全 文 ：中国生态农业学报 2009年 7月 第 17卷 第 4期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, July 2009, 17(4): 776−781


* 国家社会科学基金重点项目(02AJY007)资助
王利文(1970~), 男, 博士, 副研究员, 主要从事环境经济和自然资源管理研究。E-mail: wliwen2000@163.com
收稿日期: 2009-03-14 接受日期: 2009-05-10
DOI: 10. 3724/SP.J.1011.2009.00776
土地利用的生态−经济全息协调优化研究*
——以宁夏固原县为例
王利文
(大兴安岭职业学院 加格达奇 165000)
摘 要 运用全息协调的理论和方法, 以黄土丘陵区宁夏固原县为例, 选择粮食总产、输沙模数为目标因子,
土地利用结构、降水量、积温为结构因子, 利用 1949~2003 年的生态经济数据, 对土地利用系统进行了生态−
经济优化。结果表明：牧草地对粮食产量和水保效益起显著作用, 土地利用系统优化可实现粮食总产增加和
输沙模数下降的“双赢”。全息协调分析表明, 粮食总产的最大值为 18.92 万 t·a−1, 最小输沙模数为 1 052.9
t·km−2·a−1；目标因子相等权重条件下的土地优化利用调整方案是：在 2003年基础上, 将>25°全部和 10°~ 25°
部分坡耕地共计 3.07万 hm2退耕还林(草), 输沙模数将由 6 000 t·km−2·a−1降至 2 000 t·km−2·a−1, 粮食自
给率能维持在 70%左右。
关键词 土地利用 全息协调理论 结构优化 退耕还林(草) 生态经济
中图分类号: S181; F323.1 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2009)04-0776-06
Ecological-economic optimization of land-use structure with the theory
of Collected Information Complex Concert Control
—A case study of Guyuan County of Ningxia Hui Autonomous Region
WANG Li-Wen
(Daxing’anling Vocational College, Jiagedaqi 165000, China)
Abstract The theory and approachs of Collected Information Complex Concert Control (CICCC) are used to ecologically and
economically optimize the land-use systems based on a case study of Guyuan County, Ningxia Hui Autonomous Region, a loess hill
area. Gross grain output and sediment transport module are designed as the objective factors while land-use structure, precipitation
and cumulative temperature as structural factors and ecological and economic data ranging from 1949 to 2003 are used. The result is
that the grasslands are especially important to the gross grain output and the conservation of soil and water. The optimization
of land-use system could help achieve both the growth of gross grain output and the decrease of sediment transport module. The
analysis result of CICCC shows that the maximum gross grain output in Guyuan County is 18.92×104 t·a−1 , while the minimum
sediment transport module is 1 052.9 t·km−2·a−1. And provided that the weight value of each objective factor is same, the optimized
adjustment scheme of land-use is that all cultivated land on the slope with more than 25° gradient, and part cultivated slope land with
10° to 25° gradient are returned to the forestlands or grasslands, on the basis of land-use structure in 2003, which will reach 30 700
hm2. The sediment transport module will decrease from 6 000 t·km−2·a−1 to 2 000 t·km−2·a−1, and the ratio of grain self-supplying
can sustains to 70% or so.
Key words Land use, Theory of Collected Information Complex Concert Control, Structure optimizing, Returning the culti-
vated land to forestland or grassland, Ecological economy
(Received March 14, 2009; received May 10, 2009)
土地利用系统是一个巨大的非线性动力学系统,
为实现其结构定量优化, 利用线性规划、灰色预测
等方法难以充分挖掘因素间的“内层”信息及灵活
改变用地方案。因此, 从以自然和社会经济背景及
第 4期 王利文: 土地利用的生态−经济全息协调优化研究 777


