汪　洋，代　立，周　穎

（武漢大學土木建筑工程學院，湖北 武漢 430072）

基于可持續(xù)性視角的城市土地利用模糊邏輯評價與診斷
——以武漢市為例

汪洋，代立，周穎

（武漢大學土木建筑工程學院，湖北 武漢 430072）

研究目的：構建基于可持續(xù)性視角的城市土地利用評價理論框架，探索城市土地可持續(xù)利用評價的影響因子，為城市用地可持續(xù)性發(fā)展提供依據(jù)。研究方法：模糊邏輯和因子分解分析。研究結果：2005—2013年武漢市城市土地可持續(xù)性利用水平具有明顯的階段性，并以2008和2011年為轉折點呈穩(wěn)步改善態(tài)勢，土地利用生態(tài)效能和土地利用資產(chǎn)價值成為限制城市土地可持續(xù)性利用的主要影響因子。研究結論:（1）從隸屬度和障礙度角度看，要保持城市發(fā)展可持續(xù)性，須向土地可持續(xù)利用模式轉變，這種轉變迅速而明顯，表現(xiàn)出顯著的轉折點；（2）土地可持續(xù)利用模式下，障礙度指標帶有可持續(xù)性特色，其影響力也較傳統(tǒng)要素驅動模式有很大提升，表現(xiàn)為土地可持續(xù)利用綜合效益的更大制約作用。

土地利用；模糊邏輯；隸屬度；障礙度；武漢市

1　引言

基于傳統(tǒng)的“要素驅動”增長模式，區(qū)域經(jīng)濟迅速發(fā)展，城市規(guī)模日益擴張，大城市甚至特大城市紛紛涌現(xiàn)［1］。工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展、迅速增長的城市人口、資源能源的巨大需求及城市規(guī)模的不斷擴大均給城市用地的可持續(xù)發(fā)展帶來嚴峻挑戰(zhàn)［2-4］。中國面臨龐大的城市人口和相對較少的城市土地，這使得情況更為嚴峻。因此，在資源環(huán)境與人口的雙重約束下，迫切需要加快城市土地向可持續(xù)性利用的轉換。

近年來，國內(nèi)外許多學者進行了相關研究，如智能增長、緊湊城市以及綜合考慮經(jīng)濟、社會、人口、交通和環(huán)境的土地可持續(xù)性利用與評價的方法和指標體系［5-9］。在城市用地可持續(xù)發(fā)展方面，研究發(fā)現(xiàn)能源消耗、碳排放和土地利用模式之間存在密切聯(lián)系。當土地利用模式向更為嚴格的限制和約束轉變時，能源消耗和碳排放將保持一個更低的水平［10］。土地利用模式轉變直接或間接地受市場機制的影響［11］，這種轉變是影響土地可持續(xù)性的主要原因［12-13］。當前，土地利用可持續(xù)性的研究主要集中于評估國家、地區(qū)和城市三個層次中能源消耗、碳排放和土地利用方式之間的相互關系［14-16］，且有關城市土地可持續(xù)性利用評價的方法也存在差異［8，17-19］，應用較廣的主要有多因素綜合評價法、模糊綜合評價法和結構方程模型等。多因素綜合評價法是較常用的方法之一，該方法在確定指標體系的基礎上，采用特爾菲法計算指標權重，通過專家經(jīng)驗設定理想值，采用比例推算法對指標進行標準化，最后加權計算集約度分值［20-21］，適用于指標理想值較易獲取的城市土地利用評價。然而，從可持續(xù)性角度，傳統(tǒng)多因素綜合評價在集約度分值的計算中仍存在較大的主觀性，評價結果的真實性和準確性難以保證。尤其是引入反映城市土地可持續(xù)性的指標后，該方法的指標理想值難以經(jīng)驗獲得。

綜上所述，從城市土地利用的角度，有關土地利用因素貢獻度的研究較少涉及可持續(xù)性背景，城市土地利用評價的研究深度仍然不能滿足城市可持續(xù)發(fā)展的需求。此外，當面臨土地利用模式的轉變，發(fā)掘其主要障礙因素及其趨勢顯得尤為重要。借助模糊綜合評價法在解決復雜問題上的簡便性和有效性，本文選擇模糊邏輯和組合因素分解分析方法，對可持續(xù)視角下的城市土地利用水平進行綜合評價與趨勢分析，以期為城市用地可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

