以提高生態(tài)系統(tǒng)服務為導向的土地利用優(yōu)化研究
——以蘭州市為例

郭小燕, 劉學錄, 王聯(lián)國

1 甘肅農(nóng)業(yè)大學, 資源環(huán)境學院, 蘭州 730070 2 甘肅農(nóng)業(yè)大學,信息科學技術學院, 蘭州 730070 3 甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)信息技術研究中心, 蘭州 730070 4甘肅農(nóng)業(yè)大學土地利用研究所, 蘭州 730070

以提高生態(tài)系統(tǒng)服務為導向的土地利用優(yōu)化研究
——以蘭州市為例

郭小燕1,2,3,4, 劉學錄1,4,*, 王聯(lián)國1

1 甘肅農(nóng)業(yè)大學, 資源環(huán)境學院, 蘭州 730070 2 甘肅農(nóng)業(yè)大學,信息科學技術學院, 蘭州 730070 3 甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)信息技術研究中心, 蘭州 730070 4甘肅農(nóng)業(yè)大學土地利用研究所, 蘭州 730070

分析從1997年到2009年蘭州市土地利用類型變化,對其生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行核算,結果表明,蘭州市生態(tài)系統(tǒng)服務功能主要表現(xiàn)為土壤形成與保護、維持生物多樣性,氣候調(diào)節(jié)等,但土壤形成與保護功能和水文調(diào)節(jié)功能從1997年開始一直呈下降趨勢,由于盲目擴展建設用地而占用生態(tài)用地的現(xiàn)象使蘭州市生態(tài)用地面積不斷減少,從而造成生態(tài)惡化。以生態(tài)系統(tǒng)服務價值作為適應度函數(shù),利用改進的混合蛙跳算法建立土地優(yōu)化模型,得到生態(tài)型、發(fā)展型、綜合效益型三種優(yōu)化方案,優(yōu)化后蘭州市生態(tài)系統(tǒng)服務價值可達到58.89億元。優(yōu)化方案為提高蘭州市生態(tài)系統(tǒng)服務價值提出以下建議：(1)保證退耕還林、還草的力度,加強南北兩山綠化改造。(2)保證耕地、牧草地、園地面積,盡量控制建設用地的擴張。(3)建設用地所占用耕地面積,必須進行補償,其中開發(fā)宜耕未利用地、挖掘土地利用潛力為較好的解決辦法。

生態(tài)系統(tǒng)服務；土地利用優(yōu)化；混合蛙跳算法

合理的土地利用格局將優(yōu)化區(qū)域資源配置,除了從景觀生態(tài)學的角度以土地資源自然質(zhì)量指數(shù)、土地資源綜合適宜度、生態(tài)敏感性等方面進行整體優(yōu)化[1- 5]外,建立土地利用優(yōu)化模型進行土地利用格局優(yōu)化已引起了廣泛關注[6- 7]。土地利用優(yōu)化問題是一個復雜的多目標優(yōu)化問題,除用傳統(tǒng)的線性規(guī)劃[8- 12]、目標規(guī)劃[13]建立模型外,將遺傳算法[14-16]、模擬退火算法[17-18]、微粒群算法[19]、蟻群算法[20]等智能優(yōu)化算法引入到土地優(yōu)化問題已成為一個研究熱點[21-23]。在智能優(yōu)化算法中,混合蛙跳算法[24]作為一種新型的仿生優(yōu)化算法,結合了Memetic算法(Memetic Algorithm,MA)和粒子群優(yōu)化算法(Paticle Swmarm Optimization,PSO)兩者的優(yōu)點[25],具有更快的計算速度,更強的全局尋優(yōu)能力,現(xiàn)階段尚未有將混合蛙跳算法用于土地利用優(yōu)化的文獻。生態(tài)系統(tǒng)服務價值是人類從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的惠益,它不僅為人類生存提供各種原料和產(chǎn)品,而且在大尺度上具有調(diào)節(jié)氣候、凈化污染、減輕災害、保護生物多樣性等功能,生態(tài)系統(tǒng)服務價值和土地利用格局有著密切關系[26-28],已被應用于許多土地利用格局的評價中[29-31]。本文利用改進的混合蛙跳算法建立土地優(yōu)化模型,將生態(tài)系統(tǒng)服務價值作為適應度函數(shù),以蘭州市近20年的土地利用變化規(guī)律為切入點,以提高生態(tài)系統(tǒng)服務價值為導向,研究蘭州市土地利用優(yōu)化配置方案,旨在為該地區(qū)的土地利用與管理提供依據(jù)。方案的提出,對于在現(xiàn)有政策、經(jīng)濟條件下,改善城市生態(tài)壓力,實現(xiàn)資源的優(yōu)質(zhì)可持續(xù)發(fā)展有積極作用,其研究方法為其它城市的土地資源優(yōu)化配置提供借鑒,并為探索將智能優(yōu)化算法與區(qū)域土地優(yōu)化配置的交叉與融合技術提供新途徑。

