土地利用效益是土地利用中所获得的各种成果与利用土地时的各种耗费, 包括经济效益、社会效益、生态效益和环境效益, 因此土地利用效益是经济、社会、生态和环境四位一体的综合效益^[1-2]。城市土地性能多样, 它不仅与城市化本身的发展态势相关, 而且关系到土地的合理利用及社会经济的可持续发展。近年来, 国外学者对城市土地利用状况进行了全面剖析, 尤其对土地利用效益的政策、土地集约利用效益程度及城市土地利用效益分类等方面进行了分析^[3-7]。随着研究视角的不断深入, 国内学者目前视角主要集中在土地利用综合效益评价^[8]、城市土地利用效益与城市化的耦合、土地利用程度、新型城镇化及土地利用结构、土地利用效益与空间分析相结合等方面的耦合测度^[9]; 部分学者以特定地区为研究对象, 也有学者对全国、省域、市域、县域、城区及城市群的土地利用效益进行了研究^[10-11]; 研究方法方面, 目前有从长序列连续年份及特殊年份节点两方面利用熵值法、数据包络法、AHP、变异系数法、GM(1, 1)及主成分分析法等方法^[12-14]。但鲜见对西部典型矿业城市的土地利用耦合度及协调度的时空分异研究。

改革开放以来, 陕西、内蒙古、新疆等西部12个省(直辖市、自治区)的矿产资源开发规模不断增加, 日益成为我国矿产资源开发的主要地区。以煤炭生产为例, 2010年底全国煤炭保有查明资源储量13 412亿t, 比2005年增加约3 000亿t, 其中西部地区占全国增量的90%以上。同时由于中东部地区煤炭资源日趋枯竭、产量衰减, 煤炭开发加速向生态环境脆弱的西部转移, 西部地区(以陕甘宁、云贵川、新疆及内蒙古为核心区域)正成为我国主要的煤炭生产地区。笔者选取生态环境脆弱、土地退化及城市发展问题严重的36个西部典型矿业城市的地级市为研究对象, 采用改进熵值法对西部典型矿业城市土地利用综合效益水平进行测度, 同时对其土地利用效益耦合度及协调度的时空特征进行分析, 研究对于西部城市规划制定、探明其本底资源禀赋及把握其经济发展方向意义重大。

1 数据来源与研究方法 1.1 区域选择与数据来源

依据国务院印发的《全国资源型城市可持续发展规划(2013—2020年)》, 资源型城市共262座, 以煤矿而兴的矿业城市共248座, 其中西部8省区(陕甘宁、云贵川、内蒙古、新疆)矿业城市共计44座。考虑到数据的可得性及代表性, 同时加入西部重大专项调研的煤矿区的主要城市, 最终确定西部36座矿业城市的地级市为研究对象。

社会效益、经济效益指标数据均来源于2001、2006、2011及2016年的《中国城市统计年鉴》及西部8省区统计年鉴, 其中生态效益指标里的地均工业废水排放量、工业固体废物综合利用率、污水处理厂集中处理率及生活垃圾无害化处理率来源于各地市相关年份的《国民经济和社会发展统计公报》及《中国城市统计年鉴》。

1.2 研究方法 1.2.1 数据标准化处理与权重确定

各领域评价指标因属性不同, 指标特征值间相差大, 为最大程度减少干扰, 采用标准差法对原始数据进行标准化处理。

$ {X_{ij}}^\prime = ({x_{ij}}-{\bar x_j})/{S_j}。$

(1)

式(1)中, X_ij为第i个城市第j项指标的原始数值; x_j为第j项指标的均值; S_j为第j项指标的标准差。

传统熵值法在评价指标赋权时会出现极端值或负值, 使得结果出现偏差, 改进熵值法则可弥补传统熵值法的这一缺陷^[15]。运用Matlab软件对其进行赋权, 并对数据进行转换来消除负数的影响, 计算结果在-4~4之间, 将坐标平移。其中, Z_ij为第i个城市第j项指标平移变换后的数值, 则有下式:

