大都市区土地利用与土地生态安全关系的计量分析——以深圳市为例

·6·

TERRITORY&NATURALRESOURCESSTUDY

2019No.1

文章编号：1003-7853（2019）01-0006-05

基金项目：国家自然科学基金资助项目（41571438）资助

大都市区土地利用与土地生态安全关系的计量分析

———以深圳市为例彭云飞1，杨芳玲1，任福2，李茹茹1

（1.深圳市规划国土发展研究中心，广东深圳518040；

2.武汉大学资源与环境科学学院，湖北武汉430079）摘要：本文基于土地利用与土地生态安全的理论，结合2000-2015年深圳市土地利用程度指数与土地生态安全指数的序列数据，采用协整分析对深圳市土地利用与土地生态安全的关系进行了实证研究。研究结果表明：土地利用与土地生态安全之间存在长期均衡关系、短期波动关系和单向因果关系。从长期来看，土地利用程度指数提高能够促进土地生态安全指数提高；从短期来看，土地生态安全指数受自身波动的影响较大，受土地利用程度指数的影响较小；土地利用程度指数提高是土地生态安全指数提高的直接原因，土地利用对土地生态安全的影响较为显著。关键词：土地利用；土地生态安全；协整分析；深圳市

中图分类号：QuantitativeF301.24

analysis文献标识码：A

betweenlandinuseoftherelationshipmetropolitanandlandecologicalareas

security

———AcasestudyofShenzhencity

PENGYun-feietal

(ShenzhenUrbanPlanningAbstract:ecologicalBasedonShenzhenandthetheoretical518040,LandResourceResearchCenter,

analysisChinaof)

landuseandlanddegree2015,measurementandandsecurity,useslandthispapercombinesthedataoflandusecointegrationecologicalsecurityanalysisintoShenzhenfrom2000tosecurityequilibriuminShenzhen.relationshipbetweenlanduseempiricallyandlandstudyecologicaltheone-wayrelationship,Theshortresultsshowthatthereisalong-termsecurity.causalpromoteIntherelationshiplongrun,thebetween-termincreaselandfluctuationinuselandandrelationshiplandanduseindexecologicalcanshortbydegreeitsterm,theowntheimprovementoflandecologicalsecurityindex;inthefluctuations,landecologicalandissecurityindexisgreatlyaffecteddirectindex,causeindex;ofthethelandimprovementusedegreelessofindexaffectedbythelandusethelandisimproved.ItisthemoreandtheimpactoflanduseonlandecologicalecologicalsecuritysecurityKeywords:significant.

isLanduse;Landecologicalsecurity;

Cointegrationanalysis;Shenzhen

1引言

人类在改变自然环境与景观的过程中会对土地生态过程产生影响。作为生态环境的综合反映，土地利用方式的转换引起了土地生态系统中的能量流动、物质循环；另一方面，土地生态系统也反作用于土地利用方式，有时甚至以一种极端的形式出现，如土地退化、水

土流失、自然灾害等[1]。

因此，如何在保证土地生态安全的前提下高效使用土地成为当前亟待解决的问题[2]。国外关于土地利用和土地生态安全方面的研究可追溯至十九世纪四十年代初，Leopold于1941年提出了“土地

健康”的概念[3]，

为土地生态安全的研究奠定了基础。在具体研究层面，大部分学者主要从土地资源保护的角度对土地生态安全进行系统性研究，如Mark等通过建立经济、政治、文化子系统，全面研究了东欧的生态

安全问题[4]；

Marull等从生态环境、社会经济方面构建了评价指标体系，分析了巴塞罗那的景观变化与土地生态安全状况[5]。在地区实践层面，大多数国家针对已出现的生态安全问题展开了行动，如联合国专题研讨了全球土地利用生态的脆弱性并最终达成公约；加拿大对北美大湖区进行了土地调查和生态重建；俄罗斯建立了土地资源管理系统和生态保护基金制度等。国外研究相关理论和实践探索为我国研究土地生态安全提供了重要依据。国内学者关于土地生态安全的研究开展起步较晚，部分学者认为城市化快速推进过程中的土地粗放利用给土地生态安全带来了威胁，还有学者认为土地利用与土地生态安全有着互为影响、相辅相成的关系，但普遍达成的共识是，只有合理安排土地利用选址、适当开发使用土地，才能从最大程度上保障土地生态安全，实现土地的可持续利用。当前关于土地生态安全的研究在方法运用上，大多数研究采用综合评价法、层次分析法、模糊物元法、“压力—状态—响应”模型等，针对这些方法在准确性、稳定性等方面的