1 數(shù)據(jù)與處理

1.1 研究區(qū)概況

蘭州市地處黃河上游,甘肅省中部,位于東經(jīng)102°36′—104°34′,北緯35°34′—37°07′,平均海拔1500m,屬黃土丘陵溝壑區(qū),溫帶半干旱大陸性季風氣候,溫差大,降水少。是西隴海蘭新線經(jīng)濟帶的重要支撐點,黃河上游經(jīng)濟的核心,蘭州東北部毗鄰白銀市,東部和南部與定西市和臨夏回族自治州相連,西部與青海省接壤,西北部與武威市相鄰,蘭州市現(xiàn)轄城關區(qū)、七里河區(qū)、西固區(qū)、安寧區(qū)、紅古區(qū)五區(qū),和永登縣、皋蘭縣、榆中縣三縣,包括34個鎮(zhèn)27個鄉(xiāng)。蘭州市土地總面積為131.19萬hm2,不同土地類型所占面積比重從大到小依次為：牧草地、耕地、林地、未利用地、建設用地、園地、水域。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

研究數(shù)據(jù)主要來源于蘭州市歷年統(tǒng)計年鑒、蘭州市國民經(jīng)濟“十二五”規(guī)劃,蘭州市土地整治規(guī)劃等。參照第二次全國土地調(diào)查所制定的《土地利用現(xiàn)狀分類國家標準》,《蘭州市土地總體規(guī)劃2011—2020》,蘭州市土地利用特點,參考文獻[32- 33]中土地利用分類方案,將蘭州市土地利用類型劃分為耕地、園地、林地、牧草地、建設用地、水域、未利用地七種類型。計算蘭州市從1997年到2009年各種地類變化。

(1)

(2)

式中,Ai,Aj分別表示第i年和第j年單一土地類型面積,C表示土地變化率,D表示從ni年到第nj年土地動態(tài)變化率,蘭州市從1997到2009年各類土地變化率如表1所示。

表1 蘭州市1997—2009年各類土地變化率

1997—2009年,蘭州市土地利用結構發(fā)生了很大變化,林地、建設用地比例上升,牧草地、耕地持續(xù)減少,從面積數(shù)量上看,建設用地面積增加76703hm2,林地增加39384hm2,牧草地減少41280hm2,水域減少983hm2。2005—2009年中,建設用地增長幅度為47.67%,動態(tài)增長率為11.92%,在各類土地利用類型中變化最為顯著。林地得到了穩(wěn)步發(fā)展,蘭州市城區(qū)南北兩山綠化發(fā)展到了7600hm2。2001—2005年,增長幅度最大,為26.97%。牧草地面積相應減少,其中邊緣牧草地向林地、荒草地等轉換,主要轉換為荒地,這也成為導致蘭州市未利用地面積增加的主要原因。園地在1997—2005年間有穩(wěn)步增加,在2005年后有減少趨勢。耕地面積在1997—2005年間持續(xù)減少,2001—2005年間減少較為明顯,這主要是由建設用地占用耕地面積,以及農(nóng)業(yè)結構調(diào)整引起,隨著耕地和基本農(nóng)田保護政策的展開,在2005—2009年間耕地面積有所上升,但總體仍呈下降趨勢。在1997—2009年隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,建設用地的需求量不斷增大,由于蘭州市建設用地內(nèi)涵潛力挖掘不足,土地低效粗放利用現(xiàn)象依然存在,盲目擴展建設用地而占用生態(tài)用地的現(xiàn)象使得蘭州市生態(tài)用地的面積逐漸減少,導致生態(tài)脆弱,誘發(fā)自然災害。表2表明1997年至2009年生態(tài)用地與建設用地所占比例,圖1、圖2表明從1997年至2009年生態(tài)用地與建設用地變化情況。生態(tài)用地的界定參照文獻[34- 36],本文選擇為牧草地,耕地、林地、園地、水域。

