基于可持续性视角的城市土地利用模糊逻辑评价与诊断
——以武汉市为例

汪　洋，代　立，周　颖

（武汉大学土木建筑工程学院，湖北 武汉 430072）

基于可持续性视角的城市土地利用模糊逻辑评价与诊断
——以武汉市为例

汪洋，代立，周颖

（武汉大学土木建筑工程学院，湖北 武汉 430072）

研究目的：构建基于可持续性视角的城市土地利用评价理论框架，探索城市土地可持续利用评价的影响因子，为城市用地可持续性发展提供依据。研究方法：模糊逻辑和因子分解分析。研究结果：2005—2013年武汉市城市土地可持续性利用水平具有明显的阶段性，并以2008和2011年为转折点呈稳步改善态势，土地利用生态效能和土地利用资产价值成为限制城市土地可持续性利用的主要影响因子。研究结论:（1）从隶属度和障碍度角度看，要保持城市发展可持续性，须向土地可持续利用模式转变，这种转变迅速而明显，表现出显著的转折点；（2）土地可持续利用模式下，障碍度指标带有可持续性特色，其影响力也较传统要素驱动模式有很大提升，表现为土地可持续利用综合效益的更大制约作用。

土地利用；模糊逻辑；隶属度；障碍度；武汉市

1　引言

基于传统的“要素驱动”增长模式，区域经济迅速发展，城市规模日益扩张，大城市甚至特大城市纷纷涌现［1］。工业化和城市化的快速发展、迅速增长的城市人口、资源能源的巨大需求及城市规模的不断扩大均给城市用地的可持续发展带来严峻挑战［2-4］。中国面临庞大的城市人口和相对较少的城市土地，这使得情况更为严峻。因此，在资源环境与人口的双重约束下，迫切需要加快城市土地向可持续性利用的转换。

近年来，国内外许多学者进行了相关研究，如智能增长、紧凑城市以及综合考虑经济、社会、人口、交通和环境的土地可持续性利用与评价的方法和指标体系［5-9］。在城市用地可持续发展方面，研究发现能源消耗、碳排放和土地利用模式之间存在密切联系。当土地利用模式向更为严格的限制和约束转变时，能源消耗和碳排放将保持一个更低的水平［10］。土地利用模式转变直接或间接地受市场机制的影响［11］，这种转变是影响土地可持续性的主要原因［12-13］。当前，土地利用可持续性的研究主要集中于评估国家、地区和城市三个层次中能源消耗、碳排放和土地利用方式之间的相互关系［14-16］，且有关城市土地可持续性利用评价的方法也存在差异［8，17-19］，应用较广的主要有多因素综合评价法、模糊综合评价法和结构方程模型等。多因素综合评价法是较常用的方法之一，该方法在确定指标体系的基础上，采用特尔菲法计算指标权重，通过专家经验设定理想值，采用比例推算法对指标进行标准化，最后加权计算集约度分值［20-21］，适用于指标理想值较易获取的城市土地利用评价。然而，从可持续性角度，传统多因素综合评价在集约度分值的计算中仍存在较大的主观性，评价结果的真实性和准确性难以保证。尤其是引入反映城市土地可持续性的指标后，该方法的指标理想值难以经验获得。

综上所述，从城市土地利用的角度，有关土地利用因素贡献度的研究较少涉及可持续性背景，城市土地利用评价的研究深度仍然不能满足城市可持续发展的需求。此外，当面临土地利用模式的转变，发掘其主要障碍因素及其趋势显得尤为重要。借助模糊综合评价法在解决复杂问题上的简便性和有效性，本文选择模糊逻辑和组合因素分解分析方法，对可持续视角下的城市土地利用水平进行综合评价与趋势分析，以期为城市用地可持续发展提供依据。

2　评价诊断模型构建

2.1评价指标体系

指标体系是从可持续性视角定量评价城市土地利用的基础，主要涉及经济、社会、生态等因素［22］。从城市土地利用的角度，可持续性是指土地利用适宜性在时空维度上的延伸，即土地作为一种特殊的稀缺资源，其利用从数量上应当留有一定的空间而不能超量开发利用，从质量上不能开展使其质量严重下降而使其不能恢复地力的土地利用活动，从生态效能上不能通过土地利用行为破环其生态效能而导致不能恢复其生态效能，从资产价值上不能提取未来的价值和贴现而导致其资产价值减少，以实现生态合理、经济有效和社会可接受的统一［23］。因此，可持续视角下城市土地利用评价不仅是对城市土地利用现状进行评价和诊断，还要考察土地利用结构模式对城市未来经济社会和生态环境造成的影响进行趋势分析和动态预测［24-28］。考虑现有指标体系以及土地利用和区域环境的现状［22，29-31］，本文中的指标体系共分解为三个层次：目标层（TL）、准则层（CL）和指标层（IL）［29-30］。TL直接反映可持续性视角下城市土地利用效率；CL通常被视为反映TL水平的主要因素，包括土地利用质量、土地利用数量、土地利用生态效能、土地利用资产价值；IL的构建在参考《城市建设用地节约集约利用评价规程》等现有指标体系的基础上，主要从可持续性的视角引入了经济、社会、生态环境测量指标［22，29-31］。

