丘陵山區(qū)土地利用生態(tài)功能評價及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

戴智勇, 楊朝現(xiàn),*, 信桂新, 魏耀華, 熊想想

丘陵山區(qū)土地利用生態(tài)功能評價及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

戴智勇1, 楊朝現(xiàn)1,*, 信桂新2, 魏耀華1, 熊想想1

1. 西南大學資源環(huán)境學院, 重慶 400715 2. 長江師范學院武陵山區(qū)特色資源開發(fā)與利用研究中心, 重慶 408100

針對生態(tài)普遍脆弱的丘陵山區(qū)實施土地利用生態(tài)評價, 科學優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu), 對維持良好穩(wěn)定的土地生態(tài)功能、提高土地利用效率具有重要的現(xiàn)實意義。采用傳統(tǒng)經(jīng)典的生態(tài)足跡模型, 對西南丘陵區(qū)重慶市榮昌區(qū)近10年(2007—2016年)土地生態(tài)功能實施評價, 并選用多目標規(guī)劃模型方法, 以土地生態(tài)赤字最小化為目標, 對全區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化調(diào)整。研究結(jié)果表明: (1)近10年, 受土地利用不合理配置的擾動, 榮昌區(qū)人均生態(tài)赤字持續(xù)增長、人均生態(tài)承載力逐年降低, 生態(tài)赤字由2007年的1.77 hm2·人–1增加到了2016年的3.19 hm2·人–1, 年平均增長幅度為8.02%, 到2016年生態(tài)赤字是生態(tài)承載力的8.37倍, 土地資源利用呈現(xiàn)出壓力較大、生態(tài)問題較多的狀態(tài)。(2)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化會更好提升土地利用生態(tài)功能, 促進土地利用生態(tài)系統(tǒng)的良性穩(wěn)定。基于土地生態(tài)赤字最小化目標, 經(jīng)優(yōu)化, 榮昌區(qū)生態(tài)調(diào)節(jié)功能較強的林地和草地面積增加10051.58 hm2, 耕地面積減少9181.64hm2, 城鄉(xiāng)建設用地面積減少1379.86 hm2, 自然保留地減少45.44hm2。實現(xiàn)結(jié)構(gòu)調(diào)整后, 區(qū)域生態(tài)承載力預測將提高22.58%, 人均生態(tài)赤字將減少0.07 hm2·人–1, 優(yōu)化后的土地利用結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了全區(qū)生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益的統(tǒng)一。

土地利用; 生態(tài)功能; 結(jié)構(gòu)優(yōu)化; 丘陵山區(qū)

0 前言

當前中國城鎮(zhèn)化進程不斷加快, 受經(jīng)濟效益驅(qū)動, 城市等建設用地在不斷大規(guī)模擴張的同時, 林地、水域等生態(tài)用地不斷減少, 土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整頻繁, 這種粗放式的用地結(jié)構(gòu)已逐漸顯露其不合理性, 也帶來了一系列的生態(tài)問題[1-2], 如水土流失、水體污染、生物多樣性驟減等, 且存在著愈演愈烈的趨勢, 對我國生態(tài)文明建設與經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴峻挑戰(zhàn), 開展土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化已成為土地資源優(yōu)化配置的重要內(nèi)容之一[3]。早期研究主要集中在以經(jīng)濟效益最大化為目的的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化上[4], 后來在可持續(xù)發(fā)展理念的影響下, 學者開始注重土地的生態(tài)功能效益[5-7], 基于生態(tài)安全視角進行了土地利用評價與結(jié)構(gòu)優(yōu)化, 其評價方法有生態(tài)系統(tǒng)服務價值理論[8-9]、PSR模型[10]、熵權(quán)物元模型[11]、生態(tài)足跡模型[12]等, 也有學者通過構(gòu)建綜合指標體系對評價區(qū)域進行空間尺度的土地生態(tài)功能評價研究[13-14], 并通過啟發(fā)式算法[15-18]、不確定數(shù)學優(yōu)化模型[19-21]及一些其他方法[22-24]來進行土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置。

