四川省土地利用多功能性評價及影響因素研究

吳佳俁，潘洪義，淳 陽，蔣貴國

(1.四川師范大學西南土地資源評價與監測教育部重點實驗室，四川成都 610066；2.四川師范大學地理與資源科學學院，四川成都 610066)

土地資源與人類社會的發展息息相關，是社會進步、經濟發展的基礎保障。當前，土地的利用已不再是單純的為人類發展提供食物，而是以滿足日益增加的經濟、文化、環境需求為目的。因此，土地利用功能性也實現由單一到多樣的轉化。2004年啟動的全球土地計劃(GLP)支持的歐盟第六框架計劃下的SENSOR項目提出了土地利用多功能這一概念[1]。

土地利用多功能性指一個區域土地利用功能及其經濟、社會和生態功能的狀態和表現，是評價土地利用變化對其功能影響的重要概念和方法體系，通常以土地利用功能(land use functions，LUFs)表示，即不同的土地利用方式提供的產品與服務[2-3]。20世紀70、80年代，東歐的國家對景觀生態-社會-經濟研究中的土地功能進行了劃分[4]，即生產、人文生態、美學和調整功能。20世紀90年代后期，隨著全球和歐洲農業政策的變化，這一概念逐漸被采納并成為農業、林業、公共產品、就業等領域的重要研究內容[5]。國外多功能的研究主要應用到土地利用的可持續性影響評估等研究領域，如Helming等介紹了SENSOR的分析方法，并描述了土地利用變化影響評估的框架[6-7]。Reidsma等運用SENSOR的方法體系評價太湖流域的當前形勢并探討了不同情景下土地利用政策對發展中國家可持續發展的影響及變化[8]。可以看出，國內外的研究多從全國或省域尺度針對耕地多功能性的概念及理論框架[9-10]、保護耕地多功能策略[11-13]、土地多功能評價的理論體系[14]、指標體系構建[15]、評價方法[16]、功能時空格局變化[17-19]、現狀總結[20-21]等方面展開研究，但對其影響因素的探討卻非常少見。而土地利用多功能性會伴隨著區域社會、經濟的發展呈現出顯著的時空差異[22]，只有分析導致其功能變化的影響因子，才能針對性地為土地利用行為及政策調整提供科學依據。基于此，本研究以西部大開發戰略的重點區域——四川省為例，建立評價指標體系，分析土地利用功能的變化特征，并運用SAS進行影響因素分析，為土地利用多功能評價提供方法基礎，為未來四川省土地多功能利用提供科學依據。

土地利用是土地功能多樣化的過程，不同的土地利用結構與其呈現的土地利用功能密不可分，土地利用結構決定了土地利用功能多樣性，而土地利用多功能性又反過來影響土地利用結構(圖1)。住宅用地、商業用地、交通用地突顯居住家園功能；醫療用地突顯健康保障功能；科教文化用地突顯文化功能；農用地和工業用地突顯土地利用生產功能；生態用地和未利用地表明土地資源利用過程中的生態功能。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

四川省簡稱川或蜀，地理位置為97°21′～108°31′E，26°03′～34°19′N，位于我國西南腹地，地處長江上游。四川省境內地勢西高東低，可分為四川盆地、川西北高原和川西南山地。2014年四川省人口為8 140.2萬人，占全國總人口的5.99%。2004—2014年四川省社會、經濟和生態水平呈現快速發展趨勢，3次產業結構由2004年的21.3 ∶41.0 ∶37.7轉變為2014年的12.4 ∶48.9 ∶38.7，2014年GDP是2004年的4.47倍，全省在環境方面有所改善，如森林覆蓋率從2004的27.94%提高到2014年的35.76%。四川省地域遼闊，土地資源豐富，總面積48.5萬km2，占全國總面積的5.1%，居全國第5位。從土地利用狀況看，2014年農用地面積比2004年減少20.21萬hm2，建設用地增加21.46萬hm2，其中，居民點及工礦用地面積增加18.82萬hm2。研究期內，農用地減少，建設用地不斷增加，土地利用方式的變化引起土地利用功能多樣性的增強。

