張 成，陳文波

（1.江西農(nóng)業(yè)大學 國土資源與環(huán)境學院，江西 南昌 330045；2.江西農(nóng)業(yè)大學 南昌市景觀與環(huán)境重點實驗室，江西南昌 330045；3.東華理工大學 測繪工程學院，江西 南昌 330013）

【研究意義】土地生態(tài)系統(tǒng)是地球陸地表面上不同自然要素與人類活動之間相互依存、相互作用而形成的復雜動態(tài)系統(tǒng)[1]。近幾十年來，隨著城市化、工業(yè)化的加速推進，人類活動對土地生態(tài)系統(tǒng)的干擾逐漸增強，土地生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)出結構性失衡和功能弱化的態(tài)勢，表現(xiàn)為系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)、各要素之間的相互沖抵、相互脅迫日益激烈，嚴重影響著土地資源的合理利用和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[2-3]。了解土地生態(tài)系統(tǒng)的安全狀況，揭示系統(tǒng)內(nèi)部的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展特征，對土地生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義，也是土地資源可持續(xù)利用的題中之意[4]。【前人研究進展】早期的土地生態(tài)系統(tǒng)安全評價研究主要基于人地關系、可持續(xù)發(fā)展和景觀生態(tài)學等相關理論對區(qū)域土地生態(tài)安全狀況進行時點評價[5-7]，只能了解土地生態(tài)系統(tǒng)在某一時點的安全狀況，但無法掌握其演變過程中的真實安全水平[8]。隨著研究深入，PSR（壓力、狀態(tài)、響應）[9]、EES（經(jīng)濟、環(huán)境、社會）[10]和DPSIR（驅動力、壓力、狀態(tài)、影響、響應）[11]等基于過程評價的概念模型被應用到土地生態(tài)系統(tǒng)安全評價領域，促使土地生態(tài)系統(tǒng)安全評價研究由定性、靜態(tài)時點評價向定量、動態(tài)過程評價發(fā)展，基于過程的動態(tài)評價成為當下研究熱點。如，王同達等[12]基于PSR模型和熵值法對陜西省2009—2017年土地生態(tài)系統(tǒng)的安全狀況及其驅動因素進行了研究。孔雪松等[13]耦合生態(tài)斑塊空間格局變化、生境面積增減和生態(tài)破碎化過程，定量評價了長三角地區(qū)土地利用變化過程中的生態(tài)干擾?！颈狙芯壳腥朦c】科學合理的評價指標體系是土地生態(tài)系統(tǒng)安全評價的前提與基礎[14]。在指標選取時未能事先對土地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)在的耦合協(xié)調(diào)機制進行分析，使得構建的指標體系缺乏與評價過程和機制的聯(lián)系，評價結果也易受到質疑，這是當前研究存在的普遍問題?！緮M解決的關鍵問題】以河北省為例，將土地生態(tài)系統(tǒng)劃分為由壓力、狀態(tài)和響應3個子系統(tǒng)之間相互影響、彼此制約所組成的耦合共生系統(tǒng)，剖析系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)作用機制。立足于過程評價的視角，從壓力、狀態(tài)和響應3個過程構建評價指標體系。通過土地綜合評價模型和容量耦合協(xié)調(diào)模型分析土地生態(tài)系統(tǒng)的安全狀況以及耦合協(xié)調(diào)時空格局特征。旨在為土地生態(tài)系統(tǒng)安全評價提供新思路和方法，為研究區(qū)通過提升土地生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度來改善土地生態(tài)環(huán)境提供科學參考。

1 研究區(qū)概況

河北省位于華北平原，地理位置處于36°01′～42°37′N，113°04′～119°53′E。漳河以北，東傍渤海，環(huán)抱京津，下轄11個地級市。地勢西北高、東南低，地貌類型多樣，包括高原、山地、丘陵、平原等多種類型，氣候類型為溫帶大陸性季風氣候。截至2020年末，常住人口7 461.02萬人，全年全省生產(chǎn)總值36 206.9億元。全省面積18.88 萬km2，土地資源豐富且土地利用類型多樣，是我國重要棉糧生產(chǎn)區(qū)。近年來，隨著城市化的加速推進，經(jīng)濟結構的轉型發(fā)展，土地利用結構和質量水平發(fā)生深刻變化，對土地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。

