基于兩維圖論聚類的遼寧省土地利用多功能性分區

張露洋，雷國平，郭一洋

基于兩維圖論聚類的遼寧省土地利用多功能性分區

張露洋，雷國平※，郭一洋

（東北大學文法學院土地管理研究所，沈陽 110169）

遼寧省土地利用功能間的矛盾相對突出，明晰區域土地利用多功能的現狀、進行土地利用多功能性分區可為促進區域土地利用功能的協調發展提供依據。選取2017年遼寧省縣域土地利用生活、生產、生態方面22個典型指標構建區域土地利用多功能性評價指標體系，運用熵權法和兩維圖論聚類法進行土地利用多功能性評價及分區研究。研究發現：1）研究區生活功能高值區于中部呈斜“X”狀分布，生產功能值主要呈現以沈陽為中心的“環狀”遞減蔓延結構，生態功能值由外至內逐漸減少。2）區域縣域生產功能和生活功能呈顯著正相關，生產功能和生態功能呈顯著負相關。3）根據區域土地利用多功能值和兩維圖論聚類法可將研究區劃分為遼東生態功能優勢區、遼北功能欠協調區、遼南功能相對均衡區以及遼西功能欠發展區。研究結果可為縣域尺度國土空間規劃的制定與實施等提供技術支撐和科學依據。

土地利用；分區；土地利用多功能性；熵權法；兩維圖論聚類；遼寧省

0 引 言

土地利用由多種客觀實體要素和對其利用方式組成。針對人類的不同需求，客觀存在與之對應的不同的土地利用功能，即土地利用表現出多功能性[1-2]。隨著社會經濟的發展，大量建設用地占用優質農田，同時耕地過度開發占用生態空間的問題逐漸嚴重。土地利用沖突顯著，進而導致土地利用生活、生產以及生態功能之間的矛盾愈發嚴重。如何協調土地利用多種功能之間的關系，科學布局生產、生活、生態空間，合理配置與利用土地資源深刻影響著區域生活、生產和生態的條件狀況以及土地利用的可持續性[3-4]。進行土地利用多功能性評價，識別區域土地利用多功能分布特征對統籌區域土地利用，促進生產、生活、生態空間協調發展等方面具有重要意義[5-6]。

土地利用多功能的研究起源于對多功能農業（Multifunctional Agriculture，MFA）的認識。隨著“生態系統產品和服務”以及“功能”等概念內涵界定的逐漸清晰，相關研究組織和學者逐漸認識到土地利用的變化會影響到可持續性發展的多個方面。歐盟第六框架計劃下“可持續性影響評估：歐洲多功能土地利用的環境、社會、經濟效應工具（Sustainability Impact Assessment：Tools for Environmental Social and Economic Effects of Multifunctional Land Use in European Region，SENSOR）”項目根據土地利用功能（Land Use Functions，LUFs）的概念框架，將土地利用功能定義為3個大類9個子類。其中主要的社會功能包括提供工作、人類健康與休閑、文化景觀標識等功能；主要的經濟功能包括住宅和不以土地為基礎的工業和服務、以土地為基礎的生產、交通等功能；主要的環境功能包括提供非生物資源、支持和提供棲息地、維持生態系統服務等功能。土地利用多功能性、土地利用可持續性等相關研究逐漸得到國內外學者的關注。然而目前針對土地利用多功能性的相關研究主要集中在單一土地利用多功能性[7-8]、多功能生態景觀[9-10]、多功能土地利用對可持續性的影響[11-12]、土地利用多功能性綜述研究[13-14]、土地利用多功能性評價與演化[15-16]、土地利用功能轉型[17-18]、土地利用功能空間差異及影響因素分析[19-20]上，針對土地利用多功能性評價結果進行土地利用多功能性分區的研究相對不足，而針對分區結果進行差異化的土地利用開發管理，對促進區域生活、生產、生態空間協調發展等方面具有重要的意義。分區一般是指根據區域利用程度和分布規律進行綜合劃分，通常利用聚類分析得以實現。于土地利用功能而言，為保障區域土地利用的統籌規劃與管理需根據區域土地利用生活、生產、生態功能的相似性與差異性結合分區單元地理位置進行土地利用多功能性分區。普通聚類分析方法通過數理統計相關指標的相似性與差異性進行區域劃分，因其沒有考慮分區單元的空間分布特征，所得結果無法保障分區的相對完整與連通，不利于管理等措施的具體開展。兩維圖論聚類法參考圖論的空間表示法和相關算法，在分析分區單元屬性相似性的基礎上保障分區單元的空間連接性，被廣泛應用于涉及空間信息的分區研究中[21-23]。因其符合土地利用多功能性分區的要求，故采取兩維圖論聚類法進行分析。

