余光英, 員開(kāi)奇

(1.中南財(cái)經(jīng)政法大學(xué) 武漢學(xué)院, 武漢 430079; 2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝經(jīng)濟(jì)研究所, 武漢 430079; 3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 公共管理學(xué)院, 武漢 430070)

基于碳平衡適宜性評(píng)價(jià)的城市圈土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化

余光英1,2, 員開(kāi)奇3

(1.中南財(cái)經(jīng)政法大學(xué) 武漢學(xué)院, 武漢 430079; 2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝經(jīng)濟(jì)研究所, 武漢 430079; 3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 公共管理學(xué)院, 武漢 430070)

資源環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾日益突出，基于碳平衡的土地資源節(jié)約集約利用是增強(qiáng)發(fā)展可持續(xù)性的根本途徑之一。研究參考已有文獻(xiàn)，將碳平衡引入土地適宜性評(píng)價(jià)研究中，分別從經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)角度建立了基于碳平衡的城市圈土地適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，具體包括碳源適宜性評(píng)價(jià)和碳匯適宜性評(píng)價(jià)兩個(gè)方面。運(yùn)用全排列多邊形圖示指標(biāo)法獲得了研究對(duì)象的兩類(lèi)適宜性的綜合評(píng)價(jià)值和多邊形圖示。碳平衡適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果顯示各城市適宜性差異顯著，存在較大的區(qū)域內(nèi)協(xié)調(diào)潛力。選取多目標(biāo)規(guī)劃在適宜性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上對(duì)城市圈的碳排放權(quán)進(jìn)行優(yōu)化配置研究，并將碳排放權(quán)優(yōu)化限制結(jié)果引入各城市土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題中。最后得出了各城市2020年土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果，與土地利用總體規(guī)劃對(duì)比，進(jìn)一步強(qiáng)化低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展目標(biāo)。碳排放權(quán)配置研究可以有效實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展目標(biāo)，碳平衡作為生態(tài)文明建設(shè)的內(nèi)容之一對(duì)土地生態(tài)文明建設(shè)和實(shí)現(xiàn)土地可持續(xù)利用具有重要的指導(dǎo)。

土地管理; 土地適宜性評(píng)價(jià); 碳平衡; 土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化; 多目標(biāo)規(guī)劃

土地是人類(lèi)一切活動(dòng)的載體，土地利用結(jié)構(gòu)的變化直接影響大氣的碳平衡，隨著建設(shè)用地等碳源用地的增加，環(huán)境中原有的碳平衡狀態(tài)被打破，大氣中的溫室氣體濃度不斷上升，給人類(lèi)造成了諸如全球變暖等一系列的生態(tài)威脅。合理調(diào)節(jié)土地利用結(jié)構(gòu)、優(yōu)化土地資源配置，是控制碳排放和改善碳失衡的主要途徑[1]。

土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)包括經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益、社會(huì)效益等。研究的初期，有些研究者針對(duì)經(jīng)濟(jì)效益影響下的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行分析，如王磊在中國(guó)即將加入WTO的背景下，以武漢市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整為參考，對(duì)城市用地結(jié)構(gòu)的優(yōu)化進(jìn)行了分析。任奎、周生路等以江蘇省宜興市為例，對(duì)精明增長(zhǎng)指導(dǎo)下區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置進(jìn)行了研究，構(gòu)建了土地利用精明增長(zhǎng)評(píng)價(jià)體系[2]。

粗放型的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾日益尖銳，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、包容性增長(zhǎng)理論等兼顧經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的發(fā)展思路日漸清晰。土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究對(duì)生態(tài)效益的關(guān)注度越來(lái)越高。鄭群英等針對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)中應(yīng)考慮的生態(tài)效益[3]，開(kāi)展了土地利用結(jié)構(gòu)中生態(tài)效益考量方法的研究，著重分析了生態(tài)支持能力、生態(tài)承載力和生態(tài)綠當(dāng)量在生態(tài)效益方面的代表性作用，并進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)證分析，為土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化中如何定量分析生態(tài)效益提供了重要參考。