其内在关系为依据的“信息域”中挖掘因素间的规
律, 筛选生态−经济优化的土地利用结构, 需要借助
一种新的方法论。多维时空全息协调理论(简称全息
协调理论)是一种具有广泛适应性的决策优化工具[1],
本研究借助该理论和工具对黄土丘陵区宁夏固原县
的土地利用结构进行生态−经济优化 , 旨在为该地
区的土地利用提供决策依据。
1 研究区域概况
固原县位于宁夏南部六盘山北麓, 黄土高原西
段。全县土地面积 3 915 km2, 年均气温 6.0~7.5 ℃,
≥10 ℃积温 1 500~2 750 ℃, 干燥度 2~3, 无霜期
105~135 d, 降水量 350~500 mm, 人均水资源量 366
m3。2003 年, 全县总人口 50.7 万, 其中, 农业人口
42.3万；总耕地面积 16.9万 hm2, 其中, 水浇地 2.03
万 hm2, 坡耕地 9.23万 hm2；农民人均纯收入 1 255
元, 人均粮食 304 kg。固原县十年九旱, 自然环境恶
劣, 是全国“贫困之冠”的“三西”地区典型县, 也
是全国生态农业建设重点县。
2 全息协调理论简介
2.1 基本观点
全息协调理论是从系统的原有信息里提炼出融
入自然的气象、土壤、生物圈和人为等因素集成的
规律, 在此基础上, 对这些信息中不合理的表达进
行协调、优化和系统决策[2]。全息协调理论基于以
下观点：系统功能诸多影响因素间的整体综合关系
是客观存在的；系统影响因素间的整体综合协调关
系也是客观存在的；系统是一个物质和能量的转化
系统；系统的每一个过程的综合信息表达了一个具
体的综合关系；若干个实际过程的综合信息表达了
它所代表的系统的整体关系；协调和不协调是对立
存在的, 绝对存在于相对之中, 所以可以从个别的
具体关系和不协调的综合关系中找到相对协调的综
合关系。
2.2 协调优化方法
(1)确定系统的目标因素和结构因素。结构因素
对目标的优先序由因素对目标的权重来衡量, 权重
的计算方法包括欧式距离法、夹角余弦法和灰色关
联度法。
(2)将结构因素和目标因素归一化为适度系数 ,
使不同量纲的因素之间可以相互比较。定义系统协
调=系统目的×系统功能/系统结构, 结构协调系数=
目标系数×功能平均系数/结构平均系数, 即利用公
式(1)来评价其整体协调程度。当系统的结构因素处
于等适度时, 其和谐适度系数 Ei=1, 即用最小的结
构达到最大的功能 , 物质能量的总投入理论上以
100%的比率向目标转化, 其总体结构协调。真实系
统的协调结构信息存在于多个实际的不协调结构中,
可用多个反映真实系统关系的模型来映射出协调空
间, 并进行协调优化, 使不等于 1 的和谐适度系数
等于 1, 即可实现系统整体协调, 结构优化, 使目标
最大限度的实现。
2
11
/ /
m m
mj j j j j i i
ii
SH G SP SM G S S m
==
= ⋅ = ⋅ ∑∏ (1)
式中, m为结构因素数量, 2≤m<∞; SH为结构协调系
数; SP为功能平均系数; SM为结构平均系数; Gj为
目标因素; Si为结构因素。并用下式计算和谐适度系
数(Ei):
2
11
/
m m
mi i i
ii
E S S m
==
= ∑∏ (2)
(3)采用中国农业大学研制的全息协调预测软件
AGS3.0进行数据处理。
2.3 数据来源
土地和粮食数据来源于历年《固原县土地利用统
计年报》和《固原县统计年鉴》, 气象和水土流失数
据分别来自固原县气象局和水文局的历史资料。
3 土地利用全息协调结构优化过程
3.1 确定土地利用系统的目标因子和结构因子
黄土丘陵区土地利用生态−经济优化的标志是
实现粮食最大化和水土流失最小化[3−8]。本研究用粮
食总产和水土流失量(土壤侵蚀模数)来体现。由于当
地水利部门未对土壤侵蚀进行年度测量, 只有各年
的输沙模数, 因固原县河水泥砂的主成分是悬移质,
推移质含量很少, 输沙模数与土壤侵蚀模数无显著
差异。因此, 用输沙模数代替土壤侵蚀模数。
除土地利用结构外, 积温和降水对粮食产量也
有重要影响, 故以三者为粮食总产目标下的结构因
子。决定输沙模数的因素有地形、地面物质和土壤、
植被、降雨侵蚀势和土地利用结构等, 其中, 前三者
或属于地质尺度或受其他因子的间接影响, 而土地
利用结构和降水量的独立性较强, 由于本研究针对
影响粮食总产和水土流失的双重限定, 因此选择土
地利用结构和降水量为结构因素。具体见表 1。
3.2 粮食总产与土地利用结构的全息协调分析
3.2.1 初始协调分析
对目标因子粮食总产及结构因子耕地、林地和
牧草地、积温、降水量(表 1)进行最大值标准化, 得
到各自的初始适度系数, 由初始适度系数计算出初
始协调系数(表 2)。由表 2可知, 不同年份的目标适
度值、功能系数、结构平均值存在一定差异, 1973
778 中国生态农业学报 2009 第 17卷


