基于“三生”视角的煤粮复合区土地利用功能评价

王 璐, 张合兵, 胡文智, 于 壮

(河南理工大学 测绘与国土信息工程学院, 河南 焦作 454000)

土地是由地球表面的陆地、水源、植被、矿物等要素构成的自然历史综合体，同时还包含了人类活动成果。其概念说明了土地利用具有多功能特性。土地利用多功能性的概念由SENSOR项目首次提出[1]，并受到国外学术界的广泛关注，诸多学者从不同角度对其进行研究[2-4]，研究内容大多是通过分析框架来量化分析当下的土地冲突问题[3-6]。当前，对于空间定量的研究[7-8]已成为土地利用多功能性评价的主要研究方向，研究内容包括评价方法及指标体系建立[9-10]，评价范围涉及宏观、中观、微观诸多方面。对于土地集约利用的研究，国内开始于20世纪90年代[11]，研究内容趋向于从不同尺度层面探究土地集约程度的方法[12-14]。目前，对于土地多功能性的研究大多以单一功能对空间土地利用进行探讨，缺乏基于“三生”视角的综合评价，评价方法的选择大多以主成分分析法[15-17]、综合指数法[18-20]、熵值法[21-22]等为主，评价结果少有兼顾土地利用多功能性与土地集约利用程度分析。

本文拟在研究时序统计年鉴的基础上，构建适于煤粮复合区这一典型且广泛存在区域的土地利用多功能评价指标体系，采用全排列多边形综合图示法对研究区土地利用功能演变评价。以期评价结果直观且兼顾反应各个子功能指标变化情况和总体功能集约利用情况，为提高区域土地利用效率以及“三生”功能协调发展提供参考。

1 研究区概况

新乡市地处河南省北部地区，北纬35°18′，东经113°54′，北依太行，南眺黄河，是豫北地区重要的中心城市，临近省会郑州市，属温带大陆性气候，全年四季分明，生物种类繁多。据调查统计，区域共有维管束植物1 689种，其中蕨类植物87种，裸子植物12种，被子植物1 585种。新乡市下辖4区5县2市，赵固二矿位于辉县市境内，全市总面积2 007 km2，总人口78.2万。矿区面积69.09 km2主要涉及赵固、北云门、冀屯3个乡镇，全区地势北高南低，总体平坦，主要由坡积、洪积及冲积洪积扇裙组成。境内土地资源类型多样，第二次全国土壤普查显示境内共分布7个土类，续分13个亚类，29个土属，62个土种，土质多属于潮土和砂礓黑土。

长期煤炭开采活动使得区域“三农”(农业、农村、农民)与“四矿”(矿业、矿山、矿工、矿城)问题矛盾突出，严重影响区域可持续发展，与此同时人口的逐年增加与煤炭开采造成的人均耕地大幅减少以及城市化建设的需要也使人地矛盾日益突出。在此背景下，改善区域土地利用多功能性，协调区域“三生”功能逐渐成为现阶段关注的焦点。

2 评价指标体系及研究方法

2.1 指标体系建立

研究从土地多功能性角度及其用地性质出发，按生产、生活及生态功能划定区域用地类型。其中生产功能包括资源供给功能和农业生产功能，生活功能包括社会发展功能和经济发展功能，生态功能包括生态维持功能和生态调节功能。结合煤粮复合区特定的区域特征，依据完备性、客观性、可获性、可测性等原则，选取指标并建立指标体系(见表1)。研究涉及指标数据来源于《新乡市统计年鉴》(2009—2015)及《辉县市年鉴》(2009—2015)。其中，人口自然增长率指单位时间内，人口自然增加数(出生人数减死亡人数)与该时期内平均人数之比；植被覆盖度指区域林地总面积与土地总面积之比；生物丰度指数=0.5×林地比例+0.3×水域比例+0.15×草地比例+0.05×建设用地；土地利用结构指数=0.4×耕地比例+0.3×林地比例+0.2×水域比例+0.1×建设用地；单位耕地化肥负荷指化肥施用量(折纯)与施用化肥耕地总面积之比；单位耕地农药负荷指农药施用量与施用农药耕地总面积之比。

