社会稳定与资源安全保障度分析

第3章　土地利用系统解析方法（一）：几何学分析方法

【本章要点】土地利用系统是一个复杂生态系统，对土地利用研究必须借助于复杂系统研究方法，即采取分解与合成相结合的研究思路。本章全面论述了土地利用系统几何学分析的概念、原则与方法；按照复杂系统解析的基本思想，建立了土地利用系统的自然子系统、经济子系统、社会子系统与生态子系统几何学组成特征的描述方法；探讨了土地利用变化系统综合信息特征的表示方式。从而为后续的运动学及动力学的研究打下基础。

3.1　土地利用系统的几何学分析概述

3.1.1　几何学分析的概念

按照系统论的观点，一切系统都具有一定的结构和功能。结构是指系统诸要素在时空上相对稳定的联系方式或秩序；功能是指系统与环境的相互作用中所呈现的能力，反映系统在与外界环境相互作用的物质、能量、信息交换过程中所表现出对外部环境影响和作用的功效。系统的结构决定着系统功能，系统在与外界（环境）发生物质、能量、信息的交换过程中，系统的结构也将发生相应的变化（李以章等，1991）。系统的结构与功能是一个统一的整体，而系统结构与功能特征可利用系统诸要素的组成与时空分布状态等基本参数加以描述。

土地系统是人类社会活动的载体，直接支撑人类社会生产与人们生活。而且，土地利用系统特征是在自然与人类活动共同干预下，所表现出的一定时期的发展演化性状。此外，土地利用系统不同演化特征对应于不同时期的自然与人类作用方式和发展演化特征，是反演自然与人类作用过程的基础。

鉴于土地利用系统的复杂性特点，要深刻认识土地利用系统的整体性特征与演变规律，研究必须借助于复杂系统研究方法，采取新的研究思路。换言之，土地利用系统特征的描述不能用单一指标进行简单的概括与描述，而需进行系统的综合分析与描述。

土地利用系统几何学分析，是基于土地利用系统的结构组成与功能的综合特征及系统演化状况研究为基础而提出的一种分析方法。它从土地利用系统的自然子系统、经济子系统、社会子系统和生态子系统的分析入手，通过时间维、空间维的纵横交织，对土地利用系统的功能进行综合研究与分析评价，揭示土地利用系统的组成、结构与功能的综合特征。其实质是对土地利用系统的结构及功能属性进行定性与定量化分析，阐明系统的综合特征；分析各子系统的组成、结构与功能，鉴别各子系统的组成、特征与分布格局；最终为揭示系统的分布格局与演变过程奠定基础。总之，土地利用系统的几何学分析，就是从系统结构与功能特征出发，建立一套科学而合理的指标体系与参数模型，对系统的结构的几何组成、系统诸要素的分布状况（格局）及系统诸要素（几何参数）进行定量分析，以全面掌握土地利用系统的综合性特征，为区域土地利用系统演变格局与过程及系统变化机理与发展趋势的研究提供坚实的基础。

3.1.2　几何学分析的原则

土地具有多用途特性，并表现出不同的结构与功能特点。同时，影响土地利用变化的因素因子很多。因此，系统综合特征的描述必须借助于综合指标体系。但如果选取的指标过少，则不利于反映系统的综合特征；反之，选取的指标过多，则会人为增加系统描述的难度，并且也会给资料获取带来困难。本书在构建土地利用系统几何学分析综合评价指标体系时遵循了以下原则：

（1）整体性原则

土地具有多用途和多功能特征，因此构建的指标体系应力求反映土地利用系统的综合性特征，能全面反映系统的结构、功能特点，反映结构与功能之间的相互依存关系。同时，应从系统结构与功能的分析入手，建立不同组成要素的描述方法与表达方式，以便于从不同角度全面分析土地利用系统，对系统开展合理的分析与评价。

（2）可度量性原则

组成土地利用系统的要素涵盖自然、社会、经济、环境等方面，所选指标应尽量具有可量度性。同时，由于土地利用系统的地域差异大，因此，所选指标应尽量具有空间分布上的普适性。此外，应尽量使指标具有可比性，以便于进行区域性的对比。

