（自然地理学专业论文）基于灰色线性规划的桂东县土地利用结构优化研究.pdf

摘要 随着社会生产力的发展，土地利用类型结构和布局趋向复杂化。在 一定区域内，为达到土地利用系统一定的生态、经济和社会效益最优目 标，对土地利用结构进行优化研究，实现土地资源的可持续利用，成为 土地科学特别是土地利用学迫切需要解决的课题。探讨土地利用结构在 空间和时间上的合理配置，必须求助于系统优化的方法。在规划过程中， 系统优化方法其实就是以数学模型为主要手段的定量分析过程。目前在 规划手段中大量采用模型优化方法是现代土地利用规划学科发展的趋 势之。 灰色线性规划是在技术系数为可变的灰数、约束值为发展的情况下 进行的，是一种动态的线性规划。运用灰色线性规划( g l p ) 模型来实现 土地利用结构的优化，它弥补了一般线性规划的不足，不仅可以知道既 定条件下的最优结构，还可以知道最优结构的发展变化情况。 本文以湘东南山区桂东县为研究区域，以2 0 0 0 年为基期年。根 据县域的土地利用结构现状，定性分析其土地资源的基本特征以及存在 的主要问题。依据桂东县1 9 9 卜2 0 0 0 年历年来的数据，应用g m ( 1 ，1 ) 灰色预测 x 年的1 8 4 5 ：0 5 8 ：1 7 7 9 5 ：1 ：1 8 2 ：4 ：1 2 4 ：o 0 8 ：1 8 6 3 6 调整为2 0 l o 年 2 1 3 ：o 3 5 ：2 1 0 3 ：l ：o 3 7 ：o 5 2 ：0 1 7 ：0 o l ：o ，8 4 。这样才能合理配置桂 东县土地资源，最大限度地发挥其土地利用的生态、经济和社会效益， 改变当地贫困落后面貌，实现桂东县土地资源的可持续发展。 关键词：结构优化，土地利用，灰色线性规划，桂东县 i i 1绪论 1 ，1问题的提出 可持续发展资源基础，最重要、最基本的莫过于土地资源，由 于它是一切资源与环境要素的载体，决定了它对于社会经济运行具 有不可替代的作用。我们知道，土地资源历来是人类赖以生存与发 展的物质基础，是人类创造财富的基本源泉。土地利用是人类最古 老、最基本的生产活动，与人类生存与发展的许多社会及生态问题 紧密相关。土地利用是随着人类的出现而产生的，其历史一直都伴 随着整个人类文明发展史。然而随着社会工业化、城镇化的加速发 展，人口数量的增加，活动范围的扩大，土地作为一种资源，其数 量的有限性及其经济供给的稀缺性与土地资源社会需求增长性之 间呈失衡的发展态势，导致土地资源的非农化的倾向及其用途之间 的矛盾不断增加“：与此同时，由于土地资源的不合理利用造成土 地污染和退化的问题也日益突出。这些都使褥人们已经感觉到人类 社会将要经历一场如何利用土地资源的变革和挑战，尤其是在可持 续发震战略的主题下，如何在国民经济各产业、各部门闯合理分配 有限的土地资源，促进土地资源利用集约化与可持续发展，应成为 土地科学特别是土地利用学迫切需要解决的课题。另外由于地 利用的区域性特征也千差万别，土地利用必须要考虑区域的发展特 点，于是便产生了在一定区域土地资源利用的核心阀题一土地 利用结构优化问题”。土地资源能否得到合理、有效利用，直接关 系到人类社会经济能否持续协调发展，麓否保障不断增加酌入口得 到充分的食物需求，能否保障人类生活的良好环境质量。而土地利 用结构优化的目的就是促进土地的合理利用，并把土地资源作为一 种生产要素，与其他要素起共同形成优化的结构与布局，即实现 在一定区域内有限的土地资源持续地在部门间、用途之间的合理分 配“。 关涛，中国土地资源配置与可持续发展研究： 博士学位论文】东北农业大学20 0 2 。 2 d a v i dr h i n da n dr a y i i u d s o n l a n du s e l o n d o n ：1 9 8 0 ：3 l i 。 。王万茂论土地生态经济学与土地生态经济系统 j 】地域研究与开发，1 9 9 3 ，1 2 ( 3 ) ：5 一1 0 。 “王蒙粱合理利用土地与土地市场( 中国土地学会第四次会议代表大会学术年会论文 集) 。北京：串富农业出版社，1 9 9 4 。 l 土地是立国之本，是财富之源。我国号称“地大物博”，但人 口众多，是人均土地资源较少的国家，而且土地的利用极不充分。 其中一个突出的问题是广大的山区土地资源未能充分合理利用，从 经济、社会和生态等方面都给我国社会经济的发展带来了极大的制 约，以至形成很大的生态经济灾害“。众所周知，我国是一个以山 区为主的国家，在我国现有的2 2 0 0 个县( 包括县级市) 中，有8 0 的县是山区县“，并且大多都是贫困县。从国际经验来看，日本有 一句长期以来的名言：“惟有治山者能治国”。当前世界经济社会发 展的潮流和我国经济发展的实际情况，都指明了充分合理利用山区 土地资源对我国经济社会实现可持续发展的重要性。人们千万年来 都在利用山区，但是千万年来的实践却证明了人们对山区和山区土 地资源的实质至今还没有正确的认识，这是我国广大山区土地资源 不能充分合理利用，而且遭受严重破坏的根本原因。目前我国山区 经济落后，与平原，特别是沿海地区比较，存在很多的劣势，因此 普遍认为发展经济比较困难，以至感到信心不足。