胡光偉，劉玉安，張 明，劉昭成

(1. 湖南工業(yè)大學 農牧業(yè)廢棄物資源化綜合利用湖南省重點實驗室，湖南 株洲 412007；2.中國科學院陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室，北京 100101；3.湖南省國土資源規(guī)劃院國土資源評價與利用湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410000；4.湖南省國際工程咨詢中心，湖南 長沙 410016)

土地是人類生存之本，快速城市化導致建設用地急劇擴張，農用地特別是耕地被建設占用，同時導致CO2排放量增加。提高土地利用效率能夠有效優(yōu)化城市土地資源配置[1]，所有的土地利用類型中，建設用地的碳排放能力最強[2-4]，農用地向非農用地的轉換也會增加碳排放量[5]，增加勞動、資本和技術等要素的投入可以提高土地利用效率，進而促使土地利用碳排放量的減少。土地利用碳排放的增加導致環(huán)境負外部性[6]，因此控制建設用地碳排放量和強度，提高建設用地碳排放效率，是提高土地低碳集約利用水平和發(fā)展低碳經濟的有效途徑。因此，研究城市建設用地集約利用、碳排放強度與碳排放效率之間的關系，以期為城市建設用地低碳利用提供參考。

學者對建設用地集約利用的探討表現(xiàn)在土地集約利用的內涵[7-9]、構建評價指標體系[10]、數(shù)學模型與評價方法[11-15]、綜合利用效益[16]，以及碳排放效率與強度測算[17-22]等方面。評價指標的選取由單指標向經濟、社會和環(huán)境復合指標擴展，研究對象涉及單個城市[21，23-25]、省區(qū)[26-27]、城市群[28-29]等，研究方法從定性描述逐步過渡到使用協(xié)調度模型、回歸分析法、數(shù)據(jù)包絡法(DEA)[30-31]等定量分析方法。已有學者針對土地利用效率的研究取得一定成果，但大多數(shù)研究未充分考慮土地利用的負外部性問題，即忽視了土地利用的碳排放、工業(yè)三廢污染等環(huán)境負產出因子。尤其針對湖南省建設用地集約利用碳排放效率的分析與評價還未有文獻涉及。綜上，將土地利用的負外部效應納入土地集約利用研究中，運用SBM模型測算土地集約利用碳排放效率，揭示湖南省城市建設用地集約利用碳排放效率的時空演變特征，并提出低碳優(yōu)化途徑，以期為湖南省的土地低碳利用提供科學借鑒。

一 土地低碳集約節(jié)約利用的必要性

湖南省是長江中游經濟帶的重要組成部分，土地總面積21.18×104km2，2017年末總人口7 296.26萬人，城鎮(zhèn)化率54.62%，生產總值33 902.96億元。伴隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，建設用地規(guī)模持續(xù)擴張。根據(jù)湖南統(tǒng)計年鑒和湖南省土地利用變更調查數(shù)據(jù)統(tǒng)計，湖南省建成區(qū)面積由2001年的847.48 km2增長到2017年的1 709.35 km2，增長率達101.7%，相當于擴張了2.02倍。人均耕地僅為0.06 hm2，建設占用農用地導致人地矛盾日益突出，提高建設用地集約利用水平必須從“量”和“質”的兩個角度考慮，在降低碳排放總量的同時還必須提高碳排放效率。

