基于TOPSIS模型的甘肃省2010—2018年土地利用空间效益评价

马小林, 王悦天 侯庆丰, 路国胜, 卓小爱, 王兵, 郝元渤

基于TOPSIS模型的甘肃省2010—2018年土地利用空间效益评价

马小林1, 王悦天1侯庆丰2,*, 路国胜1, 卓小爱1, 王兵2, 郝元渤3

1. 甘肃农业大学管理学院, 兰州, 730070 2. 甘肃农业大学马克思主义学院, 兰州, 730070 3. 国家林业和草原局生物灾害防控中心, 沈阳 110034

为了探寻甘肃省土地利用效益的演变情况, 从土地利用经济效益、社会效益和生态效益三个方面构建指标体系, 综合利用2010—2018年甘肃省14个地级市的土地利用综合效益数据, 应用TOPSIS模型和logistic回归分析模型对甘肃省土地利用效益进行评价及预测。结果表明: (1)甘肃省土地利用综合效益随着时间的变化呈现出先增加而后趋于平缓的发展趋势; (2)甘肃省土地利用整体综合效益增幅为500%; (3)甘肃省土地利用社会效益的增长最为明显, 增幅为944.44%。同时, 如陇南和临夏市个别市土地利用生态效益水平较低, 有待进一步的提高。该研究利用9年数据对甘肃省土地利用综合效益进行评价, 为今后甘肃省土地的高效利用及优化配置提供借鉴与参考, 为政府开展土地利用规划决策提供理论支撑。

土地利用; TOPSIS模型; 效益评价

0 前言

近年来, 随着中国经济的不断发展和城市化水平的不断提高, 人们对土地的需求量也随之增加, 而有限的土地资源不能满足人们日益增长的需求, 进而导致土地供需之间的矛盾日益凸显[1–2]。与此同时, 在人口不断增长的现实情况下, 就如何高效、合理有效的利用有限的土地资源成为实现区域可持续发展的关键所在, 也越来越受到学者的关注[3-5]。“十九大”强调: 在践行绿水青山就是金山银山的过程中, 生态环境的可持续发展尤为重要。因此, 对区域土地利用进行科学评价, 有助于了解土地健康状况, 也为土地利用规划管理提供科学依据, 对于实现土地可持续利用[6]具有重要的现实意义。

土地利用效益是指单位面积土地投入与消耗在区域发展的社会、经济和生态与环境等方面所实现的物质产出或有效成果, 一般包括经济效益、社会效益和生态效益, 也是衡量土地资源可持续利用水平的重要指标。国内学者对土地利用效益进行了较多研究, 主要涉及范围有土地利用效益评价指标、模型方法、耦合协调发展及土地利用效益阶段划分等。研究视角由土地利用经济效益[7]、社会效益[8]、和生态效益[9]向土地利用综合效益评价[10]转变。研究方法上, 采用层次分析法[11]、综合评价法[12]、物元模型[13-15,10,16]、TOPSIS(technique for order preference by similarity to ideal solution)模型[17]、灰色关联分析[18]等, 同时还引入遥感技术、GIS[19-21]等进行分析; 在研究区域尺度上, 小到乡镇, 大到全国区域尺度的探索[22-23], 上述的研究对土地利用效益方法的研究起到了积极的推动作用, 同时也丰富了土地利用效益评价研究。然而已有关于土地评价研究中, 仍有些方面存在一定的不足: 研究者大多采用专家打分法和AHP[24-25], 这些方法的主观性较强, 分析结果差距过大, 其次在土地利用效益研究过程中, 较多关注重点在土地利用效益变化的时空演变和趋势变化[26], 在空间效应演变、时间与空间两者共同的研究较少。