然而山区具有平 原和沿海地区所没有的资源优势，突出表现在它的土地资源相当的 丰富。它拥有土地本身和地下、地上以及相关空间的广义土地资源， 可以以此为依托生产出各种各样的农、工、矿业产品，这是山区经 济可以大发展的物质基础，是自己的独特优势”，也是平原地区和 沿海地区所不具备的基本条件和劣势，而且随着国民经济的迅速发 展，平原和沿海地区对山区土地资源的需求和依赖就越来越明显， 所以就如何进行山区县域土地利用类型和时空的转换，其中又主要 是对其土地利用结构优化进行研究显得尤为迫切，也就是说根据山 区县域由于不合理利用土地而存在的问题，在土地资源有限供给的 前提下，如何在时空上有效地把土地资源合理地分配到各种用途， 并与其它资源达到合理组合，以使这些资源生产出更多为社会所需 的产品和提供更多的服务，而同时又不会导致生态环境质量下降。 桂东县位于湖南省东南边陲的南岭山区，土地总面积1 4 5 2 1 ( i n 2 ， 地形复杂，大部分地区地势较高，地貌以中山为主，具有“八山一 ”南京地政研究所编中国土地问题研究合肥：中国科学技术大学出版社，19 9 8 7 2 7 7 。 。赵莹雪山区县城农业可持续发展综合评价研究一以五华县为例( j ) 地理科学20 0 3 23 ( 2 ) ：2 23 2 2 7 。 3 陈来卿土地利用优化配置研究一以珠海市为例： 硕士毕业论文】华南师范大学，2 0 0 2 。 2 水一分田”的自然条件。桂东县经济落后，目前仍属“国家扶持贫 困县”。近年来，随着人口不断增加，各种非农用地也不断增加， 城乡居民点、工矿、交通等建设用地大量占用耕地；再加上由于管 理不善以及盲目的农业结构调整、灾害损毁等，桂东耕地在不断减 少，人地矛盾相当地突出；另外尽管桂东森林覆盖率高达7 6 9 0 ， 但由于桂东山势陡峭，谷地纵横，地质条件不稳定，同时因花岗岩 广布，森林结构不尽合理，再加上对土地资源的不合理利用等等因 素，桂东县水土流失日益加剧，自然灾害时有发生，主要表现为山 体滑坡、崩塌、泥石流等，生态破坏比较严重，因此当前桂东如何 正确处理各种用地之间的争地矛盾，建立土地资源合理配置模式和 配置结构，合理开发利用土地资源，保护生态，确已成为迫切需要 解决的问题。针对这一情况，本文就以桂东县为研究区域，以2 0 0 0 年作为基期年，首先根据县域的土地利用结构现状，分析其土地资 源的基本特征以及存在的主要问题，接着根据1 9 9 卜2 0 0 0 年历年来 的数据，建立g m ( 1 1 ) 灰色预测模型预测其2 0 l o 年的人口、耕 地、粮食单产及总量，然后以此为基础建立灰色线性规划模型对土 地利用结构进行优化，最后用层次分析法进行方案选优，得出桂东 县土地利用结构的最优方案。总体来说，本文是采用定性与定量分 析相结合，对桂东县土地利用结构进行优化调整，力图使土地资源 得到合理配置，最大限度地发挥其土地利用的生态、经济和社会效 益，实现桂东县土地资源的可持续发展。选择桂东县的土地利用结 构进行优化研究，可为南岭山区土地利用与管理的科学规划提供依 据，并对具有类似自然条件的区域起到一定的示范和借鉴作用。 1 2 国内外研究进展 2 0 世纪上半叶，土地利用规划只是传统的建设性或蓝图规划， 土地利用结构优化研究没有得到重视。其研究的方法也大多是采用 定性的经验规划方法，它是根据专业人员和领导的实践经验与主观 愿望来确定发展方向和农林牧副渔用地的配置比例“。在英美等发 达国家，是将一定范围内的土地划分成不同使用分区，并以使用分 区图来界定分区的范围及区位。 随着社会生产力的发展，土地利用类型结构和布局趋向复杂 吴次芳，叶艳妹2 0 世纪国际土地利用规划的发展及其展望 j 】中国土地科学，20 0 d ，1 。 3 化。特别是自二十世纪5 0 年代以来，许多国家积极开展土地评价 及在其基础上制定土地利用规划，但所采用的均为包括土宜法和综 合平衡法等定性的方法。到了7 0 年代，土地评价为更好地满足土 地利用规划的要求，开始从一般目的的土地评价向有针对的专门性 的土地评价过渡，最值得提到的是联合国粮农组织在1 9 7 6 年发表 的土地评价纲要，这是一个针对特定土地利用方式对土地的适 宜性和适宜度作出评定的土地评价方案，先后被许多国家所采用。 随着工业化发展、大量人口集中到大城市，土地利用发生了显著的 变化，各国土地利用规划相应广泛开展。从其目标和任务来看，这 一时期的土地资源配置研究才真正进入实质性阶段。其中以美国、 英国、日本、澳大利亚和原苏联等国的土地资源配置研究工作最具 代表性”。