表1　可持续视角下城市土地利用评价指标体系Tab.1　Index system of urban land use evaluation based on sustainability

土地利用质量是土地利用可持续性的核心问题。该准则层主要选取了反应土地利用结构和土地产出水平的指标，主要反映城市用地质量效益广度和深度的延续性，包括地均GDP、地均财政收入、地均劳动生产率、地均废气排放量、地均废水排放量、地均固废排放量6个指标［17，29，33］。其中，土地利用结构反映了城市用地分类合理性；土地产出水平反映了城市用地的经济质量效益和环境影响，包括地均废气、废水和固废排放等［18，30］。土地利用数量主要考虑了现阶段土地利用密度是否合理，是否留有余量供未来开发和使用，主要选取了人均道路面积、人均耕地面积、人均建筑面积、城市化率、居住密度、综合容积率6个指标［17，19］。土地利用生态效能反映了现有投入水平下城市用地的资源环境合理性，从碳汇和碳减排角度选取地均碳排放强度等指标。而土地利用资产价值主要考虑土地可持续性利用的价值表现，主要选取地均环保投资、地均固定资产投资、地均从业人员、地均能源消耗和地均财政支出等指标［17，19，29-30，34］。

2.2模糊逻辑模型构建

模糊逻辑分析（Fuzzy Logic Analysis， FLA）是一种基于模糊数学的综合评价方法［35］。在模糊逻辑分析的过程中，首先应获得和分析待评估指标；然后根据评价标准和测量数据，确定评价权重并通过模糊变换获得相应的隶属度；最后比较隶属度，做出总体评价并确定最优选择［35］，其评价步骤如下［29，37］。

（1）确定评价因素集U = ｛u1，u2，u3，…，ui｝。根据表1中的指标体系，将因素集U分为4个子集（i = 1，2，…，4）。

（2）确定评语集V = ｛v1，v2，…，vk｝。城市土地可持续利用状况可以划分为4个层次（k = 4），其中v1为Grade I，可持续发展水平较高；v2为Grade II，可持续发展水平中等；v3为Grade III，可持续发展水平较低；v4为Grade IV，可持续发展水平低。

（3）构造隶属度函数，对评价因素集中uij做单因素评价，确定其隶属度rij。本文应用梯形分布的隶属度函数，并根据指标特征划分为递增/递减指标类型，并对递减类型指标做镜像处理［30］，其隶属度函数见式（1）—式（4）。

ij为 隶属度；xij为指标uij的城市土地可持续利用原始数据的标准化值；ai1，ai2和ai3为评价指标等级的分割点。

（4）构造综合评判矩阵R。根据指标uij对于每个等级k的隶属度构造综合评判矩阵，见式（5）。

式（5）中，rik为第i个指标属于等级k的隶属度；i为指标编号；k为评价等级Grade I—IV。

（5）根据AHP计算权重。权重意味根据每个指标的重要性其在指标体系中所占比例不同，其必须满足归一化的要求。

（6）选择评价算子，进行综合评判。

（7）根据最大隶属度原则确定对象的评判等级，如式（6）所示。

2.3障碍度因素分解与诊断

为分析挖掘障碍因子，本文引入因素分解分析用于评价指标的障碍程度，包括因子贡献度、指标偏离度和障碍度。因子贡献度提出单一指标对总体目标的影响权重，而指标偏离度表示单一指标和城市土地可持续利用之间的偏差，障碍度则表示在CL和IL中阻碍城市土地可持续利用的大小程度。基于障碍度的因素分解分析方程如式（7）所示［29］。

式（7）中，Fij为单因素对总目标的权重；Qij为第j项准则层指标权重；Wij为第j项准则层指标所属的第i个单项指标的权重；Oij为指标偏离度，即单因素指标评估值与100%的差值；Pij为单项指标的标准化值；Vij为指标层障碍度；Mij为各准则层障碍度。