表2 1997年至2009年蘭州市生態(tài)用地與建設用地所占比例

圖1 蘭州市生態(tài)用地變化(1997—2009)Fig.1 Ecological land use change of Lanzhou City(1997—2009)

圖2 蘭州市建設用地變化(1997—2009)Fig.2 Built land use change of Lanzhou City(1997—2009)

1.3 蘭州市1997—2009年生態(tài)系統(tǒng)服務演變

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)所提供的服務類型,即供給服務(食物生產(chǎn),原材料生產(chǎn)),調(diào)節(jié)服務(氣體調(diào)節(jié),氣候調(diào)節(jié),水文調(diào)節(jié),廢物處理),支持服務(保持土壤,維持生物多樣性),文化服務(景觀愉悅),計算特定土地利用格局下的生態(tài)系統(tǒng)服務價值。

(3)

(4)

(5)

式中, Ak為第K種土地類型的面積,VCkf為第K種土地類型,第f項功能單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務價值,ESVk,ESVf,ESV分別為第K種土地類型,第f項功能,總的生態(tài)系統(tǒng)服價值。

謝高地在對200位生態(tài)學者進行問卷調(diào)查的基礎上,制定了中國生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子表[35],參照這一研究成果,以及后來一些學者在此基礎上所做的進一步研究[37-40],以蘭州市1997—2009年平均糧食產(chǎn)量2537.46kg/hm2為基準,根據(jù)沒有人力投入的自然生態(tài)系統(tǒng)提供的經(jīng)濟價值和現(xiàn)有單位面積農(nóng)田提供的食物生產(chǎn)服務經(jīng)濟價值的關系[39],以及謝高地對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物量的修正(甘肅省修正因子為0.42[41]),得出蘭州市單位面積農(nóng)田每年自然糧食產(chǎn)量為362.49元hm-2a-1,制定蘭州市土地利用服務價值當量因子表(表3)。

表3 蘭州市單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值

表4 蘭州市生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化(1997—2009)

ESV：單一土地類型所提供的生態(tài)系統(tǒng)服務價值,A%：單一土地類型面積占總面積的比例,V%：單一土地類型所提供生態(tài)系統(tǒng)服務價值占總生態(tài)系統(tǒng)服務價值比例

圖3 1997年到2009年蘭州市生態(tài)系統(tǒng)服務價值Fig.3 The value of ecosystem service(1997—2009)

由圖3中可知,1997—2002年間,蘭州市生態(tài)系統(tǒng)服務價值一直呈減少趨勢,2002年為最低,其主要原因為牧草地急劇減少,和1997年相比,牧草地面積減少了26348.4hm2。從2002年以后,由于林地的補充,生態(tài)系統(tǒng)服務價值開始有所上升,到2005年為最高。但由于建設面積的增加所帶來的生態(tài)系統(tǒng)負價值,蘭州市的生態(tài)系統(tǒng)服務價值在2009年又有所下降。利用式(3),(4),(5)及表3中蘭州市單位面積所提供的生態(tài)系統(tǒng)服務價值,計算蘭州市各種地類生態(tài)系統(tǒng)的服務價值及變化,結果如表4所示。從各種地類生態(tài)系統(tǒng)服務價值的比例構成來看,牧草地占總價值的50%以上,可見牧草地對本區(qū)域的生態(tài)有著非常重要的作用,但這種地類在2005年以后迅速減少。從1997年至2009年,林地面積的有較大提升,由于其單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值較大,對總生態(tài)系統(tǒng)服務價值的貢獻較為明顯。耕地面積穩(wěn)中有降,2005年面積降至最低,由于開展對建設面積占用耕地的補給政策,2009年耕地面積又有所提升,由于耕地面積基數(shù)較大,使其成為次于牧草地,對總生態(tài)系統(tǒng)服務價值貢獻較大的地類。園地的面積波動較大,但由于其單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務的價值較小,所以對該地區(qū)的總價值影響不大。水域在氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié),廢物處理等方面有較大的作用,但由于其所占面積比例較小,對總體生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化的影響不是非常明顯。

