基于土地生態安全的黔江區土地利用結構優化

嚴 超, 張安明, 石仁蓉, 郭歡歡, 郭棟梁, 榮慧芳

(1.西南大學 地理科學學院, 重慶 400715; 2.安徽師范大學 國土資源與旅游學院, 安徽 蕪湖 241000;3.重慶市國土資源和房屋勘測規劃院, 重慶 400020; 4.池州學院 資源環境學院, 安徽 池州 247100)

基于土地生態安全的黔江區土地利用結構優化

嚴 超1, 張安明1, 石仁蓉2, 郭歡歡3, 郭棟梁1, 榮慧芳4

(1.西南大學 地理科學學院, 重慶 400715; 2.安徽師范大學 國土資源與旅游學院, 安徽 蕪湖 241000;3.重慶市國土資源和房屋勘測規劃院, 重慶 400020; 4.池州學院 資源環境學院, 安徽 池州 247100)

通過構建黔江區土地生態安全評價指標體系，對黔江區2005—2012年土地生態安全狀況進行了動態分析，在此基礎上，采用灰色多目標規劃模型，以綜合效益最大化為目標，對黔江區土地利用結構進行優化。結果表明：(1) 黔江區土地生態安全水平由2005年的0.426 9上升到2012年的0.586 2，土地生態安全級由“較不安全”上升到“臨界安全”，土地生態安全水平還有待改善，需要對土地利用結構進行優化；(2) 黔江區土地利用結構優化后，土地生態安全等級由“臨界安全”級上升到“較安全”級，土地生態安全水平達到0.748 9；(3) 從優化結果看，農用地中耕地面積有所減少，園地、林地、其他農用地都有所增加，建設用地中交通水利用地和其他建設用地增幅較大，其他土地中自然保留地面積有所減少。研究結果對黔江區提高土地利用綜合效益，維持土地生態系統的相對平衡和持續利用以及經濟社會的可持續發展具有重要的現實意義。

土地利用; 結構優化; 土地生態安全; 黔江區

土地利用結構調整會對土地生態安全產生重要影響，是產生土地生態安全問題的重要因素，同時土地利用結構優化調整又是保護土地生態安全的有效措施[1-4]。目前，土地利用結構配置不合理引起的生態環境問題日益加劇，開展基于“生態理念”的土地利用結構優化已成為土地資源優化配置的重要內容之一。當前土地利用結構優化研究主要體現在概念、優化方法及模型和優化角度等方面，在優化方法及模型上，逐步由定性分析為主轉變為定量為主，線性規劃模型[5]、多目標線性規劃模型[6]、模糊線性規劃模型[3]、灰色線性規劃模型[7]等逐漸被運用到優化過程中，同時，隨著空間信息技術的發展，基于GIS的土地利用結構優化方法也逐步得到應用；在優化角度上，由精明增長、土地需求為主的經濟理念轉化為生態系統綠當量[4,8]、生態系統服務價值[9-10]、土地資源生態安全[3,11]、生態位[12-13]、低碳目標[14-15]及生物多樣性[16]為主的生態理念。以上研究極大地豐富了我國土地利用結構優化研究，但也存在以下不足之處：(1) 大多數學者側重土地利用類型和數量的優化配置以實現經濟效益或者生態效益的最大化，綜合效益考慮不足；(2) 優化角度側重生態理念，土地生態系統是一個涉及自然、經濟、社會等多方面的復雜系統，應從系統的整體性角度構建土地利用結構優化模型。

重慶市5大功能分區將黔江區定位為渝東南生態保護發展區中的重點開發區，明確了今后黔江區的具體發展方向，當前黔江區正進入新型工業化和新型城鎮化全面推進和提速發展的大好時期，但是伴隨而來的是土地生態安全問題日趨明顯：如不合理的資源開發(礦山開采)引起的水土流失、植被破壞；化肥農藥大量使用導致的土壤污染、廢棄物(地膜)導致的化學污染等。這些因素使全區土地生態安全受到重要威脅，因此，急需釆取及時有效的措施，是保證其土地生態系統正常運轉。鑒于此，本文以黔江區為研究對象，通過構建土地生態安全評價指標體系，計算組合權重，運用綜合指數法，得出黔江區土地生態安全水平，基于土地生態安全評價結果，采用灰色多目標規劃模型，以綜合效益最大化為目標，對黔江區土地利用結構進行優化，以期為黔江區土地資源的合理開發利用提供科學依據，也可為類似區域的土地利用結構優化調控提供借鑒。

