基于耦合模型的城市化质量与城市土地集约利用协调发展研究——以湖南省14个设区市为例

Research on the Coordinated Development of Urbanization Quality and Urban Land Intensive Utilization Based on the Coupling Model—Taking 14 Districted Cities in Hunan Province as an Example

摘要: 通过构建城市化质量与城市土地集约利用的综合评估框架，利用ArcGIS10.6平台深入剖析两者的耦合与协同发展状况，并揭示其在湖南省范围内的时空演变特征。分析结果显示，湖南省各城市在城市化进程与土地集约利用上的协同性逐年增强，城市发展展现出积极向上的动态趋势。同时，这一协同发展的空间分布呈现出显著的地域差异，形成了具有区域特色的集聚模式。具体而言，东部城市展现出较高的协同水平，长沙与岳阳长期维持着良好的协调状态；相比之下，西部城市尤其是湘西自治州首府，其协同水平较低，长期处于调整阶段；而南部城市则多处于转型适应期。

Abstract: By constructing an integrated assessment framework of urbanization quality and urban land intensive use, the ArcGIS10.6 platform is used to deeply analyze the coupling and synergistic development of the two, and reveal their spatial and temporal evolution characteristics within Hunan Province. The analysis results show that the synergy between urbanization and intensive land use in Hunan Province has increased year by year, and urban development shows a positive dynamic trend. At the same time, the spatial distribution of this synergistic development presents significant geographical differences, forming a clustering pattern with regional characteristics. Specifically, cities in the east show a high level of synergy, with Changsha and Yueyang maintaining good coordination for a long time; in contrast, cities in the west, especially the capital of Xiangxi Autonomous Prefecture, have a low level of synergy and are in a long-term adjustment stage, while cities in the south are mostly in a period of transition and adaptation.

1. 引言

随着全球范围内城市化进程的加速推进，其带来的经济社会变革已成为现代社会发展的重要标志。然而，传统以数量和规模为导向的城市化模式已逐渐暴露出其局限性，特别是在面对资源环境约束日益严峻的今天。一些学者基于城市化发展规律探讨城市土地集约利用的实践途径，研究表明城市化和城市土地集约利用发展阶段密切相关，应根据城市所处的城市化水平制定土地政策，进行土地利用规划[1]-[4]。现有研究多集中于华北、西北及西南[2]，对长江以南中部地区关注不足。作为中部地区的核心板块，湖南省下辖14个设区市市辖区的城市化质量与城市土地集约利用水平[3]的协同演进态势，不仅映射出区域发展的内在逻辑，更为全国范围内城市发展战略的制定提供了宝贵的参考与借鉴。

本文以2005~2021年湖南省14个设区市市辖区的城市化质量与城市土地集约利用数据为基础，构建评价指标体系，采用耦合协调模型和相对发展度模型测算两者的耦合协调度，并通过ArcGIS10.6实现空间分布可视化；从时空维度分析相关成因并提出发展建议，旨在促进湖南省城市化与土地集约利用的协调共进。

2. 数据来源及研究方法

2.1. 数据来源

数据主要来源于2015年至2021年的《湖南省统计年鉴》《中国城市统计年鉴》《中国城市建设统计年鉴(年报)》、各市统计年鉴以及中国经济统计数据库。

2.2. 研究方法

在建立城市化质量与城市土地集约利用的综合评价指标体系基础上，采用定量分析方法，通过ArcGIS10.6软件对湖南省各城市的城市化质量与土地集约利用度进行量化评估，并进一步构建两者之间的耦合协同发展度模型。通过时空差异分析，揭示湖南省城市化质量与土地利用效率协同发展的内在规律与外在表现。

2.2.1. 指标体系的构建

在系统性、有效性、科学性和可操作性原则指导下，本研究基于理论与实际考量，参考现有综合测度体系[1]-[6]，围绕城市化质量与城市土地集约利用的核心要素，选择代表性指标(见表1)，旨在全面精准地展现其现状与发展水平。

2.2.2. 指标标准化及权重的确定

设有m项评价指标X₁，X₂，……，X_m，并有n个城市的指标数据，X_ij (i = 1, 2, ..., m, j = 1, 2, ..., n) [4]构成原始数据矩阵，X_ij即城市的第i项指标原始数据。鉴于指标数据单位量纲各异，本文采用级差法对数据进行标准化处理，以增强可比性[2]，具体公式如下：

正向指标：$A_{ij}=\frac{X_{ij}-\min X_{ij}}{\max X_{ij}-\min X_{ij}}$ (1)

