Research on the Coupling Relationship between Industrial Structure and Land Use Structure under Urban Transformation and the Optimization Scheme of Land Use Structure

在城市转型期，产业结构优化是导致用地结构变化的根本原因，同时也是促进快速、全方位发展的关键因素. 在产业结构持续优化过程中，人们对用地结构提出了新的要求，同时也让土地利用的种类变得更多. 产业结构优化主要表现为农业、制造业和服务业三大产业之间的相互替代，而产业结构优化升级可以通过引进高新技术企业、培育新兴产业等为城市土地利用规划提供经济支撑和动力^[7]. 资源型城市处于城市发展的早期阶段，以本地区矿产、森林等自然资源开采、加工为主导产业. 资源型城市即城市的生产和发展与资源开发有密切关系. 根据资源开采与城市形成的先后顺序，资源型城市的形成有两种模式；一种为“先矿后城式”，即城市完全是因为资源开采而出现的；另一种为“先城后矿式”，即在资源开发之前已有城市存在，资源开发加快了城市的发展^[8-9].

在采矿业发展迅速的时期，为了满足用地需要，城市农用地被转变成了建设用地，并产生了办公用地、仓库等多种细分用地类型. 但是，为了保障粮食安全和基本农田，不能简单地牺牲耕地. 为此，必须加大对闲置地的开发力度，将闲置地转为建设用地，从而进一步调整用地结构. 但资源型城市经济主要依靠资源开采、加工和销售，产业单一，经济结构简单，很容易受到市场变化的影响，特别是全球商品价格波动的影响. 市场需求下降或市场价格下跌将直接影响产业和城市经济发展，因此需要对制造业为主导的产业结构进行优化升级^[10]. 同时，人们对居住环境的舒适度也越来越重视，各种用地类型间相互转换，使用地结构得到了进一步的调整. 在转型过程中要实现不同的转型目标，就必须有不同的产业结构优化方向，用地结构也需要与之共进，并相应地做出调整^[11].

在城市转型进程中对用地结构进行优化，为产业结构优化奠定了物质基础. 有学者认为，用地结构优化对产业结构升级具有引导作用^[12]. 资源型城市在发展达到成熟期的时候就要考虑转型，如果在资源即将耗尽的时候再进行转型，将会影响发展甚至造成衰落. 此外，对用地结构进行优化配置，也就是要将各个行业都分配到合适的土地资源中，使其发挥出最大的作用，从而促进行业结构进一步优化，加速城市转型和经济发展^[13-14]. 通过优化用地结构，可以调整优化土地利用结构布局，提高土地综合承载能力，为新兴产业发展拓展空间，加速产业结构的转型升级.

用地结构优化和产业结构优化是一种相互影响的关系. 一方面产业结构优化是资源型城市转型的关键所在；另一方面它也是用地结构优化的依据和前提. 在城市转型过程中，经济转型直接表现为产业结构优化调整. 没有土地则产业无法发展，用地结构的调整提高了土地利用率，为产业发展提供了场地，产业结构优化则进一步促进了用地结构的优化配置调整.

为探究用地结构与产业结构之间的耦合关系，本研究将以耦合度和耦合协调度来分析二者之间的耦合关系；耦合度反映了用地结构和产业结构之间的互动关系；而耦合协调度反映了二者的匹配程度，即二者的整体协调性和整体效益的强弱^[15-16]. 首先将用地结构和产业结构视为Q_t，Q_c两个系统，分别计算两个系统的贡献度，以便于构建模型. 设定用地结构的序参量为E_t={E_t1，E_t2，…，E_tb}，(b≥1，β_ti≥E_ti≥α_ti，i∈[1，b]). α_ti和β_ti是Q_t系统中序参量的最小值和最大值. 定义用地结构系统贡献度μ_t(E_ti)如式(1)所示.

然后定义系统的发展度，即各指标对系统有序性的贡献程度，利用加权方式得到了Q_t的发展度L(x)，其表达式如式(2)所示.

式中，w_i表示各指标的权重系数，由熵值法确定. 同理可以得到Q_c的发展度，将其记作C(x). 在这两个系统的基础上，研究构建了如式(3)的产业结构和用地结构发展耦合度模型.

