毋曉蕾，王 婧，汪應宏，陳常優(yōu)

(1.中國礦業(yè)大學 環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州221116;2.江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室，江蘇 徐州221116;3.河南大學 環(huán)境與規(guī)劃學院，河南 開封475004)

0 引言

在導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)過程直接向大氣排放溫室氣體外，土地利用變化對全球大氣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］。國內(nèi)在土地利用低碳化方面進行了大量研究［3-9］，趙榮欽等從低碳土地利用原則、模式和對策、目標3個方面構(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個方面著手，通過減少地面硬化、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;通過調(diào)節(jié)供地政策、設(shè)定單位面積碳排放指標、稅收調(diào)節(jié)、建立碳交易市場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)，通過制度和法律法規(guī)約束，合理布局低碳產(chǎn)業(yè)項目用地，利用土地金融工具優(yōu)化配置低碳土地資源等方式實現(xiàn)土地利用的低碳化［12］。在國際社會積極應對氣候變化的大背景下，低碳已成為社會經(jīng)濟發(fā)展的共識，走低碳發(fā)展道路也是我國的必然選擇。將低碳理念全面貫徹于土地利用規(guī)劃中，探索低碳導向的土地利用規(guī)劃控制方法，通過對各種用地類型的結(jié)構(gòu)和布局進行科學調(diào)整與配置，使土地利用在滿足經(jīng)濟社會發(fā)展需求的前提下，增加碳匯、減少碳源，降低碳排放總量，從而達到“低能耗、低污染、低排放，高效能、高效率、高效益”，為科學發(fā)展觀指導下土地管理手段的創(chuàng)新和“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會的建立提供一條有效的實現(xiàn)途徑。

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

為了達到一定的生態(tài)經(jīng)濟最優(yōu)目標，依據(jù)土地資源的自身特性和土地適宜性評價，對區(qū)域內(nèi)各種利用類型的土地資源進行更加合理的數(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)的相對平衡，實現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用［13］，從而達到土地利用結(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)濟效益，更要達到增加碳匯、減少碳源、降低區(qū)域土地利用總碳排放的目的，實 現(xiàn)土地利用系統(tǒng)的低碳運行。其目標就是，一方面通過各類用地數(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)量評價的基礎(chǔ)上，依據(jù)評價結(jié)果、國民經(jīng)濟發(fā)展對土地的需求和區(qū)域土地適宜性特點，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，缺點是僅以土地的自然條件確定土地利用結(jié)構(gòu)，缺乏對土地利用系統(tǒng)的系統(tǒng)分析和優(yōu)化。

2.2 綜合平衡法

綜合法是在單項用地計算的基礎(chǔ)上，依據(jù)土地利用現(xiàn)狀統(tǒng)計資料和土地需求量預測結(jié)果，采用逐項逼近的方法，以達到土地面積的數(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。綜合法的優(yōu)點是能從總體上對區(qū)域內(nèi)各類用地的需求關(guān)系進行平衡，缺點是預測結(jié)果帶有一定的局限性，需要反復調(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和其他經(jīng)濟因素之間關(guān)系的數(shù)學模型，借助于計算機技術(shù)求解并得到供選方案的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法［14］。其優(yōu)點是在翔實的調(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。目前常用的優(yōu)化數(shù)學模型有線性規(guī)劃模型、多目標規(guī)劃模型、灰色線性規(guī)劃模型、系統(tǒng)動力學模型等。

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)驗判斷，主觀性較強，其準確程度受規(guī)劃者人為因素的影響較大。而模型法借助于數(shù)學方法進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，更具有客觀性和科學性。在常用的幾種模型中，多目標線性規(guī)劃模型可以比較好地兼顧多個目標效果，與低碳型土地利用結(jié)構(gòu)既保證良好的經(jīng)濟效益又最大限度地減少碳排放的思想一致。因此，選用多目標線性規(guī)劃模型對土地利用結(jié)構(gòu)進行低碳優(yōu)化［15］。

3 低碳型土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型設(shè)計

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、上級規(guī)劃的要求、未來的發(fā)展趨勢和數(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 目標的選擇及目標函數(shù)的確定

依據(jù)低碳型土地利用結(jié)構(gòu)的內(nèi)涵，優(yōu)化目標要兼顧經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益。因此，選擇經(jīng)濟效益最大化和碳排放量最小化為目標函數(shù)，社會效益通過構(gòu)建約束條件進行體現(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函數(shù)實現(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、宏觀計劃、市場經(jīng)濟、社會需求等方面。約束系數(shù)及約束常數(shù)一般采用趨勢預測、回歸預測、灰色預測GM(1，1)等方法求得，以保證規(guī)劃的動態(tài)性。從8個方面來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)宏觀計劃約束;(4)市場經(jīng)濟約束;(5)耕地資源保護約束;(6)建設(shè)用地控制約束;(7)生態(tài)環(huán)境保護約束;(8)數(shù)學模型要求約束

