基于熵权—集对分析法的乌鲁木齐市土地利用系统健康评价*

2018-03-27马文娟蒲春玲陈前利苏丽丽穆飞翔刘祥鑫

中国农业资源与区划 2018年2期

马文娟，蒲春玲，陈前利，蒋玲，苏丽丽，穆飞翔，刘祥鑫

(新疆农业大学管理学院，乌鲁木齐 830052)

0 引言

土地利用系统是以土地资源利用为基础的自然、经济、社会为一体的复合性系统。土地是城市建设和发展的重要资源根基，承载着城市经济、社会、文化等各种活动。城市化进程的快速推进、经济社会的迅速发展，导致了土地生态环境日渐恶化、土地质量下降、土地利用率低下等一系列问题的发生，土地利用系统健康问题日益凸显[1]。同时，以“高能耗、高污染、高排放”为典型特征的经济发展模式也对城市土地利用系统的健康造成一定威胁。相关研究表明，土地利用与碳排放关系密切[2]，“低能耗、低排放、低污染”的低碳经济也成为各地区经济发展转变的首选。因此，将低碳理念引入土地利用系统健康评价，是确保土地利用系统健康，实现自然、经济、社会的可持续发展的重要前提。

土地健康是由自然学家Aldo Loepod[3]在20世纪40年代首次提出，认为健康的土地是指被人类占领而没有使其功能受到破坏的状态。Vieira[4]从土地条件变化方面建立了土地健康的评价体系，定性、定量地对土地健康进行评价。陈美球等[5]探讨了土地健康的概念及机理，并从环境、社会、经济3个方面建立土地健康评价体系。蔡为民[6]从在分析土地利用系统健康内涵的基础上建立了土地利用系统健康评价的框架。评价模型方面，主要有综合评价法、层次分析法、物元分析法和集对分析法等数学方法[7-12]。整体来看，国内学者研究土地利用系统健康评价的相对较多，但关于城市土地利用系统健康评价研究较少，而城市土地利用系统的健康关系着人类的生产生活以及城市的可持续发展。

基于此，研究在综合考虑社会经济、人类活动和资源环境等因素对城市土地利用系统作用的基础上，结合低碳经济这一理念，构建了基于市土地利用系统结构、系统功能和系统效益的评价指标体系，选取熵权法确定指标权重，采用集对分析方法对乌鲁木齐市土地利用系统健康状况进行评价，客观地反映土地利用系统健康水平，以期为乌鲁木齐市土地利用提供参考。

1 研究区概况及数据来源

乌鲁木齐市是新疆的首府，也是“一带一路”战略中重要节点和丝绸之路经济带核心区。全市辖7区1县，总面积1.38万km2， 2014年末总人口266.91万人，人口密度为194人/km2。土地利用类型中农用地以草地、林地和耕地为主，建设用地以居民点及工矿用地为主，未利用地面积较大。其中，草地78.05万hm2，林地8.05万hm2，耕地面积7.83万hm2，建设用地7.51万hm2，未利用地32.21万hm2。社会经济的迅速增长以及城市人口的膨胀，导致乌鲁木齐市的土地利用规模和结构发生了很大的变化，生态环境也受到影响，对乌鲁木齐市今后土地利用系统的健康和城市可持续发展造成一定阻碍。因此，通过评价乌鲁木齐市的土地利用系统健康状况，有利于优化城市土地利用结构、发展低碳经济、实现城市土地利用系统的健康持续发展。

研究数据来源于《新疆统计年鉴》(2006～2015年)、《乌鲁木齐市统计年鉴》(2006～2015年)和乌鲁木齐市国民经济和社会发展统计公报。

2 研究方法

2.1 集对分析模型

2.1.1 集对分析模型原理

集对分析由中国学者赵克勤[13]于1989年提出。该分析的原理是：首先根据需要研究的问题构建集对；其次对集对中两个集合的特性进行分析，即采用联系度对集合的同一性、差异性和对立性3者的联系、影响与转化进行分析；再运用到多个集合构成的集对系统进行相关研究问题分析。

给定集合A和B，设这两个集合组成的集对为H=(A，B)。就某个具体研究问题，对集对H的特性展开分析，其中建立了两个集合的联系度μ表达式：

(1)

