摘 要： 礦區(qū)復(fù)墾土地農(nóng)業(yè)利用的優(yōu)化是土地資源優(yōu)化方法在復(fù)墾土地利用問題上的具體運用?？紤]到復(fù)墾土地的農(nóng)業(yè)利用模式是經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益的綜合體現(xiàn)，因此，其優(yōu)化選擇問題必須受到這3個方面因素的制約，使其綜合效益獲得整體提升。結(jié)合具體礦區(qū)的復(fù)墾土地農(nóng)業(yè)利用問題，采用非線性規(guī)劃方法，構(gòu)建優(yōu)化模型，進行實證分析，得到了具有針對性的結(jié)論。關(guān)鍵詞：復(fù)墾土地；農(nóng)業(yè)利用；非線性規(guī)劃；優(yōu)化選擇

中圖分類號： TD88 文獻標(biāo)識碼：A DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2013.09.019

Optimal Selection for Agricultural Utilization of Reclaimed Land in Mining Area

MA Li-qiang

（School of Engineer， Shandong Institute of Business and Technology， Yantai，Shandong 264005，China）

Abstract： It was the concrete application of optimization method for land resources in reclaimed land in mining area. The agricultural utilization mode of reclaimed land was the comprehensive embodiment including economic， ecological and social benefits， of which the optimal selection should be under restriction and which comd get whole advance. The specific conclusion was drawn based on the empirical analysis of Guye mining area through nonlinear programming method and model.

Key words： reclaimed land； agricultural utilization； nonlinear programming； optimal selection

據(jù)估算，我國約有1 333.4萬hm2廢棄土地[1]，其中僅采礦破壞的土地約占一半，如能按照“因地制宜，綜合整治，宜農(nóng)則農(nóng)，宜林則林，宜草則草，宜建則建”的原則進行復(fù)墾，約有60%以上的廢棄地可以復(fù)墾為耕地，30%可以復(fù)墾為其他農(nóng)用地，用于發(fā)展農(nóng)、林、果、草、水產(chǎn)和畜禽養(yǎng)殖等，可以帶來可觀的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益。由單純以經(jīng)濟效益最大化為目標(biāo)轉(zhuǎn)向經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益的協(xié)調(diào)為目標(biāo)，這是礦區(qū)復(fù)墾土地農(nóng)業(yè)利用和礦區(qū)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的必然選擇[2]。礦區(qū)復(fù)墾土地農(nóng)業(yè)利用的優(yōu)化必須統(tǒng)籌兼顧經(jīng)濟、社會和生態(tài)影響。

1 礦區(qū)復(fù)墾土地農(nóng)業(yè)利用的內(nèi)涵與目標(biāo)

1.1 礦區(qū)復(fù)墾土地農(nóng)業(yè)利用優(yōu)化的內(nèi)涵

礦區(qū)復(fù)墾土地農(nóng)業(yè)利用的優(yōu)化是為了達到一定的經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益目標(biāo)，依據(jù)復(fù)墾土地環(huán)境，結(jié)合農(nóng)作物投入產(chǎn)出狀況以及礦區(qū)居民的生活習(xí)慣和耕作習(xí)慣，對礦區(qū)內(nèi)復(fù)墾土地的各類農(nóng)業(yè)利用模式進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和空間布局，使其實現(xiàn)農(nóng)業(yè)復(fù)墾利用在數(shù)量和空間上的最優(yōu)配置[3]。通過對利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，達到稀缺的復(fù)墾土地資源的最優(yōu)配置，其實質(zhì)是在時空尺度上的演化[4]，目的在于將有限的復(fù)墾土地資源分配到不同的農(nóng)業(yè)利用模式，并在微觀層次與宏觀層次上相協(xié)調(diào)，取得經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益的合理組合。其目的在于把一定的農(nóng)業(yè)復(fù)墾利用模式與復(fù)墾土地的適宜性、社會經(jīng)濟性進行適當(dāng)?shù)谋扰洌瑢で髲?fù)墾土地資源在礦區(qū)內(nèi)大農(nóng)業(yè)各產(chǎn)業(yè)間的合理利用結(jié)構(gòu)與空間布局，從而最大限度地提高復(fù)墾土地農(nóng)業(yè)利用的綜合效益。

