耕地的彈性變形理論及實證研究

趙華甫，屈雪冰，馮新偉，吳克寧，黃 勤

(1.中國地質大學土地科學技術學院，北京 100083;2.河南農業大學資源與環境學院，鄭州 450002)

我國是耕地最為稀缺的國家之一。改革開放以來，受工業化、城市化快速發展的影響，我國耕地資源被各項建設大量占用，其稀缺性日益突出，已成為農業生產和國民經濟可持續發展的瓶頸因素［1］。耕地具有經濟、景觀、生態等多種功能［2-4］，對保障國家糧食安全、資源安全和生態安全意義重大，也是當前資源科學的重要研究對象。當前，關于耕地資源，發達國家學者重視土地質量的改善和生態景觀的維護，勝過關心其部門配置［5-6］。國內研究重在分析耕地變化及驅動力［7-10］，耕地的糧食安全保障［11-12］，城市化、工業化與耕地保護［13-15］等方面，旨在為耕地的各部門配置提供科學依據。但是，迄今為止我國仍然無法就耕地保護的最低數量目標以及穩定質量和布局等達成共識。當前各地土地利用總體規劃修編中耕地和基本農田的調整往往出現耕地、基本農田避讓城鎮發展和各種基礎設施建設現象仍比比皆是，耕地保護被地方政府視同負擔，形勢堪憂。國務院1.2億hm2耕地紅線保護目標的提出無疑是一支耕地監管強心針，但是遭到一些學者的質疑，無法扎扎實實落到實地上。為提出耕地保護預警提供新的研究思路，本研究從耕地資源系統特征入手，引入彈性力學理論，就經濟社會發展脅迫之下耕地系統彈性及系統變化的階段性特征，國家和各省彈塑性變化的時間節點及其對社會、生態和經濟的可能影響開展研究，為制定科學的耕地管護目標和政策措施提供理論依據。

1 耕地的彈性變形理論導入

一般而言，彈性力學或稱彈性理論是研究彈性體在荷載等外來因素作用下所產生的應力、應變、位移和穩定性的學科，該學科有變形連續規律、應力—應變關系和運動規律三大基本規律。其中，應力—應變關系理論用來解釋材料在受到外力作用時，材料根據受力大小所表現出的各種變化狀態。塑性變形與彈性變形具有關聯規律，是在應力超過彈性極限下，材料發生形狀和尺寸的不可逆轉的永久變形。一般彈性體的變形先發生彈性變形，后發生塑性變形。這里我們將耕地的塑性變形認為是彈性變形階段的延伸，不過多贅述2個變形的差異。實際上，管理學上已經有將彈性理論引入并應用彈性管理的實踐，旨在增強管理的適應性和靈活性，以適應系統外部環境和內部條件千變萬化的形勢，實現靈活管理。耕地的彈性變形理論的核心目的是借鑒彈性理論來闡明耕地在各種驅動力作用下的變化狀態。要進行理論的移植，必須要探討幾點:耕地作為一個客觀存在，物質構成是否具有較緊密的關聯而成為一個整體?外部環境能否促使其在數量、質量變化背景下一定尺度內結構、功能等方面具有穩定性、自我恢復能力?這一物質存在是否也遵從應力—應變規律并具有有限彈性特征?等等。

1.1 耕地是一個自然經濟復合系統

耕地是由大氣、水、土壤、巖石和地貌等自然要素和耕作活動結果構成的自然經濟綜合體。耕地在人類世代培育下將大氣、土壤、生物等自然要素與人類的耕翻、施肥、灌水等管理措施緊密配合，不斷進行著物質循環、能量流動、生物演替和信息傳遞等過程，形成了外在邊界明顯、結構穩定、功能多樣的自然生態系統，為人類提供物質產品和精神享受服務，并作為生態系統的組成部分維持著生態的平衡，具有重要的生態服務功能［16］。在系統組成要素的外圍，還與林地系統、草地系統、濕地系統等自然系統以及交通系統、市場體系、鄉俗民約等社會經濟系統交互作用。耕地系統的內在構成和外在聯系使其具備了一般生態系統所具有的相關性、目的性、環境適應性、整體性、穩定性。

