以低碳为目标的正宁县土地利用结构优化论文

以低碳为目标的正宁县土地利用结构优化

姚 尧，程文仕^*，焦云腾，刘学录

（甘肃农业大学管理学院，兰州730070）

摘要： 为了提高土地利用的低碳化水平，保障低碳经济和积碳减排效益，分析土地利用与碳循环之间的关系，以低碳化为目标对土地利用结构优化配置有着重要意义。本文以甘肃省正宁县为例，运用线性规划的方法建立最大化碳储量和最小化碳排放目标函数，构建土地利用结构优化模型，研究土地利用结构优化问题。结果显示：最小化碳排放优化方案优于最大化碳储量方案，最小化碳排放方案到2020年，正宁县碳储量达到786.36万t，碳排放则压减到 48.91万t，净增量为737.45万t，较现状相比碳积储量净增12.19万t。研究表明：低碳优化确定的土地利用结构可以有效增加区域碳积储量，低碳优化方法是开展土地利用结构优化的有效方法，为土地利用结构优化提供了新的思路和方法。

关键词： 土地利用结构；低碳优化；线性规划法；正宁县

引言

土地利用结构优化作为土地利用规划的核心内容，是一项复杂多样、影响因素众多的系统工程^[1]，区域土地利用结构优化配置，能够反映国民经济结构及生产结构^[2]，是合理安排各行业用地和提高土地利用效益的重要保障，优化土地利用结构是乡村振兴的重要保障。

几年来可持续发展理念面临着向低碳环保转型^[3]，而引起区域碳排放的重要因素之一则是土地利用变化^[4]，分析碳循环与土地利用之间的关系，对土地利用结构的优化配置有着重要意义。常见的土地利用结构优化方法主要有两类：一是以经济效益为首要目标，建立土地利用的线性规划模型，以求得优化后的土地利用结构；二是通过分析土地系统内部结构及其影响因素，分析土地—社会—经济系统中结构、功能、行为及相互间的关系，为区域土地利用结构的优化提供一定的决策依据^[4]，这些研究都是从因果的角度开展研究，目标单一、结果唯一。近年来，作为一个全新的发展理念，低碳经济的概念备受瞩目。以低碳为出发点的土地利用结构优化的研究开始出现：曾永年等以海东市为例计算碳循环系数建立模型探讨了青藏高原低碳目标下的土地利用结构优化^[4]；余德贵等采用了相关科学分析方法，建立了LUSCC模型，分析得到3种优化方案，得到江苏泰兴市土地利用的最优方案^[5]；南京大学则开展了一系列碳排放相关研究，通过数据核算，潜力研究，区域碳足迹分析等方法，最终提出了碳排放研究的趋势^[6]。但是这些研究对在生态环境效应及利用方式改变下的土地利用结构优化中如何实现低碳化的关注度不够^[7]。本研究以甘肃省正宁县为例，从土地利用对碳循环影响的角度着手，对土地利用结构采用线性规划模型，进行优化研究，探讨区域土地利用结构优化配置的新途径，为土地利用总体规划及国土空间规划的编制提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

中方：文化和旅游部、全国红色旅游工作协调小组成员单位、山东省文化和旅游厅、有关省（区、市）旅游主管部门；18个红色旅游重点城市代表；全国红色旅游经典景区代表；省内17个地市旅游委(局)代表；全国重点旅行社代表；红色旅游专家；中央、省、市新闻媒体记者；临沂市有关领导，旅游企业代表等。

