、广度不足。基于此，本文将结合遥感数据、浙江省城镇地籍数据进行土地利用程度与生态环境质量协调性定量化研究，对2008，2013，2018 年浙江省县域土地利用程度及生态环境质量进行分系统评价并研究其耦合协调状况，探究二者时空变化的协调关系，为不同发展状况的区县提供针对性建议。

1 研究区概况

浙江省地处我国东南沿海长江三角洲南翼，地势由西南向东北倾斜，地形复杂［22］。截至2018 年，浙江省共辖11 个地级市，89 个区县，各区县经济发展水平差异较大。沿海地区人口密集、经济发展较快，同时对生态环境造成一定负面影响。内陆地区（如衢州市、丽水市）由于地势等原因未进行过多开发，生态环境状态保持良好［23］。因此，以浙江省为案例地探索土地利用程度与生态环境质量的时空演变特征具有典型意义。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

为定量评价土地利用程度与生态环境质量的协调关系，在统计数据的基础上，加入了调查数据与观测数据，这些数据主要来源于2009—2019 年《浙江省统计年鉴》（以下简称统计年鉴）、浙江省城镇地籍数据及基于谷歌地球引擎（Google earth engine，GEE）平台下载的Landsat 遥感影像数据。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用程度评价模型

遵循整体性、科学性、层次性、可行性等原则构建指标体系［1］，同时参考相关研究［9-10，24］，从土地开发利用的内涵出发，选择影响土地利用程度的主要因素：土地利用投入、土地利用结构、土地承载力及土地利用效益，综合考虑生产要素投入、产业布局、城镇扩张、基础设施建设、人口/就业人口承载力、生产要素产出等因素构建土地利用程度评价两级指标体系，如表1 所示。其中在城镇地籍数据中补充了统计年鉴中缺失的土地利用结构信息。

表1 土地利用程度评价指标体系及数据来源Table 1 Evaluation index system and data source of land use degree

对各评价指标进行标准化处理后，用熵值法确定指标权重，通过评价指标的内在信息确定其效用值，从而在一定程度上避免了主观偏差［25］。将标准化后的指标值乘以权重，累加得到土地利用程度指数。

2.2.2 基于遥感生态指数的生态环境质量评价

将2008，2013 年Landsat 7 影像数据及2018 年Landsat 8 影像数据作为数据源。针对3 a 的影像，通过PIXEL_QA 字段进行去云处理与质量筛选，选取可用图像的平均值进行后续分析。综合考虑植被生长状态、土壤湿度、土壤干化程度、建筑用地状况、地表温度等，选取绿度、湿度、热度、干度4 个指标因子构建RSEI，评价生态环境状况。选用归一化植被指数（NDVI）表征绿度指标；选用广泛应用于生态监测的缨帽变换湿度分量衡量地表植被、土壤湿度（WET）指标；选取地表温度（LST）表征热度指标；结合建筑指数（IBI）与裸土指数（SI），生成干度指标（NDBSI）［26］。

对标准化后的NDVI、WET、LST、NDBSI 指标进行主成分分析，选用第一主成分（PC1）构建RSEI［27］。根据研究范围尺度，在充分保留空间异质性的前提下，以500 m×500 m 的格网进行采样求得区县各指标的平均值［28］，得到区县总体生态环境质量指数：

2.2.3 耦合协调度评价指数

分别选取土地利用程度指数F(x)和生态环境质量指数G(y)作为土地利用程度与生态环境质量的定量评价指标。土地利用程度与生态环境质量的耦合度计算式为

其中，C 为耦合度，0≤C≤1，如果C 较大，则表示土地利用程度与生态环境质量之间耦合状况良好。但耦合度只能反映双方相互不分利弊作用的程度强弱，为能更深层次地反映土地利用程度与生态环境质量的相互作用与综合效益，构建了用于定量描述协调发展状况的耦合协调度，并以此作为土地利用程度与生态环境质量耦合状况的评价依据［29］。土地利用程度与生态环境质量的耦合协调度计算式为

其中，D 为耦合协调度，D 越大，表明土地利用程度与生态环境质量越协调；T 为土地利用程度与生态环境质量的综合调和指数，反映土地利用程度与生态环境质量的整体协同效应或贡献；a，b 为待定系数，由于土地利用程度与生态环境质量同等重要，故取a=b=0.5。

3 结果与分析

由于研究时间跨度较大，其间浙江省行政区划多次调整，计算单元均以2018 年行政区划为准。下文中的耦合协调度均指土地利用程度与生态环境质量之间的耦合协调度。

为体现时空差异，将土地利用程度和生态环境质量均分为低、较低、一般、较高、高5 个等级，分级标准见表2。

表2 土地利用程度与生态环境质量分级标准Table 2 Classification standards of land use degree and ecological environment quality

