基于改進白化權函數的資源型城市土地利用系統健康灰色聚類評價

劉兆軍, 高翔群

(1.東北農業大學 文法學院, 黑龍江 哈爾濱 150030; 2.東北農業大學 資源與環境學院, 黑龍江 哈爾濱 150030)

基于改進白化權函數的資源型城市土地利用系統健康灰色聚類評價

劉兆軍1, 高翔群2

(1.東北農業大學 文法學院, 黑龍江 哈爾濱 150030; 2.東北農業大學 資源與環境學院, 黑龍江 哈爾濱 150030)

[目的] 對資源型城市土地利用系統進行健康評價，為資源型城市協調土地利用，推進社會經濟穩定發展提供借鑒。 [方法] 運用的中心點混合白化權函數的灰色聚類模型，從系統的結構、功能、效益三方面構建評價指標體系，分析黑龍江省大慶市2005—2014年土地利用系統健康水平及趨勢。 [結果] (1) 大慶市土地利用系統健康水平逐步由“不健康”向“較健康”演變。(2) 建設用地比例、人均水資源量、地均石油工業產值、土地市場化程度等成為制約大慶市土地利用系統健康水平提升的關鍵因素。 [結論] 混合中心點白化權函數的灰色聚類模型為土地利用系統健康評價提供新的評價標準，克服單指標評價與綜合結果的不相容性，適用于土地利用系統健康評價。大慶市應進一步挖掘建設用地利用潛力，優化土地利用布局，積極涵養水源，深化土地市場改革，不斷提升土地利用系統健康水平。

灰色聚類; 土地利用系統; 健康評價; 大慶市

文獻參數： 劉兆軍, 高翔群.基于改進白化權函數的資源型城市土地利用系統健康灰色聚類評價[J].水土保持通報，2017,37(2)：183-187.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.028； Liu Zhaojun, Gao Xiangqun. Health Assessment of Land Use System on Resource-typed City Based on Grey Clustering Model[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：183-187.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.028

土地為人類供應物質基礎，也是一切社會經濟活動的載體[1]。土地利用系統集中體現了人與自然、環境的交互作用[2]。隨著城鎮化、工業化進程的推進，土地利用程度亦不斷擴張。重經濟輕保護的土地利用方式更易引發土地鹽堿化、草原退化、酸雨等一系列生態問題，危害土地利用系統健康[3-5]。評價土地利用系統健康水平是制定健康維護措施的基礎，對改善研究區土地利用系統的結構，協調社會經濟和生態效益之間的關系具有重要意義。土地利用系統健康的評價源于Aldo Leopold[6]對“土地健康”概念的提出。眾多學者從不同角度予以研究。從評價指標體系的角度，主要集中于“環境+社會+經濟”評價體系[7-8]、系統的“結構+功能+效益”評價體系[2,9-10]、“壓力—狀態—響應”(PSR)評價體系[11-15]等。從研究尺度的角度，涵蓋全國[12]、省[13]、地區[9]、市[16]、縣[15]、城市土地[14]、農村土地[17]等。從研究方法的角度，多采用綜合評價法[11]、集對分析法[12]、物元模型[13]、三角模型[10,16]、改進Topsis模型[15]等,以上成果為進一步推進土地利用系統健康評價的研究提供多方面指導。但上述研究也存在不足：(1) 以往研究方法運用的評價標準或是將0～1硬性均等分，主觀性較強，或是將指標的取值范圍劃分為具有明確邊界的幾個連續區間，而對區間的邊界的界定相對困難。(2) 評價的研究對象多側重于生態敏感地區，對大慶這類資源型城市關注較少。鑒于此，本研究運用中心點混合白化權函數的灰色聚類法，從土地利用的結構、功能、效益3方面選取26個指標對大慶市2005—2014年的土地利用系統健康水平進行研究。該研究方法以落在不同灰類的可比數據的平均值為評判標準，省去對各個等級邊界取值的反復推敲，從而保證對評價標準的把握更為準確。大慶市目前處于經濟轉型的“攻堅期”，面臨土地利用結構調整和改善生態環境的雙重壓力，正是土地利用系統變化劇烈的時期，對該區域進行研究可為資源型城市協調土地利用，推進社會經濟穩定發展提供一定借鑒。