3　土地可持续利用评价与诊断模型分析

3.1案例城市

武汉市地处江汉平原东部，是国家重要的工业基地、科教基地和综合交通枢纽。全市境内江河纵横、湖港交织，水域面积占全市面积1/4，构成极具特色的滨江滨湖水域生态环境。同时，武汉市地处沿海高经济梯度向西部低经济梯度之间的过渡地带，在承接产业转移方面处于有利位置，经济沟通、辐射和互动能力强。作为首批“两型社会”建设和“低碳试点”城市，武汉市城市规模扩张迅速，城市化进程对土地可持续性利用提出更高的要求。本文数据主要来源自2005—2013年《中国城市发展统计年鉴》、《湖北省统计年鉴》和《武汉市社会发展公报》。

3.2模糊逻辑分析

3.2.1目标层模糊逻辑分析 为了分析城市土地可持续利用隶属度及其结构变化，本文对2005—2013年武汉市土地利用面板数据进行比较研究。研究结果显示，在过去的9年里，武汉市城市土地利用状况逐步优化，从2005—2007年的Grade IV、III，过渡到2008—2011年的Grade II，并逐步优化到2012—2013年的Grade I。

第一阶段（2005—2007年）：武汉市城市土地可持续利用状况表现欠佳，处于Grade IV、III水平。在此期间，地均固定资产投资年增长25.6%，地均GDP年均增长达18.5%，同时，地均能源消耗则以每年15.9%的速度提升。分析表明，这一阶段土地利用以高投入和高能耗为特征，土地投入产出模式和能源消耗的错位最终导致在可持续性视角下城市土地利用效率低下。

第二阶段（2008—2011年）：武汉市城市土地可持续利用状况逐步改善，并保持Grade II水平。在此期间，各方面指标得到显著改善，地均能源消耗的增长速度逐步降低，为13.65%，而地均环保投资、湿地面积比率等指标逐年提高。分析表明，这一阶段决策者更关注土地利用的生态效能，更加关注土地利用的价值效益，城市土地可持续利用处于较明显的过渡改善期。

第三阶段（2012—2013年）：武汉市城市土地可持续利用状况显著改善。虽然土地投入水平仍在提升，但增长速度放缓，并且土地碳排放指标得到极大改善。最为明显的是地均固定资产投资年增长率和碳排放强度极大减缓，从而使土地投入和碳排放水平得到明显提升。此外，随着地均GDP、人均建设用地面积和地均环保投资等土地质量、数量和资产价值等方面指标的稳定上升，也使得城市用地处于良好的状态。

因此，2008年和2011年被视为武汉市城市土地可持续利用水平的转折点。由于土地质量、生态效能、资产价值等大权重指标的改善，城市土地可持续利用效率趋于优化。

3.2.2准则层模糊逻辑分析 根据最大隶属度原则，通过模糊逻辑分析得到准则层隶属度及其函数图像（图1）。尽管初始状况各方面的因素表现较差，但经过一段时间的调整各方面的因素呈现良好的发展趋势，并表现出明显的转折点。

图1　武汉市城市土地可持续利用准则层隶属度分析图Fig.1　Membership degree in criterion layer on urban land sustainable utilization in Wuhan City

3.3障碍因子诊断

为了挖掘在模糊逻辑分析中影响最终结果的障碍因素，利用式（7）进行因素分解分析，结果如图2所示。

3.3.1准则层障碍因素诊断 开始阶段，准则层4个因素障碍度值表现出较大的差异性，土地利用质量和数量因素的障碍度占据最主要地位，而土地利用生态效能和资产价值因素的障碍度表现不明显。这表明研究期之初，土地利用质量和数量等相关要素仍是驱动城市土地可持续利用综合效用最大化的最主要因素。之后，土地利用质量、数量因素的障碍度逐步下降，对城市土地可持续利用整体效益的阻碍作用逐渐弱化。其中，土地利用数量的因素障碍度下降幅度较大，这与城市建设规模有关。

2008年开始，土地利用生态效能和土地利用资产价值指标相继取代土地利用质量和数量指标成为影响城市土地可持续利用最主要障碍。在此之后，两大因素障碍度上升趋势明显，它们与土地利用质量和数量指标障碍度值的差距进一步扩大。特别在2008年后，土地利用生态效能和土地利用资产价值因素进一步放大，成为影响土地可持续利用的最大障碍因素。这表明，在这一时期，土地利用生态效能和资产价值因素对城市土地可持续利用的重要性逐渐凸显，武汉市土地可持续利用的瓶颈由原来的质量和数量因素，转换为土地利用生态效能和资产价值因素。

图2　武汉市城市土地可持续利用准则层障碍度分析图Fig.2　Obstacle degree in criterion layer on urban land sustainable utilization in Wuhan City

3.3.2指标层障碍因素诊断 分析表明，2008年之前，排名前5的指标因素多数来自土地利用质量和数量方面。此后，土地利用质量类指标数量逐渐减少，取而代之的是土地利用生态效能和土地资产价值类指标，其数量逐渐占据多数。

