毋曉蕾，王 婧，汪應(yīng)宏，陳常優(yōu)

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州221116;2.江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州221116;3.河南大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，河南 開(kāi)封475004)

0 引言

在導(dǎo)致氣候變暖的人為因素中，除了化石燃料燃燒和水泥生產(chǎn)等能源與工業(yè)過(guò)程直接向大氣排放溫室氣體外，土地利用變化對(duì)全球大氣CO2濃度的增加也有著重要的作用。土地利用影響著碳排放，人類在土地上的生產(chǎn)生活以及土地自身利用狀態(tài)的保持與轉(zhuǎn)變是陸地碳排放的主要來(lái)源［1］。研究表明，土地利用覆被變化(LUCC)是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的主要因素，其作用僅次于化石燃料的燃燒［2］。國(guó)內(nèi)在土地利用低碳化方面進(jìn)行了大量研究［3-9］，趙榮欽等從低碳土地利用原則、模式和對(duì)策、目標(biāo)3個(gè)方面構(gòu)建了低碳土地利用模式研究的理論框架［10］;肖主安等指出，可以從“減排”和“增匯”2個(gè)方面著手，通過(guò)減少地面硬化、推廣綠色建筑、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)低碳化、土地節(jié)約集約利用等方式減少土地利用直接碳排放;通過(guò)調(diào)節(jié)供地政策、設(shè)定單位面積碳排放指標(biāo)、稅收調(diào)節(jié)、建立碳交易市場(chǎng)等方式減少土地利用的間接碳排放［11］;陳擎等提出了建立低碳化的城市交通系統(tǒng)，通過(guò)制度和法律法規(guī)約束，合理布局低碳產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目用地，利用土地金融工具優(yōu)化配置低碳土地資源等方式實(shí)現(xiàn)土地利用的低碳化［12］。在國(guó)際社會(huì)積極應(yīng)對(duì)氣候變化的大背景下，低碳已成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的共識(shí)，走低碳發(fā)展道路也是我國(guó)的必然選擇。將低碳理念全面貫徹于土地利用規(guī)劃中，探索低碳導(dǎo)向的土地利用規(guī)劃控制方法，通過(guò)對(duì)各種用地類型的結(jié)構(gòu)和布局進(jìn)行科學(xué)調(diào)整與配置，使土地利用在滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求的前提下，增加碳匯、減少碳源，降低碳排放總量，從而達(dá)到“低能耗、低污染、低排放，高效能、高效率、高效益”，為科學(xué)發(fā)展觀指導(dǎo)下土地管理手段的創(chuàng)新和“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會(huì)的建立提供一條有效的實(shí)現(xiàn)途徑。

1 低碳型土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化內(nèi)涵及目標(biāo)

為了達(dá)到一定的生態(tài)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)目標(biāo)，依據(jù)土地資源的自身特性和土地適宜性評(píng)價(jià)，對(duì)區(qū)域內(nèi)各種利用類型的土地資源進(jìn)行更加合理的數(shù)量安排和空間布局，以提高土地利用效率和效益，維持土地生態(tài)系統(tǒng)的相對(duì)平衡，實(shí)現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用［13］，從而達(dá)到土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。它是土地利用規(guī)劃中的重要內(nèi)容，是實(shí)現(xiàn)土地資源可持續(xù)利用的一條重要途徑。因此，低碳型土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化就是在滿足土地資源自身特性條件約束的基礎(chǔ)上，通過(guò)一定的技術(shù)手段，將區(qū)域內(nèi)一定數(shù)量的土地資源在各土地利用方式之間合理分配，使土地利用不僅取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，更要達(dá)到增加碳匯、減少碳源、降低區(qū)域土地利用總碳排放的目的，實(shí) 現(xiàn)土地利用系統(tǒng)的低碳運(yùn)行。其目標(biāo)就是，一方面通過(guò)各類用地?cái)?shù)量、比例的合理安排，控制碳排放;另一方面提高森林覆蓋率，增加林業(yè)碳匯，發(fā)展生態(tài)用地，補(bǔ)償高碳用地方式造成的碳排放。

