基于遙感生態指數的土地利用程度與環境質量協調發展研究
——以浙江省為例

朱悅，徐志紅，蔣曉敏，張嫣然，王建鋒，王善華，陳昱蓉，張豐*

（1.浙江大學 地球科學學院，浙江 杭州 310027；2.浙江省自然資源調查登記中心，浙江 杭州 310012；3.杭州中房信息科技有限公司，浙江 杭州 310014）

土地利用與生態環境之間存在復雜的、非線性的動態耦合關系［1］。土地開發利用應充分考慮生態環境的承載能力［2］，生態文明建設亦需適度結合當前土地利用結構，兩者之間的協調發展程度是衡量區域可持續發展的重要標準。因此，定量評價土地利用程度與生態環境質量之間的耦合關系，有助于發現潛在的土地利用生態環境問題［3］，為制定土地利用規劃、優化土地利用模式、促進人與自然的和諧發展提供重要依據［4］。

近年來，許多學者在土地利用程度與生態環境質量協調發展評價方面進行了深入研究［5-7］，先針對土地利用程度與生態環境質量2 個子系統分別構建指標體系進行評價，再結合耦合度計算模型進行協調度評價［8］：選取土地利用投入、效益、土地承載力等層面指標評價土地利用程度［9］；選取生態環境壓力、生態涵養能力、環境治理能力［10］、低碳環境［11］等層面指標評價生態環境質量；用主成分分析［12］、熵值法［13］計算指標權重；用耦合度［14］、耦合協調度［15］等評價土地利用程度與生態環境質量協調狀況。

現有土地利用程度與生態環境質量協調發展研究，在生態環境質量子系統中選取的指標更傾向于環保投資力度與環境治理強度，這些指標受城市發展與政策導向等因素的影響，更多表現為環保重視程度及可持續發展素養，并不能直觀反映區域生態環境質量。2006 年，我國生態環境部通過了《生態環境狀況評價技術規范（試行）》，給出了生態環境狀況指數（ecological index，EI）的計算方法［16］，由于該方法主要依賴土地利用分類和統計數據，在數據收集上存在一定難度。文獻［17-19］基于遙感影像改進了EI 的計算方法，借助主成分分析法結合綠度、干度、濕度、熱度4 個指標創建了完全基于遙感影像的遙感生態指數（remote sensing ecological index，RSEI），證實了RSEI 與EI 存在較好的一致性。RSEI 使得生態質量快速評價更容易實現，受到了許多學者的青睞。本文將RSEI 應用于土地利用程度與生態環境質量協調研究，力求探索區域土地利用程度與實際生態環境質量之間的耦合關系。

已有的對浙江省土地利用程度與生態協調性的評價［20-21］，數據大多來自統計年鑒，結構單一，數據豐度、廣度不足?；诖?，本文將結合遙感數據、浙江省城鎮地籍數據進行土地利用程度與生態環境質量協調性定量化研究，對2008，2013，2018 年浙江省縣域土地利用程度及生態環境質量進行分系統評價并研究其耦合協調狀況，探究二者時空變化的協調關系，為不同發展狀況的區縣提供針對性建議。

1 研究區概況

浙江省地處我國東南沿海長江三角洲南翼，地勢由西南向東北傾斜，地形復雜［22］。截至2018 年，浙江省共轄11 個地級市，89 個區縣，各區縣經濟發展水平差異較大。沿海地區人口密集、經濟發展較快，同時對生態環境造成一定負面影響。內陸地區（如衢州市、麗水市）由于地勢等原因未進行過多開發，生態環境狀態保持良好［23］。因此，以浙江省為案例地探索土地利用程度與生態環境質量的時空演變特征具有典型意義。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

為定量評價土地利用程度與生態環境質量的協調關系，在統計數據的基礎上，加入了調查數據與觀測數據，這些數據主要來源于2009—2019 年《浙江省統計年鑒》（以下簡稱統計年鑒）、浙江省城鎮地籍數據及基于谷歌地球引擎（Google earth engine，GEE）平臺下載的Landsat 遙感影像數據。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用程度評價模型

遵循整體性、科學性、層次性、可行性等原則構建指標體系［1］，同時參考相關研究［9-10，24］，從土地開發利用的內涵出發，選擇影響土地利用程度的主要因素：土地利用投入、土地利用結構、土地承載力及土地利用效益，綜合考慮生產要素投入、產業布局、城鎮擴張、基礎設施建設、人口/就業人口承載力、生產要素產出等因素構建土地利用程度評價兩級指標體系，如表1 所示。其中在城鎮地籍數據中補充了統計年鑒中缺失的土地利用結構信息。

