生態(tài)文明視角下環(huán)首都區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

杜勝男，郭愛請

(河北地質(zhì)大學(xué)土地科學(xué)與空間規(guī)劃學(xué)院，河北石家莊 050031)

生態(tài)文明是人類社會(huì)經(jīng)歷了農(nóng)業(yè)文明和工業(yè)文明后進(jìn)入的更高水平的發(fā)展階段[1]，它追求人與自然和諧相處，強(qiáng)調(diào)資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)。中共十九屆四中全會(huì)提出建立高度協(xié)調(diào)的生態(tài)文明體系，開辟經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的新道路，實(shí)現(xiàn)建設(shè)美麗中國的新目標(biāo)[2]。環(huán)首都區(qū)域城市化進(jìn)程的加快和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展對生態(tài)環(huán)境造成了巨大的壓力，成為制約京津冀地區(qū)可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程的“短板”[3]，然而生態(tài)文明建設(shè)是應(yīng)對目前我國資源環(huán)境生態(tài)約束、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇[4]。因此，解決該區(qū)域人地矛盾、進(jìn)行土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化對統(tǒng)籌區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展、推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義和實(shí)用價(jià)值。

土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化是以一個(gè)地區(qū)土地利用的綜合效益最大化為目標(biāo)，在數(shù)量上調(diào)整各類用地的比例，在空間上保持良性的土地系統(tǒng)循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)土地供需平衡[5]。國內(nèi)外研究學(xué)者多從生態(tài)綠當(dāng)量[6-7]、生態(tài)足跡[8-9]、土壤生態(tài)指數(shù)[10]、碳排放[11-12]、土地生態(tài)安全[13]以及建立多目標(biāo)規(guī)劃模型[14-15]等視角進(jìn)行土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化，而對于協(xié)調(diào)人地關(guān)系的有效理論——土地生態(tài)承載力研究較少。因此該研究從生態(tài)文明角度出發(fā)，構(gòu)建具有生態(tài)文明內(nèi)涵及特征的土地生態(tài)承載力指標(biāo)體系，對2018年環(huán)首都區(qū)域13個(gè)縣(市、區(qū))的土地生態(tài)承載力進(jìn)行評價(jià)，分析該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境狀況，再按其綜合指數(shù)大小和地區(qū)概況進(jìn)行區(qū)域劃分；在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用多目標(biāo)規(guī)劃模型，制定符合該區(qū)域經(jīng)濟(jì)與生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展的優(yōu)化目標(biāo)，對環(huán)首都區(qū)域進(jìn)行土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以期為環(huán)首都區(qū)域土地資源的合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)，也為類似地區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況環(huán)首都區(qū)域是指北京周邊的隸屬于河北省4個(gè)地級(jí)市的部分縣區(qū)所組成的區(qū)域，包括廊坊、保定、張家口和承德的13個(gè)縣(市、區(qū))，其各縣(市、區(qū))的地形地貌存在著較大的差異(圖1)。涿州市、固安縣、廊坊市區(qū)(包含安次區(qū)和廣陽區(qū))分布在南部地區(qū)，地勢起伏較小，地處華北平原；淶水縣、赤城縣、涿鹿縣和懷來縣分布在西部海拔較高地區(qū)，地形大部分是山地、丘陵和溝壑等，地勢起伏較大；興隆縣、灤平縣和豐寧滿族自治縣分布在北部壩上地區(qū)，森林面積較多，但是生態(tài)環(huán)境狀況比較嚴(yán)峻，地理?xiàng)l件也較惡劣；香河縣、大廠回族自治縣和三河市分布在東部地區(qū)，地形平坦，多為平原，發(fā)展較好。以新興產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)的環(huán)首都區(qū)域總土地面積為30 251.69 km2，占河北省面積的16.02%，是北京市的1.84倍。

圖1 環(huán)首都區(qū)域地理位置Fig.1 Geographical location of the region around the capital