（3）实用性原则

所选指标要立足于客观实际，在确保科学性的前提下，充分体现可行、实用的原则。

（4）层次性原则

土地利用系统是一个在时空尺度上相互镶嵌而成的多层次结构系统。因此，构建指标体系应区分不同层次，建立由多层次指标构成的指标体系。

3.1.3　几何学分析的方法

1）系统结构与功能要素的分解

如前所述，土地利用系统是由各个要素（子系统）按一定方式（结构）构成的有机整体。因此，我们可用贝塔朗菲建立的一般系统数学表达方式来描述土地利用系统的结构特征（Bertalanffy，1987）：

式中　Q——土地利用系统的子系统。

任何一个变量Qi的变化，都是Qi到Qn的函数；反之，任一Qi的变化，都承担着所有其他变量及整个方程组的变化。

据此研究思路，可将土地利用系统划分为土地自然子系统、土地经济子系统、土地社会子系统、土地生态子系统。通过分析各子系统的特征与描述方法，便可揭示系统的综合特征。因此，系统几何学结构与功能要素的分解，即鉴别土地利用系统的各子系统的组成，是土地利用系统解析的前提。

2）系统综合评价指标体系的建立

要深刻认识土地利用系统的整体特征，必须建立一套科学而合理的几何学组成分析评价指标体系，用于描述系统的本质特征，为揭示系统组成特征背后的深层次信息特征提供信息与数据。

目前，土地利用变化所引发的深层次问题日益引起政府及科学家的关注。如一个地区土地利用变化的现象表现为耕地向城市建设用地的转移过程，而耕地减少则可能导致农业生产能力的降低和农业经济生产水平的下降；但在另一方面，由于城市建设的发展，会带来地区经济实力的增强和用地效率的提高。此外，地区土地利用变化也可带来区域生态环境的变化。诸如此类问题，我们很难用单一指标来描述，即不能仅仅考虑耕地向城市建设用地转移的非农化过程，而是需要多指标、多参数的综合分析。

由此可见，要开展土地利用变化的几何学研究、掌握系统各子系统的组成特征与变化过程以及合理评价子系统的变化特征与规律，必须建立土地系统变化的评价指标体系。这种评价指标体系的建立，必须借助系统的层次性概念，从系统结构组成与功能分析出发，将土地利用系统分解为不同的子系统，然后分别设定评价指标，并用所建指标体系来反映土地利用系统的综合特征（见图3-1）。

图3-1　土地利用系统的层次与评价指标结构示意图

3）系统时空分布格局描述

景观格局是指大小和形状不一的景观嵌块体在空间上的组合形式，是各种自然与人为因素在不同时空尺度上作用的结果（张秋菊等，2003）。也就是说，景观格局中蕴涵着引发其变化的原因——自然与人为驱动力。景观格局的特征可采用反映景观结构组成、空间配置特征的简单量化景观格局指数来表示（邬建国，2000；傅伯杰等，2001）。随着景观生态学的发展与完善，已有许多关于景观格局几何分布特征的分析与描述方法，如反映景观单体的面积、周长及形状特征的指数，反映景观群体间景观丰富度指数、景观多样性指数、景观优势度指数等（邬建国，2000；傅伯杰等，2001；张秋菊等，2003）。土地利用系统的空间格局也是由各种自然与人为因素在不同时空尺度上长期相互作用的结果，因此，在土地利用变化研究中我们同样可借鉴景观格局分析与描述方法。但应指出的是，格局分析的目的不仅仅是描述其时空分布的几何特征，更重要的是揭示引发格局变化过程的机理，解译产生格局变化的深层次原因。其次，由于土地利用系统具有层次性的特点，其空间格局同样也具有多级镶嵌套的层次结构，即全球、区域、局地等不同等级的结构特征。

3.2　土地自然子系统的几何特征

3.2.1　概述

土地自然子系统涉及的主要是土地的自然生产潜力或能力。土地自然生产潜力常用于表示土地利用系统的理论生产能力或理想的生产能力；然而土地的实际生产能力不仅受到土地的自然条件的限制，同时还受到投入水平、管理方式等因素的影响。在土地利用变化研究领域，则更强调对土地生产能力变化的评价，分析自然或人类活动造成的土地利用系统自然生产能力的变化，或称土地自然子系统的质量变化。