表1 土地利用程度評價指標體系及數據來源Table 1 Evaluation index system and data source of land use degree

對各評價指標進行標準化處理后，用熵值法確定指標權重，通過評價指標的內在信息確定其效用值，從而在一定程度上避免了主觀偏差［25］。將標準化后的指標值乘以權重，累加得到土地利用程度指數。

2.2.2 基于遙感生態指數的生態環境質量評價

將2008，2013 年Landsat 7 影像數據及2018 年Landsat 8 影像數據作為數據源。針對3 a 的影像，通過PIXEL_QA 字段進行去云處理與質量篩選，選取可用圖像的平均值進行后續分析。綜合考慮植被生長狀態、土壤濕度、土壤干化程度、建筑用地狀況、地表溫度等，選取綠度、濕度、熱度、干度4 個指標因子構建RSEI，評價生態環境狀況。選用歸一化植被指數（NDVI）表征綠度指標；選用廣泛應用于生態監測的纓帽變換濕度分量衡量地表植被、土壤濕度（WET）指標；選取地表溫度（LST）表征熱度指標；結合建筑指數（IBI）與裸土指數（SI），生成干度指標（NDBSI）［26］。

對標準化后的NDVI、WET、LST、NDBSI 指標進行主成分分析，選用第一主成分（PC1）構建RSEI［27］。根據研究范圍尺度，在充分保留空間異質性的前提下，以500 m×500 m 的格網進行采樣求得區縣各指標的平均值［28］，得到區縣總體生態環境質量指數：

2.2.3 耦合協調度評價指數

分別選取土地利用程度指數F(x)和生態環境質量指數G(y)作為土地利用程度與生態環境質量的定量評價指標。土地利用程度與生態環境質量的耦合度計算式為

其中，C 為耦合度，0≤C≤1，如果C 較大，則表示土地利用程度與生態環境質量之間耦合狀況良好。但耦合度只能反映雙方相互不分利弊作用的程度強弱，為能更深層次地反映土地利用程度與生態環境質量的相互作用與綜合效益，構建了用于定量描述協調發展狀況的耦合協調度，并以此作為土地利用程度與生態環境質量耦合狀況的評價依據［29］。土地利用程度與生態環境質量的耦合協調度計算式為

其中，D 為耦合協調度，D 越大，表明土地利用程度與生態環境質量越協調；T 為土地利用程度與生態環境質量的綜合調和指數，反映土地利用程度與生態環境質量的整體協同效應或貢獻；a，b 為待定系數，由于土地利用程度與生態環境質量同等重要，故取a=b=0.5。

3 結果與分析

由于研究時間跨度較大，其間浙江省行政區劃多次調整，計算單元均以2018 年行政區劃為準。下文中的耦合協調度均指土地利用程度與生態環境質量之間的耦合協調度。

為體現時空差異，將土地利用程度和生態環境質量均分為低、較低、一般、較高、高5 個等級，分級標準見表2。

表2 土地利用程度與生態環境質量分級標準Table 2 Classification standards of land use degree and ecological environment quality

3.1 土地利用程度綜合評價結果

2008，2013，2018 年浙江省土地利用程度空間分布如圖1 所示。由圖1（a）可知，2008 年浙江省土地利用程度呈東高西低、北高南低的空間分布狀態，沿海區縣土地利用程度高于內陸區縣。土地利用程度較高的區縣主要分布在杭州市和寧波市。溫州市、嘉興市、紹興市、金華市所轄區縣土地利用程度不均，涵蓋低、較低、一般3 個等級。湖州市、舟山市、臺州市、麗水市所轄區縣土地利用程度均為低和較低等級。衢州市所轄區縣土地利用程度均為低等級。2008 年浙江省各區縣土地利用程度差異較大，這與各區縣的經濟水平、人口分布狀況等有關。

圖1 2008，2013，2018 年浙江省各區縣土地利用程度空間分布Fig.1 Spatial distribution of land use degree in Zhejiang province in 2008，2013 and 2018