2 研究思路與方法

本研究的總體思路為：首先，剖析土地生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)作用機制，并在此基礎上構建基于“壓力—狀態(tài)—響應”過程的耦合協(xié)調(diào)度評價指標體系；其次，以河北省11個地級市為評價單元，通過綜合評價模型計算出2010—2020 年河北省土地生態(tài)系統(tǒng)的壓力、狀態(tài)、響應和綜合指數(shù)，分析土地生態(tài)系統(tǒng)的安全狀況；最后，采用耦合協(xié)調(diào)度模型分析各市2010年、2015年和2020年3個典型年份土地生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)的時空演變特征。

2.1 指標賦權

利用投影尋蹤模型計算指標權重。投影尋蹤模型是處理和分析多維數(shù)據(jù)的統(tǒng)計方法，其基本思想是將高維指標投影到一維空間中，求得的最佳投影向量可作為指標權重[15]。計算過程如下：

（1）原始數(shù)據(jù)標準化。

對于正向指標：

對于負向指標：

（2）構造投影函數(shù)。

{x(i,j)′|j=1,2,3,...,n}為n維標準化后的指標值，利用一維單位投影向量u=[u(1),u(2),…,u(n)]，得到一維投影值Z(i)：

此時，可構造投影函數(shù)Q(u)：

（3）投影指標函數(shù)優(yōu)化。

利用遺傳算法求解最佳的投影向量u=[u(1),u(2),…,u(n)]，使得：

（4）計算指標權重。

求得的最佳投影向量u=[u(1),u(2),…,u(n)]即為各指標的權重。各子系統(tǒng)的權重為：

式⑦中，e、f、g分別表示壓力、狀態(tài)、響應子系統(tǒng)的權重，p、s、r分別表示壓力、狀態(tài)、響應3個子系統(tǒng)指標的個數(shù)。

2.2 綜合評價模型

利用綜合指數(shù)法將土地生態(tài)系統(tǒng)及其各子系統(tǒng)的綜合評價函數(shù)表示為：

式⑧中，P(x)、S(x)、R(x)分別表示土地生態(tài)系統(tǒng)的壓力指數(shù)、狀態(tài)指數(shù)、響應指數(shù)；T(x)表示土地生態(tài)系統(tǒng)的綜合指數(shù)。

目前，國內(nèi)外相關研究尚未建立土地生態(tài)系統(tǒng)安全等級劃分的統(tǒng)一標準。根據(jù)已有研究[16-18]，綜合考慮區(qū)域土地利用狀況及土地生態(tài)環(huán)境特征，結合專家知識，采用自然斷點法將土地生態(tài)安全劃分為5個等級類型（表1）。

表1 土地生態(tài)系統(tǒng)安全等級劃分Tab.1 Classification of safety level of land ecosystem

2.3 耦合度模型

借鑒容量耦合系數(shù)模型構建土地生態(tài)系統(tǒng)壓力、狀態(tài)、響應3 個子系統(tǒng)之間的耦合度模型，表達式為：

式⑨中，C為耦合度，其值介于[0，1]，其值越高，表明土地生態(tài)系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間相互作用程度越大。

目前學界關于耦合協(xié)調(diào)度等級劃分尚沒有統(tǒng)一的標準。為對河北省土地生態(tài)系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)狀況做出更加清晰判定和認識，以便研究結果有更好的實用性和操作性，本文以有效揭示河北省土地生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度時空分異特征為目標，結合耦合度和協(xié)調(diào)度的測算結果及河北省自然、經(jīng)濟和社會的實際情況，借鑒已有研究成果[19-21]，采用中值分段法將耦合度和協(xié)調(diào)度劃分為5個等級類型（表2）。

表2 土地生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度等級劃分Tab.2 Classification of coupling degree and coordination degree of land ecosystem

2.4 協(xié)調(diào)度模型

為了反映土地生態(tài)系統(tǒng)3個子系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)發(fā)展水平的高低，構建壓力、狀態(tài)、響應3個子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)度模型，表達式為：

式⑩中，D為協(xié)調(diào)度，其值越高，表明土地生態(tài)系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間協(xié)同程度越大。同樣地，采用中值分段法，將協(xié)調(diào)度劃分為5個等級（表2）。

