丘陵山區土地利用生態功能評價及結構優化

戴智勇, 楊朝現,*, 信桂新, 魏耀華, 熊想想

丘陵山區土地利用生態功能評價及結構優化

戴智勇1, 楊朝現1,*, 信桂新2, 魏耀華1, 熊想想1

1. 西南大學資源環境學院, 重慶 400715 2. 長江師范學院武陵山區特色資源開發與利用研究中心, 重慶 408100

針對生態普遍脆弱的丘陵山區實施土地利用生態評價, 科學優化土地利用結構, 對維持良好穩定的土地生態功能、提高土地利用效率具有重要的現實意義。采用傳統經典的生態足跡模型, 對西南丘陵區重慶市榮昌區近10年(2007—2016年)土地生態功能實施評價, 并選用多目標規劃模型方法, 以土地生態赤字最小化為目標, 對全區土地利用結構進行了優化調整。研究結果表明: (1)近10年, 受土地利用不合理配置的擾動, 榮昌區人均生態赤字持續增長、人均生態承載力逐年降低, 生態赤字由2007年的1.77 hm2·人–1增加到了2016年的3.19 hm2·人–1, 年平均增長幅度為8.02%, 到2016年生態赤字是生態承載力的8.37倍, 土地資源利用呈現出壓力較大、生態問題較多的狀態。(2)土地利用結構優化會更好提升土地利用生態功能, 促進土地利用生態系統的良性穩定。基于土地生態赤字最小化目標, 經優化, 榮昌區生態調節功能較強的林地和草地面積增加10051.58 hm2, 耕地面積減少9181.64hm2, 城鄉建設用地面積減少1379.86 hm2, 自然保留地減少45.44hm2。實現結構調整后, 區域生態承載力預測將提高22.58%, 人均生態赤字將減少0.07 hm2·人–1, 優化后的土地利用結構實現了全區生態、經濟和社會效益的統一。

土地利用; 生態功能; 結構優化; 丘陵山區

0 前言

當前中國城鎮化進程不斷加快, 受經濟效益驅動, 城市等建設用地在不斷大規模擴張的同時, 林地、水域等生態用地不斷減少, 土地利用結構調整頻繁, 這種粗放式的用地結構已逐漸顯露其不合理性, 也帶來了一系列的生態問題[1-2], 如水土流失、水體污染、生物多樣性驟減等, 且存在著愈演愈烈的趨勢, 對我國生態文明建設與經濟社會可持續發展構成了嚴峻挑戰, 開展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[3]。早期研究主要集中在以經濟效益最大化為目的的土地利用結構優化上[4], 后來在可持續發展理念的影響下, 學者開始注重土地的生態功能效益[5-7], 基于生態安全視角進行了土地利用評價與結構優化, 其評價方法有生態系統服務價值理論[8-9]、PSR模型[10]、熵權物元模型[11]、生態足跡模型[12]等, 也有學者通過構建綜合指標體系對評價區域進行空間尺度的土地生態功能評價研究[13-14], 并通過啟發式算法[15-18]、不確定數學優化模型[19-21]及一些其他方法[22-24]來進行土地利用結構優化配置。

我國西南地區的主要地形為山地丘陵地形, 與平原地區相比, 丘陵山區具有土地利用條件復雜、生態環境脆弱、自然災害頻發、人地關系更為緊張的典型特征。特別是面對脆弱的生態環境, 土地利用方式的不恰當, 結構匹配的不合理, 必將導致土地生態功能的不穩定、不協調。基于此, 本文將以丘陵山區重慶市榮昌區作為研究對象, 遵循區域生態保護優化的導向, 針對性開展研究區土地利用生態功能的評價, 科學調整土地利用結構, 并對優化前后土地利用結構進行合理性評價, 以期研究結果能為土地利用結構優化配置研究提供一種新的思路和參考。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