(一)城市土地低碳集約節(jié)約利用是新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的必然要求

隨著區(qū)域城鎮(zhèn)化率的快速提升，城市土地的稀缺性制約著城市的發(fā)展規(guī)模和土地資源的配置，土地資源作為城市發(fā)展的基礎性資源，是城鎮(zhèn)化發(fā)展的載體，影響著城市化發(fā)展的質量。過去城市的高消耗、高投入、高排放的傳統(tǒng)“三高”發(fā)展模式難以為繼，對國家或區(qū)域的生態(tài)環(huán)境、耕地保護和糧食安全造成威脅，制約區(qū)域新型城鎮(zhèn)化高質量發(fā)展。根據(jù)湖南統(tǒng)計年鑒中的數(shù)據(jù)計算，2017年湖南省人均耕地僅0.06 hm2，稀缺的耕地資源對區(qū)域糧食安全造成極大威脅。因此，土地低碳集約利用新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的必然要求，土地資源在支撐城鎮(zhèn)化發(fā)展過程中可以發(fā)揮資源調控作用，促進土地資源優(yōu)化配置，引導城市產業(yè)結構優(yōu)化與轉型升級，促進城市發(fā)展的低碳化發(fā)展。

(二)城市土地低碳集約節(jié)約利用是鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略發(fā)展的基本要求

十九大報告提出實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，農村農業(yè)的發(fā)展再次成為全社會的焦點。城市土地低碳集約節(jié)約利用為鄉(xiāng)村振興的發(fā)展提供了必要的良好環(huán)境，首先城市土地集約利用可以減少建設占用農用地的數(shù)量，為糧食安全提供保障；其次，低碳經濟是實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的必然要求，走一條綠色低碳的發(fā)展模式，對城市城鎮(zhèn)化進程和鄉(xiāng)村發(fā)展，特別是城鄉(xiāng)融合到帶來機遇；最后，新型城鎮(zhèn)化的核心理念就是實現(xiàn)城鄉(xiāng)統(tǒng)籌、集約節(jié)約發(fā)展，因此，城市土地集約利用是鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的發(fā)展的基本要求。

(三)城市土地低碳集約節(jié)約利用是區(qū)域減排的必然選擇

2018年湖南省城鎮(zhèn)化率達到56.02%，城鎮(zhèn)化的增長速度創(chuàng)十年來新高，縮小了湖南省城鎮(zhèn)化率與全國平均水平的差距。隨著加速發(fā)展的城鎮(zhèn)化進程，城市規(guī)模在不斷擴張，城市用地增長較快，尤其是“三高”的城市發(fā)展模式，嚴重浪費土地資源，并伴隨著土地利用碳排放的增加。城市碳排放的增加導致生態(tài)環(huán)境惡化，城市生態(tài)系統(tǒng)的自然承載能力不堪重負，對城市土地可持續(xù)利用、社會經濟的可持續(xù)發(fā)展造成威脅。國際經驗表明，控制城市土地碳排放，減少碳源，可以有效增加城市土地的碳匯，最終實現(xiàn)城市土地的低碳利用目標。

二 研究方法

(一)土地利用碳排放測算

文中主要針對城市建設用地進行研究，能源消耗是建設用地的主要碳排放源。因此建設用地的碳排放可以根據(jù)消耗的能源等所產生的碳排放量進行測算，主要能源包括煤炭、焦炭、原油、燃料油、汽油、柴油、天然氣、煤油、煉廠干氣、液化石油氣和焦爐煤氣等，對應的碳排放系數(shù)見表 1。根據(jù)公式(1)計算建設用地總碳排放量。

表1 不同能源消耗類型碳排放系數(shù)

土地利用碳排放計算公式：

Ej=∑ej×δj

(1)

式中：Ej為建設用地所承載的能源碳排放總量；ej為建設用地承載的第j種能源消耗量；δj表示第j種能源的碳排放系數(shù)。

(二)土地集約利用計算模型

采用功能函數(shù)評價法對湖南省14個市州的建設用地集約利用進行綜合評價。首先對原始數(shù)據(jù)進行歸一化，另外，為克服指標權重的主觀性，運用熵值法作為權重計算的依據(jù)，該方法最大的優(yōu)點就是不受主觀因素的影響，根據(jù)各指標的相對變化對系統(tǒng)的影響來判斷其作用大小的客觀賦權法[32]。

極值法計算公式：

(2)

城市建設用地集約利用度的計算公式：

(3)