由圖1（b）可知，2013 年浙江省土地利用程度總體仍呈東高西低、北高南低的空間分布狀態。土地利用程度較高的區縣主要分布在杭州市、寧波市、溫州市。嘉興市所轄區縣發展較為均衡，土地利用程度均為一般和較低等級。湖州市、紹興市、金華市、臺州市所轄區縣土地利用程度不均，涵蓋低、較低、一般3 個等級。衢州市、舟山市、麗水市所轄區縣土地利用程度均為低和較低等級。相較2008 年，2013 年浙江省土地利用程度總體有一定的提升，浙中地區有一定提高。其中寧波市、嘉興市、臺州市所轄區縣土地利用程度提升較明顯。

由圖1（c）可知，2018 年浙江省土地利用程度依舊呈北高南低的空間分布狀態，東高西低的趨勢越發顯著。土地利用程度較高的區縣主要分布在杭州市、寧波市、溫州市、嘉興市和紹興市。湖州市、舟山市所轄區縣相較2013 年有較大提升。金華市、臺州市、衢州市、麗水市所轄區縣土地利用程度與2013年水平相當。

10 a 間，各區縣土地利用程度均有所提升。2008—2013 年，土地利用程度處于一般及以上水平的區縣發展較快，2013—2018 年，土地利用程度處于較低及以下水平的區縣發展較明顯，體現了浙江省在實現共同富裕道路上取得了一定成果。

3.2 生態環境質量綜合評價結果

2008，2013，2018 年浙江省各區縣生態環境質量分布見圖2。由圖2（a）可知，2008 年生態環境質量空間分布與土地利用程度呈相反態勢，這也印證了城市發展會帶來一定的生態環境問題，降低生態環境質量。在89 個區縣中，6 個區縣的生態環境質量為低等級，12 個區縣為較低等級，22 個區縣為一般等級，41個區縣為較高等級，8 個區縣為高等級。生態環境質量為低和較低等級的區縣主要分布在杭州市、寧波市、溫州市、嘉興市、舟山市和臺州市。湖州市、紹興市、金華市所轄區縣生態環境質量均為一般等級以上。衢州市和麗水市所轄區縣均為較高和高等級。

圖2 2008，2013，2018 年浙江省各區縣生態環境質量空間分布Fig.2 Spatial distribution of eco-environmental quality in Zhejiang province in 2008，2013 and 2018

由圖2（b）可知，2013 年浙江省89 個區縣中，4 個區縣的生態環境質量等級為低等級，7 個區縣為較低等級，21 個區縣為一般等級，26 個區縣為較高等級，31 個區縣為高等級。相較于2008 年，生態環境質量低和較低的區縣數有所下降，生態環境質量較高的區縣數上升。西南部地區生態優勢逐漸凸顯，土地利用程度較高的東北部地區生態環境質量也有一定提升。

由圖2（c）可知，2018 年浙江省89 個區縣中，1 個區縣的生態環境質量等級為低等級，10 個區縣為較低等級，22 個區縣為一般等級，24 個區縣為較高等級，32 個區縣為高等級。與2013 年相比稍有變化，但變化并不明顯。

由于自然地理條件優越，浙江省生態環境質量總體保持較高水平，在政策導向下堅定不移踐行“兩山”理論［30］，10 a 來在生態文明建設中取得了較大成果。

3.3 耦合協調度評價結果

3.3.1 耦合協調度時空變化

參照文獻［31］，將耦合協調度分為6 個等級，分級標準見表3。2008，2013，2018 年浙江省各區縣耦合協調度分布見圖3。由圖3（a）可知，2008 年浙江省89 個區縣耦合協調度計算結果呈紡錘狀分布。其中，杭州市上城區、嘉興市秀洲區2 個區縣處于極度失調衰退等級，前者土地利用程度高，但生態環境質量較低。后者在土地利用程度較低的情況下生態環境質量也處于中等偏下水平。21 個區縣處于中度失調衰退等級，包含麗水市67%的區縣、衢州市50%的區縣、紹興市33%的區縣、舟山市25%的區縣、杭州市23%的區縣、臺州市22%的區縣和金華市11%的區縣。除舟山市嵊泗縣的生態環境質量滯后于土地利用程度外，處于該等級的其他區縣土地利用程度均滯后于生態環境質量。26 個區縣處于勉強協調發展等級，包含衢州市50%的區縣、金華市44%的區縣、湖州市40%的區縣、溫州市36%的區縣、紹興市33%的區縣、麗水市33%的區縣、寧波市30%的區縣、杭州市23%的區縣和臺州市22%的區縣。除杭州市下城區、溫州市洞頭區和龍灣區的生態環境質量滯后于土地利用程度外，處于該等級的其他區縣土地利用程度均滯后于生態環境質量。32 個區縣處于初級協調發展等級，包括嘉興市86%的區縣、舟山市75%的區縣、寧波市60%的區縣、湖州市60%的區縣、臺州市56%的區縣、金華市33%的區縣、杭州市23%的區縣、溫州市18%的區縣和紹興市17%的區縣。除杭州市江干區、寧波市海曙區的生態環境質量滯后于土地利用程度外，處于該等級的其他區縣土地利用程度均滯后于生態環境質量。8 個區縣處于中度協調發展等級，包含杭州市23%的區縣、溫州市18%的區縣、紹興市17%的區縣和金華市11%的區縣。除杭州市拱墅區、濱江區的生態環境質量滯后于土地利用程度外，處于該等級的其他區縣土地利用程度均滯后于生態環境質量。無區縣處于優良協調發展等級?？傮w來看，相比土地利用程度，2008 年浙江省生態環境質量處于較高水平。杭州市區、寧波市區、溫州市區的土地利用程度較高，在城市化進程中對生態環境質量造成一定負面影響。

