湘江流域土地利用多功能性評價及障礙因子識別

彭煥智, 周國華,2, 崔樹強,2, 尚 鵬

(1.湖南師范大學 地理科學學院, 長沙 410081;2.湖南師范大學 地理空間大數據挖掘與應用湖南省重點實驗室, 長沙 410081)

土地作為人類社會賴以生存的重要載體，為人類社會的發展提供了諸多產品和服務，不同的產品和服務是土地不同功能的狀態表現，即土地利用具有多功能特性[1]，當前，隨著城市化進程的不斷加劇，區域建設用地日顯緊張，耕地保護面臨的壓力持續加大，人們對生態優化的需求層次也在逐步提高，導致社會經濟發展與生態環境保護之間矛盾日益凸顯，土地可持續利用面臨的挑戰越來越大。土地多功能利用為實現土地資源高效、持續利用，緩解土地供需矛盾和促進可持續發展提供了新的途徑與方法[2]。因此，如何高效地開發和利用有限的土地資源，充分發揮土地利用的多功能性，將成為區域可持續發展的關鍵。

土地利用多功能研究最早起源于農業多功能[3]，是指一定區域內土地利用過程中，能為人類提供的各方面的產品和服務，包括社會、生產和環境3大功能[4]。隨著研究的不斷深入，其內涵和概念在景觀多功能和生態系統服務的基礎上得到擴展[5]，并逐漸成為土地科學和地理學研究的重要科學命題[6]。國外開展土地利用多功能的研究較早，相關研究主要集中在利用SENSOR的分析方法構建土地利用變化影響評估的框架[7]、不同政策情景下土地利用功能的變化及其可持續發展的限制[8-9]、利用模型框架，選取土地利用功能評價指標，評估不同區域政策對土地利用功能變化的影響等[10]方面。國內對土地利用多功能的研究起步相對較晚，興起于20世紀80年代，在功能分類上，主要分為兩種，一種是基于SENSOR項目，分別從社會、經濟和環境3個方面劃分[11]，另一種是基于“三生”功能理論，將土地利用多功能劃分成生產、生活、生態3種功能[12]；在研究方法和模型上，主要采用綜合指數法[13]、灰色關聯投影法[11]和全排列多邊形綜合圖示法[14]等方法對土地利用多功能進行測度和評價；在研究尺度上，主要從全國、省、市等中宏觀尺度以及圖斑、格網等微觀尺度展開[15]。

總的來看，已有研究在土地利用多功能的概念和內涵、功能分類以及評價方法和模型等方面取得積極進展，但仍存在諸多不足。土地利用多功能性概念和相關理論略顯不足，缺乏深層次的探討。不同的學者基于不同的學科背景對土地利用多功能概念進行了詮釋和完善，但總的來說土地利用多功能研究時間較短，在理論基礎與內涵方面的研究較為薄弱；對河流流域、湖泊等生態區域的關注不足，流域是人類文明的發源地，是人類社會與自然環境相互作用最為劇烈的地區之一，對河流流域的土地利用多功能狀態及趨勢進行分析，對于實現土地利用系統可持續發展具有重要意義；構建的評價指標體系還不夠完善，土地利用多功能研究尺度可分為宏觀、中觀和微觀3個層次，不同層次的研究選取的評價指標應當有所差異，當前大多數土地利用多功能評價指標的選取未充分考慮到研究區域的實際情況，選取的指標未體現出層次性。鑒于此，本研究以湖南省湘江流域為研究區域，從縣域尺度上選取土地利用多功能評價指標，構建基于生產、生活以及生態功能的土地利用多功能性評價指標體系，并采用改進TOPSIS模型和障礙度模型，對2010—2018年湖南省湘江流域土地利用多功能進行評價并識別障礙因子，藉此為實現湘江流域土地可持續利用和高質量發展提供決策依據。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