榮昌區位于重慶市西部, 與四川省相鄰, 地處四川盆地川中丘陵區和川東平行嶺谷區交接處(圖1)。轄區總面積107671.17 hm2, 境內海拔介于212.6—711.3 m, 地形北高南低, 屬典型的山地丘陵區地貌。氣候屬亞熱帶季風氣候, 年平均降雨量1099 mm, 年平均氣溫17.8℃。土壤多為水稻土、紫色土、新積土和黃壤等。全區森林覆蓋率為21.64%, 水資源人均占有量為505 m3·人–1。2016年, 全區總人口85.06萬人, 其中農業人口46.07萬人, 非農業人口38.99萬人, 下轄15個鎮與6個街道。2016年全區生產總值達到368.12億元, 三次產業結構比為13.4:62.3:24.3。

Figure 1 The sketch map of research area

1.2 數據來源及處理

本文數據源主要包括土地利用數據與社會經濟統計數據。土地利用數據來源于榮昌區2007—2016年土地利用變更調查資料和研究區的Landsat TM遙感影像(空間分辨率30*30m)解譯成果。根據研究區土地利用特點和前人研究成果[25], 可將榮昌區土地利用劃分為耕地、林地(含林地和園地)、草地、水域(含河流水面和湖泊水面)、城鄉建設用地(含城鎮用地、農村居民點、采礦用地和風景名勝特殊用地)、交通水利用地和自然保留地7種類型, 根據不同土地利用類型的影像特征和空間特征, 建立相應的遙感解譯標志, 進行人機交互式判讀, 在ERDAS軟件中對影像進行分類匯總獲取各土地利用類型信息; 社會經濟統計數據來源于《榮昌區統計年鑒》(2008—2017年)、《榮昌區國民經濟和社會發展統計公報》、《榮昌區政府工作報告》以及《榮昌區土地利用總體規劃(2006—2020)》、《榮昌區土地整治規劃(2006—2020)》、《榮昌區城市總體規劃(2008—2030)》、《榮昌區旅游發展規劃(2015—2030)》、《榮昌區水土保持規劃(2006—2025)》等。

2 土地利用生態功能評價

2.1 生態足跡模型

生態足跡模型的指標能基于土地面積進行量化、數據相對容易獲取, 其結果能較好揭示自然資本和經濟發展之間的關系。選用該項模型進行區域土地利用生態功能評價不失為一種較好的研究方法。該模型應用總體思路是: 先分別從資源需求方面計算生態足跡(EF)的大小、從土地供給方面計算生態承載力(EC)的大小, 再通過兩者之間的比較來評價該地區的生態可持續發展情況, 若區域內的生態承載力減去生態足跡為負值, 則表明該地區人類活動對土地需求超過了土地的生態容量, 該地區的消費和發展模式處于相對不可持續狀態, 即出現了生態赤字。根據生態生產力大小的差異, 地球表面的生態生產性土地可分為耕地、林地、草地、水域、化石能源用地、建設用地等六大類用地, 在生態足跡模型中, 采用該六大類用地來折算各種資源和能源消費量。本研究采用Wackernagel[12]等研究成果中的均衡因子、產量因子來計算研究區的生態足跡與生態承載力。

(1)生態足跡(EF)

生態足跡是指區域內某一時段總共消費的資源、能源和消納廢棄物所需要的生態生產性土地面積, 它反映的是該區域所有人在當前消費水平和發展水平下的生產生活活動對生態系統的需求, 其表達式為:

式中為區域總生態足跡, N為區域總人口,為人均生態足跡,為均衡因子,a為第i種消費項目折算的人均生態生產性面積, i為消費項目種類, ci為第i種消費品的人均年消費量,p為第i種消費品的平均生產能力。

根據生態足跡的理論與研究區實際情況, 可將消費項目分為生物資源類消費項目與能源類消費項目, 其中生物資源類消費包括稻谷、玉米、大豆、棉花、油類、薯類、蔬菜、果類、茶葉、肉類、禽蛋類、奶類、水產品等13類項目, 能源類消費包括原煤、煤油、汽油、柴油、焦炭、電力等6類項目。

