厦门市土地利用多功能性评价及障碍因子诊断

2019-03-25梁建飞陈松林

亚热带资源与环境学报 2019年1期

梁建飞，陈松林,b*

(福建师范大学a.地理科学学院；b.福建省亚热带资源与环境重点实验室，福州 350007)

0 引言

随着区域经济的快速发展、城镇化和工业化进程的不断加速推进，土地利用方式和配置格局发生巨大的变化，土地利用的有限性和稀缺性特征日益凸显[1]。因此，充分发挥区域土地资源多功能潜力和优势，激发土地活力，是提高区域土地利用效率和实现可持续发展的可行途径。土地利用多功能的概念是从农业多功能的概念演化而来，是指土地资源不单具有生产农产品功能，还具有社会、经济、生态等多重功能，即不同的土地利用方式提供人类所需产品与服务的能力[2]。土地利用多功能研究日益受到国内外学术界的关注，De Groot基于土地的调节功能、栖息地功能、生产功能、提供信息功能构建系统完整的土地生态框架体系[3]。国内对土地利用多功能性研究还处于起始阶段，缺乏整体研究体系，尚未形成完备的评价指标体系及其评价方法，在研究视角上，着眼于土地利用功能类型[4-5]，定量分析模型和评价方法[6]以及土地功能时空格局变化[7]等方面展开单方面或综合研究；在研究方法上，多采用模糊综合评价法[8]、综合指数法[9]、层次分析法[10]、全排列多边形综合图示法[11]等方法。对土地利用多功能性研究旨在协调优化土地利用多重功能，提高区域土地利用效益，实现区域可持续发展。随着经济的迅速发展，厦门市的土地利用景观格局演变加剧，城市发展面临着巨大压力，农业用地、建设用地、生态用地等各类用地供需矛盾日趋凸显，土地利用/覆被变化引起的土地利用功能效应应予以关注。鉴于此，基于可持续发展三维度理念构建土地利用多功能性评价指标体系，采用熵值-改进突变级数法对2004—2016年厦门市土地利用多功能性进行综合评价，并运用障碍度模型对影响其障碍因子进行诊断，据此提出策略，可为提高厦门市土地资源利用效率及实现经济社会可持续发展提供参考，并且为土地利用多功能综合评价、问题研究和决策指导提供方法基础和科学依据。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

厦门市坐落于闽南金三角地区中心，是东南沿海重要的中心城市、港口及风景旅游城市。厦门市土地资源匮乏，陆域面积仅占全省土地总量的1%，地貌形态依次由山地、丘陵、台地、平原向海岸过渡，显著的地域差异使土地利用功能存在明显的空间差异。近些年厦门市深入推进供给侧结构性改革，全市经济保持快速持续增长，2016年实现3 784.27亿元，年均增长率为12.89%，一、二、三产业结构从2004年的2.3∶59.3∶38.4调整到2016年的0.6∶40.8∶58.6，是中国唯一经济指数高于其省会城市的副省级市。

1.2 数据来源

研究数据主要来源于《厦门经济特区年鉴》(2005、2011、2017年)、厦门市国民经济和社会发展统计公报(2004、2010、2016年)；人均水资源数据来源于厦门市水资源公报(2004、2010、2016年)；建成区绿化覆盖率、SO2浓度年均值数据来源于厦门市环境质量公报(2004、2010、2016年)；2004、2010、2016年水土流失率数据分别用2003、2011、2015年的水土流失率数据替代，数据来源于厦门市水土流失监测公报(2003年)、厦门市水土流失遥感调查报告(2011年)和《厦门市水土保持规划》(2016—2030)。

2 研究方法

2.1 划分土地利用功能类型

诸多学者从不同的视角对土地利用功能类型进行了探讨[12-13]。基于土地利用功能的多元化以及区域可持续发展的目标性，并从区域可持续发展三维度理念出发将厦门市土地利用多功能类型划分为3大单项功能，即经济功能、环境功能和社会功能，各单项功能分别包括若干个子功能(表2)。经济功能即粮食等农林牧渔业初级产品提供的能力、促进经济稳定良性增长的能力以及完善交通基础设施网络，增强交通供给服务的能力等。基于此，选取农业生产功能、经济发展功能和交通保障功能衡量经济功能。环境功能即土地系统为人类提供各类资源的能力、容纳消解污染物维持生态环境平衡的能力以及抵抗外界干扰，维护生态环境稳定的能力等，基于此，选取资源供给功能、环境净化功能和生态维持功能衡量环境功能。社会功能即力求不断满足人民日益增长的美好生活需要，实现社会福祉最大化，促进社会健康和谐发展，基于此，选取就业支持功能、居住家园功能、社会保障功能和文化休闲功能衡量社会功能。土地利用经济、环境和社会功能相互影响，相互统一，致使土地系统具有多功能性。可见，土地利用多功能性是生态环境与经济社会耦合协同发展的产物。