式(1)中，μ表示联系度；N表示集对具有的特性总数；S表示集对中两个集合共同具有的特性数；P表示两个集合相互对立的特性数；F表示两个集合既不共同具有也不相互对立的特性数；i表示差异度系数；i∈[-1， 1]；j表示对立度系数，且恒等于-1。

μ=a+bi+cj，且a+b+c=1

(2)

式(2)中，a、b、c分别表示两个集合在具体研究的问题下的同一度、差异度和对立度。

根据集对方法的原理可知，联系度具有可展性，因此可以得出：

(3)

简写后为：μ=a+b1i1+b2i2+…+bn-2in-2+cj

(4)

在土地利用系统健康评价过程中，研究区土地的健康程度是不确定的，而作为评价健康程度的等级标准也是不确定的。但是现有的土地利用系统健康评价指标体系以具体的数值作为分级标准是不够客观的，因为这样忽视了评价指标在各层评价级别都具有同、异、反联系的事实。因此，引入集对方法分析土地利用系统健康具有一定的客观性。

集对方法用于土地利用系统健康评价，就是将健康评价指标和既定的健康评价标准构成1个集对[4-15]，当评价指标处于最优评价级别以上，就认为这个集对为同一性联系，这时μ=1；当评价指标处于最劣的评价级别以下，就认为这个集对为对立性联系，这时μ=-1；当评价指标处于最优和最劣评价级别范围内，则认为集对为差异性联系，此时μ=a+bi+cj，且μ∈(-1， 1),这也表明，处于这一范围之间的评价指标对土地利用系统健康状况具有不确定性。

2.1.2 确定联系度

设评价对象为集合Am(x1，x2，…，xm)与评价指标等级标准集合Bk构成集对H(Am，Bk)，然后确定集对的联系度μ(Am，Bk)。

(1)正向指标，k>2，S1≥S2≥…≥SK-1，μ(Am，Bk)为：

(5)

(2)反向指标，k>2，S1≤S2≤…≤SK-1，μ(Am，Bk)为：

(6)

式(5)(6)中，xm为评价指标，m=1， 2，…，M，M为评级指标个数；评价指标等级标准为Bk(k=1， 2，…，K，K为评价等级值。

2.2 构建评价指标体系

城市土地利用系统的健康是以人类、社会和城市可持续发展为目标，实现自然、经济和社会3者的协调发展。当城市土地利用系统的健康受到威胁时，其自身结构和功能具有一定的恢复能力；结构和功能是土地利用系统健康的基础，效益是土地利用系统健康的核心。因而，城市土地利用系统健康评价指标体系要从这3方面选取。

2.3 确定指标权重

为了避免人为主观因素对指标权重的影响，选取了客观赋权法中的熵权法[16-17]确定权重。

(7)

(8)

(9)

3 实证研究——乌鲁木齐市土地利用系统健康评价

3.1.构建评价指标体系

乌鲁木齐市土地利用类型多样，但各类用地空间分布相对集中，且东南西3面临山，地势起伏悬殊，山地面积比重大。并且是典型的干旱区绿洲城市，受制于水资源的限制，土地垦殖率不高。未利用地又多为荒漠或盐碱化程度较高的砂质土地，生态环境较为脆弱。

针对乌鲁木齐市土地利用现状及存在的问题，在借鉴国内相关研究成果的基础上[18-25]，依据系统性、动态性、数据可获性及可操作性等原则，构建了乌鲁木齐市土地利用系统健康评价体系。

3.2 确定指标权重

先将原始数据标准化处理，然后运用熵权法计算出指标权重，结果见表1。

表1 乌鲁木齐市土地利用系统健康评价指标体系及权重

准则层因素层指标层权重系统结构A1(0 356)土地利用结构B1(0 104)C1土地多样性指数(H)0 037C2土地利用率(%)0 031C3土地垦殖率(%)0 036社会经济结构B2(0 252)C4人口密度(人/km2)0 065C5人口自然增长率(%)0 038C6地均GDP(万元/hm2)0 101C7第三产业占GDP比重(%)0 048系统功能A2(0 296)活力B3(0 137)C8城市化水平(%)0 058C9复种指数(%)0 045C10单位耕地面积粮食产量(kg/hm2)0 034稳定性B4(0 159)C11人均耕地面积(hm2/人)0 037C12人均建设用地面积(hm2/人)0 081C13城市绿化覆盖率(%)0 041系统效益A3(0 348)社会经济效益B5(0 134)C14能源消费弹性指数(%)0 043C15农民人均纯收入(万元/人)0 047C16人均GDP(万元/人)0 044生态效益B6(0 214)C17工业废水处理率(%)0 075C18工业废气处理率(%)0 049C19工业固废综合利用率(%)0 034C20地均碳排放(t/hm2)0 056

