基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的土地利用結(jié)構(gòu)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(nóng)林大學(xué) 計算機(jī)與信息學(xué)院； 2.福建農(nóng)林大學(xué) 智慧農(nóng)林福建省高校重點實驗室；3.福建農(nóng)林大學(xué) 公共管理學(xué)院，福建 福州 350002）

1 引言

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)（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(chǎn)生和維持的服務(wù)[1,2]。自20 世紀(jì)90 年代，中國逐步開展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究[3]，相關(guān)學(xué)者對其理論及方法進(jìn)行積極探討，深刻影響了中國生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與建設(shè)。許多經(jīng)濟(jì)學(xué)家認(rèn)為，研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(jīng)濟(jì)手段調(diào)節(jié)人類對生態(tài)系統(tǒng)的利用，有效保護(hù)現(xiàn)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(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的寶貴資源。近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)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(guān)系矛盾日益突顯[5]。土地利用是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力衡量的核心，優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)已成為緩解人地矛盾的有效措施[6]。

合理的土地利用結(jié)構(gòu)是生態(tài)文明建設(shè)的重要體現(xiàn)，目前已有眾多學(xué)者以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值為出發(fā)點對其進(jìn)行研究，并取得的了豐碩的研究結(jié)果。例如，成量[7]利用多種指標(biāo)對滎陽市的土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析及空間布局優(yōu)化模擬，以提出提高區(qū)域內(nèi)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(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)分析渭河流域和若爾蓋縣土地利用結(jié)構(gòu)時空變化特征，系統(tǒng)揭示研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)空間演變規(guī)律。劉耀林等[10]基于提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值和空間集約度的雙重目標(biāo)，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(jié)構(gòu)的多個科學(xué)問題進(jìn)行深入研究，但對經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)等多目標(biāo)協(xié)同下的土地利用結(jié)構(gòu)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(jīng)濟(jì)發(fā)展極不平衡。隨社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，生態(tài)文明建設(shè)要求地方更加注重區(qū)域協(xié)調(diào)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(xiàn)狀和動態(tài)變化特征，基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值體系對該縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行估算；進(jìn)而，以生態(tài)效益最大化為目標(biāo)，運用線性規(guī)劃法對其土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。以期明確清流縣土地利用結(jié)構(gòu)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的定量關(guān)系，為實現(xiàn)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(xué)參考。

2 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)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?cè)丝谂c總面積分別為15.21 萬和1806.32km2。該縣位于中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛且集中，為多種農(nóng)作物和經(jīng)濟(jì)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(chǎn)總值156.95 億元，占全省地區(qū)生產(chǎn)總值的0.32%。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土地消耗和需求的不斷增加日益突顯人地關(guān)系矛盾，清流縣土地利用規(guī)劃既要滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展對生產(chǎn)性需求，更要符合生態(tài)文明建設(shè)。

圖1 清流縣區(qū)位圖

2.2 數(shù)據(jù)來源

為研究清流縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值及土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置，收集2015—2021 年該縣土地利用數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)和規(guī)劃資料。其中，土地利用數(shù)據(jù)來源于清流縣自然資源局，數(shù)據(jù)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(nóng)用地、建設(shè)用地、水域、濕地和難利用地等8 類；統(tǒng)計數(shù)據(jù)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(guān)政策文件，用于確定土地利用結(jié)構(gòu)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，F(xiàn)i指第i 種土地利用類型研究期內(nèi)的變化面積；Ki為第i 種土地利用類型研究期內(nèi)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(wù)價值估算

綜合考慮研究區(qū)實際情況及數(shù)據(jù)可獲得性，本研究選用當(dāng)量因子法對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行核算。根據(jù)謝高地等[13]的研究，單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值可用平均糧食單產(chǎn)的1/7 估算，本研究中根據(jù)清流縣耕地面積及其主要糧食作物產(chǎn)值，對農(nóng)田年自然糧食平均產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)價值進(jìn)行修正，由此確定清流縣單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量因子的價值量為2931.33 元/hm2。在此基礎(chǔ)上，參照謝高地等[14]提出的中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)當(dāng)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(wù)價值，公式如下[15]：

式中，En為1hm2農(nóng)田每年自然糧食平均產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)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(wù)價值；ESV 為清流縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值；n 為糧食作物種類數(shù)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(chǎn)量；Ci為第i 類土地利用類型的當(dāng)量因子系數(shù)；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(yù)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(biāo)期對清流縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)時的土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。其目標(biāo)函數(shù)為：

式中：F(x)代表生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(wù)價值；x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7和x8分別為耕地、園地、林地、其他農(nóng)用地、建設(shè)用地、水域、灘涂沼澤和難利用地的面積。

同時，為更加科學(xué)合理優(yōu)化，基于研究區(qū)經(jīng)濟(jì)社會情況及相關(guān)規(guī)劃政策，設(shè)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(jié)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(shù)據(jù)，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(shè)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(nóng)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(shè)用地面積增加速率最快，達(dá)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(wù)價值最大情境下土地利用結(jié)構(gòu)

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(wù)價值動態(tài)變化

基于當(dāng)量因子法，得到2015—2021 年清流縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(wù)價值總體呈現(xiàn)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(wù)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(wù)價值量均呈下降趨勢，其中，林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(wù)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(wù)價值增加163.82 萬元，增加率為0.52%；水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(wù)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(wù)價值對比

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

就不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值而言，盡管各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(wù)功能價值量由大到小依次為： 維持生物多樣性>水文調(diào)節(jié)>氣體調(diào)節(jié)>氣候調(diào)節(jié)>保持土壤>原材料生產(chǎn)>提供美學(xué)景觀>廢物處理>食物生產(chǎn)。

4.3 基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于線性規(guī)劃模型，得到2023 年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值最大情景下的土地利用結(jié)構(gòu)。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(wù)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(wù)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(wù)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(wù)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(shè)用地、水域、濕地面積未有變化。

5 結(jié)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(dāng)量因子法對該縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值核算。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值最大情境下該縣土地利用結(jié)構(gòu)線性規(guī)劃模型，確定該縣2030 年最優(yōu)土地利用結(jié)構(gòu)。主要結(jié)論如下：

（1）2015—2021 年清流縣土地利用類型中林地占主導(dǎo)地位，約占該縣總面積的83%；建設(shè)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(nèi)共減少261.50hm2。

（2）2015—2021 年清流縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總體呈下降趨勢，共減少2580.67 萬元。在各項生態(tài)服務(wù)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(dāng)2030 年土地利用結(jié)構(gòu)達(dá)到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值最大情景下，林地增加191.30hm2，園地、其他農(nóng)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(wù)價值增加791.23 萬元。