基于灰色關聯模型的吉林省土地利用系統健康診斷*

劉寶濤，郄瑞卿，王冬艷，劉惠清

(1.吉林農業大學經濟管理學院，長春 130118； 2.吉林大學地球科學學院，長春 130061；3.東北師范大學地理科學學院，吉林長春 130024)

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·技術方法·

基于灰色關聯模型的吉林省土地利用系統健康診斷*

劉寶濤1， 2，郄瑞卿1※，王冬艷2，劉惠清3

(1.吉林農業大學經濟管理學院，長春 130118； 2.吉林大學地球科學學院，長春 130061；3.東北師范大學地理科學學院，吉林長春 130024)

研究目的：以土地利用系統“結構—功能—效益”為理論框架，初次建立土地利用系統健康診斷的灰色關聯模型，以吉林省9地市(州)為例開展實證研究，定量診斷其土地利用系統健康狀況。研究結果：(1)吉林省9地市(州)土地利用系統綜合健康指數處于0.7290～0.8809之間，中、東部地區整體優于西部地區。(2)中、東部地區中，長春市、吉林市、通化市、延邊州的系統綜合健康狀況為V級健康水平，遼源市、白山市為Ⅳ級亞健康水平。其中，遼源市的系統功能、效益健康指數偏低，白山市的系統結構、效益健康指數偏低。(3)西部地區的系統綜合健康狀況均為Ⅳ級亞健康水平。其中，四平市、松原市的系統功能健康指數偏低，白城市的系統功能、效益健康指數偏低。(4)為改善研究區土地利用系統健康狀況，提出優化土地資源配置提高經濟發展基礎保障水平，充分結合區域資源優勢構建土地利用系統的綠色生態經濟體系，建立土地利用系統健康預警系統。該研究可為吉林省人地系統有序化和可持續發展提供理論和實踐參考。

土地利用 灰色關聯 系統 土地健康 熵權

0 引言

隨著人地矛盾日益突出，以及社會經濟可持續發展戰略的實施，實現土地資源永續利用成為社會關注的熱點，土地利用系統健康是隨之興起的重點研究內容之一[1]。土地利用系統是以土地利用為基礎的自然生態—社會經濟復合系統，集中體現區域人口增長、經濟發展與資源短缺的尖銳矛盾[2]。因此，開展土地利用系統健康評價研究，對于加強生態文明建設，促進社會經濟可持續發展具有重要意義。

20世紀40年代，Aldo Leopoid首次提出的土地健康(land health)概念，并以“land sickness”描述土地生態系統功能的紊亂(Dysfunction)[3]。20世紀80年代，加拿大政府開展了全國土壤質量調查，進行“土壤健康”項目研究[4]。國內學者也對土地健康研究進行了探索，但成果較少，其后人們借鑒“土地健康”、“生態系統健康”和“土地生態系統健康”的概念，提出了“土地利用系統健康”[5、6]，并開展了大量研究，主要特點： (1)研究內容綜合化。不僅包括土地利用系統健康的基礎理論，還包括評價體系構建、指標甄選、障礙因素診斷[7-10]。(2)研究方法多樣化。逐漸從定性分析轉向定量分析，土地健康位理論、PSR模型、集對分析模型、模糊綜合評判法、物元分析法、三角模型、TOPSIS方法、尋蹤投影模型等被應用在土地利用系統健康評價中[11-17]。(3)研究對象多元化?；谛姓^域等級，基本涵蓋了全國、省、市、縣、鄉村等級的研究； 基于地類，基本涵蓋了城市用地、農用地(耕地)的研究[18-22]。但當前研究仍有諸多不足。首先，土地利用系統作為一個自然生態—社會經濟復合系統，現有文獻關于評價指標的選取盡管已兼顧社會、經濟、生態等綜合效益，但是對于系統的結構和功能方面有所欠缺； 其次，對于土地利用系統健康評價的實證區域選擇較為單一，缺乏區域差別化的分析比較研究。

鑒于此，該研究以土地利用系統“結構—功能—效益”為理論框架，初次建立土地利用系統健康診斷的灰色關聯模型，以2012年吉林省中、東、西部9地市(州)為例開展實證研究，定量診斷其土地利用系統健康狀況，為吉林省人地系統有序化和可持續發展提供理論和實踐參考。