黄秉维认为，农业生产潜力是研究土地在生态与经济可持续背景下，植物群体的生产量以及获取的方式（黄秉维，1992）；郑振源、谢俊奇认为土地生产潜力是指土地资源于第一产业的生产潜在能力（郑振源等，1992）；王万茂认为，土地自然生产力是指土地自然生态系统所具有的物质和能量的积累、循环、转换的能力，也就是说，是在没有人类任何劳动投入的情况下，土地所具有的天然生产能力（王万茂，1992）。

一般认为，土地自然子系统是实现系统的物质、能量、信息、价值的交流和转换，是维系土地复合生态系统平衡的纽带。影响土地利用系统生产能力的因素，主要包括土地资源属性方面的数量特征、反映土地自然生产能力的质量特性以及反映系统功能的土地利用结构组成特征（见图3-2）。在社会生产力水平大致相当的情况下，土地自然条件决定着土地自然生产力的高低。同时，我们可依据特定的投入下所产出的产品数量（土地生产量）来反推土地自然生产能力，即相同投入水平情况下，比较不同土地生态系统的生产能力。

目前主要采用两种方法估算土地生产能力。一种为“土地生产潜力法”，通过土地生产潜力的估算，获得地区生产能力的理论产量，并用于比较不同地区之间相同土地面积土地的生产能力差异；另一种为“比较估算法”，即通过地区农业生产产品数量来间接反映土地生产能力（基本假设生产过程中的投入水平、管理方式等保持不变）。

图3-2　土地自然生产系统描述指数与研究框架

3.2.2　土地潜在生产能力的估算方法

土地自然生产能力研究以绿色植物光合作用理论为依据，其生产能力评估主要方法有：

（1）光合生产潜力法

光合生产潜力，是指作物具有理想群体结构并在其生产发育期间温度、水分和肥料等环境条件处于最佳状态下的作物，以最大速度摄取太阳能的条件下，根据光合理论计算的单位耕地面积上所获得的产量。光合生产潜力反映一个地区农业用地作物生产量的理想产量。

黄秉维综合了多方面的研究成果，全面考虑了作物群体对太阳能的利用、反射、漏射、吸收、转化、消耗等多种因素，认为在其他生长条件均能得到满足的情况下，作物的最高光能利用率可以达到太阳总辐射的6.13%，黄秉维光合潜力计算公式为（黄秉维，1985）：

［1］原公式中单位量纲为斤/亩时，系数取0. 123；考虑与国际单位的统一，量纲采用kg/hm2，则取系数为0.92。

式中　Pf——光合潜力，kg/hm2；

　　　Q——太阳总辐射，cal/cm2。

因此，我们以区域单元进行生产力评价时，可假设在区域水土类型、农业管理与农业生产投入状况差异不大的情况下，光合潜力可近似用来间接反映地区自然生产能力的基本特征。

（2）光温生产能力评估法

一个地区，在其他因素都适宜的条件下，由光合有效辐射与温度共同决定决定的产量或生产力，称之为光温生产潜力（黄秉维，1992）。陈百明仿照联合国粮农组织提出的AEZ法，采用如下公式计算光温生产能力（陈百明，2001）：

式中　Ym——光温生产能力，kg/hm2；

　　　CL——叶面积的生长校正系数；

　　　CN——作物在生长期内日平均温度下呼吸消耗的净干物质产量的校正系数；

　　　CH——收获指数；

　　　Bgm——作物干物质产量，kg/（hm2•d），即作物生育期白天平均温度条件下，作物达光饱和时，以最大光合速率，在最大作物叶面积出现时所达到的最大总生物生长率；

　　　Ct——作物呼吸中维持呼吸的比例常数，Ct=C30（0.044×0.019×T+0.01×T2）。其中，C30为温度30℃时的C值，豆科作物C30为0.0283，非豆科作物C30为0.0108，T为全生育期的日平均温度。

实际上，在光合潜力转化为实际产量过程中，还必须考虑其他因素，其中主要是温度和水分，其次是土壤条件。为此，提出了一种简便的农业生产潜力的计算公式（孙惠南，1985）：

