基于熵權—集對分析法的烏魯木齊市土地利用系統健康評價*

馬文娟，蒲春玲，陳前利，蔣 玲，蘇麗麗，穆飛翔，劉祥鑫

(新疆農業大學管理學院，烏魯木齊 830052)

0 引言

土地利用系統是以土地資源利用為基礎的自然、經濟、社會為一體的復合性系統。土地是城市建設和發展的重要資源根基，承載著城市經濟、社會、文化等各種活動。城市化進程的快速推進、經濟社會的迅速發展，導致了土地生態環境日漸惡化、土地質量下降、土地利用率低下等一系列問題的發生，土地利用系統健康問題日益凸顯[1]。同時，以“高能耗、高污染、高排放”為典型特征的經濟發展模式也對城市土地利用系統的健康造成一定威脅。相關研究表明，土地利用與碳排放關系密切[2]，“低能耗、低排放、低污染”的低碳經濟也成為各地區經濟發展轉變的首選。因此，將低碳理念引入土地利用系統健康評價，是確保土地利用系統健康，實現自然、經濟、社會的可持續發展的重要前提。

土地健康是由自然學家Aldo Loepod[3]在20世紀40年代首次提出，認為健康的土地是指被人類占領而沒有使其功能受到破壞的狀態。Vieira[4]從土地條件變化方面建立了土地健康的評價體系，定性、定量地對土地健康進行評價。陳美球等[5]探討了土地健康的概念及機理，并從環境、社會、經濟3個方面建立土地健康評價體系。蔡為民[6]從在分析土地利用系統健康內涵的基礎上建立了土地利用系統健康評價的框架。評價模型方面，主要有綜合評價法、層次分析法、物元分析法和集對分析法等數學方法[7-12]。整體來看，國內學者研究土地利用系統健康評價的相對較多，但關于城市土地利用系統健康評價研究較少，而城市土地利用系統的健康關系著人類的生產生活以及城市的可持續發展。

基于此，研究在綜合考慮社會經濟、人類活動和資源環境等因素對城市土地利用系統作用的基礎上，結合低碳經濟這一理念，構建了基于市土地利用系統結構、系統功能和系統效益的評價指標體系，選取熵權法確定指標權重，采用集對分析方法對烏魯木齊市土地利用系統健康狀況進行評價，客觀地反映土地利用系統健康水平，以期為烏魯木齊市土地利用提供參考。

1 研究區概況及數據來源

烏魯木齊市是新疆的首府，也是“一帶一路”戰略中重要節點和絲綢之路經濟帶核心區。全市轄7區1縣，總面積1.38萬km2， 2014年末總人口266.91萬人，人口密度為194人/km2。土地利用類型中農用地以草地、林地和耕地為主，建設用地以居民點及工礦用地為主，未利用地面積較大。其中，草地78.05萬hm2，林地8.05萬hm2，耕地面積7.83萬hm2，建設用地7.51萬hm2，未利用地32.21萬hm2。社會經濟的迅速增長以及城市人口的膨脹，導致烏魯木齊市的土地利用規模和結構發生了很大的變化，生態環境也受到影響，對烏魯木齊市今后土地利用系統的健康和城市可持續發展造成一定阻礙。因此，通過評價烏魯木齊市的土地利用系統健康狀況，有利于優化城市土地利用結構、發展低碳經濟、實現城市土地利用系統的健康持續發展。

研究數據來源于《新疆統計年鑒》(2006～2015年)、《烏魯木齊市統計年鑒》(2006～2015年)和烏魯木齊市國民經濟和社會發展統計公報。

2 研究方法

2.1 集對分析模型

2.1.1 集對分析模型原理

集對分析由中國學者趙克勤[13]于1989年提出。該分析的原理是：首先根據需要研究的問題構建集對；其次對集對中兩個集合的特性進行分析，即采用聯系度對集合的同一性、差異性和對立性3者的聯系、影響與轉化進行分析；再運用到多個集合構成的集對系統進行相關研究問題分析。