3.3 确定健康评价等级

评价标准的确定直接影响到评价结果的准确性。在借鉴了相关评价研究中的标准划分思路的基础上，制定了城市土地利用系统健康的评价标准，将土地利用系统健康评价标准划分为：病态(Ⅰ)、不健康(Ⅱ)、临界健康(Ⅲ)、亚健康(Ⅳ)和健康(Ⅴ)5个健康等级，见表2。

3.4 评价结果分析

根据2005～2014年乌鲁木齐市土地利用变更数据和统计年鉴数据，分别建立乌鲁木齐市土地利用系统健康的集对H2005～2014(A21，B5)，将集对数据分别带入集对评价模型中，最终得到2005～2014年乌鲁木齐市土地利用系统健康状况。依据均分原则，将区间[-1， 1]等分成5个区间[14]，从右到左区间依次对应土地利用系统健康评价等级B1，B2，…BK。然后将μ(Am，Bk)与各个等级对应的区间进行对比，得到土地利用系统健康评价等级，μ值越大，评价等级越高，表明土地利用系统越健康，见表3。

表2 乌鲁木齐市土地利用系统健康评价等级标准

指标层健康亚健康临界健康不健康病态C1>1 7(1 65，1 70](1 60，1 65][1 55，1 60]<1 55C2>95(85，95](75-85][65，75]<65C3>30(20-30](15-20][10，15]<10C4<150[150，350)[350，500)[500，800]>800C5<5[5，10)[10，15)[15，20]>20C6>15(5，15](2，5][1，2]<1C7>55(50，55](45，50][40，45]<40C8>90(80，90](70，80][60，70]<60C9>120(100，120](80，100][60，80]<60C10>3000(2700，3000](2400，2700][2100，2400]<2100C11>0 05(0 04，0 05](0 03，0 04][0 02，0 03]<0 02C12<0 02[0 02，0 03)[0 03，0 04)[0 040，0 050]>0 050C13>5(3 5，5 0](2 0，3 5][0 5，2 0]<0 5C14<0 05[0 050，0 075)[0 075，0 085)[0 085，0 100]>0 100C15>1(0 8，1](0 6，0 8][0 4，0 6]<0 4C16>5(3 5，5 0](2 0，3 5][0 5，2 0]<0 5C17>80(60，80](45，60][35，45]<35C18>85(70，85](55，70][40，55]<40C19>90(80，90](70，80][60，70]<60C20<10[10，13)[13，16)[16，20]>20

表3 2005～2014年乌鲁木齐市土地利用系统健康评价

3.4.1 土地利用系统健康综合评价

整体来看， 10年间乌鲁木齐市土地利用系统健康等级经历了“不健康→临界状态→亚健康”的发展历程，整体为上升趋势。但可以看出在2008年有所降低。这是由于城市发展的需要，乌鲁木齐市行政区域进行了扩大调整，致使土地利用系统健康综合水平有波动。但综合来看，乌鲁木齐市的土地利用系统健康状况在逐年改善，并且有变好的趋势。

3.4.2 系统结构健康评价

系统结构健康等级变化过程为“不健康→临界状态→亚健康”。随着经济社会的发展，乌鲁木齐市的土地利用系统结构也发生着变化。系统结构中的各项指标均呈现增长趋势，但增长速度不同。其中土地利用率在2008～2009年间降低， 2009～2014年间增长，这是由于城市行政区划扩大，间接导致未利用地面积增加，土地利用率有所降低。系统结构健康水平总体呈现缓慢增长趋势，目前处于初级的亚健康状态。因为乌鲁木齐土地利用结构不够稳定，土地利用类型分布不均匀，其中农用地占23%左右，建设用地占9%左右，而未利用地占到68%左右，这样的土地利用格局使得城市发展空间受限，因此系统结构仍需改善。