随着“西部大开发”和“一带一路”发展战略的相继提出, 国家对甘肃实施了诸多税收优惠、财政补贴等优惠政策, 从而吸引了一大批广、江、浙等地区的企业家投资建厂, 使得甘肃省经济得到了一定的提升, 但同时造成了生态环境的污染, 而且在城镇化过程中, 建筑用地逐渐增加, 导致甘肃省草地和林地或耕地随之减少。另外, 甘肃省地处于黄土高原、内蒙古高原和青藏高原的交汇地带, 其特殊的自然状况决定了其生态环境较为脆弱和敏感生态环境较为脆弱和敏感, 其中黄土高原沟壑纵横, 水土流失极其严重, 而内蒙古高原和青藏高原普遍存在着超载放牧、滥垦和乱挖行为, 导致土地“三化”现象日益严峻[28], 然而目前对甘肃省的生态安全评价的研究较少。鉴于此, 本研究以FAO(Food and Agriculture Organization)的《可持续土地利用评价纲要》(FESLM, framework for evaluating sustainable land management)为基本框架[15, 27], 同时结合了研究区域的实际情况, 从社会、经济和生态3方面构建出了甘肃土地利用评价指标体系, 运用客观性较强的TOPSIS模型和Logistic模型, 进行了互补分析, 将时间和空间两者结合起来, 对2010-2018年甘肃省以及甘肃省14个地级市的土地利用进行综合评价, 并从社会、经济和生态三个方面进行分析, 探究甘肃省土地利用效益的制约因素, 并用GIS绘制出更为直观的空间分布图来明确甘肃省各地级市土地利用效益水平, 以期为甘肃省土地可持续利用和政府决策提供科学参考。

1 研究区概况

甘肃省(92°13′—108°46′ E、32°11′—42°57′ N)地处我国西北部黄河上游, 地处黄土高原、内蒙古高原和青藏高原的交汇地带, 地势自西南向东北倾斜, 地貌类型复杂多样, 地域辽阔, 总面积42.58万平方千米(图1)。气候类型复杂多样, 各地气候差别很大, 冬春干旱而少酷寒, 夏季多暴雨而冷暖变化大, 受季风影响, 降水多集中在6—8月份, 占全年降水量的50%—70%。境内主要河流有黄河、泾河、洮河、渭河、白龙江等。全省土地利用率为56.93%, 截至2018年末, 生产总值8246.1亿元, 全省外贸进出口总额达到394.7亿元, 经济运行的质量效益持续提升。甘肃省尚未利用的土地有28681.4万亩, 占全省总土地面积的42.05%, 生态环境十分脆弱, 往往一经破坏很难恢复原状, 并直接影响全国环境格局, 因此是我国生态保护的第一线、环境治理的前沿阵地。甘肃省土地资源、矿产资源较丰富, 但人均水资源、森林资源等较短缺; 土地利用类型多样, 但对土地资源的过度使用和不合理利用, 使有限的土地资源变得日益稀缺, 因此, 研究甘肃省土地利用效益时空演变规律, 可为今后区域土地资源的高效利用与优化配置提供参考。

图1 甘肃省行政区划图

Figure 1 Administrative district map of Gansu Province

2 材料和方法

2.1 数据源与处理

本研究选取了2010—2018年甘肃省年鉴数据, 所涉及的指标统计数据均来源于《甘肃发展年鉴》和《甘肃城市年鉴》(2010—2018年)以及甘肃省统计年鉴、环保局网站、甘肃省统计局网站、甘肃省国民经济和社会发展统计公报, 主要涉及到了经济指标、社会指标、生态指标, 应用TOPSIS模型和Logistic模型回归分析进行数据的分析评价。

首先利用Excel 2010 进行数据整理, 然后利用R 3.5.0构建TOPSIS模型对数据进行分析处理, 同时利用Origin 2018中logistic模型对甘肃省土地利用效益进行回归分析, 并绘制成图, 最后利用ArcGIS将甘肃省各地市的土地利用效益绘制成时空分布图。

2.2 研究方法

2.2.1 建立指标体系

本研究根据甘肃省土地利用实际情况和指标选取的原则, 构建了社会、经济、生态效益的甘肃省土地利用效益评价指标体系(表1)。土地利用经济效益指土地利用过程中投入的劳动资本所产出的可供人类利用的价值量[29-30], 本文选用第一产业占GDP比重、第二产业占GDP比重以及第三产业占GDP比重表征产业结构对土地利用经济效益的影响, 人均GDP、城市居民人均可支配收入表征土地利用过程中的经济产出水平。土地利用社会效益指土地利用在促进社会进步和社会发展方面所取得的有效成果[29-30], 本文选取恩格尔系数衡量居民的生活水平, 选取人均建设用地面积、人均道路面积反映土地利用过程中居民享有的用地需求满足情况, 选取人口密度衡量土地利用过程中土地对人口数量的承载能力。土地利用生态效益指土地利用过程中对生态环境造成的影响和改善的程度[29-30], 本文选取了工业废水排放量、工业固体废弃物综合利用量来反映土地利用过程中对环境所造成的影响, 选取城市绿地覆盖率、城市园林绿地面积和城市人均公园绿地面积来衡量对生态环境的调节与改善程度。