圖3 2008，2013，2018 年浙江省各區縣耦合協調度空間分布Fig.3 Spatial distribution of coordination degree in Zhejiang province in 2008，2013 and 2018

表3 土地利用程度與生態環境質量的耦合協調度分級標準Table 3 Classification standard of coupling coordination degree between land use degree and ecological environment quality

由圖3（b）可知，2013 年浙江省89 個區縣中，4 個區縣的耦合協調度為極度失調衰退等級，16 個為中度失調衰退等級，19 個為勉強協調發展等級，32 個為初級協調發展等級，14 個為中度協調發展等級，4 個為優良協調發展等級。

杭州市31%的區縣處于發展不平衡區間，15%的區縣處于轉型區間，54%的區縣處于協調發展區間，杭州市城市化發展進程較其他市快，生態環境質量大致保持良好狀態，超一半區縣的土地利用程度與生態環境質量協調發展，個別區縣（如上城區）生態環境質量嚴重滯后于土地利用程度。

寧波市30%的區縣處于轉型區間，70%的區縣處于協調發展區間。溫州市18%的區縣處于發展不平衡區間，18%的區縣處于轉型區間，64%的區縣處于協調發展區間。寧波市、溫州市的土地利用程度處于一般及以上等級，生態環境質量保持良好，大部分區縣的土地利用程度與生態環境質量協調發展。

嘉興市所有區縣均處于協調發展區間。湖州市40%的區縣處于轉型區間，60%的區縣處于協調發展區間。紹興市33%的區縣處于轉型區間，67%的區縣處于協調發展區間。金華市11%的區縣處于發展不平衡區間，22%的區縣處于轉型區間，67%的區縣處于協調發展區間。舟山市25%的區縣處于轉型區間，75%的區縣處于協調發展區間。臺州市11%的區縣處于發展不平衡區間，33%的區縣處于轉型區間，56%的區縣處于協調發展區間。嘉興市、湖州市、紹興市、金華市、舟山市、臺州市的土地利用程度處于中等及一般及以下等級，生態環境質量較好，大部分區縣的土地利用程度與生態環境質量協調發展。

衢州市67%的區縣處于發展不平衡區間，17%的區縣處于轉型區間，17%的區縣處于協調發展區間。麗水市89%的區縣處于發展不平衡區間，11%的區縣處于轉型區間。衢州市、麗水市的土地利用程度處于較低水平，生態環境質量優良，大部分區縣土地利用程度與生態環境質量發展不平衡。

由圖3（c）可知，2018 年浙江省89 個區縣中，17 個區縣的耦合協調度為中度失調衰退等級，17 個為勉強協調發展等級，32 個為初級協調發展等級，20 個為中度協調發展等級，3 個為優良協調發展等級。

2008—2013 年耦合協調度轉移矩陣見圖4（a）。5 a 間，8 個區縣的耦合協調度等級下降，53 個區縣的耦合協調度等級保持不變，28 個區縣的耦合協調度等級提高，浙江省在土地利用程度與生態環境質量協調發展方面取得了較大成果。

圖4 2008—2013 年和2013—2018 年浙江省耦合協調度轉移矩陣Fig.4 Transfer matrix of coordination degree in Zhejiang province from 2008 to 2013 and from 2013 to 2018

