基于變異系數TOPSIS法的土地利用效益測度研究——以武漢城市圈為例

宋成舜，談 兵，韓冰華，柯新利

（1.湖北科技學院 資源環境科學與工程學院，湖北 咸寧437100；2.華中農業大學 公共管理學院，武漢430070）

土地利用效益指單位面積土地投入與消耗在區域的社會、經濟、生態等方面所實現的物質產出或有效成果［1］，土地利用效益作為衡量土地利用合理性與可持續性的重要標度，對其進行研究有助于明確區域土地利用過程中社會經濟發展與生態環境保護方面存在的問題及其相互間的協調狀況［2］。區域土地資源利用的合理與否，直接關系到區域的興衰與區域經濟發展的可持續性［3］。如何更好地協調有限的土地資源與社會經濟、生態環境之間的關系，提高土地利用效益，已經成為實現“四化同步”協調發展的關鍵和建設“兩型社會”的必然要求。土地利用效益評價是近年來學術界研究的熱點問題之一［4］，從已有的研究來看，國內學者對土地利用效益的研究聚焦在微觀尺度的單一城市，以中東部和西部的大城市為主要研究對象［2，4－10］，而從中觀尺度出發，以區域為研究主體，比較區域內土地利用社會經濟效益與生態環境效益差異，辨識區域土地利用效益耦合協調度區域分異性等方面的研究較少，亟待深化。

武漢城市圈是我國首批資源節約型和環境友好型社會建設綜合配套改革試驗區，該區以武漢市為中心城市，黃石市為副中心城市，轄武漢、黃石、鄂州、孝感、黃岡、咸寧、仙桃、天門、潛江9市，共34個區縣，總面積 5.78×104km2，占湖 北省 國土 面積的31.10%［11］。武漢城市圈不僅是湖北經濟發展的核心區域，也是中部崛起的重要戰略支點。作為中部地區乃至全國的重要增長極，近年來，隨著武漢城市圈經濟的發展、人口的增加、城鎮化進程的加快，區內耕地面積逐年減少，建設用地面積持續增加，區域土地利用變化顯著。在經濟快速發展取得巨大社會經濟效益的同時，出現了生態環境質量惡化、人地矛盾突出等一系列問題，土地資源的有限性與社會經濟發展需求增長無限性之間的矛盾日益加?。?2］。為此，本研究運用系統科學理論，通過建立土地利用社會經濟效益與生態環境效益之間的耦合度和耦合協調度模型，探討區域土地利用社會經濟效益與生態環境效益的耦合協調關系，對于提高區域土地利用整體競爭力，促進社會經濟發展與人口資源環境協調發展都具有較強的現實意義。

1 研究方法

1.1 指標體系構建及數據來源

對土地利用效益進行評價，建立系統的指標體系是評價的前提和基礎。為了客觀反映區域土地利用效益的全面狀況，根據科學性、系統性、層次性、獨立性和可操作等指標選取原則，在充分考慮武漢城市圈現實發展情況的基礎上，借鑒已有研究成果，從社會效益、經濟效益、生態效益和環境效益四個方面構建土地利用效益評價指標體系（表1）。研究用到的數據來源于《湖北統計年鑒2012》和《中國城市統計年鑒2012》，具有權威性和準確性。

1.2 變異系數TOPSIS法

變異系數TOPSIS法是變異系數法和TOPSIS方法的組合。變異系數法是一種直接對指標數據進行數學處理求取指標權重的客觀賦權方法［13］，充分考慮了指標數據的相對變化幅度，大大減少了主觀因素帶來的偏差，其指標權重值比主觀賦權法更具科學性、客觀性和可信度。TOPSIS法是系統工程中有限方案多目標決策分析的一種常用的決策技術［14］，它是一種逼近理想解的排序法，其原理是通過測度優先方案中的最優方案和最劣方案，分別計算出各評價對象與最優方案和最劣方案的距離，獲得各評價對象與最優方案的相對接近程度，以此來對評價對象進行評價排序，具有計算簡便、結果合理的優勢［15］。本文結合變異系數法和TOPSIS方法的相關運算理念及方法，變異系數TOPSIS法的運算主要步驟如下：

