四川省土地利用多功能性评价及影响因素研究

吴佳俣，潘洪义，淳 阳，蒋贵国

(1.四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室，四川成都 610066；2.四川师范大学地理与资源科学学院，四川成都 610066)

土地资源与人类社会的发展息息相关，是社会进步、经济发展的基础保障。当前，土地的利用已不再是单纯的为人类发展提供食物，而是以满足日益增加的经济、文化、环境需求为目的。因此，土地利用功能性也实现由单一到多样的转化。2004年启动的全球土地计划(GLP)支持的欧盟第六框架计划下的SENSOR项目提出了土地利用多功能这一概念[1]。

土地利用多功能性指一个区域土地利用功能及其经济、社会和生态功能的状态和表现，是评价土地利用变化对其功能影响的重要概念和方法体系，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产品与服务[2-3]。20世纪70、80年代，东欧的国家对景观生态-社会-经济研究中的土地功能进行了划分[4]，即生产、人文生态、美学和调整功能。20世纪90年代后期，随着全球和欧洲农业政策的变化，这一概念逐渐被采纳并成为农业、林业、公共产品、就业等领域的重要研究内容[5]。国外多功能的研究主要应用到土地利用的可持续性影响评估等研究领域，如Helming等介绍了SENSOR的分析方法，并描述了土地利用变化影响评估的框架[6-7]。Reidsma等运用SENSOR的方法体系评价太湖流域的当前形势并探讨了不同情景下土地利用政策对发展中国家可持续发展的影响及变化[8]。可以看出，国内外的研究多从全国或省域尺度针对耕地多功能性的概念及理论框架[9-10]、保护耕地多功能策略[11-13]、土地多功能评价的理论体系[14]、指标体系构建[15]、评价方法[16]、功能时空格局变化[17-19]、现状总结[20-21]等方面展开研究，但对其影响因素的探讨却非常少见。而土地利用多功能性会伴随着区域社会、经济的发展呈现出显著的时空差异[22]，只有分析导致其功能变化的影响因子，才能针对性地为土地利用行为及政策调整提供科学依据。基于此，本研究以西部大开发战略的重点区域——四川省为例，建立评价指标体系，分析土地利用功能的变化特征，并运用SAS进行影响因素分析，为土地利用多功能评价提供方法基础，为未来四川省土地多功能利用提供科学依据。

土地利用是土地功能多样化的过程，不同的土地利用结构与其呈现的土地利用功能密不可分，土地利用结构决定了土地利用功能多样性，而土地利用多功能性又反过来影响土地利用结构(图1)。住宅用地、商业用地、交通用地突显居住家园功能；医疗用地突显健康保障功能；科教文化用地突显文化功能；农用地和工业用地突显土地利用生产功能；生态用地和未利用地表明土地资源利用过程中的生态功能。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

四川省简称川或蜀，地理位置为97°21′～108°31′E，26°03′～34°19′N，位于我国西南腹地，地处长江上游。四川省境内地势西高东低，可分为四川盆地、川西北高原和川西南山地。2014年四川省人口为8 140.2万人，占全国总人口的5.99%。2004—2014年四川省社会、经济和生态水平呈现快速发展趋势，3次产业结构由2004年的21.3 ∶41.0 ∶37.7转变为2014年的12.4 ∶48.9 ∶38.7，2014年GDP是2004年的4.47倍，全省在环境方面有所改善，如森林覆盖率从2004的27.94%提高到2014年的35.76%。四川省地域辽阔，土地资源丰富，总面积48.5万km2，占全国总面积的5.1%，居全国第5位。从土地利用状况看，2014年农用地面积比2004年减少20.21万hm2，建设用地增加21.46万hm2，其中，居民点及工矿用地面积增加18.82万hm2。研究期内，农用地减少，建设用地不断增加，土地利用方式的变化引起土地利用功能多样性的增强。

1.2 数据来源

本研究采用的经济社会数据来源于《中国统计年鉴》(2005—2015)、《国民经济与社会发展公报》、《四川省政府工作报告》、《四川统计年鉴》(2005—2015)，部分数据根据指标要求经换算而得。

