基于改進TOPSIS法的東北農牧交錯區土地可持續利用評價及障礙因子診斷

韓錦輝, 趙文晉, 楊天通, 王斯勃

(吉林大學 環境與資源學院, 長春 130012)

土地資源的可持續利用是社會經濟可持續發展的根本保證，也是可持續發展戰略最基本的內容之一[1]。然而，近年來工業化和城鎮化速度加快，使得大量土地資源遭到污染和破壞，水土流失加劇，嚴重制約土地資源的可持續利用和人類社會的可持續發展[2]。東北農牧交錯區是典型的生態環境脆弱區[3-4]，在長期的墾種農作、超載放牧之下，土地荒漠化、鹽堿化、水土流失等生態環境問題嚴重[5]。因此，對東北農牧交錯區土地進行可持續利用研究具有重要意義。

20世紀90年代，隨著土地可持續發展概念的提出，諸多學者對土地可持續利用方面進行了研究但目前仍處于探索階段。在評價指標的構建上，多從“生態、經濟、社會”3個方面、“生產性、安全性、保護性、經濟性、社會性”5個方面或選用PSR，DPSIR模型構建指標體系[6-8]。而在評價方法上，多采用綜合指數法、三角模型、灰色關聯法、生態足跡法、BP神經網絡模型和模糊綜合評價法等[9-12]。在評價尺度上，多集中于短期靜態到長期動態的時間尺度，以及從地方到區域的空間尺度[10-13]。

由于土地可持續利用是一個多目標的復合系統，具有系統的復雜性，且不同經濟階段土地可持續利用的最佳特質具有動態性，也就是說最佳的土地可持續利用形態是在當時的社會經濟發展水平和資源配置下，最接近土地可持續利用的最優狀態，同時遠離最差狀態[14]。而基于多目標決策分析的TOPSIS法能較好的適用于土地可持續利用評價中。因此，本文采用改進后的TOPSIS法，以東北農牧交錯區城市白城市為例，對其2005—2014年土地可持續水平進行研究，并對不同時期土地可持續利用障礙因子進行診斷，以期為農牧交錯區農業和畜牧業的穩定發展和區域土地管理提供參考。

1　研究區概況及數據來源

1.1　區域概況

白城市位于吉林省西北部，科爾沁草原東部，嫩江平原西部，地處東經121°38″—124°22′，北緯44°13′57″—46°18′，是東北典型的農牧交錯地區。氣候屬溫帶大陸性季風氣候，全年“光照充足，降水變率大，旱多澇少”。年降雨量約469 mm，年平均氣溫6.4℃左右，平均日照時間2 840 h，降水期主要集中在6—7月。

白城市轄洮北區、洮南市、大安市、鎮賚縣、通榆縣5個縣(市、區)，2014年，市域面積25 745 km2，占吉林省面積的7.29%，居全省第三位，其中耕地面積118.05萬hm2，林地面積32.44萬hm2，草地面積31.82萬hm2?？側丝跒?97.7萬人，其中農業人口118.8萬人，占總人口的60.09%。作為我國重要的大型商品糧基地，2014年白城市糧食總產量410.35萬t，其中玉米產量255.40萬t，同比增長1.5%，水稻產量87.20萬t，同比增長1.6%。此外，畜牧業經濟保持平穩增長，其中肉類總產量10.80萬t，禽蛋產量5.00萬t，牛奶產量15.50萬t，同比增長分別為3.80%，12.00%，2.00%。

1.2　數據來源

指標原始數據來源于《吉林省統計年鑒(2006—2015年)》、《白城年鑒(2006—2015年)》、《吉林年鑒(2006—2015年)》和《2005—2014年白城市國民經濟和社會發展統計公報》。

