李桃桃，張龍飛，趙筱青*

(1.云南大學 資源環(huán)境與地球科學學院，云南 昆明 6500911；2.武漢大學 資源與環(huán)境科學學院，湖北 武漢 4300722)

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基于生態(tài)足跡的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究綜述

李桃桃1，2，張龍飛1，趙筱青1*

(1.云南大學 資源環(huán)境與地球科學學院，云南 昆明 6500911；2.武漢大學 資源與環(huán)境科學學院，湖北 武漢 4300722)

生態(tài)足跡是定量衡量區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的一種重要方法，將生態(tài)足跡方法應用于土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化中可以衡量某區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的合理與否。通過文獻資料法、綜合歸納分析法，闡述了生態(tài)足跡和土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的定義、模型和方法，重點突出了基于生態(tài)足跡的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的優(yōu)點和研究進展，得出結(jié)論：生態(tài)足跡模型近年來被推廣應用于土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化領域，基于生態(tài)足跡的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化是生態(tài)足跡與多目標線性規(guī)劃模型相結(jié)合的優(yōu)化方法，生態(tài)足跡方法與多目標規(guī)劃模型相結(jié)合應用在土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，彌補了多目標規(guī)劃模型由于生態(tài)目標難以測度而存在的局限性；基于生態(tài)足跡的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究是一個較新的研究領域，相關研究在數(shù)量和質(zhì)量上均有很大提升空間，未來有待于進一步深入研究。

生態(tài)足跡；土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化；進展

優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)是在保證土地利用效率最大化的約束下，解決土地供需平衡和合理分配國民經(jīng)濟各部門之間的土地資源的有效途徑。由于土地利用的區(qū)域性差異，于是便產(chǎn)生了一定區(qū)域范圍內(nèi)土地資源利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題[1]。歸根到底土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化是為了實現(xiàn)土地的可持續(xù)發(fā)展，而在量化可持續(xù)發(fā)展程度方面，生態(tài)足跡法憑借其新穎的角度和很強的可操作性成為測度可持續(xù)發(fā)展研究的前沿和熱點，因此生態(tài)足跡法可以測度區(qū)域土地利用是否具有可持續(xù)性，進而說明該區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)是否合理。鑒于此，本文對生態(tài)足跡和土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化概念、模型和方法進行了介紹，綜述了生態(tài)足跡和土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化最新研究進展，突出了基于生態(tài)足跡的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的優(yōu)點，以期推動人們對生態(tài)足跡的認識和應用以及對基于生態(tài)足跡的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的深入研究。

1 概念識別

1.1 生態(tài)足跡

1992年加拿大生態(tài)經(jīng)濟學家William教授第一次提出了生態(tài)足跡概念，將生態(tài)足跡形象地比喻為“一只負載著人類與所創(chuàng)造的城市、工廠…的巨腳踏在地球上留下的腳印”[2]。之后他的博士生Wackernagel于1996年進一步完善了生態(tài)足跡的定義。其定義是：任何已知人口(某個個人、一個城市或一個國家)的生態(tài)足跡是生產(chǎn)這些人口所消費的所有資源和吸納這些人口所產(chǎn)生的所有廢棄物所需要的生物生產(chǎn)性土地的總面積和水資源量[3]。

1.2 土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化

關于土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的概念，Plummer L N在1993年給出了定義：“土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化是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)土地資源的各種利用類型進行更加合理的數(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”[4]。隨著時代的進步，土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的定義不斷得到完善，作者認為最科學、最全面的定義是土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化是開發(fā)利用土地，促進社會、經(jīng)濟、生態(tài)的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。這種優(yōu)化主要是針對區(qū)域內(nèi)特定土地資源在土地利用方式、數(shù)量結(jié)構(gòu)、空間布局以及綜合效益等方面的優(yōu)化。

