鄉村振興背景下村鎮土地變化與承載力多情景模擬*
——以江蘇省溧陽市社渚鎮為例

熊彬宇 李永浮 趙伯川

當前我國村鎮地區發展仍面臨較多問題。我國人口眾多，人均耕地面積少，耕地分布細碎且后備耕地資源匱乏。農用基礎設施用地開發監管力度不嚴，耕地資源浪費情況日益加重。村莊居民點分布零散，建設用地利用粗放。土地是鄉村社會經濟發展的根本，土地資源的有限性與社會需求的無限性客觀上要求對區域土地利用結構進行優化配置[1]，而土地利用結構優化不僅是人類活動的結果，更作為政策工具指導人類社會經濟活動，以實現可持續發展目標[2]。

土地利用結構優化是在一定投入與約束條件下，通過對各種土地資源類型進行科學數量組合和空間優化布局[3]。早期土地利用結構優化理論是為了尋求適合西方企業型農業建立時代的合理生產方式而誕生的。德國農業經濟學家杜能于1826年首先對農村土地利用展開研究，提出農業區位論的觀點[4]。第二次世界大戰后，城市建設進入高速發展期，全球人口數量膨脹，資源短缺、人地矛盾由此開始顯現，針對資源承載力的研究日益增多[5]。一些國內學者引入資源環境承載力相關理論，將承載力理論與我國城鄉土地利用結構優化相結合。在承載力評價指標體系方面，提出區域特殊性、系統協調性、綜合性、層次性和可操作性的指標體系設計原則[6]，并不斷完善承載力指標體系框架[7-8]。同時，在優化配置模型方面開展大量研究，研究內容經歷了從定性到定量[9]、從線性到非線性[10-12]、從單目標優化到多目標優化[13]、從城市到城鄉的過程轉變[14-17]。由于鄉村地區數據較難獲取，村鎮地區承載力研究成果相對較少。

1 研究方法及數據來源

1.1 研究方法

系統動力學（System Dynamics，SD）建模方法，由美國MIT的Jay W.Forrester教授于1956年首創，在1960年代成型，后由他的學生進一步完善和推廣應用。Forrester[18]的《城市動力學》、Dennis Meadows等[19]合著的《增長的極限》，以及John D.Sterman[20]所著的《商務動態分析方法》都是系統動力學理論和應用的經典著作。

系統動力學方法是從系統的微觀結構出發建立系統的結構模型，用回路描述系統結構框架，用因果關系圖和流圖描述系統之間的邏輯關系，用方程描述系統要素之間的數量關系，用專門的仿真軟件進行模擬分析，因此系統動力學方法包括因果關系圖、流圖、方程和仿真平臺[21]19。目前，廣泛使用的微機版系統動力學工具軟件有Stella、Vensim、Powersim、Anylogic等，其中Vensim軟件在社會科學研究中使用較多。本文基于Vensim PlE 9.0.1版本開展仿真模擬。

系統動力學的發展主要基于5種理論與技術：系統理論、信息反饋理論、決策理論、系統力學和計算機仿真模擬[21]21。SD模型不同于傳統的數理分析模型，它是根據反饋回路構建因果關系系統分析結構，以響應系統中的每個子系統，尤其擅于處理非線性的多重反饋復雜問題。這些特點正好適用于村鎮地區耕地保護與承載力研究，可以從社會、經濟等要素全方位模擬村鎮土地利用變化和土地承載力。SD模型素有“戰略與政策實驗室”之譽，基于SD開展村鎮土地承載力動態模擬研究，將有助于制定合理的村鎮耕地保護政策，確保糧食生產安全，實現鄉村振興和區域可持續發展。

1.2 數據來源

2007年3月，社渚鎮與周邊城鎮合并為新的社渚鎮，行政區劃變動造成社渚鎮社會經濟統計資料和村莊土地面積數據無法獲取和統計口徑不一致等問題。本文使用2009年—2017年數據資料，其中人口、社會經濟數據等來源于《溧陽市統計年鑒（2009—2017年）》，土地利用數據來源于《溧陽市社渚鎮土地利用變更調查（2009—2017年）》。

