熊彬宇 李永浮 趙伯川

當(dāng)前我國村鎮(zhèn)地區(qū)發(fā)展仍面臨較多問題。我國人口眾多，人均耕地面積少，耕地分布細(xì)碎且后備耕地資源匱乏。農(nóng)用基礎(chǔ)設(shè)施用地開發(fā)監(jiān)管力度不嚴(yán)，耕地資源浪費(fèi)情況日益加重。村莊居民點(diǎn)分布零散，建設(shè)用地利用粗放。土地是鄉(xiāng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的根本，土地資源的有限性與社會(huì)需求的無限性客觀上要求對(duì)區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化配置[1]，而土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化不僅是人類活動(dòng)的結(jié)果，更作為政策工具指導(dǎo)人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)[2]。

土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化是在一定投入與約束條件下，通過對(duì)各種土地資源類型進(jìn)行科學(xué)數(shù)量組合和空間優(yōu)化布局[3]。早期土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論是為了尋求適合西方企業(yè)型農(nóng)業(yè)建立時(shí)代的合理生產(chǎn)方式而誕生的。德國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)家杜能于1826年首先對(duì)農(nóng)村土地利用展開研究，提出農(nóng)業(yè)區(qū)位論的觀點(diǎn)[4]。第二次世界大戰(zhàn)后，城市建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展期，全球人口數(shù)量膨脹，資源短缺、人地矛盾由此開始顯現(xiàn)，針對(duì)資源承載力的研究日益增多[5]。一些國內(nèi)學(xué)者引入資源環(huán)境承載力相關(guān)理論，將承載力理論與我國城鄉(xiāng)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合。在承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系方面，提出區(qū)域特殊性、系統(tǒng)協(xié)調(diào)性、綜合性、層次性和可操作性的指標(biāo)體系設(shè)計(jì)原則[6]，并不斷完善承載力指標(biāo)體系框架[7-8]。同時(shí)，在優(yōu)化配置模型方面開展大量研究，研究內(nèi)容經(jīng)歷了從定性到定量[9]、從線性到非線性[10-12]、從單目標(biāo)優(yōu)化到多目標(biāo)優(yōu)化[13]、從城市到城鄉(xiāng)的過程轉(zhuǎn)變[14-17]。由于鄉(xiāng)村地區(qū)數(shù)據(jù)較難獲取，村鎮(zhèn)地區(qū)承載力研究成果相對(duì)較少。

1 研究方法及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究方法

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（System Dynamics，SD）建模方法，由美國MIT的Jay W.Forrester教授于1956年首創(chuàng)，在1960年代成型，后由他的學(xué)生進(jìn)一步完善和推廣應(yīng)用。Forrester[18]的《城市動(dòng)力學(xué)》、Dennis Meadows等[19]合著的《增長的極限》，以及John D.Sterman[20]所著的《商務(wù)動(dòng)態(tài)分析方法》都是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論和應(yīng)用的經(jīng)典著作。

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法是從系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)建立系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，用回路描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，用因果關(guān)系圖和流圖描述系統(tǒng)之間的邏輯關(guān)系，用方程描述系統(tǒng)要素之間的數(shù)量關(guān)系，用專門的仿真軟件進(jìn)行模擬分析，因此系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法包括因果關(guān)系圖、流圖、方程和仿真平臺(tái)[21]19。目前，廣泛使用的微機(jī)版系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)工具軟件有Stella、Vensim、Powersim、Anylogic等，其中Vensim軟件在社會(huì)科學(xué)研究中使用較多。本文基于Vensim PlE 9.0.1版本開展仿真模擬。

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的發(fā)展主要基于5種理論與技術(shù)：系統(tǒng)理論、信息反饋理論、決策理論、系統(tǒng)力學(xué)和計(jì)算機(jī)仿真模擬[21]21。SD模型不同于傳統(tǒng)的數(shù)理分析模型，它是根據(jù)反饋回路構(gòu)建因果關(guān)系系統(tǒng)分析結(jié)構(gòu)，以響應(yīng)系統(tǒng)中的每個(gè)子系統(tǒng)，尤其擅于處理非線性的多重反饋復(fù)雜問題。這些特點(diǎn)正好適用于村鎮(zhèn)地區(qū)耕地保護(hù)與承載力研究，可以從社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等要素全方位模擬村鎮(zhèn)土地利用變化和土地承載力。SD模型素有“戰(zhàn)略與政策實(shí)驗(yàn)室”之譽(yù)，基于SD開展村鎮(zhèn)土地承載力動(dòng)態(tài)模擬研究，將有助于制定合理的村鎮(zhèn)耕地保護(hù)政策，確保糧食生產(chǎn)安全，實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

