基于生態(tài)環(huán)境保護的發(fā)達地區(qū)土地資源調(diào)控研究＊

孫 華 趙 晶 屈慶增

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)土地管理學(xué)院,江蘇南京 210095)

基于生態(tài)環(huán)境保護的發(fā)達地區(qū)土地資源調(diào)控研究＊

孫 華 趙 晶 屈慶增

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)土地管理學(xué)院,江蘇南京 210095)

研究目的:利用協(xié)調(diào)發(fā)展度定量評價無錫市土地利用與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系,并選擇適合無錫市的調(diào)控模式,促進生態(tài)環(huán)境與土地利用協(xié)調(diào)發(fā)展,從而達到土地資源可持續(xù)利用。研究方法:文獻分析法、協(xié)調(diào)發(fā)展度模型法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型法。研究結(jié)果:無錫市土地利用與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展度總體上呈現(xiàn)不斷增加趨勢,其中統(tǒng)籌兼顧模式較好的協(xié)調(diào)了土地利用與生態(tài)環(huán)境的矛盾。研究結(jié)論:運用協(xié)調(diào)發(fā)展度模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對土地利用與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展進行評價和調(diào)控,具有較高的可信度與可操作性。

協(xié)調(diào)發(fā)展;評價;調(diào)控;無錫市

隨著“國際地圈與生物圈計劃”(IGBP)與“全球環(huán)境變化中的人文領(lǐng)域計劃”(I HDP)等研究計劃的開展[1-2],土地利用變化對生態(tài)環(huán)境的影響得到深入研究[3-6]。但是,對于如何協(xié)調(diào)土地利用與生態(tài)環(huán)境關(guān)系的研究較少,特別是土地利用與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的調(diào)控幾乎無人涉及。鑒于無錫市經(jīng)濟發(fā)展水平較高,人口密度較大,生態(tài)環(huán)境問題突出。因此,本文以無錫市為例,就土地利用與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的評價與調(diào)控進行探討,為無錫市可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù),并為深入開展這方面的研究奠定了基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

無錫市地處江蘇省東南部,全市總面積4 787.61hm2。地貌類型有平原、低山、丘陵、江河、湖泊等,以平原為主,星散分布著低山、殘丘。屬北亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,四季分明,氣候溫和,光照充足,雨量充沛,無霜期長。年均氣溫為15.7℃,年均日照1 993.6小時,年均降雨量1 048 mm,全年無霜期220天左右。無錫市土地利用率和產(chǎn)出率高,小城鎮(zhèn)用地粗放,土地后備資源缺乏,水域面積較大,生態(tài)環(huán)境問題較為突出。

2 土地利用與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展評價

土地利用與生態(tài)環(huán)境之間存在著復(fù)雜的系統(tǒng)關(guān)系,要實現(xiàn)二者的協(xié)調(diào)發(fā)展就要對它們的協(xié)調(diào)發(fā)展程度進行評價。

2.1 評價指標(biāo)體系

根據(jù)系統(tǒng)性、科學(xué)性、實用性、動態(tài)性等原則,借鑒類似研究并同時考慮無錫市的實際情況以及數(shù)據(jù)資料的可獲取性,從土地利用系統(tǒng)及生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)入手建立土地利用與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的評價指標(biāo)體系,將指標(biāo)體系分解為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層等3個層次(見表1)。

2.2 協(xié)調(diào)發(fā)展度評價模型

借鑒廖重斌提出的協(xié)調(diào)度及協(xié)調(diào)發(fā)展度模型[7],綜合評價土地利用子系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的綜合發(fā)展水平以及兩系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)發(fā)展程度,本模型包括以下幾個部分:

(1)土地利用水平綜合評價函數(shù)f(x)和生態(tài)環(huán)境綜合評價函數(shù)g(y)。土地利用水平、生態(tài)環(huán)境綜合得分是計算土地利用與生態(tài)環(huán)境綜合效益指數(shù)的基礎(chǔ),可分別表征土地利用水平與生態(tài)環(huán)境的發(fā)展程度,公式為:

式中:f(x),g(y)分別為土地利用水平、生態(tài)環(huán)境綜合得分;m,n分別為土地利用子系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)指標(biāo)的個數(shù);Wi,Wj分別為土地利用子系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)各指標(biāo)的權(quán)重;xi,yj分別為土地利用子系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值[8]。

(2)土地利用與生態(tài)環(huán)境綜合評價函數(shù)。

式中:T是土地利用與生態(tài)環(huán)境綜合效益指數(shù);α,β分別為土地利用水平、生態(tài)環(huán)境水平的權(quán)重。

(3)土地利用與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)度評價函數(shù)。協(xié)調(diào)度是用來反映土地利用與生態(tài)環(huán)境之間的協(xié)調(diào)程度的指標(biāo),公式為:

式中:C為土地利用與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)度;f(x),g(y)分別為土地利用水平綜合得分、生態(tài)環(huán)境綜合得分;k為調(diào)節(jié)系數(shù),k≥2,一般取值為2。

(4)土地利用與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展度評價函數(shù)。協(xié)調(diào)發(fā)展度是反映土地利用與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展水平的指標(biāo),一方面可體現(xiàn)土地利用與生態(tài)環(huán)境變化的同步性,另一方面可體現(xiàn)土地利用與生態(tài)環(huán)境的綜合發(fā)展水平,公式為:

式中:D為土地利用與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展度;C為土地利用與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)度;T為土地利用與生態(tài)環(huán)境綜合效益指數(shù)。

2.3 評價結(jié)果分析

根據(jù)上述評價模型,得到無錫市1998-2007年土地利用水平綜合得分f(x)、生態(tài)環(huán)境綜合得分g(y)、土地利用與生態(tài)環(huán)境綜合效益指數(shù)T、土地利用與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)度C、土地利用與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展度D(見表2)。

由表2可知,1998年的協(xié)調(diào)發(fā)展度僅有0.273 2,而到2007年已經(jīng)達到了0.819 3,無錫市土地利用與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展度總體上呈現(xiàn)增加趨勢,說明無錫市土地利用與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系總體上趨于緩和,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有一定的改善。但這是因為土地利用中社會、經(jīng)濟效益的急劇提高造成的短期行為,生態(tài)環(huán)境仍面臨著巨大的壓力,生態(tài)環(huán)境保護形勢仍不容樂觀。

3 土地利用與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展調(diào)控

3.1 土地利用與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展調(diào)控的內(nèi)涵

土地利用與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展調(diào)控實質(zhì)是通過宏觀上把握土地利用與生態(tài)環(huán)境的發(fā)展態(tài)勢,彌補市場對生態(tài)環(huán)境的外部性缺陷,從而實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟、社會、生態(tài)環(huán)境的協(xié)同發(fā)展。調(diào)控的內(nèi)容包括產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、社會發(fā)展以及環(huán)境保護調(diào)控,調(diào)控手段包括規(guī)劃、經(jīng)濟、行政調(diào)控手段等。

3.2 協(xié)調(diào)發(fā)展調(diào)控技術(shù)方法的選擇

鑒于土地利用與生態(tài)環(huán)境耦合而成的協(xié)調(diào)發(fā)展系統(tǒng)具有復(fù)雜性、非線性等特點,本研究選取人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型作為調(diào)控研究的技術(shù)方法[9]。