负向指标：$A_{ij}=1-\frac{X_{ij}-\min X_{ij}}{\max X_{ij}-\min X_{ij}}$ (2)

式中，A_ij为X_ij的标准化值，[minX_ij, maxX_ij]即指标数据的取值区间。对指标进行标准化处理后，采用熵值法确定权重(表1)，根据计算出的权重值(W_j)与经标准化后取得的指标值线性加权求和以评估土地集约利用和城市化[2]质量发展水平，具体公式如下：

$U\left(x\right)={\displaystyle \sum }_j^{m_1}{A}_{ij}{W}_j$ (3)

$U\left(y\right)={\displaystyle \sum }_j^{m_2}{A}_{ij}{W}_j$ (4)

Table 1. Comprehensive evaluation index system of urbanization quality and land intensive use

表1. 城市化质量与土地集约利用度综合评价指标体系

目标层	准则层B	权重	指标层C	权重	指标性质
城市化质量	经济发展质量B1	0.148	人均GDP C1	0.096	+
			第三产业产值占GDP比重C2	0.036	+
			单位GDP耗电C3	0.015	+
	社会发展质量B2	0.652	R&D经费支出占GDP比重C4	0.053	+
			人均财政性教育经费支出C5	0.104	+
			每万人公共图书馆图书藏书量C6	0.047	+
			每万人拥有医生数C7	0.350	+
			城镇基本养老保险覆盖率C8	0.030	+
			城镇基本医疗保险覆盖率C9	0.044	+
			城镇失业保险覆盖率C10	0.025	+
	居民生活质量B3	0.072	城市居民人均可支配收入C11	0.024	+
			城市居民人均住房建筑面积C12	0.026	+
			城镇登记失业率C13	0.014	−
			城市居民文教娱乐支出占消费支出比C14	0.008	+
	基础设施发展质量B4	0.074	万人拥有公交车数量C15	0.025	+
			互联网覆盖率C16	0.032	+
			建成区排水管道密度C17	0.017	+
	可持续发展发展质量B5	0.054	人均耕地C19	0.033	+
			建成区绿化覆盖率C20	0.006	+
			城市污水集中处理率C21	0.007	+
			工业固体废弃物综合利用率C22	0.008	+
城市土地 集约利用	土地利用强度B1	0.142	人口密度C1	0.086	+
			地均城市道路面积C2	0.056	+
	土地投入程度B2	0.409	地均固定资产投入C3	0.220	+
			地均R&D经费支出C4	0.096	+
			地均财政支出C5	0.093	+
	土地产出效益B3	0.277	地均财政收入C6	0.048	+
			地均社会商品零售额C7	0.132	+
			地均二三产业产值C8	0.097	+
	土地利用结构B4	0.041	工业用地占城市建设用地比重C9	0.027	−
			居住用地占城市建设用地比重C10	0.015	−
	土地利用可持续性B5	0.131	城市人口与建设用地增长弹性C11	0.013	+
			GDP与建设用地增长弹性系C12	0.068	+
			人均公园绿地面积C13	0.050	+

2.2.3. 耦合协调评价模型及阶段类型划分

(1) 耦合度模型

耦合度作为衡量两个或两个以上系统间相互作用与影响深度的指标，其强度与协调程度共同塑造了系统的整体发展态势[2] [4]。鉴于城市化质量与城市土地集约利用间既独立又紧密交互的复杂关系[1]-[6]，本文借鉴物理学容积耦合理念和容量耦合系数模型，参考刘浩等人[4]所构建的耦合协调度模型，构建了量化分析两者耦合协调度的具体函数[3]，具体公式如下：

$C=\frac{{\left[U\left(x\right)\times U\left(y\right)\right]}^k}{\alpha {\left[U\left(x\right)+\beta U\left(y\right)\right]}^{2k}}$ (5)

式中，C为耦合度系数，其取值范围限定于[0, 1]区间内，以量化评估城市化质量与城市土地集约利用之间的相互作用强度；$\alpha$ 和$\beta$ 为待定系数，$\alpha +\beta =1$ ；k为调节系数，k ∈ [2, 8]，适应不同分析情境的需求。基于城市可持续发展的核心理念[4] [7]，本文认为城市化质量和城市土地集约利用同等重要，$\alpha =\beta$ ，并选定调节系数k = 2 [8]，以确保模型在评估两者耦合关系时能够均衡考量双方的贡献与影响。

