淅川县土地利用结构低碳优化研究

2013-01-18毋晓蕾汪应宏陈常优

地域研究与开发 2013年2期

毋晓蕾，王婧，汪应宏，陈常优

(1.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州221116;2.江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏徐州221116;3.河南大学环境与规划学院，河南开封475004)

0 引言

在导致气候变暖的人为因素中，除了化石燃料燃烧和水泥生产等能源与工业过程直接向大气排放温室气体外，土地利用变化对全球大气CO2浓度的增加也有着重要的作用。土地利用影响着碳排放，人类在土地上的生产生活以及土地自身利用状态的保持与转变是陆地碳排放的主要来源［1］。研究表明，土地利用覆被变化(LUCC)是影响陆地生态系统碳循环的主要因素，其作用仅次于化石燃料的燃烧［2］。国内在土地利用低碳化方面进行了大量研究［3-9］，赵荣钦等从低碳土地利用原则、模式和对策、目标3个方面构建了低碳土地利用模式研究的理论框架［10］;肖主安等指出，可以从“减排”和“增汇”2个方面着手，通过减少地面硬化、推广绿色建筑、基础设施建设低碳化、土地节约集约利用等方式减少土地利用直接碳排放;通过调节供地政策、设定单位面积碳排放指标、税收调节、建立碳交易市场等方式减少土地利用的间接碳排放［11］;陈擎等提出了建立低碳化的城市交通系统，通过制度和法律法规约束，合理布局低碳产业项目用地，利用土地金融工具优化配置低碳土地资源等方式实现土地利用的低碳化［12］。在国际社会积极应对气候变化的大背景下，低碳已成为社会经济发展的共识，走低碳发展道路也是我国的必然选择。将低碳理念全面贯彻于土地利用规划中，探索低碳导向的土地利用规划控制方法，通过对各种用地类型的结构和布局进行科学调整与配置，使土地利用在满足经济社会发展需求的前提下，增加碳汇、减少碳源，降低碳排放总量，从而达到“低能耗、低污染、低排放，高效能、高效率、高效益”，为科学发展观指导下土地管理手段的创新和“资源节约型、环境友好型”社会的建立提供一条有效的实现途径。

1 低碳型土地利用结构优化内涵及目标

为了达到一定的生态经济最优目标，依据土地资源的自身特性和土地适宜性评价，对区域内各种利用类型的土地资源进行更加合理的数量安排和空间布局，以提高土地利用效率和效益，维持土地生态系统的相对平衡，实现土地资源的可持续利用［13］，从而达到土地利用结构优化的目的。它是土地利用规划中的重要内容，是实现土地资源可持续利用的一条重要途径。因此，低碳型土地利用结构优化就是在满足土地资源自身特性条件约束的基础上，通过一定的技术手段，将区域内一定数量的土地资源在各土地利用方式之间合理分配，使土地利用不仅取得良好的经济效益，更要达到增加碳汇、减少碳源、降低区域土地利用总碳排放的目的，实现土地利用系统的低碳运行。其目标就是，一方面通过各类用地数量、比例的合理安排，控制碳排放;另一方面提高森林覆盖率，增加林业碳汇，发展生态用地，补偿高碳用地方式造成的碳排放。

2 低碳型土地利用结构优化方法

土地利用结构优化常用的方法有:土宜法、综合平衡法和模型法。

2.1 土宜法

土宜法是在土地质量评价的基础上，依据评价结果、国民经济发展对土地的需求和区域土地适宜性特点，按照“宜农则农，宜林则林”的思想，将各用途土地在土地需求量和土宜阈值内进行协调匹配、合理归并，并最终确定土地利用结构的优化方法。其优点是各类用地面积和布局符合土地质量条件和土地适宜性条件，缺点是仅以土地的自然条件确定土地利用结构，缺乏对土地利用系统的系统分析和优化。

2.2 综合平衡法

综合法是在单项用地计算的基础上，依据土地利用现状统计资料和土地需求量预测结果，采用逐项逼近的方法，以达到土地面积的数量平衡和空间布局平衡。其原理是基于各类土地面积之间在数量上和空间上的相互平衡关系，即由于土地总面积的固定性，决定了土地内部构成各类用地之间的此消彼长。综合法的优点是能从总体上对区域内各类用地的需求关系进行平衡，缺点是预测结果带有一定的局限性，需要反复调整逼近，工作量大。

