農村土地利用變化及其模擬研究進展

劉敬杰，夏 敏，劉友兆，歐維新

（1.南京農業大學 公共管理學院，江蘇 南京 210095；2.滁州學院 地理信息與旅游學院，安徽 滁州 239099）

0 引言

“農業穩，天下安”，即使工業經濟發展迅速，但農業增效、農民增收、農村發展依然是我國發展建設的基礎和重點，占國土面積近2/3的農村土地不僅是農業生產不可替代的生產資料、農民賴以生存和發展的基礎，也為農民居住和生活、鄉鎮企業選址建廠等提供了空間場所。在新型城鎮化進程中，城鎮人口持續增加、工業化快速發展使土地需求量大幅提高，各地為解決土地供應緊張問題，頻頻征收農村集體土地甚至耕地以緩解用地緊張的局面。由于缺乏科學的土地規劃，導致城鎮發展具有極大的盲目性和隨意性，使農村土地利用和管理面臨建設布局散亂、用地粗放低效、公共設施缺乏、鄉村風貌退化等問題。作為新型城鎮化發展的后備保障力量、新型城鎮化挑戰的核心，農村土地類型眾多、變化過程復雜，其演變過程是多種因素共同作用的結果，同時受到自然、社會、經濟等諸多因素的影響。正在開展的農村土地征收、集體經營性建設用地入市、宅基地制度改革試點、推進農村一二三產業融合發展、新農村建設、布局城鄉一體化以及農村土地利用規劃編制等工作，對未來農村各類土地規模、布局和時序的統籌安排提出了更高的要求。為此，本文從農村土地利用變化特征、驅動力及模擬預測3個方面對已有文獻進行梳理，總結當前研究取得的成效及存在的問題，并對未來發展提出展望，以期為農村土地利用變化研究及農村土地管理決策制定提供參考。

1 農村土地利用變化及驅動力

農村土地類型眾多，可從土地功能角度分為生產性用地、生活性用地和生態性用地三大類，即“三生用地”［1］。有關農村土地變化及驅動力的研究大多集中于耕地和農村居民點用地這2種用地類型。

1.1 農村土地利用變化

在經濟快速發展與城鎮化建設積極推進的背景下，耕地資源尤其是城鎮周邊的優質耕地快速流失已成為近年耕地變化的基本特征。在耕地時空動態變化方面，張麗娟等［2-6］從宏觀視角，利用長時間序列的統計資料與遙感影像分別研究了全球、全國及流域層面的耕地資源數量、空間以及功能變化趨勢與特征，為區域及國家宏觀耕地保護戰略的制定提供了有利的科學依據；楊春艷等［7-9］分別分析了近20年不同省、市、縣的耕地變化特點，為研究不同經濟發展水平下、不同區域的耕地保護及利用提供了參考。

在農村居民點布局變化研究方面，劉彥隨等［10-12］分別對國內不同尺度的農村居民點用地變化展開了研究，基本達成了農村居民點用地規模、數量呈現增長趨勢，用地效率較為粗放，且區域差異較為明顯的共識；李燦等［13-14］主要從農村居民點用地內部結構入手展開研究，以揭示農村居民點用地多功能空間分異特征；劉程鵬等［15-17］通過從景觀生態的視角，研究平原和丘陵等不同地貌區域農村居民點的分布特征及變化規律。

相比大中尺度而言，鄉鎮一級的小尺度農村土地利用變化的研究成果相對較少［18］，但為適應新時期農業農村發展要求，迫切需要通過編制村級土地利用規劃，以統籌合理安排農村各項土地利用活動，鎮村級農村土地利用變化研究的重要性和緊迫性不言而喻。

1.2 農村土地變化驅動力

在耕地利用變化驅動力研究方面，滿衛東等［19］通過定性分析總結出政策調控、經濟發展、人口增長、城市擴張等人文因素是耕地變化和時空分異特征的主要驅動因素；曹祺文等［20］引入AutoLogistic回歸模型，考慮農地屬性變化和土地開發強度的空間自相關性，從自然和社會經濟2個方面對珠江三角洲地區2000～2010年耕地、林地等主要類型農地變化的驅動機理展開研究；申海建等［21-22］采用主成分分析法得出耕地變化的驅動力主要為人口因素、經濟社會發展、農業生產能力、人民生活水平等因素；王文杰等［23-24］基于RS與GIS技術對耕地空間變化的驅動力進行了定量研究，人口、經濟發展、農業生產等因素對耕地數量變化具有較大的影響。