2　研究方法

2.1　指標體系的建立

為全面描述東北農牧交錯區土地可持續利用水平，根據科學性、完整性和易操作性原則，結合白城市土地資源利用實際情況和相關指標體系的研究[10,13,15]，從經濟可行性、資源環境可持續性和社會可接受性3個方面對白城市土地可持續利用水平進行評價。評價的指標體系包括目標層、準則層和指標層3個層次，共21個指標(表1)。經濟可行性從土地經濟效益、土地投入產出水平和土地經濟結構的有效合理性方面，選取經濟密度、人均GDP、單位面積工業產值、單位面積固定資產投資、單位面積財政收入、單位面積農業產值、單位面積畜牧業產值、第三產業產值占GDP比例指標來衡量；資源環境可持續性主要圍繞降低土地污染和優化資源環境狀態方面，選取林地面積占比、耕地面積占比、森林覆蓋率、草原覆蓋率、建成區綠化覆蓋率、單位面積糧食產量、工業廢水排放達標率、工業固廢綜合利用率指標來衡量；社會可接受性反映土地用地水平、人口數量和人民生活水平狀況等，選取人口密度、人口自然增長率、人均住房建筑面積、城市化水平、城鄉收入比來衡量。

2.2　改進TOPSIS法

TOPSIS法是系統工程中用于多目標決策的一種方法，目前廣泛用于區域經濟發展、網絡輿情、土地管理等多個研究領域[16-17]。但傳統的TOPSIS法存在一定的缺陷：一是指標權重的確定過于主管或者客觀；二是需要較全面的樣本數據，且歐式距離的計算存在一定的剛性[18]。針對這些不足筆者采用AHP和熵權法相結合的組合權重法與灰色關聯分析法對傳統的TOPSIS法進行改進，組合權重法可以避免單純的主觀賦權或客觀賦權帶來的偏差，灰色關聯分析法可以解決數據較少和歐式距離的剛性問題。通過對傳統TOPSIS法的改進，可以使評價結果更準確更可靠。

2.2.1組合權重的計算

(1) AHP主觀權重計算。利用AHP法按照9分位比例兩兩做比構造判斷矩陣，同時對其一致性進行檢驗，計算出各指標的主觀權重值W1 j=(W11,W12，…，W1n)。其方法和計算過程可參照相關文獻[19]。

(2) 熵權法客觀權重的計算。由于各指標的數據間存在量綱不統一的問題，會使得各指標缺乏可比性，因此，需要根據公式(1)將原始數據進行標準化處理，得到標準化矩陣X=(Xij)m×n。

(1)

表1　白城市土地可持續利用評價指標體系

然后根據公式(2)計算出各指標的熵值：

(2)

最后計算出各指標的客觀權重值W2j，公式為：

(3)

(3) 組合權重的計算。根據最小信息熵原理把主觀權重W1 j和客觀權重W2 j進行優化處理，用拉格朗日乘子法解得組合權重Wj，主要公式如下：

(4)

2.2.2確定最優、最劣解

(1) 計算加權標準化矩陣B：

B=(bij)m×n=(WjXij)m×n

(5)

式中：Wj表示第j項指標的權重；Xij表示指標的標準化值。

(2) 分別以加權標準化矩陣B中的最大值和最小值代表最優解和最劣解

(6)

式中：B+表示最優解；B-表示最劣解。

2.2.3計算歐式距離及灰色關聯度

(1) 計算不同年份評價值與最優解的距離D+、最劣解的距離D-。

(7)

(2) 灰色關聯度是基于灰色系統理論提出的概念，指各指標之間或指標與系統之間的數值關系，即其變化趨勢的同步程度[20]。評價對象i與最優、最劣解的灰色關聯度計算公式如下：

(8)

(9)

(10)

2.2.4計算相對貼近度

(11)

式中：β1，β2表示評價者的偏好程度[21]，且β1+β2=1。

(2) 計算評價對象i與最優解的相對貼近度Ci:

(12)

Ci介于0到1之間，其值越大，表示土地的可持續利用水平越高。參考相關文獻[14]，結合實際情況將土地可持續利用水平劃分為5個等級：[0，0.20)為低水平；[0.20，0.40)較低水平；[0.40，0.60)中等水平；[0.60，0.80)較高水平；[0.80，1.00]高水平。

2.3　因子障礙度模型

除了對白城市土地可持續利用水平評價外，另一項重要內容是障礙因子診斷，以便發現影響土地可持續利用的根源，從根本上消除影響土地可持續利用的因素。障礙因子的診斷引進因子貢獻度(Wj)、指標偏離度(Jij)和障礙度(Mij，Nij)3個指標[22-23]，Mij表示第i年各指標對該年土地可持續利用的障礙度，Nij表示準則層指標障礙度。障礙度模型為：

