本研究中的土地利用数据来源于美国NASA陆地卫星(Landsat)所拍摄的空间分辨率均为30 m Landsat TM遥感影像,通过对该遥感影像进行辐射校正、几何配准,并结合库区实际情况以2000年、2007年、2014年、2017年为时间节点进行人机交互解译方式获得土地利用现状数据; 社会经济数据来源于2000年、2007年、2014年、2017年《重庆市统计年鉴》、《湖北省统计年鉴》、《宜昌市统计年鉴》、《长江三峡工程生态与环境监测公报》,并对数据进行了标准化处理。

系统间的协调发展是一个从离差到配合、从无序到有序的总体演化过程^[10]。要评价和研究系统间的协调发展度,首先要分别对土地利用系统和经济系统内部各自的发展情况进行研究,要先建立系统发展模型分别求出两系统的发展度,然后在此基础上再构建协调发展度模型,求出两系统间的协调发展度。通过土地利用系统和经济系统的系统发展度,可以对比两个系统发展的快慢; 通过土地利用系统和经济系统的协调发展度,可以对两系统间协调发展水平的高低进行评价。

计算贡献值:设变量U_i(i=1,2,3,…,n)是土地利用系统的横向评价指标,其纵向取值为X_j(j=1,2,3,…,m); α_j,β_j分别是X_j的上限和下限值,因而描述变量值X_j对系统发展度的功效,即贡献值U_i为:

U_i={(X_i-β_i)/(α_j-β_j)

(α_j-X_i)/(α_j-β_j)U_i具有正功效

U_i具有负功效(1)

运用熵值法确定权重W_i:熵是对不确定性的一种度量,具有客观性和科学性。本研究根据各项指标的离散程度,计算出各项指标的信息熵,从而得到各项指标的权重,为多指标综合评价提供依据。熵值法计算权重公式为:

P_ij=Y_ij/∑ⁿ_i=1Y_ij(2)

E_j=-ln(n)-1∑^m_i=1(P_ij*lnP_ij)(3)

Q_j=1-E_j(4)

W_i=Q_j/∑ⁿ_j=1Q_j(5)

式中:Y_ij表示第j项评价指标标准化后数值,如果Y_ij=0,则定义lim_Yij→0P_ijlnP_ij=0; Q_j为信息熵; W_i表示第i个指标的权重。

利用贡献值和权重计算土地利用系统发展度f(x),其中U_i为贡献值W_i为权重:

f(x)=∑ⁿ_iW_iU_i ∑ⁿ_iW_i=1(6)

同理,设变量V_i(i=1,2,3…,m)是经济系统贡献值; W_i为权重,通过计算得到经济系统发展度g(x):

g(x)=∑^m_iW_iV_i ∑^m_iW_i=1(7)

参考其他学者研究结果,根据系统发展度,可以得到协调度模型^[11]:

C={(f(x)*g(x))/([(f(x)+g(x))/2]²)}^k(8)

式中:C为两个系统间的协调度(0[12]。因此,为了使评价科学合理,构建协调发展度模型,通过协调发展水平综合指数来反映协调发展程度:

式中:T是协调发展水平综合指数; D为土地利用和经济系统的协调发展度。为保证评价的客观性,假设土地利用与经济发展地位相同,那么a=b=1/2。

协调发展度是系统间和谐发展的程度也是系统自身发展阶段的所达到的统一程度。协调发展度D取值范围为[0,1],当D=1时,系统间的协调发展程度极高,此时土地利用系统和经济系统都高度发展,两系统相辅相成,经济效益达到最大化; 当D=0时,土地利用系统和经济系统相互处于无关状态,系统内部各要素都处于混乱无序的状态,经济发展近乎停滞,土地利用结构落后。其具体等级划分标准见表1—2^[13-14]:

表1 土地利用系统与经济系统协调发展度等级划分标准

(1)当D∈[0.0,0.2]时,严重失调状态,此时土地利用与经济发展之间存在突出的矛盾,土地利用的方式和各类用地的比例存在严重问题,土地利用的效益无法通过经济增长表现出来。