2 研究方法

2.1 指标体系构建

本研究根据四川省土地利用状况的实际，依据综合性、地域性、科学性和适用性原则，从人文-生产-生态3个维度选取24个具体指标构建四川省土地利用多功能性评价指标体系(表1)。从就业支持、居住家园、社会保障、文化功能中选取了农业从业人员、城镇人均居住面积、农村人均住房面积、城乡收入平衡指数、万人拥有图书量等指标，表现出土地的多样化利用，满足人类的不同需求。人类对土地的多样化利用是经济发展需要，生产功能指土地作为劳动对象直接获取或以土地作为载体进行社会生产而产出产品和服务的功能，故分为农产品生产和工业产品生产等功能，其具体指标包括地均农业总产值、地均粮食产量、地均农业固定资产投资、工矿用地面积比例、地均工业固定资产投资等指标。生态功能是人文功能和生产功能的基础，分为资源维持与供给、减轻污染物排放、景观保育功能，选取人均水资源、人均林地资源、单位耕地化肥施用量、森林覆盖率、自然保护区面积比例等指标，表征土地多样化利用中对生态保护的重视度。

表1 四川省土地利用多功能性评价指标体系

注：表中的“+”、“-”符号及其组合用于表达指标的属性，“+”表示正指标，“-”表示逆指标，“+/-”表示适度指标。

2.2 指标权重计算

权重反映各指标间的相互关系，本研究采用主客观相结合的方法，用较主观的特尔菲法确定因素层和目标层权重，用较客观的熵值法确定指标层权重。

2.2.1 标准化处理 为了使各项指标的数据具有可比性，本研究采用极差法对数据进行标准化处理。将评价指标分为3种类型：(1)正向指标(指标值越高效益越好)；(2)逆向指标(指标值越低效益越好)；(3)适度指标(越接近理想值越好)。具体公式如下：

正向指标：

逆向指标：

适度指标：

1/(1+|Xij-Xoj)

式中：Xij为指标的标准化值；maxXij和minXij分别为历年指标值的最大值和最小值；i表示年份，i=2004，2005，…，2014；j表示指标个数，j=24；Xoj为第j个指标的理想值(可持续阈值)。

2.2.2 计算第i年第j项指标的标准化值Pij

2.2.3 计算第j项指标的熵值eij

式中：调节系数k=1/lnm，ln为自然对数，pij为指标归一化值，所得0≤eij≤1。

2.2.4 计算第j项指标的信息熵冗余度gj

gj=1-ej，j=1，2，…，n。

2.2.5 计算第j项指标的权重

2.3 确定阈值及数据标准化处理

阈值又称阈强度，是在土地利用可持续条件下能达到的理想值，本研究部分阈值的选取是根据已有研究成果而定，适度指标阈值在参照国际标准、全国平均水平等土地利用多功能阈值的基础上，根据四川省11年来所达到的平均水平和土地利用实际情况(表2)确定。由于不同数据的量纲不同会对计算结果产生影响，所以本研究通过以下公式对数据进行标准化处理，阈值为[0，100]，60为临界分水岭[23]。

正向指标：

逆向指标：

表2 四川省土地利用多功能性评价指标阈值

适度指标：

2.4 区域土地利用多功能性计算

土地利用功能值(f)反映土地利用的功能水平，f越大，表示该功能水平越高；反之，则表示该功能水平越低。根据标准化指标及各层权重，逐层依次确定子功能值(f″)、单项功能值(f′)及总功能值(f0)。

土地利用功能值变化通过增长量(β)、增长率(ν)和倍比系数(γ)进行表示。增长量和增长率表征土地利用功能的绝对或相对变化程度，再根据其数值的大小将土地利用功能变化情况划分为快速退化、缓慢退化、维持不变、缓慢提高、快速提高5个类型。倍比系数反映土地利用功能的相对变化程度。具体公式为

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)分别表示t+1年、t年土地利用功能值；t表示时间2004—2014年。

2.5 基于SAS的影响因素分析

SAS(statistical analysis system)是一个模块化、集成化的应用软件系，功能强大，操作灵活，运用SAS编程语言，实现自动化分析，在国际上被誉为数据统计分析的标准软件。本研究通过SAS做影响因素分析，主要利用其主成分分析(PRINCOMP)模块完成主成分分析，它是一种降维技术的多元统计方法，借助一个正交变换，将其相关的原始变量转化成相互间不相关的随机主成分[24]。主要是将多数变量指标之间的问题转化为少数变量指标间的问题，少数的新指标之间互不相关，是原来多个指标的一个组合，还能综合反映原来多个指标的信息[25]。