式中 T，W，S——分别为温度、水分与土壤的有效系数。

式（3-5）中的温度有效系数T可用n/365表示，n为一地的无霜期的天数，因此，T值就是单位光合潜力所能产生的光温潜力系数；就植物生长条件而言，水分有效系数主要考虑降水量与蒸发力之比值，通常蒸发力用彭曼法求得；土壤对产量的影响相对要复杂得多，通常不容易直接选取一个可以通用的数值，只能采用一个近似系数加以校正。在同一个农业生产区划中，土壤有效系数可近似地采用相同的数值进行计算。水分校正系数可用下式表示（孙惠南，1985）：

3.2.3　土地实际生产能力的估算方法

（1）土地实际生产能力的提出

土地系统实际生产能力是指自然土地（通常用耕地来表示）在人类活动直接干预下，绿色植物通过光合作用，将太阳能转化为化学能、将无机物转化为有机物的能力。这里的实际生产能力主要偏重于考虑土地利用的自然特征，并假定在一般投入和管理水平下的土地生产能力。以此假定为基础，土地实际产出量的相对变化的比较（称为比较估算法），可用于间接反映土地实际生产能力的变化，是鉴别土地自然生产能力的一种简便可行的方法。

（2）土地利用系统的数量与结构特征

一个地区土地资源的总量是直接决定该地区土地生产能力的关键性指标之一。土地资源面积总量大，则地域产出水平高。人类活动对土地利用系统的直接干预，其基本特征就是导致土地利用类型的转移，造成大量农业用地向非农业用地的转移；同时也存在着农用地内部的类型变化。因此，农用地的资源占有量可用于描述土地利用系统生产能力的关键性指标。其他指标还有农用地面积指数、耕地面积指数、播种面积指数、人均耕地占有率指数等（见图3-2）。具体关系可用下公式表示：

土地利用结构是指相互联系的若干土地利用类型有规律地组合而形成的空间格局。它通常反映某一个区域内各种土地利用类型在质和量上的对比关系，以及它们组合而成的一定格局或图式。土地利用结构的研究，在区域尺度上往往偏重于土地利用系统的结构与组成，而在小尺度上则更偏向于土地利用系统单个斑块的形状及其组合镶嵌结构。

土地利用数量结构的研究方法，一种是根据经验直观加以判断的定性分析法，该方法虽简单明了，但存在一定的主观性。另一种是定量化指标描述的定量分析法，如威弗-托马斯（Weaver-Tomas）组合系数法（张超等，1983）。这种方法是把土地利用的实际分布（实际相对面积百分比）与假设分布（假设相对面积百分比）相比较，然后通过计算逐步逼近实际分布，得到一个最接近实际分布的近似分布的组合类型。其步骤为：

①把各种土地利用类型按面积相对比例由大到小顺序排列。

②假设土地只分配给一种利用类型，这一种类型的假设分布即为100%，其他类型的假设分布为0。如果仅分配给前两种类型，那么这两种类型的假设分布为50%，其他类型的假设分布为0。

③计算和比较每一种假设分布与实际分布之差的平方和（组合系数）。

④选择假设分布与实际分布之差的平方和最小的假设分布组合类型（最小组合系数所对应的组合类型），这种组合类型即为该区域土地利用组合类型。

（3）土地实际生产能力的比较估算法

如前所述，土地实际生产能力比较估算法是在农业生产的管理水平、投入状况、地区水热条件差异不大的假设基础上，通过研究区一定时期农产品单位产量与参照区（研究背景区域）农产品单位产量之比，来间接表示该区相对生产能力的高低的方法。将该比值称为土地实际生产能力指数，用如下公式表示：

式中　LB——土地实际生产能力指数；

　　　P——农产品产量；

　　　A——农产品播种面积；

　　　i——农产品种类；

　　　j——研究区域。

当LB＞1时，说明该区域土地生产能力高于背景区的平均水平；当LB＜1时，则该区域土地生产能力低于背景区域平均水平。通过ΔLB的变化还可监测土地相对生产能力的变化。

