基于土地發(fā)展?jié)摿Φ奈錆h城市圈土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

余光英，員開奇

（1.中南財經(jīng)政法大學(xué)武漢學(xué)院，湖北 武漢 430079；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地管理學(xué)院，湖北 武漢 430070）

一、引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與有限土地資源間的矛盾日益深化，如何調(diào)節(jié)“吃飯”和建設(shè)之間的矛盾變得非常重要。土地利用結(jié)構(gòu)代表了土地不同利用類型之間的復(fù)雜關(guān)系，科學(xué)合理的土地利用結(jié)構(gòu)是提高土地利用效率、保持土地質(zhì)量、優(yōu)化土地利用格局、實(shí)現(xiàn)土地可持續(xù)的基礎(chǔ)。如何根據(jù)土地利用的總體目標(biāo)，即在實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、生態(tài)效益等眾多綜合效益最大化的基礎(chǔ)上對土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的調(diào)控和優(yōu)化，是土地研究領(lǐng)域的重要課題之一。[1](p20)

城市圈是地理上有一定聯(lián)系、經(jīng)濟(jì)上可相互依托實(shí)現(xiàn)集聚效應(yīng)發(fā)展的綜合體，內(nèi)部各成員發(fā)展的優(yōu)勢、所處的階段、重點(diǎn)開發(fā)方向等存在著較大的差異，尤其是土地的發(fā)展?jié)摿?，[2](p80)更存在較大差異，對于發(fā)展?jié)摿Ω叩牡貐^(qū)應(yīng)適時地增加土地開發(fā)的面積，對于潛力不足的地區(qū)，則應(yīng)遵循收斂性的發(fā)展思路。研究基于對城市圈土地發(fā)展?jié)摿Φ脑u價，首先分析了各城市間合理有效的建設(shè)用地指標(biāo)分配比例，隨后又根據(jù)已有研究對各成員內(nèi)部的土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，建立了城市圈協(xié)調(diào)互動發(fā)展的土地利用配置模式。

二、研究區(qū)域簡介

武漢城市圈是以武漢市為中心城市，由其及周邊100公里范圍內(nèi)的其他八個城市即黃石、鄂州、黃岡、咸寧、孝感、仙桃、天門、潛江組成的區(qū)域發(fā)展集群。武漢城市圈國土面積總量為58051.9平方公里，占全省總面積的31.2%；區(qū)域常住總?cè)丝?987.65萬人（2007），占全省的65.3%。2011年，武漢城市圈實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值11859.60億元，占全省的60.5%，其中，社會消費(fèi)品零售總額占全省的63.1%，固定資產(chǎn)投資總額占全省的59.9%。

武漢城市圈總面積為57972，是中部地區(qū)最大、發(fā)展條件最好的城市圈之一。在土地利用結(jié)構(gòu)中，面積最大的是耕地，林地、水域和建設(shè)用地次之，未利用地最少。武漢城市圈耕地面積達(dá)29321km2，占總面積的50.58%，主要集中在中東部地區(qū)和黃岡，耕地面積最大的地區(qū)是黃岡和孝感，占總量的46.06%；林地面積達(dá)17535km2，占總面積的30.25%，主要分布在南部和東北部，尤其是黃岡市，該地區(qū)林地面積占總面積比例高達(dá)43.43%，此外，咸寧也是林地分布較集中的地區(qū)；水域面積達(dá)5731km2，占總面積的9.89%，武漢在水域分布中占有絕對優(yōu)勢，占總量的30%；草地面積達(dá)1413km2，占總面積的2.44%，分布較為集中，黃岡和咸寧的草地面積超過總量的80%；城鄉(xiāng)、工礦、居民點(diǎn)用地面積達(dá)3722km2，占總面積的6.42%，各地區(qū)差異不明顯，除武漢外幾乎均勻分布；未利用地是251km2，占總面積的0.43%。

三、土地發(fā)展?jié)摿m宜性評價

1.評價指標(biāo)體系。

土地發(fā)展?jié)摿κ峭恋亻_發(fā)效率的綜合代表。通過對評價對象各指標(biāo)的綜合分析，可以得出各城市在土地利用效率方面的潛力值。發(fā)展?jié)摿Ω叩牡貐^(qū)土地利用的邊際效益較高，應(yīng)給予較高的土地開發(fā)指標(biāo)；發(fā)展?jié)摿^低的地區(qū)土地利用的邊際效益不足，在進(jìn)行指標(biāo)分解時應(yīng)適當(dāng)減少土地利用的開發(fā)指標(biāo)。研究從土地投入、土地利用、土地產(chǎn)出3個一級指標(biāo)來測度土地發(fā)展?jié)摿Γ谶@3個一級指標(biāo)中又共選取了9個二級指標(biāo)（見表1）。