在農村居民點用地布局驅動力研究方面，Kuznetsova等［25-27］通過研究，提出了農村居民點的分布格局受地勢、道路、河流等自然環境要素的影響；Kathryn等［28-30］認為農村居民點用地布局變化是由自然區位內部驅動因子和工業化、城市化、旅游經濟等社會經濟外部驅動因子的綜合影響而產生的；譚雪蘭等［31-32］定性分析國家土地利用政策、農村的鄰里關系、生產方式以及農民觀念等因素對農村居民點的數量和布局變化產生的影響；董德坤等［33-35］采用問卷調查、定性分析法，對農戶規模及數量、農村公共基礎設施、土地使用權等因素如何影響農村居民點布局變化進行分析。

通過對農村土地變化驅動力的研究，可總結農村土地變化是在自然系統和社會經濟系統共同作用產生的結果，其中包括土壤、氣候、地質等自然驅動力是影響其變化的決定性因素，但在短時間內自然驅動力相對穩定，社會經濟驅動力更為活躍，經濟因素和政策因素是社會經濟驅動力的兩大組成部分，但對政策因素的驅動機理大多停留于定性分析層面。雖也有學者關注農戶主體，但也主要是從土地權利的認知角度入手，探討認知程度與宅基地規模變化的關系，忽視了因農戶個體、家庭等情況的變化及需求對耕地、農村居民點用地等農村土地變化產生的影響。

1.3 農村土地利用變化及驅動力研究述評

目前，對于農村土地變化及驅動力的研究多局限于耕地和農村居民點2種農村土地類型，研究的農村土地類型單一化，實際上，農村土地利用作為人類對自然界有意識的利用和改造活動之一，其變化是一個時空動態變化的復雜系統，單一研究某一土地利用類型并不能完全揭示這一復雜系統的運作過程。農村土地利用系統演變過程是空間個體相互作用的結果，同時受到自然、社會、經濟等諸多因素的影響，但其變化實質是人地關系相互作用的效果，是人類利用土地的自然屬性和社會屬性不斷滿足自身發展需要的動態變化過程，人類是農村土地利用變化的直接主體，其決策行為受自身因素和外部驅動因子的共同影響，最終作用于農村土地利用格局［36］，驅動因子的作用對象不再直接是農村土地利用類型（地），而是決策主體（人）。

在當前農村土地利用變化研究中，土地利用主體決策行為越來越受重視，所涉及的主體也越來越復雜［37］。農民是我國當前群眾中的最大群體，是農村土地利用和農村經濟活動的重要主體和基本的決策單元，其土地利用決策行為對農村自然地理環境、農村土地資源的利用和保護、農業景觀格局變化和農村社會可持續發展都有很大的影響，但農民主體的土地利用決策行為僅對其擁有的、有決策權利的農村土地類型有作用，對城鎮居住用地、企業用地、生態性用地的變化并未擁有決策權；除農民主體外，鄉鎮企業、城鎮居民、政府、村民委員會等主體的決策行為也會對相關類型的農村土地利用變化產生影響（圖1）。

圖1 農村土地利用變化驅動機制

2 農村土地利用變化模擬

農村土地利用動態變化受到自然、社會經濟、人為等多種因素的影響，其過程和機理極為復雜，借助計算機模型來模擬和分析農村土地利用變化是相關研究中具有較強生命力的方法。國內外對農村土地利用變化模擬的模型構建方法不一，常見的模型主要有基于經驗的數理統計模型、元胞自動機模型、多主體模型等。

2.1 基于經驗的數理統計模型

基于經驗的數理統計模型主要分為2類：（1）建立各地類與驅動因子的計量模型闡釋土地變化規律。陳頤等［38］采用Markov模型和Logistic回歸模型相結合的方法，研究土地利用變化和驅動因素之間的相關性，并對莆田市農用地面積變化進行預測，結果表明：未來3期農用地面積均呈減少趨勢，但減少速度逐漸變緩，坡向、高程等地理因子驅動作用顯著；何建華等［39］運用系統動力學（SD）方法模擬不同情景下土地利用變化，結果表明：耕地呈減少趨勢，農村居民點用地和城鎮工礦用地呈增加趨勢，城市交互作用是土地利用變化的又一重要影響因素。此類方法能夠實現相關因素的定量表達，但對政策性因素及主體行為等考慮不足，也難以反映農村土地利用空間的演變過程。（2）分析農村土地利用驅動因子動態變化狀況，構建農村土地利用變化演變模型，模擬預測農村土地利用時空變化過程，以CLUE及CLUE-S模型系列為代表，CLUE-S模型是基于經驗統計原理的、在CLUE模型基礎上構建的、適宜于較小尺度的動態土地利用變化空間模擬模型。吳振林［40］采用CLUE-S模型，選取了引起土地利用變化的自然和社會經濟驅動因子，在空間和時間上模擬歷史趨勢、耕地保護和生態發展情景下的河津市土地利用變化過程。此類模型主要適用于區域尺度土地利用變化的研究，可直觀地反映空間尺度上的土地利用變化，其缺點是難以模擬土地利用中人類的選擇或決策行為。