$ {Z_{ij}} = {X_{ij}} + 4。$

(2)

在式(2)基础上, 对平移变换后的数据按式(3)进行归一化处理:

$ {f_{ij}} = {Z_{ij}}/\sum\limits_{i = 1}^n {{Z_{ij}}} \;\;\;\left( {i = 1, 2, \cdots, n;{\rm{ }}j = 1, 2, \cdots, m} \right)。$

(3)

其第j项的信息熵值H_j为

$ {H_j} =-K\sum\limits_{i = 1}^n {({f_{ij}} \times {\rm{ln}}{f_{ij}})}, $

(4)

$ K = {({\rm{ln}}\;n)^{-1}}。$

(5)

指标j的信息权重w_j为

$ {w_j}{\rm{ = }}\frac{{1-{H_j}}}{{m-\sum\limits_{j = 1}^m {{H_j}} }}。$

(6)

1.2.2 评价指数计算

指标原始数据经过标准化处理及权重赋值后, 运用线性加权法分别对土地利用效益3个子系统的综合水平进行测评。

$ {U_t} = \sum\limits_{j = 1}^m {{f_{ij}}{w_j}} \;\;\;\left( {t = 1, 2, 3} \right)。$

(7)

式(7)中, U₁、U₂、U₃分别为土地利用经济、社会、生态效益3个子系统综合水平; f_ij为评价体系中指标x_ij归一化处理后的值; m为评价体系中指标数。

1.2.3 构建耦合协调模型

耦合来源于物理学领域, 指2个或2个以上系统或运动形式通过耦合要素、运行机制等关键因素在时空范围内交互作用及影响以至协同的现象; 协调是系统或要素间协调配合、良性循环的关系^[16]。该研究中耦合协调指西部典型的矿业城市中土地利用效益内部经济、社会、生态3个子系统各要素在经济、社会、环境等复杂机理下相互影响的状况。土地利用效益耦合协调模型为

$ C = {\left[{\left( {{U_1} \times {U_2} \times {U_3}} \right)/\prod \left( {{U_1} + {U_2} + {U_3}} \right)} \right]^{1/3}}, $

(8)

$ T = \alpha {U_1} + \beta {U_2} + \gamma {U_3}, $

(9)

$ D = \sqrt {CT} 。$

(10)

式(8)~(10)中, C和D分别为土地利用效益所包括的经济、社会、生态3个子系统的耦合度和协调度; T为土地利用效益综合水平; α、β和γ为待定系数, 且满足α+β+γ=1。

通过前言部分对赋值方法的概括及文献梳理, 发现熵值法能较客观地反映研究区社会、经济、生态的实际状况, 故选择熵值法进行赋值。α、β、γ值如下:2000年分别为0.455 7、0.342 5、0.201 8;2005年分别为0.336 6、0.434 2、0.229 2;2010年分别为0.403 8、0.416 6、0.179 6;2015年分别为0.514 5、0.353 8、0.131 7。

根据文献[17]及矿业城市发展规律, 通过自然断点法设定层级, 可将耦合度C划分为4个阶段:0 < C≤0.3, 为低水平耦合阶段; 0.3 < C≤0.5, 为拮抗阶段; 0.5 < C≤0.8, 为磨合阶段; 0.8 < C≤1.0, 为高水平耦合阶段; 如果C=1, 则表明3者形成共振, 走向有序发展; C=0, 则表明3者居于无序形态。

协调度D∈(0, 1], D值越大表明协调度越高, 根据协调度大小并借鉴文献[18], 采用均匀分布函数法确定协调度的9个等级标准, 据此判断其发展阶段及耦合协调水平(表 1)。

1.2.4 指标体系构建

目前学者们主要从土地利用的投入和产出2个方面开展相关研究^[19], 但仅从土地利用投入和产出2个方面进行评价, 不能系统揭示土地利用效益内部的耦合协调机理。因此, 在对西部典型矿业城市土地利用效益进行测度时, 应综合考虑社会、经济及生态环境3方面因子。

