黄河流域城市群土地利用及生态效率时空演变分析.pdf

第 卷第 期 年 月生态学报 .:/.基金项目:国家自然科学基金项目()中国科协青年人才托举工程项目()自然资源部国土空间规划研究中心外协项目()收稿日期:网络出版日期:通讯作者 .:.:./.丁莲白羽萍张莉金冯喆胡业翠李志慧刘伟.黄河流域城市群土地利用及生态效率时空演变分析.生态学报():.():.黄河流域城市群土地利用及生态效率时空演变分析丁 莲白羽萍张莉金冯 喆胡业翠李志慧刘 伟 中国地质大学(北京)土地科学技术学院北京 中国科学院地理科学与资源研究所陆地表层格局与模拟重点实验室 北京 中国科学院大学北京 山东师范大学地理与环境学院济南 摘要:黄河流域城市土地资源的合理高效利用和生态环境的治理可加强其生态保护和高质量发展进程有效测度城市土地利用及生态效率至关重要 基于随机前沿分析()模型测算黄河流域 个城市群 个城市的土地利用效率()、生态绩效指数()和生态效率()探究其时空变化规律并进行空间自相关分析 结果表明:对比分析非约束模型与约束模型的结果可知加入生态变量后的 平均值增加.黄河流域城市群 年平均值为.多数城市 呈增加趋势空间上呈现出西低东高的分布特征 大于 的城市占比 以上其对土地利用效率有正向贡献城市群 年平均值为.在空间上呈现出西高东低的分布格局并存在显著正向的空间聚集格局特征 与 呈 型关系变化 随 增大呈现出先降低后提升的变化趋势 未来黄河流域应提高资源利用强度优化资源配置深化城市群跨区域交流合作注重城市生态效率提升构建高质量发展大格局关键词:黄河流域土地利用生态效率随机前沿分析空间自相关 :.()()()().:/.:黄河作为世界第五大长河且是我国重要的生态功能区和经济地带聚焦解决流域内生态环境问题且提高其城市生态效益势在必行 生态效益的测定既要考虑经济效益又涉及环境影响施加的限制及可用资源的有效利用 随着城市化进程的发展黄河流域内城市自然生态系统受到各种人类活动的强烈干扰而土地资源影响生态环境系统和社会经济发展以最小生态投入提高土地利用效率获得最大经济效益可以增进区域人类福祉 年黄河流域生态保护和高质量发展上升为国家战略生态文明建设成为主要目标任务 因此定量测算土地利用及生态效率并探究其时空关系可以为黄河流域城市扩张过程中生态环境保护提供决策参考目前度量技术效率的生产前沿分析方法分为参数法和非参数法前者主要以()为代表后者主要以数据包络分析()为代表 已有学者通过构建相关评价指标体系基于 及其改进模型进行效率值测算并探究其影响机制 等人最早提出 模型将其应用到计量经济方面的研究 近年来国内学者相继在研究中将 模型优化完善引入区域视角的土地利用及生态效率理论概念进行效率定量测算并分析其溢出效应与影响因素之间的差异关系 对比可知 中投入与产出项对效率评价结果有决定性的影响而 考虑了随机因素对产出的影响其对于现实生产函数的拟合性程度要求比 方法要高结果更加合理精确黄河流域地理环境特殊上中下游在资源、经济、产业结构和技术水平等方面差异明显 新时代背景下黄河流域的自然资源环境保护与国民社会经济生产力建设已步入高质量新发展阶段 黄河流域发展的主要载体是城市群然而伴随着我国城市化的快速发展演变区域内发展不均衡等典型问题较为突出 以往对城市群效率研究中评价指标体系的建立较少考虑到快速推进城镇化进程中生态损耗且多数研究选择了长三角、京津冀等地区但对黄河流域内城市群的发展质量关注不足 为均衡黄河流域典型城市群的土地资源和生态环境效益发展本研究运用 模型从城市群尺度上测算黄河流域 个典型城市群中共 个城市 年的土地利用效率()及生态效率()探究其长时间序列时空演变规律及其空间权衡关系揭示黄河流域典型城市群土地利用、生态效益和社会经济效益的相互关系为实现土地资源可持续发展与流域内生态环境保护及经济发展提供一定的借鉴 期 丁莲 等:黄河流域城市群土地利用及生态效率时空演变分析:/.数据源与方法.研究区与数据处理 黄河流域总面积约.