3.3 協(xié)調(diào)發(fā)展調(diào)控模型

3.3.1 調(diào)控指標(biāo)的選擇

全部指標(biāo)用作調(diào)控,會使模型結(jié)構(gòu)太復(fù)雜,影響網(wǎng)絡(luò)運行時間和系統(tǒng)穩(wěn)定性[10],因此,本文選用灰色關(guān)聯(lián)方法選擇主要因素作為調(diào)控模型的調(diào)控指標(biāo)。本文運用DPS v7.55版進行處理,得到了土地利用子系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)各指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)度,選出單位土地面積固定資產(chǎn)投資額、每萬人擁有科技人員數(shù)、城市居民人均可支配收入、人口密度、社會消費品零售額增長率等主要因素指標(biāo)。同理,對生態(tài)環(huán)境系統(tǒng),選出“三廢”綜合利用產(chǎn)品產(chǎn)值、城市環(huán)境保護投資指數(shù)、城市氣化率、可吸入顆粒物日平均值、單位農(nóng)用地化肥施用量等主要因素指標(biāo)。

表1 無錫市土地利用與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展評價指標(biāo)體系

表2 無錫市土地利用與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展度

3.3.2 模型網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

本文設(shè)定無錫市土地利用與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展調(diào)控模型有3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),即輸入層、一個隱含層、輸出層,神經(jīng)元數(shù)為10;輸出為協(xié)調(diào)發(fā)展度,即輸出層神經(jīng)元個數(shù)為1;隱含層神經(jīng)元的個數(shù)是通過設(shè)計程序多次試驗加以確定的,通過比較發(fā)現(xiàn)隱含層神經(jīng)元為9時,BP網(wǎng)絡(luò)對函數(shù)的逼近效果較好。綜上,BP網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)確定為10-9-1。其中,隱含層采用“S”型激活函數(shù)tansig,因輸出層輸出范圍要限定在[0,1],因此采用logsig函數(shù),利用Levenberg-Marquardt算法以保證網(wǎng)絡(luò)快速收斂,以上網(wǎng)絡(luò)設(shè)計均采用MATLAB 7.0的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱nntool完成。

3.3.3 模型網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練與檢驗

網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)重和偏差取隨機值,學(xué)習(xí)速率為0.05,最終學(xué)習(xí)誤差設(shè)置為0.000 01,對1998-2005年的樣本數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練,2006-2007年的數(shù)據(jù)作為測試樣本,所有數(shù)據(jù)都經(jīng)過了級差標(biāo)準(zhǔn)化處理。訓(xùn)練樣本經(jīng)過6次訓(xùn)練使網(wǎng)絡(luò)趨于穩(wěn)定,達到了目標(biāo)誤差要求,訓(xùn)練誤差曲線如圖1所示。利用2006-2007年的數(shù)據(jù)對模型進行測試,得出網(wǎng)絡(luò)輸入(見表3)。2006年仿真輸出值的相對誤差為0.130 1,2007年仿真輸出值的相對誤差為0.007 5,測試樣本的實際輸出與評價測算結(jié)果基本一致,說明網(wǎng)絡(luò)的性能可以滿足實際應(yīng)用的要求,可以對不同調(diào)控模式下的協(xié)調(diào)發(fā)展度進行仿真測算。

表3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型檢驗結(jié)果

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差曲線圖

3.3.4 調(diào)控模式設(shè)計

本文擬對無錫市2008-2012年的協(xié)調(diào)發(fā)展度進行仿真測算,設(shè)定以下調(diào)控模式。各調(diào)控模式調(diào)控參數(shù)值的確定是在趨勢分析以及對比不同類型城市的參數(shù)基礎(chǔ)上綜合確定的。

(1)土地利用高產(chǎn)出模式。此模式強調(diào)經(jīng)濟、社會的高速發(fā)展,社會資源與各項投資向社會再生產(chǎn)傾斜,大力發(fā)展工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè),基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進程加快,占有大量農(nóng)用地,對生態(tài)環(huán)境的保護力度不夠,環(huán)境投資減少。

