生態文明視角下環首都區域土地利用結構優化研究

杜勝男，郭愛請

(河北地質大學土地科學與空間規劃學院，河北石家莊 050031)

生態文明是人類社會經歷了農業文明和工業文明后進入的更高水平的發展階段[1]，它追求人與自然和諧相處，強調資源節約和環境保護。中共十九屆四中全會提出建立高度協調的生態文明體系，開辟經濟與生態環境協調發展的新道路，實現建設美麗中國的新目標[2]。環首都區域城市化進程的加快和經濟的飛速發展對生態環境造成了巨大的壓力，成為制約京津冀地區可持續發展進程的“短板”[3]，然而生態文明建設是應對目前我國資源環境生態約束、實現經濟社會可持續發展的必然選擇[4]。因此，解決該區域人地矛盾、進行土地利用結構優化對統籌區域協調發展、推進生態文明建設具有重要意義和實用價值。

土地利用結構優化是以一個地區土地利用的綜合效益最大化為目標，在數量上調整各類用地的比例，在空間上保持良性的土地系統循環，從而實現土地供需平衡[5]。國內外研究學者多從生態綠當量[6-7]、生態足跡[8-9]、土壤生態指數[10]、碳排放[11-12]、土地生態安全[13]以及建立多目標規劃模型[14-15]等視角進行土地利用結構優化，而對于協調人地關系的有效理論——土地生態承載力研究較少。因此該研究從生態文明角度出發，構建具有生態文明內涵及特征的土地生態承載力指標體系，對2018年環首都區域13個縣(市、區)的土地生態承載力進行評價，分析該區域的生態環境狀況，再按其綜合指數大小和地區概況進行區域劃分；在此基礎上，運用多目標規劃模型，制定符合該區域經濟與生態協調發展的優化目標，對環首都區域進行土地利用結構優化，以期為環首都區域土地資源的合理開發利用提供科學依據，也為類似地區的土地利用結構優化提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區概況環首都區域是指北京周邊的隸屬于河北省4個地級市的部分縣區所組成的區域，包括廊坊、保定、張家口和承德的13個縣(市、區)，其各縣(市、區)的地形地貌存在著較大的差異(圖1)。涿州市、固安縣、廊坊市區(包含安次區和廣陽區)分布在南部地區，地勢起伏較小，地處華北平原；淶水縣、赤城縣、涿鹿縣和懷來縣分布在西部海拔較高地區，地形大部分是山地、丘陵和溝壑等，地勢起伏較大；興隆縣、灤平縣和豐寧滿族自治縣分布在北部壩上地區，森林面積較多，但是生態環境狀況比較嚴峻，地理條件也較惡劣；香河縣、大廠回族自治縣和三河市分布在東部地區，地形平坦，多為平原，發展較好。以新興產業為主導的環首都區域總土地面積為30 251.69 km2，占河北省面積的16.02%，是北京市的1.84倍。

圖1 環首都區域地理位置Fig.1 Geographical location of the region around the capital

截至2018年底，環首都區域的國內生產總值為2 987.95億元，占河北省國內生產總值的9.20%，除了淶水縣、涿鹿縣和赤城縣外的10個縣(市、區)的國內生產總值均超過了100億元，涿州市、三河市和廊坊市區的國內生產總值均超過了300億元，廊坊市區甚至達700億元，可見環首都各縣(市、區)經濟發展相差懸殊。除此之外，環首都區域的農民人均可支配收入也呈兩極分化的態勢。三河市、涿州市和香河縣的農民人均可支配收入在13個縣(市、區)中位列前3名，分別為19 122、18 398和180 042元，其中三河市的農民人均可支配收入是豐寧滿族自治縣的2倍以上。

1.2 數據來源土地生態承載力指標數據主要來自2015—2019年的《中國縣域統計年鑒》《中國城市建設統計年鑒》《河北經濟年鑒》《廊坊經濟統計年鑒》《保定經濟統計年鑒》《張家口經濟年鑒》《承德統計年鑒》和各個地級市統計局中的年報，通過直接或間接換算可得，部分指標數據不同來源存在差異以年鑒為準。各類土地面積數據主要從各市地圖的遙感影像中提取得到。

