基于“三生”視角的煤糧復(fù)合區(qū)土地利用功能評價

王 璐, 張合兵, 胡文智, 于 壯

(河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院, 河南 焦作 454000)

土地是由地球表面的陸地、水源、植被、礦物等要素構(gòu)成的自然歷史綜合體，同時還包含了人類活動成果。其概念說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項(xiàng)目首次提出[1]，并受到國外學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，諸多學(xué)者從不同角度對其進(jìn)行研究[2-4]，研究內(nèi)容大多是通過分析框架來量化分析當(dāng)下的土地沖突問題[3-6]。當(dāng)前，對于空間定量的研究[7-8]已成為土地利用多功能性評價的主要研究方向，研究內(nèi)容包括評價方法及指標(biāo)體系建立[9-10]，評價范圍涉及宏觀、中觀、微觀諸多方面。對于土地集約利用的研究，國內(nèi)開始于20世紀(jì)90年代[11]，研究內(nèi)容趨向于從不同尺度層面探究土地集約程度的方法[12-14]。目前，對于土地多功能性的研究大多以單一功能對空間土地利用進(jìn)行探討，缺乏基于“三生”視角的綜合評價，評價方法的選擇大多以主成分分析法[15-17]、綜合指數(shù)法[18-20]、熵值法[21-22]等為主，評價結(jié)果少有兼顧土地利用多功能性與土地集約利用程度分析。

本文擬在研究時序統(tǒng)計年鑒的基礎(chǔ)上，構(gòu)建適于煤糧復(fù)合區(qū)這一典型且廣泛存在區(qū)域的土地利用多功能評價指標(biāo)體系，采用全排列多邊形綜合圖示法對研究區(qū)土地利用功能演變評價。以期評價結(jié)果直觀且兼顧反應(yīng)各個子功能指標(biāo)變化情況和總體功能集約利用情況，為提高區(qū)域土地利用效率以及“三生”功能協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

新鄉(xiāng)市地處河南省北部地區(qū)，北緯35°18′，東經(jīng)113°54′，北依太行，南眺黃河，是豫北地區(qū)重要的中心城市，臨近省會鄭州市，屬溫帶大陸性氣候，全年四季分明，生物種類繁多。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，區(qū)域共有維管束植物1 689種，其中蕨類植物87種，裸子植物12種，被子植物1 585種。新鄉(xiāng)市下轄4區(qū)5縣2市，趙固二礦位于輝縣市境內(nèi)，全市總面積2 007 km2，總?cè)丝?8.2萬。礦區(qū)面積69.09 km2主要涉及趙固、北云門、冀屯3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，全區(qū)地勢北高南低，總體平坦，主要由坡積、洪積及沖積洪積扇裙組成。境內(nèi)土地資源類型多樣，第二次全國土壤普查顯示境內(nèi)共分布7個土類，續(xù)分13個亞類，29個土屬，62個土種，土質(zhì)多屬于潮土和砂礓黑土。

長期煤炭開采活動使得區(qū)域“三農(nóng)”(農(nóng)業(yè)、農(nóng)村、農(nóng)民)與“四礦”(礦業(yè)、礦山、礦工、礦城)問題矛盾突出，嚴(yán)重影響區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，與此同時人口的逐年增加與煤炭開采造成的人均耕地大幅減少以及城市化建設(shè)的需要也使人地矛盾日益突出。在此背景下，改善區(qū)域土地利用多功能性，協(xié)調(diào)區(qū)域“三生”功能逐漸成為現(xiàn)階段關(guān)注的焦點(diǎn)。