Jij=1-Xij

(13)

(14)

Nij=∑Mij

(15)

3　結果與分析

根據前文提供的指標權重的計算方法，計算出指標的主觀權重值、客觀權重值和組合權重值(表1)，然后根據公式(5)-(12)計算出2005—2014年白城市土地可持續利用評價結果及分類指標評價結果(圖1)。

圖1　2005-2014年白城市土地可持續性評價

3.1　綜合評價結果與分析

從白城市2005—2014年的土地可持續利用綜合貼近度變化趨勢可以看出，白城市土地可持續利用綜合貼近度總體呈上升態勢，土地可持續利用水平逐漸提高。貼近度由0.335 5增加到0.632 0，土地可持續利用水平經歷了較低、中等、較高3個發展階段。根據圖1A曲線變化情況，將10 a的土地可持續利用狀況分為3個階段。

第一階段為2005—2007年，白城市土地可持續利用水平基本持平并出現小幅下降，貼近度由0.335 5下降到0.310 4。作為東北典型的東北農牧交錯地區，白城市在該時間段內基礎設施建設不足，2007年工業廢水排放達標率僅有24.16%，而且，存在土地粗放利用、土地利用結構不合理等問題，單位面積糧食產量和農業產值低波動變化大，另外人口增速明顯，人口自然增長率由2.70‰上升至4.20‰。這些因素的共同作用使得這一階段白城市土地可持續利用水平出現波動和小幅下降。

第二階段為2007—2012年，白城市土地可持續利用水平呈加速增長態勢，貼近度由0.310 4增長到0.641 9，年均增長率為15.64%。隨著白城市“沙地造桑田、山地種山杏、鹽堿栽白刺”三大生態產業工程、退耕還林工程的實施以及產業結構的調整，白城市國民經濟實力增強，土地產出水平提高，單位面積GDP由0.89萬元/hm2增加至2.39萬元/hm2，森林覆蓋率也增加至11.9%，土地荒漠化和水土流失狀況得到改善，可持續利用水平持續提高。

第三階段為2012—2014年，白城市土地可持續利用水平增速減緩，和2012年基本保持持平。主要原因在于該段時間內，雖然單位面積農業產值和畜牧業產值持續增大，分別由0.52萬元/hm2，0.19萬元/hm2增加至0.55萬元/hm2，0.24萬元/hm2，但是草原覆蓋率出現下降，由38.97%降至30.72%，人口自然增長率由-5.26‰上升至3.27‰，這些變化從總體上抵消了土地利用強度提升引起的土地可持續利用水平的提升。

3.2　分類指標對比分析

(1) 經濟可行性：由圖1B可知，2005—2014年經濟可行性貼近度呈穩步上升態勢，由0.177 5上升到0.792 8，年均增長率為18.09%。這是因為隨著國家對土地管理的加強和土地投入的增加，白城市單位面積財政收入、農業產值、畜牧業產值都呈現持續增加態勢，2014年分別增加了4.00倍、2.06倍、0.85倍，土地經濟效益持續提高，所以經濟可行性貼近度呈穩步上升態勢。

(2) 資源環境可持續性：由圖1C可知，資源環境可持續性貼近度先上升后下降總體呈上升態勢，貼近度由2005年的0.224 8上升到2014年的0.737 6，資源環境可持續性提高。2011—2014年資源環境可持續性貼近度出現下降，主要是由于經濟建設的快速發展和城市的擴張占用了大量土地資源，草原退化嚴重，草原覆蓋率由2011年的44.31%下降到30.72%，另外建成區綠化覆蓋率也由31.50%下降到27.30%。

(3) 社會可接受性：由圖1D可知，2005—2014年白城市社會可接受性波動性較大，增減交替，總體呈上升態勢，貼近度由0.441 1上升到0.614 4，2012出現到最大值0.797 2，原因是有效的人口管理政策使得2007年以來白城市人口自然增長率呈現不斷下降態勢，特別是2012年，白城市人口出現負増長，自然增長率下降至-5.26%，人口總數的降低減輕了土地系統的承載壓力。

