基于VW模型的土地可持续利用评价及时空特征分析<br/>——以安徽省市域为例

基于VW模型的土地可持续利用评价及时空特征分析
——以安徽省市域为例

2015-10-31周学武王占岐

中国土地科学 2015年12期

卢涛，周学武，王占岐，魏超

基于VW模型的土地可持续利用评价及时空特征分析
——以安徽省市域为例

卢涛，周学武，王占岐，魏超

（中国地质大学（武汉）公共管理学院，湖北武汉430074）

研究目的：揭示安徽省各地市土地可持续利用程度及时空格局特征，实现土地资源可持续利用。研究方法：文献资料法、变权模型（VW模型）、层次分析法（AHP）。研究结果：（1）2005—2013年安徽省各地市土地可持续利用指数总体偏低，介于轻度不可持续（III1）到临界可持续（II1）状态之间；（2）从土地可持续利用指数的变化情况来看，增速最慢的为马鞍山市，增速低于2%，增速较缓慢的地区为合肥、阜阳、六安、芜湖、铜陵、黄山，年均增长率介于2%—3%之间，其余地市土地可持续利用指数年均增长率较快，均超过了3%；（3）土地可持续利用程度在空间上呈现一定的地域特征，总体上看，土地可持续利用指数由高到低依次为江南地区、江淮地区、淮河以北地区。研究结论：安徽省土地可持续利用程度总体较差，但各地市土地可持续利用程度不断提升，土地可持续利用格局呈良性发展态势。

土地利用；可持续性评价；变权模型；时空格局

从1992年《21世纪议程》中首次明确提出土地可持续利用评价以来，土地可持续利用研究逐步受到学者们的重视，也成为中国土地科学领域研究的热点问题之一［1-3］。土地可持续利用程度直接关系到区域可持续发展和生态文明建设，只有了解区域土地可持续利用程度，才能更好地制定主体功能区规划以及可持续发展战略。从已有的研究成果来看，存在的突出问题主要是：第一，广泛采用传统的加权平均法难以突出限制性因素的作用，评价结果往往偏大［4-5］；第二，学者们大多是基于某一时间点对某一区域土地可持续利用程度进行分析，而土地可持续利用时空格局特征方面研究的却较少［6-10］。此外，揭示区域土地利用可持续性的时空动态变化以及空间分异特征也是土地可持续利用系统的重要组成部分［10-11］。因此，本文以市域为基本评价单元，统筹安徽省社会、经济、生态发展全局，结合各地市实际情况，将VW模型（变权模型）引入到土地可持续利用评价研究中，并对变权评价结果与常权评价结果进行比较，分析研究2005—2013年安徽省各地市土地可持续利用程度及时空格局特征，以期为安徽省制定土地可持续发展战略、建设生态强省提供科学依据和理论参考。

1　研究方法

1.1数据标准化处理

采用功效系数法对指标进行标准化处理［12］。对于正向指标，采用式（1）进行标准化；对于负向指标，采用式（2）进行标准化；对于适度性指标，采用式（3）进行标准化。

式（1）—式（3）中，yi*为标准化值，yi为指标状态值；Mi为指标状态值判别为可持续与不可持续的临界线，即阈值（否定水平）。

1.2土地可持续利用评价VW模型

变权思想最先由汪培庄教授提出，它通过“惩罚”（“激励”）那些特别差（好）的指标，来解决加权平均法中指标间存在的补偿机制问题［12-17］，其核心思想是指标权重随指标状态值的变化而改变。其中，激励型状态变权使相应的指标权重随指标状态值的增大而增大；而惩罚型状态变权使相应指标权重随指标状态值的减小而增大。本文采用“惩罚型”变权方法对指标基础权重进行修正，使评价结果更加接近实际。

根据变权理论，构建土地可持续利用评价VW模型的步骤［12，18］如下：

（1）采用层次分析法（AHP）确定各指标的基础权重向量Wi= （W1，W2，…，Wp）。

（2）基于变权理论构建土地可持续利用评价VW模型。

（3）结合定义2，并借鉴前人研究成果［12-14］，构造惩罚型状态变权向量。

式（6）中，n为指标状态值判别为可持续与不可持续的临界线，即阈值（否定水平），根据前人研究结果［17-18］，设定n = 0.85。yi*为指标标准化值，当0≤yi*≤n时，权重增大，而其指标标准化值较小，进而达到“惩罚”该指标的目的；当n＜yi*≤1时，对第i个指标不进行惩罚。m为惩罚因子，m取值不同，评价结果也不同：当m为0时，即为无惩罚效果的常权评价；然而m取值越大，低于阈值的指标受到的“惩罚”越重，甚至导致评价结果与实际情况相反，出现“惩罚过度”［5］，在实际评价过程中要注意避免。本文根据专家经验法，确定m为0.8155，此时指标均衡性较好。

