雷 鳴，孔祥斌※

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193； 2.國(guó)土資源部農(nóng)用地質(zhì)量與監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193)

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·農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革專欄·

水資源約束下的黃淮海平原區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

雷 鳴1， 2，孔祥斌1， 2※

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193； 2.國(guó)土資源部農(nóng)用地質(zhì)量與監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193)

[目的]黃淮海平原作為中國(guó)糧食的主產(chǎn)區(qū)，同時(shí)該區(qū)域水資源短缺問(wèn)題日益加劇。如何在水資源可承載的條件下，保證糧食安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)黃淮海平原區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整進(jìn)行探索，具有重要意義。[方法]文章應(yīng)用多元優(yōu)化模型及遺傳算法，在土地面積、宏觀計(jì)劃約束、糧食產(chǎn)量約束、市場(chǎng)約束等條件下，追求流域水資源平衡，同時(shí)保障糧食產(chǎn)量最大化，得到2020年黃淮海平原區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并通過(guò)土地轉(zhuǎn)移矩陣，在2020年土地利用總體規(guī)劃的約束下，依據(jù)2000～2010年土地利用變化路徑，預(yù)測(cè)出2020年最大概率自然演化形成的土地利用結(jié)構(gòu)。[結(jié)果]將最優(yōu)方案與自然演化進(jìn)行了土地利用結(jié)構(gòu)、用水結(jié)構(gòu)以及糧食產(chǎn)出3個(gè)方面對(duì)比，最優(yōu)方案的糧食產(chǎn)量為8464.75萬(wàn)t，總耗水量減少18.56億m3，均優(yōu)于自然演化結(jié)果，證明土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案具有一定的有效性。[結(jié)論]黃淮海平原區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方向是在滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的情況下，盡量降低高耗水強(qiáng)度的建設(shè)用地面積占比，減少水資源匱乏流域的耕地面積，增加水資源較豐富流域的耕地面積，以保障糧食產(chǎn)量，充分利用未利用面積，增加林地、水域等生態(tài)用地的面積； 優(yōu)化后的土地利用結(jié)構(gòu)，有效緩解了地下水水位下降的趨勢(shì)。

土地資源管理 生態(tài)安全 糧食安全 多目標(biāo)優(yōu)化 黃淮海平原區(qū)

0 引言

當(dāng)前，我國(guó)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革強(qiáng)調(diào)糧食安全與生態(tài)安全并重[1]。黃淮海平原區(qū)作為中國(guó)糧倉(cāng)，在我國(guó)糧食安全中處于舉足輕重的地位[2]； 同時(shí)該區(qū)域也是世界三大地下水漏斗區(qū)之一[3， 4]，淺層地下水漏斗區(qū)為4.1萬(wàn)km2，深層地下水漏斗區(qū)為5.6萬(wàn)km2，地面下沉嚴(yán)重，區(qū)域生態(tài)安全面臨著巨大的挑戰(zhàn)[5]。因此，在推進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革過(guò)程中，迫切需要根據(jù)水資源稟賦進(jìn)行農(nóng)業(yè)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和發(fā)展方式轉(zhuǎn)變，減輕對(duì)水資源的需求壓力，實(shí)現(xiàn)生態(tài)重建和可持續(xù)發(fā)展[6]。探索水資源可承載條件下的黃淮海平原區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整具有重要實(shí)踐意義。

圖1 黃淮海平原區(qū)示意圖

我國(guó)第三輪土地利用規(guī)劃提出“加強(qiáng)土地生態(tài)保護(hù)和建設(shè)”的目標(biāo)，但缺少維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全的土地利用規(guī)劃方法。學(xué)術(shù)界提出了生態(tài)優(yōu)先理念，并將其應(yīng)用于生態(tài)保護(hù)規(guī)劃和城市生態(tài)規(guī)劃等相關(guān)研究，取得了較好的效果[7， 8]，這類思想在土地利用規(guī)劃中的引入也為土地利用中生態(tài)安全問(wèn)題的解決提供了有效思路。在與區(qū)域生態(tài)安全相關(guān)的土地利用結(jié)構(gòu)研究方面，學(xué)者們從生態(tài)服務(wù)價(jià)值[9]、生態(tài)位理論[10]、生態(tài)足跡[11]、精明增長(zhǎng)[12]等角度進(jìn)行了探索，卻仍不能滿足土地利用規(guī)劃中保障生態(tài)安全的需要，因此有必要進(jìn)一步研究。已有研究證實(shí)了考慮水資源承載力在土地可持續(xù)利用的可行性[13]，但將其引入重要糧食生產(chǎn)區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化中還較為鮮見(jiàn)。因此，文章在傳統(tǒng)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路中，采用水資源供需平衡作為生態(tài)約束目標(biāo)，并以黃淮海平原糧食產(chǎn)量為約束目標(biāo)，對(duì)黃淮海平原區(qū)2020年土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，以使優(yōu)化方案更能滿足當(dāng)?shù)氐耐恋乩矛F(xiàn)狀，保障土地利用的可持續(xù)利用，也為土地利用規(guī)劃及生態(tài)保護(hù)提供決策參考。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