截至2018年底，環(huán)首都區(qū)域的國內(nèi)生產(chǎn)總值為2 987.95億元，占河北省國內(nèi)生產(chǎn)總值的9.20%，除了淶水縣、涿鹿縣和赤城縣外的10個(gè)縣(市、區(qū))的國內(nèi)生產(chǎn)總值均超過了100億元，涿州市、三河市和廊坊市區(qū)的國內(nèi)生產(chǎn)總值均超過了300億元，廊坊市區(qū)甚至達(dá)700億元，可見環(huán)首都各縣(市、區(qū))經(jīng)濟(jì)發(fā)展相差懸殊。除此之外，環(huán)首都區(qū)域的農(nóng)民人均可支配收入也呈兩極分化的態(tài)勢。三河市、涿州市和香河縣的農(nóng)民人均可支配收入在13個(gè)縣(市、區(qū))中位列前3名，分別為19 122、18 398和180 042元，其中三河市的農(nóng)民人均可支配收入是豐寧滿族自治縣的2倍以上。

1.2 數(shù)據(jù)來源土地生態(tài)承載力指標(biāo)數(shù)據(jù)主要來自2015—2019年的《中國縣域統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》《河北經(jīng)濟(jì)年鑒》《廊坊經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒》《保定經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒》《張家口經(jīng)濟(jì)年鑒》《承德統(tǒng)計(jì)年鑒》和各個(gè)地級(jí)市統(tǒng)計(jì)局中的年報(bào)，通過直接或間接換算可得，部分指標(biāo)數(shù)據(jù)不同來源存在差異以年鑒為準(zhǔn)。各類土地面積數(shù)據(jù)主要從各市地圖的遙感影像中提取得到。

1.3 研究方法

1.3.1環(huán)首都區(qū)域土地生態(tài)承載力評價(jià)。

1.3.1.1評價(jià)指標(biāo)體系的建立。該研究基于相關(guān)研究成果[16]，并結(jié)合環(huán)首都區(qū)域的實(shí)際情況，緊扣生態(tài)文明特征及內(nèi)涵從生態(tài)負(fù)荷、生態(tài)保護(hù)、生態(tài)功能和生態(tài)經(jīng)濟(jì)等方面共選取17個(gè)評價(jià)指標(biāo)。由于各指標(biāo)對于土地生態(tài)承載力的影響效果不同，所以將指標(biāo)分為正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)；正向指標(biāo)數(shù)值越大，說明評價(jià)區(qū)域土地生態(tài)承載力水平越高；負(fù)向指標(biāo)數(shù)值越大，說明評價(jià)區(qū)域土地生態(tài)承載力水平越低[17]，最后設(shè)計(jì)出環(huán)首都區(qū)域土地生態(tài)承載力評價(jià)指標(biāo)體系，見表1。

表1 環(huán)首都區(qū)域土地生態(tài)承載力評價(jià)指標(biāo)體系Table 1 Evaluation index system of land ecological carrying capacity in the region around the capital

1.3.1.2指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理。該研究采用極差標(biāo)準(zhǔn)化法[18]對指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，確定了環(huán)首都區(qū)域13個(gè)縣(市、區(qū))各個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值，即運(yùn)用公式(1)和公式(2)來確定正負(fù)向指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值。

(1)

(2)

式中，Yj為第j個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值(j=1，2，…，17)；Xij為第i(i=1，2，…，5)年第j個(gè)指標(biāo)的數(shù)值；max(Xj)為實(shí)測最大值；min(Xj)為實(shí)測最小值。

1.3.1.3指標(biāo)權(quán)重的確定。為指標(biāo)設(shè)定權(quán)重是指標(biāo)體系評估過程中的關(guān)鍵步驟，指標(biāo)的權(quán)重表明指標(biāo)在評估體系中的重要性和貢獻(xiàn)性，這直接影響評估的最終結(jié)果。設(shè)定權(quán)重的方法有很多，該研究采用AHP層次分析法[19]來確定各指標(biāo)的權(quán)重，此法是專家在主觀上對權(quán)重進(jìn)行設(shè)定的方法，其原理是依據(jù)專家對此方面研究的經(jīng)驗(yàn)，判斷出兩項(xiàng)因素之間誰比較重要，從而進(jìn)行打分。打分過程中，為了排除可能存在的權(quán)威干擾以及集中專家們的智慧，專家之間不得相互討論[20]。運(yùn)用AHP層次分析法，最終得到17個(gè)土地生態(tài)承載力評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重(表2)。

表2 土地生態(tài)承載力評價(jià)各指標(biāo)權(quán)重Table 2 The weight of each index in the evaluation of land ecological carrying capacity