1 研究區概況和數據來源

1.1 研究區概況

大慶地處黑龍江省西南部，松嫩平原西部。現轄5區4縣，是以石油、石化為支柱產業的工業型城市。2014年大慶市國民生產總值4 070.5億元，是2005年的2.86倍。在國務院2013年印發的《全國資源型城市可持續發展規劃(2013—2020年)》中，大慶市被界定為成熟型資源型城市。然而，大慶油田自開發至今已50 a余，油田減產、油價下跌使當今的大慶面臨經濟轉型，2005—2014年，油與非油經濟比由69%降至44%。國家2004年確定哈大齊工業走廊建設決策，大慶區規劃區占據哈大齊工業走廊總面積的40%，需要投入大量建設用地。特殊的資源背景和頻繁的經濟活動為土地利用系統帶來深刻復雜的變化。

1.2 數據來源

數據主要源于《黑龍江省統計年鑒(2006—2015年)》《大慶市統計年鑒(2006—2015年)》《中國國土資源年鑒(2006—2015年)》《中國城市統計年鑒(2006—2015年)》以及大慶各政府部門的統計資料，部分指標數據是經過原始數據計算所得。

2 研究方法

2.1 基于中心點混合白化權函數的灰色聚類法

中心點混合白化權函數的灰色聚類模型將指標當作一種模糊因子,以最屬于某一灰類的值——中心點為該灰類的標準，通過計算評價對象關于中心點的隸屬程度來判定該對象的優劣[19]。該模型是劉思峰經端點三角白化權函數的灰色聚類模型→中心點三角白化權函數的灰色聚類模型→中心點混合白化權函數的灰色聚類模型逐步改進而來。中心點三角白化權函數灰色聚類模型克服了灰類交叉、同指標各灰類聚類系數和不等于1等問題，中心點混合白化權函數灰色聚類模型為處于兩端灰類的指標值定義上、下限測度白化權函數，免去將各指標取值區間左右延拓的困擾[19-20]，目前該模型趨于完善。

2.2 評價指標體系的構建

結合大慶市實際情況，依照數據可獲取性和可比性等原則，參考蔡為民等[9-11]學者的研究成果，從土地利用系統結構、功能和效益3方面選取26個指標構建土地利用系統健康評價指標體系(表1)。

2.3 指標取值范圍、轉折點、中心點的確定

將各指標取值范圍[aj,bj]劃分為5個灰類：Ⅰ健康、Ⅱ較健康、Ⅲ臨界狀態、Ⅳ不健康、Ⅴ病態，確定各指標“病態”、“健康”灰類的轉折點λ1，λ5和“不健康”、“臨界狀態”、“較健康”灰類中心點λ2，λ3，λ4，取值范圍、轉折點、中心點的確定參考行業或國際標準、政府相關文件[21]、全國、省域、資源型城市平均水平及大慶市本底值等，具體數值詳見表2。

表1 大慶市土地利用系統健康評價指標體系

表2 各指標取值范圍及其轉折點、中心點

3 結果與分析

將待評價對象輸入中心點混合白化權函數的灰色聚類評價模型，以2005年降水量指標X1為例，將X1=571.1代入公式(1)—(3)，可得X1對應灰度1—5的隸屬度分別為0，0，0，0.34，0.66，故2005年降水量指標X1屬Ⅰ灰類。依次求取歷年各指標健康水平(表3)。將2005年各指標對應各灰類隸屬度分別與相對應權重相乘，可得2005年土地利用系統對應灰度1—5的聚類系數綜合隸屬度分別為0.183 4，0.286 2，0.184 0，0.239 3，0.107 1,其中最大分量為0.286 2。因此2005年大慶市土地利用系統健康處于Ⅳ灰類。按此方法求取土地利用系統結構、功能、效益和綜合健康水平(表4)。

表3 大慶市2005-2014年土地利用系統健康單指標的健康等級

(1) 綜合來看，2005—2014年大慶市土地利用系統健康的綜合 值灰色聚類系數最大分量分別為0.355 8，0.298 1，0.323 8，0.514 0，0.413 5，0.435 4，0.384 2，0.451 9，0.520 7，0.573 0。依據灰類的劃分，2005—2006年大慶市土地利用系統綜合健康水平屬“不健康”灰類，2007—2011年處于臨界狀態，2012—2014年屬“較健康”灰類。土地利用系統健康水平在10 a間穩步提升，這主要源于大慶市10 a來加快實施產業結構調整，建立環境友好型城市取得積極成效。