1.2 數(shù)據(jù)來源

2007年3月，社渚鎮(zhèn)與周邊城鎮(zhèn)合并為新的社渚鎮(zhèn)，行政區(qū)劃變動(dòng)造成社渚鎮(zhèn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料和村莊土地面積數(shù)據(jù)無法獲取和統(tǒng)計(jì)口徑不一致等問題。本文使用2009年—2017年數(shù)據(jù)資料，其中人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等來源于《溧陽市統(tǒng)計(jì)年鑒（2009—2017年）》，土地利用數(shù)據(jù)來源于《溧陽市社渚鎮(zhèn)土地利用變更調(diào)查（2009—2017年）》。

2 社渚鎮(zhèn)土地利用變化分析

研究范圍選取江蘇省常州市溧陽市社渚鎮(zhèn)。溧陽市位于江蘇省西南部，與浙、皖二省接壤，東臨宜興，西與高淳、溧水相接，南與廣德、郎溪毗鄰，北接句容、金壇，總面積1 535.87 km2。社渚鎮(zhèn)位于溧陽市西南部，距離市區(qū)約28 km，位于蘇皖交界處，青蝦養(yǎng)殖是當(dāng)?shù)氐奶厣a(chǎn)業(yè)，也是當(dāng)?shù)剞r(nóng)村經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一。但該地區(qū)養(yǎng)殖坑塘大多數(shù)是21世紀(jì)初由耕地轉(zhuǎn)化而來，對(duì)糧食安全和生態(tài)安全造成一定的不利影響。因此，從耕地保護(hù)和生態(tài)安全的角度，有必要開展社渚鎮(zhèn)的土地利用變化分析。

根據(jù)研究目的和國家土地類型分類標(biāo)準(zhǔn)，將溧陽市社渚鎮(zhèn)土地利用類型分為坑塘養(yǎng)殖、旱地、水田、村建設(shè)用地、鎮(zhèn)建設(shè)用地、設(shè)施農(nóng)用地、其他農(nóng)用地、其他建設(shè)用地、未利用地9種。利用溧陽市2009—2017年土地利用現(xiàn)狀變更數(shù)據(jù)得到這一時(shí)期的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（見表1-表2）。

表1 2009—2013年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（單位：hm2）Tab.1 Land use transfer matrix from 2009 to 2013 (hm2)

表2 2013—2017年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（單位：hm2）Tab.2 Land use transfer matrix from 2013 to 2017 (hm2)

從主要地類面積增減變化來看，如表1所示，2009年至2013年間，耕地面積下降較多，旱地和水田面積分別減少2.41 hm2和20.53 hm2，下降0.17%與0.25%。鎮(zhèn)建設(shè)用地與設(shè)施農(nóng)用地面積增加較多，分別增加45.81 hm2和10.25 hm2，上升9.55%與46.71%。如表2所示，2013年至2017年間，旱地、水田、設(shè)施農(nóng)用地和鎮(zhèn)建設(shè)用地均有所增加，分別增加28.84 hm2、173.24 hm2、8.33 hm2和37.36 hm2，上升7.10%、2.11%、25.88%和7.11%。

從土地利用轉(zhuǎn)移的流向情況看，2009年至2013年間，未利用地開發(fā)情況較好，大部分轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌r(nóng)用地；村鎮(zhèn)建設(shè)用地總面積均有增加，其中主要從水田與坑塘養(yǎng)殖中轉(zhuǎn)化而來；設(shè)施農(nóng)用地增加的面積主要來自其他農(nóng)用地；耕地“非農(nóng)化”情況較為嚴(yán)重，耕地與水田面積有所下降。2013年至2017年間，耕地面積有較大幅度增加；村建設(shè)用地總量減少，其中大部分轉(zhuǎn)化為水田；其他建設(shè)用地總量減少，主要轉(zhuǎn)化為旱地與水田；設(shè)施農(nóng)用地面積的增加來源于其他農(nóng)用地、水田和旱地；未利用地的開發(fā)速度有所減緩。

