基于全排列多邊形綜合圖示法的唐山市土地利用多功能性評價

張路路，鄭新奇，原智遠，崔海寧

（1.中國地質大學（北京）信息工程學院，北京100083；2.河北瑞嘉土地評價咨詢有限公司，河北 廊坊065000）

基于全排列多邊形綜合圖示法的唐山市土地利用多功能性評價

張路路1，鄭新奇1，原智遠1，崔海寧2

（1.中國地質大學（北京）信息工程學院，北京100083；2.河北瑞嘉土地評價咨詢有限公司，河北 廊坊065000）

研究目的：探索土地多功能性評價方法，為區域土地持續利用提供支撐。研究方法：全排列多邊形綜合圖示法。研究結果：（1）1995—2015年唐山土地利用總功能快速提高，功能之間協調性呈減弱趨勢，土地利用功能日趨多元化，重心由生活功能轉變為生態功能；（2）土地生產和生活功能經歷了快速提高階段，由低度持續轉變為中高度和中度持續，生態功能由緩慢退化躍入快速提升階段，由低度持續轉變為中度持續；（3）農業生產、就業支撐和生態調節功能先退化后快速提升，資源供給功能持續降低，經濟發展、交通保障、社會保障等功能均呈現快速提高趨勢。研究結論：全排列多邊形綜合圖示法可為區域土地利用多功能評價提供參考和方法借鑒。

土地利用；土地多功能性；“三生”功能；全排列多邊形綜合圖示法；唐山市

土地是人類生存發展的重要生產要素和關鍵性資源，具有多重功能和屬性［1］。土地多功能利用是破解土地資源短缺和實現區域可持續發展的重要途徑［2］，2004年全球土地計劃（GLP）支持的可持續評價組織SENSOR項目提出了土地利用多功能概念［3］，并建立了政策、土地多功能和區域可持續發展的分析框架。此后土地多功能日益受到國外學術界廣泛關注。學者Helming等提出用于政策驅動下土地利用功能變化對經濟、社會和環境影響的分析框架［4］，并基于此框架采用定性和定量的方法分析了歐洲CAP政策下的土地功能變化［5］。De Groot通過土地多功能分類和量化分析了規劃決策中的土地沖突問題［6］。國內對土地多功能利用研究起步較晚［7-9］，在土地多功能評價指標體系［10］、分析框架［11］、評價方法［8］、功能時空格局變化［12-15］等方面展開了探討。多功能性評價是土地多功能利用的基礎和重要問題之一［2，8］，旨在測度土地多元化利用所提供的產品、服務及效應［5］。評價模型包括量化與表征兩種類型［7］，直接定量刻畫難度較大，指標表征法成為土地利用多功能評價主要途徑。多因素綜合評價法是指標表征法采用最多的方法［8，14］，但該方法易受主觀判斷和選擇對結果等影響［15］。同時，土地多功能評價的目的既在于測度土地利用功能水平，更需要識別影響土地利用功能的障礙因子，以對土地利用行為與政策進行有效調整，已有評價對土地多功能利用動態方向反映不足［2］。

本文通過構建土地多功能評價的指標體系，引入全排列多邊形圖示指標法測度土地多功能性。該模型簡單直觀，僅需確定與決策相關指標的上、下限和臨界值，能有效克服傳統主觀判斷權重的不足［16］，且用幾何直觀圖示，具備較強的動態性，實現土地多功能評價—可視化表達的集成。通過分析唐山市1995年、2005年、2015年土地利用多功能的變化、功能不足及制約因素，旨在探索具有評價、問題診斷和政策指導一體的土地多功能評價技術與方法，并為提升唐山市土地利用效率及協調生態經濟發展提供參考。

