湖南省土地多功能耦合协调度时空分异

张路路，郑新奇，孟 超，张蓬涛

（1.河北经贸大学旅游学院，河北 石家庄 050061；2.中国地质大学（北京）信息工程学院，北京 100083；3.中国国土勘测规划院，北京 100035；4.河北农业大学国土资源学院，河北 保定 071001）

随着城镇化和工业化进程快速发展，人地关系呈现不和谐的特征，表现为生产、生活和生态（“三生”）空间相互争夺与冲突日趋激烈[1-2]。“三生”空间实质是一种功能空间[3]，“三生”空间的竞争反映出土地不同功能与利用目标的博弈和冲突[4]。如何发挥功能的协同和乘数效应，缓解土地功能冲突，成为当前生态文明建设和可持续发展亟待解决的问题[5]。

土地功能反映了不同土地利用方式所提供的产品与服务[6]。国外运用土地功能理论和方法广泛开展了可持续性影响评估研究，如DE GROOT采用功能和价值分析综合模型进行了景观规划中土地功能的冲突诊断[6]，HELMING构建了土地利用功能变化对经济社会和环境影响框架[7]，并应用于规划过程中土地冲突问题的分析。PARACCHINI等构建了可用于政策情景对土地利用多功能影响的事前评估集成框架，并应用于欧盟和地区多尺度的可持续性发展情景分析[8]。土地多功能的协同（Synergies）、权衡（Trade-off）正成为土地可持续领域关注的热点[9]。国内对于土地多功能研究主要集中在概念[10]、理论分析框架[11]、评价模型[12-13]、功能变化[14-15]、影响因素[16]分析等方面，目前仍处于初级阶段[17-18]。总体来看，土地多功能存在着显著的时空异质性，且多功能之间存在着相互促进、胁迫的消长关系，对土地系统的发展与演化产生重要影响[15-16]，运用土地多功能的耦合关系来实现土地子系统“联合生产”，是土地多功能利用的题中之意[19]。土地多功能之间协调性可为土地持续发展提供参考[20]，但当前对多功能间耦合互动关系的研究尚不多见[21]。协同学中的耦合协调度是用于测度系统之间或者内部子系统之间相互作用程度和相互协调配合情况的重要模型，现已广泛应用于地理、生态、经济等领域[22-26]，这些成果为探究土地多功能间的互动关系提供了借鉴。

鉴于此，本文在分析土地利用系统耦合协调作用机理的基础上，以湖南省为案例，通过构建指标体系，应用协同学中的耦合协调模型，揭示湖南省土地生产功能、生活功能和生态功能三者之间协调的时空分异特征，旨在为区域可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况

湖南省位于长江中游，总面积21.18万km2，水、土、气、生物等资源丰富，辖14个地级市（自治州），122个县（市、区）。2005年以来，随着国家“中部崛起”战略和“两型社会”建设综合配套改革实验区等政策的实施，湖南省社会经济发展提速明显。2005—2015期间，GDP年均增长12.09%，三产结构从19.4∶40.2∶40.4调整为11.5∶44.6∶43.9；2015年城镇化率达50.89%，城乡居民收入分别达28 838元和10 993元；区域旅游资源丰富，2015年旅游总收入达3 712.91亿元，占全省GDP的12.78%[27-28]；区域生态环境日益受到重视，2015年森林覆盖率达56.4%[28]，土壤污染、水土流失程度逐渐降低。按照湖南省人民政府颁布的《湖南省主体功能区规划》方案，全省122个县划分为重点开发区、农产品主产区和重点生态功能区三类，分别包含43、36和43个县（市、区）（图1）①本文将《湖南省主体功能区规划》中的国家级重点开发区和省级重点开发区统一为重点开发区。。

2 土地系统耦合协调机理

系统学中的耦合反映了系统间或系统内部要素之间相互影响与作用，耦合度（Coupling degree）用以测度这种相互作用和影响程度[24]，但不分利弊。协调（Coordinate）则反映了系统或系统内部要素之间存在的良性互动关系[25]。耦合协调度（Coupling coordinative degree）用以测度在发展过程中彼此间和谐一致的程度，体现了系统由无序向有序转变的趋势[26]。