從上述分析可知，社渚鎮(zhèn)地類轉(zhuǎn)換主要分為農(nóng)業(yè)用地內(nèi)部轉(zhuǎn)換和農(nóng)業(yè)用地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換。加之全鎮(zhèn)人口、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)要素的影響分析，奠定全鎮(zhèn)土地利用變化SD模型的基礎(chǔ)，進(jìn)而開展土地利用變化的仿真模型分析。

3 土地利用變化SD模型構(gòu)建

3.1 SD模型因果圖構(gòu)建

本文以社渚鎮(zhèn)行政區(qū)劃界限為空間邊界。根據(jù)文獻(xiàn)與實(shí)地調(diào)研，耕地變化主要受耕地承載力、土地政策和經(jīng)濟(jì)要素的影響。根據(jù)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣中得到的不同土地利用類型之間的流向關(guān)系，結(jié)合社渚鎮(zhèn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)等要素建立因果關(guān)系圖（見圖1）。

圖1 社渚鎮(zhèn)土地利用變化SD模型因果關(guān)系圖Fig.1 Causality diagram of SD model of land-use change in Shezhu Town

土地利用變化的SD模型既要考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素對(duì)各土地利用變化的影響，也要考慮各地類轉(zhuǎn)換對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素的反作用，也就是兩者之間形成的互反饋關(guān)系，從而在SD模型中形成多個(gè)反饋回路。

其中，全鎮(zhèn)建設(shè)用地/耕地面積的供需平衡狀態(tài)有3種可能：超載、平衡或可載[22]。這種平衡狀態(tài)可以表征建設(shè)用地/耕地的承載能力。如果未來社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)所需的建設(shè)用地面積/耕地面積遠(yuǎn)超建設(shè)用地/耕地的實(shí)際供給能力，表明全鎮(zhèn)土地承載能力不可持續(xù)，必須對(duì)人口—社會(huì)—經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)做相應(yīng)調(diào)整。

3.2 土地利用變化的SD模型流圖構(gòu)建

對(duì)社渚鎮(zhèn)土地利用變化因果關(guān)系圖加以充實(shí)，使其更加具體化。通過Vensim-PLE軟件，根據(jù)每個(gè)變量的性質(zhì)，用狀態(tài)變量、速率變量、輔助變量、表函數(shù)、常量描繪出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，可得社渚鎮(zhèn)土地利用變化SD模型系統(tǒng)流圖（見圖2）。

圖2 社渚鎮(zhèn)土地利用變化SD模型系統(tǒng)流圖Fig.2 Flow chart of land-use change system in Shezhu Town

模型中部分變量間的方程關(guān)系是固定的數(shù)量關(guān)系，可以直接寫出系統(tǒng)方程式，有些變量之間沒有直接的數(shù)量關(guān)系，則需要運(yùn)用SPSS軟件對(duì)歷年數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析得到。社渚鎮(zhèn)土地利用變化系統(tǒng)部分方程如下：

該模型內(nèi)反饋回路有以下3類：

①耕地承載力→旱地轉(zhuǎn)村莊→旱地減少量→旱地→耕地面積→耕地承載力。該回路是一條負(fù)反饋，反映了耕地向村莊建設(shè)用地變化過程中，耕地變化趨于平穩(wěn)的特征，能使得耕地總量相對(duì)滿足村鎮(zhèn)居民生活需要。

②建設(shè)用地承載力→坑塘養(yǎng)殖轉(zhuǎn)建制鎮(zhèn)→建制鎮(zhèn)增加量→建制鎮(zhèn)→建設(shè)用地面積→建設(shè)用地承載力。該回路是一條負(fù)反饋，反映了坑塘養(yǎng)殖用地向城鎮(zhèn)建設(shè)用地變化過程中，建設(shè)用地變化趨于平穩(wěn)的特征，能使得城鎮(zhèn)建設(shè)用地保持相對(duì)平穩(wěn)增長，在一定程度上進(jìn)行集約高效利用。

