土地利用系统对区域可持续发展的支撑力评价方法与实证

　　摘要：土地利用系统作为人类与自然界交互的关键载体，在区域可持续发展过程中占据重要地位。为分析其与联合国可持续发展目标(SDGs)的关联特征，解释其对SDGs的支撑能力，构建土地利用系统内涵解析框架，探索其对SDGs的支撑机制并构建可持续发展支撑力评价体系，以山东省为例进行实证分析。研究结果表明：(1)以土地利用系统为核心，在人地关系视角下解析其与社会、经济、生态系统的交互作用，分析其在人地耦合系统中的运行机制，揭示其与可持续发展的相关关系，可为确定土地利用系统可持续发展目标提供理论解析。(2)山东省土地利用系统支撑力呈“省域西低东高、市域中心低周围高”分布，研究期内，66%的区域实现了支撑能力的提升，支撑力变化呈现“西北部提升、中部及东部下降”现象。具有农业优势的西部平原区对SDGs的直接支撑及自身稳定力提升，但间接支撑力有所下降，东部经济发达区自身稳定力有所提高，但直接及间接支撑力下降。(3)各类型支撑力变化空间相关性显著。显著区域多分布在市辖区，菏泽市农业发展能力的辐射带动作用较强，东营市土地经济产出及社会供应能力呈高—高集聚，土地自身稳定力呈低—低集聚。研究提出了土地利用系统支撑可持续发展的新视角，可为后续研究提供借鉴，实证分析为山东省可持续发展战略提供决策建议，为国土空间规划背景下的政策调控提供参考。

　　关键词：土地利用系统;可持续发展;土地支撑力;山东省

　　可持续发展作为全球重大使命，强调人类与地球各系统的和谐永续共存。从联合国千年发展目标(MDGs)到2030年可持续发展目标(SDGs)，可持续问题备受各界重视。SDGs的实现有赖于社会、生态、自然资源等各要素协调统一[1,2]，但当前存在的诸多资源环境问题使可持续发展目标的实现面临严峻挑战[3,4]。土地资源作为支撑可持续发展的基础要素之一，是人类系统、生物圈、大气圈及其他系统相互作用的重要媒介，作为维持人类生计和福祉的基础性要素，可提供物质、能源、生态等多种服务[5,6]。

　　当土地资源从单纯的自然要素转变为劳动资料及劳动对象时，在人类活动影响下，土地资源本底、土地利用方式及强度与社会经济、生态环境的物质交流循环构成了土地利用系统[7]。土地利用系统与社会、生态系统之间的交互机制决定了其在解决食物、能源、健康等可持续发展重大问题中扮演的关键角色[8-12]，同时土地利用变化也显著影响社会、经济和生态系统的安全性与稳定性[13]。

　　在全球层面，不断增长的人口和资源能源消耗导致土地压力过大，不当的土地利用方式及利用强度对社会发展和陆地生态系统造成了严重的负面影响，其中，近1/4的土地退化由人为造成[5]，引起的极端天气导致低纬度地区粮食安全性降低[14]、作物产量下降[15]、非洲畜牧业发展增长缓慢[16]等不良现象;在区域层面，资源密集型消费和经济快速发展导致的土地问题影响了人类健康[14,17]、生物多样性[18]、粮食安全[19]等诸多方面，如干旱的土壤增加热浪的严重性[20]、荒漠化加剧全球变暖[21]、城市化进程加剧城市热岛效应[22,23]等。

　　社会、生态、经济各系统对土地造成的压力也会造成土地利用方式的转变[24,25]。在人口增长与社会发展的双重压力下，合理利用土地有助于减少其对社会和生态系统的负面影响。在土地资源本底确定的情况下，如何改造土地、利用土地、平衡人地关系，为区域可持续发展提供更有力的支撑已成为区域可持续发展中亟待解决的重点问题。

