區域土地整理項目時空配置

李夢娜，劉 琳，張永芳，劉 蕾，武彥斌

(1.河北經貿大學管理科學與工程學院，河北石家莊 050061； 2.河北工程技術學校，河北石家莊 050061；3.河北經貿大學公共管理學院，河北石家莊 050061)

土地整理是以耕地占補平衡為主要目標，旨在解決我國經濟發展過程中出現的人地矛盾，確保耕地生產力、糧食安全以及景觀生態建設的重要工程措施，相關研究受到土地研究工作者的極大關注。長期以來，我國土地整理項目的目標偏重增加耕地數量，完成占補平衡和總量平衡，且項目的立項依據多以完成新增耕地指標為主，其具體的工程生物措施往往忽視與研究區生態系統結構和功能的協調度，高標準基本農田的建設標準輕視物質循環與共生，缺乏關于土地整理工程對景觀格局及生態學過程影響的分析。

德國、法國等西歐國家關于土地整理的研究主要集中在工程措施、規劃方案、相關制度、權屬調整、效益評價等方面[1-2]。從發展階段上看，先后經歷了如何運用土地整理來改善農業生產條件的階段和21世紀后以景觀設計和生態環境保護為代表的綠色基調占據主導地位的階段[3-4]。國內學者的研究內容主要集中在基礎理論、工程方法、效益評價、法律法規、政策制定、項目運行模式、資金管理等方面。近年來，關于土地整理項目對景觀生態影響的研究受到了學者們的廣泛關注[5-9]，而研究方向多集中在單一土地整理項目的具體工程措施、整理模式對景觀格局的影響方面[10-11]；但研究者已逐漸認識到，建設具有高生態景觀價值的土地利用空間格局是土地整理未來的發展方向[12]。學者們對區域尺度上土地整理項目的研究多為定性分析，本研究采用系統動力學方法，建立結構與功能、時間與空間耦合的區域土地整理項目時空配置系統模型，旨在科學確定區域土地整理項目目標及其時空分布，為城鄉一體化發展提供決策依據。

1 數據來源與研究區概況

1.1 數據來源

基礎數據主要來源于2002—2015年的土地利用現狀數據、《武強縣統計年鑒》、《河北經濟年鑒》、現場調查數據、《武強縣土地利用總體規劃》、武強縣“十五”“十一五”“十二五”經濟發展規劃等。狀態變量的初始值是參考研究區前述基礎數據、現場問卷調查以及歷史數據推算得到的。常量是指在研究期內發生微小變化或者相對不發生變化的量。通過分析《河北經濟年鑒》和2002—2015年的建設投資與農業投資相關數據，確定本研究涉及的常量人口增長率為0.65，建設投資系數為0.12，農業投資系數為0.15。

1.2 研究區概況

武強縣隸屬河北省衡水市，是歷史悠久的“木版年畫之鄉”。北鄰京津、南近濟南、西靠石家莊、東連黃驊港，地處渤海灣開發前沿，位置優越，自然資源豐富。屬溫帶季風氣候，年均降水量554 mm左右。武強縣共管轄2鎮4鄉238個行政村，人口總數21萬人，土地面積445 km2，其中耕地面積 3萬hm2，是典型的平原農業縣。武強縣土地肥沃，盛產小麥、玉米、棉花、大豆、辣椒等農作物，是國家現代農業示范區，在京津冀協同發展的大背景下，區位優勢日趨明顯。

2 建模過程

2.1 研究方法

系統動力學(system dynamics，簡稱SD)是基于系統論、控制論和信息論，借助計算機建模與仿真，通過對系統內部因素之間的相互作用關系進行定量分析來研究復雜系統結構、功能與動態行為之間關系的學科。系統動力學認為，系統的行為模式既受到內部結構的制約，同時又受到外界環境的影響，外在行為模式主要受制于系統內部的主導反饋回路。合理配置區域土地整理項目是一項復雜的系統工程，采用系統動力學方法將時空配置模型分解為社會、經濟與景觀生態三大系統。采用研究區2002—2007年的數據作為樣本數據，并以2007年作為模擬基年，2008—2015年數據作為檢驗數據，借助Vensim平臺，構建區域土地整理項目時空配置模型。該模型從系統優化的角度出發，結合景觀格局變化，對區域土地整理時空配置進行分析，以期尋求長時間序列的景觀生態型土地整理模式。

