黃河上游生態脆弱區土地利用規模和結構調整的環境影響評價研究——以蘭州市為例

孫會慧，石培基，顏丙金，劉春芳

（1.西北師范大學 地理與環境科學學院，甘肅 蘭州730070；2.南京大學 地理與海洋科學學院，江蘇 南京210023）

土地利用規劃是在時空上對土地資源進行合理組織利用和經營管理的過程，最重要的特征是未來導向性，是對未來土地利用及其發展趨勢所作的預先估算，其目的是提高土地利用率和土地生產率［1］，并為將來而保護好土地資源，以達到土地資源的可持續利用［2］。但隨著我國工業化、城鎮化進程的加快，區域土地利用問題顯得尖銳而突出，嚴重影響了社會經濟與生態環境的協調發展，因此盡早開展其環境影響評價顯得尤為重要［3］。土地利用規劃環境影響評價是針對土地利用的宏觀結構與布局對環境與生態可能產生的影響作出的預測性評估［4］，它對于避免規劃造成的生態環境影響有著重要性的戰略意義。許旭等［5］采用生態系統服務價值核算法對北京市土地利用總體規劃進行了環境影響評價；潘竟虎等［6］以干旱內陸河流域甘州區為例展開典型研究，采用生態安全綜合指數及其評價方法進行了土地利用總體規劃環境影響評價，其應用是有效和可行的；李淑杰等［7］運用生態足跡理論及其技術方法進行了吉林省土地利用總體規劃環境影響評價的實例研究。但目前已有的土地利用規劃環境影響評價缺乏對本身系統性的綜合考慮，不能客觀有效地評價土地利用規劃導致的相關環境問題。據此，本文對中國近年來開展的土地利用環境影響評價的研究進行系統整合，構建了一個全面定量評價土地利用規模和結構調整的相關環境影響的模型體系，試圖以黃河上游生態脆弱區—蘭州市為研究對象，并結合此模型體系，探討蘭州市土地利用規劃中土地利用規模和結構調整的環境影響，為土地利用規劃環評的理論研究與實踐工作提供借鑒。

1 研究區概況和數據準備

1.1 研究區概況

蘭州市為甘肅省省會，地理坐標為35°34′20″—37°07′07″N，102°35′58″—104°34′27″E，地處黃河上游、甘肅省中部，是我國陸地的幾何中心。該區位于隴西黃土高原的西部，青藏高原的東北緣，是我國地形第1階梯向第2階梯的過渡地區。境內大部分地區為海拔1 450～2 500m的黃土覆蓋的丘陵和盆地，地勢西部和南部高，東北低，黃河由西南流向東北橫穿全境，切穿山嶺，形成了峽谷與盆地相間的串珠型河谷。屬于大陸性干旱氣候，雨量少而集中，年均降雨量324mm，年蒸發量1 486mm，年均氣溫9.3℃。該地區農用地是土地利用構成中的主體，占土地總面積的86.64%，建設用地面積占4.51%，水域和自然保留地占總面積的8.86%?，F轄永登、皋蘭、榆中3縣和城關、七里河、西固、安寧、紅古5區，有29個鄉、34個鎮、46個街道辦事處，市域面積13 085.6km2，2011年總人口為3 232 900人（以上部分資料來源于蘭州自然地理志）。

1.2 數據準備

本研究主要采用三類數據：（1）土地利用數據，來源于《蘭州市土地利用總體規劃（2006—2020）》和蘭州市國土部門提供的相關數據庫；（2）社會經濟統計數據，主要有1996—2005年的居民生活生產年消費總量、能源消耗總量、人口等數據，來源于統計部門提供的《1997—2006年蘭州年鑒》；（3）標準轉換數據，主要包括生態價值核算系數、生物資源的世界平均產量、單位化石燃料生產土地面積的平均發熱量、均衡因子和產量因子等，均來源于相關規范標準及文獻［8］和［9］成果。

