蔡煒宇,劉兆順

(吉林大學 地球科學學院,吉林 長春 130061)

長春市九臺區(qū)土地利用系統(tǒng)動力學特征及結構優(yōu)化

蔡煒宇,劉兆順*

(吉林大學 地球科學學院,吉林 長春 130061)

以長春市九臺區(qū)為研究區(qū)域，先運用系統(tǒng)動力學原理和方法，厘清土地利用系統(tǒng)要素之間的反饋關系，基于Vensim PLE軟件平臺，繪制九臺區(qū)土地利用系統(tǒng)流圖，構建系統(tǒng)動力學模型；再基于不同人口、經濟發(fā)展速度和糧食單產水平的設定，開展3種情景下2013年到2020年間九臺區(qū)土地利用變化仿真趨勢模擬；最后，通過動態(tài)特征分析和效益核算，確定了九臺區(qū)2020年土地利用結構優(yōu)化方案及今后一段時間的土地利用方向，為研究吉林省中部縣域土地利用提供參考。結果顯示：到2020年九臺區(qū)最優(yōu)土地利用結構中，農用地面積290161.61 hm2，建設用地面積28802.99 hm2，未利用地面積8569.73 hm2；2020年建設用地供需差9993.14 hm2，耕地供需差67253 hm2。研究表明，通過城鎮(zhèn)化建設和城鄉(xiāng)建設用地增減掛鉤項目，挖掘并利用農村居民點整理潛力是解決九臺區(qū)建設用地供需矛盾的重要途徑；依托高標準農田建設提升糧食單產是緩解耕地需求壓力的重要手段；在保持當地的生態(tài)平衡的情況下，九臺區(qū)可以通過適當增加建設用地提高土地綜合效益。

土地利用；系統(tǒng)動力學；情景分析；結構優(yōu)化；九臺區(qū)

0 引言

土地是人類生活和生產不可或缺的物質基礎，由于人們利用目的和利用方式的不同會產生不同的土地利用結構[1]。結構決定功能,土地利用結構調整和優(yōu)化可以在不增加土地投入的前提下，實現土地產出效益的增長，獲得結構效益，從而滿足人們日益增長的物質和文化生活的需要[2]。同時針對土地資源的有限性、社會需求的無限性及土地利用過程中的不合理性、可持續(xù)利用，客觀上要求優(yōu)化配置土地利用結構[3-4]。

基于當前城鎮(zhèn)化工業(yè)化發(fā)展進程中土地供需矛盾日益突出的背景，以及土地低效利用、閑置浪費、承載力下降的現狀，在目前土地政策參與國家宏觀調控的現實需要下，研究如何通過優(yōu)化土地利用結構來達到調整經濟產業(yè)結構的目的，從而提高經濟效益、實現土地資源經濟生態(tài)協(xié)調發(fā)展，具有十分深刻的實踐意義。學者們的研究過程從定性到定量、從靜態(tài)到動態(tài)、從小區(qū)域到大區(qū)域、從單目標到多目標不斷豐富發(fā)展，目前應用較多的土地利用結構優(yōu)化配置模型包括線性規(guī)劃模型、多目標優(yōu)化模型、灰色模型、Markov模型、神經網絡模型、系統(tǒng)動力學模型等，或者依據各個模型的特點，將不同的模型整合起來加以應用[4-10]。

由于土地利用系統(tǒng)涉及的問題復雜，時間跨度較大，需要用系統(tǒng)的、動態(tài)的、未來的觀點看問題。本研究整合系統(tǒng)動力學方法和情景分析法，首先分析土地利用系統(tǒng)總體與局部各組分之間的反饋關系，建立反映土地利用結構的系統(tǒng)動力學模型，然后通過識別未來發(fā)展的驅動因素，設定未來一段時間內土地利用系統(tǒng)不同路徑發(fā)展情景，最后綜合考慮不同情景各變量的變化趨勢及土地利用效益，選取最優(yōu)土地利用結構方案。系統(tǒng)動力學與情景分析法的結合使用不僅能夠體現土地利用的系統(tǒng)性和動態(tài)性，而且便于得到與不同規(guī)劃方案和規(guī)劃目標相對應的土地利用結構，增加了規(guī)劃方案的可操作性和社會可接受性。本文以長春市九臺區(qū)為例，基于2000年到2012年的土地利用變更數據，結合社會經濟統(tǒng)計年鑒和相關規(guī)劃標準數據，構建系統(tǒng)動力學模型，對不同情景下土地利用結構進行預測并擇優(yōu)，以期實現區(qū)域土地資源的可持續(xù)利用。