进入8 0 年代以来，g i s 技术、遥感信息系统、计算机 等先后应用于土地利用优化配置的研究，主要研究领域为：城市化、 农业发展与土地利用优化配置的机理研究；农作物、林业、水产养 殖、交通运输等产业用地优化配置研究；土地使用政策及其对土地 利用优化配置的作用研究等等，如x i n g 等应用g i s 和多目标规划 来预测土地利用中引起的争地矛盾的原因，由此得出解决的策略 ”；s h a r i f i 等探讨了把土地利用动态规划系统用于作为农场土地 配置的决策支持系统，其采用模型是由具有决策模型的g i s 分析和 综合规划模型组成”，其中综合规划模型又包括作物生长模式、线 性规划模型和使规划设计转为可操作规划的空间配置决策模式； c h u v i e c o e 曾就土地利用中把线性规划与g i s 结合的理论与方法 进行了探讨“，对空间属性进行优化和变量组合，并在西班牙进行 土地规划实验；另外1 9 9 4 年荷兰瓦赫宁根大学在哥斯达黎加开展 的“持续土地利用开发”( u s t e d ) 研究项目，提出了一套将g i s 、土 地生产力定量模拟、专家知识与线性规划模型融于一体的定量化土 “1 关涛中国土地资源配置与可持续发展研究： 博士学位论文】东北农业大学20 0 2 。 2 1 s j v e n t a r a c o n f l i c tp r e d i c t i o na n dp r e v e n t i o ni nr u r a ll a n d u s ep i a n n i n g ：a g i sa p p f o a c h ，i n ：p r o g r e s si nr u r a lp o l i c ya n dp l a n n i n g ：1 9 9 2 ( 2 ) ， “m s h f i t e ta 1 ad e c i s i o ns u p p o r ts y s t e mf o rl a n du s ep l a n n i n ga tf l a n n i n g 8 tf a r mb n t e r p r is el e v e l ，a g r i c u l t u r a l s y s t e m ，l9 9 4 ( 3 ) e c h u r i e c e i n t e r g r a t i o n0 fl i n e a fp r o g r a 帅i n ga n dg i sf o rl a n du s em o d e l i n g ， i n t e r n a t i o n n a lj o u r n a lo fg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e ，19 9 3 ( 1 ) 我国土地资源的体系。因此，有必要认真研究我国土地资源在各产 业间、区域间的从宏观到微观的系统配置体系建设，从源头上系统 解决资源稀缺与利用浪费的双重现实矛盾。此前，在对南岭山区土 地利用结构优化过程中，大多数研究定性分析多，定量分析少，尤 其缺乏应用动态数学模型进行定量分析。因此，从桂东县山区土地 利用现状着手，运用灰色线性规划模型，定性与定量相结合，探寻 土地利用的最优结构，将对南岭山区的土地可持续利用及经济发展 有着极大的促进作用。 1 3 灰色线性规划在土地利用结构优化的应用 土地利用系统是一个非常复杂的系统，土地利用结构方案的制 定就是要根据国民经济和社会发展及环境保护的需要，实现土地资 源的优化配置。土地利用结构是指各种用地，如耕地、园地、林地、 牧草地、居民点及工矿用地、交通用地、水域和未利用地占本区总 面积的百分比，它的确定和优化是土地利用总体规划编制的核心任 务。所谓优化土地利用结构是指通过一定方法使未来土地利用取得 经济、社会、生态效益的最佳土地利用结构，现行土地利用总体规 划编制中以常规方法( 综合平衡法) 为主，系统化方法应用较少“。 但近年来，土地利用规划方法已开始由定性向定性与定量相结合， 由静态规划向动态规划，并逐步向规划的模型化和信息化方向发 展，各种线性和非线性规划及多目标规划的方法开始应用于土地利 用规划中。本文尝试用灰色线性规划的方法来优化土地利用结构。 规划手段中大量采用模型优化方法是现代土地利用规划学科 的趋势之一，其原因是规划工作者力求借助数学模型一这一严密的 逻辑方法，能最有效地保证土地利用结构优化思维的逻辑过程，从 而增强规划方案的科学性。土地利用结构优化运用模型优化方法来 进行系统分析与系统综合，与传统的方法相比，具有以下几点优点： ( 1 ) 能在定性分析的基础上，对土地利用结构进行进一步定量分 析；( 2 ) 能在多方案比较研究的基础上，采用一定的决策方法，选 择出最优的土地利用结构调整方案；( 3 ) 能在生态经济论证的基础 上，可预先估计土地利用结构调整方案实施的可行性及生态经济效 耿红，王泽民基于灰色线性规划的土地利用结构优化研究【j 】武汉测绘科技大学学 报，2 0 e 0 ，2 5 ( 2 ) ：1 6 7 一t7 0 7 果：( 4 ) 能综合吸收各个学科的单项研究成果，特别是国土规划、 城市规划、资源综合考察和农业区划的成果，能综合考虑各有关方 压的意见，能综合处理各种信息：( 5 ) 能采用计算机软件高速、大 容量地处理大量数据；( 6 ) 能对一定时空条件下某些技术因素变动 与土地利用结构变动的关系以及土地利用结构变动与土地的经济 效率和生态效率变动的关系进行模拟研究“。 线性规划作为一种现代化管理方法，多年来，被广泛地应用于 经济等各领域，并取得了较好的成效。