2 低碳型土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化常用的方法有:土宜法、綜合平衡法和模型法。

2.1 土宜法

土宜法是在土地質(zhì)量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果、國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)土地的需求和區(qū)域土地適宜性特點(diǎn)，按照“宜農(nóng)則農(nóng)，宜林則林”的思想，將各用途土地在土地需求量和土宜閾值內(nèi)進(jìn)行協(xié)調(diào)匹配、合理歸并，并最終確定土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法。其優(yōu)點(diǎn)是各類用地面積和布局符合土地質(zhì)量條件和土地適宜性條件，缺點(diǎn)是僅以土地的自然條件確定土地利用結(jié)構(gòu)，缺乏對(duì)土地利用系統(tǒng)的系統(tǒng)分析和優(yōu)化。

2.2 綜合平衡法

綜合法是在單項(xiàng)用地計(jì)算的基礎(chǔ)上，依據(jù)土地利用現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)資料和土地需求量預(yù)測(cè)結(jié)果，采用逐項(xiàng)逼近的方法，以達(dá)到土地面積的數(shù)量平衡和空間布局平衡。其原理是基于各類土地面積之間在數(shù)量上和空間上的相互平衡關(guān)系，即由于土地總面積的固定性，決定了土地內(nèi)部構(gòu)成各類用地之間的此消彼長(zhǎng)。綜合法的優(yōu)點(diǎn)是能從總體上對(duì)區(qū)域內(nèi)各類用地的需求關(guān)系進(jìn)行平衡，缺點(diǎn)是預(yù)測(cè)結(jié)果帶有一定的局限性，需要反復(fù)調(diào)整逼近，工作量大。

2.3 模型法

模型法就是在大量調(diào)查資料的基礎(chǔ)上，建立能夠反映土地利用活動(dòng)和其他經(jīng)濟(jì)因素之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)求解并得到供選方案的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法［14］。其優(yōu)點(diǎn)是在翔實(shí)的調(diào)查資料基礎(chǔ)上定量研究，能夠避免人為因素的干擾，結(jié)果比較客觀、科學(xué)。目前常用的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型有線性規(guī)劃模型、多目標(biāo)規(guī)劃模型、灰色線性規(guī)劃模型、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型等。

在三類優(yōu)化方法中，土宜法和綜合判定法需要大量的經(jīng)驗(yàn)判斷，主觀性較強(qiáng)，其準(zhǔn)確程度受規(guī)劃者人為因素的影響較大。而模型法借助于數(shù)學(xué)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，更具有客觀性和科學(xué)性。在常用的幾種模型中，多目標(biāo)線性規(guī)劃模型可以比較好地兼顧多個(gè)目標(biāo)效果，與低碳型土地利用結(jié)構(gòu)既保證良好的經(jīng)濟(jì)效益又最大限度地減少碳排放的思想一致。因此，選用多目標(biāo)線性規(guī)劃模型對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行低碳優(yōu)化［15］。

3 低碳型土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型設(shè)計(jì)

3.1 決策變量的設(shè)置

決策變量的選擇要以土地利用現(xiàn)狀分類為基礎(chǔ)，綜合考慮區(qū)域土地資源的特點(diǎn)、上級(jí)規(guī)劃的要求、未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和數(shù)據(jù)資料的可操作性等因素，使變量的設(shè)置具有典型性和綜合性。

3.2 目標(biāo)的選擇及目標(biāo)函數(shù)的確定

依據(jù)低碳型土地利用結(jié)構(gòu)的內(nèi)涵，優(yōu)化目標(biāo)要兼顧經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益。因此，選擇經(jīng)濟(jì)效益最大化和碳排放量最小化為目標(biāo)函數(shù)，社會(huì)效益通過(guò)構(gòu)建約束條件進(jìn)行體現(xiàn)。即:

式中:ci為各類用地的效益系數(shù);ei為各類用地的單位面積碳排放強(qiáng)度;xi為各類用地的面積;i為土地利用類型。

3.3 約束條件的建立

約束條件反映的是目標(biāo)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的限制因素，需要考慮與土地利用結(jié)構(gòu)關(guān)系密切的土地資源條件、宏觀計(jì)劃、市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)需求等方面。約束系數(shù)及約束常數(shù)一般采用趨勢(shì)預(yù)測(cè)、回歸預(yù)測(cè)、灰色預(yù)測(cè)GM(1，1)等方法求得，以保證規(guī)劃的動(dòng)態(tài)性。從8個(gè)方面來(lái)建立具體的約束條件:(1)土地總面積約束;(2)人口總數(shù)約束;(3)宏觀計(jì)劃約束;(4)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)約束;(5)耕地資源保護(hù)約束;(6)建設(shè)用地控制約束;(7)生態(tài)環(huán)境保護(hù)約束;(8)數(shù)學(xué)模型要求約束

3.4 模型的求解

依據(jù)區(qū)域?qū)嶋H情況建立目標(biāo)函數(shù)及約束條件，借助計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，運(yùn)用數(shù)學(xué)運(yùn)算軟件對(duì)模型進(jìn)行調(diào)試計(jì)算，得到各決策變量的優(yōu)化解，即各類用地的面積?？捎糜谇蠼鈨?yōu)化模型的軟件很多，比較常用的如LINGO軟件、MATLAB軟件等。

4 實(shí)證研究

4.1 淅川縣土地利用結(jié)構(gòu)

依據(jù)第二次全國(guó)土地調(diào)查的數(shù)據(jù)得到淅川縣2009年土地利用現(xiàn)狀及結(jié)構(gòu)(表1)，淅川縣域土地總面積為281 980.45 hm2，2009年農(nóng)用地、建設(shè)用地和其他土地面積分別為 181 930.19，51 702.98，48 347.28 hm2，分別占土地總面積的 64.52%，18.34%，17.15%。

4.2 設(shè)置決策變量

以淅川縣的土地利用現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，綜合考慮淅川土地資源的特點(diǎn)、未來(lái)利用的發(fā)展方向以及數(shù)據(jù)的可獲取性和可操作性，選擇13個(gè)土地利用類型為決策變量，分別為耕地(x1)、園地 (x2)、林地(x3)、牧草地(x4)、其他農(nóng)用地(x5)、城鎮(zhèn)用地(x6)、農(nóng)村居民點(diǎn)用地(x7)、獨(dú)立工礦用地(x8)、交通用地(x9)、水利設(shè)施用地(x10)、其他建設(shè)用地(x11)、水域(x12)、自然保留地(x13)。

4.3 設(shè)定目標(biāo)函數(shù)

(1)經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)。以經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)，即:

式中:ci為i類用地的經(jīng)濟(jì)效益系數(shù);wi為i類用地的效益權(quán)重;a為常數(shù)。各類用地經(jīng)濟(jì)效益系數(shù)的計(jì)算步驟為:①根據(jù)專家打分，運(yùn)用層次分析及經(jīng)驗(yàn)判斷法，確定各類用地對(duì)GDP的貢獻(xiàn)大小，即效益權(quán)重。其中，自然保留地的效益視為0，不參與評(píng)判。②各類用地的效益系數(shù)等于權(quán)重與常數(shù)a的乘積。通過(guò)計(jì)算并預(yù)測(cè)耕地的生產(chǎn)效益系數(shù)，可求出常數(shù)a，進(jìn)而得到2020年各類用地的經(jīng)濟(jì)效益系數(shù)(表2)。③據(jù)此，構(gòu)建經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)函數(shù)為:

表1 2009年淅川縣土地利用現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)Tab.1 Land use structure of Xichuan County in 2009

(2)碳排放效益目標(biāo)。以總碳排放最小為目標(biāo)，即:

式中:ei為i類用地的碳排放強(qiáng)度系數(shù)。由于耕地、園地、林地、草地、水域碳排放和吸收的自身性質(zhì)，這幾種土地利用類型的碳排放和碳吸收系數(shù)在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)會(huì)保持一個(gè)常數(shù)不變［16］，但建設(shè)用地碳排放量由化石能源消耗間接求得，在規(guī)劃期內(nèi)必將發(fā)生變化，因此，需要對(duì)建設(shè)用地碳排放強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)［16］。

