基于改进TOPSIS 法的绥化市土地利用结构合理度时空研究

赵淑娟，赵 纤，纪天赐，杨惠贤

（绥化学院农业与水利工程学院，黑龙江绥化 152061）

土地是人类赖以生存和发展的基础，只有合理利用土地才能够为人类生存提供保障。不同土地利用类型之间是相互影响和相互制约的，土地利用类型和结构的改变影响土地利用合理性，对土地利用结构合理性评价是优化土地利用的重要手段。目前，对于土地利用结构合理性的评价方法较多，例如区间直觉模糊法、灰色关联法、最优线性规划法、景观生态学理论、系统动力学方法、空间洛伦茨曲线、分形理论和传统的TOPSIS 法等［1-14］。TOPSIS 法属于多属性决策方法，对评价对象与理想化目标的接近程度进行排序并进行相对优劣的评价，客观反映土地利用结构的动态变化［1］。传统的TOPSIS 法在确定评价指标权重因子时主观性较强，影响判断矩阵的有效性，使评价结果不够准确。为准确和客观评价土地利用结构合理性，本研究采用改进的TOPSIS 法，利用熵值法确定指标权重，计算土地利用结构的合理度并对土地利用结构合理度和土地利用类型相关性进行分析，借助系统聚类法对2011 年黑龙江省绥化市各县市土地利用结构合理度进行归类，为今后绥化市土地结构优化和合理利用提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

绥化市位于黑龙江省中南部，地处松嫩平原北端，小兴安岭西麓，地势东北高、西南低；属中温带大陆性季风气候，季节变化明显，有松花江和呼兰河两大水系；总面积3.5 万km2，土地集中连片，土壤以黑土、黑钙土、草甸土、暗棕壤为主。绥化市地处寒地黑土核心区，素有“黑土明珠”和“北国大粮仓”的美称，2020 年绥化市总人口375.62 万人，下辖安达市、肇东市和海伦市3 市以及望奎县、兰西县、青冈县、明水县、绥棱县和庆安县6 县，城市化率为44.36%，三次产业结构为48.7∶11.3∶40.0。其土地利用特点主要表现为：一是耕地比重大且分布集中，土壤自然肥力较高；二是建设用地需求量大，土地利用集约利用程度较低，人地矛盾突出；三是水土流失、草原退化和碱化现象较严重。

1.2 数据来源

本研究所用数据来源于《绥化市土地利用总体规划（2006—2020 年）》《绥化市统计年鉴》（2010—2019 年）和《绥化市国民经济和社会发展统计公报》（2010—2019 年），数据时间跨度为10 年，基本上能够反映土地利用变化的趋势。参照中国自然资源部《全国土地分类》的分类体系，选取8 个二级土地利用类型进行计算分析，但考虑到数据的可获得性和绥化市农业地域特点，在此基础上略做调整，考虑到绥化市现代农业的发展对设施农业用地的需求，把其他农用地调整为设施农业用地，第一类是农用地，包括耕地、园地、林地、草地、设施农业用地；第二类是建设用地，包括交通水利用地和城乡建设用地；第三类是未利用土地，包括自然保留地。绥化市2010—2019 年土地利用变更数据具体见表1。

表1 绥化市2010—2019 年土地利用变更数据（单位：hm2）

2 改进的TOPSIS 法

2.1 数据标准化处理

为使评价指标间具有可比性，需要对评价指标进行无量纲化处理。评价指标分为效益型指标和成本型指标两类［2］，其中已利用土地是效益型指标，未利用土地是成本型指标，计算公式如下。

式中，Yij为标准化值，Yj为第j项指标值，Ymax为第j项指标的最大值，Ymin为第j项指标的最小值。

2.2 熵值法计算权重

熵值法是一种客观评价指标权重的方法，熵值可以表示评价指标的离散程度，熵值越大对综合评价的影响越大。

第j项指标下第i个指标占该指标的比重（Pij）计算公式如式（3）所示。

第j项指标的熵值（dj）计算公式如式（4）所示。

其中，k=1/ln(n)

各项指标的权重（Wj）计算公式如式（5）所示。

2.3 建立多属性决策矩阵

2.4 确定正、负理想解

确定正、负理想解M+i和Mi，计算公式如下。

式中，j+为效益型指标集合，j-为成本型指标集合。

计算各年份的指标向量到正、负理想解的欧式距离，计算公式如下。

式中，J+为正理想解的欧式距离，J-为负理想解的欧式距离。

2.5 计算土地利用结构合理度

建立评价方案的（Ji+，Ji-）二维数据空间，设点A（min（Ji+），max（Ji-））为最优理想参照点，计算各方案与该点之间的相对距离（B）i［1］，计算公式如下。