　　区域可持续发展及土地可持续性利用是当前学术界研究的热点领域。在理论研究层面，学界重点关注土地利用的可持续性，从“增长理论”到“发展理论”再到“可持续理论”，从“追求可利用土地的数量”“追求土地发展效益”到“追求土地的再发展能力”，如何实现土地的永续发展成为当前研究的焦点;以系统论和复杂学为分析范式，涉及地理学[26]、农学[27]、景观生态学[28,29]、生物学[30]、经济学[31]、物理学[32]等诸多领域，亦从粮食生产[19]、经济发展[18]、城镇化[33]、气候变化[34]、生态安全[28]等多视角分析土地利用系统与可持续发展的内在交互关系;多以土地利用的可持续性为出发点，剖析土地可持续的内涵，解析土地利用方式及强度的可持续性。在研究方法层面，多关注对土地利用可持续性的评价，以空间分析、实证主义和追溯学为主，包括AHP层次法、模糊评价法、主成分分析、关联矩阵等方法[35-37];研究尺度虽涉及全球、国家、省、市等不同层次[38,39]，但多集中在市县等中小尺度的实证分析[36,40]，较少考虑区域可持续的空间相关性。

　　综合而言，现有研究在土地可持续利用与土地利用多功能等方面进行了有益探索，但较少在省域尺度从土地利用系统角度探究其与SDGs的支撑关系。山东省作为我国人口大省和农业大省，拥有东部半岛经济发达区、中部山区中度发达区及西部平原欠发达区，虽区位优势明显，但内部经济差异显著、自然地理要素多元、区域发展不平衡问题凸显[40]。本文拟从人地关系的角度解析土地利用系统的内涵与本质，分析其对以人类为行为主体的社会、经济、生态等系统的交互关系，以及对区域可持续发展的支撑作用，通过实证分析省域土地利用系统支撑能力的分布特征及空间相关关系。研究可拓宽土地利用系统与可持续发展的理论研究视角，为可持续发展目标下的省域土地均衡发展提供决策支持。

　　1土地利用系统对可持续发展的支撑机制

　　1.1土地利用系统内涵解析

　　从系统论的角度出发，土地利用系统以土地资源本底为运行基础，以人类为主体和实施者[41]，以不同利用方式与利用强度为运行核心，系统内各要素间存在协同和相干效应[42]，系统外与以人类为主导对象的社会、生态、经济各子系统相互作用，是持续进行物质互馈、能量流动和信息交换的多元开放系统[43];从人地关系的角度出发，人地关系强调人类主体与自然环境间的关系。

　　土地利用系统作为人类社会经济活动与土地资源相互作用形成的复杂系统，以其资源要素供给能力支撑各项人类活动、服务社会经济发展，同时承载人类发展多种需求及人类活动增强带来的压力，强调人地关系中“地”对“人”的支撑力、“人”对“地”的压力及两者互相作用。作为人—地复合关系下的“要素—结构—格局—服务”综合系统，土地利用系统在要素层包含以土地资源本底为基础的水资源、大气、生物环境等各类自然要素。要素间不同组合方式形成了土地利用结构，不同土地利用单元之间的空间关系和响应过程构成了土地利用格局，服务层作为土地利用系统与人类交互的关键载体，是要素、结构和格局的重要表现形式[44]，同时人类对服务的需求将施压于土地利用系统各要素。

　　从人地耦合系统的角度出发，人类与自然环境两主体之间、主体各要素之间、要素不同组合方式下相互作用形成了人地耦合系统，囊括“人”和“地”交互过程中涉及的所有要素与作用方式，包括社会、经济、生态、土地利用等各类子系统。土地利用作为人地耦合系统中的重要组成部分，是系统运行的主要承载形式和重要运行基础，与社会、经济、生态等子系统互馈运行，是包括资源要素、组织结构、过程格局、供给服务在内的开放循环巨系统。

　　土地利用系统具有内部要素多元化、利用过程多样性，与社会、经济、生态系统交互关系复杂性等特征。区别于土地可持续利用与土地利用多功能研究，土地可持续利用强调在保持自身持续发展的前提下可达到效益最大化的能力，属于土地利用系统中的要素、格局与服务层;土地利用多功能强调土地可提供各类产品或服务的能力，归属土地利用系统中的要素与服务层。土地利用系统具有研究对象的综合性和研究内容的系统性，强调内部各要素间及与社会、生态、经济等各系统间的相互作用关系[41]。