(2)当D∈(0.2,0.4]时,轻度失调状态,此时土地利用与经济发展之间的矛盾开始缓和,土地利用结构开始调整,但是调整的程度和速度与经济发展之间仍然存在较大差异。

(3)当D∈(0.4,0.6] 时,初级协调状态,土地利用与经济发展之间的冲突得到初步的协调,土地利用方式的转变使得经济开始加速发展,但是经济发展又导致了一系列的环境问题,使得两者之间的关系未得到根本的解决,总是单方面发展较快,土地利用与经济发展间存在诸多短板。

(4)当D∈(0.6,0.8]时,中级协调状态,前一阶段经济飞速发展,土地资源毫无节制的投入,产生了一系列生态环境和社会问题,但经济发展已经达到一定水平,速度放缓,开始对土地利用结构进行调整,土地利用水平提高,土地生态开始恢复。

(5)当D∈(0.8,1.0]时,高度协调状态,这时土地利用系统和经济系统达到非常高的协调发展水平,经济发展水平达到新高度,经济结构科学合理,经济质量高,同时土地利用系统也走出一条适合社会经济发展度道路,土地利用实现集约利用,土地利用和经济发展两者间相辅相成共同发展。

表2 土地利用系统与经济系统协调发展类型划分

三峡库区自2003年6月蓄水以来,土地利用结构发生了明显的变化。由表3可以看出:2000—2017年三峡库区6大地类中变化程度按照从大到小的顺序依次是建设用地、耕地、林地、水域、草地、未利用地。具体来看,三峡库区耕地面积呈下降趋势,从2000年的21 868.42 km²(占总面积的38.1%)减少到2017年的21 326.28 km²(占总面积的37.16%),耕地总面积减少542.14 km²,平均每年减少31.89 km²。林地呈下降趋势,从2000年31 493.58 km²减少到2017年的31 257.69 km²,林地总面积减少235.89 km²,平均每年减少13.88 km²。水域整体呈上升趋势,水域面积从2000年的1 324.97 km²增加到2017年的1 521.05 km²,水域总面积增加196.08 km²,其中2000—2007年期间增加了109.57 km²,2007—2014年期间增加了81.72 km²,这均是由于三峡库区蓄水使得水位线上升导致的,2014—2017年进入蓄水稳定期后,水域面积仅仅增加了4.79 km²。建设用地呈上升趋势,从2000年的1 276.71 km²增加到2017年1 879.59 km²,建设用地总面积增加602.88 km²,平均每年增加35.46 km²。草地面积呈现下降趋势,从2000年的1 409.74 km²(占总面积的2.46%),减少到2017年的1 389.57 km²(占总面积的2.42%),草地总面积减少20.17 km²。未利用地由于在库区土地总面积中占比较小,未发生明显变化。

表3 2000-2017年三峡库区土地利用类型统计

参考刘琼等^[15]大量关于有关土地利用与经济发展的研究,在充分对协调发展理论的学习和参考下,遵循层次性、完备性、科学性以及数据可得性等原则,建立三峡库区土地利用系统与经济系统发展度评价指标体系。本研究从土利用结构、要素替代、土地生态、经济水平、经济活力、经济结构6个方面选择了15个评价值标,其中土地利用系统8个指标,经济系统7个指标。本研究所选择的15项指标均为正向指标,指标权重在数据标准化后,通过熵值法确定,见表4。

通过运用系统发展度模型和协调发展度模型,结合建立的指标体系对2000年、2007年、2014年、2017年三峡库土地利用系统和经济系统协调发展度进行计算得到表5和表6。表5为整个三峡库区以及分库首、库腹、库尾的协调发展度相关参数值,表6为三峡库区26个区县协调发展度相关参数值。

