中國土地利用系統健康動態評價

張 銳，劉友兆，丑建立

（南京農業大學 公共管理學院，江蘇 南京210095）

中國土地利用系統健康動態評價

張 銳，劉友兆，丑建立

（南京農業大學 公共管理學院，江蘇 南京210095）

在界定土地利用系統健康內涵的基礎上，構建了基于“壓力—狀態—響應”（PSR）模型的評價指標體系，采用熵值法和灰色預測模型，對中國土地利用系統健康狀態進行了評價。研究結果表明：（1）1999—2008年中國土地利用系統健康水平總體不斷提高，綜合指數從0.393 5增加到0.533 1，健康等級經歷了“不健康—臨界”狀態的演變過程；（2）土地利用系統健康的壓力指數總體上呈現下降趨勢，狀態指數和響應指數呈現上升趨勢；（3）固定資產投資年增長率、人均耕地面積、土地墾殖率、水土流失程度、地均GDP等是土地利用系統健康等級提升的關鍵因素；（4）2009—2015年中國土地利用系統健康水平呈現穩步上升趨勢，2014年土地利用系統健康等級達到“亞健康”。并提出了提高土地利用系統健康水平的一些具體措施。

土地利用系統；健康；灰色預測模型；熵值法；PSR模型

土地利用系統是一個以土地利用為基礎的自然、經濟、社會復合系統，它既有生態系統的一般特征，又有其本身的特殊性，集中體現了人口增長、經濟發展與資源短缺的矛盾［1］。伴隨著經濟社會的快速發展，工業化、城鎮化和現代化建設進程快速推進，導致土地生態環境日趨惡化，土地污染負荷加重，土地質量下降等一系列問題，土地利用系統健康面臨一定威脅［2］。因此，開展土地利用系統健康研究，優化土地利用系統健康的改善路徑，提高土地利用系統健康水平，對于加強生態文明建設，保障中國生態安全，促進社會經濟可持續發展具有非常重要的理論意義和現實意義。

目前關于土地利用系統健康的研究主要集中在土地利用系統健康內涵，土地利用系統健康評價，土地利用系統健康影響因素以及土地利用系統健康調控等幾個方面。Leopold［3］首先界定了“土地健康”的內涵，并通過研究土地健康監測其生態學參數，以保證人類在利用土地的時候不會使其喪失功能。Vieira［4］從土地條件變化指標出發構建了土地健康評價指標體系，主要包括定性和定量兩種土地條件變化指標：定性變化指標要求直觀、易于獲取，如土壤顏色、地表形態等；定量指標應強調計算方法的規范與統一。蔡為民等［5］在分析土地利用系統的基礎上，探討了土地利用系統健康的概念、本質與目的，初步構建了土地利用系統健康評價框架體系。陳美球等［6］從環境因素、社會因素、經濟因素三個方面構建了土地健康評價指標體系，綜合運用特爾菲法、層次分析法、聚類分析法等建立了土地健康評價模型，并運用該模型對鄱陽湖區11個縣的土地健康狀況進行了診斷。賀翔［7］從系統結構、系統功能、系統效益三個方面構建了土地利用系統健康評價指標體系，選用層次分析法確定評價指標的權重，采用綜合評價法測算了上海市土地利用系統健康水平。鄭華偉等［8］在界定土地利用系統健康內涵的基礎上，構建了4個層次的土地利用系統健康評價指標體系，采用物元分析法測算了四川省土地利用系統健康水平。

總體來看，土地利用系統健康評價研究尚屬起步階段，定性分析相對較多、定量研究較少；從評價方法上看，已有的研究主要采用主觀確定評價指標權重與某一時間點的靜態評價，缺少對土地利用系統健康動態發展的研究。因此，本研究在構建土地利用系統健康評價指標體系的基礎上，著重探討基于客觀的熵權系數模型與灰色預測模型相結合的土地利用系統健康動態評價方法，以彌補傳統評價方法的不足，以期為土地利用決策提供科學依據，并為土地利用系統健康評價研究提供實踐經驗。