1 研究區域及數據來源

1.1 研究區概況

唐山市地處環渤海灣中心地帶，素有“冀東糧倉”之譽，是北方重要的能源和原材料基地。唐山市是京津冀城市群的主要城市和河北省經濟和城市化發展快速地區，改革開放初期處于邊恢復邊建設狀態，1990年代后社會經濟進入了快速發展的階段，2005年隨著河北省經濟重心向沿海轉移、建設科學發展示范區、京津產業轉移等，區域社會經濟呈現快速發展態勢。1995—2015年，GDP 年平均增速為12.95%，產業結構由24.9： 47.0： 28.1轉變為8.98： 57.8： 33.4，人口城鎮化率由24.8%提高至57.4%。人均GDP和居民人均可支配收入達8.07萬元和2.3萬元，均居河北省首位。在經濟快速發展和城市轉型的背景下，土地利用結構變化劇烈，并引發了農用地保護、建設用地及生態環境用地問題和矛盾，該地區土地利用多功能變化亟待關注。

1.2 數據來源

研究涉及土地、人口、產業發展、交通、就業和生態環境等數據。耕地、交通用地數據來源于《唐山市土地利用統計年鑒》；人口、產業發展、水資源、原煤產量、自然保護區面積比例等來源于《唐山市統計年鑒》（1995—2015年）及國民經濟和社會發展統計公報（http：//www.tjcn.org/）；水土流失比例根據唐山市土壤侵蝕遙感普查及統計年鑒獲得。廢污水排放量來源于《唐山市環境狀況公報》，1995年數據根據相關文獻［17］計算得到。

2 研究方法

2.1 劃分土地功能類型

已有許多學者開展了不同視角的功能類型劃分研究［10， 18-19］，但土地功能分類尚未統一。本文將土地功能分為生產、生活和生態三種類型［20］，自上而下確定每個單項功能下的子功能。生產功能包括人類提供工、農業產品和服務和交通空間功能，農業功能和經濟功能來表征區域農業和非農經濟產業活動的能力，交通功能表征區域公路、鐵路、公共交通等保障能力；生活功能主是保障社會健康發展，實現區域人類福祉的最大化功能，包括棲息居住、就業支持和社會保障、休閑娛樂文化的基本功能；生態功能良性發展是社會經濟健康發展所追求的目標，包括土地對提供非生物質資源、生態調節和維持生態系統平衡等主要功能。上述功能相互關聯，相互統一，是自然和社會經濟系統協同耦合的產物。

2.2 構建區域功能評價指標體系

基于前述功能分類，結合唐山市土地利用特征，依據可得性、靈敏性和可量化性等原則，構建了土地利用功能的指標體系（表1）。側重選擇能反映人類需求狀態的指標，如人均糧食產量、收入、耕地面積、住房面積、水資源量等指標，此外采用比例指標，減少使用結構和總量指標，直接有效反映功能。

2.3 確定評價指標閾值

指標閾值是區域土地資源在可持續利用下指標應實現的理想值。借鑒已有文獻研究［2， 8， 11， 14］，從唐山社會、經濟和生態背景值和本底值出發，參考已有國際、國家、行業和地方規定的標準，確定了各指標的閾值（表2）。指標確定遵循以下原則［8， 11］：（1）盡量揭示自然承壓閾值，如指標：C20—C22；（2）系統資源約束與開放結合，如指標：C6、C17—C19、C23—C25；（3）高標準且可以實現的發展目標，如指標：C1—C3、C4—C16。

2.4 全排列多邊形圖示指標法

全排列多邊形圖示指標法最早用于生態城市的評價［16］，目前已用于土地集約利用［21］、節能減排績效［22］、綠地生態服務效能［23］等評價。結合土地利用多功能性評價，其具體定義為［22］：以n個評價指標（標準化）的上限值為半徑構成一個中心正N邊形，指標值連線構成一個不規則中心N邊形，頂點是n個指標的一個首尾相接的全排列。n個指標總共可以構成（n- 1）！/2個不同的不規則中心n邊形；綜合指數代表所有這些不規則多邊形面積的均值與中心多邊形面積的比值。

指標值標準化采用雙曲線標準化函數Q（x）：

式（1）中，L、U、T為指標的下限、上限和臨界閾值。Q（x）滿足：Q（x）|x=L=-1，Q（x）|x=T= 0，Q（x）|x=U= 1。標準化函數Q（x）把位于區間［L，U］的指標值映射到［-1，+1］區間。指標由原始的線性變化調整為快—慢—快的非線性變化，臨界值為指標變化速度的轉折點。因此，第i個指標的標準化公式為：