隨后，研究者對(duì)如何計(jì)量生態(tài)效益在土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的作用做了大量研究。生態(tài)系統(tǒng)綠當(dāng)量是指具有相當(dāng)?shù)纳鷳B(tài)功能的“綠量”，它包括等量的區(qū)域生態(tài)功能，等量的光合作用。羅志軍等以生態(tài)綠當(dāng)量為視角，構(gòu)建了土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型[4]，并對(duì)江西省新建縣進(jìn)行實(shí)證分析，將研究區(qū)域的綜合綠當(dāng)量與最佳森林覆蓋率的優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，最終達(dá)到生態(tài)優(yōu)化的目的。嚴(yán)海濤也從生態(tài)功能綠當(dāng)量的角度分析了蘭州市土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題，結(jié)果顯示應(yīng)盡量增加林地和園地面積來(lái)提高土地的生態(tài)效益目標(biāo)[5]。牛繼強(qiáng)等將生態(tài)綠當(dāng)量與遙感技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)任意尺度與區(qū)域的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化[6]。趙婭奇等利用生態(tài)綠當(dāng)量理論對(duì)重慶市江北區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化[7]。趙丹等基于生態(tài)綠當(dāng)量研究了城市土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問(wèn)題[8]。

除了生態(tài)系統(tǒng)綠當(dāng)量外，有學(xué)者從生態(tài)位理論、土地資源生態(tài)安全、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值等角度研究土地利用結(jié)構(gòu)。井波等將生態(tài)位理論引入土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題，對(duì)濟(jì)南市進(jìn)行實(shí)證分析，取得很有價(jià)值的效果[9]。張為義在其碩士學(xué)位論文中，立足土地資源生態(tài)安全，對(duì)平壩縣的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[10]。張晶等基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，以咸陽(yáng)市為例進(jìn)行了土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究，提出應(yīng)切實(shí)保護(hù)耕地、水域，增加林地，嚴(yán)格限制建設(shè)用地開(kāi)發(fā)的的土地利用方向[11]。劉兆順等以重慶萬(wàn)州為例，基于陸地生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求與生態(tài)效益最大化的雙贏(yíng)[12]。

低碳經(jīng)濟(jì)作為一種全新的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，漸漸地為人們所接受，不少學(xué)者土地利用結(jié)構(gòu)問(wèn)題中引入了低碳經(jīng)濟(jì)的思想，以此來(lái)代表土地的生態(tài)效益對(duì)總效益的影響。余德貴等建立了碳排放約束下的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，巧妙地平衡了低碳發(fā)展與經(jīng)濟(jì)發(fā)展間的復(fù)雜關(guān)系[13]。湯潔等首次以碳平衡為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[14]，隨后楊立等同樣基于碳平衡的目標(biāo)對(duì)河北省曲周縣的土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化[15]。

生態(tài)環(huán)境是人類(lèi)生存的基本空間，在土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整過(guò)程中，加強(qiáng)對(duì)生態(tài)環(huán)境效益的考量是必不可少的，土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化由最初的只關(guān)注經(jīng)濟(jì)效益到重視綜合效益，更加注重生態(tài)效益的作用，體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的思想?；谔计胶獾耐恋乩媒Y(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題是低碳經(jīng)濟(jì)視角下的新型土地利用模式的應(yīng)用，已有研究大多針對(duì)某一地區(qū)內(nèi)部的碳平衡分析，基于區(qū)域間碳平衡功能分區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化卻鮮有涉及。研究以可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，對(duì)區(qū)域間的碳排放權(quán)分配和區(qū)域內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)武漢城市圈進(jìn)行實(shí)證分析。

1 研究區(qū)域概況

1.1 經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展現(xiàn)狀

武漢城市圈，包括以武漢為中心和周邊的鄂州、黃岡、咸寧、孝感、黃石、仙桃、天門(mén)、潛江8個(gè)城市。武漢城市圈是全國(guó)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)建設(shè)綜合改革配套實(shí)驗(yàn)區(qū)，實(shí)驗(yàn)區(qū)建設(shè)涉及工業(yè)、金融、旅游、交通、教育等。武漢城市圈土地面積占全省的33%，人口總數(shù)為全省的51.6%。地理位置優(yōu)越，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，城市化水平較高。2008年武漢城市圈生產(chǎn)總值6 972.11億元，占全省總量的61.5%，同比增長(zhǎng)14.8%，其在全省經(jīng)濟(jì)發(fā)展中處于重要地位[16]。

