晋西黄土丘陵沟壑区土地利用结构优化研究——以方山县为例

许建定 张树华 王百田 张春林

(1山西省水土保持科学研究所 2北京林业大学水土保持学院)

晋西位于吕梁山西侧,黄河干流以东,属我国黄土高原的东部,大部分地区为黄土丘陵沟壑区。这里拥有光热、生物、能源及矿产等丰富的自然资源,具有悠久的开发历史,是山西省能源重化工基地和沿黄工业带的重要组成部分,也是控制晋陕峡谷水土流失,保障黄河下游安全的重要地段。长期以来,由于自然因素及人为原因的影响,造成环境质量日趋下降,自然灾害日益严重。区内大部分耕地是坡地,跑水、跑土、跑肥现象普遍,熟化的表土不断遭受侵蚀,使土壤肥力逐渐降低。盛行轮荒制和广种薄收粗放经营习惯,粮食产量低而不稳。一些县缺乏煤炭资源,燃料、饲料、肥料短缺现象普遍,不少地方靠挖掘灌丛草根作燃料,加剧了水土流失。随着社会经济发展和人口增长,对土地需求会日益增大,土地利用变化快,因此,遵循区域的自然规律,制定合理的土地利用规划,开展土地利用结构优化调整,对于土地资源开发和经济发展具有重要的意义。

1 自然资源及自然条件分析

方山县属于晋西黄土丘陵沟壑区,境内地势北高南低,垂直变化明显,最高点海拔 2831 m,最低点海拔 987 m,高差 1844 m。一级地貌类型为山地、黄土丘陵、河谷三大类,三者的面积比为 6∶3.5∶0.5。由此可见,山地为本县的主要地貌类型,黄土丘陵次之。除一些陡峻山地外,大部分地表仍覆有薄厚不一的黄土。三大地貌类型的空间分布存在明显的地域差异,形成了西南部黄土丘陵区、中南部河谷区和东北部山地区三大地貌类型组合区。

境内气候属温带半干旱季风气候区,年均气温4～9℃,年≥10℃的活动积温 2246～3088℃,无霜期 110～150 d。多年平均降水量 562 mm,年降水变率 ±19%,6～8月降水量占全年 62%。年平均蒸发量 1208 mm。气候要素决定了境内绝大部分地域在农业利用上为一年一熟旱作农业区。由于内部地势变化大,使得主要气候要素存在着明显的地域分异,形成了西南部温和半干旱气候区和东北部温凉半湿润气候区。

境内主要河流为北川河,一般河水流量为 1.5～2 m3/s,枯水期流量为 1.05 m3/s,最大洪峰流量达540 m3/s。东部山地为北川河河水流量的主要源泉。在光热、降水条件控制下,方山县的自然生态系统为森林草原景观,其下发育的自然土壤为山地棕壤、灰褐土和草甸土,自然土壤表层有机质含量1.23%～8.65%。

方山县山高沟深,坡地居多,土壤质地疏松,抗蚀能力差,而且土地干旱瘠薄,植被稀少,降雨强度大且集中,水土流失严重。据方山县土地详查资料,全县水土流失面积 879 km2,占总面积的 61%,其中,轻度侵蚀 157.8 km2,中度侵蚀 290.1 km2,强度侵蚀 211 km2,剧烈侵蚀 202.1 km2。年均土壤侵蚀模数 6800 t/km2,年土壤流失量 597万 t。

2 土地资源系统分析

2.1 土地利用现状

据方山县 2005年土地利用调查结果,土地总面积 143348.7 hm2,其中农林用地 138131.65 hm2,占 96.36%;建设用地 3881.05 hm2,占 2.71%;未利用地 1336 hm2,占 0.93%。

农林用地中,林地 107828 hm2,占 78.06%;耕地 24854.1 hm2,占 17.99%;园地 316.72 hm2,占0.23%;牧草地 3408.46 hm2,占 2.46%;水域1624.37 hm2,占 1.26%。在林业用地中,有林地面积 46356.1 hm2,疏林地面积 3140.8 hm2,灌木林29518.3 hm2,未成林林地 5320.5 hm2,苗圃地13.3 hm2,无立木林地 4899.9 hm2,宜林地面积18579.1 hm2。

建设用地中,城市用地 364.72 hm2,占 9.39%;集镇用地 510.96 hm2,占 13.16%;农村居民点2419.49 hm2,占 62.34%;工矿用地 232.83 hm2,占5.99%;交通用地 353.05 hm2,占 9.12%。

