基于集對分析的江蘇省土地利用協調性研究

班春峰 劉友兆 黃 琪 賈后輝

(1．南京農業大學公共管理學院，江蘇南京210095;2．上海市浦東新區建設和交通委員會，上海201306)

基于集對分析的江蘇省土地利用協調性研究

班春峰1劉友兆1黃 琪1賈后輝2

(1．南京農業大學公共管理學院，江蘇南京210095;2．上海市浦東新區建設和交通委員會，上海201306)

從協調性的研究現狀來看，現有研究的基礎性工作缺失，且受到“均衡發展”思想束縛、不能很好地描述不確定性問題，而基于集對分析方法的協調性研究可以很好地解決以上問題。以江蘇省土地利用系統為研究對象，首先運用典型相關分析對子系統之間的相關性進行驗證;其次，引入集對分析思想，對土地利用的效益協調性和消耗協調性進行了評價。結果顯示:土地利用變化子系統同土地利用各效益子系統之間表現出較為顯著的相關性;土地利用的效益協調度大多處于較為協調狀態。其內部結構表明，雖然當前政府在促進經濟社會發展的同時更加注重對生態環境的保護，但并沒有從根本上解決經濟發展和生態環境惡化之間的矛盾;消耗協調度變動幅度相對較小，土地利用變化同土地利用效益之間基本呈現“均衡”發展態勢。政府逐漸認識到用地規模的過度擴張所帶來的各種負面影響，追逐用地效益的提升成為發展的主線。與以往研究結論不同的是，效益協調度和消耗協調度均沒有表現出顯著的持續增長態勢。

不確定性;集對分析;土地利用協調性;協調度;江蘇

土地資源的有序性是土地資源可持續利用的一個必要條件。作為衡量土地利用系統以及系統內部各要素之間組織、結構和變化上對應和諧關系的協調性分析是度量土地資源利用有序性的有效手段。協調既是一種狀態，也是一個過程［1］。自德國物理學家赫爾曼·哈肯于1971年提出協同論之后，眾多學者就開始對系統之間的協調性展開了充分的討論，并取得了較為豐富的成果。具體來說，從研究內容上，可分為以人口、經濟社會發展、生態效益以及資源消耗程度等若干方面為子系統的復雜系統協調性研究［2－3］、經濟社會發展與生態環境變化之間的協調性評價［4－5］、土地資源的可持續利用評價［6－7］、區域發展協調［8－9］以及其他方面的評價［10］等四個方面的內容。其中，又以經濟與環境之的協調性研究最為多見。在協調性評價的研究方法方面，由于研究的背景及側重點的不同，研究方法也多種多樣，從一開始簡單的綜合指標方法到現在的復雜模型計算方法，但始終沒有統一的評價方法，具體說來可分為以下幾類:綜合指數法［7，11］、變異系數法［9］、子系統變化率法［2，5－6］、模糊隸屬度法［3，12］、灰色模型法［13］以及其他方法［8］。其中又以前三種評價方法最為常見。

可以看出，協調性分析已在很多領域取得了較為成功的運用，協調度計算方法也由簡單向復雜、由單一思想向多元化思想邁進。其中基于“均衡發展”思想的分析方法應用最為普遍，然而，這也正是現有協調性研究中的最大瓶頸。系統之間的同步發展并不是協調的唯一標準，“非均衡發展”才是協調的真正意義所在。此外，傳統的例如灰色模型法、模糊隸屬度法等不確定性分析方法不能很好的解決中介不確定性問題［14］，這使得評價結果不能全面的反映出系統的發展狀態。而集對分析方法的出現則解決了這個問題，相對于傳統的模糊分析方法，集對分析法具有更高的分辨率以及可靠性［15］。

1 研究原理與方法

1．1 集對分析原理

集對分析理論是我國學者趙克勤提出的一種不確定分析理論［14］。所謂集對(Set Pair，簡稱 SP)，就是具有一定聯系的兩個集合所組成的對子。一般以H=(A，B)表示。集對分析(Set Pari Analysis)的基本思路是:在一定問題背景下，對一個集合對子的特征展開分析，建立起這兩個集合在指定問題背景下的同、異、反聯系度μ，在此基礎上再去深入研究系統的有關問題。聯系度μ是集對分析的一個基石，一般情況下的表達式如下所示:

若不計各特征的權重，a，b，c分別稱為所論集合在指定問題背景下的同一度、差異度、對立度，i為差異度系數，規定在［－1，1］區間內視不同情況取值，j為對立度，規定為－1。通過確定合理的i值計算出的μ值稱為聯系數，它是一個綜合的定量指標，其形式含義與相關系數、隸屬度和灰關聯度類似。