遼寧省是中國重要的國家糧食主產區和老工業基地，生態景觀稟賦相對較優，土地利用及土地利用功能的矛盾相對突出，亟待進行區域土地利用多功能性評價及分區的相關研究。利用熵權法進行遼寧省2017年的縣域單元“生活-生產-生態”三維土地利用多功能性評價的基礎上分析區域土地利用生活、生產、生態功能的現狀，結合兩維圖論聚類進行區域土地利用多功能性現狀分區；根據遼寧省主體功能區規劃和現狀分區結果為各分區的建設提出可行性建議，為縣級國土空間規劃的編制與實施等提供依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

遼寧省位于中國東北地區南部，土地總面積14.8萬km2。地形起伏大，高程呈東西部高而中部低的態勢。2017年區域土地利用以耕地和林地為主，兩者共占區域面積的78%。其中林地主要分布于東、西兩側的丘陵區，耕地主要分布在中部的下遼河平原地區。區域四季分明，光熱資源充足，是國家糧食主產區；水資源總儲備量較優，礦產和森林資源相對豐富。區內交通便利，是中國最早實行對外開放政策的沿海省份之一；工業行業較全，是中國重要的老工業基地；科技、教育、文化、體育、醫療等社會服務事業發展基礎較好。2017年行政區劃共含55個縣（市、市轄區）。由于撫順縣、盤山縣、鐵嶺縣以及朝陽縣和所在城市市縣同城，城市的統計數據包含縣城的統計數據，本文將數據進行整合處理，即研究區共51個縣（市、市轄區）。

1.2 數據來源

研究區2017年社會經濟數據主要來自于統計年鑒，包括遼寧統計年鑒、中國城市建設統計年鑒、中國縣城建設統計年鑒、中國城市統計年鑒、中國縣域統計年鑒（縣市卷）以及各縣域統計年鑒，部分缺失數據由各地級市統計網站、遼寧省自然資源廳網站以及遼寧省主體功能區規劃文件進行補充；自然資源數據來自于清華大學全球土地覆被高分辨率監測數據集（http://data.ess.tsinghua.edu.cn/）、中國科學院資源環境科學數據中心資源環境數據云平臺（http://www.resdc.cn/Default.aspx）以及國家地球系統科學數據共享服務平臺（土壤科學數據中心）（http://soil.geodata.cn/index.html）。

1.3 研究方法

1.3.1 評價指標體系構建

土地利用最基本的功能是生活功能，生活功能是土地利用的基礎。隨著經濟發展水平的提高，土地利用的投入產出效率等資產效應逐漸凸顯，表現為土地利用的生產功能，生產功能是土地利用價值的體現。土地利用系統復雜，內部要素互相影響，土地資源的開發利用應充分考慮外部性特征。經濟的發展不應以破壞生態環境為代價，生態功能是土地利用得以可持續發展的基礎保障。

在分析LUFs指標[2]的基礎上針對遼寧省的現實情況參考相關研究[24-25]，選取有代表性、整體性、科學性的指標進行遼寧省土地利用多功能性現狀的分析。其中生活功能主要從區域就業保障情況、休閑及服務情況、社會保障條件以及居住基本條件等方面進行指標的選取，生產功能主要從自然生產性的生產功能、人工化的生產功能以及區域交通基礎設施狀況等方面選取指標，生態功能主要從區域資源的維持供給情況、污染排放情況以及景觀保育情況選取指標（表1）。其中生境質量指數和水源涵養指數參考生態環境狀況評價技術規范（HJ192-2015）進行計算。

