基于物元分析法的武汉市土地资源安全评价

张升元，于婧，罗洋洋，罗清泉

(湖北大学资源环境学院,湖北 武汉 430062)

土地资源安全是指一个国家或地区可以持续地获取,并能保障生物群落(人类)健康和高效能生产及高质量生活的土地资源状态或能力[1].我国是农业大国,农业是国民经济的基础,土地资源则是农业的根基,土地资源安全状况直接影响农业和国民经济的基础.但近些年来这种基础地位却受到动摇,伴随经济社会的进一步发展,人口的增加、土地资源的减少以及环境恶化等都严重影响土地资源的安全.土地资源的安全形势事关国民经济稳定发展的大局[2],因此探讨新时期的土地资源安全,对我国社会经济的科学发展具有重要的意义.

土地资源安全评价是确定土地资源安全状况的手段,首先以保障土地资源安全为目标函数,详细研究评价对象的安全阈值,以定量或定性的方法予以表征,再以一定的方法或模型对土地利用系统健康或危险状况作出评价[3].目前，我国相关研究已取得不少成果,主要集中于土地生态安全[4-10]、土地资源安全评价指标[11-13]和耕地安全[14-16]等.相关研究成果着重土地安全的某一方面,对土地资源安全进行综合评价的较少,未能全面揭示土地系统的安全等级,因此有必要进行这方面的深入研究.

土地资源安全是一个复合立体概念,影响因素多样,宜采用多因子综合评价.物元分析法用于解决复杂的不相容问题,适合多因子评价,能极大拓展研究范围,提示更多分异信息,提高了等级判定的客观性和科学性[10].本文中采用物元分析法,应用组合赋权法确定各指标权重,对武汉市2002年、2005年和2009年土地资源安全状况进行综合评价.该方法在环境质量分析[17-19]、土地利用与定级[20]方面都得到了很好的应用.目前将物元分析法应用于土地资源评价的较少.本文中的研究是对区域土地资源安全评价方法所作的一次尝试,以期在今后的应用中取得成效.

1 研究区概况

武汉市位于东经113°41′～115°05′,北纬29°58′～31°22′,地处湖北省东部,是我国华中地区中心城市,湖北省省会和政治、经济、文化、科教中心,也是国家重点建设的工业城市,改革开放后，其社会经济发展取得了巨大成就.2010年经济总量达到5 515.76亿元,比上年增长14.7%,继续保持中部六省省会城市第一.长江和汉江横贯市区,将武汉一分为三,形成武昌、汉口、汉阳三镇隔江鼎立的格局.因交通便利,自古被称为“九省通衢”之地.

武汉全境面积8 494平方公里,以平原为主,属于北亚热带季风性湿润气候,湖泊众多,有“百湖之城”的美誉.武汉市土壤类型多样,土地适宜性广泛,利用程度较高,水资源优势突出.2005年,武汉市农用地占总面积的66.04%,其中以耕地为主,占61.13%;未利用地较少,占17.62%;建设用地占16.34%.伴随经济发展,耕地不断减少,人地矛盾突出,农业生产薄弱环节依然没有得到改善,且土地生产潜力未充分发挥,局部用地不合理,对生态环境产生影响.武汉地区是我国城市化进程中矛盾集中体现的区域,也是土地资源安全问题较突出的地区之一.

2 数据来源与研究方法

2.1数据来源本研究的数据主要来自于武汉市统计年鉴(2003-2010年),中国统计年鉴2009年,北京统计年鉴2009年,上海统计年鉴2009年,广州市统计年鉴2009年,武汉市水资源公报(2003-2009年),武汉市环境公报(2002-2009年),武汉市土地利用总体规划(2006-2020年).

基于物元概念,中国学者蔡文教授于上世纪80年代初创立物元分析法,主要用于解决不相容的复杂问题,适合于多因子评价[10,21-22],其基本分析过程如下.

(1)

(2)

式(1)～(2)中:Ro—经典域物元;Noj—划分成的j个评价等级,j=(1,2,…,n);ci—评价等级Noj的第i个评价指标;voji=(aoji,boji)—对应评价等级j的第i个评价指标量值范围;Rp—节域物元;

NP—评价等级全体;vpi=(api,bpi)—NP的第i个评价指标的量值范围.

