基于灰色关联投影模型的长沙市土地利用多功能性评价

戴媛媛， 朱 翔， 贺清云， 欧阳晓

(湖南师范大学 资源与环境科学学院， 长沙 410012)

土地是经济社会发展的基础性要素，随着社会经济的快速发展，人类在土地上进行的各类活动导致了土地的不同利用情况，土地利用多元化趋势成为发展的必然。多功能性概念始于农业、生态系统产品和服务的研究[1]，土地利用与多功能性概念的联系缘起于全球土地计划(Global Land Project, GLP)[2]，最后延伸到了土地利用领域的研究[3-4]。土地利用功能(Land use functions, LUFs)是指不同土地利用方式所提供的产品和服务，土地利用多功能性研究作为土地可持续利用研究的基础工作，成为目前学术界关注的热点问题[5-6]。

国外对土地的多功能性利用的研究侧重于内涵与理论研究[7-8]，国内则侧重于实证与应用研究，运用了较多的定性定量研究方法对各个地区的土地利用多功能性进行测定和评价，包括综合指数法[9-10]、改进突变级数法[11]、灰色关联投影模型[12]、全排列多边形综合图示法[13-14]、模糊综合评价模型[15]、熵权TOPSIS模型[16]等。灰色关联投影模型通过评价样本在理想样本上的投影值大小反映各评价样本与理想样本间的接近程度，具有客观接近实际的优势[17]，其在土地生态安全评价[18]和生态系统健康[19]等有关生态方面得到了较多应用，但在土地多功能性评价方面的应用较少。基于此，本文在相关研究的基础上，以湖南省土地功能快速变化的典型区域——长沙市为研究对象，尝试性地运用灰色关联投影法，系统地研究长沙市土地利用多功能性，并为进一步土地的可持续性利用提供决策支持。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

长沙市是湖南省的省会，地处东经 111°53′～114°15′，北纬 27°51′～28°41′之间，位于湘中偏东北，湘江下游，洞庭湖以南，气候温和，降水充沛。区内地貌类型多样，山地、丘陵、岗地、平原比例分别为 30.70%、19.30%、28.60%、21.40%。研究区域为长沙市行政管辖区域，包括芙蓉区、开福区、雨花区、天心区、岳麓区、望城区、长沙县、宁乡县、浏阳市，总面积 11 815.96 km2，农用地 10 012.84 km2，占土地总面积 84.74%，其他土地 460.82 km2，占土地总面积 3.90%，建设用地 1 342.29 km2，占土地总面积11.36%，也即土地开发强度仅为11%左右，表明长沙市仍有较大的发展空间[20]。

近年来，长沙市正逐步成为“中部崛起”的战略支撑点和“泛珠三角”区域的新兴增长极，发展潜力巨大，2018年实现地区生产总值(GDP)11 003.41亿元，比上年增长8.5%，远高于全国增速，城镇化率达79.12%，高出全省平均水平23.1%。作为“3+5”城市群和长株潭城市群“两型社会”建设综合配套改革试验区的核心城市，长沙市经济和人口快速增长，土地利用结构发生了巨大的变化，大量农用地转为城乡建设用地，用地结构发生巨大调整，由此引发的土地利用功能变化亟待关注。进行土地利用分类研究，由此促进土地节约和集约利用、保护生态建设、保障经济社会健康发展，意义巨大。

1.2 数据来源

本研究涉及的基础数据主要源自《湖南省统计年鉴》(2007—2017年)、《长沙市统计年鉴》(2007—2017年)、《长沙市国民经济和社会发展统计公报(2007—2017年)》以及长沙市统计局的统计指标，部分指标数据由相关基础数据整理计算而得。

2 研究方法

2.1 构建区域多功能性指标体系

土地利用的评价是根据具体的利用目的对土地的实用性生产潜力和经济效果进行分级评价[21]，对土地利用多功能性的评价是指土地资源在利用的过程中不仅要符合土地资源的可持续利用和生态、经济、社会系统的发展要求，还要看土地利用的多项功能的最终效益能否符合人类社会长期可持续发展的目的[22]。土地利用与自然环境、人类社会发展状况、经济技术发展水平相互作用，合理、科学、全面的评价土地的多功能利用状况，需要构建“经济—生态—社会”三维土地利用多功能性评价指标体系[23]。本文在综合分析长沙市土地利用状况的基础之上，根据FAO颁布的《可持续土地利用评价纲要》，借鉴已有研究成果[1,14]，依据指标数据的科学性、综合性及可获得性原则，把土地利用功能分为3类，并选取了21项指标：经济功能，包括农业生产功能(粮食单产、人均畜牧产品产出量)、交通功能(公路密度、旅客周转量占全国的比重、货运周转量占全国的比重)、经济增长功能(经济密度、固定投资总额、第二三产业的比例、房地产产值占比)；生态功能，包括资源供给功能(地均水资源量、森林覆盖率)、维持生态平衡功能(单位耕地化肥施用量、废污水排放强度、工业固体废物产生强度)；社会功能，包括居住家园功能(人口密度、城市人均居住面积)、社会保障功能(城镇失业率、恩格尔系数、农民人均可支配收入)、文化休闲功能(城市人均园林绿地面积、文教娱乐服务支出占家庭消费支出比重)[24-26]。