我國西南地區(qū)的主要地形為山地丘陵地形, 與平原地區(qū)相比, 丘陵山區(qū)具有土地利用條件復雜、生態(tài)環(huán)境脆弱、自然災害頻發(fā)、人地關(guān)系更為緊張的典型特征。特別是面對脆弱的生態(tài)環(huán)境, 土地利用方式的不恰當, 結(jié)構(gòu)匹配的不合理, 必將導致土地生態(tài)功能的不穩(wěn)定、不協(xié)調(diào)?；诖? 本文將以丘陵山區(qū)重慶市榮昌區(qū)作為研究對象, 遵循區(qū)域生態(tài)保護優(yōu)化的導向, 針對性開展研究區(qū)土地利用生態(tài)功能的評價, 科學調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu), 并對優(yōu)化前后土地利用結(jié)構(gòu)進行合理性評價, 以期研究結(jié)果能為土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置研究提供一種新的思路和參考。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

榮昌區(qū)位于重慶市西部, 與四川省相鄰, 地處四川盆地川中丘陵區(qū)和川東平行嶺谷區(qū)交接處(圖1)。轄區(qū)總面積107671.17 hm2, 境內(nèi)海拔介于212.6—711.3 m, 地形北高南低, 屬典型的山地丘陵區(qū)地貌。氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候, 年平均降雨量1099 mm, 年平均氣溫17.8℃。土壤多為水稻土、紫色土、新積土和黃壤等。全區(qū)森林覆蓋率為21.64%, 水資源人均占有量為505 m3·人–1。2016年, 全區(qū)總?cè)丝?5.06萬人, 其中農(nóng)業(yè)人口46.07萬人, 非農(nóng)業(yè)人口38.99萬人, 下轄15個鎮(zhèn)與6個街道。2016年全區(qū)生產(chǎn)總值達到368.12億元, 三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比為13.4:62.3:24.3。

Figure 1 The sketch map of research area

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本文數(shù)據(jù)源主要包括土地利用數(shù)據(jù)與社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)。土地利用數(shù)據(jù)來源于榮昌區(qū)2007—2016年土地利用變更調(diào)查資料和研究區(qū)的Landsat TM遙感影像(空間分辨率30*30m)解譯成果。根據(jù)研究區(qū)土地利用特點和前人研究成果[25], 可將榮昌區(qū)土地利用劃分為耕地、林地(含林地和園地)、草地、水域(含河流水面和湖泊水面)、城鄉(xiāng)建設用地(含城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點、采礦用地和風景名勝特殊用地)、交通水利用地和自然保留地7種類型, 根據(jù)不同土地利用類型的影像特征和空間特征, 建立相應的遙感解譯標志, 進行人機交互式判讀, 在ERDAS軟件中對影像進行分類匯總獲取各土地利用類型信息; 社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于《榮昌區(qū)統(tǒng)計年鑒》(2008—2017年)、《榮昌區(qū)國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》、《榮昌區(qū)政府工作報告》以及《榮昌區(qū)土地利用總體規(guī)劃(2006—2020)》、《榮昌區(qū)土地整治規(guī)劃(2006—2020)》、《榮昌區(qū)城市總體規(guī)劃(2008—2030)》、《榮昌區(qū)旅游發(fā)展規(guī)劃(2015—2030)》、《榮昌區(qū)水土保持規(guī)劃(2006—2025)》等。

2 土地利用生態(tài)功能評價

2.1 生態(tài)足跡模型

生態(tài)足跡模型的指標能基于土地面積進行量化、數(shù)據(jù)相對容易獲取, 其結(jié)果能較好揭示自然資本和經(jīng)濟發(fā)展之間的關(guān)系。選用該項模型進行區(qū)域土地利用生態(tài)功能評價不失為一種較好的研究方法。該模型應用總體思路是: 先分別從資源需求方面計算生態(tài)足跡(EF)的大小、從土地供給方面計算生態(tài)承載力(EC)的大小, 再通過兩者之間的比較來評價該地區(qū)的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展情況, 若區(qū)域內(nèi)的生態(tài)承載力減去生態(tài)足跡為負值, 則表明該地區(qū)人類活動對土地需求超過了土地的生態(tài)容量, 該地區(qū)的消費和發(fā)展模式處于相對不可持續(xù)狀態(tài), 即出現(xiàn)了生態(tài)赤字。根據(jù)生態(tài)生產(chǎn)力大小的差異, 地球表面的生態(tài)生產(chǎn)性土地可分為耕地、林地、草地、水域、化石能源用地、建設用地等六大類用地, 在生態(tài)足跡模型中, 采用該六大類用地來折算各種資源和能源消費量。本研究采用Wackernagel[12]等研究成果中的均衡因子、產(chǎn)量因子來計算研究區(qū)的生態(tài)足跡與生態(tài)承載力。