万 是我国重要的自然保护区域在促进我国社会经济发展与生态安全格局方面占据着重要的作用 在国家“十三五”规划纲要明确的 个国家级城市群中分布在黄河流域沿线 省区的有 个其中中原、关中、呼包鄂榆、兰西 个城市群为跨省级行政区域城市群 本文选取黄河流域内 个城市群所涵盖的 个地级市作为研究区(图、表)数据来源于中国统计年鉴、中国区域经济统计年鉴、中国城市统计年鉴、各市相关年份国民经济和社会发展统计公报 行政区划与 空间分辨率植被指数数据由中国科学院地理科学与资源研究所资源环境科学与数据中心(:/./)提供 相关经济指标数据均以 年为基年进行 平减消除通货膨胀处理后制备成面板序列数据作为初始数据源图 研究区概况.表 研究区城市群构成 城市群名称 城市构成缩写山东半岛城市群 济南、青岛、淄博、枣庄、潍坊、烟台、临沂、东营、德州、济宁、菏泽、聊城、滨州、泰安、威海、日照、莱芜市中原城市群 郑州、洛阳、开封、平顶山、新乡、焦作、许昌、漯河、鹤壁、商丘、周口、晋城、亳州市关中平原城市群 西安、宝鸡、咸阳、铜川、渭南、商洛、运城、临汾、天水、平凉、庆阳市晋中城市群 太原、忻州、吕梁、晋中、阳泉、长治市呼包鄂榆城市群 呼和浩特、包头、鄂尔多斯、榆林市宁夏沿黄城市群 银川、石嘴山、吴忠、中卫市兰西城市群 兰州、定西、白银、西宁市 城市群城市构成来源于黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要中的文本生 态 学 报 卷:/.指标体系构建投入产出指标体系的构建是 模型测算效率的基础 劳动力、土地、资本是经典生产函数中的传统投入要素 为科学测算黄河流域城市群土地利用效率及生态效率且考虑数据的可获得性和黄河流域自然资源特征确定选取的投入指标包括建成区面积、城镇年末从业人员、固定资产投资、城镇人均可支配收入、市辖区绿化覆盖面积此外为表征城镇发展过程中生态环境资源损耗导致的生态植被覆盖度的变化情况故研究将植被覆盖度指数作为生态投入引入到生产函数中 选取综合反映城市经济发展水平的非农产值作为产出指标构建并确定效率测度的投入产出指标体系(表)表 投入产出指标体系 指标类别 指标符号指标说明 单元投入指标建成区面积城市化发展的土地投入 年末从业人员数量劳动力要素对城市化发展的贡献万人固定资产投资总额单位投资形成的资本万元植被覆盖指数城市化发展损耗的生态资源绿化面积能够用于绿化的土地面积城镇人均可支配收入居民用于安排生活的收入元产出指标 非农产值非农经济产出万元.研究方法.模型构建 是一种利用随机前沿生产函数进行效率估计的参数方法 模型的原理是通过考虑估计生产函数受到的随机冲击而保证产出处于效率前沿 该方法广泛应用于经济学、自然资源效率测算 具体模型形式及效率定义如下:()()()()式中 ()()是随机前沿 ()反映投入与产出间确定性的技术结构关系 ()为随机因素 ()为技术效率具体到本研究是城市土地利用效率()基于面板数据构成的投入产出指标体系构建投入产出模型在具体选择生产函数时较为常用的有柯布道格拉斯和超越对数两类考虑到超越对数生产函数不受替代弹性不变假设的约束增加了二次的项数有利于捕捉各投入要素的时变特性更好地反映投入变量间的交互作用 因此选择采用超越对数生产函数构建包含生态变量的 非约束模型:()()()()()()()()()式中、表示除去生态变量植被覆盖指数对应的其余 种投入变量包括建成区面积、城镇年末从业人员、固定资产投资、城镇人均可支配收入、市辖区绿化覆盖面积等 代表生态变量植被覆盖指数 为变量的弹性系数 代表示产出变量 为时间序列 为随机误差项假设独立同分布 ()为技术无效率项独立同分布于半正态随机变量 ()将上述非约束模型中所有包含生态变量 去掉即为约束模型.效率值构建 定义为土地利用产出与处于生产前沿上潜在最大产出的比值:()()()()()期 丁莲 等:黄河流域城市群土地利用及生态效率时空演变分析:/.