1 研究概況及數據來源

1.1 研究區概況

黔江區位于重慶市東南部，處武陵山區腹地，地跨東經108°28′—108°56′，北緯29°4′—29°52′，東臨湖北省咸豐縣，西接彭水縣，南連酉陽縣，北接湖北省利川市，素有“渝鄂咽喉”之稱。區內山脈河流走向近似平行，由東北向西南傾斜，呈“六嶺五槽”地貌，平壩星落其間。氣候屬中亞熱帶濕潤性季風性氣候，年均降水量為1 200.3 mm；植被為亞熱帶常綠闊葉林，森林覆蓋率達53.4%；下轄6個街道、12個建制鎮以及12個鄉，土地總面積為2 392 km2。2012年年末全區戶籍人口54.51萬人，常住人口44.91萬人，城鎮化率達42.53%；全年地區生產總值147.95億元，三次產業結構比調整為10.5∶56.2∶33.3。

1.2 數據來源

本研究的數據主要來源于統計資料和各部門的相關規劃：

(1) 統計資料。統計年鑒包括《黔江區統計年鑒》、《重慶市統計年鑒》；黔江區相關年份土地利用變更調查數據；相關公報如《重慶市2012水保公報》、《重慶市水資源公報》、《黔江區國民經濟和社會發展統計公報》、《黔江區政府工作報告》等。

(2) 各部門的相關規劃、文件、調查報告及會議記錄。如《黔江區土地利用總體規劃(2006—2020)》、《黔江區土地利用總體規劃(2006—2020)中期評估》、《重慶市黔江區“十二五”生態建設和環境保護規劃》、《重慶市黔江區“十二五”旅游發展思路》、《重慶市黔江區城鄉總體規劃(2013—2020)》、《重慶市黔江區水土保持規劃(2006—2025)》、《重慶市黔江區(2012—2016年)工業發展規劃》、《重慶市黔江區國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要(2011—2015年)》等。

2 黔江區土地生態安全評價

2.1 構建土地生態安全評價指標體系

本文借鑒“PSR”模型和“自然—社會—經濟”模型的優點，參考相關研究成果[17-19]，結合黔江區實際情況(水土流失、土地污染嚴重等)。從生態負荷、生態保護、生態功能及生態經濟4個方面選取評價指標，主要包括水土流失率、化肥使用量、農藥使用量、地膜使用量等22個黔江區土地生態安全評價指標體系(表1)，另外，依據絕對確定法和相對確定法制定出黔江區土地生態安全評價指標基準值。

2.2 指標標準化和權重計算

2.2.1 指標標準化 由于土地生態安全評價各指標的量綱不一致，需要對指標進行無量綱化處理。為此，本文采用極差法對各指標進行標準化處理，其方法如下：

式中：xi為某項評價指標的實際觀測值；xmax，xmin為時間序列內該項指標的最大值與最小值;pi為標準化后該項指標的實際評價值。

表1 黔江區土地生態安全評價指標體系

評價指標經標準化處理后，其數值為0～1。其中，0表示時間序列內某一年的某一指標和其他年份的同一指標相比處于更差的狀態；1表示時間序列內某一年的某一指標和其他年份的同一指標相比處于更佳的狀態。2.2.2 權重計算 權重的確定方法主要分為兩種，一種是以層次分析法為代表的主觀賦權法；另一種是以熵權法、主成分分析法為代表的客觀賦權法，本文基于兩者的優點，將層次分析法和熵權法相結合，對黔江區土地生態安全評價指標進行主客觀賦權，確定組合權重[20]。

2.3 評價模型 建立土地生態安全評價模型

式中：P為土地生態安全綜合指數；Si為單項指標的生態安全指數；p(xi)為第i個指標生態安全指數；Wi為各單項指標權重。

2.4 評價標準的確定

根據土地生態安全綜合指數，參考國內外有關標準和已有的相關研究成果[17-19]，以非等間距的方式確立黔江區5級土地生態安全評判標準(表2)。其中生態安全值越大，表明區域土地生態安全狀況就越好；反之就越差。

