以低碳为目标的华池县土地利用结构优化

杨晓东　邹妮　程文仕

摘要：以低碳为目标的土地利用结构不仅能引导区域低碳经济发展、实现生态环境保护，还对区域和全球的碳素循环具有重要意义。文章以甘肃省华池县作为研究对象，运用模糊线性规划法建立碳储量最大和碳排放量最小两个目标函数，构建土地利用结构优化模型，比较两个不同的优化方案，确定基于碳蓄积量最大的优化方案更佳，在此方案下，到2020年华池县碳储量为49479261t，碳排放量为381132t，可以看出以低碳为目标的土地利用结构优化方案更加符合华池县实际情况，可以为开展土地利用规划和国土空间规划方案编制提供参考和借鉴。

关键词：土地利用结构优化;低碳目标;线性规划模型;华池县

土地利用碳循环作为生物地球化学研究的核心内容之一，其布局、演化过程的变化对陆地生态系统碳循环有着重大影响。优化土地利用结构能有效促进土地资源的节约集约利用，对于减缓碳排放量的增加、促进全球和区域碳素循环具有重大意义。近年来国内外学者在土地利用结构变化、能源消耗与碳排放之间的关系，土地利用变化的碳排放机理，低碳经济导向的土地利用结构优化等方面开展了大量的研究，有效推动了“低碳优化土地利用”的研究和发展，但大多侧重于土地利用经济效益最大化，对如何在保证生态效益较好的基础上实现低碳化土地利用等方面研究较少。在低碳导向下的土地利用结构优化方面也取得了一定的成果。刘海猛等以兰州市为例，以最大碳储量和最小碳排量为目标建立土地利用结构优化模型得到了低碳优化方案，余德贵等借助LUSCC模型探讨了泰兴市的土地利用结构优化;赵荣钦等选取南京市作为研究区域，运用线性规划方法得到了不同的土地利用结构优化方案。本文立足于土地利用结构变化对碳效应影响的角度，运用模糊线性规划方法，探讨以低碳为目标的华池县土地利用结构优化问题，提出低碳目标下华池县2020年的土地利用结构优化方案，为开展国土空间规划、优化区域土地资源配置提供参考。

一、研究区概况

华池县位于甘肃省东部，庆阳市东北部。位于107°29′15″～108°33′29″E， 36°08′27″～36°52′29″N。属黄土高原丘陵沟壑区，地势北高南低，地形以山地为主，兼有川地、塬地等，植被稀疏，水土流失严重。华池县属温带大陆性半干旱气候，年平均降雨量510mm，降水年际变化大，年内分配不均，南北差异明显。区域土地总面积379095.43hm2，现辖6镇9乡，全县总人口为13.55万人。

二、数据来源

研究采用的土地利用现状和规划数据分别主要来源于华池县变更调查数据库和《华池县土地利用总体规划（2010-2020年）》，能源消费数据参考IPCC提供的数据，其他数据来源于华池县统计年鉴。

三、研究方法

（一）碳蓄积量估算方法

本研究主要通过植被、土壤平均碳密度之和乘以相应土地利用类型的面积来计算研究区域的碳储量，计算公式如下：

T=Aj（Vj+Sj）（式1）

式中：T为区域土地生态系统总碳储量;Aj为第j种土地类型的面积（hm2）;Vj为第j种土地类型的植被平均碳密度;Sj是第j种土地类型的土壤平均碳密度（t/hm2）。其中：土壤碳库平均碳密度采用土壤类型法计算得到（表1），植被碳密度主要在考虑各类植被类型分布的基础上参考有关学者对中国植被碳密度的研究成果计算求得（表1）。

（二）碳排放量估算方法

1. 建设用地碳排放估算

本研究从华池县主要能源消费角度来计算薪柴、原煤、液化石油气、沼气这4种一次性能源消费产生的碳排放，计算公式如下：

W=∑Fm×Bm×Cm （式2）

式中：W表示建设用地上各类高碳能源碳排放的和（万t）;Fm为第m种能源的消费量（万t）;Bm为第m种能源对应的折标煤系数（kg/kg）;Cm为第m种能源的碳排放系数（t/t）。本文采用的二氧化碳排放系数和折标煤系数数据均来自IPCC缺省值（表2）。由此求得建设用地的碳排放总量后，用其除以建设用地面积，得到2009年建设用地碳排放系数。

2. 非建设用地碳排放估算

非建设用地的碳排放系数主要参考刘海猛等学者的研究成果（表1），并通过碳排放系数乘以非建设用地相应的面积计算出非建设用地的碳排放量。

（三）模糊线性规划模型

本文采用模糊线性规划模型探索以低碳为目标的土地利用结构优化问题，其基本方程表达式为：

目标函数 F（x）=CX→max（min）

模糊约束条件   s.t.AX≤（=，≥）B

变量非负约束条件  X ≥0

式中：C为不同土地类型碳源/汇系数，X为决策变量，在本文中表示不同土地利用类型的面积; s.t.代表模糊约束，A为约束系数，B表示资源限制量。

根据华池县实际情况，构建模糊线性规划模型：

1. 变量设置

选取耕地、园地、林地、牧草地、其他农用地、建设用地、水域7种土地利用类型作为决策变量。各变量面积及面积占比如表3所示：

2. 目标函数

根据所预测的2020年各地类的碳密度、二氧化碳碳排放系数和相应地类面积，构建碳蓄积量最大目标函数和碳排放量最小目标函数。其中：碳储量主要来源于土壤碳库和植被碳库，且历年碳储量强度变动不大，因此2009—2020年上述7种地类的碳密度值不变;除建设用地外的其他地类2009-2020年的碳排放系数不变，2020年建设用地的碳排放系数则依据历年的增长幅度进行预测。得到：