給定集合A和B，設這兩個集合組成的集對為H=(A，B)。就某個具體研究問題，對集對H的特性展開分析，其中建立了兩個集合的聯系度μ表達式：

(1)

式(1)中，μ表示聯系度；N表示集對具有的特性總數；S表示集對中兩個集合共同具有的特性數；P表示兩個集合相互對立的特性數；F表示兩個集合既不共同具有也不相互對立的特性數；i表示差異度系數；i∈[-1， 1]；j表示對立度系數，且恒等于-1。

μ=a+bi+cj，且a+b+c=1

(2)

式(2)中，a、b、c分別表示兩個集合在具體研究的問題下的同一度、差異度和對立度。

根據集對方法的原理可知，聯系度具有可展性，因此可以得出：

(3)

簡寫后為：μ=a+b1i1+b2i2+…+bn-2in-2+cj

(4)

在土地利用系統健康評價過程中，研究區土地的健康程度是不確定的，而作為評價健康程度的等級標準也是不確定的。但是現有的土地利用系統健康評價指標體系以具體的數值作為分級標準是不夠客觀的，因為這樣忽視了評價指標在各層評價級別都具有同、異、反聯系的事實。因此，引入集對方法分析土地利用系統健康具有一定的客觀性。

集對方法用于土地利用系統健康評價，就是將健康評價指標和既定的健康評價標準構成1個集對[4-15]，當評價指標處于最優評價級別以上，就認為這個集對為同一性聯系，這時μ=1； 當評價指標處于最劣的評價級別以下，就認為這個集對為對立性聯系，這時μ=-1； 當評價指標處于最優和最劣評價級別范圍內，則認為集對為差異性聯系，此時μ=a+bi+cj，且μ∈(-1， 1),這也表明，處于這一范圍之間的評價指標對土地利用系統健康狀況具有不確定性。

2.1.2 確定聯系度

設評價對象為集合Am(x1，x2，…，xm)與評價指標等級標準集合Bk構成集對H(Am，Bk)，然后確定集對的聯系度μ(Am，Bk)。

(1)正向指標，k>2，S1≥S2≥…≥SK-1，μ(Am，Bk)為：

(5)

(2)反向指標，k>2，S1≤S2≤…≤SK-1，μ(Am，Bk)為：

(6)

式(5)(6)中，xm為評價指標，m=1， 2，…，M，M為評級指標個數；評價指標等級標準為Bk(k=1， 2，…，K，K為評價等級值。

2.2 構建評價指標體系

城市土地利用系統的健康是以人類、社會和城市可持續發展為目標，實現自然、經濟和社會3者的協調發展。當城市土地利用系統的健康受到威脅時，其自身結構和功能具有一定的恢復能力； 結構和功能是土地利用系統健康的基礎，效益是土地利用系統健康的核心。因而，城市土地利用系統健康評價指標體系要從這3方面選取。

2.3 確定指標權重

為了避免人為主觀因素對指標權重的影響，選取了客觀賦權法中的熵權法[16-17]確定權重。

(7)

(8)

(9)

3 實證研究——烏魯木齊市土地利用系統健康評價

3.1.構建評價指標體系

烏魯木齊市土地利用類型多樣，但各類用地空間分布相對集中，且東南西3面臨山，地勢起伏懸殊，山地面積比重大。并且是典型的干旱區綠洲城市，受制于水資源的限制，土地墾殖率不高。未利用地又多為荒漠或鹽堿化程度較高的砂質土地，生態環境較為脆弱。

針對烏魯木齊市土地利用現狀及存在的問題，在借鑒國內相關研究成果的基礎上[18-25]，依據系統性、動態性、數據可獲性及可操作性等原則，構建了烏魯木齊市土地利用系統健康評價體系。