2.2 元胞自動機模型

元胞自動機（Cellular Autumata，CA）模型通過局部規則轉換的運算來模擬空間和時間上離散的復雜性現象，采用該模型模擬預測土地利用時空變化時，從微觀土地利用轉換規則過程著手，研究土地利用變化驅動過程，闡明土地利用時空演變機制。當前基于CA模型的土地利用時空變化模擬預測研究主要有2個方面：（1）將CA模型結合GIS技術模擬農村土地利用變化。張利等［41］基于GIS和CA模型，以曹妃甸新區為例，選取土壤類型、高程、距離等影響因素及用地范圍等限制因素創建適宜性圖集，模擬生態安全格局保護與無生態保護這2種情景下的耕地利用結構和布局；房阿曼等［42］基于ArcGIS 10.2平臺，通過耕地自然條件適宜性、空間限制性和競爭性這3個影響因素對耕地進行適宜性分析，并以此作為元胞轉換規則，實現河南省蘭考縣2020年耕地規劃模擬。（2）CA模型耦合其他模型，更科學地模擬預測農村土地利用時空變化。孫哲等［[43］利用Logistic-CA-Markov耦合模型，篩選出自然社會經濟、人口和可達性這些驅動因子，模擬預測目前趨勢發展、生態環境保護和綜合發展情景下的無錫市2020年耕地土地利用結構；張俊平等［44］將Markov模型與CA結合，對2021年甘州區耕地、林地等農村土地利用變化情況進行模擬預測。該模型基于元胞的智能性來揭示土地利用方式的轉變，其以適宜的空間網格為基本分析單位，在模擬農村土地利用/覆被變化的生態過程方面具有很大優勢，客觀性和科學性得到大幅度提高，但CA模型不具備決策能力和學習能力，對于影響元胞轉變的不同層次主體決策過程考慮不足，影響模型模擬的真實性。

2.3 多主體模型

多主體（Multi-Agent System，MAS）模型從微觀角度出發，抽象定量化表達不同主體土地利用決策行為準則，利用智能優化算法選擇農村土地利用類型在空間上的演變過程。張云鵬等［45］以常州市新北區為例，利用Eclipse和Swarm平臺，構建包含城鎮居住主體、農村居住主體和政府主體在內的微觀主體概念模型，模擬不同經濟社會發展速度下的耕地、農村居民點用地和城鎮用地的數量和空間變化情況；龔丹［46］運用MAS方法，從農牧民主體生產方式選擇過程的角度出發，構筑農牧交錯帶農牧業土地利用變化的多主體模型，分析影響農牧業為主的土地利用各種驅動因素對農業用地數目、牧業用地數目及土壤環境質量的影響；陳海等［47-48］基于MAS理論，構建從地塊到村莊的多尺度農村土地利用變化模型，定量分析純農業戶、兼業戶、非農戶等不同類型農戶的土地利用決策及其作物的空間配置，揭示了農戶土地種植決策變化對農用地尤其是耕地利用變化的驅動機制。該方法的優勢在于可以通過研究主體之間的相互作用，揭示土地利用變化的動力機制，符合土地復雜系統的變化規律，但在地理空間表達方面的缺失使該模型難以滿足土地系統時空模擬預測。

眾多學者采用元胞自動機模型和多主體模型相結合的方法，構建土地利用變化模擬模型進行土地利用變化預測研究。王桂林等［49］構建了基于MAS和CA的土地利用變化模型，對滇池流域的耕地、水體、草地、林地等生態性農村土地時空變化進行模擬；張龍飛［50］采用Logistic-CA-Markov模型和MAS-LCM耦合模型，模擬孟連縣2025年農用地時空變化，兩者耦合的模擬模型一方面具有元胞自動機的空間自組織性，另一方面又具備了多智能體的決策能力和學習能力，結合二者的優勢，使模擬精度和效率都達到最優，不僅地理空間表達準確，轉換規則物理意義清晰，還能把土地利用決策者的活動體現到土地利用變化過程中，更好地模擬土地利用變化過程。

