李建華 陳哲夫 陳端呂

[摘 要] 區(qū)域土地利用結構優(yōu)化是區(qū)域經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)的關鍵，通過“生產(chǎn)—生活—生態(tài)”土地空間利用現(xiàn)狀，進行“三生”用地功能評價與空間布局優(yōu)化配置，可為區(qū)域空間可持續(xù)利用提供參考?；谥鲗Чδ艿摹叭庇玫胤诸愺w系，探討了2005-2016年三生用地特征，采用“三生”空間功能測度模型與層次分析法進行“三生”用地評價，利用線性規(guī)劃模型進行“三生”用地結構優(yōu)化。結果表明：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地與林地生態(tài)用地在區(qū)域中占主體，基本維持了區(qū)域的生態(tài)安全與糧食安全。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地“三生”功能相對均衡，而工礦生產(chǎn)用地、城鎮(zhèn)生活用地、農(nóng)村生活用地的主導功能比較明顯。從土地利用程度、經(jīng)濟效益和生態(tài)效益方面，將優(yōu)化結果與現(xiàn)狀和優(yōu)化預測土地利用結構進行對比分析，未來土地利用能保持較穩(wěn)定的局勢。分類中突出了不同土地的生產(chǎn)、生活和生態(tài)主導功能，但區(qū)域用地評價需要包含其它次要功能的綜合效益。土地利用結構優(yōu)化是保障糧食安全、生態(tài)安全的有效途徑，在有限的資源上獲得最大的效益，又不能損害生態(tài)系統(tǒng)。

[關鍵詞] “三生”用地;線性規(guī)劃;土地利用;優(yōu)化配置;環(huán)洞庭湖區(qū)

[中圖分類號] F470[文獻標識碼] A[文章編號] 1009-6043（2019）11-0021-04

土地資源按主導功能分為生態(tài)用地、生產(chǎn)用地與生活用地，稱為“三生”用地，但土地利用過程復雜，體現(xiàn)了自然與人類活動的特點，是綜合生產(chǎn)、生活與生態(tài)三大功能的復雜系統(tǒng)[1]，表現(xiàn)出多功能性[2-3]，需要協(xié)調(diào)土地不同功能用地的矛盾，追求土地利用效益最大化，充分考慮其多功能性[4]。對于傳統(tǒng)的土地利用結構優(yōu)化，在過去歷年的研究中，土地適宜性與多效益化成為關鍵，包括專項用地優(yōu)化配置[5-6]、土地政策效果、特殊地段的適用性[7]、土地利用組合類型[8]、時空變化[9]。地理信息系統(tǒng)等方面的土地利用調(diào)查規(guī)劃技術手段正在不斷應用與發(fā)展[10]，土地利用功能分類、評價以及生態(tài)經(jīng)濟關系方面也進行了多層次、多角度探索[11]。目前，我國“三生”用地研究處于起步階段，國內(nèi)學者更多的是對生態(tài)用地展開的相關探討[12-13]，并涉及到區(qū)域的生態(tài)用地分類研究[14-15]。通過功能空間分類方法將土地利用分類與“三生”用地分類相銜接，構建了不同空間尺度的“三生”用地分類體系[16]，較多地考慮了土地的主導功能及利用主體的利益協(xié)調(diào)，同時，基于土地利用的多功能性理論，構建“三生”用地效益的三級評價體系，進行了“三生”用地效益的動態(tài)變化分析與協(xié)調(diào)評價[17-18]。本文基于“三生”土地利用主導功能分類，探討洞庭湖區(qū)土地利用的生產(chǎn)、生活和生態(tài)功能特征及動態(tài)變化，通過土地利用結構優(yōu)化配置，實現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟與社會效益最大化，推進區(qū)域土地可持續(xù)利用。