1.3.1.4土地生態(tài)承載力測算。采用綜合指數(shù)法構(gòu)建指數(shù)公式和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，利用公式(3)得出2018年環(huán)首都區(qū)域13縣(市、區(qū))的土地生態(tài)承載力綜合指數(shù)。

(3)

式中，Aj為土地生態(tài)承載力；Yj為第j個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值(j=1，2，…，17)；Wj為第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

1.3.2環(huán)首都區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型構(gòu)建。

(1)土地經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)函數(shù)。在土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，經(jīng)濟(jì)效益對土地利用具有重要的作用。具體函數(shù)如下[21]：

(4)

式中，F(xiàn)1(x)為土地經(jīng)濟(jì)效益(萬元)；ei為目標(biāo)年某類用地單位面積的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出(萬元/hm2)；xi為某類用地的面積(hm2)。

(2)土地生態(tài)效益目標(biāo)函數(shù)。該研究的土地生態(tài)效益測算是基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值理論[22]進(jìn)行的。我國在評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能時(shí)，主要以謝高地等[23]的研究成果為準(zhǔn)則，謝高地等參考Costanza等[24]和其他生態(tài)學(xué)相關(guān)學(xué)者對這項(xiàng)成果評估方法的大量實(shí)證研究[25-27]，制定出適合我國的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表(表3)。將林地與草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值因子的平均值定位園地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值因子，未利用地由于不具有生產(chǎn)能力，所以按照荒漠的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值因子進(jìn)行確定。然后根據(jù)區(qū)域的主要糧食產(chǎn)量及市場價(jià)格對該表生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)進(jìn)行修正，其修正公式[23]如下：

(5)

Vc=∑(fij×Ea)

(6)

式中，Ea為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)提供食物生產(chǎn)服務(wù)功能的經(jīng)濟(jì)價(jià)值(元/hm2)；i為該地區(qū)主要的糧食種類；pi為i類糧食作物的平均價(jià)格(元/kg)；qi為i類糧食作物單產(chǎn)(kg/hm2)；mi為i類糧食作物面積(hm2)；M為糧食作物的總面積(hm2)。Vc為各項(xiàng)生態(tài)用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)；fij為第j類生態(tài)系統(tǒng)中i類生態(tài)服務(wù)所提供的生態(tài)服務(wù)因子當(dāng)量。

表3 我國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子Table 3 China’s terrestrial ecosystem service value equivalent factor

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)首都區(qū)域土地生態(tài)承載力分析從表4可以看出，2018年環(huán)首都區(qū)域13縣(市、區(qū))的土地生態(tài)承載力綜合指數(shù)整體處于0.2～0.5，土地生態(tài)承載力較低，需要通過土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化來提高土地生態(tài)承載力。

將環(huán)首都區(qū)域按照生態(tài)承載力大小以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和所處的地理位置、地形地貌等進(jìn)行區(qū)域劃分，能更具有針對性地對區(qū)域進(jìn)行土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化，分區(qū)結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，Ⅰ區(qū)包括淶水縣、涿州市和固安縣，Ⅱ區(qū)包括大廠回族自治縣、香河縣、三河市和廊坊市區(qū)，Ⅲ區(qū)包括豐寧滿族自治縣、灤平縣和興隆縣，Ⅳ區(qū)包括涿鹿縣、懷來縣和赤城縣。

淶水縣、涿州市和固安縣位于北京西南部，主要發(fā)展農(nóng)業(yè)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展參差不齊，土地生態(tài)承載力綜合指數(shù)相對較高。這3個(gè)縣市的單位面積林業(yè)產(chǎn)值、土地經(jīng)濟(jì)密度和第三產(chǎn)業(yè)所占比重逐年提高，經(jīng)濟(jì)發(fā)展穩(wěn)步增長?；视昧?、污水排放量也相對較低，不僅可以保護(hù)土壤的生物多樣性和有機(jī)質(zhì)含量，還可防止農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量由于化肥的過量使用而下降。但是該地區(qū)造林面積、林地面積比重、園地面積比重、綠化覆蓋率都不是很高，園林與綠化不僅可以美化環(huán)境，對于改善生態(tài)環(huán)境也有顯著作用，所以政府對于該地區(qū)綠化工作的開展還有待提高。因此，這3個(gè)縣市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)沒有實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