2.2 构建土地利用多功能评价指标体系

一般突变系统状态变量的控制变量不超过4个，则势函数最多只有7种突变形式，其中最常见的有尖点型、燕尾型和蝴蝶型突变系统模型[14-15](表1)。着眼于土地系统的整体性，并考虑到突变系统的条件，构建了包括23个指标的厦门市土地利用多功能评价指标体系(表2)。

表 1 最常见的突变系统模型的势函数、分歧点集方程及归一公式Figure 1 Potential functions, bifurcation point set equations and normalization formulas for the most common catastrophe system models

2.3 熵值赋权确定评价指标权重

熵值赋权法是一种较为常用的客观赋指标权重的方法，能克服主观因素较为全面准确地反映指标数据所隐含的信息和规律，能显著提高指标数据间的对比度，有效避免因指标数据差异过小而导致出现分析评价困难等问题，故而能综合地反映指标信息的效用值[1,16-17]。

2.3.1 数据同趋势化处理

对于绝对数低优指标，运用倒数法对其正向化处理：

(1)

对于相对数低优指标，运用差值法对其正向化处理：

Xij=1-Xij

(2)

式(1～2)中：xij是第i个指标第j年的指标值，Xij为其正向化处理后的指标值，i=1,2,…m,m为评价指标数，j=1,2,…n,n为评价年份数。

2.3.2 数据无量纲化处理(向量规范化法)

(3)

式(3)中：Yij是Xij无量纲化后的值。

2.3.3 计算第i个指标的信息熵Ei

(4)

表 2 厦门市土地利用多功能动态评价指标体系

注：“+”表示正指标，“-”表示逆指标。指标体系构建主要参考文献[12]。

(5)

2.3.4 计算第i个指标的权重

(6)

2.4 建立改进突变级数评价模型

突变级数法是一门研究非连续变化和突变现象的新兴数学学科，基本思想是基于系统的势函数将系统的临界点分类，进而分析各类临界点附近非连续变化状态的特征[18]。突变级数法结合了层次分析法和模糊评价法的优点，故而特别适用于多层次复杂系统评价问题。

突变级数法无需对评价指标赋予权重，但需考虑各评价指标的相对重要性。为了使研究结果更加客观科学，克服各指标排序的主观性，采用熵值法以辅助评价，确定各级指标的相对重要性，主要指标排前，次要指标排后(表2)。建模步骤如下：

2.4.1 运用递级突变模型计算初始突变评价值

当突变系统控制变量维数为2、3、4时相对应的突变系统模型为尖点型、燕尾型和蝴蝶型突变系统模型[21]，本研究应用到了这3种突变模型(表1)。结合运用熵值法确定评价指标重要性排序的结果以及指标体系的层次结构，确定各层次的突变系统模型类型，再根据相应突变模型的归一化公式对各层控制变量展开逐层量化递归处理，得出土地利用各功能的初始突变评价值。

2.4.2 构建拟合函数关系式计算改进突变评价值

计算当所有底层指标隶属度值均为{0、0.01、0.025、0.04、0.05、0.075、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0}时相对应的土地利用各功能的突变评价值[19]，采用幂函数y=axb作为回归模型拟合底层指标隶属度值与相应的突变评价值，得到土地利用各功能的拟合函数关系式(表3)。将常规突变评价法得到的初始突变评价值(y)代入拟合函数中，求出与之相对应的底层指标隶属值(x)，即得到各年份土地利用各功能改进突变评价值(图1)，从而将趋近于1的初始突变评价值调整到[0,1]区间上分布，使评价结果的“优”“劣”涵义更明显。

表 3 土地利用各功能初始突变评价值与底层指标隶属度值的拟合函数及相关系数

2.5 土地利用多功能测度

引入功能实现率(T)、功能变化动态度(K)、功能标准差(Ф)、功能变化优势度(M)对厦门市土地利用多功能进行测度。

2.5.1 测度区域某年份某类土地利用功能的实现程度

为某年份某类土地利用功能值与该功能理论最大值的比值。当某类土地利用功能评价值达到最理想化时，其功能值为1，即土地利用功能评价值等于其功能实现率，且T≤1。

2.5.2 表征某阶段土地利用各功能的相对变化程度

(7)

式(7)中：Hj+1、Hj分别是第j+1年、第j年某土地利用功能评价值。

2.5.3 表征某年份土地利用各功能间的差异程度，用以说明土地利用各功能间的协调性

(8)

2.5.4 测度某阶段土地利用各功能变化的差异性

(9)