表2 土地生態安全評價標準

2.5 評價結果與分析

根據上述所闡述的綜合評價法及步驟，通過對單項指標逐一計算，得到2005—2012年黔江區土地生態安全評價結果(表3)。

通過對研究區土地生態安全綜合指數的計算(表3)，黔江區土地生態安全綜合指數由2005年的0.426 9上升到0.586 2，呈上升趨勢，土地生態安全狀況有所改善，土地生態安全等級由“較不安全”級上升到“臨界安全”級，對其計算結果具體分析如下：

(1) 近年來，土地生態保護的重要性日益受到全區各界的重視，全區認真落實《重慶市黔江區創建國家環境保護模范城市規劃》、《重慶市黔江區“十二五”生態建設和環境保護規劃》，積極推進退耕還林工程、森林工程建設，落實武陵山市級自然保護區、小南海濕地保護與恢復建設項目和阿蓬江國家級濕地公園建設，加強森林、濕地、生物多樣性保護；另外，全區開展重點流域生態環境綜合治理項目和水土保持項目，加大重點區域地質災害治理力度，加強礦區環境管理與治理，促進生態恢復；這些措施的有力實施使得全區土地生態安全狀況有所好轉。

表3 2005-2012年黔江區土地生態安全評價綜合指數

(2) 黔江區土地利用結構隨著社會經濟的發展和生態保護的需要也發生了很大的變化，一系列的生態安全問題也因土地利用結構和方式的轉變而產生，社會經濟發展、土地利用結構和方式、土地生態安全之間存在緊密的關系。

(3) 全區當前面臨的土地污染、水土流失等問題并沒得到解決，說明在未來幾年，生態負荷仍有逐步提升趨勢。

綜上所述，黔江區2012年土地生態安全等級為“臨界安全”級，處于生態問題較多的土地利用狀態。按照土地生態安全評判標準中的級別要求，如果在2020年黔江區土地利用達到“較安全”或者“安全”等級，有必要加強生態環境保護和建設用地的安排，對全區土地利用結構進行優化調整，以保證其土地利用在滿足經濟、社會發展的同時，滿足生態安全的要求。

3 黔江區土地利用結構優化調控

3.1 優化總體思路

本文根據黔江區土地利用現狀和社會經濟發展需求設置變量建立約束條件，并構建基于經濟效益、生態效益及社會效益3個目標函數，根據專家建議值確定各目標函數權重系數，得到綜合效益的多目標規劃模型，應用LINGO 11.0軟件，得到優化方案。

3.2 調控變量設置

根據黔江區土地利用特點以及土地利用總體規劃的要求，共設置了12個變量：耕地(x1)、園地(x2)、林地(x3)、牧草地(x4)、其他農用地(x5)、城鎮用地(x6)、農村居民點用地(x7)、采礦用地(x8)、交通水利用地(x9)、其他建設用地(x10)、水域(x11)、自然保留地(x12)。其中，其他建設用地包括風景名勝、特殊用地及鹽田；水域包括河流水面、湖泊水面及灘涂；自然保留地(冰川及永久積雪、沼澤地、荒草地、鹽堿地、沙地、裸地、高原荒漠、苔原等)。

3.3 目標函數的建立

3.3.1 經濟效益目標函數 土地不僅直接產生經濟效益，而且也是社會經濟發展的載體，支撐經濟發展是土地利用的重要作用，而追求經濟效益則是土地利用的主要目標之一。所以土地利用結構優化的主要目標就是土地利用的經濟效益最大化，這也是生態經濟追求的目標，并確定目標決策函數。

式中：ei為目標年各項用地單位面積的經濟產出。

本文結合前人研究方法，采用相對權益系數法來估算各項用地的單位經濟產出，單位經濟產出以目標年黔江區GDP值來表征。首先，確定各土地利用類型的相對權益系數。根據前人研究成果和2012年黔江區各項用地的經濟產出，確定2020年黔江區各項用地的相對權益系數：

wi=(0.013，0.011，0.008，0，0，0.253，0.147，0.212，0.226，0.130，0)