年的和谐效应最大, 但目标适度系数较小, 初始协
调系数也较低, 反映出此年是低水平的协调。2003
年的目标适度最高, 功能效果、结构平均、初始协
调系数也最大, 而和谐效应并非最大, 说明结构还
可进一步协调优化。
选取表 2 中各系数最大的年份进行协调优化,
得到最大目标值及其和谐协调结构(表 3)。由表 3可
知, 不同系数经协调优化后最大目标值及其和谐协
调结构不同, 我们所寻求的是目标适度最大, 故选
取 2003 年协调优化后的值为最大协调状态估算值,
以此作为协调结构参照系进行下一步分析。
3.2.2 全息协调的和谐分析
以结构因子数值和协调结构参照系数值的比值
为结构因子的适度系数(和谐适度系数), 见表 4。

表 1 不同年份粮食总产、输沙模数及其影响因素
Tab. 1 Gross grain output, sediment transport module and their influencing factors in different years
年份
Year
耕地
Cultivated land
(104 hm2)
林地
Forestland
(104 hm2)
牧草地
Grassland
(104 hm2)
积温
Cumulative
temperature(℃)
降水量
Precipitation
(mm)
粮食总产
Gross grain
output (104 t)
输沙模数
Sediment transport
module (t·km−2)
1963 15.04 5.33 12.00 2 210.7 501.1 6.39 3 680
1973 13.10 4.93 12.79 2 051.3 559.5 8.65 2 800
1983 11.93 4.30 14.61 2 344.7 476.7 7.75 3 160
1993 16.90 2.47 10.53 2 383.5 552.4 10.70 1 458
2003 16.87 2.48 10.44 2 693.0 454.8 15.82 1 568
表中只列出 1949~2003年部分年份的数据, 下同。Data in partial years from 1949 to 2003 are listed. The same below.

表 2 不同年份结构状态的初始协调系数
Tab. 2 Initial coordination coefficient of various structures in different years
年份
Year
目标适度
Suitable objective
功能系数
Function coefficient
功能效果
Function effect
结构平均
Structure mean
和谐系数
Harmony coefficient
初始协调系数
Initial coordination
coefficient
1963 0.403 7 0.764 9 0.308 8 0.824 8 0.927 4 0.374 4
1973 0.546 8 0.816 8 0.446 6 0.835 5 0.977 6 0.534 5
1983 0.489 5 0.776 6 0.380 1 0.806 5 0.962 9 0.471 4
1993 0.675 6 0.814 3 0.550 2 0.865 2 0.941 1 0.635 9
2003 1 0.799 6 0.799 6 0.848 8 0.942 0 0.942 0
协调值的计算偏差为±1.81%。The deviation of coordination value is ±1.81%.

表 3 最大协调状态下粮食产量的估算值
Tab. 3 Estimated gross grain output under maximal harmonious situation
估算方法
Estimation method
年份
Year
产量
Yield
(104t)
耕地
Cultivated land
(104hm2)
林地
Forestland
(104hm2)
牧草地
Grassland
(104hm2)
降水量
Precipitation
(mm)
积温
Cumulative
temperature(℃)
目标适度 Suitable objective 2003 16.80 13.51 4.26 11.68 447.36 2 153.26
结构平均 Structure mean 1993 11.36 13.76 4.34 11.89 455.61 2 192.96
和谐效应 Harmony effect 1963 8.86 13.81 4.36 11.93 456.99 2 199.62
协调系数 Coordination coefficient 2003 16.80 13.51 4.26 11.68 447.36 2 153.26
功能系数 Function coefficient 1963 8.86 13.81 4.36 11.93 456.99 2 199.62
功能效果 Function effect 2003 16.80 13.51 4.26 11.68 447.36 2 153.26