从指标层具体指标障碍度排名变化分析，2008年之前，人均耕地面积、地均三废排放等典型直观反映土地利用质量与数量的指标障碍度值排名靠前，并占据主导位置。然而这种情况并未维持很久，在随后几年的时间里逐步被湿地面积比率、化石能源比重以及人均绿地面积等土地利用生态效能的指标替代并保持主导地位。值得注意的是，城市生活垃圾无害化处理率被人们所重视，影响力逐步提高。

从准则层和指标层中障碍因素分析可知，城市土地可持续利用综合效益将从土地利用质量和数量因素转变为土地利用生态效能和资产价值因素为主导，且存在明显的转折时间点。从态势分析，这种转变表现的全面而不可逆转，这不仅体现在整体局面的巨大变化，其关键因素的影响力也进一步提升。无论从转折时点还是趋势，障碍度分析的结果都与前面的隶属度分析结论相一致，但障碍度分析进一步明确了土地可持续利用主要制约因素及其影响力的动态变化，这将有利于决策者提出土地使用的优化政策与方案。

4　结论

按照城市可持续性发展要求，本文从土地利用质量、数量、生态效能和资产价值等方面建立起包含26个因素的指标体系，并据此结合模糊逻辑分析和障碍因素分解分析，对2005—2013年武汉市城市土地可持续利用状况及影响因子进行了评价分析，结论如下：

首先，从隶属度分析可知，城市处于新型工业化和城市化进程，土地利用质量和数量因素在经济起飞初期的确对经济发展起到了巨大推动作用。此时，土地投入产出驱动经济发展模式的特点表现为高投入、高能耗和高产出，这一阶段，要保持城市土地质量的持续产出，必须保持土地数量的持续高投入。

其次，经济高速发展后期通常都存在土地利用模式上的矛盾。或由于土地产出的效用递减，或由于能源、碳排放、资源、环境保护及土地供给的制约，传统的要素投入驱动经济增长模式趋于失灵，此时，城市土地可持续利用模式面临转型，从隶属度和障碍度评价上表现出时间上的转折点。

最后，从障碍度因素分解可知，不同土地利用模式下关键指标及其对土地可持续利用综合效益的阻碍影响存在差异。传统要素驱动增长模式下，人均耕地面积、地均GDP和地均能源消耗、地均三废排放是最典型的土地利用数量和质量影响指标，而可持续性利用模式下，化石能源比重、湿地面积比率以及人均绿地面积等指标为最典型指标。从障碍度因素分解看，城市生活垃圾无害化处理率等因素逐渐成为下阶段影响土地利用可持续性的关键因素。

本文存在若干局限有待今后进一步完善。由于城市土地可持续利用指标体系涉及范围广泛，特别是涉及土地污染、土地退化等难以统计的多项非传统土地利用指标，使得本研究指标体系不能完全覆盖。同时，本文选择武汉市作为案例城市，由于城市土地利用与其产业和资源，甚至国家宏观经济相联系，不同国家和城市可能存在差异，这些不同点、产生原因及影响机制也须在今后研究中进一步进行探讨。

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（本文责编：陈美景）

Fuzzy Logic Evaluation and Diagnosis on Urban Land Use from the Perspective of Sustainability： Taking Wuhan City as an Example

WANG Yang， DAI Li， ZHOU Ying
（School of Civil Engineering， Wuhan University， Wuhan 430072， China）

The purpose of this research is to build a theoretical framework for evaluating urban land utilization based on the perspective of sustainability， to explore the impact factors on urban sustainable land utilization， and to provide suggestions on urban land sustainable development. Fuzzy logic and factorization analysis were employed. The results indicate that the land sustainable utilization level has obvious stages characteristics， which is improved steadily at the turning point in 2008 and 2011. Both ecological effectiveness and asset value of land use become the major neglected factors that limit the level of urban land sustainable utilization. The conclusions are: 1）Land use pattern should be changed to meet the requirements of urban economic sustainability， the process of which is apparent， rapid and presents obvious turning points； 2）the obstacle factors which have sustainable character and the increasing impact compared to traditional factor-driven pattern present a greater limitation on comprehensive effect of land sustainable use.

land use； fuzzy logic； membership degree； obstacle degree； Wuhan City

F301.24

A

1001-8158（2016）04-0061-09

10.11994/zgtdkx.20160428.155257

2015-08-28；

2016-01-19

武汉市科技局软科学研究计划（2015040606010243）。

汪洋（1980-），男，湖北武汉人，副教授。主要研究方向可持续城市与区域发展、绿色建筑与房地产管理、工程社会学。E-mail: wangyang.whu@foxmail.com.