1．2 評價方法與步驟

土地利用協調度是指土地利用子系統之間以及子系統要素之間彼此和諧一致的程度，體現系統由無序走向有序的趨勢，它不僅指土地利用系統內部的協調，還包含經濟、社會、生態等子系統間的協調［16］。因此，借鑒以往研究，將土地利用系統劃分為土地利用經濟效益子系統(E)、社會效益子系統(S)、生態效益子系統(EV)，并將土地利用變化子系統(L)納入到土地利用系統中來，以便于從土地利用效益子系統之間、土地利用變化子系統同綜合效益之間兩個方面對土地利用系統協調性進行全面分析。將反映兩個方面協調性的指標分別稱之為效益協調度和“土地消耗—效益”協調度(簡稱消耗協調度)。

整體研究思路為:首先，對土地利用變化子系統同各效益子系統之間的相關性進行度量;其次，劃分指標等級，進行指標等級化，以基期年為參考，計算不同年份各子系統指標等級變化情況，將土地利用變化子系統計算結果同“正”集合進行集對分析，將各效益子系統同“負”集合進行集對分析;第三，以第二步中土地利用各子系統的集對分析結果為基礎，計算效益協調度、消耗協調度。具體計算步驟如下:

1．2．1 相關性分析

系統之間的相關性分析是協調性評價的基礎，鑒于研究中各系統包含指標往往較多，使用典型相關分析對系統之間的相關性進行評價。典型相關分析是研究兩組變量間相關關系的一種統計方法，它能夠揭示兩組變量之間的

式中，N——所論集對所具有的特征總數;

S——集對中兩個集合共同具有的特征數;

P——集對中兩個集合相互對立的特征數;

F——集對中兩個集合既不共同具有，又不互相對立的特征數。內在聯系，具體計算方法見文獻［17］。

1．2．2 指標等級化及變化集合構建

指標等級化是集對分析常用一種指標分類方法，也是集對分析的基礎性工作。本研究使用直接途徑計算聯系度，并使用距平百分率(p)法劃分指標等級［18］。公式如下:

距平百分率(p)定義為

式中:x為組成集對的集合X和Y中各元素的均值;xp為分類標準值，也稱門限值。

根據分類標準數K的不同可取不同的距平百分率(p)。p值確定后，由式4即可確定分類區間，各指標根據分類區間轉換為相應等級，等級值越小代表發展狀態越好。由于指標內涵不同，指標等級所代表的發展狀態之間沒有可比性，不能直接進行對比，只能以指標等級自身的變化為基礎，對系統發展狀況進行評價。設土地利用系統所包含的子系統集合為 A=(A1，A2，A3…Ak)，某子系統所含指標在基期年t的發展狀態等級集合為Ak，t=(X1，X2，X3…Xm)，該子系統在t+s(s≥1)年所包含指標的發展狀態等級集合為 Bk，t+s=(Y1，Y2，Y3…Ym)，則等級變化集合為 Ck，t=(Y1– X1，Y2－ X2，Y3－X3…Ym－Xm)。

1．2．3 效益協調度

土地利用注重經濟、社會和生態效益的統一，但在三者效益之間的協調關系上并沒有形成一致結論。當前，大多數學者還是傾向于效益之間的等比例發展即所謂的“均衡”發展，這是大多數人所期望看到的結果，也是本文進行效益協調度評價的出發點。

引入“正”集合 U=(u1，u2，u3…um)(u＞0)，“負”集合 V=(v1，v2，v3…vm)(v＜0)，則集合 Ck和集合 U 或 V 就構成集對 H(Ck，U)或 H(Ck，V)。

確定同、異、反原則:定義集對 H(Ck，U)或 H(Ck，V)符號相同為同、符號相反為反、其他為異。則根據式1－式3可得集對H(Ck，U)或H(Ck，V)的聯系度為:

式中:μCkt－U/Ckt－V為聯系度;aut/vt為符號相同者所占比例;cut/vt為符號相反者所占比例;but/vt為其他情況所占比例。由于此聯系度不涉及多個相異的情況，因此使用經驗取值法確定 i值［19］，取 i=0．5，代入 j= －1，得到各系統各年的聯系數。

對于效益協調度計算，采用在經濟與生態環境協調性研究中較為常見的方法［17］，但由于涉及到三者之間的綜合協調度計算，因此，對函數加以改進，公式如下:

式中，HES/EEV/SEV分別為“經濟－社會”協調度、“經濟－生態”協調度、“社會－生態”協調度;f(x)和g(x)分別代表待考察的兩個子系統的聯系數;n取2;Hb為效益協調度;W1、W2、W3分別為權重，且 W1+W2+W3=1。按照“均衡”發展的思想，取W1=W2=W3。

1．2．4 消耗協調度

消耗協調度反映的是土地利用變化狀況同土地利用效益變化狀況之間的協調性，它涉及到兩個方面對比的問題，可分為三種情況:土地利用變化幅度大于效益變化幅度、等于效益變化幅度或小于效益變化幅度。追尋土地利用效益的最大化是土地資源可持續利用的必要條件和基礎，在土地消耗等同的情況下，效益越高，土地利用系統內部的組織、結構、發展狀況就越好，協調性亦會越高。基于這種思想，構建土地利用消耗協調性模型如下:

式中，μCLt－U、μCEt/St/EVt－V分別為土地利用變化子系統聯系度和各效益子系統聯系度;i取0．5;HLE/LS/LEV為“土地－經濟”、“土地－社會”、“土地－生態”協調度;C為協調度函數，如式6所示;HL為消耗協調度。

根據式9、式10，當土地利用變化子系統同各效益子系統呈“均衡”發展態勢時，土地利用消耗協調度趨近于0．5;當各土地利用效益子系統發展態勢好于土地利用變化子系統時，土地利用消耗協調度處于(0．5，1)之間，劣于土地利用變化子系統時處于(0，0．5］之間。相比傳統的協調度計算方法，可以明顯的區分開不同類型的發展狀態，有效的解決了“均衡”發展問題。需要說明的是在計算土地利用消耗協調度過程中，土地利用變化子系統等級變化集合同“正”集合進行集對分析，而各效益子系統等級變化集合同“負”集合進行集對分析，同時，聯系度的計算舍去了“反”項即土地利用變化好轉的情形和各效益子系統發展變壞的情形。

2 實證研究

2．1 指標體系及數據來源

2．1．1 指標體系

本文選取江蘇省作為實證研究對象。江蘇省位于中國東部沿海的長三角洲，區位條件優越，區域經濟發達，其土地利用系統的發展狀況在經濟發達地區乃至全國都具有一定的代表性。根據研究的目的和意義，以及代表性、可操作性原則選取了4大類共53項指標(表1)。對于土地利用變化方面都采用了變化率指標，其目的主要是為了方便對土地利用狀態的描述和等級的劃分。

2．1．2 數據來源

數據主要來源于《國土資源年鑒》(1998－2008)、《江蘇統計年鑒》(1998－2008)、《江蘇60年》、《中國環境統計年鑒》(1998－2008)、《江蘇省環境狀況公報》(1997－2007)，部分數據來源于《中國城市統計年鑒》。選取1997－2007年的數據作為本文的研究對象。需要說明的是，由于統計口徑的不同，交通用地變化率在2002年前后有較大變動，因此，為了盡量保持2002年以前數據原有的變化規律，采用交通用地變化率1997－2001年的平均值代替2002年的實際值。

2．2 典型相關分析

為了避免典型相關分析變量數大于樣本個數，對結果造成不利影響，故先采用主成分分析法得到每個子系統的主成分，再對系統間主分量采用典型相關分析。由于主分量可以很好的代表原變量的變化趨勢和特點，因此，典型相關分析的結果可以認定為是原始系統間變量的相關分析結果。

運用SAS軟件，對四個子系統的變量進行主成分分析，結果顯示(表2)，除土地利用變化同經濟效益之間的典型相關分析結果不是很顯著以外，其他兩個結果都顯示出明顯的相關性。“土地—經濟”在主成分為3時的分析結果顯著性水平為0．6349，不能通過檢驗，表明系統之間相關性很弱，但當主成分提升到4時，第一相關系數和顯著性水平都有較大提升，分別達到 0．9278、0．4563，雖然離理想水平有較大差距，但仍可以說明二者之間存在一定的相關性。

2．3 指標等級化及集對構建

根據式4采用5等級劃分確定指標分等界值，對指標進行等級化。等級值越高明發展狀態越差。由于交通用地統計口徑的變化，此指標的等級劃分按照2002年及以前、2002年以后兩個階段進行。