正宁县位于甘肃省东部，庆阳市东南部、子午岭西麓。地处陕甘交界，东依子午岭，西临泾河水，南通三秦大地，北往塞上江南，位于107°56′20″-108°38′08″E，35°14′40″-35°36′18″N，下辖 10个乡镇，包括山河镇、榆林子镇、宫河镇、永和镇、西坡镇、周家镇、永正镇、湫头镇、五顷塬乡、三嘉乡。全县总人口为238762人，正宁是一帧历史的厚土，陕甘宁革命边区的重要组成部分。全县矿产资源种类多，主要有煤、石油、天然气、砂石等矿产资源。2014年，总土地面积133096.48hm²，以林地和耕地为主，其中：林地面积74807.57hm²，占总面积的56.21%；耕地面积32259.26hm²，占总面积的24.24%。

甲状腺结节是当前临床研究过程中常见的的一种疾病，恶化的几率比较低，多数患者表现为良性。在现阶段的诊断过程中，超声方式的检查作用突出，超声检查相关指标对于患者自身而言有一定的影响，在良恶性分析阶段，必须提前明确评估声像的类型。超声检查相关指标对于甲状腺结节评估有重叠性的作用，结合特异性以及敏感性等可知，在临床报道中，要求确定结节纵横比例，一般情况下将≥1作为检测的具体标准。以敏感性为例，一般在30%左右。根据实际报道以及特异性诊断要求等，需要明确价值指标，提前进行敏感性分析。对于恶性肿瘤病变诊断的过程中，中央血管的诊断是关键，

1.2 数据来源

本文采用的正宁县基本情况和规划数据主要来自于《正宁县土地利用总体规划（2010-2020年）》、土地利用现状数据来自于正宁县2014年土地利用更新调查数据库、其他社会经济数据来自原《正宁县统计年鉴（2009-2014）》以及相关部门提供的资料及官方网站数据。

2 研究方法

（16）人口约束，运用灰色马尔科夫法对正宁县2020年人口进行预测。且要求人均城镇工矿用地面积不大于市级下达指标的约束条件。即约束条件：X₆/7.5≤131.64。

非建设用地碳库主要包括土壤和植被两个方面，本文采用赵荣钦等所计算出的碳密度^[6，7]；建设用地碳库类型复杂，不仅包含土壤及植物碳库，还存在建筑物、人和动物等复杂的碳库，本文采用曾永年的建设用地碳密度的测算成果确定建设用地碳密度^[3]。其碳密度见表1。

2.1 碳循环系数确定

2.1.1 碳储量计算。土地利用变化直接影响碳的输入及输出。碳储量采用平均碳储量（碳密度）乘以面积计算求得，但由于碳库不同，碳密度的计算方式不同，一般分为非建设用地碳库和建设用地碳库两类^[4]。

在以习近平同志为核心的党中央集中统一领导下，我国司法体制改革始终沿着正确方向前进，从夯基垒台到立柱架梁再到内部精装，一场“动真碰硬”的司法体制改革不断向纵深拓展。

2.1.2 碳排放计算。基于2009年各不同利用类型的土地碳排放系数和相应土地面积可以估算出正宁县碳排放量。正宁县与陕北黄土高原毗邻，情况相似，碳排放系数采用王晓霞对陕北黄土高原地区的测算结果^[8]（见表2）。

2.2 土地利用结构优化模型构建

优化的PCR反应体系为25 μL，包括：统一稀释到20 ng/L的DNA模板2 μL，5 U/μL的rTaq酶0.2 μL，10 μmol/L的正、反相引物各0.75 μL，每种2.5 mmol/L的dNTP Mixture 2 μL，10×PCR Buffer 2.5 μL，超纯水ddH2O 16.8 μL。

土地利用的结构优化，要遵循保证耕地及基本农田总量不减，质量提高的目标，确定城镇体系空间布局及各级城镇用地的发展方向和空间形态布局，使其在数量、空间上合理有效，实现低碳经济的目标。

（3）验证。Bob用Alice的公钥 pk验证σ是否为消息m的签名。如果验证通过，算法输出1；否则输出0。

式中：Z为区域土地生态系统总碳储量（t）；a_i为第i种地类平均碳密度（t/hm²）；X_i为第i种地类的面积（hm²）；Q 为区域土地生态系统总碳排放量（t）；b_i为第i种地类平均碳排放系数（t/hm²）。