表4 2018年環(huán)首都區(qū)域13縣(市、區(qū))的土地生態(tài)承載力綜合指數(shù)Table 4 Comprehensive index of land ecological carrying capacity of 13 counties(cities and districts)around the capital in 2018

大廠回族自治縣、香河縣、三河市和廊坊市區(qū)地處平原地區(qū)，地形起伏較小，交通網(wǎng)絡(luò)較發(fā)達(dá)，該地區(qū)的土地生態(tài)承載力綜合指數(shù)相對處于中等水平。該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，第三產(chǎn)業(yè)較為發(fā)達(dá)，人均GDP均高于4萬元，廊坊市區(qū)甚至高達(dá)10萬元。但是人均綠地面積、造林面積、林地面積比重、草地面積比重相對來說較低，城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積占較大比例。該地區(qū)單位播種面積的農(nóng)藥施用量以及污水排放量較大，對土壤污染較嚴(yán)重，破壞土壤中的生物多樣性，給生態(tài)環(huán)境造成一定的壓力，嚴(yán)重影響了土壤健康狀況和作物品質(zhì)，其中還有一部分會(huì)揮發(fā)到空氣中造成大氣污染，危害人類健康。因此，優(yōu)先保護(hù)生態(tài)環(huán)境應(yīng)是該地區(qū)的未來發(fā)展目標(biāo)。

豐寧滿族自治縣、灤平縣和興隆縣分布于北部海拔較高的壩上地區(qū)，高山深谷，土地生態(tài)承載力綜合指數(shù)處于中下等水平。該縣域的森林覆蓋率在整個(gè)環(huán)首都區(qū)域中居于首位，對生態(tài)環(huán)境有改善作用的林地、園地和草地的面積比重較高，并且化肥施用量和污水排放量相對來說較低，這均有利于提高該地區(qū)的生態(tài)承載力水平。但是該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不高，土地經(jīng)濟(jì)密度和人均GDP處于低等水平，第三產(chǎn)業(yè)在總地區(qū)生產(chǎn)總值中的比重較小，城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積較少。因此，應(yīng)注重該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的協(xié)同。

涿鹿縣、懷來縣和赤城縣的平均海拔均大于400 m，地形以山地、丘陵為主，其土地生態(tài)承載力綜合指數(shù)較低，經(jīng)濟(jì)水平落后。這3個(gè)縣的土地經(jīng)濟(jì)密度、人均GDP、單位面積林業(yè)產(chǎn)值和城鎮(zhèn)化率相對較低，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程較為緩慢。由于該區(qū)域處于首都生態(tài)保護(hù)的重要區(qū)域，近幾年來生態(tài)環(huán)境有所好轉(zhuǎn)，化肥施用量和污水排放量在近幾年都有所減少，該區(qū)域的綠化覆蓋率和林地面積比重有所增加，可見政府對于該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境治理的重視程度，這就對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)產(chǎn)生了積極作用。因此該區(qū)域應(yīng)該在注重生態(tài)環(huán)境治理工作的過程中，努力發(fā)展經(jīng)濟(jì)，才能實(shí)現(xiàn)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。

圖2 環(huán)首都區(qū)域分區(qū)Fig.2 Regional division in the region around capital

2.2 環(huán)首都區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化土地資源具有稀缺性和有限性，為實(shí)現(xiàn)生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益最大化，有必要優(yōu)化其土地利用結(jié)構(gòu)，這有利于合理安排土地資源利用類型的數(shù)量和空間布局，并尋求優(yōu)化土地利用方式分配的途徑。這不僅可以為首都圈的規(guī)劃建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)，還可以促進(jìn)區(qū)域發(fā)展，實(shí)現(xiàn)人與自然的協(xié)同[28]。因此，參照以上研究成果，以環(huán)首都區(qū)域的分區(qū)結(jié)果為前提，對環(huán)首都區(qū)域進(jìn)行土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化。由于每個(gè)區(qū)域有不同的特點(diǎn)，所以根據(jù)實(shí)際情況來確定不同的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)，從而建立不同的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。

