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四分公司场:建设用地保障与生态文明建设

黄 海:生态文明建设视角下的城市土地利用系统健康评价

发布时间:2015-12-14 15:17文章来源:bet9官网中国土地公司 打印

黄 海

重庆交通大学 建筑与城市规划学院,400074

摘 要:研究目的:基于生态文明建设视角下的土地利用生态系统健康状况评价指标体系的构建与科学评价,对城市土地利用存在的问题进行诊断;研究方法:针对土地利用系统健康程度的不确定性,基于集对分析理论,引入能够体现系统确定性和不确定性的同异反联系度计算公式,建立了城市土地健康评价的指标体系和评价模型;研究结果:研究区域土地利用系统处于临界健康和亚健康,呈现出好转态势,但仍需进一步改善;研究结论:采用集对分析方法能够充分利用评价中的不确定性信息,是土地利用系统健康评价的一种有效方法。

关键词:土地生态健康;集对分析;熵权;重庆市都市区  

中图分类号:F301            文献标识码:A              文章编号:

党的十八大指出:“建设生态文明,是关系人民福祉、关乎民族未来的长远大计。面对资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化的严峻形势,必须树立尊重自然、顺应自然、保护自然的生态文明理念,把生态文明建设放在突出地位。”资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化都与土地管理关系密切。不合理的土地利用,导致土地污染、土壤侵蚀、土地荒漠化、盐碱化日益严重[1]。所以土地管理在推进生态文明建设中,负有极为重要的责任。

土地健康的概念1941年由美国生态学家Aldo Leopold首次提出,并使用Land sickness来描述土地生态系统功能的紊乱他认为健康的土地是指被人类占领而没有使其功能受到破坏的状况把土地有机体健康作为内部的自我更新能力认为机体健康应当与人们考虑个人有机体的健康一样,并预见土地健康将发展成为一门学科,目的是监测其生态学参数以保证人类在利用土地的时候不会使其丧失功能[2]然而,土地利用系统健康研究在我国还没有引起足够的重视,只有少数学者进行了相关研究,陈美球、蔡为民等对土地健康的内涵、机理、变化动因以及评价指标体系的构建进行了探讨[3-5] ;在土地健康评价方法方面,主要有“压力-状态-响应”评价体系、层次分析法、多指标综合评价法及模糊综合评判方法等数学方法[1][6-8]但这些方法都存在不同程度的筛选标准不明确、难以反映土地利用系统不同层次、不同方面的健康状况等缺陷

1 土地利用系统健康评价的集对分析模型

集对分析方法是由我国学者赵克勤于1989年提出的一种用于统一处理模糊、随机、中介和信息不完全所致的不确定性系统的理论和方法,该方法已经在社会经济、环境、教育、交通、人工智能等领域得到了初步应用[9,10]。本文在分析土地利用生态健康系统不确定性因素的基础上采用熵权-集对分析方法将土地生态健康指标和土地生态健康评价标准构成一个集对去分析其同、异、反联系并将多个指标系统表示成一个能从总体上衡量土地生态健康程度的n元联系数,从而定量计算出不同层次的土地生态健康程度这种评价方法客观合理评价结果适用性强可作为对现有土地生态健康复杂系统评价研究的有效补充。

1.1 集对分析方法及其适用性分析

集对分析的基本思路是:在一定问题背景下,对一个集合对子的特性展开分析,建立起这两个集合在指定问题背景下的同、异、反联系度表达式?,也可以研究由多个集合组成的系统[11]。构建土地利用系统健康评价模型时,将评价对象的土地利用系统健康指标作为一个集合,与既定的土地健康评价标准集合构成一个集对。两个集合的联系度为:

   (式1)

, 则(式1)可以简写为:

(式2)

式中?为联系度;a,b,c分别为所论集合在指定问题背景下的同一度、差异度和对立度,显然,a+b+c=1;i为差异度系数,规定在[-1,1] 区间取值,j为对立度系数,规定为-1。

根据不同的研究对象将(式2作不同层次的展开得到多元联系数

   (式3)

进行土地利用系统健康评价时区域的土地健康程度是具有不确定性的而作为评价健康程度的等级标准也是不确定的将集对分析用于土地利用系统健康评价若评价指标处于最优评价级别以上则认为是同一性联系此时?=1处于最劣的评价级别以下则认为是对立性联系此时?=-1处于最优最劣评价级别范围之间则认为是差异性联系此时?=a+bi+cj?(-11)处于这一范围内的评价指标对土地健康状况具有不确定性在多标准评价体系中?应进行相应程度的展开如式(3)所示从而得到多元联系数 ?=a+b1i1+b2i++ bn-2in-2 +cj 差异度系数i-11之间取值如果指标越接近最优评价级别i越接近1 越接近最劣评价级别i越接近-1[12]