1.2 土地利用結(jié)構(gòu)

武漢城市圈總面積為57 972 km2，耕地是面積最大的用地類(lèi)型，其他依次是林地、水域、建設(shè)用地、未利用地。武漢城市圈耕地面積達(dá)29 321 km2，占總面積的50.58%，主要集中在鄂中東部和黃岡市，黃岡市和孝感市的耕地面積較大，約占城市圈耕地總量的46.06%；林地面積達(dá)17 535 km2，占總面積的30.25%，主要分布在南部和東北部，黃岡市的林地面積占總林地面積高達(dá)43.43%，除此之外，咸寧市的林地資源也非常豐富；草地面積1 413 km2，約占總面積的2.44%，主要集中在黃岡市和咸寧市，兩市草地面積超過(guò)城市圈總量的80%；水域面積5 731 km2，占總面積的9.89%，武漢市是水域的主要分布地區(qū)之一，水域面積占總量的30%；建設(shè)用地面積達(dá)3 722 km2，占總面積的6.42%，除武漢外各地區(qū)幾乎沒(méi)有差異；未利用地251 km2，占總面積的0.43%。

2 適宜性評(píng)價(jià)

適宜性評(píng)價(jià)是進(jìn)行土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的前期工作?；趦?yōu)化目標(biāo)的需要，土地碳平衡適宜性評(píng)價(jià)包括兩部分：一是對(duì)各城市進(jìn)行碳匯適宜性評(píng)價(jià)，研究各城市在碳匯適宜性方面的優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)，以此作為分配碳排放權(quán)的依據(jù)之一；二是碳源適宜性評(píng)價(jià)，從要素投入水平、要素利用強(qiáng)度、要素產(chǎn)出效率三個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)城市的碳源適宜性，這一結(jié)果決定了各城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展優(yōu)先度，即城市的碳排放需求強(qiáng)度。

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

在土地利用類(lèi)型中，碳匯用地包括林地、未利用地、草地等，這是計(jì)算碳匯量的主要依據(jù)。碳匯適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系從生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)三個(gè)子系統(tǒng)分析對(duì)城市碳匯適宜性產(chǎn)生影響的主要指標(biāo)因素。生態(tài)子系統(tǒng)中選取林草覆蓋率、地均碳匯量，代表評(píng)價(jià)對(duì)象的碳匯稟賦能力；經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)中選取人均GDP和地均GDP兩個(gè)指標(biāo)，代表評(píng)價(jià)對(duì)象土地開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)潛力；社會(huì)子系統(tǒng)中選取城市化率和人均公共基礎(chǔ)社會(huì)投入，分別代表評(píng)價(jià)對(duì)象的社會(huì)發(fā)展程度和人們生活環(huán)境因素。具體指標(biāo)體系如表1所示。碳源適宜性是地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)碳排放需求強(qiáng)度的評(píng)價(jià)，體現(xiàn)了地區(qū)碳排放的優(yōu)先度，這一適宜性可以從要素的投入、利用、產(chǎn)出三方面來(lái)分別刻畫(huà)，要素的投入水平代表地區(qū)的綜合資本容量，要素的利用水平代表資本的利用率，要素的產(chǎn)出效率代表地區(qū)的生產(chǎn)力水平，將三者綜合能夠相對(duì)客觀(guān)地代表評(píng)價(jià)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展優(yōu)先度，即碳排放的需求強(qiáng)度。具體評(píng)價(jià)指標(biāo)如表2所示。

表1 碳匯適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表2 碳源適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.2 評(píng)價(jià)方法

全排列多邊形圖示指標(biāo)法[17]最早是由吳瓊等提出的用于評(píng)價(jià)城市生態(tài)、環(huán)境質(zhì)量的方法，現(xiàn)在該方法應(yīng)用較為廣泛，在諸如土地集約利用評(píng)價(jià)、可持續(xù)性評(píng)價(jià)等方面都有大量的研究成果。全排列多邊形圖示指標(biāo)法具有客觀(guān)、直觀(guān)等諸多優(yōu)良特性，對(duì)于土地適宜性評(píng)價(jià)也有很大借鑒。