通过表5可知,2000—2017年三峡库区的整体协调发展度呈现上升趋势:2000年、2007年、2014年、2017年协调发展度分别为0.403,0.571,0.670,0.684,2000—2007年,2007—2014年两个时间段协调发展度上升幅度较大,2014—2017年协调发展度十分平稳,这主要是由于前两个时间段内三峡库区蓄水使得土地利用结构和经济结构出现了较大的调整,土地利用系统和经济系统的协调度迅速上升,2014年后由于库区未出现明显水位线调整,因此协调发展度相对平稳。从库首、库腹、库尾的协调发展度来看,2000—2017年库首、库腹和库尾的协调发展度波动较大。2000年协调发展度排序为库首>库腹>库尾,分别为0.431,0.398,0.381; 2007年协调发展度排序为库尾>库腹>库首,且协调发展度差距增大,分别为0.613,0.575,0.526; 2014年协调发展度排序为库尾>库首>库腹,分别为0.703,0.67,0.637; 2017年协调发展度排序为库腹>库尾>库首,分别为0.762,0.712,0.578。

表4 土地利用系统与经济系统协调发展度评价指标体系

表5 2000-2017年三峡库区及其库首、库腹、库尾协调发展度参数统计

由表6可知,三峡库区各区县协调发展度呈现上升趋势,协调发展度从2000年0.2～0.4上升到2017年0.6～0.8。从协调度C和协调发展水平综合指数T来看,2000—2017年协调度C增长速度要明显高于协调发展水平综合指数T,说明虽然土地利用系统和经济系统的协调度上升较快,但两系统缺乏相辅相成和协调优化,是属于低水平的协调发展。2000—2017年,导致两系统协调发展度发生变化的主要原因发生了转变。2000—2007年期间库区大部分区县土地利用系统发展度高于经济系统发展度,说明该时间段土地利用效益高于经济发展效益; 2014—2017年期间库区大部分区县经济系统发展度明显高于土地利用系统发展度,说明2014年过后经济发展效益高于土地利用效益。

通过对协调发展度的计算,结合表1和表2运用ArcGIS 10.1对2000—2017年三峡库区各区县土地利用子系统与经济子系统两者的协调发展度进行协调等度级划分(图2)、协调类型划分(图3)以及协调发展度滞后类型划分(图4)。

由图2可以看出,2000—2017年三峡库区各区县协调发展度等级的变化很大,各区县间的协调发展度等级的差异也十分显著。

2000年是三峡库区协调发展度等级最为丰富的年份,也是协调发展度普遍最低的年份,协调发展度等级从严重失调、轻度失调、初级协调乃至中级协调都有分布,万州区、巴南区、兴山县、巫山县等13个区县处于严重失调和轻度失调等级,夷陵区、秭归县、巴东县等12个区县处于初级协调等级,仅忠县处于中级协调状态。由于三峡库区进行了第一阶段和第二阶段蓄水,水位线达到156 m,土地利用和经济结构调整较大,2007年整个三峡库区均进入了初级协调和中级协调发展阶段,其中开州区、涪陵区、渝北区、北碚区、沙坪坝区、南岸区、渝中区、大渡口区、九龙坡区、巴南区、江津区共计11个区县进入了中级协调阶段,主要集中在库尾; 库首及库腹所在其他区县均处于初级协调阶段。由于三峡库区第三阶段的蓄水完成,水位线达到175 m,2014年三峡库区各区县的协调发展度再次发生了较大幅度的提升,仅余巴东县、巫山县、云阳县等3个区县处于初级协调阶段,其余区县均进入到中级协调阶段,值得一提的是兴山县的发展甚至进入了高级协调阶段。2017年由于三峡库区进入蓄水稳定期,除湖北巴东县、兴山县、秭归县3个区县处于初级协调阶段外,三峡库区重庆段区县均进入中级协调阶段,其中巫溪县进入到高级协调阶段。

