黄河上游生态脆弱区土地利用规模和结构调整的环境影响评价研究——以兰州市为例

孙会慧，石培基，颜丙金，刘春芳

（1.西北师范大学 地理与环境科学学院，甘肃 兰州730070；2.南京大学 地理与海洋科学学院，江苏 南京210023）

土地利用规划是在时空上对土地资源进行合理组织利用和经营管理的过程，最重要的特征是未来导向性，是对未来土地利用及其发展趋势所作的预先估算，其目的是提高土地利用率和土地生产率［1］，并为将来而保护好土地资源，以达到土地资源的可持续利用［2］。但随着我国工业化、城镇化进程的加快，区域土地利用问题显得尖锐而突出，严重影响了社会经济与生态环境的协调发展，因此尽早开展其环境影响评价显得尤为重要［3］。土地利用规划环境影响评价是针对土地利用的宏观结构与布局对环境与生态可能产生的影响作出的预测性评估［4］，它对于避免规划造成的生态环境影响有着重要性的战略意义。许旭等［5］采用生态系统服务价值核算法对北京市土地利用总体规划进行了环境影响评价；潘竟虎等［6］以干旱内陆河流域甘州区为例展开典型研究，采用生态安全综合指数及其评价方法进行了土地利用总体规划环境影响评价，其应用是有效和可行的；李淑杰等［7］运用生态足迹理论及其技术方法进行了吉林省土地利用总体规划环境影响评价的实例研究。但目前已有的土地利用规划环境影响评价缺乏对本身系统性的综合考虑，不能客观有效地评价土地利用规划导致的相关环境问题。据此，本文对中国近年来开展的土地利用环境影响评价的研究进行系统整合，构建了一个全面定量评价土地利用规模和结构调整的相关环境影响的模型体系，试图以黄河上游生态脆弱区—兰州市为研究对象，并结合此模型体系，探讨兰州市土地利用规划中土地利用规模和结构调整的环境影响，为土地利用规划环评的理论研究与实践工作提供借鉴。

1 研究区概况和数据准备

1.1 研究区概况

兰州市为甘肃省省会，地理坐标为35°34′20″—37°07′07″N，102°35′58″—104°34′27″E，地处黄河上游、甘肃省中部，是我国陆地的几何中心。该区位于陇西黄土高原的西部，青藏高原的东北缘，是我国地形第1阶梯向第2阶梯的过渡地区。境内大部分地区为海拔1 450～2 500m的黄土覆盖的丘陵和盆地，地势西部和南部高，东北低，黄河由西南流向东北横穿全境，切穿山岭，形成了峡谷与盆地相间的串珠型河谷。属于大陆性干旱气候，雨量少而集中，年均降雨量324mm，年蒸发量1 486mm，年均气温9.3℃。该地区农用地是土地利用构成中的主体，占土地总面积的86.64%，建设用地面积占4.51%，水域和自然保留地占总面积的8.86%。现辖永登、皋兰、榆中3县和城关、七里河、西固、安宁、红古5区，有29个乡、34个镇、46个街道办事处，市域面积13 085.6km2，2011年总人口为3 232 900人（以上部分资料来源于兰州自然地理志）。

1.2 数据准备

本研究主要采用三类数据：（1）土地利用数据，来源于《兰州市土地利用总体规划（2006—2020）》和兰州市国土部门提供的相关数据库；（2）社会经济统计数据，主要有1996—2005年的居民生活生产年消费总量、能源消耗总量、人口等数据，来源于统计部门提供的《1997—2006年兰州年鉴》；（3）标准转换数据，主要包括生态价值核算系数、生物资源的世界平均产量、单位化石燃料生产土地面积的平均发热量、均衡因子和产量因子等，均来源于相关规范标准及文献［8］和［9］成果。

生态价值核算系数采用了谢高地等［8］提出的生态系统单位面积的生态价值系数，在根据生态系统单位面积的生态价值系数进行生态系统服务价值核算时，考虑到兰州市的实际情况及土地利用规划中土地的分类方式做了相应的修改。园地是森林与耕地之间的一种用地类型，因此其生态价值系数取森林与农田的平均值［5］。兰州市的自然保留地大部分是由牧草地和耕地转换而来，因此其生态价值系数取耕地和牧草地的生态价值系数的平均值。调整后的生态价值系数如表1所示。均衡因子的选取是根据联合国粮农组织计算的有关生物资源的世界平均产量资料，耕地和建筑用地为2.8，林地和化石燃料土地为1.1，草地为0.5，水域为0.2［9］。产量因子的选择依据徐中民等［10］甘肃省的产量因子，耕地为1.49，林地为0.8，草地为2.19，建筑用地为1.49。