2013—2018 年耦合協調度轉移矩陣見圖4（b）。5 a 間，3 個區縣的耦合協調度等級下降，67 個區縣的耦合協調度等級保持不變，19 個區縣的耦合協調度等級提高。在市級層面，杭州市、寧波市、溫州市、湖州市、衢州市、舟山市的耦合協調度有一定提高，其中衢州市提升幅度最大。

3.3.2 耦合協調度空間自相關分析

2008，2013，2018 年浙江省各區縣耦合協調度全局莫蘭指數分別為0.568，0.572，0.568，均通過1%的顯著性檢驗。表明浙江省耦合協調度具有顯著的空間正相關性，存在明顯的空間集聚特征，且耦合協調度的空間集聚性呈先上升后下降的變化趨勢。這是由于2 個5 a 間各區縣發展重點與路線不同，導致土地利用程度與生態環境質量的變化速率不同。

進一步針對浙江省各區縣耦合協調度計算局部莫蘭指數，得到空間集聚圖（圖5）。

圖5 2008，2013，2018 年浙江省各區縣耦合協調度空間集聚圖Fig.5 Local indicators of spatial association map of coordination degree in Zhejiang province in 2008，2013 and 2018

在1%的顯著性水平下，以杭州市區、寧波市區、嘉興市區為中心向外形成高-高集聚區，區域自身與鄰域耦合協調度均處于較高水平，土地利用程度與生態環境質量均處于較高水平。在城市化進程中，生態環境質量保持較高水平，且呈現城市群效應，帶動周邊城市發展，通過共享經濟與人力實現聯動發展。

高-高集聚區外圍為低-高集聚區，主要是由于土地利用程度滯后于生態環境質量。低-高集聚區的區縣具有較大發展潛力，可以通過周邊發展較快區縣帶動其發展。值得注意的是，杭州市上城區位于低-高集聚區，其生態環境質量嚴重滯后于土地利用程度，耦合協調度較低，這是由杭州市城市發展中心的區域定位導致的。從杭州市整體城市建設看，土地利用程度與生態環境質量為協調發展。

以衢州市、麗水市為中心形成低-低集聚區，區域自身與鄰域協調度均處于較低水平。結合土地利用程度與生態環境質量評價結果，這些地區尚未得到深度開發，生態環境質量保持較優水平，土地利用程度嚴重滯后于生態環境質量?？梢越柚渖鷳B優勢，選擇合適的發展路線。

4 結論與討論

4.1在空間尺度上，浙江省土地利用程度呈東高西低、北高南低的分布狀態，各區縣發展差距較大。在時間尺度上，浙江省各區縣土地利用程度均有不同程度的提高，東高西低的趨勢越發顯著。

4.2浙江省由于自然地理條件優越，生態環境質量總體保持較高水平，在政策導向下堅定不移踐行“兩山”理論，10 a 來在生態文明建設中取得了較大成果。

4.3浙江省各區縣土地利用程度與生態環境質量的耦合協調度差異較大。10 a 來土地利用程度與生態環境質量趨向協調發展：在土地利用開發的同時兼顧生態文明建設；在生態環境保持優良的同時發展旅游業，以獲取經濟效益，二者相輔相成，協同向好。

4.4結合土地利用程度與生態環境質量評價結果，浙江省由于自然地理條件優越，大部分區縣的生態環境質量優良，影響各區縣土地利用程度與生態環境質量耦合協調度的主要因素是土地利用程度。

綜上，建議由土地利用程度較高的區縣帶動周圍區縣發展，對于生態環境質量滯后于土地利用程度的區縣，可借鑒耦合協調度較高區縣的發展經驗，創新發展模式，在城市化進程中注重生態文明建設，實現綠色發展；對于尚未深度發展的區縣，可借助其身生態優勢，選擇適合當地特色的發展路線。

本文從土地利用投入、土地利用結構、土地承載力及土地利用效益4 個層面建立了指標體系，將遙感數據引入土地利用程度與生態環境質量耦合協調度評價，在一定程度上反映了浙江省土地利用水平、生態環境狀態及土地利用程度與生態環境質量的耦合關系，但由于土地利用與生態環境之間的耗散體系是開放的、動態的，因此構建一個更為全面科學的評價體系仍有一定難度。另外，本文針對土地利用程度與生態環境質量的耦合度進行了量化研究，將進一步關注二者的交互響應機制，深入剖析土地利用程度與生態環境質量的互動機理，對區域未來發展提供更具針對性的建議。