李夢娜，劉 琳，張永芳，劉 蕾，武彥斌

(1.河北經(jīng)貿(mào)大學管理科學與工程學院，河北石家莊 050061； 2.河北工程技術(shù)學校，河北石家莊 050061；3.河北經(jīng)貿(mào)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(jīng)濟發(fā)展過程中出現(xiàn)的人地矛盾，確保耕地生產(chǎn)力、糧食安全以及景觀生態(tài)建設(shè)的重要工程措施，相關(guān)研究受到土地研究工作者的極大關(guān)注。長期以來，我國土地整理項目的目標偏重增加耕地數(shù)量，完成占補平衡和總量平衡，且項目的立項依據(jù)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(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的協(xié)調(diào)度，高標準基本農(nóng)田的建設(shè)標準輕視物質(zhì)循環(huán)與共生，缺乏關(guān)于土地整理工程對景觀格局及生態(tài)學過程影響的分析。

德國、法國等西歐國家關(guān)于土地整理的研究主要集中在工程措施、規(guī)劃方案、相關(guān)制度、權(quán)屬調(diào)整、效益評價等方面[1-2]。從發(fā)展階段上看，先后經(jīng)歷了如何運用土地整理來改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的階段和21世紀后以景觀設(shè)計和生態(tài)環(huán)境保護為代表的綠色基調(diào)占據(jù)主導地位的階段[3-4]。國內(nèi)學者的研究內(nèi)容主要集中在基礎(chǔ)理論、工程方法、效益評價、法律法規(guī)、政策制定、項目運行模式、資金管理等方面。近年來，關(guān)于土地整理項目對景觀生態(tài)影響的研究受到了學者們的廣泛關(guān)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(shè)具有高生態(tài)景觀價值的土地利用空間格局是土地整理未來的發(fā)展方向[12]。學者們對區(qū)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(tǒng)動力學方法，建立結(jié)構(gòu)與功能、時間與空間耦合的區(qū)域土地整理項目時空配置系統(tǒng)模型，旨在科學確定區(qū)域土地整理項目目標及其時空分布，為城鄉(xiāng)一體化發(fā)展提供決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究區(qū)概況

1.1 數(shù)據(jù)來源

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來源于2002—2015年的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、《武強縣統(tǒng)計年鑒》、《河北經(jīng)濟年鑒》、現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)、《武強縣土地利用總體規(guī)劃》、武強縣“十五”“十一五”“十二五”經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃等。狀態(tài)變量的初始值是參考研究區(qū)前述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場問卷調(diào)查以及歷史數(shù)據(jù)推算得到的。常量是指在研究期內(nèi)發(fā)生微小變化或者相對不發(fā)生變化的量。通過分析《河北經(jīng)濟年鑒》和2002—2015年的建設(shè)投資與農(nóng)業(yè)投資相關(guān)數(shù)據(jù)，確定本研究涉及的常量人口增長率為0.65，建設(shè)投資系數(shù)為0.12，農(nóng)業(yè)投資系數(shù)為0.15。

1.2 研究區(qū)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(xiāng)”。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(fā)前沿，位置優(yōu)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(zhèn)4鄉(xiāng)238個行政村，人口總數(shù)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(nóng)業(yè)縣。武強縣土地肥沃，盛產(chǎn)小麥、玉米、棉花、大豆、辣椒等農(nóng)作物，是國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)，在京津冀協(xié)同發(fā)展的大背景下，區(qū)位優(yōu)勢日趨明顯。

2 建模過程

2.1 研究方法

系統(tǒng)動力學(system dynamics，簡稱SD)是基于系統(tǒng)論、控制論和信息論，借助計算機建模與仿真，通過對系統(tǒng)內(nèi)部因素之間的相互作用關(guān)系進行定量分析來研究復雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能與動態(tài)行為之間關(guān)系的學科。系統(tǒng)動力學認為，系統(tǒng)的行為模式既受到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的制約，同時又受到外界環(huán)境的影響，外在行為模式主要受制于系統(tǒng)內(nèi)部的主導反饋回路。合理配置區(qū)域土地整理項目是一項復雜的系統(tǒng)工程，采用系統(tǒng)動力學方法將時空配置模型分解為社會、經(jīng)濟與景觀生態(tài)三大系統(tǒng)。采用研究區(qū)2002—2007年的數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)，并以2007年作為模擬基年，2008—2015年數(shù)據(jù)作為檢驗數(shù)據(jù)，借助Vensim平臺，構(gòu)建區(qū)域土地整理項目時空配置模型。該模型從系統(tǒng)優(yōu)化的角度出發(fā)，結(jié)合景觀格局變化，對區(qū)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(tài)型土地整理模式。