③GDP→財(cái)政收入→地方收入→坑塘養(yǎng)殖轉(zhuǎn)設(shè)施農(nóng)用地→設(shè)施農(nóng)用地增加量→設(shè)施農(nóng)用地→一產(chǎn)增加值→GDP。該回路是一條正反饋，反映了在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中，政府加大設(shè)施農(nóng)用地建設(shè)后對(duì)經(jīng)濟(jì)增長的影響過程。

3.3 模型運(yùn)行檢驗(yàn)

為保證本文所構(gòu)建模型的真實(shí)性和有效性，需要對(duì)模型進(jìn)行歷史檢驗(yàn)。模型的歷史檢驗(yàn)方法主要是判斷仿真結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差是否超過合理范圍，如果誤差小于該范圍，則說明模型有效，能較為精準(zhǔn)地預(yù)測未來的發(fā)展趨勢，否則需要對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)或參數(shù)上的修改，直到通過歷史模擬檢驗(yàn)。相對(duì)誤差的計(jì)算公式如下：

式中：Dt為相對(duì)誤差；Pt為時(shí)間t下的模擬值；St為時(shí)間t下的真實(shí)值。當(dāng)Dt絕對(duì)值小于10%時(shí)，認(rèn)為模型模擬結(jié)果較好，通過了歷史檢驗(yàn)。

由于2017年土地利用數(shù)據(jù)與之前年份差距較大，因此采用2009—2016年相關(guān)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行模型檢驗(yàn)。以2009年為模型模擬起始年份，2009—2016年為驗(yàn)證期，對(duì)模型中的年末總?cè)丝?、村莊建設(shè)用地、旱地和水田進(jìn)行模型歷史檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 模擬結(jié)果與相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistical table of simulation results and relative error

模擬結(jié)果表明：該系統(tǒng)模型相對(duì)誤差率不超過10%，在誤差允許范圍內(nèi)[23]。這說明社渚鎮(zhèn)土地利用變化系統(tǒng)模型的模擬結(jié)果可靠，符合建模要求，可以用來模擬不同情景下土地利用變化情況和變化趨勢，能夠通過調(diào)節(jié)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)。

4 土地承載力SD模擬與多情景模式分析

4.1 SD模型的仿真模擬

在綜合考慮溧陽市社渚鎮(zhèn)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)情況后，結(jié)合對(duì)社渚鎮(zhèn)未來發(fā)展規(guī)模和前景的預(yù)期，嘗試對(duì)研究區(qū)土地利用變化系統(tǒng)中未來地類之間的變化情況進(jìn)行調(diào)整，再通過對(duì)社渚鎮(zhèn)土地利用變化模型進(jìn)行多情景模擬，可以得到不同參數(shù)組合下的情景仿真模擬結(jié)果。本文模擬的時(shí)間邊界為2017—2035年，時(shí)間間隔為1年，共選取31個(gè)控制變量，涵蓋對(duì)各類土地面積變化和承載力指標(biāo)影響較大的參數(shù)。模擬方案共設(shè)計(jì)出4種典型發(fā)展情景，代表社渚鎮(zhèn)未來土地利用方向且具有一定的可實(shí)施性（見表4），即（1）現(xiàn)狀發(fā)展模式；（2）耕地保護(hù)模式；（3）生態(tài)保護(hù)模式；（4）經(jīng)濟(jì)加速增長模式。模型中以社渚鎮(zhèn)2009年的數(shù)據(jù)為每個(gè)狀態(tài)變量的初始值，為模型輸入各控制變量在4種發(fā)展情景中的取值，得到各變量的仿真模擬結(jié)果。對(duì)比分析這4種發(fā)展情景下變化較大的狀態(tài)變量及人口模擬結(jié)果（見表5），可見在不同因素影響下土地利用與承載力指標(biāo)的變化情況（見圖3）。

圖3 社渚鎮(zhèn)承載力指標(biāo)情景模擬圖Fig.3 Scenario simulation of carrying capacity index of Shezhu Town