未利用地中,荒草地 847.86 hm2,盐碱地5.73 hm2,沼泽地 0.63 hm2,沙地 0.17 hm2,裸土0.53 hm2,裸砾岩石 50.49 hm2,其他 430.59 hm2。

2.2 基准年土地利用分析

方山县基准年(2005年)的基本数据,包括土地利用率、土地垦殖率、林地指数、牧草地指数和土地人口承载力等方面。

2.2.1 土地利用率

土地利用率指农林用地与建设用地两项已利用土地面积占土地总面积的百分比,反映土地开发利用的程度。方山县这两大类土地面积之和为142012.7 hm2,土地利用率为 99.06%。全县土地利用率高,与山西省 67.9%相比,高出 31.16个百分点;与全国 71.76%相比,高出 27.3个百分点。

2.2.2 土地垦殖率

土地垦殖率指耕地面积与土地总面积之比,是衡量一个地区或农业生产单位耕地开发利用程度的指标。方山县土地垦殖率为 17.33%。

2.2.3 林地指数

林地指数指林地面积与土地总面积之比,反映林地开发程度,是衡量生态效益的重要指标。方山县林地指数为 75.22%。

2.2.4 牧草地指数

牧草地指数指牧草地面积与土地总面积之比,反映牧草地资源及畜牧业发展情况。方山县牧草地指数为 2.38%。

2.2.5 土地人口承载力

土地人口承载力指一定地区在一定营养水平下土地所能持续供养的人口数量。研究主要集中在耕地的人口承载力,探讨资源、人口、生态环境的协调发展。

土地人口承载力的计算主要以对该县土地生产潜力、人口、耕地、粮食的计算和预测以及资金、科技投入的可能性分析为依据。土地生产潜力的计算模型:Y=Y1·f(s);Y1=Y2·f(w);Y2=Y3·f(t);Y3=(6.667×106)/C×103· E· F· Q,式中,Y,Y1,Y2,Y3分别为土地生产潜力、土地的气候生产潜力、土地的光温生产潜力和土地的光合生产潜力,单位为 kg/hm2;f(s),f(w),f(t)分别为土肥管修正系数、水份衰减系数和温度衰减系数。

经计算,方山县的平均土地生产潜力为 6334 kg/hm2,比实际产量 588 kg/hm2高出 13倍,显示了该县土地开发潜力很大。方山县 2005年粮食总产量为 14627×103kg,人口 14.18万人,按人均消费粮食 400 kg(温饱型消费标准)计算,得到方山县基准年的土地人口承载力为 36567人,不能满足当前的 14.18万人的粮食需求,土地承载力严重不足。

2.3 土地适宜性评价

方山县属于典型的黄土丘陵沟壑区,土地发育质量差,水土流失严重,养分含量低,遵循因地制宜和可持续发展的原则,确定土壤养分和水分是影响方山县耕地质量的主要因素。按耕地对农作物的适宜程度和作物产量多少,将其分为一、二、三等。一等耕地面积为 1690.08 hm2,占耕地面积的 6.8%,这一部分土地主要集中在沟川,土地的利用基本不受限制,是全县稳产、高产的地段;二等耕地面积18565.94 hm2,占耕地面积的 74.7%,地形平坦,侵蚀较弱,土地生产潜力较大,土地的利用主要受到水分的限制,是全县粮食生产的潜力所在;三等耕地面积 4598.08 hm2,占耕地总面积的 18.5%,土地质量差,水土流失严重,养分不平衡,土地肥力差,可以作为后备耕地资源。

未利用土地主要是荒草地、盐碱地及裸砾岩石地等,由于其自然条件差,开发利用难度大,投资较高,作为暂不适宜地,这一部分土地面积小,对县域内土地利用影响不大。

2.4 方山县土地利用结构的问题

2.4.1 土地资源类型多样

方山县地形复杂,地貌类型多样,境内地势北高南低,垂直变化明显,不同的地貌类型导致水势分配差异,加上悠久的农垦历史以及地处暖温带的热量条件,形成了种类齐全、复杂多样的土地类型,为农、林、牧各业的全面发展提供了基础。

