許建定 張樹(shù)華 王百田 張春林

(1山西省水土保持科學(xué)研究所 2北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院)

晉西位于呂梁山西側(cè),黃河干流以東,屬我國(guó)黃土高原的東部,大部分地區(qū)為黃土丘陵溝壑區(qū)。這里擁有光熱、生物、能源及礦產(chǎn)等豐富的自然資源,具有悠久的開(kāi)發(fā)歷史,是山西省能源重化工基地和沿黃工業(yè)帶的重要組成部分,也是控制晉陜峽谷水土流失,保障黃河下游安全的重要地段。長(zhǎng)期以來(lái),由于自然因素及人為原因的影響,造成環(huán)境質(zhì)量日趨下降,自然災(zāi)害日益嚴(yán)重。區(qū)內(nèi)大部分耕地是坡地,跑水、跑土、跑肥現(xiàn)象普遍,熟化的表土不斷遭受侵蝕,使土壤肥力逐漸降低。盛行輪荒制和廣種薄收粗放經(jīng)營(yíng)習(xí)慣,糧食產(chǎn)量低而不穩(wěn)。一些縣缺乏煤炭資源,燃料、飼料、肥料短缺現(xiàn)象普遍,不少地方靠挖掘灌叢草根作燃料,加劇了水土流失。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長(zhǎng),對(duì)土地需求會(huì)日益增大,土地利用變化快,因此,遵循區(qū)域的自然規(guī)律,制定合理的土地利用規(guī)劃,開(kāi)展土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整,對(duì)于土地資源開(kāi)發(fā)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的意義。

1 自然資源及自然條件分析

方山縣屬于晉西黃土丘陵溝壑區(qū),境內(nèi)地勢(shì)北高南低,垂直變化明顯,最高點(diǎn)海拔 2831 m,最低點(diǎn)海拔 987 m,高差 1844 m。一級(jí)地貌類(lèi)型為山地、黃土丘陵、河谷三大類(lèi),三者的面積比為 6∶3.5∶0.5。由此可見(jiàn),山地為本縣的主要地貌類(lèi)型,黃土丘陵次之。除一些陡峻山地外,大部分地表仍覆有薄厚不一的黃土。三大地貌類(lèi)型的空間分布存在明顯的地域差異,形成了西南部黃土丘陵區(qū)、中南部河谷區(qū)和東北部山地區(qū)三大地貌類(lèi)型組合區(qū)。

境內(nèi)氣候?qū)贉貛О敫珊导撅L(fēng)氣候區(qū),年均氣溫4～9℃,年≥10℃的活動(dòng)積溫 2246～3088℃,無(wú)霜期 110～150 d。多年平均降水量 562 mm,年降水變率 ±19%,6～8月降水量占全年 62%。年平均蒸發(fā)量 1208 mm。氣候要素決定了境內(nèi)絕大部分地域在農(nóng)業(yè)利用上為一年一熟旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。由于內(nèi)部地勢(shì)變化大,使得主要?dú)夂蛞卮嬖谥黠@的地域分異,形成了西南部溫和半干旱氣候區(qū)和東北部溫涼半濕潤(rùn)氣候區(qū)。

境內(nèi)主要河流為北川河,一般河水流量為 1.5～2 m3/s,枯水期流量為 1.05 m3/s,最大洪峰流量達(dá)540 m3/s。東部山地為北川河河水流量的主要源泉。在光熱、降水條件控制下,方山縣的自然生態(tài)系統(tǒng)為森林草原景觀,其下發(fā)育的自然土壤為山地棕壤、灰褐土和草甸土,自然土壤表層有機(jī)質(zhì)含量1.23%～8.65%。

方山縣山高溝深,坡地居多,土壤質(zhì)地疏松,抗蝕能力差,而且土地干旱瘠薄,植被稀少,降雨強(qiáng)度大且集中,水土流失嚴(yán)重。據(jù)方山縣土地詳查資料,全縣水土流失面積 879 km2,占總面積的 61%,其中,輕度侵蝕 157.8 km2,中度侵蝕 290.1 km2,強(qiáng)度侵蝕 211 km2,劇烈侵蝕 202.1 km2。年均土壤侵蝕模數(shù) 6800 t/km2,年土壤流失量 597萬(wàn) t。

