京津冀土地绿色利用与经济增长耦合协调的时空异质性研究

梁彦庆，官洋溢，黄志英，焦新颖 (.河北师范大学资源与环境科学学院，河北 石家庄 00024；2.河北省环境变化遥感识别技术创新中心，河北 石家庄 00024；3.中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐 8300；4.新疆大学资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830046；.河北地质大学土地科学与空间规划学院，河北 石家庄 0003；6.中国科学院大学，北京 00049)

中国经济的高速发展给土地生态环境造成了巨大压力，土地资源绿色利用与经济增长的合理匹配成为实现国家可持续发展的重要前提。随着城市化进程的不断加快，由土地利用引发的资源环境保护与经济发展之间的矛盾冲突愈加严峻，这与我国当前绿色、协调的发展理念不符。土地绿色利用与生产已成为生态文明建设新时期土地利用的新模式、新需求，将绿色发展理念贯彻到土地利用过程中，在土地总量有限、生态环境脆弱的前提下，通过土地绿色利用转型减少资源投入与污染排放，实现土地利用中经济、社会和环境综合效益的最优协调发展，成为继土地集约利用之后的一种土地利用新理念[1-3]。

学者们围绕土地利用与城镇化、区域一体化的耦合关系进行了相关研究，大致分为两类：一是全国、区域、城市等不同尺度下的研究。如张红凤等[4]从时点状态和时段变化的角度对我国各省份的城镇化发展和土地集约利用水平的耦合特征进行了分析；陈万旭等[5]采用空间计量经济学模型探测长江中游土地利用转型与城镇化之间的空间关系；邢颖等[6]对都匀市土地利用变化与经济增长的协调性进行了考察。二是时空效应、协调发展程度评价等不同视角下的研究。如李晓庆等[7]基于耦合协调发展度及空间自相关模型探究长江两大城市群新型城镇化与土地集约利用的协调时空分异特征；苗苗等[8]探讨长江中游城市群土地利用与社会-经济-自然系统的内在耦合协调性；张志等[9]从空间尺度分析了湖北省各城市土地集约利用程度与经济发展的耦合协调关系。上述研究大多注重解决经济、社会或环境某一方面的问题，着眼于全面考虑资源节约、环境保护、生态可持续的土地绿色利用研究较少，且土地绿色利用与经济增长的相关研究也局限于某个因素的单项研究，缺乏对两者的耦合分析，特别是对耦合协调时空异质性及其驱动因素的深入探讨较少。

京津冀城市群作为我国北方人居环境的重要保障地带，土地生态保护与经济发展等矛盾突出，基于2006、2011和2016年3期截面数据，探索土地绿色利用与经济增长耦合协调发展的时空分异规律及其影响因素，可为实现京津冀区域土地资源高效绿色利用与经济社会可持续发展提供借鉴和参考。

1 研究区域概况与数据来源

1.1 研究区域概况

京津冀地区是我国北方最重要的经济中心，地处36°01′～42°37′ N，113°04′～119°53′ E，总面积约为21.80万km2，包括北京、天津和河北3个省级行政区，辖13个城市，拥有良好的区位条件和资源禀赋，现已成为继长三角、珠三角之后的中国第三大经济增长极地区。2016年，总人口超过1亿人，地区生产总值达到74 612.6亿元，占全国的10%。然而，由于京津冀不同发展定位城市的土地利用模式、结构不同，造成区域间经济发展不平衡、土地利用效益低下、生态环境污染等问题一直比较突出。为保证京津冀协同可持续发展，亟需重点研究和解决土地资源高效绿色利用与经济发展的协调问题。

1.2 数据来源

数据来源于2007、2012和2017年的《北京统计年鉴》《天津统计年鉴》《河北统计年鉴》《中国城市统计年鉴》和各市统计公报，无法直接获取的各类地均资源投入和经济密度等指标值根据相关指标计算得到。

