王 琦，何瑞珍

(河南農業(yè)大學風景園林與藝術學院，河南 鄭州 450002)

土地利用系統(tǒng)是自然土地與社會經濟系統(tǒng)之間物質與能量交換的集合。土地可持續(xù)利用對于維持人口—資源—環(huán)境—發(fā)展系統(tǒng)的正常運行有著重要影響[1]。近年來城市建設呈現出高速度、高強度、大尺度的發(fā)展特征，土地資源超載、土地資源利用配置不合理等問題亟待解決。為了更好地適應城市經濟社會可持續(xù)發(fā)展要求，適時開展土地可持續(xù)利用評價，可對城市未來土地資源開發(fā)、規(guī)劃及管理提供重要理論研究和實踐指導。

近年來國內學者圍繞土地可持續(xù)利用展開了較多的研究：評價體系方面有PSR模型[2-3]、DPSIR模型[4-5]、生態(tài)足跡模型[6-7]、績效模型[8-9]，自然—經濟—社會[10-11]評價方法方面有TOPSIS法[12-13]、主成分分析法[14]、變異系數法[15]、灰色關聯法[16]、綜合指數法[17]，障礙度模型[18]也逐漸引入土地可持續(xù)評價框架中。單一指標如經濟發(fā)展[19]、城鎮(zhèn)化水平[20]與土地可持續(xù)利用水平的耦合研究較為常見。目前耦合協(xié)調研究形式主要為兩兩耦合，土地可持續(xù)利用內部子系統(tǒng)耦合協(xié)調研究較少，同時，土地可持續(xù)利用評價實證區(qū)域過于單一化，未能揭示不同地區(qū)健康性及子系統(tǒng)互動發(fā)展的空間分布特征。

在充分借鑒現有研究方法和實證經驗的基礎上，基于PSR模型構建鄭州市土地可持續(xù)利用評價體系，采用2010年和2017年兩期相關截面數據，利用AHP-熵權法對鄭州市15個區(qū)縣進行對比分析，揭示可持續(xù)利用水平時空分異特征、主要障礙指標以及障礙子系統(tǒng)，并對土地可持續(xù)利用體系中壓力、狀態(tài)、響應三大子系統(tǒng)耦合協(xié)調關系進行實證，以期為鄭州市不同區(qū)縣土地資源可持續(xù)利用提供更為科學、具體的理論指導。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

鄭州市位于河南省中部偏北，東經112°42′～114°13′ ，北緯34°16′～34°58′。地勢西高東低，西部多山地丘陵，東部為廣闊的黃淮平原。鄭州市屬北溫帶大陸性季風氣候，年均降雨量640.9 mm，主要集中在夏季。年均溫14～14.3 ℃。土壤類型以潮土、風砂土、褐土為主。研究范圍包括主城區(qū)(中原區(qū)、二七區(qū)、管城回族區(qū)、金水區(qū)、上街區(qū)、惠濟區(qū))，新鄭市，登封市，新密市，鞏義市，滎陽市，中牟縣，鄭東新區(qū)，經開區(qū)，航空港區(qū)。研究區(qū)面積共7 563.64 km2。另外，在本項研究中，高新區(qū)整合進中原區(qū)作為一個評價單位。

1.2 數據來源

1)統(tǒng)計數據：鄭州市統(tǒng)計年鑒、全國第二次土壤普查數據，鄭州市年均降雨量資料。

2)影像數據：鄭州市DEM、行政區(qū)劃圖，河南省1∶100萬土壤圖，鄭州市土地利用現狀圖及Landsat TM/ETM遙感影像。

1.3 PSR評價指標體系

土地可持續(xù)利用評價是以整個土地利用系統(tǒng)為評價對象，對特定時刻、特定區(qū)域的自然生態(tài)要素和社會經濟要素進行的綜合診斷評價。PSR模型是近年來發(fā)展較為成熟的評價指標分類方案，用于評估土地資源利用與可持續(xù)發(fā)展?？紤]到縣域尺度上指標數據獲取的可操作性及體系構建的完備性，遵循科學性、區(qū)域性、前瞻性等原則[21]，最終確定由3大子系統(tǒng)、12個領域、25項指標構成的評價指標體系(表1)；參考姜長軍[22]相關研究成果，將健康性分為病態(tài)、不健康、臨界狀態(tài)、亞健康、健康5個等級(表2)。