圖1 吉林省9地市(州)地理位置

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

吉林省位于中國東北中部，介于E121°38′～131°19′，N40°52′～46°18′，總面積18.74萬km2。下轄1個副省級城市、7個地級市和1個延邊朝鮮族自治州[23]。其中，東部地區包括通化市、白山市、延邊州，中部地區包括長春市、吉林市、遼源市，西部地區包括松原市、白城市、四平市*注：該研究以吉林省9地市(州)為基本評價單元，土地利用系統是一個自然生態—社會經濟復合系統，對于東、中、西部地區的劃分，不能單純依據自然地理特征，而是依據地級市行政單元劃定，同時參考文獻[23]。。

吉林省地貌形態差異顯著，東南高、西北低。吉林省中部以大黑山西麓為界，東部為長白山地、低山丘陵，自然植被以森林為主； 西部為松遼平原腹地，以森林草原、草原為主。吉林省內河流分布不均，東部多，西部較少。吉林省氣候差異顯著，東部氣候濕潤多雨，屬溫帶季風氣候； 西部氣候干燥，屬于典型大陸性氣候。吉林省中部黑土肥沃，具備發展高效、綠色、優質農業的條件。吉林省東部是中國六大林區之一，森林覆蓋率較高。吉林省西部是中國八大牧區之一，草地資源豐富，是發展畜牧業的重要基地。2012年，吉林省GDP達到12981.46億元，三次產業比重為11.6： 52.8： 35.6，經濟結構優化明顯。

吉林省9地市(州)中，各地區自然環境、資源稟賦、城市發展、經濟基礎等方面差異顯著，在未來新型城鎮化規劃引導下，城鄉空間形態優化重構，同時帶動吉林省都市群城鎮區、農業主產區、生態功能主導區功能互補、共生發展，引導人口分布與經濟基礎、資源環境相協調發展。

1.2 數據來源

數據主要來源于《中國統計年鑒(2013)》、《中國城市統計年鑒(2013)》、《中國區域經濟統計年鑒(2013)》、《吉林統計年鑒(2013)》、2012年吉林省國民經濟與社會發展統計公報、水資源公報、環境狀況公報、9地市(州)的統計年鑒、城鎮土地利用變更調查數據、其他相關部門的統計資料和實地調查資料，評價所使用數據由原始數據計算處理得到。

2 評價方法

2.1 土地利用系統健康評價體系構建

國際上目前對于土地利用健康評價的指標體系的指標構建尚無統一標準，當前研究多采用“壓力—狀態—響應”(Pressure-State-Response)評價體系，但土地利用系統作為一個自然生態—社會經濟復合系統，評價其健康狀態，首先要明確系統自身是否健康； 其次要看系統被利用后是否產生了對人類有益的效果。因此，文章引入蔡為民等提出的“結構—功能—效益”框架體系[2、8、17]，結合吉林省實際，構建土地利用系統健康評價體系(表1)。

表1 吉林省土地利用系統健康評價體系

2.2 評價指標基準值確定

目前基準值設置主要源于國際、國家規定標準，典型地區類比標準等[24、25]。該研究中，基準值優先采用全國平均水平(全國均值)，主要來源于《中國統計年鑒(2013)》、《中國城市統計年鑒(2013)》等； 其次，選取全國31個主要城市的平均水平(31城市均值)，主要來源于《中國統計年鑒(2013)》等； 第三，結合研究區本地背景值(全省均值)，主要來源于《吉林統計年鑒(2013)》、2012年的吉林省9地市(州)的國民經濟與社會發展統計公報、統計年鑒等(表3)。

2.3 評價指標權重確定

2.3.1 數據無量綱化

熵權法是通過評價指標提供的信息量大小來計算綜合指標，指標權重由評價指標構成的判斷矩陣來確定[26]。由于評價體系存在正向和逆向指標，需對樣本矩陣進行無量綱化處理。假定研究區有m個評價對象包括了n個評價指標，定義X為土地利用系統健康樣本矩陣，表達為：

X={Xij}m×n(0≤i≤m， 0≤j≤n)

(1)

(2)

(3)

式中，minxj和maxxj表示第j個指標下各評價樣本的最小值和最大值。矩陣X轉化為矩陣Y，計算方法如下：

Y=(yij)m×n(其中，yij∈[0， 1])

(4)

