基于熵權TOPSIS法的武漢市土地利用多功能性評價

柳夢琪, 曾忠平

(華中科技大學 公共管理學院， 湖北 武漢 430074)

土地是人類賴以生存的根本載體，土地科學有效利用是關系到人類可持續發展的歷史大計。城鎮化的高速發展，導致城市發展對土地需求過旺，土地的供給性稀缺成為當前經濟社會可持續發展的重要掣肘。如何利用有限的土地為人類社會提供更多更優質的產品及服務，即對土地利用多功能性的充分挖掘，成為當前土地利用的研究熱點。

多功能性研究起源于農業部門，20世紀90年代后期隨著農業的變化成為一個重要課題，經濟合作與發展組織(OECD)于2001年對農業土地多功能性進行了規范性的概念界定[1]。而后研究發現多功能性在非農業功能的土地利用中同樣具備適配性，多功能農業概念逐漸發展成為一個更通用、更全面的多功能土地利用概念[2]。2004年，歐盟SENSOR項目首次明確了土地利用多功能的概念，提出了土地利用功能框架，用以評估政策對土地可持續性的影響[3]。自此，土地利用多功能性研究成為可持續利用研究的基礎和內核，吸引了國內外學者的關注。國外學者對土地利用多功能性的研究經歷了由農業領域[4-5]逐漸向景觀生態領域[6-7]轉變的過程，但研究落腳點依舊聚焦于其對可持續利用的影響評估上，如Xue等[8]采用參與性影響評估框架和家庭調查全面評估不同土地管理方案對土地利用功能和地方可持續發展的影響；Reidsma等[9]基于SENSOR的方法框架結合定量和定性方法以太湖流域作為典型地區以評估土地利用政策對發展中國家可持續發展的影響。國內相關研究起步較國外晚，目前尚處于研究早期，研究內容主要集中于區域時空分異及影響研究[10]、功能分類及評價指標體系研究[11]、績效評價及障礙因子診斷[12]，其中后者為當前研究重心。國內已有研究多從全國、省域、縣域等尺度展開，研究區多集中于東部、北部地區，對中部關注較少，且對評價指標權重的確立多采用主觀賦權法。

開展土地利用多功能性的研究是在掌握土地利用水平的基礎上，對土地利用各功能間的協調性進行測度，并判別其障礙因素，為改善土地利用、促進區域經濟社會生態的可持續發展提供科學依據，從而制定合理有效的政策措施。2005年既是“十五”規劃的收官之年，又是“十一五”規劃的部署之年，同時也是“中部崛起”戰略的發力之年。自此，武漢市以“大武漢”建設進入新世紀快速發展的高速車道，意在通往“中部崛起”的先行道路，成為中部城市的引領力量。在謀求經濟高速增長和城市發展轉型的背景下，土地利用變化劇烈，并由此引發一系列的經濟、社會和生態問題，該區域的土地利用多功能變化亟待關注。鑒于此，本文以中部城市——武漢市為例，從經濟、社會、生態3個維度構建指標體系，采用客觀賦權法熵權法及改進的TOPSIS模型作為評價模型對2005—2017年武漢市土地利用多功能性及其障礙度進行評價和分析，在掌握土地利用多功能性動態變化特征的基礎上，探究其變化規律和制約因素，為未來武漢市土地多功能利用提供決策支持，為區域土地利用多功能性評價提供參考，同時也為中部其他地區的土地可持續利用提供借鑒。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

武漢市是湖北省省會，地處長江中下游平原，是長江與漢水的交匯處，地理位置為北緯29°58′—31°22′，東經113°41′—115°05′，是中部唯一的副省級市、特大城市，處于九省通衢的重要節點位置，是中部的交通和工業中心，也是全國重要的工業基地、科教基地和綜合交通樞紐。下轄13個區，土地總面積8 569.15 km2，占湖北省總面積的4.6%。截至2019年，常住人口1 121.2萬人，地區生產總值1.62×1012元，居中部城市第一，同時在本省內經濟首位度和人口首位度穩居第一。在社會發展、經濟騰飛的過程中，武漢市的土地利用變化劇烈，建設用地顯著增加，耕地、草地、濕地等持續性減少，因而生態環境問題日益凸顯，逐漸成為限制城市協調發展的重要因素。

1.2 數據來源

本文數據主要來源于《武漢統計年鑒(2006—2018年)》《武漢市國民經濟和社會發展統計公報(2005—2017年)》；水資源數據來源于《武漢市水資源公報》與《湖北省水資源公報》；SO2濃度數據與部分廢污水排放量數據來源于《武漢市環境質量狀況公報》；水土流失數據來源于《武漢市水土保持公報》與《湖北省保持公報》。部分年份缺失的數據由相鄰年份數據推算所得。

