以低碳為目標(biāo)的華池縣土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化

楊曉東　鄒妮　程文仕

摘要：以低碳為目標(biāo)的土地利用結(jié)構(gòu)不僅能引導(dǎo)區(qū)域低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，還對(duì)區(qū)域和全球的碳素循環(huán)具有重要意義。文章以甘肅省華池縣作為研究對(duì)象，運(yùn)用模糊線性規(guī)劃法建立碳儲(chǔ)量最大和碳排放量最小兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，比較兩個(gè)不同的優(yōu)化方案，確定基于碳蓄積量最大的優(yōu)化方案更佳，在此方案下，到2020年華池縣碳儲(chǔ)量為49479261t，碳排放量為381132t，可以看出以低碳為目標(biāo)的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案更加符合華池縣實(shí)際情況，可以為開展土地利用規(guī)劃和國(guó)土空間規(guī)劃方案編制提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化;低碳目標(biāo);線性規(guī)劃模型;華池縣

土地利用碳循環(huán)作為生物地球化學(xué)研究的核心內(nèi)容之一，其布局、演化過程的變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)有著重大影響。優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)能有效促進(jìn)土地資源的節(jié)約集約利用，對(duì)于減緩碳排放量的增加、促進(jìn)全球和區(qū)域碳素循環(huán)具有重大意義。近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者在土地利用結(jié)構(gòu)變化、能源消耗與碳排放之間的關(guān)系，土地利用變化的碳排放機(jī)理，低碳經(jīng)濟(jì)導(dǎo)向的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面開展了大量的研究，有效推動(dòng)了“低碳優(yōu)化土地利用”的研究和發(fā)展，但大多側(cè)重于土地利用經(jīng)濟(jì)效益最大化，對(duì)如何在保證生態(tài)效益較好的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)低碳化土地利用等方面研究較少。在低碳導(dǎo)向下的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面也取得了一定的成果。劉海猛等以蘭州市為例，以最大碳儲(chǔ)量和最小碳排量為目標(biāo)建立土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型得到了低碳優(yōu)化方案，余德貴等借助LUSCC模型探討了泰興市的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化;趙榮欽等選取南京市作為研究區(qū)域，運(yùn)用線性規(guī)劃方法得到了不同的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。本文立足于土地利用結(jié)構(gòu)變化對(duì)碳效應(yīng)影響的角度，運(yùn)用模糊線性規(guī)劃方法，探討以低碳為目標(biāo)的華池縣土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，提出低碳目標(biāo)下華池縣2020年的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，為開展國(guó)土空間規(guī)劃、優(yōu)化區(qū)域土地資源配置提供參考。

一、研究區(qū)概況

華池縣位于甘肅省東部，慶陽(yáng)市東北部。位于107°29′15″～108°33′29″E， 36°08′27″～36°52′29″N。屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)，地勢(shì)北高南低，地形以山地為主，兼有川地、塬地等，植被稀疏，水土流失嚴(yán)重。華池縣屬溫帶大陸性半干旱氣候，年平均降雨量510mm，降水年際變化大，年內(nèi)分配不均，南北差異明顯。區(qū)域土地總面積379095.43hm2，現(xiàn)轄6鎮(zhèn)9鄉(xiāng)，全縣總?cè)丝跒?3.55萬人。

二、數(shù)據(jù)來源

研究采用的土地利用現(xiàn)狀和規(guī)劃數(shù)據(jù)分別主要來源于華池縣變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)和《華池縣土地利用總體規(guī)劃（2010-2020年）》，能源消費(fèi)數(shù)據(jù)參考IPCC提供的數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)來源于華池縣統(tǒng)計(jì)年鑒。

三、研究方法

（一）碳蓄積量估算方法

本研究主要通過植被、土壤平均碳密度之和乘以相應(yīng)土地利用類型的面積來計(jì)算研究區(qū)域的碳儲(chǔ)量，計(jì)算公式如下：

T=Aj（Vj+Sj）（式1）

式中：T為區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量;Aj為第j種土地類型的面積（hm2）;Vj為第j種土地類型的植被平均碳密度;Sj是第j種土地類型的土壤平均碳密度（t/hm2）。其中：土壤碳庫(kù)平均碳密度采用土壤類型法計(jì)算得到（表1），植被碳密度主要在考慮各類植被類型分布的基礎(chǔ)上參考有關(guān)學(xué)者對(duì)中國(guó)植被碳密度的研究成果計(jì)算求得（表1）。