黃淮海平原區(qū)包括京、津、冀、魯、豫、蘇、皖7省(市)，總面積31萬(wàn)km2，2010年耕地面積為23萬(wàn)km2，接近全國(guó)耕地面積的1/6，耕地?cái)?shù)量及墾殖率均居全國(guó)各一級(jí)農(nóng)區(qū)首位，生產(chǎn)全國(guó)近60%～80%的小麥和35%～40%的玉米，是中國(guó)重要的糧倉(cāng)[14]。同時(shí)，黃淮海平原區(qū)包括海河流域、黃河流域下游段以及淮河流域部分，為研究跨多流域尺度土地利用變化的水文效應(yīng)，該文以《中國(guó)水資源分區(qū)》為基礎(chǔ)，并參考研究區(qū)內(nèi)各水資源保護(hù)局水資源自然分區(qū)圖劃分出子流域，將每個(gè)子流域作為一個(gè)水平衡子系統(tǒng)。如圖1所示，將黃淮海平原區(qū)劃分為11個(gè)子流域，分別為北四河下游流域、大清河流域、黑龍港與運(yùn)東流域、徒駭馬頰河流域、漳衛(wèi)河平原、子牙河平原、黃河下游流域、淮河上游流域、淮河中游流域、淮河下游流域以及南四湖流域。

該研究主要采用了2010年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、 2020年縣級(jí)土地利用規(guī)劃數(shù)據(jù)、縣級(jí)糧食產(chǎn)量、各類用地耗水量、水資源總量等5個(gè)方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。(1)2010年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心[15]； (2)2020年縣級(jí)土地利用規(guī)劃數(shù)據(jù)來(lái)源于黃淮海平原區(qū)300個(gè)縣國(guó)土資源局的縣級(jí)《2006～2020年土地利用總體規(guī)劃》； (3)縣級(jí)糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中《中國(guó)縣域統(tǒng)計(jì)年鑒》以及各市縣統(tǒng)計(jì)年鑒[16]； (4)各類用地耗水量的數(shù)據(jù)、蒸散發(fā)數(shù)據(jù)來(lái)源于NASA的MODIS全球蒸散發(fā)數(shù)據(jù)產(chǎn)品(2001～2010)[17]； 生活耗水?dāng)?shù)據(jù)，據(jù)王靜愛(ài)(2006)的研究[18]， 300～600mm降水帶的居民每天耗水量在40～60L之間，年平均的耗水量為18.25m3，通過(guò)人口數(shù)量測(cè)算得到生活耗水； 工業(yè)耗水?dāng)?shù)據(jù)主要依據(jù)全國(guó)萬(wàn)元工業(yè)產(chǎn)值耗水量進(jìn)行計(jì)算； (5)水資源總量數(shù)據(jù)來(lái)源于海河流域水資源公報(bào)，黃河流域水資源公報(bào)以及淮河流域水資源公報(bào)(1998～2010)[19-21]。

2 研究方法

2.1 多目標(biāo)優(yōu)化模型

該研究采用了多目標(biāo)模糊優(yōu)選和遺傳算法為基礎(chǔ)構(gòu)建土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，模糊規(guī)劃可以克服單純的線性規(guī)劃的靜態(tài)局限，在解決資源約束條件或者目標(biāo)有模糊性的生產(chǎn)等優(yōu)化問(wèn)題發(fā)揮了重要作用，而與遺傳算法的結(jié)合，得出多目標(biāo)優(yōu)化的Pareto非劣解，通過(guò)相互比較得到最終的滿意解。

(1)

(2)

(1)式中，fi(x)=Bx，i=1， 2， 3…n；x為所求變量向量，B為目標(biāo)函數(shù)的系數(shù)矩陣，x=(x1，x2，x3…xn)T，Bi=β1，β2，β3…βn，n為變量個(gè)數(shù)。

2.2 變量設(shè)置

根據(jù)黃淮海平原區(qū)5省2市， 300個(gè)縣市的土地利用現(xiàn)狀、土地結(jié)構(gòu)調(diào)整后的利用方向以及滿足研究各流域水資源平衡的要求，以2010年為基期，設(shè)置了66個(gè)決策變量。