2　基于VW模型的安徽省土地可持续利用评价

2.1研究区概况

安徽省位于中国东南部，地貌以平原、丘陵和低山为主，平原、丘陵、山地各占三分之一。长江和淮河自西向东横贯全境。安徽地处暖温带与亚热带过渡地区，气候温暖湿润。全省耕地422×104hm2，林地329×104hm2，水面105×104hm2。2013年全省生产总值19038.87亿元，其中第一产业2348.09亿元，第二产业10403.96亿元，第三产业6286.82亿元，人均国民生产总值31683.90元，总人口6929万人。

2.2数据来源

本文基础数据来源于2006—2014年《安徽统计年鉴》、各地市统计年鉴、安徽省统计公报、各地市统计公报、《中国城市统计年鉴》、《中国环境统计年鉴》。

2.3评价指标体系构建

土地可持续利用评价指标体系既要反映人类社会经济活动对土地系统产生的影响，也要体现研究区域的差异，重点要关注能够反映区域土地可持续利用问题的指标，使指标体系能够准确反映土地利用系统的变化状况。因此，指标体系构建要综合考虑以下几个因素：1）选取的指标要体现普适性与地区差异性；2）指标的科学性与可操作性；3）数据的可获取性及可量化性；4）要体现土地可持续利用思想的内涵［8］。据此，统筹全省、结合各地市的实际情况，以土地可持续利用为目标，借鉴前人构建的土地可持续利用评价指标体系［19-20］，本文构建了三个层次、25个具体指标组成的安徽省市域土地可持续利用评价指标体系（表1）。

2.4土地利用可持续性评判标准确定

本文以土地可持续利用指数（SLUI）作为土地可持续利用综合分值来评判土地可持续利用等级。根据式（1）—式（6）可知，SLUI的取值区间为0＜SLUI＜1，SLUI越接近1，表明研究区土地利用为可持续状态；当SLUI越接近0时，表明研究区土地利用为不可持续状态。由于SLUI是综合性指标，其值的细微变化对评价结果都会产生较大的影响。因此，结合本研究的实际情况，将区域土地可持续利用等级划分为9等，由此得出区域土地可持续利用评判标准（表2）。

表1　安徽省各地市土地可持续利用评价指标体系Tab.1 The evaluation index framework of sustainable land use of each city in Anhui Province

表2　区域土地利用可持续性评判标准Tab.2 The sustainability criteria of regional land use

图1　合肥市2013年土地可持续利用指标权重对比Fig.1 Index comparison of sustainable land use of Hefei City in 2013

2.5结果与分析

运用层次分析法（AHP）计算各指标基础权重，根据式（1）—式（6），结合基础数据及基础权重，即可得出2005—2013年安徽省各地市土地可持续利用指数变权评价结果与常权评价结果（表3）。2.5.1 土地可持续利用评价指标权重变化鉴于文章篇幅限制，本文仅以2013年合肥市为例，对VW模型的适用性进行分析（图1）。从2013年各项指标变权与基础权的比较可以看出，指标A3、B2、B5、B6、C3、C4、E1变权权重高于基础权，其余指标变权权重低于基础权。从指标标准化值的变化可以看出，权重增加的这些指标状态值均低于其阈值，尤其是A3、B2、B5、C3、C4、E1，其指标状态值远低于阈值，如果不采取相应措施，会进一步造成资源短缺、覆被减少以及土地污染加剧。同时也可以看出，B6指标状态值也低于阈值，但其权重变化幅度相对较小，这是因为其基础权较高，状态值距离阈值相对较近，而且各指标权重的调整要兼顾整体指标权重的变化差异。因此，VW模型是在尊重基础权的基础上，根据指标状态值距离阈值的远近来做出合理性评价，这有助于提高对土地可持续利用起限制作用因素的重视程度。