2　評價診斷模型構建

2.1評價指標體系

指標體系是從可持續(xù)性視角定量評價城市土地利用的基礎，主要涉及經(jīng)濟、社會、生態(tài)等因素［22］。從城市土地利用的角度，可持續(xù)性是指土地利用適宜性在時空維度上的延伸，即土地作為一種特殊的稀缺資源，其利用從數(shù)量上應當留有一定的空間而不能超量開發(fā)利用，從質量上不能開展使其質量嚴重下降而使其不能恢復地力的土地利用活動，從生態(tài)效能上不能通過土地利用行為破環(huán)其生態(tài)效能而導致不能恢復其生態(tài)效能，從資產(chǎn)價值上不能提取未來的價值和貼現(xiàn)而導致其資產(chǎn)價值減少，以實現(xiàn)生態(tài)合理、經(jīng)濟有效和社會可接受的統(tǒng)一［23］。因此，可持續(xù)視角下城市土地利用評價不僅是對城市土地利用現(xiàn)狀進行評價和診斷，還要考察土地利用結構模式對城市未來經(jīng)濟社會和生態(tài)環(huán)境造成的影響進行趨勢分析和動態(tài)預測［24-28］?？紤]現(xiàn)有指標體系以及土地利用和區(qū)域環(huán)境的現(xiàn)狀［22，29-31］，本文中的指標體系共分解為三個層次：目標層（TL）、準則層（CL）和指標層（IL）［29-30］。TL直接反映可持續(xù)性視角下城市土地利用效率；CL通常被視為反映TL水平的主要因素，包括土地利用質量、土地利用數(shù)量、土地利用生態(tài)效能、土地利用資產(chǎn)價值；IL的構建在參考《城市建設用地節(jié)約集約利用評價規(guī)程》等現(xiàn)有指標體系的基礎上，主要從可持續(xù)性的視角引入了經(jīng)濟、社會、生態(tài)環(huán)境測量指標［22，29-31］。

表1　可持續(xù)視角下城市土地利用評價指標體系Tab.1　Index system of urban land use evaluation based on sustainability

土地利用質量是土地利用可持續(xù)性的核心問題。該準則層主要選取了反應土地利用結構和土地產(chǎn)出水平的指標，主要反映城市用地質量效益廣度和深度的延續(xù)性，包括地均GDP、地均財政收入、地均勞動生產(chǎn)率、地均廢氣排放量、地均廢水排放量、地均固廢排放量6個指標［17，29，33］。其中，土地利用結構反映了城市用地分類合理性；土地產(chǎn)出水平反映了城市用地的經(jīng)濟質量效益和環(huán)境影響，包括地均廢氣、廢水和固廢排放等［18，30］。土地利用數(shù)量主要考慮了現(xiàn)階段土地利用密度是否合理，是否留有余量供未來開發(fā)和使用，主要選取了人均道路面積、人均耕地面積、人均建筑面積、城市化率、居住密度、綜合容積率6個指標［17，19］。土地利用生態(tài)效能反映了現(xiàn)有投入水平下城市用地的資源環(huán)境合理性，從碳匯和碳減排角度選取地均碳排放強度等指標。而土地利用資產(chǎn)價值主要考慮土地可持續(xù)性利用的價值表現(xiàn)，主要選取地均環(huán)保投資、地均固定資產(chǎn)投資、地均從業(yè)人員、地均能源消耗和地均財政支出等指標［17，19，29-30，34］。

2.2模糊邏輯模型構建

模糊邏輯分析（Fuzzy Logic Analysis， FLA）是一種基于模糊數(shù)學的綜合評價方法［35］。在模糊邏輯分析的過程中，首先應獲得和分析待評估指標；然后根據(jù)評價標準和測量數(shù)據(jù)，確定評價權重并通過模糊變換獲得相應的隸屬度；最后比較隸屬度，做出總體評價并確定最優(yōu)選擇［35］，其評價步驟如下［29，37］。

（1）確定評價因素集U = ｛u1，u2，u3，…，ui｝。根據(jù)表1中的指標體系，將因素集U分為4個子集（i = 1，2，…，4）。

（2）確定評語集V = ｛v1，v2，…，vk｝。城市土地可持續(xù)利用狀況可以劃分為4個層次（k = 4），其中v1為Grade I，可持續(xù)發(fā)展水平較高；v2為Grade II，可持續(xù)發(fā)展水平中等；v3為Grade III，可持續(xù)發(fā)展水平較低；v4為Grade IV，可持續(xù)發(fā)展水平低。

