基于EM-AHP-TOPSIS的喀斯特城市土地承载力评价——以贵阳市为例.pdf

基于 EM-AHP-TOPSIS 的喀斯特城市土地承载力评价以贵阳市为例袁证光，汪 磊（贵州大学公共管理学院，贵州 贵阳 550000）摘要：贵阳市是西部典型的喀斯特山地城市，人地矛盾突出，发展空间有限，土地承载力有着不同于平原城市的演化特征，在高质量发展背景下，综合评价其土地承载力有着重要的现实意义。本文从经济、社会及生态三方面构建评价指标体系，运用层次分析法（AHP）与熵值法（EM）进行组合赋权，运用优劣解距离法（TOPSIS）计算各子系统及综合得分，得出 20112020 年贵阳市土地承载力变化情况并进行分级与可视化处理。研究表明，贵阳市 20112020 年土地资源承载力经历了由较低承载水平向较高水平发展的过程。其中，经济承载力水平的增长对贵阳市土地承载力贡献最大。今后需要促进各子系统协调发展，从加强闲置土地利用，扩充市域面积，促进贵阳市旅游、大数据及新兴产业发展，走可持续绿色发展道路等方面提升贵阳市土地承载力。关键词：土地承载力综合评价；熵值法；层次分析法；TOPSIS 法中图分类号：X22；F301.2 文献标志码：A 文章编号：2097-101X(2023)09-0052-07喀斯特地貌区地表崎岖、土壤贫瘠，不利于农业及交通的发展，在我国主要分布在广西、贵州和云南东部，土地资源利用难度大是制约这些地区发展的障碍之一。近年来，随着城市化进程的加快，贵阳城市生产与生活对空间的需求逐渐扩大，“三生空间”利用不协调问题造成了人地矛盾突出。站在“十四五”开局的新起点，贵州乘势而上，提出加快推进以高质量发展为统揽、以城市群为主体、大中小城市和小城镇协调发展、以人为核心的新型城镇化。在新的战略安排和目标要求下，贵阳市面临新增 100 万常住人口及各类改造建设任务。2022 年12 月国务院关于支持贵州在新时代西部大开发上闯新路的意见（以下简称意见）允许贵州结合农业结构调整将符合条件的园地、灌木林恢复为耕地，新增耕地可用于占补平衡；探索基于国土空间规划“一张图”建立农村存量建设用地，通过增减挂钩实现跨村组区位调整机制。本文以意见为指导，对贵阳市土地综合承载力进行研究，有助于当地政府及有关部门了解该区域土地资源的变化及发展特点，科学合理地评估土地资源状况，为土地合理开发利用提供参考；同时，对其他喀斯特山地城市的土地承载力研究也具有借鉴意义。国内外学者在土地承载力研究中积累了大量的方法、模型及路径，例如，层次分析法、时空综合评价法、障碍及耦合协调度模型、系统动力学及灰收稿日期：2023-03-12基金项目：2021 年度贵州省理论创新课题“贵州乡村振兴战略研究”（编号：GZLCZB-2021-1-1-3）第一作者：袁证光（1999），男，硕士研究生，研究方向为土地资源开发与利用。E-mail：通信作者：汪磊（1974），男，教授，研究方向为土地资源管理。E-mail：第 9 期2023 年 9 月自然资源情报Natural Resources Information No.9Sep.2023 53袁证光，等：基于 EM-AHP-TOPSIS 的喀斯特城市土地承载力评价第 9 期度模型预测法等。在土地承载力评价领域，部分专家学者进行了创新，首先采用熵值法、层次分析法、均方差决策法等确定指标权重；而后通过 TOPSIS法、模糊综合评价法、指数加权综合评价法、聚类分析等对土地资源承载力进行综合评价，力求评价结果更加科学客观，以起到指导实践的作用1-9。本文通过对国内外相关文献进行梳理，对评价指标的赋权大致可分为主观、客观及主客观综合赋权法三类。主观赋权结果取决于专家的经验判断，主观性较强；而客观赋权结果则取决于数据质量，通过客观计算获取，有时会忽略某些特殊指标的重要性。由于单一的赋权方法各有利弊，部分研究者寻求赋权方式上的创新，采用组合赋权的方式使不同赋权方法得以扬长避短。龚艳冰等针对水资源配置方案评价过程中指标权重的模糊不确定性问题，引入模糊数的可能性均值和方差的概念，通过可能性均值和方差将多个主客观权重进行信息融合，生成对称三角模糊数组合权重10；李韶慧等在运用层次分析法和熵权法组合确定各评价指标权重的基础上，结合贝叶斯模型对平寨水库进行水质评价11；王晓艳等采用层次分析法和熵权法进行组合赋权，利用模糊综合评价法对粤港澳大湾区 9 个城市的水环境承载力进行评价12。