1 研究方法

1.1 指標體系構建

土地利用系統是在一定的土地利用方式和特定土地單元下，與社會經濟因素相互作用而形成的系統，包括自然生態系統、社會系統和經濟系統，土地自然生態系統是土地利用系統的形成基礎；土地利用系統健康是以人類社會可持續發展為目的，促進經濟、社會和生態三者之間和諧統一，其內涵可以概括為：一是土地利用系統自身是否健康，即其自身結構是否合理，功能是否得到正常發揮；二是土地利用系統對人類是否健康，即土地利用系統所產生的綜合效益是否滿足人類的需要；三是土地利用系統是否協調發展，即經濟發展、社會進步、土地資源合理利用、人口控制，它們之間是否相互協調［5，7，9］。土地利用系統健康評價是以整個土地利用系統為評價對象，對特定時刻、特定區域的自然生態要素和社會經濟要素進行的綜合評價，診斷由人類活動與自然因素引起的系統破壞與退化程度，以便為管理者提供決策［5，8］。“壓力—狀態—響應”（PSR）概念模型是由聯合國OECD和 UNEP提出的［10－11］，該模型以因果關系為基礎，主要目的是評價生態系統的持續性，分析生態系統內在的因果關系，尋找人類活動與生態環境影響之間的因果鏈（從生態系統面臨的壓力出發，探討生態系統的結構與功能，制定緩解生態系統壓力的政策措施），得到較為普遍的認可與應用，因此可以借助PSR概念模型開展土地利用系統健康分析與診斷［9，12－13］。

在土地利用系統健康評價中引入PSR概念模型可以從總體上反映土地利用系統、社會經濟發展目標與管理決策之間的相互依存、相互制約的關系：人口增長、社會經濟發展給土地利用系統帶來巨大的壓力（P）；人類不斷開發資源，通過社會經濟活動向土地利用系統排放污染，改變了土地利用系統結構與功能狀態（S）；壓力之下，土地利用系統在原有狀態基礎上做出反應，同時反饋于社會經濟的發展過程；人類對土地利用系統的反饋進一步做出響應（R），進行政策調整、環境保護等，改善土地利用系統狀態，使之保持良好的結構與功能，進而實現可持續發展［13－14］。從土地利用系統健康內涵、PSR概念模型出發，遵循指標選取的系統性、科學性、可獲取性和可比性等原則，在參考相關文獻的基礎上［5－9］，構建了4個層次的土地利用系統健康評價指標體系（表1）。

1.2 評價模型建立

1.2.1 標準化處理 為統一土地利用系統健康各評價指標的單位與量綱，采用極差法對原始數據進行標準化處理［2，14］，具體計算公式為：正向作用指標：

負向作用指標：

式中：Xij，Xij′——第i年第j項指標的原始值和標準化值；maxXj，minXj——第j項指標的標準最大值和標準最小值。標準值（健康值、病態值）的確定主要參考國家、行業及國際相關標準，科學研究的判定標準，研究區域背景值或本底值等［6，8－9］。值得說明的是，由于數據的可獲得性限制，本研究主要分析全國尺度的土地利用系統健康狀況，土地利用系統健康評價標準的確定主要著眼于全國整體；水土流失程度、水土流失治理率等指標的評價標準在不同地理區域存在一定的差異，在分析不同地理區域土地利用系統健康水平時，需要結合區域的實際情況進一步討論確定評價標準。

表1 土地利用系統健康評價指標體系及其標準值

1.2.2 指標權重的確定 土地利用系統健康評價是一個多指標定量綜合評價的過程，指標權重確定具有舉足輕重的地位，將直接關系到土地利用系統健康評價結果的準確性［15］。為了避免人為因素的影響，使評價指標權重確定更加具有科學性，采用客觀賦權法中的熵值法來確定指標權重：熵值法根據評價指標變異程度的大小來確定指標權重，指標變異程度越大，信息熵越少，該指標權重值就越大，反之越小［15－16］。在熵值法的計算過程中，運用了對數和熵的概念，根據相應的約束規則，負值和極值不能直接參與運算，應對其進行一定的變換，即應該對熵值法進行一些必要的改進；改進的辦法主要有兩種：功效系數法和標準化變換法，本研究采用標準化變換法對熵值法進行改進［16］。用改進的熵值法確立評價指標權重的主要步驟為［15－16］：