2.2.2 改进的熵权TOPSIS模型

TOPSIS(tecnique for order preference by similarity to ideal solution)法是系统工程中应用于有限方案多目标决策的分析的一种常见的决策方法, 又称为“距离综合法”[19,33]。其基本原理是通过检测评价对象与最优解、最劣解的距离来进行排序, 若评价对象最靠近最优解同时又最远离最劣解, 则为最好; 否则不为最优。其中最优解的各指标值都达到各评价指标的最优值、最劣解的各指标值都达到各评价指标的最差值, 但是, 传统的TOPSIS法主要依赖于专家主观意见定权, 它可能使评价结果偏离实际, 鉴于此, 本文借助熵权对评价对象和正、负理想解的计算进行了改进, 建立熵权TOPSIS模型, 并借助该模型评价区域土地利用绩效。具体步骤如下:

表1 甘肃省土地利用效益评价指标体系

注: 人均建设用地面积、人均道路面积等指标属于适度指标, 但鉴于当前甘肃省的发展实际及《城市用地分类与规划建设用地标注》的规定, 本文将其视为正向指标进行计算。

(1)构建标准化决策矩阵:

(2)构建加权规范化评价矩阵:

(3)确定正、负理想解:

(4)计算距离:

(5)计算贴近度:

(5)式中,越大,T表示第年土地利用效益越接近最优水平, 贴近度T的值介于0—1, 当T=1时, 土地利用效益水平最高, 土地利用达到最优状态(表2); 当T=0时, 土地利用无效益, 土地利用处于高度无序混乱状态。根据已有学者的研究成果[16], 将贴近度划分为4个等级标准, 以此来于此预测区域土地利用效益水平。

表2 土地利用效益评判标准

注: 划分标注参考文献[17]。

3 结果与分析

3.1 甘肃省整体土地利用效益时间演变分析

甘肃省土地利用综合效益随着时间的增加呈现出先增加而后趋于平缓的变化趋势(图2, A), 且综合效益由2010年的0.11提升到2018年的0.66(表3), 整体上增幅为500.00%。土地经济效益, 社会效益和生态效益则表现出随着时间的增加而增加的变化趋势(图2, B、C、D), 其中甘肃的经济效益由2010年的0.24增加到2018年的0.75, 增幅为212.50%; 甘肃的社会效益由2010年的0.09增加到2018年的0.94, 增幅为944.44%; 而甘肃的生态效益由2010年的0.24增加到2018年的0.94, 增幅为291.67%。

3.2 甘肃省各地市土地利用效益时空分异特征分析

3.2.1 甘肃省各地市土地利用综合效益时空分异

基于改进的TOPISIS法, 计算出2010—2018年这9年的甘肃省14个地级市的土地利用效益值(表4), 同时基于ArcGIS软件依据表1将判别标准划分为效益低级区、效益中级区、效益良好区和效益优质区4类, 从而可以得到甘肃省土地利用综合效益分布图(图3)。

图 2 甘肃省整体土地利用效益时间演变分析

Figure 2 Time evolution analysis of overall land use benefits in Gansu Province

表3 2010-2018年甘肃省整体土地利用效益贴近度

表4 甘肃省2010—2018年各地级市土地利用效益贴近度

图3 甘肃省土地利用综合效益空间分布图

Figure 3 Spatial distribution of comprehensive land use benefits in Gansu Province

甘肃省除了陇南市和酒泉市的土地利用综合效益随时间变化呈现出起伏不定的变化趋势, 其中陇南市的土地利用综合效益表现为“上升—下降—上升”的趋势, 酒泉市先上升而后下降的趋势, 而甘肃省其它各地市土地利用综合效益呈现出一个逐步上升的趋势。