在实际研究工作中，土地实际生产能力比较估算法简便可行，避免了由于土壤质量与土地结构类型的区域对比资料的欠缺的困难。

3.3　土地经济子系统几何特征

3.3.1　概述

按照经济学原理，在土地自然供给范围内，某用途的土地随其收益的增加而增加的现象称土地的经济供给。在经济利益的驱动下，土地用途会不断向高收益的用途转移。例如，在市场经济体制下，城市和工业用地的经济收益显然高于农业、林业、牧业、自然保护等，所以农业用地向城市或工业土地转移是一种必然趋势，尤其在从农业社会向工业社会过渡的经济高速发展时期，这种趋势更是不可避免。因此，在土地利用变化研究中，需要正确、合理地评价土地利用用途转移所导致的经济效益变化，以及这种变化引起的土地利用的变化及其机理。

土地利用系统的经济子系统的研究主要包括两个方面：其一是通过土地利用系统物质生产过程及生产的产品产量与产值来分析，即从土地利用系统自然生产能力的角度对土地利用系统的质量状况进行分析与评价，所采用的指标主要是产量和产值方面的指标；其二是从土地利用系统生态可持续利用的角度出发，从经济子系统运行状况的角度来考察土地利用系统的质量优劣，这种方法主要偏重于土地利用系统中物化劳动投入效益的分析，主要采用GDP指数来进行系统的经济效益核算。

总之，土地利用经济子系统的几何学分析，是以土地的经济生产率及其一系列指标作为基本的衡量尺度。此外，还包括区域经济发展和区域经济差异及其相应分析指标。由它们共同组成土地利用经济子系统的分析指标体系，用于进行一个区域的土地利用经济子系统的综合评价（见图3-3）。

图3-3　土地利用经济子系统的分析指标体系

3.3.2　土地利用系统的经济效益分析

（1）GDP指数分析

GDP是衡量一个地区经济发展的重要指标之一。同时，各类土地利用的经济产出在地区总的GDP中占有一定的份额。因此，我们可以通过计算土地利用所占GDP的份额来衡量土地利用系统的经济数量水平的高低。计算公式为：

式中　Lijout——j地区第i类土地的经济效益；

　　　Gi——j地区第i类土地利用类型的GDP贡献量；

　　　Ai——j地区第i类土地利用类型的总面积；

　　　Ljout——j地区各类土地的总GDP贡献量。

通过ΔLijout的比较，可查明不同土地利用类型使用方式的经济效益差别，也可进行不同土地利用方式的经济效益的比较。

（2）效益综合评价

经济投入/产出分析可用于评价一个地区土地利用的综合效益。在评价中通常可采用劳动力人均产出指数、人均果品产出指数、人均水产品产出指数、单位土地面积收入指数、单位农地面积收入指数和单位播面粮食产出指数等指标（韩锦春，1998）。

此外，在土地利用数量综合评价中还要用到一些相关指数，例如人口密集度指数、人均耕地指数、机耕率指数、复种指数比率、单位农地面积使用动力指数和单位土地费用投入指数等。

3.3.3　土地利用系统的经济贡献率——生产函数方程

在计量经济学中，柯布-道格拉斯（Cobb-Douglas）生产函数方程是最常用的计量方法之一，它也可用于测量土地利用系统的经济贡献率。柯布-道格拉斯生产函数方程在20世纪20年代末由美国经济学家P.H.Douglas和美国数学家C.W.Cobb共同提出（李子奈等，2000）。它假设在规模报酬不变的条件下，该方程可以反映生产中的内涵效率及其对经济增长的作用。例如，在土地利用研究中该方程计算土地利用系统对经济发展的贡献程度，即可以通过生产函数方程来估算土地资源投入量在总产出中所占的比重。计算公式如下：

式中　Y——农业总产出，用农业总产值表示；

　　　a——常数项；

　　　A——土地投入量，用农业实际利用土地面积表示；

　　　B——劳动投入量，用从事生产的劳动力数量表示；

　　　C——资本投入量，用农业物质消耗减去固定资产折旧表示；

　　　α，β，γ——分别为土地、劳动投入量和资本投入量等要素的生产弹性系数，且满足α+β+γ=1，即规模报酬不变的假设；并且，a、α、β、γ等系数可由线性回归方法确定。其中的生产弹性系数是指在一定技术条件下，某一要素投入量相对变化1%时（假设其他要素投入量固定不变），产出的变化幅度，可用来计算产出增长量中的要素贡献份额。