3.1 土地利用程度综合评价结果

2008，2013，2018 年浙江省土地利用程度空间分布如图1 所示。由图1（a）可知，2008 年浙江省土地利用程度呈东高西低、北高南低的空间分布状态，沿海区县土地利用程度高于内陆区县。土地利用程度较高的区县主要分布在杭州市和宁波市。温州市、嘉兴市、绍兴市、金华市所辖区县土地利用程度不均，涵盖低、较低、一般3 个等级。湖州市、舟山市、台州市、丽水市所辖区县土地利用程度均为低和较低等级。衢州市所辖区县土地利用程度均为低等级。2008 年浙江省各区县土地利用程度差异较大，这与各区县的经济水平、人口分布状况等有关。

图1 2008，2013，2018 年浙江省各区县土地利用程度空间分布Fig.1 Spatial distribution of land use degree in Zhejiang province in 2008，2013 and 2018

由图1（b）可知，2013 年浙江省土地利用程度总体仍呈东高西低、北高南低的空间分布状态。土地利用程度较高的区县主要分布在杭州市、宁波市、温州市。嘉兴市所辖区县发展较为均衡，土地利用程度均为一般和较低等级。湖州市、绍兴市、金华市、台州市所辖区县土地利用程度不均，涵盖低、较低、一般3 个等级。衢州市、舟山市、丽水市所辖区县土地利用程度均为低和较低等级。相较2008 年，2013 年浙江省土地利用程度总体有一定的提升，浙中地区有一定提高。其中宁波市、嘉兴市、台州市所辖区县土地利用程度提升较明显。

由图1（c）可知，2018 年浙江省土地利用程度依旧呈北高南低的空间分布状态，东高西低的趋势越发显著。土地利用程度较高的区县主要分布在杭州市、宁波市、温州市、嘉兴市和绍兴市。湖州市、舟山市所辖区县相较2013 年有较大提升。金华市、台州市、衢州市、丽水市所辖区县土地利用程度与2013年水平相当。

10 a 间，各区县土地利用程度均有所提升。2008—2013 年，土地利用程度处于一般及以上水平的区县发展较快，2013—2018 年，土地利用程度处于较低及以下水平的区县发展较明显，体现了浙江省在实现共同富裕道路上取得了一定成果。

3.2 生态环境质量综合评价结果

2008，2013，2018 年浙江省各区县生态环境质量分布见图2。由图2（a）可知，2008 年生态环境质量空间分布与土地利用程度呈相反态势，这也印证了城市发展会带来一定的生态环境问题，降低生态环境质量。在89 个区县中，6 个区县的生态环境质量为低等级，12 个区县为较低等级，22 个区县为一般等级，41个区县为较高等级，8 个区县为高等级。生态环境质量为低和较低等级的区县主要分布在杭州市、宁波市、温州市、嘉兴市、舟山市和台州市。湖州市、绍兴市、金华市所辖区县生态环境质量均为一般等级以上。衢州市和丽水市所辖区县均为较高和高等级。

图2 2008，2013，2018 年浙江省各区县生态环境质量空间分布Fig.2 Spatial distribution of eco-environmental quality in Zhejiang province in 2008，2013 and 2018

由图2（b）可知，2013 年浙江省89 个区县中，4 个区县的生态环境质量等级为低等级，7 个区县为较低等级，21 个区县为一般等级，26 个区县为较高等级，31 个区县为高等级。相较于2008 年，生态环境质量低和较低的区县数有所下降，生态环境质量较高的区县数上升。西南部地区生态优势逐渐凸显，土地利用程度较高的东北部地区生态环境质量也有一定提升。

由图2（c）可知，2018 年浙江省89 个区县中，1 个区县的生态环境质量等级为低等级，10 个区县为较低等级，22 个区县为一般等级，24 个区县为较高等级，32 个区县为高等级。与2013 年相比稍有变化，但变化并不明显。