2.2 系統(tǒng)建模

2.2.1 確定系統(tǒng)邊界

2.2.1.1 經(jīng)濟子系統(tǒng)邊界 城鎮(zhèn)化的快速擴張和人口數(shù)量的急劇增加加大了對非農(nóng)用地的需求，尤其是建設(shè)用地的需求，因此加大土地整理開發(fā)的投資力度，合理開發(fā)未利用土地，實現(xiàn)占補平衡，提高耕地的開發(fā)利用效率至關(guān)重要。本研究中的經(jīng)濟子系統(tǒng)引入的內(nèi)生變量主要為國內(nèi)生產(chǎn)總值(gross domestic product，簡稱GDP)、人口數(shù)量、耕地數(shù)量、建設(shè)用地數(shù)量、建設(shè)投資等。

2.2.1.2 社會子系統(tǒng)邊界 主要圍繞農(nóng)民這一主要受益主體開展土地整理的社會子系統(tǒng)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(nóng)民增收，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活條件等，而且對促進社會公平、提高公眾滿意度等也發(fā)揮著積極作用。本研究中的社會子系統(tǒng)主要涉及農(nóng)民收入、公眾滿意度、生產(chǎn)生活條件以及就業(yè)人數(shù)等因素。

2.2.1.3 景觀生態(tài)子系統(tǒng)邊界 土地整理景觀生態(tài)系統(tǒng)從景觀子系統(tǒng)和生態(tài)子系統(tǒng)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(xiàn)，生態(tài)特征主要是從耕地質(zhì)量、植被覆蓋率、水土流失面積、生態(tài)多樣性等方面來分析。

2.2.2 因果關(guān)系分析 因果關(guān)系包含正反饋關(guān)系和負反饋關(guān)系。正反饋關(guān)系表示2個變量之間是同向變化關(guān)系，負反饋關(guān)系表示2個變量之間是反向變化關(guān)系。擁有偶數(shù)個負反饋關(guān)系的回路是正反饋回路，擁有奇數(shù)個負反饋關(guān)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(jīng)濟子系統(tǒng) 經(jīng)濟子系統(tǒng)涉及的主要反饋回路為：耕地面積→糧食產(chǎn)量→糧食產(chǎn)值→GDP→建設(shè)投資→建設(shè)用地→未利用地開發(fā)面積→耕地面積；耕地面積→糧食產(chǎn)量→糧食產(chǎn)值→GDP→人口數(shù)量→人均耕地面積→未利用地開發(fā)面積→耕地面積；人均耕地面積→未利用地開發(fā)面積→耕地面積→人均耕地面積。

2.2.2.2 社會子系統(tǒng) 社會子系統(tǒng)涉及到的主要反饋回路為：耕地質(zhì)量→糧食產(chǎn)量→糧食產(chǎn)值→農(nóng)民收入→公眾滿意度→農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施→農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件→耕地質(zhì)量；就業(yè)人數(shù)→公眾滿意度→農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施→農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件→就業(yè)人數(shù)；農(nóng)民收入→農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施→農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件→耕地質(zhì)量→糧食產(chǎn)量→糧食產(chǎn)值→農(nóng)民收入。

2.2.2.3 景觀生態(tài)子系統(tǒng) 景觀生態(tài)子系統(tǒng)包含的主要反饋回路為：耕地質(zhì)量→糧食產(chǎn)量→糧食產(chǎn)值→GDP→農(nóng)業(yè)投資→耕地面積→斑塊個數(shù)→斑塊密度→景觀破碎度→生物多樣性→耕地質(zhì)量；耕地質(zhì)量→糧食產(chǎn)量→糧食產(chǎn)值→GDP→農(nóng)業(yè)投資→農(nóng)田防護→耕地質(zhì)量；生物多樣性→耕地質(zhì)量→糧食產(chǎn)量→GDP→農(nóng)業(yè)投資→農(nóng)田防護→生物多樣性；耕地面積→優(yōu)勢度指數(shù)→景觀多樣性→生物多樣性→耕地質(zhì)量→糧食產(chǎn)量→糧食產(chǎn)值→GDP→農(nóng)業(yè)投資→耕地面積。

2.3 系統(tǒng)流圖

系統(tǒng)內(nèi)部的變量根據(jù)變量性質(zhì)分為積分變量、速率變量、輔助變量和常量，通過物質(zhì)流和信息流等特殊符號將不同性質(zhì)的變量連接起來，可以更加直觀形象地描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。此外，通過構(gòu)建不同變量之間的數(shù)學關(guān)系式可以實現(xiàn)系統(tǒng)從定性分析到定量分析的過渡。