(1)生態(tài)足跡(EF)

生態(tài)足跡是指區(qū)域內(nèi)某一時段總共消費的資源、能源和消納廢棄物所需要的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積, 它反映的是該區(qū)域所有人在當前消費水平和發(fā)展水平下的生產(chǎn)生活活動對生態(tài)系統(tǒng)的需求, 其表達式為:

式中為區(qū)域總生態(tài)足跡, N為區(qū)域總?cè)丝?為人均生態(tài)足跡,為均衡因子,a為第i種消費項目折算的人均生態(tài)生產(chǎn)性面積, i為消費項目種類, ci為第i種消費品的人均年消費量,p為第i種消費品的平均生產(chǎn)能力。

根據(jù)生態(tài)足跡的理論與研究區(qū)實際情況, 可將消費項目分為生物資源類消費項目與能源類消費項目, 其中生物資源類消費包括稻谷、玉米、大豆、棉花、油類、薯類、蔬菜、果類、茶葉、肉類、禽蛋類、奶類、水產(chǎn)品等13類項目, 能源類消費包括原煤、煤油、汽油、柴油、焦炭、電力等6類項目。

(2)生態(tài)承載力(EC)

生態(tài)承載力是指系統(tǒng)的自我維持、調(diào)節(jié)以及資源環(huán)境提供的生態(tài)容量的能力, 是一個區(qū)域所能提供給人類的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積的總和, 其表達式為:

=(1–0.12)**=(1–0.12)**a*r*y(2)

式中為區(qū)域總生態(tài)承載力, N為區(qū)域總?cè)丝?為人均生態(tài)承載力,r為均衡因子,a為第i類生態(tài)生產(chǎn)性土地人均面積,y為產(chǎn)量因子。

2.2 結(jié)果分析

基于相關(guān)研究數(shù)據(jù)和上述研究方法, 可獲取研究區(qū)2007—2016年六大類用地的人均生態(tài)足跡、人均生態(tài)承載力與人均生態(tài)赤字情況(表1、表2、圖2)。

(1)表1、圖2的研究結(jié)果表明, 近10年榮昌區(qū)的人均生態(tài)足跡總體呈現(xiàn)上升趨勢, 由2007年的2.21 hm2·人–1提高到了2016年的3.56 hm2·人–1。由于近10年來榮昌區(qū)大力推進城市化進程和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)的建設, 煤炭、石油人均消耗量由2007年的1837.25kg·人–1、268.26kg·人–1分別提高到了2016年的2869.63kg·人–1、374.81kg·人–1, 其他化石能源如原煤、焦炭的消費量也逐漸增加, 所以化石能源用地對整個生態(tài)足跡的貢獻率最大, 達到了46.66%; 隨著榮昌區(qū)人口的增長與消費觀念的升級, 2016年肉禽類人均消費量較2007年增長了15.74 kg·人–1, 奶類人均消費量十年間增長了近2.5倍, 對居住面積需求量、電力等能源的需求也日益增加, 建設用地10年間的人均生態(tài)足跡由0.1386 hm2·人–1增加到0.2147 hm2·人–1, 耕地、林地、草地和水域的人均生態(tài)足跡均略有增加。

表1 榮昌區(qū)2007—2016年人均生態(tài)足跡表 (hm2·人–1)

表2 榮昌區(qū)2007—2016年人均生態(tài)承載力表 (m2·人–1)

圖2 榮昌區(qū)人均生態(tài)赤字圖(2007-2016)

Figure 2 The per capita ecological deficit of Rongchang (2007-2016)