表1 土地功能分類體系及指標Tab.1 The land use function categories and indicators

式（2）中，Si為指標標準化值，Ni是指標實際值，Ui、Li、Ti分別為指標值的上限值、下限值和閾值。n個指標構成一個中心正n邊形，n個頂點為fi= 1時的值，中心點為fi=-1時的值，中心點到頂點的線段為各指標標準化值所在區間［-1， +1］，而fi= 0時構成的多邊形為指標的臨界區。內部區域表示指標標準化的值為負；外部區域表示指標標準化的值為正。

土地功能評價值計算公式：

式（3）中，F為土地功能值（總功能或子功能），fi、fj為第i、j個分項指標，n為指標個數。土地利用多功能利用涉及經濟、環境和社會等，由于因素信息的不確定性或不完全性，在評價指標綜合中考慮了臨界值對系統綜合指標的放大和緊縮效應，反映了土地利用的協調性和整合性。

表2 唐山市土地利用多功能性評價指標閾值Tab.2 Evaluation index threshold of multi-functional land use in Tangshan

2.5 土地功能測算與分析

引入功能實現率（V）表征區域某類土地利用功能（F）的實現程度［8］，是區域土地利用功能值與理論最大值（Fmax）的比值。當所有功能指標值都等于或優于標準值時，土地利用功能值達到理論最大值1，因此功能實現率（V）與土地功能值F相等，且V≤1。借鑒相關研究［16］，以0.25為步長從低到高將功能實現率V區間［0，1］劃分為低度持續、中度持續、中高度持續和高度持續。

采用功能變化動態度（d）、功能標準差（σ）和功能變化優勢度（S）測度功能的變化情況［2，5］。其中，d表示不同年份各類土地利用功能的相對變化程度，σ測度土地利用功能值間的差異，反映土地利用多功能協調性，S表征某期土地利用多功能變化的差異性。計算公式分別如下：

將d分為5種類型：快速退化型（d＜-20%）、緩慢退化型（-20%≤d＜0）、維持不變型（d= 0）、緩慢提高型（0＜d≤20%）和快速提高型（d＞20%）。

式（5）中，σ越小，表明土地利用多功能協調性越高，反之功能協調性越低。為功能值均值，N為功能個數。

式（6）中，S最大值為1，S越大，表明土地利用多功能變化差異越大，越趨于單一化利用，反之越趨于多元化。

3 結果與分析

計算得到唐山市1995—2015 年的土地利用多功能值（圖1）、功能實現率和功能水平類型（表3），并運用土地利用多功能變化動態度，功能變化優勢度確定動態度確定功能變化類型（表3）。根據各指標閾值測得土地利用功能實現率，結合劃分的土地利用多樣性等級，闡釋其土地利用多樣性程度。

3.1 土地利用多功能性總體變化分析

（1）土地利用總功能快速提高。研究期間唐山市土地利用總功能快速提高，1995—2005年功能變化動態度達21.79%，后一階段功能變化動態度達到100%，受河北省沿海發展戰略、京津產業轉移和資源型城市轉型等影響，產業調整和經濟增長加快，土地利用活動更加活躍。2015 年土地利用總功能實現率為0.435，處于中度持續水平，仍有提升空間（表3）。

圖1 1995、2005和2015 年唐山市土地利用功能值Fig.1 Values of land use functions in 1995， 2005 and 2015 in Tangshan

表3 1995—2015年唐山市土地利用功能實現率和水平類型Tab.3 The achievement rates and the level types of land use functions in Tangshan

（2）土地利用多功能協調性呈減弱趨勢。1995—2005年，生產功能和生活功能處于快速提高階段，而生態功能則處于緩慢降低；后一階段 “三生功能”雖然均處于快速提高階段，但提升幅度不同，功能值之間的差異逐漸擴大，多功能協調性呈減弱趨勢。單項功能三期的標準差計算結果分別為0.172、0.095、0.203，單向功能協調性呈現先提高后減弱的過程。子功能的標準差分別為0.047、0.081、0.135，功能標準差值呈增大趨勢。生產功能和生態功能內部標準差呈現先提高后減弱過程，生活功能標準差則持續變大（表4）。從整體上看，研究期間唐山市土地利用多功能協調性在減弱。