2 模型和方法

2.1 生態(tài)足跡方法

生態(tài)足跡法將一定區(qū)域內(nèi)的生物資源和能源的消費與供給，經(jīng)過標準化處理后折算為一定的生態(tài)生產(chǎn)性面積需求(即生態(tài)足跡)與自然供給(即生態(tài)承載力)。然后再通過比較分析這種供需狀況，來判斷出一個國家或地區(qū)的經(jīng)濟社會發(fā)展是否處于該國或地區(qū)的生態(tài)承受能力范圍內(nèi)[3](即處于生態(tài)赤字或生態(tài)盈余狀態(tài))。

2.2 土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型和方法

國外土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究注重引入遙感、計算機和數(shù)學方法，注重技術手段的引入。土地利用規(guī)劃包括結(jié)構(gòu)和布局的優(yōu)化，即土地數(shù)量結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和空間布局的調(diào)整；在中國，近年來土地利用規(guī)劃方法已開始由定性向定性與定量相結(jié)合，由靜態(tài)規(guī)劃向動態(tài)規(guī)劃，并逐步向規(guī)劃的模型化和信息化方向發(fā)展，各種線性和非線性規(guī)劃及多目標規(guī)劃的方法開始應用于土地利用規(guī)劃中。規(guī)劃中大量采用模型優(yōu)化方法是現(xiàn)代土地利用規(guī)劃科學的趨勢之一。目前來說，應用較多的模型和方法如表1。

表1 土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型和方法Tab.1 Model and method of land utilization structure optimization

基于生態(tài)足跡的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化即是生態(tài)足跡方法與多目標規(guī)劃模型相結(jié)合的一種土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。在土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化中應用最廣泛的優(yōu)化方法便是多目標規(guī)劃模型，近年來，多目標規(guī)劃方案已廣泛應用于土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，但是由于生態(tài)目標的難以量化也使這種方法具有一定的局限性，生態(tài)足跡方法的出現(xiàn)正好彌補了這一缺陷。

3 生態(tài)足跡研究進展

自生態(tài)足跡提出以來，就在學術界得到迅速發(fā)展，尤其是《我們的生態(tài)足跡——減少我們對地球的影響》一書的出版讓生態(tài)足跡模型受到各國政府和學者的重視，成為分析人類對自然影響、評價可持續(xù)發(fā)展的重要工具之一。

在國外，生態(tài)足跡模型被廣泛應用于不同尺度的區(qū)域可持續(xù)發(fā)展度量和生態(tài)經(jīng)濟的多個領域，如1997年wackernagel等人在《國家生態(tài)足跡》報告中首次應用生態(tài)足跡模型對世界上52個國家和地區(qū)1997年的生態(tài)足跡進行了測算。自1998年以來，世界野生生物基金會(WWF)每兩年發(fā)布一份《地球生命力報告》，顯示生態(tài)環(huán)境狀況和人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響，公布世界各國生態(tài)足跡。Cany McDonald和Dr Munay Patterson計算了新西蘭的生態(tài)足跡[13]；國外應用生態(tài)足跡研究方法確定特定人類(群)的土地需求研究也越來越多[13]。

國內(nèi)應用研究主要集中于區(qū)域可持續(xù)發(fā)展評價，包括靜態(tài)研究和長時間序列動態(tài)測度研究如張佳琦等以蘇州市為例，應用生態(tài)足跡分析法對蘇州市2010年生態(tài)足跡及生態(tài)承載力進行核算，結(jié)果表明蘇州市2010年人均生態(tài)足跡為6.48 hm2，人均生態(tài)承載力為0.27 hm2，人均生態(tài)赤字高達6.21 hm2，城市生態(tài)系統(tǒng)處于不可持續(xù)的發(fā)展狀態(tài)[14]；劉運偉等以四川省統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)(2000～2012)為依據(jù)，對四川省2000～2011年生態(tài)足跡進行計算，結(jié)果表明四川省2000～2011年生態(tài)赤字逐年擴大，從0.642 80 hm2增加到1.548 83 hm2，區(qū)域生態(tài)環(huán)境呈相對不可持續(xù)發(fā)展狀態(tài)[15]。近年來生態(tài)足跡被推廣應用于環(huán)境影響評價[16]、區(qū)域生態(tài)安全評價[17]、水資源[18]和旅游環(huán)境研究[19]、土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化[20]等領域。