1.2 评价指标体系的建立

土地利用系统健康是以人类社会的可持续发展为目的促进经济、社会和生态三者之间和谐统一由土地利用系统的结构、功能和效益这几个方面组成的健康体系。当系统面对干扰时有保持其结构和功能的能力恢复力越大系统越健康。结构和功能的健康构成了土地利用系统健康的基石效益构成了土地利用系统的核心[5]因此,土地利用系统健康评价要从系统的结构、功能和效益三个方面进行评价。

1.3 评价指标权重的确定

以往通常运用DelphiAHP等方法来确定指标的权重,造成判定结果受人的主观性影响而产生误差。信息论中的熵值反映信息的无序化程度,某个指标包含的信息越多,表明该指标对决策的作用越大,此时熵值越小,即系统的无序度越小。在此,运用信息熵来评价所获信息的有序度,进一步用来确定各个判定指标的权重,具体步骤如文献[12]所述[12]

1.4 土地健康评价集对分析模型的建立

设研究区域的评价指标集合A与评价标准集合B构成一个集对H,m代表一级子系统,mq代表第m个子系统下第q个评价指标,Im代表土地利用系统健康一级子系统评价指标Imq代表土地利用系统健康二级子系统评价指标,评价等级为n级。从而可以建立起二级、一级评价指标及总指标的土地健康评价的n元联系数?,再通过均分原则确定土地利用系统健康评价等级。具体步骤包括:

(1)联系度的确定

根据土地健康评价指标的特性,可以分为效益型和成本型评价指标,效益型指标值的大小与土地健康评价结果呈正相关,即越大越好型,如人均耕地、单位土地GDP、工业废水处理率等;成本型指标值得大小与土地健康评价结果呈负相关,即越小越好型评价指标,如耕地年减少率、恩格尔系数等。参考相关文献,得出n元联系数的计算公式见表1[13]

表1中,ap1,ap2,…,apn分别表示评价指标对应各个评价等级的区间范围的临界值,tp表示评价对象某指标的实际值。

表1 n元联系数计算方法

n元联系数

效益型指标

成本型指标

1+0i1+…0in-2+0j

tpap1

tpap1

ap2tpap1

ap2tpap1

0+…+

ap(s+1) tpaps

ap(s+1)tpaps

0+…+0in-3+

apn tpap(n-1)

apn tpap(n-1)

0+0i1+…0in-2+1j

tpapn

tpapn

(2)土地健康评价总指标n元联系数的确定

土地健康评价总指标n元联系数为:

     (式4)

式中: (式5)

式中:wp表示ri的第p个二级指标的权重,rpi表示第p个二级指标的联系数。

(3)元联系数主值及土地健康等级的确定

=r1+r2i1+r3i2++r(n-1)in-2+rnjn元联系数将[-1,1]区间(n-1)等分in-2 , in-1 ,,i2,i1从左至右依次取(n-1)个分点值及j=-1所得到n元联系数的值称为n元联系数=r1+r2i1+r3i2++r(n-1)in-2+rnj的主值

根据均分原则[-1,1]区间n等分,则从右至左每个区间依次分别对应C1C2  Cnn个等级,将得出的与各个等级对应的区间范围进行对比,即可得到土地健康评价等级,值越大说明评价等级越高土地利用系统越健康

2 应用实例

重庆都市区的范围包括渝中区大渡口区江北区南岸区沙坪坝区九龙坡区北碚区渝北区巴南区的全部行政区域。区域面积为5472.82km2,2011年末户籍总人口622.85万人,人口密度为1138/ km2随着1997年重庆成为我国第四个直辖市以及国家西部大开发进程的加快,重庆市都市区的经济社会发展取得了巨大的成就。但是在经济高速发展的同时,土地生态系统却受到了一定的破坏,土地质量退化,土地污染严重,影响了该区域土地资源的可持续利用。因此,通过科学可行的方法对该区域的土地利用系统健康状况进行评价并对存在的问题加以改进,对促进土地资源的可持续利用和社会经济可持续发展具有重要意义。

参考已有的相关研究成果,结合重庆市都市区社会经济发展的实际,从该区域土地利用系统结构、功能和效益三个方面构建评价指标体系[1],将各指标按实际数值分为5个等级(健康、亚健康、临界健康、不健康和病态等),其含义分别如下:健康,表示土地系统结构合理、功能正常,经济发展与资源、环境协调土地利用处于可持续发展状态;亚健康,表示土地利用结构合理,生态恢复力和服务功能一般,能抵御较轻的生态环境压力;临界健康,表示土地利用结构比较不合理,生态恢复力和服务功能一般,有明显的生态压力,经济发展与资源环境保护存在冲突;不健康,表示土地利用结构很不合理,生态恢复力和服务功能较差,有明显的生态压力,经济发展与资源环境保护存在较大冲突;病态,表示土地利用结构完全不合理,生态恢复力和服务功能很差,有明显的生态压力,经济发展与资源环境保护存在严重冲突[6]。并采用熵权法确定各指标的权重,如表2所示。

