土地利用轉型與農業生產結構調整的網絡關聯性研究
——以四川省為例

張悅，鄧偉,2*，張少堯,2

（1. 四川師范大學地理與資源科學學院，四川 成都 610101；2. 川西資源環境與可持續發展研究中心，四川 成都 610101）

改革開放以來，隨著城鎮化的快速發展，廣大的鄉村地域系統發生了顯著改變，在鄉村振興戰略實施進程中，鄉村發展步入轉型升級的新階段[1]。鄉村轉型發展表征為村鎮空間組織結構、農村地區資源利用方式、農村產業發展模式、農民就業路徑等方面的轉變[2]。其中，農業生產結構調整和土地利用轉型與鄉村轉型發展聯系緊密，兩者伴隨著鄉村景觀的再造和經濟社會的重構，是鄉村重構和轉型發展的重要動力。

農業生產結構是一定地域范圍農業內部各生產部門的組成及其相互關系，通常用農、林、牧、副、漁各業總產量所占比重或總產值所占比重來表示，對于與土地直接相關聯的產業，也可以用其播種面積所占比重來表示[3]。目前針對農業生產結構調整的研究，主要集中于農業生產結構調整的趨勢變化[4]以及影響因素[5]等。農業生產結構永遠是動態的，其不斷地在適應經濟發展和居民生活水平的變化。同時，土地利用轉型也是動態的，中國最初將其引入國內時，是指與經濟社會發展階段的轉型相對應的土地利用形態在時序上的變化[6]，后來國內學者不斷以土地利用轉型為視角，結合中國的社會經濟發展和生態環境特點，開展了從單一土地類型到多地類轉型的研究[7-9]。

土地作為農業生產中最基本且不可替代的生產要素，土地利用轉型直接影響和改變了農業生產結構的發展演替，農業結構的變化必然也會在土地利用上得到響應，土地為農業生產結構調整創造了廣闊的發展空間和推動力，農業生產結構優化又為合理利用土地提供了物質基礎和原動力[10]，即區域的土地利用轉型與農業生產結構調整研究之間存在一定的交互關系，具有互饋關聯和交叉耦合的重要特征。目前，國內將土地利用轉型與農業生產結構調整聯系起來進行實證研究的案例還比較少。

而網絡作為系統與系統之間連接的一種結構方式，有利于認識系統之間的復雜性和整體性特征。其中，貝葉斯網絡是對不確定知識表達與推理的一種新方法，已多應用于與水-食物-能源網絡[11-13]、土地利用功能劃定[14]、水資源管理[15]、生態環境脆弱性評估[16]等相關研究中，均獲得了很好的效果。本文基于客觀的土地利用變化和經濟統計數據，建立研究土地利用轉型與農業生產結構調整影響關系的貝葉斯網絡，從網絡關聯性的角度來研究土地利用轉型與農業生產結構調整之間的復雜關系，對深化土地利用轉型與農業生產結構調整的關系研究具有一定的創新意義。

1 研究區概況

四川省位于中國的西南地區，總面積約4.86×107hm2， 其地形復雜多樣，地貌東西差異大，其中東部為盆地和丘陵，川西南和川西北為山地和高原，使得過渡性地理空間多樣化，是土地多功能性的自然基礎，也為農業多樣化發展奠定了條件。根據四川省城鄉格局特征、區位條件、資源環境和經濟社會發展，四川省政府確立了五大經濟區（圖1），是其土地利用和國土空間發展走向的重要遵循依據。隨著四川省城鎮化進程的不斷加速，以及鄉村勞動力大量流出，對全省鄉村土地利用和農業生產結構的調整產生了明顯的影響。因此，基于鄉村振興和城鄉融合發展，科學優化土地利用格局和農業生產結構之間的關系，充分利用好全省山水林田湖草地域功能綜合體的優勢，因地制宜，因勢利導，是實現四川省經濟社會可持續發展的重要方面。

2 研究方法與數據處理

2.1 貝葉斯網絡模型結構

貝葉斯網絡（Bayesian Network，BN）是用概率測度的權重來描述不確定條件下變量間相關性的一種分析工具，它既可以用來發現和探究變量間的潛在關系并進行預測分析，又有機結合了圖形表示和概率知識[17]，是表達和推理不確定知識最有效的理論模型之一[18]。構建貝葉斯網絡模型的任務通常稱為學習，包括網絡結構學習（Directed Acyclic Graph, DAG）和參數學習（Conditional Probability Table, CPT）兩大部分，體現網絡中節點變量間的定性和定量關系。其中，網絡結構中所有節點變量的選取必須體現研究對象內在的邏輯關系[19]。