由于自然地理条件优越，浙江省生态环境质量总体保持较高水平，在政策导向下坚定不移践行“两山”理论［30］，10 a 来在生态文明建设中取得了较大成果。

3.3 耦合协调度评价结果

3.3.1 耦合协调度时空变化

参照文献［31］，将耦合协调度分为6 个等级，分级标准见表3。2008，2013，2018 年浙江省各区县耦合协调度分布见图3。由图3（a）可知，2008 年浙江省89 个区县耦合协调度计算结果呈纺锤状分布。其中，杭州市上城区、嘉兴市秀洲区2 个区县处于极度失调衰退等级，前者土地利用程度高，但生态环境质量较低。后者在土地利用程度较低的情况下生态环境质量也处于中等偏下水平。21 个区县处于中度失调衰退等级，包含丽水市67%的区县、衢州市50%的区县、绍兴市33%的区县、舟山市25%的区县、杭州市23%的区县、台州市22%的区县和金华市11%的区县。除舟山市嵊泗县的生态环境质量滞后于土地利用程度外，处于该等级的其他区县土地利用程度均滞后于生态环境质量。26 个区县处于勉强协调发展等级，包含衢州市50%的区县、金华市44%的区县、湖州市40%的区县、温州市36%的区县、绍兴市33%的区县、丽水市33%的区县、宁波市30%的区县、杭州市23%的区县和台州市22%的区县。除杭州市下城区、温州市洞头区和龙湾区的生态环境质量滞后于土地利用程度外，处于该等级的其他区县土地利用程度均滞后于生态环境质量。32 个区县处于初级协调发展等级，包括嘉兴市86%的区县、舟山市75%的区县、宁波市60%的区县、湖州市60%的区县、台州市56%的区县、金华市33%的区县、杭州市23%的区县、温州市18%的区县和绍兴市17%的区县。除杭州市江干区、宁波市海曙区的生态环境质量滞后于土地利用程度外，处于该等级的其他区县土地利用程度均滞后于生态环境质量。8 个区县处于中度协调发展等级，包含杭州市23%的区县、温州市18%的区县、绍兴市17%的区县和金华市11%的区县。除杭州市拱墅区、滨江区的生态环境质量滞后于土地利用程度外，处于该等级的其他区县土地利用程度均滞后于生态环境质量。无区县处于优良协调发展等级。总体来看，相比土地利用程度，2008 年浙江省生态环境质量处于较高水平。杭州市区、宁波市区、温州市区的土地利用程度较高，在城市化进程中对生态环境质量造成一定负面影响。

图3 2008，2013，2018 年浙江省各区县耦合协调度空间分布Fig.3 Spatial distribution of coordination degree in Zhejiang province in 2008，2013 and 2018

表3 土地利用程度与生态环境质量的耦合协调度分级标准Table 3 Classification standard of coupling coordination degree between land use degree and ecological environment quality

由图3（b）可知，2013 年浙江省89 个区县中，4 个区县的耦合协调度为极度失调衰退等级，16 个为中度失调衰退等级，19 个为勉强协调发展等级，32 个为初级协调发展等级，14 个为中度协调发展等级，4 个为优良协调发展等级。

杭州市31%的区县处于发展不平衡区间，15%的区县处于转型区间，54%的区县处于协调发展区间，杭州市城市化发展进程较其他市快，生态环境质量大致保持良好状态，超一半区县的土地利用程度与生态环境质量协调发展，个别区县（如上城区）生态环境质量严重滞后于土地利用程度。

宁波市30%的区县处于转型区间，70%的区县处于协调发展区间。温州市18%的区县处于发展不平衡区间，18%的区县处于转型区间，64%的区县处于协调发展区间。宁波市、温州市的土地利用程度处于一般及以上等级，生态环境质量保持良好，大部分区县的土地利用程度与生态环境质量协调发展。

嘉兴市所有区县均处于协调发展区间。湖州市40%的区县处于转型区间，60%的区县处于协调发展区间。绍兴市33%的区县处于转型区间，67%的区县处于协调发展区间。金华市11%的区县处于发展不平衡区间，22%的区县处于转型区间，67%的区县处于协调发展区间。舟山市25%的区县处于转型区间，75%的区县处于协调发展区间。台州市11%的区县处于发展不平衡区间，33%的区县处于转型区间，56%的区县处于协调发展区间。嘉兴市、湖州市、绍兴市、金华市、舟山市、台州市的土地利用程度处于中等及一般及以下等级，生态环境质量较好，大部分区县的土地利用程度与生态环境质量协调发展。

衢州市67%的区县处于发展不平衡区间，17%的区县处于转型区间，17%的区县处于协调发展区间。丽水市89%的区县处于发展不平衡区间，11%的区县处于转型区间。衢州市、丽水市的土地利用程度处于较低水平，生态环境质量优良，大部分区县土地利用程度与生态环境质量发展不平衡。

由图3（c）可知，2018 年浙江省89 个区县中，17 个区县的耦合协调度为中度失调衰退等级，17 个为勉强协调发展等级，32 个为初级协调发展等级，20 个为中度协调发展等级，3 个为优良协调发展等级。

2008—2013 年耦合协调度转移矩阵见图4（a）。5 a 间，8 个区县的耦合协调度等级下降，53 个区县的耦合协调度等级保持不变，28 个区县的耦合协调度等级提高，浙江省在土地利用程度与生态环境质量协调发展方面取得了较大成果。

