基于生态足迹的土地利用结构优化研究综述

李桃桃，张龙飞，赵筱青*

(1.云南大学 资源环境与地球科学学院，云南 昆明 6500911；2.武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉 4300722)



基于生态足迹的土地利用结构优化研究综述

李桃桃1，2，张龙飞1，赵筱青1*

(1.云南大学 资源环境与地球科学学院，云南 昆明 6500911；2.武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉 4300722)

生态足迹是定量衡量区域可持续发展的一种重要方法，将生态足迹方法应用于土地利用结构优化中可以衡量某区域土地利用结构的合理与否。通过文献资料法、综合归纳分析法，阐述了生态足迹和土地利用结构优化的定义、模型和方法，重点突出了基于生态足迹的土地利用结构优化的优点和研究进展，得出结论：生态足迹模型近年来被推广应用于土地利用结构优化领域，基于生态足迹的土地利用结构优化是生态足迹与多目标线性规划模型相结合的优化方法，生态足迹方法与多目标规划模型相结合应用在土地利用结构优化中，弥补了多目标规划模型由于生态目标难以测度而存在的局限性；基于生态足迹的土地利用结构优化研究是一个较新的研究领域，相关研究在数量和质量上均有很大提升空间，未来有待于进一步深入研究。

生态足迹；土地利用结构优化；进展

优化土地利用结构是在保证土地利用效率最大化的约束下，解决土地供需平衡和合理分配国民经济各部门之间的土地资源的有效途径。由于土地利用的区域性差异，于是便产生了一定区域范围内土地资源利用结构优化问题[1]。归根到底土地利用结构优化是为了实现土地的可持续发展，而在量化可持续发展程度方面，生态足迹法凭借其新颖的角度和很强的可操作性成为测度可持续发展研究的前沿和热点，因此生态足迹法可以测度区域土地利用是否具有可持续性，进而说明该区域土地利用结构是否合理。鉴于此，本文对生态足迹和土地利用结构优化概念、模型和方法进行了介绍，综述了生态足迹和土地利用结构优化最新研究进展，突出了基于生态足迹的土地利用结构优化的优点，以期推动人们对生态足迹的认识和应用以及对基于生态足迹的土地利用结构优化的深入研究。

1 概念识别

1.1 生态足迹

1992年加拿大生态经济学家William教授第一次提出了生态足迹概念，将生态足迹形象地比喻为“一只负载着人类与所创造的城市、工厂…的巨脚踏在地球上留下的脚印”[2]。之后他的博士生Wackernagel于1996年进一步完善了生态足迹的定义。其定义是：任何已知人口(某个个人、一个城市或一个国家)的生态足迹是生产这些人口所消费的所有资源和吸纳这些人口所产生的所有废弃物所需要的生物生产性土地的总面积和水资源量[3]。

1.2 土地利用结构优化

关于土地利用结构优化的概念，Plummer L N在1993年给出了定义：“土地利用结构优化是为了达到一定的生态经济最优目标，依据土地资源的自身特性和土地适宜性评价，对区域内土地资源的各种利用类型进行更加合理的数量安排和空间布局，以提高土地利用效率和效益，维持土地生态系统的相对平衡，实现土地资源的可持续利用”[4]。随着时代的进步，土地利用结构优化的定义不断得到完善，作者认为最科学、最全面的定义是土地利用结构优化是开发利用土地，促进社会、经济、生态的协调可持续发展。这种优化主要是针对区域内特定土地资源在土地利用方式、数量结构、空间布局以及综合效益等方面的优化。

2 模型和方法

2.1 生态足迹方法

生态足迹法将一定区域内的生物资源和能源的消费与供给，经过标准化处理后折算为一定的生态生产性面积需求(即生态足迹)与自然供给(即生态承载力)。然后再通过比较分析这种供需状况，来判断出一个国家或地区的经济社会发展是否处于该国或地区的生态承受能力范围内[3](即处于生态赤字或生态盈余状态)。