3.4 模型的求解

依據(jù)區(qū)域?qū)嶋H情況建立目標函數(shù)及約束條件，借助計算機處理技術(shù)，運用數(shù)學運算軟件對模型進行調(diào)試計算，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 實證研究

4.1 淅川縣土地利用結(jié)構(gòu)

依據(jù)第二次全國土地調(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、未來利用的發(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)村居民點用地(x7)、獨立工礦用地(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)定目標函數(shù)

(1)經(jīng)濟效益目標。以經(jīng)濟效益最大化為目標，即:

式中:ci為i類用地的經(jīng)濟效益系數(shù);wi為i類用地的效益權(quán)重;a為常數(shù)。各類用地經(jīng)濟效益系數(shù)的計算步驟為:①根據(jù)專家打分，運用層次分析及經(jīng)驗判斷法，確定各類用地對GDP的貢獻大小，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。通過計算并預測耕地的生產(chǎn)效益系數(shù)，可求出常數(shù)a，進而得到2020年各類用地的經(jīng)濟效益系數(shù)(表2)。③據(jù)此，構(gòu)建經(jīng)濟效益目標函數(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。以總碳排放最小為目標，即:

式中:ei為i類用地的碳排放強度系數(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)在較長的時間內(nèi)會保持一個常數(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，需要對建設(shè)用地碳排放強度進行預測［16］。

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

以淅川縣1999—2009年建設(shè)用地碳排放強度為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(表3)，利用SPSS軟件進行一元線性回歸預測，得到2020年建設(shè)用地碳排放強度為25.39 t/hm2。由于各類建設(shè)用地的碳排放強度差異較大，需要對各類建設(shè)用地的碳排放強度進行確定。各類建設(shè)用地碳排放強度與建設(shè)用地碳排放強度之間的關(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)用地的碳排放強度(表4)。

表3 1999—2009年淅川縣土地利用碳排放強度表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個細分地類，其碳排放強度以各地類的碳排放強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，其碳排放強度系數(shù)按草地計算。

據(jù)此，碳排放效益目標函數(shù)為:

4.4 建立約束條件

依據(jù)淅川縣的土地資源條件、社會經(jīng)濟狀況和土地利用發(fā)展趨勢，結(jié)合上級規(guī)劃的控制指標，建立8個方面13個約束條件。為保證規(guī)劃的動態(tài)性，約束系數(shù)和常數(shù)采用趨勢預測、回歸預測、灰色預測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規(guī)劃期末預測的人口總數(shù)，即:

(3)宏觀計劃約束。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)用地指標為284 hm2，新增城鎮(zhèn)工礦用地指標為1 381 hm2，即:

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

規(guī)劃期間，淅川縣有運十鐵路等重大交通項目，初步預測需占地 271.77 hm2，即:

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

(5)用地需求與實際情況約束。由于經(jīng)濟比較優(yōu)勢，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)的種植開發(fā)，園地面積將比現(xiàn)狀增加;同時，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，如考慮對灘涂的開發(fā)，且假設(shè)開發(fā)面積在2%以下，則其面積會有小幅度減少。淅川縣牧草地面積很小，基本會保持不變。即:

(6)生態(tài)環(huán)境保護約束。按照淅川縣加大生態(tài)環(huán)境保護力度、通過大力植樹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)土地開發(fā)整治約束。隨著農(nóng)村居民點的遷并整理和新農(nóng)村建設(shè)的逐步推進，農(nóng)村居民點用地將減少，根據(jù)預測，規(guī)劃期末農(nóng)村居民點用地需求為10 703.97 hm2。同時，淅川縣土地后備資源充足，自然保留地開發(fā)潛力較大，規(guī)劃期內(nèi)土地開發(fā)可補充耕地5 663.95 hm2，其面積應小于開發(fā)后面積，同時，為了保留開發(fā)潛力，設(shè)定其最大開發(fā)程度為60%。通過農(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)學模型要求約束。變量非負，即xi≥0。

4.5 模型求解

依據(jù)上述目標函數(shù)和約束條件，采用理想點法在LINGO中對此多目標線性規(guī)劃進行優(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

在全球氣候問題日益嚴峻、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、目標和優(yōu)化方法，并以淅川縣為例進行了實證研究。

(1)通過對土地利用結(jié)構(gòu)的低碳優(yōu)化，減少碳源、增加碳匯，以實現(xiàn)區(qū)域土地利用低碳化、科學化、可持續(xù)化的目標。

(2)建立了低碳型土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的多目標規(guī)劃模型，在考慮了土地利用經(jīng)濟效益的同時，強調(diào)了土地利用的碳排放效益，建立了經(jīng)濟效益最大化和土地利用總碳排放量最小化兩個目標函數(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)劃目標的很好實現(xiàn)，而且取得了良好的經(jīng)濟效益。

但是，本研究只是對土地利用低碳規(guī)劃目標的制定進行了縣域范圍內(nèi)的探討，如能實現(xiàn)國家或省、市級層面的土地利用碳排放控制目標制定，并作為一項約束性指標進行逐級分解細化，將對土地的低碳化利用起到強有力的制約作用。

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