（3）土地利用功能日趨多元化，重心由生活功能轉變為生態功能。1995—2005年唐山市土地利用功能中變化最大的是生活功能，其功能變化動態度為77.48%，功能變化優勢度為0.690，表明期間土地利用呈現以生活功能為主的多元化特征；后一階段功能變化優勢度為0.399，比上一階段下降0.291，更反映出土地利用功能的多元化趨勢，變化最大的是生態功能，這表明期間土地利用重心由前一階段的保障和改善社會民生事業轉變為后一階段的生態功能提升。

表4 唐山市土地利用功能標準差及變化優勢度Tab.4 Standard deviation and change dominance of land use functions in Tangshan

3.2 單項功能值變化特征及分析

以各個單項功能指標經過標準化后的值為頂點繪制時間序列的多邊形（圖2）。本研究將標準化后值小于0的指標視為障礙因子（較差狀態）［16］，得到了不同時期生產、生活和生態功能的障礙因子表（表5）。

圖2 唐山市土地多功能性評價各指標圖示Fig.2 Evaluation results of land use function indicators

（1）生產功能。唐山土地生產功能處于快速提高階段，由低度持續提高至中度和中高度持續水平。但內部的農業生產、經濟功能和交通保障功能變化出現差異，經濟和交通功能持續快速提高，農業生產則先快速退化后快速提高。

表5 唐山市土地利用功能障礙因子Tab.5 The main obstacles to land use functions in Tangshan

從指標動態變化來看，經濟發展和交通基礎設施的改善是唐山市土地生產功能快速提高的主要因素（圖2 （a））。唐山市1990年代末恢復期過后經濟發展駛入了快車道， 2005年二、三產業比重占到88.4%，人均GDP比1995年提高了141.8%，交通用地密度達0.57 km/km2，土地經濟功能和交通保障功能得到快速提高。但同期農業生產功能快速退化，耕地受建設用地占用及退耕還林政策影響大幅減少，加上農民種糧積極性不高，糧食播種面積持續減少，使的糧食單產由8070 kg/hm2降低至7217 kg/hm2，人均糧食擁有量低至380 kg/人，已低于400 kg/人的安全水平，2005年農業功能已處于中度持續狀態。

后一階段土地生產功能的子功能均處于快速提高狀態。交通功能提高幅度最大，達到224.30%，已處于中高度持續狀態。這一時期唐山市完成了沿海、唐曹高速等多條高速和干線公路建設，在河北省率先實現“縣縣通高速”，2015年公路交通密度達1.29 km/km2。經濟功能實現率高達0.701，2015年二、三次產業比重已達到91.02%，人均GDP達到80655元，遠高于全國和河北省的49229元和29801元。但高度依賴資源型產業發展，現代服務體系尚不發達，第三產業比重仍低于北京、上海等發達城市，經濟結構內部仍需優化提高。農業生產受國家糧食日益重視和農村稅費改革影響， 農業投入和科技水平逐步提高，農業功能保持在中度持續狀態，比2005年提高了30.28%。未來仍需關注區域人均糧食擁有量，其值仍低于可持續臨界閾值。

（2）生活功能。1995—2015年，唐山市生活功能從低度持續提高到中度持續，經歷了持續快速提高過程。單項功能中，除就業支撐功能以外，社會保障、居住家園和文化休閑功能均呈持續快速提高趨勢（表3）。

社會保障功能兩個階段的動態度分別為48.19%和112.56%，功能實現水平由低度持續提升至中高度持續。居民收入增加是社會保障功能提升的重要因素，兩個階段農村人均收入分別提高2倍和2.8倍，2015年達到12867元，遠高于河北省平均水平。但城鄉收入平衡指數逐漸減小，城鄉收入差異有擴大趨勢，2015年為44.54，小于可持續閾值（45），仍制約著社會保障功能提高。就業功能兩階段動態度分別為-2.85%和32.08%，呈現先緩慢退化后快速提高階段，從低度持續提高到了中度持續，主要受第三產業就業人員比重提高的影響。唐山經濟結構長期高度單一且超重型化，吸納就業人員能力強但數量有限， 2000年的國企改革帶來的下崗失業問題，城鎮人員失業率已經達到4%，制約著就業功能水平。隨著城市轉型戰略實施，產業結構逐步多元化，就業崗位的吸納能力增強，第三產業就業人員比重由28.10%提高至33.27%，但由于第三產業比重與先進地區相比仍然不高，其吸納就業能力仍有巨大的提升空間。