式(9)中：|K|max为功能变化动态度绝对数的最大值，∑|K|为功能变化动态度绝对值之和，M越大，则土地利用各功能变化差异越大，土地利用趋于单一化的态势发展；M越小，则表明土地利用向多元化的态势演变。

2.6 构建障碍度模型

为了更好地辨识影响土地利用功能的障碍因子，引入因子贡献度(Qi)、指标偏离度(Rij)以及障碍度(Dij,Wij)对各项指标展开研究。Qi即各项指标对土地利用总功能的贡献值；Rij测度各项指标与土地利用功能目标之间的差距；Dij、Wij分别测度指标层和准则层的各项指标对土地利用总功能水平发挥的制约程度。模型构建如下[20]：

Rij=1-Yij

(10)

(11)

Wij= ∑Dij

(12)

3 结果分析

3.1 厦门市土地利用多功能整体演变分析

图 1 2004、2010、2016年厦门市土地利用功能Figure 1 Land use functions’ values of 2004, 2010 and 2016 in Xiamen

1)土地利用总功能由2004—2010年缓慢退化过渡到2010—2016年缓慢提升(图1)。2004—2010年厦门市加快构筑经济特区中心城市的发展目标，“特、港、创、带、建”虽取得明显的成效，但随着城镇化进程的加快，城乡建设用地需求增加，土地承载压力增大。2010—2016年，厦门市全面实施岛内外一体化、二三产共推进、内外需齐拓展、惠民生促和谐，土地利用活跃度快速上升，功能变化动态度为12.93%，跃入缓慢提升阶段，功能实现率于2016年为0.543，维持在中度持续水平(表4)。

2)土地利用各功能间的协调性呈先增后减的趋势。2004、2010、2016年的单项功能标准差分别为0.067、0.054、0.090，子功能标准差分别为0.173、0.082、0.145，2004—2016年土地利用单项功能间及子功能间的差异均先减后增(表5)。

3)土地利用功能日趋多元化。2004—2010年、2010—2016年单项功能变化优势度分别为0.529、0.497，后一阶段相对于前一阶段下降6.00%。子功能变化优势度由2004—2010年0.258提高到2010—2016年0.268，后一阶段相对于前一阶段上升4.12%(表5)。从整体来看，2004—2016年间土地利用功能向多元化的态势发展。

表 4 厦门市土地利用功能实现率、功能水平类型、功能变化动态度及功能变化类型

注：借鉴相关研究成果[14]，T<0.4，处于低度持续水平；0.4≤T≤0.7，处于中度持续水平；T>0.7，处于高度持续水平。K<-20%，属于快速退化型；-20%20%，属于快速提升型。

表 5 厦门市土地利用功能标准差及功能变化优势度

3.2 厦门市土地利用各类功能演变分析

1)经济功能。经济功能由2004—2010年缓慢退化进入2010—2016年缓慢提升阶段。城市化和工业化的发展占用大量耕地，人均粮食拥有量从2004年53.73kg降至2016年9.00kg，与400kg全国平均水平相距甚远，致使2004—2016年农业生产功能处于快速退化状态。随着经济结构战略性调整，经济运行质量和效益持续提高，经济密度由2004年5.66×107元·km-2增长到2016年2.23×108元·km-2，经济发展功能快速提升。高速铁路等现代化立体综合交通网络体系加快完善，交通保障功能从2004年低度持续提高到2016年高度持续(表4)。

2)环境功能。2004、2010、2016年环境功能实现率介于0.4～0.6间，保持着中度持续水平；2004—2010年、2010—2016年环境功能变化动态度分别是-16.20%、14.01%，从缓慢退化跃入缓慢提升阶段。2004—2016年人均耕地资源远低于联合国粮农组织规定的0.057hm2警戒线，人均水资源量也低于国际公认人均1 000m3缺水警戒线，资源供给功能从2004年高度持续降至2016年中度持续。近些年厦门市全面实施“蓝天、碧水、绿色、宁静、洁净”五大环保工程，SO2浓度年均值均达到国家环境空气质量一级标准，但水污染等作为经济建设副产品使生态环境也面临着巨大压力，环境净化功能变化动态度从2004—2010年缓慢退化跃入2010—2016年快速提升阶段，从总体看，生态城市建设策略是有成效。以侵占生态用地为主要手段的城市扩展越演越烈，森林覆盖率从2004年42.6%降至40.33%，生态维持功能从2004—2010年缓慢提升进入2010—2016年缓慢退化阶段(表4)。