從表5中所示的生態(tài)系統(tǒng)各單項服務功能的價值量看,蘭州生態(tài)系統(tǒng)服務功能主要表現(xiàn)為土壤形成與保護,維持生物多樣性、氣候調(diào)節(jié)等,但土壤形成與保護功能從1997年開始一直呈下降趨勢,水文調(diào)節(jié)功能也相應減少,在維持生物多樣性方面,從1997年到2005年一直呈上升趨勢,氣體調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)都在穩(wěn)步增升,這與近年來注重生態(tài)有一定關系,但總體生態(tài)系統(tǒng)功能呈下降趨勢。

表5 蘭州市各項生態(tài)服務功能價值變化(1997—2009)

ESV：單一地類型所提供的生態(tài)系統(tǒng)服務價值,F%：每一種生態(tài)系統(tǒng)服務功能占總生態(tài)系統(tǒng)服務的比例

2 基于混合蛙跳算法的土地利用優(yōu)化模型

2.1 優(yōu)化思想

在利用混合蛙跳算法進行土地空間優(yōu)化時,核心思想是利用青蛙的空間分布模擬土地利用格局,解空間中的每一只青蛙代表一種土地優(yōu)化方案。假設青蛙X=(x1,x2,…,x7),其中(x1,x2,…,x7)對應7種土地利用類型：耕地、園地、林地、牧草地、建設用地、水域、未利用地的面積,搜索最佳青蛙的過程即為尋找最優(yōu)土地配置方案的過程。

2.2 混合蛙跳算法優(yōu)化步驟

(1)初始種群中的P只青蛙代表P種可能的優(yōu)化方案,將種群中的青蛙按適應度值降序排列,然后將整個蛙群分成m個模因組,每個模因包含n只青蛙,并滿足關系P=mn。

(2)對于每一個模因組的第t次搜索,確定具有最好適應度值的青蛙為Xb(t),最差適應度值的蛙為Xw(t),整個群體中具有最好適應度值的蛙為Xg(t),對每個模因組進行局部搜索,即對模因組中的Xw(t)進行循環(huán)更新操作,更新方式為：

Δw(t)=rand()(xb(t)-xx(t))

(6)

Xw(t+1)=Xw(t)Δw(t), Rmin≤Δw(t)≤Rmax

(7)

式中,Δw=(w1,w2,…,w7) 為模因組中最差青蛙向組內(nèi)最好青蛙移動的距離,代表7種土地類型的面積改變向量,Rmin,Rmax也為7維向量,限定了青蛙可以移動的范圍。

(3)若新得到青蛙Xw(t+1)優(yōu)于原來的組內(nèi)最差青蛙Xw(t),即Xw(t+1)的適應度值更小,則用Xw(t+1)代替Xw(t),如果沒有改進,則用全局最好青蛙Xg(t)代替Xw(t)。

(4)如果新得到青蛙仍然沒有改進,則隨機產(chǎn)生1個新的滿足約束的青蛙代替原來的Xw(t)。

(5)重復執(zhí)行步驟(2)—(4),直到達到設定的局部迭代次數(shù)。

(6)當所有模因組的局部搜索完成后,將所有模因組內(nèi)的青蛙重新混合并、排序并重新劃分模因組,然后再進行局部搜索,如此反復直到滿足終止條件。

2.3 優(yōu)化模型

2.3.1 適應度函數(shù)

青蛙的適應度值函數(shù)G(x)對應于土地優(yōu)化問題的目標函數(shù),在本文中定義為生態(tài)系統(tǒng)服務價值。土地優(yōu)化的目的,是尋找最好的青蛙Xb,使其適應度函數(shù)值G(Xb)最小,即獲得生態(tài)系統(tǒng)服務價值最高的土地利用優(yōu)化方案,使得：

G(Xb)=min(-g(x))

(8)