表1 土地可持續(xù)利用評價指標體系Tab.1 Evaluation index system of sustainable land use

表2 土地可持續(xù)利用健康性等級標準Tab.2 Health grade standard of sustainable land use

1.4 數據處理

1.4.1標準化處理指標數據矩陣

假設評價指標為Ai,共有i個指標(i=1,2,...,25)，評價對象為Bk,共有k個對象(k=1,2,…,15)。假定各項指標標準化后的值為Xik。

當評價指標為正向指標時：

(1)

當評價指標為反向指標時：

(2)

其中，Xik表示第k個評價對象的第i個指標值。

1.4.2求取選定指標的信息熵

假設第i個指標的信息熵為Yi。

(3)

其中，規(guī)定當Cik=0時，Cik× lnCik=0。

(4)

1.4.3計算選定指標的權重

假設第i個指標的權重為Zi。

(5)

利用AHP-熵權法綜合確定權重。采用總偏差平方和最小的優(yōu)化組合方法，假設AHP權重為Ui，熵權法權重為Vi,綜合權重為Wi。

(6)

假設σ為AHP[23]權重系數，(1-σ)為熵權法權重系數，那么Wi=σUi+(1-σ)Vi，其中，σ∈[0,1]。聯合求解上述兩式，得出

Wi=0.5Ui+0.5Vi

(7)

1.5 障礙診斷

利用障礙度模型，找出影響研究區(qū)土地可持續(xù)利用健康性提升的最大障礙指標與障礙系統(tǒng)，為土地資源整治提供更具針對性的數據參考。Dik為障礙度，表示第k個評價對象 (K=1,2,…,15)的第i個評價指標(i=1,2,…,25)對土地可持續(xù)利用健康性的影響程度。

(8)

1.6 耦合協(xié)調分析

耦合度表示系統(tǒng)之間相互作用的強弱。為了能夠分析系統(tǒng)間整體的協(xié)調情況，引入了耦合協(xié)調模型計算土地可持續(xù)利用中壓力、狀態(tài)、響應子系統(tǒng)之間耦合協(xié)調程度。

E=3[G1G2G3/(G1+G2+G3)3]1/3

(9)

T=αG1+βG2+γG3

(10)

F=E×T

(11)

假設E為耦合度，G為各子系統(tǒng)健康性，T為系統(tǒng)綜合健康性，其中α、β、γ為待定系數且三者之和為1。根據已求得各子系統(tǒng)權重，將三者設置為α=0.28、β=0.26、γ=0.46，F為協(xié)調耦合度。借鑒代碧波[24]研究成果，將耦合協(xié)調度分為10個等級(表3)。

2 結果分析

2.1 土地可持續(xù)利用健康評價

2010年和2017年鄭州市土地可持續(xù)利用健康等級集中在不健康、臨界狀態(tài)和亞健康3個區(qū)間(圖1)，不健康區(qū)縣比例由33.3%降至13.33%，臨界狀態(tài)區(qū)縣比例由66.7%升至80%，亞健康區(qū)縣比例由0升至6.67%，二七區(qū)、經開區(qū)、新鄭市、航空港區(qū)健康性好轉，其他區(qū)縣持平；大部分區(qū)縣仍處于臨界狀態(tài)，土地可持續(xù)利用健康性有明顯改善，但并未達到健康水平。從空間分布特征來看，主城區(qū)土地可持續(xù)利用健康性明顯低于外圍地區(qū)，且呈現由主城區(qū)到外圍地區(qū)逐漸提升的態(tài)勢。緊鄰主城區(qū)的新鄭市土地可持續(xù)利用水平優(yōu)于周邊地區(qū)，這與其用地結構及合理投資有一定的關系，主要表現在農業(yè)相對發(fā)達，且教育投資、退耕政策響應較為到位。

圖1 土地可持續(xù)利用健康等級空間分布Fig.1 Spatial distribution of health grade of sustainable land use