(2)生態承載力(EC)

生態承載力是指系統的自我維持、調節以及資源環境提供的生態容量的能力, 是一個區域所能提供給人類的生態生產性土地面積的總和, 其表達式為:

=(1–0.12)**=(1–0.12)**a*r*y(2)

式中為區域總生態承載力, N為區域總人口,為人均生態承載力,r為均衡因子,a為第i類生態生產性土地人均面積,y為產量因子。

2.2 結果分析

基于相關研究數據和上述研究方法, 可獲取研究區2007—2016年六大類用地的人均生態足跡、人均生態承載力與人均生態赤字情況(表1、表2、圖2)。

(1)表1、圖2的研究結果表明, 近10年榮昌區的人均生態足跡總體呈現上升趨勢, 由2007年的2.21 hm2·人–1提高到了2016年的3.56 hm2·人–1。由于近10年來榮昌區大力推進城市化進程和高新技術產業開發區的建設, 煤炭、石油人均消耗量由2007年的1837.25kg·人–1、268.26kg·人–1分別提高到了2016年的2869.63kg·人–1、374.81kg·人–1, 其他化石能源如原煤、焦炭的消費量也逐漸增加, 所以化石能源用地對整個生態足跡的貢獻率最大, 達到了46.66%; 隨著榮昌區人口的增長與消費觀念的升級, 2016年肉禽類人均消費量較2007年增長了15.74 kg·人–1, 奶類人均消費量十年間增長了近2.5倍, 對居住面積需求量、電力等能源的需求也日益增加, 建設用地10年間的人均生態足跡由0.1386 hm2·人–1增加到0.2147 hm2·人–1, 耕地、林地、草地和水域的人均生態足跡均略有增加。

表1 榮昌區2007—2016年人均生態足跡表 (hm2·人–1)

表2 榮昌區2007—2016年人均生態承載力表 (m2·人–1)

圖2 榮昌區人均生態赤字圖(2007-2016)

Figure 2 The per capita ecological deficit of Rongchang (2007-2016)

(2)表2、圖2的研究結果表明, 近10年榮昌區的人均生態承載力逐年下降, 由2007年的0.44 hm2·人–1降到了2016年的0.37 hm2·人–1。其中耕地的人均生態承載力由0.3294 hm2·人–1下降到了0.2090 hm2·人–1, 主要原因是由于人口的增加, 耕地面積凈增長率低于人口凈增長速率; 林地、草地、水域人均生態承載力變化原因與耕地變化原因類似; 建設用地10年間的人均生態承載力逐年小幅度增加, 說明榮昌區的城鎮化進程不斷加快, 但通常建設用地的增加是伴隨著農用地尤其是耕地的減少, 這從土地利用的角度來看是一種損失, 所以今后要進一步控制建設用地規模、挖潛存量、提高集約節約利用水平。

總的來看, 榮昌區近十年土地生態功能較不樂觀, 生態赤字由2007年的1.77 hm2·人–1增加到了2016年的3.19 hm2·人–1, 年平均增長幅度為8.02%。生態赤字的存在揭示了榮昌區生態系統正常提供的生態基礎已不能滿足當前經濟活動的生態需求, 從圖2中也可預見, 在未來幾年內榮昌區的生態赤字還將不斷擴大, 故亟待采取有效措施來調整各類用地結構、提高各類生態性用地的有效利用率, 保證榮昌區的土地生態安全。