2 社渚鎮土地利用變化分析

研究范圍選取江蘇省常州市溧陽市社渚鎮。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。社渚鎮位于溧陽市西南部，距離市區約28 km，位于蘇皖交界處，青蝦養殖是當地的特色產業，也是當地農村經濟支柱產業之一。但該地區養殖坑塘大多數是21世紀初由耕地轉化而來，對糧食安全和生態安全造成一定的不利影響。因此，從耕地保護和生態安全的角度，有必要開展社渚鎮的土地利用變化分析。

根據研究目的和國家土地類型分類標準，將溧陽市社渚鎮土地利用類型分為坑塘養殖、旱地、水田、村建設用地、鎮建設用地、設施農用地、其他農用地、其他建設用地、未利用地9種。利用溧陽市2009—2017年土地利用現狀變更數據得到這一時期的土地利用轉移矩陣（見表1-表2）。

表1 2009—2013年土地利用轉移矩陣（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%。鎮建設用地與設施農用地面積增加較多，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、設施農用地和鎮建設用地均有所增加，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%。

從土地利用轉移的流向情況看，2009年至2013年間，未利用地開發情況較好，大部分轉變為其他農用地；村鎮建設用地總面積均有增加，其中主要從水田與坑塘養殖中轉化而來；設施農用地增加的面積主要來自其他農用地；耕地“非農化”情況較為嚴重，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；村建設用地總量減少，其中大部分轉化為水田；其他建設用地總量減少，主要轉化為旱地與水田；設施農用地面積的增加來源于其他農用地、水田和旱地；未利用地的開發速度有所減緩。

從上述分析可知，社渚鎮地類轉換主要分為農業用地內部轉換和農業用地向建設用地的轉換。加之全鎮人口、社會和經濟要素的影響分析，奠定全鎮土地利用變化SD模型的基礎，進而開展土地利用變化的仿真模型分析。

3 土地利用變化SD模型構建

3.1 SD模型因果圖構建

本文以社渚鎮行政區劃界限為空間邊界。根據文獻與實地調研，耕地變化主要受耕地承載力、土地政策和經濟要素的影響。根據土地利用轉移矩陣中得到的不同土地利用類型之間的流向關系，結合社渚鎮社會經濟等要素建立因果關系圖（見圖1）。

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

土地利用變化的SD模型既要考慮社會經濟要素對各土地利用變化的影響，也要考慮各地類轉換對社會經濟要素的反作用，也就是兩者之間形成的互反饋關系，從而在SD模型中形成多個反饋回路。

其中，全鎮建設用地/耕地面積的供需平衡狀態有3種可能：超載、平衡或可載[22]。這種平衡狀態可以表征建設用地/耕地的承載能力。如果未來社會經濟活動所需的建設用地面積/耕地面積遠超建設用地/耕地的實際供給能力，表明全鎮土地承載能力不可持續，必須對人口—社會—經濟系統做相應調整。

3.2 土地利用變化的SD模型流圖構建

對社渚鎮土地利用變化因果關系圖加以充實，使其更加具體化。通過Vensim-PLE軟件，根據每個變量的性質，用狀態變量、速率變量、輔助變量、表函數、常量描繪出系統的結構，可得社渚鎮土地利用變化SD模型系統流圖（見圖2）。

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

模型中部分變量間的方程關系是固定的數量關系，可以直接寫出系統方程式，有些變量之間沒有直接的數量關系，則需要運用SPSS軟件對歷年數據進行回歸分析得到。社渚鎮土地利用變化系統部分方程如下：

該模型內反饋回路有以下3類：

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

②建設用地承載力→坑塘養殖轉建制鎮→建制鎮增加量→建制鎮→建設用地面積→建設用地承載力。該回路是一條負反饋，反映了坑塘養殖用地向城鎮建設用地變化過程中，建設用地變化趨于平穩的特征，能使得城鎮建設用地保持相對平穩增長，在一定程度上進行集約高效利用。

③GDP→財政收入→地方收入→坑塘養殖轉設施農用地→設施農用地增加量→設施農用地→一產增加值→GDP。該回路是一條正反饋，反映了在現代農業發展過程中，政府加大設施農用地建設后對經濟增長的影響過程。

3.3 模型運行檢驗

為保證本文所構建模型的真實性和有效性，需要對模型進行歷史檢驗。模型的歷史檢驗方法主要是判斷仿真結果與歷史數據的相對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，能較為精準地預測未來的發展趨勢，否則需要對模型進行結構或參數上的修改，直到通過歷史模擬檢驗。相對誤差的計算公式如下：