（1）評價指標標準化處理。由于不同的指標具有不同的量綱和單位，為了消除量綱和量綱單位的不同所帶來的不可公度性，需要對指標數據用標準化法進行變換：

式中：Xij″——標準化后的指標值；ˉXj——第j項指標的均值；sj——第j項指標的標準差。

（2）為了清除負數，進行坐標平移。

式中：Xij?——平移后的指標值；H——指標平移的幅度。

（3）計算第j項指標下的i個樣本值的比重：

（4）計算第j項指標的熵值。

式中：k＞0，ej＞0。如果Xij?對于給定的j全部相等，那么Pij＝Xij?／∑mi＝1Xij?＝1／m，此時ej取極大值，即ej若設k＝1／lnm，ej＝1，所以0≤ej≤1。

（5）計算第j項指標的差異性系數gj：

（6）定義第j項指標的權重wij：

1.2.3 計算綜合指數 采用綜合指數模型對土地利用系統健康進行綜合評價，綜合指數模型［2］的表達式為：

式中：F——土地利用系統健康綜合指數；wi——第i子系統權重；wij——第i子系統第j項指標權重；n——第i子系統所包含的指標數。F越接近1，表示土地利用系統健康狀況越好。

本研究在借鑒國內外生態系統健康等級劃分的基礎上［9］，將土地利用系統健康級別分為：病態、不健康、臨界狀態、亞健康和健康5個等級，土地利用系統健康分級標準詳見表2。

表2 土地利用系統健康分級標準

1.3 灰色預測模型

灰色系統理論是由華中理工大學鄧聚龍教授于1982年提出并加以發展的，它是研究解決灰色系統分析、建模、預測、決策和控制的理論；灰色預測模型是對灰色系統所做的預測，它是通過少量的、不完全的信息，建立數學模型并做出預測的一種預測方法［17］。灰色預測模型 GM（1，1）的建模步驟為［18－19］：

（1）收集原始數據形成數列x（0），對原始數列作一次累加生成處理，得到一個新的數列x（1）；

（2）將x（1）的變化趨勢近似地用微分方程描述：

（5）進行精度檢驗（殘差檢驗、后驗差檢驗），檢驗過程具體參見文獻［19］。一般來說，GM（1，1）模型的檢驗通過后驗差檢驗即對殘差分布的統計特性來判斷效果，通過方差比C和小殘差概率P的值來判斷［20］（表3）。若檢驗結果可用，則可利用灰色預測模型GM（1，1）進行預測；否則，建立殘差模型對其進行修正。

式中：a，u——辨識參數，二者可以通過最小二乘法擬合得到。

（3）構造矩陣B，YN，計算得：

（4）求出預測模型：

表3 后驗差檢驗判別參照表

2 實證分析

2.1 區域概況與數據來源

中國位于亞洲大陸的東部、太平洋西岸，陸地面積9.60×106km2；陸地邊界長達2.28×104km，大陸海岸線長約1.8×104km，海域面積4.73×106km2。地勢西高東低，山地、高原和丘陵約占陸地面積的67%，盆地和平原約占陸地面積的33%。中國有34個省級行政區，包括4個直轄市，23個省，5個自治區，2個特別行政區。中國土地資源絕對數量大，人均占有少；類型復雜多樣，耕地比重較小；利用情況復雜，生產力地區差異明顯；地區分布不均，保護和開發問題突出。隨著經濟社會的快速發展，建設用地規模持續擴張，耕地資源數量銳減，土地生態功能減弱，土地利用系統健康狀況亟待改善。

土地利用系統健康評價指標數據主要來源于《中國統計年鑒（2000—2009年）》，《中國農村統計年鑒（2000—2009 年 ）》，《中 國 農 業 年 鑒 （2000—2009年）》，《中國國土資源年鑒（2000—2009年）》和中國國土資源公報等。由于數據的可獲得性限制，本研究僅選擇對1999—2008年中國土地利用系統健康水平進行分析。

2.2 結果分析

收集中國有關土地利用系統健康的評價指標數據，經分析整理后，按照改進的熵值法確定各評價指標的權重（表4）。根據前文提供的研究方法，得到中國土地利用系統健康的綜合評價結果以及分類指標評價結果（圖1）。