2.2 土地利用结构优化模型和方法

国外土地利用结构优化研究注重引入遥感、计算机和数学方法，注重技术手段的引入。土地利用规划包括结构和布局的优化，即土地数量结构的优化和空间布局的调整；在中国，近年来土地利用规划方法已开始由定性向定性与定量相结合，由静态规划向动态规划，并逐步向规划的模型化和信息化方向发展，各种线性和非线性规划及多目标规划的方法开始应用于土地利用规划中。规划中大量采用模型优化方法是现代土地利用规划科学的趋势之一。目前来说，应用较多的模型和方法如表1。

表1 土地利用结构优化模型和方法Tab.1 Model and method of land utilization structure optimization

基于生态足迹的土地利用结构优化即是生态足迹方法与多目标规划模型相结合的一种土地利用结构优化方法。在土地利用结构优化中应用最广泛的优化方法便是多目标规划模型，近年来，多目标规划方案已广泛应用于土地利用结构优化中，但是由于生态目标的难以量化也使这种方法具有一定的局限性，生态足迹方法的出现正好弥补了这一缺陷。

3 生态足迹研究进展

自生态足迹提出以来，就在学术界得到迅速发展，尤其是《我们的生态足迹——减少我们对地球的影响》一书的出版让生态足迹模型受到各国政府和学者的重视，成为分析人类对自然影响、评价可持续发展的重要工具之一。

在国外，生态足迹模型被广泛应用于不同尺度的区域可持续发展度量和生态经济的多个领域，如1997年wackernagel等人在《国家生态足迹》报告中首次应用生态足迹模型对世界上52个国家和地区1997年的生态足迹进行了测算。自1998年以来，世界野生生物基金会(WWF)每两年发布一份《地球生命力报告》，显示生态环境状况和人类活动对生态环境的影响，公布世界各国生态足迹。Cany McDonald和Dr Munay Patterson计算了新西兰的生态足迹[13]；国外应用生态足迹研究方法确定特定人类(群)的土地需求研究也越来越多[13]。

国内应用研究主要集中于区域可持续发展评价，包括静态研究和长时间序列动态测度研究如张佳琦等以苏州市为例，应用生态足迹分析法对苏州市2010年生态足迹及生态承载力进行核算，结果表明苏州市2010年人均生态足迹为6.48 hm2，人均生态承载力为0.27 hm2，人均生态赤字高达6.21 hm2，城市生态系统处于不可持续的发展状态[14]；刘运伟等以四川省统计年鉴数据(2000～2012)为依据，对四川省2000～2011年生态足迹进行计算，结果表明四川省2000～2011年生态赤字逐年扩大，从0.642 80 hm2增加到1.548 83 hm2，区域生态环境呈相对不可持续发展状态[15]。近年来生态足迹被推广应用于环境影响评价[16]、区域生态安全评价[17]、水资源[18]和旅游环境研究[19]、土地利用结构优化[20]等领域。

4 土地利用结构优化研究进展

长期以来，传统的土地优化配置研究主要关注土地利用数量结构的优化，而忽略了土地利用空间布局优化，影响了土地生态系统的平衡和土地资源的可持续利用。近年来随着GIS、RS等空间分析技术的应用，土地利用空间格局分析的研究逐渐增多，土地利用空间结构优化得到发展；数量和空间结构两者优化的结合研究也越来越多[21]；在结构优化目标选择方面由早期只重视单目标经济效益的最大化到慢慢开始重视多目标的实现，近年来有关研究多以经济社会生态综合效益的最大化作为优化目标。本文从结构优化和目标选择两大方面对土地利用结构优化研究进展进行探讨。

4.1 结构优化

4.1.1 土地利用数量结构优化研究进展

土地利用的数量结构优化是最先出现的研究课题，国内外发表的诸多文献中也以土地利用数量结构优化居多，如黄剑以成都平原为例运用多目标规划法在不同经济发达程度的区域内建立土地利用结构优化决策模型对其土地利用数量结构进行了优化调整；李国华以南京市为例采用灰色多目标模型从数量上对其土地利用结构进行了优化调整。目前土地利用数量结构优化研究已比较成熟，结合国内外发表的文献，土地利用数量结构优化用到的优化方法有线性规划法、灰色预测法、多目标规划法、系统动力学模型以及近些年出现的生态足迹分析法和生态绿当量法。