1.3 研究方法

1.3.1環首都區域土地生態承載力評價。

1.3.1.1評價指標體系的建立。該研究基于相關研究成果[16]，并結合環首都區域的實際情況，緊扣生態文明特征及內涵從生態負荷、生態保護、生態功能和生態經濟等方面共選取17個評價指標。由于各指標對于土地生態承載力的影響效果不同，所以將指標分為正向指標和負向指標；正向指標數值越大，說明評價區域土地生態承載力水平越高；負向指標數值越大，說明評價區域土地生態承載力水平越低[17]，最后設計出環首都區域土地生態承載力評價指標體系，見表1。

表1 環首都區域土地生態承載力評價指標體系Table 1 Evaluation index system of land ecological carrying capacity in the region around the capital

1.3.1.2指標標準化處理。該研究采用極差標準化法[18]對指標進行標準化處理，確定了環首都區域13個縣(市、區)各個指標的標準化值，即運用公式(1)和公式(2)來確定正負向指標的標準化值。

(1)

(2)

式中，Yj為第j個指標標準化值(j=1，2，…，17)；Xij為第i(i=1，2，…，5)年第j個指標的數值；max(Xj)為實測最大值；min(Xj)為實測最小值。

1.3.1.3指標權重的確定。為指標設定權重是指標體系評估過程中的關鍵步驟，指標的權重表明指標在評估體系中的重要性和貢獻性，這直接影響評估的最終結果。設定權重的方法有很多，該研究采用AHP層次分析法[19]來確定各指標的權重，此法是專家在主觀上對權重進行設定的方法，其原理是依據專家對此方面研究的經驗，判斷出兩項因素之間誰比較重要，從而進行打分。打分過程中，為了排除可能存在的權威干擾以及集中專家們的智慧，專家之間不得相互討論[20]。運用AHP層次分析法，最終得到17個土地生態承載力評價指標的權重(表2)。

表2 土地生態承載力評價各指標權重Table 2 The weight of each index in the evaluation of land ecological carrying capacity

1.3.1.4土地生態承載力測算。采用綜合指數法構建指數公式和評價標準，利用公式(3)得出2018年環首都區域13縣(市、區)的土地生態承載力綜合指數。

(3)

式中，Aj為土地生態承載力；Yj為第j個指標標準化值(j=1，2，…，17)；Wj為第j個指標的權重。

1.3.2環首都區域土地利用結構優化模型構建。

(1)土地經濟效益目標函數。在土地利用結構優化過程中，經濟效益對土地利用具有重要的作用。具體函數如下[21]：

(4)

式中，F1(x)為土地經濟效益(萬元)；ei為目標年某類用地單位面積的經濟產出(萬元/hm2)；xi為某類用地的面積(hm2)。

(2)土地生態效益目標函數。該研究的土地生態效益測算是基于生態系統服務價值理論[22]進行的。我國在評估生態系統服務功能時，主要以謝高地等[23]的研究成果為準則，謝高地等參考Costanza等[24]和其他生態學相關學者對這項成果評估方法的大量實證研究[25-27]，制定出適合我國的生態系統服務價值當量因子表(表3)。將林地與草地生態系統服務價值因子的平均值定位園地的生態系統服務價值因子，未利用地由于不具有生產能力，所以按照荒漠的生態系統服務價值因子進行確定。然后根據區域的主要糧食產量及市場價格對該表生態服務價值系數進行修正，其修正公式[23]如下：

(5)

Vc=∑(fij×Ea)

(6)

式中，Ea為農田生態系統提供食物生產服務功能的經濟價值(元/hm2)；i為該地區主要的糧食種類；pi為i類糧食作物的平均價格(元/kg)；qi為i類糧食作物單產(kg/hm2)；mi為i類糧食作物面積(hm2)；M為糧食作物的總面積(hm2)。Vc為各項生態用地生態系統服務價值系數；fij為第j類生態系統中i類生態服務所提供的生態服務因子當量。

表3 我國陸地生態系統服務價值當量因子Table 3 China’s terrestrial ecosystem service value equivalent factor

2 結果與分析

2.1 環首都區域土地生態承載力分析從表4可以看出，2018年環首都區域13縣(市、區)的土地生態承載力綜合指數整體處于0.2～0.5，土地生態承載力較低，需要通過土地利用結構優化來提高土地生態承載力。