2.2.1環(huán)首都區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型構(gòu)建。由環(huán)首都4個(gè)區(qū)域的分析可知，I區(qū)、Ⅱ區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好，但是生態(tài)環(huán)境情況相對嚴(yán)峻，因此這個(gè)區(qū)域應(yīng)以生態(tài)效益優(yōu)先為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化時(shí)要優(yōu)先考慮林地、水域、草地等土地生態(tài)承載力較高的土地；Ⅲ區(qū)和IV區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對落后，生態(tài)環(huán)境情況相對較好，但也存在生態(tài)問題，因此為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)協(xié)同發(fā)展，應(yīng)以經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益并重為優(yōu)化目標(biāo)，在提高土地生態(tài)效益的同時(shí)也要考慮到土地經(jīng)濟(jì)效益。

2.2.1.1研究變量設(shè)置。通過對環(huán)首都區(qū)域土地類型的分析，并且考慮到設(shè)置變量的合理性、易操作性和易獲得性，依據(jù)各縣(市、區(qū))《土地利用總體規(guī)劃》的用地類型的劃分準(zhǔn)則以及土地利用的分類原則，進(jìn)行地類的對照，便于界定各地類的優(yōu)化條件，最終設(shè)置林地、耕地、草地、園地、水域、交通運(yùn)輸用地、居民點(diǎn)及工礦用地、未利用地共8個(gè)變量，其中居民點(diǎn)及工礦用地包括城鎮(zhèn)和農(nóng)村建設(shè)用地、工礦及倉儲(chǔ)用地和特殊用地。

2.2.1.2目標(biāo)函數(shù)建立。

(1)土地經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)函數(shù)。該研究運(yùn)用相對權(quán)益系數(shù)法來預(yù)測某種地類的單位面積經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出，用該用地類型所對應(yīng)的GDP來進(jìn)行估算。其中用林業(yè)、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和漁業(yè)的產(chǎn)值來表征林地、耕地、草地和水域的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出；用園林水果和茶葉的產(chǎn)值來表征園地的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出；交通運(yùn)輸用地和居民點(diǎn)及工礦用地等建設(shè)用地用第二三產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值來表征。由于未利用地經(jīng)濟(jì)效益較低，按照前人的研究[21]將相對權(quán)益系數(shù)定為0.000 4。因此根據(jù)2014—2018年4個(gè)區(qū)域的相對權(quán)益系數(shù)，采用線性回歸預(yù)測法，估算得出2025年的相對權(quán)益系數(shù)。4個(gè)區(qū)域的經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)函數(shù)按順序排列如下：

F11(x)=0.990 9X1+10.870 4X2+28.824 8X3+37.459 8X4+0.123 9X5+250.104 2(X6+X7)+0.000 4X8

F12(x)=7.388 6X1+2.158 2X2+20.605 7X3+3.121 1X4+0.730 5X5+244.207 4(X6+X7)+0.000 4X8

F13(x)=0.121 9X1+7.032 4X2+0.853 8X3+11.321 4X4+0.041 5X5+75.165 6(X6+X7)+0.000 4X8

F14(x)=4.941 5X1+1.197 9X2+0.357 1X3+1.290 3X4+0.046 9X5+64.185 5(X6+X7)+0.000 4X8

(2)土地生態(tài)效益目標(biāo)函數(shù)。由于環(huán)首都區(qū)域13縣(市、區(qū))的糧食種植結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以該研究將各個(gè)縣(市、區(qū))的每年農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值及農(nóng)作物總播種面積帶入公式(5)進(jìn)行計(jì)算。確定各區(qū)域2009—2018年每年的農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值及農(nóng)作物播種面積，然后對10年間的對應(yīng)指標(biāo)取平均值進(jìn)行計(jì)算，最后均值結(jié)果見表5。

表5 環(huán)首都4個(gè)區(qū)域農(nóng)作物種植情況均值Table 5 Average value of crop planting situation in the four regions around the capital

再根據(jù)公式(6)計(jì)算出各區(qū)域的各項(xiàng)生態(tài)用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)。其中將為提高該地區(qū)城市環(huán)境水準(zhǔn)而投資的年均值作為建設(shè)用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)[29]。環(huán)首都4個(gè)區(qū)域的土地生態(tài)效益目標(biāo)函數(shù)按順序排列如下：