本研究應用Vensim PLE軟件構(gòu)建區(qū)域土地整理時空配置系統(tǒng)流圖，具體如圖1所示。

2.4 構(gòu)建系統(tǒng)動力學方程

模型的定性分析是基于因果關(guān)系進行的，定量分析所需的方程可以借助基礎(chǔ)數(shù)據(jù)或者經(jīng)驗公式進行擬合，無法用函數(shù)擬合的變量關(guān)系可以借助表函數(shù)來表達，常用的積分函數(shù)(INTEG)、最值函數(shù)(MAX、MIN)、指數(shù)函數(shù)(EXP)、對數(shù)函數(shù)(LN)等借助Vensim軟件平臺實現(xiàn)，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(fā)面積-0.044×新增建設(shè)用地，0.001 9×耕地面積)；

(2)

GDP變化量=MIN(0.107×糧食產(chǎn)值+8.45×新增建設(shè)用地，GDP)；

(3)

FINAL TIME=2 023；

(4)

人口數(shù)量變化量=人口增長率×人口數(shù)量；

(5)

人均耕地面積=耕地面積/人口數(shù)量；

(6)

建設(shè)投資=GDP×建設(shè)投資系數(shù)；

(7)

未利用地開發(fā)面積=0.063×新增建設(shè)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(nóng)民人均收入+3.25×10-6×就業(yè)人數(shù)，0.205×公眾滿意度)；

(10)

生產(chǎn)條件=-2.31×10-10×居民點基礎(chǔ)設(shè)施2+1.824×10-6×居民點基礎(chǔ)設(shè)施+0.554；

(11)

優(yōu)勢度指數(shù)=0.011×exp(7.703×10-5×耕地面積)；

(12)

農(nóng)業(yè)投資=GDP×農(nóng)業(yè)投資系數(shù)；

(13)

農(nóng)田防護林面積=0.014 3+0.020 6×ln(農(nóng)業(yè)投資)；

(14)

斑塊個數(shù)=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(yōu)勢度指數(shù)3-0.100 8×優(yōu)勢度指數(shù)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(nóng)田防護林面積，-0.110 1×生物多樣性)；

(19)

糧食產(chǎn)量=10 396.5×耕地質(zhì)量+2.883×耕地面積-1.016×106。

(20)

3 模型檢驗

3.1 歷史檢驗

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

3.2 穩(wěn)定性檢驗

有效的系統(tǒng)行為模式應當對大部分參數(shù)的變化是不敏感的，這主要是因為系統(tǒng)的行為模式是由模型內(nèi)部主導反饋回路決定的，非主導反饋回路上的參數(shù)變化不會對系統(tǒng)的行為產(chǎn)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(shè)置為1年、6個月、3個月，以此觀測參數(shù)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(shù)值的改變而發(fā)生明顯變化，也即參數(shù)值的變化并沒有引起模型行為發(fā)生根本性變化，說明模型具有一定的穩(wěn)定性，對參數(shù)變化不敏感，能夠很好地反映現(xiàn)實系統(tǒng)。

表1 參數(shù)有效性檢驗

4 情景設(shè)置

根據(jù)研究區(qū)不同時期的發(fā)展目標，設(shè)定3種仿真方案，各方案的目標存在差異，其中方案一設(shè)置的建設(shè)投資系數(shù)、農(nóng)業(yè)投資系數(shù)分別為0.15、0.18；方案二設(shè)置的建設(shè)投資系數(shù)、農(nóng)業(yè)投資系數(shù)分別為0.10、0.15；方案三設(shè)置的建設(shè)投資系數(shù)、農(nóng)業(yè)投資系數(shù)分別為0.09、0.10。

方案一：規(guī)劃期為2017—2020年，以增加耕地數(shù)量、提高耕地質(zhì)量為主要目標。該規(guī)劃期伴隨著京津冀協(xié)調(diào)一體化發(fā)展的大趨勢，由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，研究區(qū)經(jīng)濟發(fā)展處于穩(wěn)步提升階段。城鄉(xiāng)一體化進程的加快，進一步導致建設(shè)用地的增加，這意味著有更多的耕地轉(zhuǎn)化為非農(nóng)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(fā)內(nèi)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(shè)用地占用耕地導致的耕地損失，從而實現(xiàn)占補平衡；與此同時，通過增設(shè)農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施和增施有機肥等措施來提高耕地質(zhì)量，從而增加糧食產(chǎn)量。

方案二：規(guī)劃期為2021—2025年，以改善生態(tài)環(huán)境為主要目標。在不同區(qū)域尺度上建立不同的整理目標。在縣域尺度上，構(gòu)造綠色生態(tài)網(wǎng)絡(luò)；在鄉(xiāng)(鎮(zhèn))尺度上，注重自然與半自然生境的比例，以及生境質(zhì)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(zhì)性，提升景觀生態(tài)功能。

