基于系统动力学的雄安新区土地生态安全仿真

王熠辉,彭雪丽,徐维艺,张长春

(河北农业大学 国土资源学院，河北 保定 071001)

土地生态安全是可持续发展的核心，保障区域土地生态安全，即是保障人类的生存和发展。经济和人口的快速增长促使城市迅速扩张，进而使得土地生态安全问题日益突出，土地生态安全逐渐成为大众关注的焦点。2012年11月，党的十八大正式把生态文明建设写入党章，并指出在今后的一个时期要“大力推进生态文明建设，扭转生态环境恶化趋势，实现中华民族的永续发展”，土地生态安全作为生态文明建设的核心内容被正式提上日程。2017年10月，党的十九大为进一步深化生态文明建设，并指出“人与自然是生命共同体”，由此生态文明建设上升为国家发展的战略层次，土地生态安全也上升为国家战略高度。为让各地政府积极践行“绿水青山就是金山银山”的原则，2018年3月，生态文明建设相关内容被写入宪法修正案，土地生态安全正式成为区域发展的前提约束条件。雄安新区位于河北省中部，距北京市与天津市距离均为105 km，由雄县、安新县、容城县以及部分周边区域组成，探索雄安新区土地生态安全建设的有效路径对疏解北京非首都功能，培育创新驱动发展新引擎具有重要战略意义。

随着国内外学者对土地生态安全研究的不断深入，研究方法也逐渐多样化，总的来说可以划分为以下几种类型：一是综合评价法，吕广斌、孙德亮等利用压力-状态-响应、经济-环境-社会、物元及其相应衍生多指标评价模型，通过构建多指标评价体系，确定各指标权重和安全阀值，计算指标综合分值，判断综合分值与安全阀值相对位置，来研究区域土地生态安全状况[1-2]；二是景观生态法，毛梦祺、ZHANG RUNSEN等通过探索景观结构、功能以及变化状态与土地利用的关系，根据景观的时空演变规律来对区域土地生态安全进行评估、预测和预警[3-5]；三是生态模型法，吕添贵、漆良华等学者从生态足迹和土地承载力角度分析区域土地对人口的负荷量大小，进而侧面反应区域的土地生态安全状况[6-7]；四是神经网络法，刘秀霞、陈英等利用大样本数据对神经网络进行训练，依据神经网络自适应学习结果来实现对评价区域土地生态安全状况的预测[5,8]。综上所述，现有研究中大多是针对研究区的土地生态安全现状进行评价或预警，忽视了区域发展的动态性，且不同发展方向对土地生态造成的影响程度不同。而土地生态安全又是土地、经济、社会、自然子系统共同作用的结果，决策者细微的政策调整都将导致区域土地生态安全状况向不同方向发展。为更好的探索区域土地生态安全的有效路径，本研究基于系统动力学原理和方法，从雄安新区土地生态安全现状出发，构建系统动力学模型，通过比较分析不同土地生态安全发展路径的仿真结果，挑选出土地生态安全建设的最优路径。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

雄安新区地处北京、天津、保定腹地，由雄县、安新县、容城县以及部分周边区域组成，全境海拔高度低于20 m，整体呈现出西北高东南低的地势特征，现阶段雄安新区整体开发强度较低，资源环境承载能力较强，具有很强的可塑性和开发潜力。截止2016年，雄安新区境内共有16个少数民族，区域GDP总量为218.44亿元，常住人口数量104.71万人，远期区域面积控制在2 000 km2，人口总量控制在200万～250万。雄安新区是国家大事，千年大计，担负着疏解北京非首都功能、探索人口密集区土地生态安全的历史重任，保障区域土地生态安全不仅是生态文明建设必然要求[9-10]，也是实现人类可持续发展的必由之路。

1.2 系统边界及数据来源

构建系统动力学模型，首先确定系统边界。本研究模型的空间边界设定为以雄县、安新县、容城县为主体的雄安新区，时间边界为2005-2030年，模拟基期年为2005年，历史数据时段为2005-2017年，仿真时间步长设定为1 a。