第二步，確定2020年黔江區各類用地的單位經濟產出。選用耕地效益2020年的預測值來確定常數，然后乘以各地類的相對權數求得目標年相應的面積單位上的產出效益。根據黔江區歷年的耕地產出效益數據采用GM(1，1)預測得到2020年單位面積耕地產出效益為4.079 0萬元，k×0.013=4.0790，k=313.77。即相應求得其他地類單位面積經濟產出。另外，考慮到模型計算的需要，因牧草地、其他農用地、自然保留地對目標函數值的影響極小，故把它們的單產定為0.000 1。

ei=(4.0790，3.4515，2.5102，0，0，79.3836，46.1241，66.5191，70.9119，40.7900，3.1377，0)

通過計算各項用地的單位經濟產出，可以得出土地利用經濟效益目標函數。maxf1(x)=4.0790x1+3.4515x2+2.5102x3+0.0001x4+0.0001x5+79.3836x6+46.1241x7+66.5191x8+70.9119x9+40.7900x10+3.1377x11+0.0001x12

3.3.2 生態效益目標函數 生態效益，關系到人類生存發展的根本利益和長遠利益。目前計算生態效益方法主要有生態服務價值、生態綠當量、生態足跡等。本文中研究區土地利用的生態效益采用土地利用生態服務價值來表示，根據Costanza等[21]、謝高地等[22]、孫宇毅[23]關于生態服務價值的研究成果，并結合黔江區的實際情況，最終確定黔江區各地類單位面積的生態服務價值(表4)。

表4 黔江區單位面積生態系統服務價值表 萬元/hm2

因此，各類用地的生態效益目標函數為

maxf2(x)=2.75x1+7.90x2+9.89x3+1.29x4-2.14(x6+x7+x8+x9+x10)+8.17x11+0.07x12

3.3.3 社會效益目標函數 社會效益主要指確定的土地利用結構方案要有利于促進區域社會的發展和全面進步，由于社會效益很難形成最大化或最小化的目標函數，本文將經濟效益、生態效益最大化時，社會效益也最大化。

3.4 約束條件的建立

為體現可持續發展和生態安全理念，結合黔江區土地生態環境的特點，確定下述約束方程，其約束系數和約束常數釆用趨勢預測法、回歸分析法、綜合分析法等多種方法綜合確定。

3.4.1 土地總面積約束 調控前后黔江區土地總面積(hm2)保持不變，即

x1+x2+…+x12=239185.14

3.4.2 農用地約束

(1) 耕地約束。根據《黔江區土地利用總體規劃(2006—2020)》確定的耕地保有量，同時考慮到經濟發展的需要可能會占用部分耕地，因此，采用耕地保有量不低于50 470.00 hm2。即：

x1≥50470

黔江區位于武陵山區腹地，山地面積占全區土地總面積的95%，導致陡坡耕地面積大，25°以上耕地面積26 004.3 hm2，坡耕地易引起水土流失。因此，原則上，對25°以上坡耕地進行退耕還林還草。還林就種經濟林，還草就種中藥材。即：

33711.09≤x1≤59715.39

(2) 園地約束。根據未來發展規劃，將大力發展獼猴桃、藍莓、地牯牛、珍珠蘭茶葉等茶葉基地。園地面積將不少于2012年土地變更調查數據的園地面積，即：

2289.10≤x2≤4065.70

(3) 林地約束。根據《重慶市黔江區“十二五”生態建設和環境保護規劃》黔江區將堅持不懈地抓好天然林資源保護、退耕還林、長防林三期工程等生態體系重點項目，勢必要增加林地面積，預計2020年森林覆蓋率達到61%。即：