2 土地資源系統(tǒng)分析

2.1 土地利用現(xiàn)狀

據(jù)方山縣 2005年土地利用調(diào)查結(jié)果,土地總面積 143348.7 hm2,其中農(nóng)林用地 138131.65 hm2,占 96.36%;建設(shè)用地 3881.05 hm2,占 2.71%;未利用地 1336 hm2,占 0.93%。

農(nóng)林用地中,林地 107828 hm2,占 78.06%;耕地 24854.1 hm2,占 17.99%;園地 316.72 hm2,占0.23%;牧草地 3408.46 hm2,占 2.46%;水域1624.37 hm2,占 1.26%。在林業(yè)用地中,有林地面積 46356.1 hm2,疏林地面積 3140.8 hm2,灌木林29518.3 hm2,未成林林地 5320.5 hm2,苗圃地13.3 hm2,無(wú)立木林地 4899.9 hm2,宜林地面積18579.1 hm2。

建設(shè)用地中,城市用地 364.72 hm2,占 9.39%;集鎮(zhèn)用地 510.96 hm2,占 13.16%;農(nóng)村居民點(diǎn)2419.49 hm2,占 62.34%;工礦用地 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,鹽堿地5.73 hm2,沼澤地 0.63 hm2,沙地 0.17 hm2,裸土0.53 hm2,裸礫巖石 50.49 hm2,其他 430.59 hm2。

2.2 基準(zhǔn)年土地利用分析

方山縣基準(zhǔn)年(2005年)的基本數(shù)據(jù),包括土地利用率、土地墾殖率、林地指數(shù)、牧草地指數(shù)和土地人口承載力等方面。

2.2.1 土地利用率

土地利用率指農(nóng)林用地與建設(shè)用地兩項(xiàng)已利用土地面積占土地總面積的百分比,反映土地開(kāi)發(fā)利用的程度。方山縣這兩大類(lèi)土地面積之和為142012.7 hm2,土地利用率為 99.06%。全縣土地利用率高,與山西省 67.9%相比,高出 31.16個(gè)百分點(diǎn);與全國(guó) 71.76%相比,高出 27.3個(gè)百分點(diǎn)。

2.2.2 土地墾殖率

土地墾殖率指耕地面積與土地總面積之比,是衡量一個(gè)地區(qū)或農(nóng)業(yè)生產(chǎn)單位耕地開(kāi)發(fā)利用程度的指標(biāo)。方山縣土地墾殖率為 17.33%。

2.2.3 林地指數(shù)

林地指數(shù)指林地面積與土地總面積之比,反映林地開(kāi)發(fā)程度,是衡量生態(tài)效益的重要指標(biāo)。方山縣林地指數(shù)為 75.22%。

2.2.4 牧草地指數(shù)

牧草地指數(shù)指牧草地面積與土地總面積之比,反映牧草地資源及畜牧業(yè)發(fā)展情況。方山縣牧草地指數(shù)為 2.38%。

2.2.5 土地人口承載力

土地人口承載力指一定地區(qū)在一定營(yíng)養(yǎng)水平下土地所能持續(xù)供養(yǎng)的人口數(shù)量。研究主要集中在耕地的人口承載力,探討資源、人口、生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

土地人口承載力的計(jì)算主要以對(duì)該縣土地生產(chǎn)潛力、人口、耕地、糧食的計(jì)算和預(yù)測(cè)以及資金、科技投入的可能性分析為依據(jù)。土地生產(chǎn)潛力的計(jì)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分別為土地生產(chǎn)潛力、土地的氣候生產(chǎn)潛力、土地的光溫生產(chǎn)潛力和土地的光合生產(chǎn)潛力,單位為 kg/hm2;f(s),f(w),f(t)分別為土肥管修正系數(shù)、水份衰減系數(shù)和溫度衰減系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算,方山縣的平均土地生產(chǎn)潛力為 6334 kg/hm2,比實(shí)際產(chǎn)量 588 kg/hm2高出 13倍,顯示了該縣土地開(kāi)發(fā)潛力很大。方山縣 2005年糧食總產(chǎn)量為 14627×103kg,人口 14.18萬(wàn)人,按人均消費(fèi)糧食 400 kg(溫飽型消費(fèi)標(biāo)準(zhǔn))計(jì)算,得到方山縣基準(zhǔn)年的土地人口承載力為 36567人,不能滿(mǎn)足當(dāng)前的 14.18萬(wàn)人的糧食需求,土地承載力嚴(yán)重不足。

2.3 土地適宜性評(píng)價(jià)