本文以湘江流域為研究區域。依據2013年出臺的《湘江流域科學發展總體規劃》，湘江流域包括長沙、湘潭、株洲、衡陽、郴州、永州6市全境，婁底市的婁星區、冷水江市、雙峰縣、漣源市，邵陽市的邵東縣、邵陽縣、新邵縣、新寧縣，岳陽市的湘陰縣、汨羅市等9市67個縣(區、市)，區域總面積8.5萬km2，占湖南省國土面積的40.3%，位于東經110°28′—114°16′，北緯24°38′—29°04′。湘江流域內自然資源豐富，交通網絡發達、區位優勢十分突出，因而成為湖南省經濟最發達、人口密度最高、土地利用活動最頻繁的地區之一。截至2018年，湘江流域GDP總量為25 973.50億元，總人口3 990.43萬人，分別占湖南省的71.73%，57.84%，城鎮化率接近60%。伴隨著城市的擴張和工業的發展，湘江流域大量的農用地特別是耕地被征轉為建設用地，土地利用結構也發生了巨大的變化，功能由早期關注的農業生產功能和家園居住功能為主轉向經濟發展、資源供給、社會保障、文化休閑、生態保育等多功能并存。

1.2 數據來源

本文以2010—2018年作為研究時段，主要數據類型和來源如下：(1) 社會經濟統計數據，來源于《湖南統計年鑒(2011—2019)》《湖南年鑒(2011—2019)》《湖南農村統計年鑒(2011—2019)》及《湖南省國民經濟和社會發展統計公報(2010—2018)》；(2) 土地利用數據主要來源于各縣市區自然資源局土地利用變更調查數據；(3) NDVI(歸一化植被指數)數據，來源于地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn/)，時間為2010—2018年，空間分辨率500 m；(4) NPP(凈初級生產力)數據，來源于美國國家海洋和大氣管理局(https:∥www.noaa.gov/)，時間為2010—2018年，空間分辨率1 km；(5) PM2.5數據，來源于達爾豪斯大學大氣成分分析組(http:∥fizz.phys.dal.ca/～atmos/martin/?page_id=140)，時間為2010—2018年。

2 研究方法

2.1 土地利用功能類型劃分

因研究的角度與側重點不同，土地利用功能類型的劃分也各不相同。本文從土地可持續利用的角度出發，結合土地的“三生”功能理論，并借鑒前人研究成果，將土地利用功能類型劃分為生產功能、生活功能和生態功能。生產功能反映土地利用為人們提供物質產品和服務的能力[12]，主要是具備農業生產和非農業生產功能，因此將生產功能劃分為農業生產功能、工業生產功能和服務業生產功能。生活功能是指土地在人類生存和發展過程中所提供的各種空間承載、物質和精神保障功能[16]，主要包括人們居住、就業和收入等方面需求，故將生活功能劃分為空間承載功能、就業與社會保障功能和生活質量功能。生態功能是土地利用系統為人類提供維持人類生存和社會良性發展的自然條件的能力[12]，主要體現在凈化污染、維持生態系統平衡和提供自然資源，因此將生態功能劃分為生態維持功能、環境凈化功能和資源供給功能。

2.2 構建評價指標體系

為科學、合理、客觀地評價土地利用多功能狀況，首要任務是構建表征土地利用功能的指標體系[11]。當前土地利用多功能評價指標的選取尚未形成共識，往往造成選取的指標不盡合理。本研究基于湘江流域自然資源條件、社會經濟發展狀況和土地利用現狀特點，遵循“要素-功能”的構建思路[17]，并考慮數據的可得性和評價方法的可操作性，從縣域尺度上選取20個評價指標，構建湘江流域土地利用多功能評價指標體系(表1)。其中通過農業多樣化指數和第一產業產值2個指標來表征農業生產功能；通過反映企業數量的規模以上工業企業單位數指標和反映工業產值的第二產業產值指標來表征工業生產功能；反映服務業生產總值的第三產業產值指標來表征服務業生產功能；反映人們生活用地面積大小的城鄉建設用地比重指標和反映單位面積土地承載人口的人口密度指標來表征空間承載功能；通過反映從業人口的城鎮單位從業人口指標和鄉村從業人口指標以及反映社會保障水平的參加失業保險人數比例指標來表征就業與社會保障功能；通過反映居民收入的城鎮居民可支配收入和農村居民可支配收入指標以及人民消費水平的人均社會消費品零售額指標來表征生活質量功能；通過人均耕地面積、人均水資源和單位面積生態系統服務價值來表征土地的資源供給功能；通過PM2.5濃度和固碳量指標來表征土地凈化環境的功能；通過植被覆蓋度和生境豐度指數指標來表征土地的生態維持功能。

