郑州市县域土地可持续利用健康性评价

王 琦，何瑞珍

(河南农业大学风景园林与艺术学院，河南 郑州 450002)

土地利用系统是自然土地与社会经济系统之间物质与能量交换的集合。土地可持续利用对于维持人口—资源—环境—发展系统的正常运行有着重要影响[1]。近年来城市建设呈现出高速度、高强度、大尺度的发展特征，土地资源超载、土地资源利用配置不合理等问题亟待解决。为了更好地适应城市经济社会可持续发展要求，适时开展土地可持续利用评价，可对城市未来土地资源开发、规划及管理提供重要理论研究和实践指导。

近年来国内学者围绕土地可持续利用展开了较多的研究：评价体系方面有PSR模型[2-3]、DPSIR模型[4-5]、生态足迹模型[6-7]、绩效模型[8-9]，自然—经济—社会[10-11]评价方法方面有TOPSIS法[12-13]、主成分分析法[14]、变异系数法[15]、灰色关联法[16]、综合指数法[17]，障碍度模型[18]也逐渐引入土地可持续评价框架中。单一指标如经济发展[19]、城镇化水平[20]与土地可持续利用水平的耦合研究较为常见。目前耦合协调研究形式主要为两两耦合，土地可持续利用内部子系统耦合协调研究较少，同时，土地可持续利用评价实证区域过于单一化，未能揭示不同地区健康性及子系统互动发展的空间分布特征。

在充分借鉴现有研究方法和实证经验的基础上，基于PSR模型构建郑州市土地可持续利用评价体系，采用2010年和2017年两期相关截面数据，利用AHP-熵权法对郑州市15个区县进行对比分析，揭示可持续利用水平时空分异特征、主要障碍指标以及障碍子系统，并对土地可持续利用体系中压力、状态、响应三大子系统耦合协调关系进行实证，以期为郑州市不同区县土地资源可持续利用提供更为科学、具体的理论指导。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

郑州市位于河南省中部偏北，东经112°42′～114°13′ ，北纬34°16′～34°58′。地势西高东低，西部多山地丘陵，东部为广阔的黄淮平原。郑州市属北温带大陆性季风气候，年均降雨量640.9 mm，主要集中在夏季。年均温14～14.3 ℃。土壤类型以潮土、风砂土、褐土为主。研究范围包括主城区(中原区、二七区、管城回族区、金水区、上街区、惠济区)，新郑市，登封市，新密市，巩义市，荥阳市，中牟县，郑东新区，经开区，航空港区。研究区面积共7 563.64 km2。另外，在本项研究中，高新区整合进中原区作为一个评价单位。

1.2 数据来源

1)统计数据：郑州市统计年鉴、全国第二次土壤普查数据，郑州市年均降雨量资料。

2)影像数据：郑州市DEM、行政区划图，河南省1∶100万土壤图，郑州市土地利用现状图及Landsat TM/ETM遥感影像。

1.3 PSR评价指标体系

土地可持续利用评价是以整个土地利用系统为评价对象，对特定时刻、特定区域的自然生态要素和社会经济要素进行的综合诊断评价。PSR模型是近年来发展较为成熟的评价指标分类方案，用于评估土地资源利用与可持续发展。考虑到县域尺度上指标数据获取的可操作性及体系构建的完备性，遵循科学性、区域性、前瞻性等原则[21]，最终确定由3大子系统、12个领域、25项指标构成的评价指标体系(表1)；参考姜长军[22]相关研究成果，将健康性分为病态、不健康、临界状态、亚健康、健康5个等级(表2)。

表1 土地可持续利用评价指标体系Tab.1 Evaluation index system of sustainable land use

表2 土地可持续利用健康性等级标准Tab.2 Health grade standard of sustainable land use

1.4 数据处理

1.4.1标准化处理指标数据矩阵

假设评价指标为Ai,共有i个指标(i=1,2,...,25)，评价对象为Bk,共有k个对象(k=1,2,…,15)。假定各项指标标准化后的值为Xik。

当评价指标为正向指标时：

(1)