2.2.1 綜合評價結果 對1999—2008年土地利用系統健康綜合指數變化走勢分析表明，中國土地利用系統健康水平總體處于改善上升趨勢，土地利用系統健康狀況將會得到進一步改善。中國土地利用系統健康綜合指數由1999年的0.393 5上升到2008年的0.533 1，土地利用系統健康狀況不斷好轉，年均增長率達到3.94%，表明土地利用系統健康水平不斷提高。根據土地利用系統健康分級標準（表2），中國土地利用系統健康等級由“不健康”轉變為“臨界狀態”，研究發現，1999年以來中國經濟持續發展，生態保護意識不斷強化；不斷加強生態環境保護建設，加大了對廢水、廢氣污染的控制力度，有效加強水土流失治理，水土流失治理率持續增加，促進了土地利用系統健康狀況的改善。

但2008年土地利用系統健康水平不高，有待于進一步改善中國土地利用系統健康狀況：目前中國土地利用系統健康的制約因素主要包括固定資產投資年增長率、人均耕地面積、土地墾殖率、水土流失程度等。雖然中國一直致力于水土流失的綜合治理，但由于易水土流失區域較大，且存在反復的現象，目前水土流失程度仍較大，還需加大治理力度，有效保護土地資源。隨著經濟社會的發展，中國固定資產投資增長速度明顯提升、國內生產總值持續增長，但這種高速增長是以資源高消耗為代價的，建設用地規模不斷擴大，耕地面積持續減少，土地集約利用水平較低，地均GDP不高。

表4 土地利用系統健康評價指標權重

2.2.2 分類指標對比

（1）壓力指數。1999—2008年土地利用系統健康的壓力指數總體上呈現下降趨勢，從1999年的0.655 0下降到2008年的0.532 1，表明土地利用系統壓力現狀有所惡化（負向指標，數值越小，生態壓力相對越大）［21］，人類對土地利用系統的干擾有所強化。根據曲線的形狀可以將壓力指數的變化分為4個階段：第一階段是1999—2004年壓力指數處于下降趨勢，年均遞減率為4.273 0%；第二階段是2004—2006年壓力指數處于上升趨勢，年均增長率為2.579 1%；第三階段是2006—2007年壓力指數下降幅度較大，遞減率為5.691 4%；第4階段是2007—2008年壓力指數迅速上升，增長率為4.176 7%。由此可見，隨著經濟社會的不斷發展，土地利用系統的壓力有所增加，但近年來壓力有所緩解。

（2）狀態指數。1999年以來，土地利用系統健康狀態指數逐漸增大，發展水平迅速提高；2008年狀態指數是1999年的1.85倍，年均增長率為9.46%。由圖1可知，1999—2003年狀態指數增長幅度較小，年均增長率僅達到3.908 6%，2003—2008年狀態指數上升速度增快，年均增長率為12.027 4%。

圖1 土地利用系統健康評價結果

（3）響應指數。1999年以來，土地利用系統健康的響應指數逐年增大，發展水平迅速提高。2008年響應指數是1999年的2.57倍，年均增長率為17.50%。由圖1可知，1999—2001年響應指數增長幅度較大，年均增長率為39.912 9%，它的提高有利于土地利用系統健康狀況的改善；2001—2008年響應指數增長幅度較小，年均增長率僅為6.170 5%。

2.2.3 模型預測結果 以圖1中1999—2008年的土地利用系統健康綜合指數作為原始數據，構成數列x（0），對原始數列作一次累加生成處理，得到一個新的數列x（1），構造矩陣B，YN：

根據公式＾a＝（BTB）－1BTYN＝［a，u］T，求得＾a＝［－0.029 5，0.391 0］T，將＾a帶入響應函數得到預測模型：x（1）（t＋1）＝13.650 0e0.0295t－13.256 5。根據GM（1，1）模型的建立思路，預測中國2000—2008年土地利用系統健康綜合指數，預測模型的平均相對誤差百分比為2.014 1%，不超過5%，說明預測模型精度高；其次，預測模型的方差比C＝0.256 7，小殘差概率P＝1，都落在模型精度檢驗精度“優”范圍，所以判斷所建預測模型效果很好［20］。運用GM（1，1）模型對中國2009—2015年土地利用系統健康綜合指數進行預測計算，結果如圖2所示。