2.3 改進的TOPSIS模型

TOPSIS模型是一種逼近于理想的排序方法，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[23]。該方法的核心是確定現有方案中各指標的正、負理想解，建立評價指標與正、負理想解之間距離的二維數據空間，再計算各評價方案接近正理想解和遠離負理想解的程度來評估土地利用多功能水平。與傳統的TOPSIS模型相比較，改進的TOPSIS模型主要針對評價對象與正、負理想解的評價公式進行了改進[24]。本文采用改進的TOPSIS模型對湘江流域土地利用多功能進行評價，具體步驟如下：

(1) 數據規范化處理。采用極值標準化法對數據進行標準化處理，得到標準化決策矩陣Yij=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)(正向指標)或Yij=(Xmax-Xij)/(Xmax-Xmin)(負向指標)。式中：Xij為第i年j項指標的實際值；Xmin為指標最小值；Xmax為指標最大值。

(2) 確定指標權重，構建加權的決策矩陣。指標權重表征各指標間的相對重要性，當前土地利用多功能評價主要采用主觀和客觀兩種方法確定指標權重。土地利用多功能評價是一種具有一定復雜性和不確定性的定量評價，因此本文采用熵權法確定評價指標權重，由于該方法目前較為成熟，本文就不再闡述，各指標權重計算結果見表1。當計算土地利用多功能貼近度時權重取wa，計算生產功能、生活功能和生態功能貼近度時分別取wb中相對應的權重。確立各個指標的權重W=(W1,W2,…,Wj)，建立加權的規范化矩陣：

(1)

(3) 確定指標正理想解V+和負理想解V-。

(2)

(3)

(4) 計算距離。分別計算不同年份評價指標到正理想解的距離D+和負理想解的距離D-。

(4)

(5)

(5) 計算歷年評價結果與最優方案的貼近度Ci。貼近度Ci的取值范圍為0～1，當Ci越接近1時，土地利用功能水平越高；反之當Ci越接近0時，土地利用功能水平越低。

(6)

(6) 為了表征土地利用多功能的程度，在參考其他學者研究成果的基礎上，本文依據貼近度Ci的大小將土地利用功能程度劃分為4個等級(表2)。

表1 湘江流域土地利用多功能性評價指標體系

表2 土地利用功能性評判標準

2.4 障礙度模型

有效提高土地利用多功能水平，有必要對評價指標的障礙作用大小進行評估，尋找出制約土地利用多功能性提升的障礙因素。障礙度模型是一種采用指標偏離度(評價指標對土地利用多功能的權重)、因子貢獻度(評價指標因素標準化值與100%之差)和障礙度(表示指標和子目標層對土地利用多功能的影響程度)3個指標進行分析診斷，通過對障礙度大小排序確定各障礙因子的主次關系及其對人地耦合系統脆弱性的影響程度的模型[25]。本文借鑒障礙度模型，來研究土地利用多功能指標對湘江流域土地利用多功能性的影響程度。

(7)

(8)

(9)

式中:Aij為第i年第j個評價指標的障礙度,障礙度越大,影響越大;yij為第i年第j個單項指標的無量綱化值；wj為其相對應權重,由熵權法求得,這里采用前文計算的wa;Aj為子目標層和準則層的障礙度,它等于各功能對應指標相加的和;Bj為第j個因子m年間的平均障礙度。