考虑到西部典型矿业城市的发展阶段、资源禀赋等情况, 指标选取需具有合理性、易于操作和获取、又能说明其耦合关系的特点。考虑到以城市建成区为研究区边界对其土地利用效益进行测度, 不足以代表整个城市土地利用效益实际水平, 笔者选择西部典型矿业城市的所有土地面积作为研究区范围; 此外, 已有研究文献主要从经济效益和社会效益角度来衡量^[20], 笔者除这2个方面外, 还考虑了生态效益。

在社会效益方面, 基于城市的公共服务及关系到居民社会生活的基础设施选取指标, 包括公共图书馆藏书数量、公共汽车数量等指标。基于工业化和第三产业逐步演化为技术进步和经济发展的后续动力, 尤其是第三产业对经济发展的带动力逐步增强, 选取第三产业占GDP比例和地均二、三产业增加值作为经济效益指标。对于生态效益, 则主要选取公园绿地面积、绿化覆盖率和排放量等指标来衡量。西部典型矿业城市土地利用效益的综合指标体系见表 2。

2 土地利用效益综合水平测度

依据所构建的土地利用效益测度模型, 计算得到2000、2005、2010和2015年西部典型矿业城市的土地利用效益综合水平评价指数(图 1), 并对其土地利用效益综合水平演变状况进行探究。

首先, 研究时段内西部典型矿业城市土地利用效益综合水平呈整体上升趋势, 各研究单元变动幅度相对较小。土地利用效益综合水平呈逐渐上升趋势的有陕西的咸阳市和内蒙古的鄂尔多斯市; 呈先下降后上升趋势的有四川的雅安市、贵州的六盘水市; 呈先上升后下降趋势的有内蒙古的乌海市、包头市, 四川的攀枝花市, 宁夏的中卫市; 新疆的克拉玛依市则经历了先上升后下降再上升的演变趋势。

其次, 西部典型矿业城市土地利用效益综合水平阶梯差异较为明显, 大体上可以分为三级阶梯:一级阶梯包括鄂尔多斯市、乌海市、攀枝花市和咸阳市, 其土地利用效益综合水平明显较高, 基本位于0.4以上, 且阶梯内不同城市间差异较大; 二级阶梯包括自贡市、雅安市和铜川市, 其共同特征是土地利用效益综合水平整体低于一级阶梯, 属于中等水平, 位于0.2~0.4之间, 且阶梯内2个城市间差异相对较小; 三级阶梯典型城市包括临沧市、昭通市、宝山市和陇南市, 其土地利用效益综合水平明显较低, 位于0.1~0.2之间, 各城市间土地利用效益综合水平差异较小。可见各研究单元土地利用效益综合水平很大程度上取决于其经济、社会、生态条件的耦合协调程度。

3 西部典型矿业城市土地利用效益耦合协调度测度及空间分异 3.1 土地利用效益耦合协调度分析

由表 3~5可知, 西部典型矿业城市的耦合程度处于低水平和拮抗阶段, 但不同典型年份也存在明显的差异性:2000、2005、2010和2015年分别有10、9、8和7个城市表现为拮抗耦合(耦合度0.4~0.5), 所占比例分别为27.78%、25.00%、22.22%和19.44%;2000、2005、2010和2015年分别有26、27、28和29个城市表现为低强度耦合(0~0.3), 所占比例分别为72.22%、75.00%、77.78%和80.56%。

对西部典型矿业城市内部土地利用效益的协调度进行分析发现, 2000、2005、2010和2015年协调度处于0~0.69之间, 以濒临失调、轻度失调、中度失调和严重失调为主, 没有城市达到良好和优质协调发展阶段。攀枝花市、鄂尔多斯市、克拉玛依市和乌海市等城市协调程度相对较高, 这主要是由于上述城市在资源型城市中处于成熟性阶段(全国共有262座资源型城市, 并将其分为4个发展阶段:成长型城市、成熟型城市、衰退型城市和再生型城市)且经济发展水平相对较高。2000、2005、2010和2015年严重失调城市分别有6、6、0和4个; 中度失调城市分别有24、22、1和23个; 濒临失调城市分别有1、3、12和1个; 轻度失调城市分别有5、5、20和8个; 2010年初级协调城市有1个, 勉强协调城市有2个。上述分析结果和西部重大专项的调研情况一致, 城市协调度与其所处的资源地位和煤矿区数量密切相关。