(2) 协调度模型

尽管耦合度能够有效衡量城市化质量与城市土地集约利用之间的交互[4] [8] [9]紧密程度，然而它并不足以判别这种耦合是否呈现良性态势，因为即便两系统均处于较低发展水平，也可能展现出较高的耦合度，这在单一系统的内部分析中或许成立，但在跨地域、多维度的空间对比研究中，却难以精准反映两者间的协调发展水平。鉴于此，本文进一步构建了城市化质量与城市土地集约利用的协调度模型D [4] [9] [10]，旨在全面评估两者的发展状态及其相互间的和谐共生程度，为区域可持续发展战略的制定提供更为科学、准确的依据，具体公式如下：

$D=\sqrt{C\times \left[\alpha U\left(x\right)+\beta U\left(y\right)\right]}$ (6)

式中，D为城市化质量和城市土地集约利用的协调度系数，取值范围界定于[0, 1]。D值的大小直接反映了协调性的优劣，D越大，则表明两者之间的协调发展水平越佳，D越小，则预示着协调水平的下降，乃至出现显著的失调现象[4]。

(3) 相对发展度模型

协调度模型能评估城市化与城市土地集约利用的协调性，但难以反映相对发展状态[4]。为此，本文采用相对发展度模型，通过计算系数E来量化两者间的相对发展差异[3]，具体公式如下：

$E=U\left(x\right)/U\left(y\right)$ (7)

2.2.4. 耦合协调阶段及类型划分

基于协调度系数D的评估，并综合考虑城市化水平与城市土地集约利用度的实际情况，本文参照区域城市化质量与生态环境耦合协调类型的划分标准[2]-[12]，创新性地将城市化质量与城市土地集约利用的耦合协调发展阶段细分为三大阶段，共涵盖九种具体类型。具体而言，当相对发展度系数E ≤ 0.8时，表明城市土地集约利用相较于城市化发展呈现滞后状态，城市土地利用模式相对粗放；而当0.8 < E < 1.2时，则标志着城市化与城市土地集约利用[5] [7] [8]步调一致，进入同步发展阶段，双方互为助力，共同促进；若E ≥ 1.2，则反映出城市化进程相对滞后于城市土地集约利用的发展，此时城市土地利用模式趋于集约高效[10] (见表2)。

Table 2. The criterion of urbanization quality and land intensive use coupling coordinated development degree

表2. 城市化质量与土地集约利用耦合协调发展度的判别标准

耦合协调发展度	相对发展度	特征	发展阶段	类型
(0, 0.3]	0 ≤ E < 0.8	土地集约利用滞后于城镇化，制约城市化发展	拮抗阶段	Ⅰ
	0.8 ≤ E < 1.2	土地集约利用同步于城镇化，促进城市化发展		Ⅱ
	1.2 ≤ E	城镇化滞后于土地集约利用，影响城市化发展		Ⅲ
(0.3, 0.4]	0 ≤ E < 0.8	土地集约利用滞后于城镇化，制约城市化发展	磨合阶段	Ⅳ
	0.8 ≤ E < 1.2	土地集约利用同步于城镇化，促进城市化发展		Ⅴ
	1.2 ≤ E	城镇化滞后于土地集约利用，影响城市化发展		Ⅵ
(0.4, 1]	0 ≤ E < 0.8	土地集约利用滞后于城镇化，制约城市化发展	协调阶段	Ⅶ
	0.8 ≤ E < 1.2	土地集约利用同步于城镇化，促进城市化发展		Ⅷ
	1.2 ≤ E	城镇化滞后于土地集约利用，影响城市化发展		Ⅸ

3. 实证研究

3.1. 耦合协调关系时序分析

本文利用城市化质量和城市土地集约利用度的测算结果，结合耦合度、耦合协调发展度及相对发展度模型，对湖南省14个市的城市化质量与土地集约利用的耦合协调发展状况进行了深入分析和定量评价[2]-[10]，旨在揭示各市在城市化进程中土地集约利用的实际情况及两者之间的协调发展水平(见表3)。

城市化质量与城市土地集约利用耦合的复杂性，不仅体现在两者内部要素的相互作用上，还显著表现在时空发展的差异性中。2015~2021年间，两者间的耦合协调度整体呈现波动上升趋势，但各市区间存在非同步变动，高耦合度并不等同于高耦合协调度。横向对比来看，各城市耦合协调度逐年优化，协调水平良好，整体城市发展态势积极向上。

Table 3. Study on the coupling and coordination relationship between urbanization quality and urban land intensive use in Hunan Province from 2015 to 2021