在構建等級變化集合時，取S=2，即構建相隔兩年的等級變化，但1998年以前只有一年數據，因此為了盡可能多的反映出協調度的變化趨勢，對1998年等級變化集合取S=1，即構建相鄰兩年的等級變化集合。

2．4 效益協調度

由于土地利用效益整體水平是呈增長趨勢的，因此，采用“負”集合V和各系統等級變化集合組成集對，根據式5得到等級變化聯系度及聯系數，根據式6和式7計算出效益協調度，其變化趨勢如圖1所示。

從圖1可以看出，經濟效益子系統聯系數整體波動不大，社會和生態子系統聯系數波動較為明顯，而效益協調度從1998年到2007年整體保持在一個較高水平，這個結果和以往的研究是有一定不同的［1］。從1998年開始協調度經歷了一個短暫的上升便在2000年開始呈下降趨勢，到2001年出現極低，2003年又逐漸恢復到正常水平，因此，大致可以將其分為三個階段:1998－1999年、2000－2002年、2003－2007年。在第一階段，經濟效益和生態效益的提高、社會效益的穩步發展使得效益協調度呈現穩步上升走勢，生態環境和經濟發展之間實現了“雙贏”。從2000年開始，效益協調度便表現出下降走勢，到2001年出現極值，究其原因，一方面，自2000年全省“三大都市圈”建設啟動以來，城鄉建設用地數量大幅提高，其中建成區面積在2001年和2002年都出現較大增幅，分別達到12．08%和25．18%，遠超歷年平均水平。而同期基礎設施和相關配套設施的建設速度卻相對滯后，造成建成區氣化率、供水普及率以及醫療資源人均占有量呈下降走勢，導致2000－2001年的社會效益出現大幅下降，但從2002年開始社會效益開始有所恢復，基礎建設及其相關配套設施建設力度的加大是變化的主要原因;另一方面，生態效益從2000年開始也出現較大降幅，到2001年出現極小值，城市綠化率和生活垃圾糞便處理率的下降是主要原因，同社會效益變化類似，2002年開始生態效益也重新走入上升通道。而2000－2002年經濟效益雖然遭受全球經濟衰退影響所有下降，但和社會效益和生態效益相比幅度不大，因此，受以上幾個方面的影響，效益協調度在2000－2002年經歷了先下降后上升的發展軌跡。從2003年開始，效益協調度就一直保持在較高水平，經濟效益受到經濟結構調整、以及“非典”疫情和農業自然災害的影響，短期內呈現下降走勢，但隨著經濟發展方式轉變的績效的不斷顯現以及農業生產的好轉，經濟發展迅速回暖，帶動社會效益向高位運行;而同期生態效益在2003年出現極值以后便一路下滑，生態環境不斷惡化，但其程度并沒有超過2001年的極值，說明和以前相比，政府在促進經濟社會發展的同時更加注重對生態環境的保護，但并沒有從根本上解決經濟發展和生態環境惡化之間的矛盾。

表1 指標體系Tab．1 Index system

表2 主成分分析及典型相關分析結果Tab．2 Result of principal component analysis and canonical correlation analysis

2．5 消耗協調度

以指標等級變化集合為基礎，構建集對H(CLt，U)、H(CEt，V)、H(CSt，V)、H(CEVt，V)，根據式 8 計算各子系統聯系度和聯系數，將計算結果代入式9、式10得出土地利用變化子系統同各子系統之間的協調度以及最終的消耗協調度(表3)。

圖1 效益協調度及各效益子系統聯系數變化趨勢Fig．1 Trend of coordination degree of efficiency and connection number of efficiency subsystems