表1 各土地利用类型生态价值系数 元／hm2

2 研究方法

纵观目前国内外有关土地利用规划环境影响评价的各种模型方法，笔者认为构建土地利用规模和结构的环境影响评价模型体系主要应坚持以下原则：（1）科学性。应能够客观评价区域规划方案实施对相关环境要素及其所构成的生态系统可能造成的影响，构建的模型应具有明确的科学内涵和较好的度量性。（2）可操作性和实用性。相关的评价指标应易于从规划方案、国民经济统计数据、相关部门规划以及国土资源部门现有的资料中获取，使理论与实践得到良好的结合［11］。

本文的模型体系主要由规划前后土地规模和结构调整评价模型和规划前后土地规模和结构环境影响评价模型两大类构成，前者主要有多样性指数模型和动态度模型，后者主要有土地生态系统服务价值评价模型和生态足迹和生态承载力评价模型。利用该模型体系，可以全面评价土地规划中土地利用规模和结构调整的相关环境影响。

2.1 多样性指数模型

土地规模和结构多样化指数分析的目的是分析区域内各种土地的齐全程度或多样化状况，多采用吉布斯·马丁公式［12］：

式中：GM——多样性指数；Xi——第i种土地利用类型的面积；n——区域内土地利用类型数。此模型可以测算区域土地利用结构的多样化程度，GM越大，土地利用类型越多样。

2.2 动态度模型

某一土地利用类型的动态度是用来描述区域一定时间范围内某种土地利用类型数量的变化速度。土地利用动态度模型如下［13］：

式中：K——土地利用动态度；Ua，Ub——研究初期及研究末期某一种土地利用类型的数量；T——a到b的时间跨度，当T的时段设定为年时，K值就是该研究区某种土地利用类型的年变化率。

2.3 生态系统服务价值评价模型

土地作为各种陆地生态系统的载体，其利用方式的变化将直接影响生态系统所提供服务功能的种类和强度，通过对研究区域生态系统服务功能价值的核算，可以定量化地表示出土地利用规模和结构变化对生态环境的影响［14］。因此，本文将生态系统服务价值的核算方法应用到土地利用规模和结构调整的环境影响评价中，对其进行环境影响评价［5］。区域内生态系统服务总价值估算模型如下：

式中：ESV——研究区生态系统服务功能总价值（元）；VCi——第i类土地利用类型单位面积的生态功能总服务价值系数（元／hm2）；Ai——研究区内第i类土地利用类型的面积（hm2）；n——土地利用类型数目。

通过分析规划前后研究区域生态系统服务功能总价值的变化情况作为对该规划的环境综合性评价结论，并将结论反馈至调整该区域的规划，可以有效防止区域内生态服务功能价值的改变程度和速率过大，优化该规划土地利用的规模和结构。

2.4 生态足迹和生态承载力评价

生态足迹及其相关模型的计算结构可以用来反映土地利用总体规划的指标对周围环境的影响，因此，为了使土地利用规划前后的生态环境状况可测量，将规划后的土地规模和结构转化为具体的指标来测量兰州市的土地利用状况是否在生态系统承载力的范围内，对于这个研究目标，生态足迹方法是一种简单但综合的研究尝试。

生态足迹的计算公式如下：

式中：EF——总的生态足迹（hm2）；N——区域人口总数量（人）；ef——人均生态足迹（hm2／人）；Ci——人均消费量；Pi——i种消费商品的平均生产能力。

生态承载力的计算公式如下：

式中：EC——区域总生态承载力（hm2）；ec——人均生态承载力（hm2／人）；Ai——某类生物生产性土地面积；Ri——均衡因子；Yi——产量因子。

如果区域的生态足迹大于区域所能提供的生态承载力，就出现生态赤字；如果小于区域的生态承载力，则表现为生态盈余。此模型可为判断一个地区的生产消费活动是否处于当地生态系统承载力范围内提供定量依据，其模型如下：

式中：ED——生态 赤 字 （hm2）；ER——生态 盈 余（hm2）。

3 结果与分析

3.1 规划前后土地规模和结构变化评价

兰州市2005，2015和2020年的土地利用多样性指数如表2所示。由表2可以看出，至2020年兰州市土地利用结构多样化程度总体将呈上升趋势，但上升趋势不明显；农用地比例下降较快，由2005年的86.64%下降到2020年的40.19%，建设用地的比例由2005年的4.51%上升到2020年的6.72%。