既有的组合赋权常采用加权算术平均对主观赋权和客观赋权进行组合，而组合系数的确定往往具有主观性，易影响综合评价精度。本文基于对上述研究方法的梳理，采用 EM-AHP-TOPSIS 法对贵阳市土地综合承载力评价进行测算，即首先根据相关政策、原则及研究区现状构建评价指标体系；然后对标准化处理后的指标数据采用熵值法（EM）层次分析法（AHP）串联式主客观综合赋权法进行赋权；最后引入优劣解距离法（TOPSIS）对各子系统及综合评价值进行测算。此方法充分发挥了 TOPSIS 法计算简便、结果合理及信息失真小等优点，本文数据主要来源于统计年鉴及公报，指标赋权则将EM与AHP进行串联运用，抑制传统加权算术平均组合赋权系数确定主观性强的缺陷。1 研究区概况及数据来源1.1 研究区概况贵阳市地处云贵高原黔中山原丘陵中部，长江与珠江分水岭地带，水系发达，喀斯特地貌分布广，缺少平原区，土地质量欠佳。截至 2021 年，全市下辖 6 个区、3 个县，代管 1 个县级市，常住人口为 610.23 万人。2021 年，贵阳市实现地区生产总值 4711.04 亿元，人均 GDP 为 72246 元，经济社会发展态势良好。全市土地总面积 8.04105 hm2，其中，耕地 2.71105 hm2，占土地总面积的 33.8%；林地 2.73105 hm2，占 34.01%，森林覆盖率 39.19%；建 设 用 地 6.30104 hm2，占 7.83%；未 利 用 地 1.13105 hm2，占 14.06%。1.2 数据来源本文数据主要来自 20122021 年的贵阳市统计年鉴贵阳市生态环境状况公报及贵阳市水土保持公报等渠道，部分数据通过公式计算得出。2 研究方法2.1 指标体系构建土地承载力评价指标体系中，经济、社会及生态子系统相辅相成又相互制约。本文根据土地综合承载力相关研究13-16，采用频度分析法筛选采用率较高的指标，参考全国国土规划纲要绿色发展指标体系 贵阳市国土空间总体规划 等相关政策文件，遵循指标选取的系统性、代表性、综合性和可获取性原则，结合研究区的经济、人文及自然资源等实际情况，选取经济、社会及生态三个子系统构建贵阳市土地综合承载力评价指标体系（表 1）。54自然资源情报2023 年 9 月表1 贵阳市土地承载力评价指标体系目标层 A准则层 B指标层 C属性土地综合承载力经济承载力B1C1人均 GDP/（元/人）+C2 地均 GDP/（万元/km2）+C3 地均社会消费品零售总额/亿元+C4城镇居民人均可支配收入/（元/人）+C5农村居民人均可支配收入/（元/人）+C6 第三产业对 GDP 贡献率/%+社会承载力B2C7人口密度/（人/km2）-C8 地均就业数/（人/km2）+C9 城镇化率/%+C10 教育投入占 GDP 比重/%+C11 城镇居民恩格尔系数/%-C12 农村居民恩格尔系数/%-生态承载力B3C13 水土流失治理面积/km2+C14 地均二氧化硫排放量/（t/km2）-C15人均公共绿地面积/（m2/人）+C16 森林覆盖率/%+C17 城市生活垃圾无害化处理率/%+C18 建成区绿化覆盖率/%+2.2 评价指标的标准化由于已构建的评价指标体系中包含经济、社会及生态子系统，各指标原始数据复杂多样且单位不统一。为使评价过程科学化与规范化，应对指标数据进行标准化处理以消除其量纲限制。本文将评价指标根据不同性质划分为收益型（）与成本型（），并采用极差变换法对原始指标数据进行标准化处理17。对于正向指标，按式（1）进行计算：=（1）对于负向指标，按式（2）进行计算：=（2）其中：Yij表示第 i 个指标第 j 年的标准化值，Xij表示第 i 个指标第 j 年的原始值，Xmaxij表示第 i 个指标在研究年份内最大的原始值，Xminij 为第 i 个指标在研究年份内最小的原始值。2.3 指标权重的确定本文参考已有研究18，首先运用层次分析法对评价指标体系的三个准则层进行赋权，随后利用熵值法分别确定指标层对准则层的权重，最后将二者之乘积作为最终综合权重值（公式 6）。2.3.1 层次分析法（AHP）该方法本质是基于专家打分的主观赋权法。主要通过专家的经验判断，两两比较判断矩阵中各指标对目标的重要性并打分，据此构建数学模型，最终计算出各指标的权重值（表 2）。表 2 评价指标体系判断矩阵AB1B2B3准则层相对目标层权重B11120.4126B21110.3275B31/2110.2599表 2 中，B1为准则层中的经济子系统，B2为社会子系统，B3为生态子系统。