基于生态环境保护的发达地区土地资源调控研究＊

孙 华 赵 晶 屈庆增

(南京农业大学土地管理学院,江苏南京 210095)

基于生态环境保护的发达地区土地资源调控研究＊

孙 华 赵 晶 屈庆增

(南京农业大学土地管理学院,江苏南京 210095)

研究目的:利用协调发展度定量评价无锡市土地利用与生态环境的关系,并选择适合无锡市的调控模式,促进生态环境与土地利用协调发展,从而达到土地资源可持续利用。研究方法:文献分析法、协调发展度模型法和BP神经网络模型法。研究结果:无锡市土地利用与生态环境协调发展度总体上呈现不断增加趋势,其中统筹兼顾模式较好的协调了土地利用与生态环境的矛盾。研究结论:运用协调发展度模型和BP神经网络模型对土地利用与生态环境协调发展进行评价和调控,具有较高的可信度与可操作性。

协调发展;评价;调控;无锡市

随着“国际地圈与生物圈计划”(IGBP)与“全球环境变化中的人文领域计划”(I HDP)等研究计划的开展[1-2],土地利用变化对生态环境的影响得到深入研究[3-6]。但是,对于如何协调土地利用与生态环境关系的研究较少,特别是土地利用与生态环境协调发展的调控几乎无人涉及。鉴于无锡市经济发展水平较高,人口密度较大,生态环境问题突出。因此,本文以无锡市为例,就土地利用与生态环境协调发展的评价与调控进行探讨,为无锡市可持续发展提供科学依据,并为深入开展这方面的研究奠定了基础。

1 研究区概况

无锡市地处江苏省东南部,全市总面积4 787.61hm2。地貌类型有平原、低山、丘陵、江河、湖泊等,以平原为主,星散分布着低山、残丘。属北亚热带海洋性季风气候,四季分明,气候温和,光照充足,雨量充沛,无霜期长。年均气温为15.7℃,年均日照1 993.6小时,年均降雨量1 048 mm,全年无霜期220天左右。无锡市土地利用率和产出率高,小城镇用地粗放,土地后备资源缺乏,水域面积较大,生态环境问题较为突出。

2 土地利用与生态环境协调发展评价

土地利用与生态环境之间存在着复杂的系统关系,要实现二者的协调发展就要对它们的协调发展程度进行评价。

2.1 评价指标体系

根据系统性、科学性、实用性、动态性等原则,借鉴类似研究并同时考虑无锡市的实际情况以及数据资料的可获取性,从土地利用系统及生态环境系统两个子系统入手建立土地利用与生态环境协调发展的评价指标体系,将指标体系分解为目标层、准则层、指标层等3个层次(见表1)。

2.2 协调发展度评价模型

借鉴廖重斌提出的协调度及协调发展度模型[7],综合评价土地利用子系统与生态环境子系统的综合发展水平以及两系统间的协调发展程度,本模型包括以下几个部分:

(1)土地利用水平综合评价函数f(x)和生态环境综合评价函数g(y)。土地利用水平、生态环境综合得分是计算土地利用与生态环境综合效益指数的基础,可分别表征土地利用水平与生态环境的发展程度,公式为:

式中:f(x),g(y)分别为土地利用水平、生态环境综合得分;m,n分别为土地利用子系统与生态环境子系统指标的个数;Wi,Wj分别为土地利用子系统与生态环境子系统各指标的权重;xi,yj分别为土地利用子系统与生态环境子系统各指标的标准化值[8]。

(2)土地利用与生态环境综合评价函数。

式中:T是土地利用与生态环境综合效益指数;α,β分别为土地利用水平、生态环境水平的权重。

(3)土地利用与生态环境协调度评价函数。协调度是用来反映土地利用与生态环境之间的协调程度的指标,公式为:

式中:C为土地利用与生态环境的协调度;f(x),g(y)分别为土地利用水平综合得分、生态环境综合得分;k为调节系数,k≥2,一般取值为2。

(4)土地利用与生态环境协调发展度评价函数。协调发展度是反映土地利用与生态环境协调发展水平的指标,一方面可体现土地利用与生态环境变化的同步性,另一方面可体现土地利用与生态环境的综合发展水平,公式为:

式中:D为土地利用与生态环境的协调发展度;C为土地利用与生态环境的协调度;T为土地利用与生态环境综合效益指数。

2.3 评价结果分析

根据上述评价模型,得到无锡市1998-2007年土地利用水平综合得分f(x)、生态环境综合得分g(y)、土地利用与生态环境综合效益指数T、土地利用与生态环境协调度C、土地利用与生态环境协调发展度D(见表2)。

