基于结构优化灰色线性规划模型的土地生态功能价值研究

基于结构优化灰色线性规划模型的土地生态功能价值研究

生态系统服务是指生态系统和生态过程形成、维持的自然环境条件和人类生存的效率。最早生态系统服务功能的概念产生于Holder和Ehrlich(1974)、Westman(1977)等人进行的全球环境服务功能与自然服务功能的研究,目前国外有关生态系统服务及其价值评估的研究从生态学、经济学角度探讨生态系统服务及其价值,并逐渐形成生态系统服务经济价值评估的技术方法体系以及相关应用案例研究。中国生态系统服务研究始于20世纪90年代以后,Costanza等(1997)有关全球生态系统服务经济价值的研究引起了中国学者的注意,相关领域的专家和学者对不同空间层次与尺度的生态系统服务价值评估理论与方法进行积极探讨,对中国土地生态系统恢复与建设产生了重大影响。众多生态经济学家相信,生态系统服务研究能够更好地解决自然资源在不同利用目的之间的分配,为采用经济手段调控人类对自然生态系统的开发和利用,以及有效地保护现有自然生态系统提供决策依据。土地是人类生存和发展不可替代的自然资源,它既是地球生命支持系统的重要组成部分,又是生态环境与经济社会系统的载体。研究土地资源在不同利用目的之间的合理分配,实现土地利用结构优化,对提高土地生态系统服务功能价值,实现土地资源的可持续利用具有至关重要的作用。土地利用结构优化是在一定投入与约束条件下,通过对各种土地资源类型进行数量组合和空间布局,选取最优的土地利用方式,以提高土地利用效率和效益,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。传统的土地利用结构优化的技术方法,如基于土地管理学角度的综合平衡法和土宜法等属于的定性分析方法,对土地利用结构的优化过程主要依靠决策者的认知程度或专家的知识水平来判断应采取的具体措施。定性分析方法可避免繁琐的计算,具有省时、快捷的优点,但其可靠性和精确度都较低,缺少定量方法的逻辑性和说服力。随着土地利用规划在社会经济与生态建设中的指导作用不断强化,国内学者广泛使用遥感、计算机和应用数学等技术方法作为辅助手段,并对于系统理论和应用数学方法在土地利用规划中的应用研究也不断深入,灰色预测理论和线性规划模型已成为土地利用规划制定过程中预测相关参数、优化用地结构的常用技术方法。生态系统服务理论引入中国以后,也很快应用到了土地利用规划的环境评价之中,已经成为从生态学角度衡量中国土地利用规划科学性的重要工具。本文针对目前土地利用结构优化中的关键技术问题,通过重庆市万州区土地利用结构优化灰色线性规划模型构建与应用分析,研究陆地生态系统服务功能价值在土地利用结构优化中应用。1土地生态系统重庆市万州区位于三峡库区腹心地带,地理坐标为东经107°52′22″~108°53′25″,北纬30°24′25″~31°14′58″,属亚热带湿润季风气候区。2005年末万州区总人口170.7万;耕地总面积92676.96hm2,占土地总面积的26.93%;林地占土地总面积的29.27%,万州区土地生态系统在区域景观上呈山地-盆地-河流生态结构,同时受区域地质构造、地层岩性和水文气候等因素影响,万州区境内滑坡、危岩和泥石流等地质灾害发育,生态系统先天性脆弱;万州区年平均土壤侵蚀量达549.74×104t,侵蚀模数2991.82t/km2·a;严重的水土流失成为万州区土地生态系统建设的瓶颈因素,使土地生态系统开发利用的经济社会与生态环境效益同步衰减。2数据来源和技术方法2.1土地利用结构优化的原则万州区土地利用结构优化灰色线性规划模型,是基于经济社会与生态环境数据的收集、整理与分析,并整合各相关部门规划目标,形成目标函数与约束条件,实现经济社会发展和生态环境建设的协调,保障土地利用结构优化的科学合理性。数据来源主要包括:重庆市万州区地质灾害防治规划(2004~2015年)、重庆市万州区年土地开发整理规划(2003~2020年)、重庆市万州区万州旅游发展总体规划(2001~2020年)、重庆市万州区水土保持规划(2006~2025年)、万州区国土资源“十一五”规划、重庆市食物与营养状况及发展趋势的研究报告、万州林业发展“十一五”和中长期规划以及重庆市万州城市总体规划(2003~2020年)等。2.2结构优化模型土地利用结构优化模型需要通过系统仿真解决两类问题:一类是在一定生产条件下,如何合理统筹区域各产业、部门间的土地资源配置,满足社会经济过程中对土地资源的需求,实现土地资源利用的社会经济效益;另一类是一定生态环境容量下,如何协调社会经济发展与生态环境建设间的约束与支撑,实现土地资源利用的生态效益。