定义为包含生态变量的与去除生态变量的差的比值:()()()()进一步本研究中生态效率()指在其他投入和产出都不变的情况下最小可行植被覆盖指数与实际投入植被覆盖指数的比值 为了测算 假设特定经济产出保持一定时当生态投入最小时生态效率最高故分别将 替换为最小生态投入 及其对应的技术无效率项 即为假设的最小植被覆盖投入对应的最优生态效率生产函数其表达形式如下:()()()()()()()()()将替换式()减式()得到如下形式:()()()()()()()()()令上式 ()()当地区土地利用效率达到最高值和生态效率达到最优状态时得出生态效率 推出 ()()可以得到生态效率 如下:定义为 ().空间相关性检验全局 可以反映变量在整个空间上是否存在空间自相关:()()局部 进一步探究区分局部区域与其相邻区域之间的空间连接模式:()式中 为样本总量 为 与 间的空间权重、为、与其均值的差 结果与分析.模型结果检验对模型结果进行最大似然估计()检验(表)在 置信水平上非约束模型中多数参量较约束模型显著水平均有所提高 似然比检验()的实质是比较约束与非约束条件下的似然函数最大值之比赤池信息量准则()可以有效权衡所估计模型的复杂度及其拟合数据的优良性 比较可得:非约束模型的 为.且在 显著水平上拒绝原假设因此在模型估计时控制无效率影响因素是必要的约束模型的 为.前者数值大于后者说生 态 学 报 卷:/.明非约束模型的结果更显著非约束模型中 为.约束模型的 为.前者数值小于后者拟合效果更好 因此本研究对土地利用无效率项的非约束模型模拟更优后续、和 等分析均选取非约束模型测算的结果展开表 土地利用效率的 结果 变量非约束模型约束模型变量非约束模型约束模型().()().(.)(.)(.)(.)().()().(.)(.)(.)().()().(.)(.)(.)(.)().()().(.)(.)(.)().()().(.)(.)(.)().()().(.)(.)(.).().()().(.)(.)(.)(.).().(.)(.)(.)(.).().(.)(.)(.)(.).().().(.)(.)(.).().().(.)(.)(.)(.).().().(.)(.)(.)(.)()().().(.)(.)(.)()().().(.)(.)(.)(.)()().().(.)(.)(.)()().(.)(.)(.)(.)()().(.)(.)(.)(.)()().(.)(.)(.)(.)()().(.).()().(.)(.):最大似然估计 .代表投入生态变量对提高土地利用、促进经济发展有正向贡献 则对其有负向贡献 其中黄河流域城市群 个城市中 大于 占比 以 期 丁莲 等:黄河流域城市群土地利用及生态效率时空演变分析:/.上(表)表明绝大多数城市的生态投入可以提升区域资源利用 小于 的城市表明尽管在城市建设过程中消耗一定的植被资源却对城市土地利用效率提升没有显著贡献 年后 大于 的城市占比以上总体上黄河流域多数城市生态资源的投入对产生的土地利用及经济价值贡献显著生态资源的绿色发展充分转化为相应的社会经济价值表 年 值正负占比情况 年份 小于 占比/年份 小于 占比/.:生态绩效指数 .测算与分析对非约束模型下的 进行统计整理得到 个城市群分 年 变化规律(图)值得注意的是本研究中 值与快速城市化建设过程中对生态植被资源的开发利用有关其值越小代表城市化发展进程中付出的生态代价越高图 黄河流域城市群 热力图.:生态效率 时间上山东半岛城市群、晋中城市群 总体上呈由高到低下降趋势中原城市群 平稳增加关中平原城市群、呼包鄂榆城市群、宁夏沿黄城市群、兰西城市群 呈波动式上升后下降变化趋势 整体上黄河流域城市群原始自然资源条件不尽相同但城市化发展进程中土地利用导致地区付出的生态代价越来越大多数地区存在过度消耗生态植被资源的情况 高低分部存在明显差异呼包鄂榆城市群、宁夏沿黄城市群、兰西城市群的 值在高值区(.以上)山东半岛城市群 值总体为下降趋势生态植被资源作为投入生 态 学 报 卷:/.