当评价指标为反向指标时：

(2)

其中，Xik表示第k个评价对象的第i个指标值。

1.4.2求取选定指标的信息熵

假设第i个指标的信息熵为Yi。

(3)

其中，规定当Cik=0时，Cik× lnCik=0。

(4)

1.4.3计算选定指标的权重

假设第i个指标的权重为Zi。

(5)

利用AHP-熵权法综合确定权重。采用总偏差平方和最小的优化组合方法，假设AHP权重为Ui，熵权法权重为Vi,综合权重为Wi。

(6)

假设σ为AHP[23]权重系数，(1-σ)为熵权法权重系数，那么Wi=σUi+(1-σ)Vi，其中，σ∈[0,1]。联合求解上述两式，得出

Wi=0.5Ui+0.5Vi

(7)

1.5 障碍诊断

利用障碍度模型，找出影响研究区土地可持续利用健康性提升的最大障碍指标与障碍系统，为土地资源整治提供更具针对性的数据参考。Dik为障碍度，表示第k个评价对象 (K=1,2,…,15)的第i个评价指标(i=1,2,…,25)对土地可持续利用健康性的影响程度。

(8)

1.6 耦合协调分析

耦合度表示系统之间相互作用的强弱。为了能够分析系统间整体的协调情况，引入了耦合协调模型计算土地可持续利用中压力、状态、响应子系统之间耦合协调程度。

E=3[G1G2G3/(G1+G2+G3)3]1/3

(9)

T=αG1+βG2+γG3

(10)

F=E×T

(11)

假设E为耦合度，G为各子系统健康性，T为系统综合健康性，其中α、β、γ为待定系数且三者之和为1。根据已求得各子系统权重，将三者设置为α=0.28、β=0.26、γ=0.46，F为协调耦合度。借鉴代碧波[24]研究成果，将耦合协调度分为10个等级(表3)。

2 结果分析

2.1 土地可持续利用健康评价

2010年和2017年郑州市土地可持续利用健康等级集中在不健康、临界状态和亚健康3个区间(图1)，不健康区县比例由33.3%降至13.33%，临界状态区县比例由66.7%升至80%，亚健康区县比例由0升至6.67%，二七区、经开区、新郑市、航空港区健康性好转，其他区县持平；大部分区县仍处于临界状态，土地可持续利用健康性有明显改善，但并未达到健康水平。从空间分布特征来看，主城区土地可持续利用健康性明显低于外围地区，且呈现由主城区到外围地区逐渐提升的态势。紧邻主城区的新郑市土地可持续利用水平优于周边地区，这与其用地结构及合理投资有一定的关系，主要表现在农业相对发达，且教育投资、退耕政策响应较为到位。

图1 土地可持续利用健康等级空间分布Fig.1 Spatial distribution of health grade of sustainable land use

压力子系统健康性主要集中在不健康、临界状态和亚健康3个等级，73.33%的县区压力子系统健康等级好转，20%持平，6.67%恶化，表现出临界状态—亚健康发展趋势，压力子系统健康整体水平明显好转，呈现出“主城区高，外围区县低”的空间分布特征。状态子系统健康性主要集中在不健康、临界状态、亚健康和健康3个等级，73.33%持平，20%恶化，发展趋势基本不变。状态子系统健康性变化不大，空间上主要表现为2010年和2017年上街区、中原区均处于亚健康状态，新密市处于不健康状态。响应子系统健康性主要集中在病态、不健康、临界状态、亚健康4个等级，46.67%的县区响应子系统健康等级好转，20%持平，33.33%恶化，整体发展趋向临界状态，响应子系统健康性均质化。空间上主要表现为“主城区及周边区县高，外围区县低”的分布特征。