本研究证明P2X7受体在RA患者中表达升高，且与RA炎症反应密切相关，对RA的诊断具有较好的价值；此外，阻断P2X7受体抑制炎症细胞因子的转录和分泌，从而抑制RA的炎症反应，为RA的治疗提供了新的靶点和治疗方案，具有一定的临床意义。

2.2.1 目标函数。选用线性规划方法，根据正宁县各地类的碳系数、地类面积等数据，建立土地利用结构优化模型。以低碳为目标，构建土地利用结构的最大化碳储量的目标函数Max（Z）（公式1）和最小化碳排放的目标函数 Min（Q）（公式 2），运用 MATLAB软件求解。

人生如一幕璀璨的星夜，无数流星一瞬而过，美丽过后却未留下任何痕迹。而梦想，却如那颗启明星，永远闪耀在远方，指引着那些晚归的旅人回家的路，于是，在漫长的人生之旅中，人们总是在心底默默憧憬着梦想，在不起眼的角落里努力。只为那一方执着，为那一丝星光而执着，而每一次的触及，都令人惊艳。

按照《土地利用现状分类》，设置与碳循环关系密切的十二种地类耕地（X₁）、园地（X₂）、林地（X₃）、牧草地（X₄）、其他农用地（X₅）、城镇工矿用地（X₆）、农村居民点（X₇）、交通用地（X₈）、水利用地（X₉）、其他建设用地（X₁₀）、水域（X₁₁）、未利用地（X₁₂）为变量。

2.2.2 约束条件。根据《正宁县土地利用总体规划（2010-2020年）》、正宁县“十三五”规划等资料的要求，对各个变量设立相关约束条件：

（1）各地类的面积满足非负约束。即X₁、X₂、X₃、…、X₁₂≥0。

表1和表2分别计算了第二种和第三种情况下的投资因子变化。在第二种情况下，因为公司是永续增长，所以投资因子比较大，其值大约在15-36之间。在第三种情况下，因为只有前三年增长，以后是零增长，所以投资因子的范围在10-15之间。第一种情况是零增长模型，比较简单，取R为9%、10%、11%时，投资因子分别为12.11、11、10.09。

（2）正宁县土地总面积为133096.48hm²，各地类的面积小于总面积，各地类的面积之和等于总面积。

（3）为完成保护耕地和基本农田等目标，结合退耕还林还草政策及未来发展需要，设定约束条件为：30126.91hm²≤X₁≤32259.26hm²。

（4）根据社会经济的发展及当地农户的实际情况，结合农业部门需求，预测园地面积在基础上略有涨幅，设定约束条件为：2651.66hm²≤X₂≤3139.31hm²。

表1 2009年土地利用类型碳密度表单 位 ：（t/hm²）

表2 2009年主要土地利用类型的排放系数单 位：（t/hm²）

（5）按照坡耕地退耕还林的要求，设定林地面积约束条件为：74807.57hm²≤X₃≤76178.40hm²。

（6）由于土地利用结构调整，正宁县牧草地面积在2014年为0。牧草地指标不做约束，设为0。

（7）以现状和规划面积为上、下限，设定其他农用地约束条件：2961.76hm²≤X₅≤3200.31hm²。

（8）城镇工矿用地面积约束条件为：635.21hm²≤X₆≤949.73hm²。

（9）农村居民点的面积约束条件为：5927.63hm²≤X₇≤5954.92hm²。

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3.3.1 与2014年现状相比，在碳排放最小化的情况下，优化后的土地利用结构较2014年现状相比，耕地、农村居民点面积减少（分别减少2069.74hm²、27.29hm²），牧草地、城镇工矿用地、交通水利用地、其他建设用地和未利用地面积将保持不变，园地、林地、其他农用地的面积有所增加（分别增加487.65hm²、1370.83hm²和238.55hm²），更有利于土地资源的节约集约利用。