表2 重庆市都市区土地健康评价指标、分级标准及权重

 

评价指标

单位

分级标准

指标权重

健康

亚健康

临界健康

不健康

病态

系统结构指数

*土地多样性指数

-

>1.7

[1.65,1.7]

[1.6,1.65]

[1.55,1.6]

<1.5

0.04

居住用地比重

%

>15

[13,15]

[11,13]

[9,11]

<9

0.02

工业用地比重

%

<2.5

[2.5,3]

[3,3.5]

[3.5,4]

>4

0.02

交通用地比重

%

>2.5

[2,2.5]

[1.5,2]

[1,1.5]

<1

0.03

非农业人口比重

%

>75

[70,75]

[65,70]

[60,65]

<60

0.02

第三产业人口比重

%

>40

[35,40]

[30,35]

[25,30]

<25

0.03

第三产业占GDP比重

%

>55

[50,55]

[45,50]

[40,45]

<40

0.04

农业产值占GDP比重

%

>8

[6,8]

[4,6]

[2,4]

<2

0.01

系统功能指数

GDP年增长率

%

>30

[25,30]

[20,25]

[15,20]

<15

0.05

单位土地GDP

万元/hm2

>80

[60,80]

[40,60]

[20,40]

<20

0.06

城市化率

%

>90

[80,90]

[70,80]

[60,70]

<60

0.03

人均收入增长率

%

>8

[6,8]

[4,6]

[2,4]

<2

0.04

人均土地面积

hm2

0.7

[0.6,0.7]

[0.5,0.6]

[0.4,0.5]

<0.4

0.03

人均耕地

hm2

>0.05

[0.04,0.05]

[0.03,0.04]

[0.02,0.03]

<0.02

0.04

耕地年减少率

%

>4

[3,4]

[2,3]

[1,2]

<1

0.06

建设用地弹性增长系数

-

>6

[5,6]

[4,5]

[3,4]

<3

0.04

系统效益指数

亩均粮食产量

kg/亩

>2000

[1800,2000]

[1600,1800]

[1400,1600]

<1400

0.03

土地利用率

%

>99

[97,99]

[95,97]

[93,95]

<93

0.05

人均可支配收入

万元

>2

[1.8,2]

[1.6,1.8]

[1.4,1.6]

<1.4

0.05

恩格尔系数

%

<30

[30,34]

[34,38]

[38,42]

>42

0.06

人口自然增长率

<10

[10.12]

[12,14]

[14,16]

>16

0.02

就业指数

%

>99

[97,99]

[95,97]

[93,95]

<93

0.04

工业废水处理率

%

>95

[93,95]

[91,93]

[89,91]

<89

0.05

工业废气处理率

%

>98

[95,98]

[92,95]

[90,92]

<90

0.05

工业固废综合利用率

%

>85

[80,85]

[75,80]

[70,75]

<70

0.05

城市绿化覆盖率

%

>40

[36,40]

[32,36]

[28,32]

<28

0.04

*注:土地多样性指数:H=,Pi代表各类用地占总面积的比例,n为土地类型数。

根据重庆市都市区2005-2015年土地利用变更统计数据和重庆市统计年鉴,测算出土地利用系统健康诊断各评价指标的实际值,如表3所示。

表3. 2004-2014年重庆市都市区土地健康评价指标值

指标名称

2004年

2005年

2006年

2007年

2008年

2009年

2010年

2011年

2012年

2013年

2014年

土地多样性指数

1.606

1.609

1.613

1.636

1.643

1.631

1.641

1.675

1.680

1.683

1.696

居住用地比重

10.5

10.6

10.9

11.1

11.3

12.2

12.5

12.8

13.4

13.5

14.1

工业用地比重

2.8

2.7

2.8

2.8

3.1

2.9

3.2

3.3

3.3

3.5

3.6

交通用地比重

1.04

1.11

1.13

1.19

1.26

1.44

1.54

1.71

1.92

2.07

2.25

非农业人口比重

56.5

57.7

59.2

60.8

62.0

63.1

64.6

65.9

67.0

69.6

71.4

第三产业人口比重

23.5

23.9

25.6

27.2

26.2

27.2

28.7

31.6

33.1

33.7

35.2

第三产业占GDP比重

44.2

43.8

45.1

43.4

51.8

51.6

49.3

48.0

45.9

44.3

45.3

农业产值占GDP比重

6.6

5.9

5.1

5.4

4.7

3.7

3.2

3.0

2.3

2.2

2.0

GDP年增长率

16

23

18

21

46

17

18

22

33

20

25

单位土地GDP

9

12

16

19

24

28

33

40

53

64

80

城市化率

67

70

72

73

75

77

78

80

83

83

86

人均收入增长率

3.7

3.2

1.7

4.2

4.2

4.0

4.3

3.9

4.7

5.1

4.8

人均土地面积(hm2)