2.3.2 熵權法

在信息論中，熵值越大，表示評價指標的值相差越小，則該指標的權重較?。?反之，某項指標的值相差較大時，則熵值較小，該指標的權重較大[24]。矩陣Y中，j指標下第i評價對象的指標值的比重為fij，計算方法為[24]：

(5)

Hj為第j項指標的熵值，計算方法為[24]：

(6)

計算第j個指標的熵權Wj，計算方法為[24]：

(7)

2.4 灰色關聯評價模型

土地利用系統受區域資源、環境、社會、經濟等諸多不確定因素的影響，該系統可視為一個灰色系統，因此運用灰色系統理論[27]，建立吉林省9地市(州)的土地利用系統健康評價灰色關聯模型。

2.4.1 評價指標數據標準化

Xj為第j個評價指標值，即公式(1)中第j列的樣本屬性值； Sj為該指標的基準值； Pj為第j個評價指標標準化后數值。

正向指標：當Xj〉Sj時，Pj=1； 當Xj〈Sj時，Pj=Xj/Sj

(8)

負向指標：當Xj〈Sj時，Pj=1； 當Xj〉Sj時，Pj=Sj/Xj

(9)

每個指標都存在一個土地利用系統健康的基準值，正向指標實際值大于基準值時，該指標為安全； 逆向指標實際值小于基準值時，該指標為安全。

基準值標準化后記為G=(g1，g2，...g30)，即gj=sj/sj=1，土地利用系統健康級別為優。

2.4.2 計算關聯系數

計算第j個評價指標Pj與土地利用系統健康標準序列G的關聯系數ξi(Pj，G)，計算方法為[27]：

(10)

2.4.3 計算土地利用系統健康指數

關聯度的大小能夠反映區域土地利用系統健康狀況等級的優劣，即評價對象i的土地利用系統健康指數。計算標準序列G與第i個評價對象的關聯度R，計算方法為[27]：

(11)

3 結果與分析

據上文所述，測算2012年吉林省9地市(州)土地利用系統健康指標值與基準值之間的關聯度，即土地利用系統指標健康指數(表2)，將其匯總即得2012年吉林省9地市(州)土地利用系統健康綜合指數。同理，得到各地區系統結構健康指數、功能健康指數、效益健康指數(表3)。

該研究在借鑒國內外生態系統健康等級劃分的基礎上[26、28-29]，重點參考國內學者在土地利用系統健康評價研究中的等級劃分標準[9、18-20、30]，同時結合該研究結果以及基準值選取的3個主要來源，咨詢有關方面的專家，確定吉林省土地利用系統健康分級標準(表4)。

表2 吉林省9地市(州)土地利用系統指標健康指數

3.1 系統結構健康狀況

吉林省9地市(州)系統結構健康指數處在0.7199～0.8795之間，為V級健康水平和Ⅳ級亞健康水平(表3、圖2)。其中，長春市、白山市、延邊州為Ⅳ級亞健康水平，究其原因，氣候因素是制約吉林省各地區系統結構指數的普遍因素，其中年平均氣溫和年降水量明顯偏低； 白山市、延邊州的土地利用結構指數較低，主要由于土地墾殖率和城鎮建設用地比例明顯低于全國平均水平； 長春市、白山市、延邊州的社會經濟指數較低，主要由于其第一產業產值明顯低于全國平均水平。其他地區為V級健康水平，相比而言，其系統結構健康狀況較為理想。

3.2 系統功能健康狀況

吉林省9地市(州)系統功能健康指數處于0.5423～0.9528之間，為V級健康水平、Ⅳ級亞健康水平、Ⅲ級臨界狀態(表3、圖2)。其中，吉林市、通化市、白山市、延邊州為V級健康水平，究其原因，該地區活力指數和穩定性指數較高，主要由于該地區水熱條件優越，地表水資源豐富，人均水資源量較高，人均耕地面積較多，有效灌溉面積比重較大，糧食增長率高。長春市、遼源市、白城市為Ⅳ級亞健康水平，究其原因，該地區穩定性指數偏低，主要由于該地區地表水資源匱乏，人均水資源占有量明顯偏低，制約了該地區有效灌溉耕地面積，影響其糧食產量。四平市、松原市為Ⅲ級臨界狀態，究其原因，該地區為吉林西部生態脆弱區，水熱條件不足，地表水資源匱乏，人均水資源占有量偏低，人均耕地面積少，直接制約該地區農業灌溉和糧食增產，影響區域土地利用系統功能的有效發揮。