表3 土地利用消耗協調度Tab．3 Coordination of land-consumption degree

圖2 土地利用消耗協調度變化趨勢Fig．2 Trend of coordination of land-consumption degree

從表3及圖2可以看出，消耗協調度波動較小，總體變化范圍處于(0．49，0．6)之間，且沒有表現出明顯的總體向上的發展趨勢。協調度的變化大致可以劃分為3個階段:1998－2001年、2002－2005年、2006－2007年。在第一階段，協調度經歷了先上升后下降的發展走勢，土地利用各效益子系統的聯系數在1999年全部超過了土地利用變化子系統，土地利用效益的顯著提高直接導致了協調度的快速上升。但從2000年開始土地利用效益聯系數便一路下滑，其中社會效益和生態效益下滑最為明顯，而根據前述分析結果，同時期的土地消耗水平卻保持在較高的發展速度，因此導致協調度從1999年的0.5158下降到2001年的0．4969，最終落到了(0，0．5)區間，說明這一時期過于注重用地規模的擴張，而相對忽視了土地利用效益的提升，表現出一定程度的粗放增長態勢。從2002年開始，協調度便開始呈現上升走勢，到2005年達到最高值0．5840，經濟效益和社會效益子的發展貢獻最大，其與土地利用變化子系統的協調度雙雙超過了0.6，說明這個時期追求土地利用效益的提升是發展的主線，政府開始關注建設用地規模迅速擴張帶來的各種負面效應，并開始對其加以控制和修正。從2006年開始協調度又急轉直下，直到2007年又退回(0，0．5)區間，土地利用消耗水平和土地利用效益之間逐漸趨近于同步發展態勢，經濟社會發展逐漸過度到對建設用地規模迅速擴張調控以后的穩步發展階段。整體來看，消耗協調度大都在0．5附近徘徊，土地利用效益發展既沒有大幅滯后于土地利用消耗水平，也沒有長期處于大幅領先地位，總體傾向于“均衡”發展趨勢。

3結語

從協調性的研究現狀入手，指出了現有研究對不確定性以及“非均衡”發展描述的不足;運用典型相關分析對系統之間相關性進行評價，彌補了協調性分析基礎性工作的缺失;引入集對分析思想對江蘇省土地利用系統的協調性進行了評價。結果顯示，土地利用各效益之間的“均衡”發展態勢還是比較明顯的，除去個別年份外，其整體協調度都保持在較為協調的狀態，但并沒有表現出整體向上的發展趨勢;而消耗協調度的波動較小，也沒有反映出整體向上的發展趨勢，這和以往根據“均衡”發展思想進行評價獲得的結論是有一定不同的。而正是由于對“非均衡”發展的準確描述使得評價結果可以分辨出不同類型的協調性變化趨勢，其結果也更為真實。從方法上看來，基于集對分析思想的協調性評價簡單易行，評價結果較為合理、準確，靈敏度高，對于完善協調性研究方法具有一定的借鑒意義。

由于數據的缺失，土地利用變化系統中缺少林地指標，而林地數量的變化對于整個土地利用系統來說具有相當重要的意義;其次，雖然從指標層面對系統等級的變化情況進行了集對分析，避免了主觀因素的干擾，但由于指標之間的重要性程度的不同，評價結果還有一定的改進空間。第三，對土地利用效益子系統間的協調性評價還沒有擺脫“均衡發展”的思想，評價結果有待于進一步優化。第四，土地利用效益和土地資源消耗之間的關系需進一步量化。

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Coordination of Land-use Based on the Set Pair Analysis in Jiangsu Province

BAN Chun-feng1LIU You-zhao1HUANGQi1JIAHou-hui2
(1．College of Public Administration，Nanjing Agricultural University，Nanjing Jiangsu 210095，China;2．Construction and Transportation Commission in Pudong New Area of Shanghai，Shanghai201306 China)

Based on the study of the current research of coordination，we find that the uncertainty is not described accurately，groundwork of research is lacking，and the definition of coordination is limited due to the idea of“balanced development”．Therefore，using Jiangsu Province as the study area，we validate the correlation between the subsystem of land-use change and other subsystems of land-use efficiency by using the canonical correlation analysis，evaluate the coordination of land-use efficiency and the coordination of land-consumption based on the Set Pair analysis．The results indicate that land-use change and land-use efficiency subsystems showmore significant correlation;coordination degree of land-use efficiency ismost in a coordinated condition，and its internal structure shows that although recently the government has paid more attention to the protection of ecological environment，the conflict between economic development and the degradation of ecological environment has not been resolved fundamentally;coordination degree of land-consumption goesmodestly，the development trend between land-use change and land-use efficiency takes on a“balanced development”situation，and the internal structure of the degree indicates that the government has gradually realized the negative impacts of excessive expansion of construction land，and improving the efficiency of land-use is becoming themain line of development．Different from the previous studies，coordination degree of land-use efficiency and land-consumption are both not showing an upward trend．

uncertainty;Set Pair analysis;coordination of land-use;coordination degree;Jiangsu Province

F293.2

A

1002－2104(2011)09－0057－07

10.3969/j.issn.1002－2104.2011.09．010

2011－04－07

班春峰，博士生，主要研究方向為土地資源可持續利用。

劉友兆，博士，教授，博導，主要研究方向為土地資源可持續利用、土地信息系統。

江蘇省國土資源科技項目“土地綜合整治效益評估與方法研究”(編號:201026)。

(編輯:王愛萍)