壓力子系統(tǒng)健康性主要集中在不健康、臨界狀態(tài)和亞健康3個等級，73.33%的縣區(qū)壓力子系統(tǒng)健康等級好轉，20%持平，6.67%惡化，表現出臨界狀態(tài)—亞健康發(fā)展趨勢，壓力子系統(tǒng)健康整體水平明顯好轉，呈現出“主城區(qū)高，外圍區(qū)縣低”的空間分布特征。狀態(tài)子系統(tǒng)健康性主要集中在不健康、臨界狀態(tài)、亞健康和健康3個等級，73.33%持平，20%惡化，發(fā)展趨勢基本不變。狀態(tài)子系統(tǒng)健康性變化不大，空間上主要表現為2010年和2017年上街區(qū)、中原區(qū)均處于亞健康狀態(tài)，新密市處于不健康狀態(tài)。響應子系統(tǒng)健康性主要集中在病態(tài)、不健康、臨界狀態(tài)、亞健康4個等級，46.67%的縣區(qū)響應子系統(tǒng)健康等級好轉，20%持平，33.33%惡化，整體發(fā)展趨向臨界狀態(tài)，響應子系統(tǒng)健康性均質化?？臻g上主要表現為“主城區(qū)及周邊區(qū)縣高，外圍區(qū)縣低”的分布特征。

2.2 土地可持續(xù)利用障礙診斷

2010年和2017年鄭州市壓力子系統(tǒng)中最大障礙指標主要為人均地區(qū)生產總值(i8)和城鎮(zhèn)化率(i4);狀態(tài)子系統(tǒng)中最大障礙指標主要為單位面積經濟作物總產量(i16);響應子系統(tǒng)中最大障礙指標主要為退耕還林投資占比(i20)和平地旱地占農地面積比重(i23);土地可持續(xù)利用主要障礙指標為退耕還林投資占比(i20)和平地旱地占農地面積比重(i23)。與2010年相比，2017年以退耕還林投資比重為最大障礙因素的區(qū)縣比例由73.3%降至46.7%，障礙度均值由22.66%降至16.21%；以平地旱地占農地面積比重為最大障礙因素的區(qū)縣比例由26.7%升至53.3%，障礙度均值由15.37%升至18.87%。平地旱地占農地面積比重對于土地可持續(xù)利用的影響程度逐漸超過退耕還林投資占比。最大障礙指標為平地旱地占農地面積比重的區(qū)縣主要分布于西南地區(qū)，且呈向東北擴張的趨勢(表4)，最大障礙指標為退耕還林的區(qū)縣數量變少，可見政府在退耕還林方面投資效果顯著。

表4 各區(qū)縣土地可持續(xù)利用最大障礙因素及障礙度Tab.4 Main obstacle factors and degree of sustainable land use in each district and county %

2010—2017年，中原區(qū)、上街區(qū)、惠濟區(qū)等12個區(qū)縣最大障礙子系統(tǒng)未改變。二七區(qū)、管城區(qū)最大障礙子系統(tǒng)由壓力變?yōu)轫憫?，鄭東新區(qū)則由響應變?yōu)閴毫?。響應子系統(tǒng)障礙度下降，說明政策響應投入較為到位，但仍需加大投資力度、加強政策調控。與2010年相比，2017年以響應為最大障礙子系統(tǒng)的區(qū)縣比例由53.33%升至66.67%，以壓力為最大障礙子系統(tǒng)的縣區(qū)比例由26.67%降至20%，以狀態(tài)為最大障礙子系統(tǒng)的縣區(qū)比例不變。主要障礙子系統(tǒng)由壓力、狀態(tài)向響應子系統(tǒng)轉變。且呈現“東西部狀態(tài)，中部壓力、響應”的空間格局。