式中：Dt為相對誤差；Pt為時間t下的模擬值；St為時間t下的真實值。當Dt絕對值小于10%時，認為模型模擬結果較好，通過了歷史檢驗。

由于2017年土地利用數據與之前年份差距較大，因此采用2009—2016年相關歷史數據進行模型檢驗。以2009年為模型模擬起始年份，2009—2016年為驗證期，對模型中的年末總人口、村莊建設用地、旱地和水田進行模型歷史檢驗，檢驗結果如表3所示。

表3 模擬結果與相對誤差統計表Tab.3 Statistical table of simulation results and relative error

模擬結果表明：該系統模型相對誤差率不超過10%，在誤差允許范圍內[23]。這說明社渚鎮土地利用變化系統模型的模擬結果可靠，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，能夠通過調節關鍵參數進行仿真模擬實驗。

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的經濟社會情況后，結合對社渚鎮未來發展規模和前景的預期，嘗試對研究區土地利用變化系統中未來地類之間的變化情況進行調整，再通過對社渚鎮土地利用變化模型進行多情景模擬，可以得到不同參數組合下的情景仿真模擬結果。本文模擬的時間邊界為2017—2035年，時間間隔為1年，共選取31個控制變量，涵蓋對各類土地面積變化和承載力指標影響較大的參數。模擬方案共設計出4種典型發展情景，代表社渚鎮未來土地利用方向且具有一定的可實施性（見表4），即（1）現狀發展模式；（2）耕地保護模式；（3）生態保護模式；（4）經濟加速增長模式。模型中以社渚鎮2009年的數據為每個狀態變量的初始值，為模型輸入各控制變量在4種發展情景中的取值，得到各變量的仿真模擬結果。對比分析這4種發展情景下變化較大的狀態變量及人口模擬結果（見表5），可見在不同因素影響下土地利用與承載力指標的變化情況（見圖3）。

圖3 社渚鎮承載力指標情景模擬圖Fig.3 Scenario simulation of carrying capacity index of Shezhu Town

表4 發展情景方案Tab.4 Development scenarios

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

4.2 多情景模式分析

（1）現狀發展模式

現狀發展模式是假定各地類間轉化情況不變設置的情景。在此情景下并沒有高效集約利用土地資源。從模擬結果來看，這是一種高消耗、高耕地占用、低效益的發展情景。所以從可持續發展的角度審視，該情景并不能適應溧陽市社渚鎮未來的發展。因此未來在編制社渚鎮國土空間規劃時，不應延續當前的發展策略。

（2）耕地保護模式

耕地保護模式加強了旱地、水田、設施農用地和其他農用地的轉入量，減少了此類用地的轉出量。這相對其他3種方案而言是一種低土地資源消耗、低耕地占用、低效益的發展模式。該情景雖然不能適應溧陽市社渚鎮未來的發展，但仍具有一定的政策價值。未來國土空間規劃不僅要加大在水田與設施農用地上的政策投入，還需要平衡好糧食安全與經濟發展之間的矛盾。

（3）生態保護模式

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

（4）經濟加速增長模式

經濟加速增長模式減少了坑塘養殖的轉出量，提升了水工建筑用地、村莊建設用地、鎮建設用地的轉入量。這相對其他3種方案而言是一種高土地資源消耗、高耕地占用、較高效益的發展模式。該情景雖然比較能適應溧陽市社渚鎮未來經濟建設的發展需要，但需要平衡其與生態保護的矛盾。從可持續發展的角度來看，不推薦此發展模式。

5 結語

本文中構建的鎮域村鎮土地利用變化SD模型不僅能模擬不同情景下村鎮土地利用變化情況，還可演繹出土地利用與社會經濟系統之間的復雜非線性關系，從而測算資源環境承載力、土地利用動態變化，以及開展政策模擬調控分析。溧陽市社渚鎮的SD模擬結果表明，目前全鎮發展模式存在土地資源粗放式管理的問題，必須結合耕地保護模式、生態保護模式以及水田和設施農用地的保護政策，尋求具有較優綜合效益的切實可行的國土空間規劃方案。本文的研究僅僅是初步工作，村鎮尺度的數據獲取比較困難，模型還需要進一步完善，但對國土空間規劃、鄉村振興政策以及村鎮資源環境承載力測算的研究，仍具有一定參考價值。