1 數據來源

土地資源資料主要包括九臺區(qū)2000～2012年土地利用變更數據。參照GB/T 21010─2007的土地利用現狀分類標準，結合研究目的及實際需要，確立研究區(qū)的土地利用類型包括耕地、園地、林地、草地、農村居民點用地、城鎮(zhèn)居住用地、工礦用地、交通用地、特殊用地、水利設施用地及未利用地等11種。社會經濟數據來源包括《九臺市統(tǒng)計年鑒》、《九臺市城市總體規(guī)劃(2010～2030年)》、《九臺市國民經濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》、《城市用地分類與規(guī)劃建設用地標準》、《村鎮(zhèn)規(guī)劃標準》、《國家糧食安全中長期規(guī)劃綱要(2008～2020年)》、《九臺區(qū)農用地產能核算》等。

2 案例研究

2.1 研究區(qū)域概況

九臺區(qū)是長春市市轄區(qū)之一，位于吉林省中部，東經125°24′50″～126°29′50″，北緯43°50′30″～44°31′30″，總面積3375 km2。2012年全區(qū)總人口為85.90萬人，農用地面積294288.99 hm2，建設用地面積33810.84 hm2，未利用地面積9427.65 hm2，分別占土地總面積的87.19%、10.02%、2.79%，其中耕地面積230254.32 hm2，占農用地比例的78.24%，糧食作物總播種面積為172505 hm2，全年糧食總產量為902500 t。九臺區(qū)土地利用以農業(yè)用地為主，主要種植水稻、玉米等農作物。2000～2012年間，九臺區(qū)農用地、建設用地面積均有所增加，變化幅度分別為6.97%、2.98%；未利用地面積銳減，變化幅度為68.12%；農用地中耕地面積增加幅度為15.16%，園地面積下降幅度74.98%；建設用地中城鎮(zhèn)居住用地和交通用地面積變化較大，分別增長了56.33%、84.24%。近年來，由于其獨特的區(qū)位優(yōu)勢及戰(zhàn)略機遇，九臺區(qū)城鎮(zhèn)化進程快速推進，經濟發(fā)展勢頭迅猛，國內生產總值年均增長率19.5%。經濟快速發(fā)展過程中忽視了土地的理性利用，用地比例不協(xié)調、建設用地利用程度不高、土地生產力低等問題較為突出。以土地利用結構優(yōu)化促進產業(yè)結構調整，以土地的集約高效利用提升經濟發(fā)展?jié)摿Γㄟ^實現土地利用結構與功能的良性循環(huán)進而提升經濟生態(tài)效益是九臺區(qū)今后土地利用的改革方向。

2.2 系統(tǒng)動力學模型構建

2.2.1 建模目的和模型界限 本研究通過構建系統(tǒng)動力學模型反映出土地利用系統(tǒng)中各變量之間的反饋回路和相關關系，預測不同政策條件下2013～2020年間各變量變化趨勢，確定2020年各土地利用類型的面積，為土地利用結構優(yōu)化提供決策依據。

根據建模目的，確定此模型的空間邊界為九臺區(qū)行政區(qū)域，土地總面積337527 hm2；時間界限為2000～2020年，其中通過2000～2012年數據確定模型的方程式和參數，并進行真實性檢驗；2013～2020年是預測年，步長為1 a；內容界限是九臺區(qū)行政區(qū)域范圍內的所有土地類型以及與此有關的人口、經濟、糧食等因素。