表4 發(fā)展情景方案Tab.4 Development scenarios

表5 社渚鎮(zhèn)人口與部分土地利用變化情景模擬結(jié)果Tab.5 Simulation results of population and partial land-use change in Shezhu Town

4.2 多情景模式分析

（1）現(xiàn)狀發(fā)展模式

現(xiàn)狀發(fā)展模式是假定各地類間轉(zhuǎn)化情況不變設(shè)置的情景。在此情景下并沒有高效集約利用土地資源。從模擬結(jié)果來看，這是一種高消耗、高耕地占用、低效益的發(fā)展情景。所以從可持續(xù)發(fā)展的角度審視，該情景并不能適應(yīng)溧陽市社渚鎮(zhèn)未來的發(fā)展。因此未來在編制社渚鎮(zhèn)國土空間規(guī)劃時(shí)，不應(yīng)延續(xù)當(dāng)前的發(fā)展策略。

（2）耕地保護(hù)模式

耕地保護(hù)模式加強(qiáng)了旱地、水田、設(shè)施農(nóng)用地和其他農(nóng)用地的轉(zhuǎn)入量，減少了此類用地的轉(zhuǎn)出量。這相對(duì)其他3種方案而言是一種低土地資源消耗、低耕地占用、低效益的發(fā)展模式。該情景雖然不能適應(yīng)溧陽市社渚鎮(zhèn)未來的發(fā)展，但仍具有一定的政策價(jià)值。未來國土空間規(guī)劃不僅要加大在水田與設(shè)施農(nóng)用地上的政策投入，還需要平衡好糧食安全與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾。

（3）生態(tài)保護(hù)模式

生態(tài)保護(hù)模式減少了其他園地、溝渠、其他草地、果園的轉(zhuǎn)出量，提升了坑塘養(yǎng)殖的轉(zhuǎn)出量。該發(fā)展模式從模擬結(jié)果來看，具備低土地資源消耗、中耕地占用、較高效益的特點(diǎn)。該情景雖然比較能適應(yīng)溧陽市社渚鎮(zhèn)未來的發(fā)展，但糧食承載力水平在4種情景中較低。因此在國土空間規(guī)劃中需要平衡好糧食安全與生態(tài)保護(hù)之間的矛盾。

（4）經(jīng)濟(jì)加速增長模式

經(jīng)濟(jì)加速增長模式減少了坑塘養(yǎng)殖的轉(zhuǎn)出量，提升了水工建筑用地、村莊建設(shè)用地、鎮(zhèn)建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入量。這相對(duì)其他3種方案而言是一種高土地資源消耗、高耕地占用、較高效益的發(fā)展模式。該情景雖然比較能適應(yīng)溧陽市社渚鎮(zhèn)未來經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展需要，但需要平衡其與生態(tài)保護(hù)的矛盾。從可持續(xù)發(fā)展的角度來看，不推薦此發(fā)展模式。

5 結(jié)語

本文中構(gòu)建的鎮(zhèn)域村鎮(zhèn)土地利用變化SD模型不僅能模擬不同情景下村鎮(zhèn)土地利用變化情況，還可演繹出土地利用與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間的復(fù)雜非線性關(guān)系，從而測算資源環(huán)境承載力、土地利用動(dòng)態(tài)變化，以及開展政策模擬調(diào)控分析。溧陽市社渚鎮(zhèn)的SD模擬結(jié)果表明，目前全鎮(zhèn)發(fā)展模式存在土地資源粗放式管理的問題，必須結(jié)合耕地保護(hù)模式、生態(tài)保護(hù)模式以及水田和設(shè)施農(nóng)用地的保護(hù)政策，尋求具有較優(yōu)綜合效益的切實(shí)可行的國土空間規(guī)劃方案。本文的研究僅僅是初步工作，村鎮(zhèn)尺度的數(shù)據(jù)獲取比較困難，模型還需要進(jìn)一步完善，但對(duì)國土空間規(guī)劃、鄉(xiāng)村振興政策以及村鎮(zhèn)資源環(huán)境承載力測算的研究，仍具有一定參考價(jià)值。