表1 黃淮海平原區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)及變量設(shè)置 萬(wàn)hm2

2.3 目標(biāo)函數(shù)

(1)生態(tài)目標(biāo)：流域地下水下降是流域耗水失衡導(dǎo)致，黃淮海平原區(qū)生態(tài)問(wèn)題主要是由于水資源失衡導(dǎo)致的。為緩解水資源帶來(lái)的生態(tài)問(wèn)題，生態(tài)目標(biāo)是通過(guò)控制流域的水平衡，減緩區(qū)域地下水資源消耗。

(3)

(4)

式中，F(xiàn)i是i流域的地下水蓄變量，地下水蓄變量為負(fù)值，說(shuō)明流域存在地下水超采； 地下水蓄變量為正值，說(shuō)明流域自然的水資源循環(huán)能夠滿足流域用水需求，不存在地下水超采。Ci為流域1990～2010多年平均水資源供給量，Dij為i流域j地類的單位面積耗水量，是2010年i流域j地類耗水總量Eij比上i流域j地類總面積而得，其中，i流域j地類耗水總量Eij是根據(jù)不同地類耗水特點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算而得。Ei1是耕地上作物的年蒸散發(fā)總量，Ei2是建設(shè)用地上的生活用水、工業(yè)用水等年耗水總量，Ei3、Ei5、Ei6分別為草地、林地以及未利用地上植被年蒸散發(fā)總量，Ei4為水域表面年蒸發(fā)總量。

(2)社會(huì)目標(biāo)：保障國(guó)家糧食安全，

(5)

式中，為第i流域的耕地單位面積糧食產(chǎn)量。

2.4 約束條件

根據(jù)土地利用現(xiàn)狀系統(tǒng)分析，從土地面積、宏觀計(jì)劃約束、糧食產(chǎn)量約束、市場(chǎng)約束等4個(gè)方面共確定7個(gè)約束條件。

(1)土地總面積約束：

(6)

式中，TLj為第j流域的土地總面積。

(2)宏觀計(jì)劃約束：

耕地：xi1≥CLj

(7)

建設(shè)用地：xi2≤ULj

(8)

水域：xi4≥WLj

(9)

林地：xi5≥FLj

(10)

(7)式中，CLj為第j流域土地利用總體規(guī)劃耕地最小面積，(8)式中，ULj為第j流域土地利用總體規(guī)劃建設(shè)用地最大面積，(9)式中，WLj為第j流域土地利用總體規(guī)劃水域最小面積，(10)式中，F(xiàn)Lj為第j流域土地利用總體規(guī)劃林地最小面積。

(3)糧食產(chǎn)量約束：

(11)

式中，Gi為第i流域的耕地單位面積糧食產(chǎn)量，TF基期糧食產(chǎn)量。

(4)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)約束

主要是現(xiàn)狀約束，主要表現(xiàn)為建設(shè)用地：

xi2≥MLj

(12)

式中，MLj為第j流域城鎮(zhèn)及工礦用地基期土地利用現(xiàn)狀面積。

圖2 遺傳算法流程

2.5 遺傳算法

遺傳算法具有內(nèi)在的并行性和整體尋優(yōu)的特點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)概率轉(zhuǎn)換機(jī)制[22]。能為土地利用規(guī)劃問(wèn)題提供多個(gè)潛在非劣解，較好地適應(yīng)土地利用規(guī)劃的不確定性，其基本步驟為[23]：

(1)產(chǎn)生初始群體：土地利用規(guī)劃中將矢量x=(x1，x2，…，xn)利用浮點(diǎn)型編發(fā)可以滿足約束條件的可行解，其中，x1，x2，…，xn為決策變量。根據(jù)之前的約束條件，在可行區(qū)間內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生一組染色體xk(k=1， 2，…)放入數(shù)組W。

(2)選擇：采用輪盤(pán)賭選，適應(yīng)度代表個(gè)體存在的機(jī)會(huì)，選擇操作就是通過(guò)適應(yīng)度選擇出一批適應(yīng)度較大的染色體，一般會(huì)經(jīng)過(guò)多次循環(huán)后才會(huì)得到用于交配的種群。

(3)交配：對(duì)選擇產(chǎn)生的種群按交叉概率p選擇交配，概率p一般在0.25～1之間。

(4)變異：由于多次交配可能會(huì)使得種群?jiǎn)我?，為了使群體保持多樣性，可以通過(guò)變異率q進(jìn)行變異，

(5)更新：將高適應(yīng)度的染色體留下，將新的非劣解加入到數(shù)組W，刪去劣點(diǎn)，并更新數(shù)組W中的極值。

(6)檢查終止條件：若運(yùn)行次數(shù)達(dá)到預(yù)先確定的代數(shù)便會(huì)停止，否則轉(zhuǎn)向步驟(2)。

2.6 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣預(yù)測(cè)