图1 研究区概况Fig.1 General information of study area

土地是一个具有多维功能的复杂系统，其功能可分为生态、生产和生活三种类型[11]，涵盖生物物理过程、直接和间接生产以及精神、文化、休闲、美学的需求满足等[18]。其中：生产功能包括为人类提供工、农业产品服务和交通承载功能；生活功能主要是实现居民福祉的功能，包括居住、就业支持、社会保障和休闲娱乐等；生态功能包括非生物质资源供给和生态保育等功能。

土地“三生”功能体现了一定区域内多元用地主体对稀缺的土地资源的差异化利用需求。在相互之间博弈的过程中，实现了对土地功能进行数量和空间上分配。“三生”功能存在着相互作用和影响的耦合共生关系（图2），其中，生产功能是基础，可为改善生活条件和生态环境提供资金和技术支撑，决定了生活和生态功能发挥的状况；生活功能是土地利用的最终目标，其状况要依托生产和生态功能的改善，是生产和生态功能优化后的产出；生态功能是保证，健康的生态环境是人类生存的需求和区域可持续发展的关键[29]。“三生”功能中，单一功能的发挥效果有赖于其余二者的发挥，某一功能的滞后会影响另外两种功能的发挥，进而影响到整个系统。只有“三生”功能彼此适应、相互协调，才能达到整个系统的平衡与发展。本文将“三生”功能之间相互作用和协调发展的程度定义为土地多功能耦合协调度。其值越高，功能之间相互依存和相互促进的关系越紧密，功能之间的冲突越小，反之则表现为各功能相互干扰、相互破坏，最终削弱土地系统功能。

图2 土地系统耦合协调作用机理Fig.2 The interactive mechanism of coupling coordination in land system

3 指标体系与研究方法

3.1 指标选取与数据来源

结合研究区土地利用特征，依据综合性、代表性、科学性和可得性等原则，参考已有研究成果[6，12-13，30-31]构建了湖南省土地多功能评价指标体系（表1）。其中对于旅游休闲功能的指标，如旅游资源品味度、垄断度和丰度的计算主要参考已有关于旅游资源条件的度量方法[32-33]，生态系统服务价值的计算参考刘永强等[34]的研究成果。

本文人口、社会经济和产业发展、旅游人次和收入数据来源于中国统计年鉴[27]、湖南省统计年鉴[28]、各县市国民经济和社会发展统计公报，等级旅游景区名单来源于湖南省旅游网站[35]；土地利用数据来自湖南省土地利用变更调查。为消除数据量纲的影响，采用极值法对评价指标原始数据进行标准化处理，有效归一化在0～1之间。由于多功能性指标涉及人文因素，为提高权重结果的合理性，本文综合运用主客观方法进行权重确定[36]，目标层和因素层运用德尔菲法，指标层采用熵权法确定（表1）。

3.2 研究方法

以湖南省122个县（市）为评价单元，通过综合评价模型计算得到2005年、2010年和2015年每个评价单元的“三生”功能值，然后采用耦合度模型分析“三生”功能之间的耦合协调性，进而分析其时空分异特征。

3.2.1 综合评价模型

采用多目标加权求和模型对土地生产、生活和生态功能进行综合评价，计算公式如下：

表1 湖南省土地多功能评价指标体系Tab.1 Indicators for assessing land use multi-functions in Hunan Province

式（1）中：f（x）、g（y）和h（z）分别代表土地生产、生活和生态功能综合评价函数；ai、bj和ck分别表示“三生”功能内要素的权重；xi、yj和zk分别表示采用极值法得到的“三生”功能内要素的标准化值；n、m、q分别为各功能内要素的个数。

3.2.2 耦合协调度模型

借鉴容量耦合系数模型构建土地多功能的耦合协调度模型，具体公式为[23]：

式（2）—式（4）中：C为功能耦合度，C∈（0，1］；f（x）、g（y）和h（z）分别表示土地生产、生活和生态功能；T为土地生产、生活和生态功能综合评价指数；α、β、γ为“三生”功能各自的权重系数，考虑当前经济发展阶段，本文分别取值为0.4、0.3和0.3；D为土地多功能耦合协调度，反映“三生”功能之间交互耦合的协调程度。

C值越低，表明土地各功能之间的关联度越低，系统向无序发展，但C无法反映协调发展水平的高低。D值越低，表明“三生”功能协调性越低，相互间的冲突越大，参照相关研究成果[22]，将D划分为4大类和10个亚类（表2）。