2 評價指標(biāo)體系及研究方法

2.1 指標(biāo)體系建立

研究從土地多功能性角度及其用地性質(zhì)出發(fā)，按生產(chǎn)、生活及生態(tài)功能劃定區(qū)域用地類型。其中生產(chǎn)功能包括資源供給功能和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能，生活功能包括社會發(fā)展功能和經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能，生態(tài)功能包括生態(tài)維持功能和生態(tài)調(diào)節(jié)功能。結(jié)合煤糧復(fù)合區(qū)特定的區(qū)域特征，依據(jù)完備性、客觀性、可獲性、可測性等原則，選取指標(biāo)并建立指標(biāo)體系(見表1)。研究涉及指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于《新鄉(xiāng)市統(tǒng)計年鑒》(2009—2015)及《輝縣市年鑒》(2009—2015)。其中，人口自然增長率指單位時間內(nèi)，人口自然增加數(shù)(出生人數(shù)減死亡人數(shù))與該時期內(nèi)平均人數(shù)之比；植被覆蓋度指區(qū)域林地總面積與土地總面積之比；生物豐度指數(shù)=0.5×林地比例+0.3×水域比例+0.15×草地比例+0.05×建設(shè)用地；土地利用結(jié)構(gòu)指數(shù)=0.4×耕地比例+0.3×林地比例+0.2×水域比例+0.1×建設(shè)用地；單位耕地化肥負(fù)荷指化肥施用量(折純)與施用化肥耕地總面積之比；單位耕地農(nóng)藥負(fù)荷指農(nóng)藥施用量與施用農(nóng)藥耕地總面積之比。

2.2 研究方法

當(dāng)前對于指標(biāo)評價方法的研究多以綜合評價法、TOPSISS(technique for order preference by similarity to an ideal solution)理想點(diǎn)法、定向排序法等為主。本次研究采用全排列多邊形綜合圖示指標(biāo)法[23]，該方法最早由吳瓊等[4]用于揚(yáng)州的生態(tài)城市評價中，現(xiàn)已在區(qū)域能效評價、區(qū)域水質(zhì)評價等方面[24-26]得到廣泛運(yùn)用。該方法定義為：設(shè)共有n個指標(biāo)(即原始值標(biāo)準(zhǔn)化后的結(jié)果值)，以這些指標(biāo)的上限值為半徑構(gòu)成一個中心n邊形，各指標(biāo)值的連線構(gòu)成一個不規(guī)則中心n邊形，該不規(guī)則中心n邊形的頂點(diǎn)是n個指標(biāo)的一個首尾相接的全排列，n個指標(biāo)總共可以構(gòu)成(n-1)/2個不同的不規(guī)則中心n邊形，綜合指數(shù)定義為所有這些不規(guī)則多邊形面積的均值與中心多邊形面積的比值[23]。

2.3 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化及閾值確定

全排列綜合圖示法指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化采用雙曲線標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)：

(1)

式中：U，L，T——所選指標(biāo)的上限、下限、閾值，同時并滿足：F(x)|x=U=1，F(xiàn)(x)|x=L=-1，F(xiàn)(x)|x=T=0。經(jīng)函數(shù)F(x)標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)[L，U]依次映射到區(qū)間[-1，1]上并成為以臨界閾值為轉(zhuǎn)折點(diǎn)的快—慢—快的非線性變化。故此可得到第i個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化公式：

(2)

式中：Si——指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)化值；Ui，Li，T——指標(biāo)i的上限值、下限值、臨界值；Ni——指標(biāo)i的實(shí)際值。

本研究中，所選指標(biāo)的上限值由規(guī)劃最高目標(biāo)確定，下限值參考研究區(qū)歷年及同等條件下地市統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)確定，臨界值由研究區(qū)所選指標(biāo)平均值確定(見表2)。

2.4 全排列多邊形綜合圖示法

通過公式(2)可知，根據(jù)n個指標(biāo)可構(gòu)成一個中心正n邊形，其中n邊形的頂點(diǎn)均為Si=1時的值，中心點(diǎn)為Si=-1時的值，Si=0時所構(gòu)成的多邊形為指標(biāo)臨界區(qū)，臨界區(qū)以內(nèi)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果為負(fù)，臨界區(qū)以外指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果為正。各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值(即中心點(diǎn)到頂點(diǎn)的線段)所在區(qū)間[-1，1]。綜合指數(shù)值：