(9)

式中,xk,k∈(1,2,…,7)分別代表耕地、園地、林地、牧草地、建設用地、水域、未利用地的面積,VCkf為第f項功能,第k種土地類單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務功能,具體取值參見表3,f∈(1,2,…,9)分別代表食物生產(chǎn)、原材料生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)、廢物處理、保持土壤、維持生物多樣性九種生態(tài)系統(tǒng)服務功能。

2.3.2 初始值

青蛙的初始值決定解空間搜索的起點,從某種程度影響著優(yōu)化結果的質(zhì)量,在本研究中初始值取1997年蘭州市實際土地利用類型數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的一個鄰域,避免由于初始青蛙隨機取值所引起的盲目搜索,從而提高尋優(yōu)的速度。

2.3.3 歷史極值

更新每一個模因組中的最優(yōu)解Xb時,記憶局部歷史最優(yōu)解Xhb,更新優(yōu)解Xg時,記憶全局歷史最優(yōu)值Xhg,利用Xhb和Xhg,代替Xb,Xg進行局部更新和全局更新,防止迂回搜索。

2.3.4 鄰域分散搜索算子

利用鄰域分散搜索盡可能地擴大搜索范圍,增強局部搜索的能力,使整個種群更快地向最優(yōu)解移動。更新后青蛙個體XN=(x1,x2,…,x7),取隨機向量S,Rmin

Xs=XN+S

(10)

式中，Xs為X的一個鄰域,重復h次,產(chǎn)生h個鄰域解,在h個鄰域解中,挑選出適應度函數(shù)值最小的青蛙Xl為鄰域最優(yōu)解,來代替局部最優(yōu)解XN,當局部最優(yōu)解和全局最優(yōu)解均不能改善青蛙個體時,用隨機解代替以擴大搜索范圍,如圖4所示。

2.3.5 約束條件

從初始種群開始的可被搜索的一個區(qū)域代表優(yōu)化問題的解空間,由于土地利用優(yōu)化問題受到土地總面積、政策、經(jīng)濟等方面的限制,決定了從初始解開始優(yōu)化時,有一些區(qū)域作為約束區(qū)不能被搜索,如圖5所示。

圖4 鄰域分散搜索Fig.4 Neighborhood scatter search

圖5 混合蛙跳算法建立土地優(yōu)化模型解空間 Fig.5 The solution space land optimization model based on shuffled frog leaping algorithm

(1)總土地面積約束

研究區(qū)總的土地面積為1319231hm2,由于每種土地類型的面積不能取負值,各種土地類型面積應滿足以下約束：

(11)

(2)耕地面積約束

蘭州市土地利用開發(fā)策略為：通過開發(fā)宜耕未利用地,保持土地占補平衡,確保耕地面積穩(wěn)中有增。在2009年的基礎上,計劃耕地面積每年增長3%(895hm2),預計到2020年,耕地面積的模糊約束為：

289281<=x1<=299126

(12)

(3)園地約束

由于保持優(yōu)質(zhì)園地,以及提高園地質(zhì)量與產(chǎn)率,園地面積略有下降,預測降幅在5%左右。

9493≤x2≤10283

(13)

(4)林地約束

2009年,林地的覆蓋率為8.5%,到2020年蘭州市森林覆蓋率的目標是16%,同時考慮蘭州市宜林荒地面積、自然條件限制,確定林地模糊約束為：

106202.4≤x3≤249648.6

(14)

(5)牧草地約束

根據(jù)蘭州城鄉(xiāng)統(tǒng)籌布局和發(fā)展規(guī)劃,部分牧草地將逐漸轉換為城鄉(xiāng)建設用地和林地,預測2020 年牧草地面積約為529015hm2,模糊約束條件為：

529015≤x4≤682295

(15)

(6)水域約束

西北地區(qū)干旱近期很難緩解,預測水域面積近期基本穩(wěn)定,并有下降可能,控制水域面積凈減少在5%以內(nèi),確定其約束條件為：

7052≤x5≤8035

(16)

(7)建設用地約束[20]

農(nóng)用地和建設用地(包括城鄉(xiāng)建設用地和交通水利用地)承載的人口數(shù)應控制在2020預測人口之內(nèi),即：

(17)