3.2 土地利用效益耦合度空间分异

依据表 3~5, 可以进一步得到西部典型矿业城市土地利用效益耦合度的空间分异情况。耦合状态主要集中在低水平耦合和拮抗2种状态, 且以低水平耦合水平为主。其中内蒙古的包头市、鄂尔多斯市由2000年的拮抗状态变成2005年的低水平耦合状态, 到2015年鄂尔多斯市再次转变为拮抗状态; 陕西的铜川市、宝鸡市、榆林市2000年均处于拮抗状态, 到2005年铜川市和榆林市转变成低水平耦合水平, 2010、2015年则均处于低水平耦合状态; 甘肃的庆阳市和陇南市2000年处于拮抗状态, 2005年变为低水平耦合状态, 2010、2015年则均处于低水平耦合状态; 宁夏的石嘴山市由2000年的低水平耦合转为2005年的拮抗状态, 2010年处于低水平耦合状态, 2015年再转变为拮抗状态; 新疆的克拉玛依市一直处于拮抗状态, 2015年却转为低水平耦合状态。由耦合分异情况可知, 陕西、内蒙古和四川内部土地利用效益的耦合发展相对较好, 耦合情况和城市所处的经济发展地位高度相关。

3.3 土地利用效益协调度空间分异

总结表 3~5可知, 西部典型矿业城市土地利用效益协调度的空间分异情况表现为2000、2005和2015年各城市均处于严重失调、中度失调、濒临失调和轻度失调阶段, 2010年各城市的协调阶段分为中度失调、初级失调、勉强失调、濒临失调和轻度失调。其中，云南、宁夏、甘肃等地区城市土地利用效益相互作用的调控力弱, 说明其内部协同性差。2000—2015年各城市出现明显的由中心至外围协调度逐渐递减的分布趋势, 其中, 协调程度相对较高的城市有四川的自贡市、攀枝花市和宜宾市, 内蒙古的鄂尔多斯市和乌海市，新疆的克拉玛依市等。由以上城市的协调分异情况可知:资源型城市的经济地位及城市的资源核心优势在不断增强, 要不断加强中心城市对外围城市的核心带动作用。

4 结论

(1) 西部典型矿业城市土地利用效益综合水平呈逐渐上升趋势, 变动幅度相对较小且整体比较稳定。研究发现, 各系统的综合指数从2000年的0.455 7、0.342 5、0.2018变为2015年的0.514 5、0.353 8、0.131 7, 生态效益反而降低, 按其土地利用效益综合水平由高到低呈三级阶梯状分布。由此可见, 西部矿业城市的发展潜力及可塑性很大, 在规划实施和各项政策落实的过程中, 要更加重视西部生态脆弱区的经济发展和生态环境修复问题。

(2) 耦合度分析表明, 西部典型矿业城市土地利用效益的耦合程度总体不高, 均处于低水平耦合和拮抗阶段, 且2000—2015年处于低水平耦合阶段的城市数量是处于拮抗阶段城市数量的3倍。

(3) 协调度分析表明, 时间维度方面, 2000、2005和2015年各典型矿业城市总体均处于失调阶段, 2000—2010年由失调向协调阶段转变后再次处于失调阶段, 2010年的协调程度相对较好; 空间分异方面, 2000、2005和2015年各城市均处于严重失调、中度失调、濒临失调和轻度失调4个阶段, 2010年各城市的协调阶段分为中度失调、初级失调、勉强失调、濒临失调和轻度失调。

虽然该研究就西部典型矿业城市综合测度及土地利用效益的耦合协调度展开了分析, 揭示了其变化规律及所处阶段, 但考虑到数据的可得性, 各系统指标的选取还有提升空间; 此外, 未对城市间土地利用效益的空间关联性进行分析, 以上不足有待后续研究不断修正。