2.2 研究方法

当前对于指标评价方法的研究多以综合评价法、TOPSISS(technique for order preference by similarity to an ideal solution)理想点法、定向排序法等为主。本次研究采用全排列多边形综合图示指标法[23]，该方法最早由吴琼等[4]用于扬州的生态城市评价中，现已在区域能效评价、区域水质评价等方面[24-26]得到广泛运用。该方法定义为：设共有n个指标(即原始值标准化后的结果值)，以这些指标的上限值为半径构成一个中心n边形，各指标值的连线构成一个不规则中心n边形，该不规则中心n边形的顶点是n个指标的一个首尾相接的全排列，n个指标总共可以构成(n-1)/2个不同的不规则中心n边形，综合指数定义为所有这些不规则多边形面积的均值与中心多边形面积的比值[23]。

2.3 指标标准化及阈值确定

全排列综合图示法指标标准化采用双曲线标准化函数：

(1)

式中：U，L，T——所选指标的上限、下限、阈值，同时并满足：F(x)|x=U=1，F(x)|x=L=-1，F(x)|x=T=0。经函数F(x)标准化后的指标[L，U]依次映射到区间[-1，1]上并成为以临界阈值为转折点的快—慢—快的非线性变化。故此可得到第i个指标的标准化公式：

(2)

式中：Si——指标i的标准化值；Ui，Li，T——指标i的上限值、下限值、临界值；Ni——指标i的实际值。

本研究中，所选指标的上限值由规划最高目标确定，下限值参考研究区历年及同等条件下地市统计年鉴数据确定，临界值由研究区所选指标平均值确定(见表2)。

2.4 全排列多边形综合图示法

通过公式(2)可知，根据n个指标可构成一个中心正n边形，其中n边形的顶点均为Si=1时的值，中心点为Si=-1时的值，Si=0时所构成的多边形为指标临界区，临界区以内指标标准化结果为负，临界区以外指标标准化结果为正。各指标标准化值(即中心点到顶点的线段)所在区间[-1，1]。综合指数值：

(3)

式中：F——综合指数值(总指数、子指数)；Si——第i项指标；Sj——第j项指标(i≠j)；n——指标个数。

表1 赵固矿区土地利用多功能性评价指标体系

表2 赵固矿区土地利用多功能性评价指标阈值

3 结果与分析

3.1 单项功能值变化特征分析

以所选15项指标标准化后值为顶点绘制2009—2015年三生功能土地多边形图(图1)。指标标准化后，指标值小于0的视为实现土地功能的障碍因子，将大于0.5视为实现土地功能的主要驱动因素，由此可获得土地功能因子分析结果(表3)。

图1 赵固矿区2009-2015年土地多功能评价指标

表3 赵固矿区2009-2015年土地功能因子分析

(1) 生活功能。该功能内部人口密度、农民人均纯收入呈逐年上升模式，其中人口密度按照研究时序线性增长。人口自然增长、人口死亡率功能变化出现差异，其中人口自然情况增长按时序逐年先增后降，人口死亡率总体呈下降趋势，变换速率趋于平缓。从功能因子分析角度看，2009—2015年该功能区障碍因子大幅减少，社会发展功能是研究区生活功能变化的主导障碍因子。

(2) 生态功能。该功能内部除水域比例逐年上升外，其余指标功能均有差异出现。其中植被覆盖度、生物丰度指数变化略有起伏，但总体呈上升趋势且速率极为缓慢。土地利用结构指数2009—2010年快速增长后总体进入平缓变化阶段且变化程度可忽略不计，受区域煤炭开采影响，2010年区域单位耕地化肥负荷急速下降，2010—2014年呈较为缓和上下波动变化，2015年再次急速下降，单位耕地农药负荷按时序逐年先增后减。研究区植被覆盖度持续低于区域临界值，未来可加强对该指标的关注。从功能因子分析角度看，生态调节功能是研究区生态功能变化的主导障碍因子。