式中，R(x)是耦合度，$\vartheta $是模型的调节系数，取值为2. 耦合度的取值范围是[0, 1]，其值越大表示Q_t，Q_c两个系统的相互作用越强，系统的发展就越协调. 为了进一步分析这种关系，引入耦合协调度H来评价两个系统的总体效益，H的取值范围是[0, 1]，其值越大说明两个对象之间的协调性和匹配度越强，如式(4)所示^[17].

式中，F是综合评价指数，如式(5)所示.

式中，A和B是权重系数，取值均为0.5. 当0≤H＜0.4时，系统处于失调状态；当0.4≤H＜0.5时，系统处于调和状态；当0.5≤H＜0.8时，系统处于基本协调状态；当0.8≤H＜0.1时，系统处于良好或优质协调状态. 通过参考有关资料，本研究选择不同用地类型面积作为一个指数来反映土地使用结构体系，并将三大产业产值所占的比例用作体现产业结构系统的指标，最后确立了晋城市用地结构和产业结构耦合协调度的指标构成，并使用变异系数法确立了各指标的权值^[18-19](表 1).

晋城市位于山西省东南部的晋城盆地，是以煤炭、钢铁和电力等产业为支柱产业的资源型城市. 本研究针对晋城市土地利用结构的特点(即以耕地、建设用地和林地为主要用地类型，荒地和水体为次要用地类型)，根据《土地管理法》规定的土地类型划分标准，在对比晋城遥感图像解译与相关土地资料的基础上，考虑研究数据的获取便利性和代表性，选择了耕地、林地、草地、建设用地、水体、荒地共6项决策变量，制定了该市用地结构分类变量表^[20](表 2).

土地的经济效益本质上就是以土地为载体进行生产所获得的直接经济产出. 土地利用的目的之一就是最大限度地获得人们所需的商品和服务，这就要求在有限的投入下获得尽可能多的产出. 所以，有必要将经济效益最大化作为用地结构优化的一个目标，由此确定式(6)的经济效益目标函数.

式中，ω_i是各个土地利用变量的权值，x_i是各个用地类型，E_i是经济效益系数. 耕地、草地、林地、建设用地、水域的经济效益系数分别是4 414.9，1 663.6，7 181，1 081 567.3，3 223.8，本研究认为荒地几乎没有经济效益，因此将其经济效益系数设为1. 生态环境是由生态关系组成的环境的简称，也即与人类密切相关的，影响人类生活和生产活动的各种自然力量或作用的总和. 土地与生态环境有着密不可分的联系，生态效益与人类社会的可持续发展息息相关. 因此，在进行用地结构优化时，必须以生态效益为主要考量指标. 生态效益的计量方法包括生态足迹法、绿色当量法、生态系统服务(Ecosystem Services，ESS)价值法等^[21]. 本研究基于ESS价值法确定如式(7)所示的用地类型生态效益目标函数.

式中，E_d是各用地类型的生态效益系数. 为确定晋城市每一种用地类型单位面积的ESS价值当量，本研究结合该市自然环境及生物量的特殊性，使用被学术界公认的农业生态系统生物量因子，以0.45为系数修正中国陆地生态系统单位面积生态服务价值当量表.

社会效益反映的是土地作为不可或缺资源对人类需求的满足程度，由于很难对其进行定量，因此大多数学者在研究优化用地结构时，并没有将土地的社会效益考虑进去. 然而，土地所展现出的各种社会功能都是土地社会效益的具体体现，这些功能对于推动社会发展有着非常重要的影响. 本研究建立的土地社会效益目标函数如式(8)所示.

式中，E_s是用地类型的社会效益. 设立目标函数后需建立约束条件，并考虑已有的政府土地保护政策、人口数量和粮食需求等因素，本研究建立了如式(9)所示的约束条件.

式中，C₁，C₂，…，C₆表示约束条件，S_n是土地面积总数，P是目标年总人口数，p_c和p_u的极大值是目标年建设用地和农业用地的单位平均人口密度，Q是依据支持确定的目标年建设用地预计开发强度，F是森林覆盖率，λ是森林和林地覆盖率折算系数，S₆是基期年的荒地面积，r是该年的土地利用率，D是粮食人均需求量，σ_f，σ_r和σ_s分别表示该年的粮食复种指数、粮作比和粮食自给率. 为求取多个目标函数的最优解，本研究采用多目标线性规划模型建立优化模型. 模型表达如式(10)所示.

式中，e_i是目标函数的相关系数，C和B分别是约束系数和资源限制量. 构建模型后，使用遗传算法求取最优解.