模型所需的数据主要来源于研究区各年份的统计年鉴、统计公报以及相关规划和普查数据等，包括2005-2017年《中国县域经济社会统计年鉴》、2014-2017年《保定市经济统计年鉴》、2005-2017年《保定市国民经济和社会发展统计公报》、《河北雄安新区规划纲要》、《河北雄安新区起步区控制性规划公示稿》、《河北雄安新区启动区控制性详细规划公示稿》、研究区历年土地利用变更调查数据以及二调数据等相关资料。

2 研究方法与模型构建

2.1 研究方法

系统动力学是一门研究系统信息动态反馈的学科，由J.W.Forrester教授于1958年分析生产管理及库存管理等问题时提出[11]。系统动力学摒弃了传统的元素观，能够以定性与定量相结合的方式多层次、多角度的剖析系统的发展现状和演变趋势。土地生态安全涵盖经济、社会与自然等多个方面，是相对复杂的系统结构。系统动力学具有处理非线性、多层次、多反馈等社会、经济等复杂系统的优势[12]。因此，利用系统动力学原理，构建土地生态安全系统仿真模型，通过仿真比较不同路径的土地生态安全状况，实现对雄安新区土地生态安全的评价更为客观。

利用系统动力学方法研究雄安新区土地生态安全发展状况可分为以下几个步骤：(1)分析雄安新区土地生态安全各影响子系统之间的相互关系。(2)构建雄安新区土地生态安全系统仿真模型。(3)模型的调试与检验。(4)情景方案的运行与结果分析。

2.2 土地生态安全系统仿真模型的构建

2.2.1 系统结构分析 依据土地生态安全定义和诱发原因，从经济、社会、自然以及政策角度建立雄安新区土地生态安全系统仿真模型[13]。仿真模型主要由土地-经济子系统、土地-社会子系统、土地-自然子系统3个混合系统以及社会、经济、自然相关的政策组成。其中，社会、经济、自然相关政策引领着土地-经济、土地-社会、土地-自然混合子系统的发展方向。同时，各混合系统的发展状况又为新一轮政策的制定提供反馈。在政策的引领下，各个子系统以土地为连接要素，相互联系，相互制约，共同构成了雄安新区土地生态安全系统仿真模型，模型结构如图1所示。

2.2.2 仿真系统结构指标体系确定 土地生态安全是指以土地连接要素的经济、社会、自然子系统在内的复合人工生态系统的安全[14]。其内涵主要分为2个方面：第一方面，土地生态安全强调区域土地生态系统能够保持平衡和可持续的状态[15]；第二方面， 土地生态安全强调在保持自身平衡可持续的状态下[16]，能够持续为人类提供服务[17]。综上所述，确保土地-经济子系统、土地-社会子系统、土地-自然子系统的安全即是保障区域土地生态安全的核心。根据已有研究的基础[18-21]，土地生态安全优化结构指标从土地-经济、土地-社会、土地-自然3个混合子系统中选取。土地-经济子系统主要描述三次产业发展状况与土地利用之间的相互关系，通过三次产业增加值、劳动效率以及粮食安全状态对土地生态安全产生影响，包括区域GDP、第二产业增加值、第三产业增加值、第二产业人均劳动力产值、第三产业人均劳动力产值、粮食产量、地均GDP、人均GDP、单位耕地粮食产量等；土地-社会子系统主要描述人们生活状态与土地利用之间的相互关系，通过人口数量、二三产业从业人数、人们生活水平对土地生态安全产生影响，包括总人口、人口密度、万人拥有医疗床位、人均可支配收入、恩格尔系数、第二产业劳动力比例、第三产业劳动力比例等；土地-自然子系统主要描述土地类型变化与土地生态状况之间的相互关系，通过各土地类型的数量直接影响土地生态安全状况，包括耕地面积、林地面积、建设用地面积、湿地面积、森林覆盖率、开发强度、蓝绿空间占比等。最终得到土地生态安全优化系统的结构指标见表1。