表 4 结构因子的和谐适度系数
Tab. 4 Harmony suitable coefficient of structural factors
年份
Year
产量
Yield
耕地
Cultivated land
林地
Forestland
牧草地
Grassland
降水量
Precipitation
积温
Cumulative temperature
1963 0.403 7 0.889 9 1 0.821 5 0.895 6 0.820 9
1973 0.546 8 0.775 1 0.925 0 0.875 4 1 0.761 7
1983 0.489 5 0.705 9 0.806 3 1 0.852 0 0.870 7
1993 0.675 6 1 0.463 0 0.720 7 0.987 3 0.885 1
2003 1 0.998 2 0.465 1 0.714 6 0.812 9 1
第 4期 王利文: 土地利用的生态−经济全息协调优化研究 779


从和谐适度入手, 对各年份的结构进行协调分
析, 即为全息协调和谐分析(表 5)。由表 5 可知, 经
全息协调和谐分析后, 各年份的功能系数、结构平
均、目标适度等值均发生变动, 以此结果进行最终
的协调优化, 计算出不同年份粮食总产与土地利用
结构、积温及降水间的优化协调结构(表 6、表 7)。
从表 6可知, 经全息协调分析, 2003年粮食总产
维持原目标(粮食总产量不变)的最佳土地利用结构
为耕地 13.78万 hm2, 林地 4.35万 hm2, 牧草地 11.91
万 hm2；依原结构优化后最优土地利用结构为耕地
14.35万 hm2, 林地 4.53万 hm2, 牧草地 12.40万 hm2,
粮食总产量 16.49 万 t(表 7)。

表 5 全息协调和谐分析
Tab. 5 Harmony effect of Collected Information Complex Concert Control(CICCC)
年份
Year
目标适度
Suitable objective
功能系数
Function coefficient
功能效果
Function effect
结构平均
Structure mean
和谐效应
Harmony effect
协调系数
Coordination coefficient
1963 0.380 3 0.956 7 0.363 8 1.031 5 0.927 4 0.352 7
1973 0.515 1 1.021 5 0.526 2 1.045 0 0.977 6 0.603 5
1983 0.461 1 0.971 2 0.447 8 1.003 6 0.962 9 0.444 0
1993 0.636 4 1.018 4 0.648 2 1.082 1 0.941 1 0.599 0
2003 0.942 0 1 0.942 0 1.061 6 0.942 0 0.887 5

表 6 不同年份粮食总产不变的结构优化状态
Tab. 6 Optimization on the structure under actual grain gross output in different years
年份
Year
产量
Yield (104t)
耕地
Cultivated land (104hm2)
林地
Forestland (104hm2)
牧草地
Grassland (104hm2)
降水量
Precipitation (mm)
积温
Cumulative temperature (℃)
1963 6.39 13.09 4.13 11.32 433.52 2 086.63
1973 8.65 13.39 4.23 11.57 443.37 2 134.02
1983 7.75 13.29 4.19 11.49 440.09 2 118.25
1993 10.69 13.56 4.28 11.72 448.76 2 159.97
2003 15.82 13.78 4.35 11.91 456.29 2 196.21

表 7 不同年份结构不变的粮食总产优化状态
Tab. 7 Optimization on the gross grain output under primary structure in different years
年份
Year
产量
Yield (104t)
耕地
Cultivated land (104hm2)
林地
Forestland (104hm2)
牧草地
Grassland (104hm2)
降水量
Precipitation (mm)
积温
Cumulative temperature (℃)
1963 13.00 13.94 4.40 12.05 461.47 2 221.17
1973 13.07 14.12 4.46 12.20 467.48 2 250.09
1983 11.19 13.63 4.30 11.78 451.21 2 171.77
1993 15.61 14.62 4.61 12.64 484.11 2 330.10
2003 16.49 14.35 4.53 12.40 474.92 2 285.88

3.2.3 权重分析
由图 1 可知, 协调前结构因子对目标因子的初
始权重和协调后的权重差异较大, 总的趋势是协调
后各结构因子权重趋于平衡, 协调前排在第一位的
是积温, 协调后为牧草地。一方面说明牧草地面积
对粮食总产的作用最大, 可能因为牧草地可显著减
少水土流失改善区域生态环境, 并能间接提高土壤
库储备能量(即基础肥力)；另一方面说明黄土丘陵区
决定粮食总产的优化结构不是耕地越多越好, 而是
依靠合理的土地利用结构, 注重各结构因子交互作
用的发挥。最佳的土地利用结构是进一步减少耕
地(坡耕地)增加牧草地和林地面积, 尤其是牧草地
面积。