式中，Bi越小，表示评价指标距离最优理想参照点越近，评价方案越理想；Hi为土地利用结构合理度，Hi越大，表明土地利用结构合理性越好。

2.6 土地利用结构合理度和土地利用类型相关性

利用SPSS 25.0 软件对绥化市土地利用结构合理度和土地利用类型进行双变量相关分析。

3 结果与分析

3.1 评价指标的权重和正、负理想解分析

由表2 可知，对绥化市2010—2019 年土地利用类型影响最大的评价指标为城乡建设用地，其次为草地，最小的为林地。从理想解的数值来看，自然保留地的正理想解为0.000 0，负理想解为0.112 1，其他土地利用类型的负理想解为0.000 0，正理想解由评价指标的权重确定。

表2 2010—2019 年绥化市土地利用类型评价指标的规范化决策矩阵与正、负理想解

由于绥化市2011 年发布《绥化市土地利用总体规划（2006—2020 年）》，同时2011 年绥化市各县市土地利用类型各指标数据齐全，能够说明各县土地利用情况，因此选取2011 年分析各县市土地利用结构的合理性。由表3 可知，2011 年对绥化市各县市土地利用类型影响最大的评价指标为自然保留地，其次为交通运输用地，最小的为园地。从正、负理想解的数值来看，自然保留地的正理想解为0.000 0，负理想解为0.100 3，其他土地利用类型的负理想解均为0.000 0，正理想解由评价指标的权重确定。

表3 2011 年绥化市各县市土地利用类型评价指标的权重与正、负理想解

3.2 土地利用结构的合理性分析

由表4 可知，绥化市2010—2019 年土地利用结构的正、负理想解的欧式距离和合理度都在一个比较小的范围内变化。总体上看，绥化市2010—2019年土地利用结构合理度均在90%以上，其土地利用结构合理度较高，2017 年土地利用结构合理度最高，为100.00%，2010 年土地利用合理度最低，为92.91%。土地利用结构合理度随时间呈波动变化状态，2010—2013 年为持续增长阶段，2014 年略有下降，2015—2017 年继续增长，在2017 年达最高，2018 年有明显下降，2019 年又有所增长。绥化市2010—2019 年土地利用结构的变化主要表现为城乡建设用地和交通水利用地面积的持续增加，林地、园地、自然保留地面积整体减少，耕地、草地和设施农业用地面积呈波动变化。土地利用结构合理度在2014 年有小幅度降低，是因为2014 年绥化市耕地、园地、林地、草地、设施农业用地和自然保留地都有一定程度的减少，城乡建设用地和交通水利用地都有所增加，使得土地利用合理度降低。2018 年土地利用结构合理度又有一定程度的降低，是因为绥化市人口流失严重，第六次全国人口普查绥化市人口为541.81 万人，第七次全国人口普查总人口为375.62 万人，与第六次全国人口普查数据相比，人口减少了166.19 万人，出现了人少地多的情况，人均道路用地面积和城乡建设用地面积都高于标准值，人均用地水平偏高预示着城市土地利用不合理。

表4 2010—2019 年绥化市土地利用结构合理度

由表5 可知，2011 年绥化市各县市土地利用结构的正、负理想解的欧式距离为0.003 1~0.240 3，正、负理想解的欧式距离变动范围较大，说明各县市土地利用状态有差异；土地利用结构合理度为95.20%~98.85%，合理度在比较小的范围内变化。总体上看，2011 年绥化市各县市土地利用结构的合理度均在95%以上，其土地利用结构合理度较高，青冈县土地利用结构合理度最高，为98.85%，明水县土地利用结构合理度最低，为95.20%。安达市畜牧业发达，草原面积广大，是世界三大优质草场之一，是中国著名的奶牛之乡和肉牛基地，中小城市综合实力百强市，大面积的草地提升了安达市土地利用的合理性，土地利用结构合理度高达98.63%；肇东市是国家商品粮和畜产品的重要生产基地，耕地和草地所占比重较大，但是区域有重度盐碱地，面积较大，影响土地利用效率，使得土地利用结构合理度较低，为95.76%，在绥化市各县市中土地利用结构合理度相对偏低；海伦市是国家重要的商品粮基地，在各县市中耕地面积最大，经济发展水平较好，土地利用结构合理度相对较好；庆安县是国家绿色食品A 级水稻生产基地，有“中国绿色食品之乡”的美誉，是全国粮食生产基地，森林覆被率为65%，耕地和林地所占比重较大，县内自然保留地面积广大，提升了土地利用结构合理度；望奎县是优质粮食生产基地，是中国生态农业建设先进县，耕地面积广大，土地利用结构相对合理；绥棱县为林业县，森林覆盖率高，土地利用结构合理度较高；明水县曾经是国家级贫困县，经济发展水平相对较低，是哈尔滨以北的重要商品集散地，县内土地“一林、二草、七分田”，但交通水利用地面积大，降低了土地利用结构合理度，土地利用结构合理度是各县市中最低的。