圖1 2018 年四川省土地利用與區域劃分Fig. 1 Land use and regional division in Sichuan Province in 2018

因此，針對本文的研究內容，首先分析土地利用轉型與農業生產結構調整兩大系統變量之間以及與外圍環境系統的互饋關系。農業生產結構的調整涉及影響因素眾多，不僅受到政策目標導向、經濟發展水平等因素的影響，同時與區域的自然資源稟賦、農業生產條件密切相關[20]。例如農村勞動力的減少會促進農戶機械采納行為，農戶會選擇通過增加農業機械投資或購買生產性服務兩種途徑來應對勞動力資源不足的現狀[21]，進一步刺激機械、化肥的使用，促使農業生產結構發生調整。其次，隨著國土空間高質量發展的驅動，專家們指出土地利用轉型主要受到國家及地方政策、經濟發展水平和人口變遷等人文因素的驅動[22-24]，特別是城鎮化進程伴隨著大量的人口流遷，農村剩余勞動力涌入城市，使得從事農業生產的青壯年勞動力數量在減少，土地流轉快速推進，耕地的“非糧化”和“非農化”趨勢愈加明顯[25]，對農村土地利用狀況、農業景觀和農戶生計以及區域生態環境和社會經濟效應造成極大的負面影響。

圖2 貝葉斯網絡模型結構Fig. 2 Bayesian network model structure

基于以上分析，歸納兩種因果關系來建立貝葉斯網絡結構，包括直接的系統關系和間接的環境關系（圖2）。直接的系統關系是基于直接的供應關系所驅動，例如用地類型面積與農產品產量之間的關系，林地面積的增加驅動林產品產量的增加；間接的環境關系如經濟社會的快速發展、人均GDP 的增長等，都會驅動農業生產結構的變動和土地利用的轉型。

2.2 參數學習與敏感性分析

貝葉斯網絡模型的參數學習是指在已知網絡結構條件下，通過樣本數據來學習每個節點的概率分布。本文通過領域專家知識確定節點和結構后，從數據中學習網絡參數[26]的方式來構建貝葉斯網絡。

敏感性分析是貝葉斯網絡的主要功能之一[18]，可以對貝葉斯網絡模型中各節點變量之間的關系進行有效衡量。敏感性分析通過改變輸入變量的狀態，觀察目標變量條件概率的變化幅度來評價和衡量某個輸入變量對目標變量的影響大小[27]，這種變化程度可以通過方差縮減（Variance Reduction, VR）來表示，其計算過程見公式（1）所示。為了直觀比較影響力大小，分析結果一般用方差縮減的百分比表示，值越大表示該輸入變量的變化對目標變量信度的改變程度越大，也即對目標變量的影響力越大，反之則越小[14]。本文使用Netica 軟件來構建貝葉斯網絡和實現對貝葉斯網絡的敏感性分析，該軟件已廣泛應用于貝葉斯網絡建模的相關研究中[28]。式中：VR 表示方差縮減；V(ES)表示變量ES 的方差；V ( ES | I )表示已知變量I 情況下變量ES 的方差；s表示輸出變量的狀態。

2.3 數據來源與離散化

土地利用轉型主要指區域土地利用形態的變化，可以從“數”與“質”兩個層面來考察，“數”層面的相關研究集中在數量和空間結構方面的變化上[29]；而農業生產結構調整可以從不同產業或產量在整個產業結構占比情況的比重指標（產量占比）和反映產業結構變動情況的速度指標（產量年際變化率）兩個層面來考察[20]。由于數據的可獲取性以及研究方法的可操作性，選取了四川省土地利用情況、農產品產量以及外圍環境變量15 個指標來建立貝葉斯網絡結構。其中，1980—2018 年的社會經濟年度數據（包括各農產品產量、人均GDP、鄉村人口數以及農業生產條件）來自《四川省統計年鑒》《四川農村統計年鑒》以及四川省各市州的統計年鑒和統計公報等；其次，土地利用類型數據來自中國科學院資源環境科學與數據中心，數據為時間點數據，本文使用線性插值進行了填補，最終將所有數據統一處理為年尺度；此外，本文使用常數i 來衡量農業生產條件水平，常數i 的定義為i=a+b+c，式中，a 為農村機械總動力，b 為農村用電量，c 為化肥施用量。