2.2 土地可持续利用障碍诊断

2010年和2017年郑州市压力子系统中最大障碍指标主要为人均地区生产总值(i8)和城镇化率(i4);状态子系统中最大障碍指标主要为单位面积经济作物总产量(i16);响应子系统中最大障碍指标主要为退耕还林投资占比(i20)和平地旱地占农地面积比重(i23);土地可持续利用主要障碍指标为退耕还林投资占比(i20)和平地旱地占农地面积比重(i23)。与2010年相比，2017年以退耕还林投资比重为最大障碍因素的区县比例由73.3%降至46.7%，障碍度均值由22.66%降至16.21%；以平地旱地占农地面积比重为最大障碍因素的区县比例由26.7%升至53.3%，障碍度均值由15.37%升至18.87%。平地旱地占农地面积比重对于土地可持续利用的影响程度逐渐超过退耕还林投资占比。最大障碍指标为平地旱地占农地面积比重的区县主要分布于西南地区，且呈向东北扩张的趋势(表4)，最大障碍指标为退耕还林的区县数量变少，可见政府在退耕还林方面投资效果显著。

表4 各区县土地可持续利用最大障碍因素及障碍度Tab.4 Main obstacle factors and degree of sustainable land use in each district and county %

2010—2017年，中原区、上街区、惠济区等12个区县最大障碍子系统未改变。二七区、管城区最大障碍子系统由压力变为响应，郑东新区则由响应变为压力。响应子系统障碍度下降，说明政策响应投入较为到位，但仍需加大投资力度、加强政策调控。与2010年相比，2017年以响应为最大障碍子系统的区县比例由53.33%升至66.67%，以压力为最大障碍子系统的县区比例由26.67%降至20%，以状态为最大障碍子系统的县区比例不变。主要障碍子系统由压力、状态向响应子系统转变。且呈现“东西部状态，中部压力、响应”的空间格局。

2.3 耦合协调分析

耦合协调度结果(表5)表明，郑州市15个区县各子系统耦合协调类型以初级协调、勉强协调、濒临失调为主。2010年，中原区等6个区县勉强协调，中牟县等5个区县初级协调，二七区、管城区、金水区濒临失调，仅经开区轻度失调。2017年勉强协调的区县个数下降为4个，分别是中原区、二七区，经开区和航空港区；管城区与金水区濒临失调；上街区等9个区县初级协调。各子系统耦合协调整体呈现良好的发展趋势，与健康性评价结果一致。从空间分布特征来看，耦合协调度呈现出“主城区高，周围区县低”的空间分布特征，且这一变化在2017年得到好转，各区县耦合协调度均质化。

表5 2010年和2017年子系统可持续利用健康性耦合协调度Tab.5 Health coupling coordination of subsystem sustainable utilization in 2010 and 2017

2017年，初级协调区县包括上街区、惠济区、中牟县等外围周边地区，各子系统健康性相互抑制但融合共生。勉强协调区包括中原区、二七区、经开区、航空港区，各子系统勉强协调，偶尔出现不可调和的矛盾。濒临失调区包括管城区与金水区，各子系统容易出现不可调和的矛盾，土地可持续利用反馈机制更容易受到外界干扰。

2010年和2017年主城区主要呈现响应子系统滞后的耦合协调特征，外围区县主要暴露出状态子系统滞后的特征。且响应子系统滞后的区县范围扩大，压力子系统滞后的区县范围缩小。这两种发展特征有所区别的根本原因在于主城区人口城镇化速度远超土地城镇化速度，土地承受压力徒增，土地状态短时间内变化程度较小，同时土地响应在时间上滞后于土地开发，从而造成系统压力、状态、响应三者的不相适应。

3 结论与讨论

3.1 结论

通过构建郑州市土地可持续利用健康评价模型，对郑州市2010年和2017年各区县可持续利用健康等级、障碍指标、障碍子系统及各子系统耦合协调度进行研究，得出以下结论：