图 1 协调前后结构因子对粮食总产的权重变化
Fig. 1 Changes of weight of structure factors of gross
grain output before and after coordination
780 中国生态农业学报 2009 第 17卷


3.2.4 最大目标值及其协调状态的确定
结构因子无任何限定, 在现有物质能量投入基
础上 , 经全息协调分析 , 粮食总产最大值是 18.92
万 t, 对应的协调状态为：耕地 12.70 万 hm2, 林地
4.04万 hm2, 草地 11.07万 hm2, 降水 450.5 mm, 积
温 2 272.1 ℃。降水和积温为固原县正常年份水平,
故土地利用结构优化是提高粮食产量的关键。
3.2.5 不同粮食总产情景的土地利用结构全息协调
分析
实际生产中, 黄土丘陵区气象因子年际变化大,
粮食总产相对于土地利用结构的调整又有滞后性。
本研究以多年气候平均值为可控因子, 拟设不同粮
食总产情景, 对现有农地(2003 年的 30 万 hm2)的利
用结构进行全息协调优化, 并以优化的结果(表 8)为
基础, 提出退耕还林(草)面积。

表 8 不同粮食总产情景的全息协调土地利用
结构和退耕还林(草)面积
Tab.8 Land-use structure and acreage of forestland and grass-
land returned from cultivated land with CICCC based on vari-
ous gross grain output scenarios 104hm2
情景
Scenario
耕地
Cultivated land
林地
Forestland
牧草地
Grassland
Ymax 13.67(−3.00) 4.07(+1.13) 12.27(+1.87)
70% Ymax 14.18(−2.73) 4.27(+1.60) 11.27(+1.13)
50% Ymax 15.13(−1.73) 4.00(+1.53) 10.87(+0.47)
Ymax 为固原县多年平均气温和平均降水条件下全息协调粮食最
大产量, 17.24 万 t。Ymax is 17.24×104t, the highest grain output in
Guyuan County with CICCC under annual average temperature and
precipitation. 括号内为退耕还林(草)面积, +为增加, −为减少。下同。
Data in the parenthesis are the area of cultivated land returned to for-
estland or grassland, + means increase, − means decrease. The same
below.

3.3 输沙模数与土地利用结构全息协调分析
输沙模数与土地利用结构全息协调分析的步骤
同粮食总产。限于篇幅, 仅对权重、最小输沙模数
及其协调状态和不同输沙模数情景进行讨论。
3.3.1 输沙模数全息协调权重分析
协调前后, 土地利用结构和降水对输沙模数的
权重发生了很大变化(图 2)。各因子的协调权重差异
减小。协调前权重的排列顺序为林地>牧草地>降水
量>耕地 , 协调后变为牧草地>林地>降水量>耕地 ,
说明黄土丘陵区牧草地和林地对输沙模数的影响大,
尤其是牧草地, 与覆盖度较低的林地相比, 水保效
益更显著, 进一步说明应大力加强牧草地的建设。
3.3.2 最小输沙模数及其协调状态的确定
以输沙模数为目标因子, 以土地利用结构和降
水量为结构因子, 不加限制条件进行全息协调分析,
最小输沙模数为 1 052.9 t·km−2·a−1, 这比前人[9]

图 2 协调前后各结构因子对输沙模数权重的变化
Fig. 2 Weight changes of structure factors of
sediment transport module before and after coordination

测定的微坡地(<7°)的 1 250 t·km−2·a−1小, 说明黄
土丘陵区土地整体存在极不合理的利用现象, 导致
水土流失远超过自然本底值。其对应的协调状态为：
耕地 12.81 万 hm2, 林地 4.04 万 hm2, 牧草地 11.07
万 hm2, 降水量 423.88 mm。降雨量为该地正常年份
降水量, 说明严重的水土流失主要是土地利用结构
不合理造成的[10]。
3.3.3 不同输沙模数情景的土地利用结构全息协调
分析
将降水量(472 mm)作为可控制因子, 以 2003年
农地总面积为参照进行优化, 对不同输沙模数情景
进行土地利用结构的全息协调分析, 最优结构及相
应的退耕还林(草)面积见表 9。从表 9可知, 土地利
用的改变决定输沙模数的变化。为了使输沙模数最
小, 应退耕 2.87万 hm2。固原县坡度为 25°以上的坡
耕地有 2.53 万 hm2, 故除坡度 25°以上的坡耕地外,
还包括 10°~25°的部分坡耕地需退耕还林(草)。