（二）碳排放量估算方法

1. 建設(shè)用地碳排放估算

本研究從華池縣主要能源消費(fèi)角度來計(jì)算薪柴、原煤、液化石油氣、沼氣這4種一次性能源消費(fèi)產(chǎn)生的碳排放，計(jì)算公式如下：

W=∑Fm×Bm×Cm （式2）

式中：W表示建設(shè)用地上各類高碳能源碳排放的和（萬t）;Fm為第m種能源的消費(fèi)量（萬t）;Bm為第m種能源對(duì)應(yīng)的折標(biāo)煤系數(shù)（kg/kg）;Cm為第m種能源的碳排放系數(shù)（t/t）。本文采用的二氧化碳排放系數(shù)和折標(biāo)煤系數(shù)數(shù)據(jù)均來自IPCC缺省值（表2）。由此求得建設(shè)用地的碳排放總量后，用其除以建設(shè)用地面積，得到2009年建設(shè)用地碳排放系數(shù)。

2. 非建設(shè)用地碳排放估算

非建設(shè)用地的碳排放系數(shù)主要參考劉海猛等學(xué)者的研究成果（表1），并通過碳排放系數(shù)乘以非建設(shè)用地相應(yīng)的面積計(jì)算出非建設(shè)用地的碳排放量。

（三）模糊線性規(guī)劃模型

本文采用模糊線性規(guī)劃模型探索以低碳為目標(biāo)的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，其基本方程表達(dá)式為：

目標(biāo)函數(shù) F（x）=CX→max（min）

模糊約束條件? ?s.t.AX≤（=，≥）B

變量非負(fù)約束條件? X ≥0

式中：C為不同土地類型碳源/匯系數(shù)，X為決策變量，在本文中表示不同土地利用類型的面積; s.t.代表模糊約束，A為約束系數(shù)，B表示資源限制量。

根據(jù)華池縣實(shí)際情況，構(gòu)建模糊線性規(guī)劃模型：

1. 變量設(shè)置

選取耕地、園地、林地、牧草地、其他農(nóng)用地、建設(shè)用地、水域7種土地利用類型作為決策變量。各變量面積及面積占比如表3所示：

2. 目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)所預(yù)測(cè)的2020年各地類的碳密度、二氧化碳碳排放系數(shù)和相應(yīng)地類面積，構(gòu)建碳蓄積量最大目標(biāo)函數(shù)和碳排放量最小目標(biāo)函數(shù)。其中：碳儲(chǔ)量主要來源于土壤碳庫(kù)和植被碳庫(kù)，且歷年碳儲(chǔ)量強(qiáng)度變動(dòng)不大，因此2009—2020年上述7種地類的碳密度值不變;除建設(shè)用地外的其他地類2009-2020年的碳排放系數(shù)不變，2020年建設(shè)用地的碳排放系數(shù)則依據(jù)歷年的增長(zhǎng)幅度進(jìn)行預(yù)測(cè)。得到：

碳蓄積量最大目標(biāo)函數(shù)：Max（Y）=78.1X1+109.55X2+192.72X3+90.4X4+100.8X5+16X6+59.83X7

碳排放量最小目標(biāo)函數(shù)：Min（Z）=0.502X1+0.047X2+0.033X3+0.241X4+2.9X5+38.79X6+0.722X7

3. 模糊約束條件

（1）土地總面積約束：

X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7=379095.43（hm2），Xi≥0（i=1，2，3，…，7）

（2）人口總量約束：2020年農(nóng)用地和建設(shè)用地控制規(guī)模面積分別為369670.01hm2和8206.39hm2，算出2020年農(nóng)用地人口密度為0.26人/hm2，人均建設(shè)用地為9.58人/hm2。約束條件為：

0.26×（X1+X2+X3+X4+X5）+9.58×X6≤174200人

（3）宏觀規(guī)劃約束，從耕地、園地、林地、牧草地、其他農(nóng)用地、建設(shè)用地、水域7個(gè)方面設(shè)置約束條件：耕地，約束條件為：47184.54≤X1≤68907.54hm2，d1=20622.16hm2;園地，約束條件為：89.67≤X2≤94.27hm2，d2=3.66;林地，約束條件為：160705.12≤X3≤164989.19hm2，d3=2000;牧草地，約束條件為：131615.57≤X4≤132331.95hm2，d4=1000;其他農(nóng)用地，約束條件為：10556.05≤X5≤11965.71hm2，d5=1420;建設(shè)用地，預(yù)測(cè)華池縣建設(shè)用地面積將增加9%-25%。即：7155.68≤X6≤8206.39hm2，d6=1100;水域，約束條件為：1097.13≤X7≤1219.03hm2，d7=100。

（4）數(shù)學(xué)模型要求約束。各土地利用類型面積均應(yīng)大于等于0，不能為負(fù)，即：Xi≥0（i=1，2，3，…，7）

四、結(jié)果與分析

（一）模型運(yùn)算結(jié)果

將建立模糊線性規(guī)劃模型，運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行運(yùn)算，得到兩個(gè)函數(shù)的模糊最優(yōu)解（見表4）。