方山縣屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū),土地發(fā)育質(zhì)量差,水土流失嚴(yán)重,養(yǎng)分含量低,遵循因地制宜和可持續(xù)發(fā)展的原則,確定土壤養(yǎng)分和水分是影響方山縣耕地質(zhì)量的主要因素。按耕地對(duì)農(nóng)作物的適宜程度和作物產(chǎn)量多少,將其分為一、二、三等。一等耕地面積為 1690.08 hm2,占耕地面積的 6.8%,這一部分土地主要集中在溝川,土地的利用基本不受限制,是全縣穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的地段;二等耕地面積18565.94 hm2,占耕地面積的 74.7%,地形平坦,侵蝕較弱,土地生產(chǎn)潛力較大,土地的利用主要受到水分的限制,是全縣糧食生產(chǎn)的潛力所在;三等耕地面積 4598.08 hm2,占耕地總面積的 18.5%,土地質(zhì)量差,水土流失嚴(yán)重,養(yǎng)分不平衡,土地肥力差,可以作為后備耕地資源。

未利用土地主要是荒草地、鹽堿地及裸礫巖石地等,由于其自然條件差,開(kāi)發(fā)利用難度大,投資較高,作為暫不適宜地,這一部分土地面積小,對(duì)縣域內(nèi)土地利用影響不大。

2.4 方山縣土地利用結(jié)構(gòu)的問(wèn)題

2.4.1 土地資源類(lèi)型多樣

方山縣地形復(fù)雜,地貌類(lèi)型多樣,境內(nèi)地勢(shì)北高南低,垂直變化明顯,不同的地貌類(lèi)型導(dǎo)致水勢(shì)分配差異,加上悠久的農(nóng)墾歷史以及地處暖溫帶的熱量條件,形成了種類(lèi)齊全、復(fù)雜多樣的土地類(lèi)型,為農(nóng)、林、牧各業(yè)的全面發(fā)展提供了基礎(chǔ)。

2.4.2 土地生產(chǎn)潛力低

方山縣人均土地占有量少,土地質(zhì)量差,同時(shí)由于氣溫低、光照時(shí)間短,并常有春寒、霜凍現(xiàn)象,農(nóng)作物生長(zhǎng)期短,土地生產(chǎn)力低。

2.4.3 耕地人均占有量減少,土壤污染嚴(yán)重

由于近年來(lái)退耕還林和人口增加等影響,耕地人均占有量有所減少。與 2000年相比,2005年人均耕地減少了 0.03 hm2。另一方面,由于大量使用農(nóng)藥和化肥,工業(yè)污染物、生活垃圾排放以及復(fù)雜的地形地貌,造成縣域土壤污染,水土流失嚴(yán)重。

2.4.4 建設(shè)用地總體利用程度不高,城鎮(zhèn)化水平低

全縣現(xiàn)有建設(shè)用地面積 3881.05 hm2,其中城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、獨(dú)立工礦用地、交通用地分別占建設(shè)用地總面積的 22.55%、62.34%、5.99%和9.12%。城鎮(zhèn)用地量少,規(guī)劃布局不合理;農(nóng)村居民點(diǎn)用地多,規(guī)模小,分布零散;獨(dú)立工礦用地主要以采掘業(yè)、資源粗加工為主,存在著一定量的廢棄地;交通用地偏少,也制約著縣域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的提高;水利設(shè)施用地的節(jié)水、蓄水、飲水、供水、保水的功能沒(méi)有完全發(fā)揮出來(lái)。小城鎮(zhèn)建設(shè)投入少,基礎(chǔ)設(shè)施滯后,全縣城鎮(zhèn)化水平低。

2.4.5 土地后備資源嚴(yán)重不足

全縣未利用地中的絕大多數(shù)因自然條件差,開(kāi)發(fā)利用難度大,屬于難利用地,宜利用土地少,主要為荒草地和裸巖地,面積合計(jì)為 898.35 hm2。

3 土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

3.1 線(xiàn)性規(guī)劃模型

線(xiàn)性規(guī)劃是運(yùn)籌學(xué)的一個(gè)重要分支,它是一種在具有確定目標(biāo)又有一定約束限制條件下,從所有可能的選擇方案中找出最優(yōu)方案的數(shù)學(xué)方法。線(xiàn)性規(guī)劃的應(yīng)用,最主要的是建立實(shí)際問(wèn)題的線(xiàn)性規(guī)劃模型。運(yùn)用線(xiàn)性規(guī)劃方法進(jìn)行土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化,就是要合理安排各業(yè)用地,兼顧生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,實(shí)現(xiàn)土地資源的合理配置。

