耕地的弹性变形理论及实证研究

2012-09-19赵华甫屈雪冰冯新伟吴克宁

地域研究与开发 2012年2期

赵华甫，屈雪冰，冯新伟，吴克宁，黄勤

(1.中国地质大学土地科学技术学院，北京 100083;2.河南农业大学资源与环境学院，郑州 450002)

我国是耕地最为稀缺的国家之一。改革开放以来，受工业化、城市化快速发展的影响，我国耕地资源被各项建设大量占用，其稀缺性日益突出，已成为农业生产和国民经济可持续发展的瓶颈因素［1］。耕地具有经济、景观、生态等多种功能［2-4］，对保障国家粮食安全、资源安全和生态安全意义重大，也是当前资源科学的重要研究对象。当前，关于耕地资源，发达国家学者重视土地质量的改善和生态景观的维护，胜过关心其部门配置［5-6］。国内研究重在分析耕地变化及驱动力［7-10］，耕地的粮食安全保障［11-12］，城市化、工业化与耕地保护［13-15］等方面，旨在为耕地的各部门配置提供科学依据。但是，迄今为止我国仍然无法就耕地保护的最低数量目标以及稳定质量和布局等达成共识。当前各地土地利用总体规划修编中耕地和基本农田的调整往往出现耕地、基本农田避让城镇发展和各种基础设施建设现象仍比比皆是，耕地保护被地方政府视同负担，形势堪忧。国务院1.2亿hm2耕地红线保护目标的提出无疑是一支耕地监管强心针，但是遭到一些学者的质疑，无法扎扎实实落到实地上。为提出耕地保护预警提供新的研究思路，本研究从耕地资源系统特征入手，引入弹性力学理论，就经济社会发展胁迫之下耕地系统弹性及系统变化的阶段性特征，国家和各省弹塑性变化的时间节点及其对社会、生态和经济的可能影响开展研究，为制定科学的耕地管护目标和政策措施提供理论依据。

1 耕地的弹性变形理论导入

一般而言，弹性力学或称弹性理论是研究弹性体在荷载等外来因素作用下所产生的应力、应变、位移和稳定性的学科，该学科有变形连续规律、应力—应变关系和运动规律三大基本规律。其中，应力—应变关系理论用来解释材料在受到外力作用时，材料根据受力大小所表现出的各种变化状态。塑性变形与弹性变形具有关联规律，是在应力超过弹性极限下，材料发生形状和尺寸的不可逆转的永久变形。一般弹性体的变形先发生弹性变形，后发生塑性变形。这里我们将耕地的塑性变形认为是弹性变形阶段的延伸，不过多赘述2个变形的差异。实际上，管理学上已经有将弹性理论引入并应用弹性管理的实践，旨在增强管理的适应性和灵活性，以适应系统外部环境和内部条件千变万化的形势，实现灵活管理。耕地的弹性变形理论的核心目的是借鉴弹性理论来阐明耕地在各种驱动力作用下的变化状态。要进行理论的移植，必须要探讨几点:耕地作为一个客观存在，物质构成是否具有较紧密的关联而成为一个整体?外部环境能否促使其在数量、质量变化背景下一定尺度内结构、功能等方面具有稳定性、自我恢复能力?这一物质存在是否也遵从应力—应变规律并具有有限弹性特征?等等。

1.1 耕地是一个自然经济复合系统

耕地是由大气、水、土壤、岩石和地貌等自然要素和耕作活动结果构成的自然经济综合体。耕地在人类世代培育下将大气、土壤、生物等自然要素与人类的耕翻、施肥、灌水等管理措施紧密配合，不断进行着物质循环、能量流动、生物演替和信息传递等过程，形成了外在边界明显、结构稳定、功能多样的自然生态系统，为人类提供物质产品和精神享受服务，并作为生态系统的组成部分维持着生态的平衡，具有重要的生态服务功能［16］。在系统组成要素的外围，还与林地系统、草地系统、湿地系统等自然系统以及交通系统、市场体系、乡俗民约等社会经济系统交互作用。耕地系统的内在构成和外在联系使其具备了一般生态系统所具有的相关性、目的性、环境适应性、整体性、稳定性。

