基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化灰色線性規(guī)劃模型的土地生態(tài)功能價值研究

基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化灰色線性規(guī)劃模型的土地生態(tài)功能價值研究

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)過程形成、維持的自然環(huán)境條件和人類生存的效率。最早生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的概念產(chǎn)生于Holder和Ehrlich(1974)、Westman(1977)等人進行的全球環(huán)境服務(wù)功能與自然服務(wù)功能的研究,目前國外有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其價值評估的研究從生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟學(xué)角度探討生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其價值,并逐漸形成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)經(jīng)濟價值評估的技術(shù)方法體系以及相關(guān)應(yīng)用案例研究。中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究始于20世紀90年代以后,Costanza等(1997)有關(guān)全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)經(jīng)濟價值的研究引起了中國學(xué)者的注意,相關(guān)領(lǐng)域的專家和學(xué)者對不同空間層次與尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估理論與方法進行積極探討,對中國土地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與建設(shè)產(chǎn)生了重大影響。眾多生態(tài)經(jīng)濟學(xué)家相信,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究能夠更好地解決自然資源在不同利用目的之間的分配,為采用經(jīng)濟手段調(diào)控人類對自然生態(tài)系統(tǒng)的開發(fā)和利用,以及有效地保護現(xiàn)有自然生態(tài)系統(tǒng)提供決策依據(jù)。土地是人類生存和發(fā)展不可替代的自然資源,它既是地球生命支持系統(tǒng)的重要組成部分,又是生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟社會系統(tǒng)的載體。研究土地資源在不同利用目的之間的合理分配,實現(xiàn)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化,對提高土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值,實現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用具有至關(guān)重要的作用。土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化是在一定投入與約束條件下,通過對各種土地資源類型進行數(shù)量組合和空間布局,選取最優(yōu)的土地利用方式,以提高土地利用效率和效益,維持土地生態(tài)系統(tǒng)的相對平衡,實現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用。傳統(tǒng)的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的技術(shù)方法,如基于土地管理學(xué)角度的綜合平衡法和土宜法等屬于的定性分析方法,對土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過程主要依靠決策者的認知程度或?qū)＜业闹R水平來判斷應(yīng)采取的具體措施。定性分析方法可避免繁瑣的計算,具有省時、快捷的優(yōu)點,但其可靠性和精確度都較低,缺少定量方法的邏輯性和說服力。隨著土地利用規(guī)劃在社會經(jīng)濟與生態(tài)建設(shè)中的指導(dǎo)作用不斷強化,國內(nèi)學(xué)者廣泛使用遙感、計算機和應(yīng)用數(shù)學(xué)等技術(shù)方法作為輔助手段,并對于系統(tǒng)理論和應(yīng)用數(shù)學(xué)方法在土地利用規(guī)劃中的應(yīng)用研究也不斷深入,灰色預(yù)測理論和線性規(guī)劃模型已成為土地利用規(guī)劃制定過程中預(yù)測相關(guān)參數(shù)、優(yōu)化用地結(jié)構(gòu)的常用技術(shù)方法。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)理論引入中國以后,也很快應(yīng)用到了土地利用規(guī)劃的環(huán)境評價之中,已經(jīng)成為從生態(tài)學(xué)角度衡量中國土地利用規(guī)劃科學(xué)性的重要工具。本文針對目前土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的關(guān)鍵技術(shù)問題,通過重慶市萬州區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化灰色線性規(guī)劃模型構(gòu)建與應(yīng)用分析,研究陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值在土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化中應(yīng)用。