線(xiàn)性規(guī)劃模型的基本形式如下:

目標(biāo)函數(shù):max(或 min)z=CX

約束條件:AX≤(或 =或≥)b,X≥0

式中:X=[x1,x2,…,xn]T;C=[c1,c2,…,cn]T;b=[b1,b2,…,bn]T,分別為決策變量向量、效益系數(shù)向量和資源限量。

3.1.1 目標(biāo)的確定

根據(jù)方山縣土地利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀,該縣同時(shí)面臨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的雙重任務(wù)。土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整的目標(biāo)是追求經(jīng)濟(jì)效益的最大化,以此作為決策的目標(biāo)函數(shù),同時(shí)將社會(huì)效益和生態(tài)效益作為約束條件,來(lái)反映方山縣土地利用總體規(guī)劃目標(biāo)年(2010年)的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

3.1.2 變量設(shè)置

以土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)為基礎(chǔ),結(jié)合方山縣土地資源利用的特點(diǎn)及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì),按照 2010年土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化要求,共設(shè)置了 11個(gè)變量:耕地(x1),林地(x2),園地(x3),牧草地(x4),水域(x5),城市用地(x6),集鎮(zhèn)用地(x7),農(nóng)村居民點(diǎn)用地(x8),工礦用地(x9),交通用地(x10),未利用地(x11)。

3.1.3 約束條件

根據(jù)方山縣國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十一個(gè)五年規(guī)劃綱要,到 2010年末,全縣地區(qū)生產(chǎn)總值達(dá)到11.62億元,人均地區(qū)生產(chǎn)總值達(dá)到 8000元以上,其中,第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)的比例達(dá)到 12∶50∶38,全縣城鎮(zhèn)化率達(dá)到 40%以上。根據(jù)該縣相關(guān)部門(mén)規(guī)劃控制指標(biāo)和預(yù)測(cè)值,選出與土地利用結(jié)構(gòu)關(guān)系密切的約束條件,包括 11個(gè)方面,15個(gè)約束條件。

(1)土地總面積約束。各類(lèi)土地面積之和等于方山縣土地總面積,即:x1+x2+x3+… +x11+x12=143348.7 hm2

(2)宏觀計(jì)劃約束。根據(jù)方山縣土地利用專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃,城市用地面積 x6≥400 hm2,交通用地面積 x10≥433 hm2,工礦用地面積 x9≤305 hm2,未利用地x11≥800 hm2。

(3)耕地面積約束。根據(jù)方山縣“十一五”時(shí)期國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展目標(biāo),到 2010年末,全縣實(shí)施退耕還林后,耕地面積將控制在 23756 hm2之內(nèi)。x1≤23756 hm2。

(4)生態(tài)保護(hù)及園地需求約束。依據(jù)方山縣2010年規(guī)劃控制目標(biāo),森林覆蓋率達(dá)到 50%,園地面積基本保持不變。x2≥109375 hm2,x3=316.72 hm2。

(5)飼草平衡約束。農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量按1000 kg/hm2,草地產(chǎn)量按 5000 kg/hm2,年末牲畜存欄數(shù)按 12萬(wàn)個(gè)羊單位,每個(gè)羊單位需飼草 450 kg匡算。 1000x1+5000x4≥120000×450 kg。

(6)城市用地需求約束。力爭(zhēng)到“十一五”末,城區(qū)建設(shè)面積達(dá)到 600 hm2。x6≤600 hm2。

(7)集鎮(zhèn)用地約束。X7=P·u/10000,式中,P=60000人,為集鎮(zhèn)人口預(yù)測(cè)數(shù);u=100(m2/人),為集鎮(zhèn)人均占地面積,參照城鎮(zhèn)用地標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合縣情擬定。

(8)牧草地面積約束。為了能集約經(jīng)營(yíng)牧草場(chǎng),實(shí)現(xiàn)規(guī)?；B(yǎng)殖,適當(dāng)調(diào)整面積加以限制。x4≤6500 hm2。

(9)實(shí)際情況和經(jīng)濟(jì)約束。水域用地、工礦用地和交通用地一般大于現(xiàn)狀。x5≥1624.37 hm2,x9≥232.83 hm2,x10≥353.05 hm2。

(10)農(nóng)村居民點(diǎn)用地需求約束。根據(jù)村鎮(zhèn)規(guī)劃,通過(guò)建設(shè)中心村,可整理出部分土地。x8≤2419.49 hm2。