1.3.2 熵權法確定權重

評價指標權重的計算通常有主觀賦權和客觀賦權兩種方式。主觀賦權法對賦權人的專業能力和積累要求較高，同時賦權結果主觀性和不確定性較強，因而應用較少。常用客觀賦權法包括熵權法[26]、主成分分析法[27]、logistic回歸法[28]等。熵權法引用信息論中熵的概念，通過熵的大小對數據信息的不確定性進行度量，計算過程僅依賴數據本身的離散性，具有客觀、科學、方便、準確獲取指標權重的優勢，被廣泛應用到科學研究中。因此選用熵權法進行權重的計算（表1）。

具體公式如下：

1）數據標準化

正向指標：

負向指標：

式中Y表示第個縣域第項指標的標準化值；x表示第個縣域第項指標的實際值；max(x)、min(x)表示第項指標的最大值和最小值。

2）計算第項指標的熵值E

3）計算第項指標的權重W

1.3.3 兩維圖論聚類法

參照“物以類聚”的聚類思想，綜合分析土地利用生活、生產以及生態功能值以解決縣域土地利用多功能性分區的歸屬問題。由于縣域間的空間位置與布局差異，分區時不僅要考慮三生功能值情況更應參考各縣域間的地理位置，以便保障分區內部功能屬性相對一致的同時保持空間相對連通與完整。因此需引用圖論的空間表示法和相關算法，利用兩維圖論聚類法進行分區。兩維圖論聚類法綜合考慮分區單元之間的空間連接性和指標相似性，在構建加權連通無向圖=（，，）的基礎上（其中是各分區單元集合，是各單元空間關聯關系集合，是單元之間連接邊的權值），利用圖論最小樹法求取聚類結果；根據區內差異小，區間差異大的原則選取適當閾值，將最小生成樹分割成個子樹，并按照區域現實情況進行適當調整，最后得到分區結果，具體流程如圖1所示。優點是有別于一般聚類方法，兩維圖論聚類通過構建基于位置關系的加權無向圖進行聚類分析，考慮了單元間的關聯性，適用于有地理位置信息的相關分區研究[29]。

表1 指標體系構建

圖1 土地利用多功能性分區流程圖

1）連接邊權值的計算

連接邊權值通過計算標準化后分區單元之間各指標的歐式距離獲取。分區單元間的歐式距離大，則兩個分區單元指標差異大，即相異性大；歐式距離小，則相似性大。具體公式如下：

式中(E)為分區單元間連接邊的權值；d為分區單元間的歐氏距離；x、x分別為第和個分區單元的第個指標值。

2）最小生成樹Kruskal算法原理

最小生成樹是一幅加權連通無向圖中權值最小的一棵生成樹。需滿足2個基本條件：①生成樹中任意頂點之間有且僅有一條通路，即生成樹中不能存在回路；②對于具有個頂點的連通圖，其生成樹只能有1條邊，這1條邊連通著個頂點。Kruskal算法的具體思路是：將連通圖中所有連接邊按照權值的大小進行升序排序，然后從小到大一一判斷是否選取。如果這個邊不會與之前選擇的所有連接邊組成回路，就可以作為最小生成樹的一部分；反之，舍去。直到具有個頂點的連通圖篩選出來1條邊為止。篩選出來的邊和所有的頂點構成此連通圖的最小生成樹。

2 結果與分析

2.1 土地利用功能評價

自然斷點法假定任何數列都存在一些自然（非人為設定）的具有統計學意義的轉折點和斷點，這些斷點將數列分成性質相似的分組。基本原理是在“物以類聚”的思想上，為達到組內相似大、組外相異大的目的，通過迭代比較各分類結果的偏差平方和來確定分組斷點，各分組偏差平方和的總值最小即為最優分類結果[30]。因其是基于數據分布本身的統計特征而計算出的“自然”分類斷點，被廣泛應用于數據劃分等相關研究中。為分析土地利用單項功能的區間差異特征，基于ArcGIS平臺利用自然段點法將計算得到的土地利用單項功能值分為5級，分別為高值區、中高值區、中值區、中低值區以及低值區。