2.2 系統建模

2.2.1 確定系統邊界

2.2.1.1 經濟子系統邊界 城鎮化的快速擴張和人口數量的急劇增加加大了對非農用地的需求，尤其是建設用地的需求，因此加大土地整理開發的投資力度，合理開發未利用土地，實現占補平衡，提高耕地的開發利用效率至關重要。本研究中的經濟子系統引入的內生變量主要為國內生產總值(gross domestic product，簡稱GDP)、人口數量、耕地數量、建設用地數量、建設投資等。

2.2.1.2 社會子系統邊界 主要圍繞農民這一主要受益主體開展土地整理的社會子系統研究。土地整理是一項外部效益明顯的公共投資活動，不但能夠促進農民增收，改善農業生產生活條件等，而且對促進社會公平、提高公眾滿意度等也發揮著積極作用。本研究中的社會子系統主要涉及農民收入、公眾滿意度、生產生活條件以及就業人數等因素。

2.2.1.3 景觀生態子系統邊界 土地整理景觀生態系統從景觀子系統和生態子系統2個部分來刻畫，其中景觀特征主要以景觀多樣性和景觀破碎度來體現，生態特征主要是從耕地質量、植被覆蓋率、水土流失面積、生態多樣性等方面來分析。

2.2.2 因果關系分析 因果關系包含正反饋關系和負反饋關系。正反饋關系表示2個變量之間是同向變化關系，負反饋關系表示2個變量之間是反向變化關系。擁有偶數個負反饋關系的回路是正反饋回路，擁有奇數個負反饋關系的回路是負反饋回路。正反饋回路具有無限加強的特性，負反饋回路具有糾偏特性。

2.2.2.1 經濟子系統 經濟子系統涉及的主要反饋回路為：耕地面積→糧食產量→糧食產值→GDP→建設投資→建設用地→未利用地開發面積→耕地面積；耕地面積→糧食產量→糧食產值→GDP→人口數量→人均耕地面積→未利用地開發面積→耕地面積；人均耕地面積→未利用地開發面積→耕地面積→人均耕地面積。

2.2.2.2 社會子系統 社會子系統涉及到的主要反饋回路為：耕地質量→糧食產量→糧食產值→農民收入→公眾滿意度→農業基礎設施→農業生產條件→耕地質量；就業人數→公眾滿意度→農業基礎設施→農業生產條件→就業人數；農民收入→農業基礎設施→農業生產條件→耕地質量→糧食產量→糧食產值→農民收入。

2.2.2.3 景觀生態子系統 景觀生態子系統包含的主要反饋回路為：耕地質量→糧食產量→糧食產值→GDP→農業投資→耕地面積→斑塊個數→斑塊密度→景觀破碎度→生物多樣性→耕地質量；耕地質量→糧食產量→糧食產值→GDP→農業投資→農田防護→耕地質量；生物多樣性→耕地質量→糧食產量→GDP→農業投資→農田防護→生物多樣性；耕地面積→優勢度指數→景觀多樣性→生物多樣性→耕地質量→糧食產量→糧食產值→GDP→農業投資→耕地面積。

2.3 系統流圖

系統內部的變量根據變量性質分為積分變量、速率變量、輔助變量和常量，通過物質流和信息流等特殊符號將不同性質的變量連接起來，可以更加直觀形象地描述系統的結構。此外，通過構建不同變量之間的數學關系式可以實現系統從定性分析到定量分析的過渡。

本研究應用Vensim PLE軟件構建區域土地整理時空配置系統流圖，具體如圖1所示。

2.4 構建系統動力學方程

模型的定性分析是基于因果關系進行的，定量分析所需的方程可以借助基礎數據或者經驗公式進行擬合，無法用函數擬合的變量關系可以借助表函數來表達，常用的積分函數(INTEG)、最值函數(MAX、MIN)、指數函數(EXP)、對數函數(LN)等借助Vensim軟件平臺實現，模型的仿真初始時間是2013年，仿真末年為2023年。主要方程列示如下。

耕地面積=INTEG(耕地面積變化，31 174)；

(1)

耕地面積變化=MAX(未利用地開發面積-0.044×新增建設用地，0.001 9×耕地面積)；

(2)

GDP變化量=MIN(0.107×糧食產值+8.45×新增建設用地，GDP)；

(3)