由表2可知,1998年的协调发展度仅有0.273 2,而到2007年已经达到了0.819 3,无锡市土地利用与生态环境协调发展度总体上呈现增加趋势,说明无锡市土地利用与生态环境的关系总体上趋于缓和,生态环境质量有一定的改善。但这是因为土地利用中社会、经济效益的急剧提高造成的短期行为,生态环境仍面临着巨大的压力,生态环境保护形势仍不容乐观。

3 土地利用与生态环境协调发展调控

3.1 土地利用与生态环境协调发展调控的内涵

土地利用与生态环境协调发展调控实质是通过宏观上把握土地利用与生态环境的发展态势,弥补市场对生态环境的外部性缺陷,从而实现区域经济、社会、生态环境的协同发展。调控的内容包括产业结构、社会发展以及环境保护调控,调控手段包括规划、经济、行政调控手段等。

3.2 协调发展调控技术方法的选择

鉴于土地利用与生态环境耦合而成的协调发展系统具有复杂性、非线性等特点,本研究选取人工神经网络模型作为调控研究的技术方法[9]。

3.3 协调发展调控模型

3.3.1 调控指标的选择

全部指标用作调控,会使模型结构太复杂,影响网络运行时间和系统稳定性[10],因此,本文选用灰色关联方法选择主要因素作为调控模型的调控指标。本文运用DPS v7.55版进行处理,得到了土地利用子系统与生态环境子系统各指标间的关联度,选出单位土地面积固定资产投资额、每万人拥有科技人员数、城市居民人均可支配收入、人口密度、社会消费品零售额增长率等主要因素指标。同理,对生态环境系统,选出“三废”综合利用产品产值、城市环境保护投资指数、城市气化率、可吸入颗粒物日平均值、单位农用地化肥施用量等主要因素指标。

表1 无锡市土地利用与生态环境协调发展评价指标体系

表2 无锡市土地利用与生态环境协调发展度

3.3.2 模型网络设计

本文设定无锡市土地利用与生态环境协调发展调控模型有3层网络结构,即输入层、一个隐含层、输出层,神经元数为10;输出为协调发展度,即输出层神经元个数为1;隐含层神经元的个数是通过设计程序多次试验加以确定的,通过比较发现隐含层神经元为9时,BP网络对函数的逼近效果较好。综上,BP网络模型结构确定为10-9-1。其中,隐含层采用“S”型激活函数tansig,因输出层输出范围要限定在[0,1],因此采用logsig函数,利用Levenberg-Marquardt算法以保证网络快速收敛,以上网络设计均采用MATLAB 7.0的神经网络工具箱nntool完成。

3.3.3 模型网络训练与检验

网络的初始权重和偏差取随机值,学习速率为0.05,最终学习误差设置为0.000 01,对1998-2005年的样本数据进行训练,2006-2007年的数据作为测试样本,所有数据都经过了级差标准化处理。训练样本经过6次训练使网络趋于稳定,达到了目标误差要求,训练误差曲线如图1所示。利用2006-2007年的数据对模型进行测试,得出网络输入(见表3)。2006年仿真输出值的相对误差为0.130 1,2007年仿真输出值的相对误差为0.007 5,测试样本的实际输出与评价测算结果基本一致,说明网络的性能可以满足实际应用的要求,可以对不同调控模式下的协调发展度进行仿真测算。

表3 BP神经网络模型检验结果

图1 BP神经网络训练误差曲线图

3.3.4 调控模式设计

本文拟对无锡市2008-2012年的协调发展度进行仿真测算,设定以下调控模式。各调控模式调控参数值的确定是在趋势分析以及对比不同类型城市的参数基础上综合确定的。

(1)土地利用高产出模式。此模式强调经济、社会的高速发展,社会资源与各项投资向社会再生产倾斜,大力发展工业和第三产业,基础设施建设进程加快,占有大量农用地,对生态环境的保护力度不够,环境投资减少。

(2)生态环境保护模式。此模式强调生态环境保护,注意节约利用土地,注重对农用地,特别是耕地的保护工作,尽量减少建设占用,放缓经济增长速度,限制对生态环境有严重危害的产业的发展,严格控制人口数量,积极发展生态环境产业,加大对“三废”的利用率,对生态环境保护大量投资。