2.1.1 生活功能評價

2017年區域土地利用生活功能值整體較低，平均值為0.273（圖2a）。開原市公園面積占比、地均醫療衛生機構床位數以及人口密度較低，其生活功能值為全省最低；鞍山市地均醫療衛生機構床位數及人口密度較高，其生活功能值為全省最高。區域差異相對較小，生活功能值的標準差為0.085。高值區（0.361～0.478）包括9個縣（市、市轄區），主要位于遼寧省中南部；生活功能平均值為0.409，居住家園及社會保障等功能值較高，生活基礎設施較多，人口密度相對較大。中高值區（0.298～0.361）包括9個縣（市、市轄區），主要分布在遼寧省南部、渤海北部；生活功能平均值為0.328，就業支撐及社會保障等功能值相對較高，服務設施相對較多，人民從業比重相對較大。中值區（0.247～0.298）包括9個縣（市、市轄區），主要位于高值區的輻射區；生活功能平均值為0.277，休閑服務功能值相對較低，休閑、醫療等方面有待提高。中低值區（0.191～0.247）包括14個縣（市、市轄區），所占比例相對較大，主要分布于遼寧省外圍區域；生活功能平均值為0.220，生活休閑條件相對較差，人口密度相對較低。低值區（0.142～0.191）包括10個縣（市、市轄區），主要分布于遼寧省東部和中部；生活功能平均值為0.172，休閑服務和社會保障等功能相對不足，公園面積占比低。生活功能值較高的區域主要集中在遼寧省中部和南部區域，區域就業機會多人口密度大、公共服務設施相對完善；遼陽縣、新民市、義縣等區域作為生活功能高值區的輻射區，由于休閑服務設施、醫療、人口密度等原因生活功能值較低，應注意改善以避免人口的進一步流失。

圖2 2017年遼寧省土地利用生活、生產、生態功能分級

2.1.2 生產功能評價

2017年區域土地利用生產功能值整體較低，平均值為0.367（圖2b）。桓仁滿族自治縣墾殖率、經濟密度及交通設施用地面積占比較低，其生產功能值為全省最低；沈陽市市轄區糧食單產、經濟密度及道路交通設施用地面積占比較高，其生產功能值為全省最高。區域差異相對較小，生產功能值的標準差為0.094。高值區（0.454～0.585）包括8個縣（市、市轄區），主要位于遼寧省中部；生產功能平均值為0.496，生物生產性土地的生產功能高，區域交通便利，經濟生產能力強。中高值區（0.386～0.454）包括15個縣（市、市轄區），主要分布在高值區的輻射區；生產功能平均值為0.430，生物生產性土地的生產功能相對較高，生產能力較強，交通運輸較便捷。中值區（0.324～0.386）包括9個縣（市），主要位于遼寧省北部和西部；生產功能平均值為0.370，人工化土地的生產和交通運輸功能有待提高。中低值區（0.259～0.324）包括10個縣（市、市轄區），主要分布于遼寧省東、西兩側區域；生產功能平均值為0.295，人工化土地的生產功能較差，區域經濟相對不足。低值區（0.170～0.259）包括9個縣（市），主要位于遼寧省外圍區域；生產功能平均值為0.228，人工化土地的生產和交通運輸功能不足。生產功能值區域差異主要呈現出以省會沈陽為中心逐層遞減的環狀分布，高值區區域經濟生產能力較強、交通設施較便利，同時帶動了周邊縣市的發展。

2.1.3 生態功能評價

2017年區域土地利用生態功能值整體較低，平均值為0.308（圖2c）。黑山縣資源與景觀的維持與保護較差，其生態功能值為全省最低；桓仁滿族自治縣自然資源稟賦好，生境質量和水源涵養指數高，其生態功能值為全省最高。區域差異相對較大，生態功能值的標準差為0.109。高值區（0.402～0.514）包括8個縣（市、市轄區），主要位于遼寧省東部的丘陵區；生態功能平均值為0.475，調節減輕污染排放功能強，林地面積占比較大，生境質量和水源涵養能力較優。中高值區（0.335～0.402）包括12個縣（市、市轄區），主要分布在遼寧省東西兩側及沿海地區；生態功能平均值為0.374，生活垃圾無公害處理率及污水處理廠處理率較高，地均化肥施用量較低。中值區（0.260～0.335）包括13個縣（市、市轄區），主要分布在南部區域；生態功能平均值為0.307，資源和景觀維持方面有待加強。中低值區（0.183～0.260）包括10個縣（市、市轄區），主要分布于遼寧省中部；生態功能平均值為0.232，生態資源稟賦相對不足。低值區（0.023～0.183）包括8個縣（市）；生態功能平均值為0.140，森林和水域面積占比較低，生境質量較差。生態功能值較高的地區主要集中在土地利用以林地為主的區域以及沿海區域。