表2 淅川縣各類用地的經(jīng)濟(jì)效益系數(shù)Tab.2 Economic benefit coefficient of all kinds of land in Xichuan County

以淅川縣1999—2009年建設(shè)用地碳排放強(qiáng)度為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(表3)，利用SPSS軟件進(jìn)行一元線性回歸預(yù)測(cè)，得到2020年建設(shè)用地碳排放強(qiáng)度為25.39 t/hm2。由于各類建設(shè)用地的碳排放強(qiáng)度差異較大，需要對(duì)各類建設(shè)用地的碳排放強(qiáng)度進(jìn)行確定。各類建設(shè)用地碳排放強(qiáng)度與建設(shè)用地碳排放強(qiáng)度之間的關(guān)系為:∑eixi=e0∑xi，其中e0=eidi=wibdi。式中:ei為i類建設(shè)用地碳排放強(qiáng)度;di為i類建設(shè)用地占建設(shè)用地總面積的比重;wi為權(quán)重系數(shù);b為常數(shù)。采用專家打分和因素成對(duì)比較法確定各類建設(shè)用地的權(quán)重系數(shù)，面積比重采用基期數(shù)據(jù)，得出各類建設(shè)用地的碳排放強(qiáng)度(表4)。

表3 1999—2009年淅川縣土地利用碳排放強(qiáng)度表Tab.3 Carbon emissions intensity of land use in Xichuan County from 1999 to 2009

表4 淅川縣各類用地碳排放強(qiáng)度系數(shù) t/hm2Tab.4 Carbon emissions intensity coefficient of all kinds of land in Xichuan County

此外，其他農(nóng)用地包括設(shè)施農(nóng)用地、農(nóng)村道路、坑塘水面、農(nóng)田水利和田坎5個(gè)細(xì)分地類，其碳排放強(qiáng)度以各地類的碳排放強(qiáng)度與面積比例的乘積求得。自然保留地中其他草地占到90%以上，其碳排放強(qiáng)度系數(shù)按草地計(jì)算。

據(jù)此，碳排放效益目標(biāo)函數(shù)為:

4.4 建立約束條件

依據(jù)淅川縣的土地資源條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況和土地利用發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合上級(jí)規(guī)劃的控制指標(biāo)，建立8個(gè)方面13個(gè)約束條件。為保證規(guī)劃的動(dòng)態(tài)性，約束系數(shù)和常數(shù)采用趨勢(shì)預(yù)測(cè)、回歸預(yù)測(cè)、灰色預(yù)測(cè)GM(1，1)等方法求得。

(1)土地總面積約束。各類用地面積之和等于淅川縣土地總面積，即:

(2)人口總量約束。農(nóng)用地和城鎮(zhèn)用地承載的人口不超過(guò)規(guī)劃期末預(yù)測(cè)的人口總數(shù)，即:

(3)宏觀計(jì)劃約束。農(nóng)用地面積不得少于規(guī)劃基期現(xiàn)狀面積，即:

依據(jù)南陽(yáng)市土地利用總體規(guī)劃，淅川縣建設(shè)用地總面積控制在52 019.16 hm2，新增城鄉(xiāng)建設(shè)用地指標(biāo)為284 hm2，新增城鎮(zhèn)工礦用地指標(biāo)為1 381 hm2，即:

由于南水北調(diào)中線工程的進(jìn)行，引丹干渠約占地511.48 hm2，即:

規(guī)劃期間，淅川縣有運(yùn)十鐵路等重大交通項(xiàng)目，初步預(yù)測(cè)需占地 271.77 hm2，即:

(4)耕地保護(hù)約束。作為約束性指標(biāo)，到2020年，淅川縣的耕地面積不得少于63 766.51 hm2，即:

(5)用地需求與實(shí)際情況約束。由于經(jīng)濟(jì)比較優(yōu)勢(shì)，依據(jù)淅川縣十二五規(guī)劃，將加大柑桔、橡籽、板栗、核桃等林果業(yè)的種植開(kāi)發(fā)，園地面積將比現(xiàn)狀增加;同時(shí)，城鎮(zhèn)、工礦和其他建設(shè)用地也將大于現(xiàn)狀面積。一般情況下水域面積基本保持不變，如考慮對(duì)灘涂的開(kāi)發(fā)，且假設(shè)開(kāi)發(fā)面積在2%以下，則其面積會(huì)有小幅度減少。淅川縣牧草地面積很小，基本會(huì)保持不變。即:

(6)生態(tài)環(huán)境保護(hù)約束。按照淅川縣加大生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度、通過(guò)大力植樹(shù)造林建立水源地生態(tài)屏障的思想，規(guī)劃期末林地覆被率將大于45%，即:

(7)土地開(kāi)發(fā)整治約束。隨著農(nóng)村居民點(diǎn)的遷并整理和新農(nóng)村建設(shè)的逐步推進(jìn)，農(nóng)村居民點(diǎn)用地將減少，根據(jù)預(yù)測(cè)，規(guī)劃期末農(nóng)村居民點(diǎn)用地需求為10 703.97 hm2。同時(shí)，淅川縣土地后備資源充足，自然保留地開(kāi)發(fā)潛力較大，規(guī)劃期內(nèi)土地開(kāi)發(fā)可補(bǔ)充耕地5 663.95 hm2，其面積應(yīng)小于開(kāi)發(fā)后面積，同時(shí)，為了保留開(kāi)發(fā)潛力，設(shè)定其最大開(kāi)發(fā)程度為60%。通過(guò)農(nóng)田整理、農(nóng)村道路溝渠優(yōu)化等，其他農(nóng)用地面積也將適度減小，設(shè)定最大減少幅度為20%。即:

(8)數(shù)學(xué)模型要求約束。變量非負(fù)，即xi≥0。

4.5 模型求解

依據(jù)上述目標(biāo)函數(shù)和約束條件，采用理想點(diǎn)法在LINGO中對(duì)此多目標(biāo)線性規(guī)劃進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化方案(表5)。在此優(yōu)化方案下，2020年淅川縣的農(nóng)用地面積達(dá)207 426.2 hm2，占土地總面積的73.56%，比2009 年增加9.04%;建設(shè)用地面積為52 019.16 hm2，占土地總面積的18.45%，增加 0.11%;其他土地面積22 502.08 hm2，占土地總面積的7.98%，比2009年減少9.17%。

5 結(jié)論

在全球氣候問(wèn)題日益嚴(yán)峻、低碳發(fā)展備受重視的大背景下，本研究將低碳理念融入土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化之中，較為系統(tǒng)地探討了低碳型土地利用結(jié)構(gòu)的內(nèi)涵、目標(biāo)和優(yōu)化方法，并以淅川縣為例進(jìn)行了實(shí)證研究。

(1)通過(guò)對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)的低碳優(yōu)化，減少碳源、增加碳匯，以實(shí)現(xiàn)區(qū)域土地利用低碳化、科學(xué)化、可持續(xù)化的目標(biāo)。

(2)建立了低碳型土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的多目標(biāo)規(guī)劃模型，在考慮了土地利用經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，強(qiáng)調(diào)了土地利用的碳排放效益，建立了經(jīng)濟(jì)效益最大化和土地利用總碳排放量最小化兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)，確定了土地利用結(jié)構(gòu)。淅川縣的優(yōu)化結(jié)果表明，此方法不僅保證了土地利用低碳規(guī)劃目標(biāo)的很好實(shí)現(xiàn)，而且取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

但是，本研究只是對(duì)土地利用低碳規(guī)劃目標(biāo)的制定進(jìn)行了縣域范圍內(nèi)的探討，如能實(shí)現(xiàn)國(guó)家或省、市級(jí)層面的土地利用碳排放控制目標(biāo)制定，并作為一項(xiàng)約束性指標(biāo)進(jìn)行逐級(jí)分解細(xì)化，將對(duì)土地的低碳化利用起到強(qiáng)有力的制約作用。

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