2.5.2土地可持续利用评价结果与变化由表3可知，2005—2013年安徽省各地市变权评价结果低于常权评价结果。这是因为“惩罚型”变权模型对低于阈值的指标进行“惩罚”，使其权重增大；另外，指标状态值距离阈值越远，“惩罚”越重，因而变权评价结果必然偏低，也进一步验证了VW模型可以达到“惩罚”那些低于阈值指标的目的，评价结果更符合实际情况。

根据变权评价结果，2005—2013年间，各地市土地可持续利用指数不稳定，介于轻度不可持续（III1）到临界可持续（II1）之间，总体偏低。具体来说，2005年，仅合肥、马鞍山、芜湖、铜陵、宣城、黄山、淮北、淮南、蚌埠SLUI处于II2，其余8市处于III1，其中，马鞍山市最高，为0.5412，比SLUI值最低的亳州市高出0.1414；到2013年，各地市SLUI都有了不同程度的上升趋势，仅有六安、阜阳、亳州、宿州4市SLUI处于II2，其余地市都上升到了II1，其中，SLUI最高的蚌埠市比最低的阜阳市高出0.1548，各市SLUI差异仍然较大。进一步分析可以发现：2005—2013年，全省各地市经济可行性子系统提升最为显著，资源保护性子系统除了B2和B5指标外也有一定提升，土地生产性子系统除A3外，其支持力度也有所增加，这三方面共同作用致使各地市土地可持续利用水平总体提升。然而，制约各地市SLUI提升主要是生产稳定性子系统和社会和谐性子系统：化肥农药大量使用造成土地污染、人多地少导致资源禀赋相对不足、社会经济发展水平不高等成为制约土地可持续利用水平提高的瓶颈。综上所述，近9年来，安徽省在加快全省经济发展、保护生态环境的同时，通过土地综合整治、提高土地利用投入产出等措施，各地市土地可持续利用指数有了一定的提升，但总体上仍处于临界可持续（II）阶段，土地可持续利用水平有待进一步提高。政府接下来既要发展经济、改善民生，也要保耕地增粮产、促节约提效率，农药化肥要减少，绿化水平要提高，切实改善土地生态环境，促进人地关系协调发展。

从SLUI的变化速度来看，安庆市SLUI年均增长率最高，为3.88%，而马鞍山市最低，为1.98%。按照增速大小可分为三类地区：增速最慢的马鞍山市为一类，年均增长率低于2%；第二类为SLUI年均增长率介于2%—3%之间，包括合肥、阜阳、六安、芜湖、铜陵、黄山；其余地市SLUI年均增长率较快，均超过了3%，可归并为一类。

2.5.3土地可持续利用空间分析根据表3数据及表2划分的等级标准，绘制安徽省2005年、2008年、2010年、2013年土地可持续利用指数空间格局图（图2，封二）。

从图2（封二）中可以看出：2005—2013年，安徽省各地市SLUI总体上由轻度不可持续（III1）到临界可持续（II1）上升的趋势，且在空间上呈现一定的格局特征：2005年，有8个地市SLUI处于III1，主要分布在皖西、皖北以及东部的滁州市和巢湖市，江南地区以及经济发展较快的合肥、淮南、淮北、蚌埠4市SLUI处于II2；2010年，仅有阜阳市还处于III1，而处于II1的地市由2008年的4个增加至2010年的8个，主要分布在长江流域以及合肥、淮南、淮北、宣城，其余地市均处于II2；2013年，只有阜阳、亳州、宿州、六安4市处于II2，主要分布在皖西以及皖北地区，其余12市都处于II1。从演变特征来看，安徽省土地利用可持续性在空间上呈现一定的地域特征。总体来看，SLUI由高到低依次为江南地区、江淮地区、淮河以北地区，这表明，各地市土地可持续利用水平存在一定的空间关联性，这与自然条件（地形地貌、气候、土壤、水文等）、经济条件（交通、区位、产业等）以及社会文化条件（人口等）有很大的关系：江南地区降雨量丰富，地形以山区为主，植被覆盖率高，因此SLUI较高；江淮地区以丘陵为主，土地利用类型多样，加上省会合肥的辐射带动作用，政策、资金、技术的不断投入，土地可持续利用程度也在增强；而淮河以北为平原区，土地利用以农用地为主，人多地少、经济发展缓慢、植被覆盖率低等因素导致土地可持续利用指数总体偏低。2.5.4 土地可持续利用良性发展近9年来，安徽省各地市SLUI总体上都呈现由轻度不可持续（III1）向临界可持续（II1）上升的趋势。到2013年，仅有阜阳、亳州、宿州、六安4市还处于II2，其余12市都处于II1。这表明，安徽省在加快经济发展的同时，通过优化土地利用结构、提高土地集约节约利用水平、保护土地生态环境等一系列措施使得安徽省各地市土地可持续利用水平不断提升。