科學(xué)合理地確定各類復(fù)墾土地農(nóng)業(yè)利用模式的布局，是土地用地與養(yǎng)地結(jié)合、維護生態(tài)系統(tǒng)的平衡、實現(xiàn)復(fù)墾土地可持續(xù)利用的內(nèi)在要求[5]。同時，復(fù)墾區(qū)內(nèi)土地破壞類型復(fù)雜多樣，存在多種不同的農(nóng)業(yè)利用模式，在有限的人力、財力、物力約束下，合理整合復(fù)墾區(qū)域的資源要素，做到土地資源和其他各種農(nóng)業(yè)資源的合理配置，實現(xiàn)適合的復(fù)墾效果，必須科學(xué)規(guī)劃復(fù)墾區(qū)各類農(nóng)業(yè)利用模式的結(jié)構(gòu)與布局[6]。因此，研究復(fù)墾土地（已恢復(fù)到可利用狀態(tài)）利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問題具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1.2 礦區(qū)復(fù)墾土地農(nóng)業(yè)利用的優(yōu)化目標(biāo)

在確定優(yōu)化方法之前，首先應(yīng)明確優(yōu)化的目標(biāo)。一般優(yōu)化問題的目標(biāo)可以表述為以有限的社會經(jīng)濟資源投入產(chǎn)生最大的系統(tǒng)綜合效益，即要求在一定的約束條件下，通過各種復(fù)墾土地農(nóng)業(yè)利用模式的合理組合，以追求產(chǎn)出效益的最大化[7-8]。這里的資源投入量和規(guī)劃目標(biāo)是約束條件，因而它對應(yīng)著一個求取最大值的最優(yōu)規(guī)劃問題。

礦區(qū)復(fù)墾土地的利用對礦區(qū)社會、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境都會引發(fā)影響，復(fù)墾土地利用的效果通過這3個方面得以全面的反映，基于礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的理論，礦區(qū)復(fù)墾土地利用優(yōu)化最重要實現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)、經(jīng)濟和社會整體的、協(xié)調(diào)的發(fā)展[9-11]。因此，復(fù)墾土地農(nóng)業(yè)利用的優(yōu)化目標(biāo)必須通過土地利用的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益3個方面來體現(xiàn)[12]，通過一定的優(yōu)化方法和優(yōu)化過程，使一定的復(fù)墾土地利用模式與土地適宜性、社會經(jīng)濟性、生態(tài)環(huán)境的良性發(fā)展進行適合的配比，形成合理的復(fù)墾土地利用格局，以最大限度地提高復(fù)墾土地利用的綜合效益。

2 礦區(qū)復(fù)墾土地農(nóng)業(yè)利用的優(yōu)化模型構(gòu)建

復(fù)墾土地農(nóng)業(yè)利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化選擇的數(shù)學(xué)模型可以有很多種，但無論哪一種數(shù)學(xué)模型都具有相同的特點，即都由目標(biāo)函數(shù)和約束條件組成[13-14]。規(guī)劃意味著尋求在特定的約束條件下達到最優(yōu)目標(biāo)的途徑，采用待定變量的函數(shù)表示復(fù)墾土地農(nóng)業(yè)利用結(jié)構(gòu)的規(guī)劃系統(tǒng)的功能目標(biāo)，即為目標(biāo)函數(shù)，該目標(biāo)函數(shù)可以為綜合效益，也可以為單項效益，根據(jù)決策的目標(biāo)和特點而定。本研究采用經(jīng)濟效益作為復(fù)墾土地農(nóng)業(yè)利用模式的規(guī)劃目標(biāo)，把社會效益和環(huán)境效益作為約束條件。設(shè)x1，x2，…，xn為待定變量（各種復(fù)墾土地的農(nóng)業(yè)利用模式數(shù)量），這樣目標(biāo)函數(shù)就可以表示為：

S=S（x1，x2，…，xn）

目標(biāo)函數(shù)反映了復(fù)墾土地農(nóng)業(yè)利用系統(tǒng)的功能目標(biāo)與利用模式、特性之間相互依存和相互制約的關(guān)系，目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值為極大值或極小值。復(fù)墾土地農(nóng)業(yè)利用模式存在的約束限制主要表現(xiàn)在人力、物力、財力和生態(tài)、經(jīng)濟、社會、技術(shù)以及復(fù)墾土地現(xiàn)狀、潛力、需求等多方面，在數(shù)量上表現(xiàn)為對待定目標(biāo)變量作如下的約束條件：

f1（x1，x2，…，xn）≤（或≥，=）b1

f2（x1，x2，…，xn）≤（或≥，=）b2

…… ……

fm（x1，x2，…，xn）≤（或≥，=）bm

xi系指組成各種利用模式類型的數(shù)量，應(yīng)取非負(fù)值，即對目標(biāo)的非負(fù)性約束條件

xi≥0 （i=1，2，…，n）

以上3式構(gòu)成礦區(qū)復(fù)墾土地農(nóng)業(yè)利用模式規(guī)劃系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化模型。其中，非負(fù)性約束也是約束條件的一部分。