2.2.2 系統(tǒng)關系分析 根據土地利用系統(tǒng)的構成及研究目的，本研究將土地利用系統(tǒng)劃分為人口子系統(tǒng)、糧食子系統(tǒng)、經濟子系統(tǒng)、土地子系統(tǒng)。這4個子系統(tǒng)之間相互影響，相互制約：人口數量的增長一方面影響建設用地的需求量，另一方面通過糧食需求影響耕地的需求量；糧食子系統(tǒng)是連接人口和耕地的過渡子系統(tǒng)；經濟子系統(tǒng)通過固定資產投資影響建設用地的需求量，進而影響對農用地的占用；土地子系統(tǒng)是整個模型的核心，在土地子系統(tǒng)中，其總量保持不變，主要是各土地利用類型之間的相互轉換。

2.2.3 系統(tǒng)仿真流圖 系統(tǒng)流圖是多層次、多節(jié)點、多回路的網絡圖，它形象反映系統(tǒng)結構和動態(tài)特征[11]?；?個子系統(tǒng)之間物質運動與能量交換過程，共確定了12個狀態(tài)變量、19個速率變量、46個輔助變量，將不同性質的變量用不同的符號加以表示，應用建模軟件Vensim PLE繪制出系統(tǒng)流圖(圖1～圖3)。然后，基于DYNAMO語言，確定了共95個系統(tǒng)方程(方程略)，更深刻地反映了各變量間的相互關系。

圖2 各類型用地面積之間相互轉換關系流圖

圖3 經濟子系統(tǒng)對土地影響關系流圖

2.2.4 模型分析檢驗 在模型預測運行前，首先需要對模型表達正確性和模型有效性進行檢驗[12]。模型表達正確性即將模型用DYNAMO語言表達后運行，運用Vensim PLE軟件所提供的檢錯功能檢驗模型的表達是否正確。模型的有效性即通過比較系統(tǒng)狀態(tài)變量的計算值與歷史實際值之間的差異程度，判斷系統(tǒng)隨時間變化的結果是否具有可靠性。本研究有效性檢驗時間范圍為2000～2012年，檢驗的具體變量包括人口、國民生產總值、耕地、園地、林地、草地、工礦用地、交通用地、特殊用地、水利設施用地、未利用地等11項，檢驗的計算方法如下：

其中2005年和2012年的檢驗結果如表1所示。由表1可見，所考查的11個變量的模擬仿真計算結果與歷史實際值基本吻合，兩者之間的偏差最大為5.01%?？烧J為各參數取值較為合理，模擬結果與實際值擬合較好，九臺區(qū)土地利用結構模型基本上可以反映九臺區(qū)現實情況，并具備預測未來實際情況的能力。

表1 九臺區(qū)土地利用結構系統(tǒng)動力學模型有效性檢驗

2.3 情景設定及仿真結果

系統(tǒng)動力學模型對未來土地利用結構的預測需要在一定的情景下完成，合理的情景設定是完成2020年九臺區(qū)土地利用結構預測的關鍵步驟。動態(tài)仿真過程中，應選擇不斷發(fā)生變化且對土地利用有重要影響的因素作為政策調控參數。本文選擇人口、經濟發(fā)展速度、糧食單產3個變量作為調控參數，對調控參數分別取不同的值以代表不同的社會經濟條件和政策水平。考慮到情景的代表性和實際意義，共設定了3種不同的土地利用結構情景以認識九臺區(qū)未來土地利用結構發(fā)展情況。

情景Ⅰ是充分考慮九臺區(qū)未來的發(fā)展，依據2000～2012年的九臺區(qū)經濟、人口發(fā)展速度，在經濟、人口飛速發(fā)展時，技術進步使糧食單產快速提升達到可實現產能的情景。

情景Ⅱ是考慮全國經濟發(fā)展形勢大環(huán)境，九臺區(qū)經濟發(fā)展水平較平穩(wěn)，控制人口增長時，技術進步使糧食單產平穩(wěn)提升的情景。