2010年时, 甘肃省各地市的土地利用综合效益均处于中低级水平, 其中酒泉市、张掖市、武威市、白银市、庆阳市、平凉市、天水市、陇南市的土地利用综合效益处于低级水平, 占甘肃省总体的57.14%, 而嘉峪关、金昌市、兰州市、临夏州、定西市、甘南州的土地利用综合效益处于中级水平, 占甘肃省总体的42.86%。而到2018年时, 甘肃省各地市综合效益经济只有酒泉市处于低级状态, 占甘肃省的7.14%, 而其他各地市均的土地利用综合效益均处良好或优良水平, 其中土地利用综合效益处于良好水平的有嘉峪关市、张掖市、金昌市、兰州市、定西市、天水市、陇南市、临夏州、甘南州, 占甘肃省总体的64.29%, 而土地利用综合效益处于优质的有, 武威市、白银市、平凉市、庆阳市, 占甘肃省总体的28.57%。

3.2.2 甘肃省年各地市土地利用社会效益时空分异演变分析

甘肃省各地市的土地利用社会效益在2010- 2018年之间, 处于一个稳步上升状态(图4)。其中甘肃省大部分各地市处于一个快速上升的状态, 这与近几年来经济的快速增长、城市化水平的不断上升有着较大的关系, 而临夏市是少数民族聚居地区且贫困县较多, 导致上升缓慢, 但在政策的扶持下, 也在稳步的上升中。

3.2.3 甘肃省各地市土地利用经济效益时空分异演变分析

甘肃省各地级市的土地利用经济效益在2010- 2017年持续上升(图5), 而在2017-2018年甘肃省大部分地市略微下降, 只有白银市、天水市、武威市和陇南市依然处于上升状态。这种变化趋势与我国政策密不可分, “十九大”报告指出: 我国经济发展方式由高速发展转变为高质量发展, 优化产业结构, 将重点转向在生态方面, 维持经济平稳发展, 因此, 导致了经济效益呈现出前期迅猛上升而后期略微下降的趋势。

3.2.4 甘肃省各地市土地利用生态效益时空分异演变分析

甘肃省大部分地级市的土地利用生态效益处于波动上升趋势(图6), 而其中白银市、武威市、平凉市、酒泉市、临夏市处于往复上下波动中, 它们的生态效益并未明显上升。这种往复波动的现象与甘肃省的地理环境密切相关。其中有些地市不仅处于三大高原的交汇带, 而且附近存在荒漠带, 如武威市、酒泉市、白银市等, 从而导了这些地市的绿地覆盖率和城市园林绿地覆盖率都相对较低, 易受到降雨等自然环境的影响, 使得土地利用生态效益变化较大。而另一些地市属于极度贫困县, 这些县大多处于山区, 经济发展缓慢, 导致这些地市生态效益基本上无明显变化, 如临夏市、平凉市等。

4 讨论

甘肃省土地利用综合效益在2010—2013年持续上升, 而2014—2018年土地利用综合效益一直处于平稳状态, 这与陈彩霞等研究结果部分一致[34], 且认为土地利用综合效益从2002年到2010年总体上呈逐年上升, 然而该研究仅以甘肃省某一地区为例, 不能够代表整个甘肃省的土地利用效益, 而本研究是以整个甘肃省为例进行研究, 因此本研究在结果上更为科学, 而本研究结果呈现为先迅速上升后平稳发展的趋势, 是因为在“十二五规划”(2011—2015年)实施期间, 加快转变经济发展方式; 转变农业生产方式和推动新能源的生产等一系列的措施推动了甘肃省土地利用整体效益的稳定上升。土地利用生态效益起伏较为明显, 但由于当时认识不足, 且甘肃省经济急需提升, 导致牺牲了一定的生态环境为代价, 换取经济的迅速提升, 政府也随之做出相应的政策来改善生态环境。随着十八大“五位一体”和十九大“建设美丽中国”以及“绿水青山就是金山银山”政策的相继提出且迅速有效实施, 坚持节约资源和保护环境, 加强对国土自然资源和自然生态的监督与管理。逆转了生态环境持续恶化的趋势, 实现了生态的健康发展, 同时也使得土地利用整体综合效益在平稳中慢速上升。