3　结论与讨论

本文以变权理论为基础，以市域为单元，通过构建土地可持续利用评价VW模型，对安徽省2005—2013年各地市土地可持续利用状况进行评价，较好地揭示了安徽省市域土地可持续利用水平及时空格局，通过分析，得出以下结论：

（1）2005—2013年安徽省各市土地可持续利用指数总体偏低，处于轻度不可持续（III1）到临界可持续（II1）之间。2005年，除了合肥、马鞍山、芜湖、铜陵、宣城、黄山、淮北、淮南、蚌埠处于临界可持续（II2）外，其余地市均处于轻度不可持续（III1）；到2013年，各地市土地可持续利用指数都有了不同程度的提升，仅有六安、阜阳、亳州、宿州4市处于临界可持续（II2），其余地市都上升到了临界可持续（II1）阶段。然而，各地市土地可持续利用指数差异仍然较大，土地可持续利用水平有待进一步提高。

（2）从土地可持续利用指数的变化情况来看，按照增速大小可分为三类地区：增速最慢的为马鞍山市，增速低于2%；第二类为增速较缓慢的地区，包括合肥、阜阳、六安、芜湖、铜陵、黄山，SLUI年均增长率介于2%—3%之间；其余地市年均增长率较快，均超过了3%。

（3）安徽省土地可持续利用水平在空间上呈现一定的地域特征。总体上看，土地可持续利用指数由高到低依次为江南地区、江淮地区、淮河以北地区，局部地市虽有所变化，但是总体格局变化不大。

（4）近9年来，土地可持续利用指数处于轻度不可持续（III1）的8个地市全部得到提升；处于临界可持续（II2）阶段的地市由2005年的8个减少到2013年的4个；2013年，有12个地市土地可持续利用指数提升到临界可持续（II1）阶段。这说明安徽省各地市土地可持续利用程度不断提升，土地可持续利用格局呈良性发展态势。

（5）实践研究表明，土地可持续利用评价VW模型通过“惩罚”那些状态值低于阈值的指标，克服了加权平均法中指标间存在的补偿机制，评价结果更符合实际情况。然而，在土地可持续利用评价VW模型中，变权向量的构造、惩罚因子值的确定对研究结果有较大影响，因此，在VW模型中构建更合理的状态变权向量与惩罚因子值还有待探讨；另外，以县域为基本单元来开展土地可持续利用评价有待进一步研究。

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（本文责编：郎海鸥）

Evaluation of Regional Sustainable Land Use and Its Spatial-temporal Pattern based on the VW Model: A Case Study of Each City in Anhui Province

LU Tao，ZHOU Xue-wu，WANG Zhan-qi，WEI Chao
（School of Public Administration， China University of Geosciences， Wuhan 430074， China）

The purpose of this study is to reveal the extent of sustainable land use and their temporal and spatial patterns in each city of Anhui Province， and to achieve the sustainable utilization of land resources. Method of documentation，Variable Weight model （VW model） and analytic hierarchy process （AHP） are applied. The results show that： 1）on the whole， the sustainable land use index of each city in Anhui province from 2005 to 2013 is low. They are between mild unsustainable （III1） and the critical sustainable （II1）. 2）The variations performance indexes display that the growth for Ma'anshan， which is below 2%， is the slowest， while those cities like Hefei， Fuyang， lu'an， Wuhu， Tongling， Huangshan have lower annual growth rate of land sustainable use indexes， which are between 2% to 3%.The rest cities in Anhui Province have faster growth rate i.e. more than 3%. 3）The sustainable land use in Anhui Province presents obvious regional characteristic. Overall， the degree of sustainable land use in the Jiangnan region， Jianghuai region and areas north of the Huaihe River show a progressively declining trend. It is concluded that the sustainable land use in AnhuiProvince was inferior as a whole； but the degree of sustainable land use in each city in Anhui Province is constantly raising， and the pattern of sustainable land use presents a healthy development trend.

land use； sustainable assessment； variable weight model； spatial-temporal pattern