3.3　障礙因子診斷分析

3.3.1指標層障礙因子診斷分析根據因子障礙度模型，按照公式(13)—(15)，對2005—2014年白城市土地可持續利用各指標的障礙度進行計算，由于指標較多，因此選取前5個作為主要障礙因子(表2)。2005年阻礙白城市土地可持續利用水平提高的因素主要集中在資源環境可持續性方面，主要包括耕地面積占比、森林覆蓋率和林地面積占比等，其中2005年耕地面積占比僅為22.51%，小于同時期吉林省西部地區平均值35.59%；森林覆蓋率為10.90%，未達到同時期吉林省平均水平；而2014年阻礙白城市土地可持續利用水平提高的因素主要集中在資源環境可持續性和社會可接受性方面，包括人口自然增長率、建成區綠化覆蓋率、草原覆蓋率、城市化水平等。從各指標障礙度的數值變化來看，人口自然增長率、建成區綠化覆蓋率、草原覆蓋率、第三產業產值占GDP比例的障礙度呈逐漸增大態勢，到2014年成為阻礙白城市土地可持續的前4位障礙因子。2005年人口自然增長率的障礙度僅為9.11%，但在2014年，這一指標的障礙度增至29.50%，并成為阻礙2014年白城市土地可持續利用水平的首要障礙因子。

表2　2005-2014年白城市土地可持續利用指標層主要障礙因子障礙度　%

3.3.2準則層因子診斷分析在對2005—2014年白城市土地可持續利用指標層因子障礙度計算的基礎上，進一步計算出準則層因子障礙度(圖2)。由圖2可知，準則層3個指標對白城市土地可持續利用的障礙度及其變化趨勢不盡相同。從整體來看，經濟可行性障礙度先減小后增大再減小，總體呈下降態勢；資源環境可持續性障礙度先下降后上升總體呈上升態勢；社會可接受性障礙度總體呈上升態勢。從各指標障礙度值來看，2008年之前經濟可行性障礙度是阻礙白城市土地可持續利用水平的主因，2008—2014年3個指標的變化比較曲折，總體狀況是經濟可行性障礙度減小，資源環境可持續性和社會可接受性障礙度增大并成為阻礙白城市土地可持續利用水平的主因。可見，提高白城市土地可持續利用水平必須從資源環境可持續性和社會可接受性入手，同時注重提高經濟可行性。

圖2　2005-2014年準則層指標障礙度

4　結論與討論

(1) 通過改進的TOPSIS法對2005—2014年白城市土地可持續利用水平進行評價分析，研究結果表明，2005—2014年白城市土地可持續利用水平總體呈上升態勢，貼近度由0.335 5上升到0.632 0，經歷了較低—中等—較高的發展過程；從分類指標來看，研究期間內，白城市經濟可行性呈穩步上升態勢，增幅為246.65%，資源環境可持續性先上升后下降總體呈上升態勢，增幅為228.11%，社會可接受性在波動變化中上升，增幅為39.29%。

(2) 從障礙因子診斷結果來看，不同時間段內3個準則層指標障礙度對白城市土地可持續利用水平的影響各不相同。經濟可行性障礙度總體呈下降態勢；資源環境可持續性障礙度和社會可接受性障礙度總體呈上升態勢。從長遠來看，提高白城市土地可持續利用水平，應從資源環境可持續性和社會可接受性入手，同時注重提高經濟可行性。從指標層因子障礙度來看，影響白城市土地可持續利用水平的障礙因子主要有人口自然增長率、建成區綠化覆蓋率、草原覆蓋率、第三產業產值占GDP比例等，因此，在以后的土地利用過程中，應重點關注人口自然增長率過快的問題，在土地資源承載力范圍內，控制人口密度；還應持續增加環保投入，改善建成區環境狀況，控制水土流失程度和草原退化速度；大力發展綠色環保產業提高第三產業比例，減小經濟增長對土地資源帶來的壓力。

(3) 土地可持續利用是一個多因素決策的復雜系統，應用改進TOPSIS法對土地可持續利用進行評價，克服了傳統TOPSIS法在權重和歐式距離方面的缺陷，但本文只對研究區域的時序變化進行了探討，缺乏空間差異的對比；同時，限于指標數據的完整性和易獲取型，指標體系的構建受到一定限制，仍需進一步完善。

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