1.2 數據來源

本研究采用的經濟社會數據來源于《中國統計年鑒》(2005—2015)、《國民經濟與社會發展公報》、《四川省政府工作報告》、《四川統計年鑒》(2005—2015)，部分數據根據指標要求經換算而得。

2 研究方法

2.1 指標體系構建

本研究根據四川省土地利用狀況的實際，依據綜合性、地域性、科學性和適用性原則，從人文-生產-生態3個維度選取24個具體指標構建四川省土地利用多功能性評價指標體系(表1)。從就業支持、居住家園、社會保障、文化功能中選取了農業從業人員、城鎮人均居住面積、農村人均住房面積、城鄉收入平衡指數、萬人擁有圖書量等指標，表現出土地的多樣化利用，滿足人類的不同需求。人類對土地的多樣化利用是經濟發展需要，生產功能指土地作為勞動對象直接獲取或以土地作為載體進行社會生產而產出產品和服務的功能，故分為農產品生產和工業產品生產等功能，其具體指標包括地均農業總產值、地均糧食產量、地均農業固定資產投資、工礦用地面積比例、地均工業固定資產投資等指標。生態功能是人文功能和生產功能的基礎，分為資源維持與供給、減輕污染物排放、景觀保育功能，選取人均水資源、人均林地資源、單位耕地化肥施用量、森林覆蓋率、自然保護區面積比例等指標，表征土地多樣化利用中對生態保護的重視度。

表1 四川省土地利用多功能性評價指標體系

注：表中的“+”、“-”符號及其組合用于表達指標的屬性，“+”表示正指標，“-”表示逆指標，“+/-”表示適度指標。

2.2 指標權重計算

權重反映各指標間的相互關系，本研究采用主客觀相結合的方法，用較主觀的特爾菲法確定因素層和目標層權重，用較客觀的熵值法確定指標層權重。

2.2.1 標準化處理 為了使各項指標的數據具有可比性，本研究采用極差法對數據進行標準化處理。將評價指標分為3種類型：(1)正向指標(指標值越高效益越好)；(2)逆向指標(指標值越低效益越好)；(3)適度指標(越接近理想值越好)。具體公式如下：

正向指標：

逆向指標：

適度指標：

1/(1+|Xij-Xoj)

式中：Xij為指標的標準化值；maxXij和minXij分別為歷年指標值的最大值和最小值；i表示年份，i=2004，2005，…，2014；j表示指標個數，j=24；Xoj為第j個指標的理想值(可持續閾值)。

2.2.2 計算第i年第j項指標的標準化值Pij

2.2.3 計算第j項指標的熵值eij

式中：調節系數k=1/lnm，ln為自然對數，pij為指標歸一化值，所得0≤eij≤1。

2.2.4 計算第j項指標的信息熵冗余度gj

gj=1-ej，j=1，2，…，n。

2.2.5 計算第j項指標的權重

2.3 確定閾值及數據標準化處理

閾值又稱閾強度，是在土地利用可持續條件下能達到的理想值，本研究部分閾值的選取是根據已有研究成果而定，適度指標閾值在參照國際標準、全國平均水平等土地利用多功能閾值的基礎上，根據四川省11年來所達到的平均水平和土地利用實際情況(表2)確定。由于不同數據的量綱不同會對計算結果產生影響，所以本研究通過以下公式對數據進行標準化處理，閾值為[0，100]，60為臨界分水嶺[23]。

正向指標：

逆向指標：

表2 四川省土地利用多功能性評價指標閾值

適度指標：

2.4 區域土地利用多功能性計算

土地利用功能值(f)反映土地利用的功能水平，f越大，表示該功能水平越高；反之，則表示該功能水平越低。根據標準化指標及各層權重，逐層依次確定子功能值(f″)、單項功能值(f′)及總功能值(f0)。

土地利用功能值變化通過增長量(β)、增長率(ν)和倍比系數(γ)進行表示。增長量和增長率表征土地利用功能的絕對或相對變化程度，再根據其數值的大小將土地利用功能變化情況劃分為快速退化、緩慢退化、維持不變、緩慢提高、快速提高5個類型。倍比系數反映土地利用功能的相對變化程度。具體公式為