1土地生態(tài)系統(tǒng)重慶市萬州區(qū)位于三峽庫區(qū)腹心地帶,地理坐標(biāo)為東經(jīng)107°52′22″~108°53′25″,北緯30°24′25″~31°14′58″,屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)。2005年末萬州區(qū)總?cè)丝?70.7萬;耕地總面積92676.96hm2,占土地總面積的26.93%;林地占土地總面積的29.27%,萬州區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)在區(qū)域景觀上呈山地-盆地-河流生態(tài)結(jié)構(gòu),同時受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性和水文氣候等因素影響,萬州區(qū)境內(nèi)滑坡、危巖和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育,生態(tài)系統(tǒng)先天性脆弱;萬州區(qū)年平均土壤侵蝕量達549.74×104t,侵蝕模數(shù)2991.82t/km2·a;嚴重的水土流失成為萬州區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)的瓶頸因素,使土地生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)利用的經(jīng)濟社會與生態(tài)環(huán)境效益同步衰減。2數(shù)據(jù)來源和技術(shù)方法2.1土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的原則萬州區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化灰色線性規(guī)劃模型,是基于經(jīng)濟社會與生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的收集、整理與分析,并整合各相關(guān)部門規(guī)劃目標(biāo),形成目標(biāo)函數(shù)與約束條件,實現(xiàn)經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的協(xié)調(diào),保障土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的科學(xué)合理性。數(shù)據(jù)來源主要包括:重慶市萬州區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃(2004~2015年)、重慶市萬州區(qū)年土地開發(fā)整理規(guī)劃(2003~2020年)、重慶市萬州區(qū)萬州旅游發(fā)展總體規(guī)劃(2001~2020年)、重慶市萬州區(qū)水土保持規(guī)劃(2006~2025年)、萬州區(qū)國土資源“十一五”規(guī)劃、重慶市食物與營養(yǎng)狀況及發(fā)展趨勢的研究報告、萬州林業(yè)發(fā)展“十一五”和中長期規(guī)劃以及重慶市萬州城市總體規(guī)劃(2003~2020年)等。2.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型需要通過系統(tǒng)仿真解決兩類問題:一類是在一定生產(chǎn)條件下,如何合理統(tǒng)籌區(qū)域各產(chǎn)業(yè)、部門間的土地資源配置,滿足社會經(jīng)濟過程中對土地資源的需求,實現(xiàn)土地資源利用的社會經(jīng)濟效益;另一類是一定生態(tài)環(huán)境容量下,如何協(xié)調(diào)社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設(shè)間的約束與支撐,實現(xiàn)土地資源利用的生態(tài)效益。因此土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型至少包括優(yōu)化目標(biāo)、決策變量和約束條件等組成部分。其中決策變量的組合構(gòu)成優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),約束向量空間形成決策變量邊界。在函數(shù)形式與邊界條件一定的情況下,決策變量的技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)(一般表示為單位土地面積上的價值)大小決定了決策變量的優(yōu)化結(jié)果,技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)不同,區(qū)域土地利用的數(shù)量結(jié)構(gòu)與效益不同,因此土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的技術(shù)關(guān)鍵取決于技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)和約束向量。2.3相關(guān)指標(biāo)的確定土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化是通過各種土地類型的合理組合,在一定的投入約束條件下取得經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益的最大化。目前對目標(biāo)函數(shù)、效益系數(shù)及約束條件中相關(guān)技術(shù)系數(shù)的確定普遍采用基于經(jīng)濟數(shù)據(jù)統(tǒng)計基礎(chǔ)上進行計算確定,雖然能夠客觀反映土地利用經(jīng)濟功能,但忽視了土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值,導(dǎo)致經(jīng)濟效益的增長實際是建立在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值降低的基礎(chǔ)上。