（3）構造隸屬度函數(shù)，對評價因素集中uij做單因素評價，確定其隸屬度rij。本文應用梯形分布的隸屬度函數(shù)，并根據(jù)指標特征劃分為遞增/遞減指標類型，并對遞減類型指標做鏡像處理［30］，其隸屬度函數(shù)見式（1）—式（4）。

ij為 隸屬度；xij為指標uij的城市土地可持續(xù)利用原始數(shù)據(jù)的標準化值；ai1，ai2和ai3為評價指標等級的分割點。

（4）構造綜合評判矩陣R。根據(jù)指標uij對于每個等級k的隸屬度構造綜合評判矩陣，見式（5）。

式（5）中，rik為第i個指標屬于等級k的隸屬度；i為指標編號；k為評價等級Grade I—IV。

（5）根據(jù)AHP計算權重。權重意味根據(jù)每個指標的重要性其在指標體系中所占比例不同，其必須滿足歸一化的要求。

（6）選擇評價算子，進行綜合評判。

（7）根據(jù)最大隸屬度原則確定對象的評判等級，如式（6）所示。

2.3障礙度因素分解與診斷

為分析挖掘障礙因子，本文引入因素分解分析用于評價指標的障礙程度，包括因子貢獻度、指標偏離度和障礙度。因子貢獻度提出單一指標對總體目標的影響權重，而指標偏離度表示單一指標和城市土地可持續(xù)利用之間的偏差，障礙度則表示在CL和IL中阻礙城市土地可持續(xù)利用的大小程度?；谡系K度的因素分解分析方程如式（7）所示［29］。

式（7）中，F(xiàn)ij為單因素對總目標的權重；Qij為第j項準則層指標權重；Wij為第j項準則層指標所屬的第i個單項指標的權重；Oij為指標偏離度，即單因素指標評估值與100%的差值；Pij為單項指標的標準化值；Vij為指標層障礙度；Mij為各準則層障礙度。

3　土地可持續(xù)利用評價與診斷模型分析

3.1案例城市

武漢市地處江漢平原東部，是國家重要的工業(yè)基地、科教基地和綜合交通樞紐。全市境內(nèi)江河縱橫、湖港交織，水域面積占全市面積1/4，構成極具特色的濱江濱湖水域生態(tài)環(huán)境。同時，武漢市地處沿海高經(jīng)濟梯度向西部低經(jīng)濟梯度之間的過渡地帶，在承接產(chǎn)業(yè)轉移方面處于有利位置，經(jīng)濟溝通、輻射和互動能力強。作為首批“兩型社會”建設和“低碳試點”城市，武漢市城市規(guī)模擴張迅速，城市化進程對土地可持續(xù)性利用提出更高的要求。本文數(shù)據(jù)主要來源自2005—2013年《中國城市發(fā)展統(tǒng)計年鑒》、《湖北省統(tǒng)計年鑒》和《武漢市社會發(fā)展公報》。

3.2模糊邏輯分析

3.2.1目標層模糊邏輯分析 為了分析城市土地可持續(xù)利用隸屬度及其結構變化，本文對2005—2013年武漢市土地利用面板數(shù)據(jù)進行比較研究。研究結果顯示，在過去的9年里，武漢市城市土地利用狀況逐步優(yōu)化，從2005—2007年的Grade IV、III，過渡到2008—2011年的Grade II，并逐步優(yōu)化到2012—2013年的Grade I。

第一階段（2005—2007年）：武漢市城市土地可持續(xù)利用狀況表現(xiàn)欠佳，處于Grade IV、III水平。在此期間，地均固定資產(chǎn)投資年增長25.6%，地均GDP年均增長達18.5%，同時，地均能源消耗則以每年15.9%的速度提升。分析表明，這一階段土地利用以高投入和高能耗為特征，土地投入產(chǎn)出模式和能源消耗的錯位最終導致在可持續(xù)性視角下城市土地利用效率低下。

第二階段（2008—2011年）：武漢市城市土地可持續(xù)利用狀況逐步改善，并保持Grade II水平。在此期間，各方面指標得到顯著改善，地均能源消耗的增長速度逐步降低，為13.65%，而地均環(huán)保投資、濕地面積比率等指標逐年提高。分析表明，這一階段決策者更關注土地利用的生態(tài)效能，更加關注土地利用的價值效益，城市土地可持續(xù)利用處于較明顯的過渡改善期。