生態價值核算系數采用了謝高地等［8］提出的生態系統單位面積的生態價值系數，在根據生態系統單位面積的生態價值系數進行生態系統服務價值核算時，考慮到蘭州市的實際情況及土地利用規劃中土地的分類方式做了相應的修改。園地是森林與耕地之間的一種用地類型，因此其生態價值系數取森林與農田的平均值［5］。蘭州市的自然保留地大部分是由牧草地和耕地轉換而來，因此其生態價值系數取耕地和牧草地的生態價值系數的平均值。調整后的生態價值系數如表1所示。均衡因子的選取是根據聯合國糧農組織計算的有關生物資源的世界平均產量資料，耕地和建筑用地為2.8，林地和化石燃料土地為1.1，草地為0.5，水域為0.2［9］。產量因子的選擇依據徐中民等［10］甘肅省的產量因子，耕地為1.49，林地為0.8，草地為2.19，建筑用地為1.49。

表1 各土地利用類型生態價值系數 元／hm2

2 研究方法

縱觀目前國內外有關土地利用規劃環境影響評價的各種模型方法，筆者認為構建土地利用規模和結構的環境影響評價模型體系主要應堅持以下原則：（1）科學性。應能夠客觀評價區域規劃方案實施對相關環境要素及其所構成的生態系統可能造成的影響，構建的模型應具有明確的科學內涵和較好的度量性。（2）可操作性和實用性。相關的評價指標應易于從規劃方案、國民經濟統計數據、相關部門規劃以及國土資源部門現有的資料中獲取，使理論與實踐得到良好的結合［11］。

本文的模型體系主要由規劃前后土地規模和結構調整評價模型和規劃前后土地規模和結構環境影響評價模型兩大類構成，前者主要有多樣性指數模型和動態度模型，后者主要有土地生態系統服務價值評價模型和生態足跡和生態承載力評價模型。利用該模型體系，可以全面評價土地規劃中土地利用規模和結構調整的相關環境影響。

2.1 多樣性指數模型

土地規模和結構多樣化指數分析的目的是分析區域內各種土地的齊全程度或多樣化狀況，多采用吉布斯·馬丁公式［12］：

式中：GM——多樣性指數；Xi——第i種土地利用類型的面積；n——區域內土地利用類型數。此模型可以測算區域土地利用結構的多樣化程度，GM越大，土地利用類型越多樣。

2.2 動態度模型

某一土地利用類型的動態度是用來描述區域一定時間范圍內某種土地利用類型數量的變化速度。土地利用動態度模型如下［13］：

式中：K——土地利用動態度；Ua，Ub——研究初期及研究末期某一種土地利用類型的數量；T——a到b的時間跨度，當T的時段設定為年時，K值就是該研究區某種土地利用類型的年變化率。

2.3 生態系統服務價值評價模型

土地作為各種陸地生態系統的載體，其利用方式的變化將直接影響生態系統所提供服務功能的種類和強度，通過對研究區域生態系統服務功能價值的核算，可以定量化地表示出土地利用規模和結構變化對生態環境的影響［14］。因此，本文將生態系統服務價值的核算方法應用到土地利用規模和結構調整的環境影響評價中，對其進行環境影響評價［5］。區域內生態系統服務總價值估算模型如下：

式中：ESV——研究區生態系統服務功能總價值（元）；VCi——第i類土地利用類型單位面積的生態功能總服務價值系數（元／hm2）；Ai——研究區內第i類土地利用類型的面積（hm2）；n——土地利用類型數目。

通過分析規劃前后研究區域生態系統服務功能總價值的變化情況作為對該規劃的環境綜合性評價結論，并將結論反饋至調整該區域的規劃，可以有效防止區域內生態服務功能價值的改變程度和速率過大，優化該規劃土地利用的規模和結構。

2.4 生態足跡和生態承載力評價

生態足跡及其相關模型的計算結構可以用來反映土地利用總體規劃的指標對周圍環境的影響，因此，為了使土地利用規劃前后的生態環境狀況可測量，將規劃后的土地規模和結構轉化為具體的指標來測量蘭州市的土地利用狀況是否在生態系統承載力的范圍內，對于這個研究目標，生態足跡方法是一種簡單但綜合的研究嘗試。