本研究以山西省晋城市为例，土地利用相关数据来自国家地球系统科学数据中心，使用监督分类法确定用地类型，产业结构相关数据来自中国国家统计局. 经检验，所采用的数据均满足精度要求，并通过SPSS(Statistical Product and Service Solutions)软件进行计算. 数据年份为2014-2022年，且以2022年为目标年. 对多目标规划模型进行求解获得晋城市目标规划年(2022年)的用地结构优化方案，使用MATLABR2016a软件进行计算. 首先使用模糊集最大(小)算法计算得到方案A；然后引入折衷指数$\vartheta $*进行计算，将其取值为0.2，0.5和0.8，分别得到用地结构优化方案B，C，D，并对这些方案进行经济、社会、生态效益和满意度分析；最后根据晋城市转型发展目标和自身的具体情况，比较各方案的效益和满意度，从而选择出最优的晋城市用地资源配置方案.

用地结构和产业结构耦合度和耦合协调度计算结果如图 1所示. 从图 1中可以看到，2014-2022年度晋城市用地结构与产业结构之间的耦合协调度非常低. 2014年为12.90%，2022年为10.30%，平均约为10.76%. 根据耦合标准表可知，晋城市用地结构与产业结构之间的耦合协调度非常不协调，表明晋城市用地结构与产业结构之间的协调性不高. 这主要是因为晋城市从一开始的被动转型，到现在的全面转型，随着产业结构不断优化，对土地的需求也越来越大，因此城市建设和经济建设都要进行相应的调整. 但是，这两个方面很难同时进行，需要一个较长的时间. 晋城市要达到用地结构和产业结构两方面协调发展的目的，需要通过对用地结构优化来匹配产业发展水平.

从图 1还可以看到，晋城市用地结构和产业结构之间的耦合程度处于一个很高的程度，平均约为88.86%，表明晋城市用地结构和产业结构存在很强的相关性，这两个体系之间存在着一种相互影响、相互作用的关系. 晋城市用地结构与产业结构耦合程度从2014年的83.55%提高到2016年的95.76%，增长了12.21%，说明晋城市用地结构和产业结构之间的耦合程度不断提高. 2014-2016年，晋城市是一个资源型城市，其第二产业以煤炭开采为主，土地利用方式比较单一. 2016-2022年，晋城市产业结构与用地结构耦合程度一直在稳步降低，表明两个体系之间的协调性降低. 尽管二者之间有很强的相关性，但是却出现了不和谐的现象，这是因为晋城市进入了转型时期，开始对产业结构进行调整，由于土地利用的转变存在滞后性限制，二者之间的匹配和协调还需要一个漫长的时间过程，因此晋城市要实现城市转型，对土地的要求较高，造成了两个体系之间的不匹配.

以2014年为基期年，2018年为对照年，2022年为目标年，用地结构数量优化结果见表 3. 从表 3可以看出，晋城市2022年的耕地面积较之前的年份有所下降，但是优化后的耕地面积仍远大于晋城市的耕地面积保有量(3.23万hm²). 可见，经过优化后耕地面积仍能够满足晋城市对耕地的需求. 优化后的林地面积有所增长，优化后的草原面积则大幅减少. 因为，尽管草原对土壤和环境等都有很好的保护作用，但若过度放牧，会加重土地荒漠化问题. 在不同规划方案下，晋城市2022年的建设用地规模均高于2014年和2018年，表明在今后一段时间内，晋城市建设用地规模将会不断扩大以满足转型发展的需要. 为了成为多元化发展的综合性城市，晋城市需要发展多个支柱产业，其中旅游业是一个重要的战略性产业. 要发展旅游业就必须有土地用于建造与旅游目的地相适应的基础设施. 晋城市在经过各方案的优化后，目标年土地利用面积较基期年和对照年均有增长. 经过优化，晋城市2022年的荒地面积比基期年和对照年小，适当地将闲置土地变成林地和建设用地，对于晋城市的城市转型是一个很好的选择.

各方案的用地结构效益见表 4. 方案A的效益总值最大，为1 040.14亿元. 方案B的效益总值为1 016.24亿元，方案C的效益总值为1 020.94亿元，方案D为1 030.16亿元. 方案A的总值最高，且社会效益最高，生态效益略低于D方案，经济效益稍低于方案B，说明该方案强调3个效益的协调发展，与晋城市转型目标相契合，从效益角度看是最优秀的方案.