表2 土地多功能耦合协调度等级分类Tab.2 Classi fi cation and gradation criteria of LUMF coupling coordination degree

4 结果与分析

4.1 土地功能空间分异与演变

利用GIS技术绘制湖南省2005年、2015年土地“三生”功能评价结果图（图3—图5）。可以看出，土地生态功能值要高于生产和生活功能，生产功能和生活功能值的空间分布均呈现非均衡性特征。

4.1.1 生产功能

图3 湖南省土地生产功能值时空差异Fig.3 Spatio-Temporal characteristics of land production function in Hunan Province

研究期间，湖南省县域生产功能在空间上呈现明显的以长株潭城市群核心区为高值区向外梯度递减的圈层分布（图3），2005年、2010年和2015年三年的均值分别为0.301、0.405和0.441。2005年高值区主要分布在长沙市、株洲市和湘潭市部分县市。该地区海拔在200～500 m，水热充足，农业生产优势明显，也是全省经济发展的增长极和高端产业与基础设施的集聚区。10年间不断并向外扩散，带动周边地区形成了较为明显的生产功能优势区。北部洞庭湖周围和南部“京广铁路”沿线县市的生产功能值略低于长株潭城市群核心区。生产功能低值区主要位于湘西地区和东南部罗霄山山地丘陵区，这些地区农业生产自然本底较差，人均耕地资源少且布局分散，产业基础薄弱，基础设施落后，一直是政府关注的重点和难点区域。自2004年湖南省正式提出湘西地区开发战略以来，通过改善交通、项目支持等方式扶贫攻坚，该地区生产功能得到明显改善，但与东部地区仍有一定差距。

4.1.2 生活功能

图4 湖南省土地生活功能值时空差异Fig.4 Spatio-Temporal characteristics of land living function in Hunan Province

图5 湖南省土地生态功能值时空差异Fig.5 Spatio-Temporal characteristics of land ecological function in Hunan Province

生活功能包括社会保障、居住、就业功能和旅游休闲功能。2005年、2010年和2015年，湖南省县域生活功能平均值分别为0.276、0.318和0.389。图4显示，2005年生活功能高值区主要分布在以长株潭城市群为核心的区域以及各市辖区，与生产功能具有一定的空间重叠性。这些地区是全省社会服务的重点供给区域。而西部张家界、吉首和怀化等地区受自然条件和发展基础等限制，社会保障水平相对较弱。研究期间，西部地区在就业吸纳、生活服务等方面改善明显，社会保障服务水平呈增长趋势。旅游功能在研究期间呈上升趋势，旅游收入和人次逐年提高，10年间旅游总收入增加了3259.33亿元，相应占全省GDP的比重提高了5.78个百分点，旅游功能高值区主要位于长株潭地区和湘西地区，而其他区域旅游功能较弱。综合两项子功能，全省生活功能整体提升。

4.1.3 生态功能

研究期间，湖南省生态功能强度呈小幅降低趋势，2005年、2010年和2015年三期平均值为0.480、0.478、0.476。图5显示，生态功能空间上呈西部高东部低的分布，且分布格局比较稳定，这与湖南省自然条件和地形地貌有一定关系。高值区位于西部武陵山—雪峰山、南部的南岭山、东部罗霄山和幕阜山等山地丘陵区，这些区域森林覆盖率较高，生物多样性丰富。低值区则主要分布在中部和北部的平原或低矮丘陵区，城镇化和工业化程度较高，人类活动对生态环境的干扰明显，生态空间不断被挤压和干扰，土地生态功能有所降低。洞庭湖地区的部分县市受“退田环湖”政策影响，水域面积有所增加，生态功能有所提升。综合来看，研究期间湖南省生态功能略微下降，未来仍需加强生态保护。