生態足跡的計算公式如下：

式中：EF——總的生態足跡（hm2）；N——區域人口總數量（人）；ef——人均生態足跡（hm2／人）；Ci——人均消費量；Pi——i種消費商品的平均生產能力。

生態承載力的計算公式如下：

式中：EC——區域總生態承載力（hm2）；ec——人均生態承載力（hm2／人）；Ai——某類生物生產性土地面積；Ri——均衡因子；Yi——產量因子。

如果區域的生態足跡大于區域所能提供的生態承載力，就出現生態赤字；如果小于區域的生態承載力，則表現為生態盈余。此模型可為判斷一個地區的生產消費活動是否處于當地生態系統承載力范圍內提供定量依據，其模型如下：

式中：ED——生態 赤 字 （hm2）；ER——生態 盈 余（hm2）。

3 結果與分析

3.1 規劃前后土地規模和結構變化評價

蘭州市2005，2015和2020年的土地利用多樣性指數如表2所示。由表2可以看出，至2020年蘭州市土地利用結構多樣化程度總體將呈上升趨勢，但上升趨勢不明顯；農用地比例下降較快，由2005年的86.64%下降到2020年的40.19%，建設用地的比例由2005年的4.51%上升到2020年的6.72%。

盡管建設用地比例和農用地比例相差較大，但兩者的差距在逐漸減少，這將增加對蘭州市生態環境的壓力。

表2 2005，2015和2020年蘭州市土地利用變化情況

由表3可以看出，2005—2020年研究區各類土地利用面積均發生了較大的變化。除林地、建設用地及自然保留地面積增加外，其他土地利用類型面積均呈減少趨勢。面積減少的地類中牧草地減少居首位，達到625 190km2，其次是耕地，達到38 323km2，再次為園地，達到2 177km2。面積凈增的地類中自然保留地居首位，增加量580 086km2，其次是林地，增加量54 075km2，再次是建設用地，增加29 042km2。從變化幅度來看，自然保留地的變化幅度最大，變化率為537.09%，動態度為35.81%，其次為牧草地，其變化率絕對值為91.63%，動態度絕對值為6.11%，再次為林地，變化率絕對值和動態度分別為58.27%和3.88；變化幅度最小的為水域，其變化率絕對值為6.22%，動態度為0.41%。這說明在研究期間，耕地減少是因為在一些地區由于自然條件差，耕地產出低，加之農村勞動力的轉移等，部分地區、農戶不同程度地出現了耕地撂荒現象；林地增加的主要驅動因子是生態退耕政策的實施［15］；牧草地大量減少的原因是由于不合理利用及氣候等，大量的牧草地將會退化為荒草地，進入自然保留地中；建設用地增加的原因主要是社會經濟的發展，驅動因子主要是人口的增長、GDP的增長以及人均收入的增加、水利水電工程的建設等［16］。

3.2 規劃前后土地規模和結構環境影響評價

3.2.1 規劃前后蘭州市的生態服務價值變化 根據式（4）計算了各地類的生態系統服務價值（表4）。從表4可以看出，蘭州市生態系統服務價值在規劃期內呈小幅度上升趨勢，2015年規劃期的預測值比2005年增加了2.76%，2020年規劃期的預測值比2015年增加了1.53%，比2005年增加了4.33%，說明蘭州市土地利用規劃實施后會對生態環境造成一定的積極影響。2020年與2005年相比，耕地、園地、牧草地和水域的生態系統服務價值是下降的，其中牧草地的下降幅度最大，減少了91.63%；林地和自然保留地的生態系統服務價值是上升的，自然保留地的上升幅度最大，達到19.66億元。

牧草地生態系統服務價值的減少是蘭州市總生態系統服務價值上升幅度較小的主要因素，雖然林地的生態價值遠高于牧草地、耕地的生態價值，但牧草地和耕地的生態價值的減少量遠遠高于林地生態價值的增加量，說明蘭州市的土地利用結構變化相對明顯，結構的調整直接導致了生態服務功能價值的改變，是和生態系統服務的經濟價值量密切相關的［17］。