2022年不同方案用地结构的效益满意度如图 2所示. 方案A的经济、生态和社会满意度分别为0.8，0.75，0.78，满意度总值为2.33. 方案B的经济、生态和社会满意度分别为0.91，0.58，0.66，满意度总值为2.15. 方案C的经济、生态和社会满意度分别为0.66，0.64，0.67，满意度总值为1.97. 方案D的经济、生态和社会满意度分别为0.73，0.9，0.69，满意度总值为2.32. 对比来看，方案A的满意度总值最高，经济满意度略高于生态满意度，说明此方案中城市转型最重要的目标还是经济效益，但同时生态满意度也处于较高的水平，只略低于方案D.

综合比较来看，方案A是晋城市今后转型发展中最适宜的一种用地结构优化方案. 2022年该市耕地面积和草地面积减少，林地面积和水体面积大幅增加，并加大了对荒地的开发，增加了建设用地面积. 草场面积转变成了一些具有较高生态效益的林地，而荒地则转变成了一些具有较高经济效益的林地和建设用地.

针对以上计算和分析结果，本研究针对晋城市用地结构优化提出以下几点建议：

1) 保持耕地面积，发展高效农业. 晋城市应根据农业现代化的需要，在强化基本农田与耕地保护的同时，进一步优化农业结构. 在保障耕地质量的基础上，要实现“三位一体”的综合经营，必须兼顾农业用地的生态环境保护. 在数量上应保证有足够的耕地. 从质量上看，晋城市应大力进行土地整理，重点对中、低产田进行改造，引入高科技的现代农业，提高土地利用效率. 从生态学角度看，晋城市应从农田休耕、畜禽粪污资源化等方面构建农业绿色发展体制，解决缺水问题，大力发展节水农业.

2) 加强荒山荒地复垦，提高荒地利用率. 首先可建立一支专门的荒山煤田复垦研究队伍，对荒山煤田进行科学调查，进一步完善荒废土地整改等相关政策的推行与落实. 加强土地整治和复垦工作，提高土地质量，提升荒山荒地综合效益，实现荒山荒地的再开发和再利用.

3) 强化土地管理和土地集约化. 首先，应制定相应的奖励制度，加强对各类闲置土地、工业园区、废弃土地和存量土地的综合开发，提高土地集约化使用程度. 其次，要合理规划新的建设规模，对新增加的、用于高科技园区的建设用地，对其容积率、建筑密度进行合理的控制. 最后，要强化基层群众的集约用地意识，并完善土地资源国情教育，保证基层干部在认识到集约利用重要性的前提下，在实践工作中认真贯彻落实节约集约用地的理念.

4) 强化国土生态建设，努力提高当地生态环境质量. 晋城市总体上生态环境比较脆弱，所以应该采取适当的对策，根据当地的实际情况，科学划定生态功能区，适当扩大森林面积，发展特色林果产业. 在此基础上，构建国土生态保护公众参与机制，增强公众国土生态保护的积极性和主动性.

为促进城市转型，实现资源型城市可持续发展的目标，本研究对城市转型下的用地结构和产业结构耦合关系进行了探讨，并以晋城市为例提出了用地结构优化方案. 研究结果表明，2014-2022年晋城市用地结构与产业结构之间的耦合协调度较低，协调性不高. 晋城市要达到用地结构和产业结构的耦合协调发展的更高水平，不能只依靠产业结构优化升级，更要通过用地结构优化来匹配. 晋城市用地结构与产业结构之间的耦合程度处于一个较高的水平，平均约为88.86%，表明晋城市用地结构与产业结构存在很强的相关性. 使用模糊集最大(最小)算法和不同的折衷指数对本研究所构建的模型求解得到4个优化方案，其中方案A的效益总值最大. 2022年，方案A的经济、生态和社会满意度分别为0.8，0.75，0.78，满意度总值为2.33. 综合考虑，方案A较为符合晋城市的转型发展目标，即应将耕地面积和草地面积减少，增加林地面积和水体面积，加大荒地开发，增加建设用地面积，使草场面积转变成一些具有较高生态效益的林地. 本研究结果有利于推进资源型城市转型，为城市充分利用土地资源提供了理论支持，但在设定目标效益时仅考虑了社会、经济和生态三大类目标，未对居民生活、粮食安全等效益进行全面考虑，未来的工作将进一步细化目标效益.