因此土地利用结构优化模型至少包括优化目标、决策变量和约束条件等组成部分。其中决策变量的组合构成优化目标函数,约束向量空间形成决策变量边界。在函数形式与边界条件一定的情况下,决策变量的技术经济参数(一般表示为单位土地面积上的价值)大小决定了决策变量的优化结果,技术经济参数不同,区域土地利用的数量结构与效益不同,因此土地利用结构优化中的技术关键取决于技术经济参数和约束向量。2.3相关指标的确定土地利用结构优化是通过各种土地类型的合理组合,在一定的投入约束条件下取得经济效益、社会效益和生态效益的最大化。目前对目标函数、效益系数及约束条件中相关技术系数的确定普遍采用基于经济数据统计基础上进行计算确定,虽然能够客观反映土地利用经济功能,但忽视了土地生态系统服务功能价值,导致经济效益的增长实际是建立在生态系统服务功能价值降低的基础上。将生态系统服务价值研究成果作为技术经济参数或者约束向量引入土地利用结构优化模型中,可以为土地利用规划中的生态效益实现提供新的技术思路。2.4优化模型的构建本文应用灰色线性规划技术方法,对万州区土地生态系统的开发和利用进行数量结构优化,实现土地生态经济价值最大化。2.4.1最优结构的发展变化情况与传统的线性规划相比,灰色线性规划由于技术系数、约束值均可以是可变的灰数,是一种动态的线性规划,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。灰色线性规划模型如下:目标函数为:max(min)(f(x,⊗1));约束条件为:gj(x,⊗(j)2)≤(≥)0,j=1,2,…,p;hk(x,⊗(k)3)=0,k=1,2,…,q;x≥0式中:f(x,⊗1)为灰色目标函数;gj(x,⊗(j)2)、hk(x,⊗(k)3)为灰色约束条件;⊗i为灰数,本文通过GM(1,1)和Markov模型使灰数“白化”。2.4.2决策变量根据万州土地开发利用现状及土地生态系统约束与支撑分析,确定优化模型的决策变量如表1。2.4.3生态经济技术参数各决策变量的生态经济价值系数(见表2)根据如下过程确定:X1~X7:根据中国陆地生态系统服务价值研究成果以及重庆万州区社会经济产出能力,对各类土地生态系统的服务功能价值作如下技术处理:(1)将生态系统服务功能价值中的社会经济价值部分(包括食物供应、原材料和娱乐文化),以万州2000~2005年实际产出水平代替,得到理论生态经济技术参数;(2)考虑万州土地生态系统各类服务功能的实际能力,根据万州区2003年土地开发整理潜力调查结果,以及万州区生态市建设规划,对中国陆地生态系统服务功能价值进行修正,取得修正生态经济技术参数;X8:万州受保护区域一般为林地,不再计算其生态经济服务价值,但需考虑其带动旅游业的发展而产生的社会经济效益,将其作为受保护区域的生态经济系数。根据《重庆市万州区万州旅游发展总体规划(2001~2020年)》,确定受保护区域的生态经济系数为9585yuan/hm2;X9:根据《重庆市万州区地质灾害防治规划(2004~2015年)》,应用影子工程价格确定其生态经济系数为767yuan/hm2,并作为负值计算;X10:根据《重庆市万州区水土保持规划(2006~2025年)》,应用市场价格法计算其生态经济系数为4998yuan/hm2,并作为负值计入。2.4.4社区县3.4.7.3.4.7根据确定的决策变量与生态经济系数,建立优化模型的线性目标函数如下:f(x)=[30841.4,31941.4]X1+[12752.7,19798.7](X21+X22)+[5584.6,8143.6]X3+55179.6X4+[42719.0,47850.0)](X51+X52+X53)+134069.0(X61+X62)+362.6X7+9585.0X8-767.0X9-4998.0X102.4.5建设用地约束的主要内容约束条件包括:资源约束(土地面积、土地产出,社会劳动力资源)、生态环境约束(退耕还林、自然保护区建设、水土流失与地质灾害防治)、社会约束(人口数量、建设用地需求总量、生态修复资金投入)。(1)草地及水域约束资源总面积约束:X1+X21+X22+X3+X4+X51+X52+X53+X61+X62+X7=31.03林地约束:根据中国环境保护部颁发的《生态县、生态市、生态省建设指标(修订稿)》,万州林地面积应为总面积的40%,因此,林地约束方程为:10.07≤X21≤13.83。