影响商业银行盈利的还包括内部银行治理水平和外部环境，如果把这些扰动因素全部放入扰动项进行计量分析，则会使扰动项方差偏大，拟合不精准．为了使拟合效果更加准确，把影响商业银行盈利的其他因素设置为控制变量纳入到模型中．其中商业银行层面选用资本充足率(CAR)、成本收入比(CRR)、存贷比(LDR)等财务指标表示．外部宏观因素变量选用国内生产总值同比增长率(GGDP)来表示[18]．

（12）其他建设用地面积约束条件为：23.70hm²≤X₁₀≤125.17hm²。

（13）水域用地面积约束条件为：467.52hm²≤X₁₁≤487.52hm²。

（14） 未利用地面积约束为：12965.83hm²≤X₁₂≤12345.95hm²。

（15）其他约束条件：建设用地总量不超过上级下达的建设用地指标，故设立约束条件如下所示：X₆+X₇+X₈+X₉+X₁₀≤7638.08hm²，X₆+X₇≤6877.36hm²。

本研究以2014年末为研究时点（现状），以现行土地利用总体规划（《正宁县土地利用总体规划（2010-2020年）》）的基期（2009年）和规划（2020年）数据为参考，构建土地利用结构优化模型，从低碳（碳储量最大化、碳排放量最小化）为目标，对2020年正宁县土地利用结构进行优化。

3 结果与分析

3.1 以低碳为目标的2020年土地利用结构优化结果由于其地貌变化较小，非建设用地碳储量短时间内的碳蓄积量的变化较少^[9]，对碳排放量的影响不大^[8]，故2020年非建设用地的碳密度和碳排放系数仍采用2009年的数据（即非建设用地的碳密度和碳排放系数均保持不变）；由于人类活动较为频繁，对人为碳库的影响较大，随着时间的推移建设用地的碳密度和碳排放系数必然发生相应变化，采用趋势外推法以1996-2009年的数据为基础预测2020年建设用地的碳密度和碳排放系数。其预测结果见表3。

根据预测出的碳密度和碳排放系数（表3），采用线性规划模型，分别从碳储量最大化和碳排放量最小化两个角度（低碳为目标）对2020年的土地利用结构进行优化，其优化结果见表4。

3.2 碳储量最大化的土地利用结构优化结果分析

3.2.1 与2014年现状相比，在碳储量最大化的情况下，优化后的土地利用结构较2014年现状相比，耕地、未利用地面积减少（耕地面积减少2078.17hm²），牧草地、农村居民点、其他建设用地面积保持不变，园地、林地、其他农用地、城镇工矿用地、交通及水利用地面积都有所增加 （分别增加 487.65hm²、1370.83hm²、314.52hm²和266.5hm²）。耕地面积减少主要是因为退耕还林，其他地类面积变化更有利于改善区域的生态环境，能有效保障社会经济发展和基础设施建设需要，更符合区域实际。

表3 2020年正宁县土地利用的碳循环系数单位 ：（t/hm²）

表4 土地利用结构优化方案

3.2.2 与2020年规划相比，耕地面积较现行规划耕地增加54.18hm²，更有效保护了耕地；农村居民点的面积较现行规划增加27.29hm²，为农村发展提供保障；建设用地总量比现行规划减少了74.18hm²，有效的控制了建设用地总量；其他地类面积较规划面积并没有较大改变。

3.2.3 在最大碳储量的目标之下，2020年的碳储量为789.61×10⁴t，较现行规划的碳储量则增加了1933.35t，优化方案能有效增加区域碳储量。总碳排放量为52.21t，较规划方案的碳排放量增加了1672.22t。由此可见，最大化碳储量的目标之下，优化方案可以有效的增加碳储量，但碳减排效果不佳。