2.5 空間分異模型

通過空間差異系數(shù)分析不同區(qū)域間耦合度的差異性，耦合度空間差異系數(shù)CVC為：

同理可得協(xié)調(diào)度空間差異系數(shù)CVD為：

3 結果與分析

3.1 土地生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)機制分析

壓力—狀態(tài)—響應（PSR）模型從系統(tǒng)論的視角將研究對象視為一個完整的系統(tǒng)，從過程評價的角度全面揭示系統(tǒng)的壓力來源、狀態(tài)變化以及響應效應，目前已得到較為普遍的認可和應用[22]。本研究基于PSR 概念模型的基本思想，將土地生態(tài)系統(tǒng)劃分為壓力、狀態(tài)和響應3 個子系統(tǒng)，將土地生態(tài)系統(tǒng)看作是由壓力、狀態(tài)和響應3 個子系統(tǒng)之間相互影響、彼此制約所組成的耦合共生系統(tǒng)，同時在內(nèi)容上涉及到社會、經(jīng)濟和環(huán)境3 個要素（圖1）。其中，壓力子系統(tǒng)表征土地生態(tài)系統(tǒng)的壓力來源，體現(xiàn)為來源于社會、經(jīng)濟和環(huán)境方面的壓力對土地生態(tài)系統(tǒng)的荷載強度。狀態(tài)子系統(tǒng)表征土地生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)變化，體現(xiàn)為土地生態(tài)系統(tǒng)應對壓力，在社會、經(jīng)濟和環(huán)境方面所表現(xiàn)的承載程度。響應子系統(tǒng)表征土地生態(tài)系統(tǒng)的響應效應，體現(xiàn)為人類應對土地生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)變化，從社會、經(jīng)濟和環(huán)境方面所做出的調(diào)控力度。

圖1 土地生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)作用機制Fig.1 The interactive mechanism of coupling coordination of land ecosystem

從系統(tǒng)論的角度，可將土地生態(tài)系統(tǒng)的耦合度定義為壓力、狀態(tài)和響應3 個子系統(tǒng)之間的相互影響程度，將土地生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)度定義為3個子系統(tǒng)之間的相互協(xié)同程度。土地生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)的最終目的在于實現(xiàn)壓力子系統(tǒng)、狀態(tài)子系統(tǒng)和響應子系統(tǒng)3者在時間、空間上的耦合，在結構、層次上的協(xié)調(diào)。土地生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定發(fā)展是3個子系統(tǒng)之間相互作用、彼此共生的結果，取決于系統(tǒng)中社會、經(jīng)濟和環(huán)境要素的相互作用方式和程度。

3.2 基于過程評價的指標體系構建

在以上所闡述的土地生態(tài)系統(tǒng)運行機制的基礎上，立足于系統(tǒng)論和過程評價的視角，以壓力、狀態(tài)和響應3 個子系統(tǒng)為整體框架，以社會、經(jīng)濟、環(huán)境3 個要素為準則層，遵循指標選取的系統(tǒng)性、多維性、差異性等原則，結合區(qū)域土地利用及社會經(jīng)濟發(fā)展特征，構建耦合協(xié)調(diào)度評價指標體系（表3）。在該指標體系中，正向指標是指對土地生態(tài)系統(tǒng)具有促進作用，其值越大越安全；負向指標是指對土地生態(tài)系統(tǒng)具有阻滯作用，其值越小越安全。土地利用類型數(shù)據(jù)來源于遙感影像解譯和信息提?。簧鐣?、經(jīng)濟和環(huán)境方面的數(shù)據(jù)主要通過查閱各類統(tǒng)計年鑒和由當?shù)毓I(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保部門提供。

表3 土地生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度評價指標體系Tab.3 Evaluation index system of coupling coordination degree of land ecosystem

續(xù)表 3 Continued tab.3

3.3 評價結果分析

3.3.1 土地生態(tài)系統(tǒng)安全狀況分析 通過綜合評價模型分別計算2010—2020年河北省土地生態(tài)安全壓力、狀態(tài)、響應和綜合指數(shù)（圖2），對比表1所劃分的土地生態(tài)安全等級類型評估2010—2020年河北省土地生態(tài)系統(tǒng)安全狀況。

圖2 2010—2020年河北省土地生態(tài)系統(tǒng)安全狀況Fig.2 Land ecosystem security in Hebei Province from 2010 to 2020

從總體來看，2010—2020 年河北省土地生態(tài)安全壓力指數(shù)呈波動性增長趨勢，且整體水平較高，介于0.420 和0.563。狀態(tài)指數(shù)和響應指數(shù)逐年持續(xù)增長。土地生態(tài)安全綜合指數(shù)由2010 年的0.300上升到2020 年的0.699，年均增長率為13.30%，土地生態(tài)系統(tǒng)安全等級由“惡化級”經(jīng)“風險級”升格為“敏感級”，土地生態(tài)安全狀況顯著好轉。但綜合安全指數(shù)的均值為0.509，土地生態(tài)系統(tǒng)平均安全等級尚處于“風險級”，另外，至2020 年，土地生態(tài)系統(tǒng)安全等級尚處于“敏感級”，土地生態(tài)系統(tǒng)總體安全水平仍然較低。