3 土地利用結構優化

3.1 土地利用結構優化體系構建

土地利用結構優化是一項復雜的系統工程, 需綜合考慮生態、經濟、社會等不同目標的需求, 從而使土地利用在時間上得到合理安排, 在空間上得到最佳落實。多目標規劃模型具有較大靈活性, 能適用于解決具有不同度量單位和相互沖突目標的多目標決策問題, 故本文采用多目標規劃模型, 在土地利用生態功能評價的基礎上, 確定全區在土地利用優化過程中預期實現的生態效益目標與經濟效益目標, 其中生態效益是本文所研究的主導型目標, 將與土地資源結構相關的社會需求和土地自身限制性作為約束條件, 尋求土地利用優化方案。

(1)決策變量設置

根據研究區未來發展定位及相關數據可得性, 研究以2016年土地利用現狀為基礎, 依據研究區土地利用劃分的7個類型設置決策變量, 即X1(耕地)、X2(林地)、X3(草地)、X4(水域)、X5(城鄉建設用地)、X6(交通水利用地)、X7(自然保留地)。

(2)目標函數構建

1)生態效益目標

本研究以生態赤字最小化確定生態效益目標函數: Min(ED)=Min(EF-EC), 其中ED、EF、EC分別為2026年研究區生態赤字、總生態足跡需求、總生態承載力供給。根據灰色模型預測可獲取研究區總人口、人均生態足跡、人均生態承載力函數, 其表達式分別為:

X(1)(t+1)=(827487+2707.17*105)e0.00305t–2707.17*105(3)

Y(1)(t+1)=(2.21+57.2046)e0.04226t–57.5046 (4)

Z(1)(t+1)=(0.44–24.11489)e–0.01866t+24.11489 (5)

以上預測函數都是以2007-2016的數據作為原始數據, 其中生態足跡與生態承載力預測假設生物資源類消費項目與能源類消費項目種類不變。經預測得到研究區目標年總人口為876205人, 人均生態足跡為5.49 hm2·人–1, 人均生態承載力為0.31 hm2·人–1。故生態效益目標函數表達式為:

min(ED)=4810365–[4.6481+1.0012+0.0943+4.648

(5+6)+0.24]*771060 (6)

2)經濟效益目標

Maxf(x)=5.3993X1+7.5563X2+0.0001X3+3.5995X4+

272.1247 XS+71.2708X6+0.0001X7(7)

(3)約束條件建立

約束條件反映的是目標函數實現的限制因素, 需要考慮與土地利用結構關系密切的土地資源條件、社會需求等方面, 約束條件的構建涉及到定量的問題, 所以本文將以與土地資源結構相關的社會需求和土地自身限制性作為約束條件, 具體從土地資源、生態環境、人口數量及榮昌區相關空間規劃實際情況來對其進行約束, 目標年為2026年。

1)土地總數量約束, 即調整前后研究區土地總量應保持不變:

X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7=107671.19 hm2

2)耕地約束, 根據榮昌區“十三五”時期打造生態宜居休閑區的戰略目標與區級耕地保護政策要求, 預計榮昌區2026年耕地保有量應不低于51167 hm2, 永久基本農田面積應不低于行政區內耕地面積的80%: 即40933.60≤X1≤67219.69 hm2

3)林地約束, 根據《重慶市榮昌區國家森林城市建設總體規劃(2016—2025)》要求, 2025年全區綠化面積應達到35%, 即20281.51≤X2≤37684.92 hm2

4)水域約束: 水域具有很好的穩態功能, 考慮到榮昌區將來的發展, 水域面積最好維持當前現狀, 即X4≤1029.96 hm2。

5)城鄉建設用地約束, 在保證榮昌區經濟不斷發展的前提下, 城鎮用地與風景名勝特殊用地的數量會有所增加, 根據《榮昌區城市總體規劃(2008—2030)》和《榮昌區旅游發展規劃(2015—2030)》, 榮昌區在規劃末期城鎮用地和風景名勝特殊用地將分別增加987.78 hm2、143.89 hm2; 在城鎮化推進過程中, 因農村人口的不斷析出、生態環境的治理, 農村居民點和采礦用地將逐漸復墾退出。根據《榮昌區土地整治規劃(2006—2020)》, 榮昌區在規劃末期農村居民點和采礦用地將分別減少2415.55 hm2和143.89 hm2。總體預計城鄉建設用地減少1470.79公頃, 即14027.64≤X5≤15499.19 hm2。