3.3 碳排放最小化的土地利用结构优化结果分析

（11）水利用地面积约束条件为：66.06hm²≤X₉≤151.06hm²。

（10）交通用地面积约束条件为：302.99hm²≤X₈≤484.49hm²。

3.3.2 与2020年规划相比，耕地面积较规划耕地增加62.61hm²，有效保护了耕地；城镇工矿用地面积较规划减少了314.52hm²，有效增加了城市的碳减排效果，遏制工业活动造成的碳排放；交通、水利用地比现行规划减少了266.5hm²，提高区域土地利用集约度，减少碳排放；未利用地面积增加了639.88hm²。

过采样有3种不同的策略[2～3]:①“SAFE”策略：在“少数类”样本S高占比区域进行过采样。虽然“安全”但新生成的样本可能不容易体现“真实”样本的分布情况。②“NOISE”策略：在纯“多数类”样本L区域进行过采样。容易生成大量的“脏数据”。③“DANGER”策略：在“多数类”样本L高占比区域进行过采样。在产生“真实”分布的数据的同时，减少“脏数据”的引入。

3.3.3 在最小碳排放的目标之下，2020年，土地利用结构优化的碳储量为786.36×10⁴t，较现行规划的碳储量则减少了30541.11t，优化方案能有效增加区域碳储量。总碳排放量为48.91t，较现行规划方案的碳排放量减少了3130t。基于最小化碳排放的目标函数之下，优化方案可以有效的减少碳排放，但碳积储效果不如现行规划方案有效。

我偷偷给陆浩宇递纸条，他没回复，我不甘心，我开始给陆浩宇买早餐。可是我为他买的第一份早餐，居然被早上没吃饭的肖斌给霸占了。

3.4 两种土地利用结构优化方案对比分析

从表4可以看出：2014年正宁县总碳储量为776.09×10⁴t，总碳排放量为50.82t；规划方案到2020年，正宁县土地利用总碳储量为789.42×10⁴t，总碳排放量为52.04t。

最大碳储量优化方案下的总碳储量比2014年现状碳储量增加了13.52×10⁴t，总碳排放量较现状增加了1.39×10⁴t；比规划方案的总碳储量增加了1933.35t，碳排放量增加了1672.22t。该方案有效提高了碳储量，但碳减排效果不佳。

大学文化环境一方面指我们所能接触到的客观的校园文化环境，它在思想上、行为上给大学生以美的熏陶，并能够激发学生去创造美；另一方面，文化环境所展现出来的大学精神有助于塑造学生的理想信念等精神层面的追求，增强社会责任感。自觉承担时代所赋予历史使命的校园文化环境，不仅能够满足大学生日益增长的物质文化需要，同时也是弘扬社会主义先进文化的示范基地，是广大学生与百姓所向往的精神栖息场所。环境涵育的范围较为广泛，主要包括高校的校风、学风、教风建设，丰富的校园文化活动、幽静的校园文化环境等。

最小碳排放优化方案下的总碳储量比2014年现状碳储量增加了10.28×10⁴t，总碳排放量减少了1.91×10⁴t，比规划方案的碳储量减少了3.05×10⁴t，碳排放量减少了0.31×10⁴t。该方案下的土地利用结构可以很好的达到节能减排的效果。

因此，碳排放最小化的优化方案要优于碳储量最大化的优化方案，其碳存储和碳排放的效果更好，为优选方案。

4 结论与讨论

4.1 最小化碳排放目标下的优化方案优于最大化碳储量目标下的优化方案。碳储量最大化的条件下，通过增加农用地面积，可以有效的增加碳汇。但该方案没有起到很好的碳减排效果，比起规划方案以及现状来说，碳排放都增加；碳排放最小方案通过减少城镇工矿用地面积和交通水利用地面积，有效的提供了一套达到低碳目标的优化方案。