尽管建设用地比例和农用地比例相差较大，但两者的差距在逐渐减少，这将增加对兰州市生态环境的压力。

表2 2005，2015和2020年兰州市土地利用变化情况

由表3可以看出，2005—2020年研究区各类土地利用面积均发生了较大的变化。除林地、建设用地及自然保留地面积增加外，其他土地利用类型面积均呈减少趋势。面积减少的地类中牧草地减少居首位，达到625 190km2，其次是耕地，达到38 323km2，再次为园地，达到2 177km2。面积净增的地类中自然保留地居首位，增加量580 086km2，其次是林地，增加量54 075km2，再次是建设用地，增加29 042km2。从变化幅度来看，自然保留地的变化幅度最大，变化率为537.09%，动态度为35.81%，其次为牧草地，其变化率绝对值为91.63%，动态度绝对值为6.11%，再次为林地，变化率绝对值和动态度分别为58.27%和3.88；变化幅度最小的为水域，其变化率绝对值为6.22%，动态度为0.41%。这说明在研究期间，耕地减少是因为在一些地区由于自然条件差，耕地产出低，加之农村劳动力的转移等，部分地区、农户不同程度地出现了耕地撂荒现象；林地增加的主要驱动因子是生态退耕政策的实施［15］；牧草地大量减少的原因是由于不合理利用及气候等，大量的牧草地将会退化为荒草地，进入自然保留地中；建设用地增加的原因主要是社会经济的发展，驱动因子主要是人口的增长、GDP的增长以及人均收入的增加、水利水电工程的建设等［16］。

3.2 规划前后土地规模和结构环境影响评价

3.2.1 规划前后兰州市的生态服务价值变化 根据式（4）计算了各地类的生态系统服务价值（表4）。从表4可以看出，兰州市生态系统服务价值在规划期内呈小幅度上升趋势，2015年规划期的预测值比2005年增加了2.76%，2020年规划期的预测值比2015年增加了1.53%，比2005年增加了4.33%，说明兰州市土地利用规划实施后会对生态环境造成一定的积极影响。2020年与2005年相比，耕地、园地、牧草地和水域的生态系统服务价值是下降的，其中牧草地的下降幅度最大，减少了91.63%；林地和自然保留地的生态系统服务价值是上升的，自然保留地的上升幅度最大，达到19.66亿元。

牧草地生态系统服务价值的减少是兰州市总生态系统服务价值上升幅度较小的主要因素，虽然林地的生态价值远高于牧草地、耕地的生态价值，但牧草地和耕地的生态价值的减少量远远高于林地生态价值的增加量，说明兰州市的土地利用结构变化相对明显，结构的调整直接导致了生态服务功能价值的改变，是和生态系统服务的经济价值量密切相关的［17］。

表3 兰州市土地利用类型面积变化及动态度

为降低土地利用规模和结构的调整变化对生态环境的影响，在未来发展过程中应注重对水域、林地、草地的保护，从而提高区域生态系统服务的整体功能，降低区域土地利用状况变化对生态环境的负面影响。

表4 兰州市各土地利用类型生态系统服务价值变化

3.2.2 规划前后兰州市的生态足迹变化 应用生态足迹模型，根据《兰州年鉴》的统计数据，对甘肃省兰州市1997—2005年的生态足迹进行量化计算和分析；并根据生态足迹与生态承载力的比较结果判断兰州市生产消费活动是否在生态系统承载力的范围内（表5）。

由表5可以看出，兰州市1997—2005年人均生态足迹是逐年上升的，由1997年的2.2 367上升到2005年的3.289 1，而人均生态承载力呈现出逐年下降的趋势，由1997年的0.812 3下降到2005年的0.702 1，因此生态赤字是逐年增加的，年均增长率达到9.07%，表明兰州市一直处于生态压力区。

表5 兰州市人均生态足迹动态变化 hm2／人

从生态需求的构成分析，兰州市生态赤字的形成主要是由于社会经济的发展及人口增长带动生态需求增加而导致的。兰州市对自然资源的利用逐年增加，目前已超出了自然生态系统的生态承载能力的范围，生态足迹与生态承载力之间的矛盾加剧，生态系统逐步退化，人地关系紧张。

采用兰州市1997—2011年的统计数据和规划数据，计算了其生态足迹，本文运用GM（1，1）模型对生态足迹的变化趋势进行预测［18］，得到2015和2020年的生态足迹数据。根据规划中的生态土地类型数据，计算出2015和2020年的生态承载力，进而得到生态赤字数据。从表5中可见，规划前（1997—2005年），生态足迹逐年增加，生态承载力逐渐降低，生态赤字逐年增加。这表明从1997—2005年，兰州市的生态供给满足不了生态需求，已经超出自然生态系统的生态承载能力的范围。规划后（2006—2020年）的生态足迹需求继续增加，生态承载力也呈现小幅增加，2020年生态赤字较2005年有所减小，由2005年的2.587 0减小到2020年的2.585 6，这表明本次土地利用规划可以在一定程度上促进兰州市生态环境的改善。

