基于物元分析法的武漢市土地資源安全評價

張升元，于婧，羅洋洋，羅清泉

(湖北大學資源環境學院,湖北 武漢 430062)

土地資源安全是指一個國家或地區可以持續地獲取,并能保障生物群落(人類)健康和高效能生產及高質量生活的土地資源狀態或能力[1].我國是農業大國,農業是國民經濟的基礎,土地資源則是農業的根基,土地資源安全狀況直接影響農業和國民經濟的基礎.但近些年來這種基礎地位卻受到動搖,伴隨經濟社會的進一步發展,人口的增加、土地資源的減少以及環境惡化等都嚴重影響土地資源的安全.土地資源的安全形勢事關國民經濟穩定發展的大局[2],因此探討新時期的土地資源安全,對我國社會經濟的科學發展具有重要的意義.

土地資源安全評價是確定土地資源安全狀況的手段,首先以保障土地資源安全為目標函數,詳細研究評價對象的安全閾值,以定量或定性的方法予以表征,再以一定的方法或模型對土地利用系統健康或危險狀況作出評價[3].目前，我國相關研究已取得不少成果,主要集中于土地生態安全[4-10]、土地資源安全評價指標[11-13]和耕地安全[14-16]等.相關研究成果著重土地安全的某一方面,對土地資源安全進行綜合評價的較少,未能全面揭示土地系統的安全等級,因此有必要進行這方面的深入研究.

土地資源安全是一個復合立體概念,影響因素多樣,宜采用多因子綜合評價.物元分析法用于解決復雜的不相容問題,適合多因子評價,能極大拓展研究范圍,提示更多分異信息,提高了等級判定的客觀性和科學性[10].本文中采用物元分析法,應用組合賦權法確定各指標權重,對武漢市2002年、2005年和2009年土地資源安全狀況進行綜合評價.該方法在環境質量分析[17-19]、土地利用與定級[20]方面都得到了很好的應用.目前將物元分析法應用于土地資源評價的較少.本文中的研究是對區域土地資源安全評價方法所作的一次嘗試,以期在今后的應用中取得成效.

1 研究區概況

武漢市位于東經113°41′～115°05′,北緯29°58′～31°22′,地處湖北省東部,是我國華中地區中心城市,湖北省省會和政治、經濟、文化、科教中心,也是國家重點建設的工業城市,改革開放后，其社會經濟發展取得了巨大成就.2010年經濟總量達到5 515.76億元,比上年增長14.7%,繼續保持中部六省省會城市第一.長江和漢江橫貫市區,將武漢一分為三,形成武昌、漢口、漢陽三鎮隔江鼎立的格局.因交通便利,自古被稱為“九省通衢”之地.

武漢全境面積8 494平方公里,以平原為主,屬于北亞熱帶季風性濕潤氣候,湖泊眾多,有“百湖之城”的美譽.武漢市土壤類型多樣,土地適宜性廣泛,利用程度較高,水資源優勢突出.2005年,武漢市農用地占總面積的66.04%,其中以耕地為主,占61.13%;未利用地較少,占17.62%;建設用地占16.34%.伴隨經濟發展,耕地不斷減少,人地矛盾突出,農業生產薄弱環節依然沒有得到改善,且土地生產潛力未充分發揮,局部用地不合理,對生態環境產生影響.武漢地區是我國城市化進程中矛盾集中體現的區域,也是土地資源安全問題較突出的地區之一.

2 數據來源與研究方法

2.1數據來源本研究的數據主要來自于武漢市統計年鑒(2003-2010年),中國統計年鑒2009年,北京統計年鑒2009年,上海統計年鑒2009年,廣州市統計年鑒2009年,武漢市水資源公報(2003-2009年),武漢市環境公報(2002-2009年),武漢市土地利用總體規劃(2006-2020年).

基于物元概念,中國學者蔡文教授于上世紀80年代初創立物元分析法,主要用于解決不相容的復雜問題,適合于多因子評價[10,21-22],其基本分析過程如下.

(1)

(2)

式(1)～(2)中:Ro—經典域物元;Noj—劃分成的j個評價等級,j=(1,2,…,n);ci—評價等級Noj的第i個評價指標;voji=(aoji,boji)—對應評價等級j的第i個評價指標量值范圍;Rp—節域物元;

NP—評價等級全體;vpi=(api,bpi)—NP的第i個評價指標的量值范圍.