　　1.2土地利用系统运行机制解析

　　自然资源要素作为土地利用系统的基础，接受光、温、水等自然要素和各类生产资料的持续输入，最早以基础农产品产出维持人类生计，随着人类需求增大，经济输入持续增强，以不同土地利用方式和利用强度推动经济产出[47,48]。在人口增长的压力下，土地一方面通过直接经济产出促进经济增长和社会发展，另一方面以非经济产出的方式为人类提供生态服务，以维持社会、经济、生态各子系统动态平衡。同时，土地利用系统的持续产出也反作用于系统运行，产生物质、能量和信息循环。随着人口持续增长，高数量、高质量的产出需求迫使土地接收高密度、高强度的生产资料投入，人类在土地利用系统与其他各系统交互中占据的主导作用日益突出[49]。

　　在不当土地利用方式和利用强度尚处在土地自我修复能力范围内时，土地利用系统仍可保持稳定;当压力超出土地自身所能承载的阈值，将会对自系统及社会、经济、生态等他系统产生负反馈。不当的土地利用将导致土地生产力降低，社会系统运行紊乱，社会对土地的竞争和对资源的争夺也将持续增大，同时会引发大气污染[50]、水土流失[51]、土壤污染[52]、土壤侵蚀[53]等生态环境问题。土地利用与可持续发展目标(SDGs)密切相关[54]，SDGs的实现需依托土地生产力、稳定力、人口承载等各项功能，以推进经济社会发展和生态安全。

　　SDG1(无贫穷)的实现需依赖工矿仓储、商业服务等用地[55];SDG2(零饥饿)的实现需依赖可生产食物的耕地[56];SDG3(健康与福祉)、SDG4(优质教育)的实现则依托土地资源开展医疗、教育等公共设施和基础服务的建设[57];SDG8(工作与经济)、SDG11(可持续住区)和SDG12(消费与生产)的实现需依托建设用地带来的经济产出[58];土地利用的稳定性与资源环境的协调性为SDG13(气候行动)和SDG15(陆生生物)提供支撑[59,60]。土地利用系统以其生产功能进行经济产出，带动经济发展，协调生产关系，支撑区域生产可持续;以社会功能承载人口增长，提供公共设施、住宅、交通等各项服务，维持社会稳定发展;以生态功能支撑资源环境协调发展，促进生态安全与平衡。

　　1.3土地利用系统对可持续发展的支撑力解析

　　基于土地利用运行机制及对SDGs的支撑关系，本文从土地生产性、土地稳定性、人口承载性、经济可行性、资源环境协调性和社会可接受性六个方面构建土地利用系统对区域可持续发展支撑力评价体系。由于土地利用系统更突出除自然本底之外的土地利用方式和利用强度，故评价指标体系重点关注土地利用过程，不涉及土地资源的自然属性(如坡度、高程、降水等)。《2030年可持续发展议程》包括17个可持续发展目标和169个具体目标[1]。为进一步揭示土地利用系统对可持续发展目标的支撑能力，在分析准则层表征意义的基础上，解释指标层对SDG具体目标的支撑作用：

　　(1)生产性作为土地支撑可持续发展的基础条件，以土地生产性表征土地在不同利用方式和强度下的生产能力。以耕地规模和粮食产量反映土地对全面消除饥饿、粮食安全的保障作用，可对SDG2.1(消除饥饿)和SDG2.2(提供营养)提供支撑作用[62];以设施农用地面积和第一产业增加值反映农业生产力，可对SDG2.3(提高农业收入)提供支撑作用[63]。

　　(2)土地系统稳定作为可持续发展的必要条件，以土地稳定性表征土地利用过程中受损之后的自愈能力、安全性和风险抵御能力。以耕作可达性和有效灌溉面积占比反映土地管理措施对提升土地抗灾能力、维持农业生态系统的保障性，可对SDG2.4(维护农业可持续)提供支撑[64];以水面面积占比和土地退化指数衡量水土资源协调性及土地荒漠化程度，以支撑SDG6.1(保护水环境)和SDG15.3(防治荒漠化)[65,66]。

　　(3)人口作为可持续发展的核心参与者，以人口承载性表征土地利用对人口增长的供应及承载能力。以人均耕地面积和人均粮食产量表征土地对人口的直接保障，可对SDG2.1和SDG2.2提供支撑作用[56];以人均建设用地面积反映土地提供的住房保障，可支撑SDG11.1(确保住房和基本服务)，以人口密度反映区域整体人口压力[58]。