图4 甘肃省2010—2018各地级市土地利用社会效益

Figure 4 The social benefits of land use in all cities in Gansu Province from 2010 to 2018

图5 甘肃省2010—2018各地级市土地利用经济效益

Figure 5 the economic Benefits of Land Utilization in Gansu Province from 2010 to 2018

图6 甘肃省2010—2018各地级市土地利用生态效益

Figure 6 The ecological benefit map of land use in various cities in Gansu Province from 2010 to 2018

本研究发现, 尽管甘肃省各个地级市土地利用呈现出一个逐步上升的趋势, 但陇南市2010—2018年土地利用综合效益依然处于低级状态, 陇南市地理位置的特殊性, 这使得陇南市开发难度大, 同时黄土高原和青藏高原近几年生态环境持续恶化, 表现为草地退化严重, 水土流失加剧, 陇南市属于我国14个集中特困连片区域之一, 经济较为落后, 居民对生态环境的保护意识差, 这些造就了陇南市的生态效益将长期处于一个低水平, 同时张超研究认为甘肃省新型城镇化质量与土地利用效益成正相关关系[35], 这恰好佐证了我们的研究, 因为陇南因固有因素而导致其城镇化一直处于低水平。近年来, 随着决胜全面建成小康社会和脱贫攻坚战的不断深入, 陇南市经济、社会和生态发生着巨大的转变, 利用天然生态优势, 发展旅游业, 既保护环境也带动经济的发展。酒泉市2010—2016年土地利用综合效益持续上升, 酒泉是丝绸之路经济带的重要节点城市, 大力发展旅游业和对外投资带动综合效益的增长, 但由于酒泉市的石油和核工业较多, 在带动发展的同时对环境也造了严重的污染。酒泉属于大陆性干旱气候, 干燥寒冷, 降水奇缺, 这些导致近年来土地利用综合效益发展缓慢甚至降低。

对甘肃省各地市从社会效益,、生态效益、经济效益和综合效益四个发面分析发现, 2010—2018年各市的社会和经济效益表现为: 从快速增长到匀速缓慢增长的状态, 但生态效益波动却很大, 无规律, 这与甘肃省地形复杂, 气候类型多样, 生态脆弱有关, 且张宇硕等研究认为甘肃省城市土地利用集约度时空差异导致了甘肃省生态效益具有波动性[36]。同时甘肃省地理条件较差, 先天优势不足, 政府往往迫于脱贫的压力而牺牲环境去大力发展经济, 从而造成了生态环境的下降, 但随着“绿水青山就是金山银山“和“一带一路”战略深入推进, 注重生态保护和促进外向经济的快速发展。但因甘肃省地理位置的特殊性, 使得经济和生态之间之间的平衡点难以把握。另外, 近几年由于孔雀(人才)东南飞, 使得一些工业城(兰州市、金昌市和嘉峪关市等)在推进工业化过程中, 缺乏技术型人才、同时也缺乏技术研发和资金的支持, 使得三废(废固、废气、废液)对生态环境的损坏日益加剧。近年来, 临夏市大力发展旅游和国家政策的扶持, 土地利用经济效益持续上升, 但临夏市属于少数民族聚居地区, 四面环山, 也属于国家及贫困地区, 因此在城镇化和工业化的发展过程中有一定的难度。

本文结合以往其他省的土地利用效益分析的实列, 对甘肃省土地利用效益分析指标的选取和权重的确定及划分等级的标准值做了初步的尝试, 并综合考虑了甘肃省经济建设和生态发展社会目标, 初步建立了甘肃省土地利用效益评价指标体系, 在一定程度上是能够真实反映出一定时段内甘肃省土地土地利用效益总体情况, 可为今后土地的高效利用和优化配置提供借鉴与参考, 由于部分数据的获取难度和标准性确定较难, 在指标选取对土地利用效益的反映不够全面, 因此本文指标体系的构建和评价标准的划分区间选取仍可做进一步的深入分析。

5 结论

本文以甘肃省代表, 运用TOPSIS模型和Logstic模型互补分析法, 从空间和时间上全面评价了甘肃省土地利用效益。具体表现为甘肃省土地利用效益整体稳步上升, 但就全国水平而言仍然处于较低水平, 同时本研究也发现甘肃省土地利用效益不均衡, 各地市差异较大, 因此研究通过讨论分析的结果给出如下几点建议。