2.3 模型法

模型法就是在大量调查资料的基础上，建立能够反映土地利用活动和其他经济因素之间关系的数学模型，借助于计算机技术求解并得到供选方案的结构优化方法［14］。其优点是在翔实的调查资料基础上定量研究，能够避免人为因素的干扰，结果比较客观、科学。目前常用的优化数学模型有线性规划模型、多目标规划模型、灰色线性规划模型、系统动力学模型等。

在三类优化方法中，土宜法和综合判定法需要大量的经验判断，主观性较强，其准确程度受规划者人为因素的影响较大。而模型法借助于数学方法进行结构优化，更具有客观性和科学性。在常用的几种模型中，多目标线性规划模型可以比较好地兼顾多个目标效果，与低碳型土地利用结构既保证良好的经济效益又最大限度地减少碳排放的思想一致。因此，选用多目标线性规划模型对土地利用结构进行低碳优化［15］。

3 低碳型土地利用结构优化模型设计

3.1 决策变量的设置

决策变量的选择要以土地利用现状分类为基础，综合考虑区域土地资源的特点、上级规划的要求、未来的发展趋势和数据资料的可操作性等因素，使变量的设置具有典型性和综合性。

3.2 目标的选择及目标函数的确定

依据低碳型土地利用结构的内涵，优化目标要兼顾经济效益、生态效益和社会效益。因此，选择经济效益最大化和碳排放量最小化为目标函数，社会效益通过构建约束条件进行体现。即:

式中:ci为各类用地的效益系数;ei为各类用地的单位面积碳排放强度;xi为各类用地的面积;i为土地利用类型。

3.3 约束条件的建立

约束条件反映的是目标函数实现的限制因素，需要考虑与土地利用结构关系密切的土地资源条件、宏观计划、市场经济、社会需求等方面。约束系数及约束常数一般采用趋势预测、回归预测、灰色预测GM(1，1)等方法求得，以保证规划的动态性。从8个方面来建立具体的约束条件:(1)土地总面积约束;(2)人口总数约束;(3)宏观计划约束;(4)市场经济约束;(5)耕地资源保护约束;(6)建设用地控制约束;(7)生态环境保护约束;(8)数学模型要求约束

3.4 模型的求解

依据区域实际情况建立目标函数及约束条件，借助计算机处理技术，运用数学运算软件对模型进行调试计算，得到各决策变量的优化解，即各类用地的面积。可用于求解优化模型的软件很多，比较常用的如LINGO软件、MATLAB软件等。

4 实证研究

4.1 淅川县土地利用结构

依据第二次全国土地调查的数据得到淅川县2009年土地利用现状及结构(表1)，淅川县域土地总面积为281 980.45 hm2，2009年农用地、建设用地和其他土地面积分别为 181 930.19，51 702.98，48 347.28 hm2，分别占土地总面积的 64.52%，18.34%，17.15%。

4.2 设置决策变量

以淅川县的土地利用现状为基础，综合考虑淅川土地资源的特点、未来利用的发展方向以及数据的可获取性和可操作性，选择13个土地利用类型为决策变量，分别为耕地(x1)、园地 (x2)、林地(x3)、牧草地(x4)、其他农用地(x5)、城镇用地(x6)、农村居民点用地(x7)、独立工矿用地(x8)、交通用地(x9)、水利设施用地(x10)、其他建设用地(x11)、水域(x12)、自然保留地(x13)。

4.3 设定目标函数

(1)经济效益目标。以经济效益最大化为目标，即:

式中:ci为i类用地的经济效益系数;wi为i类用地的效益权重;a为常数。各类用地经济效益系数的计算步骤为:①根据专家打分，运用层次分析及经验判断法，确定各类用地对GDP的贡献大小，即效益权重。其中，自然保留地的效益视为0，不参与评判。②各类用地的效益系数等于权重与常数a的乘积。通过计算并预测耕地的生产效益系数，可求出常数a，进而得到2020年各类用地的经济效益系数(表2)。③据此，构建经济效益目标函数为:

表1 2009年淅川县土地利用现状结构Tab.1 Land use structure of Xichuan County in 2009

(2)碳排放效益目标。以总碳排放最小为目标，即:

式中:ei为i类用地的碳排放强度系数。由于耕地、园地、林地、草地、水域碳排放和吸收的自身性质，这几种土地利用类型的碳排放和碳吸收系数在较长的时间内会保持一个常数不变［16］，但建设用地碳排放量由化石能源消耗间接求得，在规划期内必将发生变化，因此，需要对建设用地碳排放强度进行预测［16］。