β=f(i+1)-f(t)；ν=f(t+1)-f(t+1)/f(t)；γ=f(t+1)/f(t)。

式中：f(t+1)、f(t)分別表示t+1年、t年土地利用功能值；t表示時間2004—2014年。

2.5 基于SAS的影響因素分析

SAS(statistical analysis system)是一個模塊化、集成化的應用軟件系，功能強大，操作靈活，運用SAS編程語言，實現自動化分析，在國際上被譽為數據統計分析的標準軟件。本研究通過SAS做影響因素分析，主要利用其主成分分析(PRINCOMP)模塊完成主成分分析，它是一種降維技術的多元統計方法，借助一個正交變換，將其相關的原始變量轉化成相互間不相關的隨機主成分[24]。主要是將多數變量指標之間的問題轉化為少數變量指標間的問題，少數的新指標之間互不相關，是原來多個指標的一個組合，還能綜合反映原來多個指標的信息[25]。

3 結果與分析

3.1 土地利用功能值總體分析

通過計算得出四川省2004—2014年土地利用功能值(圖2)，并運用增長量、增長率、倍比系數表征土地利用功能變化情況(圖3)。2004—2014年四川省土地利用多功能值呈“V”形增長，2004—2007年處于緩慢下降階段，由2004年的49.35緩慢下降到2007年的47.26，下降率為4.24%；2008—2014年處于快速上升期，功能值由49.45上升至62.84，增長率達到27.08%。表明隨著社會經濟、科學技術的發展及生態環境的改善，四川省土地利用多樣性不斷提升。從功能值增長量來看，2005—2006年最低，為-1.35，2008—2009年最高，為3.31，研究期內年均增長量為1.35；從增長率來看，2004—2007年呈負增長，2008—2014年呈現波動式增長，2008—2009年增長率達到最大值6.69%，研究期內年均增長率為2.49%；從倍比系數來看，2007年之前年均倍比系數值為0.99，2007年之后倍比系數值均大于1.00，年均值為1.02。2007年是“十一五”規劃第2年，政府提出加快發展、科學發展、又快又好發展的政策，加快產業結構優化及經濟增長方式轉變，土地利用活躍度增強，功能值變化速率提高。

3.2 各項土地利用功能分析

3.2.1 人文功能 2004—2007年人文功能值不斷下降，2008—2014年呈階梯式增長。人文功能包含就業支持功能、居住家園功能、社會保障功能和文化功能。20世紀末期，由于國家宏觀政策的調整和四川省城鎮化進程的加快，2004—2014年城鎮登記失業率先上升后下降，2011年達到最低值4.10%，但農業從業人員不斷下降，城市居民收入不斷上升，就業支持功能逐漸增強。同時，政府致力于新農村建設，城市和農村居民人均住房面積均呈線性增長，居住家園功能顯著增強。社會經濟的高速發展，強有力地拉動了農村經濟的發展，城鄉收入平衡指數逐步上升，城鄉恩格爾系數之比趨于適度值，社會保障功能得到明顯提升。四川省大力實施科教興川和人才強省戰略，政府不斷加大教育投資，教育事業健康發展，每萬人高等學校在校生人數增長了2.07倍，文化功能也實現了快速增長。

3.2.2 生產功能 2004—2006年生產功能值呈現波動趨勢，2007—2012年急速上升，2013年增長速度略微下降但隨后呈上升狀態，2014年比2004年增長了1.79倍。由此可見，四川省經濟功能值增長明顯。四川省在西部大開發戰略背景下，由于自身區位優勢和國家政策的大力扶持，產業結構不斷優化，經濟發展突飛猛進，農產品生產功能在研究期內年均增長幅度為3.25%，工業產品生產功能的年均增長幅度達到11.51%，表明四川省在發展的過程中不斷加大了對農業和工業生產的投入，使得地均農業固定資產投資、地均工業固定資產投資、地均農業總產值和地均工業總產值均呈現逐年上升的趨勢，為全省經濟的快速穩定發展提供了強有力的保障。