(11)變量非負(fù)約束。 Xi≥0,i=1,2,3,…,11

3.1.4 目標(biāo)函數(shù)

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

目標(biāo)函數(shù)中各項(xiàng)系數(shù)為單位土地面積上的收益系數(shù)(元/hm2),按 2000年可比價(jià)格計(jì)算。各項(xiàng)系數(shù)為預(yù)測(cè)數(shù),采用回歸預(yù)測(cè)和經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)等方法求得。

3.2 模型求解

應(yīng)用 Microsoft Excel工具欄下的規(guī)劃求解功能,規(guī)劃求解是 Microsoft Office XP提供的加載宏。用于規(guī)劃求解的模型工作表中標(biāo)識(shí)的信息類(lèi)型包括目標(biāo)單元格、可變單元格和約束欄,通過(guò)輸入相應(yīng)的公式、變量及約束條件得到規(guī)劃求解結(jié)果(表 1)。

表1 方山縣土地利用現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)

4 土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案評(píng)價(jià)

4.1 土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,確定規(guī)劃期間各種地類(lèi)的調(diào)整面積,并進(jìn)行調(diào)整前后土地利用結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析。優(yōu)化調(diào)整前后的土地利用結(jié)構(gòu)變化情況見(jiàn)表1。根據(jù)規(guī)劃方案,土地利用率從基準(zhǔn)年的 98.99%增長(zhǎng)到規(guī)劃年的 99.43%,提高了 0.44%;耕地由于實(shí)施退耕還林還草工程以及集約化經(jīng)營(yíng)的需要,面積下降了 13.5%;生態(tài)環(huán)境的改善和森林覆蓋率的提高,使林地相對(duì)增長(zhǎng)幅度達(dá)到 1.43%;園地和水域面積基本保持不變;牧草地規(guī)劃年占土地總面積的 4.53%,較基準(zhǔn)年的 2.38%增加較多;以縣城建設(shè)為重點(diǎn)的城鎮(zhèn)化發(fā)展戰(zhàn)略使縣城用地和集鎮(zhèn)用地比例從占土地總面積的 0.25%和 0.36%均增長(zhǎng)到0.42%;村莊面積在合理規(guī)劃和土地整理后面積下降了 46.52%;交通用地提高了 22.65%;工礦用地提高了 31%;未利用地從占土地總面積的 1.01%減少到 0.57%。從表 1可以看出,全縣農(nóng)、林、草面積比例由基準(zhǔn)年的 7.2∶31.6∶1調(diào)整為規(guī)劃年的6.3∶32∶1,農(nóng)地比例下降,林地和草地比例增加。

4.2 規(guī)劃方案效益評(píng)價(jià)

規(guī)劃中采用線(xiàn)性規(guī)劃模型優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu),依據(jù)方山縣國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展規(guī)劃綱要,按照土地的適宜性和土地利用現(xiàn)狀分析,統(tǒng)籌兼顧,綜合平衡,調(diào)整后的土地利用結(jié)構(gòu)既有利于生態(tài)效益的發(fā)揮,又可提高土地利用的經(jīng)濟(jì)效益,為全縣國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)發(fā)展提供了土地保障。優(yōu)化的土地利用結(jié)構(gòu)目標(biāo)函數(shù)最大值(國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值)為 10.12億元,與方山縣 2010年國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo) 11.62億元相接近,其規(guī)劃方法是可行的,結(jié)果是合理的。

根據(jù)規(guī)劃年的土地利用情況,各項(xiàng)用地的整體社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益得到顯著提高。農(nóng)用地結(jié)構(gòu)得到合理調(diào)整,糧食用地略有減少,經(jīng)濟(jì)作物、林地、牧草地面積增加,林果業(yè)和畜牧業(yè)的比重上升較快。通過(guò)加強(qiáng)農(nóng)田水利建設(shè),改造中低產(chǎn)田,糧食總產(chǎn)穩(wěn)定在 2萬(wàn) t以上。森林覆蓋率提高,城市建成區(qū)綠化覆蓋率達(dá)到 30%,全縣河、渠、路、林配套成網(wǎng),新增治理水土流失面積1.83萬(wàn) hm2。基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)明顯改善,以公路為重點(diǎn)的交通建設(shè)和水利工程得到加強(qiáng)。城鎮(zhèn)建設(shè)步伐加快,城鎮(zhèn)化率達(dá)到 40%。

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