表2 淅川县各类用地的经济效益系数Tab.2 Economic benefit coefficient of all kinds of land in Xichuan County

以淅川县1999—2009年建设用地碳排放强度为基础数据(表3)，利用SPSS软件进行一元线性回归预测，得到2020年建设用地碳排放强度为25.39 t/hm2。由于各类建设用地的碳排放强度差异较大，需要对各类建设用地的碳排放强度进行确定。各类建设用地碳排放强度与建设用地碳排放强度之间的关系为:∑eixi=e0∑xi，其中e0=eidi=wibdi。式中:ei为i类建设用地碳排放强度;di为i类建设用地占建设用地总面积的比重;wi为权重系数;b为常数。采用专家打分和因素成对比较法确定各类建设用地的权重系数，面积比重采用基期数据，得出各类建设用地的碳排放强度(表4)。

表3 1999—2009年淅川县土地利用碳排放强度表Tab.3 Carbon emissions intensity of land use in Xichuan County from 1999 to 2009

表4 淅川县各类用地碳排放强度系数 t/hm2Tab.4 Carbon emissions intensity coefficient of all kinds of land in Xichuan County

此外，其他农用地包括设施农用地、农村道路、坑塘水面、农田水利和田坎5个细分地类，其碳排放强度以各地类的碳排放强度与面积比例的乘积求得。自然保留地中其他草地占到90%以上，其碳排放强度系数按草地计算。

据此，碳排放效益目标函数为:

4.4 建立约束条件

依据淅川县的土地资源条件、社会经济状况和土地利用发展趋势，结合上级规划的控制指标，建立8个方面13个约束条件。为保证规划的动态性，约束系数和常数采用趋势预测、回归预测、灰色预测GM(1，1)等方法求得。

(1)土地总面积约束。各类用地面积之和等于淅川县土地总面积，即:

(2)人口总量约束。农用地和城镇用地承载的人口不超过规划期末预测的人口总数，即:

(3)宏观计划约束。农用地面积不得少于规划基期现状面积，即:

依据南阳市土地利用总体规划，淅川县建设用地总面积控制在52 019.16 hm2，新增城乡建设用地指标为284 hm2，新增城镇工矿用地指标为1 381 hm2，即:

由于南水北调中线工程的进行，引丹干渠约占地511.48 hm2，即:

规划期间，淅川县有运十铁路等重大交通项目，初步预测需占地 271.77 hm2，即:

(4)耕地保护约束。作为约束性指标，到2020年，淅川县的耕地面积不得少于63 766.51 hm2，即:

(5)用地需求与实际情况约束。由于经济比较优势，依据淅川县十二五规划，将加大柑桔、橡籽、板栗、核桃等林果业的种植开发，园地面积将比现状增加;同时，城镇、工矿和其他建设用地也将大于现状面积。一般情况下水域面积基本保持不变，如考虑对滩涂的开发，且假设开发面积在2%以下，则其面积会有小幅度减少。淅川县牧草地面积很小，基本会保持不变。即:

(6)生态环境保护约束。按照淅川县加大生态环境保护力度、通过大力植树造林建立水源地生态屏障的思想，规划期末林地覆被率将大于45%，即:

(7)土地开发整治约束。随着农村居民点的迁并整理和新农村建设的逐步推进，农村居民点用地将减少，根据预测，规划期末农村居民点用地需求为10 703.97 hm2。同时，淅川县土地后备资源充足，自然保留地开发潜力较大，规划期内土地开发可补充耕地5 663.95 hm2，其面积应小于开发后面积，同时，为了保留开发潜力，设定其最大开发程度为60%。通过农田整理、农村道路沟渠优化等，其他农用地面积也将适度减小，设定最大减少幅度为20%。即:

(8)数学模型要求约束。变量非负，即xi≥0。

4.5 模型求解

依据上述目标函数和约束条件，采用理想点法在LINGO中对此多目标线性规划进行优化，得到优化方案(表5)。在此优化方案下，2020年淅川县的农用地面积达207 426.2 hm2，占土地总面积的73.56%，比2009 年增加9.04%;建设用地面积为52 019.16 hm2，占土地总面积的18.45%，增加 0.11%;其他土地面积22 502.08 hm2，占土地总面积的7.98%，比2009年减少9.17%。