基于全排列多邊形圖示指標法的湖南省土地多功能性評價

張路路,鄭新奇,蔡玉梅,呂永強

(1.中國地質大學(北京)信息工程學院,北京 100083; 2.中國土地勘測規劃院,北京 100035)

?

基于全排列多邊形圖示指標法的湖南省土地多功能性評價

張路路1,鄭新奇1,蔡玉梅2,呂永強1

(1.中國地質大學(北京)信息工程學院,北京 100083; 2.中國土地勘測規劃院,北京 100035)

多功能性評價是土地多功能利用研究的重要問題。通過構建基于生產、生活、生態的土地多功能識別體系，采用全排列多邊形綜合圖示指標法測度了1990年、2000年、2010年湖南省土地多功能狀態及其變化。研究表明：(1)全排列多邊形圖示指標法可用于土地多功能性評價，模型系統整合了評價對象的多種因素，減少了主觀因素的影響，提高了評價的客觀性和科學性；(2)研究期間，湖南省土地總功能由1990年的0.10提高至2000年、2010年的0.22，0.40。重心由農業生產功能轉變為經濟生產功能、生活功能等，功能之間協調性逐步下降；(3)單項功能方面，除農業生產功能有所降低外，經濟生產、交通保障、社會保障、就業支撐、居住家園以及生態功能均有不同程度提升。建議今后土地利用中應穩定和提高生態功能，提升土地的農業生產、就業支撐、社會保障等功能，并加強功能間的協調發展。

土地多功能性; 指標體系; 全排列多邊形綜合圖示指標法; 湖南省

土地是一個兼具自然和社會雙重屬性的復雜系統[1]。對其結構和功能的研究成為土地科學研究的重要內容，結構反映土地類型在區域內的質與量的對比關系[2]，功能則揭示土地為人類所能提供產品和服務的能力[3-4]。當前國際土地科學已從關注土地結構變化向關注土地功能變化轉變，從土地多功能角度尋求土地管理策略成為研究的新范式[5-9]。全球土地計劃(GLP)明確提出要開展土地功能變化及其與制度演化耦合的研究，從而為制定提高土地系統的可持續性提供依據[10]。在我國，隨著糧食安全、經濟發展和生態保護等多目標的驅動，土地多功能利用研究逐漸受到重視[3,7,11]。多功能性評價是土地多功能利用的重要問題，旨在通過對土地多元化利用所提供的產品、服務及效應進行測度[5]，可為土地利用的生態環境與社會經濟效應評估和決策提供科學依據。

目前土地利用多功能性評價研究多采用定量模型分析其時空變化特征，其中功能類型劃分和評價模型選擇是評價研究關鍵。在功能類型劃分方面，學者Fleskens等[12]將土地功能分為“經濟+社會+文化+生態+生產”5大類，De Groot等[13]將人類生存所必需的功能分為“調節+居住+生產+信息”4類23項；劉沛等[14]按功能主體性將土地功能劃分為“社會+生態+生產”3大類11項；陳婧[15]、張潔瑕[16]等從土地利用系統角度劃分的“生產+社會+生態”類型，以及基于可持續發展框架的“社會+經濟+環境”功能類型[3,17]；此外，還有學者將土地功能劃分為“生產+空間+生態+社會保障”[18]和“生產+經濟+生態+社會”[7]功能組合。可見，不同研究對土地功能類型的劃分不同，但學者們普遍認為土地功能類型具有時空差異特征，應結合區域特點及所處時間確定。在評價模型方面，常見的包括量化與表征兩種類型[11]：量化法以經濟價值核算和生態學角度的生態足跡、能流、物質流等方法為代表。表征法被廣泛使用，在GLP的框架下，Sensor發展了區域尺度上土地功能評價的方法體系，國內甄霖等[3,17]構建了土地多功能利用分析框架，方法簡單，可反映土地利用指標與功能關系的空間異質與時間變化。但指標與功能間的定量關系確定需依靠大量專家經驗打分。此外，通過構建土地利用功能分類指標體系，確定指標權重及閾值，綜合計算功能分值來表征土地利用功能水平較為常見。該方法關鍵是指標權重和閾值確定，但人為確定的權重往往缺乏客觀的科學依據，降低了評價的嚴謹性。

