恢复生态学视角下土地利用优化研究

来源：赛杰奥

土地资源是社会经济发展的基础。改革开放以来，我国经济发展取得了巨大成就，同时也付出了高昂的生态环境代价。目前，我国正处于社会变革和经济转型的新时代，如何调整土地利用结构，并进行合理配置，越来越成为实现中华民族伟大复兴的中国梦必须面临的紧迫任务。随着全球增温日益加速和相关研究的深入，土地系统研究成为解决人类目前面临的可持续发展巨大挑战的核心。作为土地变化科学和土地系统研究的重要内容之一，土地利用优化研究直接面向决策者需求，是实现人类可持续发展的必要选择。

因此，本研究（《恢复生态学视角下土地利用优化研究》，李飞著. 北京: 科学出版社，2019.6）从恢复生态学的角度出发，以吉林省西部为研究区，通过重建土地利用变化历史轨迹，分析土地利用变化的生态效应以及粮食生产潜力的变化，进行了土地利用优化研究。 

▲ 恢复生态学视角下的土地利用优化研究框架

主要结论如下。

☀ 吉林省西部的大规模开垦肇始于19 世纪中后期，纵观吉林省西部近100多年来的土地利用变化轨迹，可分为清朝末年(19 世纪至1911 年)、民国时期(1912 ~1930 年)、抗日战争时期(1931 ~1945 年)、解放战争时期和中华人民共和国成立初期(1946 ~1954 年)、“大跃进” 和“文化大革命” 时期(1955 ~1977年)、改革开放以来(1978 ~2013 年) 六个阶段。中华人民共和国成立初期，吉林省西部农牧比例为1 ∶ 1，1976 年的农牧比例为3 ∶ 1，而2013 年高达5. 6 ∶ 1；同时，盐碱地面积不断增加，沼泽湿地严重萎缩，土地利用结构日益失调。为了进一步探讨各类型土地利用之间的转化关系，本研究重点分析了吉林省西部1976 ~2013 年的土地利用变化。研究结果表明，1976 ~ 2013 年吉林省西部新增耕地面积30. 92 万hm²，主要由草地、林地和沼泽地转化而来。另外，随着社会经济的发展，建设用地扩张，共占据了耕地面积3. 17 万hm²。 

▲近100 年以来吉林省西部人口及主要土地利用类型的变化 

根据2000 ~2013 年土地利用转移概率矩阵，利用系统动力学模型模拟出了2030 年的土地利用结构，发现农牧比例将变为14 ∶ 1。从土地利用程度的角度来看，2013 年的土地利用程度综合指数比1976 年增加4. 6，达到239. 0。根据2030 年的土地利用预测结果，土地利用程度将达到247. 6，比2013 年增加8. 6。人类活动(人口) 和气候变化(气温和降水量) 对土地利用变化有显著影响。

☀ 吉林省西部生态系统服务价值主要由沼泽、农田、水域和草地生态系统服务价值组成。由于土地利用变化，近40 年来吉林省西部生态系统服务总价值共减少39. 3 亿元；其中，1976 ~ 2000 年，吉林省西部生态系统服务总价值由491. 98 亿元减损至463. 23 亿元，到2013 年，吉林省西部生态系统服务总价值仅为452. 68 亿元。1976 ~2000 年，生态系统服务价值的减少主要是由于沼泽地及林地向其他土地利用类型的转化，两者分别使吉林省西部生态系统服务总价值损失了33. 68 亿元和9. 94 亿元，其中，仅沼泽地向耕地转化就使生态系统服务总价值减少了22. 30 亿元。2000 ~2013 年，沼泽地向其他土地利用类型的转化是吉林省西部生态系统服务总价值减少的最主要原因，其中沼泽地向耕地转化是吉林省西部生态系统服务总价值减少了10.39 亿元。 

☀ 粮食是关系国民生计的重要战略物资，其安全是国家安全的重要组成部分。粮食生产潜力是耕地布局是否合理的重要表征，因此，有必要将粮食生产潜力纳入到土地利用优化研究当中。本研究结合气象、土壤、地形和土地利用数据以及其他统计数据，利用GAEZ 模型估算了吉林省西部不同年份不同条件下的粮食生产潜力。研究结果显示，自1976 年以来，吉林省西部粮食生产潜力总量持续增加，近40 年共增加了约451. 67 万t；到2013 年，吉林省西部粮食生产潜力总量为1551. 96 万t；1976 年和2000 年吉林省西部粮食生产潜力总量分别为1100. 29 万t 和1405. 62 万t，期间共增加305. 33 万t；1976 年吉林省西部平均粮食生产潜力为2346. 76 kg/ hm²，2000 年增加为2997. 99 kg/ hm²。2000 ~2013 年，吉林省西部粮食生产潜力总量增加了146. 34 万t；2013 年吉林省西部平均粮食生产潜力比2000 年增加了312. 12 kg/ hm²，达到3310. 11 kg/ hm²；粮食生产潜力的变化主要受气候、土地利用和灌溉率的影响。

☀ 根据恢复生态学的基本理论，通过分析吉林省西部土地利用历史变化轨迹，确定1976 年的土地利用结构和格局作为土地利用优化的参照系统。在利用多目标规划模型进行土地利用数量结构优化时，通过赋予目标函数不同的权重设置了“生态最优” “生态优先” “生态经济并重” “经济优先” 和“经济最优”五种情景。经求解分析，选择了以发展草地畜牧业为主的“经济优先” 情景，优化后耕地、林地、草地、水域、建设用地、盐碱地、沼泽地和未利用地面积分别为231. 98 万hm²、26. 78 万hm²、66. 16 万hm²、19. 64 万hm²、19. 78 万hm²、65. 06 万hm²、37. 6 万hm² 和1. 85 万hm²。本研究选取海拔、坡度、坡形、坡向、地貌、土壤、气温和降水量作为影响土地利用分布格局的自然环境因素；选取易于空间化的人口密度作为社会经济因素，估算了不同影响因素等级或类别上的土地利用百分比，生成了未来气候情景中单因素影响下各土地利用类型的空间分布概率，并采用多准则评价模型模拟了不同RCP 情景下2030 年的土地利用分布概率。

▲ 优化前后吉林省西部粮食生产潜力分布及变化 

☀ 利用多准则评价模型，结合土地利用现状、未来气候和粮食生产潜力的变化，遵循建设用地优先配置、不垦新地、粮食生产潜力最大、不恶化、土地利用稳定持续等原则，将吉林省西部划分成若干1000 m×1000 m 大小的矢量格网，通过计算每个格网内各土地利用类型的面积及百分比，实现了不同气候情景和灌溉水平下的土地利用空间优化配置。优化后，吉林省西部农牧用地比例达到3. 5 ∶ 1，土地利用的空间结构更趋合理，态系统服务总价值比2013 年增加了62. 25 亿元。虽然优化后耕地面积有所减少，但粮食生产潜力不减反增，说明优化结构是科学合理而且可行的。

感谢中国科学院东北地理与农业生态研究所的张树文研究员在本书撰写过程中给予的悉心指导。本研究能够顺利开展得益于国家自然科学基金(41271416；41701094)、西北大学哲学社会科学繁荣发展计划优秀学术著作出版基金(XM07190365)、陕西省自然科学基础研究计划2018JQ4024 、国家科技基础性工作专项基金资助项目(2013FY112800) 等项目的支撑。本书的顺利出版主要得益于“西北大学哲学社会科学繁荣发展计划优秀学术著作出版基金” 的资助。在此表示衷心的感谢。