全排列多邊形圖示指標(biāo)法中定義：設(shè)有n個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，以n個(gè)指標(biāo)的上限值為邊界構(gòu)成一個(gè)中心n邊形，將指標(biāo)值連接，構(gòu)成一個(gè)不規(guī)則的多n邊形，這個(gè)多n邊形的的頂點(diǎn)是n個(gè)指標(biāo)的一個(gè)全排列，n個(gè)指標(biāo)共可以組合成(n-1)/2個(gè)不同形狀的n邊不規(guī)則圖形，綜合評(píng)價(jià)指數(shù)等于這些不規(guī)則多n邊形面積的均值除以中心多n邊形的面積。

2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

利用全排列多邊形圖示指標(biāo)法得到城市圈各城市碳匯適宜性和碳源適宜性的評(píng)價(jià)結(jié)果，碳匯適宜性代表評(píng)價(jià)對(duì)象的碳吸收能力，分值越高表示碳吸收能力越強(qiáng)，越能承受較高水平的碳排放壓力；碳源適宜性代表評(píng)價(jià)對(duì)象經(jīng)濟(jì)發(fā)展的碳需求強(qiáng)度，分值越高表示該地區(qū)邊際碳排放效益越高，對(duì)于碳排放權(quán)的分配有較高的優(yōu)先權(quán)。兩組評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示。

表3 武漢城市圈碳平衡適宜性對(duì)比

碳源適宜性和碳匯適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果作為各城市的優(yōu)化系數(shù)影響后續(xù)的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在市際優(yōu)化中，主要的優(yōu)化對(duì)象是碳排放權(quán)。直觀(guān)來(lái)看，由于優(yōu)化的目標(biāo)是經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，碳匯適宜性高的地區(qū)應(yīng)獲得較高的碳排放權(quán)，碳源適宜性較高地區(qū)的碳排放邊際效益較高，也應(yīng)獲得較高碳排放權(quán)。

武漢市是碳源適宜性最高的城市，說(shuō)明其碳排放邊際收益最高，這依托于武漢市在交通、地理位置、政策等方面的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但與此相對(duì)，武漢市的碳匯適宜性卻位列倒數(shù)第二，較低的碳匯適宜性將對(duì)武漢市碳排放權(quán)分配造成一定影響。咸寧市的碳匯適宜性最高，這與咸寧市的第一產(chǎn)業(yè)主體的產(chǎn)業(yè)特色和得天獨(dú)厚的自然稟賦密不可分，但相對(duì)落后的經(jīng)濟(jì)發(fā)展也造成咸寧市在碳源適宜性方面的較低分值，僅為0.005。這體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)的矛盾性，如何協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益對(duì)于保持經(jīng)濟(jì)社會(huì)的穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

3 基于碳平衡適宜性的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于碳平衡適宜性的城市圈土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化包括兩個(gè)步驟。首先，各城市之間根據(jù)碳平衡適宜性對(duì)碳排放權(quán)進(jìn)行市際優(yōu)化配置；其次，碳排放權(quán)優(yōu)化結(jié)果作為各市土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的限制因素出現(xiàn)在約束條件中，各市土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)是經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益的最大化，結(jié)果實(shí)現(xiàn)了基于碳平衡適宜性的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及方法選擇

研究數(shù)據(jù)來(lái)自武漢城市圈各市2011年統(tǒng)計(jì)年鑒、土地利用總體規(guī)劃等相關(guān)統(tǒng)計(jì)規(guī)劃資料。研究以2010年為基期，對(duì)2020年武漢城市圈土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并與各市2020年土地利用總體規(guī)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