3.2.3 生態功能 2004—2007年生態功能值一直下降，2007年達到最低值15.88，之后表現出較為平穩的緩慢增長態勢。其中，資源維持與供給功能值年均增長率為0.39%，人均耕地資源呈先上升后下降趨勢，人均林地資源略有下降，景觀保育功能的年均增長率為0.18%，增長緩慢。這是因為2008年的汶川地震對生態環境造成了嚴重的破壞，雖然政府加大了災后生態重建的力度，采取了退牧還草、水土流失治理、城鄉綠化等一批重點生態工程，但恢復過程非常緩慢。減輕污染物排放功能表現出較小幅度的逆增長，這是由于經濟的快速發展對生態環境產生了嚴重的破壞，單位耕地化肥施用量逐年增加，重金屬污染嚴重，使得土地利用的環境承載力降低。

3.3 土地利用多功能性影響因素分析

利用SAS的PRINCOMP過程對土地利用多功能性做主成分分析，得到表3所示的標準化數據。求解主成分從相關矩陣出發，計算出相關系數矩陣(表4)。按R的特征方程算得非負特征值，再求出其相應的特征向量；從SAS輸出的特征值和特征向量分別見表5、表6。由表5可知，前4個主成分的累計貢獻率達到93.83%>85%，原指標體系中93.83%的信息得以保留，達到了預期的效果，將4個主成分分別用z1、z2、z3、z4來表示。因此，決定第一主成分大小的主要是地均農業總產值(x12)、地均糧食產量(x13)、地均工業固定資產投資(x17)、生活垃圾處理率(x21)、單位耕地化肥施用量(x22)、森林覆蓋率(x23)、每萬人高等學校在校生(x10)等指標，體現了工農業的發展水平及減輕污染物排放對土地利用多功能性具有重要的影響作用，實際上第一主成分中各個變量間的載荷相差均不大，表明土地利用功能多樣性程度受資源基礎、經濟發展、政策支持等因素的綜合影響；決定第二主成分大小的主要指標是城鄉收入平衡指數(x7)、人均禽畜產品占有量(x11)，說明隨著城鎮化進程加劇，城鄉收入的差距逐漸縮小，人均禽畜產品占有量不斷提升，耕地利用效率提高，促進了土地利用多功能性的增強；第三主成分中人均水資源(x18)載荷較大，無論是在生產環節還是在生態環境功能保護方面都能對土地利用多功能性產生重要影響；決定第四主成分大小的是工礦用地比例(x15)、城鎮失業登記率(x1)，說明隨著工礦用地面積比例的增加，經濟的快速發展能有效地帶動就業率的增加，研究期內，四川省政府不斷出臺促進就業、鼓勵創業的相關政策，在政府主導下，優化城鄉用地結構，統籌城鄉用地，增強土地利用多功能性。