情景Ⅲ是指經濟發(fā)展水平較緩慢，控制人口增長，土地質量、自然災害等現實情況使糧食單產維持現狀的情景。3種情景下土地利用仿真結果見表2。

2.4 土地利用效益核算

不同的土地利用結構會產生不同的結構效益[2]。本研究中將土地利用綜合效益分為兩個方面：農用地和未利用地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值效益、建設用地經濟效益。生態(tài)系統(tǒng)服務價值的計算思路是：依據謝高地的六類生態(tài)系統(tǒng)及九臺區(qū)實際，首先將農用地和未利用地的土地利用類型劃歸為4類：森林、草地、農田、河流湖泊，由于荒漠地和濕地面積非常少，在此不予考慮；然后參照中國生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值當量表(2007年)統(tǒng)計上述4類生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數；最后依據生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數和預測年各生態(tài)系統(tǒng)的面積，綜合計算研究區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化[13]。由于謝高地的六類生態(tài)系統(tǒng)未考慮建設用地的服務價值，Costanza等將城市工礦的價值系數考慮為0[14]，而作為生產生活的重要載體，建設用地承載著巨大的經濟效益來源。本文中建設用地經濟效益首先根據統(tǒng)計年鑒中地區(qū)生產總值數據和土地利用類型面積數據，確定各類建設用地的地均生產總值；進而依據此地均生產總值和預測年的土地利用類型面積，計算建設用地的經濟效益。2015、2018和2020年3種情景下的效益核算結果見表3。

3 結果分析

根據表2九臺區(qū)3種情景下土地利用結構模擬結果和表3中3種情景下效益情況，從中可知：

(1)經濟增長速度不同導致3種情景下地區(qū)生產總值相差較大，2020年3種情景下地區(qū)生產總值較2012年分別增長了315.86%、147.60%、114.35%(圖4)，地區(qū)生產總值的指數性增長導致對工礦用地、交通用地、特殊用地和水利設施用地投資額的增加，進而導致其面積的增加，所以各類型建設用地面積呈現出與地區(qū)生產總值相同的變化趨勢。3種情景下的經濟發(fā)展速度：情景Ⅰ>情景Ⅱ>情景Ⅲ，所以特殊用地、交通用地和水利設施用地面積的增加數量也是按照此順序。但建設用地中工礦用地呈現出減少趨勢(圖5)，主要是由于九臺營城煤礦區(qū)塌陷和澇洼現象嚴重，需要進行土地復墾。九臺區(qū)農村居民點占地比重大且利用十分粗放，對于城鎮(zhèn)用地和農村居民點用地需求量主要依據規(guī)劃標準進行考慮。所以雖然經濟的快速增長導致建設用地面積需求量增加，但是建設用地需求要小于其建設用地供給量(圖7)。由上述分析可見，節(jié)約集約利用土地，重視農村居民點內部潛力挖潛對于解決建設用地占用農用地及未利用地的矛盾具有重要意義。

表2 九臺區(qū)土地利用結構不同情景仿真模擬結果

注：建設用地供需差=建設用地-建設用地需求量；耕地供需差=耕地-耕地需求量。

表3 不同年份3種情景下的土地利用效益表 萬元

圖4 不同情景下國民生產總值模擬結果

圖5 不同情景下交通用地和工礦用地模擬結果

(2)九臺區(qū)作為糧食生產基地，其肩負著不僅滿足自身糧食需求還要為其他地區(qū)提供糧食的重任，且商品化率較高，所以耕地需求壓力十分明顯，這也是近年來九臺區(qū)耕地面積不斷增加的原因。情景Ⅰ人口高速增長，通過糧食單產的快速增加達到可實現產能基本上可以緩解耕地需求壓力，耕地供需差在2014年轉變?yōu)檎担⑶页食掷m(xù)增加的態(tài)勢；情景Ⅱ人口增長速度放緩導致對糧食總需求量減小，但由于糧食單產增長幅度小于情景Ⅰ，其耕地需求壓力較大，一直到2017年其耕地才能夠滿足需求；情景Ⅲ考慮自然災害、市場政策等條件其糧食單產保持現有水平不變，可以看出到2020年其耕地供需差一直為負值，耕地供給量一直不能滿足需求，且隨著人口的增加這種耕地需求壓力越來越大(圖6)。由此可見，提高糧食單產是緩解耕地需求壓力的重要途徑。

