基于生態(tài)系統(tǒng)服務價值的土地利用結構優(yōu)化
——以清流縣為例

高雯娜，吳玉琪，吳可欣，吳巧慧，劉艷萍，李 鳳，路春燕

（1.福建農林大學 計算機與信息學院； 2.福建農林大學 智慧農林福建省高校重點實驗室；3.福建農林大學 公共管理學院，福建 福州 350002）

1 引言

生態(tài)系統(tǒng)服務（Ecosystem Services）是指自然環(huán)境條件以及由生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)過程產生和維持的服務[1,2]。自20 世紀90 年代，中國逐步開展生態(tài)系統(tǒng)服務研究[3]，相關學者對其理論及方法進行積極探討，深刻影響了中國生態(tài)系統(tǒng)的恢復與建設。許多經濟學家認為，研究生態(tài)系統(tǒng)服務可更好地解決自然資源在不同用途之間的分配問題，通過經濟手段調節(jié)人類對生態(tài)系統(tǒng)的利用，有效保護現有的自然生態(tài)系統(tǒng)[4]。人類的生存發(fā)展需自然生態(tài)系統(tǒng)提供大量多種支撐條件，土地資源作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是經濟社會發(fā)展的寶貴資源。近年來，隨著社會經濟的不斷發(fā)展，土地消耗和需求不斷增加，土地資源無序利用使得人地關系矛盾日益突顯[5]。土地利用是生態(tài)系統(tǒng)服務供給能力衡量的核心，優(yōu)化土地利用結構已成為緩解人地矛盾的有效措施[6]。

合理的土地利用結構是生態(tài)文明建設的重要體現，目前已有眾多學者以生態(tài)系統(tǒng)服務價值為出發(fā)點對其進行研究，并取得的了豐碩的研究結果。例如，成量[7]利用多種指標對滎陽市的土地利用結構進行定量分析及空間布局優(yōu)化模擬，以提出提高區(qū)域內土地利用效率和效益的策略。楊濤等[8]和甄艷等[9]分別基于長時間序列土地利用數據和遙感影像數據分析渭河流域和若爾蓋縣土地利用結構時空變化特征，系統(tǒng)揭示研究區(qū)土地利用結構空間演變規(guī)律。劉耀林等[10]基于提高生態(tài)系統(tǒng)服務價值和空間集約度的雙重目標，利用粒子群智能算法探討了武漢市東西湖區(qū)土地利用空間優(yōu)化布局。盡管已有研究從理論和實踐層面對土地利用結構的多個科學問題進行深入研究，但對經濟、社會、生態(tài)等多目標協(xié)同下的土地利用結構優(yōu)化的研究相對欠缺。福建省清流縣地形以丘陵為主，耕地分布零散，且城鄉(xiāng)區(qū)域經濟發(fā)展極不平衡。隨社會經濟發(fā)展，生態(tài)文明建設要求地方更加注重區(qū)域協(xié)調發(fā)展以及土地利用的統(tǒng)籌分配[11]。鑒于以上，本研究以清流縣為研究對象，系統(tǒng)分析該縣土地利用現狀和動態(tài)變化特征，基于生態(tài)系統(tǒng)服務價值體系對該縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行估算；進而，以生態(tài)效益最大化為目標，運用線性規(guī)劃法對其土地利用結構進行優(yōu)化。以期明確清流縣土地利用結構與生態(tài)系統(tǒng)服務間的定量關系，為實現土地資源的可持續(xù)管理和縣域可持續(xù)發(fā)展提供科學參考。