图4 2008—2013 年和2013—2018 年浙江省耦合协调度转移矩阵Fig.4 Transfer matrix of coordination degree in Zhejiang province from 2008 to 2013 and from 2013 to 2018

2013—2018 年耦合协调度转移矩阵见图4（b）。5 a 间，3 个区县的耦合协调度等级下降，67 个区县的耦合协调度等级保持不变，19 个区县的耦合协调度等级提高。在市级层面，杭州市、宁波市、温州市、湖州市、衢州市、舟山市的耦合协调度有一定提高，其中衢州市提升幅度最大。

3.3.2 耦合协调度空间自相关分析

2008，2013，2018 年浙江省各区县耦合协调度全局莫兰指数分别为0.568，0.572，0.568，均通过1%的显著性检验。表明浙江省耦合协调度具有显著的空间正相关性，存在明显的空间集聚特征，且耦合协调度的空间集聚性呈先上升后下降的变化趋势。这是由于2 个5 a 间各区县发展重点与路线不同，导致土地利用程度与生态环境质量的变化速率不同。

进一步针对浙江省各区县耦合协调度计算局部莫兰指数，得到空间集聚图（图5）。

图5 2008，2013，2018 年浙江省各区县耦合协调度空间集聚图Fig.5 Local indicators of spatial association map of coordination degree in Zhejiang province in 2008，2013 and 2018

在1%的显著性水平下，以杭州市区、宁波市区、嘉兴市区为中心向外形成高-高集聚区，区域自身与邻域耦合协调度均处于较高水平，土地利用程度与生态环境质量均处于较高水平。在城市化进程中，生态环境质量保持较高水平，且呈现城市群效应，带动周边城市发展，通过共享经济与人力实现联动发展。

高-高集聚区外围为低-高集聚区，主要是由于土地利用程度滞后于生态环境质量。低-高集聚区的区县具有较大发展潜力，可以通过周边发展较快区县带动其发展。值得注意的是，杭州市上城区位于低-高集聚区，其生态环境质量严重滞后于土地利用程度，耦合协调度较低，这是由杭州市城市发展中心的区域定位导致的。从杭州市整体城市建设看，土地利用程度与生态环境质量为协调发展。

以衢州市、丽水市为中心形成低-低集聚区，区域自身与邻域协调度均处于较低水平。结合土地利用程度与生态环境质量评价结果，这些地区尚未得到深度开发，生态环境质量保持较优水平，土地利用程度严重滞后于生态环境质量。可以借助其生态优势，选择合适的发展路线。

4 结论与讨论

4.1在空间尺度上，浙江省土地利用程度呈东高西低、北高南低的分布状态，各区县发展差距较大。在时间尺度上，浙江省各区县土地利用程度均有不同程度的提高，东高西低的趋势越发显著。

4.2浙江省由于自然地理条件优越，生态环境质量总体保持较高水平，在政策导向下坚定不移践行“两山”理论，10 a 来在生态文明建设中取得了较大成果。

4.3浙江省各区县土地利用程度与生态环境质量的耦合协调度差异较大。10 a 来土地利用程度与生态环境质量趋向协调发展：在土地利用开发的同时兼顾生态文明建设；在生态环境保持优良的同时发展旅游业，以获取经济效益，二者相辅相成，协同向好。

4.4结合土地利用程度与生态环境质量评价结果，浙江省由于自然地理条件优越，大部分区县的生态环境质量优良，影响各区县土地利用程度与生态环境质量耦合协调度的主要因素是土地利用程度。

综上，建议由土地利用程度较高的区县带动周围区县发展，对于生态环境质量滞后于土地利用程度的区县，可借鉴耦合协调度较高区县的发展经验，创新发展模式，在城市化进程中注重生态文明建设，实现绿色发展；对于尚未深度发展的区县，可借助其身生态优势，选择适合当地特色的发展路线。

本文从土地利用投入、土地利用结构、土地承载力及土地利用效益4 个层面建立了指标体系，将遥感数据引入土地利用程度与生态环境质量耦合协调度评价，在一定程度上反映了浙江省土地利用水平、生态环境状态及土地利用程度与生态环境质量的耦合关系，但由于土地利用与生态环境之间的耗散体系是开放的、动态的，因此构建一个更为全面科学的评价体系仍有一定难度。另外，本文针对土地利用程度与生态环境质量的耦合度进行了量化研究，将进一步关注二者的交互响应机制，深入剖析土地利用程度与生态环境质量的互动机理，对区域未来发展提供更具针对性的建议。