4.1.2 土地利用空间结构优化研究进展

国内学者从理论原则、模型构建、算法优化和GIS应用等方面，结合系统动力学、景观生态学和GIS地学分析等相关学科的渗透，对土地利用空间优化配置方法进行了探索性研究。如张鸿辉等在多目标约束下构建了城市土地利用优化配置的多智能体系统与微粒群集成优化算法对长株潭城市开展土地利用空间优化配置[22]；龚健等分别研究建立了耕地需求量预测的灰色马尔科夫链预测模型和基于SD&MOP的土地利用结构优化模型[23]；马世发等采用近年来新兴的粒子群优化算法，构建了基于粒子算法的土地利用空间优化模型[24]。当前土地利用空间优化配置的方法有结合GIS的优化方法、CA模型、CLUE-S模型、MAS模型。

4.1.3 土地利用数量和空间结构两者结合优化研究进展

不少学者在土地利用数量结构优化配置研究的基础上进行了土地利用空间优化布局的研究，目前国内发表的文献中数量和空间结构优化的结合研究也越来越多。如王汉花等运用生态位模型对土地资源数量结构进行优化进而将数量优化结果作为CA模拟的约束条件对空间布局进行优化，实现了土地资源数量结构优化与空间布局优化的统一；汤玉玲通过多目标规划模型优化哈尔滨市土地数量结构，又构建了基于遗传算法的空间配置模型，借助遗传算法空间搜索能力得出哈尔滨市空间结构优化配置结果。但是数量结构与空间结构的综合优化研究有待于进一步完善，特别是数量优化模型和空间布局优化模型耦合的关键技术、关键环节研究有待突破，多模型综合优化和模型改进优化的研究有待于进一步探索。

4.2 优化目标的选择

4.2.1 单目标的选择

土地利用经济效益评价研究是土地利用效益评价研究中最早进行的，因此土地利用结构优化研究最早也是以追求经济效益的最大化为主。如李艳等以雅安市雨城区为例基于GDP即以土地利用的经济效益为优化目标对其进行优化调整[25]；张军以福建省闽清县为研究区域，应用灰色线性规划模型以土地利用的经济效益为主要目标建立土地利用的结构优化模型，构造供选方案并用层次分析法以及定性分析的方法进行方案选优。只追求经济效益而忽视社会和生态效益的土地利用结构优化不能实现土地利用的可持续性，随着社会的发展这种优化方案也逐渐被抛弃。

4.2.2 多目标的选择

在20世纪60年代以后，学者们才开始对土地利用社会效益进行研究，在土地利用结构优化中社会效益也没有直接作为目标函数而是用约束条件体现出来。对土地利用生态效益的研究起步较晚，人们在近30年对生态环境问题逐渐重视，在土地利用结构优化研究中开始追求经济社会生态综合效益的最大化。如武启祥基于遗传变异法，在确保土地生态系统服务功能最优和土地利用经济、社会、生态效益综合最佳的情况下，为满足利益需求者的不同目的，提供了最优的土地利用结构和用地布局多种选择方案[26]；奚砚涛等基于生态足迹定量分析方法对江苏省徐州市进行土地利用结构优化的研究中，根据徐州实际情况寻求经济效益目标同时兼顾社会和生态效益进行优化。目前土地资源优化配置追求的优化目标均是经济、社会和生态多目标的实现，是对综合效益的优化，不再是单纯追求某一个效益。

5 基于生态足迹的土地结构优化研究进展及优点

通过对生态足迹最新研究进展的综述可以看出生态足迹模型被广泛应用于区域可持续发展度量、环境影响评价和区域生态安全评价等领域，近年来被推广应用于水资源和旅游环境研究、土地利用结构优化等领域。生态足迹在土地利用结构优化方面的应用2006年以来在中国得到发展，经过文献检索目前国内发表的相关文献仅有4篇(表2)，且文献以土地利用数量结构优化为主没有与土地利用空间结构优化有机结合，在目标选择上也只选择了经济和生态目标，忽视了社会目标。文献多为硕士论文，核心期刊未见相关文献，由此可以看出基于生态足迹的土地利用结构优化研究在数量和质量方面均有很大的提升空间。国外学者对这方面的研究则更少，生态足迹多被应用于城市可持续发展的度量和经济领域，经过文献检索还未发现生态足迹在土地利用结构优化方面的应用。