要素转化为经济产值的效率低 晋中城市群 短暂上升后呈下降趋势城市群内大部分城市由于生产技术革新速度慢、生态资源保护措施薄弱等原因生态效率没有出现明显转机 呼包鄂榆城市群 先上升到 年后有所降低这是由于上游的经济实力相对较弱创新动力不足绿色治理技术落后且区位条件所限城市间互动交流较少生态要素不能实现合理有序流动生态投入未能有效为土地资源和经济要素提供较强价值贡献 宁夏沿黄城市群 波动式上升后下降区域经济基础相对薄弱加之自然因素制约下生态环境脆弱 在 年、年稍有增加这可能与其被依托为生态文明先行区等一系列政策措施实施有关中原城市群 年后 逐年增加这与黄河流域综合规划(年)、“十三五”生态环境保护规划出台的实施成效密不可分 兰西城市群 较高但呈波动变化兰西城市群紧靠黄河发源地生态环境容量的有限性对城市有较强约束力核心城市兰州带动周围生态水平较低的城市空间上 年、年、年、年的黄河流域城市 等级空间分布如图 所示 总体上 呈现西高东低、逐年降低的变化趋势 具体而言西部地区呼包鄂榆城市群、宁夏沿黄城市群城市与晋中城市群部分城市的 较东部地区城市群城市高 说明就生态环境方面西部地区城市城镇化速度相对较慢同时生态环境未被过度破坏且开发程度较低中原地区城市的生态用地转化为建设用地后导致植被覆盖损耗增加这些城市区位条件相对更好新增建设用地的产出率和利用率更高但与此同时由于快速发展经济带来较多生态环境问题这与山东半岛城市群、中原城市群人口基数大劳动力多、土地资源相对紧张等联系密不可分 呼包鄂榆城市群的中心城市鄂尔多斯、包头 较高生态本底较好这与其被批准为国家森林城市的推进和发展有关随着生态资源的开发利用消耗加快包头市于 年出台加快生态文明建设林业行动的计划补偿植被损耗的付出的生态代价 银川市作为宁夏沿黄城市群核心区、西北生态文明先行区依托自身优势资源发展旅游产业加强市内和周边生态建设注意维系生态环境的良性发展打造建设成为自然环境优美、人文环境和谐的宜居城市但其土地粗放式利用导致的植被损耗问题仍不容忽视图 黄河流域城市 时空分布.空间自相关分析选择全局莫兰指数()对、进行空间自相关分析(表)个时间点中 未均通过 值、值检验 均通过相关检验且全局 均为正各年均通过显著性检验 由此可见 期 丁莲 等:黄河流域城市群土地利用及生态效率时空演变分析:/.年黄河流域城市生态效率存在空间聚集特征从总体看全局 指数呈现下降趋势表明研究期内黄河流域城市生态效率呈现出由强向弱相关演变 因此对研究区 展开局部空间格局演变探究并得到城市 聚集图(图)表 全局 指数 年全局 指数 全局 指数 .:土地利用效率 :生态效率 图 的 聚类图.:局部空间关联图 高高集聚城市最多 年集中在黄河上游和中游到 年逐渐向黄河中游城市转移 从分布格局看高高集聚、低低集聚呈现集中连片式分布高低集聚、低高集聚呈现发散式分布 从数量看高高集聚低低集聚低高集聚高低集聚总体上看白银市、中卫市、吴忠市、榆林市 处于高高聚集区表明聚集区城市与周边城市 较高且差异较小 近年来榆林市把生态环境保护摆在全局工作的突出位置持续推进生态文明建设是黄土高原生态文明示范区 宁夏是我国生态环境脆弱区为保护和恢复宁夏生态环境国家大力推进生态工程建设把坚持打造生态林带等生态修复工程与城市建设结合起来实现生态与经济效益的结合 济宁市处于高低聚集周边城市 较济宁市低济宁市地理位置具有一定辐射带动作用近年来济宁市实施市区“绿亮清”工程使其公共绿地面积不断增加生态环境逐渐得以改善较周边中原城市群生态效率高 郑州市、开封市处于 低低聚集区这是由于这些城市都是资源型城市资源投入产出比低绿色生产体系尚未建成限制了其生态生 态 学 报 卷:/.效益发展 铜川市处于 低高聚集区由于矿业开采等活动忽视生态文明建设生态环境治理滞后地区生态平衡及可持续发展能力有待提高图 与 关系散点图.讨论进一步分析 与 之间的相互关系(图)可知黄河流域城市群 随着 的增加出现先减少后增加的 型变化 低于平均水平时 越大则 越低当跨过 平均门槛后时 便随着 的增大而提高 说明在城市建设进程中提高土地利用效率势必在一定程度上对生态资源产生相应损耗但跨过生态效率门槛后生态效率高的地区植被资源对生活生产功能和土地利用效率有更显著的正面影响这主要是由于经济发展水平较高、区位条件更好的城市在生态投入一定时新增建设用地的产出率和利用率更高促进地区生产总值等国民经济提升和社会发展从而带动土地利用、社会经济效益的提高 