(3)耕地供需差影響各類型用地之間的轉換比率，從而影響各類型用地面積。模型方程中設定，只有耕地供需差大于0時才會有耕地轉變?yōu)榻ㄔO用地，使建設用地供給量增加，所以情景Ⅰ的建設用地供給量在2014年，情景Ⅱ的建設用地供給量在2017年都呈現出逐年上升趨勢。建設用地中的農村居民點和城鎮(zhèn)用地的需求量是從規(guī)劃標準角度考慮的，所以建設用地供需差相差較大，情景Ⅰ和情景Ⅱ的建設用地供需差分別在2014年和2017年出現轉折點，而情景Ⅲ由于一直沒有耕地轉變成建設用地，其建設用地供需差呈現出下降的趨勢(圖7)。

圖6 不同情景下耕地供需差模擬結果

圖7 不同情景下建設用地供需差模擬結果

(4)從土地效益核算角度來看，3種情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務價值和建設用地經濟效益都在隨著時間的發(fā)展而不斷提高，其中生態(tài)系統(tǒng)服務價值情景Ⅰ<情景Ⅱ<情景Ⅲ，建設用地經濟效益情景Ⅰ>情景Ⅱ>情景Ⅲ，綜合效益情景Ⅰ>情景Ⅱ>情景Ⅲ。2020年3種情景下的綜合效益分別為1191487.96萬元、1156591.19萬元、1151174.79萬元，情景Ⅰ綜合效益比情景Ⅱ和情景Ⅲ的綜合效益分別大34896.77萬元和40313.17萬元。在2020年情景Ⅰ比情景Ⅱ和情景Ⅲ的建設用地數量分別多1074.01 hm2和1290.14 hm2，但是其建設用地經濟效益分別多36705.15萬元和43936.53萬元。情景Ⅰ比情景Ⅱ和情景Ⅲ的生態(tài)系統(tǒng)用地分別少1923.70 hm2和3827.27 hm2，其生態(tài)系統(tǒng)服務價值分別少1808.38萬元和3623.36萬元。從中可見，未來幾年間九臺區(qū)建設用地與農用地、未利用地相比可產生更大的經濟效益。

綜合上述4個方面：情景Ⅰ要優(yōu)于情景Ⅱ和情景Ⅲ。九臺區(qū)農用地比例很大，在糧食單產快速提升情景下其耕地面積能夠較早滿足需求，緩解現實的耕地壓力。情景Ⅰ在經濟快速增長的前提下，其生態(tài)系統(tǒng)服務價值較情景Ⅱ和情景Ⅲ沒有表現出明顯的下降，但其建設用地數量多于其他兩種情景使建設用地經濟效益得到明顯提升，從而情景Ⅰ綜合效益顯現出很大的優(yōu)勢。

4 結論與討論

本文基于系統(tǒng)動力學原理與方法，構建了九臺區(qū)土地利用結構系統(tǒng)動力學模型，且該模型具有一定可靠性，能夠在一定程度上為研究吉林省中部縣域土地利用系統(tǒng)行為提供參考。依據情景分析法，設定了九臺區(qū)2012～2020年不同政策條件下土地利用結構發(fā)展情景，預測了3種發(fā)展情景下的土地利用結構，依據仿真模擬結果以及效益核算結果確定了2020年九臺區(qū)最優(yōu)土地利用結構。研究結果主要揭示了以下3個方面的重要內容：一是挖掘農村居民點潛力是解決人地矛盾的重要手段；二是提高糧食單產是緩解耕地需求壓力的重要途徑；三是當前九臺區(qū)可以通過適當增加建設用地面積提高土地綜合效益。

建設用地現狀一方面是農村居民點粗放利用，一方面是城市建設的外延式發(fā)展蠶食大量農用地和未利用地。如何將農村居民點整理潛力變?yōu)閷崒嵲谠诘慕ㄔO用地指標是人們一直在思考的問題。城鎮(zhèn)化發(fā)展使人口向城市遷移，土地節(jié)約集約利用效率提高。城鄉(xiāng)建設用地增減掛鉤項目實現重新合理配置新增建設用地指標，可以為城鄉(xiāng)建設提供更大的用地保障。因此，當前九臺區(qū)土地管理重點是依托城鎮(zhèn)化進程、城鄉(xiāng)建設用地增減掛鉤等手段，實現將農村居民點整理潛力轉化為建設用地指標，緩解日益嚴峻的供地壓力。