借助 SPSSPRO 软件计算，判断矩阵阶数为 3，最大特征根为 3.054，CI 值为 0.027，根据 RI 表查到对应的 RI 值为 0.525，因此 CR=CI/RI=0.0510.1，通过一致性检验19。2.3.2 熵值法（EM）该方法是一种客观赋权法。熵值法根据信息熵的定义，用熵值对各项指标的离散程度做判断，信息熵值越小，指标离散程度越大，该指标对综合权重的影响（权重）就越大。为使计算有意义，此处对标准化处理后的数据进行平移处理，统一在所有标准化数据后加上 0.0000120。具体步骤及公式 如下：计算熵值 Ei：Ei=-kln （3）Pij=Yij/（4）55袁证光，等：基于 EM-AHP-TOPSIS 的喀斯特城市土地承载力评价第 9 期式中：Ei为第 i 项指标的熵值，0 Ei 1；Pij为第 i 个指标第 j 年的标准化指标值占第 i 项指标之和的比重；k=，n 为年份数。确定权重 wi：wi=(1-)/(1?（5）式 中：wi为 第 i 项 指 标 权 重，0 1 1，=1，m 为指标数；（1-Ei）称为差异性系数，记为 gi，该值越大，表明指标越重要。综合权重的计算公式如下：W=WAHPWEM （6）式中，W 为综合权重值，WAHP为利用 AHP 得出的准则层相对目标层权重，WEM为利用 EM 得出的指标层相对于准则层权重。一 般 而 言，组 合 赋 权 计 算 公 式 如 下：W=0.5WAHP+0.5WEM，即分别采用 AHP 和 EM方法计算指标层相对于目标层的权重，然后各取50%权重，进行折中计算，得出组合权重值，这是一个并联过程。本文指标权重的计算则先采用定性计算 AHP 得出准则层相对目标层权重，然后在此基础上采用定量计算 EM 得出指标层相对于准则层权重，最后将二者相乘得出组合权重值，这是一个串联过程。此方法未割裂定性认识与定量认识之间的联系，而是在定性认识的基础上进一步加以定量认识，从认识论的角度来说更具逻辑性，也更为可靠。在评价指标较多时，运用该方法可以充分发挥AHP 在定性及 EM 在定量方面的优势，提高最终权值的科学性与准确性。2.4 计算综合得分TOPSIS 法是根据有限个评价对象与理想化目标的接近程度，对现有对象进行相对优劣评价并进行排序的方法，可全面客观地描绘出研究区土地资源综合承载力的变化趋势。步骤及公式如下21：根据规范化处理后的指标数据以及综合权重，计算出各项指标的评价得分Cij=Yij wi （7）综合权重值如表 3 所示。表 3 贵阳市土地资源承载力指标综合权重值准则层 B指标层 C指标层相对准则层权重（WEM）准则层相对目标层权重（WAHP）综合权重（W）经济承载力 B1C10.12530.41260.0517C20.15630.0645C30.22280.0919C40.18140.0749C50.17610.0727C60.13800.0569社会承载力 B2C70.25380.32750.0831C80.16310.0534C90.14540.0476C100.14710.0482C110.18250.0598C120.10810.0354生态承载力 B3C130.15760.25990.0410C140.20140.0523C150.19110.0497C160.21270.0553C170.13630.0354C180.10090.0262确定正理想解 C+和负理想解 C-，即评价指标中第 i 个指标在第 j 年的最大值和最小值：正理想解：C+i=MaxYij（i=1，2，m；j=1，2，n）（8）负理想解：C-i=MinYij（i=1，2，m；j=1，2，n）（9）计算评价指标到正理想解和负理想解的距离（采用欧式距离计算公式）：D?=，D=（10）式中：D+j为评价指标到正理想解的距离，D-j为评价指标到负理想解的距离。计算土地综合承载力与理想值的相对贴近度，公式如下：（11）式中：Tj取值范围在 0，1 之间，其值越接近1，表明土地承载力越接近最优水平。3 结果分析本文根据研究区发展特点，参考相关研究及政 56自然资源情报2023 年 9 月策文件，遵循指标选取原则，构建了包含经济、社会及生态子系统的评价指标体系；对指标数据进行标准化处理后通过 AHPEM 串联式主客观综合赋权法对各指标赋权；由此引入 TOPSIS 模型计算综合评价值。