由此可見，利用模式的優(yōu)化是關(guān)于在一定約束條件下求取目標(biāo)函數(shù)最值（最大值或最小值）的理論和方法。凡是可以用目標(biāo)函數(shù)和約束條件表達的系統(tǒng)問題，都可以構(gòu)成系統(tǒng)的優(yōu)化問題，都可以采用上述形式的數(shù)學(xué)模型。具體的優(yōu)化問題，因為內(nèi)容的不同以及系統(tǒng)要素之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的不同，目標(biāo)函數(shù)與約束條件可能會有不同的性質(zhì)和形式，因此，可以采用不同的方法來解決，如線性規(guī)劃、模型線性規(guī)劃、灰色線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃和目標(biāo)規(guī)劃等。

3 古冶礦區(qū)復(fù)墾土地農(nóng)業(yè)利用的優(yōu)化

3.1 優(yōu)化模型構(gòu)建

在對古冶礦區(qū)塌陷區(qū)自然、社會經(jīng)濟情況以及塌陷區(qū)環(huán)境綜合評估的基礎(chǔ)上，有1 937 hm2土地復(fù)墾后可用于農(nóng)業(yè)，應(yīng)用運籌學(xué)的線性規(guī)劃方法，確定礦區(qū)復(fù)墾土地農(nóng)業(yè)利用模式的優(yōu)化結(jié)果，即通過約束方程給定過的礦區(qū)土地資源、投入產(chǎn)出等技術(shù)約束條件下，使塌陷區(qū)的復(fù)墾土地滿足經(jīng)濟、生態(tài)和社會目標(biāo)。本研究根據(jù)礦區(qū)基本的塌陷地農(nóng)業(yè)復(fù)墾利用模式，共設(shè)置6個變量作為不同利用模式的面積，包括糧食種植模式、蔬菜種植模式、經(jīng)濟林地利用模式、用材林地利用模式、牧草地利用模式和漁業(yè)養(yǎng)殖利用模式。

3.1.1 決策變量的選擇 決策變量時，決策者從影響目標(biāo)實現(xiàn)的各種因素中選擇可控制的因素。古冶礦區(qū)復(fù)墾土地的產(chǎn)出效益受到生態(tài)、經(jīng)濟、社會文化等方面因素的制約，在這些因素中，以各類用地模式的土地占用面積最易控制，因此根據(jù)研究區(qū)的土地利用現(xiàn)狀、優(yōu)勢條件以及今后復(fù)墾區(qū)的發(fā)展趨勢，確定以下6個決策變量：x1——糧食作物面積，x2——蔬菜種植面積，x3——經(jīng)濟林用地面積，x4——用材林用地面積，x5——牧草種植用地面積，x6——漁業(yè)養(yǎng)殖水面面積。通過確定這6種模式的用地面積，使總的效益最大。

3.1.2 價值系數(shù)的確定 本模型的價值系數(shù)（cj）是各類用地的年度或平均單位產(chǎn)值（元·hm-2），它是根據(jù)各類利用模式用地的現(xiàn)狀、自然、投入產(chǎn)出特點和當(dāng)?shù)厥袌鲒厔荽_定的。通過實際調(diào)查分析，確定6個決策變量的價值系數(shù)為（2009年水平）：糧食，c1=10 099元·hm-2；蔬菜，c2=48 356元·hm-2；經(jīng)濟林，c3=13 050元·hm-2；用材林，c4=8 004元·hm-2；牧草業(yè)，c5=24 300元·hm-2；漁業(yè)，c6=13 395元·hm-2。

3.1.3 目標(biāo)函數(shù)分析 對一個區(qū)域的土地利用模式的優(yōu)化或評價，在很大程度上取決于其經(jīng)濟效益，為此以經(jīng)濟效益最大為目標(biāo)，生態(tài)效益和社會效益在約束條件中顯現(xiàn)，因此，建立目標(biāo)函數(shù)的線性規(guī)劃模型：