多目標(biāo)規(guī)劃是處理優(yōu)化問(wèn)題最成熟的方法之一[18]。主要研究對(duì)象是大于一個(gè)的目標(biāo)函數(shù)在給定區(qū)域上的最優(yōu)化問(wèn)題，又稱(chēng)多目標(biāo)最優(yōu)化。在很多優(yōu)化問(wèn)題中，評(píng)價(jià)一個(gè)對(duì)象的優(yōu)劣往往難以通過(guò)一個(gè)目標(biāo)來(lái)描述，需要用多個(gè)目標(biāo)相互比較，而這些目標(biāo)有時(shí)并不協(xié)調(diào)，甚至互相矛盾，多目標(biāo)規(guī)劃是解決類(lèi)似問(wèn)題的重要方法。由于土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化涉及經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、生態(tài)效益等多個(gè)互相矛盾目標(biāo)間的優(yōu)化，通過(guò)單一的線(xiàn)性規(guī)劃很難達(dá)到目的，所以選取多目標(biāo)規(guī)劃方法作為研究方法。針對(duì)武漢城市圈土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化這一問(wèn)題，建立如下兩組模型：

模型一，城市圈市際碳平衡功能分區(qū)優(yōu)化模型：

max:

xi·ωi

xi·vi

s.t.

xi≤ai/qi

xi≥βi·si+(1-βi)·mi

xi,ωi,vi,ai,qi,βi,si,mi分別代表i城市優(yōu)化期碳排放量、碳匯適宜性指數(shù)、碳源適宜性指數(shù)、規(guī)劃期碳匯量、基期碳平衡系數(shù)(即：與基期相比，碳平衡能力不降低的約束條件)、發(fā)展強(qiáng)度系數(shù)、基期碳排放量、土地利用總體規(guī)劃中規(guī)劃期的碳排放量。

模型二，城市內(nèi)部土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型：

max:

yi·pi1

yi·pi2

s.t.

yi≤(≥)bi

yi,p1i,p2i,bi,qi分別代表第i種土地利用類(lèi)型的優(yōu)化期面積、單位面積生態(tài)效益值、單位面積經(jīng)濟(jì)效益值、土地利用總體規(guī)劃限制值、碳排放系數(shù)。K代表優(yōu)化城市的碳排放總量限制，來(lái)自模型一的優(yōu)化結(jié)果。

表4列出了優(yōu)化過(guò)程中各城市的主要參數(shù)值，其中發(fā)展強(qiáng)度系數(shù)βi是根據(jù)碳源適宜性得到，根據(jù)碳源適宜性高低分為高度發(fā)展區(qū)、中度發(fā)展區(qū)和低度發(fā)展區(qū)三個(gè)等級(jí)，三個(gè)等級(jí)分別代表不同的發(fā)展限制程度，βi是計(jì)算各城市碳源限制的參數(shù)，計(jì)算碳源限制的公式如下：

lim=βi·si+(1-βi)·mi

碳源限制被應(yīng)用于模型一的碳源優(yōu)化限制因素中， 作為碳排放的下限值保證城市的發(fā)展速度，碳排放的上限是根據(jù)土地利用總體規(guī)劃中的規(guī)劃期土地利用結(jié)構(gòu)計(jì)算的碳排放結(jié)果。

碳源適宜性和碳匯適宜性參考前面的計(jì)算結(jié)果，碳平衡因子是規(guī)劃基期土地利用結(jié)構(gòu)的碳平衡能力。

表4 主要優(yōu)化參數(shù)值

查閱有關(guān)文獻(xiàn)，分別參考龔建周等的廣州市土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置[19]及其潛力研究和賴(lài)力的中國(guó)土地利用碳排放效應(yīng)研究[20]關(guān)于各土地利用類(lèi)型經(jīng)濟(jì)與生態(tài)效益的研究成果，確定各土地利用類(lèi)型的碳匯系數(shù)和經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)，具體的指標(biāo)值如表5所示。

表5 土地利用類(lèi)型效益對(duì)比

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

運(yùn)用Matlab軟件計(jì)算，經(jīng)過(guò)模型一的優(yōu)化，得到城市圈各城市的最佳碳源配置結(jié)果，如表6所示。由表6可以發(fā)現(xiàn)城市圈各城市不同階段的碳排放情況。整體來(lái)看，由于城市圈經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，各城市的碳源量較優(yōu)化基期均有所增加，例如武漢市的碳源量由基期的7 058 449.58 t，增加到優(yōu)化期碳源量8 314 953.85 t。