F21(x)=18.531 2X1+5.860 4X2+6.352 3X3+12.441 7X4+38.978 5X5+2.368 6(X6+X7)+0.076 3X8

F22(x)=22.180 5X1+7.014 5X2+7.603 3X3+14.891 9X4+46.665 4X5+4.308 0(X6+X7)+0.091 4X8

F23(x)=40.779 6X1+12.896 4X2+13.978 9X3+27.379 2X4+85.795 7X5+4.127 5(X6+X7)+0.168 0X8

F24(x)=36.476 0X1+11.535 4X2+12.503 7X3+24.489 9X4+76.741 6X5+4.333 6(X6+X7)+0.150 2X8

2.2.1.3約束條件設(shè)置。在確定多目標(biāo)函數(shù)的值時(shí)，要利用不同的約束條件來對變量進(jìn)行設(shè)定，以得到可行且具有參考性的優(yōu)化結(jié)果。其主要約束條件如下：

(1)土地總面積約束條件。根據(jù)總面積的均衡原理，優(yōu)化前和優(yōu)化后的區(qū)域土地總面積要保持一致。

(2)林地面積約束條件。林地?fù)碛泻芨叩纳鷳B(tài)系統(tǒng)功能價(jià)值，是不可或缺的生態(tài)用地之一，根據(jù)《土地利用總體規(guī)劃》以及保護(hù)政策，未來規(guī)劃的面積不得低于現(xiàn)有的林地面積。

(3)耕地面積約束條件。農(nóng)業(yè)是重要的資源產(chǎn)業(yè)之一，我國較為重視農(nóng)業(yè)的發(fā)展，所以在我國耕地保護(hù)政策中明確規(guī)定，未來的耕地面積不得減少，不得低于現(xiàn)狀面積。

(4)草地、園地面積約束條件。根據(jù)研究區(qū)域2009—2018年的數(shù)據(jù)變化趨勢，對2025年草地、園地面積進(jìn)行多項(xiàng)式曲線預(yù)測并對其進(jìn)行分析，從而設(shè)置約束條件。

(5)水域面積約束條件。水域面積的增減與水資源對耕地的供應(yīng)有關(guān)，水域?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境的改善有一定的積極作用。環(huán)首都區(qū)域《土地利用總體規(guī)劃》關(guān)于水土保持生態(tài)修復(fù)的相關(guān)政策中提到，要維持水土資源數(shù)量的穩(wěn)定性，不應(yīng)該對其進(jìn)行濫用。因此采用上述預(yù)測方法對2025年的水域面積進(jìn)行預(yù)測，并結(jié)合2018年的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)設(shè)置約束條件。

(6)交通運(yùn)輸用地面積約束條件。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通運(yùn)輸條件需要得到進(jìn)一步的改善，并且提高交通運(yùn)輸用地的比例還可以更好地完善城鎮(zhèn)交通系統(tǒng)，因此交通運(yùn)輸用地要大于2018年的現(xiàn)狀用地。結(jié)合對目標(biāo)年交通運(yùn)輸用地面積的預(yù)測來設(shè)置約束條件。

(7)居民點(diǎn)及工礦用地面積約束條件。其中農(nóng)村居民點(diǎn)隨著閑置、廢棄土地的整理和復(fù)墾，以及城鄉(xiāng)建設(shè)用地上升的聯(lián)結(jié)政策的實(shí)施，農(nóng)村居民點(diǎn)在未來會(huì)呈現(xiàn)出下降的趨勢；城鎮(zhèn)工礦用地會(huì)隨著未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的增加而增加。因此要結(jié)合近5年(2014—2018年)的土地利用類型數(shù)量的研究來確定居民點(diǎn)及工礦用地面積的走勢，從而設(shè)定約束條件。

(8)未利用地面積約束條件。未利用地是地區(qū)發(fā)展的儲(chǔ)備資源，依據(jù)規(guī)劃未利用地的總量會(huì)伴隨城市化進(jìn)程的發(fā)展而縮減，這樣未利用地能夠得到充分的利用，從而有利于提高土地的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