同时，也可用研究期的生产贡献份额进行比较，即：

式中 t——研究期的起始年份。

对式（3-12）两边取对数可得：

变量的增长率，因此，可定义来表示变量ΔY的改变量。

3.3.4　区域经济差异程度分析

区域经济差异可从如下三个方面开展研究。

（1）区域差异指数——位置商

位置商是描述区域差异的有效方法。在国内外现有文献中已经提出了几种位置指数（Cameron et al.，2002；Andaluz et al.，2002），其中引用较广、且也为本文引用的位置商指数（LQ）是描述一个地区某行业经济与区域基准区相同行业经济相对集中程度的方法。可用如下公式表示：

式中　Eij——j地区i行业的经济产值或从业劳动力数值；

　　　Ej——j地区总的经济产值或从业的劳动力数值；

　　　Eir——区域基准区r中i行业的经济产值或从业劳动力数值；

　　　Er——区域基准区r中总的经济产值或从业总劳动力数值。

　　　LQ主要反映研究区i行业的空间差异情况，当LQ接近于1时，说明区域行业的分布均匀，差异性不大；当LQ远大于1时，说明研究区i行业在j地区的分布大于全区的平均分布；当LQ远小于1时，说明研究区j地区的i行业明显弱于全区i行业的发展。因此，用位置商LQ指数可以全面分析研究区的行业分布的集中程度以及研究子区域行业产值较全区域相同行业产值的相对变化。

（2）集中性分析——集中化指数

区域经济集中化指数，可用于对一些大的地理区域与包含在这些大区域中的一些小区域（如城镇、农村或子行政区域）进行比较，计算公式如下（张超等，1983）：

式中　Ii——i区域集中化指数；

　　　Ai——i区域的累积频率总和；

　　　M——假定100%都集中在某一类部门时的最大频率总和；

　　　R——全区域（或高一层次区域）全部类型累积频率总和。集中化指数越　　　大，则集中化程度越高。

（3）分异性比较——空间罗伦兹（Lorenz）曲线

罗伦兹于20世纪20年代提出工业集中化的研究方法，用频率累积曲线——罗伦兹来刻画空间单元的分布状况，该法也可用于对两个空间单元的分布作对比，是研究离散区域分布的重要方法（张超等，1991）。用累积频率曲线到对角线的离差就是两种分布的差异性的测度。

3.4　土地社会子系统的几何特征

3.4.1　概述

土地利用伴随着人类社会的发展而逐步显现出其社会属性。首先，土地资源的稀缺性导致人类对土地资源的占有欲；其次，土地资源的地域性与位置的固定性，进一步加强了人类对土地资源的竞争与占有，造成土地用途转移与替换；第三，土地是人类生存的载体，土地资源的自然生产是维持人类生存、社会稳定的基础。由此可以认为，土地利用系统的社会属性具体表现为土地资源的权属关系、土地利用管理模式、为人类生存安全提供食物的保障程度以及土地利用系统对社会稳定的支撑作用等方面（见图3-4）。下面就主要从土地资源引发的社会稳定与资源安全保证度等相关问题进行分析。

图3-4　土地利用社会子系统构成与解析方法

3.4.2　土地利用系统的社会权属关系与管理模式

土地利用系统的权属关系是土地生产活动社会化的产物。进入现代社会以来，人类对自然系统的干预已遍及世界每一个角落。土地利用是人类最基本的经济活动，人类在土地利用生产活动中不断注入劳动成果。正如马克思所说，劳动力和土地是形成财富的两个原始要素，是一切财富的源泉（严金明，2001）。土地的稀缺性使土地所有权的垄断和地租的形成成为可能。人类在长期土地利用改良与社会物化劳动投入中，为土地权属关系的形成奠定了基础。目前，我国土地利用权属存在着城市土地利用系统的国家所有和农村土地的集体所有的二级所有体制；在土地利用生产活动中，存在着国家—省（市）—地方、集体（农户）三级监控体系（见图3-5）。土地利用系统不同管理层次与土地使用者，往往表现出不同的利益选择与价值观念，决定着不同的行为与抉择模式，从而直接影响着土地利用变化的方式与变化速度等。