不足，部分学者进行了改进，并取得了较好的效果[6]。

本文以深圳市为研究对象，基于深圳市2000-2015年的土地利用程度指数和土地生态安全指数的纵向时间序列数据，采用协整分析对土地利用与土地生态安全的计量关系进行实证研究，并据此对当前及未来的土地利用提出相关政策建议。2研究区概况

深圳市地处广东省南部，2005年率先在全国划定了第一条基本生态控制线以防止建设用地的迅速扩张危及城市生态安全。在实际管理方面，深圳市在2013年开展了生态控制线内的“摸家底”工作，通过对生态控制线内生态环境、经济社会、土地建筑等资源的常态化信息调查和更新工作，建立了全市生态控制线管理的基础

彭云飞等大都市区土地利用与土地生态安全关系的计量分析———以深圳市为例信息平台。本文土地利用数据来源于深圳市历年土地利

用变更调查，社会经济数据来源于《中国统计年鉴》、《广东省统计年鉴》、《深圳市统计年鉴》等相关统计资料。3研究方法与数据3.1研究方法

3.1.1土地利用程度综合分析法。一般形式为：·7·3.2数据处理

3.2.1土地利用程度指数

土地利用程度反映出土地开发利用的强度[8]。对每级土地利用类型分级指数乘以该类型所占的百分比，然后进行加权求和，计算土地利用程度指数（TDLY），见表1。

nLd=100移Li×Ai（1）

i=1nn△Ldb-a=100×(式中Ld表示移Li×Aib-土地利用程移Li×Aia)

（2）

i=1i=1度指数，△Ldb-a表示土地利用程度指数变化量，Li表示土地利用强度指数，Ai表示土地类型所占比例，Aia表示a时点土地类型所占比例，Aib表示b时点土地类型所占比例，i表示地类。3.1.2熵权法。设有n个样本单位，p个评价指标组成数据矩阵，对原始数据标准化后计算熵值。一般形式为：Si=-μ移n（3）j=1kijlnkijrj=

移hni（4）

iji=1h

式中：μ为待定系数。kij为第j个指标下第i个系统的特征比值。rj为指标权重，h为差异系数。3.1.3协整分析。协整理论可以很好地揭示变量序列间是否存在长期的均衡关系，进而分析变量的相互作用和相互影响机制问题[7]。

ADF检验。检验数据系列的平稳性，一般形式为：p△yt=c+ρyt-1+移φi△yt-(i-1)+εt（5）

i=2式1中，εt为随机误差项，△为一阶差分符号，t为时间。

协整检验。检验数据系列是否存在长期的协整关系。

误差修正模型。检验数据系列是否存在短期波动关系。一般形式为：

△Yt=αECMt-1+A1△Yt-1+A2△Yt-2+…+Ap△Yt-p+εt（6）

其中，ECM是误差修正项。Granger因果关系检验。检验协整关系是否能构成因果关系，一般形式为：pqyt=c+移αi△yt-i+移βi△xt-i+μt（7）

i=1i=0原假设xt不是yt的Granger原因。

脉冲响应函数。检验变量在受到扰动项时的作用关系。

3.2.2土地生态安全指数

采取“资源—经济—环境—社会”模式开展土地生态安全评价，共选取22项指标，计算土地生态安全指数（STAQ），见表2和表3。4研究过程与结果4.1单位根检验

基于深圳市2000-2015年土地利用程度指数，采用ADF检验方法对土地生态安全综合指数（STAQ）、土地利用程度指数（TDLY）进行平稳性检验。根据各变量的水平值和一阶差分的ADF的单位根检验结果（表4），STAQ、TDLY在5%的显著性水平下均不能拒绝原假设，表明两者均为非平稳系列；而一阶差分变量△STAQ和△TDLY在5%的显著性水平下均可以拒绝原假设，表明两者的一阶差分均不存在单位根，为平稳系列。因此，STAQ、TDLY都是一阶单整序列。4.2Johansen协整检验