　　(4)土地的经济功能是实现可持续发展的关键要素，以经济可行性表征土地利用对区域经济发展的带动作用，强调土地利用形成的直接或间接经济效益。以人均国民生产总值反映人口对土地的经济压力，可对SDG1.1(消除极端贫困)和SDG1.4(享有土地资源)提供支撑作用[47];以土地生产力反映土地的经济产出能力，以固定资产投资表征经济发展潜力，可对SDG8.3(发展产出)提供支撑作用[48]。

　　(5)保持资源环境协调作为可持续发展的前提，以资源环境协调性表征土地利用过程中对资源与环境的平衡情况，强调土地的合理利用和开发。以土地总面积反映土地资源本底基础，以农业机械总动力反映大气及土壤污染的可能性，实现可持续发展应最大程度降低其对粮食安全和大气环境造成的负面影响，可支撑SDG3.9(减少空气、水和土壤污染)和SDG12.5(防治污染与减排)[67];以植被生产力和单位面积林木蓄积量表征植被覆盖情况及生产力，反映生态系统的可持续性，可对SDG13.1(提高灾害防御能力)和SDG15.1(可持续利用生态系统及服务)提供支撑作用[68]。

　　(6)可持续发展追求社会的健康、持续与稳定，以社会可接受性强调土地利用过程中社会大众的接受能力，表征社会发展对土地利用的依赖关系;以公路用地面积反映区域道路便利性，可支撑SDG11.2(提供交通运输系统)[69];以城市面积表征城市发展的用地基础，可支撑SDG11.3(城市建设)[68];以普通中学在校学生数反映教育发展建设用地对社会发展的支撑，以促进公平优质的教育，可支撑SDG4.1(确保教育)和SDG4.4(技术培训)[70];以医疗卫生机构床位数反映医疗发展建设用地对社会发展的支撑，以促进全民健康，可支撑SDG3.4(疾病治疗)和SDG3.8(基本保健服务)[71]。

　　2研究方法与数据来源

　　2.1研究区概况

　　山东省是中国东部沿海的经济大省，与日韩隔海相望，地处环渤海经济圈，在“一带一路”建设、京津冀协同发展、黄河流域生态保护和高质量发展、中韩自贸协定、东亚海洋合作等各项发展战略中占据重要地位。山东省现辖17个(地)市，总面积为15.8万km2，总人口10047万人(全国第2位)。

　　GDP总量7.65万亿元(全国第4位)，山东省经济综合实力较强，资源禀赋优势显著，特殊的地理位置提升了区域竞争力，但其资源供给不足，人口压力较大，生态系统脆弱，人地矛盾日益突出，虽具有较高的综合实力，但在2018年发布的《可持续发展蓝皮书：中国可持续发展评价报告》中，山东省可持续性居全国第8位，区域可持续发展能力亟待提升。本文综合考虑研究科学性及数据可获取性，以山东省137个县(区)作为研究单元，以2012年和2018年为两个研究时间段，在省域层面分析土地利用系统对区域可持续发展的支撑能力。

　　2.2数据来源

　　研究数据包括土地利用数据、社会经济数据及相关统计数据。其中，土地利用现状数据是核心基础，为保证数据分析精度和数据可比性，选取2012年(二调数据正式使用期)和2018年(最新的二调变更数据)作为研究时间截面。

　　2.3研究方法

　　(1)因子分析法因子分析法是从观测变量群中提取共性因子、获取隐形变量，并以潜在变量和影响变量的线性组合表示原始变量的统计学方法[72]。即从复杂变量群中提取具有密切关系的变量，抽离多个综合性指标，这些综合性指标被称为公共因子。将观测变量群凝结为几个公共因子，可进行数据浓缩，达到提炼变量群本质和核心的目的，以公共因子的方差贡献率和该因子的得分乘数建立公共因子得分函数。研究借助SPSS25.0、ArcGIS13.0软件进行数据处理与分析。