表1 土地發(fā)展?jié)摿υu價指標(biāo)體系

2.評價方法及數(shù)據(jù)來源。

鑒于數(shù)據(jù)的可獲取性和研究的時效性，本文選取武漢城市圈2010年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源有《2011年湖北省統(tǒng)計年鑒》、《2011年中國城市統(tǒng)計年鑒》、《2011年湖北省國民經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展統(tǒng)計公報》、各州市的統(tǒng)計年鑒等。

全排列多邊形圖示指標(biāo)法的應(yīng)用最早出現(xiàn)在生態(tài)評價方面，主要在城市生態(tài)效果的評價中。吳瓊、陳亮等專家最早使用了基于全排列多邊形圖示指標(biāo)法進(jìn)行生態(tài)評價相關(guān)研究。隨后，該方法又被引入土地適宜性評價、可持續(xù)利用評價、生態(tài)安全性評價等方面的研究。

全排列多邊形圖示指標(biāo)法的基本思想如下：假設(shè)評價對象共有n個評價指標(biāo)，這n個指標(biāo)之間有相對的獨(dú)立性。首先對數(shù)據(jù)對象進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化方法采用如公式1[3](p86)所示的雙曲線標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)：

F（x）滿足：F（x）|x=L=-1，F(xiàn)（x）|x=T=0,F（x）|x=U=1,

其中：L、U、T分別為指標(biāo)x的下限值、上限值和閾值。根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)化公式，可得到最終的標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)如下：

分析標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)F(x)的相關(guān)性質(zhì)可知，標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)F(x)實(shí)現(xiàn)了將位于上限與下限之間的指標(biāo)值映射到-1和1之間，這樣的數(shù)值既保持了原有的相對大小關(guān)系，歸一化的處理又便于后續(xù)的比較研究。該標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)還改變了指標(biāo)在-1和1之間的增長速度，當(dāng)指標(biāo)值小于臨界值時，標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)變化速率越來越慢；反之，當(dāng)指標(biāo)值大于臨界值時，標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)變化速率越來越快。即，指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化前的速度呈現(xiàn)線性變化的特征，但標(biāo)準(zhǔn)化后呈現(xiàn)出快—慢—快的非線性變化特征，變化速度的臨界點(diǎn)是臨界值位置。所以，對于第i個指標(biāo)對象，標(biāo)準(zhǔn)化值計算的公式為：

同樣，式中L代表指標(biāo)的下限值，U代表指標(biāo)的上限值，T代表指標(biāo)的臨界值。當(dāng)評價對象有n個指標(biāo)時，可以做出一個正n邊形，正n邊形的n個頂點(diǎn)代表評價指標(biāo)值為1時的最優(yōu)狀態(tài)，正n邊形的中心代表評價指標(biāo)值為-1時的最劣狀態(tài)，在中心與頂點(diǎn)的中心位置，是臨界值對應(yīng)的0點(diǎn)。在每個頂點(diǎn)與n邊形的中心點(diǎn)連線上，分布著各評價對象的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值，這些指標(biāo)值越靠近外圍越優(yōu)，當(dāng)評價結(jié)果顯示在圖示上的時候，我們可以清晰地發(fā)現(xiàn)各評價對象在各指標(biāo)值上的優(yōu)劣。

圖1 全排列多邊形圖示

以評價對象的n個指標(biāo)為邊界構(gòu)成一個不規(guī)則的多n邊形，這個多n邊形的頂點(diǎn)是n個指標(biāo)的一個全排列，n個指標(biāo)共可以組合成個不同形狀的n邊不規(guī)則圖形，綜合評價指數(shù)等于這些不規(guī)則多n邊形面積的均值除以中心多n邊形的面積。

全排列多邊形綜合指數(shù)計算公式為：

式中S是綜合指數(shù)，Si是第i項(xiàng)指標(biāo)值，Sj是第j項(xiàng)指標(biāo)值，n是指標(biāo)的個數(shù)。全排列多邊形綜合指數(shù)是一種客觀的評價方法，在評價過程中沒有涉及主觀性較強(qiáng)的權(quán)重確定問題，使得評價結(jié)果最大可能地反映了評價對象的真實(shí)水平。

該方法最大的優(yōu)點(diǎn)是客觀、評價結(jié)果可視化。該方法與現(xiàn)有的多因素統(tǒng)計方法相比有較大優(yōu)勢，其主要特點(diǎn)包括計算簡單、可視化效果好、可觀性強(qiáng)等，該方法在環(huán)保、生態(tài)等領(lǐng)域有較多應(yīng)用。

