基于全排列多边形综合图示法的唐山市土地利用多功能性评价

张路路，郑新奇，原智远，崔海宁

（1.中国地质大学（北京）信息工程学院，北京100083；2.河北瑞嘉土地评价咨询有限公司，河北 廊坊065000）

基于全排列多边形综合图示法的唐山市土地利用多功能性评价

张路路1，郑新奇1，原智远1，崔海宁2

（1.中国地质大学（北京）信息工程学院，北京100083；2.河北瑞嘉土地评价咨询有限公司，河北 廊坊065000）

研究目的：探索土地多功能性评价方法，为区域土地持续利用提供支撑。研究方法：全排列多边形综合图示法。研究结果：（1）1995—2015年唐山土地利用总功能快速提高，功能之间协调性呈减弱趋势，土地利用功能日趋多元化，重心由生活功能转变为生态功能；（2）土地生产和生活功能经历了快速提高阶段，由低度持续转变为中高度和中度持续，生态功能由缓慢退化跃入快速提升阶段，由低度持续转变为中度持续；（3）农业生产、就业支撑和生态调节功能先退化后快速提升，资源供给功能持续降低，经济发展、交通保障、社会保障等功能均呈现快速提高趋势。研究结论：全排列多边形综合图示法可为区域土地利用多功能评价提供参考和方法借鉴。

土地利用；土地多功能性；“三生”功能；全排列多边形综合图示法；唐山市

土地是人类生存发展的重要生产要素和关键性资源，具有多重功能和属性［1］。土地多功能利用是破解土地资源短缺和实现区域可持续发展的重要途径［2］，2004年全球土地计划（GLP）支持的可持续评价组织SENSOR项目提出了土地利用多功能概念［3］，并建立了政策、土地多功能和区域可持续发展的分析框架。此后土地多功能日益受到国外学术界广泛关注。学者Helming等提出用于政策驱动下土地利用功能变化对经济、社会和环境影响的分析框架［4］，并基于此框架采用定性和定量的方法分析了欧洲CAP政策下的土地功能变化［5］。De Groot通过土地多功能分类和量化分析了规划决策中的土地冲突问题［6］。国内对土地多功能利用研究起步较晚［7-9］，在土地多功能评价指标体系［10］、分析框架［11］、评价方法［8］、功能时空格局变化［12-15］等方面展开了探讨。多功能性评价是土地多功能利用的基础和重要问题之一［2，8］，旨在测度土地多元化利用所提供的产品、服务及效应［5］。评价模型包括量化与表征两种类型［7］，直接定量刻画难度较大，指标表征法成为土地利用多功能评价主要途径。多因素综合评价法是指标表征法采用最多的方法［8，14］，但该方法易受主观判断和选择对结果等影响［15］。同时，土地多功能评价的目的既在于测度土地利用功能水平，更需要识别影响土地利用功能的障碍因子，以对土地利用行为与政策进行有效调整，已有评价对土地多功能利用动态方向反映不足［2］。

本文通过构建土地多功能评价的指标体系，引入全排列多边形图示指标法测度土地多功能性。该模型简单直观，仅需确定与决策相关指标的上、下限和临界值，能有效克服传统主观判断权重的不足［16］，且用几何直观图示，具备较强的动态性，实现土地多功能评价—可视化表达的集成。通过分析唐山市1995年、2005年、2015年土地利用多功能的变化、功能不足及制约因素，旨在探索具有评价、问题诊断和政策指导一体的土地多功能评价技术与方法，并为提升唐山市土地利用效率及协调生态经济发展提供参考。

1 研究区域及数据来源

1.1 研究区概况

唐山市地处环渤海湾中心地带，素有“冀东粮仓”之誉，是北方重要的能源和原材料基地。唐山市是京津冀城市群的主要城市和河北省经济和城市化发展快速地区，改革开放初期处于边恢复边建设状态，1990年代后社会经济进入了快速发展的阶段，2005年随着河北省经济重心向沿海转移、建设科学发展示范区、京津产业转移等，区域社会经济呈现快速发展态势。1995—2015年，GDP 年平均增速为12.95%，产业结构由24.9： 47.0： 28.1转变为8.98： 57.8： 33.4，人口城镇化率由24.8%提高至57.4%。人均GDP和居民人均可支配收入达8.07万元和2.3万元，均居河北省首位。在经济快速发展和城市转型的背景下，土地利用结构变化剧烈，并引发了农用地保护、建设用地及生态环境用地问题和矛盾，该地区土地利用多功能变化亟待关注。