碳蓄積量最大目标函数：Max（Y）=78.1X1+109.55X2+192.72X3+90.4X4+100.8X5+16X6+59.83X7

碳排放量最小目标函数：Min（Z）=0.502X1+0.047X2+0.033X3+0.241X4+2.9X5+38.79X6+0.722X7

3. 模糊约束条件

（1）土地总面积约束：

X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7=379095.43（hm2），Xi≥0（i=1，2，3，…，7）

（2）人口总量约束：2020年农用地和建设用地控制规模面积分别为369670.01hm2和8206.39hm2，算出2020年农用地人口密度为0.26人/hm2，人均建设用地为9.58人/hm2。约束条件为：

0.26×（X1+X2+X3+X4+X5）+9.58×X6≤174200人

（3）宏观规划约束，从耕地、园地、林地、牧草地、其他农用地、建设用地、水域7个方面设置约束条件：耕地，约束条件为：47184.54≤X1≤68907.54hm2，d1=20622.16hm2;园地，约束条件为：89.67≤X2≤94.27hm2，d2=3.66;林地，约束条件为：160705.12≤X3≤164989.19hm2，d3=2000;牧草地，约束条件为：131615.57≤X4≤132331.95hm2，d4=1000;其他农用地，约束条件为：10556.05≤X5≤11965.71hm2，d5=1420;建设用地，预测华池县建设用地面积将增加9%-25%。即：7155.68≤X6≤8206.39hm2，d6=1100;水域，约束条件为：1097.13≤X7≤1219.03hm2，d7=100。

（4）数学模型要求约束。各土地利用类型面积均应大于等于0，不能为负，即：Xi≥0（i=1，2，3，…，7）

四、结果与分析

（一）模型运算结果

将建立模糊线性规划模型，运用MATLAB软件进行运算，得到两个函数的模糊最优解（见表4）。

（二）结果分析

1. 碳蓄积量最大情景下的优化结果分析

碳蓄积量最大优化方案显示：2020年碳储积最优方案下的碳蓄积总量为49479261t，比2009年碳储积总量（49279439t）和原规划目标年2020年的规划方案（规划方案，49297428t）均明显提高。从表4可以看出：在碳蓄积量最大优化方案下，耕地面积比2009年少了2567.54hm2，但与规划方案中的耕地保有量相比增加了340hm2。林地面积比2009年增加了2117.59hm2，比规划方案多了1042.53hm2。建设用地面积为7160hm2，与规划方案减少了1046.39hm2，碳蓄积量最大化方案下建设用地的增长速度被有效控制。

2. 碳排放量最小情景下的优化结果分析

碳排量最小优化方案显示，2020年华池县碳排量最小方案下碳排放总量为380085t，其数值明显略高于2009年的碳排放量（361314t）、但低于规划方案的碳排放量（422228t），由此可见此优化方案的减排效果显著，主要是因为建设用地增速的放缓。从表4可以看出：在此优化方案下，建设用地面积比原规划方案少了1046.39hm2。耕地面积比原规划方案增加了580.87hm2，牧草地面积比原规划方案多了1382.05hm2。

3. 优化结果对比分析

通过将两个不同的优化方案与规划目标年数据进行对比分析，可以看出：若要实现碳储积量最大化，应适当增加耕地、林地面积，合理减少建设用地面积;在碳排放量最小化方案下，园地面积变化微小，耕地、牧草地和其他农用地面积有所增加，林地、建设用地和水域面积有所减少。

两个优化方案比较，在碳排放量最小方案下的碳排放总量减少了1047t，在碳储积量最大方案下的碳储积总量增加了122812t。两个优化方案虽然都实现了低碳减排目标，但碳排放水平提升并不明显;碳储积量最大方案的碳蓄积水平提升明显，碳储积量最大优化方案增加碳汇减少碳源的效果更佳。由此可见，建设用地、林地作为主要的碳源和碳汇，应当将其视为今后土地利用结构调整的关注重点。

五、结论及讨论

1. 综合以上分析，华池县碳储积量最大优化方案是实现低碳化土地利用的最佳方案。在该方案下，到2020年华池县碳储量为49479261t，碳排放量为381132t，与原规划方案相比碳储量增加了181833t，碳排放量减少了41096t，有利于增加碳汇减少碳源，符合华池县实际情况。

2. 土地利用结构优化方案比原规划方案，耕地保有量增加了340hm2，林地面积增加了1042.53hm2，建设用地面积减少了1046.39hm2，建设用地的增长速度被有效控制，符合用途管制要求。

3. 建设用地、林地面积的合理调整是实现低碳化土地利用结构的关键。上述土地利用方案中建设用地、林地与土地利用碳循环关系最为密切，科学合理调整建设用地面积和林地面积，有利于实现社会经济发展和生态环境保护的衔接和统一。

4. 以低碳为目标的土地利用结构优化调整方案对增加碳储量降低碳排放有显著效果，能有效促进陆地生态系统碳素循环，实现土地利用结构优化，有利于可持续发展目标的实现，其结果符合华池县实际情况，这为开展土地利用规划和国土空间规划方案编制提供了参考和借鉴。

5. 本文碳循环系数中植被碳密度及非建设用地的碳排放系数直接参考了之前学者的研究成果，一定程度上降低了模型运算结果的精度，研究区域的碳循环系数需要进一步的完善。

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（作者单位：杨晓东，庆阳市自然资源勘测规划研究院;邹妮、程文仕，甘肃农业大学管理学院。程文仕为通讯作者）