2 研究方法

2.1 土地利用多功能類型劃分

土地利用多功能性指一個區域土地利用功能及其環境、經濟和社會功能的狀態和表現，是評價土地利用變化對其功能影響的重要概念和方法體系[13]，保持土地利用的多功能性是制定土地多功能政策的目標。經濟、社會、生態是構成土地利用的三大基本要素，同時也是土地利用多功能的集中體現，土地利用多功能性評價應綜合考慮土地利用的經濟、社會、生態效應，以是否能達到促進經濟增長、社會和諧、生態可持續發展的要求為衡量指標。因而本文應用目標層、準則層、要素層框架，將土地利用多功能劃分為經濟、社會、生態三大功能。其中，經濟功能即穩定農業生產、保障經濟發展和保障城市交通的能力，包括農業生產、經濟發展和交通保障功能；社會功能即提供社會保障、穩定就業、改善居住環境、建設休閑娛樂設施的能力，實現社會和諧發展和社會產品的有效供給，包括社會保障、就業、居住家園和文化休閑功能；生態功能即調節生態環境、為人類生產生活提供必需的環境條件和原材料的功能，包括資源供給、環境變化和環境維持功能。

2.2 指標體系構建

為了實現土地利用多功能性的有效評價，就必須構建全面、系統、科學的評價指標。本文以代表性、綜合性、可行性、科學性為原則，此外，鑒于地區差異，增加以下原則: ①側重反映功能產出的指標，如人均GDP、糧食單產等。 ②側重反映社會福祉的指標，如衛生機構密度、人均公共圖書館藏書冊數等。 ③側重考慮生態可持續的指標，如廢污水排放強度、SO2年均濃度等。并在借鑒相關已有研究成果[14]的基礎上，從人口與經濟社會、資源環境協調發展的角度出發，綜合考慮武漢市可持續發展的要求，構建了包括27個指標的武漢市土地利用多功能評價指標體系(表1)。

表1 武漢市土地利用多功能評價指標體系

2.3 土地利用多功能性評價

(1) 計算指標權重。本文采用熵值法確定各指標的權重。在信息論中，信息熵是系統無序程度的度量，某項指標的指標值變異程度越大，信息熵越小，該指標提供的信息量越大，該指標的權重也應越大；反之，某項指標的指標值變異程度越小，信息熵越大，該指標提供的信息量越小，該指標的權重也越小。熵值法可以有效避免主觀性、隨機性等主觀賦權法無法避免的問題，結果更加精確和可靠，且計算過程相對簡單。

①數據同趨勢化處理，采用倒數法將負指標正向化處理

Xij=1/xij

(1)

式中：xij為第i個指標第j年的指標值；Xij為正向化處理后的指標值。

②數據無量綱化處理

(2)

式中：Yij是無量綱化后的指標值。

③計算指標的信息熵

(3)

式中：Pij是第i個指標第j年的無量綱化后指標值占第i項指標之和的比重；Ei為指標的信息熵；n為評價年數。

④計算指標的熵權

(4)

式中：ωi為指標權重。

(2) 構建評價模型。TOPSIS模型為系統工程中有限方案多目標決策分析的一種常用的決策技術，是一種距離綜合評價法[15]，它能對原始數據給予的信息進行充分挖掘和利用，達到精準反映評價方案間異同的效果。與傳統的TOPSIS法相比較，改進的TOPSIS法主要是對評價對象與正理想解和負理想解的評價值公式進行了改良[16]，具備賦值客觀、計算簡易、應用廣泛等特點，

①構建加權決策矩陣

(5)

式中：V為無量綱化的指標值矩陣與熵權值構建的加權決策矩陣。

②確定正負理想解

(6)

式中：V+為正理想解；V-為負理想解；m為指標數量。

③計算距離

(7)

式中：D+為評價指標到正理想解的距離；D-為評價指標到負理想解的距離；

④計算各功能值

(8)

式中：O為各土地利用功能值，即一個區域土地利用及其環境、經濟、社會功能的狀態及表現的定量表征，取值范圍[0，1]，其值越大說明土地利用的多功能性越高。本文根據已有的研究成果[17]，將土地利用功能值劃分為4個等級標準(表2)，以此表征土地利用多功能性的優劣。