1.2 耕地系统是具有自组织特征的弹性体

某一范围内的耕地可以看作一个整体，其数量重心的变化、质量时空的转换一定限度内都是耕地系统内部耕地系统与其他土地系统交互的过程，有其自我调节、适应、恢复和更新的能力，体现了自组织特点。在少量的重用轻养、挖损破坏、污灌滥用等人为干预条件下，耕地的外在形态和内在质量保持稳定;但是超出了耕地系统所能承受的范围，就会产生养分流失、性质恶化、形态灭失等后果。耕地所表现的自组织特征使其具备了流体物质的共有特性——弹性及塑性。同时，在我国坚守1.2亿hm2耕地红线和第三轮土地利用总体规划要求划定城市增长边界的语境下，耕地、基本农田数量不减少、质量有提高、位置总体稳定的要求使其在被城市建设侵夺过程中表现出与固态物体相似的“承压能力”和“韧度”，具有一定的“弹性”。而已有研究也证明，我国耕地占补平衡制度框架下，随着城市化外驱力的加大，耕地资源北移西进的空间转换成为必然趋势，具有流体物体类似的塑性和流动性特点，具有相应的“塑性”。因此，耕地在理论上可近似地看作一个虚拟的弹性体。

1.3 耕地系统弹性表现具有阶段性

耕地系统面临的环境较复杂，既有经济发展、人口增长、城市化等的空间俘获的外部压力，又有灾害气候及生态退耕、农业调整等政策实施导致其功能转换或丧失的压力;也有人类平整土地、培肥地力、开垦边际土地、整治建设废弃土地和结构调整还耕的推力［17］。这些均可看做耕地系统发展变化的应力。在耕地弹性变形阶段，后备资源数量充裕，分布相对均衡，耕地在各压力作用下总量稳定，分布合理;随着城市化、工业化和农业结构调整压力持续增加、外应力中等强度下，耕地进入塑性变化阶段，部分空间被城市侵夺，外在形态变得复杂化，但耕地在有限的范围内发生空间的转移，功能在产业内部发生转换，但系统完整性和其功能发挥尚未质的变化;在城市化、工业化更加发展，各项建设向农区快速俯冲的强应力背景下，耕地系统开始全面崩解，耕地空间被各项建设用地过度占用，仅残存一些耕地斑块，存续方式和分布格局的稳定不复存在，耕地与其他园地、苗圃等其他农用地的合理的转换过程受到阻滞，功能趋于恶化。

2 耕地弹性变形阶段的分析方法

耕地的弹性，可以认为是在最严格的耕地保护制度和耕地占补平衡制度实施背景下，耕地所呈现的总量和布局的稳定性、地类调整和结构变换的可控性、功能和价值的维持性等综合状态，它是判断耕地资源安全的重要依据。耕地的塑性是在耕地系统的系统功能和服务价值没有发生根本性变动前提下，具有一定的自我维持、自我调节及其抵抗各种压力与扰动的能力，耕地出现结构性失调、空间大尺度置换所呈现的亚稳定状态。

鉴于耕地弹性特征与其存续形式的稳定性，结构和功能的稳定性以及格局和过程的协调性密切相关。由于涉及面宽，弹性变形理论移植较为困难。要解决这个问题，最直接的办法还是要依据影响耕地系统变化的根本因素，即从耕地存续形式上或者结构功能等方面入手进行分析。耕地存续形式和结构功能变化受建设侵占、土地整治和农业结构调整的影响，因农业结构调整对系统功能无实质性影响，因此，耕地弹性变化可依据耕地资源总量及空间分布的变化及其未来趋势来分析。鉴于此，本研究提出耕地弹塑性判别系数概念，通过考察这一指标，来反映全国及各省市耕地后备资源的耕地系统的支撑能力，进而分析耕地系统稳定、较稳定和不稳定状态，并进一步据此划分耕地系统的弹性变形阶段、塑性变形阶段和非稳定态变形阶段。耕地弹塑性判别系数计算公式如下:

式中:Bt表示t时段内全国弹塑性判别系数;Bit表示t时段内i地的耕地弹塑性判别系数;Sit为t时段i地补充耕地潜力;Oit为t时段i地建设占用耕地总量;i表示各省(市、自治区)的序号，最大值n不超过31，不包括香港、澳门和台湾。

当Bt＞1且Bit＞1，则无论是全国还是各省区，耕地后备资源均较充裕，全国及各地耕地系统稳定性强。耕地在量上、补充耕地和被占耕地在产能水平上接近，在区位上调整有限，因此耕地系统整体上看，不存在结构和布局的变动，具有自稳性特征，因此这一时期可以认为是耕地的弹性变化阶段。