4 土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究進展

長期以來，傳統(tǒng)的土地優(yōu)化配置研究主要關注土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，而忽略了土地利用空間布局優(yōu)化，影響了土地生態(tài)系統(tǒng)的平衡和土地資源的可持續(xù)利用。近年來隨著GIS、RS等空間分析技術的應用，土地利用空間格局分析的研究逐漸增多，土地利用空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化得到發(fā)展；數(shù)量和空間結(jié)構(gòu)兩者優(yōu)化的結(jié)合研究也越來越多[21]；在結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標選擇方面由早期只重視單目標經(jīng)濟效益的最大化到慢慢開始重視多目標的實現(xiàn)，近年來有關研究多以經(jīng)濟社會生態(tài)綜合效益的最大化作為優(yōu)化目標。本文從結(jié)構(gòu)優(yōu)化和目標選擇兩大方面對土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究進展進行探討。

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1.1 土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究進展

土地利用的數(shù)量結(jié)構(gòu)優(yōu)化是最先出現(xiàn)的研究課題，國內(nèi)外發(fā)表的諸多文獻中也以土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)優(yōu)化居多，如黃劍以成都平原為例運用多目標規(guī)劃法在不同經(jīng)濟發(fā)達程度的區(qū)域內(nèi)建立土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化決策模型對其土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化調(diào)整；李國華以南京市為例采用灰色多目標模型從數(shù)量上對其土地利用結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化調(diào)整。目前土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究已比較成熟，結(jié)合國內(nèi)外發(fā)表的文獻，土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)優(yōu)化用到的優(yōu)化方法有線性規(guī)劃法、灰色預測法、多目標規(guī)劃法、系統(tǒng)動力學模型以及近些年出現(xiàn)的生態(tài)足跡分析法和生態(tài)綠當量法。

4.1.2 土地利用空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究進展

國內(nèi)學者從理論原則、模型構(gòu)建、算法優(yōu)化和GIS應用等方面，結(jié)合系統(tǒng)動力學、景觀生態(tài)學和GIS地學分析等相關學科的滲透，對土地利用空間優(yōu)化配置方法進行了探索性研究。如張鴻輝等在多目標約束下構(gòu)建了城市土地利用優(yōu)化配置的多智能體系統(tǒng)與微粒群集成優(yōu)化算法對長株潭城市開展土地利用空間優(yōu)化配置[22]；龔健等分別研究建立了耕地需求量預測的灰色馬爾科夫鏈預測模型和基于SD&MOP的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型[23]；馬世發(fā)等采用近年來新興的粒子群優(yōu)化算法，構(gòu)建了基于粒子算法的土地利用空間優(yōu)化模型[24]。當前土地利用空間優(yōu)化配置的方法有結(jié)合GIS的優(yōu)化方法、CA模型、CLUE-S模型、MAS模型。

4.1.3 土地利用數(shù)量和空間結(jié)構(gòu)兩者結(jié)合優(yōu)化研究進展

不少學者在土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置研究的基礎上進行了土地利用空間優(yōu)化布局的研究，目前國內(nèi)發(fā)表的文獻中數(shù)量和空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)合研究也越來越多。如王漢花等運用生態(tài)位模型對土地資源數(shù)量結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化進而將數(shù)量優(yōu)化結(jié)果作為CA模擬的約束條件對空間布局進行優(yōu)化，實現(xiàn)了土地資源數(shù)量結(jié)構(gòu)優(yōu)化與空間布局優(yōu)化的統(tǒng)一；湯玉玲通過多目標規(guī)劃模型優(yōu)化哈爾濱市土地數(shù)量結(jié)構(gòu)，又構(gòu)建了基于遺傳算法的空間配置模型，借助遺傳算法空間搜索能力得出哈爾濱市空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置結(jié)果。但是數(shù)量結(jié)構(gòu)與空間結(jié)構(gòu)的綜合優(yōu)化研究有待于進一步完善，特別是數(shù)量優(yōu)化模型和空間布局優(yōu)化模型耦合的關鍵技術、關鍵環(huán)節(jié)研究有待突破，多模型綜合優(yōu)化和模型改進優(yōu)化的研究有待于進一步探索。