表5 2011 年绥化市各县市土地利用结构合理度

3.3 土地利用类型和土地利用结构合理度的相关性分析

由表6 可知，土地利用类型中耕地、草地、城乡建设用地、交通水利用地和自然保留地与Bi呈正相关，Peason 相关系数由大到小依次为城乡建设用地、交通水利用地、自然保留地、耕地、草地，其中，城乡建设用地、交通水利用地和自然保留地与Bi间的相关系数分别为0.891、0.866 和0.857，双尾t检验的P分别为0.001、0.001 和0.002，均小于0.01，说明相关性达极显著水平；园地、林地和设施农业用地与Bi呈负相关，Peason 相关系数由大到小依次为设施农业用地、林地、园地，设施农业用地与Bi间的相关系数为-0.741，双尾t检验的P为0.014，小于0.05，说明设施农业用地与Bi的相关性达显著水平。从评价指标的2 种类型来看，效益型指标中城乡建设用地与Bi的相关性最高，也就是说当城乡建设用地大幅度增加时会降低土地利用结构合理度；成本型指标中自然保留地与Bi的相关性也很高，当自然保留地大量减少时，同样会降低土地利用结构合理度。

表6 Bi与各土地利用类型面积的相关性

4 小结与讨论

4.1 小结

运用改进的TOPSIS 法对绥化市2010—2019 年土地利用结构及其合理度分析得出以下结果。

1）绥化市2010—2019 年土地利用结构合理度总体较高，均在90%以上，在时间上总体呈波动变化状态，2017 年土地利用结构合理度达100.00%，在今后的土地利用结构调整可以参考2017 年的土地利用结构进行优化，提高土地利用的合理性。

2）绥化市土地利用类型与土地利用结构合理度的相关性由大到小依次为城乡建设用地、交通水利用地、自然保留地、设施农业用地、耕地、林地、园地、草地，城乡建设用地的变化对土地利用结构合理度的影响最大，草地与土地利用合理度的相关性最小。

3）2011 年绥化市各县市土地利用结构合理度较高，均在95%以上，明水县土地利用结构合理度最低，为95.20%，青冈县土地利用结构合理度最高，达98.85%。

4）土地利用内部结构的变化是土地利用结构合理度变化的直接原因，因此今后绥化市的土地利用规划应该严格控制建设用地和交通水利设施用地，保护耕地，适度开发自然保留地，调节林地、园地、草地和设施农业用地的比例，不断优化绥化市土地利用结构合理度。

4.2 讨论

2010—2019 年是《绥化市土地利用总体规划（2006—2020 年）》的实施期间，从绥化市土地利用结构合理度评价结果来看，该时间段绥化市土地利用结构合理度虽有波动但相对稳定，2011 年绥化市各县市土地利用结构合理度相对较高，对绥化市土地利用结构合理度进行评价为今后土地利用政策的制定和土地总体规划起到一定借鉴作用。本研究只对绥化市2010—2019 年土地利用结构合理度进行评价，虽具有一定的代表性，但还不够全面，今后研究中需扩大研究的时间范围，对绥化市各县市不同时段的土地利用合理度做进一步分析。针对目前绥化市土地利用结构合理度情况，在今后的土地利用过程中要更新土地利用观念，转变土地利用方式，加大棚户区改造力度，提高城市土地集约利用程度，控制城乡建设用地和交通水利用地数量，加大力度保护耕地，适度开发未利用土地，治理盐碱地，加强水土流失治理，确保绥化市土地合理利用。