基于改進TOPSIS 法的綏化市土地利用結構合理度時空研究

趙淑娟，趙 纖，紀天賜，楊惠賢

（綏化學院農業與水利工程學院，黑龍江綏化 152061）

土地是人類賴以生存和發展的基礎，只有合理利用土地才能夠為人類生存提供保障。不同土地利用類型之間是相互影響和相互制約的，土地利用類型和結構的改變影響土地利用合理性，對土地利用結構合理性評價是優化土地利用的重要手段。目前，對于土地利用結構合理性的評價方法較多，例如區間直覺模糊法、灰色關聯法、最優線性規劃法、景觀生態學理論、系統動力學方法、空間洛倫茨曲線、分形理論和傳統的TOPSIS 法等［1-14］。TOPSIS 法屬于多屬性決策方法，對評價對象與理想化目標的接近程度進行排序并進行相對優劣的評價，客觀反映土地利用結構的動態變化［1］。傳統的TOPSIS 法在確定評價指標權重因子時主觀性較強，影響判斷矩陣的有效性，使評價結果不夠準確。為準確和客觀評價土地利用結構合理性，本研究采用改進的TOPSIS 法，利用熵值法確定指標權重，計算土地利用結構的合理度并對土地利用結構合理度和土地利用類型相關性進行分析，借助系統聚類法對2011 年黑龍江省綏化市各縣市土地利用結構合理度進行歸類，為今后綏化市土地結構優化和合理利用提供參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

綏化市位于黑龍江省中南部，地處松嫩平原北端，小興安嶺西麓，地勢東北高、西南低；屬中溫帶大陸性季風氣候，季節變化明顯，有松花江和呼蘭河兩大水系；總面積3.5 萬km2，土地集中連片，土壤以黑土、黑鈣土、草甸土、暗棕壤為主。綏化市地處寒地黑土核心區，素有“黑土明珠”和“北國大糧倉”的美稱，2020 年綏化市總人口375.62 萬人，下轄安達市、肇東市和海倫市3 市以及望奎縣、蘭西縣、青岡縣、明水縣、綏棱縣和慶安縣6 縣，城市化率為44.36%，三次產業結構為48.7∶11.3∶40.0。其土地利用特點主要表現為：一是耕地比重大且分布集中，土壤自然肥力較高；二是建設用地需求量大，土地利用集約利用程度較低，人地矛盾突出；三是水土流失、草原退化和堿化現象較嚴重。

1.2 數據來源

本研究所用數據來源于《綏化市土地利用總體規劃（2006—2020 年）》《綏化市統計年鑒》（2010—2019 年）和《綏化市國民經濟和社會發展統計公報》（2010—2019 年），數據時間跨度為10 年，基本上能夠反映土地利用變化的趨勢。參照中國自然資源部《全國土地分類》的分類體系，選取8 個二級土地利用類型進行計算分析，但考慮到數據的可獲得性和綏化市農業地域特點，在此基礎上略做調整，考慮到綏化市現代農業的發展對設施農業用地的需求，把其他農用地調整為設施農業用地，第一類是農用地，包括耕地、園地、林地、草地、設施農業用地；第二類是建設用地，包括交通水利用地和城鄉建設用地；第三類是未利用土地，包括自然保留地。綏化市2010—2019 年土地利用變更數據具體見表1。

表1 綏化市2010—2019 年土地利用變更數據（單位：hm2）

2 改進的TOPSIS 法

2.1 數據標準化處理

為使評價指標間具有可比性，需要對評價指標進行無量綱化處理。評價指標分為效益型指標和成本型指標兩類［2］，其中已利用土地是效益型指標，未利用土地是成本型指標，計算公式如下。

式中，Yij為標準化值，Yj為第j項指標值，Ymax為第j項指標的最大值，Ymin為第j項指標的最小值。

2.2 熵值法計算權重

熵值法是一種客觀評價指標權重的方法，熵值可以表示評價指標的離散程度，熵值越大對綜合評價的影響越大。

第j項指標下第i個指標占該指標的比重（Pij）計算公式如式（3）所示。

第j項指標的熵值（dj）計算公式如式（4）所示。

其中，k=1/ln(n)

各項指標的權重（Wj）計算公式如式（5）所示。

2.3 建立多屬性決策矩陣

2.4 確定正、負理想解

確定正、負理想解M+i和Mi，計算公式如下。

式中，j+為效益型指標集合，j-為成本型指標集合。

計算各年份的指標向量到正、負理想解的歐式距離，計算公式如下。

式中，J+為正理想解的歐式距離，J-為負理想解的歐式距離。

2.5 計算土地利用結構合理度

建立評價方案的（Ji+，Ji-）二維數據空間，設點A（min（Ji+），max（Ji-））為最優理想參照點，計算各方案與該點之間的相對距離（B）i［1］，計算公式如下。