3.4.3 系统功能健康评价

系统功能健康等大体上级经历了“不健康→临界状态→亚健康”的发展过程。其中，人均耕地面积、粮食产量和复种指数总体呈现下降趋势，反映了乌鲁木齐市城市化建设中，城市化率逐步提高，但随着人口的增长，建设用地需求增加，致使耕地乃至农用地面积减少，人均耕地也不断减少；而人均建设用地面积、城市化水平和绿化覆盖率呈现不同程度的上升趋势，促进了土地利用系统功能的稳定性，使得面对部分指标降低时带来的威胁具有一定的抵抗和恢复能力，所以系统功能的健康水平整体上呈现上升趋势，表明乌鲁木齐市土地利用系统的服务功能逐渐增强。

3.4.4 系统效益健康评价

系统效益健康等级经历了“病态→不健康→临界状态→亚健康→健康”的全过程。其中，人均GDP、农民人均纯收入、地均废水、废气处理率、工业固废综合利用率指标出现不同程度的上升趋势，说明这些指标对乌鲁木齐市土地利用系统的健康状况有明显的改善作用；能源消费弹性系数和地均碳排放量两个负向指标也呈现较快的增长趋势，但其制约着城市土地利用系统健康发展。自2010年后地均碳排放量增幅减少，从侧面反映出城市管理者开始注重经济发展与资源利用和生态环境保护之间的协调发展，采取了积极有效的措施来促进城市的健康发展，因而乌鲁木齐市土地利用系统效益从2005年的“病态”逐渐转变为初步“健康”水平。

4 结论及建议

随着乌鲁木齐市城市化发展进程的加快， 10年间乌鲁木齐市土地利用类型、结构和数量都发生一定的变化，土地利用系统总体健康状况经历了由“不健康”到“亚健康”的阶段，并且有向更好的等级发展的趋势。其中，系统结构和系统功能经历了“不健康”到“亚健康”的过程；系统效益经历了“病态”到初步“健康”的过程。

鉴于此，提出几点建议来促进乌鲁木齐市土地利用系统健康的可持续的发展。首先，乌鲁木齐市应严格执行土地用途管制和耕地占补平衡等政策，保障耕地数量和质量安全，加大技术投入力度，合理开垦和利用未利用土地；其次，积极发展绿色生态的现代化农业，积极开展农田整治和高标准基本农田建设，普及科学技术应用，提高农业产值；第三，促进城市土地多样化利用，实现土地利用的节约集约化，优化土地资源市场化配置，减少经济增长对土地资源的过度使用；第四，发展低碳经济，调整和优化产业结构，发展低碳能源，促进城市土地低碳利用，加大生态环节保护和治理力度，追求资源、经济和社会的可持续发展。

[1] 孙丕苓，杨海娟，刘庆果.南水北调重要水源地的土地生态安全动态研究——以陕西省商洛市为例.自然资源学报， 2012， 27(9)： 1520～1530

[2] 黎孔清，陈银蓉.低碳理念下的南京市土地集约利用评价.中国土地科学， 2013, 27(1): 61～66

[3] LeoPled A.Wildemess as land laboratory.Living Wildemess， 1941， 6(2)： 3

[4] Benites J R.Land and Water Development Division.Rome：FAO， 1996

[5] 陈美球，吴次芳.土地健康研究进展.江西农业大学学报(自然科学版), 2002，(3)： 324～329

[6] 蔡为民，唐华俊，陈佑启，等.土地利用系统健康评价的框架与指标选择.中国人口·资源与环境, 2004，(1)： 33～37

[7] 贺翔. 上海市土地利用系统健康评价研究.武汉：华中农业大学， 2007

[8] 陈美球，黄靓，蔡海生，等.鄱阳湖区土地健康评价.自然资源学报, 2004，(2)： 170～175

[9] 郑华伟，张锐，刘友兆.基于物元分析的土地利用系统健康诊断.中国土地科学， 2012, 26(11): 33～39

[10]张锐，郑华伟，刘友兆.基于压力—状态—响应模型与集对分析的土地利用系统健康评价.水土保持通报， 2014, 34(5): 146～152

[11]施开放，刁承泰，孙秀锋，等.基于改进SPA法的耕地占补平衡生态安全评价.生态学报， 2013, 33(4): 1317～1325

[12]宋艳春. 基于物元模型的土地生态系统健康研究.南昌：江西农业大学， 2014