　　3结果分析

　　3.1土地利用系统对可持续发展的支撑力

　　为确定各指标内部的相关关系并评价各研究单元土地利用系统可持续发展的支撑能力，考虑累积方差百分比为80%，提取前6个公因子作为土地利用系统支撑区域可持续发展的关键因素。2012年公因子提取结果显示：公因子1主要贡献于耕地产出能力及区域第一产业产值;公因子2由土地经济效益指标决定，强调土地利用系统对区域经济的支撑能力;公因子3重点贡献于土地利用系统的稳定能力，强调土地生态质量;公因子4由人口密度、人均资源占有量等指标决定，强调土地利用系统对人口增长的承载能力;公因子5由林地数量和植被指数决定，强调资源环境的协调性;公因子6多由反映社会发展的指标决定，强调土地利用系统对社会发展的支撑能力。

　　基于此，将2012年的公因子1和公因子4定义为土地利用系统对区域可持续发展的直接支撑力，将公因子2和公因子6定义为土地利用系统对区域可持续发展的间接支撑力，公因子3和公因子5定义为土地利用系统的自身稳定力。同理，将2018年的公因子2和公因子5定义为土地利用系统的直接支撑力，公因子1和公因子6定义为土地利用系统的间接支撑力，公因子3和公因子4定义为土地利用系统的自身稳定力。

　　对同属直接支撑力、间接支撑力和自身稳定力的各项指标进行对比，不同年份公因子包含的具体指标虽存在一定差异，但74%的指标在不同年份仍归属同一支撑力类别，选取78%的公共指标作为支撑力对比依据。将6个公因子的方差百分比作为计算土地利用系统支撑能力的权重，得到土地利用系统的支撑力计算结果，支撑力水平具有明显的空间差异性。在省域层面呈现“西低东高”的分布特征，支撑力水平较高的区域分布在青岛市、潍坊市东部、东营市等地，支撑力较低的区域零散分布在中部山区及西部平原区，土地资源支撑区域可持续发展的实现面临一定挑战。

　　在市域层面呈现“中心低、周围高”的分布特征，相比于青岛市全域，青岛市辖区的支撑力略显降低，可看出市辖区可持续发展对土地利用系统的压力略高于青岛市其他区域，而济南市、淄博市等同具有此类现象。相比于2012年，2018年有66%的县(区)总支撑力得到提升，提升区域主要集中在山东省西北部，下降区域分布在中部山区、青岛市、烟台市等区域，其中青岛市土地利用系统支撑力虽整体较高，但研究期内总支撑力水平呈下降现象，提取归属同一类别支撑力的公共因子进行加权汇总，得到土地利用系统对可持续发展的直接支撑力、间接支撑力和自身稳定力综合得分。

　　4结论与讨论

　　4.1结论

　　在土地自然本底确定的基础上，合理的土地利用方式与强度已成为支撑区域可持续发展的关键所在。本文在已有研究的基础上，构建了土地利用系统运行机制理论解析体系，解析其运行机制及与社会、经济、生态系统的交互过程，确定了土地利用系统可支撑的SDGs，依据理论解析框架选取代表性指标开展省域尺度土地利用系统支撑力评价，提出了以土地利用为出发点的研究新视角，为土地利用系统支撑可持续发展拓宽了新的研究范畴，可为后续相关研究提供借鉴参考;以山东省为例的实证分析证实了理论框架和指标体系的可行性和科学性，不同土地利用系统对SDGs支撑能力的差异性和空间相关性反映了省域及市域可持续发展不同的侧重点，为区域发展决策调控提供参考和支撑。研究结果表明：

　　(1)山东省土地利用系统支撑能力空间分布差异显著，呈“省域西低东高、市域中心低周围高”的分布特征，高支撑力区域集中在胶东半岛、东营市等东部经济发达区，中部山区及西部平原区对SDGs的支撑水平相对较低，支撑力变化呈现“西北部提升、中部及东部下降”现象。经济发达地区依赖地形、气候、区位等各项资源优势，现阶段对SDGs的支撑力较强，但研究期内支撑力有所下降，未来应关注资源高效配置及节约集约利用。中部山区受地理条件限制，土地资源利用效率有待提高，鲁西平原区囿于传统农业发展方式与自然资源条件，整体支撑力相对较低，但研究期内呈提升态势，表明平原区对SDGs的支撑潜力较大。