從變化過程來看，2010—2012年河北省土地生態(tài)系統(tǒng)安全等級處于“惡化級”，但期間土地生態(tài)安全綜合指數(shù)處于良好的上升態(tài)勢，狀態(tài)指數(shù)和響應指數(shù)的大幅度提升對此有較大貢獻。2013—2016 年河北省土地生態(tài)系統(tǒng)安全等級由“惡化級”轉變?yōu)椤帮L險級”，土地生態(tài)安全形勢有所好轉，在此期間，土地生態(tài)安全綜合指數(shù)仍保持平穩(wěn)增長，壓力指數(shù)呈“U”型變化，狀態(tài)指數(shù)大幅度增長，響應指數(shù)在2014 年出現(xiàn)折點后趨于平緩。2017—2020 年河北省土地生態(tài)系統(tǒng)安全等級由“風險級”升格為“敏感級”，這主要得益于期間壓力指數(shù)的下降和響應指數(shù)的大幅度增長。

3.3.2 耦合協(xié)調(diào)度時序變化 在土地生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀評價結果的基礎上，利用耦合度和協(xié)調(diào)度模型分別計算出2010—2020 年河北省土地生態(tài)系統(tǒng)耦合度和協(xié)調(diào)度（圖3），同時，對照表2 中所劃分的耦合協(xié)調(diào)度等級體系確定土地生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)等級。

圖3 2010—2020年河北省土地生態(tài)系統(tǒng)耦合度和協(xié)調(diào)度Fig.3 Coupling degree and coordination degree of land ecosystem in Hebei Province from 2010 to 2020

從總體來看，2010—2020年河北省土地生態(tài)系統(tǒng)耦合度和協(xié)調(diào)度均呈現(xiàn)穩(wěn)步增長態(tài)勢，耦合作用的強度大于協(xié)調(diào)性，但協(xié)調(diào)度的增長速率大于耦合度。其中，耦合度由2010 年的0.289 上升到2020 年的0.481，年均增長率為6.64%，耦合狀態(tài)由“低度耦合”過渡到“基本耦合”，表明土地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部三大子系統(tǒng)之間相互作用程度不斷加強。耦合度均值為0.377，平均狀態(tài)剛達到“基本耦合”階段，表明土地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部三大子系統(tǒng)之間相互作用程度一般，提升空間還很大。協(xié)調(diào)度由2010 年的0.149 上升到2020年的0.455，年均增長率為20.53%，協(xié)調(diào)狀態(tài)由“低度協(xié)調(diào)”過渡到“基本協(xié)調(diào)”，表明土地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部三大子系統(tǒng)之間相互協(xié)同程度越來越大。協(xié)調(diào)度均值為0.299，平均狀態(tài)處于“低度協(xié)調(diào)”階段，表明土地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部三大子系統(tǒng)之間相互協(xié)同程度仍然較低，但已接近“基本協(xié)調(diào)”階段，土地生態(tài)系統(tǒng)整體向良性協(xié)調(diào)轉變。

從變化過程來看，2010—2011年耦合度狀態(tài)處于“低度耦合”階段，2012—2020年過渡到“基本耦合”階段，土地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)之間相互作用程度有所提高。協(xié)調(diào)度狀態(tài)也分為2個階段，即2010—2015年處于“低度協(xié)調(diào)”階段，2016—2020年過渡到“基本協(xié)調(diào)”階段。

3.3.3 耦合度空間格局 通過耦合度模型計算得到河北省11個地級市2010年、2015年和2020年3個典型年份土地生態(tài)系統(tǒng)的耦合度，利用ArcGIS 顯示出將各地區(qū)不同年份土地生態(tài)系統(tǒng)耦合度格局顯示出來（圖4）。

圖4 河北省3個典型年份土地生態(tài)系統(tǒng)耦合度空間格局Fig.4 Distribution of coupling degree of land ecosystem in three typical years in Hebei Province