(3)

式中:Rx—待定断物元;vn—Nx关于cn的量值范围,即实测因子指标值.

2.2.3 确定关联函数及关联度 关联函数Kj(xi)的定义为:

(4)

式中:xi∈voji,则p(xi,voji)<0;xi∉voji,则p(xi,voji)>0;

p(xi,voji)—点xi与有限区间voji=[aoji,boji]的距离;p(xi,vpi)—点xi与有限区间vpi=[api,bpi]的距离;xi,voji,vpi—待评物元的量值、经典域物元的量值范围和节域物元的量值范围.

2.2.4 计算综合关联度并确定评价等级 两事物间的关联性大小的度量,称之为关联度.关联度的计算有5种模式,即:(M(·,+),M(∧,∨),M(∧,⊕),M(·,∨),M(·,⊕))[20].本研究中采用M(·,+)模式,即先乘后加运算计算关联度.

(5)

式中:Kj(Nx)—待评对象Nx关于等级j的综合关联度;Kj(vi)—待评对象Nx关于等级j的单指标关联度j=(1,2,…,n);λi—第i指标的权重.Kj(xi)=max[Kj(xi)],j=(1,2,…,n)

(6)

则评价对象Nx第i指标属于安全标准等级j.Kj(Nx)=max[Kj(Nx)],j=(1,2,…,n)

(7)

则评价对象Nx属于安全标准等级j.

关联度数值Kj(xi)在实数轴上的大小表征了待评对象隶属于土地资源安全水平某一标准的程度,比模糊数学的隶属度所代表的内涵更丰富,能揭示更多的分异信息[10].当Kj(xi)≥1.0时,表示评价对象超过标准上限,数值越大,利用潜力越大;当0≤Kj(xi)≤1.0时,表示评价对象符合标准对象要求,数值越大,越接近标准上限;当-1.0≤Kj(xi)≤0时,表示评价对象不符合标准对象要求程度,但具备转化条件;当Kj(xi)≤-1.0时,表示评价对象不符合标准对象的要求,且不具备转化条件[21].

3 武汉市土地资源安全评价

3.1评价指标体系本研究根据土地资源的概念,依据数据指标的可得性、可操作性和全面性为原则,借鉴所得相关研究成果[3-5,10],采用综合模式来构建土地资源安全评价指标体系,见表1.因2003、2004和2006年森林覆盖率缺少数据,我们采用SPSS 17.0进行插值计算获取,其结果经检验符合数据变化趋势,结果较为可信.

3.2确定权重目前常用的权重确定方法主要有两类,一类是主观赋权法，有专家评分法、层次分析法等;另一类是客观赋权法,有最大离差法、类间标准差法、CRTIC法等[23].因研究需要,本文中采用组合赋权法来确定指标权重,即熵值法和关联度法组合确定权重.

熵值法是一种客观赋权法,是根据数据序列变异程度来确定权重系数.信息论中,熵值是系统无序程度或混乱程度的度量,系统的熵值越大,则它所蕴含的信息量越小;反之,系统信息熵值越小,所蕴含的信息量越大[24].其基本思想是某项属性的数据序列的变异程度越大,则它相对应的权重系数就越大[25].

其中Eij—熵值;Zij—xij的权重;xij—标准化后的指标值;n—评价指标数,m—评价对象数.

关联度法是通过对物元分析法计算得到的关联度进行标准化处理后得到各指标的权重,公式如下[20]:

本文中计算了2002年、2005年和2009年的关联系数,因此采用3年权重平均平均值作为关联度法权重.

3.3土地资源安全评价经典域和节域的确定确定经典域是确定物元分析评价的基础.本文中依据土地资源安全的评价要求,将其划分为4个等级,即No1→No2→No3→No4,表述为:显著安全→安全→临界安全→不安全.

表1 土地资源安全评价指标体系及其权重

经典域的确定主要参照《生态县、生态市建设规划编制大纲(试行)》标准值,国际通行标准,全国平均水平值等.部分缺少上限标准的值采用北京市、上海市、广州市平均水平值代替,主要考虑他们与武汉市地理社会条件的相似性以及在全国社会经济发展的标杆作用,他们之间的数据有可比较意义,如路网密度、经济密度等.在此基础上建立土地资源安全评价的经典域物元矩阵Ro1、Ro2、Ro3、Ro4和节域物元矩阵Rp，见表2.