6)交通水利用地約束, 榮昌區在規劃末期預計需建設G348國道和瀨溪河堤防工程等項目, 預計需要用地555.37 hm2, 即1817.57≤X6≤2372.94 hm2。

7)總人口約束, 城鎮人口和農村人口的總量之和應不超過規劃末期的人口預測之和:1∑X+P2∑X=, 式中1表示城鎮人口的預測密度,2表示農業人口的預測密度,X為建設用地類型,X為農用地類型。本文采用灰色預測模型進行預測2026年榮昌區的城鎮人口與農業人口密度, 分別為78.52人·m–2、5.04人·m–2, 故78.82X5+5.04(X1+X2+X3)≤876205。

8)決策變量非負約束,X≥0(i=1, 2, 3…7)。

3.2 優化結果

根據目標函數以及相關約束條件, 運用間接算法和Matlab軟件進行數學建模, 得出滿足條件的最優解, 即規劃末期榮昌區土地利用結構表(表3)。

從表3可以看到, 優化后的土地利用類型對比與2016年有以下幾個方面的特征:

(1)林地、草地與水域等生態涵養價值高的地類共計增加10051.58 hm2, 能大幅度提高全區綠化面積與生態承載力, 對農村經濟結構優化也能起到一定效果; 榮昌區生態退耕政策的實施、城鎮用地的擴張、其他用地結構的合理調整, 會造成耕地面積較優化前稍有下降, 但仍然能滿足全區糧食需求與永久基本農田保護要求; 未來隨著城鎮化率的不斷提高, 城鎮用地的合理擴張, 農村居民點和采礦用地復墾力度逐漸增大, 道路建設與水利工程將日趨完善, 城鄉建設用地面積總體上減少1379.86 hm2, 交通水利用地面積增加555.36 hm2, 符合社會經濟發展現實; 自然保留地在規劃期間將逐年減少, 從67.89 hm2減少到22.45 hm2, 這主要是因為建設用地的必然擴張與耕地的保有雙重作用的結果。

表3 榮昌區土地利用結構優化結果

(2)經土地利用結構優化后, 榮昌區生態承載力較預測前提高22.58%, 生態赤字較前文預測減少0.07 hm2·人–1, 在提高全區生態環境承載能力的同時, 也兼顧土地的經濟效益, 實現了榮昌區社會發展和國民經濟的戰略要求, 故優化后的土地利用結構達到了生態、經濟和社會效益的統一, 更有利于保障榮昌區的可持續發展與生態環境質量。

4 結論與討論

4.1 結論

本文采用土地生態足跡模型評價榮昌區2007—2016十年間土地生態功能, 結果表明, 榮昌區人均生態赤字由2007年的1.77 hm2·人–1增加到了2016年的3.19 hm2·人–1, 年平均增長幅度為8.02%, 土地資源生態環境壓力較大, 亟待在堅持土地利用節約集約性原則的前提下, 合理調整土地利用結構、優化土地資源配置。

運用多目標規劃模型對全區土地利用結構進行優化配置, 調整結果增加了林地等生態價值和生態調節能力較強地類面積, 減少了一部分耕地面積, 優化了農用地內部結構, 有利于防止水土流失和污染等環境問題; 城鄉建設用地面積減少了1379.86hm2, 農村居民點及采礦用地面積隨著復墾力度的加大不斷減少, 達到了集約節約建設用地、提高土地利用效率的目的; 自然保留地隨著社會經濟的發展適當減少, 在保證全區用地的同時對全區的生態環境起到了很好的穩定效果。