1)2010年和2017年郑州市整体水平呈现好转趋势，土地状态得到改善，但并未达到健康等级。2010年不健康地区包括二七区、金水区、管城区、经开区和航空港区，其余为临界状态区县。2017年不健康区县包括金水区和管城区，亚健康区县包括新郑市。主城区土地可持续利用健康性明显低于外围地区，且呈现由主城区到外围地区逐渐提升的态势。压力子系统表现出临界状态—亚健康发展趋势，健康整体水平明显好转，呈现出“主城区高，外围区县低”的空间分布特征。状态子系统发展趋势基本不变，健康性变化不大。响应子系统整体发展趋向临界状态，健康性均质化，主要表现为“主城区及周边区县高，外围区县低”的空间特征。

2)时间上看，退耕还林投资占比、平地旱地占农地比重是郑州市各区县土地可持续利用主要障碍指标，且2010—2017年这一特征未发生明显变化。空间上看，位于西南方位的巩义、登封、新郑、新密4个区县以平地旱地占农地比重为最大障碍指标，其余区县则为退耕还林投资占比。与2010年相比，2017年以平地旱地占农地比重为最大障碍指标的区县占据整个西部地区，以退耕还林投资占比为最大障碍指标的区县范围明显缩小。郑州市自2002年度实施退耕还林工程以来成效显著，工程主要分布在登封、巩义、新密、荥阳、新郑、中牟、惠济、上街和二七等9个区县，与本次评价结果比对发现，上街、惠济、中牟等区县应继续稳步推进退耕还林工程，林木管理在提高生长量、增加经济效益方面起着至关重要的作用, 今后应加大森林抚育管理经费投入。

3)各子系统障碍度分析表明，2010—2017年郑州市土地可持续利用主要障碍子系统由压力、状态向响应子系统转变。郑东新区、巩义市、登封市等区县的压力子系统障碍度，荥阳市、航空港区等区县的状态子系统障碍度和中原区、上街区、新密市等区县的响应子系统均呈现增长趋势。金水区、中牟县三大子系统障碍度同时呈现增长趋势。郑州市整体呈现由“东西部状态，中部压力、响应”的空间格局。各区县应结合当地发展实际，及时调整相关政策及响应措施，建立预警系统，通过控制响应子系统达到改善土地压力和状态的目的。

4)时间上看，2010—2017年郑州市各区县压力、状态、响应三大子系统耦合协调度以保持稳定和波动上升为主。空间上看，郑州市三大子系统可持续利用健康性耦合协调度呈现“主城区高，周围区县低”的空间分布特征，同时各区县发展制约系统各有差异，主城区及周边区县属响应滞后型，外围区县属压力、状态滞后型。从时空分布特征来看，三大子系统健康性耦合协调度提升，但演进速度较缓慢，需各区县根据自身情况突破薄弱环节，进而实现区域系统压力、状态、响应协调稳定发展。

3.2 讨论

基于PSR模型评价郑州市土地可持续利用，可以客观反映各子系统、评价指标与综合水平之间的关系，适用于县域土地可持续利用评价。压力、状态、响应三大子系统耦合协调关系的研究突破了以单一地区为分析单元和两两耦合关系为研究内容的局限性。在研究过程中仍发现以下问题与不足：

1)PSR模型提供了有效的指标分类方案，但由于数据获取来源较为片面，个别指标无法获取，只能用其他指标替代。同时，评价指标的选取主要来源于以社会经济数据为主的统计年鉴，除现有水土流失、土壤营养及地形、地质等常见基础指标外，还可以考虑增加土地生态风险、土地质量等相关指标，以丰富评价体系。

2)土地可持续利用健康性等级分级标准尚未统一，评价结果不够客观全面；在评价指标权重赋值过程中，熵权法是根据基础资料数据本身特征处理而得到权重，由不同年份数据计算所得权重不同，评价指标权重未统一标准。

3)受土地评价单元个数限制，基于空间统计学的空间自相关性研究未能展开，土地可持续利用健康性空间分布特征研究略显单薄，在未来研究中可以尝试将洛阳、开封、许昌等城市纳入研究范围。针对以上问题，还需在今后的研究中继续深入探索。