方案三：規(guī)劃期為2026—2030年，以區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)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(yè)投資項目，具有明顯的社會效益，在優(yōu)化國土格局、統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展、優(yōu)化資源配置方面具有重要的推動作用。對土地利用系統(tǒng)進行協(xié)同管理的最終目標是建立協(xié)調(diào)、循環(huán)、可持續(xù)的土地利用態(tài)勢，確保區(qū)域在大力發(fā)展經(jīng)濟的同時，能夠最大程度地實現(xiàn)人類的福祉并確保區(qū)域的土地生態(tài)安全[13-14]。

5 仿真分析

利用收集到的歷史數(shù)據(jù)計算GDP、人口數(shù)量、耕地數(shù)量以及新增建設(shè)用地數(shù)量、建設(shè)投資、農(nóng)民人均收入、公眾滿意度、生產(chǎn)條件、就業(yè)人數(shù)、景觀多樣性、景觀破碎度、植被覆蓋度、生物多樣性等系統(tǒng)變量。

利用ArcGIS軟件制作單一因子數(shù)字地圖，建立地理信息系統(tǒng)(geographic information system，簡稱GIS)空間數(shù)據(jù)庫。根據(jù)區(qū)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(zhì)量為主要目標；2021—2025年以改善生態(tài)環(huán)境為主要目標；2026—2030年以區(qū)域協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展為主要目標。在ArcGIS空間分析函數(shù)的支持下，將SD模型設(shè)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(qū)域空間整合目標的空間和時間配置。結(jié)合GIS技術(shù)，模擬研究區(qū)土地整理項目時空配置在動態(tài)場景中的協(xié)調(diào)發(fā)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(jīng)濟發(fā)展對建設(shè)用地的擴張需求，也要保證耕地數(shù)量的平衡，同時提高耕地質(zhì)量。從圖3可以看出，整理區(qū)與不整理區(qū)、各期土地整理區(qū)分布集中。整理區(qū)主要位于街關(guān)鎮(zhèn)、周窩鎮(zhèn)、北代鄉(xiāng)、武強鎮(zhèn)等4個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))臨近石黃高速、307國道的區(qū)域，占可整理面積的30.97%，新增耕地目標的實現(xiàn)主要依靠修建道路、規(guī)整地塊、完善田間交通系統(tǒng)和提高地塊規(guī)整水平來實現(xiàn)。同時，該區(qū)域內(nèi)灌溉設(shè)施不完善，可通過修建、修整農(nóng)田水利設(shè)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(fā)展，改善生態(tài)環(huán)境將逐步受到重視。整理區(qū)主要位于孫莊鄉(xiāng)、北代鄉(xiāng)北部及武強鎮(zhèn)東北部，該區(qū)域水資源較豐富，植被、土壤、灌溉條件較好，通過完善農(nóng)田水利設(shè)施、加強林網(wǎng)建設(shè)，可進一步改善生態(tài)環(huán)境。以構(gòu)建大集中、小分散的異質(zhì)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(chuàng)造條件，交叉布置多種作物種植斑塊，使農(nóng)業(yè)景觀生態(tài)系統(tǒng)在整體上展示群體美，局部各斑塊展示個體美，構(gòu)建井然有序、脈絡(luò)清晰的景觀生態(tài)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(xié)調(diào)發(fā)展的實質(zhì)是不以犧牲生態(tài)價值、破壞環(huán)境為代價來滿足經(jīng)濟發(fā)展和社會需求，而要追求經(jīng)濟發(fā)展、社會需求與生態(tài)保護和諧共生[17]。當各子系統(tǒng)處于良性匹配狀態(tài)時，物質(zhì)交換、能量流動及信息傳遞表現(xiàn)出相互促進、共同發(fā)展的態(tài)勢，這樣才能使生態(tài)環(huán)境良好、經(jīng)濟增長和社會進步并存。

6 結(jié)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(jié)合項目區(qū)多年的歷史數(shù)據(jù)，在Vensim軟件平臺中構(gòu)建區(qū)域土地整理項目時空配置模型。通過仿真分析得出以下結(jié)論。

通過分析土地整理工程對景觀格局及生態(tài)學過程的影響，借助Vensim軟件平臺構(gòu)建區(qū)域土地整理項目時空配置模型，可實現(xiàn)空間與時間以及結(jié)構(gòu)與功能的耦合。經(jīng)檢驗，模型在行為上和結(jié)構(gòu)上一致，通過了有效性和穩(wěn)定性檢驗，說明能夠?qū)ρ芯繀^(qū)的真實情況進行模擬預測。

本研究構(gòu)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(tài)型整理模式，即在保持耕地數(shù)量動態(tài)平衡的基礎(chǔ)上，以維護和提升研究區(qū)景觀生態(tài)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(jié)果有益于指導研究區(qū)的土地整理實踐工作，制定相應的土地整理專項規(guī)劃，確定不同時期的土地整理方向和重點區(qū)域。