第三階段（2012—2013年）：武漢市城市土地可持續(xù)利用狀況顯著改善。雖然土地投入水平仍在提升，但增長速度放緩，并且土地碳排放指標得到極大改善。最為明顯的是地均固定資產(chǎn)投資年增長率和碳排放強度極大減緩，從而使土地投入和碳排放水平得到明顯提升。此外，隨著地均GDP、人均建設用地面積和地均環(huán)保投資等土地質量、數(shù)量和資產(chǎn)價值等方面指標的穩(wěn)定上升，也使得城市用地處于良好的狀態(tài)。

因此，2008年和2011年被視為武漢市城市土地可持續(xù)利用水平的轉折點。由于土地質量、生態(tài)效能、資產(chǎn)價值等大權重指標的改善，城市土地可持續(xù)利用效率趨于優(yōu)化。

3.2.2準則層模糊邏輯分析 根據(jù)最大隸屬度原則，通過模糊邏輯分析得到準則層隸屬度及其函數(shù)圖像（圖1）。盡管初始狀況各方面的因素表現(xiàn)較差，但經(jīng)過一段時間的調整各方面的因素呈現(xiàn)良好的發(fā)展趨勢，并表現(xiàn)出明顯的轉折點。

圖1　武漢市城市土地可持續(xù)利用準則層隸屬度分析圖Fig.1　Membership degree in criterion layer on urban land sustainable utilization in Wuhan City

3.3障礙因子診斷

為了挖掘在模糊邏輯分析中影響最終結果的障礙因素，利用式（7）進行因素分解分析，結果如圖2所示。

3.3.1準則層障礙因素診斷 開始階段，準則層4個因素障礙度值表現(xiàn)出較大的差異性，土地利用質量和數(shù)量因素的障礙度占據(jù)最主要地位，而土地利用生態(tài)效能和資產(chǎn)價值因素的障礙度表現(xiàn)不明顯。這表明研究期之初，土地利用質量和數(shù)量等相關要素仍是驅動城市土地可持續(xù)利用綜合效用最大化的最主要因素。之后，土地利用質量、數(shù)量因素的障礙度逐步下降，對城市土地可持續(xù)利用整體效益的阻礙作用逐漸弱化。其中，土地利用數(shù)量的因素障礙度下降幅度較大，這與城市建設規(guī)模有關。

2008年開始，土地利用生態(tài)效能和土地利用資產(chǎn)價值指標相繼取代土地利用質量和數(shù)量指標成為影響城市土地可持續(xù)利用最主要障礙。在此之后，兩大因素障礙度上升趨勢明顯，它們與土地利用質量和數(shù)量指標障礙度值的差距進一步擴大。特別在2008年后，土地利用生態(tài)效能和土地利用資產(chǎn)價值因素進一步放大，成為影響土地可持續(xù)利用的最大障礙因素。這表明，在這一時期，土地利用生態(tài)效能和資產(chǎn)價值因素對城市土地可持續(xù)利用的重要性逐漸凸顯，武漢市土地可持續(xù)利用的瓶頸由原來的質量和數(shù)量因素，轉換為土地利用生態(tài)效能和資產(chǎn)價值因素。

圖2　武漢市城市土地可持續(xù)利用準則層障礙度分析圖Fig.2　Obstacle degree in criterion layer on urban land sustainable utilization in Wuhan City

3.3.2指標層障礙因素診斷 分析表明，2008年之前，排名前5的指標因素多數(shù)來自土地利用質量和數(shù)量方面。此后，土地利用質量類指標數(shù)量逐漸減少，取而代之的是土地利用生態(tài)效能和土地資產(chǎn)價值類指標，其數(shù)量逐漸占據(jù)多數(shù)。

從指標層具體指標障礙度排名變化分析，2008年之前，人均耕地面積、地均三廢排放等典型直觀反映土地利用質量與數(shù)量的指標障礙度值排名靠前，并占據(jù)主導位置。然而這種情況并未維持很久，在隨后幾年的時間里逐步被濕地面積比率、化石能源比重以及人均綠地面積等土地利用生態(tài)效能的指標替代并保持主導地位。值得注意的是，城市生活垃圾無害化處理率被人們所重視，影響力逐步提高。

從準則層和指標層中障礙因素分析可知，城市土地可持續(xù)利用綜合效益將從土地利用質量和數(shù)量因素轉變?yōu)橥恋乩蒙鷳B(tài)效能和資產(chǎn)價值因素為主導，且存在明顯的轉折時間點。從態(tài)勢分析，這種轉變表現(xiàn)的全面而不可逆轉，這不僅體現(xiàn)在整體局面的巨大變化，其關鍵因素的影響力也進一步提升。無論從轉折時點還是趨勢，障礙度分析的結果都與前面的隸屬度分析結論相一致，但障礙度分析進一步明確了土地可持續(xù)利用主要制約因素及其影響力的動態(tài)變化，這將有利于決策者提出土地使用的優(yōu)化政策與方案。