2.3 耦合協(xié)調分析

耦合協(xié)調度結果(表5)表明，鄭州市15個區(qū)縣各子系統(tǒng)耦合協(xié)調類型以初級協(xié)調、勉強協(xié)調、瀕臨失調為主。2010年，中原區(qū)等6個區(qū)縣勉強協(xié)調，中牟縣等5個區(qū)縣初級協(xié)調，二七區(qū)、管城區(qū)、金水區(qū)瀕臨失調，僅經開區(qū)輕度失調。2017年勉強協(xié)調的區(qū)縣個數下降為4個，分別是中原區(qū)、二七區(qū)，經開區(qū)和航空港區(qū)；管城區(qū)與金水區(qū)瀕臨失調；上街區(qū)等9個區(qū)縣初級協(xié)調。各子系統(tǒng)耦合協(xié)調整體呈現良好的發(fā)展趨勢，與健康性評價結果一致。從空間分布特征來看，耦合協(xié)調度呈現出“主城區(qū)高，周圍區(qū)縣低”的空間分布特征，且這一變化在2017年得到好轉，各區(qū)縣耦合協(xié)調度均質化。

表5 2010年和2017年子系統(tǒng)可持續(xù)利用健康性耦合協(xié)調度Tab.5 Health coupling coordination of subsystem sustainable utilization in 2010 and 2017

2017年，初級協(xié)調區(qū)縣包括上街區(qū)、惠濟區(qū)、中牟縣等外圍周邊地區(qū)，各子系統(tǒng)健康性相互抑制但融合共生。勉強協(xié)調區(qū)包括中原區(qū)、二七區(qū)、經開區(qū)、航空港區(qū)，各子系統(tǒng)勉強協(xié)調，偶爾出現不可調和的矛盾。瀕臨失調區(qū)包括管城區(qū)與金水區(qū)，各子系統(tǒng)容易出現不可調和的矛盾，土地可持續(xù)利用反饋機制更容易受到外界干擾。

2010年和2017年主城區(qū)主要呈現響應子系統(tǒng)滯后的耦合協(xié)調特征，外圍區(qū)縣主要暴露出狀態(tài)子系統(tǒng)滯后的特征。且響應子系統(tǒng)滯后的區(qū)縣范圍擴大，壓力子系統(tǒng)滯后的區(qū)縣范圍縮小。這兩種發(fā)展特征有所區(qū)別的根本原因在于主城區(qū)人口城鎮(zhèn)化速度遠超土地城鎮(zhèn)化速度，土地承受壓力徒增，土地狀態(tài)短時間內變化程度較小，同時土地響應在時間上滯后于土地開發(fā)，從而造成系統(tǒng)壓力、狀態(tài)、響應三者的不相適應。

3 結論與討論

3.1 結論

通過構建鄭州市土地可持續(xù)利用健康評價模型，對鄭州市2010年和2017年各區(qū)縣可持續(xù)利用健康等級、障礙指標、障礙子系統(tǒng)及各子系統(tǒng)耦合協(xié)調度進行研究，得出以下結論：

1)2010年和2017年鄭州市整體水平呈現好轉趨勢，土地狀態(tài)得到改善，但并未達到健康等級。2010年不健康地區(qū)包括二七區(qū)、金水區(qū)、管城區(qū)、經開區(qū)和航空港區(qū)，其余為臨界狀態(tài)區(qū)縣。2017年不健康區(qū)縣包括金水區(qū)和管城區(qū)，亞健康區(qū)縣包括新鄭市。主城區(qū)土地可持續(xù)利用健康性明顯低于外圍地區(qū)，且呈現由主城區(qū)到外圍地區(qū)逐漸提升的態(tài)勢。壓力子系統(tǒng)表現出臨界狀態(tài)—亞健康發(fā)展趨勢，健康整體水平明顯好轉，呈現出“主城區(qū)高，外圍區(qū)縣低”的空間分布特征。狀態(tài)子系統(tǒng)發(fā)展趨勢基本不變，健康性變化不大。響應子系統(tǒng)整體發(fā)展趨向臨界狀態(tài)，健康性均質化，主要表現為“主城區(qū)及周邊區(qū)縣高，外圍區(qū)縣低”的空間特征。