1.2.1 數據規范化處理 為了使評價指標具有可比性，需要對指標數據進行無量綱處理，以消除指標量綱或指標測度量級不同而造成的影響，計算公式為［16］：

正向指標：yij＝（xij－mj）／（Mj－mj）；

負向指標：yij＝（Mj－xij）／（Mj－mj）

式中：xij——指標實際值；yij——指標標準化值；i——評價對象；j——評價指標；Mj，mj——第j個指標的最大值和最小值。經過指標標準化后，構建決策矩陣B。

1.2.2 采用變異系數法［13］確定指標權重W

① 計算各指標的平均數和標準差Sj：

② 計算各指標的變異系數Vj，對變異系數進行歸一化處理，得到每個指標的權重Wj：

1.2.3 建立加權的規范化矩陣V

1.2.4 確定正理想解和負理想解

1.2.5 計算距離 分別計算不同評價對象評價向量到正理想解的距離D＋和負理想解的距離D－：

1.2.6 計算各評價對象土地利用效益測算值Ci

式中：Ci∈［0，3］，Ci越大，表明評價對象土地利用效益越好，反之則反。本文將土地利用效益分為4個等級，用以表征土地利用效益的程度，當Ci∈（0，0.3］，Ci∈（0.3，0.5］，Ci∈（0.5，0.8］，Ci∈（0.8，1］時，土地利用效益分別處于低級、中度、良好和優秀的土地利用效益階段。當Ci＝1時，土地利用效益水平最高，土地利用達到最優狀態；當Ci＝0時，土地利用無效益，土地利用處于高度無序混亂狀態。

表1 武漢城市圈土地利用效益評價指標體系

1.3 耦合協調度模型

1.3.1 耦合度模型 借鑒物理學的容量耦合概念及系數模型，得到土地利用社會經濟效益與生態環境效益的耦合度函數［17－18］：

C＝｛（U1×U2）／［（U1＋U2）（U1＋U2）］｝1／2

式中：C——耦合度值；U1，U2——土地利用社會經濟子系統與生態環境子系統評價分值；C∈［0，1］；當C＝0時，耦合度極小，系統間或系統內部要素之間處于無序狀態；當C＝1時，耦合度極大，子系統之間或系統內部要素之間達到良性共生耦合。本文將耦合度分為4個等級：當C∈［0，0.3］，C∈（0.3，0.5］，C∈（0.5，0.8］，C∈（0.8，1］時，區域土地利用效益分別處于低度耦合、拮抗、磨合和高度耦合階段。

1.3.2 協調度模型 為了更好地評判土地利用社會經濟效益與生態環境效益交互耦合的協調程度，引入耦合協調度模型［19］：

式中：D——協調度；C——耦合度；T——社會經濟與生態環境的綜合協調指數，反映了社會經濟與生態環境的整體協同效應；U1，U2——土地利用社會經濟子系統與生態環境子系統評價分值；α，β——待定系數，α＋β＝1，本文認為社會經濟與生態環境同等重要，即α＝β＝1／2；D∈［0，1］，D越大，其耦合協調發展水平越佳，反之則反。本文將社會經濟子系統與生態環境子系統的耦合協調度分為4個等級：當D∈（0，0.3］，D∈（0.3，0.5］，D∈（0.5，0.8］，D∈（0.8，1］時，土地利用效率分別處于低度協調、中度協調、高度協調和極度協調的耦合階段。

2 結果與分析

根據以上方法和模型，計算出武漢城市圈2011年土地利用社會經濟效益評價值、生態環境效益評價值和綜合效益評價值、土地利用社會經濟效益與生態環境效益耦合度、耦合協調度（表2）。

表2 2011年武漢城市圈土地利用效益與耦合協調度指數

2.1 土地利用效益評價

2.1.1 社會經濟效益 2011年武漢城市圈土地利用社會經濟效益區域兩級分化嚴重，差異懸殊，以低級效益為主優秀效益為輔。社會經濟效益得分最大值為武漢的0.867 3，最小值為孝感的0.112 5，兩地相差0.750 8。除了武漢市處于優良的土地利用效益階段外，其余城市圈成員均處于低級的土地利用效益階段，其效益指數介于0.112 5～0.223 0之間，內部差異較小，尤其是黃岡和天門的社會經濟效益值幾乎相同。盡管鄂州土地利用社會經濟效益在區域中位居第二，但其社會經濟效益值只有0.223 0，與武漢的效益指數差距達0.754 8，是武漢市效益值的25.71%，僅比最低的孝感高出0.110 5。作為城市圈的中心城市，武漢產業基礎好，具有較高的首位度，經濟實力首屈一指，土地利用的結果對社會需求的滿足程度也最高。在評價指標體系中，反映經濟效益的地均國內生產總值、地均財政收入、地均工業企業利潤總額、地均固定資產投資、地均出口額5個指標均列城市圈首位，反映社會效益的5個指標有人均城鄉居民儲蓄存款余額、人均社會消費品零售總額、農村居民人均純收入3個指標列城市圈首位。近年來，“兩型社會”建設的全面推進，給武漢社會經濟發展注入了強勁動力，并通過經濟發展促進了社會全面進步，因而社會經濟效益得分最高。其他城市與武漢的經濟發展水平差距明顯，社會發展受到制約，使得社會經濟效益得分普遍很低，但各城市之間社會發展程度和經濟發展水平的地域差異較小，社會經濟效益處于同一水平。