(3)

式中：F——綜合指數(shù)值(總指數(shù)、子指數(shù))；Si——第i項(xiàng)指標(biāo)；Sj——第j項(xiàng)指標(biāo)(i≠j)；n——指標(biāo)個數(shù)。

表1 趙固礦區(qū)土地利用多功能性評價指標(biāo)體系

表2 趙固礦區(qū)土地利用多功能性評價指標(biāo)閾值

3 結(jié)果與分析

3.1 單項(xiàng)功能值變化特征分析

以所選15項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后值為頂點(diǎn)繪制2009—2015年三生功能土地多邊形圖(圖1)。指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后，指標(biāo)值小于0的視為實(shí)現(xiàn)土地功能的障礙因子，將大于0.5視為實(shí)現(xiàn)土地功能的主要驅(qū)動因素，由此可獲得土地功能因子分析結(jié)果(表3)。

圖1 趙固礦區(qū)2009-2015年土地多功能評價指標(biāo)

表3 趙固礦區(qū)2009-2015年土地功能因子分析

(1) 生活功能。該功能內(nèi)部人口密度、農(nóng)民人均純收入呈逐年上升模式，其中人口密度按照研究時序線性增長。人口自然增長、人口死亡率功能變化出現(xiàn)差異，其中人口自然情況增長按時序逐年先增后降，人口死亡率總體呈下降趨勢，變換速率趨于平緩。從功能因子分析角度看，2009—2015年該功能區(qū)障礙因子大幅減少，社會發(fā)展功能是研究區(qū)生活功能變化的主導(dǎo)障礙因子。

(2) 生態(tài)功能。該功能內(nèi)部除水域比例逐年上升外，其余指標(biāo)功能均有差異出現(xiàn)。其中植被覆蓋度、生物豐度指數(shù)變化略有起伏，但總體呈上升趨勢且速率極為緩慢。土地利用結(jié)構(gòu)指數(shù)2009—2010年快速增長后總體進(jìn)入平緩變化階段且變化程度可忽略不計，受區(qū)域煤炭開采影響，2010年區(qū)域單位耕地化肥負(fù)荷急速下降，2010—2014年呈較為緩和上下波動變化，2015年再次急速下降，單位耕地農(nóng)藥負(fù)荷按時序逐年先增后減。研究區(qū)植被覆蓋度持續(xù)低于區(qū)域臨界值，未來可加強(qiáng)對該指標(biāo)的關(guān)注。從功能因子分析角度看，生態(tài)調(diào)節(jié)功能是研究區(qū)生態(tài)功能變化的主導(dǎo)障礙因子。

(3) 生產(chǎn)功能。該功能內(nèi)部礦區(qū)土地塌陷面積受煤炭開采影響，從2010年開始大幅下降，而后下降速率逐漸放緩。同受此原因影響，人均耕地面積也呈逐年下降模式，變化速率呈現(xiàn)緩—急—緩—急狀態(tài)，人均糧食產(chǎn)量逐年增加，但需要注意的是人均糧食產(chǎn)值每年均低于當(dāng)年臨界值，這主要由人均耕地大幅較少造成。耕地墾殖率2010年較2009年出現(xiàn)較為明顯提升后，而后研究時序內(nèi)變化不大，農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平變化波動極大，2010年出現(xiàn)極大幅度跌落后2011年重新回到上限值，2014年重新出現(xiàn)大幅跌落后而后平緩下跌。受此變化影響，2009—2015年，研究區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能成為其生產(chǎn)功能變化的主導(dǎo)障礙因子，而發(fā)展主要驅(qū)動因素則是資源供給功能。