但是，由于一般线性规划模 型是确定型的，所求得的最优解不能反映实际规划问题中各模型参 数随时间变化而发生变化时所造成的影响，特别是那些需要花费大 量人力、物力、财力和时间的大型规划问题，当系统的某些参数发 生变化时( 参数发生变化是必然的) ，往往因来不及或无法调整， 从而使得花了很大功夫编制的规戈u 很快失宙实用价值。在土地 利用总体规划中，线性规划仍不失为一种优化资源配置的有效方法 它是一种确定的静态模型，它要求目标函数中效益系数、约束条件 中的技术系数及其他限制量都固定下来。但是出于地利用系统的 多变性及系统因素之间的复杂性，所求出的解往往与实际不符，甚 至无解。而灰色线性规划刚好弥补了一般线性规划的不足，它是在 技术系数为可变的灰数、约束值为发展的情况下进行的，是一种动 态的线性规划”。它不仅可以知道既定条件下的最优结构，还可以 知道最优结构的发展变化情况。因为灰色线性规划中约束条件的约 束值可以是变动的，有的可以用时间序列描述，按g m ( 1 1 ) 模型进行 预测得到，这样的线性规划不仅反映一种特定的情况，而且反映约 束条件发展变化的情况。给定一组信息，就可得到一组优化方案。 灰色线性规划中的约束条件系数是灰区间数，既可按下限规划，又 可按上限规划，还可按区间内的任何一白化值迸行规划。在区间内， 只要得到一组白化值，便可得到一组优化方案，从而使规划灵活多 “严金明简论土地利用结构优化与模型设计 ，j ，中国土地科学，2 0 0 2 ，1 6 ( 4 ) ：20 2 5 。 m 杜文中论灰色线性规划l j 】桂航学术研究，1 9 9 6 ，( 1 、2 ) ：4 1 4 4 。 9 王万茂，但承龙海门市土地利用结构优化研究【j 】国土与自然资源研究，2 0 0 3 ，( 1 ) ： 4 4 4 6 。 。4 耿红，王泽民基于_ 灰色线性规划妁土地利用结构佬化研究 】j ，羲双捌绘秘技大学学 报，20 0 0 ，25 ( 2 ) ：1 6 7 一l7 0 - 8 变，有众多的调整余地，可以适应情况的发展变化“。因此，近年来， 灰色线性规划方法已逐步应用于土地利用结构优化中。 1 4 研究区域概况 本文选择湘东南山地县一桂东县作为研究领域，通过灰色线性 模型的建立，优化区域土地利用结构，实现土地资源的可持续利用。 桂东县位于湖南省东南边陲，郴州市东部，地处罗霄山脉南部、南 岭山地北翼，介于东经1 1 3 。3 7 7 1 1 4 。1 47 ，北纬2 5 。4 47 2 3 。1 37 之间，县境版图似龟状，东与江西省的遂川、上犹、崇义接 壤，北抵株洲县炎陵县，西与资兴市为邻，南与汝城县交界，东西 最大跨度6 1 2k m ，南北最大距离5 3 6k m ，土地总面积1 4 5 2 k m 2 。 1 4 1 自然地理概况 桂东县地处山区，周围为北部的罗霄山脉，南面的五岭山脉， 东面的诸广山脉等3 条山脉所包围，加之县境西部的八面山，形成 了境内层岳叠嶂，群山环抱，山高谷深，沟壑纵横的山地地形，大 部分地区地势较高，海拔7 5 0 一1 5 0 0 m 高度的面积占全县总面积的 7 9 6 0 ，地貌以中山为主，面积为1 3 4 4 8 1 k m 2 ，占总面积的9 2 6 5 ； 另外有一些散布于山岭之间 的零星小块溪谷平原主要分布于沤江、泉江、淇江及其支流两岸， 最大的平原面积不过4 5 0 k m 2 ，最小的仅为o 1 0 k m 2 。地形以黄洞鸡 笼寨及寒口坳为界，分东西两部分，东部鼯高东低，西部北高南低， 境内相对高差大，以东部齐云峰主峰为最高峰，海拔2 0 6 1 3 0 m ， 清泉镇园明庵为最低点，海拔2 9 1 m 。全县平均海拔为8 8 1 m ，县城 海拔8 2 4 m ，是全省海拔最高的县城。 桂东县属亚热带季风湿润气候区，冬无严寒，夏无酷暑，四季 分明，素有“天然空调”之称。年平均气温1 5 4 0 ，年平均降雨 量1 6 4 7 9 l i 】n l 。春季，东南季风进入，冷暖气团锋面在境内对峙徘 徊，光照不足，阴湿多雨，常为春雨绵绵的天气；夏季，受低纬度 海洋暖湿气团控制，出现高温气团，盛吹东南风，遇有台风侵袭， 常有暴雨；因境内海拔高，山地多，植被好，因而夏季无酷暑；秋 季，冷空气侵入，气候下降，冷暖气团交替频繁，雨水较少，时常 秋风瑟瑟，秋高气爽，受台风影响，也偶发暴雨；冬季，受北方干 1 1 耿红土地利用总体规划编制的技术方法探讨 j 城市勘探，2 0 0 0 ，( 3 ) ：33 3 4 。 9 药为主体的新的种植结构雏形初现。2 0 0 0 年，全县农业总产值实 现1 3 9 0 0 万元，比1 9 9 9 年增长7 ；粮食总产量5 8 6 万吨，比1 9 9 9 年增长1 6 2 7 ；全县高效农作物面积扩大，发展烤烟o 3 7 万亩， 产烟8 0 0 0 担；种植蔬菜5 5 万亩，产值3 9 0 5 万元，新种草木药材 0 4 1 万亩，完成“三木”药材抚育5 万亩；全年出栏生猪1 4 7 万 头、牛1 1 3 万头、羊1 。1 6 万只，出笼家禽5 l 万羽，水产品产量 6 5 1 吨；乡镇企业完成总产值6 2 0 0 0 万元。全县贫困人口由1 9 9 6 年的8 6 7 万人减少到2 0 0 0 年底的3 6 万人；农民人均收入由1 9 9 6 年8 3 4 元增加到2 0 0 0 年的1 1 8 0 元，增长4 0 0 5 。 