2.4.2 土地生产潜力低

方山县人均土地占有量少,土地质量差,同时由于气温低、光照时间短,并常有春寒、霜冻现象,农作物生长期短,土地生产力低。

2.4.3 耕地人均占有量减少,土壤污染严重

由于近年来退耕还林和人口增加等影响,耕地人均占有量有所减少。与 2000年相比,2005年人均耕地减少了 0.03 hm2。另一方面,由于大量使用农药和化肥,工业污染物、生活垃圾排放以及复杂的地形地貌,造成县域土壤污染,水土流失严重。

2.4.4 建设用地总体利用程度不高,城镇化水平低

全县现有建设用地面积 3881.05 hm2,其中城镇用地、农村居民点、独立工矿用地、交通用地分别占建设用地总面积的 22.55%、62.34%、5.99%和9.12%。城镇用地量少,规划布局不合理;农村居民点用地多,规模小,分布零散;独立工矿用地主要以采掘业、资源粗加工为主,存在着一定量的废弃地;交通用地偏少,也制约着县域社会经济发展和城镇化水平的提高;水利设施用地的节水、蓄水、饮水、供水、保水的功能没有完全发挥出来。小城镇建设投入少,基础设施滞后,全县城镇化水平低。

2.4.5 土地后备资源严重不足

全县未利用地中的绝大多数因自然条件差,开发利用难度大,属于难利用地,宜利用土地少,主要为荒草地和裸岩地,面积合计为 898.35 hm2。

3 土地利用结构优化分析

3.1 线性规划模型

线性规划是运筹学的一个重要分支,它是一种在具有确定目标又有一定约束限制条件下,从所有可能的选择方案中找出最优方案的数学方法。线性规划的应用,最主要的是建立实际问题的线性规划模型。运用线性规划方法进行土地利用结构优化,就是要合理安排各业用地,兼顾生态效益、经济效益和社会效益,实现土地资源的合理配置。

线性规划模型的基本形式如下:

目标函数:max(或 min)z=CX

约束条件:AX≤(或 =或≥)b,X≥0

式中:X=[x1,x2,…,xn]T;C=[c1,c2,…,cn]T;b=[b1,b2,…,bn]T,分别为决策变量向量、效益系数向量和资源限量。

3.1.1 目标的确定

根据方山县土地利用和社会经济发展现状,该县同时面临着经济发展和生态环境建设的双重任务。土地利用结构调整的目标是追求经济效益的最大化,以此作为决策的目标函数,同时将社会效益和生态效益作为约束条件,来反映方山县土地利用总体规划目标年(2010年)的土地利用结构优化方案。

3.1.2 变量设置

以土地利用现状分类为基础,结合方山县土地资源利用的特点及未来发展趋势,按照 2010年土地利用结构优化要求,共设置了 11个变量:耕地(x1),林地(x2),园地(x3),牧草地(x4),水域(x5),城市用地(x6),集镇用地(x7),农村居民点用地(x8),工矿用地(x9),交通用地(x10),未利用地(x11)。

3.1.3 约束条件

根据方山县国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要,到 2010年末,全县地区生产总值达到11.62亿元,人均地区生产总值达到 8000元以上,其中,第一、第二、第三产业的比例达到 12∶50∶38,全县城镇化率达到 40%以上。根据该县相关部门规划控制指标和预测值,选出与土地利用结构关系密切的约束条件,包括 11个方面,15个约束条件。

(1)土地总面积约束。各类土地面积之和等于方山县土地总面积,即:x1+x2+x3+… +x11+x12=143348.7 hm2

(2)宏观计划约束。根据方山县土地利用专项规划,城市用地面积 x6≥400 hm2,交通用地面积 x10≥433 hm2,工矿用地面积 x9≤305 hm2,未利用地x11≥800 hm2。

(3)耕地面积约束。根据方山县“十一五”时期国民经济和社会发展目标,到 2010年末,全县实施退耕还林后,耕地面积将控制在 23756 hm2之内。x1≤23756 hm2。

(4)生态保护及园地需求约束。依据方山县2010年规划控制目标,森林覆盖率达到 50%,园地面积基本保持不变。x2≥109375 hm2,x3=316.72 hm2。

(5)饲草平衡约束。农作物秸秆产量按1000 kg/hm2,草地产量按 5000 kg/hm2,年末牲畜存栏数按 12万个羊单位,每个羊单位需饲草 450 kg匡算。 1000x1+5000x4≥120000×450 kg。

(6)城市用地需求约束。力争到“十一五”末,城区建设面积达到 600 hm2。x6≤600 hm2。

(7)集镇用地约束。X7=P·u/10000,式中,P=60000人,为集镇人口预测数;u=100(m2/人),为集镇人均占地面积,参照城镇用地标准并结合县情拟定。