3.2 確定指標權重

先將原始數據標準化處理，然后運用熵權法計算出指標權重，結果見表1。

表1 烏魯木齊市土地利用系統健康評價指標體系及權重

準則層因素層指標層權重系統結構A1(0 356)土地利用結構B1(0 104)C1土地多樣性指數(H)0 037C2土地利用率(%)0 031C3土地墾殖率(%)0 036社會經濟結構B2(0 252)C4人口密度(人/km2)0 065C5人口自然增長率(%)0 038C6地均GDP(萬元/hm2)0 101C7第三產業占GDP比重(%)0 048系統功能A2(0 296)活力B3(0 137)C8城市化水平(%)0 058C9復種指數(%)0 045C10單位耕地面積糧食產量(kg/hm2)0 034穩定性B4(0 159)C11人均耕地面積(hm2/人)0 037C12人均建設用地面積(hm2/人)0 081C13城市綠化覆蓋率(%)0 041系統效益A3(0 348)社會經濟效益B5(0 134)C14能源消費彈性指數(%)0 043C15農民人均純收入(萬元/人)0 047C16人均GDP(萬元/人)0 044生態效益B6(0 214)C17工業廢水處理率(%)0 075C18工業廢氣處理率(%)0 049C19工業固廢綜合利用率(%)0 034C20地均碳排放(t/hm2)0 056

3.3 確定健康評價等級

評價標準的確定直接影響到評價結果的準確性。在借鑒了相關評價研究中的標準劃分思路的基礎上，制定了城市土地利用系統健康的評價標準，將土地利用系統健康評價標準劃分為：病態(Ⅰ)、不健康(Ⅱ)、臨界健康(Ⅲ)、亞健康(Ⅳ)和健康(Ⅴ)5個健康等級，見表2。

3.4 評價結果分析

根據2005～2014年烏魯木齊市土地利用變更數據和統計年鑒數據，分別建立烏魯木齊市土地利用系統健康的集對H2005～2014(A21，B5)，將集對數據分別帶入集對評價模型中，最終得到2005～2014年烏魯木齊市土地利用系統健康狀況。依據均分原則，將區間[-1， 1]等分成5個區間[14]，從右到左區間依次對應土地利用系統健康評價等級B1，B2，…BK。然后將μ(Am，Bk)與各個等級對應的區間進行對比，得到土地利用系統健康評價等級，μ值越大，評價等級越高，表明土地利用系統越健康，見表3。

表2 烏魯木齊市土地利用系統健康評價等級標準

指標層健康亞健康臨界健康不健康病態C1>1 7(1 65，1 70](1 60，1 65][1 55，1 60]<1 55C2>95(85，95](75-85][65，75]<65C3>30(20-30](15-20][10，15]<10C4<150[150，350)[350，500)[500，800]>800C5<5[5，10)[10，15)[15，20]>20C6>15(5，15](2，5][1，2]<1C7>55(50，55](45，50][40，45]<40C8>90(80，90](70，80][60，70]<60C9>120(100，120](80，100][60，80]<60C10>3000(2700，3000](2400，2700][2100，2400]<2100C11>0 05(0 04，0 05](0 03，0 04][0 02，0 03]<0 02C12<0 02[0 02，0 03)[0 03，0 04)[0 040，0 050]>0 050C13>5(3 5，5 0](2 0，3 5][0 5，2 0]<0 5C14<0 05[0 050，0 075)[0 075，0 085)[0 085，0 100]>0 100C15>1(0 8，1](0 6，0 8][0 4，0 6]<0 4C16>5(3 5，5 0](2 0，3 5][0 5，2 0]<0 5C17>80(60，80](45，60][35，45]<35C18>85(70，85](55，70][40，55]<40C19>90(80，90](70，80][60，70]<60C20<10[10，13)[13，16)[16，20]>20