式中：Fj為城市j的建設用地集約利用度；fi為第i個指標的權重；Bij為城市j的第i個指標無量綱值；n為指標總數(shù)。

(三)碳排放效率SBM模型

能源碳排放是建設用地利用過程中間接產生的，是環(huán)境負外部性的一種，是土地利用所不期望的一種產出。傳統(tǒng)的DEA模型的核心思想是以最小的投入獲得最大的產出，未考慮投入產出松弛問題，導致效率測算出現(xiàn)偏差。所以文中將能源碳排放和工業(yè)SO2排放量作為非期望產出納入模型，從而解決非期望“壞”產出納入效率分析的問題。Tone[33]提出了SBM模型，該模型能夠將非期望產出直接納入產出，同時能夠從投入和產出兩個角度對無效率進行測算，本文結合實際，選取非期望產出的SBM模型進行碳排放效率測算。

假設有n個城市，城市土地集約利用中存在I種投入、O1種期望產出和O2種非期望產出，根據(jù)Tone的研究成果[33]，第k個城市包含非期望產出的SBM模型[34]的數(shù)學表達如下：

約束條件為：

(4)

(5)

三 指標篩選與數(shù)據(jù)來源

(一) 指標篩選

土地集約利用度的計算沒有統(tǒng)一的指標體系[1]，本研究主要針對的是城市建設用地集約利用度，根據(jù)已有的研究，指標主要包括投入強度、產出效益等方面。而碳排放效率的DEA方法研究成果豐富，主要的指標集中在勞動力、資本和技術等方面。因此，考慮到不同城市功能的定位不同，結合湖南省實際、已有文獻資料[6，35-36]和SBM模型[34]對數(shù)據(jù)的要求，最終選取地均勞動力投入、地均資金投入、地均技術投入、地均二、三產業(yè)增加值和地均工業(yè)SO2排放量對建設用地集約利用度進行測算，并用熵值法確定各投入產出指標的權重(表 2)。

為保證建設用地集約度與碳排放效率指標之間的可比性，將SBM模型的投入指標與土地集約投入指標保持一致(表 2)。參考已有文獻[6，27，30，37-38]并考慮土地收益效應因素，SBM模型的產出指標選擇單位碳排放量實現(xiàn)二、三產業(yè)增加值、單位碳排放量實現(xiàn)社會消費品零售總額以及非期望產出單位碳排放量伴隨工業(yè)SO2排放量(表 2)。

表2 土地集約利用度與SBM投入產出指標

(二)數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù)采用2016年湖南省土地變更調查數(shù)據(jù)，社會經濟和能源數(shù)據(jù)采用2017年的相關統(tǒng)計年鑒，包括《湖南統(tǒng)計年鑒》(2017)、《中國能源統(tǒng)計年鑒》(2017)、14個市州統(tǒng)計年鑒(2017)、14個市州國民經濟和社會經濟發(fā)展公報。

根據(jù)表 2中的各指標定義，將收集到的數(shù)據(jù)進行計算整理得出8個投入產出指標值。

四 結果分析

(一) 建設用地集約利用度及其碳排放效率值

數(shù)據(jù)經過上述處理后，根據(jù)公式(2)～(5)計算14個市州的建設用地集約度和碳排放效率值，結果見表 3。其中綜合效率=技術效率×規(guī)模效率，綜合效率揭示的是建設用地集約利用投入和產出效率的高低；技術效率指在給定的投入條件下，產出的最大獲得能力，反映了對土地集約利用的能力大??；規(guī)模效率反映的是實際規(guī)模與最優(yōu)生產規(guī)模的差距。

表3 建設用地集約利用度與碳排放效率值

結果表明僅有長沙、張家界、懷化和湘西州4個市州處于有效的土地集約利用碳排放效率狀態(tài)。

(二)建設用地集約利用度空間分布特征

為了便于直觀體現(xiàn)集約度和碳排放效率的空間分布特征，采用聚類分析的方法對其進行分類，根據(jù)聚類結果將其分為4類，分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ等，代表建設用地集約利用度(碳排放效率)依次降低，空間分布見圖 1。