(2)表2、圖2的研究結(jié)果表明, 近10年榮昌區(qū)的人均生態(tài)承載力逐年下降, 由2007年的0.44 hm2·人–1降到了2016年的0.37 hm2·人–1。其中耕地的人均生態(tài)承載力由0.3294 hm2·人–1下降到了0.2090 hm2·人–1, 主要原因是由于人口的增加, 耕地面積凈增長率低于人口凈增長速率; 林地、草地、水域人均生態(tài)承載力變化原因與耕地變化原因類似; 建設用地10年間的人均生態(tài)承載力逐年小幅度增加, 說明榮昌區(qū)的城鎮(zhèn)化進程不斷加快, 但通常建設用地的增加是伴隨著農(nóng)用地尤其是耕地的減少, 這從土地利用的角度來看是一種損失, 所以今后要進一步控制建設用地規(guī)模、挖潛存量、提高集約節(jié)約利用水平。

總的來看, 榮昌區(qū)近十年土地生態(tài)功能較不樂觀, 生態(tài)赤字由2007年的1.77 hm2·人–1增加到了2016年的3.19 hm2·人–1, 年平均增長幅度為8.02%。生態(tài)赤字的存在揭示了榮昌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)正常提供的生態(tài)基礎(chǔ)已不能滿足當前經(jīng)濟活動的生態(tài)需求, 從圖2中也可預見, 在未來幾年內(nèi)榮昌區(qū)的生態(tài)赤字還將不斷擴大, 故亟待采取有效措施來調(diào)整各類用地結(jié)構(gòu)、提高各類生態(tài)性用地的有效利用率, 保證榮昌區(qū)的土地生態(tài)安全。

3 土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化體系構(gòu)建

土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一項復雜的系統(tǒng)工程, 需綜合考慮生態(tài)、經(jīng)濟、社會等不同目標的需求, 從而使土地利用在時間上得到合理安排, 在空間上得到最佳落實。多目標規(guī)劃模型具有較大靈活性, 能適用于解決具有不同度量單位和相互沖突目標的多目標決策問題, 故本文采用多目標規(guī)劃模型, 在土地利用生態(tài)功能評價的基礎(chǔ)上, 確定全區(qū)在土地利用優(yōu)化過程中預期實現(xiàn)的生態(tài)效益目標與經(jīng)濟效益目標, 其中生態(tài)效益是本文所研究的主導型目標, 將與土地資源結(jié)構(gòu)相關(guān)的社會需求和土地自身限制性作為約束條件, 尋求土地利用優(yōu)化方案。

(1)決策變量設置

根據(jù)研究區(qū)未來發(fā)展定位及相關(guān)數(shù)據(jù)可得性, 研究以2016年土地利用現(xiàn)狀為基礎(chǔ), 依據(jù)研究區(qū)土地利用劃分的7個類型設置決策變量, 即X1(耕地)、X2(林地)、X3(草地)、X4(水域)、X5(城鄉(xiāng)建設用地)、X6(交通水利用地)、X7(自然保留地)。

(2)目標函數(shù)構(gòu)建

1)生態(tài)效益目標

本研究以生態(tài)赤字最小化確定生態(tài)效益目標函數(shù): Min(ED)=Min(EF-EC), 其中ED、EF、EC分別為2026年研究區(qū)生態(tài)赤字、總生態(tài)足跡需求、總生態(tài)承載力供給。根據(jù)灰色模型預測可獲取研究區(qū)總?cè)丝?、人均生態(tài)足跡、人均生態(tài)承載力函數(shù), 其表達式分別為:

X(1)(t+1)=(827487+2707.17*105)e0.00305t–2707.17*105(3)

Y(1)(t+1)=(2.21+57.2046)e0.04226t–57.5046 (4)

Z(1)(t+1)=(0.44–24.11489)e–0.01866t+24.11489 (5)

以上預測函數(shù)都是以2007-2016的數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù), 其中生態(tài)足跡與生態(tài)承載力預測假設生物資源類消費項目與能源類消費項目種類不變。經(jīng)預測得到研究區(qū)目標年總?cè)丝跒?76205人, 人均生態(tài)足跡為5.49 hm2·人–1, 人均生態(tài)承載力為0.31 hm2·人–1。故生態(tài)效益目標函數(shù)表達式為:

min(ED)=4810365–[4.6481+1.0012+0.0943+4.648

(5+6)+0.24]*771060 (6)