4　結論

按照城市可持續(xù)性發(fā)展要求，本文從土地利用質量、數(shù)量、生態(tài)效能和資產(chǎn)價值等方面建立起包含26個因素的指標體系，并據(jù)此結合模糊邏輯分析和障礙因素分解分析，對2005—2013年武漢市城市土地可持續(xù)利用狀況及影響因子進行了評價分析，結論如下：

首先，從隸屬度分析可知，城市處于新型工業(yè)化和城市化進程，土地利用質量和數(shù)量因素在經(jīng)濟起飛初期的確對經(jīng)濟發(fā)展起到了巨大推動作用。此時，土地投入產(chǎn)出驅動經(jīng)濟發(fā)展模式的特點表現(xiàn)為高投入、高能耗和高產(chǎn)出，這一階段，要保持城市土地質量的持續(xù)產(chǎn)出，必須保持土地數(shù)量的持續(xù)高投入。

其次，經(jīng)濟高速發(fā)展后期通常都存在土地利用模式上的矛盾?；蛴捎谕恋禺a(chǎn)出的效用遞減，或由于能源、碳排放、資源、環(huán)境保護及土地供給的制約，傳統(tǒng)的要素投入驅動經(jīng)濟增長模式趨于失靈，此時，城市土地可持續(xù)利用模式面臨轉型，從隸屬度和障礙度評價上表現(xiàn)出時間上的轉折點。

最后，從障礙度因素分解可知，不同土地利用模式下關鍵指標及其對土地可持續(xù)利用綜合效益的阻礙影響存在差異。傳統(tǒng)要素驅動增長模式下，人均耕地面積、地均GDP和地均能源消耗、地均三廢排放是最典型的土地利用數(shù)量和質量影響指標，而可持續(xù)性利用模式下，化石能源比重、濕地面積比率以及人均綠地面積等指標為最典型指標。從障礙度因素分解看，城市生活垃圾無害化處理率等因素逐漸成為下階段影響土地利用可持續(xù)性的關鍵因素。

本文存在若干局限有待今后進一步完善。由于城市土地可持續(xù)利用指標體系涉及范圍廣泛，特別是涉及土地污染、土地退化等難以統(tǒng)計的多項非傳統(tǒng)土地利用指標，使得本研究指標體系不能完全覆蓋。同時，本文選擇武漢市作為案例城市，由于城市土地利用與其產(chǎn)業(yè)和資源，甚至國家宏觀經(jīng)濟相聯(lián)系，不同國家和城市可能存在差異，這些不同點、產(chǎn)生原因及影響機制也須在今后研究中進一步進行探討。

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（本文責編：陳美景）

Fuzzy Logic Evaluation and Diagnosis on Urban Land Use from the Perspective of Sustainability： Taking Wuhan City as an Example

WANG Yang， DAI Li， ZHOU Ying
（School of Civil Engineering， Wuhan University， Wuhan 430072， China）

The purpose of this research is to build a theoretical framework for evaluating urban land utilization based on the perspective of sustainability， to explore the impact factors on urban sustainable land utilization， and to provide suggestions on urban land sustainable development. Fuzzy logic and factorization analysis were employed. The results indicate that the land sustainable utilization level has obvious stages characteristics， which is improved steadily at the turning point in 2008 and 2011. Both ecological effectiveness and asset value of land use become the major neglected factors that limit the level of urban land sustainable utilization. The conclusions are: 1）Land use pattern should be changed to meet the requirements of urban economic sustainability， the process of which is apparent， rapid and presents obvious turning points； 2）the obstacle factors which have sustainable character and the increasing impact compared to traditional factor-driven pattern present a greater limitation on comprehensive effect of land sustainable use.

land use； fuzzy logic； membership degree； obstacle degree； Wuhan City

F301.24

A

1001-8158（2016）04-0061-09

10.11994/zgtdkx.20160428.155257

2015-08-28；

2016-01-19

武漢市科技局軟科學研究計劃（2015040606010243）。

汪洋（1980-），男，湖北武漢人，副教授。主要研究方向可持續(xù)城市與區(qū)域發(fā)展、綠色建筑與房地產(chǎn)管理、工程社會學。E-mail: wangyang.whu@foxmail.com.