式中,M1為2020年農(nóng)用地的平均人口密度,根據(jù)GM(1,1)模型,預測值為0.16/hm2;M2為2020年人均建設用地,根據(jù)2009年蘭州市城市規(guī)劃,預測值為180m2/人；P0為2020年預測人口,其范圍為450—500萬,因此,該約束條件為：

(18)

同時,由于經(jīng)濟發(fā)展與中國城市化建設的原因,以及蘭州新區(qū)開發(fā)建設的現(xiàn)狀,預測城鄉(xiāng)建設面積將增加25%—30%,得出x6≥76770。

(8)未利用地

根據(jù)蘭州市加大宜耕未利用地和宜建未利用地的開發(fā)政策,從耕地與建設用地的增長幅度,以及草地轉換為荒地的比例,預計從2009年開始到2020年未利用地將減少5%—8%,因此,未利用地的模糊約束為：

89638≤x7≤154299.25

(19)

3 優(yōu)化結果

本文實驗環(huán)境為PC機PIV- 2.8GHZCPU,1GRAM,Window7,VisualC++ 6.0。參數(shù)設置,每組青蛙個數(shù)n=50,群族數(shù)m=20,種群規(guī)模P=mn=1000,族群內(nèi)局部更新迭代次數(shù)為k=n,全局迭代次數(shù)t=1000,鄰域值h=10。當t=768時,模型開始收斂,t=950時,適應度函數(shù),即生態(tài)系統(tǒng)服務價值趨于穩(wěn)定。優(yōu)化結束時,生態(tài)系統(tǒng)服務價值收斂于58.89×108元,根據(jù)優(yōu)化結果中生態(tài)用地與建設用地面積所占研究區(qū)總面積的比例,可得到生態(tài)型、發(fā)展型、綜合效益型3種特征明顯的優(yōu)化方案,如表6所示。

表6 蘭州市土地利用優(yōu)化方案

Area：優(yōu)化后的面積；A%：面積比例；ESV：不同土地類型所對應的生態(tài)系統(tǒng)服務價值

3.1 生態(tài)型優(yōu)化方案

在生態(tài)型優(yōu)化方案中,生態(tài)用地的比例由2009年的80.01%上升到了85.31%,所提供的生態(tài)系統(tǒng)服務價值由原來的48.09×108元上升為59.62×108元。其中牧草地面積為619782hm2,牧草地單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值較大,因此對總生態(tài)系統(tǒng)服務價值的提升起到了較大作用,占總生態(tài)系統(tǒng)服務價值的42.66%。耕地面積為299092hm2,和2009年相比,上升了9811hm2,產(chǎn)生的生態(tài)系統(tǒng)服務價值占總生態(tài)系統(tǒng)服務價值的14.59%,林地為189533hm2,和2009年比,上升了83331hm2,提供的生態(tài)系統(tǒng)服務價值占總生態(tài)系統(tǒng)服務價值的40.19%。建設用地的比例由2009年的10.42%下降到了7.41%,共產(chǎn)生了-1.02×108元生態(tài)系統(tǒng)服務價值。建設用地的面積對生態(tài)系統(tǒng)服務價值造成的負影響由于林地、牧草地的增加得到了有效補償,未利用地的面積和1997年以來相比有所下降,這符合國家提出的開墾宜耕未利用地,提高蘭州土地利用生態(tài)效益的政策,生態(tài)型優(yōu)化方案為建立低碳環(huán)保的生態(tài)蘭州提供借鑒。

3.2 發(fā)展型優(yōu)化方案

發(fā)展型優(yōu)化方案中,建設用地的面積上升為129911hm2,占總面積的9.85%,產(chǎn)生了-2.06×108元生態(tài)系統(tǒng)服務價值。生態(tài)用地的面積為82.7%,和生態(tài)型優(yōu)化方案相比,下降了2.61%,林地的面積數(shù)量上升為201995hm2,和生態(tài)型優(yōu)化方案相比增加了6.5%,產(chǎn)生26.68×108元的生態(tài)系統(tǒng)服務價值,占總生態(tài)系統(tǒng)服務價值的45.3%,由于林地的增加,使建設面積擴張所產(chǎn)生的生態(tài)系統(tǒng)服務負價值得到了有補償。未利地的有效開發(fā),使其面積有大幅度減少,和2009年相比,減少了39%,和生態(tài)型優(yōu)化方案相比,減少1.86%。由于未利用地的有效利用,使建設用地面積的擴張并未占用其它地類的面積。發(fā)展型優(yōu)化方案符合《蘭州市土地總體規(guī)劃2011—2020》中所提出的開發(fā)宜林未利用地,重視南北兩山綠化,建設現(xiàn)代化生態(tài)蘭州的總體規(guī)劃。