2.2.2環(huán)首都區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。該研究選取多目標(biāo)規(guī)劃法，使用運(yùn)籌學(xué)LINGO軟件，將目標(biāo)函數(shù)和約束條件二者結(jié)合起來，對I區(qū)、Ⅱ區(qū)構(gòu)建以生態(tài)效益優(yōu)先的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，對Ⅲ區(qū)和IV區(qū)構(gòu)建以經(jīng)濟(jì)和生態(tài)并重為目標(biāo)的優(yōu)化模型，最終得到2025年環(huán)首都4個(gè)區(qū)域的優(yōu)化方案，并與2018年各地區(qū)土地利用情況進(jìn)行對比，如表6所示。

由表6可知，環(huán)首都區(qū)域的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案主要有以下特征：

(1)林地面積增加。I區(qū)、Ⅱ區(qū)的綠化覆蓋率、林地面積比重、造林面積相對較低，對土地生態(tài)承載力產(chǎn)生一定的消極作用，因此其優(yōu)化結(jié)果以林地面積的增長為主，增長率分別為7.34%、15.17%。而Ⅲ區(qū)和IV區(qū)的地形多以山地丘陵為主，森林覆蓋率較高，因此其優(yōu)化結(jié)果中林地面積的增長不是很大，增長率分別為0.49%、0.57%。森林可以吸收工業(yè)產(chǎn)生的二氧化碳和有害氣體，起到凈化空氣、保護(hù)人體健康的作用。所以林地面積需求量的增加，不僅體現(xiàn)在碳氧調(diào)節(jié)等生態(tài)功能的發(fā)揮上，還體現(xiàn)在該地區(qū)生態(tài)景觀的豐富度上，變相地促進(jìn)了旅游業(yè)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)繁榮。

(2)耕地面積保持不變。在頒布的國家耕地保護(hù)政策中規(guī)定，耕地面積不應(yīng)低于現(xiàn)狀面積，因此在優(yōu)化過程中，耕地面積維持不變，2018年環(huán)首都4個(gè)區(qū)域的耕地保有量分別為2 571.75萬、2 553.15萬、3 030.75萬和2 688.60萬hm2。因此，在保證耕地安全的前提下，環(huán)首都區(qū)域的耕地對整個(gè)生態(tài)用地結(jié)構(gòu)的調(diào)整有一定的促進(jìn)作用。然而近幾年環(huán)首都區(qū)域的人均耕地面積處于下降的趨勢，對該地生態(tài)承載力具有一定的負(fù)影響。因此，應(yīng)該在合理推行計(jì)劃生育政策的基礎(chǔ)之上，大力加強(qiáng)對耕地的保護(hù)措施。

(3)草地和園地面積減少。這主要是因?yàn)閷⒉莸睾蛨@地轉(zhuǎn)化為林地可以獲得更高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，從而在增加森林覆蓋率和改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮有益作用。

(4)水域面積保持不變。水域具有發(fā)揮涵養(yǎng)水源的生態(tài)功能，對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生積極作用，有助于提高生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)效益。保持水域面積的穩(wěn)定，其漁業(yè)產(chǎn)值也會(huì)在其影響下保持相應(yīng)的穩(wěn)定，從而保證該地區(qū)漁業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益不下降。

(5)交通運(yùn)輸用地、居民點(diǎn)及工礦用地在各區(qū)的優(yōu)化過程中有不同程度的增加。在以生態(tài)效益優(yōu)先為目標(biāo)優(yōu)化的I區(qū)、Ⅱ區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好，由于建設(shè)用地對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)，所以在確保城市化進(jìn)程向前推動(dòng)的情況下，對建設(shè)用地的肆意擴(kuò)張應(yīng)當(dāng)進(jìn)行合理的調(diào)控，并且集約利用城市用地將有利于緩解建設(shè)用地的擴(kuò)張對生態(tài)環(huán)境所造成的壓力，因此，保持建設(shè)用地面積不變或略微的增加有利于提高該區(qū)域的生態(tài)效益。在以經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益并重為優(yōu)化目標(biāo)的Ⅲ區(qū)、IV區(qū)，交通運(yùn)輸用地、居民點(diǎn)及工礦用地面積都相應(yīng)的增加，這主要是由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，擴(kuò)大了對交通運(yùn)輸用地、居民點(diǎn)及工礦用地等建設(shè)用地的需求量，從而提高該區(qū)域的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)水平的上升，推動(dòng)區(qū)域的經(jīng)濟(jì)與生態(tài)共同發(fā)展。