表3. 2015~2021年湖南省城市化质量与城市土地集约利用度之间耦合协调关系探究

城市	2015		2016		2017		2018		2019		2020		2021
	D	E	D	E	D	E	D	E	D	E	D	E	D	E
长沙市区	0.399	0.682	0.425	0.698	0.430	0.648	0.470	0.546	0.407	0.651	0.387	0.716	0.467	0.406
株洲市区	0.339	0.688	0.339	0.811	0.271	1.193	0.334	0.917	0.353	0.783	0.383	0.667	0.377	0.414
湘潭市区	0.368	0.514	0.415	0.514	0.385	0.627	0.387	0.643	0.401	0.568	0.396	0.531	0.355	0.449
衡阳市区	0.300	0.776	0.342	0.873	0.292	1.012	0.346	0.767	0.343	0.759	0.371	0.642	0.331	0.316
邵阳市区	0.301	0.639	0.297	1.218	0.288	1.076	0.364	0.786	0.323	0.758	0.343	0.601	0.339	0.375
岳阳市区	0.349	0.280	0.402	0.467	0.364	0.568	0.403	0.429	0.382	0.613	0.394	0.534	0.355	0.283
常德市区	0.336	0.439	0.375	0.680	0.350	0.647	0.406	0.523	0.376	0.636	0.392	0.503	0.321	0.430
张家界市区	0.229	1.006	0.238	1.425	0.346	0.606	0.382	0.573	0.275	1.080	0.328	0.763	0.285	0.544
益阳市区	0.283	0.690	0.305	0.938	0.315	0.645	0.380	0.641	0.325	0.819	0.347	0.641	0.339	0.471
郴州市区	0.298	0.747	0.345	0.910	0.237	1.435	0.307	1.044	0.288	0.949	0.333	0.788	0.369	0.378
永州市区	0.274	0.703	0.273	1.240	0.305	0.809	0.358	0.809	0.329	0.810	0.346	0.804	0.328	0.417
怀化市区	0.281	0.600	0.286	1.228	0.302	0.810	0.306	1.037	0.325	0.782	0.308	0.933	0.301	0.487
娄底市区	0.307	0.546	0.320	0.924	0.286	0.920	0.403	0.492	0.352	0.548	0.382	0.515	0.332	0.264
湘西州首府	0.234	0.837	0.242	2.320	0.166	3.635	0.268	2.039	0.216	2.673	0.266	2.061	0.283	1.898

3.2. 耦合协调类型的动态分析

在2015年至2021年的研究周期内，湖南省各市区的城市化进程与城市土地集约利用之间的关系普遍呈现出磨合或拮抗的阶段性特征(见表4)，此阶段内两者关系的失调显著制约了城市可持续发展的推进。从横向比较的视角来看，研究初期各城市间的发展分化现象显著，然而，随着时间的推移，处于拮抗期的城市数量明显减少，其占比由初期的50%显著下降至18.2%，这一趋势强有力地表明了城市化与城市土地集约利用之间的耦合协调状况正逐步得到改善，并趋向于更加良性的发展状态，城市发展因此展现出积极向好的态势。同时，从纵向分析的角度来看，各城市在耦合协调发展类型上的年际变化呈现出相对稳定的特征。

Table 4. Types of coupling coordinated development between urbanization quality and intensive use of urban land in Hunan Province from 2015 to 2021

表4. 2015~2021年间湖南省城市化质量与城市土地集约利用耦合协调发展类型分类

城市	2015	2016	2017	2018	2019	2020	2021
长沙市区	Ⅳ	Ⅶ	Ⅶ	Ⅶ	Ⅶ	Ⅳ	Ⅶ
株洲市区	Ⅳ	Ⅴ	Ⅱ	Ⅴ	Ⅳ	Ⅳ	Ⅳ
湘潭市区	Ⅳ	Ⅶ	Ⅳ	Ⅳ	Ⅶ	Ⅳ	Ⅳ
衡阳市区	Ⅰ	Ⅴ	Ⅱ	Ⅳ	Ⅳ	Ⅳ	Ⅳ
邵阳市区	Ⅳ	Ⅲ	Ⅱ	Ⅳ	Ⅳ	Ⅳ	Ⅳ
岳阳市区	Ⅳ	Ⅶ	Ⅳ	Ⅶ	Ⅳ	Ⅳ	Ⅳ
常德市区	Ⅳ	Ⅳ	Ⅳ	Ⅶ	Ⅳ	Ⅳ	Ⅳ
张家界市区	Ⅱ	Ⅲ	Ⅳ	Ⅳ	Ⅱ	Ⅳ	Ⅰ
益阳市区	Ⅰ	Ⅴ	Ⅳ	Ⅳ	Ⅴ	Ⅳ	Ⅳ
郴州市区	Ⅰ	Ⅴ	Ⅲ	Ⅴ	Ⅱ	Ⅳ	Ⅳ
永州市区	Ⅰ	Ⅲ	Ⅴ	Ⅴ	Ⅴ	Ⅴ	Ⅳ
怀化市区	Ⅰ	Ⅲ	Ⅴ	Ⅴ	Ⅴ	Ⅴ	Ⅳ
娄底市区	Ⅳ	Ⅴ	Ⅴ	Ⅶ	Ⅳ	Ⅳ	Ⅳ
湘西州首府	Ⅱ	Ⅲ	Ⅲ	Ⅲ	Ⅲ	Ⅲ	Ⅳ