1.2 数据来源

研究涉及土地、人口、产业发展、交通、就业和生态环境等数据。耕地、交通用地数据来源于《唐山市土地利用统计年鉴》；人口、产业发展、水资源、原煤产量、自然保护区面积比例等来源于《唐山市统计年鉴》（1995—2015年）及国民经济和社会发展统计公报（http：//www.tjcn.org/）；水土流失比例根据唐山市土壤侵蚀遥感普查及统计年鉴获得。废污水排放量来源于《唐山市环境状况公报》，1995年数据根据相关文献［17］计算得到。

2 研究方法

2.1 划分土地功能类型

已有许多学者开展了不同视角的功能类型划分研究［10， 18-19］，但土地功能分类尚未统一。本文将土地功能分为生产、生活和生态三种类型［20］，自上而下确定每个单项功能下的子功能。生产功能包括人类提供工、农业产品和服务和交通空间功能，农业功能和经济功能来表征区域农业和非农经济产业活动的能力，交通功能表征区域公路、铁路、公共交通等保障能力；生活功能主是保障社会健康发展，实现区域人类福祉的最大化功能，包括栖息居住、就业支持和社会保障、休闲娱乐文化的基本功能；生态功能良性发展是社会经济健康发展所追求的目标，包括土地对提供非生物质资源、生态调节和维持生态系统平衡等主要功能。上述功能相互关联，相互统一，是自然和社会经济系统协同耦合的产物。

2.2 构建区域功能评价指标体系

基于前述功能分类，结合唐山市土地利用特征，依据可得性、灵敏性和可量化性等原则，构建了土地利用功能的指标体系（表1）。侧重选择能反映人类需求状态的指标，如人均粮食产量、收入、耕地面积、住房面积、水资源量等指标，此外采用比例指标，减少使用结构和总量指标，直接有效反映功能。

2.3 确定评价指标阈值

指标阈值是区域土地资源在可持续利用下指标应实现的理想值。借鉴已有文献研究［2， 8， 11， 14］，从唐山社会、经济和生态背景值和本底值出发，参考已有国际、国家、行业和地方规定的标准，确定了各指标的阈值（表2）。指标确定遵循以下原则［8， 11］：（1）尽量揭示自然承压阈值，如指标：C20—C22；（2）系统资源约束与开放结合，如指标：C6、C17—C19、C23—C25；（3）高标准且可以实现的发展目标，如指标：C1—C3、C4—C16。

2.4 全排列多边形图示指标法

全排列多边形图示指标法最早用于生态城市的评价［16］，目前已用于土地集约利用［21］、节能减排绩效［22］、绿地生态服务效能［23］等评价。结合土地利用多功能性评价，其具体定义为［22］：以n个评价指标（标准化）的上限值为半径构成一个中心正N边形，指标值连线构成一个不规则中心N边形，顶点是n个指标的一个首尾相接的全排列。n个指标总共可以构成（n- 1）！/2个不同的不规则中心n边形；综合指数代表所有这些不规则多边形面积的均值与中心多边形面积的比值。

指标值标准化采用双曲线标准化函数Q（x）：

式（1）中，L、U、T为指标的下限、上限和临界阈值。Q（x）满足：Q（x）|x=L=-1，Q（x）|x=T= 0，Q（x）|x=U= 1。标准化函数Q（x）把位于区间［L，U］的指标值映射到［-1，+1］区间。指标由原始的线性变化调整为快—慢—快的非线性变化，临界值为指标变化速度的转折点。因此，第i个指标的标准化公式为：