4.2 優(yōu)化目標的選擇

4.2.1 單目標的選擇

土地利用經(jīng)濟效益評價研究是土地利用效益評價研究中最早進行的，因此土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究最早也是以追求經(jīng)濟效益的最大化為主。如李艷等以雅安市雨城區(qū)為例基于GDP即以土地利用的經(jīng)濟效益為優(yōu)化目標對其進行優(yōu)化調(diào)整[25]；張軍以福建省閩清縣為研究區(qū)域，應用灰色線性規(guī)劃模型以土地利用的經(jīng)濟效益為主要目標建立土地利用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，構(gòu)造供選方案并用層次分析法以及定性分析的方法進行方案選優(yōu)。只追求經(jīng)濟效益而忽視社會和生態(tài)效益的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化不能實現(xiàn)土地利用的可持續(xù)性，隨著社會的發(fā)展這種優(yōu)化方案也逐漸被拋棄。

4.2.2 多目標的選擇

在20世紀60年代以后，學者們才開始對土地利用社會效益進行研究，在土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化中社會效益也沒有直接作為目標函數(shù)而是用約束條件體現(xiàn)出來。對土地利用生態(tài)效益的研究起步較晚，人們在近30年對生態(tài)環(huán)境問題逐漸重視，在土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究中開始追求經(jīng)濟社會生態(tài)綜合效益的最大化。如武啟祥基于遺傳變異法，在確保土地生態(tài)系統(tǒng)服務功能最優(yōu)和土地利用經(jīng)濟、社會、生態(tài)效益綜合最佳的情況下，為滿足利益需求者的不同目的，提供了最優(yōu)的土地利用結(jié)構(gòu)和用地布局多種選擇方案[26]；奚硯濤等基于生態(tài)足跡定量分析方法對江蘇省徐州市進行土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究中，根據(jù)徐州實際情況尋求經(jīng)濟效益目標同時兼顧社會和生態(tài)效益進行優(yōu)化。目前土地資源優(yōu)化配置追求的優(yōu)化目標均是經(jīng)濟、社會和生態(tài)多目標的實現(xiàn)，是對綜合效益的優(yōu)化，不再是單純追求某一個效益。

5 基于生態(tài)足跡的土地結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究進展及優(yōu)點

通過對生態(tài)足跡最新研究進展的綜述可以看出生態(tài)足跡模型被廣泛應用于區(qū)域可持續(xù)發(fā)展度量、環(huán)境影響評價和區(qū)域生態(tài)安全評價等領域，近年來被推廣應用于水資源和旅游環(huán)境研究、土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化等領域。生態(tài)足跡在土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的應用2006年以來在中國得到發(fā)展，經(jīng)過文獻檢索目前國內(nèi)發(fā)表的相關文獻僅有4篇(表2)，且文獻以土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)優(yōu)化為主沒有與土地利用空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化有機結(jié)合，在目標選擇上也只選擇了經(jīng)濟和生態(tài)目標，忽視了社會目標。文獻多為碩士論文，核心期刊未見相關文獻，由此可以看出基于生態(tài)足跡的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究在數(shù)量和質(zhì)量方面均有很大的提升空間。國外學者對這方面的研究則更少，生態(tài)足跡多被應用于城市可持續(xù)發(fā)展的度量和經(jīng)濟領域，經(jīng)過文獻檢索還未發(fā)現(xiàn)生態(tài)足跡在土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的應用。

表2 基于生態(tài)足跡的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究的主要文獻表Tab.2 Main research documents of land utilization structure optimization based on ecological footprint

