湖北省低碳土地利用结构优化配置研究

李红霞 熊丽玲

摘  要：土地是人类赖以生存和发展的物质基础，是可持续发展的前提条件，又是重要的碳排放源和碳吸收汇。土地利用变化对全球碳循环起着重要的作用，通过优化土地利用结构来实现减排目标是发展低碳经济的重要措施。该文以湖北省为例，将低碳目标与经济效益最大化目标相结合，应用多目标粒子群算法构建研究区低碳土地利用结构优化模型，设置了模型的具体目标函数、约束条件以及模型数据的处理流程。最后对模型运算得到的多个低碳土地利用优化方案进行比较和分析，提出实现优化方案的建议措施。

关键词：土地利用結构优化配置  低碳  粒子群算法  湖北省

中图分类号：F301.23    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）07（c）-0194-03

1  概述

低碳土地利用模式是指在土地利用过程中转变土地利用模式和方式、优化配置各业各类用地，科学规划发展建设用地、实行建设用地的节约与集约利用，加强土地生态建设、改善土地生态环境，采用先进节能减排技术减少碳排放、降低人为碳排放的速率，建设大面积、集中连片的森林与草地，实现土地生物碳汇功能的发挥，最终达到土地的可持续利用。低碳土地利用结构优化配置是要在满足人民各类生产、生活需求用地的条件下，实现碳排放量最小化和区域利益或效益最大化两个目标，同时还要兼顾满足土地可持续利用指标。

低碳土地利用结构优化配置是一个典型的约束多目标优化问题，每一种优化配置方案都对应约束多目标优化问题的一个解。粒子群优化算法是一种模拟自然界中某种生物群体觅食等行为的智能优化算法，具有搜索速度快、效率高，算法简单等特点。粒子群在土地利用管理、复垦土地利用结构优化、常规农用地分等模型等方面得到了广泛应用[1，2]。

2  低碳土地利用结构优化配置模型

土地利用结构优化配置是基于土地可持续利用特性，通过土地可持续利用评价指标判断现状条件下土地利用的低碳可持续程度，以此作为土地利用优化配置的基础和依据，并找出它们之间的最佳结合途径。

2.1 低碳土地利用结构优化配置目标

低碳土地利用结构优化配置最终目的要实现经济、社会和生态环境效益目标的协调与统一，但这种目的并非是各目标间的均衡或同时获得多目标的最大化，而是要视具体地区、层次和配置的目的而选择具体的目标。该文针对省级区域的低碳土地利用而设置了如下优化目标。

（1）基于低碳的优化目标。

碳排放系数（ai）是指不同类型土地的单位碳排放量（t/hm2），是根据各类型用地排放/吸收碳量来确定的，通过确定目标年各项决策变量的碳排放系数最终可构建低碳目标函数：

式中，f（x）为目标年单位GDP碳排放量;ai为变量i的碳排放系数;xi为变量i的用地面积。

（2）基于最大经济收益的优化目标。

根据各类用地的现状、自然经济特点和当地市场发展趋势，通过实际调查分析，确定该模型的收益函数g（x）。决策变量的系数根据历年统计数据确定，用地经济效益目标函数公式如下：