將環首都區域按照生態承載力大小以及經濟發展狀況和所處的地理位置、地形地貌等進行區域劃分，能更具有針對性地對區域進行土地利用結構優化，分區結果見圖2。從圖2可以看出，Ⅰ區包括淶水縣、涿州市和固安縣，Ⅱ區包括大廠回族自治縣、香河縣、三河市和廊坊市區，Ⅲ區包括豐寧滿族自治縣、灤平縣和興隆縣，Ⅳ區包括涿鹿縣、懷來縣和赤城縣。

淶水縣、涿州市和固安縣位于北京西南部，主要發展農業，經濟發展參差不齊，土地生態承載力綜合指數相對較高。這3個縣市的單位面積林業產值、土地經濟密度和第三產業所占比重逐年提高，經濟發展穩步增長。化肥用量、污水排放量也相對較低，不僅可以保護土壤的生物多樣性和有機質含量，還可防止農產品質量由于化肥的過量使用而下降。但是該地區造林面積、林地面積比重、園地面積比重、綠化覆蓋率都不是很高，園林與綠化不僅可以美化環境，對于改善生態環境也有顯著作用，所以政府對于該地區綠化工作的開展還有待提高。因此，這3個縣市的經濟發展與生態保護沒有實現協調可持續發展。

表4 2018年環首都區域13縣(市、區)的土地生態承載力綜合指數Table 4 Comprehensive index of land ecological carrying capacity of 13 counties(cities and districts)around the capital in 2018

大廠回族自治縣、香河縣、三河市和廊坊市區地處平原地區，地形起伏較小，交通網絡較發達，該地區的土地生態承載力綜合指數相對處于中等水平。該地區經濟發展迅速，第三產業較為發達，人均GDP均高于4萬元，廊坊市區甚至高達10萬元。但是人均綠地面積、造林面積、林地面積比重、草地面積比重相對來說較低，城鎮建設用地面積占較大比例。該地區單位播種面積的農藥施用量以及污水排放量較大，對土壤污染較嚴重，破壞土壤中的生物多樣性，給生態環境造成一定的壓力，嚴重影響了土壤健康狀況和作物品質，其中還有一部分會揮發到空氣中造成大氣污染，危害人類健康。因此，優先保護生態環境應是該地區的未來發展目標。

豐寧滿族自治縣、灤平縣和興隆縣分布于北部海拔較高的壩上地區，高山深谷，土地生態承載力綜合指數處于中下等水平。該縣域的森林覆蓋率在整個環首都區域中居于首位，對生態環境有改善作用的林地、園地和草地的面積比重較高，并且化肥施用量和污水排放量相對來說較低，這均有利于提高該地區的生態承載力水平。但是該地區的經濟發展水平不高，土地經濟密度和人均GDP處于低等水平，第三產業在總地區生產總值中的比重較小，城鎮建設用地面積較少。因此，應注重該地區的經濟發展與生態環境保護的協同。

涿鹿縣、懷來縣和赤城縣的平均海拔均大于400 m，地形以山地、丘陵為主，其土地生態承載力綜合指數較低，經濟水平落后。這3個縣的土地經濟密度、人均GDP、單位面積林業產值和城鎮化率相對較低，經濟發展和城市化進程較為緩慢。由于該區域處于首都生態保護的重要區域，近幾年來生態環境有所好轉，化肥施用量和污水排放量在近幾年都有所減少，該區域的綠化覆蓋率和林地面積比重有所增加，可見政府對于該區域的生態環境治理的重視程度，這就對生態環境的保護產生了積極作用。因此該區域應該在注重生態環境治理工作的過程中，努力發展經濟，才能實現區域的可持續發展。

圖2 環首都區域分區Fig.2 Regional division in the region around capital

2.2 環首都區域土地利用結構優化土地資源具有稀缺性和有限性，為實現生態和經濟效益最大化，有必要優化其土地利用結構，這有利于合理安排土地資源利用類型的數量和空間布局，并尋求優化土地利用方式分配的途徑。這不僅可以為首都圈的規劃建設提供科學依據，還可以促進區域發展，實現人與自然的協同[28]。因此，參照以上研究成果，以環首都區域的分區結果為前提，對環首都區域進行土地利用結構優化。由于每個區域有不同的特點，所以根據實際情況來確定不同的土地利用結構優化目標，從而建立不同的土地利用結構優化目標函數。