2.1.2 生態環境效益 從土地利用生態環境效益評價值來看，2011年武漢城市圈生態環境效益區域兩級分化顯著，差異較大，以良好效益為主低級效益為輔。潛江生態環境效益分值最高，達0.781 9，鄂州得分最低，為0.259 0，兩者相差0.522 9。除了鄂州處于低級的土地利用效益階段外，其余各個城市得分集中在0.50～0.80區間，均處于良好的土地利用效益階段，這與社會經濟效益表現出來的低級效益為主優秀效益為輔的區域特征截然不同。對比處于良好效益階段的8個城市，可以進一步劃分為三種土地利用效益類型：黃石和武漢的低度良好效益類型（效益值0.50～0.60），孝感和黃岡的中度良好效益類型（效益值0.60～0.70）；天門、仙桃、咸寧和潛江的高度良好效益類型（效益值0.70～0.80）。天門、仙桃、咸寧和潛江生態環境效益在城市圈中居于靠前的位置，主要原因在于良好的生態基礎以及生態環境保護與建設力度的加大，地區生態環境得到了有效保護，生態效益指標表現在較高的森林覆蓋率、耕地覆蓋率和建成區綠地率，環境效益指標表現在較低的單位面積工業廢水排放量、單位面積工業煙（粉）塵排放量和較高的工業固體廢物綜合利用率。特別是潛江，在生態環境指標占優勢的情況下，受益于區內最高的耕地覆蓋率和最低的單位面積工業煙（粉）塵排放量，使得其土地利用生態環境效益排在第一位。最高的單位耕地面積化肥施用量、單位面積工業煙（粉）塵排放量、工業固體廢物綜合利用率和其他較差的生態環境指標值是鄂州生態環境效益最低的直接原因。

2.1.3 綜合效益 武漢城市圈土地利用綜合效益區域兩級分化明顯，差異較大，以中度效益為主低級效益和優良效益為輔。綜合效益值最高的是武漢的0.739 7，接下來依次為潛江、仙桃、咸寧、天門、黃岡、孝感和黃石，這6個城市的綜合效益值從0.389 5降至0.305 5，內部差別不大，綜合效益值最低的是鄂州，僅為0.235 1。綜合效益最高值與最低值之間相差0.504 6，從土地利用效益類型看，武漢綜合效益處于優良階段，鄂州處于低級階段，其余各地處于中度階段。武漢借助區位優勢和資源優勢，在“兩型社會”建設過程中聚集了大量的資金、人力和技術，為經濟、社會和生態環境發展提供了強有力的支撐，并堅守發展和生態兩條主線，土地利用獲得了最好的綜合效益。鄂州作為湖北省重要的工業基地，以冶金為支柱產業，區域內生態環境質量較差，尤其是大氣環境質量惡劣。此外，較高的人口密度和較低的第三產業就業人口比重等社會效益指標也是導致鄂州土地利用綜合效益最差的重要原因。黃石的綜合效益僅優于鄂州，作為我國中部地區重要的原材料工業基地和武漢城市圈的副中心，經濟實力雄厚，社會發展較快，社會經濟效益指標均名列前茅，但較低的耕地覆蓋率、工業固體廢物綜合利用率和污水集中處理率，較高的單位面積工業廢水排放量等生態環境效益指標阻礙了土地利用綜合效益的提升。其他城市雖然社會發展和經濟水平較低，但能較好地協調經濟、社會、生態和環境保護的關系，生態環境質量良好，因此綜合效益在城市圈中位于中間的位置。