目前來說土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化中雖然都考慮了經(jīng)濟社會和生態(tài)效益，但是由于生態(tài)效益和社會效益難以具體量化形成最大或最小目標函數(shù)，所以多數(shù)是以經(jīng)濟效益最大化作為目標函數(shù)，社會效益和生態(tài)效益目標函數(shù)均轉(zhuǎn)化為約束條件進行處理和運算，但是往往很多時候社會和生態(tài)效益方面的資料難以獲取導致約束條件選取不全面進而會影響優(yōu)化結(jié)果。生態(tài)足跡分析方法則實現(xiàn)了生態(tài)目標的測度，它通過研究區(qū)域生態(tài)足跡與生物承載力之間的關系得到生態(tài)赤字，生態(tài)赤字的大小可以反映出生態(tài)效益的高低，以生態(tài)赤字最小作為目標函數(shù)既解決了生態(tài)效益難以量化的難題又提高了土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效果。因此基于生態(tài)足跡的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化相比于其他土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有一定的優(yōu)勢，值得進行深入研究。

6 結(jié)論與討論

生態(tài)足跡模型被廣泛應用于區(qū)域可持續(xù)發(fā)展度量、環(huán)境影響評價和區(qū)域生態(tài)安全評價等領域，近年來被推廣應用于水資源和旅游環(huán)境研究、土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化等領域。土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化由最初注重土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)優(yōu)化到土地利用空間優(yōu)化的發(fā)展，土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法均多種多樣，各有優(yōu)缺點?；谏鷳B(tài)足跡的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化是生態(tài)足跡與多目標線性規(guī)劃模型相結(jié)合的優(yōu)化方法，生態(tài)足跡方法實現(xiàn)了生態(tài)目標的測度，與多目標規(guī)劃模型相結(jié)合應用在土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化中正彌補了多目標規(guī)劃模型由于生態(tài)目標難以測度而存在的局限性，因此基于生態(tài)足跡的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要的研究意義。

生態(tài)足跡應用在土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化中具有一定優(yōu)勢，但是生態(tài)足跡的靜態(tài)性使其不能全面反映生態(tài)系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢，且生態(tài)足跡模型計算過程只反映土地政策對環(huán)境的影響，沒有加入土地利用中可能出現(xiàn)的其他因素。在研究區(qū)域上，生態(tài)足跡無論是在土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應用還是在其他領域的應用，主要集中在城市和平原地區(qū)，較小尺度的研究尚未可見。未來基于生態(tài)足跡的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究需要在兩個方面加強研究：一是加強對長時間跨度的時間序列動態(tài)分析，改變其靜態(tài)性；二是擴大應用范圍，加強對較小尺度(如縣和鄉(xiāng)鎮(zhèn))和山區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究應用。

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REVIEW OF RESEARCH ON LAND UTILIZATION STRUCTURE OPTIMIZATION BASED ON ECOLOGICAL FOOTPRINT

LI Tao-tao，ZHANG Long-fei，ZHAO Xiao-qing

(1.SchoolofResourceEnvironmentandEarthScience，YunnanUniversity，Kunming650091，China；2.SchoolofResourceandEnvironmentalScience，WuhanUniversity，Wuhan430079，China)

Ecological footprint is an important quantitative method to measure regional sustainable development，the ecological footprint method can measure whether a region’s land utilization structure reasonable or not.Through literature review and comprehensive analysis method，expounded the definition，model and method of ecological footprint and land use structure optimization，highlighted the advantages and research progress of land use structure optimization based on ecological footprint，concluded：ecological footprint model has been applied to the field of land use structure optimization，land use structure optimization based on the ecological footprint is a combination of the ecological footprint and multi-objective linear programming model.Combined application of ecological footprint method and multi-objective programming model in land use structure optimization was to make up for the limitations of multi-objective programming model due to the ecological goals were hard to measure；Land use structure optimization based on ecological footprint was a relatively new research field，the related research in quantity and quality have greatly improved space，it needs to be further studied in the future.

ecological footprint；land use structure optimization；progress

2015-03-28；

2015-06-04．

*通信作者.

F301.2

A

1001-7852(2015)03-0041-06