(6)未利用地均進(jìn)行了優(yōu)化配置。相比較2018年環(huán)首都區(qū)域的土地現(xiàn)狀，4個(gè)區(qū)域未利用地面積分別降低了1.16%、8.59%、6.79%和1.93%。未利用地作為區(qū)域發(fā)展的儲(chǔ)備資源，會(huì)隨著社會(huì)的發(fā)展出現(xiàn)減少的現(xiàn)象。集約利用和優(yōu)化配置未利用地有利于該區(qū)域土地資源的可持續(xù)發(fā)展，并且提高生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益，推動(dòng)社會(huì)的快速發(fā)展。

3 討論與結(jié)論

該研究以環(huán)首都區(qū)域13個(gè)縣(市、區(qū))為研究區(qū)域，梳理國內(nèi)外關(guān)于土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究相關(guān)文獻(xiàn)，基于生態(tài)文明視角，從生態(tài)負(fù)荷、生態(tài)保護(hù)、生態(tài)功能和生態(tài)經(jīng)濟(jì)4個(gè)方面對2018年環(huán)首都區(qū)域13個(gè)縣(市、區(qū))進(jìn)行土地生態(tài)承載力評價(jià)，分析各區(qū)域所存在的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)問題，從而確定該區(qū)域未來的發(fā)展方向。在此基礎(chǔ)上按照不同區(qū)域發(fā)展方向設(shè)定適合的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)，從而得到相應(yīng)的優(yōu)化方案，該方案有利于推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，促進(jìn)環(huán)首都區(qū)域的經(jīng)濟(jì)與生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展。具體結(jié)果如下：

(1)通過對2018年環(huán)首都區(qū)域13縣(市、區(qū))的土地生態(tài)承載力評價(jià)分析可得出，這13個(gè)縣(市、區(qū))的土地生態(tài)承載力綜合指數(shù)之所以較低，主要是因?yàn)榛实倪^度施用和污水的過度排放，導(dǎo)致土壤遭受嚴(yán)重污染，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降，最終危及人類自身。林地面積比重、人均綠地面積和造林面積的不足也是造成土地生態(tài)承載力較低的主要原因，因?yàn)榫G化率不足容易造成區(qū)域的防風(fēng)固沙功能減弱，從而產(chǎn)生風(fēng)沙天氣，影響生態(tài)環(huán)境以及人類的正常生活。除此之外，區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展情況也是影響土地生態(tài)承載力的主要原因之一。

(2)在優(yōu)化過程中，要根據(jù)區(qū)域的實(shí)際情況選擇適合該區(qū)域的優(yōu)化目標(biāo)，即對經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的地區(qū)不能一味地以提高生態(tài)效益為唯一發(fā)展目標(biāo)，而應(yīng)該在保障當(dāng)?shù)鼐用裆钏降幕A(chǔ)上再進(jìn)行生態(tài)環(huán)境的改善。然而發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)也不能一味地以破壞生態(tài)環(huán)境為代價(jià)，要做到社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)人地協(xié)同的良好局面。

(3)由優(yōu)化方案可知，適當(dāng)增加林地的面積，不僅能夠充分發(fā)揮涵養(yǎng)水源、碳氧調(diào)節(jié)等生態(tài)系統(tǒng)的功能，還有利于該區(qū)域生態(tài)景觀豐富度的提高，從而大力發(fā)展該區(qū)域的旅游業(yè)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與繁榮。對于耕地，根據(jù)我國現(xiàn)有的耕地保護(hù)政策以及目前我國存在的糧食安全問題，應(yīng)該保障耕地面積不低于現(xiàn)狀面積。但是隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，城市建設(shè)用地不斷增加，造成了建設(shè)用地占用耕地等一系列問題。這就要求應(yīng)當(dāng)遵守“占補(bǔ)平衡”政策，合理控制建設(shè)用地的無序擴(kuò)張，在滿足社會(huì)發(fā)展對交通運(yùn)輸用地、居民點(diǎn)及工礦用地的需求的同時(shí)提升耕地質(zhì)量，積極進(jìn)行土地整理、復(fù)墾等工作。對于未利用地，要合理地進(jìn)行集約利用，使之發(fā)揮出最大的潛力，從而提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。