工业化的进程整体发展缓慢。工业生产以电力、煤炭、冶金、 食品、建筑材料和其它加工工业为主，但自从改革开放以来，农产 品加工业得到了一定的发展，楠竹产业化初具规模，竹胶板厂和罐 头厂加工型龙头企业不断壮大。尤其近几年来以小水电为主的股份 制确定，使小水电资源得到开发利用，2 0 0 0 年桂东县农村的小水 电已经达到了4 6 个，装机容量为4 3 7 5 万k w ，这为桂东今后工农 业生产奠定坚实的基础。 据统计，桂东县2 0 0 0 年国民经济和社会发展主要指标在郴州 市和湖南省均明显偏低( 表卜1 ) ，2 0 0 0 年国内生产总值4 3 9 2 0 万 元，仅占全省的0 1 2 ，人均值为2 5 5 8 元人；2 0 0 0 年全县财政 收入3 0 1 5 万元，占郴州市财政收入的1 9 2 ，占全省财政收入总 额的o 1 4 。目前，桂东的产业结构整体素质也处于较低水平， 据统计，第一产业产值在g d p 中的比重高达3 4 9 ，远远高出全 省平均水平；第二产业产值在g d p 中的比重仅2 4 2 2 ，大大低于 全省平均水平；值得注意的是并不发达的第三产业在全县g d p 中占 比重却高达4 0 1 7 “。 表卜l 桂东县、郴州市、湖南省国民经济和社会发展主要指标比较( 2 0 0 0 年) 项目人口g d p人均g d p 农村居民人平均在岗职工年平 地区 ( 万人)( 万元)( 元人)收入( 元人)均工资( 元人) 桂东县 1 6 9 34 3 9 2 02 5 9 41 1 8 07 5 0 7 郴州市4 5 5 4 62 5 7 1 1 2 15 6 6 12 5 3 1 0 39 4 4 6 湖南省 6 5 9 5 8 53 9 8 3 0 0 0 06 0 3 92 2 9 9 4 6 7 6 9 8 + 资料来源：湖南省统计年鉴( 2 0 0 1 ) * 李晓膏桂东县国家级生态示范区建设总体规划： 第二章】，2 0 0 3 l l 2 土地利用结构优化研究综述 2 1 土地利用结构优化的内涵 土地利用结构优化是在一定区域内，为了达到土地利用系统 定的生态、经济和社会效益最优目标，依据土地资源的自身特性和 土地适宜性评价，对区域内土地资源的各种利用类型进行更加合理 的数量安排和空间布局，以提高土地利用的效率和效益，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“。土地利用结 构优化包括五要素：空间、时间、用途、数量和效益等。其中空间 要素表明土地利用结构优化具有地域性，时间要素表明其具有动态 性，用途要素表明其具有目的性，数量要素表明其具有定量性，效 益要素则表明其具有系统整体最优性。 探讨土地利用结构在空间和时间上的合理配置，这是一项相当 复杂的社会经济系统工程，是区域系统中土地利用总体规划编制的 必然要求。在社会主义市场经济条件下，土地利用总体规划的核心 内容就是如何按客观规律的要求来建立合理的土地利用结构。这其 中千头万绪，错综复杂，包含有社会的、生态的、技术的和经济等 各个方面的问题。要综合处理这些问题，我们必须求助于系统优化 的方法，才能使各种因素组成一个达到最优水平的完整体系，使各 部门各单位的用地数量和比例结合成统一协调的结构。在规划过程 中，系统优化方法其实就是以数学模型为主要手段的定量分析过 程。前段时期，在各地开展的1 9 9 7 年一2 0 1 0 年土地利用总体规划 工作中，土地利用结构优化基本上是采用传统的定性或部分定量的 方法。当然，如果我们采用传统的定性方法，只要从生产的生态一 技术一经济一社会的最大综合效益出发，全面考虑其中的各种因 素，也可以拟定出较合理可行的结构调整方案，但终究只是可行方 案，与用系统优化方法求出的最优方案相比，其可靠性和精确度会 差很多。不过同时也有很多的实践证明，在研究中，仅仅只有模型 也不够，它必须以定性的理论作依据，否则得出的结果也会脱离实 李超，张凤荣，宋乃平，孔祥斌等土地利用结构优化的若干问题研究 耶地理与地 理信患科学，20 0 3 ，19 ( 2 ) ：5 2 5 6 。 际，因此，把定量模型与定性分析辨证地结合是当前土地利用结构 优化的唯一最佳途径。 2 ，2 土地利用结构优化的原则 ( 1 ) 向充分合理利用土地的方向调整。土地利用结构优化调整 要在土地总面积不变的前提下，合理调整各类用地数量与结构，使 用地与需求和适宜性相适应，发挥土地资源潜力，改善土地生态系 统。 ( 2 ) 保持耕地总面积相对稳定。随着经济与人口的增长，土地 需求矛盾将愈益突出，从保持社会稳定、经济持续发展的高度，必 须保持耕地面积的相对稳定。 ( 3 ) 城乡建设要节约用地、少占耕地。对于必要的建设用地应 予以保证，但各项建设都要节约用地，不占或少占耕地，加强规划， 严格控制城市与乡村发展的用地规模。 ( 4 ) 注意综合平衡。在保持土地供需平衡的前提下，协调各产 业间的用地矛盾，安排好国民经济各部门的用地比例和相互衔接的 关系、快速、健康的发展国民经济按产业政策安排用地的次序的 原则“。 