3.3 綜合效益型優(yōu)化方案

綜合型優(yōu)化方案中,生態(tài)用地的面積占總面積的84.82%,介于生態(tài)型優(yōu)化方案與發(fā)展型優(yōu)化方案中間。建設用地面積占總面積的8.3%,低于發(fā)展型優(yōu)化方案1.55%,高于生態(tài)型優(yōu)化方案1.16%。和2009年相比,耕地面積增加了9811hm2,提供的生態(tài)系統(tǒng)服務價值增加了0.29×108元,牧草地面積為643660hm2,和2009年比增加了911hm2,提供27.6×108元的生態(tài)系統(tǒng)服務價值,為總生態(tài)系統(tǒng)服務價值的提高貢獻顯著。建設用地的面積增加109531hm2,產(chǎn)生了-1.34×108的生態(tài)系統(tǒng)服務價值,但由于牧草面積的補充,未對總生態(tài)系統(tǒng)服務價值造成的損失,相反較1997年提高了10.78×108元。綜合效益型優(yōu)化方案為注重城市生態(tài)背景下規(guī)劃城市建設,促進城市發(fā)展提供借簽。

圖6 3種優(yōu)化方案對比Fig.6 The comparison of three optimization schemes

3種優(yōu)化方案中,生態(tài)用地的面積比例較優(yōu)化前都有所提升,生態(tài)型優(yōu)化方案提升最為明顯,建設用地的面積比例都有所下降,生態(tài)型優(yōu)化方案下降最為明顯,發(fā)展型優(yōu)化方案建設用地比例和優(yōu)化前相比,略有下降,綜合效益型介于兩者之間,如圖6所示。

綜合3種優(yōu)化方案,同時考慮現(xiàn)階段中國社會經(jīng)濟的發(fā)展現(xiàn)狀,研究區(qū)城區(qū)規(guī)劃總體趨勢,以及蘭州新區(qū)建設的總體規(guī)劃,在今后的土地利用過程中,建設面積可呈適度上升趨勢,開發(fā)宜建未利用地可保證其它地類不受影響。在考慮社會因素,經(jīng)濟因素的約束下,林地、牧草地在數(shù)量的優(yōu)勢補充可以使土地利用生態(tài)系統(tǒng)服務價值有所提高,從而獲得較好的生態(tài)效益,由于研究區(qū)干旱少雨,三種優(yōu)化方案中,水域面積均很難擴大,因此從低碳化角度,應重點關注建設用地、林地、園地和牧草地的用地結構調(diào)整,保持退耕還林、還草的力度,尤其加強南北兩山綠化改造,增加林地面積規(guī)模,保障耕地、牧草地、園地面積,盡量控制建設用地的擴張速度,促進其他用地面積向林地、牧草地和園地轉換,為把蘭州建設成為生態(tài)平衡,低碳宜居的山水城市發(fā)揮重要作用。

4 結論

(1)林地,牧草地,對生態(tài)系統(tǒng)服務價值影響顯著,建設用地面積會造成生態(tài)系統(tǒng)服務負價值,因此,應該控制城鎮(zhèn)建設用地規(guī)模。為了社會經(jīng)濟發(fā)展所必須增加的建設用地所占用耕地面積,應該進行補償,其中開發(fā)宜耕未利用地,發(fā)掘土地利用潛力為較好的解決辦法。同時,應重視保護生態(tài)用地,合理規(guī)劃土地發(fā)展,加強和提高區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的服務功能,實現(xiàn)土地動態(tài)平衡。