2.2.1環首都區域土地利用結構優化模型構建。由環首都4個區域的分析可知，I區、Ⅱ區的經濟發展較好，但是生態環境情況相對嚴峻，因此這個區域應以生態效益優先為優化目標，優化時要優先考慮林地、水域、草地等土地生態承載力較高的土地；Ⅲ區和IV區經濟發展相對落后，生態環境情況相對較好，但也存在生態問題，因此為了實現經濟與生態協同發展，應以經濟效益和生態效益并重為優化目標，在提高土地生態效益的同時也要考慮到土地經濟效益。

2.2.1.1研究變量設置。通過對環首都區域土地類型的分析，并且考慮到設置變量的合理性、易操作性和易獲得性，依據各縣(市、區)《土地利用總體規劃》的用地類型的劃分準則以及土地利用的分類原則，進行地類的對照，便于界定各地類的優化條件，最終設置林地、耕地、草地、園地、水域、交通運輸用地、居民點及工礦用地、未利用地共8個變量，其中居民點及工礦用地包括城鎮和農村建設用地、工礦及倉儲用地和特殊用地。

2.2.1.2目標函數建立。

(1)土地經濟效益目標函數。該研究運用相對權益系數法來預測某種地類的單位面積經濟產出，用該用地類型所對應的GDP來進行估算。其中用林業、農業、畜牧業和漁業的產值來表征林地、耕地、草地和水域的經濟產出；用園林水果和茶葉的產值來表征園地的經濟產出；交通運輸用地和居民點及工礦用地等建設用地用第二三產業的產值來表征。由于未利用地經濟效益較低，按照前人的研究[21]將相對權益系數定為0.000 4。因此根據2014—2018年4個區域的相對權益系數，采用線性回歸預測法，估算得出2025年的相對權益系數。4個區域的經濟效益目標函數按順序排列如下：

F11(x)=0.990 9X1+10.870 4X2+28.824 8X3+37.459 8X4+0.123 9X5+250.104 2(X6+X7)+0.000 4X8

F12(x)=7.388 6X1+2.158 2X2+20.605 7X3+3.121 1X4+0.730 5X5+244.207 4(X6+X7)+0.000 4X8

F13(x)=0.121 9X1+7.032 4X2+0.853 8X3+11.321 4X4+0.041 5X5+75.165 6(X6+X7)+0.000 4X8

F14(x)=4.941 5X1+1.197 9X2+0.357 1X3+1.290 3X4+0.046 9X5+64.185 5(X6+X7)+0.000 4X8

(2)土地生態效益目標函數。由于環首都區域13縣(市、區)的糧食種植結構較為復雜，所以該研究將各個縣(市、區)的每年農業總產值及農作物總播種面積帶入公式(5)進行計算。確定各區域2009—2018年每年的農業總產值及農作物播種面積，然后對10年間的對應指標取平均值進行計算，最后均值結果見表5。

表5 環首都4個區域農作物種植情況均值Table 5 Average value of crop planting situation in the four regions around the capital

再根據公式(6)計算出各區域的各項生態用地生態系統服務價值系數。其中將為提高該地區城市環境水準而投資的年均值作為建設用地的生態系統服務價值系數[29]。環首都4個區域的土地生態效益目標函數按順序排列如下：