(3)

式中:Rx—待定斷物元;vn—Nx關于cn的量值范圍,即實測因子指標值.

2.2.3 確定關聯函數及關聯度 關聯函數Kj(xi)的定義為:

(4)

式中:xi∈voji,則p(xi,voji)<0;xi?voji,則p(xi,voji)>0;

p(xi,voji)—點xi與有限區間voji=[aoji,boji]的距離;p(xi,vpi)—點xi與有限區間vpi=[api,bpi]的距離;xi,voji,vpi—待評物元的量值、經典域物元的量值范圍和節域物元的量值范圍.

2.2.4 計算綜合關聯度并確定評價等級 兩事物間的關聯性大小的度量,稱之為關聯度.關聯度的計算有5種模式,即:(M(·,+),M(∧,∨),M(∧,⊕),M(·,∨),M(·,⊕))[20].本研究中采用M(·,+)模式,即先乘后加運算計算關聯度.

(5)

式中:Kj(Nx)—待評對象Nx關于等級j的綜合關聯度;Kj(vi)—待評對象Nx關于等級j的單指標關聯度j=(1,2,…,n);λi—第i指標的權重.Kj(xi)=max[Kj(xi)],j=(1,2,…,n)

(6)

則評價對象Nx第i指標屬于安全標準等級j.Kj(Nx)=max[Kj(Nx)],j=(1,2,…,n)

(7)

則評價對象Nx屬于安全標準等級j.

關聯度數值Kj(xi)在實數軸上的大小表征了待評對象隸屬于土地資源安全水平某一標準的程度,比模糊數學的隸屬度所代表的內涵更豐富,能揭示更多的分異信息[10].當Kj(xi)≥1.0時,表示評價對象超過標準上限,數值越大,利用潛力越大;當0≤Kj(xi)≤1.0時,表示評價對象符合標準對象要求,數值越大,越接近標準上限;當-1.0≤Kj(xi)≤0時,表示評價對象不符合標準對象要求程度,但具備轉化條件;當Kj(xi)≤-1.0時,表示評價對象不符合標準對象的要求,且不具備轉化條件[21].

3 武漢市土地資源安全評價

3.1評價指標體系本研究根據土地資源的概念,依據數據指標的可得性、可操作性和全面性為原則,借鑒所得相關研究成果[3-5,10],采用綜合模式來構建土地資源安全評價指標體系,見表1.因2003、2004和2006年森林覆蓋率缺少數據,我們采用SPSS 17.0進行插值計算獲取,其結果經檢驗符合數據變化趨勢,結果較為可信.

3.2確定權重目前常用的權重確定方法主要有兩類,一類是主觀賦權法，有專家評分法、層次分析法等;另一類是客觀賦權法,有最大離差法、類間標準差法、CRTIC法等[23].因研究需要,本文中采用組合賦權法來確定指標權重,即熵值法和關聯度法組合確定權重.

熵值法是一種客觀賦權法,是根據數據序列變異程度來確定權重系數.信息論中,熵值是系統無序程度或混亂程度的度量,系統的熵值越大,則它所蘊含的信息量越小;反之,系統信息熵值越小,所蘊含的信息量越大[24].其基本思想是某項屬性的數據序列的變異程度越大,則它相對應的權重系數就越大[25].

其中Eij—熵值;Zij—xij的權重;xij—標準化后的指標值;n—評價指標數,m—評價對象數.

關聯度法是通過對物元分析法計算得到的關聯度進行標準化處理后得到各指標的權重,公式如下[20]:

本文中計算了2002年、2005年和2009年的關聯系數,因此采用3年權重平均平均值作為關聯度法權重.

3.3土地資源安全評價經典域和節域的確定確定經典域是確定物元分析評價的基礎.本文中依據土地資源安全的評價要求,將其劃分為4個等級,即No1→No2→No3→No4,表述為:顯著安全→安全→臨界安全→不安全.

表1 土地資源安全評價指標體系及其權重

經典域的確定主要參照《生態縣、生態市建設規劃編制大綱(試行)》標準值,國際通行標準,全國平均水平值等.部分缺少上限標準的值采用北京市、上海市、廣州市平均水平值代替,主要考慮他們與武漢市地理社會條件的相似性以及在全國社會經濟發展的標桿作用,他們之間的數據有可比較意義,如路網密度、經濟密度等.在此基礎上建立土地資源安全評價的經典域物元矩陣Ro1、Ro2、Ro3、Ro4和節域物元矩陣Rp，見表2.