(2)蘭州市屬典型的河谷型城市,受自然條件限制,決定了市域內(nèi)先河谷盆地、川地平原,后山地、丘陵的土地開發(fā)利用總體格局,城鎮(zhèn)交通用地的總量與快速擴展的城市發(fā)展趨勢矛盾十分尖銳,因此決定了其土地利用優(yōu)化模式為漸進式的優(yōu)化模式。蘭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不容樂觀,生態(tài)環(huán)境保護仍是一個長期而艱難的工作。人口因素(主要包括人口規(guī)模)、經(jīng)濟發(fā)展因素(主要包括經(jīng)濟總量和經(jīng)濟結構)和農(nóng)業(yè)技術因素都是影響土地利用的重要因素。

(3)利用各土地利用類型面積的生態(tài)系統(tǒng)服務價值量計算生態(tài)價值總量,不能完全涵括區(qū)域土地利用變化的綜合生態(tài)效應。在本研究中,通過混合蛙跳算法在考慮自然、社會、經(jīng)濟等情況約束的條件下,搜索出了蘭州市生態(tài)系統(tǒng)服務的較優(yōu)值,從各種地類面積數(shù)量優(yōu)化配置的角度提出了3種優(yōu)化方案,但并未探討土地利用類型之間合理的空間組合與分布,在后期研究中還需要結合實驗科學、地學和生物學等學科,進一步建立土地利用格局空間優(yōu)化配置方案,為生態(tài)補償、生態(tài)購買、土地政策制定提供依據(jù)。

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Land use optimization in order to improve ecosystem service: a case of Lanzhou City

GUO Xiaoyan1,2,3,4, LIU Xuelu1,4,*,WANG Lianguo1

1GansuAgricultureUniversity,SchoolofResourcesandEnviroment,Lanzhou730070,China2GansuAgricultureUniversity,SchoolofInformationandScienceTechnology,Lanzhou730070,China3GansuAgricultureUniversity,ResearchCenterofAgriculturalInformationTechnology,Lanzhou730070,China4GansuAgricultureUniversity,InstituteofLandUseResearch,Lanzhou730070,China

Change of land use type in Lanzhou City from 1997 to 2009 is analyzed, and the ecosystem service value is counted in this paper. The results show that ecosystem service of Lanzhou is mainly for soil formation and protection, maintaining biodiversity, climate regulation. But the function of soil formation and protection, and the function of hydrological adjustment, has been declining since 1997, and because of blind expansion of built land and occupation of ecological land, the area of ecological land is reducing gradually in Lanzhou, which cause the ecological deterioration. The improved shuffled frog leaping algorithm is used to establish land optimization model, and the value of ecosystem services is chosen as its fitness function. Three kinds of optimization schemes, which are ecological, development and comprehensive benefit, are produced by this model. The optimized ecological system service value of Lanzhou City can reach 58.89×108yuan.InordertoimprovethevalueofecologicalsystemserviceofLanzhouCity,thefollowingsuggestionsisproposed: (1)Thefarmlandshouldbetransformedtoforestandgrasslandreasonably,andthenorthsouthmountain′sgreentransformationshouldbestrengthened. (2)Thefarmland,grassland,gardenlandshouldbeprotected,andtheexpansionofthebuiltlandshouldbeundercontrol. (3)Thefarmlandoccupiedbybuildingshouldbecompensated,andthebettersolutionshouldbedevelopmentofunusedlandwhichisavailableandexploringthepotentialoflanduse.

ecosystem services; land use optimization;shuffled frog leaping algorithm

甘肅省自然科學基金資助項目(1308RJZA263)；甘肅農(nóng)業(yè)大學盛彤笙基金資助項目(GSAU-STS- 1323)

2015- 05- 07;

日期:2016- 04- 12

10.5846/stxb201505070942

*通訊作者Corresponding author.E-mail:liuxl@gsau.edu.cn

郭小燕, 劉學錄, 王聯(lián)國.以提高生態(tài)系統(tǒng)服務為導向的土地利用優(yōu)化研究——以蘭州市為例.生態(tài)學報,2016,36(24):7992- 8001.

Guo X Y, Liu X L,Wang L G.Land use optimization in order to improve ecosystem service: a case of Lanzhou City.Acta Ecologica Sinica,2016,36(24):7992- 8001.