結果顯示，11個地級市3個典型年份耦合度均出現(xiàn)了低度耦合、基本耦合和中度耦合。各年度低度耦合的區(qū)域分別為5 個、3 個和2 個，基本耦合的區(qū)域分別為4 個、5 個和4 個，中度耦合的區(qū)域分別為2個、3 個和5 個?？梢钥闯觯婉詈蠣顟B(tài)的區(qū)域個數(shù)在減少，高耦合狀態(tài)的區(qū)域個數(shù)在增加。這表明3 個不同時段各區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部三大子系統(tǒng)的耦合度逐年提高，11 個地級市土地生態(tài)系統(tǒng)相互作用程度明顯增強，反映出來源于社會、經(jīng)濟、環(huán)境方面的壓力對土地生態(tài)系統(tǒng)的作用強度越來越大，導致土地生態(tài)系統(tǒng)在社會、經(jīng)濟、環(huán)境方面的狀態(tài)變化也越來越顯著，促使人們應對土地生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)變化所做出的響應措施也越來越多。

3 個典型年份中同時處于低度耦合階段的有邯鄲市和衡水市，處于基本耦合階段的有廊坊市，處于中度耦合階段的有張家口市和秦皇島市。其他6 個市均出現(xiàn)了耦合區(qū)間的跨越，其中，承德市、保定市和滄州市由低度耦合過渡到基本耦合階段，石家莊市、唐山市和邢臺市由基本耦合過渡到中度耦合階段。

從空間分布來看，耦合度高、低值大致呈“中間低，兩翼高”的格局特征。低值區(qū)以衡水市和邯鄲市為典型，衡水市耕地非農(nóng)化占用面積較大，人均耕地面積小，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對土地的污染嚴重，土地生態(tài)壓力大，而積極響應效應低。邯鄲市作為河北省傳統(tǒng)工業(yè)城市，以煤炭為主要能源的第二產(chǎn)業(yè)比重大，工業(yè)生產(chǎn)對土地生態(tài)的污染嚴重，對土地生態(tài)系統(tǒng)造成極大壓力。高值區(qū)以張家口市、秦皇島市為代表，這2個城市人口密度較小，人均資源占有量較大，同時積極發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)，環(huán)保投入力度大，土地生態(tài)環(huán)境良好。張家口、承德以及秦皇島和唐山北部和西部區(qū)域是京津冀生態(tài)屏障區(qū)，預計未來生態(tài)環(huán)境將持續(xù)改善。

3.3.4 協(xié)調(diào)度空間格局 通過協(xié)調(diào)度模型計算得到河北省11個地級市2010年、2015年和2020年3個典型年份土地生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)度，利用ArcGIS各地區(qū)不同年份土地生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)度格局（圖5）。

圖5 河北省3個典型年份土地生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)度空間分布Fig.5 Distribution of coordination degree of land ecosystem in three typical years in Hebei Province

結果顯示，11個地級市3個典型年份協(xié)調(diào)度均出現(xiàn)了低度協(xié)調(diào)、基本協(xié)調(diào)和中度協(xié)調(diào)。各年度低度協(xié)調(diào)的區(qū)域分別為6個、4個和3個，基本協(xié)調(diào)的區(qū)域分別為4個、5個和5個，中度協(xié)調(diào)的區(qū)域分別為1個、2個和3個，可以看出，3個不同時段各區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部三大子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)度逐年增長，11個地級市土地生態(tài)系統(tǒng)相互協(xié)同程度增強。與耦合度的空間變化特征進行相比，協(xié)調(diào)度的空間變化相對滯后，體現(xiàn)出耦合度和協(xié)調(diào)度的空間分異特征。

3 個典型年份中同時處于低度協(xié)調(diào)階段的有邯鄲市、衡水市和承德市，處于基本協(xié)調(diào)階段的有唐山市和邢臺市，處于中度協(xié)調(diào)階段的是秦皇島市。其他5個市均出現(xiàn)了協(xié)調(diào)區(qū)間的跨越，其中，保定市、滄州市和廊坊市由低度協(xié)調(diào)過渡到基本協(xié)調(diào)階段，張家口市和石家莊市由基本協(xié)調(diào)過渡到中度協(xié)調(diào)階段。

從空間分布來看，協(xié)調(diào)度等級的空間格局與耦合度基本相似，低值區(qū)主要分布在南北兩側，以邯鄲市、衡水市和承德市為代表，高值區(qū)主要分布在東西兩側，以張家口市和秦皇島市為代表，由低值向高值跨越的區(qū)域主要分布在中部地區(qū)，以保定市、廊坊市和滄州市為代表。