因此本文引入了全排列多邊形圖示指標法進行區域土地多功能性的測度。作為一種多目標綜合評價方法，全排列多邊形圖示指標法最早用于生態城市評價[19]，目前已拓展到土地集約利用[20-21]、節能減排績效[22]、城鄉統籌[23]、土地增減掛鉤適宜性評價[24]等研究領域。由于該模型僅需確定與決策相關指標的上、下限和臨界值即可，可有效克服傳統主觀判斷權重的弊端，減少了評價的主觀隨意性[19]，且用幾何直觀圖示，具備較強的動態性。本研究基于湖南省3期截面數據，構建土地多功能評價的指標體系，分析湖南省土地利用多功能的變化可為區域土地持續利用提供參考。

1　研究區域及數據來源

1.1研究區概況

湖南省位于我國中部，長江中游以南、南嶺山地以北，云貴高原向江南丘陵、南嶺山脈向江漢平原的過渡地帶，國土面積21.18萬km2，地貌類型以山地、丘陵為主，山地、丘陵和平原面積所占比例分別為46.3%，35.8%，12.6%，水面占5.3%，可開發土地資源有限。省內動植物、礦產和水利資源豐富，是著名的“有色金屬之鄉”、“非金屬礦產之鄉”。湖南省自古有“魚米之鄉”之稱，是全國糧食主產區和稻谷產量生產第一大省，農業生產中農牧業占比重較大，是農業土地利用的重點。改革開放以來，經濟建設突飛猛進，三次產業結構由1978年的40.7∶40.7∶18.6調整為2010年的14.5∶45.8∶39.7，經濟發展經歷了傳統農業向現代工業化社會過渡的轉型期，已進入工業化中期階段，處于加速發展期。土地利用目標的逐步多元化，工業、交通和城市建設空間不斷擠占農用地和生態用地，由單一土地的農業生產向經濟生產、交通承載、社會保障、生態環境等多功能轉變。伴隨著“中部崛起”、長株潭城市群“兩型”社會建設等重要發展機遇，各行各業的發展和多方面對土地資源需求的增長，湖南省的土地利用功能也面臨著新的調整與改變，本文試圖通過土地利用多功能評價為可持續利用及政策調整提供參考。

1.2數據來源

研究涉及土地、人口、社會經濟、產業發展、交通、就業、自然保護區面積等數據。其中耕地、交通用地數據來源于湖南省土地利用統計年鑒；人口、產業發展、交通運輸量等來源于中國統計年鑒(1991—2011年)及1991年、2001年、2011年3年的湖南省統計年鑒，第二、三產業產值是以1978年為基期計算的可比價格；城鎮登記失業率數據來源于中國勞動統計年鑒(1991—2011年)和湖南省統計年鑒(1991—2011年)；水土流失比例根據湖南省歷次土壤侵蝕遙感普查及湖南省統計年鑒(1991—2011年)獲得。

2　土地利用多功能類型及評價方法

研究通過劃分土地利用功能類型并構建評價指標體系，確定權重及閾值，綜合評價計算功能分值，表征土地利用功能水平及動態變化。

2.1土地利用多功能類型與指標體系構建

本文按照生產—生活—生態的功能分類，將湖南省土地功能劃分為生產功能、生活功能、生態功能，自上而下確定每個單項功能下的子功能。生產功能主要是為人類提供工、農業產品和交通空間功能，結合湖南省實際，考慮到該省農業及畜牧業產值約占全省農林牧漁業總產值的85%左右，因此確定用糧食生產和畜牧業生產功能代表農業生產功能，用經濟功能和交通保障能力來表征區域工業發展；生活功能是從社會保障、就業、居住3方面的功能表征土地為人類提供居住、工作和生存空間的基本功能；生態功能則包括土地對維持生物多樣性、提供非生物質資源和維持生態系統平衡3方面功能。

在功能分類基礎上，依據可得性、靈敏性和可量化性等原則，結合湖南省研究期間的土地利用特征，側重選擇能反映人類需求狀態的指標，如選擇人均的糧食產量、豬牛羊肉產量、收入、耕地面積、住房面積、水需求量等指標，此外采用比例指標，減少使用結構和總量指標，直接有效反映功能。在此基礎上共選取了22個評價指標(表1)。