居民的居住環境質量和條件日漸提高。1995—2015年全市人口城鎮化率由24.8提高到57.4，高于河北省平均水平6.07，城鎮人均居住面積分別由11.90 m2提高到26.00 m2，居住家園功能快速提升，由低度持續提升到中高度持續。同時，隨著人民生活水平提高和物質需求的日益滿足，居民在娛樂、休閑等活動增多，城市人均公園綠地面積和建成區覆蓋率增加顯著，分別提高了6.38 m2/人和10.7%，文化休閑功能快速提升，功能水平由低度持續提升到中高度持續狀態，但城市人均公園綠地面積剛接近可持續發展的臨界水平，仍需繼續提升。

（3）生態功能。兩個階段的生態功能變化動態度分別為-15.84%、118.01%，先緩慢退化后快速提升，功能水平由低度持續提升至中度持續。

生態功能的資源供給、生態調節和生態維持功能在研究期間出現分異。資源供給功能持續退化，前一階段功能變化度明顯快于后一階段。人均耕地資源和水資源分別由1995年的0.09 hm2、380 m3下降到2015年的0.07 hm2、329 m3，遠低于全國人均值，使得資源供給功能水平始終處于低度持的狀態（表2，圖2（b））。生態調節功能實現類型均為低度持續，并經歷了先快速退化后快速提高階段（表2）。唐山市經濟高速的發展以犧牲生態環境為代價，近些年確定了“環境優先、生態立市”的目標，前一階段增幅較大的廢污水排放強度有所下降，使得環境凈化功能先降后升，但值得注意的是在工業廢水的排放強度、單位耕地化肥施負荷、單位耕地農藥施負荷等方面的指標值仍不夠理想。工業廢水的排放強度是河北省平均排放強度的3—5倍，農業面源污染的單位耕地化肥施負荷、單位耕地農藥施負荷均已超過國家標準，土地生態環境面臨較大壓力，導致生態調節功能一直處于低度持續的水平。為舉辦2016年世界園藝博覽會，唐山市在2008年后持續加大對生態環境建設投入，新建了南湖和唐山灣公園等，自然保護區覆蓋率和森林覆蓋率分別由2.38%、18.2%提高到12%、34.5%，水土流失率由21.54%降低到 17.39%，生態維持功能快速提升，由低度持續提升至中高度持續狀態，維持城市生態功能由低度持續提升至中度持續狀態。

4 結論與建議

（1）研究基于土地生產、生活和生態功能分類構建了土地多功能性評價體系，引入全排列多邊形圖示指標法，評價了唐山市土地利用多功能性。全排列多邊形圖示指標法評價過程簡潔、客觀，對指標數據要求簡單，僅需確定評價指標的閾值，減少了專家主觀確定權重系數環節，降低了主觀隨意性；指標綜合過程考慮了指標臨界值對土地系統功能的放大和緊縮效應，符合土地功能與指標的關系實際；結果表達既可反映單功能值又可反映綜合值，通過幾何直觀圖展示，便于問題診斷和政策指導。

（2）研究結果表明，1995—2015年唐山市土地利用總功能快速提高，土地利用多功能協調性呈減弱趨勢，土地利用功能日趨多元化，重心由生活功能轉變為生態功能。生產和生活功能均經歷了快速提高階段，分別由低度持續轉變為至中高度和中度持續，生態則由緩慢退化躍入快速提升，由低度持續轉變為中度持續。農業生產、就業支撐和生態調節功能由先退化轉變為提升過程，資源供給功能始終處于降低狀態，經濟發展、交通保障、社會保障、居住家園、文化休閑和生態維持功能均呈現快速提高趨勢。