3.3.5 耦合度和協(xié)調(diào)度空間組合 為了進一步了解土地生態(tài)系統(tǒng)耦合度和協(xié)調(diào)度的組合特征，利用ArcGIS 對河北省11 個地級市3 個典型年份的耦合度和協(xié)調(diào)度進行空間疊加分析，并繪制耦合度和協(xié)調(diào)度組合類型的空間分區(qū)圖（圖6）。

圖6 河北省3個典型年份土地生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)類型空間分布Fig.6 Distribution of coupling coordination type of land ecosystem in three typical years in Hebei Province

11 個地級市3 個典型年份出現(xiàn)了低耦合低協(xié)調(diào)區(qū)（0＜C≤0.3、0＜D≤0.3）、基本耦合低協(xié)調(diào)區(qū)（0.3＜C≤0.6、0＜D≤0.3）、基本耦合基本協(xié)調(diào)區(qū)（0.3＜C≤0.6、0.3＜D≤0.6）、中耦合基本協(xié)調(diào)區(qū)（0.6＜C≤0.8、0.3＜D≤0.6）和中耦合中協(xié)調(diào)區(qū)（0.6＜C≤0.8、0.6＜D≤0.8）五種空間組合類型。各年份低耦合低協(xié)調(diào)的區(qū)域分別為5個、3個和2個，基本耦合低協(xié)調(diào)的區(qū)域分別為1個，基本耦合基本協(xié)調(diào)的區(qū)域分別為3個、4個和3個，中耦合基本協(xié)調(diào)的區(qū)域分別為1個、1個和2個，中耦合中協(xié)調(diào)的區(qū)域分別為1個、2個和3個。可以看出，3個典型年份耦合和協(xié)調(diào)狀態(tài)既出現(xiàn)了同級疊合，又出現(xiàn)了異級交錯，進一步反映出耦合度和協(xié)調(diào)度并非完全保持一致的空間分異特征，不同區(qū)域，社會、經(jīng)濟發(fā)展等方面的壓力不同以及所采取的響應機制差異是造成土地生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)類型分異的主要原因。

3個典型年份中同時處于低耦合低協(xié)調(diào)階段的有邯鄲市和衡水市，處于中耦合中協(xié)調(diào)階段的是秦皇島市。其他8個市均出現(xiàn)了耦合度和協(xié)調(diào)度組合類型的跨越，且表現(xiàn)為由低級類型向高級類型轉變。

從空間分布來看，低耦合低協(xié)調(diào)區(qū)集中分布在河北省南北兩側，以邯鄲市、衡水市為代表，中耦合中協(xié)調(diào)區(qū)主要分布在東西兩側，以張家口市和秦皇島市為代表，其他不同組合類型主要分布在中部地區(qū)，以保定市、廊坊市和滄州市為代表。

3.3.6 耦合協(xié)調(diào)度空間分異 利用空間差異系數(shù)模型分別計算出2010—2020 年河北省11 個地級市土地生態(tài)系統(tǒng)耦合度和協(xié)調(diào)度的空間差異系數(shù)（圖7）。

圖7 河北省土地生態(tài)系統(tǒng)耦合度和協(xié)調(diào)度空間差異性Fig.7 Space difference of coupling degree and coordination degree of land ecosystem in Hebei Province

可以看出，2010—2020年，河北省各市之間土地生態(tài)系統(tǒng)耦合度和協(xié)調(diào)度的空間差異系數(shù)整體呈降低趨勢，且兩者都在2015年后趨于平穩(wěn)，說明各市之間土地生態(tài)系統(tǒng)耦合性和協(xié)調(diào)性的空間差異在不斷縮小，近年來相對平穩(wěn)。各市歷年耦合度的空間差異系數(shù)均小于協(xié)調(diào)度的空間差異系數(shù)，各市之間土地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部相互作用強度的差異性弱于相互協(xié)同強度的差異性。耦合度和協(xié)調(diào)度空間差異系數(shù)的均值分別為37.14%、44.99%，兩者均處于較高水平，各市之間土地生態(tài)系統(tǒng)的耦合性和協(xié)調(diào)性的區(qū)域差異仍然不容忽視。河北省一方面需從全局著眼，加強區(qū)域之間土地生態(tài)系統(tǒng)耦合性和協(xié)調(diào)性的統(tǒng)籌，尤其是協(xié)調(diào)性的增強，以促進土地生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)性全域水平的提升。另一方面要根據(jù)各市土地生態(tài)系統(tǒng)的時空耦合特征及其差異性，制定差異化的調(diào)控策略，以提高各市域土地生態(tài)系統(tǒng)的功能和效益。