3.2 “三生”功能及集約利用綜合指數(shù)變化分析

根據(jù)公式(3)，可計算得到研究區(qū)2009—2015年“三生”功能的綜合指數(shù)值(見圖2)。分析可知，研究區(qū)2009—2015年均以生產(chǎn)功能作為區(qū)域主導(dǎo)功能。土地利用功能變化中，隨著經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展日漸提高，農(nóng)民收入日趨增多，研究區(qū)煤炭開采事業(yè)的興起，大大加快了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，因此，研究區(qū)生活功能總體呈線性增長趨勢，增長速度呈快—慢—快。生態(tài)功能受區(qū)域煤炭開采影響，2010年較2009年功能下降嚴(yán)重，2010年以后，研究區(qū)加大了對生態(tài)治理功能的重視，在此期間研究區(qū)植被覆蓋及生物豐度情況都有所提升，2011—2014年生態(tài)功能作用平緩回升，但耕地化肥及農(nóng)藥的大量使用持續(xù)對區(qū)域生態(tài)調(diào)節(jié)功能造成破壞，到了2015年，生態(tài)功能跌落到研究周期最低。生產(chǎn)功能變化總體先升后降，2009—2011年研究區(qū)生產(chǎn)功能快速提高，2011年以后受煤炭開采影響，大量耕地被破壞，研究區(qū)生產(chǎn)功能開始跌落。隨煤炭開采強(qiáng)度的變化，2012，2013年生產(chǎn)功能平穩(wěn)下降，2014年研究區(qū)生產(chǎn)功能急速下降后2015年下降速度區(qū)域平穩(wěn)，研究區(qū)生產(chǎn)功能變化速度呈快—緩—快—緩。

圖2 趙固礦區(qū)2009-2015年“三生”功能偏向

根據(jù)公式(3)可計算得到研究區(qū)時間序列的土地功能集約利用綜合指數(shù)值(見圖3)，該值可反映區(qū)域土地功能集約利用水平。圖3表明研究區(qū)在2009—2015年，土地集約利用水平波動變化，總體呈上升—下降模式。期間土地集約利用趨勢可依據(jù)2012年為分界點(diǎn)，總體分為2個階段，2009—2011年為發(fā)展階段，在此階段，煤炭開采事業(yè)的興起對大大加快了區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，與此同時，土地資源供給受限使得區(qū)域土地集約利用發(fā)展提高。2012—2015年為萎縮階段，在此期間，區(qū)域土地“三生”功能差異逐步減小，各功能之間協(xié)調(diào)度逐漸增強(qiáng)，因此研究區(qū)土地集約利用程度下降。此外，發(fā)展階段土地集約利用變化速度按時序變化越來越快，萎縮階段反之，此現(xiàn)象與城鄉(xiāng)建設(shè)用地擴(kuò)張規(guī)律相契合。

圖3 趙固礦區(qū)2009-2015年土地集約利用變化趨勢

4 結(jié) 論

研究利用全排列多邊形綜合圖示法，構(gòu)建了基于“三生”功能視角的土地利用多功能性的評價指標(biāo)體系，并對趙固二礦煤糧復(fù)合區(qū)2009—2015年土地利用功能進(jìn)行了評價。評價指標(biāo)的選取涉及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)維持及調(diào)控、資源供給需求等諸多方面，符合煤糧復(fù)合區(qū)這一特殊且廣泛存在區(qū)域的普遍情況，能較好地反應(yīng)出其土地利用多功能性的實(shí)際水平。評價方法客觀簡便，主觀隨意性低，評價結(jié)果同時包括各子功能單項(xiàng)指標(biāo)值和“三生”功能綜合指數(shù)值，既能反映出區(qū)域功能偏向又能得到區(qū)域土地集約利用水平。評價結(jié)果可直接通過幾何直觀圖展示，便于決策者直觀分析。

本文僅從研究時序入手，分析了區(qū)域土地多功能演變情況及土地集約利用程度的趨勢分析，并未從空間角度入手進(jìn)行橫向評價，分析各項(xiàng)指標(biāo)之間的差異，尚不能了解區(qū)域土地多功能性及集約利用水平的空間變化情況。故此，對其時空演變情況的分析可成為今后的主要研究方向。