GM（1，1）模型是基于灰色累加生成序列的方法上建立的，在預測結果上表現出較強的規律性，適合于短期內系統變動趨勢關聯度預測［17－18］。由圖2可見，1999—2008年中國土地利用系統健康綜合指數曲線與GM（1，1）模型預測綜合指數曲線基本吻合，2009—2015年中國土地利用系統健康水平呈現穩步上升趨勢，年均增長率為3.226 7%，2014—2015年土地利用系統健康等級均達到“亞健康”。

圖2 土地利用系統健康評價及預測

3 結論

（1）1999年以來中國土地利用系統健康水平總體不斷提高，2008年土地利用系統健康綜合指數是1999年的1.354 6倍，且等級由1999年的“不健康”轉變為2008年的“臨界狀態”；壓力指數總體上呈現下降趨勢，狀態指數和響應指數呈現上升趨勢；土地利用系統健康的制約因素主要包括固定資產投資年增長率、人均耕地面積、土地墾殖率、水土流失程度、地均GDP等；從2009—2015年的土地利用系統健康綜合指數預測結果來看，今后幾年中國土地利用系統健康發展保持良好態勢。

（2）為了促進土地利用系統健康水平不斷提升，進一步轉變經濟發展方式，推動經濟結構戰略性調整，優化產業升級布局，加強土地利用監督管理，提高土地資源市場化配置程度，形成節約集約用地的“倒逼機制”，有效增加土地利用集約度，降低經濟增長對土地資源的過度消耗；積極開展農村土地整治，加強高標準基本農田建設，增加有效耕地資源面積；持續增加環境保護投入，加大環境治理力度，有效控制水土流失程度。

（3）傳統綜合評價中，缺少對土地利用系統健康動態發展的研究，而以熵權綜合評價為基礎的GM（1，1）灰色預測模型對土地利用系統健康進行動態評價，能夠得到更客觀、更全面的評價結果：灰色預測模型GM（1，1）的數據量要求較小，預測模型精度較高，具有較強的實用性和有效性，是比較理想的預測方法；熵值法根據評價指標間的離散程度，用信息熵來確定指標的權重，可以克服一些主觀賦值法所帶來的結果不穩定的現象，在一定程度上改善和提高了綜合評價的質量；熵值法與灰色預測模型適用于土地利用系統健康的動態評價，有利于提高土地利用系統健康水平。

（4）本研究作為一種研究方法的探討，構建了基于PSR模型的土地利用系統健康評價指標體系，嘗試性將熵值法和灰色預測模型運用到土地利用系統健康評價中，基本達到預期的研究目的。由于此類研究尚不多，土地利用系統健康評價的指標選擇、評價標準的確定等問題有待進一步深入研究。

（5）本研究初步探討了中國土地利用系統健康的動態評價，但中國幅員遼闊，跨緯度較廣，東西南北地貌類型多樣、經濟發展不平衡，各省區之間差異較大，有待于進一步以各省區為單元，深入研究土地利用系統健康動態評價，進而科學地制定改善土地利用系統健康的指導方針與政策、優化土地利用系統健康的改善路徑，有效促進生態文明建設。

［1］ 蔡為民，唐華俊.土地利用系統健康評價［M］.北京：中國農業出版社，2007.

［2］ 孫丕苓，楊海娟，劉慶果.南水北調重要水源地的土地生態安全動態研究［J］.自然資源學報，2012，27（9）：1520－1530.

［3］ Leopold A.Wilderness as a land laboratory［J］.Living Wilderness，1941，6（7）：2－3.

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

［5］ 蔡為民，唐華俊，陳佑啟，等.土地利用系統健康評價的框架與指標選擇［J］.中國人口·資源與環境，2004，14（1）：31－35.

［6］ 陳美球，黃靚，蔡海生，等.鄱陽湖區土地健康評價［J］.自然資源學報，2004，19（2）：170－175.

［7］ 賀翔.上海市土地利用系統健康評價研究［D］.湖北 武漢：華中農業大學，2007.