由于STAQ、TDLY均为非平稳系列，但同为一阶单整序列，因此，两者仍然可能是协整的，采用Johansen协整检验方法对其进行检验。构建矢量自回归模型（VectorAuto-regressionMode），根据滞后期结构LagStructure）判断标准和AIC与SC准则，最佳滞后期为3。因此，设定协整检验的滞后期为2（图1）。

根据Johansen检验结果，迹统计量的值为39.6841，大于5%的临界值15.4947，可以拒绝原假设，说明STAQ与TDLY之间存在协整关系。土地利用与土地生态安全长期处于均衡状态，这主要是由于土地利用程度的提高导致土地利用结构的变化，并对自然、经济、社会环境产生深远影响，从而促进土地生态安全的提高（表5）。4.3误差修正模型

为了进一步考察土地生态安全与土地利用程度之间短期的动态关系，建立反映短期偏离长期均衡的误差修正模型。由协整检验结果可知，VAR模型的最佳滞后期为3，因此确定误差修正项（ECM）的滞后期为2。

表12000-2015年深圳市土地利用程度指数表年度指数年度指数年度指数年度指数2000260.552004277.952008288.172012290.892001265.152005280.812009285.632013292.512002270.072006284.062010287.002014293.672003

275.41

2007

286.84

2011

288.52

2015

294.38

（·8·彭云飞等大都市区土地利用与土地生态安全关系的计量分析———以深圳市为例表2土地生态安全评价指标体系

目标层

指标层资源供给

土地资源生态安全

资源消耗

因子层人均农用地面积人均水资源森林覆盖率单位工业增加值用水量单位工业增加值能耗单位GDP电耗地均劳动人口数量固定资产投资专利申请总量地均第三次产业增加值

地均GDP可吸入颗粒物年日平均浓度

工业固体废弃物工业废气排放量城市生活污水处理率空气质量优良率生活垃圾无害化处理率人口密度

人均住房使用面积人均绿地面积地方财政收入社会消费品零售总额

单位平方公里/万人万人/立方米

%万元/立方米吨标准煤/万元千万时/万元万人/平方公里

万元个

万元万元毫克/立方米

万吨亿标立方米

%%%万人平方公里

平方米平方米

万元万元

预期作用方向

+++---+++++---+++-++++

土地经济生态安全

土地投入土地产出污染负荷

土地环境生态安全

环境提升

土地社会生态安全

社会需求社会保障

表32000-2015年深圳市土地生态安全指数表

年度2000200120022003

指数37.9638.3641.4428.78

年度2004200520062007

指数32.5037.4140.0843.52

年度2008200920102011

指数44.6546.0548.6452.37

年度2012201320142015

指数54.5851.3255.9758.74

表4序列ADF检验结果

变量STAQTDLY△STAQ△TDLY

ADF检验1.13743.7983-3.9071-2.2051

检验类型（C,T,K）

（c,t,0）

（c,t,0）（c,0,0）（c,0,0）

1%临界值-2.7282-2.7282-2.7406-2.7406

5%临界值-1.9663-1.9663-1.9684-1.9684

p0.92540.99960.00080.031

结论非平稳非平稳平稳平稳

注：△表示一阶差分；（C,T,K）分别表示常数项、趋势项和滞后阶数。

图1矢量自回归模型滞后期结构图

（a）滞后期为2

1.51.00.50.0-0.5-1.0

-1.5

-1.5-1.0-0.50.0

0.5

1.0

1.5

1.51.00.50.0-0.5-1.0

-1.5

-1.5-1.0-0.50.0

0.5

1.0

1.5

（b）滞后期为3

1.51.00.50.0-0.5-1.0

-1.5