表3 蘭州市土地利用類型面積變化及動態度

為降低土地利用規模和結構的調整變化對生態環境的影響，在未來發展過程中應注重對水域、林地、草地的保護，從而提高區域生態系統服務的整體功能，降低區域土地利用狀況變化對生態環境的負面影響。

表4 蘭州市各土地利用類型生態系統服務價值變化

3.2.2 規劃前后蘭州市的生態足跡變化 應用生態足跡模型，根據《蘭州年鑒》的統計數據，對甘肅省蘭州市1997—2005年的生態足跡進行量化計算和分析；并根據生態足跡與生態承載力的比較結果判斷蘭州市生產消費活動是否在生態系統承載力的范圍內（表5）。

由表5可以看出，蘭州市1997—2005年人均生態足跡是逐年上升的，由1997年的2.2 367上升到2005年的3.289 1，而人均生態承載力呈現出逐年下降的趨勢，由1997年的0.812 3下降到2005年的0.702 1，因此生態赤字是逐年增加的，年均增長率達到9.07%，表明蘭州市一直處于生態壓力區。

表5 蘭州市人均生態足跡動態變化 hm2／人

從生態需求的構成分析，蘭州市生態赤字的形成主要是由于社會經濟的發展及人口增長帶動生態需求增加而導致的。蘭州市對自然資源的利用逐年增加，目前已超出了自然生態系統的生態承載能力的范圍，生態足跡與生態承載力之間的矛盾加劇，生態系統逐步退化，人地關系緊張。

采用蘭州市1997—2011年的統計數據和規劃數據，計算了其生態足跡，本文運用GM（1，1）模型對生態足跡的變化趨勢進行預測［18］，得到2015和2020年的生態足跡數據。根據規劃中的生態土地類型數據，計算出2015和2020年的生態承載力，進而得到生態赤字數據。從表5中可見，規劃前（1997—2005年），生態足跡逐年增加，生態承載力逐漸降低，生態赤字逐年增加。這表明從1997—2005年，蘭州市的生態供給滿足不了生態需求，已經超出自然生態系統的生態承載能力的范圍。規劃后（2006—2020年）的生態足跡需求繼續增加，生態承載力也呈現小幅增加，2020年生態赤字較2005年有所減小，由2005年的2.587 0減小到2020年的2.585 6，這表明本次土地利用規劃可以在一定程度上促進蘭州市生態環境的改善。

4 結論

（1）本文構建了一個全面評價土地利用規模和結構調整的相關環境影響模型體系，并以蘭州市為案例進行了實踐。利用多樣性指數和動態度模型可以討論規劃前后土地利用結構多樣性程度的變化趨勢和土地利用類型數量的變化速度。蘭州市土地利用結構多樣化程度總體呈上升趨勢，由2005年的0.631 0上升到2020年的0.640 9；蘭州市的各類土地利用面積均發生了較大的變化，林地、建設用地及自然保留地的面積呈增加趨勢，其他土地利用類型的面積均呈減少趨勢。分析比較了蘭州市土地利用規模結構調整前后的生態系統服務價值和生態足跡，其中生態系統服務總價值增加了3.90億元，生態赤字減少了0.001 4hm2／人，驗證了蘭州市土地利用總體規劃基本合理，表明蘭州市能在發展經濟的同時兼顧生態環境效益，同時也顯示出該模型體系能夠比較客觀地評價土地利用規模和結構調整的相關環境影響，有一定的應用推廣價值。

（2）蘭州市應在不斷提高土地利用效率的同時加強對生態環境系統的保護，在土地利用的過程中不斷使生態功能得到優化，同時提高土地利用的多樣性［19］，并且合理規劃土地利用類型的比例，穩定土地生態系統［20］。通過農業用地結構內部調整，在保證基本農田數量不減少、質量不降低的前提下，增加林地和園地的面積。這就要求在編制新一輪土地利用總體規劃時，要因地制宜，集中布局建設用地，加強對土地資源的合理利用。

（3）本文參考前人的研究成果較好地評價了蘭州市土地利用規模和結構調整的相關環境影響，但本研究中的生態系統服務價值評價和生態足跡評價方法尚需進一步完善。關于生態功能服務價值系數、均衡因子等準確性的研究還需進一步的深入和改進。

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