圖 1a表明，長株潭區(qū)和環(huán)洞庭湖區(qū)大部分經濟發(fā)達城市的土地集約利用度較高，大湘西區(qū)和湘中南大部分市州土地集約利用度較低。所以，大湘西區(qū)和湘中南大部分城市需要充分利用自身優(yōu)勢資源，優(yōu)化土地資源配置，加大投入，提高產出，從而提高城市建設用地集約利用水平。從聚類分析結果看，建設用地集約利用度為Ⅰ等的只有湘潭市，Ⅱ等的包括長沙、岳陽和常德共3個城市；Ⅲ等的有益陽、婁底、株洲和郴州共4個城市；Ⅳ等的包括張家界、湘西州、懷化、邵陽、永州和衡陽共6個市州。

圖1 建設用地集約度和碳排放效率空間分布

(三)建設用地集約利用碳排放效率空間分布特征

由公式(5)可知總效率值的大小由技術效率與規(guī)模效率中較小的決定，取值范圍為[0，1]。從建設用地集約度和碳排放效率空間分布圖(圖 1)可以看出，14個市州的碳排放綜合效率空間分布與其建設用地集約利用度的空間分布規(guī)律并不一致。聚類分析圖(圖 1b)表明，長沙和湘西3個城市(張家界、湘西州、懷化)碳排放綜合效率值最大，處于Ⅰ等，綜合效率為1；其次是湘南的2個城市(衡陽、永州)，其碳排放綜合效率值處于Ⅱ等；綜合效率值處于Ⅲ等的包括岳陽、婁底、郴州三市；有5個城市的綜合效率為Ⅳ等，分別是常德、益陽、湘潭、株洲和邵陽五市。湖南省GDP排名前五位城市中，除長沙外，其余城市(衡陽、岳陽、常德、株洲)的綜合效率值偏低，與經濟發(fā)展水平不相適應，這與SBM模型中考慮了非期望產出因素有關，充分說明這些城市更應該重視經濟發(fā)展方式的轉變，盡早實現(xiàn)產業(yè)結構升級。

由圖 1b～圖1c可知，長沙、湘潭、岳陽、張家界、郴州、永州、懷化、婁底、湘西州9個市州綜合效率值與技術效率值空間分布保持一致，技術有效的城市基本上均分布在湘東的部分城市和湘西地區(qū)(圖 1c)。其中，長沙、益陽、衡陽、張家界、湘西、懷化等城市的碳排放技術效率處在Ⅰ等，效率值最高，而益陽的碳排放綜合效率處在Ⅳ等，衡陽綜合效率為Ⅱ等，可以看出碳排放綜合效率與技術效率分布沒有一致性。與建設用地集約度聯(lián)系起來，可以看出，經濟發(fā)展水平較高的湘潭、岳陽、常德、株洲4個城市的建設用地集約度較高而其碳排放的技術效率卻處在較低水平，分析原因是在追求經濟發(fā)展的同時并沒有很好的控制碳排放水平，導致經濟增長與低碳排放的一致性較差。

從圖 1d的碳排放規(guī)模效率空間分布看，除婁底、益陽、邵陽、岳陽、郴州外，其余大多數(shù)城市的規(guī)模效率值都處在Ⅰ等和Ⅱ等。這說明，大部分城市都達到了較好的規(guī)模效益，因此，規(guī)模效率是提高碳排放綜合效率的主要途徑。相應地，規(guī)模效率高表明建設用地集約利用的投入與產出水平一致，提高規(guī)模效率可以有效提高碳排放綜合效率。

(四)建設用地集約利用度與其碳排放效率一致性分析

從土地集約利用度與碳排放效率一致性的空間分布規(guī)律來看(圖 2)，土地集約利用度與碳排放效率在分布上并不完全一致，判斷14個市州的兩者空間分布情況需要進一步分析。

