基于生態(tài)安全的華池縣土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化

杜志鵬　焦云騰　薛會蓉　程文仕　劉學錄

摘要：文章采用PSR模型構(gòu)建華池縣土地生態(tài)安全評價指標體系，對2010～2015年土地生態(tài)安全狀態(tài)分析的基礎上，構(gòu)建線性規(guī)劃模型，以耕地、林地和草地等為控制變量，以生態(tài)效益最優(yōu)為目標函數(shù)，建立約束條件，進行土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化。研究顯示：耕地、園地、草地和其他土地面積應所有減少，林地和建設用地面積應有所增加。研究結(jié)果對于優(yōu)化華池縣土地利用結(jié)構(gòu)，促進生態(tài)文明建設具有重要意義。

關鍵詞：土地利用；土地生態(tài)安全；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；華池縣

隨著我國城市化進程加快，由于土地的不合理利用，土地資源面臨水土流失、土壤侵蝕等諸多生態(tài)安全問題。在生態(tài)安全的基礎上進行土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整對合理配置土地資源，實現(xiàn)土地可持續(xù)利用具有重要的理論實踐和指導意義。我國目前對土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究主要側(cè)重于概念、優(yōu)化方法和模型等方面。采用的模型方法主要有：土宜法、綜合法和層次分析法，線性規(guī)劃模型、多目標規(guī)劃模型等。另外，張晶通過灰色線性規(guī)劃決策分析，得出了咸陽市土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的三種方案；黎孔清構(gòu)建了低碳經(jīng)濟導向的區(qū)域土地利用評價指標體系，使用多目標線性規(guī)劃法提出了武漢市土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。本文以華池縣為例，利用PSR模型對土地生態(tài)安全進行評價，并采用線性規(guī)劃模型對華池縣的土地利用結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，為有效開展土地利用結(jié)構(gòu)中生態(tài)安全問題的解決提供參考。

一、研究區(qū)概況

華池縣位于慶陽市東北部，位于107°29′15″～108°33′29″E，36°08′27″～36°52′29″N，東、北部與陜西省志丹縣、吳起、定邊三縣接壤，南部與環(huán)縣、慶城縣相連，東南部與合水縣毗鄰，處于黃土高原腹地，地形以山地為主，山、川、塬兼有，梁峁林立，溝壑縱橫；地處溫帶半濕潤半干旱氣候過渡區(qū)，具有明顯的大陸性氣候特征，年降水量450～600mm；石油、煤炭、風能等資源豐富；下轄6鎮(zhèn)9鄉(xiāng)111個行政村，土地總面積為3791km2，總?cè)丝?3.55萬人。

二、數(shù)據(jù)來源

研究中采用的人口、社會經(jīng)濟水平、農(nóng)作物播種面積、產(chǎn)出水平及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平等社會經(jīng)濟指標數(shù)據(jù)來源于2010～2015年《慶陽發(fā)展年鑒》及《華池縣統(tǒng)計年鑒》；土地利用現(xiàn)狀面積數(shù)據(jù)來源于華池縣2010～2015年土地利用更新調(diào)查數(shù)據(jù)庫；規(guī)劃目標來源于《華池縣土地利用總體規(guī)劃（2010～2020年）》。

三、華池縣土地生態(tài)安全評價

壓力—狀態(tài)—響應模型（PSR模型）是由聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署和經(jīng)濟合作發(fā)展組織共同提出，用來評價人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響程度。

（一）指標體系構(gòu)建

本文基于PSR模型構(gòu)建指標體系，借鑒相關研究成果，遵循系統(tǒng)性、科學性原則，結(jié)合華池縣的實際情況，選取人口密度、森林覆蓋率等17個指標構(gòu)建土地生態(tài)安全評價指標體系（表1）。

（二）指標標準化和權(quán)重計算

采用極差法（徐建華2002）進行指標標準化處理后，運用層次分析法確定各指標的權(quán)重（表1）。

（三）評價模型

使用綜合評價方法構(gòu)造評價模型，評價模型為：

E=■WiP（xi）

式中：E為生態(tài)安全綜合指數(shù)；Wi為生態(tài)安全評價指標i的權(quán)重；P（xi）為各項生態(tài)安全指標的標準化值。

（四）生態(tài)安全等級劃分

對于生態(tài)安全等級劃分目前還未形成統(tǒng)一標準，本文參照已有研究成果，根據(jù)華池縣生態(tài)安全指數(shù)將生態(tài)安全劃分為5個等級：Ⅰ級安全其指數(shù)為[0.8，1.0]、Ⅱ級較安全其指數(shù)為[0.6，0.8）、Ⅲ級臨界安全其指數(shù)為[0.4，0.6）、Ⅳ級較不安全其指數(shù)為[0.2，0.4）、Ⅴ級不安全其指數(shù)為[0，0.2）。