2 研究區(qū)概況和數據來源

2.1 研究區(qū)概況

清流縣位于福建省西部，地處116°38′E～117°10′E、25°48′N～26°21′N，行政區(qū)劃轄7 鎮(zhèn)6 鄉(xiāng)、119個村 （居），總人口與總面積分別為15.21 萬和1806.32km2。該縣位于中亞熱帶季風氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛且集中，為多種農作物和經濟林生長提供了適宜的生存環(huán)境，是全國重點林業(yè)縣之一。2021 年，清流縣地區(qū)生產總值156.95 億元，占全省地區(qū)生產總值的0.32%。隨著社會經濟的發(fā)展，土地消耗和需求的不斷增加日益突顯人地關系矛盾，清流縣土地利用規(guī)劃既要滿足經濟發(fā)展對生產性需求，更要符合生態(tài)文明建設。

圖1 清流縣區(qū)位圖

2.2 數據來源

為研究清流縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值及土地利用結構優(yōu)化配置，收集2015—2021 年該縣土地利用數據、統(tǒng)計數據和規(guī)劃資料。其中，土地利用數據來源于清流縣自然資源局，數據空間分辨率為30m×30m，土地利用類型共包括耕地、園地、林地、其它農用地、建設用地、水域、濕地和難利用地等8 類；統(tǒng)計數據來源于2016—2022 年的《清流縣統(tǒng)計年鑒》《三明市統(tǒng)計年鑒》和《福建省統(tǒng)計年鑒》；規(guī)劃資料包括清流縣政府公報以及可公開獲取的自然資源局相關政策文件，用于確定土地利用結構優(yōu)化約束條件閾值。

3 研究方法

3.1 土地利用動態(tài)變化率

為定量分析研究區(qū)土地利用動態(tài)變化，選用平均變化率對各土地利用類型的年平均面積變化速率，其公式為[12]：

式中，Fi指第i 種土地利用類型研究期內的變化面積；Ki為第i 種土地利用類型研究期內的平均變化速率；Uia和Uib分別為研究期初與研究期末第i 種土地利用類型的面積；T 為研究時長。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值估算

綜合考慮研究區(qū)實際情況及數據可獲得性，本研究選用當量因子法對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行核算。根據謝高地等[13]的研究，單位生態(tài)系統(tǒng)服務價值可用平均糧食單產的1/7 估算，本研究中根據清流縣耕地面積及其主要糧食作物產值，對農田年自然糧食平均產量的經濟價值進行修正，由此確定清流縣單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子的價值量為2931.33 元/hm2。在此基礎上，參照謝高地等[14]提出的中國生態(tài)系統(tǒng)服務當量因子表，獲得各土地利用類型單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務價值，公式如下[15]：

式中，En為1hm2農田每年自然糧食平均產量的經濟價值；Vci為第i 種土地利用類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值；ESV 為清流縣生態(tài)系統(tǒng)服務總價值；n 為糧食作物種類數量；M 為清流縣糧食播種總面積；pi為第i 種糧食作物單位價格；qi為第i 種糧食作物總產量；Ci為第i 類土地利用類型的當量因子系數；Ai為第i 種土地利用類型面積。

3.3 線性規(guī)劃模型

線性規(guī)劃是常用于管理優(yōu)化的一種重要方法，該方法具有求解問題簡單、易于計算且預測速度快的特點。本研究利用該模型以2021 年為規(guī)劃基期，2030 年為優(yōu)化目標期對清流縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值達到最優(yōu)狀態(tài)時的土地利用結構進行優(yōu)化。其目標函數為：

式中：F(x)代表生態(tài)系統(tǒng)服務總價值；Vci為第i種土地利用類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值；x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7和x8分別為耕地、園地、林地、其他農用地、建設用地、水域、灘涂沼澤和難利用地的面積。

同時，為更加科學合理優(yōu)化，基于研究區(qū)經濟社會情況及相關規(guī)劃政策，設置土地總面積約束和8 個土地利用類型約束，共9 個約束條件。

4 結果與分析

4.1 土地利用動態(tài)變化

基于2015—2021 年研究區(qū)土地利用數據，分析各土地利用類型在不同時間段的動態(tài)變化（表1和圖2） 可知：2015—2021 年清流縣耕地和建設用地面積總體呈增加趨勢，分別增加70.74hm2（0.04%）和325.06hm2（0.18%）；園地、林地、其他農用地、水域和難利用地的面積呈降低趨勢，分別減少83.99hm2、261.5hm2、22.79hm2、6.80hm2和20.72hm2。就變化速率而言，建設用地面積增加速率最快，達6.16%；園地面積減少速率最快為2.35%。