貝葉斯網絡模型處理離散變量的效果較好，因此確定好節點變量之后需要確定網絡中每個節點的狀態，所以對樣本數據進行離散化處理[30]，離散標準如表1 所示。

表1 變量的狀態分級Table 1 Variable classification

3 結果與分析

3.1 四川省土地利用轉型與農業生產結構調整分析

3.1.1 土地利用轉型分析 土地利用形態的變化是土地利用轉型研究的核心內容[2]。結合四川省土地利用變化率（表2）和土地利用轉移矩陣（表3），我們可以發現：在1980—2018 年期間，四川省草地和水田減少最多，其土地利用變化率分別為-0.72%和-0.64%，同時，城鄉、工礦、居民用地的增加最多，其土地利用變化率為0.81%；其中在轉入城鄉、工礦、居民用地的面積中，水田轉入的面積是最大的，其次為旱地；另外，草地在近40 a 間轉為林地的面積最多，高達1 062 633 hm2，表明四川省近40 a 的土地利用類型變化較為頻繁，土地利用轉型活躍。

表2 1980—2018 年四川省土地利用變化率Table 2 Land use change rate in Sichuan Province from 1980 to 2018

表3 1980—2018 年四川省土地利用轉移矩陣（hm2）Table 3 Land use transfer matrix of Sichuan Province from 1980 to 2018 (hm2)

3.1.2 農業生產結構調整分析 結合四川省農產品產量年際變化率（圖3）和產量所占比重變化（圖4）， 分析四川省農業生產結構調整特征。其中，水果、蔬菜、林產品不包含在經濟作物中，經濟作物包含了油料、棉花、甘蔗、煙葉等作物。由圖3 可知，各產品產量年際變化率在絕大多數年份都大于0，表明各產品產量總體均呈增長趨勢。林產品產量的增長最為顯著，尤其是2015 年的年際變化率已經超過40%，相對而言，糧食產量增速較為平緩。近40 a 以來，除糧食作物產量占比下降以外，其余農產品產量占比均上升，其中糧食作物產量占比下降35.99%，蔬菜產量占比從1980 年的21.14%上升到2018 年的41.57%，增加了20.43%，其次為水果。盡管各農產品產量的絕對值受到氣候影響、物種差異、市場調控、耕作方法等因素的影響，但農業產量結構的變化表明糧食作物在農業結構中的比重和重要性下降，而經濟作物、蔬菜、水果以及畜產品的比重都在上升，尤其是蔬菜和水果，表明1980—2018 年期間四川省農業生產結構不斷發生著調整，非糧化現象顯現。

3.2 敏感性分析

利用貝葉斯網絡的正向推理能力，將土地利用與農業生產結構各個特征變量分別作為目標變量進行敏感性分析，以體現各節點對目標變量的影響力大小。敏感性分析結果顯示，方差縮減百分比越大，表明目標變量對其敏感性越高，即對目標變量的影響力越大。分析結果如圖5 所示。

“水域面積”對“水產品產量”影響作用極其顯著，其方差縮減百分比高達15.2%，并且“水產品產量”對“水域面積”的概率作用為7.73%，而“林地面積”與“林產品產量”相互之間的概率作用也較高，說明了“水產品產量””和“水域面積”，“林產品產量”和“林地面積”之間高度敏感，相互影響程度大，反映出較強的因果關系。隨著生態安全社會的建設，使得林地、水域等生態用地類型在土地利用轉型中占據優勢，并且林產品本身就具有較高的經濟價值，林業的加快發展自然能夠提高農村地區的經濟收入，為農業生產提供更加強勁的動力，促使生態用地類型與其農產品在土地利用轉型和 農業生產結構調整網絡系統中的相互影響關系尤其突出。

圖3 農產品產量年際變化率Fig. 3 Interannual change rate of agricultural product output

圖4 農產品產量所占比重變化Fig. 4 Changes in the proportion of agricultural output

相對而言，“草地面積”和“畜產品產量”之間的概率作用卻較小，“草地面積”對“畜產品產量”的概率作用為0.77%，而“畜產品產量”對“草地面積”的概率作用也僅為0.13%，反映出的因果關系相對較弱。雖然家畜生產與飼草生產有關，但并非唯一，飼料的多元化（人工牧草、青儲飼料玉米、跨區調運等）和畜牧業形態（放牧、舍飼和半舍飼）多樣化對“畜產品產量”有直接影響，況且草地因超載而大面積退化，草地生態服務也相應下降，支撐畜牧業發展的能力越發有限。