表3 2005～2014年烏魯木齊市土地利用系統健康評價

3.4.1 土地利用系統健康綜合評價

整體來看， 10年間烏魯木齊市土地利用系統健康等級經歷了“不健康→臨界狀態→亞健康”的發展歷程，整體為上升趨勢。但可以看出在2008年有所降低。這是由于城市發展的需要，烏魯木齊市行政區域進行了擴大調整，致使土地利用系統健康綜合水平有波動。但綜合來看，烏魯木齊市的土地利用系統健康狀況在逐年改善，并且有變好的趨勢。

3.4.2 系統結構健康評價

系統結構健康等級變化過程為“不健康→臨界狀態→亞健康”。隨著經濟社會的發展，烏魯木齊市的土地利用系統結構也發生著變化。系統結構中的各項指標均呈現增長趨勢，但增長速度不同。其中土地利用率在2008～2009年間降低， 2009～2014年間增長，這是由于城市行政區劃擴大，間接導致未利用地面積增加，土地利用率有所降低。系統結構健康水平總體呈現緩慢增長趨勢，目前處于初級的亞健康狀態。因為烏魯木齊土地利用結構不夠穩定，土地利用類型分布不均勻，其中農用地占23%左右，建設用地占9%左右，而未利用地占到68%左右，這樣的土地利用格局使得城市發展空間受限，因此系統結構仍需改善。

3.4.3 系統功能健康評價

系統功能健康等大體上級經歷了“不健康→臨界狀態→亞健康”的發展過程。其中，人均耕地面積、糧食產量和復種指數總體呈現下降趨勢，反映了烏魯木齊市城市化建設中，城市化率逐步提高，但隨著人口的增長，建設用地需求增加，致使耕地乃至農用地面積減少，人均耕地也不斷減少； 而人均建設用地面積、城市化水平和綠化覆蓋率呈現不同程度的上升趨勢，促進了土地利用系統功能的穩定性，使得面對部分指標降低時帶來的威脅具有一定的抵抗和恢復能力，所以系統功能的健康水平整體上呈現上升趨勢，表明烏魯木齊市土地利用系統的服務功能逐漸增強。

3.4.4 系統效益健康評價

系統效益健康等級經歷了“病態→不健康→臨界狀態→亞健康→健康”的全過程。其中，人均GDP、農民人均純收入、地均廢水、廢氣處理率、工業固廢綜合利用率指標出現不同程度的上升趨勢，說明這些指標對烏魯木齊市土地利用系統的健康狀況有明顯的改善作用； 能源消費彈性系數和地均碳排放量兩個負向指標也呈現較快的增長趨勢，但其制約著城市土地利用系統健康發展。自2010年后地均碳排放量增幅減少，從側面反映出城市管理者開始注重經濟發展與資源利用和生態環境保護之間的協調發展，采取了積極有效的措施來促進城市的健康發展，因而烏魯木齊市土地利用系統效益從2005年的“病態”逐漸轉變為初步“健康”水平。

4 結論及建議

隨著烏魯木齊市城市化發展進程的加快， 10年間烏魯木齊市土地利用類型、結構和數量都發生一定的變化，土地利用系統總體健康狀況經歷了由“不健康”到“亞健康”的階段，并且有向更好的等級發展的趨勢。其中，系統結構和系統功能經歷了“不健康”到“亞健康”的過程； 系統效益經歷了“病態”到初步“健康”的過程。

鑒于此，提出幾點建議來促進烏魯木齊市土地利用系統健康的可持續的發展。首先，烏魯木齊市應嚴格執行土地用途管制和耕地占補平衡等政策，保障耕地數量和質量安全，加大技術投入力度，合理開墾和利用未利用土地； 其次，積極發展綠色生態的現代化農業，積極開展農田整治和高標準基本農田建設，普及科學技術應用，提高農業產值； 第三，促進城市土地多樣化利用，實現土地利用的節約集約化，優化土地資源市場化配置，減少經濟增長對土地資源的過度使用； 第四，發展低碳經濟，調整和優化產業結構，發展低碳能源，促進城市土地低碳利用，加大生態環節保護和治理力度，追求資源、經濟和社會的可持續發展。

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