1.2 耕地系統是具有自組織特征的彈性體

某一范圍內的耕地可以看作一個整體，其數量重心的變化、質量時空的轉換一定限度內都是耕地系統內部耕地系統與其他土地系統交互的過程，有其自我調節、適應、恢復和更新的能力，體現了自組織特點。在少量的重用輕養、挖損破壞、污灌濫用等人為干預條件下，耕地的外在形態和內在質量保持穩定;但是超出了耕地系統所能承受的范圍，就會產生養分流失、性質惡化、形態滅失等后果。耕地所表現的自組織特征使其具備了流體物質的共有特性——彈性及塑性。同時，在我國堅守1.2億hm2耕地紅線和第三輪土地利用總體規劃要求劃定城市增長邊界的語境下，耕地、基本農田數量不減少、質量有提高、位置總體穩定的要求使其在被城市建設侵奪過程中表現出與固態物體相似的“承壓能力”和“韌度”，具有一定的“彈性”。而已有研究也證明，我國耕地占補平衡制度框架下，隨著城市化外驅力的加大，耕地資源北移西進的空間轉換成為必然趨勢，具有流體物體類似的塑性和流動性特點，具有相應的“塑性”。因此，耕地在理論上可近似地看作一個虛擬的彈性體。

1.3 耕地系統彈性表現具有階段性

耕地系統面臨的環境較復雜，既有經濟發展、人口增長、城市化等的空間俘獲的外部壓力，又有災害氣候及生態退耕、農業調整等政策實施導致其功能轉換或喪失的壓力;也有人類平整土地、培肥地力、開墾邊際土地、整治建設廢棄土地和結構調整還耕的推力［17］。這些均可看做耕地系統發展變化的應力。在耕地彈性變形階段，后備資源數量充裕，分布相對均衡，耕地在各壓力作用下總量穩定，分布合理;隨著城市化、工業化和農業結構調整壓力持續增加、外應力中等強度下，耕地進入塑性變化階段，部分空間被城市侵奪，外在形態變得復雜化，但耕地在有限的范圍內發生空間的轉移，功能在產業內部發生轉換，但系統完整性和其功能發揮尚未質的變化;在城市化、工業化更加發展，各項建設向農區快速俯沖的強應力背景下，耕地系統開始全面崩解，耕地空間被各項建設用地過度占用，僅殘存一些耕地斑塊，存續方式和分布格局的穩定不復存在，耕地與其他園地、苗圃等其他農用地的合理的轉換過程受到阻滯，功能趨于惡化。

2 耕地彈性變形階段的分析方法

耕地的彈性，可以認為是在最嚴格的耕地保護制度和耕地占補平衡制度實施背景下，耕地所呈現的總量和布局的穩定性、地類調整和結構變換的可控性、功能和價值的維持性等綜合狀態，它是判斷耕地資源安全的重要依據。耕地的塑性是在耕地系統的系統功能和服務價值沒有發生根本性變動前提下，具有一定的自我維持、自我調節及其抵抗各種壓力與擾動的能力，耕地出現結構性失調、空間大尺度置換所呈現的亞穩定狀態。

鑒于耕地彈性特征與其存續形式的穩定性，結構和功能的穩定性以及格局和過程的協調性密切相關。由于涉及面寬，彈性變形理論移植較為困難。要解決這個問題，最直接的辦法還是要依據影響耕地系統變化的根本因素，即從耕地存續形式上或者結構功能等方面入手進行分析。耕地存續形式和結構功能變化受建設侵占、土地整治和農業結構調整的影響，因農業結構調整對系統功能無實質性影響，因此，耕地彈性變化可依據耕地資源總量及空間分布的變化及其未來趨勢來分析。鑒于此，本研究提出耕地彈塑性判別系數概念，通過考察這一指標，來反映全國及各省市耕地后備資源的耕地系統的支撐能力，進而分析耕地系統穩定、較穩定和不穩定狀態，并進一步據此劃分耕地系統的彈性變形階段、塑性變形階段和非穩定態變形階段。耕地彈塑性判別系數計算公式如下:

式中:Bt表示t時段內全國彈塑性判別系數;Bit表示t時段內i地的耕地彈塑性判別系數;Sit為t時段i地補充耕地潛力;Oit為t時段i地建設占用耕地總量;i表示各省(市、自治區)的序號，最大值n不超過31，不包括香港、澳門和臺灣。

當Bt＞1且Bit＞1，則無論是全國還是各省區，耕地后備資源均較充裕，全國及各地耕地系統穩定性強。耕地在量上、補充耕地和被占耕地在產能水平上接近，在區位上調整有限，因此耕地系統整體上看，不存在結構和布局的變動，具有自穩性特征，因此這一時期可以認為是耕地的彈性變化階段。