2 研究方法与指标体系

2.1 研究方法

2.1.1超效率SBM模型

土地绿色利用水平可采用考虑资源与环境代价的综合土地利用效率来衡量。基于非期望产出的SBM模型于2001年由TONE[10]提出，能够解决传统数据包络模型造成的投入产出变量松弛性问题，但难以进一步区分有效决策单元间的效率差异，而超效率DEA模型可实现对所有效率值大于1的决策单元(DMU)的区分，因此运用结合2种模型优势的超效率SBM模型对综合土地利用效率进行测算[10]，不仅可以恰当处理非期望产出，同时能够解决非有效单元和有效单元的排序问题。模型公式为

(1)

(2)

式(1)～(2)中，ρ为测度的土地绿色利用水平值；假设有n个DMU，每个DMU由投入m、期望产出r1和非期望产出r2构成，其投入、期望产出和非期望产出向量分别为x∈Rm、yd∈Rr1、yu∈Rr2；λj为约束条件。

2.1.2标准差椭圆法

标准差椭圆法最早由Lefever提出，通过重心、长半轴、短半轴、方位角等构成要素能够揭示土地绿色利用与经济增长的空间分布特征。其中，重心表示区域要素空间分布的相对位置，长短轴之比用来描述要素空间分布形态，方位角表示空间分布的主趋势方向[11]。平均中心坐标、x轴标准差、y轴标准差计算公式分别为

(3)

(4)

(5)

(6)

2.1.3耦合协调度模型

耦合协调度模型用来描述系统之间相互作用、相互影响的关联性[12-13]，可将土地绿色利用和经济增长2个系统相互作用、协调发展的程度定义为土地绿色利用-经济增长系统耦合协调度。表达式为

(7)

(8)

(9)

T=αU1+βU2，

(10)

(11)

式(7)～(11)中，U1和U2分别为土地绿色利用系统和经济增长系统的综合得分值；pi和qi为对应指标权重；xi和yi分别为各指标对应的标准化值；m和n分别为2个系统指标总数；C为系统之间的耦合度；T为系统之间的综合调和指数；α、β为待定系数，反映2个子系统对总系统贡献的重要程度，参照文献[14]，取α=β=1/2。

采用均匀分布函数法[15-16]，将京津冀土地绿色利用-经济增长耦合协调度(D)划分为如下等级：0～0.19、>0.19～0.29、>0.29～0.39、>0.39～0.49分别表示严重、中度、轻度与濒临失调；>0.49～0.59、>0.59～0.69、>0.69～0.79、>0.79～0.89、>0.89～1.00分别表示勉强、初级、中级、良好与优质协调。

2.1.4地理探测器

地理探测器是识别地理事物空间分异性及其驱动力的统计学方法[17]，用于检验影响因素与地理事物的变化在空间上是否具有显著一致性。其中因子探测器用来探测京津冀土地绿色利用与经济增长耦合协调的空间分异性以及影响因素对其的解释力，大小用q值来衡量，表达式为

(12)

式(12)中，h为变量Y或者X的分层；Nh和N分别为h层和全区的单元数；σh2和σ2分别为h层和全区Y值的方差。q的取值在[0,1]之间，数值越大，说明影响因子对土地绿色利用与经济增长耦合协调的影响越大。

交互探测器(P)用来识别影响因子两两共同作用时是否会增加或减弱对土地绿色利用与经济增长耦合协调的解释力。P(x1∩x2)max[P(x1),P(x2)]，代表因子x1与x2交互后双线性加强；P(x1∩x2)>P(x1)+P(x2)，代表因子x1与x2交互后非线性加强；P(x1∩x2)=P(x1)+P(x2)，代表因子x1与x2相互独立。