(2)生態(tài)環(huán)境保護模式。此模式強調(diào)生態(tài)環(huán)境保護,注意節(jié)約利用土地,注重對農(nóng)用地,特別是耕地的保護工作,盡量減少建設(shè)占用,放緩經(jīng)濟增長速度,限制對生態(tài)環(huán)境有嚴(yán)重危害的產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,嚴(yán)格控制人口數(shù)量,積極發(fā)展生態(tài)環(huán)境產(chǎn)業(yè),加大對“三廢”的利用率,對生態(tài)環(huán)境保護大量投資。

(3)統(tǒng)籌兼顧模式。此模式注重土地利用產(chǎn)出與生態(tài)環(huán)境保護的統(tǒng)籌發(fā)展,確保農(nóng)用地合理高效利用,努力發(fā)展二三產(chǎn)業(yè),同時注重減少工業(yè)發(fā)展對生態(tài)環(huán)境的危害,加強對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)業(yè)的投資,優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),著力發(fā)展經(jīng)濟產(chǎn)出高、環(huán)境污染少的新型產(chǎn)業(yè)。

3.4 協(xié)調(diào)發(fā)展調(diào)控結(jié)果分析

運用訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,輸入各調(diào)控模型的調(diào)控參數(shù),得到無錫市土地利用與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展度的仿真輸出(見圖2)。

圖2 三種調(diào)控模式下協(xié)調(diào)發(fā)展度變化

土地利用高產(chǎn)出模式的協(xié)調(diào)發(fā)展度從2008年開始降低,到2012年僅為0.473 0。由于這種模式只注重土地利用的經(jīng)濟、社會效益,忽視對生態(tài)環(huán)境的投資與保護,造成經(jīng)濟發(fā)展水平很高而生態(tài)環(huán)境質(zhì)量急劇下降。在巨大的生態(tài)環(huán)境壓力面前,土地利用的穩(wěn)定高產(chǎn)出能力也會受到影響,這說明土地利用高產(chǎn)出模式對土地利用與生態(tài)環(huán)境的矛盾沒有實施控制反而得到了激化,這與可持續(xù)發(fā)展相悖,是不合理的發(fā)展模式。

生態(tài)環(huán)境保護模式的協(xié)調(diào)發(fā)展度先升高后降低。由于這種模式注意節(jié)約利用土地、注重對農(nóng)用地和生態(tài)環(huán)境的保護,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較高。但是該模式對經(jīng)濟增長速度有了較大限制,犧牲了區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展利益,雖然土地利用與生態(tài)環(huán)境的矛盾得以緩解,但長期的低經(jīng)濟增長速度會使區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平落后,沒辦法持續(xù)支撐生態(tài)環(huán)境投資,土地利用與生態(tài)環(huán)境的矛盾會得到加劇。這種發(fā)展模式是一種只要生態(tài)環(huán)境、不要經(jīng)濟發(fā)展的模式,其合理性也值得商榷。

統(tǒng)籌兼顧模式的協(xié)調(diào)發(fā)展度穩(wěn)定上升,到2012年上升到0.978 0。這種模式重視土地利用產(chǎn)出與生態(tài)環(huán)境保護統(tǒng)籌發(fā)展,著力發(fā)展經(jīng)濟產(chǎn)出高、環(huán)境污染少的新型產(chǎn)業(yè),土地利用的產(chǎn)出水平較高,為生態(tài)環(huán)境產(chǎn)業(yè)投資和污染治理提供了資金保障,而良好的生態(tài)環(huán)境也為經(jīng)濟高速發(fā)展提供了基礎(chǔ),兩者之間相互促進,達到了土地利用與生態(tài)環(huán)境的雙贏,較好的緩解了土地利用與生態(tài)環(huán)境的矛盾,是一種值得推薦的發(fā)展模式。是比較適合于無錫市的發(fā)展模式。