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣預(yù)測(cè)是利用地類轉(zhuǎn)移概率矩陣，在基本的土地利用現(xiàn)狀與規(guī)劃的約束下，形成2020年土地利用結(jié)構(gòu)，其作為2020年非優(yōu)化自然演化結(jié)果與多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化模型的優(yōu)化方案進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證優(yōu)化方案的有效性。

其中土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的預(yù)測(cè)基于地類轉(zhuǎn)移概率矩陣，地類轉(zhuǎn)移概率矩陣是通過(guò)條件概率建立起來(lái)的。在事件的某一時(shí)段的變化過(guò)程中，時(shí)段初轉(zhuǎn)移到時(shí)段末的其他狀態(tài)的概率，就是狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。即：

(13)

結(jié)合土地轉(zhuǎn)移矩陣，土地轉(zhuǎn)移概率矩陣應(yīng)該為：

(14)

轉(zhuǎn)移矩陣中各元素為相應(yīng)轉(zhuǎn)移矩陣各元素與所在行元素之和的比：

(15)

那么對(duì)某一轉(zhuǎn)移時(shí)段來(lái)說(shuō)，時(shí)段起初所有地類的面積向量t和期末的地類面積向量t′關(guān)系如下：

t′=t×pij

(16)

對(duì)于n個(gè)連續(xù)時(shí)段，存在n+1面積向量t1，t2，…，tn+1，可得：

(17)

那么可以定義：

(18)

p(a，a+n)表示由a時(shí)段的期初到a+n時(shí)段的期末共n+1個(gè)連續(xù)時(shí)段總的轉(zhuǎn)移概率矩陣，可以給出各連續(xù)分時(shí)段的轉(zhuǎn)移概率矩陣球總時(shí)段的轉(zhuǎn)移概率矩陣的方法[24]。

但由于土地轉(zhuǎn)移概率矩陣預(yù)測(cè)必須在合理的區(qū)間內(nèi)，即滿足2010土地利用現(xiàn)狀與2020年土地利用規(guī)劃約束，所以在土地轉(zhuǎn)移概率中加入目標(biāo)面積轉(zhuǎn)移矩[25]。

3 黃淮海平原土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

基于matlab 2014平臺(tái)，編寫(xiě)了遺傳算法多目標(biāo)優(yōu)化程序，結(jié)合以上模型參數(shù)對(duì)黃淮海平原區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型求解，得出與設(shè)計(jì)種群數(shù)量(100個(gè))相當(dāng)?shù)那蠼夥桨笖?shù)，并將其中3個(gè)滿意解作為方案一、二、三與2010年黃淮海平原區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，選出最終的Pareto解。

表2 2010黃淮海平原區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)

流域耕地(萬(wàn)km2)建設(shè)用地(km2)草地(km2)水域(km2)林地(km2)未利用地(km2)蓄變量(億m3)糧食產(chǎn)量(萬(wàn)t)北四河下游1 5898649058317312027418-33 93637 39子牙河流域1 400425553973221160-24 97377 96徒駭馬頰河域2 42435212231671215738-2 25404 94大清河流域1 67403213654127719149-33 941231 79漳衛(wèi)河流域0 89561476702101600100 44619 17黑龍港運(yùn)東1 9102316804009138-36 161234 02黃河下游流域1 80014792622142732246780 16567 43淮河上游4 4266938038810471149138 051727 35淮河中游3 240062323938663610104 41929 49淮河下游2 6278805036133341263568 33712 77南四湖流域1 32472991513511305179 37196 63總計(jì)23 31355355943821152763831877239 518638 93

優(yōu)化方案是根據(jù)黃淮海平原區(qū)各縣域土地利用總體規(guī)劃要求，在2010年土地利用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)2020年土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。2010年黃淮海平原區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)為耕地面積占75.00%，建設(shè)用地面積占17.23%，草地面積占1.41%，水域面積占3.71%，林地面積2.05%，未利用地占0.60%。優(yōu)化方案一耕地面積相對(duì)2010年有明顯下降，面積為22.93萬(wàn)km2，占黃淮海平原區(qū)土地總面積73.78%，建設(shè)用地面積為5.4萬(wàn)km2，增加了457km2，占總面積的17.38%，草地面積占總面積1.03%，水域面積為1.4萬(wàn)km2，較2010年增加了2 542km2，占總面積的4.53%，林地面積為1萬(wàn)km2，較2010年增加了3 617km2，占總面積的3.22%，未利用地面積為405km2，占總面積0.13%。優(yōu)化方案二可以滿足總面積約束、宏觀計(jì)劃約束以及市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)約束條件。但方案二的糧食產(chǎn)量為8 432.32萬(wàn)t，未能滿足高于2010年8 628.93萬(wàn)t的水平，其地下水蓄變量為228.42億m3，均能維持2010年的水資源利用水平，黑龍港運(yùn)東流域的地下水蓄變量有所回升，增加了0.12億m3