一、研究區(qū)概況與研究方法

（一）研究區(qū)概況

環(huán)洞庭湖一體化與生態(tài)經(jīng)濟區(qū)建設已成為國家戰(zhàn)略，范圍包括湖南省岳陽市、常德市、益陽市，長沙市望城區(qū)和湖北省荊州市，共33個縣（市、區(qū)），面積6.05萬平方公里。環(huán)洞庭湖區(qū)地勢平坦，資源豐富，土地肥沃，是全國重要的糧食生產(chǎn)基地，氣候宜人，降水量偏多，具有獨特的地理區(qū)位優(yōu)勢，但洪澇災害嚴重，生態(tài)環(huán)境和人口承載壓力越來越大，土地開發(fā)利用與保護、經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境有限承載力之間的矛盾越來越突顯，尋求土地用地結構優(yōu)化方案成為區(qū)域土地集約利用與可持續(xù)發(fā)展的途徑。

（二）數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.數(shù)據(jù)來源與處理

社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來自2005-2016年常德、益陽、岳陽、荊州等地市的統(tǒng)計年鑒及土地利用總體規(guī)劃文件。土地利用數(shù)據(jù)為ArcGIS9.2支持的環(huán)洞庭湖區(qū)土地利用類型矢量化圖斑數(shù)據(jù)。對全國過渡時期土地分類體系的土地類型綜合為“三生用地”三大類，即有林地、灌木林地、疏林地、其他林地、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、湖泊、灘地、河渠、水庫和坑塘歸并為生態(tài)用地，水田、旱地、工礦生產(chǎn)用地歸并為生產(chǎn)用地，城鎮(zhèn)生活用地、農(nóng)村生活用地歸并為生活用地。

2.研究方法

（1）層次分析法

土地利用的總目標是發(fā)揮綜合效益，達到生產(chǎn)高效、生態(tài)宜居、生活舒適的目標[19]，提升區(qū)域土地資源生態(tài)、生產(chǎn)和生活功能的協(xié)調(diào)性。在功能層上，既強調(diào)用地的主導功能，又不能忽略其所具有的次要功能[20]。按照上述原則，結合環(huán)洞庭湖區(qū)土地利用現(xiàn)狀及土地、農(nóng)業(yè)、地理等學科領域專家的意見，根據(jù)金星星等[21]進行“三生”土地利用主導功能評分，并按其“三生空間功能指數(shù)”（PLESI）模型方法初步確定功能層（“生產(chǎn)、生活、生態(tài)”土地利用主導功能）的初步權重，再通過AHP法[22]建立層次結構模型、構建判斷矩陣、層次單排序及一致性檢驗、層次總排序及一致性檢驗和群決策。得到各指標的綜合權重（表1）。

（2）線性規(guī)劃法

線性規(guī)劃主要是實現(xiàn)最大效益而制定最優(yōu)化規(guī)劃方案[23]。建立線性規(guī)劃模型過程中，主要是在廣泛收集、整理相關文獻及定性分析環(huán)洞庭湖區(qū)土地利用現(xiàn)狀的基礎上，根據(jù)環(huán)洞庭湖區(qū)實際情況設定約束條件，確定土地利用結構優(yōu)化的決策變量、約束條件和目標函數(shù)，在擬定的約束條件下，使土地利用結構優(yōu)化的目標函數(shù)中的“三生”綜合效益達到最大，得出土地利用結構優(yōu)化方案。

（3）土地利用類型動態(tài)度

對于“三生”土地類型的變化，采用單一土地利用類型動態(tài)度計算公式

式中，K為動態(tài)度，Ub、Ua分別為期末、期初的土地類型面積，T為變化期間的年度。

二、環(huán)洞庭湖區(qū)“三生”用地分析與評價

（一）土地利用類型結構

2016年末，區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)用地面積為2692799.12公頃，占土地總面積的44.30%;區(qū)域內(nèi)生態(tài)用地面積3203567.98公頃，占土地總面積的52.71%;區(qū)域內(nèi)生活用地面積181684.39公頃，占土地總面積的2.99%（見表2），“三生”用地空間分布見圖1。

（二）“三生”用地數(shù)量變化

由表3可見，洞庭湖區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面積總體呈下降趨勢;水域生態(tài)用地在三個時間段內(nèi)變化有小幅度上升，2005年至2016年增加了4259.15公頃;牧草生態(tài)用地在2005-2016年間下降趨勢最明顯，期間變化達到-5688.98公頃;林地生態(tài)用地面積期間均存在減少的趨勢，減少6907.28公頃;城鎮(zhèn)生活用地均呈上升，期間增加面積為18314.14公頃。