(3)统筹兼顾模式。此模式注重土地利用产出与生态环境保护的统筹发展,确保农用地合理高效利用,努力发展二三产业,同时注重减少工业发展对生态环境的危害,加强对生态环境产业的投资,优化产业结构,着力发展经济产出高、环境污染少的新型产业。

3.4 协调发展调控结果分析

运用训练好的BP神经网络模型,输入各调控模型的调控参数,得到无锡市土地利用与生态环境协调发展度的仿真输出(见图2)。

图2 三种调控模式下协调发展度变化

土地利用高产出模式的协调发展度从2008年开始降低,到2012年仅为0.473 0。由于这种模式只注重土地利用的经济、社会效益,忽视对生态环境的投资与保护,造成经济发展水平很高而生态环境质量急剧下降。在巨大的生态环境压力面前,土地利用的稳定高产出能力也会受到影响,这说明土地利用高产出模式对土地利用与生态环境的矛盾没有实施控制反而得到了激化,这与可持续发展相悖,是不合理的发展模式。

生态环境保护模式的协调发展度先升高后降低。由于这种模式注意节约利用土地、注重对农用地和生态环境的保护,生态环境质量较高。但是该模式对经济增长速度有了较大限制,牺牲了区域经济发展利益,虽然土地利用与生态环境的矛盾得以缓解,但长期的低经济增长速度会使区域经济发展水平落后,没办法持续支撑生态环境投资,土地利用与生态环境的矛盾会得到加剧。这种发展模式是一种只要生态环境、不要经济发展的模式,其合理性也值得商榷。

统筹兼顾模式的协调发展度稳定上升,到2012年上升到0.978 0。这种模式重视土地利用产出与生态环境保护统筹发展,着力发展经济产出高、环境污染少的新型产业,土地利用的产出水平较高,为生态环境产业投资和污染治理提供了资金保障,而良好的生态环境也为经济高速发展提供了基础,两者之间相互促进,达到了土地利用与生态环境的双赢,较好的缓解了土地利用与生态环境的矛盾,是一种值得推荐的发展模式。是比较适合于无锡市的发展模式。

4 结 语

土地利用与生态环境协调发展是区域可持续发展的必然要求,本文运用协调发展度模型定量评价了无锡市1998-2007年土地利用与生态环境的协调发展状况,研究结果表明无锡市土地利用与生态环境协调发展度总体上呈现不断增加趋势,土地利用与生态环境正朝着协调发展方向迈进。但是,生态环境仍面临着巨大的压力,生态环境保护形势仍不容乐观。在评价的基础上,引入BP神经网络方法建立了无锡市土地利用与生态环境协调发展调控模型,通过比较2008-2012年三种调控模式协调发展度的变化情况,发现统筹兼顾模式较好的协调了土地利用与生态环境的矛盾,能够促进生态环境质量的改善和区域经济的可持续发展。本文将BP神经网络方法用于土地利用与生态环境协调发展调控研究,取得了较好的研究结果,进一步拓展了协调发展研究的内容,对类似研究具有一定的借鉴价值。

(编辑:王爱萍)

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[9]李双成,等.河北省环渤海地区生态经济协调发展的人工神经网络分析[J].地理研究,1998,17(4):351-358.

[10]李双成,等.河北省环渤海地区生态经济协调发展的人工神经网络分析[J].地理研究,1998,17(4):351-358.

AbstractThe purpose of thispaper is to assess the coordinated development degree of land use and eco-environment inWuxiCity and choose the appropriate adjustment mode to promote the coordinated development of eco-environment and to realize sustainable use of land resources.Methods employed include documentation analysis,the coordinated development degree model analysis and BP neural net work model analysis.The result shows that the coordinated development degree of land use and eco-environment inWuxi City presents overall ever-increasing trends and that the overall consideration mode can reduce the contradiction bet ween land use and eco-environment,so it is a suitable mode forWuxi City.It is concluded that the the coordinated development degree model and BP neural network model has high reliability and practicability in evaluating and adjusting the coordinated development degree of land use and ecoenvironment inWuxi City.

Key wordscoordinated development;evaluation;adjustment;Wuxi City

Land Resources Regulation Based on Ecological Environmental Protection in Developed Regions

SUN Hua ZHAO Jing QU Q ing-zeng
(College ofLandManagement,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing Jiangsu 210095,China)

F301.2

A

1002-2104(2010)03专-0051-04

2009-12-31

孙华,副教授,主要研究方向为资源与环境规划、土地可持续利用。

＊国土资源部公益性行业科研专项经费项目“太湖流域土地利用管制技术研究”(No.200811087)资助。