3)社会功能。2004—2016年厦门市社会功能实现率均在0.4～0.7间，处于中度持续水平；2004—2010年、2010—2016年社会功能变化动态度分别为34.43%、21.90%，处于快速提升状态。从业人口密度由2004年768人·km-2增到2016年1987人·km-2，就业支持功能从低度持续提升到高度持续。2016年城镇居民人均教育文化娱乐消费是仅次于食品、居住和交通的第四大消费类别，2004—2016年文化休闲功能呈快速提升态势。厦门正处于城市化进程加速发展阶段，城镇化水平由2014年62%提高到2016年89%，居住家园功能从2004—2010年快速提升进入2010—2016年缓慢提升阶段。2004—2010年城乡收入平衡指数呈减小趋势，城乡差距增大，社会保障功能变化动态度为-1.11%，处于缓慢退化状态，之后厦门市着力惠民生促和谐，城乡收入平衡指数有所增大，城乡差距缩小，2010—2016年社会保障功能变化动态度为22.22%，进入快速提升状态(表4)。

3.3 厦门市土地利用功能的障碍因子诊断

1)指标层障碍因子分析。为了更好辨识障碍因子，以Dij>5%为区分障碍因子的标准[21]。经济密度指标障碍度在2004年和2010年分别居于第一、第二位，这表明2004—2010年经济密度是影响土地利用总功能的关键障碍因子。经济密度、交通用地密度、从业人口密度、人均第二、三产业产值的障碍度从2004年22.71%、16.46%、10.66%、9.81%降至2010年11.08%、6.45%、5.53%、5.74%，于2016年均不再是障碍因子。人均粮食拥有量障碍度从2010年39.72%提至2016年53.22%，均居首位，人均耕地面积障碍度从2010年6.16%增至2016年9.16%，废污水排放强度障碍度于2016年位居第三，成为影响土地利用总功能的主要障碍因子(表6)。

表 6 影响厦门市土地利用功能指标层障碍因子及其障碍度/%Table 6 Index layer obstacle factor and its obstacle degree of affecting land use function in Xiamen

2)准则层障碍因子分析。从总体来看，农业生产功能、资源供给功能障碍度均呈上升趋势；居住家园功能障碍度先降后升；而其他子功能障碍度均呈下降趋势。从具体数值来看，2016年主要障碍因子：农业生产功能>资源供给功能>环境净化功能，可见，经济快速发展和人口急剧增长所带来的资源约束加剧和生态环境压力加大问题是目前影响土地利用总功能的主要障碍因子。从障碍度年均变化率来看，2004—2016年，农业生产功能和资源供给功能障碍度分别以年均24.15%、6.57%的速度增长，其他子功能的障碍度均以不同程度的速度降低。从长远来看，厦门市农业发展前景是可观的：“十二五”期间，厦门市围绕美丽厦门战略规划，积极发展都市现代农业，并将其归入“5+3+10”现代化产业支撑体系中着力发展，都市现代农业发展格局的确立将为厦门市土地利用农业生产功能增添强劲动力(表7)。

表 7 影响厦门市土地利用功能准则层指标障碍度/%

4 结论与对策

4.1 结论

研究基于可持续发展三维度理念构建厦门市土地利用多功能性评价指标体系，引入熵值—改进突变级数法评价其土地利用多功能水平状况，改进突变级数法结合了层次分析法和模糊评价法的优点，计算过程简洁、客观、科学，适用于多层次复杂系统评价问题，在土地利用多功能评价方面具有有效性和实用性，并采用熵值法以辅助评价，能使研究结果更加客观科学。且运用障碍度模型诊断影响其土地利用功能的障碍因子，可较好地反映厦门市土地利用现状特征，为土地利用多功能综合评价、问题研究和决策指导提供方法基础和科学依据。

1)从评价结果来看，2004—2016年间，土地利用总功能由2004—2010年缓慢退化过渡到2010—2016年缓慢提升，维持在中度持续水平，未来的发展空间依然很大；单项功能间及子功能间的差异均先缩小后扩大，协调性均先增强后降低；土地利用功能向多元化的态势发展，即符合经济社会发展的需要，也是历史发展的必然性。经济和环境功能均经历了从缓慢退化进入缓慢提升阶段；社会功能保持着快速提升状态；三大单项功能均维持在中度持续水平。农业生产功能出现持续退化；生态维持功能先升后降；资源供给功能、环境净化功能、社会保障功能先降后升；其他子功能均呈上升的趋势，但涨幅不一。

2)从障碍因子诊断结果来看，影响功能水平发挥的障碍因子在时间视角下是动态的。从指标层来看，影响厦门市土地利用总功能的主要障碍因子从2004年经济密度、交通用地密度等经济类演变为2016年人均耕地面积、废污水排放强度等资源环境类，这与厦门市发展历程较为贴合。从准则层来看，资源约束加剧和生态环境压力加大是当前影响土地利用总功能的主要原因；从长远看，厦门市现代农业发展趋势良好，前景可观。