4.2 土地功能耦合协调度的空间分异

结果显示，近10年来湖南省土地功能的耦合协调性逐步提高，其中2005年、2010年和2015年均值分别为0.486、0.581和0.620，表明区域整体“三生”功能之间冲突强度趋于减弱。研究期间，耦合协调度空间分布上形成中心—外围结构（图6），高值区主要位于长株潭城市群（3 + 5）的核心区（长沙、株洲、湘潭），并向外辐射降低。湖南省土地功能耦合协调度包括轻度失调型（Ⅶ）、濒临失调型（Ⅵ）、勉强协调型（Ⅴ）、初级协调型（Ⅳ）和中级协调型（Ⅲ）5种状态。2005年耦合协调度类型以勉强协调型、轻度失调型和濒临失调型为主，2010年耦合协调度整体提高，类型以勉强协调型和初级协调型为主，耦合协调度高值区的扩散效应明显。2015年土地功能耦合协调度进一步提高至以初级协调型和勉强协调型为主。

进一步将土地功能耦合协调度等级结果与主体功能区划定成果叠加统计，得到不同类型主体功能区的土地功能耦合协调度情况（表3）。结果显示，不同类型主体功能区的土地功能耦合协调度由大到小顺序为：农产品主产区＞重点开发区＞重点生态功能区，表明重点生态功能区的土地功能冲突最大，其次为重点开发区和农产品主产区。研究期间，三类功能区土地功能耦合协调度均呈增长状态，反映出各功能区土地系统均向协调有序方向发展，且前一阶段（2005—2010年）的耦合协调度变化强度高于后一阶段（2010—2015年）。

图6 湖南省土地“三生”功能耦合协调度的时空分异Fig.6 Spatio-Temporal characteristics of LUMF coupling coordination degree

表3 不同主体功能区的土地功能耦合协调度Tab.3 LUMF coupling coordination degree in different major function orientated zones

从不同类型的功能区来看，生态功能区协调度的变化程度要高于重点开发区和农产品主产区。城市化地区2005年以勉强协调型为主，2010年则转变为以勉强协调型和初级协调型两种类型为主，2015年提高至以初级协调型为主；农产品主产区2005年以勉强协调型为主，2010年和2015年则分别转变为以初级协调型和初级协调发展型为主；重点生态功能区2005年协调度类型以轻度失调型和濒临失调型为主，2010年转变为以勉强协调型为主，而2015年则以初级协调型和勉强协调型为主。

4.3 土地功能耦合协调度的时空演化影响因素

土地功能耦合协调度的空间分布差异主要受经济发展水平、区域发展政策和自然资源条件等因素影响。

宏观政策和战略。区域政策对土地利用具有明显的导向作用，研究期间对应湖南省国民经济和社会发展的“十一五”和“十二五”规划期。“十五”末期湖南省仍以经济发展为主要任务，生态环境问题未引起足够重视，土地功能水平不高且耦合协调度属于濒临失调型和勉强协调型。“十一五”期间，随着“长株潭城市群成为国家两型社会试验区”等重大发展战略的出台，引导了长株潭城市群产业结构调整和增长方式的转变，并逐步带动了周边地区转型发展和生态环境建设的积极性，使得全省土地功能耦合协调度呈上升趋势，并形成了中心—外围的空间分布特征。“十二五”时期是湖南省实施结构战略性调整和加快发展方式转变的关键期，大湘西地区也设定和实施了一批扶贫攻坚项目，有效平衡了各地“三生”功能的运行环境，提高了西部地区生产和生活功能，促使土地功能耦合协调性明显提高。

经济发展。经济发展不仅影响土地“三生”功能水平，还影响“三生”功能之间的协调性。从时间维度上看，经济发展初期单纯追逐土地经济产出，加上产业结构不合理，土地生态功能会受到影响。随着经济发展水平提升和土地利用目标多元化，驱动土地利用观念、管理和策略等进行调整，引导湖南省土地功能向协调方向发展。空间维度上，传统经济发展模式下，湖南省经济发展水平较高的城镇化地区土地生产和生活功能较高，但生态功能水平与之协调性不高；重点生态功能区通常也是经济发展落后地区，由于高度关注经济产出而忽视了土地生态问题，导致环境压力也较大；发展水平居中的农产品主产区土地生态压力相对较小。此外，城镇化地区的生态环境响应较高，且具有进行生态建设改造的能力，重点生态功能区由于工业起步晚、规模小，生态环境要素具有优势，但在环境保护和生态建设方面往往相对较弱，易受到忽视且治理能力不强，造成土地多功能耦合协调度不高。