當Bit≠1且Bt≧1，則全國耕地后備資源相對較充裕，完全可以實現全國建設占用耕地的補充平衡。但部分省區外延擴展的建設用地無法通過內部的后備資源開發加以彌補。這一時期耕地在占補過程中，補充耕地和被占耕地在產能水平上懸殊，在區位上有較大調整，因此耕地系統整體上看在量的維度處于穩定狀態，但在內部質量結構和空間布局等質的角度看則處于亞穩定狀態，這一時期可以認為是耕地的塑性變化階段。

當Bit≠1，且Bt﹤1，則全國耕地后備資源無法支撐全國耕地數量和空間的穩定。部分后備資源較多省區保持一定穩定性，但大部分省份耕地量質齊降成為必然。這一時期全國耕地量無法穩定且產能流失嚴重，系統破碎化、邊緣化問題更加突出，因此耕地系統整體上處于欠穩定狀態，這一時期可以認為是耕地系統非穩定態變化階段。

3 中國耕地的彈塑性特征分析

通過收集、整理國土資源部歷年國土資源公報、國土資源年鑒等資料，分析各省市近10年來補充耕地系統穩定性，描述在各省區差異性發展水平和耕地后備資源條件下耕地所處的彈性變化階段。

3.1 我國耕地數量及空間變化

隨著我國工業化、城鎮化發展和農業結構調整，我國耕地在數量和空間上發生了較大變化。據統計，1987—2008年間我國耕地資源總量呈下降態勢，22年間耕地數量下降了1 024.91萬hm2，年均減少46.59萬hm2。其中，1999—2008年我國耕地年均減少面積激增至92.48萬hm2。同時，耕地比重的增減變化表現出明顯的區域差異性。東部經濟發達地區如北京、天津、上海、浙江、廣東等地，耕地面積比重減少明顯，而中部的河南，西部的新疆、廣西和北部的黑龍江、吉林、遼寧地區的耕地面積比重有所增長(圖1)，耕地分布邊際線由東向西移動。

3.2 全國耕地系統狀態穩定年限預期

耕地系統是否具有彈性，是否過渡到塑性階段，可通過其數量在全國尺度及區域內外的數量和結構穩定性來判明。2000年以來我國共補充耕地251.02萬hm2，年均補充耕地27.90萬hm2。同期，我國因建設占用減少耕地總量為189.58萬hm2，年均占用耕地21.06萬hm2。根據《全國土地利用總體規劃綱要(2006—2020年)》，2005年我國耕地后備資源潛力總量1 333萬hm2左右。以此為基礎，扣除規劃近期規定的耕地補充數額114萬hm2，得到2010年我國耕地后備資源潛力數量為1 219萬hm2。同時，若以規劃規定的2006—2020年間新增建設占用耕地年均占用26.67萬hm2測算，實現耕地占補平衡，我國耕地后備耕地資源僅可以滿足45.7年的耕地存在形態穩定的需要。

圖1 1999，2008年中國各省份耕地的比重變化Fig.1 The proportion changes of cultivated land in different provinces in China at 1999 and 2008

3.3 各省市區耕地系統穩定性年限預期

基于2005年全國各省市區耕地后備資源存量調查數據，采用與全國耕地補充速度及建設占用相同預測方法，扣減2006—2010年各地土地整理復墾開發項目增地數量，獲取各地2010年存量耕地增加潛力(圖2)。由圖2可以看出，2010年補充耕地潛力較大的有新疆、黑龍江兩地，面積在80萬hm2以上;內蒙古、吉林、甘肅、山西、河北、河南、山東耕地增加潛力尚可，面積在33萬～80萬hm2之間;遼寧、湖南、湖北、安徽、江蘇耕地增加潛力較少;北京、浙江、福建、陜西、貴州、云南、西藏等地后備資源匱乏，不足4萬hm2。

圖2 2010年中國各省份耕地補充潛力Fig.2 Potential supplement of cultivated land in different provinces of China in 2010

同時依據《全國土地利用規劃綱要(2006—2020年)》中各省區規劃期內新增建設年均占用耕地的速度，考慮各地補充耕地潛力大小，分析各地2010年為基期的可實現耕地占補平衡年限長度(圖3)。由圖3看出，發展迅速或耕地補充潛力較少的浙江、福建、云南、貴州、陜西等地耕地系統在存續方式上的穩定性僅在5年之內;北京、廣東、廣西的耕地系統在存續方式上的穩定性不足10年;山西、河北、山東、河南、湖南、遼寧、吉林、西藏、青海等地耕地系統在存續方式上的穩定性可達20年以上;耕地后備資源比較豐富的新疆、內蒙古、甘肅、黑龍江等省市耕地系統在存續方式上的穩定性年期可達70年以上。