綜合而言，遼寧省土地利用生活和生產功能高值區主要集中在中部區域，生態功能高值區主要集中在東西兩側區域。縣域生活功能和生產功能Pearson相關系數為0.343（在0.05水平雙側顯著相關），生產功能和生態功能Pearson相關系數為?0.518（在0.01水平雙側顯著相關），生活功能和生態功能相關性不顯著。生活的便利與生產的發展存在一定的相互促進作用，而生產發展與生態環境的維持與保護存在一定的負外部性效應。

生活功能高值區主要位于遼寧省中部呈斜“X”狀分布，東西兩側功能值較低，高值區競爭能力強；空間自相關性不顯著，主要呈現中部的低-高聚集和東部的低-低聚集。生產功能值由高向低主要呈現以沈陽為中心的“環狀”蔓延結構，中心到邊緣逐漸減少，高值區對周邊區域有一定的輻射作用；呈現以中部高-高聚集和東部低-低聚集為主的正向顯著弱自相關（莫蘭指數為0.254，=0.005）。生態功能高值區主要分布在東西兩側區域，功能值由外至內逐漸減少，受土地利用類型和自然資源分布的影響較大；呈現以東部高-高聚集和中部低-低聚集為主的正向顯著較強自相關（莫蘭指數為0.442，=0.000）。

2.2 土地利用多功能性分區

2.2.1 最小生成樹分析

基于DPS平臺計算獲取2017年研究區縣域土地利用多功能的最小生成樹（圖3），結合各分區單元實際特點選取權值1.5進行最小生成樹分割。將權值大于1.5的連接邊全部進行分割處理，發現結果存在幾個細碎的小分區；總結細碎分區特征發現，部分縣域因三生功能單項值為省域內該項功能值的極值，導致其與其他分區單元歐式距離過大，即連接邊權值過大。如：沈陽市市轄區生產功能值為區域最高，桓仁滿族自治縣生產功能值為區域最低而生態功能值為區域最高等。為保障分區結果的相對集中、減少細碎化，根據此類縣域三生功能值的現實情況，將其與其他分區進行合并處理，最終得到4個土地利用多功能性分區，分別為遼東生態功能優勢區、遼北功能欠協調區、遼南功能相對均衡區以及遼西功能欠發展區。

注：數值表示連接邊權值。

2.2.2 土地利用多功能性分區結果

根據土地利用三生功能值以及兩維圖論聚類法將2017年遼寧省51個縣（市、市轄區）分為4個土地利用多功能性分區（圖4）。

注：Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區、Ⅳ區分別指遼東生態功能優勢區、遼北功能欠協調區、遼南功能相對均衡區、遼西功能欠發展區。

遼東生態功能優勢區的土地利用以林地和耕地為主，面積占比分別為70.64%、16.31%。生態功能平均值較高為0.439（高值區），區域調節減輕污染排放情況較好，生境指數和水源涵養指數較大；生產功能平均值較低為0.297（中低值區），以經濟密度為代表的人工化土地的生產功能較低；生活功能平均值較低為0.224（中低值區），休閑服務和居住家園功能較差。遼北功能欠協調區土地利用以耕地和林地為主，面積占比分別為75.93%、7.72%。土地利用三生功能值差異較大，土地利用功能發展不均衡。土地利用生活、生產和生態功能平均值分別為0.271、0.444及0.186（中-中高-中低）。主要分為兩類，一是以沈陽市市轄區為代表的生態功能不協調區，表現為生活、生產功能值相對較高而生態功能值相對較低；二是以新民市為代表的生產功能不協調區，表現為生產功能相對較高而生活、生態功能值相對較低。遼南功能相對均衡區土地利用以耕地、林地和建設用地為主，面積占比分別為46.86%、25.25%、11.54%；土地利用生活、生產和生態功能平均值分別為0.332、0.398及0.291（中高-中高-中）。主要分為兩類，一是以大連市市轄區為代表的高值功能均衡區，區域三生功能值均相對較高；二是以興城市為代表的中值功能協調區，區域三生功能值相對中等。遼西功能欠發展區土地利用以耕地、林地和草地為主，面積占比分別為44.05%、30.65%、17.05%。土地利用生活、生產和生態功能平均值分別為0.222、0.317及0.307（中低-中低-中），生活配套設施和保障相對欠缺、人口密度相對較低，在休閑服務、社會保障、居住家園以及人工化土地生產等方面亟待加強。