2)時間上看，退耕還林投資占比、平地旱地占農地比重是鄭州市各區(qū)縣土地可持續(xù)利用主要障礙指標，且2010—2017年這一特征未發(fā)生明顯變化?？臻g上看，位于西南方位的鞏義、登封、新鄭、新密4個區(qū)縣以平地旱地占農地比重為最大障礙指標，其余區(qū)縣則為退耕還林投資占比。與2010年相比，2017年以平地旱地占農地比重為最大障礙指標的區(qū)縣占據整個西部地區(qū)，以退耕還林投資占比為最大障礙指標的區(qū)縣范圍明顯縮小。鄭州市自2002年度實施退耕還林工程以來成效顯著，工程主要分布在登封、鞏義、新密、滎陽、新鄭、中牟、惠濟、上街和二七等9個區(qū)縣，與本次評價結果比對發(fā)現，上街、惠濟、中牟等區(qū)縣應繼續(xù)穩(wěn)步推進退耕還林工程，林木管理在提高生長量、增加經濟效益方面起著至關重要的作用, 今后應加大森林撫育管理經費投入。

3)各子系統(tǒng)障礙度分析表明，2010—2017年鄭州市土地可持續(xù)利用主要障礙子系統(tǒng)由壓力、狀態(tài)向響應子系統(tǒng)轉變。鄭東新區(qū)、鞏義市、登封市等區(qū)縣的壓力子系統(tǒng)障礙度，滎陽市、航空港區(qū)等區(qū)縣的狀態(tài)子系統(tǒng)障礙度和中原區(qū)、上街區(qū)、新密市等區(qū)縣的響應子系統(tǒng)均呈現增長趨勢。金水區(qū)、中牟縣三大子系統(tǒng)障礙度同時呈現增長趨勢。鄭州市整體呈現由“東西部狀態(tài)，中部壓力、響應”的空間格局。各區(qū)縣應結合當地發(fā)展實際，及時調整相關政策及響應措施，建立預警系統(tǒng)，通過控制響應子系統(tǒng)達到改善土地壓力和狀態(tài)的目的。

4)時間上看，2010—2017年鄭州市各區(qū)縣壓力、狀態(tài)、響應三大子系統(tǒng)耦合協(xié)調度以保持穩(wěn)定和波動上升為主。空間上看，鄭州市三大子系統(tǒng)可持續(xù)利用健康性耦合協(xié)調度呈現“主城區(qū)高，周圍區(qū)縣低”的空間分布特征，同時各區(qū)縣發(fā)展制約系統(tǒng)各有差異，主城區(qū)及周邊區(qū)縣屬響應滯后型，外圍區(qū)縣屬壓力、狀態(tài)滯后型。從時空分布特征來看，三大子系統(tǒng)健康性耦合協(xié)調度提升，但演進速度較緩慢，需各區(qū)縣根據自身情況突破薄弱環(huán)節(jié)，進而實現區(qū)域系統(tǒng)壓力、狀態(tài)、響應協(xié)調穩(wěn)定發(fā)展。

3.2 討論

基于PSR模型評價鄭州市土地可持續(xù)利用，可以客觀反映各子系統(tǒng)、評價指標與綜合水平之間的關系，適用于縣域土地可持續(xù)利用評價。壓力、狀態(tài)、響應三大子系統(tǒng)耦合協(xié)調關系的研究突破了以單一地區(qū)為分析單元和兩兩耦合關系為研究內容的局限性。在研究過程中仍發(fā)現以下問題與不足：

1)PSR模型提供了有效的指標分類方案，但由于數據獲取來源較為片面，個別指標無法獲取，只能用其他指標替代。同時，評價指標的選取主要來源于以社會經濟數據為主的統(tǒng)計年鑒，除現有水土流失、土壤營養(yǎng)及地形、地質等常見基礎指標外，還可以考慮增加土地生態(tài)風險、土地質量等相關指標，以豐富評價體系。

2)土地可持續(xù)利用健康性等級分級標準尚未統(tǒng)一，評價結果不夠客觀全面；在評價指標權重賦值過程中，熵權法是根據基礎資料數據本身特征處理而得到權重，由不同年份數據計算所得權重不同，評價指標權重未統(tǒng)一標準。

3)受土地評價單元個數限制，基于空間統(tǒng)計學的空間自相關性研究未能展開，土地可持續(xù)利用健康性空間分布特征研究略顯單薄，在未來研究中可以嘗試將洛陽、開封、許昌等城市納入研究范圍。針對以上問題，還需在今后的研究中繼續(xù)深入探索。