4 結(jié) 語

土地利用與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的必然要求,本文運用協(xié)調(diào)發(fā)展度模型定量評價了無錫市1998-2007年土地利用與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r,研究結(jié)果表明無錫市土地利用與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展度總體上呈現(xiàn)不斷增加趨勢,土地利用與生態(tài)環(huán)境正朝著協(xié)調(diào)發(fā)展方向邁進。但是,生態(tài)環(huán)境仍面臨著巨大的壓力,生態(tài)環(huán)境保護形勢仍不容樂觀。在評價的基礎(chǔ)上,引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立了無錫市土地利用與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展調(diào)控模型,通過比較2008-2012年三種調(diào)控模式協(xié)調(diào)發(fā)展度的變化情況,發(fā)現(xiàn)統(tǒng)籌兼顧模式較好的協(xié)調(diào)了土地利用與生態(tài)環(huán)境的矛盾,能夠促進生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善和區(qū)域經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。本文將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法用于土地利用與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展調(diào)控研究,取得了較好的研究結(jié)果,進一步拓展了協(xié)調(diào)發(fā)展研究的內(nèi)容,對類似研究具有一定的借鑒價值。

(編輯:王愛萍)

[1]Turner B L.Two Types of Global Environment Changes:Definition and Spatial-Scale Issues in Their Human Dimensions[J].Global Environmental Change,1990,1(1):14-22.

[2]宋長青,冷疏影.21世紀(jì)中國地理學(xué)綜合研究的主要領(lǐng)域[J].地理學(xué)報,2005,60(4):546-552.

[3]Kalnay E,CaiM.I mpact ofUrbanization and Land-use Change on Climate[J].Nature,2003,423(6939):528-531.

[4]F Steiner,L McSherry,J Cohen.Land Suitability Analysis for the Upper Gila RiverWatershed[J].Landscape and Urban Planning,2000,50(4):199-214.

[5]L Sliva,D D W illiams.Buffer Zone VersusWhole Catchment Approaches to StudyingLand Use I mpact on RiverWater Quality[J].Water Research,2001,35(14):3462-3472.

[6]P Reidsma,T Tekelenburg,M van den Berg,et al.I mpacts ofLand-use Change on Biodiversity:An Assess ment ofAgriculturalBiodiversity in the European Union[J].Agriculture,Ecosystems and Environment,2006,114(1):86-102.

[7]廖重斌.環(huán)境與經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展的定量評判及其分類體系[J].熱帶地理,1999,19(2):171-177.

[8]張鳳榮.土地持續(xù)利用評價指標(biāo)體系與方法[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2003:272-275.

[9]李雙成,等.河北省環(huán)渤海地區(qū)生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析[J].地理研究,1998,17(4):351-358.

[10]李雙成,等.河北省環(huán)渤海地區(qū)生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析[J].地理研究,1998,17(4):351-358.

AbstractThe purpose of thispaper is to assess the coordinated development degree of land use and eco-environment inWuxiCity and choose the appropriate adjustment mode to promote the coordinated development of eco-environment and to realize sustainable use of land resources.Methods employed include documentation analysis,the coordinated development degree model analysis and BP neural net work model analysis.The result shows that the coordinated development degree of land use and eco-environment inWuxi City presents overall ever-increasing trends and that the overall consideration mode can reduce the contradiction bet ween land use and eco-environment,so it is a suitable mode forWuxi City.It is concluded that the the coordinated development degree model and BP neural network model has high reliability and practicability in evaluating and adjusting the coordinated development degree of land use and ecoenvironment inWuxi City.

Key wordscoordinated development;evaluation;adjustment;Wuxi City

Land Resources Regulation Based on Ecological Environmental Protection in Developed Regions

SUN Hua ZHAO Jing QU Q ing-zeng
(College ofLandManagement,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing Jiangsu 210095,China)

F301.2

A

1002-2104(2010)03專-0051-04

2009-12-31

孫華,副教授,主要研究方向為資源與環(huán)境規(guī)劃、土地可持續(xù)利用。

＊國土資源部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目“太湖流域土地利用管制技術(shù)研究”(No.200811087)資助。