-1.5-1.0-0.50.0

（c）滞后期为4

0.51.01.5

彭云飞等大都市区土地利用与土地生态安全关系的计量分析———以深圳市为例表5土地生态安全与土地利用程度的Johansen协整检验协整向量原假设

None*

至多一个

特征根0.93580.2645

迹统计量值39.68413.9941

临界值15.49473.8415

P**0.00000.0457

·9·注：**表示在5%显著性水平下拒绝原假设。

4.3.1误差修正项为：

ECM=STAQ-348.5434TDLY+292.07（8）4.3.2土地生态安全与土地利用程度的误差修正模型为：D（STAQ）=-0.7287ECM-0.2107D（STAQ（-1））

-0.1476D（STAQ（-2））-108.5574D（TDLY（-1））-238.5281D（TDLY（-2））+4.6213（9）

4.3.3信息判定系数为：R2=0.9069；AIC=4.3939；SC=4.6546

在误差修正模型中，误差修正项系数为负，并且统计上是显著的，符合反向修正机制，反映了STAQ与TDLY之间的短期关系，系数的大小表示短期偏离长期均衡的调整力度。以上结果表明，当土地生态安全偏离均衡水平时，土地生态安全与土地利用程度的协整关系促使其向均衡水平趋近，调整幅度为72.87%。另外，从各变量的系数来看，短期内土地生态安全受自身波动的影响较大，受土地利用程度的影响较小，这主要是由于两者发展的前提不同，土地利用程度在很大程度上是以土地利用结构的优化为前提，而土地生态安全是以“自然—经济—环境—社会”的协调发展为前提。

4.4Granger因果关系检验

为进一步探究土地生态安全与土地利用是否存在因果关系，通过Granger因果关系检验进行检验。结果表明，在5%的显著性水平下“TDLY不是STAQ的Granger原因”的原假设被拒绝，但“STAQ不是TDLY的Granger原因”的原假设无法被拒绝，说明土地利用程度与土地生态安全存在单向因果关系，即土地利用程度指数提高是土地生态安全指数提高的原因，而土地生态安全指数的提高不是土地利用程度指数提高的原因（表6）。4.5脉冲响应函数

脉冲响应函数可以确定系统内变量自身及其他内生变量变化时的反应状态，并揭示相互影响的过程[9]。为了进一步分析STAQ与TDLY的相互冲击和响应效果，在VAR模型基础上计算响应函数的标准差。根据脉冲响应函数的追踪图（图2），当STAQ与TDLY分别受到自身和另外一个变量的冲击时，二者的反应差异较大。①土地生态安全在冲击期内受到自身一个标准差单位的冲击时反应较为强烈，起初反应迅速，在第3期达到最低值，然后在第4期达到最高值，到第6期后保持相对稳定的状态；②土地利用在冲击期内受到自身一个标准差单位的冲击时反应相对较小，在第3期达到最低值，在第5期达到最高值之后一直处于相对稳定的状态；③土地生态安全在受到土地利用的一个标准差单位的冲击时反应迅速，在第2期达到一个高值，在第3期迅速达到最低值，之后又迅速上升并在第5期达到最高值，表明土地利用对土地生态安全有较大的影响；④土地利用在受到土地生态安全的一个标准差单位的冲击后响应较弱，呈小幅波动状态，并迅速恢复平稳。由于土地利用受到内生变量土地生态安全的一个标准差单位冲击时，响应较弱；而土地生态安全受到内生变量土地利用的一个标准差单位冲击时，其反应强烈并且反应程度较大。因此，土地利用对土地生态安全的影响较为显著，而土地生态安全对土地利用的影响较弱。5结论与建议

本文通过对2000-2015年深圳市土地利用程度指数与土地生态安全指数的序列数据进行协整分析，结论如下。

5.1土地利用程度和土地生态安全之间存在长期均衡关系。从长期来看，土地利用程度指数提高能够促进土地生态安全指数提高，这主要是由于土地利用程度的提高导致土地利用结构、空间布局和利用方式等的变化，并对自然、经济、社会环境产生深远影响，从而促进土地生态安全的提高。因此，政府在开展各项规划时，要进一步优化土地利用结构，推进土地空间布局调整，倡导合理的利用方式，为提高土地生态安全创造良好的条件。