4 結論與討論

4.1 結論

本研究以土地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)在的耦合協(xié)調(diào)機制為基礎，構建基于“壓力—狀態(tài)—響應”過程的耦合協(xié)調(diào)度評價指標體系，融合土地利用數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在評估河北省土地生態(tài)系統(tǒng)安全狀況的基礎上，通過容量耦合協(xié)調(diào)模型對土地生態(tài)壓力子系統(tǒng)、狀態(tài)子系統(tǒng)和響應子系統(tǒng)三者之間耦合協(xié)調(diào)發(fā)展的時空特征進行了分析。得出以下主要結論：

（1）2010—2020 年，河北省土地生態(tài)系統(tǒng)綜合安全指數(shù)由2010 年的0.300 持續(xù)增長到2020 年的0.699，年均增長率為13.30%，土地生態(tài)系統(tǒng)安全等級由“惡化級”經(jīng)“風險級”升格至“敏感級”，土地生態(tài)安全狀況顯著改善。但土地生態(tài)安全綜合指數(shù)的均值為0.509，土地生態(tài)系統(tǒng)平均安全等級尚處于“風險級”，土地生態(tài)系統(tǒng)總體安全水平仍然較低。

（2）不同的時空尺度下，土地生態(tài)系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)性呈現(xiàn)不同的時空特征。時間尺度上，2010—2020 年，河北省土地生態(tài)系統(tǒng)耦合度和協(xié)調(diào)度均呈現(xiàn)穩(wěn)步增長態(tài)勢，且耦合作用的強度大于協(xié)調(diào)性，但協(xié)調(diào)度的增長速率大于耦合度。其中，耦合度狀態(tài)由低度耦合過渡到基本耦合，協(xié)調(diào)度狀態(tài)由低度協(xié)調(diào)過渡到基本協(xié)調(diào)，表明土地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部3個子系統(tǒng)之間相互作用程度和相互協(xié)同程度不斷加強；但平均耦合狀態(tài)剛達到基本耦合，平均協(xié)調(diào)狀態(tài)尚處于低度協(xié)調(diào)，耦合協(xié)調(diào)性的提升空間還很大。

（3）空間尺度上，從空間格局來看，河北省11 個地級市在2010 年、2015 年和2020 年3 個典型年份耦合度出現(xiàn)了低度耦合、基本耦合和中度耦合3種狀態(tài)，協(xié)調(diào)度出現(xiàn)了低度協(xié)調(diào)、基本協(xié)調(diào)和中度協(xié)調(diào)3種狀態(tài)，11 個地級市土地生態(tài)系統(tǒng)的耦合度和協(xié)調(diào)度均有所增強，其中6 個地級市出現(xiàn)了耦合等級的上升，5 個地級市出現(xiàn)了協(xié)調(diào)等級的轉變，協(xié)調(diào)度的空間變化強度稍弱于同期耦合度的變化。耦合度和協(xié)調(diào)度等級類型的空間分布基本相似，高、低值區(qū)大致呈“中間低，兩翼高”的分布格局。從空間組合來看，河北省11個地級市3個典型年份耦合和協(xié)調(diào)狀態(tài)既出現(xiàn)了同級疊合，又出現(xiàn)了異級交錯，產(chǎn)生了低耦合低協(xié)調(diào)區(qū)、基本耦合低協(xié)調(diào)區(qū)、基本耦合基本協(xié)調(diào)區(qū)、中耦合基本協(xié)調(diào)區(qū)和中耦合中協(xié)調(diào)區(qū)5種空間組合類型，其中，低耦合低協(xié)調(diào)區(qū)集中分布在河北省南北兩側，以邯鄲市、衡水市為代表，中耦合中協(xié)調(diào)區(qū)主要分布在東西兩側，以張家口市和秦皇島市為代表，其他不同組合類型主要分布在中部地區(qū)，以保定市、廊坊市和滄州市為代表。耦合度和協(xié)調(diào)度的異級交錯反映出耦合度和協(xié)調(diào)度并非完全保持一致的空間分異特征。從空間分異來看，2010—2020年，河北省各市之間土地生態(tài)系統(tǒng)耦合度和協(xié)調(diào)度的區(qū)域差異性均呈降低趨勢，近年相對平穩(wěn)，耦合度的空間差異性低于協(xié)調(diào)度的空間差異性。耦合度和協(xié)調(diào)度空間差異系數(shù)的均值分別為37.14%、44.99%，兩者均處于較高水平，各市之間的差異性仍然不容忽視。