2.2.3 分區土地利用建議

遼東生態功能優勢區包含6個省級重點生態功能區、3個國家級優化開發區、2個國家級農產品主產區和1個省級重點開發區。清原滿族自治縣等省級重點生態功能區是少數民族聚居地，土地利用建設應注意少數民族的就業和生活，改善產業結構和基礎設施，提高少數民族居民的生活水平。撫順市市轄區等國家級優化開發區應充分吸收省會沈陽的經濟輻射作用，積極加強區域交通運輸和生產功能。西豐縣等國家級農產品主產區應注重二三產業的發展，加強醫療設施建設。鐵嶺市市轄區作為省級重點開發區可以結合自身優勢和特點，通過加強城市綜合服務區域建設、提高就業率等措施逐步提高區域土地利用功能。

遼北功能欠協調區包含5個國家級農產品主產區、4個省級重點開發區以及1個國家級優化開發區。昌圖縣等國家級農產品主產區在保障生物生產性生產功能的同時應注意資源維護以及生態保護的建設，注意污染防治。新民市等省級重點開發區應注意區內公共服務設施和城市綠化建設，以提高城市土地利用綜合承載能力。沈陽市市轄區作為國家級優化開發區水域和森林資源相對不足，應注意城鎮生態景觀建設，以加強區域土地利用生態功能。

遼南功能相對均衡區包含11個省級重點開發區、4個國家級優化開發區、2個國家級農產品主產區和2個省級重點生態功能區。興城市等省級重點開發區建設應注重老城區和公共基礎設施空間的改造建設、合理布局城市綠色空間；注重加強對水源地的保護，發展沿海自然生態區。大連市市轄區等國家級優化開發區應優化土地利用空間結構，構建新型城鎮體系、積極帶動周邊區域發展，提高區域整體土地利用功能和競爭力。北鎮市等國家級農產品主產區在發展區域經濟的同時應注意景觀生態的維持與保護。長海縣等省級重點生態功能區可在保障生態安全的基礎上依托區域優勢建設環境友好型產業。

遼西功能欠發展區包含4個國家級農產品主產區、3個省級重點開發區和3個省級重點生態功能區。義縣等國家級農產品主產區生活功能值相對較低，要積極完善生活基礎設施用地建設、改善居民生活條件。綏中縣等省級重點開發區生產功能值相對較低，應借助區位優勢調整產業結構，加強交通運輸建設。凌源市等省級重點生態功能區應依托自然資源稟賦，積極打造生態宜居城市。

3 結論與討論

通過構建縣域土地利用多功能性評價指標體系，從土地利用的生活、生產、生態方面選取22個典型指標，運用熵權法進行指標權重的計算，獲取研究區土地利用生活、生產和生態功能值，利用兩維圖論聚類法進行土地利用多功能性分區，并針對各分區的實際特征以及遼寧省主體功能區規劃內容為區域后續土地利用與開發提供合理建議。研究得出主要結論如下：

1）研究區生活功能和生產功能Pearson顯著相關系數為0.343，生產功能和生態功能Pearson顯著相關系數為?0.518，生活功能和生態功能相關性不顯著。生活功能高值區主要位于遼寧省中部呈斜“X”狀分布，生產功能值由高向低主要呈現以沈陽為中心的“環狀”蔓延遞減趨勢，生態功能值由外至內逐漸減少。

2）根據研究區土地利用三生功能現實情況和兩維圖論聚類法，將區域劃分為遼東生態功能優勢區、遼北功能欠協調區、遼南功能相對均衡區以及遼西功能欠發展區。遼東生態功能優勢區應加強區內公共服務設施建設和經濟發展。遼北功能欠協調區應注意劣勢功能的發展以達到協同發展的目的。遼南功能相對均衡區應優化土地利用空間結構，提高區域整體土地利用功能和競爭力。遼西功能欠發展區應依托區域優勢，逐步提高土地利用功能。