式中，Bi越小，表示評價指標距離最優理想參照點越近，評價方案越理想；Hi為土地利用結構合理度，Hi越大，表明土地利用結構合理性越好。

2.6 土地利用結構合理度和土地利用類型相關性

利用SPSS 25.0 軟件對綏化市土地利用結構合理度和土地利用類型進行雙變量相關分析。

3 結果與分析

3.1 評價指標的權重和正、負理想解分析

由表2 可知，對綏化市2010—2019 年土地利用類型影響最大的評價指標為城鄉建設用地，其次為草地，最小的為林地。從理想解的數值來看，自然保留地的正理想解為0.000 0，負理想解為0.112 1，其他土地利用類型的負理想解為0.000 0，正理想解由評價指標的權重確定。

表2 2010—2019 年綏化市土地利用類型評價指標的規范化決策矩陣與正、負理想解

由于綏化市2011 年發布《綏化市土地利用總體規劃（2006—2020 年）》，同時2011 年綏化市各縣市土地利用類型各指標數據齊全，能夠說明各縣土地利用情況，因此選取2011 年分析各縣市土地利用結構的合理性。由表3 可知，2011 年對綏化市各縣市土地利用類型影響最大的評價指標為自然保留地，其次為交通運輸用地，最小的為園地。從正、負理想解的數值來看，自然保留地的正理想解為0.000 0，負理想解為0.100 3，其他土地利用類型的負理想解均為0.000 0，正理想解由評價指標的權重確定。

表3 2011 年綏化市各縣市土地利用類型評價指標的權重與正、負理想解

3.2 土地利用結構的合理性分析

由表4 可知，綏化市2010—2019 年土地利用結構的正、負理想解的歐式距離和合理度都在一個比較小的范圍內變化。總體上看，綏化市2010—2019年土地利用結構合理度均在90%以上，其土地利用結構合理度較高，2017 年土地利用結構合理度最高，為100.00%，2010 年土地利用合理度最低，為92.91%。土地利用結構合理度隨時間呈波動變化狀態，2010—2013 年為持續增長階段，2014 年略有下降，2015—2017 年繼續增長，在2017 年達最高，2018 年有明顯下降，2019 年又有所增長。綏化市2010—2019 年土地利用結構的變化主要表現為城鄉建設用地和交通水利用地面積的持續增加，林地、園地、自然保留地面積整體減少，耕地、草地和設施農業用地面積呈波動變化。土地利用結構合理度在2014 年有小幅度降低，是因為2014 年綏化市耕地、園地、林地、草地、設施農業用地和自然保留地都有一定程度的減少，城鄉建設用地和交通水利用地都有所增加，使得土地利用合理度降低。2018 年土地利用結構合理度又有一定程度的降低，是因為綏化市人口流失嚴重，第六次全國人口普查綏化市人口為541.81 萬人，第七次全國人口普查總人口為375.62 萬人，與第六次全國人口普查數據相比，人口減少了166.19 萬人，出現了人少地多的情況，人均道路用地面積和城鄉建設用地面積都高于標準值，人均用地水平偏高預示著城市土地利用不合理。

表4 2010—2019 年綏化市土地利用結構合理度

由表5 可知，2011 年綏化市各縣市土地利用結構的正、負理想解的歐式距離為0.003 1~0.240 3，正、負理想解的歐式距離變動范圍較大，說明各縣市土地利用狀態有差異；土地利用結構合理度為95.20%~98.85%，合理度在比較小的范圍內變化。總體上看，2011 年綏化市各縣市土地利用結構的合理度均在95%以上，其土地利用結構合理度較高，青岡縣土地利用結構合理度最高，為98.85%，明水縣土地利用結構合理度最低，為95.20%。安達市畜牧業發達，草原面積廣大，是世界三大優質草場之一，是中國著名的奶牛之鄉和肉牛基地，中小城市綜合實力百強市，大面積的草地提升了安達市土地利用的合理性，土地利用結構合理度高達98.63%；肇東市是國家商品糧和畜產品的重要生產基地，耕地和草地所占比重較大，但是區域有重度鹽堿地，面積較大，影響土地利用效率，使得土地利用結構合理度較低，為95.76%，在綏化市各縣市中土地利用結構合理度相對偏低；海倫市是國家重要的商品糧基地，在各縣市中耕地面積最大，經濟發展水平較好，土地利用結構合理度相對較好；慶安縣是國家綠色食品A 級水稻生產基地，有“中國綠色食品之鄉”的美譽，是全國糧食生產基地，森林覆被率為65%，耕地和林地所占比重較大，縣內自然保留地面積廣大，提升了土地利用結構合理度；望奎縣是優質糧食生產基地，是中國生態農業建設先進縣，耕地面積廣大，土地利用結構相對合理；綏棱縣為林業縣，森林覆蓋率高，土地利用結構合理度較高；明水縣曾經是國家級貧困縣，經濟發展水平相對較低，是哈爾濱以北的重要商品集散地，縣內土地“一林、二草、七分田”，但交通水利用地面積大，降低了土地利用結構合理度，土地利用結構合理度是各縣市中最低的。

