低碳目標(biāo)導(dǎo)向的蘭州市土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

劉海猛，石培基，王錄倉，王祖靜

（西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

低碳目標(biāo)導(dǎo)向的蘭州市土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

劉海猛，石培基，王錄倉，王祖靜

（西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

研究目的：以蘭州市為案例探討低碳目標(biāo)導(dǎo)向的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化途徑。研究方法：模糊線性規(guī)劃，多元線性回歸分析，實證分析，對比分析。研究結(jié)果：從碳源和碳匯兩方面構(gòu)建模型顯示碳蓄積最大化優(yōu)化解與碳排放最小化優(yōu)化解基本吻合。對蘭州市2005年以及規(guī)劃目標(biāo)年的碳蓄積量和碳排放量進(jìn)行估算，與原規(guī)劃方案相比，優(yōu)化方案到2020年蘭州市年均碳蓄積量可增加14.7萬t，年均碳排放量可減少18.69萬t。通過多元線性回歸分析，建設(shè)用地和林地與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)關(guān)系最為密切，建設(shè)用地是主要的碳源，碳排放量約占97%，林地、耕地、牧草地是主要碳匯，碳蓄積量約占84%。研究結(jié)論：低碳目標(biāo)導(dǎo)向的優(yōu)化方案對于增匯減源的效果明顯，可為規(guī)劃方案今后的修編提供借鑒和補充，更好的實現(xiàn)土地資源合理利用和可持續(xù)發(fā)展的目的。

土地規(guī)劃；低碳；模糊線性規(guī)劃；蘭州

目前，全世界從對氣候變化的關(guān)注越來越密切，而中國的碳排放量已居世界第二，未來要保持可持續(xù)發(fā)展面臨著向低碳轉(zhuǎn)型的巨大挑戰(zhàn)?！叭蛱柬椖俊保℅CP）研究表明，2009年化石燃料燃燒和土地利用變化排放到大氣的二氧化碳分別為8.4±0.5PgC和1.1±0.7PgC，是引起全球氣候變化和溫室效應(yīng)的主要原因[1]。從大的時空尺度來看，土地利用/覆被變化的作用僅次于工業(yè)化過程中化石燃料燃燒的排放，自1850年以來全球土地利用變化引起的碳排放占全部溫室氣體二氧化碳排放的近1/3[2-3]。

土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一個規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、影響因素眾多的系統(tǒng)工程，規(guī)劃的最重要特征是其未來導(dǎo)向性，通過土地利用的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)環(huán)境效益三方面來綜合體現(xiàn)。目前相關(guān)研究大多偏重于土地的經(jīng)濟(jì)效益最大化，并從適宜性評價理論，景觀生態(tài)學(xué)，復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)，生態(tài)位理論，不確定性理論，精明增長等方面出發(fā)進(jìn)行了相關(guān)研究[4-7]，而對于生態(tài)環(huán)境效益及氣候變化背景下如何在土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整中實現(xiàn)低碳化的目標(biāo)關(guān)注不夠。從國外土地利用規(guī)劃發(fā)展趨勢來看，社會文化與生態(tài)環(huán)境問題越來越成為土地利用規(guī)劃的主題[8]，同時，土地利用規(guī)劃的制定和結(jié)構(gòu)的調(diào)整對于增加陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量，減少碳排放有著關(guān)鍵性的驅(qū)動作用[9-10]。基于此，本文選取中國西部典型的黃土丘陵區(qū)蘭州市為研究區(qū)域，以實現(xiàn)土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整的低碳化為切入點，運用模糊線性規(guī)劃的方法，從碳源和碳匯兩方面構(gòu)建模型，初步探討了土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種新途徑。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

蘭州地處黃河上游、甘肅省中部，總面積1.31萬km2，平均海拔1500m，屬黃土丘陵溝壑區(qū)。溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，溫差大，降水少?，F(xiàn)轄永登、榆中、皋蘭3縣和城關(guān)、七里河、安寧、西固、紅古5區(qū)。近年來蘭州市城市化水平逐年提高，按照十二五規(guī)劃2015年蘭州市城鎮(zhèn)化率就將達(dá)到80%，大量非農(nóng)業(yè)用地或農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)為城市建設(shè)用地是其主要表現(xiàn)，強烈的土地需求對土地利用的強度和結(jié)構(gòu)等造成較大的影響。