優(yōu)化碳源結(jié)果與規(guī)劃期碳源量對(duì)比，不同城市由于其碳源適宜性和碳匯適宜性的區(qū)別，出現(xiàn)了不同方向的變化。如武漢市優(yōu)化碳源結(jié)果較規(guī)劃碳源量高出28 203.7 t，而黃石的優(yōu)化碳源結(jié)果較規(guī)劃碳源量低124 602.4 t，這說(shuō)明碳排放權(quán)在碳平衡適宜性指導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)重新優(yōu)化配置。

表6 碳源優(yōu)化結(jié)果

計(jì)算模型二得到武漢城市圈土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果，如表7所示。各市土地利用結(jié)構(gòu)中，林地和耕地是主要的面積增加土地類(lèi)型，面積減少的土地類(lèi)型有未利用地和園地。未利用地經(jīng)濟(jì)效益較低，碳匯效益也明顯低于其他用地類(lèi)型，因此在土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整中成為主要的面積較少類(lèi)型[21-23]。

耕地?cái)?shù)量在原有面積的基礎(chǔ)上均有所增加，黃岡市仍然是耕地面積最大的城市，優(yōu)化后的耕地面積總量達(dá)436 105.55 hm2，較規(guī)劃基期增加52 257.59 hm2；武漢市的耕地面積也由原來(lái)的338 300.00 hm2增加到優(yōu)化后的379 974.74 hm2，耕地?cái)?shù)量增加的來(lái)源大多數(shù)是未利用地和園地，因此今后發(fā)展農(nóng)業(yè)可進(jìn)一步開(kāi)發(fā)未利用地和園地的潛力，在保證耕地質(zhì)量的前提下適當(dāng)增加耕地面積，保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，維護(hù)國(guó)家糧食安全[24-25]。

林地在經(jīng)濟(jì)和碳匯等方面都有較高的效益，各城市優(yōu)化結(jié)果中林地面積均有不同幅度增加，林地面積較豐富的主要由黃岡市、咸寧市和孝感市，優(yōu)化后的總量分別為949 300.22 hm2，526 438.51 hm2和233 308.47 hm2，三個(gè)城市林地面積的總量占城市圈林地總量的77.53%，可見(jiàn)這三市是武漢城市圈碳匯的主要來(lái)源。

此外，園地面積顯著減少，牧草地面積基本保持不變。建設(shè)用地根據(jù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，較基期有明顯的增加，特別對(duì)于碳源適宜性較高的武漢市、鄂州市等建設(shè)用地面積增加幅度較其他城市高。未利用地有較大幅度的減少，主要流向有建設(shè)用地、耕地和林地等。

表7 土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果 hm2

4 結(jié)論與討論

(1) 以碳平衡適宜性為指導(dǎo)的研究代表了生態(tài)文明建設(shè)的一個(gè)重要方面。十八大報(bào)告指出，大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，把生態(tài)文明建設(shè)放在突出位置，融入政治建設(shè)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)建設(shè)、文化建設(shè)各方面和全過(guò)程。碳平衡是指碳排放和碳吸收實(shí)現(xiàn)一定程度的抵消，是生態(tài)穩(wěn)定性的重要方面。碳平衡是生態(tài)文明程度的代表性指標(biāo)之一[25]，研究碳平衡的問(wèn)題是生態(tài)文明建設(shè)的重要方面。以碳平衡為指導(dǎo)開(kāi)展的土地利用研究符合生態(tài)文明建設(shè)的具體要求。

(2) 碳平衡適宜性可以指導(dǎo)土地利用結(jié)構(gòu)的合理調(diào)整。研究首先對(duì)武漢城市圈各城市進(jìn)行了碳平衡適宜性評(píng)價(jià)，得到了碳源適宜性和碳匯適宜性綜合評(píng)價(jià)值，并進(jìn)一步得到各城市在碳平衡方面的優(yōu)勢(shì)和不足，針對(duì)性地提出改進(jìn)措施。然后，以?xún)深?lèi)適宜性為基礎(chǔ)指導(dǎo)武漢城市圈市際碳排放權(quán)的配置，由此得到的碳排放權(quán)作為各市土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的控制指標(biāo)，在對(duì)各市的碳源用地進(jìn)行合理控制的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益最大化[26]。