3.評價結(jié)果。

運(yùn)用上述方法，研究以武漢城市圈為例，計算得到了武漢城市圈各城市土地發(fā)展?jié)摿C合評價值，如下表所示。

表2 武漢城市圈土地發(fā)展?jié)摿C合評價值

由評價結(jié)果可知，武漢市在土地發(fā)展?jié)摿χ芯C合評價值最高，達(dá)0.305。武漢市是武漢城市圈的中心城市，又是傳統(tǒng)的工業(yè)重鎮(zhèn)，經(jīng)濟(jì)水平在武漢城市圈乃至全省都處于絕對領(lǐng)先的位置，這使得武漢市的土地開發(fā)效率較高，在后續(xù)的發(fā)展中應(yīng)進(jìn)一步加大土地開發(fā)的政策力度。此外，鄂州市和潛江市的評價值也較高。在武漢城市圈中評價值最低的是黃岡市，該市是典型的山區(qū)，土地開發(fā)受到了一定自然環(huán)境的限制，這是造成其土地發(fā)展?jié)摿Σ蛔愕闹饕颉｜S石市是中部地區(qū)重要的工業(yè)城市，亦是中部地區(qū)主要的原材料產(chǎn)地，其優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)包括鋼鐵、煤炭、冶金、水泥等，但其土地利用方式較為單一，土地粗放式經(jīng)營，整體來看土地利用效率較低，所以其評價結(jié)果處于較低水平。

四、土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.優(yōu)化方法選擇。

線性規(guī)劃只研究了在滿足一定條件下，單一目標(biāo)函數(shù)取得最優(yōu)解的問題，而在土地資源管理及優(yōu)化問題中，經(jīng)常遇到多目標(biāo)決策問題，例如土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化中需要考慮經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、生態(tài)效益等的最大化，這些目標(biāo)之間的重要程度不同，甚至有些目標(biāo)之間存在著相互沖突。[4](p132)

線性規(guī)劃致力于解決某個目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，這個最優(yōu)解若是超過了實(shí)際的需要，很可能是以過分地消耗約束條件中的某些資源作為代價。線性規(guī)劃把各個約束條件的重要性不分先后地同等看待，這是與事實(shí)嚴(yán)重不符的。

為了彌補(bǔ)線性規(guī)劃問題的局限性，解決有限資源和計劃指標(biāo)之間的矛盾，在線性規(guī)劃基礎(chǔ)上，建立多目標(biāo)規(guī)劃方法，從而使一些線性規(guī)劃無法解決的問題得到滿意的解答。一般確定性多目標(biāo)問題的數(shù)學(xué)模型為：

記可行域?yàn)镈。

絕對最優(yōu)解x*：?x∈D,fi（x）≥fi（x*），通常是不存在的。在一個二維平面中，如果可行域是一個平行四邊形，平行四邊形區(qū)域x取最小值，y取最小值是不可能在某一個點(diǎn)上同時達(dá)到的。

有效解(pareto解)：x*：不存在x∈D，fi（x）≥fi（x*），i=1,2,……p,使得存在某個使得存在某個i0,fi0（x）＜fi0（x*）.有效解通常很多。

弱有效解：x*：不存在x∈D，使得fi（x）＜fi（x*），i=1，2,……p.有點(diǎn)目標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。

多目標(biāo)求解方法有很多，但主要思想都是將多目標(biāo)規(guī)劃轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題。即借助于幾何或應(yīng)用中的直觀效果或決策者提供的決策信息構(gòu)造一個能夠綜合所有目標(biāo)函數(shù)的實(shí)效用函數(shù)，使得求解滿意解等價于求以該實(shí)函數(shù)為新目標(biāo)函數(shù)的單目標(biāo)規(guī)劃問題的最優(yōu)解，則可用已有算法求解。構(gòu)造實(shí)函數(shù)的方法有線性加權(quán)法、變權(quán)加權(quán)法、指數(shù)加權(quán)法、極小極大法、理想點(diǎn)法、加權(quán)偏差函數(shù)法、費(fèi)效比函數(shù)法、功能系數(shù)函數(shù)法、參考目標(biāo)法、模糊線性規(guī)劃法等。

2.土地利用結(jié)構(gòu)模型。

利用線性規(guī)劃的理論，首先建立一個武漢城市圈各城市間建設(shè)用地指標(biāo)優(yōu)化模型，如下所示：

其中代表第i個城市的建設(shè)用地控制指標(biāo)，U代表土地利用總體規(guī)劃中建設(shè)用地面積的上限，L代表優(yōu)化基期的建設(shè)用地指標(biāo)，代表第i個城市的土地發(fā)展?jié)摿C合評價指標(biāo)。

根據(jù)多目標(biāo)規(guī)劃理論，綜合生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益，建立武漢城市圈各城市土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，如下所示：