表1 土地功能分类体系及指标Tab.1 The land use function categories and indicators

式（2）中，Si为指标标准化值，Ni是指标实际值，Ui、Li、Ti分别为指标值的上限值、下限值和阈值。n个指标构成一个中心正n边形，n个顶点为fi= 1时的值，中心点为fi=-1时的值，中心点到顶点的线段为各指标标准化值所在区间［-1， +1］，而fi= 0时构成的多边形为指标的临界区。内部区域表示指标标准化的值为负；外部区域表示指标标准化的值为正。

土地功能评价值计算公式：

式（3）中，F为土地功能值（总功能或子功能），fi、fj为第i、j个分项指标，n为指标个数。土地利用多功能利用涉及经济、环境和社会等，由于因素信息的不确定性或不完全性，在评价指标综合中考虑了临界值对系统综合指标的放大和紧缩效应，反映了土地利用的协调性和整合性。

表2 唐山市土地利用多功能性评价指标阈值Tab.2 Evaluation index threshold of multi-functional land use in Tangshan

2.5 土地功能测算与分析

引入功能实现率（V）表征区域某类土地利用功能（F）的实现程度［8］，是区域土地利用功能值与理论最大值（Fmax）的比值。当所有功能指标值都等于或优于标准值时，土地利用功能值达到理论最大值1，因此功能实现率（V）与土地功能值F相等，且V≤1。借鉴相关研究［16］，以0.25为步长从低到高将功能实现率V区间［0，1］划分为低度持续、中度持续、中高度持续和高度持续。

采用功能变化动态度（d）、功能标准差（σ）和功能变化优势度（S）测度功能的变化情况［2，5］。其中，d表示不同年份各类土地利用功能的相对变化程度，σ测度土地利用功能值间的差异，反映土地利用多功能协调性，S表征某期土地利用多功能变化的差异性。计算公式分别如下：

将d分为5种类型：快速退化型（d＜-20%）、缓慢退化型（-20%≤d＜0）、维持不变型（d= 0）、缓慢提高型（0＜d≤20%）和快速提高型（d＞20%）。

式（5）中，σ越小，表明土地利用多功能协调性越高，反之功能协调性越低。为功能值均值，N为功能个数。

式（6）中，S最大值为1，S越大，表明土地利用多功能变化差异越大，越趋于单一化利用，反之越趋于多元化。

3 结果与分析

计算得到唐山市1995—2015 年的土地利用多功能值（图1）、功能实现率和功能水平类型（表3），并运用土地利用多功能变化动态度，功能变化优势度确定动态度确定功能变化类型（表3）。根据各指标阈值测得土地利用功能实现率，结合划分的土地利用多样性等级，阐释其土地利用多样性程度。

3.1 土地利用多功能性总体变化分析

（1）土地利用总功能快速提高。研究期间唐山市土地利用总功能快速提高，1995—2005年功能变化动态度达21.79%，后一阶段功能变化动态度达到100%，受河北省沿海发展战略、京津产业转移和资源型城市转型等影响，产业调整和经济增长加快，土地利用活动更加活跃。2015 年土地利用总功能实现率为0.435，处于中度持续水平，仍有提升空间（表3）。

图1 1995、2005和2015 年唐山市土地利用功能值Fig.1 Values of land use functions in 1995， 2005 and 2015 in Tangshan

表3 1995—2015年唐山市土地利用功能实现率和水平类型Tab.3 The achievement rates and the level types of land use functions in Tangshan

（2）土地利用多功能协调性呈减弱趋势。1995—2005年，生产功能和生活功能处于快速提高阶段，而生态功能则处于缓慢降低；后一阶段 “三生功能”虽然均处于快速提高阶段，但提升幅度不同，功能值之间的差异逐渐扩大，多功能协调性呈减弱趋势。单项功能三期的标准差计算结果分別为0.172、0.095、0.203，单向功能协调性呈现先提高后减弱的过程。子功能的标准差分别为0.047、0.081、0.135，功能标准差值呈增大趋势。生产功能和生态功能内部标准差呈现先提高后减弱过程，生活功能标准差则持续变大（表4）。从整体上看，研究期间唐山市土地利用多功能协调性在减弱。