(3) 碳平衡功能分區(qū)研究可以實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展目標(biāo)。城市圈發(fā)展的優(yōu)勢(shì)之一在于實(shí)現(xiàn)區(qū)域互動(dòng)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，協(xié)同發(fā)展。由于各城市的資源稟賦和產(chǎn)業(yè)特色不同，各城市的發(fā)展模式存在較大區(qū)別，例如黃石是中部地區(qū)最大的原材料基地，工業(yè)發(fā)達(dá)，尤其是鋼鐵、水泥等產(chǎn)業(yè)，優(yōu)勢(shì)非常明顯，這決定了黃石市的發(fā)展模式是以第二產(chǎn)業(yè)為主，在建設(shè)用地、工礦用地等方面需要較大面積的配置；咸寧市缺乏重工業(yè)的支撐，多以旅游、農(nóng)業(yè)等第一、三產(chǎn)業(yè)為主，其森林覆蓋率等碳匯稟賦優(yōu)勢(shì)明顯，在城市圈發(fā)展中是重要的碳匯來(lái)源?；谶m宜性的碳平衡功能分區(qū)是以地區(qū)資源稟賦和發(fā)展特色為基礎(chǔ)，對(duì)城市圈整體效益最大化的配置研究，其可在低碳發(fā)展的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)綜合效益最大化。

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UrbanAgglomerationsLandUseStructureOptimizationBasedonCarbonBalanceSuitabilityEvaluation

YU Guang-ying1,2, YUN Kai-qi3

(1.ZhongnanUniversityofEconomicsandLaw,WuhanUniversity,Wuhan430079,China; 2.ResearchInstituteofHorticulturalEconomic,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430079,China; 3.CollegeofPublicAdministration,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070,China)

The contradiction between environment protection and economic development has become increasingly prominent. The land resources conservation and intensive use based on the carbon balance is a fundamental way to enhance the development of sustainability. Based on the references, this study combined the carbon balance and land suitability evaluation, and established urban agglomeration land suitability evaluation index system based on the carbon balance from point of views of the economy, ecology and society, the system includes two aspects of carbon source suitability evaluation and sinks suitability evaluation. Full array polygon icon indicator approach was used to study two types of value of comprehensive evaluation of the suitability. The carbon balance suitability evaluation results show that city suitability has significant difference, within the region there is a big potential for coordination. Based on the suitability evaluation, the studies select multiple objective programming to optimize the allocation of the carbon emissions. Then, the carbon emission optimization limit is introduced into the urban land use structure optimization problems. The studies get the result of land use structure optimization of each city in 2020, and compare with the overall land use planning, and further strengthen the development goals of the low-carbon economy. Allocation of carbon emissions is able to achieve the development goals of the low-carbon economy, carbon balance as one of the goals of ecological civilization construction has important guidance for the land sustainable use and ecological civilization.

land management; land suitability evaluation; carbon balance; land use structure optimization; multi-objective planning

2013-11-11

：2013-12-08

教育部人文社科基金課題“基于博弈論和復(fù)雜適應(yīng)性系統(tǒng)視角的中國(guó)林業(yè)碳匯價(jià)值實(shí)現(xiàn)機(jī)制研究”(11JYC790253);湖北省教育廳人文社科研究課題“武漢發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的路徑選擇研究”(2011JYTE247);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)基金資助“基于碳排放約束的武漢城市圈土地利用配置研究”(2013SC32)

余光英(1972—),女,湖北宜昌人,博士,研究員,研究方向:低碳經(jīng)濟(jì)、區(qū)域發(fā)展。E-mail:jackrunc@gmail.com

員開(kāi)奇(1990—),男,河北唐山人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)楦乇Ｗo(hù)及城市圈土地利用。E-mail:512570486@qq.com

F301.2

：A

：1005-3409(2014)05-0179-06