4.2 最小化的碳排放目标下的优化方案具有明显的效果。到2020年，正宁县碳储量达到786.36万t，碳排放则压减到48.91×10⁴t，净增量则为737.45×10⁴t。相比2014年，净量增加了12.19×10⁴t，相比规划方案，净量增加了766.08t。

4.3 最小化的碳排放目标下，优化方案可以控制农村居民点的增加，遏制建设用地规模的增加。通过复垦废弃宅基地或废弃工矿用地来挖潜存量，提高土地的利用效率，实现土地资源的节约集约利用。

4.4 本文以低碳为目标构建了土地利用结构的优化模型，但碳循环是一个复杂的系统，并且会受到气候变迁、人类生产生活行为改变以及土地利用状态的影响，存在不确定性及动态性，加之不同区域情况不同，碳密度及碳排放系数会有一定的差异，另外，线性规划模型中未考虑到优化方案所产生的经济效益和社会效益，需要在后续的研究中进行改进。

参考文献：

[1]钱敏，濮励杰，朱明，等.土地利用结构优化研究综述[J].长江流域资源与环境，2010，19（12）：1410-1415.

[2]严金明.简论土地利用结构优化与模型设计[J].中国土地科学，2002，16（4）：20-25.

[3]曾永年，王慧敏.以低碳为目标的海东市土地利用结构优化方案[J].资源科学，2015，37（10）：2010-2017.

[4]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）：10-33.

[5]余德贵，吴群.基于碳排放约束的土地利用结构优化模型研究及其应用[J].长江流域资源与环境，2011，20（8）：911-917.

[6]赵荣钦，陈志刚，黄贤金，等.土地利用碳排放研究进展[J].地理科学，2012，32（12）：1473-1480.

[7]赵荣钦，黄贤金，彭补拙.南京城市系统碳循环与碳平衡分析[J].地理学报，2012，67（6）：758-770.

[8]王晓霞.陕西省土地利用碳排放效应及影响因素研究[D].西安：西北农林科技大学，2014.

[9]IPCC.2006年IPCC国家温室气体清单指南[R].羽山：日本全球环境战略研究所，2006.

Optimization of land use structure targetfor low-carbon in Zhengning county

YAO Yao et al
(College of Management,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

Abstract: In order to improve the low-carbon level of land use,to protect the low-carbon economy and carbon reduction efficiency,to analyze the relationship between land use and carbon cycle,low-carbon as the starting point for research,the structure of land use optimization is of great significance.In this paper,based on the carbon density and carbon emission coefficient of Zhengning county in Gansu province,this paper uses the linear programming method to establish the objective function of maximizing carbon storage and minimizing carbon emission,constructs the land use structure optimization model,studies the land use structure optimization.The results show that:minimization ofcarbon emissions optimization program is better than the maximum carbon storage program,to minimize carbon emissions program by 2020,Zhengning county carbon stocks reached 7.8636 million tons,carbon emissions are reduced to 48.91 million tons,the net increase of 737.45 million tons,compared with the status quo,carbon reserves increased by 12.19 million tons.The results show that the low-carbon optimized land use structure can effectively increase the regional carbon storage capacity,and the low-carbon optimization method is the most effective method to optimize the land use structure,which provides a new idea and method for the optimization of land use structure.

Key words: Land use structure;Low-carbon optimization;Linear programming;Zhengning county

中图分类号： F301.24

文献标识码： A

文章编号： 1003-7853（2019）03-0030-04

基金项目： 甘肃农业大学科技创新基金（GAU-QDFC-2018-15，GAU-XKJS-2018-090）；国家社科基金西部项目（10XJY031）

作者简介： 姚尧（1995-），女，甘肃合水人，土地资源管理专业2017级硕士研究生。

通信作者： 程文仕（1976-），男，汉族，陕西南郑人，副教授，主要从事土地调查与评价、土地利用与规划、土地整治工程方面的教学和研究工作。

（2019-3-20收稿 M编辑）

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