（3）土地利用功能日趋多元化，重心由生活功能转变为生态功能。1995—2005年唐山市土地利用功能中变化最大的是生活功能，其功能变化动态度为77.48%，功能变化优势度为0.690，表明期间土地利用呈现以生活功能为主的多元化特征；后一阶段功能变化优势度为0.399，比上一阶段下降0.291，更反映出土地利用功能的多元化趋势，变化最大的是生态功能，这表明期间土地利用重心由前一阶段的保障和改善社会民生事业转变为后一阶段的生态功能提升。

表4 唐山市土地利用功能标准差及变化优势度Tab.4 Standard deviation and change dominance of land use functions in Tangshan

3.2 单项功能值变化特征及分析

以各个单项功能指标经过标准化后的值为顶点绘制时间序列的多边形（图2）。本研究将标准化后值小于0的指标视为障碍因子（较差状态）［16］，得到了不同时期生产、生活和生态功能的障碍因子表（表5）。

图2 唐山市土地多功能性评价各指标图示Fig.2 Evaluation results of land use function indicators

（1）生产功能。唐山土地生产功能处于快速提高阶段，由低度持续提高至中度和中高度持续水平。但内部的农业生产、经济功能和交通保障功能变化出现差异，经济和交通功能持续快速提高，农业生产则先快速退化后快速提高。

表5 唐山市土地利用功能障碍因子Tab.5 The main obstacles to land use functions in Tangshan

从指标动态变化来看，经济发展和交通基础设施的改善是唐山市土地生产功能快速提高的主要因素（图2 （a））。唐山市1990年代末恢复期过后经济发展驶入了快车道， 2005年二、三产业比重占到88.4%，人均GDP比1995年提高了141.8%，交通用地密度达0.57 km/km2，土地经济功能和交通保障功能得到快速提高。但同期农业生产功能快速退化，耕地受建设用地占用及退耕还林政策影响大幅减少，加上农民种粮积极性不高，粮食播种面积持续减少，使的粮食单产由8070 kg/hm2降低至7217 kg/hm2，人均粮食拥有量低至380 kg/人，已低于400 kg/人的安全水平，2005年农业功能已处于中度持续状态。

后一阶段土地生产功能的子功能均处于快速提高状态。交通功能提高幅度最大，达到224.30%，已处于中高度持续状态。这一时期唐山市完成了沿海、唐曹高速等多条高速和干线公路建设，在河北省率先实现“县县通高速”，2015年公路交通密度达1.29 km/km2。经济功能实现率高达0.701，2015年二、三次产业比重已达到91.02%，人均GDP达到80655元，远高于全国和河北省的49229元和29801元。但高度依赖资源型产业发展，现代服务体系尚不发达，第三产业比重仍低于北京、上海等发达城市，经济结构内部仍需优化提高。农业生产受国家粮食日益重视和农村税费改革影响， 农业投入和科技水平逐步提高，农业功能保持在中度持续状态，比2005年提高了30.28%。未来仍需关注区域人均粮食拥有量，其值仍低于可持续临界阈值。

（2）生活功能。1995—2015年，唐山市生活功能从低度持续提高到中度持续，经历了持续快速提高过程。单项功能中，除就业支撑功能以外，社会保障、居住家园和文化休闲功能均呈持续快速提高趋势（表3）。

社会保障功能两个阶段的动态度分别为48.19%和112.56%，功能实现水平由低度持续提升至中高度持续。居民收入增加是社会保障功能提升的重要因素，两个阶段农村人均收入分别提高2倍和2.8倍，2015年达到12867元，远高于河北省平均水平。但城乡收入平衡指数逐渐减小，城乡收入差异有扩大趋势，2015年为44.54，小于可持续阈值（45），仍制约着社会保障功能提高。就业功能两阶段动态度分别为-2.85%和32.08%，呈现先缓慢退化后快速提高阶段，从低度持续提高到了中度持续，主要受第三产业就业人员比重提高的影响。唐山经济结构长期高度单一且超重型化，吸纳就业人员能力强但数量有限， 2000年的国企改革带来的下岗失业问题，城镇人员失业率已经达到4%，制约着就业功能水平。随着城市转型战略实施，产业结构逐步多元化，就业岗位的吸纳能力增强，第三产业就业人员比重由28.10%提高至33.27%，但由于第三产业比重与先进地区相比仍然不高，其吸纳就业能力仍有巨大的提升空间。