由圖2可知，2005-2011年間減少速度最快的為其它生態(tài)用地與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，增長速度最快的為城鎮(zhèn)生活用地與水域生態(tài)用地;2011-2016年期間減少速度最快的為牧草生態(tài)用地，減少速度最快的為建設用地與其它用地;2011-2016年期間減少速度最快的為耕地與牧草地，減少速度最快的為農(nóng)村生活用地;城鎮(zhèn)生活用地一直呈現(xiàn)增長趨勢，水域生態(tài)用地呈增長趨勢，但變化速度緩慢。2005-2016年土地利用類型動態(tài)度表明，工礦生產(chǎn)用地>城鎮(zhèn)生活用地>其他生態(tài)用地>牧草生態(tài)用地>農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地>農(nóng)村生活用地>水域生態(tài)用地>林地生態(tài)用地。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地與林地生態(tài)用地的持續(xù)下降變化先迅速、后平穩(wěn)、再迅速;土地類型中變化速率最快的為工礦生產(chǎn)用地，而且城鎮(zhèn)生活用地在2005-2016年期間是持續(xù)增加的;其它生態(tài)用地面積的變化開始呈現(xiàn)下降趨勢，但轉而上升。

（三）“三生”用地效益評價

從“三生”用地分類體系來看，3種功能有主次和高低之分，土地利用類型不同，體現(xiàn)多元利益攸關主體發(fā)展需求的滿足程度不同[23]，存在用地的主導功能。但任何類型的土地資源都或大或小的發(fā)揮著經(jīng)濟、生態(tài)與社會效益。從圖3可以看出，每個類型都體現(xiàn)了各有偏重的多功能性，其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地“三生”功能相對均衡，生產(chǎn)、生活和生態(tài)功能指數(shù)分別為0.438793496、0.338058073與0.223148432，說明了生產(chǎn)用地在為人類提供產(chǎn)品和供給功能的同時，發(fā)揮著生態(tài)功能，也為人類生活空間提供一定的基礎。而工礦生產(chǎn)用地、城鎮(zhèn)生活用地、農(nóng)村生活用地的主導功能比較明顯，城鎮(zhèn)生活用地、農(nóng)村生活用地的生活功能指數(shù)為0.782878811，而生產(chǎn)生態(tài)功能指數(shù)為0.185729364，生態(tài)功能指數(shù)只為0.031391825。因此，統(tǒng)籌生產(chǎn)、生活和生態(tài)用地空間，考慮生態(tài)脆弱、生態(tài)環(huán)境惡劣或者生態(tài)保護意義重要的地區(qū)，又要反映保障人類生活、生產(chǎn)活動的區(qū)域，同時，而對于所有土地類型來說，生態(tài)功能是生產(chǎn)功能與生活功能實現(xiàn)的前提與基礎。

三、環(huán)洞庭湖區(qū)土地利用結構優(yōu)化

（一）線性規(guī)劃模型描述

1.變量設置

以土地利用現(xiàn)狀分類為基礎，根據(jù)環(huán)洞庭湖區(qū)土地資源的特點以及“三生”用地功能類型的二級地類，共設置8個變量，根據(jù)環(huán)洞庭湖區(qū)未來發(fā)展的要求和土地利用的實際情況和發(fā)展規(guī)律等，同時為了保證環(huán)洞庭湖區(qū)土地資源利用可持續(xù)性，參考環(huán)洞庭湖區(qū)土地發(fā)展利用總體目標和規(guī)劃，最終建立了11組約束方程，約束系數(shù)和約束常數(shù)具體設置如表4。