4 结论

（1）本文构建了一个全面评价土地利用规模和结构调整的相关环境影响模型体系，并以兰州市为案例进行了实践。利用多样性指数和动态度模型可以讨论规划前后土地利用结构多样性程度的变化趋势和土地利用类型数量的变化速度。兰州市土地利用结构多样化程度总体呈上升趋势，由2005年的0.631 0上升到2020年的0.640 9；兰州市的各类土地利用面积均发生了较大的变化，林地、建设用地及自然保留地的面积呈增加趋势，其他土地利用类型的面积均呈减少趋势。分析比较了兰州市土地利用规模结构调整前后的生态系统服务价值和生态足迹，其中生态系统服务总价值增加了3.90亿元，生态赤字减少了0.001 4hm2／人，验证了兰州市土地利用总体规划基本合理，表明兰州市能在发展经济的同时兼顾生态环境效益，同时也显示出该模型体系能够比较客观地评价土地利用规模和结构调整的相关环境影响，有一定的应用推广价值。

（2）兰州市应在不断提高土地利用效率的同时加强对生态环境系统的保护，在土地利用的过程中不断使生态功能得到优化，同时提高土地利用的多样性［19］，并且合理规划土地利用类型的比例，稳定土地生态系统［20］。通过农业用地结构内部调整，在保证基本农田数量不减少、质量不降低的前提下，增加林地和园地的面积。这就要求在编制新一轮土地利用总体规划时，要因地制宜，集中布局建设用地，加强对土地资源的合理利用。

（3）本文参考前人的研究成果较好地评价了兰州市土地利用规模和结构调整的相关环境影响，但本研究中的生态系统服务价值评价和生态足迹评价方法尚需进一步完善。关于生态功能服务价值系数、均衡因子等准确性的研究还需进一步的深入和改进。

［1］ Lautenbach S，Kugel C，Lausch A，et al.Analysis of historic changes in regional ecosystem service provisioning using land use data［J］.Ecological Indicators，2011，11（2）：678-685.

［2］ 徐慧，黄贤金，赵荣钦.基于建设用地增长边际效应的土地利用规划可持续性评价［J］.资源科学，2010，32（7）：1394-1397.

［3］ Kang S，Post W，Wang D，et al.Hierarchical marginal land assessment for land use planning［J］.Land Use Policy，2012，30（1）：107-112.

［4］ 谢花林，李秀彬，陈瑜琦.土地利用规划环境影响的生态安全评价方法初探［J］.资源科学，2010，32（1）：58-61.

［5］ 许旭，李晓兵，符娜.生态系统服务价值核算在土地利用规划战略环境评价上的应用：以北京市为例［J］.资源科学，2008，30（9）：1383-1386.

［6］ 潘竟虎，石培基，刘英英.干旱区县域土地利用规划环境影响的生态安全评价［J］.水土保持通报，2012，32（1）：248-250.

［7］ 李淑杰，窦森，刘兆顺.土地利用规划实施后吉林省环境变化评价［J］.中国软科学，2011，8（3）：122-125.

［8］ 谢高地，鲁春霞，冷允法.青藏高原生态资产的价值评估［J］.自然资源学报，2003，18（2）：190-194.

［9］ 赵军，陶明娟.兰州市2002年生态足迹计算与可持续发展状况分析［J］.地域研究与开发，2005，6（24）：114-115.

［10］ 徐中民，张志强，程国栋.甘肃省1998年生态足迹计算与分析［J］.地理学报，2000，55（5）：608-613.

［11］ 贾克敬，王宏，徐小黎.土地利用规模和结构调整的环境影响评价模型研究［J］.中国土地科学，2010，24（7）：48-51.

［12］ 张占录，张远索.基于生态规划理念的土地利用结构分析［J］.农业工程学报，2010，26（2）：355-358.

［13］ 程琳，李锋，邓华锋.中国超大城市土地利用状况及其生态系统服务动态演变［J］.生态学报，2011，31（20）：6195-6198.

［14］ 吴克宁，赵珂，赵举水.基于生态系统服务功能价值理论的土地利用规划环境影响评价［J］.中国土地科学，2008，22（2）：24-27.

［15］ 周嘉，高丹，常琳娜.生态系统服务功能评估在土地利用总体规划环境影响评价中的应用［J］.经济地理，2011，31（6）：1015-1018.

［16］ 李正，王军，白中科.喀斯特地区土地利用变化研究［J］.地域研究与开发，2011，30（2）：144-147.

［17］ 刘庆，王静，史衍玺.经济发达区土地利用变化与生态服务价值损益研究［J］.中国土地科学，2007，21（2）：19-22.

［18］ 陈彦光.基于Excel的地理数据分析［M］.北京：科学出版社，2010：260-269.

［19］ 何格，王珍，欧名豪.城市增长的土地利用总体规划协同调控绩效评价［J］.中国土地科学，2010，24（9）：65-69.

［20］ 刘勇.江苏省土地利用程度与区域生态效率关系研究［J］.中国土地科学，2010，24（4）：20-23.