（二）結(jié)果分析

1. 碳蓄積量最大情景下的優(yōu)化結(jié)果分析

碳蓄積量最大優(yōu)化方案顯示：2020年碳儲(chǔ)積最優(yōu)方案下的碳蓄積總量為49479261t，比2009年碳儲(chǔ)積總量（49279439t）和原規(guī)劃目標(biāo)年2020年的規(guī)劃方案（規(guī)劃方案，49297428t）均明顯提高。從表4可以看出：在碳蓄積量最大優(yōu)化方案下，耕地面積比2009年少了2567.54hm2，但與規(guī)劃方案中的耕地保有量相比增加了340hm2。林地面積比2009年增加了2117.59hm2，比規(guī)劃方案多了1042.53hm2。建設(shè)用地面積為7160hm2，與規(guī)劃方案減少了1046.39hm2，碳蓄積量最大化方案下建設(shè)用地的增長(zhǎng)速度被有效控制。

2. 碳排放量最小情景下的優(yōu)化結(jié)果分析

碳排量最小優(yōu)化方案顯示，2020年華池縣碳排量最小方案下碳排放總量為380085t，其數(shù)值明顯略高于2009年的碳排放量（361314t）、但低于規(guī)劃方案的碳排放量（422228t），由此可見此優(yōu)化方案的減排效果顯著，主要是因?yàn)榻ㄔO(shè)用地增速的放緩。從表4可以看出：在此優(yōu)化方案下，建設(shè)用地面積比原規(guī)劃方案少了1046.39hm2。耕地面積比原規(guī)劃方案增加了580.87hm2，牧草地面積比原規(guī)劃方案多了1382.05hm2。

3. 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比分析

通過將兩個(gè)不同的優(yōu)化方案與規(guī)劃目標(biāo)年數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出：若要實(shí)現(xiàn)碳儲(chǔ)積量最大化，應(yīng)適當(dāng)增加耕地、林地面積，合理減少建設(shè)用地面積;在碳排放量最小化方案下，園地面積變化微小，耕地、牧草地和其他農(nóng)用地面積有所增加，林地、建設(shè)用地和水域面積有所減少。

兩個(gè)優(yōu)化方案比較，在碳排放量最小方案下的碳排放總量減少了1047t，在碳儲(chǔ)積量最大方案下的碳儲(chǔ)積總量增加了122812t。兩個(gè)優(yōu)化方案雖然都實(shí)現(xiàn)了低碳減排目標(biāo)，但碳排放水平提升并不明顯;碳儲(chǔ)積量最大方案的碳蓄積水平提升明顯，碳儲(chǔ)積量最大優(yōu)化方案增加碳匯減少碳源的效果更佳。由此可見，建設(shè)用地、林地作為主要的碳源和碳匯，應(yīng)當(dāng)將其視為今后土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整的關(guān)注重點(diǎn)。

五、結(jié)論及討論

1. 綜合以上分析，華池縣碳儲(chǔ)積量最大優(yōu)化方案是實(shí)現(xiàn)低碳化土地利用的最佳方案。在該方案下，到2020年華池縣碳儲(chǔ)量為49479261t，碳排放量為381132t，與原規(guī)劃方案相比碳儲(chǔ)量增加了181833t，碳排放量減少了41096t，有利于增加碳匯減少碳源，符合華池縣實(shí)際情況。

2. 土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案比原規(guī)劃方案，耕地保有量增加了340hm2，林地面積增加了1042.53hm2，建設(shè)用地面積減少了1046.39hm2，建設(shè)用地的增長(zhǎng)速度被有效控制，符合用途管制要求。

3. 建設(shè)用地、林地面積的合理調(diào)整是實(shí)現(xiàn)低碳化土地利用結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。上述土地利用方案中建設(shè)用地、林地與土地利用碳循環(huán)關(guān)系最為密切，科學(xué)合理調(diào)整建設(shè)用地面積和林地面積，有利于實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的銜接和統(tǒng)一。

4. 以低碳為目標(biāo)的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整方案對(duì)增加碳儲(chǔ)量降低碳排放有顯著效果，能有效促進(jìn)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳素循環(huán)，實(shí)現(xiàn)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有利于可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，其結(jié)果符合華池縣實(shí)際情況，這為開展土地利用規(guī)劃和國(guó)土空間規(guī)劃方案編制提供了參考和借鑒。

5. 本文碳循環(huán)系數(shù)中植被碳密度及非建設(shè)用地的碳排放系數(shù)直接參考了之前學(xué)者的研究成果，一定程度上降低了模型運(yùn)算結(jié)果的精度，研究區(qū)域的碳循環(huán)系數(shù)需要進(jìn)一步的完善。

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（作者單位：楊曉東，慶陽(yáng)市自然資源勘測(cè)規(guī)劃研究院;鄒妮、程文仕，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)管理學(xué)院。程文仕為通訊作者）