為了與已有的《蘭州市土地利用總體規(guī)劃（2006—2020年）》作對比，本研究的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化以2005年為基期，采用2005年的蘭州市土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)，以2020年為規(guī)劃目標(biāo)年，研究中參考的社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)和能源消耗數(shù)據(jù)主要來源于蘭州市歷年統(tǒng)計年鑒、蘭州市國民經(jīng)濟(jì)“十二五”規(guī)劃等。

2 研究過程

2.1 模糊線性規(guī)劃模型

式1為模型目標(biāo)函數(shù)，式2—3為約束條件，其中式3是決策變量非負(fù)約束條件；s.t.表示模糊約束，C為各用地類型碳源/匯系數(shù)；X為決策變量，表示各土地利用類型的面積。A為約束系數(shù)；B為資源限制量。

2.2 模型構(gòu)建

2.2.1 決策變量 根據(jù)蘭州市的土地利用現(xiàn)狀、土地結(jié)構(gòu)調(diào)整后的利用方向以及研究的需要,以2005年為基期，設(shè)置了7個決策變量（表1）。

表1 蘭州市土地利用結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及變量設(shè)置Tab.1 Present situation of land use structure and variable quantity

表2 化石燃料碳排放系數(shù)Tab.2 Carbon em ission coefficient of fossil fuel

2.2.2 目標(biāo)函數(shù) 不同土地利用類型的碳排放量可以確切地反應(yīng)研究區(qū)域碳排放的數(shù)量及變化，具有直觀的說明性。因此本文以低碳目標(biāo)為導(dǎo)向，綜合國內(nèi)相關(guān)學(xué)者對中國不同區(qū)域各類生態(tài)系統(tǒng)碳密度和碳貯量的研究[12-14]，以及蘭州市土壤和植被類型分布，得到不同土地利用類型的碳密度（表4）。土地利用碳排放可分為直接碳排放和間接碳排放，通過國內(nèi)外化石燃料碳排放系數(shù)的研究數(shù)據(jù)（表2）和蘭州市化石燃料的消耗量估算出蘭州市建設(shè)用地的間接碳排放系數(shù)為204.55 t/hm2·a，此數(shù)值遠(yuǎn)高于全國建設(shè)用地碳排放平均值55.8 t/hm2·a[15]，原因主要是蘭州市目前主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)是石油化工業(yè)，其他土地利用類型的直接碳排放系數(shù)參考賴力對中國西北地區(qū)的研究（表5）[16]。以此構(gòu)建出土地碳蓄積量最大目標(biāo)函數(shù)Max（Z）和碳排放量最小目標(biāo)函數(shù)Min（Z）。

碳蓄積量最大化目標(biāo)函數(shù)：

碳排放量最小化目標(biāo)函數(shù)：

2.2.3 模糊約束條件 研究區(qū)土地總面積為1310304.3 hm2，各類用地都不會超過這一數(shù)值，同時各用地類型不能為負(fù)，即：

根據(jù)耕地保有量任務(wù)和糧食安全的要求，到2020年基本農(nóng)田面積保護(hù)率不低于80%，并通過耕地減少量和供給量預(yù)測，確定容許量d為6000 hm2，耕地的模糊約束條件為

隨著我國養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，養(yǎng)殖戶養(yǎng)雞的規(guī)模也逐漸擴(kuò)大。隨著養(yǎng)殖逐漸趨向于規(guī)?；?，養(yǎng)殖戶飼養(yǎng)的雞數(shù)量和密度也在不斷提升。雞痘作為一種傳染性疾病，隨著養(yǎng)殖數(shù)量的上升和密度的增大，雞痘的危害也受到了養(yǎng)殖戶越來越高的重視。作為一種季節(jié)性病毒類傳染病，每年的8-11月都是雞痘的易發(fā)期。在養(yǎng)殖的過程中，盡管雞痘傳染性不是非常強，但是一但預(yù)防與控制不到位，還是會給養(yǎng)殖戶帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失。

出于經(jīng)濟(jì)社會環(huán)境的比較優(yōu)勢，預(yù)測園地會在基本穩(wěn)定原有面積基礎(chǔ)上略有增加，預(yù)測到2020年園地面積增幅將在上升6%—10%之間，設(shè)定其約束條件為

到2020年蘭州市森林覆蓋率的目標(biāo)是16%，然而考慮到蘭州現(xiàn)有宜林荒地面積以及自然環(huán)境條件限制和生態(tài)敏感性較高，確定林地模糊約束條件為

根據(jù)蘭州城鄉(xiāng)統(tǒng)籌布局和發(fā)展規(guī)劃，部分草地將逐漸轉(zhuǎn)換為城鄉(xiāng)建設(shè)用地和林地，不考慮退牧還草等生態(tài)工程,預(yù)測2020年草地面積約為529015 hm2，模糊約束條件為