圖3 中國耕地系統穩定性年期的空間分異Fig.3 Time length stability of the cultivated land system and its spatial diversity in China

3.4 耕地彈性階段劃分

依據上述耕地彈性階段劃分依據，在耕地彈塑性判別系數基礎上，對各階段進行判定(圖4)。2010年以后貴州省耕地將出現首次補不抵占的現象，屆時該地區的Bit＜1，而Bt＞1，我國耕地系統將由彈性階段進入塑性階段。當突破全國的耕地占補平衡年限，即2056年以后，全國的耕地彈塑性判別系數將出現Bit≠1且Bt﹤1。該階段從全國范圍內來看，發達地區的耕地與各種建筑、構筑物犬牙交錯，實現耕地占補內部平衡已經非常困難;從補充耕地的產能水平上看，產能流失嚴重，耕地系統的破碎化、邊緣化問題更加突出;新疆、內蒙古、黑龍江、吉林、遼寧等后備資源相對豐富的區域耕地新增數量快速增長，使得耕地在質量上、空間上的轉換特征異常顯著，因過度開發邊際土地導致的資源環境退化風險正大幅提高，耕地系統整體上處于欠穩定狀態，這一時期耕地系統由塑性階段轉入非穩態變化階段。

當然，尺度不同，耕地的彈塑性特征及其顯現時間也各有差異。當前制度框架下，國家仍然會嚴格監控各省、自治區、直轄市補充耕地義務的落實情況，鼓勵有條件的地區在完成補充耕地義務的基礎上增加補充耕地任務。這使得各地在建設占用耕地問題上謹小慎微，建設用地的新增需求一是消化存量，二是通過城鄉用地“增減掛鉤”的途徑得以滿足;因此，在耕地占補平衡制度執行過程中，各地的耕地不會有大幅建設占用，生產能力相對穩定。但是，針對耕地后備資源緊張、有特殊困難的省份，實時掌握其耕地系統的壓力狀況及彈塑性特征，具有重要的決策參考意義。

圖4 中國各省份耕地彈性階段劃分Fig.4 Division for elasto-plastic deformation stage of different provinces in China

4 結論和討論

我國快速發展的城市化和工業化過程中，各項建設對耕地的侵占似乎毫無窮盡，給耕地保護造成很大壓力。一些從事城市規劃、房地產方面的專家對中國耕地安全問題持樂觀態度，其對耕地保護目標的質疑，一定程度上影響到民眾對耕地紅線保護重要性的認識。本研究以耕地的建設侵奪的必然性和耕地占補平衡制度的強制性為背景，引入彈性力學彈塑性有關理論，探討了耕地作為自然經濟復合系統的自組織特性、彈性特征及彈性階段劃分依據，并開展了實證研究。在人口、經濟、城市化和開發整理復墾補充和質量建設等外應力作用下，耕地在存續形式上、空間分布上發生轉移，表現出一定的承壓能力與流動性，類似于一種彈性體，即耕地的彈性表現;當耕地后備資源匱乏，無法實現耕地區域內部布局穩定，耕地重心在全國范圍內發生轉移并伴隨質量下降，則表現出耕地塑性特征。研究表明，2010年以前我國耕地整體處在彈性變形階段，2010—2056年間耕地為塑性變形階段，隨后為非穩態變形階段。

但是，受數據資料限制，本研究僅探討了耕地系統的存續方式的變化特征，未考慮耕地生產能力、生態功能等的變化及其對耕地系統變化的影響，因此，研究得出的全國和各地耕地系統穩定年限預期略大，耕地處于彈性變形階段的時間判斷會較樂觀。若考慮耕地系統結構、功能方面變化，實際上耕地系統的彈塑性階段時間節點應會提前。當然，國家這些年十分重視高標準基本農田建設，也能有效避免耕地系統非穩定變形階段的到來。但是，仍需要強化耕地的數量、質量乃至空間管制，使我國的耕地資源得到強有力的保護，避免因為耕地資源的過度利用、轉用，造成對國民經濟社會發展和生態環境的重大損害。

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