2.2 土地利用效益耦合協調度評價

2.2.1 土地利用效益耦合度 整體上看，2011年武漢城市圈土地利用效益耦合度均處于拮抗階段，且區域差異較小。土地利用效益耦合度由大到小依次為：鄂州、武漢、黃石、仙桃、潛江、咸寧、黃岡、天門、孝感，耦合度最大的鄂州和最小的孝感相差0.149 9，空間差異較小。表明隨著經濟快速發展，生態環境遭到破壞，環境承載力下降，不和諧的人地關系開始顯現，社會經濟可持續發展遇到了一定的障礙，武漢城市圈各地區土地利用系統內部要素處于拮抗階段。可以把處于拮抗階段的武漢城市圈各城市土地利用效益耦合度進一步細分成兩種類型：一類為無限接近磨合階段的鄂州、武漢和黃石。三個城市的耦合度接近0.50，尤其是鄂州和武漢兩市距0.50更近，意味著系統即將進入磨合階段，在經濟發展過程中，生態環境的破壞強化了人們的環保意識，更多的資金將投入到生態環境建設中，社會經濟子系統和生態環境子系統之間良性耦合將成為可能；另一類為逃離低度耦合階段的仙桃、潛江、咸寧、黃岡、天門、孝感。說明在經濟發展過程中，隨著土地開發強度的加大，工業“三廢”的排放量逐漸增加，水體、大氣、土壤受到較為嚴重的污染，區域生態環境遭到一定程度的破環，人居環境質量指數不斷下降［20］。在社會經濟子系統開始干擾生態環境子系統的同時，經濟發展與資源環境之間的矛盾慢慢激化，這種以犧牲生態環境為代價的非持續型缺乏競爭力的經濟發展模式嚴重制約了耦合度的進一步提高。

2.2.2 土地利用效益耦合協調度 2011年武漢城市圈土地利用效益耦合協調度區域差異明顯，包括中度協調耦合和高度協調耦合兩種類型。耦合協調度最大值與最小值分別是武漢的0.586 9和鄂州的0.346 7，其差距為0.240 3，差異較大。武漢處于高度協調耦合階段，城市圈其他成員均處于中度協調耦合階段，他們之間的極大值與極小值僅相差0.079 2，差異較小。仙桃、潛江、咸寧、黃石、天門、黃岡、孝感和鄂州等城市社會經濟發展水平普遍不高，經濟發展對生態環境的影響較小，土地利用的社會經濟效益滯后于生態環境效益，系統處于低水平協調階段。顯然，這些城市對土地資源開發的力度和強度不夠，應該在良好的生態環境基礎和充裕的承載力條件下，充分利用好生態環境優勢，推進社會經濟全面發展，提高土地利用社會經濟效益，實現耦合協調度水平的提升。在促進"中部崛起戰略"背景下，隨著武漢城市圈"兩型社會"建設的全面推進，武漢通過調整產業結構，優化發展模式，社會經濟飛速發展，資源環境優勢有效轉化為社會經濟優勢，生態環境保持良好，社會經濟子系統和生態環境子系統和諧共生，系統處于高度協調階段。武漢屬于生態環境效益滯后于社會經濟效益的高度協調，今后，武漢在社會經濟發展的同時，應突出生態建設、環境保護和資源節約，促進社會經濟與生態環境進一步協調，達到社會經濟效益與生態環境效益的良性循環。

3 結論與討論

3.1 結 論

（1）武漢城市圈土地利用效益呈現出兩級分化明顯區域差異懸殊的特征。土地利用社會經濟效益以低級效益為主優良效益為輔，社會經濟效益最好的是武漢，最差的是孝感。武漢處于優秀的效益階段，其他城市皆處于低級效益階段；土地利用生態環境效益以良好效益為主低級效益為輔，潛江生態環境效益最好，鄂州生態環境效益最差，除了鄂州屬于低級的效益階段外，其余城市均屬于良好的效益階段；而土地利用綜合效益以中度效益為主低級效益和優良效益為輔，綜合效益最好和最差的城市分別是武漢和鄂州，武漢處于優良效益階段，鄂州處于低級效益階段，其余各地處于中度效益階段。

（2）武漢城市圈土地利用效益耦合度均處于拮抗階段，且區域差異較小，鄂州的耦合度最高，孝感的耦合度最低，這種以破壞生態環境為基礎、缺乏社會經濟與生態環境和諧共振、非持續發展的經濟發展模式嚴重制約了耦合度的提升。

（3）武漢城市圈土地利用效益耦合協調度區域差異較顯著，包含中度協調耦合和高度協調耦合兩種類型。耦合協調度最高的是武漢，最低的是鄂州，武漢處于高度協調耦合階段，其他城市處于中度協調耦合階段。

3.2 討 論

通過構建土地利用效益評價體系與耦合協調度模型，探討了武漢城市圈土地利用效益、耦合度和耦合協調度的區域空間特征，為區域土地利用效益改善提供了參考。本文選取武漢城市圈2011年的截面數據，對區域內各地區土地利用效益進行了橫向對比分析，但受限于武漢城市圈面板數據獲取的困難，在分析區域土地利用效益長期變化規律上缺乏縱向認識，影響了城市圈土地利用效益總體特征的辨識，今后需要補充數據進一步完善分析結果。此外，本文僅從社會經濟效益和生態環境效益兩個維度上評價土地利用系統的耦合協調關系，如何從更多的維度分析城市圈土地利用效益內在屬性，將是下一步研究的方向與內容。

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