因此在城市发展进程中土地和生态资源都需要在合理范围内进行投入生产需贯彻土地资源节约、环境保护的可持续发展理念促进生态效率越过拐点进入土地资源、经济发展与生态高效率模式使得城市土地、资本、劳动力和生态资源得以充分利用达到合理提高土地利用效率、促进经济发展、保护生态环境的目的预计未来一段时间里黄河流域城市群城市化发展将进一步加快随着黄河流域生态环境保护规划的推进结合黄河流域土地资源利用和生态保护发展现状提出以下对策建议:首先制定差异化建设与产业布局 黄河流域各城市群应结合区位条件、经济发展条件精确制定科学合理的产业发展措施 上中下游通过产业带动非农人口迁移、经济流动加强与其他地区的先进产业技术合作秉持土地资源可持续发展的重要理念注重单位土地面积产出率带动城市化发展促进土地集约节约效率提升 其次加强城市群综合生态治理与修复 黄河流域城市生态环境安全水平亟待提高应以维护生态系统稳定性为前提实时系统保护修复建设 上游城市群应加强草地退化等生态修复中游突出抓好水土保持和生态保护下游注重植被的保护与修复尽可能维护城市生态系统的完整性 再次发挥城市群间的相互交流、辐射作用优化城市间聚集效应 各城市充分发挥自身优势及区位特征强化本地城市对周围城市的正向聚集效应通过决策者的资源调配和政策引导促进城市高质量发展水平黄河流域是我国重要的生态屏障和经济核心地带定量测算流域内城市群的土地利用效率和生态效率可为其高质量发展提供参考 通过对黄河流域城市群 个城市长时间序列的土地利用及生态效率时序演变、空间上集聚特征与变化规律的详细分析发现城市群生态保护和高质量发展过程中遇到的问题弥补目前我国黄河流域地理经济特区研究的不足 从研究方法上看本研究将植被覆盖度指数作为生态变量引入到 生产函数中试图揭示生产要素投入、土地利用效率提升和生态损耗之间的关系为黄河流域城市群可持续发展研究提供新视角从研究结果的政策导向来看对黄河流域城市群力求提出切实可行的政策建议为有效衔接流域城市群经济社会发展、用地协调、生态环境提升提供科学参考 未来将深入研究中国黄河流域城市群之间的合作关系同时将深化对土地开发利用与社会经济、生态环境效益达到均衡的研究 结论本文以黄河流域 个城市群 个城市为研究对象构建投入产出指标体系并尝试将多个生态变量加到投入指标中运用 模型对其 年、和 进行测度和分析探究区域的土地利用、生态质量与经济系统之间关系为推进城市化土地资源的合理利用和生态环境保护对黄河流域高质量保护与发展提供参考依据 期 丁莲 等:黄河流域城市群土地利用及生态效率时空演变分析:/.结果表明:对比分析非约束模型与约束模型的结果可知加入生态变量后的 平均值增加.非约束模型下黄河流域城市群 年平均值为.多数城市群 总体呈增加趋势空间上呈现出西低东高的分布特征 平均值大于 的城市占比 以上其对土地利用效率有正向贡献多数城市群 总体呈逐年下降趋势 年平均值为.空间上 呈现出西高东低特征分布格局差异特征明显 与 呈 型关系变化当跨过 平均门槛后 随着 的增加而提高 存在显著正向的空间聚集格局特征分布特征 未来黄河流域在高质量发展进程中应提高资源利用强度优化城市资源配置深化城市群跨区域交流合作注重城市生态空间可持续发展构建高质量发展大格局参考文献():薛澜 杨越 陈玲 董煜 黄海莉.黄河流域生态保护和高质量发展战略立法的策略.中国人口资源与环境 ():.刘晶晶 王静 戴建旺 翟天林 李泽慧.黄河流域县域尺度生态系统服务供给和需求核算及时空变异.自然资源学报 ():.宋洋 朱道林 徐阳 赵江萌.京津冀城市群县域城市土地利用效率时空格局及驱动因素.中国土地科学 ():.刘琳轲 梁流涛 高攀 范昌盛 王宏豪 王瀚.黄河流域生态保护与高质量发展的耦合关系及交互响应.自然资源学报 ():.成金华 孙琼 郭明晶 徐文赟.中国生态效率的区域差异及动态演化研究.中国人口资源与环境 ():.():.():.():.金贵 吴锋 李兆华 郭柏枢 赵晓东.快速城镇化地区土地利用及生态效率测算与分析.生态学报 ():.王良健 李辉 石川.中国城市土地利用效率及其溢出效应与影响因素.地理学报 ():.赵建吉 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