138569.81≤x3≤145902.94

(4) 牧草地約束。由于黔江區生態脆弱，容易發生水土流失和石漠化，根據黔江區牧草地資源現狀和后備資源條件，今后全區不宜擴大畜牧業發展，因此牧草地數量將保持基本不變。

x4≥0

(5) 其他農用地約束。隨農田水利設施等的不斷建設完善，未來其他農用地面積將有所增加，大于現狀面積，因此：

x5≥11227.05

3.4.3 建設用地約束

(1) 城鎮用地約束。根據《黔江區土地利用總體規劃(2006—2020年)中期評估報告》截至2012年末，全區城鎮用地3 019.87 hm2，與2020年規劃目標2 576.28 hm2相比，超出443.59 hm2。但其中包括二調中將原為農村居民點用地、林地、耕地等10.76 km2土地調整為城鎮建設用地。在鄉級規劃編制階段，為達到控制性指標要求，將部分城鎮建設用地規劃為耕地、林地等地類。在后續變更調查中，2011年度還原3.06 km2，2012年度還原2.23 km2，合計已還原5.29 km2，還有5.47 km2建設用地未還原，現狀與規劃不一致。因此，結合鎮用地預測，即：

x6≤3022.02

(2) 農村居民點用地約束。根據《黔江區土地利用總體規劃(2006—2020年)中期評估報告》，截至2012年末，全區農村居民點面積為6 782.14 hm2，與2020年規劃目標5 318.30 hm2相比多1 463.84 hm2，超出27.52%。

依據《規劃》，至規劃期末，土地復墾新增耕地280.50 hm2。根據2006—2012年黔江區農村土地整治臺賬，截至評估時點，黔江區累計實施農村建設用地復墾項目80個(已竣工驗收)，累計補充耕地280.87 hm2，目標完成率為100.13%。但與2012年變更數據庫與規劃數據庫進行疊加分析，全區規劃復墾農村居民點到評估時點已實施并變更的規模為14.69 hm2，僅占規劃規模的5.24%，說明農村居民點實際復墾范圍與規劃復墾范圍存在差距。

因此，隨農村居民點中閑置、空閑及廢棄地的整理復墾和城鄉建設用地增加掛鉤政策的推行，未來農村居民點用地將呈現不斷減少的趨勢。

x7≤6782.14

(3) 采礦用地約束。規劃至2020年采礦用地規模不能超過163.11 hm2。

x8≤163.11

(4) 交通水利用地約束。未來幾年黔江區要相繼完成黔恩高速公路、舟白機場續建、黔張常鐵路、黔江火車站戰場擴、黔恩鐵路、黔畢昭鐵路、舟白至咸豐省際聯網路、黔萬高速公路、黔江至利川二級路等交通項目及瓦窯堡水庫、三峽庫區中部灌區續建配套與節水改造項目、老窖溪水庫等水利項目。共計需用地348.78 hm2。

1434.55≤x9≤1783.33

(5) 其他建設用地約束。未來幾年，黔江區將相繼完成小南海景區建設項目、武陵仙山風景區配套設施、阿蓬江生態旅游帶項目、灰千梁原始森林度假區項目等重點旅游建設項目，需用地112.5 hm2。

540.32≤x10≤652.82

3.4.4 其他土地約束

(1) 水域約束。水域具有重要的生態維護功能，《黔江區土地利用總體規劃(2006—2020年)》規定2020年水域面積達到3 875.20 hm2，考慮到全區今后的發展，水域面積基本保持原狀。

x11=2991.65

(2) 自然保留地約束。依據黔江區實際，為實現土地高效利用，全區自然保留地面積將進一步被開發，土地利用率將提高，其他土地面積將減小。

x12≤15332.69

3.4.5 數學模型約束要求 決策變量非負，即：

xi≥0;i=1,2,3,…,12

3.5 優化結果與分析

根據上述目標函數和約束方程，運用LINGO 11.0軟件，求取滿足條件的最大解，從而對全區土地利用結構進行優化，優化結果見表5。

從表5可以看出各地類主要呈現以下幾個特征：

(1) 農用地中耕地面積有所減少，園地、林地、其他農用地都有所增加。耕地減少主要是部分大于25°耕地退耕還林；園地面積有所增加，較現狀增加976.60 hm2，園地面積的增加對農業結構調整、農民收入增加和活躍農村經濟等均起到積極的推動作用；林地面積較現狀增加6 333.13 hm2，對提高森林覆蓋率和改善區域生態環境起到有利的推動作用；另外，根據農村基礎設施等完善其他農用地會相應增長。