2.2 指标体系构建

土地绿色利用是在一定约束条件下实现多目标并同时达到最优水平的土地利用方式组合，不仅需要增加土地资源的产出强度，还要考虑在节能减排约束条件下，降低污染物排放水平，从而实现土地资源的绿色可持续利用，因此在指标选择上立足于土地利用过程中生态水平的提升能力，重点关注减少资源消耗和污染排放2个方面[18]。经济增长是实现经济可持续发展的关键，大部分学者认为从经济增长的有效性、稳定性、持续性、创新性、分享性等方面能较好地反映经济增长内涵，因此在指标选择上主要关注经济增长结构性、稳定性、福利性等方面[19]。基于土地绿色利用和经济增长的内涵，对黄鑫等[20]、梁流涛等[2]学者研究中使用频率较高的指标进行统计，并结合京津冀发展实际以及数据可获取性、连续性等因素，构建京津冀土地绿色利用与经济增长评价指标体系(表1)。其中土地绿色利用由资源投入、污染排放(非期望产出)、经济产出(期望产出)3个一级指标，8个二级指标构成；经济增长由经济发展、国内外贸易和经济增长效益3个一级指标，8个二级指标构成。为减少人为因素对权重的影响，土地绿色利用和经济增长各指标权重采用熵值法确定，权重越小表明评价指标变异系数越小，提供的有效信息越少(表1)。

表1 京津冀土地绿色利用与经济增长评价指标体系

3 结果与分析

3.1 土地绿色利用与经济增长的时空分布特征

运用DEA-Solver Pro5软件，选择规模报酬不变情况下考虑非期望产出的超效率SBM模型，对京津冀13市2006—2016年的土地绿色利用水平值进行测算(图1)。结果显示，2006—2016年，京津冀土地绿色利用水平均值从高到低依次为北京、承德、沧州、保定、张家口、天津、唐山、石家庄、邯郸、衡水、廊坊、邢台和秦皇岛，大致呈西高东低、北高南低的分布格局。不同城市间的土地绿色利用水平差别较大，北京、承德、沧州、保定的土地绿色利用水平均值分别为2.67、1.44、1.48、1.09，高于城市群0.91的平均水平，表明这些城市土地绿色利用水平较高效，其中北京作为京津冀城市群的核心城市，一直强调低消耗、低污染、高效益的集约型经济增长模式，注重对土地的健康有序利用；承德、沧州、保定近年加强工业转型和产业结构调整，发展环境友好型工业，对提高土地绿色利用水平均起到了积极作用；其余城市由于产业耗能相对较高，工业污染物排放量相对较大，土地绿色利用水平均值普遍偏低，仅张家口略高于城市群平均水平，达到0.95，秦皇岛最低，仅为0.28。

图1 2006—2016年土地绿色利用水平平均值变化

运用多因素综合评价法测算得到京津冀13市2006—2016年的经济增长水平值，根据其值对经济增长动态变化进行分析。由图2可知，2006—2016年京津冀经济增长水平均值存在显著的区域非均衡发展特征，在空间上呈现东高西低的分布格局。其中北京、天津的经济增长水平均处于区域领先地位，经济增长水平均值分别为0.90和0.64，高于区域平均水平；唐山、石家庄、秦皇岛、廊坊等地次之；而衡水为生态休闲旅游型城市，均值最低，仅为0.03。总体来看，除天津外，其余各市经济增长综合水平总体呈下降趋势。分阶段来看，2006—2011年呈下降趋势的有北京、石家庄、唐山、廊坊、邢台和衡水6市，其余7市均呈上升趋势；2011—2016年呈下降趋势的有承德、张家口、邢台、唐山、保定、邯郸，其余7市呈上升趋势。