3 結果與分析

3.1 土地利用多功能變化分析

2010—2018年湘江流域土地利用多功能值及多功能程度見表3和圖1，2010—2018年湘江流域土地利用多功能雖呈現波動性變化但整體上在提高，多功能值由2010年的0.392 5上升到2018年的0.574 5，并且多功能程度經歷了從中等到較強的過程；生產功能和生活功能總體呈現提高，功能值分別由2010年的0.180 3，0.120 9增加到2018年的0.886 5，0.604 4；而生態功能指數呈波動下降，功能值由2010年的0.567 7下降到2018年的0.441 1。根據土地利用多功能程度的變化，可將2010—2018年湘江流域土地利用多功能變化過程劃分為兩個階段：

表3 湘江流域2010-2018年土地利用多功能值及多功能程度

圖1 湘江流域2010-2018年土地利用功能時序變化過程

第一階段：2010—2013年，湘江流域的土地利用多功能總體上升并且多功能程度一直保持在中等狀態。該階段生產功能和生活功能偏弱，生態功能較強，但隨著社會經濟的發展，生產功能和生活功能逐漸增強，而生態功能逐漸減弱。生產方面，該階段湘江流域經濟發展迅速，GDP呈高速增長的狀態，GDP年均增長率達到16.21%，使湘江流域成為帶動湖南經濟發展的驅動力，同時農業生產能力不斷增強，糧食生產保持穩步增產，農林牧漁業總產值持續增長，故該階段生產功能不斷增強；生活方面，自2008年次貸危機以來，國家對基礎設施投入了大量的資金，使得湘江流域在交通、醫療、學習等方面愈發便利，與此同時人們收入在該階段也持續增長，2013年城鎮居民和農村居民可支配收入首次均突破10 000元大關，從業人口保持增加，城鎮化率不斷提高，2012年首次達到50%以上，因而生活功能不斷增強；生態方面，該階段為了發展社會經濟，新增大量建設用地，導致包括濕地在內的生態用地持續減少，同時隨著城鎮化的提高，產生大量污水和生活垃圾，因此該階段的生態功能總體呈現下降。

第二階段：2014—2018年，湘江流域土地利用多功能值呈波動性增強，多功能程度從中等狀態提升到較強狀態。該階段生產功能和生活功能繼續增強，生態功能開始減弱隨后增強，土地利用3種功能中生態功能相對偏弱。生產方面，該階段湘江流域社會經濟繼續保持增長，2018年人均GDP首次突破1萬美元大關，糧食產量達到1 908.61萬t；生活方面，該階段人民生活水平持續提高，城鄉居民收入與2013年相比增長了將近50%，社會保障能力持續增強，參加失業保險人數比例逐年提高，生活基礎設施日趨完善；生態方面，該階段生態功能值先下降后上升，與前一階段相比，生態功能下降的幅度有所減緩，一方面相關政府部門制定了更加嚴格的耕地和生態用地保護政策從而減少了由于經濟發展對生態用地和耕地的侵占面積，另一方面隨著人們對保護生態環境的意識增強，污水處理率和生活垃圾無公害化處理率正在逐年提高，大氣環境治理效果逐漸呈現。

3.2 土地利用多功能性障礙因子識別

為了更一步了解土地利用多功能，提高土地利用多功能性，本文在測度土地利用多功能值的基礎上，利用障礙度模型剖析制約土地利用多功能得到進一步提升的障礙因子，其中障礙度越大，對土地利用多功能性提高的制約也就越強。本文將土地利用多功能測度指標作為障礙因子，并分為2個層次進行分析，第一層次為子目標層，各子目標層的障礙度等于該子目標層對應指標的障礙度的和；第二層次為指標層，即20個評價指標。