3.3. 耦合协调关系空间差异分析

总体而言，湖南省城市化质量与城市土地集约利用的耦合协调类型在空间布局上展现出由北向南、由东向西递减的鲜明梯度特征，并呈现出显著的片状分区集聚现象(见图1)。具体而言，磨合期城市数量先增后减，而协调期城市则稳步增长，这标志着城市化与城市土地集约利用之间的关系正逐步优化协调，有力推动了城市的可持续发展[2]。值得注意的是，湘西州首府长期陷入拮抗期困境，其城市化质量与土地集约利用水平均低位徘徊，对城市整体发展构成明显制约。另一方面，长沙与岳阳两市作为标杆，连续五年稳居协调期，其卓越的城市化质量与高效的土地集约利用水平远超其他市区，成为区域发展的典范。此外，株洲、衡阳等九地市区在特定时期内实现了土地集约利用与城市化质量的同步提升，土地利用趋向集约，有效促进了城市发展。相比之下，其余城市则普遍面临土地利用粗放化问题，这在一定程度上拖慢了其城市化进程与城市发展的整体步伐。

4. 总结与讨论

耦合理论通过整合多元要素指标的测算手段，并借助对耦合度、协调度及耦合协调度计算结果的[2]直观可视化呈现，深刻揭示了研究对象内部各要素间复杂的耦合关系与动态变化。该方法为探索事物的时空耦合特性提供了普遍适用且强有力的分析工具。

(1) 从时间维度剖析，湖南省内14个设区市的城市化质量展现出一种波动中稳步上升的趋势，而城市土地集约利用水平则表现出更为显著的年际波动特征。这些变化在不同城市化质量发展的阶段性节点上尤为突出，其中城市土地利用的集约程度亦随之呈现出多样化的特征。尽管城市化与城市土地集约利用之间存在密切的相互作用，但两者尚未实现完全的协调发展状态，其间还隐含着与经济发展水平之间复杂而微妙的空间响应关系，揭示了城市化进程与土地集约利用策略在时序演变中的动态调整与相互影响机制。多数城市在逐年推进中，城市化质量与土地集约利用的耦合协调度均持续优化，展现了良好的协调态势，驱动着城市发展的积极上行。值得注意的是，各城市在城市化质量与土地集约利用耦合协调发展的类型上，年际间的变化特征趋于稳定。

(2) 从空间维度剖析，湖南省14个设区市的城市化质量与城市土地集约利用耦合协调类型[2]呈现出显著的地域梯度分布特征。其分布态势自北向南、由东向西逐渐呈现递减趋势，耦合协调发展水平的空间不均衡性尤为突出，形成了界限清晰、特征鲜明的片状分区集聚现象，揭示了区域间城市化进程与土地集约利用策略的差异化路径与空间集聚规律。具体而言，北部地区呈现东西分化的态势，东部城市因耦合协调度较高而步入协调期，未来需聚焦于城市系统的优化升级，以稳步提升城市综合竞争力；而西

Figure 1. Spatial layout of coupling coordination types of urbanization and urban land intensive use in Hunan Province from 2015 to 2021

图1. 2015~2021年湖南省城市化和城市土地集约利用耦合协调类型空间布局

部部分城市则长期陷于拮抗期，亟需加速城市化进程，着力提升城市土地集约利用效能，以突破发展瓶颈。至于南部城市，多数尚处于磨合阶段，应着力促进城市化质量与土地集约利用的同步发展，以实现更为和谐的城市增长。

基金项目

2023年国家级大学生创业训练项目(S202310534005X)；2024年度湖南省普通本科高校教学改革研究重点项目(202401000926)；湖南科技大学潇湘学院2022年教学改革研究一般项目(G32228)。

NOTES

^*通讯作者。