草地约束:万州草地类型以山地草地为主,且退化严重。考虑草地在万州陆地生态系统中的作用,尤其是在水土流失防治中的生态效用,确定草地面积不小于现状值。其约束方程为:X3≥2.06。水域约束:考虑水域生态系统服务功能价值较大,对于位于三峡库区的万州生态建设具有独特的生态意义,确定水域面积不小于现状值,其约束方程为:X51+X52+X53≥1.92。未利用地约束:根据万州未利用地适宜性调查,万州区后备土地资源可开发利用面积为2.65×104hm2,据此确定未利用地约束方程为:3.87-2.65≤X4+X53+X7≤3.87。(2)常住人口相关粮食需求分析耕地保有量的确定是首先根据中国土地利用总体规划中的规划年期界定,应用灰色马尔柯夫预测万州2006~2020年人口规模(见表3),然后根据《重庆市食物与营养状况及发展趋势的研究报告》和《重庆市食物与营养发展纲要(2001~2010年)》,计算万州常住人口一定生活水平条件下的口粮需求量,再根据万州粮食投入条件预测粮食单产水平,并采用Logistic曲线确定复种指数,最后取得耕地保有量预测结果。计算结果表明,2006~2020年万州耕地基本保有量为9.13×104hm2。因此,万州耕地保有量约束方程为:X1≥9.13。(3)计算建设用地需求规模分别采用控制标准理论预测、经济发展相关需求预测以及部门需求预测等方法,计算2006~2020年万州区建设用地需求规模;并根据灰色马尔柯夫预测结果确定万州建设地需求灰色区间白化值(见表3),得到建设用地需求约束方程:X52+X61+X62≤[4.87,4.95]。(4)劳动力人口分布应用灰色马尔柯夫方法预测2006~2020年万州区城市化水平确定农村人口规模(见表3);根据人口发展一般规律,万州2006~2020年处于人口红利阶段,劳动力人口可按农村总人口的65%计算;每人每年按260个工作日计算,耕地每公顷需劳动工日450,园地为300,林地为60,草地为195,养殖水面为225,据此确定农村劳动力投入约束方程:450X1+60X21+300X22+195X3+225X51≤18961.8。(5)还林约束方程根据《万州林业发展“十一五”和中长期规划》确定退耕还林约束方程为:X21-10.07≥3.51。根据《生态县、生态市、生态省建设指标(修订稿)》,确定受保护区域面积约束方程为:5.30≤X8≤5.85。(6)土地工程建设资金根据《重庆市万州区水土保持规划(2006~2025年)》、《重庆市万州区地质灾害防治规划(2004~2015年)》,确定万州区土地生态建设资金约束方程为:767X9+4998X10≤80534.35。(7)不负保险Xi≥0。3结果与分析3.1结构灰色线性规划模型评价结果利用MATLAB软件对万州区土地利用结构灰色线性规划模型编程计算,并根据土地生态经济价值最大化原则,取得万州区土地生态系统的优化结果(见表4)。3.2更高生态经济功能的土地产2005年万州区大于15°和25°的坡耕地面积比重分别为65.12%和34.64%,高强度的坡耕地开发利用是导致水土流失严重的主要人为诱因。在国家退耕还林宏观调控政策制约下,万州耕地面积略有减少,规划期内由9.3万hm2减少至9.1万hm2;根据《万州统计年鉴(2006)》,万州区耕地复种指数为2.1,已接近开发利用上限,粮食安全保障压力较大。在生态建设影响下,万州区林地面积规划期内有较大幅度增加,由10.1万hm2增长至13.6万hm2;林地的增加一方面增强了土地生态系统的稳定性,另一方面压缩了粮食安全与建设用地需求的土地供给弹性空间,对耕地、建设用地等土地开发利用的集约度提出了更高要求。建设用地虽不具有生态系统服务功能价值,但有着较强的经济产出能力,在社会经济快速发展阶段,建设用地的需求是刚性的,因此面积也有所增加,由3.4万hm2增长至3.8万hm2;将优化结果与建设用地的需求预测结果(4.87万hm2)相比较,预测结果高于优化结果,说明万州区应加强存量建设用地开发利用,提高建设用地集约性以满足增加建设用地需求。草地生态功能价值与经济产出能力都很小,在理论上应通过深度开发转变为具有更高生态经济功能价值的土地生态系统类型,但考虑到万州区草地类型以山地草地为主,开发难度大、生态风险高,应结合水土流失综合治理修复草地生态系统,提高其经济产出能力和生态服务功能;湿地具有较高的生态系统服务功能,但综合万州区自然地理条件与社会经济发展水平分析,虽然三峡建设形成规模较大的消落带,但大规模增加湿地面积仍是难以实现的。园地的生态功