3 结果与分析

3.1 土地利用功能值总体分析

通过计算得出四川省2004—2014年土地利用功能值(图2)，并运用增长量、增长率、倍比系数表征土地利用功能变化情况(图3)。2004—2014年四川省土地利用多功能值呈“V”形增长，2004—2007年处于缓慢下降阶段，由2004年的49.35缓慢下降到2007年的47.26，下降率为4.24%；2008—2014年处于快速上升期，功能值由49.45上升至62.84，增长率达到27.08%。表明随着社会经济、科学技术的发展及生态环境的改善，四川省土地利用多样性不断提升。从功能值增长量来看，2005—2006年最低，为-1.35，2008—2009年最高，为3.31，研究期内年均增长量为1.35；从增长率来看，2004—2007年呈负增长，2008—2014年呈现波动式增长，2008—2009年增长率达到最大值6.69%，研究期内年均增长率为2.49%；从倍比系数来看，2007年之前年均倍比系数值为0.99，2007年之后倍比系数值均大于1.00，年均值为1.02。2007年是“十一五”规划第2年，政府提出加快发展、科学发展、又快又好发展的政策，加快产业结构优化及经济增长方式转变，土地利用活跃度增强，功能值变化速率提高。

3.2 各项土地利用功能分析

3.2.1 人文功能 2004—2007年人文功能值不断下降，2008—2014年呈阶梯式增长。人文功能包含就业支持功能、居住家园功能、社会保障功能和文化功能。20世纪末期，由于国家宏观政策的调整和四川省城镇化进程的加快，2004—2014年城镇登记失业率先上升后下降，2011年达到最低值4.10%，但农业从业人员不断下降，城市居民收入不断上升，就业支持功能逐渐增强。同时，政府致力于新农村建设，城市和农村居民人均住房面积均呈线性增长，居住家园功能显著增强。社会经济的高速发展，强有力地拉动了农村经济的发展，城乡收入平衡指数逐步上升，城乡恩格尔系数之比趋于适度值，社会保障功能得到明显提升。四川省大力实施科教兴川和人才强省战略，政府不断加大教育投资，教育事业健康发展，每万人高等学校在校生人数增长了2.07倍，文化功能也实现了快速增长。

3.2.2 生产功能 2004—2006年生产功能值呈现波动趋势，2007—2012年急速上升，2013年增长速度略微下降但随后呈上升状态，2014年比2004年增长了1.79倍。由此可见，四川省经济功能值增长明显。四川省在西部大开发战略背景下，由于自身区位优势和国家政策的大力扶持，产业结构不断优化，经济发展突飞猛进，农产品生产功能在研究期内年均增长幅度为3.25%，工业产品生产功能的年均增长幅度达到11.51%，表明四川省在发展的过程中不断加大了对农业和工业生产的投入，使得地均农业固定资产投资、地均工业固定资产投资、地均农业总产值和地均工业总产值均呈现逐年上升的趋势，为全省经济的快速稳定发展提供了强有力的保障。

3.2.3 生态功能 2004—2007年生态功能值一直下降，2007年达到最低值15.88，之后表现出较为平稳的缓慢增长态势。其中，资源维持与供给功能值年均增长率为0.39%，人均耕地资源呈先上升后下降趋势，人均林地资源略有下降，景观保育功能的年均增长率为0.18%，增长缓慢。这是因为2008年的汶川地震对生态环境造成了严重的破坏，虽然政府加大了灾后生态重建的力度，采取了退牧还草、水土流失治理、城乡绿化等一批重点生态工程，但恢复过程非常缓慢。减轻污染物排放功能表现出较小幅度的逆增长，这是由于经济的快速发展对生态环境产生了严重的破坏，单位耕地化肥施用量逐年增加，重金属污染严重，使得土地利用的环境承载力降低。