式中，g（x）为目标年经济收益;bi为各类型土地收益系数;xi为各类用地面积。

2.2 低碳土地利用结构优化的约束条件设计

模型中的约束条件是指实现目标函数的限制因素。该文确定了与设定目标关系密切的碳排放、土地利用、社会经济生态因素等7个约束条件，共建立9组约束方程。

（1）土地总面积的约束。

X1+X2+X3+…+X8=研究区域土地总面积

（2）耕地保有量的约束。

X1≥目标年研究区域耕地保有面积

（3）碳汇用地约束。

碳吸收主要来源于园地、林地、牧草地，此类用地约束条件设定应根据生态建设规划和区域土地利用的情况进行设定，一般应不低于规划水平或现状水平，即：

X2、X3、X4≥现状面积或规划面积

（4）建设用地情况约束。

根据城市化进程发展的需要，城镇建设用地面积应大于现状面积;人均农村居民点面积则不低于《村镇规划标准》规定的标准。

X5>现状城镇建设用地面积;X6≥《村镇规划标准》规定的人均农村居民点面积标准。

（5）单位GDP碳排放比的约束。

通过预测至2020年研究区域GDP总产值来确定单位GDP的约束条件：

Y2020≤αY2005，45%≥α≥40%

（6）耕地后备资源约束。

可进行开发的耕地后备资源量的数量都是有限制的，即：

X8≥不可开发利用的耕地后备资源

（7）决策变量非负要求约束。

所有的决策变量均不能为负，即xi≥0，（i=1，2，…，8）。

3  基于多目标粒子群优化算法的低碳土地利用结构优化设计

利用多目标粒子群优化算法进行土地利用优化配置，首先，要按照配置模型中各种用地类型来确定粒子的形式;其次，要根据配置模型中的目标函数确定算法对粒子个体的适应度评价方法和选择策略;最后，根据配置模型的各种约束条件和各地区的具体情况确定粒子群算法的各种参数（见图1）。

4  湖北省低碳土地利用结构优化配置

湖北省位于中国中部，长江中游、洞庭湖以北，全省土地面积18.59万km2。现行的《湖北省土地利用总体规划》以2006—2020年为规划期，以2005年为基期年，以2020年为远期目标年。该文通过对2005—2009年连续5年的土地资源管理、土地利用碳排放/吸收、经济发展等相关数据的研究，构建湖北省低碳土地利用结构优化配置模型，提出2020年的低碳土地利用目标，以期对当前湖北省土地利用总体规划实施的有所借鉴作用。

4.1 土地利用碳排放量估算

采用2005—2009年湖北省能源消费、农业投入、土地利用等统计数据，依据排放系数法进行湖北省土地利用碳排放/吸收量估算，估算2005年、2009年湖北省土地利用碳源/碳汇量如表1所示。

4.2 目标函数参数设置

（1）低碳目标函数。

依据低碳目标函数公式测算，至目標年2020年，湖北省各类型用地碳排放/吸收率，采用灰色GM（1，1）模型进行预测计算，并用专家打分法、综合平衡法等方法验证可得：

ai=[（10.54，-0.35），3.81，3.81，0.95，-399.10，-2.67，-15.84，0]

（2）最大经济收益目标函数。

依据用地经济效益目标函数公式测算取研究区域目标年期末的国内生产总值（GDP）作为规划的优化目标。

应用GM（1，1）、层次分析法、专家打分法等方法来计算各类用地的效益，构成效益集wi（i=1，2，3……）。其中未利用地的用地效益可视为0，参与评判。

wi=（0.1389，0.0883，0.0916，0.0555，0.3185，0.0677，0.2396）选用耕地效益乘以各类型土地的相对权益系数来求得相应的单位面积上的产出效益。

bi=（20.11，12.78，13.26，8.04，46.11，9.8，34.69，0）

4.3 确定湖北省低碳土地利用结构优化配置约束条件

模型中的约束条件是指实现目标函数的限制因素。根据哥本哈根气候变化大会前夕中国所做承诺制定的目标年为2020年中国将单位GDP碳排放减少40%～45%，同时2020年也是《土地利用总体规划》制定的目标年，该文将约束目标年定为2020年。同时确定其他7个约束条件具体值。

4.4 湖北省低碳土地利用结构优化配置结果

该文设定目标函数为满足减排目标下的经济效益最大化，即在优化结构条件下，得到若干配置方案，经过分析计算和修正，选取同时满足目标函数和约束条件的3个供选方案，结果见表2。

5  结论

由表2可知，在2005年湖北省单位GDP碳排放量为0.9t/万元的情况下，至2020年，在满足各项约束条件的情况下，得到3个优化方案，3个方案预计实现GDP总产值差距不大，都较2005年增长4倍，较2009年增长约3倍，但是各类用地结构安排上有一定差异。

3个方案的共同点在于：一是通过农村居民点的整理来增加其他用地，这也与当前湖北省农村居民点用地面积过大、整理潜力巨大的现状相符，是比较合理的优化途径之一;二是城镇建设用地和交通水利用地均有所增加，也与湖北省目前经济发展相适应的。此外，3个方案在园地、林地、牧草地等净碳汇用地方面都有所增长，这表示植树造林种草是实现增汇减排的必要途径。总而言之，必须从社会经济建设和土地利用多方面采取有效措施实现低碳土地利用结构优化方案。

参考文献

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