由于部分縣域和所在城市市縣同城、部分數據無法分別統計，導致研究區為51個縣域，會對本文研究結果產生一定的影響。土地利用的功能包括顯性功能和隱性功能，利用與保護顯性功能時，不應破壞其隱性功能。開發利用時應注意避免粗放開發和過度利用，應根據土地利用多功能性分區特點進行因地適宜的開發、注意人地關系以及資源的可持續利用。同時土地利用功能具有時間階段性和空間差異性，不同區域經濟發展程度和階段以及人類利用需求不同，導致對土地利用功能的需求有所差異，應注意協調區域差異、保障整體穩定健康發展。如何依托區域土地利用功能差異從廣度利用逐漸轉化為深度利用也是值得進一步深思與探討的問題。

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Graph-theoretic clustering for zoning of multifunctional land use in Liaoning Province, China

Zhang Luyang, Lei Guoping※, Guo Yiyang

(,110169,)

Unbalanced land use and multifunctionality have posed a great challenge in Liaoning Province, northeast China. There is an urgent need to conduct a multifunctional evaluation system for regional land use, particularly on zoning assessment. In this study, 22 typical indicators were selected from the three aspects of land use, including living, production, and ecology function. An entropy weighting method was applied to calculate the weights of indicators, and then to obtain the mean values of land use life, production, and ecological function in the study area in 2017. A two-dimensional graph-theoretic clustering method was used to integrate the spatial connectivity and indicator similarity between the zoning units. In a weighted connectivity vectorless map= (,,), the clustering data was achieved using a graph-theoretic minimal tree method. According to the main functional area planning, an optimal construction of each zoning district was proposed for spatial planning in county-level land. The research shows that: 1) The Pearson correlation coefficient of living function and production function was 0.343, whereas, that of production function and ecological function was -0.518. There was no significant correlation between living function and ecological function. 2) The high-value areas of living function were mainly distributed in an oblique “X” shape in the middle of Liaoning province, with low functional values on the east and west areas. There was no significant spatial autocorrelation of living function. The production function value presented a ring-shaped distribution in the center of Shenyang city, while decreased gradually from the center to the edge areas. In the production function, there was a positive and weak autocorrelation with high-high aggregation in the middle, while low-low aggregation in the east. High-value areas of ecological function were mostly distributed in the east and west areas, indicating the function value decreased gradually from the outside to the inside. In the ecological function, there was a positive and strong autocorrelation with high-high aggregation in the east, and a low-low aggregation in the middle. 3) According to the multifunctional features of land use, the study area was divided into, a) the east, the demonstration area of ecological function, b) the north, the function less coordination area, c) the south, the relatively balanced area, and d) the west, the function less development area. The east of Liaoning Province can be strengthened in the construction of public service facilities and economic development. Much attention can be paid to the development of inferior functions in the functional undercoordinated area of northern Liaoning, in order to achieve the goal of coordinated development. In the south of Liaoning, the spatial structure of land use can be optimized in the relatively balanced functional area, thereby to improve the land use function and competitiveness. In the west of Liaoning, the regional advantages can be enhanced in the underdeveloped functional areas, to gradually strengthen the function of land use.

land use; zoning; land use multifunctionality; entropy weight method; two-dimensional graph-theoretic clustering; Liaoning Province

張露洋，雷國平，郭一洋. 基于兩維圖論聚類的遼寧省土地利用多功能性分區[J]. 農業工程學報，2020，36(13)：242-249.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.028 http://www.tcsae.org

Zhang Luyang, Lei Guoping, Guo Yiyang. Graph-theoretic clustering for zoning of multifunctional land use in Liaoning Province, China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(13): 242-249. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.028 http://www.tcsae.org

2020-03-07

2020-05-20

國家自然科學基金項目（41671520）

張露洋，博士生，主要研究方向為土地資源利用與優化配置。Email：zhangluyang624@126.com

雷國平，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為土地利用規劃與管理。Email：guopinglei@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.028

F301.24

A

1002-6819(2020)-13-0242-08