表6Granger因果关系检验结果

原假设TDLY不是STAQ的Granger原因STAQ不是TDLY的Granger原因注：在5%显著性水平下拒绝原假设。

滞后阶数F统计量33

22.28350.0675

概率0.00120.9786

结论拒绝不拒绝

·10·彭云飞等大都市区土地利用与土地生态安全关系的计量分析———以深圳市为例图2土地生态安全与土地利用脉冲响应函数图

（a）土地生态安全的自身冲击3210-1-21

2

3

4

5

6

7

8

9

幅度

.0100.0075.0050.0025.0000-.0025期数-.005010

1

2

3

4

5

6

7

8

9

期数

10

（b）土地利用自身的冲击幅度

（c）土地利用对土地生态安全的冲击3210-1-21

2

3

4

5

6

7

8

9

期数10

幅度

.0100.0075.0050.0025.0000-.0025-.0050

（d）土地生态安全对土地利用的冲击幅度

期数

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

2011，21（S1）：459-461.5.2土地利用与土地生态安全存在短期波动关系。从全研究[J].中国人口·资源与环境，杨海娟，刘庆果.南水北调重要水源地的土地生态短期来看，土地生态安全指数受自身波动的影响较[2]孙丕苓，

—以陕西省商洛市为例[J].自然资源学报，大，受土地利用程度指数的影响较小，这主要是由于安全动态研究——

2012，27（09）：1520-1530.

两者发展的前提不同，土地利用程度在很大程度上是

[3]LeopoleA.Wildernessasalandlaboratory[J].LivingWilderness,

以土地利用结构的优化为前提，而土地生态安全是以

1941(July):3.

“自然—经济—环境—社会”的协调发展为前提。在大

[4]MarkLawrenceSchrad.Threatlevelgreen:Concedingecologyfor

都市区土地利用程度普遍较高的背景下，仍然有部分securityineasternEuropeandtheformerSovietUnion[J].Global土地存在低效利用甚至撂荒等问题。因此，要制定合EnvironmentalChange,2006,16(4).理的土地政策，通过经济补偿、行政激励、法律约束等[5]MarullJ,PinoJ,TelloE,etal.Socialmetabolism,landscape多种手段促进土地的集约节约利用。changeandland-useplanningintheBarcelonaMetropolitanRegion5.3土地利用程度与土地生态安全存在单向因果关[J].LandUsePolicy,2010,27(2):497-510.

杨玉珍，陈训争，等.基于PSR和无偏GM(1,1)模型系，即土地利用程度指数的提高是土地生态安全指数[6]范胜龙，

2016，30提高的直接原因，土地利用对土地生态安全的影响较的福建省耕地生态安全评价与预测[J].中国土地科学，

：19-27.为显著；土地生态安全指数的提高不是土地利用程度（09）

刘黎明，管青春.基于变结构协整检验的都市农业

指数提高的原因，土地生态安全对土地利用的影响较[7]任国平，

景观演变阶段分析[J].农业工程学报，2017，（12）：249-260.

弱。随着人口的不断涌入，各类用地需求日益旺盛，逐

[8]李春燕，南灵.陕西省土地生态安全动态评价及障碍因子诊

渐呈现出高度集约化趋势，但土地利用程度的提高对

断[J].中国土地科学，2015，29（4）：72-81.

土地生态安全的影响是有门槛效应的。因此，为确保

[9]杨小燕，赵兴国，崔文芳，等.欠发达地区产业结构变动对生

土地的可持续利用，要对土地的最高利用程度有所限态足迹的影响———基于云南省的案例实证分析[J].经济地理，制，避免因土地过度开发利用产生的资源浪费、环境2013，33（01）：167-172.污染、生态破坏等负外部性问题。作者简介：彭云飞（1981-），男，湖北宜城人，博士，研究方向为参考文献：

[1]曲哲，任家强，李红丹.基于生态足迹的朝阳市土地生态安

土地评价与管理。

（2018-12-17收稿刘晓佳编辑）