其中kLi代表第i種土地利用類型的面積，βi代表第i種土地利用類型的生態(tài)效益值，γi代表第i種土地利用類型的經(jīng)濟(jì)效益值，U和L分別代表土地利用總體規(guī)劃的上限和優(yōu)化基期的下限值，TL代表各城市i土地總規(guī)模。

選擇模糊線性規(guī)劃對多目標(biāo)規(guī)劃進(jìn)行求解，經(jīng)過模糊線性規(guī)劃轉(zhuǎn)換后，上述模型可以轉(zhuǎn)換成單目標(biāo)規(guī)劃問題，利用matlab軟件編程可以實(shí)現(xiàn)對單目標(biāo)規(guī)劃問題的求解，[5](p128)得到其最優(yōu)解。

3.優(yōu)化結(jié)果分析。

運(yùn)用公式6中的模型，以武漢城市圈為例對各城市間建設(shè)用地指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，建設(shè)用地指標(biāo)的總量為土地利用總體規(guī)劃中2020年的建設(shè)用地量，以各成員的土地發(fā)展?jié)摿C合評價值為優(yōu)化系數(shù)，得到了如下表所示結(jié)果：

建設(shè)用地指標(biāo)優(yōu)化結(jié)果中武漢市的建設(shè)用地量最高，為181237.16hm2，建設(shè)用地量最低的是鄂州市，僅為20609.00hm2。在與優(yōu)化基期2010年的建設(shè)用地指標(biāo)進(jìn)行對比中，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，所有城市的建設(shè)用地均有所增加，但增加的幅度有很大差異，例如建設(shè)用地指標(biāo)增加最多的城市是鄂州市，為44140.34hm2，此外，武漢市的建設(shè)用地也有大幅增加，達(dá)到24637.16hm2，其他城市建設(shè)用地增量均較小，孝感市的增量最低，僅為24.63hm2，這是由于其土地發(fā)展?jié)摿Σ蛔銓?dǎo)致的。

隨后，研究以經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益最大化為優(yōu)化目標(biāo)，運(yùn)用公式7分別對武漢城市圈各城市的土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。生態(tài)效益較高的土地利用類型主要有耕地、園地、林地、牧草地等，經(jīng)濟(jì)效益較高的用地主要有建設(shè)用地、耕地等，如何在各種用地類型的分配中實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的平衡是實(shí)現(xiàn)土地高效利用的關(guān)鍵。研究得到了各城市的土地利用結(jié)構(gòu)對比表，如下表所示：

表4 武漢城市圈土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化對比表 （單位：h m2）

各城市的土地利用結(jié)構(gòu)較基期和土地利用總體規(guī)劃均有不同程度的變化。在耕地面積的對比中，黃岡市的耕地面積為436095.37hm2，是耕地面積最大的城市，占總耕地面積的21.17%，其次是武漢市，總面積為378964.14hm2。咸寧市的耕地面積也較大，為283805.63hm2，雖然在城市圈的對比中僅占13.78%，但咸寧市耕地面積在其城市總面積中的占比卻高達(dá)30.00%，可見咸寧市是耕地大市，第一產(chǎn)業(yè)在其經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的比重較高。此外，由于林地的生態(tài)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)較平衡，各城市的林地面積均有顯著增加，林地面積增加的來源主要有未利用地、退耕還林用地、園地等。

五、結(jié)論與討論

研究首先針對武漢城市圈九個城市的土地發(fā)展?jié)摿λ竭M(jìn)行了評價，運(yùn)用全排列多邊形圖示指標(biāo)法，得到了各城市土地發(fā)展?jié)摿C合評價指數(shù)。從各評價對象的綜合評價值來看，武漢城市圈各城市間土地發(fā)展?jié)摿λ讲町愶@著。首先，發(fā)展?jié)摿λ阶罡叩奈錆h市是發(fā)展?jié)摿ψ畹偷南虒幨械?倍多；其次，各城市之間的綜合評價值分布較為離散。從評價結(jié)果進(jìn)行分級來看，發(fā)展?jié)摿^高的城市包括武漢市、鄂州市、潛江市，發(fā)展?jié)摿^低地區(qū)包括黃石市、黃岡市、咸寧市。

實(shí)現(xiàn)土地的集約節(jié)約利用是當(dāng)今中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨的主要問題之一，只有以各地區(qū)發(fā)展?jié)摿楦鶕?jù)并將這一點(diǎn)體現(xiàn)到土地利用的布局中，才能盡可能地克服經(jīng)濟(jì)發(fā)展的負(fù)面效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)較高水平的土地利用。土地發(fā)展?jié)摿υu價研究能夠獲得土地發(fā)展?jié)摿C合評價值和土地利用的不足和優(yōu)勢，這些工作是土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)，[6](p911)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化必須建立在對發(fā)展現(xiàn)狀充分把握的基礎(chǔ)之上，這是保證土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化高效合理的根本措施。

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