基于生态安全的华池县土地利用结构优化

杜志鹏　焦云腾　薛会蓉　程文仕　刘学录

摘要：文章采用PSR模型构建华池县土地生态安全评价指标体系，对2010～2015年土地生态安全状态分析的基础上，构建线性规划模型，以耕地、林地和草地等为控制变量，以生态效益最优为目标函数，建立约束条件，进行土地利用结构优化。研究显示：耕地、园地、草地和其他土地面积应所有减少，林地和建设用地面积应有所增加。研究结果对于优化华池县土地利用结构，促进生态文明建设具有重要意义。

关键词：土地利用；土地生态安全；结构优化；华池县

随着我国城市化进程加快，由于土地的不合理利用，土地资源面临水土流失、土壤侵蚀等诸多生态安全问题。在生态安全的基础上进行土地利用结构调整对合理配置土地资源，实现土地可持续利用具有重要的理论实践和指导意义。我国目前对土地利用结构优化的研究主要侧重于概念、优化方法和模型等方面。采用的模型方法主要有：土宜法、综合法和层次分析法，线性规划模型、多目标规划模型等。另外，张晶通过灰色线性规划决策分析，得出了咸阳市土地利用结构优化的三种方案；黎孔清构建了低碳经济导向的区域土地利用评价指标体系，使用多目标线性规划法提出了武汉市土地利用结构优化方案。本文以华池县为例，利用PSR模型对土地生态安全进行评价，并采用线性规划模型对华池县的土地利用结构进行优化，为有效开展土地利用结构中生态安全问题的解决提供参考。

一、研究区概况

华池县位于庆阳市东北部，位于107°29′15″～108°33′29″E，36°08′27″～36°52′29″N，东、北部与陕西省志丹县、吴起、定边三县接壤，南部与环县、庆城县相连，东南部与合水县毗邻，处于黄土高原腹地，地形以山地为主，山、川、塬兼有，梁峁林立，沟壑纵横；地处温带半湿润半干旱气候过渡区，具有明显的大陆性气候特征，年降水量450～600mm；石油、煤炭、风能等资源丰富；下辖6镇9乡111个行政村，土地总面积为3791km2，总人口13.55万人。

二、数据来源

研究中采用的人口、社会经济水平、农作物播种面积、产出水平及农业现代化水平等社会经济指标数据来源于2010～2015年《庆阳发展年鉴》及《华池县统计年鉴》；土地利用现状面积数据来源于华池县2010～2015年土地利用更新调查数据库；规划目标来源于《华池县土地利用总体规划（2010～2020年）》。

三、华池县土地生态安全评价

压力—状态—响应模型（PSR模型）是由联合国环境规划署和经济合作发展组织共同提出，用来评价人类活动对生态环境的影响程度。

（一）指标体系构建

本文基于PSR模型构建指标体系，借鉴相关研究成果，遵循系统性、科学性原则，结合华池县的实际情况，选取人口密度、森林覆盖率等17个指标构建土地生态安全评价指标体系（表1）。

（二）指标标准化和权重计算

采用极差法（徐建华2002）进行指标标准化处理后，运用层次分析法确定各指标的权重（表1）。

（三）评价模型

使用综合评价方法构造评价模型，评价模型为：

E=■WiP（xi）

式中：E为生态安全综合指数；Wi为生态安全评价指标i的权重；P（xi）为各项生态安全指标的标准化值。

（四）生态安全等级划分

对于生态安全等级划分目前还未形成统一标准，本文参照已有研究成果，根据华池县生态安全指数将生态安全划分为5个等级：Ⅰ级安全其指数为[0.8，1.0]、Ⅱ级较安全其指数为[0.6，0.8）、Ⅲ级临界安全其指数为[0.4，0.6）、Ⅳ級较不安全其指数为[0.2，0.4）、Ⅴ级不安全其指数为[0，0.2）。

（五）生态安全评价结果与分析

根据综合评价模型，测算得到华池县2010～2015年土地生态安全评价结果（表2）。

从表2可以看出：

1. 华池县的土地生态安全指数总体呈现上升趋势，由2010年的0.39618上升到2015年的0.58507，土地的生态安全等级由“较不安全”上升至“临界安全”级，土地生态环境得到了一定程度的改善。

2. 华池县已经开始重视土地生态安全保护，在2013年土地生态安全状况有所下降，主因是因为2013年耕地化肥使用量、农膜使用量有所增加，SO2排放量和NOX排放量达到了最大值；2014年土地生态安全指数快速增加是因为发展红色旅游和强化生态环境保护，通过划定子午岭自然保护区、实施水土保持等生态修复项目，大力推进封山禁牧、退耕还林、红色旅游等工程建设，加大造林力度和生物多样性保护，土地生态安全状况有所好转。

3. 2015年，华池县土地生态安全等级为“临界安全”级，说明土地生态安全仍然受到一定程度的威胁，生态系统服务功能仍在退化，生态恢复与再生有一定困难，生态问题仍然较多，在未来土地利用中，仍需加大生态环境保护和整治力度。

由此可见，这一生态安全评价结果符合华池县实际情况，到规划目标年（2020年），若要实现土地利用状态“较安全”或者“安全”等级，就必须加大生态环境保护与整治力度，对土地利用结构进行优化调整。

四、华池县土地利用结构优化

（一）优化总体思路

根据华池县土地利用现状及其社会经济发展需求，设置变量，建立约束条件，构建基于生态效益的目标函数，得到生态安全目标规划模型，以实现“土地生态系统结构完整、功能基本完善、环境没有受到破坏、系统恢复再生能力强、生态安全问题不明显”为目标，进行土地利用结构优化。