表2 土地利用多功能性評判標準

2.4 土地利用功能變化動態度及協調性測算

為對土地利用功能值在研究期內的變化進行分析和度量，參考土地利用變化動態度采用土地利用功能變化動態度(d)測算不同時期土地利用功能變化的相對程度，其計算公式為：

d=(Ot+1-Qt)/Qt×100%

(9)

式中：Ot+1，Ot分別為t+1和t時期的功能值。

采用土地利用功能標準差(σ)測度土地利用功能值間的差異，以反映各功能間的協調性。其計算公式為：

(10)

采用土地利用功能變化優勢度(S)表征某期間土地利用多功能性變化的差異。S越大，說明期間土地利用多功能變化差異越大，土地利用越趨于單一化。其計算公式為：

S=|d|max/∑|d|

(11)

式中：|d|max為動態度絕對數最大值; ∑|d|為動態度絕對值之和。

2.5 障礙度測算

在土地利用功能性評價的基礎上，為更好地厘清影響土地利用多功能的影響因素，識別障礙因子，以便對土地資源合理利用的政策行為提供更有針對性的決策依據，提高土地利用的可行性和有效性，本文構建障礙因子診斷模型，系統地分析各項指標的障礙因子。其計算公式為：

(12)

式中：Ri為指標偏離度;Wi為每個指標對土地利用總功能性的影響程度;Zi為障礙度,即單項指標對土地利用多功能性的影響程度。

3 結果與分析

3.1 土地利用功能整體變化分析

武漢市2005—2017年土地利用多功能性評價結果(表3)由上文公式的計算得出。由表3可以看出，2005—2017年武漢市的土地利用功能發展狀況良好，呈現總體向好的態勢。結合上文表2的多功能性評判標準可以看出，2005—2009年經濟功能值處于高速增長階段，但最大峰值仍然低于0.31，處于低級水平，2010—2013年處于中級水平，2014—2015年處于良好水平，2016—2017年處于優質水平。經濟功能值逐年上升，由低級水平向優質水平逐級過渡；2005—2010年社會功能值處于低級水平；2011—2014年逐年穩步增長，處于中級水平，2015—2017年穩中有進，由良好水平平穩過渡到了優質水平。社會功能值與經濟功能值的變化趨勢較為相似，均呈現逐年增長態勢。2005—2013年生態功能值有所波動，但功能值始終低于0.31，處于低級水平，2014—2015年處于中級水平；2016—2017年增長迅速，直接從中級水平跨越到了優質水平。

表3 武漢市土地利用多功能評價結果

本文以3 a為周期計算武漢市土地利用多功能變化動態度、功能標準差及變化優勢度(圖1，表4)。由圖1可知，土地利用經濟功能、社會功能變化動態度在4個3 a期內均呈現增長態勢，其中，社會功能在第一個3 a期動態度變化最大；生態功能變化動態度在第一個3 a期有所下降，其他均有不同程度的增長；綜合功能變化動態度增長較為穩定。2005—2008年，武漢已進入中部崛起的實質性推進階段，城鎮化加速發展，城鄉醫療等公共服務設施建設水平不斷提升，人民生活和居住條件不斷改善，社會功能增長尤為突出；2008—2011年，土地利用各大功能發展較均衡但總體增長緩慢；2011—2014年，武漢市將生態保護上升到地方法律層面，生態功能成為土地利用關注的重中之重；2014—2017年，各大功能發展較為均衡，生態功能仍然是重點。根據表4發現，武漢市功能標準差呈現U形上升趨勢，先經歷2008年和2011年的連續下降，后經歷2014和2017年的連續增長。研究期間功能標準差呈擴大趨勢，說明土地功能間的差異逐漸拉大，各功能間的協調性有所減弱。2005—2017年功能變化優勢度呈現逐漸下降的趨勢，且下降程度較為顯著，說明研究期間土地利用多功能變化差異在縮小，土地利用漸趨于多樣化。