自然资源禀赋条件。土地利用结构的多样化决定着区域土地多功能性。作为土地资源多功能利用的前提，区域自然资源条件往往与农业生产和资源供给功能紧密相关，进而影响着区域土地利用多功能水平的高低[12]，如洞庭湖地区垦殖率和粮食单产水平高，光温水热等条件均适宜农业生产；以湘西地区为代表的重点生态地区，土地生态功能较高，但经济发展和社会保障水平相对落后，虽然政府高度关注经济和生活水平提高，但受自然环境条件限制，生产和生活功能提高的幅度仍然与东部重点开发区有一定差距，土地“三生”功能协调程度也受到一定影响。

5 结论与讨论

土地是一个多功能复杂系统，在阐述土地功能耦合协调作用机理的基础上，本文构建了土地“ 三生”功能评价指标体系，对2005年、2010年和2015年湖南省122个县级单元的多功能进行综合评价，应用耦合协调度模型揭示了土地功能耦合协调度时空分异特征，并定性分析了影响因素，结果表明：

（1）土地生态功能值略高于土地生产和生活功能值。研究期内，土地生产、生活功能值在所有区县几乎均增强，生态功能值小幅下降。土地生产功能存在着明显的以长株潭城市群核心区向外梯度递减的圈层分布特征，高值区集中分布在长株潭城市群，低值区主要位于湘西地区和东南部罗霄山地区；生活功能呈现出东部强西部弱的差异格局，高值区主要分布在以长株潭为核心的“京广线”铁路的区域；生态功能分布呈现西高东低的格局，高值区主要位于西部山地丘陵地区，低值区主要分布在中部和北部的平原区。

（2）近10年来湖南省 “三生”功能的耦合协调性显著提高，2005年、2010年和2015年均值分别为0.486、0.581和0.620，土地利用冲突正逐步减小。土地耦合协调度空间分布上形成中心—外围结构，高值区主要位于以长株潭（3 + 5）城市群的核心区（长沙、株洲、湘潭），并向外辐射降低。不同类型主体功能区的土地功能耦合协调度由大到小顺序为：农产品主产区＞重点开发区＞重点生态功能区，表明土地功能冲突最大的区域为重点生态功能区。研究期间三种类型区的土地功能耦合协调度均不同程度的提高，表明各区土地系统均呈现协调有序发展的趋势，前一阶段（2005—2010年）的耦合协调度变化强度高于后一阶段（2010—2015年）。

（3）影响土地利用多功能耦合度的因素主要包括宏观政策和战略、经济发展和自然资源禀赋等。为更好地发挥重点开发区、农产品主产区和重点生态功能区的优势土地功能，形成土地功能互补共生的格局，建议根据不同类型区域的经济发展水平和自然资源条件，制定差异化的宏观调控政策促进土地系统协调发展。①生态功能区应立足区域生态功能优势，严格落实生态红线划定成果，发展生态旅游、特色生态农业以带动当地经济发展，并以提升交通功能、社会保障就业居住功能为重点，加大产业、就业、交通等政策扶贫力度，补齐基础设施短板，从而解决地区发展的非均衡性问题；②城镇化地区为实现高质量的土地功能耦合协同，应强化产业引导政策，鼓励发展高新技术研发、服务外包、现代服务业以及高附加值制造业，率先实现转型升级，并明确产业准入的投入产出强度、节能减排和环境保护等标准；③农产品主产区是“乡村振兴”政策实施重点区域之一，加强耕地保护和高标准农田建设力度，巩固提高农产品供给能力，促进当地农业资源禀赋和功能优势方向深度融合，建立农业产业负面清单制度，依托生态资源和历史文化资源优势，有序发展游憩休闲、健康养生、传统工艺等环境友好型产业，推动农业转型升级。此外，应加强土地“三生”功能变化及耦合的监测、响应、反馈机制研究，推动区域土地系统向健康协调方向发展。

本文将耦合协调度模型应用于土地多功能耦合协调性分析，客观展现了湖南省土地三生功能强度和耦合协调性的时空分异状况，模型具有较强的适用性，丰富了土地多功能研究。但鉴于统计数据的获取性，功能表达尚不完善，如农业生产功能的林果产品等，可用人均水果蔬菜产量、人均林木产量等指标来全面表征，有待进一步完善。此外本文定性分析了功能耦合协调度时空影响因素，如何采用模型开展不同类型区的影响因素定量分析尚有待深入探讨。