表 9 不同输沙模数情景的全息协调土地利用结构
和退耕还林(草)面积
Tab. 9 Structure of land-use and area of forestland and
grassland returned from cultivated land with CICCC based on
various sediment transport module scenarios
104hm2
情景
Scenario
耕地
Cultivated land
林地
Forestland
牧草地
Grassland
SE min 14.00(−2.87) 4.67(+2.18) 11.33(+0.96)
1.5 SE min 18.00(+1.13) 2.93(+0.45) 9.07(−1.29)
2 SE min 19.33(+2.46) 2.41(−0.05) 8.32(−2.12)
SE min代表平年降水(472 mm)的最小输沙模数(1 760 t·km−2·a−1)。
SE min is the minimum sediment transport module 1 760 t·km−2·a−1
under the mean precipitation 472 mm.

3.4 粮食总产和输沙模数与土地利用结构全息协
调分析
实现黄土丘陵区土地可持续利用, 需同时实现
粮食总产最大化和输沙模数最小化。因此, 对前述
第 4期 王利文: 土地利用的生态−经济全息协调优化研究 781


两目标赋予相等的权重(即兼顾生态和经济)进行全
息优化, 得到土地利用结构优化结果为：耕地 13.83
万 hm2, 林地 4.37万 hm2和牧草地 11.80万 hm2。这
意味着, 在 2003年基础上需退耕 3.07万 hm2, 退耕
的坡耕地包括>25°的全部和 10°~25°的一部分；退耕
地还林 1.76万 hm2和还草 1.31万 hm2。如果按每年
退耕 0.3 万 hm2计算, 约需 10 年完成。到那时, 固
原县的输沙模数可由 6 000 t·km−2·a−1 大体降至
2 000 t·km−2·a−1；按人均 400 kg粮食计算, 全县
粮食自给率维持在 70%左右。
4 讨论与结论
本文首次用全息协调理论和方法分析土地利用
系统, 为土地利用结构调整提供了一种更加优化的
途径, 尤其是对土地利用问题突出的典型黄土丘陵
区——宁夏固原县更有现实意义。本研究把报告期选
定为 2003 年, 主要是为避免固原县改称原州区后,
所辖范围发生变化导致的经济和生态等数据前后不
一致；同时因为《退耕还林条例》从 2003年开始实
施, 以此为基础的研究结果能为土地利用决策提供
可操作方案。本研究所得主要结论如下：
牧草地对黄土丘陵区粮食产量和水土流失的影
响非常显著。黄土丘陵区属农牧交错地带, 牧业发
展应始终放在突出的位置, 且还应选种生态适宜性
好和生物产量高的牧草, 进一步改善牧草地质量。
优化土地利用系统的结构和目标是一致的。黄
土丘陵区土地利用生态−经济结构优化 , 是要实现
粮食产量最大化和水土流失量最小化。本文对粮食
产量最大化、水土流失量最小化和二者相等权重 3
种状态进行全息协调分析后, 得到的土地利用结构
优化数据非常相近, 说明对于一个合理的土地利用
系统, 生产力和生态是可以实现“双赢”的。
为实现固原县土地利用生态和经济目标, 应按
优化方案对现有的土地利用结构进行调整。本文提
供了以下优化方案：单纯实现单一目标, 固原县粮
食最大值可达到 18.92万 t· a−1, 最小输沙模数可降
至 1 052.9 t·km−2·a−1；目标因子相等权重条件下,
在 2003 年基础上, 将>25°全部和 10°~25°部分坡耕
地共计 3.07 万 hm2 退耕还林(草), 输沙模数将由
6 000 t·km−2·a−1降至 2 000 t·km−2·a−1, 粮食自
给率能维持在 70%左右。
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