3.2.1 子目標層的障礙度 利用公式(7)—(8)可以測算出土地利用多功能子目標層的障礙度。如圖2—3所示，生產功能、生活功能和生態功能的障礙度隨時間變化狀況不一，各功能的變化幅度很大，生產功能與生活功能的障礙度呈下降的狀態，而生態功能的障礙度呈現上升的狀態，表明2010—2018年湘江流域生產功能和生活功能對土地利用多功能性提高的制約在降低，而生態功能在升高。生產功能中農業生產功能、工業生產和服務業生產功能的障礙度都在逐漸減小；生活功能中就業與社會保障功能的障礙度在增加，空間承載和生活質量功能在減小；生態功能中生態維持、資源供給和環境凈化功能的障礙度都在一定程度上增加。2010—2018年湘江流域生態功能的障礙度以年均18.67%的速度增加，而生產功能和生活功能的障礙度以年均22.41%，10.30%的速度下降。可以預見，未來的一段時間內生態功能還將是制約土地利用多功能提升的主要障礙因子。因此，今后湘江流域要想持續實現土地資源的有效利用、土地利用多功能性的持續提高，必須在保障社會經濟發展的同時進一步關注土地利用生態功能，加強生態環境保護。

圖2 湘江流域2010-2018年土地利用多功能子目標層障礙度

為了研究不同階段制約土地利用多功能提升的障礙因子，本文將2010—2018年湘江流域子目標層障礙度變化過程分為2010—2013年和2014—2018年兩個階段。2010—2013年，生產和生態功能年均障礙度較小，生活功能的年均障礙度較大，生產和生活功能障礙度在減小，生態功能的障礙度在增加，該階段湘江流域城鄉居民人均可支配收入偏低，恩格爾系數大，城鄉差距明顯，但此時生態環境處于相對良好的狀況，生態用地的比例均超過60%，人均自然資源也維持在較高的水平，故生態功能相對于生產功能和生活功能處于優勢地位；2014—2018年，生態功能總體在持續增加，生產和生活功能障礙度繼續減小，并且從2016年開始生態功能的障礙度大于生產功能和生態功能之和，該階段湘江流域經濟總量得到穩步提高，先進裝備制造、新能源裝備和軌道交通等高科技產業迅速發展，社會經濟發展的促進了生活水平的提高，但是經濟的發展和生活水平的提高對土地生態環境產生了負面影響，大量耕地轉化成建設用地，導致人均耕地面積持續減小，采礦和工程項目的建設造成生態用地被破壞，人口的急劇增加和工業化的發展帶來了水資源的短缺和“三廢”的大量排放，導致生態功能反而成為制約湘江土地利用多功能提升的主要因素。

圖3 湘江流域2010-2018年土地利用多功能準則層障礙度變化雷達圖

3.2.2 指標的障礙度 根據公式(7)—(9)可以算出研究區各指標的平均障礙度。由于指標層因子較多，本文選取障礙度前8的指標，同時年份選擇與土地利用多功能子目標層障礙度變化過程一致，即2010—2013年和2014—2018年。由表4可知，制約湘江流域土地利用多功能的指標在時間維度上并不是靜態的，指標類別、障礙度大小都處于動態變化之中。結果顯示，2010—2013年期間，制約湘江流域土地利用多功能性的指標從大到小為PM2.5濃度、第三產業產值、人口密度、人均社會消費品零售額等指標；2014—2018年，制約湘江流域土地利用多功能性的指標從大到小為單位面積生態系統服務價值、鄉村從業人口、人均耕地面積、生境豐度指數等指標。通過對比可以發現，制約湘江流域土地利用多功能性的指標主要由生活和生產指標轉向生態指標，由此可見湘江流域在未來一段時間內土地利用方面的主要問題是土地生態環境壓力較大，林地、草地、水域和濕地在內的生態用地退化嚴重，從而導致研究區域土地固碳能力的降低，土地生態系統的服務功能減弱，同時隨著城鎮化的提高和工業化的發展，越來越多農村勞動力涌入城市，導致鄉村從業人口的減少，越來越多耕地轉化為建設用地，導致人均耕地占有量持續減少。

表4 湘江流域2010-2018年土地利用多功能指標層障礙度

3.3 土地利用多功能性提升路徑

根據改進TOPSIS模型測度的土地利用多功能值，可以預見未來湘江流域的土地利用多功能將持續提高。為繼續提升土地利用的多功能化程度，實現土地利用的生產、生活、生態的最佳功能效益。以土地利用多功能性評價結果為依據，結合土地利用多功能的發展趨勢以及障礙因素，今后湘江流域發展應該著重關注以下幾個方面:

(1) 嚴格耕地保護。最小人均耕地面積是指在一定區域范圍內，一定食物在自給水平和耕地綜合生產能力條件下，為滿足每個人正常生活的食物消費所需的耕地面積[26]。2010—2018年湘江流域的人均耕地面積從0.056 0 hm2/人下降至0.053 1 hm2/人，已經低于聯合國糧農組織所確定的人均耕地0.053 3 hm2的警戒線。未來一段時間湘江流域人口還將持續增加，對糧食的需求也將不斷提高，加強耕地保護對于實現糧食安全至關重要。

(2) 增加鄉村從業人口。人才是發展的核心要素。湘江流域鄉村從業人口從2010年的1 773.22萬人下降到2018年的1 757.65萬人，鄉村從業人口的減少一方面是因為出生率的下降，另一方面是因為越來越多的農村勞動力涌入到城市中。鄉村振興戰略是我國農業農村發展的新戰略，要想實現鄉村振興需提高鄉村的吸引力，應制定相關激勵政策吸引更多人才去鄉村，提供更多的就業機會。

(3) 加強生態用地保護。生態用地是指林地、草地、水域和濕地，生態用地比例即為生態用地占全部土地的百分比[27]。生態強省是湖南省“十四五”規劃的重要目標，2010年湘江流域生態用地的面積為654.991 3萬hm2，而到了2018年生態用地的面積下降至647.096 1萬hm2，年均減少將近1萬hm2。生態用地具有凈化環境污染、調節氣候變化等功能，對于實現流域碳中和目標具有重要的影響。因此，湘江流域在未來的一段時間應當出臺相關政策和法規，遏制生態用地的過度變更。

4 結論與展望

(1) 2010—2018年期間湘江流域土地利用多功能程度逐漸提高，其中生產功能和生活功能在增強，生態功能在減弱。土地利用多功能從0.392 5提高到0.574 5，土地利用多功能程度經歷了從中等到較強的過程，生產功能由0.180 3增加到的0.886 5，生活功能由0.120 9增加到0.604 4，而生態功能由0.567 7下降到0.441 1。

(2) 2010—2013年，PM2.5濃度、第三產業產值、人口密度、人均社會消費品零售額等指標是制約土地利用多功能提升的主要障礙因子；2014—2018年，單位面積生態系統服務價值、鄉村從業人口、人均耕地面積、生境豐度指數等指標是制約土地利用多功能提升的主要障礙因子，制約湘江流域土地利用多功能提高的指標主要由生活和生產指標轉向生態指標。

(3) 2010—2018年期間湘江流域生產和生活功能的障礙度在減小，生態功能的障礙度在增加，生產和生活功能對土地利用多功能性提高的制約在降低，而生態功能對土地利用多功能性提高的制約在升高。生產功能中農業生產功能、工業生產和服務業生產功能的障礙度在逐漸減小；生活功能中就業與社會保障功能的障礙度在增加，空間承載和生活質量功能在減小；生態功能中生態維持、資源供給和環境凈化功能的障礙度都在一定程度上上升。近期來看，生態功能減弱將是制約土地利用多功能提升的主要因素。

開展河流流域土地利用多功能性評價對促進區域土地可持續利用具有重要意義。本研究仍存在一些問題，突出表現在：因數據可獲取性和科學性，本文建立的指標體系、尤其是評價服務業生產功能、就業與社會保障功能、生活質量功能方面的指標尚顯不足，使得指標構建方面替代了一些具有代表性的指標；研究以流域整體為空間單元，流域內上中下游社會經濟和土地利用現狀差異較大，障礙因子對上中下游的制約程度也有所差異，因此所得結果僅能反映流域整體的狀況，針對流域內上中下游土地利用多功能的差異化研究尚待進一步深化。