湖北省低碳土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置研究

李紅霞 熊麗玲

摘? 要：土地是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是可持續(xù)發(fā)展的前提條件，又是重要的碳排放源和碳吸收匯。土地利用變化對全球碳循環(huán)起著重要的作用，通過優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)減排目標(biāo)是發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的重要措施。該文以湖北省為例，將低碳目標(biāo)與經(jīng)濟(jì)效益最大化目標(biāo)相結(jié)合，應(yīng)用多目標(biāo)粒子群算法構(gòu)建研究區(qū)低碳土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，設(shè)置了模型的具體目標(biāo)函數(shù)、約束條件以及模型數(shù)據(jù)的處理流程。最后對模型運算得到的多個低碳土地利用優(yōu)化方案進(jìn)行比較和分析，提出實現(xiàn)優(yōu)化方案的建議措施。

關(guān)鍵詞：土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置? 低碳? 粒子群算法? 湖北省

中圖分類號：F301.23 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）07（c）-0194-03

1? 概述

低碳土地利用模式是指在土地利用過程中轉(zhuǎn)變土地利用模式和方式、優(yōu)化配置各業(yè)各類用地，科學(xué)規(guī)劃發(fā)展建設(shè)用地、實行建設(shè)用地的節(jié)約與集約利用，加強(qiáng)土地生態(tài)建設(shè)、改善土地生態(tài)環(huán)境，采用先進(jìn)節(jié)能減排技術(shù)減少碳排放、降低人為碳排放的速率，建設(shè)大面積、集中連片的森林與草地，實現(xiàn)土地生物碳匯功能的發(fā)揮，最終達(dá)到土地的可持續(xù)利用。低碳土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置是要在滿足人民各類生產(chǎn)、生活需求用地的條件下，實現(xiàn)碳排放量最小化和區(qū)域利益或效益最大化兩個目標(biāo)，同時還要兼顧滿足土地可持續(xù)利用指標(biāo)。

低碳土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置是一個典型的約束多目標(biāo)優(yōu)化問題，每一種優(yōu)化配置方案都對應(yīng)約束多目標(biāo)優(yōu)化問題的一個解。粒子群優(yōu)化算法是一種模擬自然界中某種生物群體覓食等行為的智能優(yōu)化算法，具有搜索速度快、效率高，算法簡單等特點。粒子群在土地利用管理、復(fù)墾土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化、常規(guī)農(nóng)用地分等模型等方面得到了廣泛應(yīng)用[1，2]。

2? 低碳土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置模型

土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置是基于土地可持續(xù)利用特性，通過土地可持續(xù)利用評價指標(biāo)判斷現(xiàn)狀條件下土地利用的低碳可持續(xù)程度，以此作為土地利用優(yōu)化配置的基礎(chǔ)和依據(jù)，并找出它們之間的最佳結(jié)合途徑。

2.1 低碳土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置目標(biāo)

低碳土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置最終目的要實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)環(huán)境效益目標(biāo)的協(xié)調(diào)與統(tǒng)一，但這種目的并非是各目標(biāo)間的均衡或同時獲得多目標(biāo)的最大化，而是要視具體地區(qū)、層次和配置的目的而選擇具體的目標(biāo)。該文針對省級區(qū)域的低碳土地利用而設(shè)置了如下優(yōu)化目標(biāo)。

（1）基于低碳的優(yōu)化目標(biāo)。

碳排放系數(shù)（ai）是指不同類型土地的單位碳排放量（t/hm2），是根據(jù)各類型用地排放/吸收碳量來確定的，通過確定目標(biāo)年各項決策變量的碳排放系數(shù)最終可構(gòu)建低碳目標(biāo)函數(shù)：

式中，f（x）為目標(biāo)年單位GDP碳排放量;ai為變量i的碳排放系數(shù);xi為變量i的用地面積。

（2）基于最大經(jīng)濟(jì)收益的優(yōu)化目標(biāo)。

根據(jù)各類用地的現(xiàn)狀、自然經(jīng)濟(jì)特點和當(dāng)?shù)厥袌霭l(fā)展趨勢，通過實際調(diào)查分析，確定該模型的收益函數(shù)g（x）。決策變量的系數(shù)根據(jù)歷年統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定，用地經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)函數(shù)公式如下：

式中，g（x）為目標(biāo)年經(jīng)濟(jì)收益;bi為各類型土地收益系數(shù);xi為各類用地面積。

2.2 低碳土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的約束條件設(shè)計

模型中的約束條件是指實現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)的限制因素。該文確定了與設(shè)定目標(biāo)關(guān)系密切的碳排放、土地利用、社會經(jīng)濟(jì)生態(tài)因素等7個約束條件，共建立9組約束方程。

（1）土地總面積的約束。

X1+X2+X3+…+X8=研究區(qū)域土地總面積

（2）耕地保有量的約束。

X1≥目標(biāo)年研究區(qū)域耕地保有面積

（3）碳匯用地約束。

碳吸收主要來源于園地、林地、牧草地，此類用地約束條件設(shè)定應(yīng)根據(jù)生態(tài)建設(shè)規(guī)劃和區(qū)域土地利用的情況進(jìn)行設(shè)定，一般應(yīng)不低于規(guī)劃水平或現(xiàn)狀水平，即：

X2、X3、X4≥現(xiàn)狀面積或規(guī)劃面積

（4）建設(shè)用地情況約束。

根據(jù)城市化進(jìn)程發(fā)展的需要，城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積應(yīng)大于現(xiàn)狀面積;人均農(nóng)村居民點面積則不低于《村鎮(zhèn)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