農(nóng)用地和建設(shè)用地（包括城鄉(xiāng)建設(shè)用地和交通水利用地）承載的人口數(shù)應(yīng)控制在2020年預(yù)測人口之內(nèi)，即：為2020年農(nóng)用地的平均人口密度,GM（1，1）預(yù)測值為0.16人/hm2；M2為2020年人均建設(shè)用地，根據(jù)2005年現(xiàn)狀和蘭州市城市規(guī)劃預(yù)測值為180m2/人；P0為2020年預(yù)測人口數(shù)450—500萬，因此，該約束條件為

同時，中國正處在城市化快速發(fā)展中期，加上蘭州北部新區(qū)的開發(fā)建設(shè)，預(yù)測2020年城鄉(xiāng)建設(shè)面積將將增加25%—30%，即

由于沼澤、灘地等水域面積近些年中被大量地人為清除，加之西北地區(qū)干旱很難緩解，水域面積將有所下降，控制水域面積凈減少在5%—10%以內(nèi)，確定其約束條件為

根據(jù)蘭州市城市規(guī)劃，土地利用率將不斷提高，未利用地及其他類型用地會逐漸減少，通過線性回歸預(yù)測，到2020年蘭州市未利用地面積約為137144 hm2，即：

2.3 計算結(jié)果及分析

2.3.1 模型運算結(jié)果 運用MATLAB軟件包對模型進(jìn)行運算，優(yōu)化方案Ⅰ隸屬函數(shù)的隸屬度是maxλ=0.5，碳蓄積量最大值是132921920 t。優(yōu)化方案Ⅱ隸屬函數(shù)的隸屬度是maxλ=0.0003，碳排放量最小值是16009657 t。從而分別得到兩個函數(shù)的模糊最優(yōu)解，即碳蓄積量最大化和碳排放量最小化目標(biāo)下的各決策變量的最優(yōu)解（表3）。

2.3.2 結(jié)果分析 《蘭州市土地利用總體規(guī)劃（2006—2020年）》主要闡明規(guī)劃期內(nèi)蘭州市土地利用戰(zhàn)略，首要平衡的是經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求和基本農(nóng)田保護(hù)的矛盾，而對生態(tài)保護(hù)特別是碳平衡的理念考慮不多，是一個信息不完全的灰色系統(tǒng)，規(guī)劃實施過程中提出修改和完善的要求是正常的[17]。因此，筆者對蘭州市現(xiàn)行規(guī)劃的碳排放量/蓄積量效果進(jìn)行了評估，并與低碳目標(biāo)導(dǎo)向的模型優(yōu)化方案作對比（圖1），給出相應(yīng)的調(diào)整方向。

（1）碳蓄積量估算。陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)碳庫主要包括植被碳庫和土壤碳庫兩大部分。本文用不同生態(tài)系統(tǒng)的各碳庫的平均碳密度乘以相應(yīng)的面積后求得某特定區(qū)域的總碳庫的碳蓄積量（表4），計算公式為[18]：

表3 模糊線性規(guī)劃最優(yōu)解Tab.3 The optimal solution of fuzzy linear programm ing

式6中，T為區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量；Ai為第i種地類面積；Vi為第i種地類植被平均碳密度；Si為第i種地類土壤平均碳密度。

圖1 規(guī)劃方案和優(yōu)化方案的對比Fig.1 The comparison between the planned and optinized schemes

對比表4中規(guī)劃目標(biāo)和優(yōu)化方案，蘭州市2005年碳蓄積總量為11731.35萬t，按現(xiàn)有規(guī)劃方案到2020年將達(dá)到12518.56萬t，而兩個優(yōu)化方案的碳蓄積量均會超過12730萬t，即碳蓄積量將增加約8.52%，按15年規(guī)劃期計算，年均碳蓄積增長67.18萬t，較規(guī)劃提高了14.7萬t?？梢钥闯觯恋乩媒Y(jié)構(gòu)優(yōu)化的碳蓄積潛力很大。

（2）碳排放量估算。基于2005年各類土地利用類型碳排放系數(shù)和不同土地利用類型面積可估算出蘭州市2005年及規(guī)劃目標(biāo)年的碳排放量（表5），各個土地利用類型中建設(shè)用地的碳排放量占絕大部分，其次是牧草地和耕地，按照規(guī)劃方案到2020年碳排放量將達(dá)到1911.93萬t。而通過優(yōu)化方案設(shè)定的情景，兩個優(yōu)化方案比較接近，碳排放量比規(guī)劃方案最多可減少280.28萬t，可見低碳目標(biāo)導(dǎo)向的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的碳減排潛力也較大。