居民的居住环境质量和条件日渐提高。1995—2015年全市人口城镇化率由24.8提高到57.4，高于河北省平均水平6.07，城镇人均居住面积分别由11.90 m2提高到26.00 m2，居住家园功能快速提升，由低度持续提升到中高度持续。同时，随着人民生活水平提高和物质需求的日益满足，居民在娱乐、休闲等活动增多，城市人均公园绿地面积和建成区覆盖率增加显著，分别提高了6.38 m2/人和10.7%，文化休闲功能快速提升，功能水平由低度持续提升到中高度持续状态，但城市人均公园绿地面积刚接近可持续发展的临界水平，仍需继续提升。

（3）生态功能。两个阶段的生态功能变化动态度分别为-15.84%、118.01%，先缓慢退化后快速提升，功能水平由低度持续提升至中度持续。

生态功能的资源供给、生态调节和生态维持功能在研究期间出现分异。资源供给功能持续退化，前一阶段功能变化度明显快于后一阶段。人均耕地资源和水资源分别由1995年的0.09 hm2、380 m3下降到2015年的0.07 hm2、329 m3，远低于全国人均值，使得资源供给功能水平始终处于低度持的状态（表2，图2（b））。生态调节功能实现类型均为低度持续，并经历了先快速退化后快速提高阶段（表2）。唐山市经济高速的发展以牺牲生态环境为代价，近些年确定了“环境优先、生态立市”的目标，前一阶段增幅较大的废污水排放强度有所下降，使得环境净化功能先降后升，但值得注意的是在工业废水的排放强度、单位耕地化肥施负荷、单位耕地农药施负荷等方面的指标值仍不够理想。工业废水的排放强度是河北省平均排放强度的3—5倍，农业面源污染的单位耕地化肥施负荷、单位耕地农药施负荷均已超过国家标准，土地生态环境面临较大压力，导致生态调节功能一直处于低度持续的水平。为举办2016年世界园艺博览会，唐山市在2008年后持续加大对生态环境建设投入，新建了南湖和唐山湾公园等，自然保护区覆盖率和森林覆盖率分别由2.38%、18.2%提高到12%、34.5%，水土流失率由21.54%降低到 17.39%，生态维持功能快速提升，由低度持续提升至中高度持续状态，维持城市生态功能由低度持续提升至中度持续状态。

4 结论与建议

（1）研究基于土地生产、生活和生态功能分类构建了土地多功能性评价体系，引入全排列多边形图示指标法，评价了唐山市土地利用多功能性。全排列多边形图示指标法评价过程简洁、客观，对指标数据要求简单，仅需确定评价指标的阈值，减少了专家主观确定权重系数环节，降低了主观随意性；指标综合过程考虑了指标临界值对土地系统功能的放大和紧缩效应，符合土地功能与指标的关系实际；结果表达既可反映单功能值又可反映综合值，通过几何直观图展示，便于问题诊断和政策指导。

（2）研究结果表明，1995—2015年唐山市土地利用总功能快速提高，土地利用多功能协调性呈减弱趋势，土地利用功能日趋多元化，重心由生活功能转变为生态功能。生产和生活功能均经历了快速提高阶段，分别由低度持续转变为至中高度和中度持续，生态则由缓慢退化跃入快速提升，由低度持续转变为中度持续。农业生产、就业支撑和生态调节功能由先退化转变为提升过程，资源供给功能始终处于降低状态，经济发展、交通保障、社会保障、居住家园、文化休闲和生态维持功能均呈现快速提高趋势。