2 3 土地利用结构优化的目标 土地利用结构优化目标最终是通过土地利用的经济效益、社会 效益和生态效益三个方面来体现，“优化”是一种过程和手段，其 目的在于把一定的土地利用方式与土地适宜性、社会经济性进行适 合比配，形成合理的土地利用结构，以最大限度地提高土地利用的 综合效益。它既是相对于不合理的土地利用问题而存在的人类期望 和目标，也是科学决策操作与及时的反馈调节相结合的双向行为过 程。由于土地资源经济供给具有稀缺性，所以土地利用结构优化的 目标，是在时空上把有限的土地资源分配于不同的用途，并在微观 层次与其他经济资源( 人力、资金、技术) 达到合理组合，以使这 些资源生产出更多的为社会所需要的产品和提供更多的服务，又不 导致生态环境质量下降”。换言之，只有作到人尽其才，物尽其用， ( 1 ) 苏勤，曹有挥2 0 0 0 年安徽省土地利用结构优化研究 j 】资源开发与市场，19 9 7 ，1 3 ( 1 ) ：1 6 19 。 2 ，陈来卿土地利用优化配置研究一一以珠海市为例：【硕士毕业论文】华南师范大学 2 0 0 2 1 3 地尽其利，才能被认为做到了资源的合理配置。 根据上面的分析，在有限的投入条件约束下，要取得尽可能大 的效益，实现土地系统结构优化的目标，模型设计应该追求以下的 目标。 2 3 1 经济效益目标 不管优化模型中对效益目标函数的表述是如何地复杂，使有限 的土地尽可能生产较多的产品和提供较多的服务永远是土地利用 结构优化追求的主要目标。所谓经济效益的概念，就是讲在生产过 程的效益，是指在有限的投入条件下，尽可能多生产出符合人民需 要的产品及各种服务。目前，我们可以接受的经济效益综合性指标 仍然是能够反映一个国家或地区在一年内创造的最终产品和服务 价值的指标国民生产总( g n p ) 、国内生产总值( g d p ) 和净产 值。因此，从经济效益出发，我们要求国民生产总值或国内生产总 值或净产值尽可能大的增长“。 2 3 2 社会效益目标 优化配置土地资源，不仅只考虑追求经济效益，还必须考虑土 地产出的产品和服务与社会需求如何最好的适应问题；不仅要求最 有效地进行生产，同时也要求社会最有效地分配生产和服务，实现 最有效的消费。生产中的社会效益或经济效益是否能最终实现主要 看是否能解决分配和消费过程中的效益问题。另外土地利用结构优 化问题考虑社会效益的标准，除了上述因素以外，还有社会文化、 社会保障和社会稳定等方面的效益。之所以这样的原因如下：首先， 在对土地进行优化配置过程中，我们必须考虑这些项目各个方面的 社会效果，如果在经济效益相等的情况下，更应优先考虑社会效益 大的项目；如果在经济效益不等的情况下，就应以社会效益的显著 程度给予权衡。另外，在有些没有直接经济效益的纯社会性的资源 配置项目中，如建设学校、文化场所、社会保障事业及其他的公共 事业，我们就必须按照社会效益的原则，在项目设立时，在土地的 其他投向可能的范围内进行权衡，这种权衡在土地规划时必须在时 空上真正体现。 ( 一严金明简论土地利用结构优化与模型设计 j 】中国土地科学，2 0 0 2 ，16 ( 4 ) ：2 0 一2 5 。 2 3 3 生态效益目标 对生态环境的改善也是属于土地利用结构优化的合理性内容 之一。对土地具有高效益的最大产出和公平的分配并不能保证对生 态环境的充分保护，因而它们并不是土地资源合理配置的充分条 件。只有在土地资源利用中注重经济、社会效益和生态效益的总和， 才是土地资源合理配置的一组完整的准则“。 生态环境资源是属于全人类的。任何在地球上的人类工程，任 何一种土地利用方式都在无时无刻与人类的生态环境相联系。一个 建设项目对生态环境的破坏，实际上是生态作为一种资源向项目的 投入。许多污染性大的用地项目，在不计其他生态投入的成本时， 可能计算出较高的土地利用效果，但考虑生态投入以后，就会要大 打折扣了。生态环境作为人类共有的资源，很难像其他的经济资源 一样可以用货币的价值尺度来衡量这种资源的投入或损失。在生态 环境的定量化并建立生态环境资源与经济资源共同的度量标准方 面，目前存在着许多尚未克服的困难。这种困难也影响了土地利用 结构优化对生态环境效益指标所作的准确的评价。 2 4 土地利用结构优化的模型设计 土地利用结构优化模型设计是一项系统工程，必须运用系统 工程的理论和方法，周对借助计算机来完成，尽管模型设计比较复 杂，但其程序可以筒明地归纳成个流程图“( 图2 1 ) 。 2 4 1 土地系统的界定 要进行土地利用结构的优化，首先我们必须明确是哪个区 域系统的土地利用结构。为此就要确定系统的边界及控制的等 级。土地系统大小不一，大到整个地球，小到一块农田。土地系 统既可以是一个经济区域范围，也可以是一个行政区域的范围。究 竟怎样界定系统，就要看要解决的是什么问题，提出的是什么目标， 在分析对比、全面考察的基础上来选择系统。比如目前编制的全国、 省、市、县、乡五级土地利用总体规划就是以行政区域为范畴。 2 ，4 2 土醺利用分析 对土地利用现状与空间分布进行分析前，我们首先要对该区域 严金硬简论土地利用结椅侥化与模型设计f j j ，中国土琏科学，2 0 0 2 ，t 6 ( 47 ：2 0 一2 s 2 3 3 生态效益目标 对生态环境的改善也是属于土地利用结构优化的合理性内容 之一。