图1 雄安新区土地生态安全系统仿真模型结构图Figure 1 Structure chart of simulation model of land ecological security system in Xiong’an New Area

表1 土地生态安全仿真系统指标体系Table 1 Index system of land ecological security simulation system

2.2.3 仿真模型的构建 通过定性分析土地生态安全优化系统指标间的关系，依据构建的系统仿真模型结构图，绘制雄安新区土地生态安全系统仿真模型图，从而实现对区域土地生态安全变化的定量描述。最终构建的土地生态安全系统仿真模型见图2。

图2 雄安新区土地生态安全系统仿真模型Figure 2 Simulation model of land ecological security system in Xiong’an New Area

2.2.4 数据处理以及方程的建立 根据雄安新区2005-2017年的各项历史数据，利用SPSS软件的数据分析功能，通过回归分析、趋势预测、算术平均、表函数以及现有研究中的成熟公式，最终得到雄安新区土地生态安全系统仿真模型中的方程式共72个，其中各子系统主要方程式如下所示：

(1)土地-经济子系统主要方程

1)区域GDP= INTEG (+GDP增长额,

8.994 6e+5) (单位: 万元)

2)GDP增长额=GDP增长率×区域GDP (单位: 万元)

3)第二三产业GDP=区域GDP -第一产业增加值 (单位: 万元)

4)第二产业投资额=固定投资×第二产业投资比例 (单位: 万元)

5)单位耕地产量=第一产业投资额×7.826e-6+7.44 (单位: t/hm2，R=0.98)

(2)土地-社会子系统主要方程

6)人均第二产业产值=第二产业投资额×

1.667e-6+2.654 (单位: 万元，R=0.97)

7)人均第三产业产值=第三产业投资额×

1.968e-6+1.981 (单位: 万元，R=0.97)

8)人均收入占人均GDP比例=0.011 93×Time-23.461 (R=0.97)

9)人均消费=人均可支配收入×0.697 553+2 403.9 (单位: 元/人，R=0.99)

10)总人口=INTEGER(+人口增加量,

1.015 234e+6) (单位: 人)

(3)土地-自然子系统主要方程

11)耕地= INTEGER(+耕地增量-耕地减少量,85 841) (单位: hm2)

12)林地= INTEGER(+林地增加量-林地减少量,3 384) (单位: hm2)

13)建设用地=INTEGER(+建设用地增量,23 365) (单位: hm2)

14)建设用地增量=0.000 9×第二产业投资额+0.008×人口增加量(单位:hm2，R=0.97)

15)湿地=INTEGER(+湿地增量,23 604) (单位:hm2)

2.2.5 模型的检验 从模型的直观与运行效果、历史性和灵敏度3方面对模型进行检验。第一步，使用Vensim PLE软件自带的Check Model和Unit Check功能，对模型的方程以及量纲进行检验。检验结果显示：各要素数值没有出现异常，方程量纲一致，构建的雄安新区土地生态安全优化系统模型通过直观与运行检验。

第二步，比较2005-2016年雄安新区土地生态安全系统优化模型关键变量历史数据与模拟数据之间的相对误差。由于模型较为复杂，涉及变量较多，故选取影响雄安新区土地生态安全的关键变量作为本次的检验指标，主要包括粮食产量、总人口、人均可支配收入、恩格尔系数、各土地类型面积等。结果显示各关键变量的误差绝对值平均数均小于5%，故认为模型通过历史性检验[22]。检验结果见表2。

表2 关键变量历史性检验表Table 2 Historical test table for key variables %

第三步，调节关键变量的参数，检验参数的灵敏度大小。将6个重要参数的数值变化10%，分析出9个输出变量的变化幅度。参数灵敏度结果如图3所示：

注：1：GDP增长率；2：第二产业投资比例；3：第三产业投资比例；4：人口增长率；5：未利用地开发率；6：林地增长率图3 系统仿真模型参数灵敏度分析Figure 3 Parameter sensitivity analysis of system simulation model