(1)依靠产业优势, 带动周边地市经济高速发展。发挥甘肃省矿产资源丰富的优势, 据此, 加大招商引资力度, 提升区域竞争力, 带动周边地市经济发展, 且采取各市之间定向帮扶, 缩小区域之间的差距, 推进共同发展。

(2)抓住战略机遇, 创建“一带一路”产品的加工业。抓住“一带一路”的快车, 在不破坏生态环境的前提下, 针对“一带一路”的这条路上的“输出型”和“输入型”的产品实行特色加工, 提高这些产品的附加值, 为甘肃省创收增收。

(3)优化产业结构, 打造绿色品牌化的化工产品。加快完善经济利益和社会使命的双重鼓励机制, 引入新型创新性人才, 同时政府还得给予研发资金支持, 以增强企业石油化工、有色冶金、新型煤化工等本地化工产业的技术革新, 使得这些化工产品无论是在生产中和使用中均能做到节能、减污、减排。实现绿色生产和绿色使用的特色产品, 将这些产业做强做大, 迈向省外, 走出国门。

(4)绿洲区农业和特色旅游业齐头并进, 实现产业互动互带。大力对实现区域内粮食安全, 将政府政策和个人努力结合起来, 政策上申请国家资金支持积极改善沙漠和荒漠环境, 个人上大力提倡支付宝种树等公益活动, 改善荒漠环境, 继而发展绿洲农业, 围绕绿洲独特的风貌发展绿洲旅游业。

(5)建设现代化农业和管理体系, 实施乡村振兴战略。构建现代农业产业体系、生产体系、经营体系, 完善农业支持保护制度, 发展多种形式适度规模经营, 培育新型农业经营主体, 健全农业社会化服务体系, 实现小农户和现代农业发展有机衔接。

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Spatial benefit evaluation of land use in Gansu Province from 2010 to 2018 based on TOPSIS mode

MA Xiaolin1, WANG Yuetian1, HOU Qingfeng2,*, LU Guosheng1, ZHUO Xiaoai,1WANG Bing2, HAO Yuanbo3

1. School of Management, Gansu Agricultural University, Lanzhou, 730070, China 2. College of Marxism, Gansu Agricultural University, Lanzhou, 730070, China 3. Center for Biological Disaster Prevention and Control, State Forestry and Grassland Administration, Shenyang 110034, China

In order to the evolution of land use benefits in Gansu Province, we selected land use economic benefits, social benefits and ecological benefits as indicators to evaluate the comprehensive land use benefit data of 14 prefecture-level cities in Gansu Province from 2010 to 2018. The TOPSIS model and logistic regression analysis model were used to evaluate and predict the land use benefits in Gansu Province. The results showed that: (1) The comprehensive benefits of land use in Gansu Province first increased and then gradually decreased along with time. (2) The overall comprehensive benefits of land use in Gansu Province showed 500% increase. (3) The increase range of social benefits was the largest, with an increase of 944.44%. However, some cities such as Longnan and Linxia had lower ecological benefits of land use than other cities. This study took 9 years of data to evaluate the comprehensive benefits of land use in Gansu Province, which could provide reference and theoretical support for the efficient use and optimal allocation of land in Gansu Province for the government.

land use; TOPSIS model; benefit evaluation

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.06.018

F062.2

A

1008-8873(2022)06-146-11

2020-10-14;

2020-11-23

国家社会科学基金项目(17BJY133)

马小林(1993—)女, 甘肃天水人, 硕士, 从事农业与农村经济研究, E-mail: 2804156727@qq.com

通信作者:侯庆丰(1973—)男, 博士, 教授, 从事农业与农村经济研究, E-mail: houqf@gsau.edu.cn

马小林, 王悦天, 侯庆丰, 等. 基于TOPSIS模型的甘肃省2010—2018年土地利用空间效益评价[J]. 生态科学, 2022, 41(6): 146–156.

MA Xiaolin, HOU Qingfeng, HOU Qingfeng, et al. Spatial benefit evaluation of land use in Gansu Province from 2010 to 2018 based on TOPSIS mode[J]. Ecological Science, 2022, 41(6): 146–156.