图2 2006—2016年经济增长水平变化

土地绿色利用与经济增长标准差椭圆的参数变化见表2，空间分布见图3。

表2 土地绿色利用与经济增长的标准差椭圆参数变化

2006—2016年京津冀地区土地绿色利用标准差椭圆整体呈北(偏东)—南(偏西)的分布格局，但在2个时间段内分别呈现向东北、西北方向的移动路径。2006—2011年长短轴之比由1.92增加到2.00，表明北(偏东)—南(偏西)方向呈扩张趋势，2011—2016年长短轴之比由2.00减小到1.86，表明北(偏西)—南(偏东)方向呈扩张趋势，且扩张速度快于2006—2011年，区域间差距逐渐拉大，方位角转动方向由顺时针转为逆时针，转动较明显，表明城市群西北部地区对生态环境的重视程度加强，土地绿色利用水平得到逐步提高。

2006—2016年京津冀13市经济增长的空间分布整体呈北(偏东)—南(偏西)方向，移动路径范围较小，2006—2011年经济增长重心位置由39.48° N，116.61° E向东北方向移至39.52° N，116.71° E，2011—2016年向北移动至39.54° N，116.71° E。近10 a长短轴之比由1.75减小到1.54，表明东北—西南方向呈持续收缩趋势，方位角由36.55°逐渐变为39.33°，呈顺时针方向旋转，表明城市群东北部地区的经济发展水平较高，发展速度较快，东北部与西南部地区的经济增长水平差距明显拉大。

综上所述，2006—2016年，京津冀各城市土地绿色利用与经济增长时序变化差异显著，土地绿色利用水平较高区域集中在北京、承德等中、北部，随时间变化其主方向由北(偏东)—南(偏西)方向变为北(偏西)—南(偏东)方向，而城市群西北部地区呈现“追赶”趋势，土地利用效率逐步提高；经济增长水平较高区域集中分布在北京、唐山等中、东部区域，其主方向始终为北(偏东)—南(偏西)方向，其余地区发展相对较弱。在空间演变上，两系统标准差椭圆总体呈现东北—西南格局分布，京津冀东北部地区的土地绿色利用与经济增长态势好于西南地区。

3.2 土地绿色利用与经济增长耦合协调的空间异质性

为避免数据量纲的影响，先对土地绿色利用和经济增长的原始数据进行标准化处理，再进行耦合协调度测算，根据测算结果对京津冀近年来各市的土地绿色利用与经济增长耦合协调水平进行等级划分，共分为中度失调、轻度失调、濒临失调、勉强协调和初级协调5个等级(图4)。

2006—2016年间，京津冀各城市土地绿色利用与经济增长耦合协调度呈现缓慢上升趋势，耦合协调度大致在0.20～0.65之间，只有少数城市在个别年份高于0.60。京津冀整体协调关系有一定改善，从0.34上升到0.41，由轻度失调转变为濒临失调。

图3 土地绿色利用与经济增长标准差椭圆分布Fig.3 Elliptical distribution of standard deviation of green land use and economic growth

图4 土地绿色利用与经济增长耦合协调度的时空演变格局Fig.4 Spatial-temporal evolution patterns of coupling coordination degree between green land use and economic growth

对各个阶段展开具体分析：(1)中度失调阶段，2006年有张家口、承德、衡水、邢台和邯郸；2011年变为4个，邯郸、张家口由于系统关联度增强，变为轻度失调，新增保定；2016年仅有3个，分别为承德、衡水和邢台。(2)轻度失调，2006年处于该阶段的有6个，分别为秦皇岛、唐山、廊坊、石家庄、保定和沧州；2011年新增张家口和邯郸，表明张家口和邯郸的协调度较2006年有所提升，保定降为中度失调阶段；2016年减少为5个，分别为张家口、保定、沧州、邯郸和秦皇岛。(3)濒临失调阶段，2006年仅有天津；2011年无城市处于此阶段；2016年有3个，分别为唐山、廊坊和石家庄，表明其土地绿色利用与经济增长之间的关联度增强，这些城市在发展经济的同时也注重土地利用绿色化和对资源、环境的保护。(4)勉强协调阶段，2006年未有城市处于该阶段，2011和2016年处于此阶段的均仅有天津。(5)初级协调阶段。2006—2016年处于该阶段的均仅有北京。