X5>現(xiàn)狀城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積;X6≥《村鎮(zhèn)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的人均農(nóng)村居民點面積標(biāo)準(zhǔn)。

（5）單位GDP碳排放比的約束。

通過預(yù)測至2020年研究區(qū)域GDP總產(chǎn)值來確定單位GDP的約束條件：

Y2020≤αY2005，45%≥α≥40%

（6）耕地后備資源約束。

可進(jìn)行開發(fā)的耕地后備資源量的數(shù)量都是有限制的，即：

X8≥不可開發(fā)利用的耕地后備資源

（7）決策變量非負(fù)要求約束。

所有的決策變量均不能為負(fù)，即xi≥0，（i=1，2，…，8）。

3? 基于多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法的低碳土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

利用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行土地利用優(yōu)化配置，首先，要按照配置模型中各種用地類型來確定粒子的形式;其次，要根據(jù)配置模型中的目標(biāo)函數(shù)確定算法對粒子個體的適應(yīng)度評價方法和選擇策略;最后，根據(jù)配置模型的各種約束條件和各地區(qū)的具體情況確定粒子群算法的各種參數(shù)（見圖1）。

4? 湖北省低碳土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置

湖北省位于中國中部，長江中游、洞庭湖以北，全省土地面積18.59萬km2?，F(xiàn)行的《湖北省土地利用總體規(guī)劃》以2006—2020年為規(guī)劃期，以2005年為基期年，以2020年為遠(yuǎn)期目標(biāo)年。該文通過對2005—2009年連續(xù)5年的土地資源管理、土地利用碳排放/吸收、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等相關(guān)數(shù)據(jù)的研究，構(gòu)建湖北省低碳土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置模型，提出2020年的低碳土地利用目標(biāo)，以期對當(dāng)前湖北省土地利用總體規(guī)劃實施的有所借鑒作用。

4.1 土地利用碳排放量估算

采用2005—2009年湖北省能源消費、農(nóng)業(yè)投入、土地利用等統(tǒng)計數(shù)據(jù)，依據(jù)排放系數(shù)法進(jìn)行湖北省土地利用碳排放/吸收量估算，估算2005年、2009年湖北省土地利用碳源/碳匯量如表1所示。

4.2 目標(biāo)函數(shù)參數(shù)設(shè)置

（1）低碳目標(biāo)函數(shù)。

依據(jù)低碳目標(biāo)函數(shù)公式測算，至目標(biāo)年2020年，湖北省各類型用地碳排放/吸收率，采用灰色GM（1，1）模型進(jìn)行預(yù)測計算，并用專家打分法、綜合平衡法等方法驗證可得：

ai=[（10.54，-0.35），3.81，3.81，0.95，-399.10，-2.67，-15.84，0]

（2）最大經(jīng)濟(jì)收益目標(biāo)函數(shù)。

依據(jù)用地經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)函數(shù)公式測算取研究區(qū)域目標(biāo)年期末的國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）作為規(guī)劃的優(yōu)化目標(biāo)。

應(yīng)用GM（1，1）、層次分析法、專家打分法等方法來計算各類用地的效益，構(gòu)成效益集wi（i=1，2，3……）。其中未利用地的用地效益可視為0，參與評判。

wi=（0.1389，0.0883，0.0916，0.0555，0.3185，0.0677，0.2396）選用耕地效益乘以各類型土地的相對權(quán)益系數(shù)來求得相應(yīng)的單位面積上的產(chǎn)出效益。

bi=（20.11，12.78，13.26，8.04，46.11，9.8，34.69，0）

4.3 確定湖北省低碳土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置約束條件

模型中的約束條件是指實現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)的限制因素。根據(jù)哥本哈根氣候變化大會前夕中國所做承諾制定的目標(biāo)年為2020年中國將單位GDP碳排放減少40%～45%，同時2020年也是《土地利用總體規(guī)劃》制定的目標(biāo)年，該文將約束目標(biāo)年定為2020年。同時確定其他7個約束條件具體值。

4.4 湖北省低碳土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置結(jié)果

該文設(shè)定目標(biāo)函數(shù)為滿足減排目標(biāo)下的經(jīng)濟(jì)效益最大化，即在優(yōu)化結(jié)構(gòu)條件下，得到若干配置方案，經(jīng)過分析計算和修正，選取同時滿足目標(biāo)函數(shù)和約束條件的3個供選方案，結(jié)果見表2。

5? 結(jié)論

由表2可知，在2005年湖北省單位GDP碳排放量為0.9t/萬元的情況下，至2020年，在滿足各項約束條件的情況下，得到3個優(yōu)化方案，3個方案預(yù)計實現(xiàn)GDP總產(chǎn)值差距不大，都較2005年增長4倍，較2009年增長約3倍，但是各類用地結(jié)構(gòu)安排上有一定差異。

3個方案的共同點在于：一是通過農(nóng)村居民點的整理來增加其他用地，這也與當(dāng)前湖北省農(nóng)村居民點用地面積過大、整理潛力巨大的現(xiàn)狀相符，是比較合理的優(yōu)化途徑之一;二是城鎮(zhèn)建設(shè)用地和交通水利用地均有所增加，也與湖北省目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展相適應(yīng)的。此外，3個方案在園地、林地、牧草地等凈碳匯用地方面都有所增長，這表示植樹造林種草是實現(xiàn)增匯減排的必要途徑。總而言之，必須從社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)和土地利用多方面采取有效措施實現(xiàn)低碳土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

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