F21(x)=18.531 2X1+5.860 4X2+6.352 3X3+12.441 7X4+38.978 5X5+2.368 6(X6+X7)+0.076 3X8

F22(x)=22.180 5X1+7.014 5X2+7.603 3X3+14.891 9X4+46.665 4X5+4.308 0(X6+X7)+0.091 4X8

F23(x)=40.779 6X1+12.896 4X2+13.978 9X3+27.379 2X4+85.795 7X5+4.127 5(X6+X7)+0.168 0X8

F24(x)=36.476 0X1+11.535 4X2+12.503 7X3+24.489 9X4+76.741 6X5+4.333 6(X6+X7)+0.150 2X8

2.2.1.3約束條件設置。在確定多目標函數的值時，要利用不同的約束條件來對變量進行設定，以得到可行且具有參考性的優化結果。其主要約束條件如下：

(1)土地總面積約束條件。根據總面積的均衡原理，優化前和優化后的區域土地總面積要保持一致。

(2)林地面積約束條件。林地擁有很高的生態系統功能價值，是不可或缺的生態用地之一，根據《土地利用總體規劃》以及保護政策，未來規劃的面積不得低于現有的林地面積。

(3)耕地面積約束條件。農業是重要的資源產業之一，我國較為重視農業的發展，所以在我國耕地保護政策中明確規定，未來的耕地面積不得減少，不得低于現狀面積。

(4)草地、園地面積約束條件。根據研究區域2009—2018年的數據變化趨勢，對2025年草地、園地面積進行多項式曲線預測并對其進行分析，從而設置約束條件。

(5)水域面積約束條件。水域面積的增減與水資源對耕地的供應有關，水域對生態環境的改善有一定的積極作用。環首都區域《土地利用總體規劃》關于水土保持生態修復的相關政策中提到，要維持水土資源數量的穩定性，不應該對其進行濫用。因此采用上述預測方法對2025年的水域面積進行預測，并結合2018年的現狀數據設置約束條件。

(6)交通運輸用地面積約束條件。隨著社會經濟的快速發展，交通運輸條件需要得到進一步的改善，并且提高交通運輸用地的比例還可以更好地完善城鎮交通系統，因此交通運輸用地要大于2018年的現狀用地。結合對目標年交通運輸用地面積的預測來設置約束條件。

(7)居民點及工礦用地面積約束條件。其中農村居民點隨著閑置、廢棄土地的整理和復墾，以及城鄉建設用地上升的聯結政策的實施，農村居民點在未來會呈現出下降的趨勢；城鎮工礦用地會隨著未來經濟發展需求的增加而增加。因此要結合近5年(2014—2018年)的土地利用類型數量的研究來確定居民點及工礦用地面積的走勢，從而設定約束條件。

(8)未利用地面積約束條件。未利用地是地區發展的儲備資源，依據規劃未利用地的總量會伴隨城市化進程的發展而縮減，這樣未利用地能夠得到充分的利用，從而有利于提高土地的經濟和社會效益。

2.2.2環首都區域土地利用結構優化方案。該研究選取多目標規劃法，使用運籌學LINGO軟件，將目標函數和約束條件二者結合起來，對I區、Ⅱ區構建以生態效益優先的土地利用結構優化模型，對Ⅲ區和IV區構建以經濟和生態并重為目標的優化模型，最終得到2025年環首都4個區域的優化方案，并與2018年各地區土地利用情況進行對比，如表6所示。

由表6可知，環首都區域的土地利用結構優化方案主要有以下特征：

(1)林地面積增加。I區、Ⅱ區的綠化覆蓋率、林地面積比重、造林面積相對較低，對土地生態承載力產生一定的消極作用，因此其優化結果以林地面積的增長為主，增長率分別為7.34%、15.17%。而Ⅲ區和IV區的地形多以山地丘陵為主，森林覆蓋率較高，因此其優化結果中林地面積的增長不是很大，增長率分別為0.49%、0.57%。森林可以吸收工業產生的二氧化碳和有害氣體，起到凈化空氣、保護人體健康的作用。所以林地面積需求量的增加，不僅體現在碳氧調節等生態功能的發揮上，還體現在該地區生態景觀的豐富度上，變相地促進了旅游業發展，實現經濟繁榮。

(2)耕地面積保持不變。在頒布的國家耕地保護政策中規定，耕地面積不應低于現狀面積，因此在優化過程中，耕地面積維持不變，2018年環首都4個區域的耕地保有量分別為2 571.75萬、2 553.15萬、3 030.75萬和2 688.60萬hm2。因此，在保證耕地安全的前提下，環首都區域的耕地對整個生態用地結構的調整有一定的促進作用。然而近幾年環首都區域的人均耕地面積處于下降的趨勢，對該地生態承載力具有一定的負影響。因此，應該在合理推行計劃生育政策的基礎之上，大力加強對耕地的保護措施。