从图5可知，2006—2016年间，京津冀13个城市土地绿色利用与经济增长的耦合协调度均得到不同程度提升，但呈现区域发展不平衡的明显特征，耦合协调度由高到低依次为北京、天津、石家庄、唐山、廊坊、秦皇岛、沧州、保定、张家口、邯郸、衡水、邢台和承德。北京、天津土地绿色利用与经济增长的耦合协调度遥遥领先，与河北省11个城市拉开差距；而从河北省内部看，石家庄位居首位，唐山、廊坊等环京津、沿海区域次之，冀西北和冀南区域城市的耦合协调度较差。通过比较土地绿色利用与经济增长系统的综合得分值可以看出，北京、天津的土地绿色利用落后于经济增长，表现为土地绿色利用滞后型状态，而河北省各市相反，表现为经济增长滞后型状态，表明京津冀城市群尚未达到土地绿色利用与经济增长高协调、高质量的发展阶段，其中北京、天津的土地利用仍较为粗放，需要前瞻性的国土空间规划进行指导，而河北省各市的经济发展水平较差，还需加大力度优化产业结构，实现产业绿色化高端化发展。

图5 土地绿色利用与经济增长耦合协调度演进态势

总体来看，近10 a来京津冀13个城市耦合协调发展水平不断提升，形成以北京、天津为中心的辐射扩散趋势，表明京津冀在经济发展的同时，注重土地集约利用，提高资源利用效率和减少环境污染，逐步走上健康的可持续发展道路，但需要注意的是冀西北和冀南等区域耦合协调度处于轻度失调阶段的城市占比依然很大。对于不同类型城市，未来应有所侧重地提高土地绿色利用水平并优化调整经济结构，有效促进不同地区经济的健康增长，从而促进土地绿色利用与经济增长的全面协调发展。

3.3 土地绿色利用与经济增长耦合协调的影响因素

选取与当前实际发展状况最为相近的2016年为研究时点，运用地理探测器软件中的因子探测器与交互探测器来探测各驱动因子对京津冀土地绿色利用与经济增长的影响程度。借鉴文献[21-22]并结合数据可得性和典型性，选取单位GDP能耗(X1)、人口密度(X2)、第三产业占GDP比重(X3)、城镇化率(X4)、建成区绿化率(X5)、专利申请授权量(X6)和工业固体废物综合利用率(X7)共7个指标作为土地绿色利用与经济增长协调发展的驱动因子，计算得到各指标的解释力大小q分别为0.486 6、0.399 8、0.552 2、0.799 4、0.340 3、0.614 8、0.229 6。可见，京津冀土地绿色利用与经济增长协调的主导驱动因子及其解释力差异较为明显。

整体来看，因子探测分析结果中所有驱动因子的解释力q值均处于显著范围内，但其大小具有明显差距。其中，城镇化率q值最大，明显区别于其他因子，表明该因子对土地绿色利用-经济增长协调发展的解释力具有主导作用，因此属于主导驱动因子；其次为专利申请授权量、第三产业占GDP比重，其q值均高达0.5以上，这些因子涉及科技创新、产业结构等方面，能较为全面地反映城市的可持续和健康发展状况，对于土地绿色利用与经济增长的协调发展具有重要促进作用，属于高水平影响因子；而单位GDP能耗、人口密度、建成区绿化率和工业固体废物综合利用率的影响程度属于较低水平，q值均处于0.5以下，由于不同城市在经济发展中各有侧重，对绿化率、工业固体废物综合利用率的要求差异较大，导致对系统协调发展的综合影响力较弱；能耗、人口的增加会导致土地、水电等各种资源需求量和污染物排放增加等问题，这些因子对土地绿色利用与经济增长协调发展的影响力均较弱，属于一般影响因子。