表2 基于生态足迹的土地利用结构优化研究的主要文献表Tab.2 Main research documents of land utilization structure optimization based on ecological footprint

目前来说土地利用结构优化中虽然都考虑了经济社会和生态效益，但是由于生态效益和社会效益难以具体量化形成最大或最小目标函数，所以多数是以经济效益最大化作为目标函数，社会效益和生态效益目标函数均转化为约束条件进行处理和运算，但是往往很多时候社会和生态效益方面的资料难以获取导致约束条件选取不全面进而会影响优化结果。生态足迹分析方法则实现了生态目标的测度，它通过研究区域生态足迹与生物承载力之间的关系得到生态赤字，生态赤字的大小可以反映出生态效益的高低，以生态赤字最小作为目标函数既解决了生态效益难以量化的难题又提高了土地利用结构优化的效果。因此基于生态足迹的土地利用结构优化相比于其他土地利用结构优化具有一定的优势，值得进行深入研究。

6 结论与讨论

生态足迹模型被广泛应用于区域可持续发展度量、环境影响评价和区域生态安全评价等领域，近年来被推广应用于水资源和旅游环境研究、土地利用结构优化等领域。土地利用结构优化由最初注重土地利用数量结构优化到土地利用空间优化的发展，土地利用数量结构和空间结构优化方法均多种多样，各有优缺点。基于生态足迹的土地利用结构优化是生态足迹与多目标线性规划模型相结合的优化方法，生态足迹方法实现了生态目标的测度，与多目标规划模型相结合应用在土地利用结构优化中正弥补了多目标规划模型由于生态目标难以测度而存在的局限性，因此基于生态足迹的土地利用结构优化具有重要的研究意义。

生态足迹应用在土地利用结构优化中具有一定优势，但是生态足迹的静态性使其不能全面反映生态系统未来的发展趋势，且生态足迹模型计算过程只反映土地政策对环境的影响，没有加入土地利用中可能出现的其他因素。在研究区域上，生态足迹无论是在土地利用结构优化中的应用还是在其他领域的应用，主要集中在城市和平原地区，较小尺度的研究尚未可见。未来基于生态足迹的土地利用结构优化研究需要在两个方面加强研究：一是加强对长时间跨度的时间序列动态分析，改变其静态性；二是扩大应用范围，加强对较小尺度(如县和乡镇)和山区土地利用结构优化的研究应用。

[1]冯广京，严金明.土地利用总体规划修编的战略思路[J].中国土地科学，2002，16(2)：4-7.

[2]Ree W E.Ecological footprint and appropriated carrying capacity；what urban economics leaves out[J].Environment and Urbanization，1992，4(2)：121-130.

[3]Wackernageal M，Ree W E.Our ecological footprint；Reducing human impact on the earth[M].Gabrioala；New Society，1996.

[4]Plummer L N.水-岩相互作用地球化学模型的回顾与展望[J].周文斌译，华东地质学院学报，1993，16(2)：128-135.

[5]张前进，李笑笑.土地利用结构优化配置方法研究综述[J].天津城市建设学院学报，2013，19(1)：10-15.

[6]马礼，郭万翠，李敏.沽源县农业土地利用结构优化研究[J].农业系统科学与综合研究，2011，27(1)：66-71.

[7]范国兵.基于灰色线性规划的长沙市土地利用结构优化研究[J].赤峰学院学报：自然科学版.2014，30(10)：88-90.

[8]李建龙，师学义，祝宇成.基于生态绿当量的土地利用结构优化——以晋城市城区为例[J].江苏农业科学，2015，43(5)：371-374.

[9]刘荣霞.土地利用结构优化方法述评[J].北京大学学报.2005，41(4)：655-662.