2)經(jīng)濟效益目標

Maxf(x)=5.3993X1+7.5563X2+0.0001X3+3.5995X4+

272.1247 XS+71.2708X6+0.0001X7(7)

(3)約束條件建立

約束條件反映的是目標函數(shù)實現(xiàn)的限制因素, 需要考慮與土地利用結(jié)構(gòu)關(guān)系密切的土地資源條件、社會需求等方面, 約束條件的構(gòu)建涉及到定量的問題, 所以本文將以與土地資源結(jié)構(gòu)相關(guān)的社會需求和土地自身限制性作為約束條件, 具體從土地資源、生態(tài)環(huán)境、人口數(shù)量及榮昌區(qū)相關(guān)空間規(guī)劃實際情況來對其進行約束, 目標年為2026年。

1)土地總數(shù)量約束, 即調(diào)整前后研究區(qū)土地總量應保持不變:

X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7=107671.19 hm2

2)耕地約束, 根據(jù)榮昌區(qū)“十三五”時期打造生態(tài)宜居休閑區(qū)的戰(zhàn)略目標與區(qū)級耕地保護政策要求, 預計榮昌區(qū)2026年耕地保有量應不低于51167 hm2, 永久基本農(nóng)田面積應不低于行政區(qū)內(nèi)耕地面積的80%: 即40933.60≤X1≤67219.69 hm2

3)林地約束, 根據(jù)《重慶市榮昌區(qū)國家森林城市建設總體規(guī)劃(2016—2025)》要求, 2025年全區(qū)綠化面積應達到35%, 即20281.51≤X2≤37684.92 hm2

4)水域約束: 水域具有很好的穩(wěn)態(tài)功能, 考慮到榮昌區(qū)將來的發(fā)展, 水域面積最好維持當前現(xiàn)狀, 即X4≤1029.96 hm2。

5)城鄉(xiāng)建設用地約束, 在保證榮昌區(qū)經(jīng)濟不斷發(fā)展的前提下, 城鎮(zhèn)用地與風景名勝特殊用地的數(shù)量會有所增加, 根據(jù)《榮昌區(qū)城市總體規(guī)劃(2008—2030)》和《榮昌區(qū)旅游發(fā)展規(guī)劃(2015—2030)》, 榮昌區(qū)在規(guī)劃末期城鎮(zhèn)用地和風景名勝特殊用地將分別增加987.78 hm2、143.89 hm2; 在城鎮(zhèn)化推進過程中, 因農(nóng)村人口的不斷析出、生態(tài)環(huán)境的治理, 農(nóng)村居民點和采礦用地將逐漸復墾退出。根據(jù)《榮昌區(qū)土地整治規(guī)劃(2006—2020)》, 榮昌區(qū)在規(guī)劃末期農(nóng)村居民點和采礦用地將分別減少2415.55 hm2和143.89 hm2?？傮w預計城鄉(xiāng)建設用地減少1470.79公頃, 即14027.64≤X5≤15499.19 hm2。

6)交通水利用地約束, 榮昌區(qū)在規(guī)劃末期預計需建設G348國道和瀨溪河堤防工程等項目, 預計需要用地555.37 hm2, 即1817.57≤X6≤2372.94 hm2。

7)總?cè)丝诩s束, 城鎮(zhèn)人口和農(nóng)村人口的總量之和應不超過規(guī)劃末期的人口預測之和:1∑X+P2∑X=, 式中1表示城鎮(zhèn)人口的預測密度,2表示農(nóng)業(yè)人口的預測密度,X為建設用地類型,X為農(nóng)用地類型。本文采用灰色預測模型進行預測2026年榮昌區(qū)的城鎮(zhèn)人口與農(nóng)業(yè)人口密度, 分別為78.52人·m–2、5.04人·m–2, 故78.82X5+5.04(X1+X2+X3)≤876205。

8)決策變量非負約束,X≥0(i=1, 2, 3…7)。

3.2 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)目標函數(shù)以及相關(guān)約束條件, 運用間接算法和Matlab軟件進行數(shù)學建模, 得出滿足條件的最優(yōu)解, 即規(guī)劃末期榮昌區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)表(表3)。

從表3可以看到, 優(yōu)化后的土地利用類型對比與2016年有以下幾個方面的特征:

(1)林地、草地與水域等生態(tài)涵養(yǎng)價值高的地類共計增加10051.58 hm2, 能大幅度提高全區(qū)綠化面積與生態(tài)承載力, 對農(nóng)村經(jīng)濟結(jié)構(gòu)優(yōu)化也能起到一定效果; 榮昌區(qū)生態(tài)退耕政策的實施、城鎮(zhèn)用地的擴張、其他用地結(jié)構(gòu)的合理調(diào)整, 會造成耕地面積較優(yōu)化前稍有下降, 但仍然能滿足全區(qū)糧食需求與永久基本農(nóng)田保護要求; 未來隨著城鎮(zhèn)化率的不斷提高, 城鎮(zhèn)用地的合理擴張, 農(nóng)村居民點和采礦用地復墾力度逐漸增大, 道路建設與水利工程將日趨完善, 城鄉(xiāng)建設用地面積總體上減少1379.86 hm2, 交通水利用地面積增加555.36 hm2, 符合社會經(jīng)濟發(fā)展現(xiàn)實; 自然保留地在規(guī)劃期間將逐年減少, 從67.89 hm2減少到22.45 hm2, 這主要是因為建設用地的必然擴張與耕地的保有雙重作用的結(jié)果。

表3 榮昌區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

(2)經(jīng)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化后, 榮昌區(qū)生態(tài)承載力較預測前提高22.58%, 生態(tài)赤字較前文預測減少0.07 hm2·人–1, 在提高全區(qū)生態(tài)環(huán)境承載能力的同時, 也兼顧土地的經(jīng)濟效益, 實現(xiàn)了榮昌區(qū)社會發(fā)展和國民經(jīng)濟的戰(zhàn)略要求, 故優(yōu)化后的土地利用結(jié)構(gòu)達到了生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益的統(tǒng)一, 更有利于保障榮昌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文采用土地生態(tài)足跡模型評價榮昌區(qū)2007—2016十年間土地生態(tài)功能, 結(jié)果表明, 榮昌區(qū)人均生態(tài)赤字由2007年的1.77 hm2·人–1增加到了2016年的3.19 hm2·人–1, 年平均增長幅度為8.02%, 土地資源生態(tài)環(huán)境壓力較大, 亟待在堅持土地利用節(jié)約集約性原則的前提下, 合理調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)、優(yōu)化土地資源配置。

運用多目標規(guī)劃模型對全區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化配置, 調(diào)整結(jié)果增加了林地等生態(tài)價值和生態(tài)調(diào)節(jié)能力較強地類面積, 減少了一部分耕地面積, 優(yōu)化了農(nóng)用地內(nèi)部結(jié)構(gòu), 有利于防止水土流失和污染等環(huán)境問題; 城鄉(xiāng)建設用地面積減少了1379.86hm2, 農(nóng)村居民點及采礦用地面積隨著復墾力度的加大不斷減少, 達到了集約節(jié)約建設用地、提高土地利用效率的目的; 自然保留地隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展適當減少, 在保證全區(qū)用地的同時對全區(qū)的生態(tài)環(huán)境起到了很好的穩(wěn)定效果。

土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化后, 榮昌區(qū)人均生態(tài)承載力較預測前提高了22.58%, 人均生態(tài)赤字較預測前減少了0.07 hm2·人–1, 能有效緩解生態(tài)赤字壓力, 也兼顧了經(jīng)濟效益的提高, 即能實現(xiàn)榮昌區(qū)國民經(jīng)濟發(fā)展和社會發(fā)展規(guī)劃所提出的戰(zhàn)略目標, 達到生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益的統(tǒng)一, 也表明了基于生態(tài)效益目標優(yōu)先的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置具有科學性與可操作性。

4.2 討論

土地生態(tài)功能評價的結(jié)果在一定程度上反映了區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展方式與人們當前消費結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變, 對土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有準確的目標導向, 基于生態(tài)足跡模型與多目標規(guī)劃模型相結(jié)合的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化實現(xiàn)了生態(tài)目標的測度, 能為區(qū)域生態(tài)文明建設與可持續(xù)發(fā)展決策提供參考。本文分析評價了研究區(qū)10a間的土地生態(tài)功能, 關(guān)注其變化趨勢與動態(tài)過程, 較以往研究單一的年度結(jié)果評價而言更加科學、準確。未來基于土地利用生態(tài)功能評價的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究也可繼續(xù)擴大應用范圍, 加強對鄉(xiāng)鎮(zhèn)等小尺度區(qū)域的研究應用。當然, 本文不足之處在于對生態(tài)足跡模型的計算主要側(cè)重從生態(tài)角度衡量人對自然環(huán)境的影響, 區(qū)域內(nèi)部發(fā)展水平的差異性指標考慮的較少, 因此后續(xù)研究還可構(gòu)建相關(guān)指標, 進一步提高結(jié)果精確性。此外, 本文僅對土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化與評價, 還可繼續(xù)構(gòu)建空間優(yōu)化模型, 使得土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案更具可視性。

[1] 龐雅頌, 王琳. 區(qū)域生態(tài)安全評價方法綜述[J]. 中國人口?資源與環(huán)境, 2014, (S1): 340–344.