圖1 武漢市土地利用多功能變化動態度

表4 武漢市土地利用功能標準差及變化優勢度

3.2 土地利用功能各單項變化分析

根據圖2—4，武漢市近13 a來土地利用各項功能變化呈現如下特點： ①經濟功能。由圖2可以看出，武漢市農業生產功能表現為連年下降態勢，并于2017年趨近于零。經濟發展功能和交通功能呈現總體上升趨勢，其中經濟發展功能呈直線式穩步提升，交通功能在2005—2010年逐年增長，于2011年降至谷底后觸底反彈，大幅上漲，最終追平經濟發展功能。2005—2017年期間，武漢市以人口城鎮化、土地城鎮化為表征步入城鎮化的高速發展階段，尤其是在2007年武漢市成為配套改革試驗區，加速了武漢的城鎮化進程。城鎮化的發展致使大量耕地被占用，農業人口被迫進城，這無疑引致了農業生產功能的退化。作為中部的龍頭城市，中部崛起戰略的部署和實施、開放型經濟新體制的試點以及自貿區建設為武漢打造中心都市圈和內陸經濟高地提供了歷史機遇，武漢市牢牢把握機遇，經濟得到了長足發展。武漢市作為全國首個綜合交通樞紐研究試點城市，交通樞紐地位不言而喻。在經濟發展的助力下，政府注重并加大對交通基礎設施的投資和建設，以對接“一帶一路”建設、國家長江經濟帶建設和長江中游城市群戰略，推進中部崛起。 ②社會功能。由圖3可以看出，武漢市就業、社會保障、和文化休閑功能發展趨勢較為吻合，總體為增長態勢。其中，就業功能在2005—2017年穩步上升，主要是由于武漢市經濟增長所激發的就業崗位需求，從業人口密度增加和城鎮登記失業率的下降，以及近年來的產業結構的轉型，使得第三產業從業人口數增加，綜合作用下促進就業功能在研究期間不斷上升。社會保障功能在研究期間總體呈上升趨勢，但主要分為兩個階段：一是2005—2014年，緩慢增長階段；二是2014—2017年，快速增長階段；主要是由于城鄉收入平衡指數在研究期內經歷了先降低后增加再降低的過程。居住家園功能在2005—2015年穩步提升，2016—2017年迂回式增長，整體增長迅速，隨著人民生活條件不斷得到改善，城區人均住房建筑面積和人口城鎮化率不斷增加，居住家園功能也逐漸提高。文化休閑功能整體呈現大幅度增長的趨勢，其中2010年有所下降，是建成區綠化覆蓋率、人均公共圖書館藏書冊數同時下降造成的結果。 ③生態功能。由圖4可以看出，武漢市環境變化功能和環境維持功能總體呈上升態勢，而資源供給功能則為下降趨勢，經歷了兩次倒V形下降，第一次是2009—2011年，第二次是2015—2017年。在城鎮化的快速發展中，湖泊被迫成為犧牲品，填湖造地導致人均水資源不斷減少，期間經歷了2010年和2016年的兩個小增長，主要是由于武漢保護湖泊的法規經歷了兩次“收緊”，填湖造地得到了相應的控制，加上降水量與地表地下水量突增，而后又由于2017年武漢市水資源總量驟降，加之人均耕地面積持續減少，資源供給能力跌落至較低水平。環境變化功能持續增長，且2013—2017年的增長幅度大于2005—2012年。前期增長幅度緩慢是由于廢污水排放強度不斷增強，SO2年均濃度和單位耕地化肥使用量雖有減少但不明顯。后期是由于武漢市大氣污染防治力度的不斷加強，SO2年均濃度下降幅度增大。尤其是2013年城市環境空氣質量達標規劃和2016年大氣污染防治強化措施方案的順利制定和有效實施。環境維持功能總體而言呈上升狀態，其中2005—2013年因為森林覆蓋率在持續提高而水土流失率在逐漸減少而穩步上升，2015—2017年小有回落主要是由于2016年起森林覆蓋率數據統計方式根據全省統一要求進行了調整。

圖2 武漢市經濟功能變化

圖3 武漢市社會功能變化

圖4 武漢市生態功能變化

3.3 土地利用功能障礙因子診斷

利用公式(12)對武漢市各功能子目標層、指標層各指標的障礙因子及其障礙度進行測算(圖5)，并對土地利用多功能產生較大影響的障礙因子進行診斷識別，本文僅對影響程度處于前5位的障礙因子予以排列展示(表5)。

3.3.1 子目標層障礙度 由圖5可以發現，經濟、社會功能這兩個子目標的障礙度變化趨勢較為相似，總體發展趨勢為緩慢下降，而生態功能的障礙度則呈現上升勢頭。其中，經濟功能子目標的障礙度在2005—2013年較為穩定，2014—2017年出現了不同程度的漲跌，主要是因為糧食單產、經濟密度、人均擁有道路面積的制約；社會功能的障礙度經歷了2005—2010年的平穩發展后于2011年有所下降，而后又進入了第2個平穩期，最后在2016年短暫上升后于2017年大幅度下降，整體由0.35下降至0.05，期間的波動主要是受到城區人均住房建筑面積、人均公園綠地面積的影響；生態功能的障礙度在2005—2009年基本保持穩定不變的狀態，2010—2015年逐年穩步增長，2016年大幅度下降后2017年又有了更大幅度提高，整體由0.32上升到0.78，且在2010年之后生態功能子目標成為土地利用多功能的主要障礙。整體上來看，2005—2017年經濟功能和社會功能子目標的平均值為0.29左右，而生態功能子目標的平均值為0.41，說明3類功能子目標對土地利用多功能都有一定的限制作用，但前二者較小，后者較大。因此在武漢市要實現土地資源的可持續利用，提升土地利用的多功能性，則必須加強對生態功能的響應，做好生態環境的保護和修復，劃定“三區三線”，使土地資源得到高效且合理的利用。