(3) 生产功能。该功能内部矿区土地塌陷面积受煤炭开采影响，从2010年开始大幅下降，而后下降速率逐渐放缓。同受此原因影响，人均耕地面积也呈逐年下降模式，变化速率呈现缓—急—缓—急状态，人均粮食产量逐年增加，但需要注意的是人均粮食产值每年均低于当年临界值，这主要由人均耕地大幅较少造成。耕地垦殖率2010年较2009年出现较为明显提升后，而后研究时序内变化不大，农业机械化水平变化波动极大，2010年出现极大幅度跌落后2011年重新回到上限值，2014年重新出现大幅跌落后而后平缓下跌。受此变化影响，2009—2015年，研究区农业生产功能成为其生产功能变化的主导障碍因子，而发展主要驱动因素则是资源供给功能。

3.2 “三生”功能及集约利用综合指数变化分析

根据公式(3)，可计算得到研究区2009—2015年“三生”功能的综合指数值(见图2)。分析可知，研究区2009—2015年均以生产功能作为区域主导功能。土地利用功能变化中，随着经济和社会发展日渐提高，农民收入日趋增多，研究区煤炭开采事业的兴起，大大加快了区域经济的发展，因此，研究区生活功能总体呈线性增长趋势，增长速度呈快—慢—快。生态功能受区域煤炭开采影响，2010年较2009年功能下降严重，2010年以后，研究区加大了对生态治理功能的重视，在此期间研究区植被覆盖及生物丰度情况都有所提升，2011—2014年生态功能作用平缓回升，但耕地化肥及农药的大量使用持续对区域生态调节功能造成破坏，到了2015年，生态功能跌落到研究周期最低。生产功能变化总体先升后降，2009—2011年研究区生产功能快速提高，2011年以后受煤炭开采影响，大量耕地被破坏，研究区生产功能开始跌落。随煤炭开采强度的变化，2012，2013年生产功能平稳下降，2014年研究区生产功能急速下降后2015年下降速度区域平稳，研究区生产功能变化速度呈快—缓—快—缓。

图2 赵固矿区2009-2015年“三生”功能偏向

根据公式(3)可计算得到研究区时间序列的土地功能集约利用综合指数值(见图3)，该值可反映区域土地功能集约利用水平。图3表明研究区在2009—2015年，土地集约利用水平波动变化，总体呈上升—下降模式。期间土地集约利用趋势可依据2012年为分界点，总体分为2个阶段，2009—2011年为发展阶段，在此阶段，煤炭开采事业的兴起对大大加快了区域社会经济的发展，与此同时，土地资源供给受限使得区域土地集约利用发展提高。2012—2015年为萎缩阶段，在此期间，区域土地“三生”功能差异逐步减小，各功能之间协调度逐渐增强，因此研究区土地集约利用程度下降。此外，发展阶段土地集约利用变化速度按时序变化越来越快，萎缩阶段反之，此现象与城乡建设用地扩张规律相契合。

图3 赵固矿区2009-2015年土地集约利用变化趋势

4 结 论

研究利用全排列多边形综合图示法，构建了基于“三生”功能视角的土地利用多功能性的评价指标体系，并对赵固二矿煤粮复合区2009—2015年土地利用功能进行了评价。评价指标的选取涉及社会经济发展、生态维持及调控、资源供给需求等诸多方面，符合煤粮复合区这一特殊且广泛存在区域的普遍情况，能较好地反应出其土地利用多功能性的实际水平。评价方法客观简便，主观随意性低，评价结果同时包括各子功能单项指标值和“三生”功能综合指数值，既能反映出区域功能偏向又能得到区域土地集约利用水平。评价结果可直接通过几何直观图展示，便于决策者直观分析。

本文仅从研究时序入手，分析了区域土地多功能演变情况及土地集约利用程度的趋势分析，并未从空间角度入手进行横向评价，分析各项指标之间的差异，尚不能了解区域土地多功能性及集约利用水平的空间变化情况。故此，对其时空演变情况的分析可成为今后的主要研究方向。