表2 經典域與節域范圍

3.4待判定物元矩陣的確定為了判定近年來武漢市土地資源的安全狀況,我們從數據資料中選擇了2002年、2005年和2009年3年的數據分析武漢市土地資源安全等級隨時間的動態變化變化情況,其物元判定矩陣R2002、R2005和R2009見表3.

表3 物元判斷矩陣范圍

3.5結果與分析將待評物元數據輸入物元分析模型計算,則可得到相應計算結果.以2009年C1指標為例,將v1=0.825帶入公式(4),得到該指標的等級關聯度,分別為:K1(x1)=-0.300,K1(x2)=-0.125,K1(x3)=0.500,K1(x4)=-0.125.根據公式(5)～(6),則可判定該指標屬于級別No3,對應“臨界安全”水平.將獲得的各項指標關聯度及其權重帶入公式(7),可計算其相應綜合關聯度.安全指標關聯度與安全綜合關聯度數值見表4、表5.

表4 武漢市2002、2005和2009年土地資源安全指標關聯度

表5 武漢市2002年、2005年和2009年土地資源安全綜合關聯度

從表4可知,武漢市各分項指標安全性有所提高,顯著安全指標由2002年的2項提高到2005年的5項和2009年的6項,同時不安全指標由2002年和2005年的7項下降到2009年的5項.說明自2002年至2009年,武漢市在環境及社會經濟發展中做出了努力,不僅社會經濟得到了快速發展,生態環境也有了明顯的改善,區域的可持續發展性得到增強.但同時我們看到顯著安全指標項的增加主要是通過2002年的指標安全項轉化得來,如人均居住面積和和森林覆蓋面積指標項,指標的安全項數量有所下降.經濟密度、路網密度和耕地壓力指數等在這些年中一直都是處于不安全狀態,沒有得到改變,成為制約武漢市土地資源安全的重要影響因子.從三大因素指標項來看,武漢市生態環境因素指標總體向安全方向轉化,2009年全部達到安全標準;但社會經濟因素和農業生產的不安全指標數量沒有變化,成為制約的主要因素.

雖然武漢市土地資源安全性從分項指標來看有所改觀,安全性提高,但從表5可知,2002年、2005年和2009年的綜合關聯度都是負值,綜合關聯度都位于不安全等級范圍內,說明從總體上看武漢市的土地資源安全性不高,處于轉化期.但綜合關聯度的值都處于-1～0之間,且K1(N2009) >K1(N2005) >K1(N2002),K4(N2009)

4 結論與討論

(1)本文中應用物元分析法和組合賦權法對武漢市2002年、2005年和2009年土地資源安全狀況進行了評價,結果表明:2002年之后,武漢市通過環境治理和社會經濟的發展,土地資源安全性整體上向著安全性方向轉化,部分單項指標已取得了明顯提升.其中,污水處理率、森林覆蓋率,農作物受災面積比率、農作物單位面積產量、萬元產值能耗和人均居住面積對武漢市土地資源安全性的提升有著重要作用.但化肥和農藥使用強度、耕地壓力指數、經濟密度及路網密度一直都是制約安全性提升的主要因素,這兩年一直沒有得到改變,今后需要下大力度進行這方面工作.今后,政府方面應當繼續完善當前的各項有效政策,維護好當前良好的生態環境狀況,應用科學發展觀指導社會經濟發展和產業轉型,完善區域基礎設施,切實保護好耕地,計劃好人口發展目標,并推進農業科學化,引導農民合理使用農藥和化肥.

(2)本文中將物元分析法和組合賦權法綜合于應用土地資源安全評價中,是進行土地資源安全評價的一次嘗試,獲得的評價結果較為準確地反映了實際情況,基本達到了預期的目標.但鑒于目前土地資源安全綜合研究較少,今后還需在指標選取、閾值界定和結果應用等方面進行進一步研究.本文中對整個土地資源進行了安全評價,但由于土地用途的不一致,性狀的不同,對評價結果應用有較大難度,今后如何分用途、分時序對土地資源進行安全評價是一個復雜和前景廣闊的領域.

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