当Bit≠1且Bt≧1，则全国耕地后备资源相对较充裕，完全可以实现全国建设占用耕地的补充平衡。但部分省区外延扩展的建设用地无法通过内部的后备资源开发加以弥补。这一时期耕地在占补过程中，补充耕地和被占耕地在产能水平上悬殊，在区位上有较大调整，因此耕地系统整体上看在量的维度处于稳定状态，但在内部质量结构和空间布局等质的角度看则处于亚稳定状态，这一时期可以认为是耕地的塑性变化阶段。

当Bit≠1，且Bt﹤1，则全国耕地后备资源无法支撑全国耕地数量和空间的稳定。部分后备资源较多省区保持一定稳定性，但大部分省份耕地量质齐降成为必然。这一时期全国耕地量无法稳定且产能流失严重，系统破碎化、边缘化问题更加突出，因此耕地系统整体上处于欠稳定状态，这一时期可以认为是耕地系统非稳定态变化阶段。

3 中国耕地的弹塑性特征分析

通过收集、整理国土资源部历年国土资源公报、国土资源年鉴等资料，分析各省市近10年来补充耕地系统稳定性，描述在各省区差异性发展水平和耕地后备资源条件下耕地所处的弹性变化阶段。

3.1 我国耕地数量及空间变化

随着我国工业化、城镇化发展和农业结构调整，我国耕地在数量和空间上发生了较大变化。据统计，1987—2008年间我国耕地资源总量呈下降态势，22年间耕地数量下降了1 024.91万hm2，年均减少46.59万hm2。其中，1999—2008年我国耕地年均减少面积激增至92.48万hm2。同时，耕地比重的增减变化表现出明显的区域差异性。东部经济发达地区如北京、天津、上海、浙江、广东等地，耕地面积比重减少明显，而中部的河南，西部的新疆、广西和北部的黑龙江、吉林、辽宁地区的耕地面积比重有所增长(图1)，耕地分布边际线由东向西移动。

3.2 全国耕地系统状态稳定年限预期

耕地系统是否具有弹性，是否过渡到塑性阶段，可通过其数量在全国尺度及区域内外的数量和结构稳定性来判明。2000年以来我国共补充耕地251.02万hm2，年均补充耕地27.90万hm2。同期，我国因建设占用减少耕地总量为189.58万hm2，年均占用耕地21.06万hm2。根据《全国土地利用总体规划纲要(2006—2020年)》，2005年我国耕地后备资源潜力总量1 333万hm2左右。以此为基础，扣除规划近期规定的耕地补充数额114万hm2，得到2010年我国耕地后备资源潜力数量为1 219万hm2。同时，若以规划规定的2006—2020年间新增建设占用耕地年均占用26.67万hm2测算，实现耕地占补平衡，我国耕地后备耕地资源仅可以满足45.7年的耕地存在形态稳定的需要。

图1 1999，2008年中国各省份耕地的比重变化Fig.1 The proportion changes of cultivated land in different provinces in China at 1999 and 2008

3.3 各省市区耕地系统稳定性年限预期

基于2005年全国各省市区耕地后备资源存量调查数据，采用与全国耕地补充速度及建设占用相同预测方法，扣减2006—2010年各地土地整理复垦开发项目增地数量，获取各地2010年存量耕地增加潜力(图2)。由图2可以看出，2010年补充耕地潜力较大的有新疆、黑龙江两地，面积在80万hm2以上;内蒙古、吉林、甘肃、山西、河北、河南、山东耕地增加潜力尚可，面积在33万～80万hm2之间;辽宁、湖南、湖北、安徽、江苏耕地增加潜力较少;北京、浙江、福建、陕西、贵州、云南、西藏等地后备资源匮乏，不足4万hm2。

图2 2010年中国各省份耕地补充潜力Fig.2 Potential supplement of cultivated land in different provinces of China in 2010