[2] 史培軍, 宋長青, 景貴飛. 加強我國土地利用/覆蓋變化及其對生態(tài)環(huán)境安全影響的研究——從荷蘭“全球變化開放科學會議”看人地系統(tǒng)動力學研究的發(fā)展趨勢[J]. 地球科學進展, 2002, (02): 161–168.

[3] 姜仁良. 土地資源利用與生態(tài)環(huán)境保護交互耦合關(guān)系及規(guī)律研究[J]. 生態(tài)經(jīng)濟, 2013, (09): 77–81.

[4] 嚴金明. 土地利用結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)分析與優(yōu)化設計——以南京市為例[J]. 南京農(nóng)業(yè)大學學報, 1996, (02): 88–95.

[5] MURGANTE B, BORRUSO G, LAPUCCI A. Sustainable Development: Concepts and Methods for Its Application in Urban and Environmental Planning[M]. Berlin：Springer Berlin Heidelberg, 2011: 1–15.

[6] BOJORAUEZ-TAPIA L A, ONGAY-DELHUMEAUE, EZCURRAE. Multivariate Approach for Suitability Assessment and Environmental Conflict Resolution[J]. Journal of Environmental Management. 1994, 41(3): 187–198.

[7] 顏梅春, 王元超. 區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價研究進展與展望[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2012, (10): 1781–1788.

[8] DAZZIC, PAPAG L, POMAI. Integrating soil survey, land use management and political ecology: A case study in a border area between Peru and Ecuador[J]. Land Use Policy. 2013, 35(14): 302–311.

[9] COSTANZAR. The value of Ecosystem Service and Nature Capital in the world[J]. Nature. 1997, 387(15): 235–260.

[10] 王大海, 張榮群, 艾東, 等. 基于EES-PSR的土地生態(tài)安全物元模型評價方法實證研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報, 2017, 48(S1): 227–237.

[11] 喬蕻強, 程文仕. 基于熵權(quán)物元模型的土地生態(tài)安全評價[J]. 土壤通報, 2016, 47(2): 302–307.

[12] 張志強, 徐中民, 程國棟. 生態(tài)足跡的概念及計算模型[J]. 生態(tài)經(jīng)濟, 2000, (10): 8–10.

[13] 任金銅, 楊可明, 陳群利, 等. 貴州草海濕地區(qū)域土地利用景觀生態(tài)安全評價[J]. 環(huán)境科學與技術(shù), 2018, (05): 158–165.

[14] 楊陽, 黃義雄, 李瀟, 等. 海壇島景觀生態(tài)風險評價及時空分異[J]. 福建師范大學學報(自然科學版), 2018, (02): 74–81.

[15] 陸軍輝, 梅志雄, 趙書芳, 等. 土地利用配置的混沌蟻群優(yōu)化算法研究[J]. 地球信息科學學報, 2017, (08): 1026– 1035.

[16] 袁滿, 劉耀林. 基于多智能體遺傳算法的土地利用優(yōu)化配置[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2014, (01): 191–199.

[17] 黃海. 基于改進粒子群算法的低碳型土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化——以重慶市為例[J]. 土壤通報, 2014, (02): 303–306.

[18] [18] 劉耀林, 洪曉峰, 劉殿鋒, 等. 利用模擬退火算法的村鎮(zhèn)土地利用空間優(yōu)化調(diào)控模型[J]. 武漢大學學報(信息科學版), 2011, (06): 752–755.

[19] 李鑫, 歐名豪, 嚴思齊. 基于區(qū)間優(yōu)化模型的土地利用結(jié)構(gòu)彈性區(qū)間測算[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2013, (17): 240– 247.