表3 黃淮海平原區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案一

流域耕地(萬(wàn)km2)建設(shè)用地(km2)草地(km2)水域(km2)林地(km2)未利用地(km2)蓄變量(億m3)糧食產(chǎn)量(萬(wàn)t)北四河下游1 05216600240127804740105-35 52421 82子牙河流域1 41362604604581360-26 05381 52徒駭馬頰河域2 50425249806383001-3 17418 29大清河流域1 6526326848169553949-35 281216 01漳衛(wèi)河流域0 8453149854937596010-0 25584 38黑龍港運(yùn)東1 87993168084190-36 061214 45黃河下游流域1 998448375472327777 06629 92淮河上游4 4720941509101185137 321745 06淮河中游3 21086254015293610103 84921 11淮河下游2 60318097038951263567 65706 08南四湖流域1 30493026454761804578 88193 68總計(jì)22 93685401631881406910000222228 428432 32

優(yōu)化方案二耕地面積為22.95萬(wàn)km2，占黃淮海平原區(qū)土地總面積73.83%，是3個(gè)優(yōu)化方案中耕地面積占比最大的方案，建設(shè)用地面積為5.4萬(wàn)km2，增加了479km2，占總面積的17.38%，。草地面積占總面積的1.35%，水域面積為1.4萬(wàn)km2，較2010年增加了2 924km2，占總面積的4.65%，林地面積為8 246km2，較2010年增加了1 863km2，占總面積的2.65%，未利用地面積為222km2，占總面積0.13%。優(yōu)化方案二可以滿足總面積約束、宏觀計(jì)劃約束以及市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)約束條件。但方案二的糧食產(chǎn)量為8 445.81萬(wàn)t，未能滿足高于2010年8 628.93萬(wàn)t的水平，其地下水蓄變量為227.24億m3。

表4 黃淮海平原區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案二

流域耕地(萬(wàn)km2)建設(shè)用地(km2)草地(km2)水域(km2)林地(km2)未利用地(km2)蓄變量(億m3)糧食產(chǎn)量(萬(wàn)t)北四河下游1 08206600340128793337110-34 52433 79子牙河流域1 41562604504581260-26 07382 06徒駭馬頰河域2 50755260864227153-3 33418 84大清河流域1 664232735718532954-35 281224 60漳衛(wèi)河流域0 8538153957728282981-0 71590 27黑龍港運(yùn)東1 87993168084190-36 061214 45黃河下游流域1 997948373476330677 07629 77淮河上游4 45739380296212496535 801739 35淮河中游3 207862542515323630103 84920 25淮河下游2 5709809747412112704667 64697 34南四湖流域1 08203026340128793337110-34 52433 79總計(jì)22 9513540384210144518246405227 248445 81

優(yōu)化方案三耕地面積為22.93萬(wàn)km2，耕地面積相對(duì)于2010年減少了3 828km2，是3個(gè)優(yōu)化方案中耕地面積減幅最大的方案，優(yōu)化后耕地面積占黃淮海平原區(qū)土地總面積73.76%。建設(shè)用地面積為5.4km2，增加了519km2，占總面積的17.40%，是3個(gè)優(yōu)化方案中建設(shè)面積占比最大的。草地面積占總面積的1.26%，水域面積為1.44km2，較2010年增加了2 952km2，占總面積的4.66%，林地面積為8 213km2，較2010年增加了2 030km2，占總面積的2.70%，未利用地面積為657km2，占總面積0.21%。優(yōu)化方案三可以滿足總面積約束、宏觀計(jì)劃約束以及市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)約束條件。但方案三的糧食產(chǎn)量為8 464.74萬(wàn)t，未能滿足高于2010年8 628.93萬(wàn)t的水平，其地下水蓄變量為230.44億m3。

表5 黃淮海平原區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案三

流域耕地(萬(wàn)km2)建設(shè)用地(km2)草地(km2)水域(km2)林地(km2)未利用地(km2)蓄變量(億m3)糧食產(chǎn)量(萬(wàn)t)北四河下游1 08206600340128793337110-34 52433 79子牙河流域1 40042604715291870-25 92377 96徒駭馬頰河域2 41885258124843495402-2 68404 02大清河流域1 6564327285189129021-35 221218 87漳衛(wèi)河流域0 8956154919135779100 04619 17黑龍港運(yùn)東1 87993168084190-36 061214 45黃河下游流域1 99464835194763292677 14628 72淮河上游4 4720941509101185137 321745 06淮河中游3 21086254015293610103 84921 11淮河下游2 60318097038951263567 65706 08南四湖流域1 31723026343871663678 85195 51總計(jì)22 9307540783926144818413657230 448464 74