　　(2)各类型支撑因素在空间上具有较大差异。研究期内，具有农业优势的西部平原区对SDGs的直接支撑及自身稳定力提升，但间接支撑力有所下降，在保证生产力、供给人口的基础上，应提升对区域经济的带动作用。东部经济发达区自身稳定力有所提高，但直接及间接支撑力下降，未来在追求经济增长的过程中应注重对人口的直接供给，提升区域发展可持续性。整体来看，作为农业大省和人口大省，山东省对区域SDGs的直接支撑能力较强，可支撑SDG1、SDG2、SDG11的实现，但在土地间接支撑力及自身稳定力方面应更注重经济集约发展及生态保护修复，以支撑SDG8、SDG12、SDG13的实现。

　　(3)各类型支撑力变化空间相关性显著。菏泽市农业发展能力的辐射带动作用较强，未来应扩大农业产出能力，提高对区域社会经济的支撑能力;东营市土地经济产出及社会供应能力呈高—高集聚，土地自身稳定力呈低—低集聚，未来应改善土地利用方式以增强土地稳定性，促进区域可持续发展;胶东半岛虽区域支撑力变化显著，但空间相关性不显著。整体来看，空间相关性显著的区域多分布在市辖区，反映在市域尺度，市辖区土地利用对周边区域的影响较大，在发挥带动作用的同时应关注市辖区土地压力的缓解。

　　省会济南市的土地支撑力变化空间相关性不显著，对周边城市的带动作用不明显，省会城市的影响力和首位度有待进一步提升。未来可依据省域及市域的空间相关性突出不同层级可持续发展政策制定的侧重点：省域层面应侧重支撑力较强区域对周边区域的带动作用，市域层面应提高土地利用的辐射带动作用，强化市中心周边区域的疏导功能;建议注重生态保护与修复，采取减少森林砍伐和退化、改善农田管理方式、开发生物质能及其他可持续发展方案，以发挥资源优势和生态潜力，促进全域SDGs的实现。

　　4.2讨论

　　可持续发展作为人类的必然选择，既要保证人类生计、社会繁荣稳定，也要使经济建设与资源环境相协调，以促进全球福祉。土地利用系统以自身与经济、社会、生态等系统交互的复杂性，以其不可再生的唯一性，决定了其与可持续发展的密切关系和在区域可持续发展需求中的核心地位。通过与土地利用集约化及可持续利用[28,32]、土地利用功能评价[46,48]等研究的对比，本文在评价体系层面涵盖生产性、稳定性、人口承载等土地可持续性特征及社会、经济、生态等各项功能，侧重人类主体对土地资源的依赖性，即土地利用对人类社会经济可持续发展的支撑能力。SDGs与土地利用系统关系密切，且各项SDGs之间仍存在交互作用，评价土地利用系统对SDGs整体实现的支撑作用仍需深入探讨。

　　从实证分析来看，不同区域土地利用系统对SDGs支撑能力的差异性和空间相关性反映了省域及市域可持续发展方向的不同侧重点，在空间上，区域可持续转化为全域可持续则是实现土地利用系统支撑SDGs的终极目标。鉴于土地利用系统的开放性和复杂性，不同研究视角决定了系统对SDGs贡献的不同价值，SDGs的相互关联性也决定了土地支撑因素的广泛性，全方位揭示土地与可持续发展的耦合机制将是下一步研究重点。

　　本文在土地利用系统运行机制理论解析、与SDGs的支撑关系、省域尺度土地支撑力评价等方面进行了尝试性探索，但也存在以下不足：一是土地利用系统与外部系统的交互具有广泛性与复杂性，使得理论框架构建过程中难以囊括所有系统运行过程及耦合要素;二是鉴于数据可获取性，指标体系未能诠释土地利用系统对可持续发展的全部支撑要素，有待进一步深化研究;三是本文在案例分析中重点关注对现阶段及短期区域可持续发展的支撑能力，对未来土地利用的情景预测仍有待加强。以上不足将在后续研究中完善和深入。

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　　作者：李寒冰1,2，金晓斌1,2,3，吴可4，韩博1,2，孙瑞1,2，姜国栋4，周寅康1,2,3