［8］ 鄭華偉，張銳，劉友兆.基于物元分析的土地利用系統健康診斷［J］.中國土地科學，2012，26（11）：33－39.

［9］ 郭杰，吳斌.土地利用系統健康評價［J］.中國土地科學，2011，25（4）：71－77.

［10］ FAO Proceedings.Land Quality Indicators and Their Use in Sustainable Agriculture and Rural Development［R］.Proceedings of the Workshop organized by the land and Water Development Division FAO Agriculture Department，1997.

［11］ Rainer W.Development of environmental indicator systems：Experiences from Germany［J］.Environmental Management，2000，25（6）：613－623.

［12］ 顏利，王金坑，黃浩.基于PSR框架模型的東溪流域生態系統健康評價［J］.資源科學，2008，30（1）：107－113.

［13］ 仇蕾.基于免疫機理的流域生態系統健康診斷預警研究［D］.江蘇 南京：河海大學，2006.

［14］ 高珊，黃賢金.基于PSR框架的1953—2008年中國生態建設成效評價［J］.自然資源學報，2010，25（2）：341－350.

［15］ 鄭華偉.基于改進熵值法的耕地利用集約度評價［J］.新疆農墾經濟，2010，29（4）：53－58.

［16］ 陶曉燕，章仁俊，徐輝，等.基于改進熵值法的城市可持續發展能力的評價［J］.干旱區資源與環境，2006，20（5）：38－41.

［17］ 劉思峰.灰色系統理論及其應用［M］.5版.北京：科學出版社，2010.

［18］ 郭銳利，鄭欽玉，劉娟，等.基于熵值法和 GM（1，1）模型的重慶城市生態系統健康評價［J］.中國環境科學，2012，32（6）：1148－1152.

［19］ 周瑞平.GM（1，1）模型灰色預測法預測城市人口規模［J］.內蒙古師范大學學報：自然科學（漢文版），2005，34（1）：81－83.

［20］ 戴亞南，賀新光.長株潭地區生態可持續性［J］.生態學報，2013，33（2）：595－602.

［21］ 張軍以，蘇維詞，張鳳太.基于PSR模型的三峽庫區生態經濟區土地生態安全評價［J］.中國環境科學，2011，31（6）：1039－1044.

Dynamic Evaluation of Health of Land Use System in China

ZHANG Rui，LIU You－zhao，CHOU Jian－li
（College of Public Administration，Nanjing Agricultural University，Nanjing，Jiangsu210095，China）

On the basis of defining the meaning of the health of land use system，the evaluation index system for the health of land use system was constructed based on the press—state—response（PSR）model，then an empirical analysis was conducted in China by entropy method and grey prediction model.The results showed that：（1）The health level of land use system had been gradually improved from 1999to 2008in China，with the comprehensive index increasing from 0.393 5to 0.533 1.The health of land use system generally experienced two stages，i.e.，unhealthy and critical state.（2）The pressure index showed a downward trend，while status index and response index showed a rising trend.（3）The growth rate of fixed asset investment，per capita cultivated land，land reclamation rate，extent of soil erosion and per capita GDP were proved to be key constraints for further improvement of the health of land use system.（4）The health level of land use system show a steady upward trend from 2009to 2015，and the health degree of land use system reaches the sub－health state in 2014.Finally，some measures was proposed for the further improvement of the health of land use system.

land use system；health；grey prediction model；entropy method；PSR model

B

1000－288X（2014）02－0197－07

F301.24

10.13961/j.cnki.stbctb.2014.02.042

2013－05－17

2013－06－20

國家自然科學基金項目“農村居民點整理對農戶土地利用變化影響研究”（71173112）；江蘇省普通高校研究生科研創新計劃項目（CXLX13＿301）

張銳（1985—），女（漢族），江蘇省鹽城市人，博士研究生，研究方向為土地利用與鄉村發展、社會統計分析。E－mail：zhangrui＿1985＠163.com。

劉友兆（1959—），男（漢族），江蘇省淮安市人，教授，博士生導師，研究方向為土地可持續利用與土地資源評價。E－mail：yzliu＠njau.edu.cn。