表1　土地功能分類體系及指標

2.2土地利用多功能評價指標閾值確定

指標閾值是指區域土地資源在研究期間可持續利用下，各指標能夠達到的合理值，對進行多功能性評價結果具有重要影響。指標閾值確定應注意以下原則[7,17]：(1)盡可能反映自然的承壓閾值，如指標N21；(2)系統資源約束與開放系統相結合，應用指標為N16，N18，N19，N20；(3)高標準且可以追求的發展目標，應用指標為N1，N2，N3，N4，N5，N6，N7，N8，N9，N10，N11，N12，N13，N14，N15，N16，N17，N21。在遵照上述準則的基礎上，N3，N4，N5，N6， N13，N16等指標閾值參考全國平均水平確定；N9，N11，N12，N17，N18，N19，N20，N21等指標閾值根據公認標準確定；N1，N2，N7，N8，N10，N14，N15等指標根據經驗及已有文獻確定。

2.3土地利用多功能評價方法

全排列多邊形圖示指標法具體定義為[22]：土地多功能評價有n個指標(標準化后的值)，以這些指標上限值為半徑構成一個中心正n邊形，各指標值的連線構成一個不規則中心n邊形，該n邊形的頂點是n個指標的一個首尾相接的全排列。n個指標總共可以構成(n-1)/2個不同的不規則中心n邊形；綜合指數定義為所有這些不規則多邊形面積的均值與中心多邊形面積的比值。對第i項土地功能指數進行測算時，采用如下數據標準化函數：

(1)

式中：Si為土地功能標準化值；Ni是指標實際值；Ui，Li，Ti分別為該項指標值的可持續閾值上限、下限和臨界閾值。根據n個指標可以作出一個中心正n邊形，正n邊形的n個頂點為Si=1時的值，中心點為Si=-1時的值，中心點到頂點的線段為各指標標準化值所在區間[-1,+1]，而Si=0時構成的多邊形為指標的臨界區。臨界區內部區域表示各指標標準化值位于臨界值以下，其值為負；外部區域表示各指標標準化值位于臨界值以上，其值為正(圖1)。

表2　湖南省土地利用多功能性評價指標閾值

圖1　全排列多邊形圖示指標法示意圖

全排列多邊形綜合指數計算公式：

(2)

式中：S為土地功能值；Si，Sj為第i，j個分項指標。

該模型將傳統加法變為多維乘法，當分項指標值落在臨界值以下時，邊長小于1，對綜合指標產生緊縮效應；當功能指標值落在臨界值以上時，邊長大于1，對綜合指標產生放大效應，反映了系統整體大于或小于部分之和的系統整合原理。模型可實現對區域相同指標間的縱向比較，并實現從高維空間到低維空間的映射，反映區域在原高維空間中的分類信息和排序信息。

2.4功能協調性評價

引入功能標準差(σ)測度土地利用功能值之間的差異[5]，反映土地利用多功能協調性。數值越小，土地利用多功能協調性越高；反之功能協調性越低。公式如下：

(3)

3　湖南省國土空間多功能性評價

3.1單項功能值變化特征及分析

分別對湖南省1990年、2000年和2010年土地的農業生產、經濟生產、交通保障、社會保障、就業支持、居住家園和生態7項功能進行計算，結果見表3、圖2。

(1)土地生產功能整體呈現增長趨勢，但內部各功能變化有所差異。農業生產功能呈先增加后下降狀態，經濟生產和交通保障功能持續提升。1990年生產功能以農業生產功能為主，功能分值為0.375，經濟生產和交通保障功能較低，反映出湖南省作為傳統的農業生產大省的特征。隨著經濟體制轉型和社會發展需要，二三產業進入快速上升通道，基礎設施建設的完善，區域交通保障功能和經濟生產功能逐步提升。至2000年，隨著農業投入的不斷增加，雖然人均糧食產量降低，糧食生產功能受影響，農業占GDP比重也由1990年的32.40%下降到2000年的17.16%，但畜牧業占農業生產比重顯著提高，使得湖南省農業生產功能水平增加了7.21%。

