余光英，員開奇

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

一、引言

隨著經(jīng)濟發(fā)展與有限土地資源間的矛盾日益深化，如何調節(jié)“吃飯”和建設之間的矛盾變得非常重要。土地利用結構代表了土地不同利用類型之間的復雜關系，科學合理的土地利用結構是提高土地利用效率、保持土地質量、優(yōu)化土地利用格局、實現(xiàn)土地可持續(xù)的基礎。如何根據(jù)土地利用的總體目標，即在實現(xiàn)經(jīng)濟效益、社會效益、生態(tài)效益等眾多綜合效益最大化的基礎上對土地利用結構進行合理的調控和優(yōu)化，是土地研究領域的重要課題之一。[1](p20)

城市圈是地理上有一定聯(lián)系、經(jīng)濟上可相互依托實現(xiàn)集聚效應發(fā)展的綜合體，內部各成員發(fā)展的優(yōu)勢、所處的階段、重點開發(fā)方向等存在著較大的差異，尤其是土地的發(fā)展?jié)摿Γ琜2](p80)更存在較大差異，對于發(fā)展?jié)摿Ω叩牡貐^(qū)應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用地指標分配比例，隨后又根據(jù)已有研究對各成員內部的土地利用結構進行了進一步優(yōu)化，建立了城市圈協(xié)調互動發(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)域常住總人口2987.65萬人（2007），占全省的65.3%。2011年，武漢城市圈實現(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。在土地利用結構中，面積最大的是耕地，林地、水域和建設用地次之，未利用地最少。武漢城市圈耕地面積達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43.43%，此外，咸寧也是林地分布較集中的地區(qū)；水域面積達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、居民點用地面積達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，應給予較高的土地開發(fā)指標；發(fā)展?jié)摿^低的地區(qū)土地利用的邊際效益不足，在進行指標分解時應適當減少土地利用的開發(fā)指標。研究從土地投入、土地利用、土地產(chǎn)出3個一級指標來測度土地發(fā)展?jié)摿?，在這3個一級指標中又共選取了9個二級指標（見表1）。

表1 土地發(fā)展?jié)摿υu價指標體系

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法的應用最早出現(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法進行生態(tài)評價相關研究。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法的基本思想如下：假設評價對象共有n個評價指標，這n個指標之間有相對的獨立性。首先對數(shù)據(jù)對象進行標準化，標準化方法采用如公式1[3](p86)所示的雙曲線標準化函數(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x的下限值、上限值和閾值。根據(jù)以上標準化公式，可得到最終的標準化函數(shù)如下：

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

同樣，式中L代表指標的下限值，U代表指標的上限值，T代表指標的臨界值。當評價對象有n個指標時，可以做出一個正n邊形，正n邊形的n個頂點代表評價指標值為1時的最優(yōu)狀態(tài)，正n邊形的中心代表評價指標值為-1時的最劣狀態(tài)，在中心與頂點的中心位置，是臨界值對應的0點。在每個頂點與n邊形的中心點連線上，分布著各評價對象的指標標準化后的值，這些指標值越靠近外圍越優(yōu)，當評價結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個指標為邊界構成一個不規(guī)則的多n邊形，這個多n邊形的頂點是n個指標的一個全排列，n個指標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項指標值，Sj是第j項指標值，n是指標的個數(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的權重確定問題，使得評價結果最大可能地反映了評價對象的真實水平。

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

3.評價結果。

運用上述方法，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

由評價結果可知，武漢市在土地發(fā)展?jié)摿χ芯C合評價值最高，達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)濟水平在武漢城市圈乃至全省都處于絕對領先的位置，這使得武漢市的土地開發(fā)效率較高，在后續(xù)的發(fā)展中應進一步加大土地開發(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?。黃石市是中部地區(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，所以其評價結果處于較低水平。

四、土地利用結構優(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)常遇到多目標決策問題，例如土地利用結構優(yōu)化中需要考慮經(jīng)濟效益、社會效益、生態(tài)效益等的最大化，這些目標之間的重要程度不同，甚至有些目標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函數(shù)的最優(yōu)解，這個最優(yōu)解若是超過了實際的需要，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，這是與事實嚴重不符的。