首先按土地集約利用度的大小進行排列，再運用雷達圖同時繪制土地集約利用度和碳排放效率值，兩者的一致性比較見圖 2。由圖2看出，碳排放效率的高低并不與土地集約利用度的高低完全對應。如湘潭市的土地集約利用度居全省首位，但碳排放效率處于低效狀態(tài)；碳排放效率為1的城市占全省比例僅28.6%，僅有長沙市實現(xiàn)了集約與低碳的共同進步，兼顧建設用地集約利用度最優(yōu)與碳排放綜合效率有效。其他城市碳排放效率值與土地集約利用度并不保持一致，說明要實現(xiàn)土地集約利用與低碳排放目標，必須在降低碳排放與提高土地集約利用水平兩方面進行合理配置。

圖2 土地集約利用度與土地集約利用碳排放效率一致性

分析表明，城市建設用地集約利用度與碳排放效率之間并不總是正相關關系，表現(xiàn)出呈多極化態(tài)勢。為了更直觀地表示兩者之間的關系，把圖1的聚類結果劃分出不同等級，建設用地集約度Ⅰ、Ⅱ等為高度集約，Ⅲ、Ⅳ等為低度集約；碳排放綜合效率Ⅰ、Ⅱ等為高碳排放效率，Ⅲ、Ⅳ等為低碳排放效率，劃分結果見圖 3。

圖3 土地集約利用度與碳排放綜合效率一致性變化

從圖3中可以看出，僅長沙具有高建設用地集約利用水平的同時，保持高碳排放綜合效率。而株洲、邵陽、益陽、郴州和婁底五市的建設用地集約利用水平和碳排放綜合效率均相對較低，這部分城市亟需加大投入，合理配置土地資源，控制建設用地總規(guī)模，促進經濟效益與土地資源的協(xié)調，實現(xiàn)低碳發(fā)展。湘潭、岳陽、常德、衡陽、張家界、永州、懷化、湘西州8個市州的城市建設用地集約利用度與碳排放綜合效率存在負相關關系，其中湘潭、岳陽和常德屬于經濟增長較快的城市，土地集約利用水平相對較高，但碳排放綜合效率低下，經濟發(fā)展是建立在破壞環(huán)境的基礎上，是不可持續(xù)的。因此，這些城市應在產業(yè)布局調整優(yōu)化、土地低碳利用方面加大投入，實現(xiàn)低碳經濟發(fā)展目標；而衡陽、張家界、永州、懷化、湘西州等市州碳排放效率較高，但是土地集約利用水平低下，需要在保護生態(tài)環(huán)境的前提下，轉變經濟發(fā)展方式，加大投入，實現(xiàn)經濟的快速發(fā)展。

此外，綜合圖3和表3，湖南省的14個市州中，長株潭區(qū)的建設用地平均集約利用度最高，其次是環(huán)洞庭湖區(qū)、湘中南區(qū)，最低的是大湘西區(qū)。但從碳排放綜合效率平均值來看，最高的是大湘西區(qū)，其次是長株潭區(qū)，最低是環(huán)洞庭湖區(qū)和湘中南區(qū)。這意味著長株潭區(qū)應該通過土地資源優(yōu)化配置、產業(yè)結構升級等措施繼續(xù)發(fā)揮城市建設用地高集約利用水平的優(yōu)勢；在承接沿海發(fā)達地區(qū)產業(yè)轉移時，重點發(fā)展高投資額、科技含量高的節(jié)能環(huán)保項目。大湘西區(qū)發(fā)揮生態(tài)環(huán)境方面的優(yōu)勢，保持低碳排放水平，逐步克服地域條件限制，突破經濟發(fā)展瓶頸。湘中南區(qū)和洞庭湖區(qū)則要在降低碳排放和經濟轉型發(fā)展兩個方面同時發(fā)力，注重保護本地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，積極對接中國東部和長株潭區(qū)的產業(yè)轉移，實現(xiàn)經濟的快速趕超。