表3　湖南省土地利用多功能值和多功能變化動態度

圖2　湖南省土地生產、生活、生態功能評價

新世紀以來，“中部崛起”等國家級發展戰略及政策實施，湖南省各項社會經濟事業取得長足進步。人均二三產業產值、人口城鎮化率、人均GDP指標等不斷提高。湖南省的交通樞紐角色得以強化提升，交通用地密度由0.05提升至2000年的0.18，2010年的0.31，提高幅度達到240.16%，2010年全省鐵路營運里程3 693 km，公路通車總里程22.8萬km。經濟生產與交通保障功能上升為主要的生產功能，表明區域進入工業化社會的特征。其間人口增長和耕地面積減少，農業生產雖得到重視，生產性投入不斷加大，傳統農業在向農業現代化轉換，但與二、三產業相比，比較優勢仍然較低，農業占GDP比重仍降至2010年的13.90%，人口的增長和耕地的減少，耕地補充潛力非常有限，人均糧食擁有量逐步降低，已得到人均糧食擁有量的閾值400 kg，作為畜牧業大省，2010年人均豬牛羊肉產量與2000年相比略有所降低。湖南是農業大省和全國最重要的商品糧基地，關系到全國的糧食安全態勢，其農業生產功能的降低應引起高度重視。

(2)生活功能研究期間整體呈現上升趨勢，社會保障、就業支撐和居住家園等功能均得到了不同程度提升。1990年區域土地的生活功能以社會保障功能為主，雖然滿足了農村居民基本生活需求，但對城鄉居民就業、人均居住面積的支撐保障功能不高。隨著農村改革的深入，農村居民收入得到顯著提高，由1990年的1 545.69元提升至2000年的2 197.16元，城鄉收入差距未擴大，土地的社會保障功能呈現大幅度上升趨勢。而從就業保障來看，由于農業人均耕地面積小，且二三產業發展剛初見成效，城市失業率下降不明顯，功能提升不太顯著。2000年以來，土地利用對農村的社會保障作用凸顯，體現在城鄉居民收入不斷提高。人口不斷向城市集聚，同時還有商品房改革等因素影響，土地的居住功能得到顯著提升，土地滿足居民住房以及居住條件得到明顯改善，農村和城鎮人均居住面積分別從22.2，10.90 m2提升至42.20，31.20 m2，城鎮人均公共綠地面積也比1990年提高了126.42%，人均達到12 m2，居住家園功能得到顯著改善。但土地的就業支撐功能不高，限制性因素為農業人均耕地面積少，盡管自然條件好，便于精耕細作，但規模化與集約化經營程度較低。在新型城鎮化的發展背景下，應妥善安置進城務工人員的就業和居住條件。同時要加快農用地流轉，促進農業現代化和規模化經營，提升土地對農村人口的就業保障能力。

(3)生態功能在研究期間有小幅提升，表現出一定的穩定性，但功能水平不高。土地生態功能值由1990年的0.204提升至2010年的0.314，反映出湖南省在生產功能提升同時，生態功能協同發展的良好勢頭。特別是2007年國務院批準長株潭城市群為“全國資源節約型和環境友好型社會建設綜合配套改革試驗區”等政策的實施，進一步推動了生態環境保護。從具體指標來看，自然保護區面積、森林覆蓋率、水土流失面積比例，均對生態功能的提升起到了促進作用。但人均水資源量在研究期間呈現下降趨勢，且逐漸接近可持續發展的2 300 m3/人的標準，在今后的發展中，應以水土資源承載能力和環境容量為基礎進行有度有序開發，減少人為因素對自然生態系統的干擾和破壞。

3.2綜合功能變化特征

土地功能的變換與土地利用者的決策和行為緊密相連，其行為和決策與國家政策又有很大關系[11]。在國家實施戰略帶動下，區域的投資力度增加，落實到空間上就是土地開發強度增加和結構變化，政府、企業、農民均會受到影響并采取行動進行響應，進而又影響區域自身的自然、經濟情況和投資。一系列的行為會導致土地系統提供的各種產品和服務能力變化，并最終影響區域發展的可持續性。政策實施力度越大，對區域發展的可持續性越明顯。從湖南省土地總功能來看(表3、圖3)，由1990年0.1提升至2000年的0.22，又提高至2010年的0.40，土地功能呈現明顯的時間變異性。前期主要以土地的農業生產、生態功能為主，后期受中部崛起戰略等發展政策影響，土地結構和土地利用活躍度明顯提升，經濟和交通等生產功能顯著提升，功能變化動態度為上一階段的1.5倍。但整體來看，土地功能仍有較大的提升空間。