(8)牧草地面积约束。为了能集约经营牧草场,实现规模化养殖,适当调整面积加以限制。x4≤6500 hm2。

(9)实际情况和经济约束。水域用地、工矿用地和交通用地一般大于现状。x5≥1624.37 hm2,x9≥232.83 hm2,x10≥353.05 hm2。

(10)农村居民点用地需求约束。根据村镇规划,通过建设中心村,可整理出部分土地。x8≤2419.49 hm2。

(11)变量非负约束。 Xi≥0,i=1,2,3,…,11

3.1.4 目标函数

maxz=2180x1+700x2+3000x3+900x4+620x5+453000x6+550721x7+120000x8+393000x9+8200x10+100x11

目标函数中各项系数为单位土地面积上的收益系数(元/hm2),按 2000年可比价格计算。各项系数为预测数,采用回归预测和经验预测等方法求得。

3.2 模型求解

应用 Microsoft Excel工具栏下的规划求解功能,规划求解是 Microsoft Office XP提供的加载宏。用于规划求解的模型工作表中标识的信息类型包括目标单元格、可变单元格和约束栏,通过输入相应的公式、变量及约束条件得到规划求解结果(表 1)。

表1 方山县土地利用现状结构和优化结构

4 土地利用结构优化方案评价

4.1 土地利用结构调整

根据以上计算结果,确定规划期间各种地类的调整面积,并进行调整前后土地利用结构的对比分析。优化调整前后的土地利用结构变化情况见表1。根据规划方案,土地利用率从基准年的 98.99%增长到规划年的 99.43%,提高了 0.44%;耕地由于实施退耕还林还草工程以及集约化经营的需要,面积下降了 13.5%;生态环境的改善和森林覆盖率的提高,使林地相对增长幅度达到 1.43%;园地和水域面积基本保持不变;牧草地规划年占土地总面积的 4.53%,较基准年的 2.38%增加较多;以县城建设为重点的城镇化发展战略使县城用地和集镇用地比例从占土地总面积的 0.25%和 0.36%均增长到0.42%;村庄面积在合理规划和土地整理后面积下降了 46.52%;交通用地提高了 22.65%;工矿用地提高了 31%;未利用地从占土地总面积的 1.01%减少到 0.57%。从表 1可以看出,全县农、林、草面积比例由基准年的 7.2∶31.6∶1调整为规划年的6.3∶32∶1,农地比例下降,林地和草地比例增加。

4.2 规划方案效益评价

规划中采用线性规划模型优化土地利用结构,依据方山县国民经济和社会发展规划纲要,按照土地的适宜性和土地利用现状分析,统筹兼顾,综合平衡,调整后的土地利用结构既有利于生态效益的发挥,又可提高土地利用的经济效益,为全县国民经济各部门发展提供了土地保障。优化的土地利用结构目标函数最大值(国内生产总值)为 10.12亿元,与方山县 2010年国民经济发展目标 11.62亿元相接近,其规划方法是可行的,结果是合理的。

根据规划年的土地利用情况,各项用地的整体社会经济效益得到显著提高。农用地结构得到合理调整,粮食用地略有减少,经济作物、林地、牧草地面积增加,林果业和畜牧业的比重上升较快。通过加强农田水利建设,改造中低产田,粮食总产稳定在 2万 t以上。森林覆盖率提高,城市建成区绿化覆盖率达到 30%,全县河、渠、路、林配套成网,新增治理水土流失面积1.83万 hm2。基础设施建设明显改善,以公路为重点的交通建设和水利工程得到加强。城镇建设步伐加快,城镇化率达到 40%。

[1]王万茂,韩桐魁.土地利用规划学[M].北京:中国农业出版社,2002.

[2]全国农业区划委员会.土地利用现状调查技术规程[M].北京:测绘出版社,1984.

[3]束金龙,闻人凯.线性规划理论与模型应用[M].北京:科学出版社,2003.

[4]陈其春,吕成文.含山县土地利用结构优化研究[J].安徽师范大学学报(自然科学版),2005,28(2):222～225.

[5]张友焱,周泽福,程金化.黄土丘陵沟壑区土地适宜性评价研究[J].水土保持学报,2003,17(1):93～95.

[6]范月娇.三峡库区的土地人口承载力[J].国土与自然资源研究,2002(3):10～12.