現有模擬研究多用于預測城市或區域土地利用變化，而針對農村土地利用系統的模擬研究相對較少。從研究對象看，現有農村土地利用變化模擬研究更多關注耕地、水體等單一農村土地類型的變化情況；從主體視角看，研究多側重于揭示農戶這一微觀主體土地利用行為的形成和變化規律，更多關注農戶種植作物的選擇對農業用地及農業政策的影響。不僅沒有考慮農戶對居住條件、生活環境等的要求而對居民點用地、生態用地等相關類型的農村土地變化產生影響，也忽略了同樣具有土地利用決策功能的各級組織如村莊、村鎮、各級政府、城鎮居民、各鄉鎮企業等主體決策行為對農村各類型土地利用變化的影響。

3 展望

（1）重視小尺度研究。選擇小尺度范圍的典型區域作為研究對象，是深入認識和分析土地利用時空變化規律及其驅動機制的有效途徑，可以使我國的土地利用/覆蓋變化研究向更深、更廣的方向發展；小尺度、典型化的土地利用變化研究，不僅能為大尺度的綜合研究提供豐富的信息，同時也是研究全球環境變化的有效途徑之一。鄉鎮是我國土地管理工作的最基本單元，是聯系城市與農村的重要節點，作為農村城鎮化的載體，鄉鎮土地利用正在由自然利用向以工商業和住宅為主的人為利用轉變，對鎮域內土地利用動態變化進行監測與分析，是新型城鎮化建設、鄉鎮經濟結構調整與發展和社會主義新農村建設所面臨的重要任務；而村集體是農村基層群眾性自治組織，是中國最基層的社會單元，村域范圍內的生產、生活與農村土地資源利用息息相關，任何關系國家土地利用和土地管理的各項決策措施，都需通過村級組織來落實和實現。因此，未來可將研究尺度轉為鄉鎮一級甚至村莊一級，探討新型城鎮化背景下鄉鎮或村級的農村土地利用變化，可為大尺度的土地利用綜合研究提供豐富信息的同時，對研究小尺度農村土地動態變化及人地關系起到借鑒作用。

（2）拓展主體類型。轉變土地利用規劃研究視角，加強對農村地區的關注，一改以往過于強調自上而下的單向推動規劃實施進程，在系統考慮不同類型農戶的意愿和利益訴求的同時，重視企業、政府、城鎮居民等相關主體的決策行為。不同類型企業投資管理決策及對自然、社會、經濟等因素反應均有不同，進而決定了企業的土地利用目標不同，對不同類型微觀企業的決策行為及土地需求分別進行研究，可以更加清晰地掌握各類型企業的土地利用目標，對土地資源進行合理配置；行政村的村民委員會不僅需要管理本村屬于村農民集體所有的土地，約束農戶開發利用農村土地的行為，還有義務結合上級政府相關政策和本村情況，制定農村各類型土地利用的具體實施措施和標準，協助完成鄉村規劃并組織實施本村的建設規劃，決定整個村的發展方向。因此，在微觀農村土地利用動態變化過程中，從多主體視角出發，建立以“農戶—駐鎮企業—地方政府”為3個核心的包括不同類型農戶、不同屬性駐鎮企業、中央政府和地方政府（鎮級政府）、村民委員會和村民小組等農村組織在內的多主體博弈關系，了解不同決策者行為的變化過程，對于深刻認識和了解農村土地利用變化的特征與進程，以及進一步調整和優化土地利用格局，具有非常重要的理論和現實意義。

（3）加強主體模型技術改進。CA和MAS相結合的模擬模型，不僅地理空間表達準確，還能把土地利用決策者的活動體現到土地利用變化過程中，更好地模擬土地利用變化過程。但無論從環境約束指標選取、轉換規則及綜合規則的制定還是模擬平臺的開發，都需要繼續深入探討和研究。模型中的環境約束層大多側重于交通、環境質量、教育資源等層面上，可補充制度政策、文化底蘊等指標的約束；模型的轉換規則和綜合規則的確定是模擬成功與否的關鍵，如何將不同主體的利益訴求科學合理地融入到規則制定中需要更深入的研究，2個不同模塊的耦合目前僅遵循“一致則轉換，不一致用現狀代替”規則，此規則的合理性仍有待商榷；由于我國特有的農村土地制度及復雜的主體博弈關系，開發簡單實用且適合我國農村特色的模擬平臺是未來亟待解決的問題，也使農村土地利用變化研究更具系統化。