0.672

0.664

0.652

0.643

0.632

0.625

0.618

0.613

0.608

0.596

0.586

人均耕地(hm2)

0.041

0.039

0.037

0.036

0.034

0.032

0.031

0.030

0.030

0.028

0.025

耕地年减少率

2.71

4.24

3.87

3.35

2.99

5.88

1.17

2.42

1.73

3.29

2.58

建设用地弹性增长系数

3.93

5.10

4.89

4.62

5.00

4.46

3.09

3.35

3.88

4.42

4.38

亩均粮食产量

1271

1384

1504

1516

1557

1516

1652

1735

1700

1717

1662

土地利用率

92.4

92.8

93.2

94.3

94.3

98.0

98.1

98.1

98.3

98.3

98.4

人均可支配收入

1.11

1.15

1.18

1.20

1.25

1.31

1.36

1.54

1.70

1.82

1.98

恩格尔系数

44.3

40.7

43.2

42.6

38.3

40.1

37.0

39.1

37.7

36.4

34.2

人口自然增长率‰

12

18

14

18

10

12

8

8

18

13

18

就业指数

96.1

95.9

95.9

95.9

95.8

96.0

96.0

96.0

96.0

96.1

96.5

工业废水处理率

91.0

89.4

89.9

93.4

93.7

93.9

92.1

93.5

94.3

94.7

95.1

工业废气处理率

87.1

88.1

89.4

92.1

89.6

92.7

93.4

93.6

94.1

95.3

99.3

工业固废综合利用率

65.3

68.2

68.4

70.9

72.1

73.7

76.7

79.1

79.8

80.4

76.9

城市绿化覆盖率

26.1

26.8

28.5

29.7

31.4

32.8

33.2

37.4

38.7

40.0

41.2

注:表中数据源自重庆市统计年鉴和重庆市土地变更统计数据,部分指标通过统计数据计算得出。

本文从两个层次对重庆市都市区土地利用系统健康状况进行了不确定性评价,最终得到2004-2014年该区域土地健康等级。首先针对系统结构、系统功能和系统效益三个方面的各指标的实际值,结合指标的权重,用表1的计算方法和公式4,计算出这三个一级指标的五元联系数,再将一级指标对应项相加用式(4)(5)计算总指标的五元联系数。如2005年评价总指标的五元联系数为:=0.46+0.13i1+0.15i2+0.13i3+0.13j

由上式可以进一步看出0.46, 0.13, 0.15, 0.13, 0.13分别代表在综合指标意义上重庆市都市区2005年土地健康状况与五个级别的相关系数

根据均分原则[13],令i1=0.5, i2=0, i3=-0.5, j=-1,可得到总指标的综合评价联系数主值。同时将[-1,1]均分为5个部分:[0.6,1]、[0.2,0.6]、[-0.2,0.2]、[-0.2,-0.6]、[-0.6,-1]分别对应于土地健康状况5个等级:健康、亚健康、临界健康、不健康和病态等,由此可以得到2001-2011年重庆市都市区土地利用系统健康评价结果如表4。

表4 重庆市都市区土地利用系统健康评价结果

年份

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

2014

联系数主值

-0.006

0.145

0.183

0.285

0.332

0.378

0.423

0.420

0.472

0.515

0.529

健康等级

临界健康

临界健康

临界健康

亚健康

亚健康

亚健康

亚健康

亚健康

亚健康

亚健康

亚健康

从表4的评价结果可以看出,重庆市都市区2004-2014年土地利用系统健康状况不断改善,2004-2006年该区域的土地健康状况一直处于临界健康水平,从2007开始,土地健康状况有所好转,但仍然处于“亚健康”状态,有待进一步改善。

3 结语

基于土地生态文明的土地利用系统健康评价理论与方法研究还比较薄弱,本文在参考已有研究成果的基础上建立了城市土地利用系统健康评价的集对分析模型,该方法考虑了等级标准分界的模糊性避免了直接确定联系度中差异不确定系数概念清晰,结构简单计算简洁易操作通过定性分析与定量分析相结合把土地利用系统健康评价指标和等级标准作为一个系统进行分析通过实例证明可以对区域土地健康状况进行有效评价。

运用集约分析方法对土地生态系统健康状况进行评价既是集约分析法应用领域的拓展也是对土地利用系统健康评价方法的新探索通过评价得到的结果可以为生态文明视角下调整区域产业结构、集约利用土地和促进土地资源可持续利用提供科学依据。

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