綜上，3個(gè)黃淮海平原區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案糧食總產(chǎn)量均未滿足糧食產(chǎn)量約束條件，達(dá)到2010年8 628.93萬(wàn)t的水平。這說(shuō)明在降低水資源消耗、滿足土地利用規(guī)劃的條件下，糧食產(chǎn)量會(huì)有所損耗。其中方案三的糧食產(chǎn)量在優(yōu)化方案中最高，為8 464.74萬(wàn)t，其各流域地下水蓄變量均大于其他兩個(gè)方案，說(shuō)明其土地利用機(jī)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)均優(yōu)于方案一與方案二，最終確定方案三為黃淮海平原區(qū)2020年土地利用結(jié)構(gòu)最優(yōu)方案。

4 土地利用方案對(duì)比

4.1 土地利用結(jié)構(gòu)的變化

根據(jù)土地轉(zhuǎn)移矩陣在土地利用總體規(guī)劃的條件下，預(yù)測(cè)出的2020年黃淮海平原區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)，是按照過(guò)去土地利用變化的原始路徑，依據(jù)最大轉(zhuǎn)換概率形成的黃淮海平原區(qū)2020年土地利用結(jié)構(gòu)。最優(yōu)方案與自然演化的結(jié)果均滿足2020年土地利用總體規(guī)劃中各地類的約束條件以及總面積約束條件，優(yōu)化方案與自然演化都處于合理范圍?，F(xiàn)將最優(yōu)方案與土地轉(zhuǎn)移矩陣預(yù)測(cè)出的2020年土地利用結(jié)構(gòu)結(jié)果以及2010年土地利用結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀進(jìn)行對(duì)比分析，可以判斷優(yōu)化方案的有效性。

從整個(gè)黃淮海平原區(qū)來(lái)看，在耕地面積對(duì)比中，黃河以北的流域主要呈現(xiàn)，優(yōu)化方案中的耕地面積少于自然演化的耕地面積，黃河以南的流域表現(xiàn)出優(yōu)化方案中的耕地面積多于自然演化的耕地面積，耕地面積占比較大，影響地下水蓄變量的權(quán)重也比較大，所以優(yōu)化方案的耕地面積情況與流域的蓄變量有關(guān)。在高強(qiáng)度耗水的建設(shè)用地面積對(duì)比中，優(yōu)化方案相對(duì)自然演化來(lái)說(shuō)，建設(shè)用地面積占比都有所降低。但生態(tài)用地面積占比中，優(yōu)化方案的生態(tài)用地面積占比都普遍高于預(yù)測(cè)方案，特別是林地與水域面積的比例(圖3)。

4.2 土地用水結(jié)構(gòu)的變化

在土地用水結(jié)構(gòu)對(duì)比中(表6)，分析各個(gè)地類的耗水情況。在耕地耗水對(duì)比中，自然演化與優(yōu)化方案下的耕地耗水量都小于等于2010年的耕地水資源消耗量，主要是由于耕地面積減少導(dǎo)致。在北四河下游流域、徒駭馬頰河流域、大清河流域以及黑龍港運(yùn)東流域中，優(yōu)化方案的耕地耗水量均小于自然演化的耕地耗水量，在黃河下游流域、淮河上游流域、淮河中游流域、淮河下游流域以及南四湖流域，這些流域優(yōu)化方案的耕地耗水量大于自然演化的耕地耗水量。黃河以北少消耗水資源，黃河以南充分挖掘水資源利用潛力，是優(yōu)化方案耕地耗水的主要特點(diǎn)。

表6 不同情景下流域地類耗水對(duì)比 億m3

在建設(shè)用地耗水對(duì)比中，由于2020年的建設(shè)用地面積大于2010年建設(shè)用地面積，在耗水強(qiáng)度不變的情況下，自然演化與優(yōu)化方案中的建設(shè)用地耗水情況均大于2010年建設(shè)用地耗水水平。建設(shè)用地作為高耗水地類，優(yōu)化方案主要通過(guò)控制建設(shè)用地面積減少用水總量，可見(jiàn)優(yōu)化方案中只有淮河上游流域的建設(shè)用地耗水量高于自然演化的建設(shè)用地耗水量，總的建設(shè)用地耗水比自然演變減少了30.45億m3。在生態(tài)用地耗水量對(duì)比中，優(yōu)化方案生態(tài)用地總耗水略高于自然演化的總耗水，主要體現(xiàn)在林地與水域面積占比的增加，特別是北四河流域、子牙河流域、徒駭馬頰河流域、大清河流域以及南四湖流域優(yōu)化方案的林地與水域耗水量均大于自然演化的耗水量。