对土地具有高效益的最大产出和公平的分配并不能保证对生 态环境的充分保护，因而它们并不是土地资源合理配置的充分条 件。只有在土地资源利用中注重经济、社会效益和生态效益的总和， 才是土地资源合理配置的一组完整的准则“。 生态环境资源是属于全人类的。任何在地球上的人类工程，任 何一种土地利用方式都在无时无刻与人类的生态环境相联系。一个 建设项目对生态环境的破坏，实际上是生态作为一种资源向项目的 投入。许多污染性大的用地项目，在不计其他生态投入的成本时， 可能计算出较高的土地利用效果，但考虑生态投入以后，就会要大 打折扣了。生态环境作为人类共有的资源，很难像其他的经济资源 一样可以用货币的价值尺度来衡量这种资源的投入或损失。在生态 环境的定量化并建立生态环境资源与经济资源共同的度量标准方 面，目前存在着许多尚未克服的困难。这种困难也影响了土地利用 结构优化对生态环境效益指标所作的准确的评价。 2 4 土地利用结构优化的模型设计 土地利用结构优化模型设计是一项系统工程，必须运用系统 工程的理论和方法，周对借助计算机来完成，尽管模型设计比较复 杂，但其程序可以筒明地归纳成个流程图“( 图2 1 ) 。 2 4 1 土地系统的界定 要进行土地利用结构的优化，首先我们必须明确是哪个区 域系统的土地利用结构 x 图2 一l 土地利用结构优化模型设计流程图 1 6 进行资料与数据的调查与收集，包括调查与收集有关土地资源的自 然构成要素，如气候、地形、土壤、水文地质等方面的图件与数据 资料；土地资源的社会经济属性方面的要素，如土地利用现状、土 地权属、国民生产总值和各业产值、交通运输、城镇与人口、工、 矿、商业和社会经济发展目标等“。在此基础上，然后找出土地利 用的优势和存在的问题，指出未来土地利用方向和途径。同时，对 土地利用的适宜性和潜力进行分析，在对后备土地资源的开发规模 和增产潜力研究基础上，进行各部门用地远景需求预测，具体内容 包括用地项目、占地规模、项目布局和预测依据。 2 4 3 结构优化的数学模型设计 把影响土地利用系统有关因素用一定的参量表示出来，区分可 控量( 数值有待确定) 和不可控量( 数值己定) 。把可控量当作未 知变量，按问题给定的相互关系列出数学方程式或不等式或其他数 学表达式，这就是土地利用系统的规划模型。 土地利用规划系统的数学模型有很多种类，但有其共同点即由 目标函数和约束条件两部分组成，规划意味着寻求在给定的约束条 件下达到最佳目标的途径。用待定变量函数表示土地利用规划系统 的功能目标( 即效益目标) 称为目标函数。设x 。，x 。，x 。为待定变 量( 系统的土地利用类型) ，目标函数可表示为： g = g ( x i ，x 2 ，x 。) 目标函数反映系统的功能目标与结构、特性之间相互依存和制 约的关系。目标函数的极大值或极小值代表系统功能的最优值。 结构优化存在的人力、物力、财力、时间和生态、经济、社会、 技术以及土地现状、潜力、需求等多方面不可避免的限制，数量上 表现为对待定变量作如下形式的约束条件： f l ( x ，x 。，x 。) ( = ，) b 。 f 2 ( x 】，x2 ，x 。) ( = ，) b 2 f n ( x 。，x 2 ，x 。) ( = ，) b x ，是指构成系统土地利用结构的类型，应取非负值，称为非负 ( ”李超，张风荣，宋乃平，孔祥斌等土地利用结构优化的若干问题研究 j 地理与地 理信息科学，2 0 0 3 ，1 9 ( 2 ) ：5 2 5 5 。 o 严金明简论土地利用结构优化与模型设计【j 】中国土地科学，2 0 0 2 ，1 6 ( 4 ) ：20 25 。 1 7 性条件： x i o ，i = 1 ，2 ，n 三式一起构成土地利用规划系统的结构优化模型。其中，非负 性条件也作为约束条件的一部分。 若用向量 x = ( x 【，x 2 ，x 。) b = ( b 。，b 。j b 。) 。 分别表示待定变量和约束条件，则土地利用规划 系统的数学模型为 目标函数m a x ( m i n ) g ( x )( 2 1 ) 约束条件f ( x ) ( = ，) b( 2 2 ) 非负条件 x o ( 2 3 ) 由此可见，规划系统的地利用结构优化是关于在一定的约束 条件下求目标函数最大值或最小值的理论和方法。凡是能够用目标 函数和约束条件表达的系统问题，都是规划的优化问题，都可以用 上述形式的数学模型来描述。具体的规划问题，由于内容不同，系 统要索之间的联系方式的不同，目标函数与约束条件有不同的性质 和形式，因此可以运用不同的规划方法来解决，如线性规划、灰色 线性规划、模糊线性规划、非线性规划、动态规划、参数规划和目 标规划等o 。 根据实际情况，建立了模型后，要编制计算机程序或运用相应 软件进行调试计算。在计算后，要对结果进行灵敏度分析或最优化 分析，以判断是否适用，是否需要进行修改或重新计算。 