2.目標函數(shù)與約束方程

依據(jù)上述總體要求和約束系數(shù)設置目標函數(shù)：

“三生”效益最大化目標函數(shù)：

Max（Z）=370372152X1+370372152X2+320000000X3

+330000000X4+305787108X5+304552632X6

+257847956X7+257847956X8

約束條件：

總面積約束X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8=6078050.38

城市開發(fā)約束X7+X8≤181674.28

交通需求約束X6=51476.05

生態(tài)安全約束X1+X2+X3+X4≥3203567.98

糧食安全約束X5≥2641323.07

農(nóng)村建設集約化約束X8≤115917.72;X8≥90415.82

城市開約束X7≥65765.56

區(qū)域畜牧業(yè)發(fā)展約束X2≤8433.57

保證未利用地開發(fā)利用約束X4=112881.00

湖泊生態(tài)系統(tǒng)約束X3≥774945.94

（二）基于線性規(guī)劃模型的土地利用結構優(yōu)化

通過構建的“三生”用地結構優(yōu)化的線性規(guī)劃模型，在變量設置及約束條件下使“三生”綜合效益的目標函數(shù)值達到最大，根據(jù)8個未知變量的取值，得到基于“三生”功能的線性規(guī)劃優(yōu)模型化方案為：林地生態(tài)用地2230644.00公頃，牧草生態(tài)用地638541.20公頃，水域生態(tài)用地247004.10公頃，其他生態(tài)用地112881.00公頃，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地2641323.00公頃，工礦生產(chǎn)用地51476.05公頃，城鎮(zhèn)生活用地65765.56公頃，農(nóng)村生活用地90415.82公頃。

在分析環(huán)洞庭湖區(qū)土地利用現(xiàn)狀及變化的基礎上，基于線性規(guī)劃的土地利用優(yōu)化方案與現(xiàn)行土地結構進行比較，從表5可看出，生態(tài)用地中除了牧草生態(tài)用地不適宜發(fā)展，優(yōu)化值為0，總面積比當前面積增加25501.52公頃，在原基礎上增加0.42%，特別是林地生態(tài)用地增加了1.82%，為區(qū)域生態(tài)安全提供了保障。農(nóng)村生活用地和工礦生產(chǎn)用地近年來增長迅速，基礎設施建設加快，從生態(tài)安全角度，不宜再大面積擴張建設用地。農(nóng)村建設用地有一定程度的縮減，通過新農(nóng)村建設，實現(xiàn)集約化建設，提升鄉(xiāng)村宜居水平。其他生態(tài)用地優(yōu)化值比當前減少，主要是對原有的裸土地與裸巖石礫地進行開發(fā)利用，解決土地稀缺的人地關系矛盾，提高環(huán)洞庭湖區(qū)土地利用率。

四、結論與建議

土地是一種珍貴的、數(shù)量有限的、不可再生和不可替代的稀缺性資源。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地與林地生態(tài)用地在區(qū)域中占主體，占80.16%，總體現(xiàn)狀還是基本維持了區(qū)域的生態(tài)安全與糧食安全。城鎮(zhèn)生活用地持續(xù)增加，工礦生產(chǎn)用地在2011年至2016年間增加速度加快，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地顯著減少，生態(tài)用地相對保持穩(wěn)定。

土地系統(tǒng)是一個生產(chǎn)功能、生活功能和生態(tài)功能相互聯(lián)系和相互統(tǒng)一的綜合性功能整體，其中生產(chǎn)功能是基礎，生態(tài)功能是支撐，生活功能是目的，不同性質的空間主要發(fā)揮不同的主導功能，兼顧發(fā)揮非主導功能。其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地“三生”功能相對均衡，而工礦生產(chǎn)用地、城鎮(zhèn)生活用地、農(nóng)村生活用地的主導功能比較明顯。在“三生”用地資源配置中，在考慮用地類型中多元利益攸關主體需求的同時，也要解決好主導功能與綜合效益之間的矛盾。

合理利用土地資源，調(diào)整土地利用結構，既是實現(xiàn)環(huán)洞庭湖區(qū)可持續(xù)發(fā)展的需要，也是整治國土、保護和改善環(huán)境的首要問題。利用多元線性規(guī)劃方法進行土地利用結構優(yōu)化，研究環(huán)洞庭湖區(qū)“三生”土地利用結構調(diào)整，合理安排區(qū)域內(nèi)土地分配結構，既能夠在有限的資源上獲得最大的效益，又不能損害生態(tài)系統(tǒng)，在保持區(qū)域宜居環(huán)境與生態(tài)安全的條件下，不斷提高土地利用率、產(chǎn)出率和綜合效益，可最終實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

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[責任編輯：潘洪志]