基于生態安全的華池縣土地利用結構優化

杜志鵬　焦云騰　薛會蓉　程文仕　劉學錄

摘要：文章采用PSR模型構建華池縣土地生態安全評價指標體系，對2010～2015年土地生態安全狀態分析的基礎上，構建線性規劃模型，以耕地、林地和草地等為控制變量，以生態效益最優為目標函數，建立約束條件，進行土地利用結構優化。研究顯示：耕地、園地、草地和其他土地面積應所有減少，林地和建設用地面積應有所增加。研究結果對于優化華池縣土地利用結構，促進生態文明建設具有重要意義。

關鍵詞：土地利用；土地生態安全；結構優化；華池縣

隨著我國城市化進程加快，由于土地的不合理利用，土地資源面臨水土流失、土壤侵蝕等諸多生態安全問題。在生態安全的基礎上進行土地利用結構調整對合理配置土地資源，實現土地可持續利用具有重要的理論實踐和指導意義。我國目前對土地利用結構優化的研究主要側重于概念、優化方法和模型等方面。采用的模型方法主要有：土宜法、綜合法和層次分析法，線性規劃模型、多目標規劃模型等。另外，張晶通過灰色線性規劃決策分析，得出了咸陽市土地利用結構優化的三種方案；黎孔清構建了低碳經濟導向的區域土地利用評價指標體系，使用多目標線性規劃法提出了武漢市土地利用結構優化方案。本文以華池縣為例，利用PSR模型對土地生態安全進行評價，并采用線性規劃模型對華池縣的土地利用結構進行優化，為有效開展土地利用結構中生態安全問題的解決提供參考。

一、研究區概況

華池縣位于慶陽市東北部，位于107°29′15″～108°33′29″E，36°08′27″～36°52′29″N，東、北部與陜西省志丹縣、吳起、定邊三縣接壤，南部與環縣、慶城縣相連，東南部與合水縣毗鄰，處于黃土高原腹地，地形以山地為主，山、川、塬兼有，梁峁林立，溝壑縱橫；地處溫帶半濕潤半干旱氣候過渡區，具有明顯的大陸性氣候特征，年降水量450～600mm；石油、煤炭、風能等資源豐富；下轄6鎮9鄉111個行政村，土地總面積為3791km2，總人口13.55萬人。

二、數據來源

研究中采用的人口、社會經濟水平、農作物播種面積、產出水平及農業現代化水平等社會經濟指標數據來源于2010～2015年《慶陽發展年鑒》及《華池縣統計年鑒》；土地利用現狀面積數據來源于華池縣2010～2015年土地利用更新調查數據庫；規劃目標來源于《華池縣土地利用總體規劃（2010～2020年）》。

三、華池縣土地生態安全評價

壓力—狀態—響應模型（PSR模型）是由聯合國環境規劃署和經濟合作發展組織共同提出，用來評價人類活動對生態環境的影響程度。

（一）指標體系構建

本文基于PSR模型構建指標體系，借鑒相關研究成果，遵循系統性、科學性原則，結合華池縣的實際情況，選取人口密度、森林覆蓋率等17個指標構建土地生態安全評價指標體系（表1）。

（二）指標標準化和權重計算

采用極差法（徐建華2002）進行指標標準化處理后，運用層次分析法確定各指標的權重（表1）。

（三）評價模型

使用綜合評價方法構造評價模型，評價模型為：

E=■WiP（xi）

式中：E為生態安全綜合指數；Wi為生態安全評價指標i的權重；P（xi）為各項生態安全指標的標準化值。

（四）生態安全等級劃分

對于生態安全等級劃分目前還未形成統一標準，本文參照已有研究成果，根據華池縣生態安全指數將生態安全劃分為5個等級：Ⅰ級安全其指數為[0.8，1.0]、Ⅱ級較安全其指數為[0.6，0.8）、Ⅲ級臨界安全其指數為[0.4，0.6）、Ⅳ級較不安全其指數為[0.2，0.4）、Ⅴ級不安全其指數為[0，0.2）。

（五）生態安全評價結果與分析

根據綜合評價模型，測算得到華池縣2010～2015年土地生態安全評價結果（表2）。

從表2可以看出：

1. 華池縣的土地生態安全指數總體呈現上升趨勢，由2010年的0.39618上升到2015年的0.58507，土地的生態安全等級由“較不安全”上升至“臨界安全”級，土地生態環境得到了一定程度的改善。

2. 華池縣已經開始重視土地生態安全保護，在2013年土地生態安全狀況有所下降，主因是因為2013年耕地化肥使用量、農膜使用量有所增加，SO2排放量和NOX排放量達到了最大值；2014年土地生態安全指數快速增加是因為發展紅色旅游和強化生態環境保護，通過劃定子午嶺自然保護區、實施水土保持等生態修復項目，大力推進封山禁牧、退耕還林、紅色旅游等工程建設，加大造林力度和生物多樣性保護，土地生態安全狀況有所好轉。

3. 2015年，華池縣土地生態安全等級為“臨界安全”級，說明土地生態安全仍然受到一定程度的威脅，生態系統服務功能仍在退化，生態恢復與再生有一定困難，生態問題仍然較多，在未來土地利用中，仍需加大生態環境保護和整治力度。

由此可見，這一生態安全評價結果符合華池縣實際情況，到規劃目標年（2020年），若要實現土地利用狀態“較安全”或者“安全”等級，就必須加大生態環境保護與整治力度，對土地利用結構進行優化調整。

四、華池縣土地利用結構優化

（一）優化總體思路

根據華池縣土地利用現狀及其社會經濟發展需求，設置變量，建立約束條件，構建基于生態效益的目標函數，得到生態安全目標規劃模型，以實現“土地生態系統結構完整、功能基本完善、環境沒有受到破壞、系統恢復再生能力強、生態安全問題不明顯”為目標，進行土地利用結構優化。