FINAL TIME=2 023；

(4)

人口數量變化量=人口增長率×人口數量；

(5)

人均耕地面積=耕地面積/人口數量；

(6)

建設投資=GDP×建設投資系數；

(7)

未利用地開發面積=0.063×新增建設用地-3 741.71×人均耕地面積+763.42；

(8)

INITIAL TIME=2 013；

(9)

公眾滿意度變化量=MAX(-0.048+1.708×10-7×農民人均收入+3.25×10-6×就業人數，0.205×公眾滿意度)；

(10)

生產條件=-2.31×10-10×居民點基礎設施2+1.824×10-6×居民點基礎設施+0.554；

(11)

優勢度指數=0.011×exp(7.703×10-5×耕地面積)；

(12)

農業投資=GDP×農業投資系數；

(13)

農田防護林面積=0.014 3+0.020 6×ln(農業投資)；

(14)

斑塊個數=3551.9-(236.62×ln耕地面積)；

(15)

景觀多樣性=INTEG(景觀多樣性變化，1.133)；

(16)

景觀多樣性變化=MAX(-0.027 1+0.071 2×優勢度指數3-0.100 8×優勢度指數2，-0.154×景觀多樣性)；

(17)

景觀破碎度=0.052+5.094×10-7×斑塊密度2-(2.18×10-9)×斑塊密度3；

(18)

生物多樣性變化=MIN(-0.87+0.103×景觀破碎度-0.107×景觀多樣性-0.018 9×農田防護林面積，-0.110 1×生物多樣性)；

(19)

糧食產量=10 396.5×耕地質量+2.883×耕地面積-1.016×106。

(20)

3 模型檢驗

3.1 歷史檢驗

系統動力學遵循結構決定功能的分析原則，變量的發展變化趨勢是系統行為特征的標志，因此通過模擬曲線和歷史數據的趨勢吻合程度可以檢驗模型能否很好地擬合現實。由表1可以看出，所有變量的相對誤差大多在2%以內，說明模型預測的系統行為與實際情況一致，可達到參數有效性的要求，可以用來模擬真實的系統行為。

3.2 穩定性檢驗

有效的系統行為模式應當對大部分參數的變化是不敏感的，這主要是因為系統的行為模式是由模型內部主導反饋回路決定的，非主導反饋回路上的參數變化不會對系統的行為產生太大影響。本研究選取耕地面積作為測試變量，將時間步長分別設置為1年、6個月、3個月，以此觀測參數在不同的時間步長下的變化趨勢。

從圖2可以看出，在不同時間步長條件下，耕地面積的變化趨勢幾乎一致，并沒有因為參數值的改變而發生明顯變化，也即參數值的變化并沒有引起模型行為發生根本性變化，說明模型具有一定的穩定性，對參數變化不敏感，能夠很好地反映現實系統。

表1 參數有效性檢驗

4 情景設置

根據研究區不同時期的發展目標，設定3種仿真方案，各方案的目標存在差異，其中方案一設置的建設投資系數、農業投資系數分別為0.15、0.18；方案二設置的建設投資系數、農業投資系數分別為0.10、0.15；方案三設置的建設投資系數、農業投資系數分別為0.09、0.10。

方案一：規劃期為2017—2020年，以增加耕地數量、提高耕地質量為主要目標。該規劃期伴隨著京津冀協調一體化發展的大趨勢，由于產業結構調整，研究區經濟發展處于穩步提升階段。城鄉一體化進程的加快，進一步導致建設用地的增加，這意味著有更多的耕地轉化為非農用地，從而進一步加劇人地矛盾。通過開展土地整理活動，進一步開發內陸灘涂、草地等未利用地以及復墾工礦廢棄地等措施來彌補建設用地占用耕地導致的耕地損失，從而實現占補平衡；與此同時，通過增設農田水利基礎設施和增施有機肥等措施來提高耕地質量，從而增加糧食產量。

方案二：規劃期為2021—2025年，以改善生態環境為主要目標。在不同區域尺度上建立不同的整理目標。在縣域尺度上，構造綠色生態網絡；在鄉(鎮)尺度上，注重自然與半自然生境的比例，以及生境質量和功能的連接性；在村級尺度上，重點提升景觀多樣性和景觀美觀度，增強空間異質性，提升景觀生態功能。