此外，为进一步分析各子系统承载力的变化趋势，本文以相同方式求出经济、社会及生态承载力值。计算结果变化趋势见图 1。图 1 20112020 年贵阳市土地承载力变化3.1 各子系统承载力变化分析根据本文所求取的数据结合图 1 可知，20112020 年，各子系统承载力总体呈现上升趋势。其中经济承载力呈直线上升趋势，评价值实现了从“0”到“1”的飞跃，如此显著的变化主要归功于各经济指标的大幅提高，充分展示了贵阳市在2012年 关于进一步促进贵州经济社会又好又快发展的若干意见及相关政策的支持下，经济的高速发展。生态承载力方面：2016年以前，增速较缓且有下降趋势；2016 年以后则快速上升，与经济承载力呈良性协调式增长态势。评价值由 2011 年的 0.1751 增长至2020 年的 0.9217，增幅 426.38%，生态建设进程不断推进，主要原因是贵阳市大力发展旅游和大数据等低碳产业，二氧化硫排放量不断减少，绿地面积不断增多。社会承载力增长幅度最小，其间从0.2691到 0.5348 增长了 98.74%，在 2016 年后增速明显低于经济和生态承载力，表现出不协调的发展态势，主要是由于贵阳市在贵州省城市化进程中吸纳了大量人口，建设用地难以满足所需。3.2 贵阳市土地承载力综合评价根据研究区现状并参考现有研究的分级标准22，考虑所得综合评价值在（0.3，0.7）之间，本文不考虑极低与极高承载力水平，将贵阳市土地综合承载力综合评价值分为三级，区间设定为（0，1），分值越高，表明土地承载力水平越高，反之则越低。具体如下：将综合评价值区间在（0.2，0.4）的划定为具有较低承载力水平，在（0.4，0.6）的划定为具有中等承载力水平，在（0.6，0.8）则划定为具有较高承载力水平。从图 1 可看出，贵阳市土地综合承载力除 2014年有小幅下降外，其他年份不断提高，由较低承载力上升至较高承载力水平。以综合承载力增速和各子系统间协调发展程度为依据，将贵阳市 20112020 年土地承载力变化划分为三个阶段：第一阶段为20112014年，该阶段土地综合承载力增速较慢，整体由较低承载力向中等承载力水平过渡，各子系统间无法均衡协调发展，经济技术的发展水平和生态状况无法为贵阳市土地资源承载力提供良性的发展空间。第二阶段为 20142018 年，这一阶段土地综合承载力增速较快，由 0.4379 的中等水平跃升至 0.6553 的较高承载力水平，各子系统之间的协调水平稳步提高，贵阳市土地资源承载力水平迈入相对均衡发展阶段，土地资源利用呈现合理配置和利用趋势。第三阶段为 20182020 年，综合承载力增速在该阶段又略显放缓，三年来继续保持较高承载力水平，其中经济与生态承载力稳中向好协同提高，评价值均值分别达到 0.8893 与 0.8484，而社会子系统评价值自 2016 年后开始回落，20182020年评价值均值约为 0.5552，与同期经济及生态承载力均值差异较大，发展不协调现象再次显现。由这三个阶段的变化可知，土地综合承载力增速与各子系统间协调发展程度成正比。整体而言，20112020 年作为贵阳市发展的“黄金十年”，其土地资源承载力水平得到了稳步提升。1.20001.00000.80000.60000.40000.20000.00002011201220132014201520162017201820192020?57袁证光，等：基于 EM-AHP-TOPSIS 的喀斯特城市土地承载力评价第 9 期4 结论及建议4.1 研究结论贵阳市土地资源综合承载力在 20112020 年得到了稳步提升，达到了较高水平，其中经济承载力的高速增长起到了突出贡献的作用。从子系统内部来看，虽然生态与经济承载力渐趋协同增长，但社会承载力发展欠佳，且自 2018 年开始下降。贵阳市土地综合承载力受多种因素的共同制约，其增速与各子系统间协调发展程度成正比。贵阳市作为典型喀斯特城市，在土地资源的开发、规划及利用方面与平原城市相比有着很大区别。喀斯特地貌对区域土地综合承载力发展的劣势主要体现在土地肥力低、开发成本大、集约利用难及生态脆弱等方面，而优势则主要体现在喀斯特地表特有生物资源与自然地貌景观带来的丰富旅游资源。维持长处，补足短板，促进经济、社会及生态等各方面协调共进，结合喀斯特地貌区优劣势对土地资源进行合理利用，坚持绿色发展道路，是促进贵阳市土地综合承载力良性发展的必由之路。