（二）變量設置

根據華池縣土地利用現狀及其變化情況，結合土地利用總體規劃目標，遵循客觀性和實用性原則，設置耕地（X1），園地（X2），林地（X3），牧草地（X4），建設用地（X5）以及其他土地（X6）6個變量。

（三）目標函數設置

到2020年，要實現土地生態安全狀態“安全”等級，根據中國陸地生態系統單位面積生態價值服務系數等已有研究成果，結合華池縣實際情況，確定華池縣土地利用類型及其生態價值系數，建立生態效益最優的目標函數：

F（x）=6114X1+12157X2+18201X3+6405X4+371X5+371X6

（四）約束條件設置

1. 華池縣的土地總面積為3791km2，因此：X1+X2+X3+X4+X5+X6=3791；

2. 到2020年，華池縣耕地保有量（約束性指標）為696.71km2，則耕地的約束條件為：X1≥696.71；

3. 到2020年，華池縣園地面積（預期性指標）為2.92km2，以2015年園地面積0.92km2為基礎，以符合區域實際為原則，確定園地的約束條件為：0.92≤X2≤2.92；

4. 華池縣2015年林地面積為1608.05km2，要改善區域生態環境，從華池縣實際情況出發，林地面積只能增加，則林地的約束條件為：X3≥1608.05；

5. 到2020年，華池縣牧草地面積（預期性指標）為1323.32km2，以2015年的牧草地面積1280.06km2為基礎，以符合區域實際為原則，確定牧草地的約束條件為：1280.06≤X4≤1323.32；

6. 到2020年，華池縣建設用地總規模（約束性指標）為65.94km2，以華池縣2015年建設用地總面積為89.96km2，建設用地整治壓減難度較大，但必須嚴控總量，則建設用地的約束條件為：65.94≤X5≤89.96；

7. 以華池縣2015年的其他土地面積為108.33km2，這些土地可以通過開發整治提高其利用率，則其他土地的約束條件為：X6≥108.33；

8. 變量非負約束條件為：Xi≥0（i=1，2，3，4，5，6）。

（五）優化結果與分析

模型優化的目標年為2020年，與規劃目標年2020年一致，使用LINGO 11.0軟件得到華池縣土地利用結構優化模型最優解（表3）。

從表3可以看出：

1. 耕地、園地、牧草地和其他土地的模型優化結果小于華池縣的規劃目標。耕地面積由規劃目標660.8km2優化到588.15km2，減少了1.92%，減少部分主要是坡度大于25°的退耕還林地；園地面積由規劃目標2.92km2優化到2.19km2，減少了0.02%；牧草地面積由規劃目標1323.32km2優化到1320.77km2，減少了0.07%；其他土地面積由規劃目標131.89km2優化到119.33km2，減少了0.33%。從2010～2015年的土地利用變化情況看，這一優化結果更符合華池縣實際情況。

2. 林地和建設用地的模型優化結果大于華池縣的規劃目標。森林具有涵養水源與減少水土流失的功能，對生態安全的建設有重要推動作用，林地面積越大越有利于生態安全，林地由規劃目標1606.13km2優化到1678.50km2，增加了1.91%，這一結果也完全符合華池縣近年來紅色旅游發展和生態環境建設實際；建設用地面積由規劃目標65.94km2優化到83.06km2，增加了0.42%，主要是規劃目標中預期通過城鄉建設用地增減掛和建設用地整治等走內涵挖潛的道路，提高建設用地利于率，對建設用地總量壓減量較大，而2010～2015年實際落實的建設用地壓減量有限。

3. 按照規劃至2020年土地利用的生態效益總目標為4185.80萬元，而模型優化的結果為4270.73萬元，增加了84.93萬元，表明基于生態安全的土地利用結構優化結果，更有利于華池縣的土地生態安全，生態效益將有顯著提高。

五、討論與結論

綜上所述，基于生態安全的華池縣土地利用結構優化結果，優化了農用地內部結構，耕地、園地和牧草地的面積略有減少，林地面積有所增加，建設用地面積有所增加，其他土地面積有所增加，這一結果更加符合華池縣實際情況，并使生態效益提高了84.93萬元，促進了土地利用生態效益目標的最優化，有助于推進社會經濟系統和生態系統的協調發展，符合綠色發展的理念。

本文利用PSR模型構建評價指標體系，用多因素綜合評價法計算生態安全綜合指數，開展生態安全評價，其結果為優化土地利用結構提供依據；并基于生態安全目標構建線性規劃模型，進行土地利用結構優化，客觀設立約束條件并采用計算機技術進行求解，減少了規劃中人為因素的干擾，使其結果更客觀，所得土地利用結構優化結果具有更高的科學性和適用性。

在未來發展中，華池縣應堅持落實節約集約用地制度，注重城鄉協同發展，合理調整用地結構布局，適度增減建設用地管制分區，全面推進區域土地整理，大力開展土地復墾，適度開發后備土地資源，提高農業綜合生產能力，改善農田生態環境，力促實現全縣耕地保護目標和城鄉用地統籌協調發展。

因為數據采集的原因，研究時段為2010～2015年，僅6年實踐，跨度較小，不利于長期動態度的確定，并且在線性規劃法中設置變量較少，對建設用地和其他土地沒有進行細分，需要在后續研究中進一步強化。

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*基金項目：甘肅農業大學青年研究生指導教師扶持基金（GAU-QDF-2018-15）。

（作者單位：杜志鵬、劉學錄，甘肅農業大學資源與環境學院；焦云騰、薛會蓉、程文仕，甘肅農業大學管理學院。程文仕為通訊作者）