（二）变量设置

根据华池县土地利用现状及其变化情况，结合土地利用总体规划目标，遵循客观性和实用性原则，设置耕地（X1），园地（X2），林地（X3），牧草地（X4），建设用地（X5）以及其他土地（X6）6个变量。

（三）目标函数设置

到2020年，要实现土地生态安全状态“安全”等级，根据中国陆地生态系统单位面积生态价值服务系数等已有研究成果，结合华池县实际情况，确定华池县土地利用类型及其生态价值系数，建立生态效益最优的目标函数：

F（x）=6114X1+12157X2+18201X3+6405X4+371X5+371X6

（四）约束条件设置

1. 华池县的土地总面积为3791km2，因此：X1+X2+X3+X4+X5+X6=3791；

2. 到2020年，华池县耕地保有量（约束性指标）为696.71km2，则耕地的约束条件为：X1≥696.71；

3. 到2020年，华池县园地面积（预期性指标）为2.92km2，以2015年园地面积0.92km2为基础，以符合区域实际为原则，确定园地的约束条件为：0.92≤X2≤2.92；

4. 华池县2015年林地面积为1608.05km2，要改善区域生态环境，从华池县实际情况出发，林地面积只能增加，则林地的约束条件为：X3≥1608.05；

5. 到2020年，华池县牧草地面积（预期性指标）为1323.32km2，以2015年的牧草地面积1280.06km2为基础，以符合区域实际为原则，确定牧草地的约束条件为：1280.06≤X4≤1323.32；

6. 到2020年，华池县建设用地总规模（约束性指标）为65.94km2，以华池县2015年建设用地总面积为89.96km2，建设用地整治压减难度较大，但必须严控总量，则建设用地的约束条件为：65.94≤X5≤89.96；

7. 以华池县2015年的其他土地面积为108.33km2，这些土地可以通过开发整治提高其利用率，则其他土地的约束条件为：X6≥108.33；

8. 变量非负约束条件为：Xi≥0（i=1，2，3，4，5，6）。

（五）优化结果与分析

模型优化的目标年为2020年，与规划目标年2020年一致，使用LINGO 11.0软件得到华池县土地利用结构优化模型最优解（表3）。

从表3可以看出：

1. 耕地、园地、牧草地和其他土地的模型优化结果小于华池县的规划目标。耕地面积由规划目标660.8km2优化到588.15km2，减少了1.92%，减少部分主要是坡度大于25°的退耕还林地；园地面积由规划目标2.92km2优化到2.19km2，减少了0.02%；牧草地面积由规划目标1323.32km2优化到1320.77km2，减少了0.07%；其他土地面积由规划目标131.89km2优化到119.33km2，减少了0.33%。从2010～2015年的土地利用变化情况看，这一优化结果更符合华池县实际情况。

2. 林地和建设用地的模型优化结果大于华池县的规划目标。森林具有涵养水源与减少水土流失的功能，对生态安全的建设有重要推动作用，林地面积越大越有利于生态安全，林地由规划目标1606.13km2优化到1678.50km2，增加了1.91%，这一结果也完全符合华池县近年来红色旅游发展和生态环境建设实际；建设用地面积由规划目标65.94km2优化到83.06km2，增加了0.42%，主要是规划目标中预期通过城乡建设用地增减挂和建设用地整治等走内涵挖潜的道路，提高建设用地利于率，对建设用地总量压减量较大，而2010～2015年实际落实的建设用地压减量有限。

3. 按照规划至2020年土地利用的生态效益总目标为4185.80万元，而模型优化的结果为4270.73万元，增加了84.93万元，表明基于生态安全的土地利用结构优化结果，更有利于华池县的土地生态安全，生态效益将有显著提高。

五、讨论与结论

综上所述，基于生态安全的华池县土地利用结构优化结果，优化了农用地内部结构，耕地、园地和牧草地的面积略有减少，林地面积有所增加，建设用地面积有所增加，其他土地面积有所增加，这一结果更加符合华池县实际情况，并使生态效益提高了84.93万元，促进了土地利用生态效益目标的最优化，有助于推进社会经济系统和生态系统的协调发展，符合绿色发展的理念。

本文利用PSR模型构建评价指标体系，用多因素综合评价法计算生态安全综合指数，开展生态安全评价，其结果为优化土地利用结构提供依据；并基于生态安全目标构建线性规划模型，进行土地利用结构优化，客觀设立约束条件并采用计算机技术进行求解，减少了规划中人为因素的干扰，使其结果更客观，所得土地利用结构优化结果具有更高的科学性和适用性。

在未来发展中，华池县应坚持落实节约集约用地制度，注重城乡协同发展，合理调整用地结构布局，适度增减建设用地管制分区，全面推进区域土地整理，大力开展土地复垦，适度开发后备土地资源，提高农业综合生产能力，改善农田生态环境，力促实现全县耕地保护目标和城乡用地统筹协调发展。

因为数据采集的原因，研究时段为2010～2015年，仅6年实践，跨度较小，不利于长期动态度的确定，并且在线性规划法中设置变量较少，对建设用地和其他土地没有进行细分，需要在后续研究中进一步强化。

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*基金项目：甘肃农业大学青年研究生指导教师扶持基金（GAU-QDF-2018-15）。

（作者单位：杜志鹏、刘学录，甘肃农业大学资源与环境学院；焦云腾、薛会蓉、程文仕，甘肃农业大学管理学院。程文仕为通讯作者）