同时依据《全国土地利用规划纲要(2006—2020年)》中各省区规划期内新增建设年均占用耕地的速度，考虑各地补充耕地潜力大小，分析各地2010年为基期的可实现耕地占补平衡年限长度(图3)。由图3看出，发展迅速或耕地补充潜力较少的浙江、福建、云南、贵州、陕西等地耕地系统在存续方式上的稳定性仅在5年之内;北京、广东、广西的耕地系统在存续方式上的稳定性不足10年;山西、河北、山东、河南、湖南、辽宁、吉林、西藏、青海等地耕地系统在存续方式上的稳定性可达20年以上;耕地后备资源比较丰富的新疆、内蒙古、甘肃、黑龙江等省市耕地系统在存续方式上的稳定性年期可达70年以上。

图3 中国耕地系统稳定性年期的空间分异Fig.3 Time length stability of the cultivated land system and its spatial diversity in China

3.4 耕地弹性阶段划分

依据上述耕地弹性阶段划分依据，在耕地弹塑性判别系数基础上，对各阶段进行判定(图4)。2010年以后贵州省耕地将出现首次补不抵占的现象，届时该地区的Bit＜1，而Bt＞1，我国耕地系统将由弹性阶段进入塑性阶段。当突破全国的耕地占补平衡年限，即2056年以后，全国的耕地弹塑性判别系数将出现Bit≠1且Bt﹤1。该阶段从全国范围内来看，发达地区的耕地与各种建筑、构筑物犬牙交错，实现耕地占补内部平衡已经非常困难;从补充耕地的产能水平上看，产能流失严重，耕地系统的破碎化、边缘化问题更加突出;新疆、内蒙古、黑龙江、吉林、辽宁等后备资源相对丰富的区域耕地新增数量快速增长，使得耕地在质量上、空间上的转换特征异常显著，因过度开发边际土地导致的资源环境退化风险正大幅提高，耕地系统整体上处于欠稳定状态，这一时期耕地系统由塑性阶段转入非稳态变化阶段。

当然，尺度不同，耕地的弹塑性特征及其显现时间也各有差异。当前制度框架下，国家仍然会严格监控各省、自治区、直辖市补充耕地义务的落实情况，鼓励有条件的地区在完成补充耕地义务的基础上增加补充耕地任务。这使得各地在建设占用耕地问题上谨小慎微，建设用地的新增需求一是消化存量，二是通过城乡用地“增减挂钩”的途径得以满足;因此，在耕地占补平衡制度执行过程中，各地的耕地不会有大幅建设占用，生产能力相对稳定。但是，针对耕地后备资源紧张、有特殊困难的省份，实时掌握其耕地系统的压力状况及弹塑性特征，具有重要的决策参考意义。

图4 中国各省份耕地弹性阶段划分Fig.4 Division for elasto-plastic deformation stage of different provinces in China

4 结论和讨论

我国快速发展的城市化和工业化过程中，各项建设对耕地的侵占似乎毫无穷尽，给耕地保护造成很大压力。一些从事城市规划、房地产方面的专家对中国耕地安全问题持乐观态度，其对耕地保护目标的质疑，一定程度上影响到民众对耕地红线保护重要性的认识。本研究以耕地的建设侵夺的必然性和耕地占补平衡制度的强制性为背景，引入弹性力学弹塑性有关理论，探讨了耕地作为自然经济复合系统的自组织特性、弹性特征及弹性阶段划分依据，并开展了实证研究。在人口、经济、城市化和开发整理复垦补充和质量建设等外应力作用下，耕地在存续形式上、空间分布上发生转移，表现出一定的承压能力与流动性，类似于一种弹性体，即耕地的弹性表现;当耕地后备资源匮乏，无法实现耕地区域内部布局稳定，耕地重心在全国范围内发生转移并伴随质量下降，则表现出耕地塑性特征。研究表明，2010年以前我国耕地整体处在弹性变形阶段，2010—2056年间耕地为塑性变形阶段，随后为非稳态变形阶段。

但是，受数据资料限制，本研究仅探讨了耕地系统的存续方式的变化特征，未考虑耕地生产能力、生态功能等的变化及其对耕地系统变化的影响，因此，研究得出的全国和各地耕地系统稳定年限预期略大，耕地处于弹性变形阶段的时间判断会较乐观。若考虑耕地系统结构、功能方面变化，实际上耕地系统的弹塑性阶段时间节点应会提前。当然，国家这些年十分重视高标准基本农田建设，也能有效避免耕地系统非稳定变形阶段的到来。但是，仍需要强化耕地的数量、质量乃至空间管制，使我国的耕地资源得到强有力的保护，避免因为耕地资源的过度利用、转用，造成对国民经济社会发展和生态环境的重大损害。

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