表3 吉林省9地市(州)土地利用系統健康綜合指數

表4 土地利用系統健康分級標準

表5 吉林省9地市(州)土地利用系統健康綜合等級

圖2 研究區土地利用系統健康狀況

3.3 系統效益健康狀況

吉林省9地市(州)系統效益健康指數處于0.6832～0.9773之間，為V級健康水平、Ⅳ級亞健康水平(表3、圖2)。其中，遼源市、白山市、白城市、延邊州為Ⅳ級亞健康水平，究其原因，主要由于該地區社會效益偏低，主要由于該地區城鄉就業水平較低，城市交通設施建設力度有待提升，人均城市道路面積明顯低于全國平均水平； 其次該地區經濟效益較低，農業生產限制因素較多，區域糧食產量偏低，地均GDP明顯低于540.5647萬元/km2的全國平均水平，城鎮居民人均可支配收入低于2.46萬元的全國平均水平。其他地區為V級健康水平，相比而言，該地區農業生產穩定，城鄉就業形勢理想，城鄉收入高于全國平均水平，另外在城市市政設施完善，城市綠化建設，環境保護等方面表現較好，使該地區土地利用系統效益穩定提升。

3.4 綜合健康狀況

吉林省9地市(州)土地利用系統綜合健康指數處于0.7290～0.8809之間，為V級健康水平、Ⅳ級亞健康水平(表3、圖2)。其中，長春市、吉林市、通化市、延邊州為V級健康水平，究其原因，總體來看，該地區屬于吉林省中、東部地區，該地區氣候條件優越，水熱資源豐富，中部黑土資源肥沃，東部林地資源密集，且各地區社會經濟發展水平較高，在城鎮化建設，產業優化升級，生態保護、環境污染防治等方面投入很大，使該地區土地利用系統健康指數處于V級健康水平，向可持續利用的方向發展。四平市、遼源市、白山市、松原市、白城市為Ⅳ級亞健康水平，主要分布于吉林省西部地區，該地區屬半干旱農牧交錯區，土壤貧瘠，氣候干旱，降水量少，風沙大，植被覆蓋多以草原為主，目前破壞嚴重，沙化土地面積32萬hm2，鹽堿地面積60.2萬hm2，退化草場面積60萬hm2，西部地區生態環境極度惡化，同時并有向東發展的趨勢，嚴重影響該地區社會經濟的可持續發展，制約著區域土地利用系統健康狀況。

總體來看，吉林省9地市(州)土地利用系統綜合健康狀況較為理想，且中、東部地區優于西部地區，與吉林省實際情況基本吻合。隨著吉林省新型城鎮化推進，由于中東西區域自然環境、資源享賦、城市布局和經濟基礎的顯著差異，各地區土地利用系統的結構、功能、效益勢必發生顯著變化，有必要全面、深入研究各地區土地利用系統健康狀況，有效提升土地利用系統健康水平，實現各地區城鎮化空間形態優化布局，合理引導人口分布與經濟基礎、資源環境互動協調發展。

4 結論與建議

4.1 結論

該研究以土地利用系統“結構—功能—效益”為理論框架，初次建立土地利用系統健康診斷的灰色關聯模型，以吉林省9地市(州)為例開展實證研究，定量診斷其土地利用系統健康狀況。熵權法與灰色關聯模型相結合診斷土地利用系統健康狀況尚屬嘗試，熵權法相對于其他方法更加客觀，避免了人為干擾，該研究方法行之有效，研究結果符合研究區實際，可為吉林省人地關系系統有序化和可持續發展提供理論和實踐參考。

診斷結果顯示，吉林省9地市(州)土地利用系統綜合健康指數處于0.7290～0.8809之間，為V級健康水平、Ⅳ級亞健康水平，且中、東部地區整體優于西部地區。

中、東部地區中，長春市、吉林市、通化市、延邊市土地利用系統綜合健康狀況為V級健康水平，遼源市、白山市為Ⅳ級亞健康水平。其中，遼源市土地利用系統的功能、效益健康指數偏低，白山市土地利用系統的結構、效益健康指數偏低。