從2005年和規(guī)劃目標(biāo)年的數(shù)據(jù)可看出，在各類用地中牧草地和耕地所占的比重為62.39%—72.78%，但建設(shè)用地和林地與碳蓄積和碳排放之間的關(guān)系卻最為密切。通過多元線性回歸分析（表6），建設(shè)用地與林地的判定系數(shù)R2均達(dá)到了1.0，即它們與低碳目標(biāo)之間具有很高的相關(guān)性，是土地利用結(jié)構(gòu)低碳化調(diào)整的重點。從各類土地利用類型的碳蓄積和碳排放強度來看，林地、園地、牧草地和水域的邊際碳蓄積量較大，建設(shè)用地的邊際碳排放量最大。但由于研究區(qū)干旱少雨，水域面積很難擴(kuò)大，因此從低碳化角度，應(yīng)重點關(guān)注建設(shè)用地、林地、園地和牧草地的用地結(jié)構(gòu)調(diào)整。如果在現(xiàn)行規(guī)劃目標(biāo)的基礎(chǔ)上大幅增加林地面積規(guī)模，保障耕地、牧草地、園地面積，盡量控制建設(shè)用地的擴(kuò)張速度，促進(jìn)其他用地面積向林地、牧草地和園地轉(zhuǎn)換，將會對蘭州生態(tài)系統(tǒng)碳平衡產(chǎn)生顯著的效果，為建設(shè)低碳生態(tài)宜居的山水城市發(fā)揮重要作用。

4 結(jié)論及討論

（1）本文以蘭州市為研究區(qū)域，基于低碳化目標(biāo)構(gòu)建了區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的模糊線性規(guī)劃模型，分析對比土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整的三個方案，結(jié)果表明碳蓄積最大化目標(biāo)優(yōu)化解與碳排放最小化優(yōu)化解基本吻合，相比原規(guī)劃方案，到2020年蘭州市年均碳蓄積量可增加14.7萬t，年均碳排放量可減少18.69萬t，低碳目標(biāo)導(dǎo)向的優(yōu)化方案對于增匯減源的效果明顯，有效緩解陸地生態(tài)系統(tǒng)碳排放，達(dá)到合理利用土地資源和可持續(xù)發(fā)展的目的，從而驗證了模型的可行性，為規(guī)劃方案今后的修編提供借鑒和補充。

（2）本文運用生態(tài)系統(tǒng)類型法，借助碳密度和碳排放系數(shù)，分別對蘭州市2005年以及規(guī)劃目標(biāo)年的碳蓄積量和碳排放量進(jìn)行了估算。結(jié)果顯示，建設(shè)用地和林地與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡關(guān)系最為密切，建設(shè)用地是主要的碳源，碳排放量約占97%，林地、耕地、牧草地是主要碳匯，碳蓄積量約占84%。

表4 蘭州市土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整方案的碳蓄積量對比Tab.4 Carbon storage volume of different adjustment schemes in Lanzhou

表5 蘭州市土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整方案的碳排放量對比Tab.5 Carbon em issions of different adjustment schemes in Lanzhou

表6 多元線性回歸分析結(jié)果Tab.6 The results ofmultiple regression analysis

（3）人類活動所引起的土地利用/覆蓋變化是僅次于化石燃料燃燒的大氣圈碳庫的第二大來源，在轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，調(diào)節(jié)產(chǎn)業(yè)、能源結(jié)構(gòu)的同時，加強對土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和布局的調(diào)整，對我國實現(xiàn)2020年單位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%—45%的目標(biāo)具有重要意義。

（4）在全球氣候變化和社會經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的背景下，本文在土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型中引入低碳化的考量，但該過程是一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，并且由于中國土地利用變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳排放/碳蓄積量影響大、機(jī)理復(fù)雜、空間特征多樣、不確定性因素多，在結(jié)合案例進(jìn)行探索時存在較多問題，例如對于建設(shè)用地碳排放系數(shù)始終是以2005年為參考，未考慮其動態(tài)性，增加了模型運算的誤差。因此在今后的研究和實踐中有待于進(jìn)一步探討完善。

（

）：

［1］GCP-Carbon Budget2010［EB/OL］.http://www.globalcarbonproject.org/carbonbudget/index.htm,2011/2012.

［2］Lam bin E F,Turner BL II,Geist H J,etal.The causes of land use and land-cover change:moving beyond themyths［J］.Global Environmental Change,2001,11:261-269.