（3）障碍指标层因子结果表明，不同时期影响唐山市土地利用多功能的障碍因子类别、数量有所差异，障碍指标数量上趋于减少。 2015年主要障碍指标为人均粮食拥有量、城乡收入平衡指数、第三产业人员从业比重、城市人均公园绿地面积、人均水资源、人均耕地面积、单位耕地化肥施负荷等。因此建议：①加强耕地保护，严格控制建设占用耕地，积极推进矿山废弃地复垦、农村土地综合整治和高标准基本农田建设，减少农业面源污染，保证耕地数量—质量的双重平衡，保障区域粮食安全；②充分依托区域资源优势推进传统产业的升级和生态化改造，提高资源利用效率，降低地耗与水耗，加快发展绿色和循环经济，加强污染治理和环境保护，缓解生态环境压力；③加大对农业和农村资金投入，提升农村科技水平，逐步缩小城乡产业差距；④优化城市经济产业结构，积极主动承接京津产业转移，延伸资源产业的链条，挖掘和利用区域旅游资源发展第三产业；⑤加强城市生态绿化建设，以世界园艺博览会为契机，拓展绿地网络，提升城市绿化程度。

唐山市土地多功能性评价案例表明评价过程合理可行，较好地反映了唐山市发展的实际，可为区域土地利用多功能评价提供参考和方法借鉴。然而在土地多功能性评价中，阈值大小的确定对研究结果有较大影响，确定更合理的阈值还有待探讨；研究仅在纵向上探析了区域土地多功能变化，开展区域间的土地多功能性时空变化有待深入研究。

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（本文责编：陈美景）

Assessment on Multi-functionality of Land Use based on the Entirearray-polygon Indictor Method in Tangshan

ZHANG Lu-lu1， ZHENG Xin-qi1， YUAN Zhi-yuan1， CUI Hai-ning2
（1.School of Information Engineering， China University of Geosciences（Beijing）， Beijing 100083， China； 2.Hebei Ruijia Land Planning and Consulting Co.Ltd.， Langfang 065000， China）

The purpose of this paper is to explore the method used to assess multi-functionality of land use so as to support regional land sustainable use.In this research， we designed an identification system of multi-functional land use according to ecological， living and industrial factors， and then evaluated the state of Tangshan's multi-function land use in 1995， 2005 and 2015 by the Entire-array-polygon indictor method.Results shows that： 1）The overall function of Tangshan's land use had dynamically changed from 0.176 to 0.215 and 0.435.The dynamic degree of the total overall function was 21.79% during 1995-2005 and was 100.00% during 2005-2015， suggesting that the overall function of land use had been rapidly improved to the middle sustainable level.The standard deviations of single function turned down first and then decreased， subfunction decreased gradually， indicating that the cohesion of multifunction was promoted progressively.With the decrease ofthe dynamic dominance， the land use of Tangshan changed from single function to multi-function.The function changed most were living function during 1995-2005 and ecological function during 2005-2015.It meant that the focus of land use changed from living to ecology.2）The sustainability of the production and living functions were promoted from the low level to the mid-high level and the middle level.Meanwhile， the trend of ecological function transformed from the slow degradation into the rapid increase while the level promoted from the continuously low into the continuously middle level.3）Factors changed in different ways.Agricultural production， employment support and ecological regulation were in a rapid growth after the first stage of degradation.Resource supply function continued to decline.Economic development，transportation security， social security， residential homes， culture and leisure as well as ecological maintenance kept rapid increase.The Entire-array-polygon indictor method has advantages in multifunctional land use assessment， which improves the objectivity and scientificalness of multi-functional land use assessment.

land use； multi-functional land use； land ecological-living-industrial functions； entire-array-polygon indictor method； Tangshan

F301.24

A

1001-8158（2016）06-0023-10

10.11994/zgtdkx.20160714.151928

2016-04-25；

2016-05-25

基本科研业务费专项资金资助项目（53200859188）。

张路路（1985-）， 男，河南博爱人，博士研究生。主要研究方向为土地信息技术与应用、空间规划。E-mail： luluzhang@cugb.edu.cn

郑新奇（1963-），男，河南伊川人，教授，博士生导师。主要研究方向为空间分析与建模、空间规划辅助决策技术、GIS开发与应用和土地评价与规划等。E-mail： zhengxq@cugb.edu.cn