2.2 确定指标初始权重

熵值法能够深刻反映出指标提供的信息量和指标信息熵值的效用价值，研究思路与土地多功能评价的机理十分相似，即影响土地多功能性评价的主要因素也是指标中变化程度大的因素[14]。本文选择熵值法来确定目标层、子目标层和准则层的指标权重，测算结果如表1所示。

表1 长沙市土地利用多功能性评价指标体系

2.3 灰色关联投影评价模型的建立

灰色关联投影法是从矢量投影的角度探讨多目标决策问题的新方法，能全面准确的反映各评价样本与理想样本之间的接近程度[27]。因此，本文建立了土地利用多功能的灰色关联投影评价模型。建模步骤如下[14,19]。

第1步：数据序列的初始化。选择目标标准化的方法实现数据序列的初始化。所依据的标准值是以长沙市的区域本底背景值为基础，参考国家、地方和行业相关标准，结合全国平均水平或国内最大值进行确定的(如表2)。

(1)

式中：Yij为第i年第j项指标的标准化值，Xij为第i年第j项指标的原始值，Xoj为第j个评价指标的标准值(理想值)。

表2 长沙市土地利用多功能评价指标标准值

第2步：计算灰色关联系数。定义理想样本为Yoj=1，并以Yoj为参考序列，以Yij为比较序列，进一步得到评价样本与理想样本的灰色关联系数rij：

(2)

式中：λ∈(0，1)称为分辨系数，一般取λ=0.5。

第3步：计算灰色关联投影值。每个评价样本Ai与理想样本A*之间的夹角θi为灰色关联投影角。令ei=cosθi，则：

(i=1,2,…,n)

(3)

(4)

计算各评价样本灰色关联投影值，得出各年份土地利用功能水平的综合评价。

2.4 土地利用多功能性评价

1)功能实现率。采用功能实现率(r)等于研究区域某一年份的土地利用功能值与理论最大值之间的比率(r≤1)[12-14]。其中，功能实现率r<0.5，功能水平为低度持续；0.5≤r≤0.8，功能水平为中度持续；r>0.8，功能水平为高度持续。

2)功能变化动态度。用功能变化动态度(d)表示不同年份土地利用功能的相对变化程度[14,27]。其中，d>30%，变化类型为快速提高；0

(5)

式中：d为功能变化动态度(%);Ti+1及Ti分别表示i+1年份及i年份某类土地利用功能值。

3)功能标准差。采用功能标准差测度土地利用各功能之间的差异，反映各功能间的协调性，σ越小，土地利用各功能间的协调性越强；反之，各功能间的协调性越弱[27-29]。

(6)

4)功能变化优势度。采用功能变化优势度表征一定时期内土地利用功能变化差异性[27-29]。s越大，土地利用功能变化差异越大，土地利用越趋于单一；反之，土地利用越趋于多元化。

s=|d|max/∑|d|

(7)

式中：s为功能变化优势度，|d|max为动态度绝对值的最大值，∑|d|为动态度绝对值的和。

3 结果与分析

3.1 土地利用功能总体变化分析

1)从土地利用总功能来看，近11年来长沙市的土地利用功能整体趋好，且前期提升缓慢，后期发展速度有所加快。2007—2011年间长沙市土地利用功能实现率增长极缓，但2011—2014年、2014—2017年间功能实现率提升速度显著加快，实现率上升明显。同样，长沙市土地利用功能变化动态度在2007—2011年可忽略不计，但在2011—2014年、2014—2017年间增长显著，整个研究期间动态度高达26.65%，表明土地功能变化整体缓慢提高且在功能实现方面也呈现出良性增长的趋势。见表3、表4。

2)从子功能来看，近11年来经济、生态及社会功能均得到不同程度的提升。经济功能始终保持在中度持续状态，生态功能和社会功能水平保持在高度持续状态。把研究时间分为三阶段来看，三大功能一直保持在缓慢提高阶段，但从整个研究期来看，生态功能和社会功能处于快速提高状态，表明社会功能与生态功能发展较为优异但三大子功能之间的差异不断缩小。2007年、2011年、2014年、2017年长沙市土地利用子功能标准差波动缩减，功能变化优势度逐渐上升，表征近十年来长沙市土地利用各子功能之间的协调性逐渐增强，但土地利用类型趋于单一化。见表3、表4、表5。