土地利用結構優化后, 榮昌區人均生態承載力較預測前提高了22.58%, 人均生態赤字較預測前減少了0.07 hm2·人–1, 能有效緩解生態赤字壓力, 也兼顧了經濟效益的提高, 即能實現榮昌區國民經濟發展和社會發展規劃所提出的戰略目標, 達到生態、經濟和社會效益的統一, 也表明了基于生態效益目標優先的土地利用結構優化配置具有科學性與可操作性。

4.2 討論

土地生態功能評價的結果在一定程度上反映了區域經濟發展方式與人們當前消費結構的轉變, 對土地利用結構優化具有準確的目標導向, 基于生態足跡模型與多目標規劃模型相結合的土地利用結構優化實現了生態目標的測度, 能為區域生態文明建設與可持續發展決策提供參考。本文分析評價了研究區10a間的土地生態功能, 關注其變化趨勢與動態過程, 較以往研究單一的年度結果評價而言更加科學、準確。未來基于土地利用生態功能評價的結構優化研究也可繼續擴大應用范圍, 加強對鄉鎮等小尺度區域的研究應用。當然, 本文不足之處在于對生態足跡模型的計算主要側重從生態角度衡量人對自然環境的影響, 區域內部發展水平的差異性指標考慮的較少, 因此后續研究還可構建相關指標, 進一步提高結果精確性。此外, 本文僅對土地利用數量結構進行了優化與評價, 還可繼續構建空間優化模型, 使得土地利用結構優化方案更具可視性。

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Ecological function evaluation and structural optimization of land use in hilly mountainous areas

DAI Zhiyong1, YANG Chaoxian1,*, XIN Guixin2, WEI Yaohua1, XIONG Xiangxiang1

1. College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715, China 2. Research Center for Development and Utility of Unique Resources in the Wulingshan Region, Yangtze Normal University, Chongqing 408100,China

Implementing land use ecological evaluation and optimizing land use structure scientifically in view of the fragile ecological hilly is of great significance to maintaining stable land ecological functions and improving land use efficiency. Results show that in the past 10 years, due to the disturbance of unreasonable allocation of land use, the per capita ecological deficit in Rongchang area has continued to increase and the per capita ecological carrying capacity has decreased year by year. The ecological deficit was increased from 1.77 in 2007 to 3.19 in 2016, the average annual increase was 8.02% and the ecological deficit was 8.37 times the ecological capacity in 2016. The utilization of land resources presented a state of great pressure and many ecological problems. Besides, the optimization of land use structure improved the ecological function of land use and promoted the benign stability of land use ecosystem. Based on the goal of minimizing land ecological deficit, the area of woodland and grassland with strong ecological regulation function increased by 10051.58hm2, the cultivated land area decreased by 9181.64 hm2, the urban and rural construction land area decreased by 1379.86 hm2, and the natural reserve decreased by 45.44 hm2. Regional ecological capacity was predicted to increase by 22.58% and per capita ecological deficit decreased by 0.07 hm2, and the optimized land use structure realized the unity of ecological economy and social benefit.

landuse;ecological function; structural optimization; hilly and mountain area

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.04.026

F323.211

A

1008-8873(2019)04-194-08

2018-07-14;

2018-08-12

國家自然科學基金面上項目(41771534); 國家科技支撐項目(2013BAJ11B02); 重慶市社科項目(2017YBJJ035)

戴智勇(1995—), 男, 湖南武岡人, 碩士研究生, 主要從事土地利用與綜合整治研究。E-mail: 1544562246@qq.com

楊朝現, 男, 博士, 副教授, 主要從事土地利用與調控研究。E-mail: yangcx@swu.edu.cn

戴智勇, 楊朝現, 信桂新, 等. 丘陵山區土地利用生態功能評價及結構優化[J]. 生態科學, 2019, 38(4): 194-201.

DAI Zhiyong, YANG Chaoxian, XIN Guixin, et al. Ecological function evaluation and structural optimization of land use in hilly mountainous areas[J]. Ecological Science, 2019, 38(4): 194-201.