表6 2000-2017年三峡库区各区县协调发展度参数统计

图2 2000-2017年三峡库区各区县协调发展等级分布

从图3可以看出,三峡库区各区县协调发展类型变化较大,越来越多的区县从失调进入到不同类型的协调发展状态。2000年库区各区县的协调发展类型差异较大,其中万州区和巴南区属于严重失调发展类,只有忠县进入到初级协调发展类; 2007年库首区县除江北区、北碚区、长寿区外,均进入到了初级协调发展类,库腹区域除开州区、巫溪县进入初级协调发展类外,其余区县均属于勉强协调发展类,库首区域除秭归县处于濒临失调发展类外,其余3个区县均处于勉强协调发展类; 2014年库区所有区县均进入到发不同类型的协调发展类型,其中巴东县、巫山县、云阳县处于勉强协调发展类; 2017年库区65%的区县进入到中级协调发展类,巫溪县进入到良好协调发展类,但库首巴东县、兴山县、秭归县仍然处于勉强协调阶段。

从图4来看,三峡库区蓄水前、蓄水中前期、蓄水后期、蓄水稳定期4个阶段导致库区协调发展度较低的原因发生了显著变化。2000—2007年库区蓄水前到第一、第二蓄水阶段,经济发展滞后是导致库区协调发展度较低的主要原因。2007—2014年第三蓄水阶段,库区协调发展度较低的主要原因是土地利用滞后导致的。2014—2017年库区进入蓄水稳定期后,库首、库尾与库腹导致协调发展度较低的原因呈现两个极端。具体来看,2000年库区26个区县均是由于经济发展滞后导致土地和经济两者间的协调发展度较差。2007年除库首4个区县和库腹渝北区是由于土地利用滞后型导致土地利用系统和经济系统协调发展度较低外,其余21个区县协调发展度较低的主要原因仍然是经济发展滞后。2014年除大渡口区外,其余25个区县导致协调发展度低的原因全部转变成土地利用滞后。2017年协调发展度变化的原因开始出现两个极端,库首和库尾区县主要是土地利用滞后型导致协调发展度较低,库腹协调发展度较低的原因除开州区是土地利用滞后外,其余区县均由于经济发展滞后型导致。

图3 2000-2017年三峡库区各区县协调发展类型分布

图4 2000-2017年三峡库区各区县协调发展滞后类型分布

通过建立指标体系并运用系统发展度和协调发展度模型对三峡库区2000年、2007年、2014年、2017年土地利用系统和经济系统协调发展度进行研究分析表明:(1)2000—2017年三峡库区土地利用系统与经济发展系统的协调发展度呈现明显上升趋势,88%的区县进入到中级乃至高级协调阶段。(2)三峡库区蓄水前、蓄水中前期、蓄水后期、蓄水稳定期4个阶段导致协调发展度较低的原因发生了显著变化,2000—2007年土地利用系统和经济系统的协调发展度较低的原因主要是由于经济发展滞后导致的,2014年协调发展度较低主要是由于土地利用滞后导致的,2017年导致库首、库尾与库腹协调发展度较低的原因呈现两个极端。

虽然三峡库区总体进入了中级协调发展阶段,但土地与经济两个系统间仍然存在许多问题。2017年三峡库区库首、库腹、库尾土地利用系统和经济系统发展出现了明显得两极分化。一方面土地利用系统发展度水平较低,且不稳定,导致经济发展水平和质量低; 另一方面经济系统发展度增速快,且上升幅度较大,导致土地利用较经济发展迟缓,会造成土地资源浪费。尽管库区88%的区县都进入了中级协调阶段,但是距离高级协调阶段仍然存在一定的距离。针对研究中发现的问题,为加快库区土地利用系统和经济系统从中级协调发展阶段进入高级协调发展阶段,形成相辅相成的高质量发展,提出以下几点建议:(1)库首和库尾区县要加强土地利用结构调整,制定科学合理的土地利用规划,做到土地节约集约利用,使土地利用效益跟上经济发展的速度;(2)库腹区县要调整经济发展的结构,提高经济发展的质量和水平,使经济发展效益跟上土地利效益;(3)库区要发挥土地的宏观调控作用,充分借鉴地票制度,通过农村宅基地置换的方式增加城市建设用地的供应,严守各类用地红线;(4)把握经济新常态,进一步调整经济结构,促进土地利用和经济发展相辅相成,走绿色发展道路。