(2) 從目標層來看，結構性指數經歷2011年降至“臨界狀態”及2014年升至“較健康”狀態兩次變化，從單項指標來看，主要是由于建設用地比例(X6)和降水量(X1)的健康水平變化造成的。建設用地比例(X6)在2011年降至臨界狀態，大慶市中心城區以及哈大齊工業走廊建設投入大量建設用地，而農村居民點用地布局松散，造成土地浪費。在氣候指數中，降水量(X1)呈現出較明顯波動，該指標在2012年后的增長對土地利用結構健康水平的增長起推動作用。功能性指數逐步由“不健康”狀態提升為“較健康”狀態。其中，單位耕地農機總動力(X7)、肥料偏生產力(X8)、有效灌溉面積比(X9)對功能性指數等級提升貢獻較大。2014年大慶市農業機械總動力達3.25×106kW，大力推廣的玉米膜下滴灌技術達到節水、提高肥料利用率的目的。與此同時，大慶市2012年起開始實施“節水增糧行動”計劃，僅一年新建旱田高效率節水灌溉工程2 519處、灌溉4.17×104hm2耕地，糧食收成多寡不再只“看天”。3項農業類指標的改善表明土地的農作物產出能力增強。效益性指數在10 a年間經歷了Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ這3個灰類，呈波動性增長態勢，土地利用的社會、經濟、生態效應均顯著提升。大慶市致力于建設現代農業示范區，糧食產量、農民收入持續穩步增加。

城鄉基礎設施建設成效顯著，綜合道路交通運輸體系基本形成。積極節約資源能源，排放的污染物得以有效清理，生態環境不斷改善。

(3) 大慶市2014年人均水資源量(X12)、地均石油工業產值(X16)健康水平仍未達到“較健康”水平。大慶市水源涵養能力不足，水資源供給嚴重依來從外部引入嫩江以及開發區的地下水，用水安全無法保障。地均石油工業產值(X16)出現下降趨勢，說明石油產業不再對城市建設產生強勢的帶動作用。土地市場化水平(X22)的變化在10 a間并未呈現出明顯的規律，但其健康水平大多低于“臨界狀態”。大慶市土地按需供應現象較為嚴重，且大多以協議方式出讓，市場狀態較為低迷。

表4 大慶市2005-2014年土地利用系統綜合隸屬度及健康水平

4 結 論

(1) 建設用地面積比例(X6)、人均水資源量(X12)、地均石油工業產值(X16)、土地市場化程度(X22)成為大慶市土地利用系統健康水平提升的主要制約因素。未來幾年，為提升土地利用系統的健康水平、積極應對經濟結構的戰略性調整，大慶市加快發展接替產業以彌補大慶石油工業產值疲軟的情況下，應進一步挖掘建設用地利用潛力、積極整理農村宅基地；降低石油產業對土地資源的消耗，不斷優化用地布局；加強供水工程建設并大量種植林木以涵養水源；不斷深化改革土地市場、優化土地配置、鼓勵多種土地出讓方式。

(2) 混合中心點白化權函數的灰色聚類法通過識別指標對應各灰類的隸屬程度而作出等級判定，該方法為土地利用系統健康評價提供新的評價標準，克服單指標評價與綜合結果的不相容性，為土地利用系統健康評價提供新的研究思路。

(3) 目前通過劃分區間來制定評價標準的方法較多，而選取代表各等級的標準值的研究相對較少，因此文中中心點、轉折點選取的準確性有待進一步研究驗證。

[1] 朱天明,楊桂山,蘇偉忠,等.長三角地區城市土地集約利用與經濟社會發展協調評價[J].資源科學,2009,31(7):1109-1116.

[2] 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.

[3] 李燦,張鳳榮,朱泰峰,等.基于熵權TOPSIS模型的土地利用績效評價及關聯分析[J].農業工程學報,2013,29(5):217-227.