［3］HOUGHTON R A.The annual net flux of carbon to the atmosphere from changes in land use 1850— 1990［J］.Tellus Series B,1999,51:298-313.

［4］錢敏，濮勵杰，朱明，等.土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究綜述［J］.長江流域資源與環(huán)境，2010，19（12）：1410-1415.

［5］楊春玲，秦明周，閆艷.基于生態(tài)位理論的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究——以鞏義市為例［J］.生態(tài)經(jīng)濟(jì)，2008，（10）：24-28.

［6］張振興，郭懷成，陳冰，等.干旱地區(qū)經(jīng)濟(jì)——生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)規(guī)劃方法與應(yīng)用［J］.生態(tài)學(xué)報，2002，22（7）：1018-1027.

［7］任奎，周生路，張紅富，等.基于精明增長理念的區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置——以江蘇宜興市為例［J］.資源科學(xué)，2008，30（6）：912-918.

［8］王玉波，唐瑩.國外土地利用規(guī)劃發(fā)展與借鑒［J］.人文地理，2010，25（3）：24-28.

［9］陳溪，王子彥，匡文慧.土地利用對氣候變化影響研究進(jìn)展與圖譜分析［J］.地理科學(xué)進(jìn)展，2011，30（7）：930-937.

［10］Togtohyn Chuluun,Dennis Ojima.Land use change and carbon cycle in arid and semi-arid lands of Eastand Central Asia［J］.SCIENCE IN CHINA（Series C）,2002,45:48-54.

［11］王萬茂.土地利用規(guī)劃學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2006：152-156.

［12］方精云，郭兆迪，樸世龍，等.1981—2000年中國陸地植被碳匯的估算［J］.中國科學(xué)D輯，2007，37（6）：804-812.

［13］李克讓，王紹強，曹明奎.中國植被和土壤碳貯量［J］.中國科學(xué) D輯，2003，33（1）：72-80.

［14］鐘學(xué)斌，喻光明，何國松，等.土地整理過程中碳量損失與生態(tài)補償優(yōu)化設(shè)計［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2006，25（3）：303-308.

［15］董祚繼.低碳概念下的國土規(guī)劃［J］.城市發(fā)展研究，2010，17（7）：1-5.

［16］賴力.中國土地利用的碳排放效應(yīng)研究［D］.南京：南京大學(xué)博士學(xué)位論文，2010.

［17］王萬茂.規(guī)劃的本質(zhì)與土地利用規(guī)劃多維思考［J］.中國土地科學(xué)，2002，16（1）：4-6.

［18］Foley JA.An equilibrium modelof the terrestrial carbon budget［J］.Tellus Series B，1995，47：310-319.

Optim izing Land Use Structure for Low Carbon Target：A Case Study in Lanzhou of Gansu Province

LIU Hai-meng,SHIPei-ji,WANG Lu-cang,WANG Zu-jing
（College of Geography and Environmental Science,Northwest Normal University,Lanzhou 730070,China）

The purpose of this paper is trying to put forward a new approach to optimize the land use structure to realize the low carbon target.Fuzzy linear programming,multiple regression analysis，empirical analyses and comparative analysis were employed in this paper.The results show that the objective to make carbon storage maximization,to make carbon emissions minimization is consistent.By estimating the carbon stock volume,carbon emissions,contrast the former planning with the optimization scheme based on low carbon target,the carbon stock volume will grow 147000 tons a year on average and the carbon emissions will reduce 186900 tons a year on average from 2005 to 2020 in Lanzhou.Construction land and forest land have the closest relations with the land ecological system carbon cycle by multiple regression analysis.The construction land is themain carbon source which composes of about 97%.Forest land,cultivated land and grassland are themain carbon sink which accounted for about 84%of all.Conclusion indicating,the two optimizing schemes have dramatically beneficial effect on increase carbon sink and reduce carbon source,which can provide reference and supplement for the revision later and realize the rational utilization of land resources and the sustainable development.

land use planning;low carbon;fuzzy linear programming;Lanzhou

F301.23

A

1001-8158（2012）06-0055-07

2012-03-04

2012-05-29

國家自然科學(xué)基金項目（40971078）。

劉海猛（1989-），男，山東淄博人，碩士。主要研究方向為城市與區(qū)域發(fā)展、土地利用。E-mail:smartjingfeng@163.com

石培基（1961-），男，甘肅臨洮人，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向為城市與區(qū)域發(fā)展規(guī)劃、國土整治。E-mail:shipin@nwnu.edu.cn