（五）生態(tài)安全評價結(jié)果與分析

根據(jù)綜合評價模型，測算得到華池縣2010～2015年土地生態(tài)安全評價結(jié)果（表2）。

從表2可以看出：

1. 華池縣的土地生態(tài)安全指數(shù)總體呈現(xiàn)上升趨勢，由2010年的0.39618上升到2015年的0.58507，土地的生態(tài)安全等級由“較不安全”上升至“臨界安全”級，土地生態(tài)環(huán)境得到了一定程度的改善。

2. 華池縣已經(jīng)開始重視土地生態(tài)安全保護，在2013年土地生態(tài)安全狀況有所下降，主因是因為2013年耕地化肥使用量、農(nóng)膜使用量有所增加，SO2排放量和NOX排放量達到了最大值；2014年土地生態(tài)安全指數(shù)快速增加是因為發(fā)展紅色旅游和強化生態(tài)環(huán)境保護，通過劃定子午嶺自然保護區(qū)、實施水土保持等生態(tài)修復項目，大力推進封山禁牧、退耕還林、紅色旅游等工程建設，加大造林力度和生物多樣性保護，土地生態(tài)安全狀況有所好轉(zhuǎn)。

3. 2015年，華池縣土地生態(tài)安全等級為“臨界安全”級，說明土地生態(tài)安全仍然受到一定程度的威脅，生態(tài)系統(tǒng)服務功能仍在退化，生態(tài)恢復與再生有一定困難，生態(tài)問題仍然較多，在未來土地利用中，仍需加大生態(tài)環(huán)境保護和整治力度。

由此可見，這一生態(tài)安全評價結(jié)果符合華池縣實際情況，到規(guī)劃目標年（2020年），若要實現(xiàn)土地利用狀態(tài)“較安全”或者“安全”等級，就必須加大生態(tài)環(huán)境保護與整治力度，對土地利用結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化調(diào)整。

四、華池縣土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化

（一）優(yōu)化總體思路

根據(jù)華池縣土地利用現(xiàn)狀及其社會經(jīng)濟發(fā)展需求，設置變量，建立約束條件，構(gòu)建基于生態(tài)效益的目標函數(shù)，得到生態(tài)安全目標規(guī)劃模型，以實現(xiàn)“土地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整、功能基本完善、環(huán)境沒有受到破壞、系統(tǒng)恢復再生能力強、生態(tài)安全問題不明顯”為目標，進行土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

（二）變量設置

根據(jù)華池縣土地利用現(xiàn)狀及其變化情況，結(jié)合土地利用總體規(guī)劃目標，遵循客觀性和實用性原則，設置耕地（X1），園地（X2），林地（X3），牧草地（X4），建設用地（X5）以及其他土地（X6）6個變量。

（三）目標函數(shù)設置

到2020年，要實現(xiàn)土地生態(tài)安全狀態(tài)“安全”等級，根據(jù)中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)價值服務系數(shù)等已有研究成果，結(jié)合華池縣實際情況，確定華池縣土地利用類型及其生態(tài)價值系數(shù)，建立生態(tài)效益最優(yōu)的目標函數(shù)：

F（x）=6114X1+12157X2+18201X3+6405X4+371X5+371X6

（四）約束條件設置

1. 華池縣的土地總面積為3791km2，因此：X1+X2+X3+X4+X5+X6=3791；

2. 到2020年，華池縣耕地保有量（約束性指標）為696.71km2，則耕地的約束條件為：X1≥696.71；

3. 到2020年，華池縣園地面積（預期性指標）為2.92km2，以2015年園地面積0.92km2為基礎，以符合區(qū)域?qū)嶋H為原則，確定園地的約束條件為：0.92≤X2≤2.92；

4. 華池縣2015年林地面積為1608.05km2，要改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，從華池縣實際情況出發(fā)，林地面積只能增加，則林地的約束條件為：X3≥1608.05；

5. 到2020年，華池縣牧草地面積（預期性指標）為1323.32km2，以2015年的牧草地面積1280.06km2為基礎，以符合區(qū)域?qū)嶋H為原則，確定牧草地的約束條件為：1280.06≤X4≤1323.32；

6. 到2020年，華池縣建設用地總規(guī)模（約束性指標）為65.94km2，以華池縣2015年建設用地總面積為89.96km2，建設用地整治壓減難度較大，但必須嚴控總量，則建設用地的約束條件為：65.94≤X5≤89.96；