4.2 討論

土地生態(tài)系統(tǒng)是由自然要素與人類活動所主導的社會經(jīng)濟要素之間相互依存、相互作用而形成的復合系統(tǒng)，其具有顯著的動態(tài)性、過程性和系統(tǒng)性[23]。土地生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定發(fā)展取決于系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間的耦合協(xié)調(diào)[24]。本研究所提出的基于過程評價的土地生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)特征研究思路，充分揭示了土地生態(tài)系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)機制及時空分異特征。與傳統(tǒng)的靜態(tài)時點評價相比，動態(tài)過程評價方法充分體現(xiàn)了土地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)、各組成要素之間的相互作用過程?；谕恋厣鷳B(tài)系統(tǒng)內(nèi)在耦合協(xié)調(diào)機制所構建的評價指標體系，不僅全面反映了土地生態(tài)系統(tǒng)的要素、屬性、結構和功能，更揭示了各子系統(tǒng)之間的相互作用關系，得出的評價結果更客觀、合理。

系統(tǒng)學中的耦合是指各系統(tǒng)之間或系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)、各要素之間的相互作用和影響關系[25]，耦合度用以測度彼此之間相互作用和影響的程度[26]，效果不分利弊。協(xié)調(diào)是指系統(tǒng)之間或系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)之間、各要素之間的良性互動關系[27]，協(xié)調(diào)度用以測度彼此之間相互協(xié)同的程度，體現(xiàn)了系統(tǒng)由無序走向有序的趨勢[28]。研究結果顯示，河北省土地生態(tài)系統(tǒng)的耦合度和協(xié)調(diào)度在不同的時空尺度下呈現(xiàn)不同的分異特征。時間尺度上，同時期的耦合度大于協(xié)調(diào)度，但協(xié)調(diào)度的增長速率大于耦合度。空間尺度上，同區(qū)域的耦合度和協(xié)調(diào)度既出現(xiàn)了同級疊合，又出現(xiàn)了異級交錯，形成了多種空間組合類型。不同組合類型反映了耦合協(xié)調(diào)度變化的基本規(guī)律，即耦合度與協(xié)調(diào)度并非保持一致，土地生態(tài)系統(tǒng)耦合度高的區(qū)域其協(xié)調(diào)度不一定高。人類活動對土地資源利用方式的轉變、利用強度的提高以及對土地生態(tài)環(huán)境的頻繁干擾是導致土地生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)類型變化的直接原因，區(qū)域間土地資源自然稟賦、社會經(jīng)濟發(fā)展水平、發(fā)展戰(zhàn)略和政策導向等則是推動土地生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展格局演變的主要因素。因此，在土地生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)控和管理中，應因地制宜規(guī)劃和配置生產(chǎn)、生活和生態(tài)用地，變革粗放式、掠奪式的發(fā)展模式，走資源節(jié)約和環(huán)境友好型的經(jīng)濟社會發(fā)展道路，降低土地生態(tài)環(huán)境的荷載強度；優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構，通過生態(tài)農(nóng)業(yè)、低碳循環(huán)和集約利用等發(fā)展模式提高土地資源利用率，推進退田還湖、退耕還林、水土保育等生態(tài)治理和恢復措施，從自然、社會和經(jīng)濟等方面增強應對土地生態(tài)環(huán)境狀態(tài)變化的響應力度；充分尊重土地生態(tài)系統(tǒng)各組成要素的相互作用過程，充分考慮系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)的時空分異特征，提高系統(tǒng)內(nèi)在協(xié)調(diào)性，促進土地生態(tài)系統(tǒng)的良性互動和相互協(xié)同。

需要指出的是，在不同的研究尺度下，土地生態(tài)系統(tǒng)往往表現(xiàn)出不同的耦合協(xié)調(diào)特征。本文以市域為單元的土地生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)時空特征研究仍屬于宏觀區(qū)域尺度，不能反映出單元內(nèi)部差異，沒有考慮到土地利用類型的空間連續(xù)性，更為微觀的尺度研究還不夠。這就需要突破行政界線，加強部門間基礎數(shù)據(jù)的共享和對接，創(chuàng)新數(shù)據(jù)整合方式和方法，進一步細化評估單元到土地景觀單元水平，從各土地景觀類型空間博弈過程的視角分析土地生態(tài)系統(tǒng)的連續(xù)性變化，為土地生態(tài)系統(tǒng)安全預警、生態(tài)紅線劃分以及土地用途管制提供參考，這是本研究下一步深入的方向。