從土地功能的協調度來看(圖3)，3期的土地利用單項功能標準差值分別為0.12，0.20，0.36，反映出土地利用多功能協調性逐步下降。雖然土地利用的各項功能均在提升，但各個功能變化增長的幅度不同，功能之間的差距在增加。尤其值得注意的是糧食生產功能在研究期間呈現下降的趨勢，與湖南省作為農業大省的地位不相匹配，應引起管理者的重視。

圖3　湖南省土地利用功能綜合評價結果

4　結論與建議

(1)運用全排列多邊形圖示指標法，按照生產、生活、生態功能分類，選取了22個評價指標用于反映湖南省土地多功能利用情況。該方法過程簡潔、客觀，只需確定土地多功能相關的上限、下限和臨界值，不用專家主觀評判權系數大小，降低了主觀隨意性，結果表達既可反映單功能值和綜合值，又可以通過幾何直觀圖展示，便于問題診斷和政策指導。指標綜合中反映了指標臨界值對土地系統功能的放大和緊縮效應，符合土地功能與指標的關系實際。

(2)研究期間，湖南省土地綜合功能分值由1990年0.1提高至2000年、2010年的0.22，0.40。土地功能受國家政策影響顯著，2000—2010年土地結構和土地利用活躍度明顯提升，土地功能呈現明顯的時間變異性。土地功能及其發展定位呈現多元化趨勢，土地利用由單一功能逐漸向多功能轉變，功能協調性在研究期間呈逐步下降。除農業生產功能有所降低外，其他的經濟生產、交通保障、社會保障、就業支撐、居住家園以及生態功能均有不同程度提升，重心由生產功能轉變為經濟生產、交通保障功能、居住家園等功能變化。在今后發展中，應進一步穩定和提高生態功能，提升糧食生產、就業支撐、社會保障是湖南省今后的土地利用方向，同時要注意功能間的協調發展。

(3)政策是土地功能變化及區域持續性的起點，可通過對政策調控進行情景模擬，利用全排列多邊形圖示指標法預測不同情境下土地功能的變化為決策者提供參考。同時，土地利用多功能評價具有尺度性，本研究僅在縱向上探析了區域土地多功能變化，可深入挖掘研究區域內部不同地區的土地功能狀況。

[1]王超.試論土地的結構與功能[J].地域研究與開發,1984(2):12-21.

[2]陳傳康.區域農業與農業經濟[J].資源科學,1979(2):64-71.

[3]甄霖,魏云潔,謝高地,等.中國土地利用多功能性動態的區域分析[J].生態學報,2010,30(24):6749-6761.

[4]Verburg P H,Van De Steeg J,Veldkamp A,et al.From land cover change to land function dynamics:a major challenge to improve land characterization[J].Journal of Environmental Management,2009,90(3):1327-1335.

[5]楊雪,談明洪.北京市耕地功能空間差異及其演變[J].地理研究,2014,33(6):1106-1118.

[6]梁小英,顧錚鳴,雷敏,等.土地功能與土地利用表征土地系統和景觀格局的差異研究:以陜西省藍田縣為例[J].自然資源學報,2014,29(7):1127-1135.[7]張曉平,朱道林,許祖學.西藏土地利用多功能性評價[J].農業工程學報,2014,30(6):185-194.

[8]宋小青,歐陽竹.中國耕地多功能管理的實踐路徑探討[J].自然資源學報,2012,27(4):540-551.

[9]Global Land Project.Science Plan and Implementation Strategy[R].Stockholm:IGBP Secretariat,2005.

[10]張紅旗,許爾琪,朱會義.中國“三生用地”分類及其空間格局[J].資源科學,2015,37(7):1332-1338.

[11]陳睿山,蔡運龍,嚴祥,等.土地系統功能及其可持續性評價[J].中國土地科學,2011,25(1):8-15.