（3）障礙指標層因子結果表明，不同時期影響唐山市土地利用多功能的障礙因子類別、數量有所差異，障礙指標數量上趨于減少。 2015年主要障礙指標為人均糧食擁有量、城鄉收入平衡指數、第三產業人員從業比重、城市人均公園綠地面積、人均水資源、人均耕地面積、單位耕地化肥施負荷等。因此建議：①加強耕地保護，嚴格控制建設占用耕地，積極推進礦山廢棄地復墾、農村土地綜合整治和高標準基本農田建設，減少農業面源污染，保證耕地數量—質量的雙重平衡，保障區域糧食安全；②充分依托區域資源優勢推進傳統產業的升級和生態化改造，提高資源利用效率，降低地耗與水耗，加快發展綠色和循環經濟，加強污染治理和環境保護，緩解生態環境壓力；③加大對農業和農村資金投入，提升農村科技水平，逐步縮小城鄉產業差距；④優化城市經濟產業結構，積極主動承接京津產業轉移，延伸資源產業的鏈條，挖掘和利用區域旅游資源發展第三產業；⑤加強城市生態綠化建設，以世界園藝博覽會為契機，拓展綠地網絡，提升城市綠化程度。

唐山市土地多功能性評價案例表明評價過程合理可行，較好地反映了唐山市發展的實際，可為區域土地利用多功能評價提供參考和方法借鑒。然而在土地多功能性評價中，閾值大小的確定對研究結果有較大影響，確定更合理的閾值還有待探討；研究僅在縱向上探析了區域土地多功能變化，開展區域間的土地多功能性時空變化有待深入研究。

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（本文責編：陳美景）

Assessment on Multi-functionality of Land Use based on the Entirearray-polygon Indictor Method in Tangshan

ZHANG Lu-lu1， ZHENG Xin-qi1， YUAN Zhi-yuan1， CUI Hai-ning2
（1.School of Information Engineering， China University of Geosciences（Beijing）， Beijing 100083， China； 2.Hebei Ruijia Land Planning and Consulting Co.Ltd.， Langfang 065000， China）

The purpose of this paper is to explore the method used to assess multi-functionality of land use so as to support regional land sustainable use.In this research， we designed an identification system of multi-functional land use according to ecological， living and industrial factors， and then evaluated the state of Tangshan's multi-function land use in 1995， 2005 and 2015 by the Entire-array-polygon indictor method.Results shows that： 1）The overall function of Tangshan's land use had dynamically changed from 0.176 to 0.215 and 0.435.The dynamic degree of the total overall function was 21.79% during 1995-2005 and was 100.00% during 2005-2015， suggesting that the overall function of land use had been rapidly improved to the middle sustainable level.The standard deviations of single function turned down first and then decreased， subfunction decreased gradually， indicating that the cohesion of multifunction was promoted progressively.With the decrease ofthe dynamic dominance， the land use of Tangshan changed from single function to multi-function.The function changed most were living function during 1995-2005 and ecological function during 2005-2015.It meant that the focus of land use changed from living to ecology.2）The sustainability of the production and living functions were promoted from the low level to the mid-high level and the middle level.Meanwhile， the trend of ecological function transformed from the slow degradation into the rapid increase while the level promoted from the continuously low into the continuously middle level.3）Factors changed in different ways.Agricultural production， employment support and ecological regulation were in a rapid growth after the first stage of degradation.Resource supply function continued to decline.Economic development，transportation security， social security， residential homes， culture and leisure as well as ecological maintenance kept rapid increase.The Entire-array-polygon indictor method has advantages in multifunctional land use assessment， which improves the objectivity and scientificalness of multi-functional land use assessment.

land use； multi-functional land use； land ecological-living-industrial functions； entire-array-polygon indictor method； Tangshan

F301.24

A

1001-8158（2016）06-0023-10

10.11994/zgtdkx.20160714.151928

2016-04-25；

2016-05-25

基本科研業務費專項資金資助項目（53200859188）。

張路路（1985-）， 男，河南博愛人，博士研究生。主要研究方向為土地信息技術與應用、空間規劃。E-mail： luluzhang@cugb.edu.cn

鄭新奇（1963-），男，河南伊川人，教授，博士生導師。主要研究方向為空間分析與建模、空間規劃輔助決策技術、GIS開發與應用和土地評價與規劃等。E-mail： zhengxq@cugb.edu.cn