目前我國面臨糧食需求剛性增長、供求總量趨緊的結構性矛盾。綜合考慮中低產田狀況、水資源條件及糧食需求形勢，我國制定了《全國高標準農田建設總體規(guī)劃》，規(guī)劃到2020年建成集中連片、旱澇保收的高標準農田8億畝[15]。據統(tǒng)計，“十二五”期間已累計建成4億多畝，糧食主產區(qū)單位面積產能提高10%～20%，糧食單產提升較為明顯。九臺區(qū)耕地比重大，糧食商品化率高，但糧食作物單產遠不及長春市平均水平。今后應通過整治田塊、改良土壤、建設灌排設施、整修田間道路、完善農田防護林網等措施，積極推進九臺區(qū)高標準農田建設，使其糧食單產更上一個臺階，糧食供求的結構性矛盾有所緩解。

土地管理過程中需要關注的是突出矛盾及關鍵問題。隨著生態(tài)文明建設的提出及逐步推進，九臺區(qū)應對土地的生態(tài)建設給予更多關注，但是由土地效益計算結果可見，九臺區(qū)當前發(fā)展階段，通過適當增加建設用地帶來的經濟效益的提升比農用地、未利用地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值更為顯著，并且城鎮(zhèn)化、城鄉(xiāng)建設用地增減掛鉤、高標準農田建設都需要巨大的經濟投入作為支撐。因此九臺區(qū)今后一段時間內在保持當地的生態(tài)平衡的情況下，適當地增加建設用地面積更有利于實現生產、生活、生態(tài)的協(xié)調發(fā)展。

本研究仍有一些不足之處需要加以改進：一方面是系統(tǒng)動力學模型的建立需要對模擬的系統(tǒng)進行充分的研究，對系統(tǒng)內部各種反饋機制非常了解[16]，為了使模型更為科學及貼近實際，本文部分反饋關系還需要進一步研究構思；另一方面土地利用結構優(yōu)化模型應該追求經濟效益、社會效益、生態(tài)效益三者綜合效益目標最大化，本研究在系統(tǒng)動力學模型構建及情景設定方面體現經濟目標較多，生態(tài)角度考慮較少，今后應將這一理念體現在土地利用結構優(yōu)化研究中。

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(責任編輯：許晶晶)

System Dynamic Characteristics and Structural Optimization of Land Use in Jiutai District of Changchun City

CAI Wei-yu, LIU Zhao-shun*

(College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China)

Jiutai district of Changchun city was taken as the research area. At first, the principle and method of system dynamics were used to clarify the feedback relationships among various factors of land use system; the flow diagram of land use system in Jiutai district was drawn based on Vensim PLE software platform, and the system dynamics model was established. Then, the land use change trends in Jiutai district from 2013 to 2020 were simulated under 3 circumstances based on the setting of different population, economic development rate and food yield levels. Finally, the optimized solution of land use structure in Jiutai district in 2020 was got through the dynamic characteristics analysis and benefit accounting. The results show that: in the optimum land use structure of Jiutai district in the year 2020, the area of agricultural land, construction land and unused land will be 290161.61, 28802.99 and 8569.73 hm2, respectively. In 2020, the supply-demand difference of construction land and cultivated land will be 9993.14 and 67253 hm2, respectively. This research suggests that: excavating and utilizing the rural residential land consolidation potential is an important approach to solve the contradiction between supply and demand of construction land in Jiutai district; enhancing grain yield per unit area by the construction of high-standard farmland is an important means to decrease the pressure of cultivated land requirement; under the circumstance of keeping local ecological balance, Jiutai district can properly increase the area of construction land to get more comprehensive benefits.

Land use; System dynamics; Scenario analysis; Structural optimization; Jiutai district

2017-03-21

蔡煒宇(1990─)，女，河北保定人，碩士研究生，主要研究方向：土地評價與管理。*通訊作者：劉兆順。

F301.24

A

1001-8581(2017)07-0110-07