表3 簡單統計量

表4 相關系數矩陣

續表4

指標相關系數x13x14x15x16x17x18x19x20x21x22x23x24x40.950 80.907 10.759 10.920 10.918 1-0.025 60.645 70.764 00.945 00.89 60.885 30.474 7x50.782 20.680 50.773 30.766 80.752 60.309 60.679 40.583 70.770 50.808 00.806 80.492 2x60.892 80.891 90.705 80.990 50.976 30.163 80.709 10.852 80.865 30.798 10.886 50.427 3x70.527 40.643 40.823 90.752 20.683 40.138 30.333 40.532 20.493 60.382 70.510 9-0.106 6x8-0.882 5-0.795 5-0.507 7-0.712 2-0.783 90.073 3-0.761 7-0.665 7-0.888 4-0.905 5-0.843 9-0.611 6x90.893 90.760 10.553 10.963 60.957 010.179 10.887 10.882 30.858 30.842 90.903 90.565 9x100.975 70.900 90.690 00.969 70.967 80.162 70.771 30.817 60.962 90.938 50.951 20.639 9x11-0.477 2-0.310 3-0.185 7-0.208 9-0.231 50.351 7-0.284 5-0.176 1-0.496 0-0.596 5-0.391 2-0.735 0x120.940 40.881 40.674 00.995 80.989 60.140 50.794 20.874 00.917 20.863 70.917 90.509 4x131.000 00.891 40.632 20.926 90.949 30.039 80.812 30.834 70.996 40.976 90.958 10.679 6x140.891 41.000 00.731 60.869 50.904 70.123 80.562 30.770 10.893 80.823 60.889 70.466 5x150.632 20.731 61.000 00.680 20.638 10.055 30.324 60.442 70.627 70.570 80.593 70.102 0x160.926 90.869 50.680 21.000 00.98640.135 60.770 90.876 70.900 90.849 60.918 90.513 2x170.949 30.904 70.638 10.986 41.000 00.128 30.799 70.914 20.929 20.879 40.957 00.544 5x180.039 80.123 80.055 30.135 60.128 31.000 00.137 7-0.049 20.036 40.049 60.09 60.035 0x190.812 30.562 30.324 60.770 90.799 70.137 71.000 00.778 00.791 70.814 70.794 90.644 9x200.834 70.770 10.442 70.876 70.914 2-0.049 20.77 81.000 00.814 70.751 50.893 30.512 2x210.996 40.893 80.627 70.900 90.929 20.036 40.791 70.814 71.000 00.976 80.948 20.688 0x220.976 90.823 60.570 80.849 60.879 40.049 60.814 70.751 50.976 81.000 00.937 90.764 6x230.958 10.889 70.593 70.918 90.957 00.096 00.794 90.893 30.948 20.937 91.000 00.677 7x240.679 60.466 50.102 00.513 20.544 50.035 00.644 90.512 20.688 00.764 60.677 71.000 0

表5 相關系數矩陣的特征值

4 結論與討論

4.1 結論

通過對2004—2014年四川省土地利用多功能性進行評價。結果表明，研究期內四川省土地利用總功能值總體呈增長趨勢，年均增長率為2.48%，2007年增長速度明顯加快，表明隨著西部大開發的實施和西南腹地區域社會經濟不斷轉型，土地利用方式多樣化促進區域土地利用多功能性增強。2014年土地利用功能值達62.84，超過臨界值，但依然處于較低水平，隨著社會經濟的快速發展，用地增長，土地供給約束加大，四川省人多地少，人地關系緊張，土地利用與管理問題突出。今后，應從土地管理制度著手，通過政府合理的規劃與引導，因地制宜地對土地利用結構進行調整，加強城鄉用地統籌，促進土地利用多樣性程度不斷增加。

四川省土地利用各子功能特征差異明顯，生產功能增長最快，其次是人文功能，生態功能呈緩慢的波動增長。總的來說，人文功能值高于生產功能值，生態功能值最低。說明近年來，四川省的經濟雖取得了較好的發展，但是對土壤污染的治理力度及生態環境的保護力度還亟須加強，以循環經濟和清潔生產為經濟發展的落腳點，實現經濟發展與環境保護的協調統一。在土地開發利用過程中，避免粗放式盲目開發，引導合理開發行為，促進土地資源多樣化，提高土地利用功能協調性。

利用SAS的主成分分析，四川省土地利用多功能性影響因素依次是工農產業發展水平、收入水平、水資源條件和政策支持。其中地均農業總產值、地均糧食產量、地均工業固定資產投資、森林覆蓋率、城鄉收入平衡指數、工礦用地比例、城鎮失業登記率等指標有較高影響，表明2004—2014年農產品生產功能、工業產品生產功能、就業支持功能、居住家園功能、資源維持與供給功能對四川省土地利用多功能性影響較大。

4.2 討論

四川省作為西南地區的經濟腹地，是國家實施西部大開發戰略的重點區域，區域土地利用多功能性程度對社會經濟和生態環境發展有重要影響。本研究通過對2004—2014年四川省土地利用多功能性評價及影響因素的分析，揭示了其演變過程及影響因素，為區域經濟進一步發展，促進土地利用和管理方式提供了科學依據。但本研究僅著眼于省域尺度的時間分析，缺乏對空間的差異變化分析，今后，應挖掘時空變化影響，進一步動態比較分析；完善評價手段，形成不同尺度下的評價指標體系；此外，應加強人工神經網絡等相關數學模型的應用，使評價結果更加科學化、精準化。

表6 相關系數矩陣的特征向量