對于水田和旱地兩種用地類型的轉型來說，其驅動因子較復雜。對于“旱地面積”而言，對其影響相對較大的前三個因素為“蔬菜產量”、“鄉村人口”以及“人均GDP”，其方差縮減百分比分別為8.03%、6.83%和2.91%，而且“糧食作物產量”對“旱地面積”的概率作用要比“經濟作物產量”小，“經濟作物產量”概率作用為1.81%，“糧食作物產量”為1.22%，結果說明蔬菜、經濟作物等產量的變化，對旱地面積變化的影響要大于糧食作物產量變化的影響。在經濟快速發展和勞動力大量遷移的背景下，耕地流轉規模也逐漸擴大，企業或合作社為追求經濟利益的最大化，會選擇在有限的耕地上種植經濟收益高的農產品，加劇了耕地的“非糧化”和“非農化”，促使那些具有較高產量以及高收益的農作物品種將在農業生產結構調整中具有比較優勢，從而對土地利用的結構和方式變化造成明顯的影響。

綜上所述，土地利用轉型與農業生產結構調整兩大系統之間互饋關聯的特征突出，尤其是“林地面積”和“林產品產量”、“水域面積”和“水產品產量”之間表現出的因果關系強，“旱地面積”和“蔬菜產量”、“經濟作物產量”之間的相互影響關系也較突出，而相比之下與“糧食作物產量”之間的因果關系較弱。

3.3 土地利用轉型與農業生產結構調整網絡關系的空間分異

四川省作為傳統的農業大省，農業的作用非常重要，但由于四川省地貌類型多樣，過渡性地理空間特征凸顯，在區位、地形、水熱條件等因素的影響下，農業發展受到不少限制和約束。根據四川省五大經濟區的自然與經濟情況，對四川省五大經濟區的土地利用轉型與農業生產結構調整的網絡關聯性做了對比分析（圖6）。

3.3.1 川西北生態經濟區 川西北生態經濟區“草地面積”和“畜產品產量”之間相互影響的概率作用在五大經濟區中最為突出。該區海拔較高，土地利用程度和價值較低，所以種植業等在該區發展較慢，而是長期把草地牧業作為主要的經濟支柱，使得該區出現草地沙化、退化等生態問題。因而，川西北生態經濟區亟待改進該區傳統農牧業的生產方式，加大對天然濕地、野生動植物等資源以及草原生態的保護，發展具有高原特色的生態旅游業，努力探索生態產品價值實現與提高的路徑和保障機制。

圖5 不同目標變量的敏感度分析Fig. 5 Sensitivity analysis of various target variables

3.3.2 川南經濟區 對于川南經濟區來說，其“林地面積”和“林產品產量”相互之間的影響關系在五大經濟區中表現得最為顯著，其中“林地面積”對“林產品產量”的概率作用高達12.40%，川南經濟區以中低山地和丘陵為主體，匯入長江、金沙江和岷江的支流眾多，水熱條件充分，有益于該區優良木竹植物的生長繁殖。所以，該區擁有堅實的竹產業基礎以及豐富的竹文化，為其發展鄉村休閑旅游提供了良好的條件，而川南經濟區林業的發展，對實現“雙碳目標”也具有重要的意義。此外，還要以科技創新為驅動力，提升農業的綜合性和現代化發展水平。

圖6 四川省五大經濟區網絡敏感性分析Table 6 Network sensitivity analysis of five economic zones in Sichuan Province

3.3.3 成都平原經濟區 成都平原經濟區是四川省重要的糧食主產區和“菜籃子”，敏感性結果表明，其種植業產品產量與“水田面積”、“旱地面積”的影響關系在五大經濟區中均較顯著，尤其是“水田面積”與“糧食作物產量”。成都平原經濟區與其他區域相比區位優勢明顯，具有較優越的自然地理條件和發達的經濟社會水平，農業現代化生產水平較高，是四川省農業生產綜合優勢最好的地區，該區在傳統農業的基礎上，充分發揮當地地理區位、資金、技術優勢，應用現代科學技術，大力發展具有規模化、機械化、高效化的都市農業和現代農業。

3.3.4 攀西經濟區 攀西經濟區的“旱地面積”與“蔬菜產量”以及“水田面積”與“糧食作物產量”之間的影響關系在五大經濟區中較為突出，其中“旱地面積”對“蔬菜產量”的概率作用為7.39%，“蔬菜產量”對“旱地面積”的概率作用為6.22%。攀西經濟區的安寧河流域具有充足的灌溉水源、集中分布的耕地資源以及得天獨厚的立體氣候優勢，是四川省糧食的重要生產區，并且該區已經形成了早熟蔬菜、亞熱帶水果等為特色的農業。