①宏观层次管理体系（国家层面），主要考虑国家的整体利益，通过国家政策来把握地区社会经济发展方向，协调地区间的利益，缩小区域不均衡的差异，维持区域社会经济环境的可持续发展。

②在中观层次管理体系中，管理者首先是贯彻与落实国家宏观方针与政策，在此前提下最大限度地发展地方经济，提高地区的综合竞争力与辐射范围。因此，以省（市）政府为代表的中观管理层在土地利用变化过程管理中起着承上启下的作用。

图3-5　土地利用权属三级管理体制

③在微观层次管理体系中，土地利用经营者主要考虑土地经营利益最大化原则，把土地利用与相关行业利用进行综合比较来决定土地利用的方式与开发强度。因此，微观层次土地利用经营者往往更注重经济利益，偏重于效益最大化的短期经济选择，从而也最容易出现与宏观政策价值的偏差。

3.4.3　社会稳定与资源安全保障度分析

从社会稳定方面来看，安全通常是指人类处于一种不受威胁、没有危险的安全状态，土地利用系统是人类生产、生活的不可缺少的基础，因此，它在促进社会稳定中起着十分重要的作用。但是，土地的稀缺性常导致土地利用中的竞争，尤其是工业化、城市化的快速发展，使得农业用地不断向非农业用地转移。而耕地减少将引起粮食生产能力的降低，直接影响人类的食物安全问题。此外，不合理的土地利用方式又将导致区域生态环境质量的恶化。因此，粮食安全、食物安全等问题是人们越来越关注的问题。与此密切相关的一个问题，就是与土地利用有关的土地、粮食等安全保障问题。

从本质上说，土地自然生产能力的降低是耕地安全及其引发的粮食安全问题的根源所在。从地区社会稳定角度而言，必须保持一定的耕地拥有量，才能维持足够的粮食生产水平。区域耕地拥有量一般可采用耕地安全保障度指数进行衡量。

式中　GA——耕地安全指数；

　　　GM——耕地面积数量；

　　　R——人口数量；

　　　i——研究地区。

当GAi＞ 1时，表示研究子区的耕地处于富余状态，耕地拥有量大于区域背景上的耕地拥有量；当GAi＜1时，表示研究子区的耕地处于警戒状态，说明研究子区耕地拥有量低于区域背景值。

同理，我们可选择粮食安全保证度指数来反映区域粮食安全状况与粮食安全保障水平。

式中　LA——粮食安全指数；

　　　LS——粮食产量；

　　　R——人口数量；

　　　i——研究地区。

当LAi＞ 1时，表示研究子区的粮食处于富余状态，粮食拥有量大于区域背景上的粮食拥有量；当LAi＜1时，表示研究子区的粮食处于警戒状态，说明研究子区粮食拥有量低于区域背景值。

此外，还可采用粮食自给率是指粮食总产量占总消费量的百分比来表示一个地区的粮食安全水平。

3.5　土地利用生态子系统的几何学特征

3.5.1　概述

现代土地利用变化研究则更强调人类活动所产生的影响，即更加关注土地利用活动的累积效应。土地利用系统的主体是人类的生产活动，在人类从事土地利用等生产活动中，土地既是资源，又是生产活动的环境，支撑系统的功能运转。由此可见，土地利用生态子系统的服务功能是指生态系统与生态过程所形成与维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用，其特征以土地利用系统的生态服务价值为准。土地利用生态子系统分析的基本目标是衡量土地利用系统在人类活动的干预下，生态服务价值与服务功能的状况及变化水平，是对系统生态服务水平的综合评价。因此，土地利用生态子系统研究的首要任务是开展生态功能状况的分析与评价，下面对此进行详细论述。