[4] 黃輝玲,羅文斌,吳次芳,等.基于物元分析的土地生態安全評價[J].農業工程學報,2010,26(3):316-322.

[5] 王鵬,況福民,鄧育武,等.基于主成分分析的衡陽市土地生態安全評價[J].經濟地理,2015,35(1):168-172.

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

[7] 陳美球,劉桃菊.土地健康與土地資源可持續利用[J].中國人口·資源與環境,2003,13(4):64-67.

[8] 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.

[9] 王玉芳.長株潭地區土地利用系統健康評價研究[D].湖南 長沙:湖南師范大學,2006.

[10] 姚嵐,吳次芳,呂添貴,等.基于三角模型的喀斯特地區土地利用系統健康評價[J].農業工程學報,2015,31(14):246-254.

[11] 郭杰,吳斌.土地利用系統健康評價[J].中國土地科學,2011,25(4):71-77,96.

[12] 張銳,鄭華偉,劉友兆.基于壓力—狀態—響應模型與集對分析的土地利用系統健康評價[J].水土保持通報,2014,34(5):146-152.

[13] 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.

[14] 張悅,宋戈.城市土地利用系統健康評價:以哈爾濱市為例[J].城市問題,2013(12):26-31.

[15] 洪惠坤,廖和平,魏朝富,等.基于改進TOPSIS方法的三峽庫區生態敏感區土地利用系統健康評價[J].生態學報,2015,35(24):8016-8027.

[16] 張小虎,趙素霞,郭增長,等.煤炭資源枯竭型城市土地利用系統健康評價:以焦作市為例[J].農業現代化研究,2013,34(3):343-347.

[17] 王菲.基于物元分析法的農村土地健康評價[D].湖北 武漢:華中農業大學,2012.

[18] 許實,王慶日,譚永忠,等.中國土地市場化程度的時空差異特征研究[J].中國土地科學,2012,26(12):27-34.

[19] 劉思峰,方志耕,楊英杰.兩階段灰色綜合測度決策模型與三角白化權函數的改進[J].控制與決策,2014,29(7):1232-1238.

[20] 劉思峰,謝乃明.基于改進三角白化權函數的灰評估新方法[J].系統工程學報,2011,26(2):244-250.

[21] 大慶市國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要[OL].(2011-10-15)[2016-04-20]. http:∥www. daqing. gov. cn/zfgw/szfwj/212058. shtml.

Health Assessment of Land Use System on Resource-typed City Based on Grey Clustering Model

LIU Zhaojun1, GAO Xiangqun2

(1.CollegeofHumanitiesandLaw，NortheastAgricultureUniversity，Harbin，Heilongjiang150030,China; 2.CollegeofResourcesandEnvironmental,NortheastAgricultureUniversity,Harbin,Heilongjiang150030,China)

[Objective] Health of land use system on resource-typed city was assessed to provide reference to coordinate land use and promote social and economic development. [Methods] The center of the mixed whitenization weight function of grey clustering model was used to build evaluation index system from the structure, function and efficiency. Upon that health condition and trend of land use system in Daqing City of Heilongjiang Province from 2005 to 2014 were analyzed. [Results] (1) Health level of land use system in Daqing City evolved gradually from “unhealthy” to “healthier”. (2) The proportion of construction land, the amount of per capita water resources, the average industrial output value of land, the degree of land marketization were the key factors restricting the health of land use system in Daqing City. [Conclusion] Grey clustering model plus center whiten function provided new evaluation criteria for land use system health assessment. This consolidated method exhibited good compatibility than the one of single index with regard to land use system health assessment. Some aspects are needed to be paid attention for Daqing City: to broaden the potential of construction land utilization, to optimize the land use layout, to actively conserve water resources, to enhance the reform of land market, and to continuously improve the health of land use system.

gray clustering; land use system; health assessment; Daqing City

2016-08-31

2016-10-24

國家社會科學基金項目“農民土地財產權利有效實現的法制保障研究”(10CFX046); 黑龍江省博士后科研啟動項目(LBH-Q12158)

劉兆軍(1979—),男(漢族),山東省招遠市人,博士,副教授，主要從事土地利用、土地制度研究。E-mail:lzj_79@163.com。

B

1000-288X(2017)02-0183-05

F301.24