表5 2011 年綏化市各縣市土地利用結構合理度

3.3 土地利用類型和土地利用結構合理度的相關性分析

由表6 可知，土地利用類型中耕地、草地、城鄉建設用地、交通水利用地和自然保留地與Bi呈正相關，Peason 相關系數由大到小依次為城鄉建設用地、交通水利用地、自然保留地、耕地、草地，其中，城鄉建設用地、交通水利用地和自然保留地與Bi間的相關系數分別為0.891、0.866 和0.857，雙尾t檢驗的P分別為0.001、0.001 和0.002，均小于0.01，說明相關性達極顯著水平；園地、林地和設施農業用地與Bi呈負相關，Peason 相關系數由大到小依次為設施農業用地、林地、園地，設施農業用地與Bi間的相關系數為-0.741，雙尾t檢驗的P為0.014，小于0.05，說明設施農業用地與Bi的相關性達顯著水平。從評價指標的2 種類型來看，效益型指標中城鄉建設用地與Bi的相關性最高，也就是說當城鄉建設用地大幅度增加時會降低土地利用結構合理度；成本型指標中自然保留地與Bi的相關性也很高，當自然保留地大量減少時，同樣會降低土地利用結構合理度。

表6 Bi與各土地利用類型面積的相關性

4 小結與討論

4.1 小結

運用改進的TOPSIS 法對綏化市2010—2019 年土地利用結構及其合理度分析得出以下結果。

1）綏化市2010—2019 年土地利用結構合理度總體較高，均在90%以上，在時間上總體呈波動變化狀態，2017 年土地利用結構合理度達100.00%，在今后的土地利用結構調整可以參考2017 年的土地利用結構進行優化，提高土地利用的合理性。

2）綏化市土地利用類型與土地利用結構合理度的相關性由大到小依次為城鄉建設用地、交通水利用地、自然保留地、設施農業用地、耕地、林地、園地、草地，城鄉建設用地的變化對土地利用結構合理度的影響最大，草地與土地利用合理度的相關性最小。

3）2011 年綏化市各縣市土地利用結構合理度較高，均在95%以上，明水縣土地利用結構合理度最低，為95.20%，青岡縣土地利用結構合理度最高，達98.85%。

4）土地利用內部結構的變化是土地利用結構合理度變化的直接原因，因此今后綏化市的土地利用規劃應該嚴格控制建設用地和交通水利設施用地，保護耕地，適度開發自然保留地，調節林地、園地、草地和設施農業用地的比例，不斷優化綏化市土地利用結構合理度。

4.2 討論

2010—2019 年是《綏化市土地利用總體規劃（2006—2020 年）》的實施期間，從綏化市土地利用結構合理度評價結果來看，該時間段綏化市土地利用結構合理度雖有波動但相對穩定，2011 年綏化市各縣市土地利用結構合理度相對較高，對綏化市土地利用結構合理度進行評價為今后土地利用政策的制定和土地總體規劃起到一定借鑒作用。本研究只對綏化市2010—2019 年土地利用結構合理度進行評價，雖具有一定的代表性，但還不夠全面，今后研究中需擴大研究的時間范圍，對綏化市各縣市不同時段的土地利用合理度做進一步分析。針對目前綏化市土地利用結構合理度情況，在今后的土地利用過程中要更新土地利用觀念，轉變土地利用方式，加大棚戶區改造力度，提高城市土地集約利用程度，控制城鄉建設用地和交通水利用地數量，加大力度保護耕地，適度開發未利用土地，治理鹽堿地，加強水土流失治理，確保綏化市土地合理利用。