3 桂东县土地利用现状分析 3 1 桂东县土地利用结构及基本特征 3 1 1 土地利用结构现状 ” 桂东县土地资源类型众多，山地、丘陵、岗地、平原俱全，其 中以山地占绝对优势，山地面积达1 3 4 4 8 lk m 2 ，占土地总面积的 “冯广京、严金明土地利用总体规划修编战略思路 j 1 中国土地科学，2 0 0 2 ，1 6 ( 2 ) 4 7 1 8 ( 表3 1 ) 。丘陵、岗地和平原三种土地类型占土地总面积的比重 仅7 3 5 ，其中平原面积3 4 6 0 k m 2 ，仅占土地总面积的2 3 8 。 表3 1 桂东县土地类型面积及其比重 l土地类型山地丘陵岗地平原 l 面积( k m 2 ) 1 3 4 4 8 15 7 0 4l5 1 13 4 ，6 i 占总面积比重( )9 2 6 53 9 31 0 42 3 8 表3 2 桂东县土地利用现状结构( 2 0 0 0 年) 农用地 类型 小计耕地园地林地牧草地水面 面积( h 珈2 )1 2 5 1 9 9 61 1 5 6 4 73 6 5 81 1 1 5 0 1 96 2 6 61 1 4 0 6 占总面积比 8 6 1 67 9 60 2 57 6 7 30 4 3 o 7 8 重( ) 建设用地未利用地 类型 城镇村及交通水利设合计 小计小计荒草地其他 工矿用地用地施用地 面积( h m 2 )3 3 4 0 4 2 5 0 8 87 7 9 05 2 61 6 7 7 1 4 8 9 5 2 5 7 8 1 8 91 4 5 3 1 1 4 占总面积比 2 ，3 31 7 30 5 40 0 41 l - 5 46 1 65 3 81 0 0 重( ) 资料来源：桂东县国土资源局 全县已利用的土地中，以农用地为主，其中林地面积达1 1 1 5 万 1 i 2 ，占土地总面积的7 6 7 3 ，在农用地中的比重更是高达 8 9 ，0 6 ( 表3 2 ) ，位居各类用地之首。耕地在土地总面积的比重 达7 9 6 ，居第二位，其他类型的农用地所占比重很小。建设用地 占土地总面积比重小，仅为2 3 3 ，其中三分之二是城镇村及工矿 用地，交通用地在建设用地中占了一定的比例。未利用地面积为 l ，6 7 万h m 2 ，在土地总面积中的比重达1 1 5 4 。全县在以山地为主 的土地资源结构基础上，形成了以林业用地为主的“八山一水一分 田”的土地利用基本格局。 3 ，1 2 地利用的基本特征 3 1 。2 1山区地貌特征明显，土地利用差异大 全县地貌类型以中山为主，占土地总面积的8 7 6 8 ，兼有少 量中低山、丘陵、岗地和溪谷冲积平原。境内地形复杂，地势多变， 土地资源分别自海拔2 9 7 m 到2 0 6 l m ( 分布见表3 3 ) ，相对高差达 表3 3 土地资源按海拔分布统计 海拔高度 ( m ) ( 5 0 05 0 0 7 0 07 5 0 1 0 0 01 0 0 0 一1 2 5 0 1 2 5 0 一1 5 0 01 5 0 0 1 7 5 0) 1 7 5 0 合计 土地资源 ( h m 2 ) 3 0 5 1 51 6 8 5 6 14 5 4 8 2 54 0 9 7 7 82 9 2 0 7 68 3 6 4 0 s 7 l 91 4 5 3 1 1 4 ( )2 11 1 63 1 32 8 22 0 1 6 1o 6 1 0 0 耕地( h m 2 )5 5 8 12 8 4 8 75 7 0 9 o1 9 8 8 34 1 8 69 2 9 1 1 61 1 6 2 7 2 ( )4 82 4 54 9 11 7 13 60 8 o 11 0 0 1 7 6 4 o m 。由于气温、无霜期随海拔升高而递减、缩短，而降雨则 随海拔海拔升高而增加，所以不同高度的温、光、水、热资源分配 和组合各不相同，呈现典型的山区气候特征，不仅多雨、高湿，云 雾天多，日照短，温差大，而且垂直地域差异明显，土地资源布局 和土地利用也就存在明显的立体差异性。土地资源主要分布于 7 5 0 m 至1 5 0 0 m 之间，其中7 5 0 m 以下的土地资源是桂东县的精华， 耕地是双季稻适宜区。7 5 0 m 至1 0 0 0 m 的土地数量最多，耕地比重 最大，满足粮食生产的热量不足，耕地属一季有余，二季不足类型。 l 0 0 0 m 以上的耕地，水、热、光资源明显失调，种植粮食作物，产 量难保，海拔1 0 0 0 m 至1 5 0 0 m 是林地主要分布区，林地面积大，森 林覆盖高。1 5 0 0 m 以上多灌丛和未利用荒草地，是今后土地开发的 主要区域。 3 1 2 2 坡度陡，梯田多，丘块小，土地利用难度大 县境内群山起伏、地势多变、岭谷相间、地表切割深，地面坡度陡， 土地利用难度大。土地资源面积分布在坡度1 6 。一2 5 。的占 6 4 7 ，大于2 5 。的占2 1 4 ，小于1 5 。的占1 3 9 ；其中耕地分 布在坡度1 6 。2 5 。的8 0 9 ，大于2 5 。仅占1 7 ，小于1 5 。的 只占1 7 3 ( 见表3 4 ) 。由于地面坡度影响，也就形成了全县以梯 田、梯土为主，沿山脊或山沟走向，从山脚到山腰，有的连续到山 顶，一般为3 0 5 0 梯级一片，每亩最多3 0 余丘，群众习惯称之为 2 0 “斗笠丘、蓑衣丘”。这种