表1 2015-2021 年清流縣土地利用類型面積變化

表2 2030 年生態(tài)系統(tǒng)服務價值最大情境下土地利用結構

圖2 2015-2021 年清流縣各土地利用類型面積占比

4.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值動態(tài)變化

基于當量因子法，得到2015—2021 年清流縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值及功能價值，如圖3 和圖4 所示。2015—2021 年清流縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值總體呈現下降趨勢，由2015 年的1.33×106萬元減少至2021 年的1.32×106萬元，變化率為-0.19%。就各土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務價值而言，2015—2021年清流縣園地、林地、水域及難利用地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值量均呈下降趨勢，其中，林地生態(tài)系統(tǒng)服務價值減少最大，減少2155.48 萬元，減少率為0.16%；園地生態(tài)系統(tǒng)服務價值減少率最大，減少率為2.35%，減少490.17 萬元；耕地生態(tài)系統(tǒng)服務價值增加163.82 萬元，增加率為0.52%；水域生態(tài)系統(tǒng)服務價值減少90.40 萬元，減少率為0.34%；難利用地生態(tài)系統(tǒng)服務價值減少率為8.44%。

圖3 2015-2021 年清流縣不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務價值對比

圖4 2015—2021 年清流縣不同生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值對比

就不同生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值而言，盡管各項生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值占總價值的比例變化較小，但不同功能間的價值量存在顯著差異； 各項生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值量由大到小依次為： 維持生物多樣性>水文調節(jié)>氣體調節(jié)>氣候調節(jié)>保持土壤>原材料生產>提供美學景觀>廢物處理>食物生產。

4.3 基于生態(tài)系統(tǒng)服務價值的土地利用結構優(yōu)化

基于線性規(guī)劃模型，得到2023 年生態(tài)系統(tǒng)服務價值最大情景下的土地利用結構。相較于2021年，優(yōu)化后2030 年的研究區(qū)總生態(tài)系統(tǒng)服務價值將增加791.23 萬元，增加率為0.06%。優(yōu)化后各土地利用類型中，園地面積減少最大，減少134.08hm2，其生態(tài)系統(tǒng)服務價值減少782.55 萬元； 林地面積增加最大為191.3hm2，其生態(tài)系統(tǒng)服務價值增加1576.83 萬元；難利用地面積減少0.47%，其生態(tài)系統(tǒng)服務價值減少3.05 萬元； 在約束條件及生態(tài)效益最大化的條件下耕地、建設用地、水域、濕地面積未有變化。

5 結論

本研究選擇清流縣為研究對象，量化分析其2015—2021 年土地利用動態(tài)變化，并運用當量因子法對該縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值核算。在此基礎上，構建生態(tài)系統(tǒng)服務價值最大情境下該縣土地利用結構線性規(guī)劃模型，確定該縣2030 年最優(yōu)土地利用結構。主要結論如下：

（1）2015—2021 年清流縣土地利用類型中林地占主導地位，約占該縣總面積的83%；建設用地面積變化率最大，由2015 年的528.41hm2到2021年的5605.47hm2，增長率為6.16%；林地面積減少最多，研究期內共減少261.50hm2。

（2）2015—2021 年清流縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值總體呈下降趨勢，共減少2580.67 萬元。在各項生態(tài)服務的功能價值中，維持生物多樣性的價值量占比最大，其價值量約為21 億，約占總價值量的16%。

（3）當2030 年土地利用結構達到生態(tài)系統(tǒng)服務價值最大情景下，林地增加191.30hm2，園地、其他農用地和難利用地分別減少134.08hm2、49.72 hm2和7.49hm2，相較于2021 年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值增加791.23 萬元。