表2 经典域与节域范围

3.4待判定物元矩阵的确定为了判定近年来武汉市土地资源的安全状况,我们从数据资料中选择了2002年、2005年和2009年3年的数据分析武汉市土地资源安全等级随时间的动态变化变化情况,其物元判定矩阵R2002、R2005和R2009见表3.

表3 物元判断矩阵范围

3.5结果与分析将待评物元数据输入物元分析模型计算,则可得到相应计算结果.以2009年C1指标为例,将v1=0.825带入公式(4),得到该指标的等级关联度,分别为:K1(x1)=-0.300,K1(x2)=-0.125,K1(x3)=0.500,K1(x4)=-0.125.根据公式(5)～(6),则可判定该指标属于级别No3,对应“临界安全”水平.将获得的各项指标关联度及其权重带入公式(7),可计算其相应综合关联度.安全指标关联度与安全综合关联度数值见表4、表5.

表4 武汉市2002、2005和2009年土地资源安全指标关联度

表5 武汉市2002年、2005年和2009年土地资源安全综合关联度

从表4可知,武汉市各分项指标安全性有所提高,显著安全指标由2002年的2项提高到2005年的5项和2009年的6项,同时不安全指标由2002年和2005年的7项下降到2009年的5项.说明自2002年至2009年,武汉市在环境及社会经济发展中做出了努力,不仅社会经济得到了快速发展,生态环境也有了明显的改善,区域的可持续发展性得到增强.但同时我们看到显著安全指标项的增加主要是通过2002年的指标安全项转化得来,如人均居住面积和和森林覆盖面积指标项,指标的安全项数量有所下降.经济密度、路网密度和耕地压力指数等在这些年中一直都是处于不安全状态,没有得到改变,成为制约武汉市土地资源安全的重要影响因子.从三大因素指标项来看,武汉市生态环境因素指标总体向安全方向转化,2009年全部达到安全标准;但社会经济因素和农业生产的不安全指标数量没有变化,成为制约的主要因素.

虽然武汉市土地资源安全性从分项指标来看有所改观,安全性提高,但从表5可知,2002年、2005年和2009年的综合关联度都是负值,综合关联度都位于不安全等级范围内,说明从总体上看武汉市的土地资源安全性不高,处于转化期.但综合关联度的值都处于-1～0之间,且K1(N2009) >K1(N2005) >K1(N2002),K4(N2009)

4 结论与讨论

(1)本文中应用物元分析法和组合赋权法对武汉市2002年、2005年和2009年土地资源安全状况进行了评价,结果表明:2002年之后,武汉市通过环境治理和社会经济的发展,土地资源安全性整体上向着安全性方向转化,部分单项指标已取得了明显提升.其中,污水处理率、森林覆盖率,农作物受灾面积比率、农作物单位面积产量、万元产值能耗和人均居住面积对武汉市土地资源安全性的提升有着重要作用.但化肥和农药使用强度、耕地压力指数、经济密度及路网密度一直都是制约安全性提升的主要因素,这两年一直没有得到改变,今后需要下大力度进行这方面工作.今后,政府方面应当继续完善当前的各项有效政策,维护好当前良好的生态环境状况,应用科学发展观指导社会经济发展和产业转型,完善区域基础设施,切实保护好耕地,计划好人口发展目标,并推进农业科学化,引导农民合理使用农药和化肥.

(2)本文中将物元分析法和组合赋权法综合于应用土地资源安全评价中,是进行土地资源安全评价的一次尝试,获得的评价结果较为准确地反映了实际情况,基本达到了预期的目标.但鉴于目前土地资源安全综合研究较少,今后还需在指标选取、阈值界定和结果应用等方面进行进一步研究.本文中对整个土地资源进行了安全评价,但由于土地用途的不一致,性状的不同,对评价结果应用有较大难度,今后如何分用途、分时序对土地资源进行安全评价是一个复杂和前景广阔的领域.

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