MaxZ=10 099x1+48 249x2+13 083x3+14 704x4+24 300x5+43 785x6

3.1.4 約束條件分析 約束條件是實現(xiàn)目標(biāo)的限制性因素，結(jié)合研究區(qū)實際情況，需要考慮以下約束條件：

（1）可利用土地資源約束。研究區(qū)塌陷土地資源可供農(nóng)業(yè)復(fù)墾利用的面積，即

x1+x2+x3+x4+x5+x6=1 937；

（2）復(fù)墾投資約束。根據(jù)研究區(qū)復(fù)墾投資的實際情況，參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)初步測算，復(fù)墾總投資為10 331萬元。初步計算出各類農(nóng)業(yè)復(fù)墾利用模式的復(fù)墾投入為：糧食52 500元·hm-2；蔬菜76 500元·hm-2；經(jīng)濟林，34 500元·hm-2；用材林31 500元·hm-2；牧草業(yè)39 000元·hm-2；漁業(yè)30 000元·hm-2。即

52 000x1+76 500x2+34 500x3+31 500x4+39 000x5+30 000x6≤103 310 000；

（3）復(fù)墾土地利用環(huán)境約束，即

x6≥328，x1+x2+x3+x4+x5≤1 609；

（4）森林覆蓋率約束。根據(jù)規(guī)劃要求，礦區(qū)的森林覆蓋率應(yīng)達到35%以上，即

x3+x4≥1 937×0.35；

（5）礦區(qū)復(fù)墾土地的農(nóng)業(yè)利用模式選擇的類型必須有助于景觀多樣性的增加，研究區(qū)現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)用地的景觀多樣性指數(shù)（Shannon-Weaver指數(shù)）為1.27，最大多樣性指數(shù)為1.792，因此復(fù)墾土地利用模式類型的多樣性指數(shù)應(yīng)該大于1.27；

（6）人均耕地約束。古冶區(qū)現(xiàn)有人口36萬人，耕地8 000 hm2，人均耕地為0.022 hm2，復(fù)墾后人均耕地水平不少于0.22 hm2。即

x1≥16 396×0.022；

（7）數(shù)學(xué)模型的非負(fù)約束，即

xi≥0 （i=1，2，3，…，6）。

3.2 優(yōu)化結(jié)果與分析

3.2.1 計算結(jié)果 利用Lingo9.0軟件進行運算，運算結(jié)果為：

x1=360.71，x2=473.48，x3=677.95，x4=0.00，x5=96.85，x6=328.00，單位為 hm2。

3.2.2 結(jié)果分析 計算結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)復(fù)墾土地利用模式的優(yōu)化選擇結(jié)果為：糧食作物種植面積為360.71 hm2，蔬菜用地面積為473.48 hm2，經(jīng)濟林用地面積為677.95 hm2，用材林用地面積0 hm2，牧草地用地面積為96.85 hm2，水面養(yǎng)殖用地面積為328.00 hm2。

利用新的農(nóng)業(yè)復(fù)墾利用模式優(yōu)化數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)在滿足研究區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境效益和社會效益，以及在投資額度約束的前提下，實現(xiàn)復(fù)墾土地農(nóng)業(yè)利用模式效益的最大化。運用新的數(shù)據(jù)進行計算，森林覆蓋率達到35.00%，人均耕地達到了0.022 hm2；景觀多樣性指數(shù)達到1.47，較所在地區(qū)的景觀有所優(yōu)化?？梢?，這一優(yōu)化結(jié)果可以使研究區(qū)內(nèi)復(fù)墾土地利用的經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)環(huán)境效益都得到明顯提高。

礦區(qū)復(fù)墾土地農(nóng)業(yè)利用優(yōu)化的質(zhì)量取決于決策變量、價值系數(shù)和約束條件的選擇和確定。決策變量要從礦區(qū)經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境條件選擇可控制的因素；價值系數(shù)應(yīng)在全面分析礦區(qū)復(fù)墾土地利用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，選擇正確的方法進行預(yù)測得到確定；而約束條件則應(yīng)全面分析實現(xiàn)目標(biāo)的限制性因素，準(zhǔn)確地選擇關(guān)鍵性制約因素和平衡條件。以上工作的質(zhì)量直接決定著優(yōu)化模型和優(yōu)化結(jié)果的質(zhì)量。通過對以上的優(yōu)化過程分析，可以看出這個優(yōu)化方案可以實現(xiàn)，其理由是，模型中的價值系數(shù)是根據(jù)研究區(qū)當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境、社會經(jīng)濟特點和當(dāng)?shù)貜?fù)墾土地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的投入產(chǎn)出實際發(fā)展情況而確定的，比較符合古冶礦區(qū)實際情況，并且根據(jù)過去和當(dāng)前的國內(nèi)外市場來看，只要采取切實可行的管理措施，就能實現(xiàn)目標(biāo)。

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