五 結論與建議

(一)研究結論

以湖南省14個市州為研究對象，計算了建設用地集約利用水平，并基于建設用地碳排放量構建了SBM模型，評價了各城市建設用地集約利用的碳排放綜合效率、技術效率與規(guī)模效率，研究結論主要包括：(1)在空間分布上，長株潭、環(huán)洞庭湖區(qū)的城市具有較高的土地集約利用水平，大湘西區(qū)土地集約利用水平較低，湘中南區(qū)集約利用水平不均，50%的城市建設用地集約利用水平處于Ⅳ等，土地集約利用水平與城市經濟發(fā)展水平基本一致。(2)土地集約利用水平與碳排放綜合效率一致性分析表明，大湘西區(qū)的碳排放綜合效率明顯優(yōu)于湖南省其他地區(qū)，各城市建設用地集約利用水平的高低與其碳排放綜合效率并不始終一致，大多數(shù)城市呈現(xiàn)負相關。全省只有28.6%的城市建設用地集約利用碳排放綜合效率有效，其中只有長沙市同時實現(xiàn)建設用地集約利用和碳排放綜合效率最優(yōu)，處于土地集約利用碳排放效率的理想狀態(tài)。(3)不同城市需要采取差別化策略來提高碳排放效率和土地集約利用水平。湘潭、岳陽、常德等城市應在保持經濟增長的同時注重環(huán)保，在集約利用土地的前提下實現(xiàn)低碳發(fā)展，減輕環(huán)境負擔。衡陽、張家界、永州、懷化、湘西州等市州要加大基礎設施投入、吸收境內外投資、注重生態(tài)環(huán)境保護，限制城市建設用地無序擴張，合理配置土地資源，轉變土地利用模式，走低碳可持續(xù)發(fā)展道路。株洲、邵陽、益陽、郴州、婁底等城市要不斷增加投入，并提高產出效率，同時減少碳排放量，實現(xiàn)土地利用的低碳發(fā)展。

(二)政策建議

根據(jù)以上結果分析，湖南省14個市州的建設用地集約利用水平不同，碳排放效率也不同，因此，各城市應采取差異化的政策，以確保建設用地的集約利用，從而提高其碳排放效率。

長沙市應該在保持建設用地高集約度、高碳排放效率的前提下，不斷促進產業(yè)結構升級，加快轉變經濟增長方式。從城市土地集約利用出發(fā)，促進產業(yè)布局合理分布，杜絕以空間擴張來換取經濟發(fā)展的老路。

針對湘潭、岳陽和常德等城市，應將環(huán)境保護放在更為重要的位置。過去傳統(tǒng)的以投入—產出為指導的產業(yè)發(fā)展模式，導致了像城市過度集聚、城市污染、生態(tài)環(huán)境破壞等一系列環(huán)境問題。所以，理論上需要將生態(tài)環(huán)境和社會效益納入到城市土地集約利用評價中去，土地集約利用不是簡單的經濟問題，必須結合低碳土地利用理念，提高城市土地集約利用，提高城市的三大效益統(tǒng)一。

對于衡陽、張家界、永州、懷化、湘西州等市州來說，雖然實現(xiàn)了高碳排放效率，但城市土地集約利用度較低，需要從加大財政投入、推進基礎設施建設、吸引投資等方面來下功夫。

株洲、邵陽、益陽、郴州、婁底等城市，需要在提高碳排放效率和城市土地集約利用兩方面多做工作，一方面，通過科技創(chuàng)新，不斷推進節(jié)能減排發(fā)展，建設綠色低碳社會，培養(yǎng)大眾的低碳生活和消費理念，從源頭上減少碳排放；另一方面，增加科技投入，轉變經濟發(fā)展方式，努力提高產出效率，實現(xiàn)土地集約節(jié)約利用。