3.3 土地利用多功能性影响因素分析

利用SAS的PRINCOMP过程对土地利用多功能性做主成分分析，得到表3所示的标准化数据。求解主成分从相关矩阵出发，计算出相关系数矩阵(表4)。按R的特征方程算得非负特征值，再求出其相应的特征向量；从SAS输出的特征值和特征向量分别见表5、表6。由表5可知，前4个主成分的累计贡献率达到93.83%>85%，原指标体系中93.83%的信息得以保留，达到了预期的效果，将4个主成分分别用z1、z2、z3、z4来表示。因此，决定第一主成分大小的主要是地均农业总产值(x12)、地均粮食产量(x13)、地均工业固定资产投资(x17)、生活垃圾处理率(x21)、单位耕地化肥施用量(x22)、森林覆盖率(x23)、每万人高等学校在校生(x10)等指标，体现了工农业的发展水平及减轻污染物排放对土地利用多功能性具有重要的影响作用，实际上第一主成分中各个变量间的载荷相差均不大，表明土地利用功能多样性程度受资源基础、经济发展、政策支持等因素的综合影响；决定第二主成分大小的主要指标是城乡收入平衡指数(x7)、人均禽畜产品占有量(x11)，说明随着城镇化进程加剧，城乡收入的差距逐渐缩小，人均禽畜产品占有量不断提升，耕地利用效率提高，促进了土地利用多功能性的增强；第三主成分中人均水资源(x18)载荷较大，无论是在生产环节还是在生态环境功能保护方面都能对土地利用多功能性产生重要影响；决定第四主成分大小的是工矿用地比例(x15)、城镇失业登记率(x1)，说明随着工矿用地面积比例的增加，经济的快速发展能有效地带动就业率的增加，研究期内，四川省政府不断出台促进就业、鼓励创业的相关政策，在政府主导下，优化城乡用地结构，统筹城乡用地，增强土地利用多功能性。

表3 简单统计量

表4 相关系数矩阵

续表4

指标相关系数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 相关系数矩阵的特征值

4 结论与讨论

4.1 结论

通过对2004—2014年四川省土地利用多功能性进行评价。结果表明，研究期内四川省土地利用总功能值总体呈增长趋势，年均增长率为2.48%，2007年增长速度明显加快，表明随着西部大开发的实施和西南腹地区域社会经济不断转型，土地利用方式多样化促进区域土地利用多功能性增强。2014年土地利用功能值达62.84，超过临界值，但依然处于较低水平，随着社会经济的快速发展，用地增长，土地供给约束加大，四川省人多地少，人地关系紧张，土地利用与管理问题突出。今后，应从土地管理制度着手，通过政府合理的规划与引导，因地制宜地对土地利用结构进行调整，加强城乡用地统筹，促进土地利用多样性程度不断增加。

四川省土地利用各子功能特征差异明显，生产功能增长最快，其次是人文功能，生态功能呈缓慢的波动增长。总的来说，人文功能值高于生产功能值，生态功能值最低。说明近年来，四川省的经济虽取得了较好的发展，但是对土壤污染的治理力度及生态环境的保护力度还亟须加强，以循环经济和清洁生产为经济发展的落脚点，实现经济发展与环境保护的协调统一。在土地开发利用过程中，避免粗放式盲目开发，引导合理开发行为，促进土地资源多样化，提高土地利用功能协调性。

利用SAS的主成分分析，四川省土地利用多功能性影响因素依次是工农产业发展水平、收入水平、水资源条件和政策支持。其中地均农业总产值、地均粮食产量、地均工业固定资产投资、森林覆盖率、城乡收入平衡指数、工矿用地比例、城镇失业登记率等指标有较高影响，表明2004—2014年农产品生产功能、工业产品生产功能、就业支持功能、居住家园功能、资源维持与供给功能对四川省土地利用多功能性影响较大。

4.2 讨论

四川省作为西南地区的经济腹地，是国家实施西部大开发战略的重点区域，区域土地利用多功能性程度对社会经济和生态环境发展有重要影响。本研究通过对2004—2014年四川省土地利用多功能性评价及影响因素的分析，揭示了其演变过程及影响因素，为区域经济进一步发展，促进土地利用和管理方式提供了科学依据。但本研究仅着眼于省域尺度的时间分析，缺乏对空间的差异变化分析，今后，应挖掘时空变化影响，进一步动态比较分析；完善评价手段，形成不同尺度下的评价指标体系；此外，应加强人工神经网络等相关数学模型的应用，使评价结果更加科学化、精准化。

表6 相关系数矩阵的特征向量