方案三：規劃期為2026—2030年，以區域協調發展為主要目標。土地整理工作是一項具有較強外部性的公共事業投資項目，具有明顯的社會效益，在優化國土格局、統籌城鄉發展、優化資源配置方面具有重要的推動作用。對土地利用系統進行協同管理的最終目標是建立協調、循環、可持續的土地利用態勢，確保區域在大力發展經濟的同時，能夠最大程度地實現人類的福祉并確保區域的土地生態安全[13-14]。

5 仿真分析

利用收集到的歷史數據計算GDP、人口數量、耕地數量以及新增建設用地數量、建設投資、農民人均收入、公眾滿意度、生產條件、就業人數、景觀多樣性、景觀破碎度、植被覆蓋度、生物多樣性等系統變量。

利用ArcGIS軟件制作單一因子數字地圖，建立地理信息系統(geographic information system，簡稱GIS)空間數據庫。根據區域土地整理時空配置目標，將土地整理項目在時間和空間上劃分為3個階段。2017—2020年以增加耕地面積，提高耕地質量為主要目標；2021—2025年以改善生態環境為主要目標；2026—2030年以區域協調可持續發展為主要目標。在ArcGIS空間分析函數的支持下，將SD模型設置的3種情景方案導入ArcGIS軟件平臺中，并搜索、檢索、合并評價單元，獲取區域空間整合目標的空間和時間配置。結合GIS技術，模擬研究區土地整理項目時空配置在動態場景中的協調發展模式(圖3)。具體整理方案如下：

(1)2017—2020年，采用方案一進行時空配置，既要滿足經濟發展對建設用地的擴張需求，也要保證耕地數量的平衡，同時提高耕地質量。從圖3可以看出，整理區與不整理區、各期土地整理區分布集中。整理區主要位于街關鎮、周窩鎮、北代鄉、武強鎮等4個鄉(鎮)臨近石黃高速、307國道的區域，占可整理面積的30.97%，新增耕地目標的實現主要依靠修建道路、規整地塊、完善田間交通系統和提高地塊規整水平來實現。同時，該區域內灌溉設施不完善，可通過修建、修整農田水利設施來提高灌溉保證率。

(2)2021—2025年，采用方案二進行時空配置，隨著土地整理的發展，改善生態環境將逐步受到重視。整理區主要位于孫莊鄉、北代鄉北部及武強鎮東北部，該區域水資源較豐富，植被、土壤、灌溉條件較好，通過完善農田水利設施、加強林網建設，可進一步改善生態環境。以構建大集中、小分散的異質性斑塊為目標，既要提高景觀聚集度，降低景觀破碎化程度，又要為物種的遷移、繁衍和生存創造條件，交叉布置多種作物種植斑塊，使農業景觀生態系統在整體上展示群體美，局部各斑塊展示個體美，構建井然有序、脈絡清晰的景觀生態格局，提升景觀的美學效益[15-16]。

(3)2026—2030年，采用方案三進行時空配置，耦合協調發展的實質是不以犧牲生態價值、破壞環境為代價來滿足經濟發展和社會需求，而要追求經濟發展、社會需求與生態保護和諧共生[17]。當各子系統處于良性匹配狀態時，物質交換、能量流動及信息傳遞表現出相互促進、共同發展的態勢，這樣才能使生態環境良好、經濟增長和社會進步并存。

6 結論

選取河北省衡水市武強縣具有代表性的整理案例作為研究對象，結合項目區多年的歷史數據，在Vensim軟件平臺中構建區域土地整理項目時空配置模型。通過仿真分析得出以下結論。

通過分析土地整理工程對景觀格局及生態學過程的影響，借助Vensim軟件平臺構建區域土地整理項目時空配置模型，可實現空間與時間以及結構與功能的耦合。經檢驗，模型在行為上和結構上一致，通過了有效性和穩定性檢驗，說明能夠對研究區的真實情況進行模擬預測。

本研究構建的土地整理項目時空配置模型以期建立長期的景觀生態型整理模式，即在保持耕地數量動態平衡的基礎上，以維護和提升研究區景觀生態功能為目標進行土地整理工作。該模型所取得的時空配置結果有益于指導研究區的土地整理實踐工作，制定相應的土地整理專項規劃，確定不同時期的土地整理方向和重點區域。