3.3.5 川東北經濟區 對于川東北經濟區來說，該地區生產的高附加值作物（經濟作物、蔬菜、水果）產量與“旱地面積”、“園地面積”之間的影響關系較為突出。川東北經濟區以丘陵為主，農業發展優勢與潛力較大，農業土地資源豐富，生態環境好，促使農旅融合在該地區蓬勃發展，多地區通過打造桃、橘、梨等果品采摘以及花卉觀光的特色鄉村旅游來推進鄉村振興。由于川東北經濟區土地細碎化嚴重，使得機械化、規模化的平原發展模式在該地區推廣起來較難，該區在挖掘當地有特色并且高價值的農業產品的同時，通過技術不斷升級，提升產品品質，打造特色的農業產業集群。

綜上所述，四川省五大經濟區的土地利用與農業生產結構調整網絡關聯性空間分布格局差異大，主要表現為：川西北生態經濟區“草地面積”和“畜產品產量”、成都平原經濟區的種植業產品產量與“水田面積”和“旱地面積”、攀西經濟區的“旱地面積”與“蔬菜產量”以及川東北經濟區高附加值作物產量與“旱地面積”和“園地面積”之間的影響關系較為顯著，而相比之下其余的關聯性較弱。

4 結論

1）1980—2018 年期間，四川省土地利用轉型活躍，草地和水田減少的面積最多，其土地利用變化率分別為-0.72%和-0.64%，而城鄉、工礦、居民用地和林地呈大幅增加；同時，農業生產結構不斷發生著調整，糧食作物產量占比下降35.99%，而蔬菜產量占比大幅上升。

2）土地利用轉型與農業生產結構調整兩大系統之間互饋關聯的特征突出，尤其是林地和水域面積的變化同相對應的農產品變化表現出高度的關聯性，而旱地變化的關聯性具有分異性，更加突出當前農業結構由糧食向蔬菜與經濟作物轉型的趨勢。

3）四川省過渡性地理空間特征凸顯，五大經濟區的土地利用轉型與農業生產結構調整的網絡關聯性空間格局分異顯著，表現為區域農業發展的主導產品與用地類型相互之間的關聯性最為突出，而其余相對較弱，體現出過渡性地理空間下土地利用轉型與農業生產結構調整間的復雜網絡關聯效應。

5 對策建議

基于以內循環為主的新發展階段，糧食安全自主是頭等大事。因此，在鄉村振興戰略實施的進程中，確保基本農田生產功能和生產效率，科學合理調控農村土地利用轉型和農業結構雙向優化，對于鄉村可持續發展十分必要。綜上研究，結合四川省發展實際，提出以下對策建議。

1）面對日趨顯現的耕地“非糧化”現象，必須首要明確耕地利用優先順序，確保糧食安全自主的基本面，進一步完善相關耕地保護制度和惠農政策，統籌考慮和解決農村土地利用的綜合經濟效益與農戶致富問題，因地制宜地優化農業種植結構，加強土地利用效率，提高耕地復種指數，穩定糧食產能，防止耕地“非糧化”、“非農化”傾向，從而達到穩固糧食安全的目的。

2）隨著生態優先的不斷推進，兼顧生態保護和實現農業高質量發展顯得尤為重要。在大力推進集約高效利用土地的同時，要特別注重生態產品潛力的挖掘和價值實現的機制。其中，林下經濟高效模式、農田復合經濟高效模式等要進一步探索、示范和推廣，促進生態與生產功能的協同演進。充分認識山區農業特點，把握過渡性地理空間的國土特性，夯實“藏糧于地”的基礎，強化山村減碳增匯型農業技術的研發，極大地支撐美麗山村體系建設。

3）山村具有構建田園綜合體得天獨厚的自然生態基礎，山、水和農田要素充分，凸顯空間組合關系與層次多樣化，適宜多模式發展路徑選擇。要深入貫徹落實“綠水青山就是金山銀山”的發展理念，多尺度優化山區國土空間開發格局，在鄉村振興中加快山區生態、生產、生活空間格局的科學優化，創新探索其價值實現路徑與可持續機制，以期為鄉村振興過程中的土地利用轉型與農業生產結構調整提供更加充分的科學指導和決策依據。