3.5.2　土地利用系统的生态功能分析

土地利用系统的生态功能分析和测度，迄今仍属未很好解决的难题。目前主要有三种做法：一是以物质流作为测度单位的经济系统的物质流核算体系（MFA）方法；二是以货币作为测度单位的环境经济系统的综合核算体系（SEEA）方法（杨友孝等，2000）；三是以能量作为测度单位的环境经济系统的能量核算体系（EBA）（见图3-6）。土地利用系统实际上是人类控制的半自然生态系统，它受自然条件制约，又受经济规律支配，情况相当复杂。因此，对现有的生态功能分析方法在土地利用变化的效益评价中的应用有必要进行讨论。

图3-6　土地利用变化生态经济解析框架

传统的生态学方法不能评价农业生态经济系统的价值流，而经济学方法也不能评估土地利用系统的生态服务功能及真实价值。有鉴于此，Odum等提出了一种新的思维方式（Odum，1988；Yan et al.，2001），即能值分析方法。能值分析方法作为一种重要的生态价值测度理论和生态经济评价方法，在生态学中已有较广泛的应用，对于用于市场估测方法难以估价的自然资源评价，不失为一种有效途径。例如，蓝盛芳等（2002）以能值为基准，将农业生态经济系统中各种不可相加或相比较的能量（物质）转换成统一的能值加以比较和分析，通过能值/货币比率将能流与价值流有机地联系起来，由此计算出一系列反映生态与经济的能值指标，从而组成了对系统的评价。目前，国内已有部分学者对中国农业生态经济系统（李双成等，2001；严茂超等，2001；李双成等，2002）、广东省种植业系统（苏国麟等，1999；刘新茂等，1999）、海南省农业生态系统（张耀辉等，1999）、西藏自治区生态经济系统（严茂超等，1998）等进行了能值分析，并已取得初步的研究成果。因此，在本书中笔者也将尝试运用能值分析方法来评价研究区土地利用系统的生态功能。

3.6　土地利用系统几何学综合信息的层次构架

前面已分别对土地利用系统的四个子系统（即自然子系统、经济子系统、社会子系统和生态子系统）的含义和研究方法进行了简要论述。这四个子系统都有各自的结构要素组成，而每一个结构要素又包含若干标度因子。正是这些子系统结构要素和标度因子在一起构成了土地利用系统的综合信息特征，为我们进行土地利用系统的几何学分析提供了一个概念框架（见图3-7）。在此基础上，我们就可以利用层次分析法（AHP）进行分析，即在几何学特征分析的基础上，利用层次分析法，并结合专家知识系统确定系统各因素因子影响权重，计算出土地利用系统几何学数量化特征值（Q）。计算公式为：

式中　Wij——影响因素因子的权重（用相对重要性排序来进行赋值）；

　　　Xij——经标准化处理的因素因子数值。

图3-7　土地利用系统综合信息层次框架

应指出的是，因素因子数值由于受到量值及量纲的影响，需进行标准化处理。此外，对于社会发展、政策体制等指标，在难于加以数量化表示时，可采用分区段赋值的定性分析解决。

3.7　本章小结

区域土地利用系统几何学分析是解析分析方法的重要组成部分之一。本章论述了土地利用系统几何学分析的概念、原则及方法，采取分解与综合的研究思路对土地利用系统几何学进行综合分析。

第一，土地利用系统从结构组成出发，可分解为自然子系统、经济子系统、社会子系统、生态子系统四个子系统，本书提出通过一套科学而合理的指标体系与参数模型，来对土地利用系统的各子系统结构的几何组成、系统诸要素的分布状况（格局）与系统诸要素（几何参数）进行定量化描述；以求全面掌握土地利用系统各子系统的整体综合特征。

第二，各子系统的几何学分析具体表现为：自然子系统力求阐明土地的生产能力，可通过潜在生产能力与实际生产能力两种方法进行分析；经济子系统重点分析土地利用系统的综合经济效益与地区间差异；社会子系统分析包括社会稳定与资源安全保障程度的分析与评价方法；生态子系统力求对生态功能的运转状况进行评价。

第三，在各子系统解析的基础上，通过层次分析方法，从自然子系统、经济子系统、社会子系统、生态子系统建立多层次的综合指标，揭示土地利用系统的综合特征。