表5 黔江區土地利用結構優化方案

(2) 建設用地中，交通水利用地增幅最大，凈增348.78 hm2，主要是加快完善全區基礎設施建設；其他建設用地增幅較大，凈增加112.50 hm2，主要是加快了旅游業的發展。城鄉建設用地由2012年的4.21%下降到了2020年的3.98%，主要是由于農村居民點復墾和采礦用地復墾等。

(3) 其他土地自然保留地的經濟效益和生態效益均較低。基于實現綜合效益最大化的條件約束下，自然保留地面積有所減少。

黔江區土地利用優化配置的目標是保障和維護區域土地生態安全，實現自然經濟社會的協調可持續發展，通過與2012年現狀進行比較，再次應用土地生態安全評價模型進行計算，優化后的土地生態安全綜合指數由2012年的0.586 2提高到0.748 9，處于較安全等級。可見優化后的土地利用模式更有利于保障和區域土地生態系統健康運轉。

4 結 論

(1) 本文在全區土地生態安全評價的結果上，采用灰色多目標線性規劃模型對全區土地利用結構進行優化調整，使得全區土地利用結構的優化調控在耕地保護的基礎上，進一步優化了農用地內部結構，適當提高了園地和林地的比重；高效節約集約利用建設用地，適度增加城鎮、交通水利及風景名勝用地，積極推進農村居民點復墾；合理開發自然保留地，提高土地利用效率，有效維護土地生態。

(2) 優化調控后的黔江區土地生態安全水平由“臨界安全”上升到“較安全”級，表明優化后的土地利用結構有利于促進土地生態系統和經濟社會系統的協調發展，基于土地生態安全評價的土地利用結構優化調控具有可取性。

(3) 突破規劃理論框架約束，因地制宜進行土地利用結構優化。黔江區截至2012年底仍有26 004.3 hm2大于25°的耕地，本文土地利用結構優化調整是在確保50 470 hm2的耕地保有量前提下，將部分大于25°的耕地退耕還林的，并沒有突破規劃理論框架。

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LandUtilizationStructureOptimizationinQianjiangDistrictBasedonLandEcologicalSecurity

YAN Chao1, ZHANG Anming1, SHI Renrong2, GUO Huanhuan3, GUO Dongliang1, RONG Huifang4

(1.SchoolofGeographicalScience,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China; 2.CollegeofTerritorialResourcesandTourism,AnhuiNormalUniversity,Wuhu，Anhui241000,China; 3.ChongqingLandResourcesandHousingSurveying&PlanningInstitute,Chongqing400020,China; 4.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,ChizhouUniversity,Chizhou247100,China)

By constructing the Qianjiang District land ecological security evaluation index system, the analysis of the land ecological security of the city from 2005 to 2012 was made according to the evaluation standards. Based on this, using the grey multi-objective programming model, with comprehensive benefit maximization as the goal, the land use structure of Qianjiang District was optimized. The results showed that: (1) Qianjiang District land ecological security level was on the rise, land ecological security composite index increased form 0.426 9 in 2005 to 0.586 2 in 2012, the security level rose from level ‘relative unsafety’ to ‘critical safety’, indicating that land ecological security level remains to be improved, and it is necessary to optimize the land use structure; (2) after optimizing land use structure, the land ecological security composite index reached up to 0.748 9, land ecological security level changed from ‘critical security’ up to ‘safer’ class; (3) from the optimization results, arable land in farmland will decrease, and area increase will also occur on woodland and garden, in construction land, land for transportation and water-control structures and other construction land will increase, in other land, the natural reservation area will decrease. The results of the study has important practical significance to improve comprehensive benefit of land use, maintain the balance of the ecosystem and sustainable utilization of land and the economic and social sustainable development.

land use; structure optimization； land ecological security evaluation； Qianjiang District

2015-12-24

：2016-07-11

國土資源部公益性行業專項“內陸開放區土地規劃和監管技術研究與示范”(201311006);安徽省社科規劃項目(AHSKQ2015D24)

嚴超(1989—),男,安徽安慶人,碩士研究生,研究方向為土地利用與國土規劃。E-mail:ycanqing@sina.com

張安明(1964—),男,重慶合川人,副教授,碩士生導師,主要從事土地利用與國土規劃研究。E-mail:xszam@126.com

F301;X826

：A

：1005-3409(2017)03-0270-07