[20] WANG Hongrui, Gao Yuanyun Liu Qiong, et al. Land Use Allocation Based on Interval Multi-objective Linear Programming Model: A Case Study of Pi County in Sichuan Province[J]. Chinese Geographical Science. 2010, 20(2): 176–183.

[21] Zhou Min. An interval fuzzy chance-constrained programming model for sustainable urban land-use planning and land use policy analysis[J]. Land Use Policy. 2015, 42(42): 479–491.

[22] 胡宗楠, 李鑫, 樓淑瑜, 等. 基于系統(tǒng)動力學模型的揚州市土地利用結(jié)構(gòu)多情景模擬與實現(xiàn)[J]. 水土保持通報, 2017, (04): 211–218.

[23] 黃迎春, 楊伯鋼, 張飛舟, 等. 基于同類城市建設目標的北京市土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2016, (04): 217–227.

[24] 喬小雨, 陳龍乾, 崔婷婷. 土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的灰色線性規(guī)劃方法研究——河南省三門峽市的實證分析[J]. 中國國土資源經(jīng)濟, 2010, (05): 35–38.

[25] 楊麗, 謝高地, 甄霖, 等. 涇河流域土地利用格局的時空變化分析[J]. 資源科學, 2005, (04): 26–32.

[26] 奚硯濤, 牛坤, 薛麗芳. 基于生態(tài)足跡定量分析的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究——以江蘇省徐州市為例[J]. 水土保持通報, 2014, (02): 293–299.

[27] 向蕓蕓, 蒙吉軍. 基于生態(tài)效益的武漢城市圈土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 長江流域資源與環(huán)境, 2013, (10): 1297– 1304.

[28] 龔建周, 劉彥隨, 張靈. 廣州市土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置及其潛力[J]. 地理學報, 2010, (11): 1391–1400.

Ecological function evaluation and structural optimization of land use in hilly mountainous areas

DAI Zhiyong1, YANG Chaoxian1,*, XIN Guixin2, WEI Yaohua1, XIONG Xiangxiang1

1. College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715, China 2. Research Center for Development and Utility of Unique Resources in the Wulingshan Region, Yangtze Normal University, Chongqing 408100,China

Implementing land use ecological evaluation and optimizing land use structure scientifically in view of the fragile ecological hilly is of great significance to maintaining stable land ecological functions and improving land use efficiency. Results show that in the past 10 years, due to the disturbance of unreasonable allocation of land use, the per capita ecological deficit in Rongchang area has continued to increase and the per capita ecological carrying capacity has decreased year by year. The ecological deficit was increased from 1.77 in 2007 to 3.19 in 2016, the average annual increase was 8.02% and the ecological deficit was 8.37 times the ecological capacity in 2016. The utilization of land resources presented a state of great pressure and many ecological problems. Besides, the optimization of land use structure improved the ecological function of land use and promoted the benign stability of land use ecosystem. Based on the goal of minimizing land ecological deficit, the area of woodland and grassland with strong ecological regulation function increased by 10051.58hm2, the cultivated land area decreased by 9181.64 hm2, the urban and rural construction land area decreased by 1379.86 hm2, and the natural reserve decreased by 45.44 hm2. Regional ecological capacity was predicted to increase by 22.58% and per capita ecological deficit decreased by 0.07 hm2, and the optimized land use structure realized the unity of ecological economy and social benefit.

landuse;ecological function; structural optimization; hilly and mountain area

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.04.026

F323.211

A

1008-8873(2019)04-194-08

2018-07-14;

2018-08-12

國家自然科學基金面上項目(41771534); 國家科技支撐項目(2013BAJ11B02); 重慶市社科項目(2017YBJJ035)

戴智勇(1995—), 男, 湖南武岡人, 碩士研究生, 主要從事土地利用與綜合整治研究。E-mail: 1544562246@qq.com

楊朝現(xiàn), 男, 博士, 副教授, 主要從事土地利用與調(diào)控研究。E-mail: yangcx@swu.edu.cn

戴智勇, 楊朝現(xiàn), 信桂新, 等. 丘陵山區(qū)土地利用生態(tài)功能評價及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 生態(tài)科學, 2019, 38(4): 194-201.

DAI Zhiyong, YANG Chaoxian, XIN Guixin, et al. Ecological function evaluation and structural optimization of land use in hilly mountainous areas[J]. Ecological Science, 2019, 38(4): 194-201.