[10]杨莉，何腾兵，林昌虎，等.基于系统动力学的黔西县土地利用结构优化研究[J].山地农业生物学报，2009，28(1)：24-27.

[11]苗作华，黄志平，陈勇，等.基于细胞自动机理论的土地利用空间布局研究[J].湖北农业科学，2014，53(18)：4301-4305.

[12]袁满，刘耀林.基于多智能体遗传算法的土地利用优化配置[J].农业工程学报，2014，30(1)：191-199.

[13]Gany MeDonald，Dr Murray Patterson.Ecological Footprints of New Zealand And its Regions，Environmental Reporting Technical paper http：///www.environment.govt.nz.

[14]张佳琦，段玉山，伍燕南.基于生态足迹的苏州市可持续发展动态研究[J].长江流域资源与环境，2015，24(2)：177-184.

[15]刘运伟，李琳莉.基于生态足迹理论的四川省可持续发展评价研究[J].林业经济，2015(1)：106-109.

[16]苏红兵，张天明，胡朝英.基于生态足迹的调水工程环境影响评价——以牛栏江-滇池补水工程为例[J].人民长江，2015，46(10)：48-51.

[17]黄海，刘长城，陈春.基于生态足迹的土地生态安全评价研究[J].水土保持学报，2013，20(1)：193-196.

[18]郭汉清，张治国，董晓辉，等.山西省水资源生态足迹动态分析[J].山西农业大学学报：自然科学版，2015，35(3)：306-310.

[19]袁仲杰，高范，孙岳，等.基于生态足迹模型沿海旅游资源开发规模评估[J].海洋开发与管理，2015(2)：106-110.

[20]奚砚涛，牛坤，薛丽芳.基于生态足迹定量分析的土地利用结构优化研究——以江苏省徐州市为例[J].水土保持通报，2014，34(2)：294-299.

[21]罗鼎.土地利用空间优化配置研究进展与展望[J].地理科学进展，2009，28(5)：791-797.

[22]张鸿辉，.城市土地利用空间优化配置的多智能体系统与微粒群集成优化算法[J].武汉大学学报：信息科学版，2011，36(8)：791-797.

[23]龚健，刘耀林.基于SD&MOP整合模型的土地利用总体规划研究[J].武汉大学学报，2005，30(4)：322-325.

[24]马世发，何建华，俞艳.基于粒子群算法的城市土地利用空间优化模型[J].农业工程学报，2010，26(9)：321-326.

[25]李艳，邓良基，魏晋.基于GDP的土地利用结构优化研究——以雅安市雨城区为例[J].安徽农业科学，2013，41(11)：5078-5082.

[26]武启祥，杨永芳，朱连奇.西安与土地利用结构与效益的权衡[J].经济地理，2013，33(8)：148-152.

REVIEW OF RESEARCH ON LAND UTILIZATION STRUCTURE OPTIMIZATION BASED ON ECOLOGICAL FOOTPRINT

LI Tao-tao，ZHANG Long-fei，ZHAO Xiao-qing

(1.SchoolofResourceEnvironmentandEarthScience，YunnanUniversity，Kunming650091，China；2.SchoolofResourceandEnvironmentalScience，WuhanUniversity，Wuhan430079，China)

Ecological footprint is an important quantitative method to measure regional sustainable development，the ecological footprint method can measure whether a region’s land utilization structure reasonable or not.Through literature review and comprehensive analysis method，expounded the definition，model and method of ecological footprint and land use structure optimization，highlighted the advantages and research progress of land use structure optimization based on ecological footprint，concluded：ecological footprint model has been applied to the field of land use structure optimization，land use structure optimization based on the ecological footprint is a combination of the ecological footprint and multi-objective linear programming model.Combined application of ecological footprint method and multi-objective programming model in land use structure optimization was to make up for the limitations of multi-objective programming model due to the ecological goals were hard to measure；Land use structure optimization based on ecological footprint was a relatively new research field，the related research in quantity and quality have greatly improved space，it needs to be further studied in the future.

ecological footprint；land use structure optimization；progress

2015-03-28；

2015-06-04．

*通信作者.

F301.2

A

1001-7852(2015)03-0041-06