將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值研究成果作為技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)或者約束向量引入土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型中,可以為土地利用規(guī)劃中的生態(tài)效益實現(xiàn)提供新的技術(shù)思路。2.4優(yōu)化模型的構(gòu)建本文應(yīng)用灰色線性規(guī)劃技術(shù)方法,對萬州區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)的開發(fā)和利用進行數(shù)量結(jié)構(gòu)優(yōu)化,實現(xiàn)土地生態(tài)經(jīng)濟價值最大化。2.4.1最優(yōu)結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化情況與傳統(tǒng)的線性規(guī)劃相比,灰色線性規(guī)劃由于技術(shù)系數(shù)、約束值均可以是可變的灰數(shù),是一種動態(tài)的線性規(guī)劃,它彌補了一般線性規(guī)劃的不足,不僅可以知道既定條件下的最優(yōu)結(jié)構(gòu),還可以知道最優(yōu)結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化情況?；疑€性規(guī)劃模型如下:目標(biāo)函數(shù)為:max(min)(f(x,?1));約束條件為: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)為灰色目標(biāo)函數(shù);gj(x,?(j)2)、hk(x,?(k)3)為灰色約束條件;?i為灰數(shù),本文通過GM(1,1)和Markov模型使灰數(shù)“白化”。2.4.2決策變量根據(jù)萬州土地開發(fā)利用現(xiàn)狀及土地生態(tài)系統(tǒng)約束與支撐分析,確定優(yōu)化模型的決策變量如表1。2.4.3生態(tài)經(jīng)濟技術(shù)參數(shù)各決策變量的生態(tài)經(jīng)濟價值系數(shù)(見表2)根據(jù)如下過程確定:X1~X7:根據(jù)中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值研究成果以及重慶萬州區(qū)社會經(jīng)濟產(chǎn)出能力,對各類土地生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能價值作如下技術(shù)處理:(1)將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值中的社會經(jīng)濟價值部分(包括食物供應(yīng)、原材料和娛樂文化),以萬州2000~2005年實際產(chǎn)出水平代替,得到理論生態(tài)經(jīng)濟技術(shù)參數(shù);(2)考慮萬州土地生態(tài)系統(tǒng)各類服務(wù)功能的實際能力,根據(jù)萬州區(qū)2003年土地開發(fā)整理潛力調(diào)查結(jié)果,以及萬州區(qū)生態(tài)市建設(shè)規(guī)劃,對中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值進行修正,取得修正生態(tài)經(jīng)濟技術(shù)參數(shù);X8:萬州受保護區(qū)域一般為林地,不再計算其生態(tài)經(jīng)濟服務(wù)價值,但需考慮其帶動旅游業(yè)的發(fā)展而產(chǎn)生的社會經(jīng)濟效益,將其作為受保護區(qū)域的生態(tài)經(jīng)濟系數(shù)。根據(jù)《重慶市萬州區(qū)萬州旅游發(fā)展總體規(guī)劃(2001~2020年)》,確定受保護區(qū)域的生態(tài)經(jīng)濟系數(shù)為9585yuan/hm2;X9:根據(jù)《重慶市萬州區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃(2004~2015年)》,應(yīng)用影子工程價格確定其生態(tài)經(jīng)濟系數(shù)為767yuan/hm2,并作為負值計算;X10:根據(jù)《重慶市萬州區(qū)水土保持規(guī)劃(2006~2025年)》,應(yīng)用市場價格法計算其生態(tài)經(jīng)濟系數(shù)為4998yuan/hm2,并作為負值計入。2.4.4社區(qū)縣3.4.7.3.4.7根據(jù)確定的決策變量與生態(tài)經(jīng)濟系數(shù),建立優(yōu)化模型的線性目標(biāo)函數(shù)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建設(shè)用地約束的主要內(nèi)容約束條件包括:資源約束(土地面積、土地產(chǎn)出,社會勞動力資源)、生態(tài)環(huán)境約束(退耕還林、自然保護區(qū)建設(shè)、水土流失與地質(zhì)災(zāi)害防治)、社會約束(人口數(shù)量、建設(shè)用地需求總量、生態(tài)修復(fù)資金投入)。(1)草地及水域約束資源總面積約束:X1+X21+X22+X3+X4+X51+X52+X53+X61+X62+X7=31.03林地約束:根據(jù)中國環(huán)境保護部頒發(fā)的《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設(shè)指標(biāo)(修訂稿)》,萬州林地面積應(yīng)為總面積的40%,因此,林地約束方程為:10.07≤X21≤13.83。草地約束:萬州草地類型以山地草地為主,且退化嚴重?？紤]草地在萬州陸地生態(tài)系統(tǒng)中的作用,尤其是在水土流失防治中的生態(tài)效用,確定草地面積不小于現(xiàn)狀值。其約束方程為:X3≥2.06。水域約束:考慮水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值較大,對于位于三峽庫區(qū)的萬州生態(tài)建設(shè)具有獨特的生態(tài)意義,確定水域面積不小于現(xiàn)狀值,其約束方程為:X51+X52+X53≥1.92。