西部地區3個地市的土地利用系統綜合健康狀況均為Ⅳ級亞健康水平。其中，四平市、松原市土地利用系統的功能健康指數偏低，白城市土地利用系統的功能、效益健康指數偏低。

4.2 建議

該文初次建立了土地利用系統健康診斷的灰色關聯模型，以吉林省9地市(州)為例開展實證研究，其研究結果與吉林省實際情況基本吻合，據此提出改善吉林省土地利用系統健康水平的具體建議。

(1)引導土地資源優化配置，提高經濟發展基礎保障水平。吉林省是我國重要的糧食主產區、畜牧業區、林業區，部分地區經濟發展較為滯后，土地開發利用程度較低，因此對其土地資源進行優化配置是促進土地利用系統健康、良性發展的重要措施。具體說來，需要對土地數量結構優化、土地利用時間組織優化、土地利用空間布局優化和土地利用效益優化[19]。

(2)充分利用各地區自然資源優勢，構建土地利用系統的綠色生態經濟體系。土地利用系統健康的評判標準之一即為土地利用系統效益，未來各地區社會經濟的可持續發展得益于土地利用的經濟效益、社會效益、同時更要確保其生態效益，通過充分發揮區域資源優勢，緩解資源約束和環境壓力。吉林省自然資源豐富，發展符合區域特色的綠色生態經濟是實現各地區土地可持續利用、生態環境保護、經濟快速發展的理性選擇。在農業生產方面，穩步推進產業結構調整，結合各地水土氣候特點，推廣高技術、生態技術的農業產業，鼓勵土地合法流轉，引導農業集約化、規?；洜I，積極推進土地綜合整治項目，提高農業基礎設施水平，為生態農業創造良好的外部條件。同時，充分利用各地區獨特的旅游資源，開發生態旅游區，打造吉林省“生態旅游”品牌。

(3)建立土地利用系統健康預警系統。土地利用系統健康診斷應當趁早、及時，充分應用3S技術，提高其診斷監測的速度和精度，實時監控土地利用系統健康狀況，收集相關信息，以便及時采取相應措施，避免土地利用系統受到不健康因素的威脅。

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HEALTH DIAGNOSIS ON LAND USE SYSTEM BASED ON GREY CORRELATION MODEL*——A CASE STUDY OF JILIN PROVINCE

Liu Baotao1，2，Qie Ruiqing1※，Wang Dongyan2，Liu Huiqing3

(1.College of Economics and Management，Jilin Agricultural University，Changchun 130118，China；2.College of Earth Science，Jilin University，Changchun 130061，China；3.A School of Geographical Sciences，Northeast Normal University，Changchun,Jiling 130024，China)

Based on the theoretical framework of "Structure - Function - Benefit"of the land-use systems, this paper initially established the Grey Relational Model for land use system health diagnosis, and quantitatively assessed the land use system health in 9 cities of Jilin province. The results showed that: (1) the integrated health index of land use system in Jilin was between 0.729 0-0.880 9, which was better in central and eastern regions.(2) In the central and eastern regions, the health grades of Changchun, Jilin, Tonghua, and Yanbian were V, but Liaoyuan and Baishan were in sub-health level withgrade IV. (3)Western Regions were all in sub-health level.(4) In order to improve the land use system health, it put forward some countermeasures, including optimizing the allocation of land resources to raise the level of economic development and infrastructure assurance, building land utilization system of green ecological economic system combined with the regional resources superiority, and establishing early warning system of land use system health. This study could provide theoretical and practical reference for the orderlyand sustainable development in Jilin province.

land use；gray correlation；systems；land health；entropy weight

10.7621/cjarrp.1005-9121.20161002

2016-04-08

劉寶濤(1987—)，男，山東濟南人，博士研究生、講師。研究方向：土地利用與管理。

※通訊作者：郄瑞卿(1972—)，男，內蒙古察右中旗人，副教授。研究方向：GIS應用與土地規劃。Email：qieruiqing@126.com

*資助項目：國家自然科學基金項目資助“沈陽經濟區緊湊空間形成機制與格局研究” (41201158);吉林省科技發展計劃項目“吉林省農地非農化進程中土地增值收益分配機制研究”(20150418079FG);吉林農業大學科研啟動基金項目——青年啟動基金資助“土地集約利用與區域產業結構調整研究——以吉林龍潭經濟開發區為例”(201343)

F301.24

A

1005-9121[2016]10-0009-09