(3)草地和園地面積減少。這主要是因為將草地和園地轉化為林地可以獲得更高的生態系統服務價值，從而在增加森林覆蓋率和改善區域生態環境方面發揮有益作用。

(4)水域面積保持不變。水域具有發揮涵養水源的生態功能，對生態系統產生積極作用，有助于提高生態系統的生態效益。保持水域面積的穩定，其漁業產值也會在其影響下保持相應的穩定，從而保證該地區漁業的經濟效益不下降。

(5)交通運輸用地、居民點及工礦用地在各區的優化過程中有不同程度的增加。在以生態效益優先為目標優化的I區、Ⅱ區，經濟發展較好，由于建設用地對生態系統服務價值產生負效應，所以在確保城市化進程向前推動的情況下，對建設用地的肆意擴張應當進行合理的調控，并且集約利用城市用地將有利于緩解建設用地的擴張對生態環境所造成的壓力，因此，保持建設用地面積不變或略微的增加有利于提高該區域的生態效益。在以經濟效益和生態效益并重為優化目標的Ⅲ區、IV區，交通運輸用地、居民點及工礦用地面積都相應的增加，這主要是由于經濟的快速發展，擴大了對交通運輸用地、居民點及工礦用地等建設用地的需求量，從而提高該區域的經濟效益，實現經濟水平的上升，推動區域的經濟與生態共同發展。

(6)未利用地均進行了優化配置。相比較2018年環首都區域的土地現狀，4個區域未利用地面積分別降低了1.16%、8.59%、6.79%和1.93%。未利用地作為區域發展的儲備資源，會隨著社會的發展出現減少的現象。集約利用和優化配置未利用地有利于該區域土地資源的可持續發展，并且提高生態、經濟效益，推動社會的快速發展。

3 討論與結論

該研究以環首都區域13個縣(市、區)為研究區域，梳理國內外關于土地利用結構優化研究相關文獻，基于生態文明視角，從生態負荷、生態保護、生態功能和生態經濟4個方面對2018年環首都區域13個縣(市、區)進行土地生態承載力評價，分析各區域所存在的經濟和生態問題，從而確定該區域未來的發展方向。在此基礎上按照不同區域發展方向設定適合的土地利用結構優化目標，從而得到相應的優化方案，該方案有利于推進生態文明建設，促進環首都區域的經濟與生態協調發展。具體結果如下：

(1)通過對2018年環首都區域13縣(市、區)的土地生態承載力評價分析可得出，這13個縣(市、區)的土地生態承載力綜合指數之所以較低，主要是因為化肥的過度施用和污水的過度排放，導致土壤遭受嚴重污染，農產品質量下降，最終危及人類自身。林地面積比重、人均綠地面積和造林面積的不足也是造成土地生態承載力較低的主要原因，因為綠化率不足容易造成區域的防風固沙功能減弱，從而產生風沙天氣，影響生態環境以及人類的正常生活。除此之外，區域社會經濟的發展情況也是影響土地生態承載力的主要原因之一。

(2)在優化過程中，要根據區域的實際情況選擇適合該區域的優化目標，即對經濟欠發達的地區不能一味地以提高生態效益為唯一發展目標，而應該在保障當地居民生活水平的基礎上再進行生態環境的改善。然而發展經濟的同時也不能一味地以破壞生態環境為代價，要做到社會經濟與生態保護協調發展，實現人地協同的良好局面。

(3)由優化方案可知，適當增加林地的面積，不僅能夠充分發揮涵養水源、碳氧調節等生態系統的功能，還有利于該區域生態景觀豐富度的提高，從而大力發展該區域的旅游業，促進經濟的快速發展與繁榮。對于耕地，根據我國現有的耕地保護政策以及目前我國存在的糧食安全問題，應該保障耕地面積不低于現狀面積。但是隨著當地經濟和社會的發展，城市建設用地不斷增加，造成了建設用地占用耕地等一系列問題。這就要求應當遵守“占補平衡”政策，合理控制建設用地的無序擴張，在滿足社會發展對交通運輸用地、居民點及工礦用地的需求的同時提升耕地質量，積極進行土地整理、復墾等工作。對于未利用地，要合理地進行集約利用，使之發揮出最大的潛力，從而提升生態系統服務價值。