未利用地約束:根據(jù)萬州未利用地適宜性調(diào)查,萬州區(qū)后備土地資源可開發(fā)利用面積為2.65×104hm2,據(jù)此確定未利用地約束方程為:3.87-2.65≤X4+X53+X7≤3.87。(2)常住人口相關(guān)糧食需求分析耕地保有量的確定是首先根據(jù)中國土地利用總體規(guī)劃中的規(guī)劃年期界定,應(yīng)用灰色馬爾柯夫預(yù)測萬州2006~2020年人口規(guī)模(見表3),然后根據(jù)《重慶市食物與營養(yǎng)狀況及發(fā)展趨勢的研究報告》和《重慶市食物與營養(yǎng)發(fā)展綱要(2001~2010年)》,計算萬州常住人口一定生活水平條件下的口糧需求量,再根據(jù)萬州糧食投入條件預(yù)測糧食單產(chǎn)水平,并采用Logistic曲線確定復(fù)種指數(shù),最后取得耕地保有量預(yù)測結(jié)果。計算結(jié)果表明,2006~2020年萬州耕地基本保有量為9.13×104hm2。因此,萬州耕地保有量約束方程為:X1≥9.13。(3)計算建設(shè)用地需求規(guī)模分別采用控制標(biāo)準(zhǔn)理論預(yù)測、經(jīng)濟發(fā)展相關(guān)需求預(yù)測以及部門需求預(yù)測等方法,計算2006~2020年萬州區(qū)建設(shè)用地需求規(guī)模;并根據(jù)灰色馬爾柯夫預(yù)測結(jié)果確定萬州建設(shè)地需求灰色區(qū)間白化值(見表3),得到建設(shè)用地需求約束方程:X52+X61+X62≤[4.87,4.95]。(4)勞動力人口分布應(yīng)用灰色馬爾柯夫方法預(yù)測2006~2020年萬州區(qū)城市化水平確定農(nóng)村人口規(guī)模(見表3);根據(jù)人口發(fā)展一般規(guī)律,萬州2006~2020年處于人口紅利階段,勞動力人口可按農(nóng)村總?cè)丝诘?5%計算;每人每年按260個工作日計算,耕地每公頃需勞動工日450,園地為300,林地為60,草地為195,養(yǎng)殖水面為225,據(jù)此確定農(nóng)村勞動力投入約束方程:450X1+60X21+300X22+195X3+225X51≤18961.8。(5)還林約束方程根據(jù)《萬州林業(yè)發(fā)展“十一五”和中長期規(guī)劃》確定退耕還林約束方程為:X21-10.07≥3.51。根據(jù)《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設(shè)指標(biāo)(修訂稿)》,確定受保護區(qū)域面積約束方程為:5.30≤X8≤5.85。(6)土地工程建設(shè)資金根據(jù)《重慶市萬州區(qū)水土保持規(guī)劃(2006~2025年)》、《重慶市萬州區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃(2004~2015年)》,確定萬州區(qū)土地生態(tài)建設(shè)資金約束方程為:767X9+4998X10≤80534.35。(7)不負保險Xi≥0。3結(jié)果與分析3.1結(jié)構(gòu)灰色線性規(guī)劃模型評價結(jié)果利用MATLAB軟件對萬州區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)灰色線性規(guī)劃模型編程計算,并根據(jù)土地生態(tài)經(jīng)濟價值最大化原則,取得萬州區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果(見表4)。3.2更高生態(tài)經(jīng)濟功能的土地產(chǎn)2005年萬州區(qū)大于15°和25°的坡耕地面積比重分別為65.12%和34.64%,高強度的坡耕地開發(fā)利用是導(dǎo)致水土流失嚴重的主要人為誘因。在國家退耕還林宏觀調(diào)控政策制約下,萬州耕地面積略有減少,規(guī)劃期內(nèi)由9.3萬hm2減少至9.1萬hm2;根據(jù)《萬州統(tǒng)計年鑒(2006)》,萬州區(qū)耕地復(fù)種指數(shù)為2.1,已接近開發(fā)利用上限,糧食安全保障壓力較大。在生態(tài)建設(shè)影響下,萬州區(qū)林地面積規(guī)劃期內(nèi)有較大幅度增加,由10.1萬hm2增長至13.6萬hm2;林地的增加一方面增強了土地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,另一方面壓縮了糧食安全與建設(shè)用地需求的土地供給彈性空間,對耕地、建設(shè)用地等土地開發(fā)利用的集約度提出了更高要求。建設(shè)用地雖不具有生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值,但有著較強的經(jīng)濟產(chǎn)出能力,在社會經(jīng)濟快速發(fā)展階段,建設(shè)用地的需求是剛性的,因此面積也有所增加,由3.4萬hm2增長至3.8萬hm2;將優(yōu)化結(jié)果與建設(shè)用地的需求預(yù)測結(jié)果(4.87萬hm2)相比較,預(yù)測結(jié)果高于優(yōu)化結(jié)果,說明萬州區(qū)應(yīng)加強存量建設(shè)用地開發(fā)利用,提高建設(shè)用地集約性以滿足增加建設(shè)用地需求。草地生態(tài)功能價值與經(jīng)濟產(chǎn)出能力都很小,在理論上應(yīng)通過深度開發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈呱鷳B(tài)經(jīng)濟功能價值的土地生態(tài)系統(tǒng)類型,但考慮到萬州區(qū)草地類型以山地草地為主,開發(fā)難度大、生態(tài)風(fēng)險高,應(yīng)結(jié)合水土流失綜合治理修復(fù)草地生態(tài)系統(tǒng),提高其經(jīng)濟產(chǎn)出能力和生態(tài)服務(wù)功能;濕地具有較高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,但綜合萬州區(qū)自然地理條件與社會經(jīng)濟發(fā)展水平分析,雖然三峽建設(shè)形成規(guī)模較大的消落帶,但大規(guī)模增加濕地面積仍是難以實現(xiàn)的。園地的生態(tài)功