圖5 武漢市土地利用多功能子目標層障礙度

3.3.2 指標層主要障礙因子及其障礙度 由表5可以看出，2005—2017年期間只有2005，2006和2010年以社會功能為主，其余年份均以生態功能為主。SO2年均濃度(X25)、經濟密度(X4)、衛生機構密度(X14)、人均GDP(X6)、人均水資源量(X21)在前五位的障礙因子中出現的頻率較高。研究期間，武漢市在土地利用的過程中，主要側重于經濟發展，其各項指標均朝著正向發展且受到的障礙度略小；而對土地的社會功能關注相對較少，如人居環境等。同時，一定程度上忽略了土地的生態功能，所以表5中位于首位的均是生態功能相關指標。其中，2005—2008年排名前五的障礙因子沒有發生改變，表明該時間段內各類土地利用功能相對較為平衡；2013—2017年障礙因子排名前兩位的為生態功能的指標，其中SO2年均濃度對武漢市土地利用多功能的影響最大，且該影響一直持續到2016年，而人均水資源量由于不穩定也存在著較大的障礙度。這表明在此期間，武漢市對生態環境質量的保護沒有達到足夠的重視程度，長久來看，生態功能的實現將成為制約武漢市土地利用多功能性有效發揮的首要因素，生態功能應當得到更高層級的重視。

表5 武漢市土地利用多功能指標層主要障礙因子及障礙度

4 討論與結論

4.1 結 論

(1) 從整體看，研究期間武漢市土地利用總功能不斷增強，發展狀況良好。經濟、社會、生態功能均呈現不同程度的增長態勢。功能標準差呈U形上升趨勢，各功能間差異漸大，功能間協調性減弱。功能變化優勢度逐漸下降，土地利用漸趨多樣化。

(2) 從子目標層看，研究期間武漢市的經濟功能和社會功能都經歷了由低級水平向優質水平的逐級平穩過渡，生態功能相較前兩者增長更為迅速，但與前兩者的功能值仍有一定差距。

(3) 研究期間武漢市經濟和社會功能的障礙度發展脈絡一致，均為下降趨勢，而生態功能障礙度則呈上升態勢，并于2011年起與經濟、社會功能逐漸拉開差距，成為土地利用多功能發揮的最主要障礙。其中，經濟密度、人均GDP、衛生機構密度、人均水資源量和SO2年均濃度等障礙度較大。

4.2 討 論

土地利用多功能變化具有顯著的時間異質性和空間異質性，借助土地利用多功能性評價，可以有效洞悉其變化及變化趨勢，識別不相匹配的土地功能，并剖析其影響因素及可能的緣由，從而有針對性地提高土地利用多功能性，為構塑區域土地利用行為的協調性、科學性和可持續性提供有效指導。武漢市在發展中更多地將土地作為資產不斷變現，這加劇了土地利用的生態風險，限制了土地利用多功能的協調發展，最終將影響區域綠色發展。未來武漢市應當將重點聚焦在生態功能的提升上，與此同時仍要關注經濟功能和社會功能中的薄弱點。根據本文分析結果對武漢市未來的發展提出幾點建議： ①牢牢把握中部崛起的機遇，利用突出的產業基礎和商務環境打造具有獨特資源稟賦優勢的武漢城市圈，帶動城市圈各城市、各中部城市的發展，成為內陸地區新一輪經濟增長極。 ②應依托經濟發展提高衛生資源的存量供給，合理配置存量衛生資源，優化衛生資源的城鄉配置，更多地向農村傾斜，縮小城鄉差距，提高衛生資源的利用率和合理配置率。 ③轉變經濟發展方式，推進產業升級，實施清潔生產，減少三廢污染；創新城市生態治理方式，加快發展綠色和循環經濟；嚴格落實河湖長制，健全“三長聯動”機制，優化整合全市生態水網，落實最嚴格的水資源管理考核制度，推動水資源綜合整治常態化。