从表3可知，各驱动因子间存在显著交互作用，且任意两因子交互作用后的作用力显著高于单因子，具有双因子增强或非线性增强特征，表明产业结构、生态投入、科技创新、城市化水平等方面的综合作用要优于单项因子的独立作用。整体来看，产业结构与科技创新、环境规制对土地绿色利用与经济增长协调发展的交互影响力显著区别于其他影响因子的交互影响力。其中第三产业占GDP比重与工业固体废物综合利用率的交互作用值最大，为0.955 6；第三产业占GDP比重与专利申请授权量的交互作用值次之，为0.911 1。

表3 土地绿色利用-经济增长耦合协调影响因子交互探测结果

综上所述，各驱动因子对京津冀土地绿色利用与经济增长协调发展均具有一定影响，且影响力差异较大，未来要在快速发展经济的同时，发挥高水平驱动因子的主导作用，同时注重与低水平驱动因子之间的融合，增强因子间的综合影响水平，逐步提高土地绿色利用与经济增长的协调发展水平。

4 结论

运用超效率SBM模型、标准差椭圆法、耦合协调度模型、地理探测器等方法，探讨了京津冀13个城市2006—2016年土地绿色利用与经济增长的时空变化规律、耦合协调的时空异质性及其影响因素，结论如下：

(1)近10 a京津冀各城市土地绿色利用与经济增长水平随时间变化呈现显著的区域差异。其中北京、承德等中、北部区域的土地绿色利用水平较高，均值均在1.00以上；北京、天津等中、东部地区的经济增长水平较高，均值均在0.20以上。土地绿色利用发展主方向由北(偏东)—南(偏西)变为北(偏西)—南(偏东)，经济增长主方向始终为北(偏东)—南(偏西)，其移动趋势分别为东北—西北向、东北—北向，但在空间上2个系统总体呈东北—西南格局分布格局。

(2)由耦合协调度测算结果可知，京津冀城市群的土地绿色利用与经济增长耦合协调度在0.34～0.41之间，随时间变化整体协调度不断提升，由轻度失调转变为濒临失调，但依旧处于较低水平。耦合协调水平在空间分布上具有集中性与稳定性，但存在明显的区域差异，表现出显著的空间异质性，即北京、天津遥遥领先，环京津、沿海区域次之，冀西北和冀南区域较差，其中北京、天津表现为土地绿色利用滞后型状态，河北省各市表现为经济增长滞后型状态。

(3)土地绿色利用与经济增长协调发展受城镇化率、专利申请授权量、第三产业占GDP比重等多因子共同驱动，其中城镇化率的解释力最大，且任意两因子的交互作用均比单因子作用强。

由于京津冀土地绿色利用-经济增长耦合协调性较弱，未来应继续运用政府政策调控机制，协调好土地资源利用与经济增长之间的关系，推动以绿色化为重点的技术改造，减少能源损耗与环境污染问题。结合城市功能定位，需因地制宜地对不同区域采取差别化的管理措施，如北京、天津需转变经济增长方式，优化产业结构，提高土地绿色利用效率，同时将科技创新作为推动经济发展的根本动力，减少对资源的依赖，降低污染物排放；河北省应推动城市土地资源利用方式向节约、集约的绿色化方向发展，进一步推动经济增长向低投入、低排放和高产出的绿色发展方式转变，破解保障发展与保护资源的两难局面。

对2006—2016年京津冀土地绿色利用与经济增长耦合协调的时空异质性及其影响因素进行分析，可为土地生态利用与经济协调发展提供新的思路，同时对其他城市群土地绿色利用研究具有一定参考价值。未来可通过甄选优化评价指标体系，加强遥感数据、土地利用空间数据等多元数据的运用与探索，实现对研究结果空间异质性的深入分析。目前将土地绿色利用与经济增长结合起来的研究较少，在对耦合协调发展的时空变化特征进行分析评价的基础上，仍需对2个系统间的交互作用进行系统、全面的研究。