從各流域地下水蓄變量對(duì)比中看出(圖4)，在地下水蓄變量為負(fù)值的流域，如北四河下游流域、子牙河流域、徒駭馬頰河流域、漳衛(wèi)河流域、黑龍港運(yùn)東流域，優(yōu)化方案中的地下水蓄變量均大于自然演化中的地下水蓄變量； 而在地下水蓄變量為正值的流域，如淮河中游流域、淮河下游流域以及南四湖流域，優(yōu)化方案中的地下水蓄變量均小于自然演化中的地下水蓄變量。優(yōu)化方案的土地利用結(jié)構(gòu)通過(guò)“地下水超采區(qū)節(jié)水，水資源豐富區(qū)用水”的思路，對(duì)黃淮海平原區(qū)水資源利用結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，相對(duì)于自然演化的土地利用結(jié)構(gòu)總體耗水，土地利用結(jié)果優(yōu)化的耗水潛力了18.56億m3。

圖4 不同情景下流域地下水蓄變量對(duì)比

4.3 耕地糧食產(chǎn)出的變化

自然演化與優(yōu)化方案中各流域耕地面積與該流域的單位面積糧食產(chǎn)量的乘積，可以得到流域的總產(chǎn)量，其中流域單位面積產(chǎn)量是以2010年糧食生產(chǎn)水平為基準(zhǔn)。從整個(gè)黃淮海平原區(qū)的糧食產(chǎn)量來(lái)看， 2020年預(yù)測(cè)的糧食產(chǎn)量為8 453.39萬(wàn)t，2020年優(yōu)化方案的糧食產(chǎn)量為8 464.74萬(wàn)t，無(wú)論是自然演化還是優(yōu)化方案，以2010年的生產(chǎn)水平計(jì)算，黃淮海平原區(qū)糧食生產(chǎn)總量均小于2010年的糧食產(chǎn)量8 638.93萬(wàn)t。

從流域的尺度上看，北四河下游流域、徒駭馬頰河流域、大清河流域、漳衛(wèi)河流域以及黑龍港流域優(yōu)化糧食產(chǎn)量均小于預(yù)測(cè)糧食產(chǎn)量，而黃河以南的流域，黃河下游流域、淮河上游流域、淮河中游流域、淮河下游流域以及南四湖流域優(yōu)化糧食產(chǎn)量大于預(yù)測(cè)糧食產(chǎn)量。通過(guò)2020年優(yōu)化耕地面積與預(yù)測(cè)耕地面積相比，可以看出優(yōu)化方案的耕地面積在黃河以北的流域少于自然演化的耕地面積，這些流域正是水資源量減少的重點(diǎn)區(qū)域，而黃河以南的區(qū)域，優(yōu)化方案的耕地面積又多于自然演化的耕地面積，這些流域地下水蓄變量為正值，具有一定的水資源利用空間。優(yōu)化的耕地面積實(shí)際是將耕地生產(chǎn)重心南移動(dòng)，減緩水資源貧乏區(qū)的生產(chǎn)，在水資源較為豐富區(qū)進(jìn)行提產(chǎn)，使得整個(gè)黃淮海平原區(qū)的糧食產(chǎn)量大于預(yù)測(cè)的糧食產(chǎn)量。

表7 流域耕地面積與產(chǎn)量對(duì)比

流域現(xiàn)狀耕地面積(萬(wàn)km2)演化耕地面積(萬(wàn)km2)優(yōu)化耕地面積(萬(wàn)km2)糧食單產(chǎn)(萬(wàn)t/km2)現(xiàn)狀糧食產(chǎn)量(萬(wàn)t)演化糧食產(chǎn)量(萬(wàn)t)優(yōu)化糧食產(chǎn)量(萬(wàn)t)北四河下游1 58981 23451 0621400 92637 39494 92433 79子牙河流域1 40041 40041 4004269 90377 96377 96377 96徒駭馬頰河2 42432 41912 4188167 03404 94404 07404 02大清河流域1 67401 66131 6564735 831231 791222 461218 87漳衛(wèi)河流域0 89560 89560 8956691 34619 17619 17619 17黑龍港運(yùn)東1 91021 90791 8799646 021234 021232 551214 45黃河下游1 80011 81071 9946315 22567 43570 77628 72淮河上游4 42664 45574 4556390 221727 351738 711745 06淮河中游3 24003 15003 2029286 88929 49903 67921 11淮河下游2 62782 59322 5979271 24712 77703 37706 08南四湖流域1 32471 25131 3172148 43196 63185 73195 51總計(jì)23 313522 779722 8813370 558638 938453 398464 74