4.2 对策建议 对表现欠佳的社会承载力方面，要立足强省会战略，以意见为指导，加强对贵阳市未利用土地的开发利用。贵州省印发的关于加快推进以人为核心的新型城镇化的意见中提出，到 2025 年，城区新增人口突破“3 个 100 万”，即省会贵阳、市（州）中心城市、县城分别新增城区常住人口100 万以上，贵阳建成特大城市。这对贵阳市建设用地、教育及就业供给提出了较大的考验。应在不突破生态与耕地红线的前提下，对域内土地进行建设改造，通过占补平衡与增减挂钩等机制，扩充建设用地面积，加快城市化建设，提高建设用地利用占比。此外，考虑将周边县域纳入贵阳市版图，增加贵阳市土地面积以缓解人口高密度造成的土地资源社会承载力降低状况。作为黔中教育高地，要加大教育投入，培养各类型人才，满足未来城市发展所需。对表现较好的经济与生态承载力方面，贵阳市要继续保持绿色发展战略，推进经济与生态的协调发展。贵阳市是西南重要的区域创新中心和知名生态休闲旅游度假城市，作为全世界聚集超大型数据中心最多的地区之一，是国家大数据综合试验区核心区及全国一体化算力网络枢纽。贵阳市应充分利用特色资源，大力发展旅游、大数据及新兴产业，走出一条具有贵州特色的低碳、绿色、可持续发展之路。参考文献1 肖丽群，邓群钊，林永钦，等.基于熵权 TOPSIS 模型的江西省土地利用多功能及其障碍因素动态分析 J.水土保持通报，2020，40（1）：176-183.2 鲁春阳，文枫.基于均方差法的郑州市土地综合承载力评价 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constructs an evaluation index system from aspects of economy,society and ecology.It uses analytic hierarchy process(AHP)and entropy method(EM)for combined weighting.It then applies TOPSIS method to calculate each subsystem and comprehensive score,and finally obtains the change of land carrying capacity in Guiyang from 2011 to 2020 with grading and visualization processing.The research shows that the carrying capacity of land resources in Guiyang has experienced a process of development from a lower carrying level to a higher level from 2011 to 2020.Among the indexes,the growth of economic bearing capacity level contributes the most to the land bearing capacity of Guiyang.The research comes to the conclusion that it is necessary to promote coordinated development of all subsystems,and improve the land carrying capacity of Guiyang from the aspects of strengthening the use of idle land,expanding the urban area,promoting the development of tourism,big data and emerging industries in Guiyang,and sustainable green development.Keywords:comprehensive evaluation of land carrying capacity;entropy method;analytic hierarchy process;TOPSIS method