7. 以華池縣2015年的其他土地面積為108.33km2，這些土地可以通過開發(fā)整治提高其利用率，則其他土地的約束條件為：X6≥108.33；

8. 變量非負約束條件為：Xi≥0（i=1，2，3，4，5，6）。

（五）優(yōu)化結(jié)果與分析

模型優(yōu)化的目標年為2020年，與規(guī)劃目標年2020年一致，使用LINGO 11.0軟件得到華池縣土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型最優(yōu)解（表3）。

從表3可以看出：

1. 耕地、園地、牧草地和其他土地的模型優(yōu)化結(jié)果小于華池縣的規(guī)劃目標。耕地面積由規(guī)劃目標660.8km2優(yōu)化到588.15km2，減少了1.92%，減少部分主要是坡度大于25°的退耕還林地；園地面積由規(guī)劃目標2.92km2優(yōu)化到2.19km2，減少了0.02%；牧草地面積由規(guī)劃目標1323.32km2優(yōu)化到1320.77km2，減少了0.07%；其他土地面積由規(guī)劃目標131.89km2優(yōu)化到119.33km2，減少了0.33%。從2010～2015年的土地利用變化情況看，這一優(yōu)化結(jié)果更符合華池縣實際情況。

2. 林地和建設用地的模型優(yōu)化結(jié)果大于華池縣的規(guī)劃目標。森林具有涵養(yǎng)水源與減少水土流失的功能，對生態(tài)安全的建設有重要推動作用，林地面積越大越有利于生態(tài)安全，林地由規(guī)劃目標1606.13km2優(yōu)化到1678.50km2，增加了1.91%，這一結(jié)果也完全符合華池縣近年來紅色旅游發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設實際；建設用地面積由規(guī)劃目標65.94km2優(yōu)化到83.06km2，增加了0.42%，主要是規(guī)劃目標中預期通過城鄉(xiāng)建設用地增減掛和建設用地整治等走內(nèi)涵挖潛的道路，提高建設用地利于率，對建設用地總量壓減量較大，而2010～2015年實際落實的建設用地壓減量有限。

3. 按照規(guī)劃至2020年土地利用的生態(tài)效益總目標為4185.80萬元，而模型優(yōu)化的結(jié)果為4270.73萬元，增加了84.93萬元，表明基于生態(tài)安全的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果，更有利于華池縣的土地生態(tài)安全，生態(tài)效益將有顯著提高。

五、討論與結(jié)論

綜上所述，基于生態(tài)安全的華池縣土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果，優(yōu)化了農(nóng)用地內(nèi)部結(jié)構(gòu)，耕地、園地和牧草地的面積略有減少，林地面積有所增加，建設用地面積有所增加，其他土地面積有所增加，這一結(jié)果更加符合華池縣實際情況，并使生態(tài)效益提高了84.93萬元，促進了土地利用生態(tài)效益目標的最優(yōu)化，有助于推進社會經(jīng)濟系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展，符合綠色發(fā)展的理念。

本文利用PSR模型構(gòu)建評價指標體系，用多因素綜合評價法計算生態(tài)安全綜合指數(shù)，開展生態(tài)安全評價，其結(jié)果為優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)提供依據(jù)；并基于生態(tài)安全目標構(gòu)建線性規(guī)劃模型，進行土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化，客觀設立約束條件并采用計算機技術進行求解，減少了規(guī)劃中人為因素的干擾，使其結(jié)果更客觀，所得土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果具有更高的科學性和適用性。

在未來發(fā)展中，華池縣應堅持落實節(jié)約集約用地制度，注重城鄉(xiāng)協(xié)同發(fā)展，合理調(diào)整用地結(jié)構(gòu)布局，適度增減建設用地管制分區(qū)，全面推進區(qū)域土地整理，大力開展土地復墾，適度開發(fā)后備土地資源，提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，力促實現(xiàn)全縣耕地保護目標和城鄉(xiāng)用地統(tǒng)籌協(xié)調(diào)發(fā)展。

因為數(shù)據(jù)采集的原因，研究時段為2010～2015年，僅6年實踐，跨度較小，不利于長期動態(tài)度的確定，并且在線性規(guī)劃法中設置變量較少，對建設用地和其他土地沒有進行細分，需要在后續(xù)研究中進一步強化。

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*基金項目：甘肅農(nóng)業(yè)大學青年研究生指導教師扶持基金（GAU-QDF-2018-15）。

（作者單位：杜志鵬、劉學錄，甘肅農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院；焦云騰、薛會蓉、程文仕，甘肅農(nóng)業(yè)大學管理學院。程文仕為通訊作者）