3)从单项功能来看，近11年来各功能少部分波动变化，大部分功能良性发展。在功能持续水平中，各功能发展状况良好，资源供给功能、居住家园功能和文化休闲功能在后期达到高度持续水平，社会保障和交通功能提升至中度持续状态，其他各功能均保持在稳定的中度持续水平。在功能变化度中，除了农业生产功能和维持生态平衡功能有所退化，其他功能发展趋好，其中社会功能的三项单项功能和经济功能的交通功能和经济增长功能均快速提高，其他功能均在研究后期达到缓慢提高状态。最后，由图五可见单项功能的发展趋于多元化且相互间协调发展。见表3、表4、表5。

表3 长沙市土地利用功能实现率及功能水平类型

表5 长沙市土地利用功能标准差及变化优势度

3.2 各项土地利用功能变化分析

1)经济功能。近年来长沙市经济社会快速发展，主要经济指标总量和增速走在全国、全省前列，11年间经济功能实现率由0.546上升至0.687，呈不断增长且速度逐渐加快的态势。随着城市空间范围的拓展，大量农用地转为城乡建设用地，全市粮食产量由268.38万吨下降至247.41万吨，畜牧产品产量同样下降明显，农业生产功能缓慢退化。长沙市依托其国家级综合交通枢纽城市的定位，交通建设不断加快，11年间公路密度不断上升，货运、旅客周转量占全国的比重大幅增长，交通功能进入快速提高阶段。随着2011年以后长沙楼市的波动与严控，房地产产值占比出现了较大幅度的下降，受其影响全市经济增长功能由中度持续降至低度持续水平，但全市整体的经济增长功能缓慢提高，发展良好。见表3、表4。

2)生态功能。近11年长沙市生态功能实现率保持在0.8左右且缓慢上升。长沙市生态资源丰富，生态基础扎实，且湖南省从2013年开始施行长株潭城市群生态绿心保护条例后，长沙市作为城市群核心城市受益良多，全市资源供给功能由缓慢退化进入缓慢提高阶段10年间地均水资源量由7 150.89 m3/hm2上升至10 351.219 m3/hm2，森林覆盖率同期稳步提升。2007—2017年长沙市维持生态平衡功能变化动态度波动较大，发展严峻，近些年长沙进入“两型社会”建设，大力转变经济发展方式，推行污染治理刚性化，前期增幅较大的化肥施用量、废污水排放量和固体废物产生量在研究中期呈上升趋势，但近期又有所下降趋好发展，应保持环保政策实行的稳定性与连贯性，维持较好的生态平衡功能。见表3、表4。

3)社会功能。近11年来长沙市土地利用社会功能实现了快速增长，经历了由缓慢提高到快速提高两个阶段。长沙市经济发展对人口的吸引力增强，城市人口快速增长，城镇化进程的不断推进，11年间人口密度由552.41人/km2增长至670.117人/km2。由于长沙实行严格的房地产调控政策，保持土地供应政策，城市人均居住面积大幅度上升，居住家园功能持续提高。经济水平与科技水平的提升推动全市社会快速发展，较高的第三产业发展水平，居民人均纯收入快速增长，城镇失业率和恩格尔系数不断下降，长沙市社会保障水平得到稳定发展。翻修新省博物馆、修建三馆一厅、举办各类文化旅游节，2009—2015年间规划修建了多个社区公园等多项措施使得长沙文化休闲功能得到快速提升，连续多年被评为“最具幸福感城市”。见表3、表4。

4 结论与讨论

总体而言，2007—2017年间，长沙市土地利用总功能波动上升，由前期的缓慢退化到后期的缓慢提升，功能类型日趋完善和多元化，且各功能之间的协调性不断增强；社会功能的提高程度高于经济和生态功能，社会功能的子功能在整个研究时期均处于快速提升状态，也可表明社会功能对土地利用多功能性贡献最大；单项功能的波动较大且波动幅度相异，农业生产功能呈持续缓慢退化趋势，维持生态平衡功能在缓慢退化与缓慢提高间波动，经济和生态功能的其他各项子功能均表现良好，处于缓慢提高状态。

本文运用灰色关联投影模型对近十一年长沙市的土地利用多功能性进行了评价，灰色关联模型通过对系统中多统计数据列的几何关系分析其关联程度，能比较客观的反映指标数据的整体变化趋势，具有规范性和无关因素相对独立性等特点，因此本文研究结果具有一定客观与准确性。但本研究主要建立在时间序列尺度上的研究，空间上的研究稍有不足，可对长沙市各区分别进行研究，比较不同分区的各个功能的，得出各个分区的有差异的评价结果更有实践价值，也更方便因区施测。其次，相对不同的发展时期和不同地区，土地利用程度和表现均有差异，本文借鉴前期研究成果建立三维评价体系选取指标，囿于现有研究水平的不足，还有进一步值得改进深化和完善的地方，使得所取指标更全面地反映土地的多功能利用。最后，用来运算的标准值，部分选取的规划报告所选择的预测值，但规划预测值本身的科学性值得考究，进而可能影响本研究的科学性，标准值的选取上有待商榷。