為了彌補線性規(guī)劃問題的局限性，解決有限資源和計劃指標之間的矛盾，在線性規(guī)劃基礎上，建立多目標規(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。一般確定性多目標問題的數(shù)學模型為：

記可行域為D。

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上同時達到的。

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.有點目標達到最優(yōu)。

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

2.土地利用結構模型。

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用地指標優(yōu)化模型，如下所示：

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

根據(jù)多目標規(guī)劃理論，綜合生態(tài)效益和經(jīng)濟效益，建立武漢城市圈各城市土地利用結構優(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)劃對多目標規(guī)劃進行求解，經(jīng)過模糊線性規(guī)劃轉換后，上述模型可以轉換成單目標規(guī)劃問題，利用matlab軟件編程可以實現(xiàn)對單目標規(guī)劃問題的求解，[5](p128)得到其最優(yōu)解。

3.優(yōu)化結果分析。

運用公式6中的模型，以武漢城市圈為例對各城市間建設用地指標進行優(yōu)化，建設用地指標的總量為土地利用總體規(guī)劃中2020年的建設用地量，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果：

建設用地指標優(yōu)化結果中武漢市的建設用地量最高，為181237.16hm2，建設用地量最低的是鄂州市，僅為20609.00hm2。在與優(yōu)化基期2010年的建設用地指標進行對比中，由于經(jīng)濟發(fā)展的需要，所有城市的建設用地均有所增加，但增加的幅度有很大差異，例如建設用地指標增加最多的城市是鄂州市，為44140.34hm2，此外，武漢市的建設用地也有大幅增加，達到24637.16hm2，其他城市建設用地增量均較小，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е碌摹?/p>

隨后，研究以經(jīng)濟效益和生態(tài)效益最大化為優(yōu)化目標，運用公式7分別對武漢城市圈各城市的土地利用結構進行優(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)濟效益較高的用地主要有建設用地、耕地等，如何在各種用地類型的分配中實現(xiàn)經(jīng)濟效益和生態(tài)效益的平衡是實現(xiàn)土地高效利用的關鍵。研究得到了各城市的土地利用結構對比表，如下表所示：

表4 武漢城市圈土地利用結構優(yōu)化對比表 （單位：h m2）

各城市的土地利用結構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30.00%，可見咸寧市是耕地大市，第一產(chǎn)業(yè)在其經(jīng)濟發(fā)展中的比重較高。此外，由于林地的生態(tài)效應和經(jīng)濟效應較平衡，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行了評價，運用全排列多邊形圖示指標法，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。從評價結果進行分級來看，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。

實現(xiàn)土地的集約節(jié)約利用是當今中國經(jīng)濟發(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)并將這一點體現(xiàn)到土地利用的布局中，才能盡可能地克服經(jīng)濟發(fā)展的負面效應，實現(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構優(yōu)化的基礎，[6](p911)土地利用結構優(yōu)化必須建立在對發(fā)展現(xiàn)狀充分把握的基礎之上，這是保證土地利用結構優(yōu)化高效合理的根本措施。

[1]嚴金明.簡論土地利用結構的系統(tǒng)分析與優(yōu)化設計[J].南京農(nóng)業(yè)大學學報，1996，（2）.

[2]井波，任建蘭.生態(tài)位理論在土地利用結構優(yōu)化中的應用——以濟南市為例[J].山東師范大學學報（自然科學版），2006，（4）.

[3]周偉，曹銀貴，等.基于全排列多邊形圖示指標法的西寧市土地集約利用評價[J].中國土地科學，2012，（4）.

[4]湯潔，毛子龍，等.基于碳平衡的區(qū)域土地利用結構優(yōu)化——以吉林省通榆縣為例[J].資源科學，2009，（1）.

[5]嚴海濤，劉學錄.基于生態(tài)效益的蘭州市土地利用結構優(yōu)化研究[J].湖南農(nóng)業(yè)科學，2009，（4）.

[6]余德貴，吳群.基于碳排放約束的土地利用結構優(yōu)化模型研究及其應用[J].長江流域資源與環(huán)境，2011，（8）.