[12]Fleskens L,Duarte F,Eicher I.A conceptual framework for the assessment of multiple functions of agro-ecosystems:A case study of Trás-os-Montes olive groves[J].Journal of Rural Studies,2009,25(1):141-155.

[13]De Groot R S,Wilson M A,Boumans R M J.A typology for the classification,description and valuation of ecosystem functions,goods and services[J].Ecological Economics,2002,41(3):393-408.

[14]劉沛,段建南,王偉,等.土地利用系統功能分類與評價體系研究[J].湖南農業大學學報:自然科學版,2010,36(1):113-118.

[15]陳婧,史培軍.土地利用功能分類探討[J].北京師范大學學報:自然科學版,2005,41(5):536-540.

[16]張潔瑕,陳佑啟,姚艷敏,等.基于土地利用功能的土地利用分區研究:以吉林省為例[J].中國農業大學學報,2008,13(3):29-35.

[17]甄霖,曹淑艷,魏云潔,等.土地空間多功能利用:理論框架及實證研究[J].資源科學,2009,31(4):544-551.

[18]郭歡歡,李波,侯鷹.基于土地功能的土地資源承載力研究:以北京市海淀區為例[J].北京師范大學學報:自然科學版,2011,47(4):424-427.

[19]吳瓊,王如松,李宏卿,等.生態城市指標體系與評價方法[J].生態學報,2005,25(8):2090-2095.

[20]周偉,曹銀貴,喬陸印.基于全排列多邊形圖示指標法的西寧市土地集約利用評價[J].中國土地科學,2012,26(4):84-90.

[21]程龍,董捷.基于全排列多邊形綜合圖示指標法的武漢城市圈土地集約利用評價[J].水土保持研究,2014,21(1):183-187.

[22]饒清華,邱宇,許麗忠,等.基于多目標決策的節能減排績效評估[J].環境科學學報,2013,33(2):617-625.

[23]王金朔,張庶.基于全排列圖示指標法的城鄉統籌發展評價:以海口市為例[J].江西農業學報,2014,26(3):139-142.

[24]程龍,董捷.基于全排列多邊形圖示指標法的城鄉建設用地增減掛鉤適宜區評價[J].農業現代化研究,2013,34(4):472-476.

Assessment on Multi-functionality of Land Use Based on the Entire-Array-Polygon Indictor Method in Hu′nan Province

ZHANG Lulu1,ZHENG Xinqi1,CAI Yumei2,LYU Yongqiang1

(1.School of Information Engineering,China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083, China; 2.China Land Surveying and Plan Institute,Beijing 100035,China)

Assessment on multi-functionality of land use is the key problem in multifunctional land use.We designed an identification system of multifunctional land use according to the productive,social and ecological factors and used the entire-array-polygon indictor method to measure the state of land use functions in 1990,2000 and 2010,as well as the change in Hu′nan Province.The results show that: (1)the entire-array-polygon indictor method has advantages in multifunctional land use assessment,which takes various factors into account and reduces the influence of subjective factors,so the entire-array-polygon indictor method improves the objectivity and scientificity of multifunctional land use assessment; (2)the total function of land use had dynamic change and had improved from 0.1 in 1990 to 0.22 in 2000 and 0.40 in 2010,the center of land use turned from agriculture production function in the former period to economic production and life function (LEF)in the latter period,and there was a gradually decrease in 20 years; (3)during the study period,except function decrease of food production,the economy production,transportation security,social security,employment security,residential function as well as ecological function were increasing on different degrees.It is suggested to stabilize and improve the ecological function,improve the food production function,employment security,social security,and promote coordinated development of the functions.

multifunctional land use; indicator system; entire-array-polygon indictor method; Hu′nan Province

2015-09-16

2015-10-10

國土資源部公益行業科研專項經費項目“基于‘生命共同體’的京津冀土地用途管制政策模擬仿真技術”(201511010-7)

張路路(1985—),男,河南博愛人,博士研究生,研究方向為土地信息技術與應用、空間規劃。E-mail:luluzhang@cugb.edu.cn

鄭新奇(1963—),男,河南伊川人,教授,博士生導師,主要從事空間分析與建模、空間規劃輔助決策技術、GIS開發與應用和土地評價與規劃研究。E-mail:zhengxq@cugb.edu.cn

F301

A

1005-3409(2016)05-0298-06