5 結(jié)論與討論

基于水資源約束與保障糧食安全的黃淮海平原區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，是利用多目標(biāo)規(guī)劃方案，在遺傳算法的基礎(chǔ)上從模型中計(jì)算出的最優(yōu)值。同時(shí)通過(guò)土地轉(zhuǎn)移矩陣，在2020年土地利用總體規(guī)劃的約束下，依據(jù)2000～2010土地利用變化路徑，預(yù)測(cè)出2020年最大概率形成的土地利用結(jié)構(gòu)。將最優(yōu)方案與自然演化進(jìn)行了土地利用結(jié)構(gòu)、用水結(jié)構(gòu)以及糧食產(chǎn)出3個(gè)方面對(duì)比，認(rèn)為最優(yōu)方案具有一定的理論參考價(jià)值；但在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)的可能性有多大，需要進(jìn)一步考證。通過(guò)對(duì)優(yōu)化方案的分析可以得到以下結(jié)論。

(1)在水資源消耗最小的條件約束下，土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方向是在滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的情況下，盡量降低高耗水強(qiáng)度的建設(shè)用地面積占比，減少流域地下水蓄變量為負(fù)值的耕地面積，充分利用未利用面積，增加林地、水域等生態(tài)用地的面積。優(yōu)化后的土地利用結(jié)構(gòu)，有效緩解了地下水蓄變量減少的趨勢(shì)。

(2)為保障糧食產(chǎn)量最大化，土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案通過(guò)增加黃河以南，水資源較為豐富，流域地下水蓄變量為正值的耕地面積，減少黃河以北，水資源較為匱乏，流域地下水蓄變量為負(fù)值的耕地面積，使得糧食生產(chǎn)重心轉(zhuǎn)移，在水資源約束的條件下達(dá)到區(qū)域糧食產(chǎn)量最大。

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OPTIMIZATION OF LAND USE STRUCTURE IN HUANG-HUAI-HAI PLAIN UNDER WATER RESOURCES CONSTRAINT*

Lei Ming1， 2，Kong Xiangbin1， 2※
(1.College of Resources and Environment, China Agricultural University, Beijing 100193, China;2.Key Laboratory for Farmland Quality and Monitoring of National Ministry of Land Resources，Beijing100193, China)

As the main producing areas in China, water shortage of Huang-Huai-Hai Plain is increasing. It is of great significance to explore the optimization of land use structure in the Huang-Huai-Hai Plain in order to ensure food security and economic development under the condition that water resources can carry. The multi-objective optimization model and genetic algorithm were used to ensure water resources balance and maximize grain yield under the constraint condition of land area, macro planning constraint, grain yield constraint and market. The optimization plan of land use structure was proposed in the Huang-Huai-Hai Plain in 2020.At the same time, the land use structure formed by the maximum probability of natural evolution in 2020 was predicted through the land transfer matrix under the constraints of the overall land use plan in 2020.The results showed that comparing optimal scheme and the natural evolution with the land use structure, water structure and grain output, the optimal grain yield was 84.67 million tons and the total water consumption was 1.85 billion m3, which was superior to the natural evolution result. It is proved that the land use structure optimization scheme had certain validity.The direction of land use structure optimization in the Huang-Huai-Hai Plain should be to control the proportion of construction land with high water consumption intensity, make full use of the unused area such as forest land and water body, reduce the area of cultivated land in the basin with scarce water resources, and increase the area of cultivated land with abundant water resources so as to ensure the grain yield and effectively alleviate the downward trend of groundwater level.

land use structure; ecological security; food security; multi-objective optimization; Huang-Huai-Hai Plain

10.7621/cjarrp.1005-9121.20170605

2017-06-06

雷鳴(1993—)，男，布依族，貴州黔南人，博士生。研究方向：土地資源可持續(xù)利用研究?！ㄐ抛髡撸嚎紫楸?1969—)，男，河北承德人，博士、教授、博士生導(dǎo)師。研究方向：土地資源可持續(xù)利用與土地資源評(píng)價(jià)研究。Email：kxb@cau.edu.cn

*資助項(xiàng)目：國(guó)家社科重點(diǎn)基金項(xiàng)目(14AZD031)； 北京市自然科學(xué)重點(diǎn)基金項(xiàng)目(8151001)

F301.2

A

1005-9121[2017]06027-11