结果显示，只有第二产业投资比例和林地增长率灵敏度大于10%，表明这2项参数对系统较为重要。其他参数整体灵敏度都较低，满足建模要求[23]。据此可以判定雄安新区土地生态安全优化系统模型具有很好的模拟效果，且模型具有很好的稳定性，可以用来对雄安新区未来的土地生态安全状况进行优化模拟。

2.2.6 优化情景的设定 根据雄安新区历年的发展状况以及土地生态安全的核心内涵，结合国务院批复《河北雄安新区规划纲要》的相关要求，从土地-经济、土地-社会、土地-自然子系统中选取GDP增长率、三次产业投资比例、人口增长率、退耕还林还淀速率4项指标作为仿真模型的控制变量。通过调节控制变量，设计出5条土地生态安全的发展路径，并对其进行仿真模拟。5条路径的相关信息如表3所示。

表3 雄安新区土地生态安全发展路径Table 3 Development path of land ecological security in Xiong’an New Area %

路径1为现状发展路径。该路径主要反映雄安新区在延续当前的发展状态下，发展至2030年的土地生态安全状况。该路径是对雄安新区未来的土地生态安全状况进行预警，同时还能够为其他路径提供参照对象。在该路径下，GDP增长率保持历年的年均增长速度8.5%，三次投资比例3.5∶46∶50.5，人口增长率6.5‰，退耕还林还淀速率保持0.124∶0.012 9。

路径2为经济优先路径。该路径主要反映雄安新区在优先发展经济的状态下，发展至2030年的土地生态安全状况。根据雄安新区历年的发展状况，挑选GDP增长速度最快年份下的经济状态作为该路径的设定依据。按照路径2的发展状态下，GDP增长速度由8.5%提升至10.5%，三次产业投资比例由3.5∶46∶50.5变更至3.5∶55∶41.5，人口增长率由6.5‰提升至13.5‰，退耕还林还淀速率保持不变。

路径3为社会优先路径。该路径主要反映雄安新区在提升社会保障水平的状态下，发展至2030年的土地生态安全状况。对比路径1雄安新区发展现状，设定路径3的GDP增长速度和退耕还林还淀速率分别保持8.5%和0.124∶0.012 9不变，三次产业投资比例由3.5∶46∶50.5调整至3.5∶41.5∶55，人口增长率率由6.5‰提升至10‰。

路径4为自然优先路径。该路径主要反映雄安新区为保护生态状况，限制经济和社会发展状态下，发展至2030年的土地生态安全状况。根据“十三五规划”最低经济限速要求，设定GDP增长率为6.5%，三次产业投资比例向效益更高的第三产业偏移，由3.5∶46∶50.5调整至3.5∶41.5∶55，人口增长率保持6.5‰，退耕还林还淀速率由0.124∶0.012 9提升至0.184∶0.014 9。

路径5为协调发展路径。该路径主要反映协调雄安新区土地-经济、土地-社会、土地-自然混合子系统发展状况的条件下，雄安新区发展至2030年的土地生态安全状况。该路径下，GDP增长率由8.5%提升至10.5%，三次产业投资比例由3.5∶46∶50.5调整至3.5∶41.5∶55，人口增长率由6.5‰提升至13.5‰，退耕还林还淀速率由0.124∶0.012 9提升至0.184∶0.014 9。

3 结果与分析

3.1 仿真结果

利用Vensim PLE软件对设定的5条路径进行仿真，得到雄安新区发展至2030年的土地生态安全发展状况。其中雄安新区2025年和2030年的土地生态安全仿真结果如表4所示。

表4 不同路径的雄安新区土地生态安全状况Table 4 Land ecological security in Xiong’an New Area with different pathways

路径1现状发展路径下，雄安新区发展至2030年地均GDP达到40.67万元/hm2，单位耕地粮食产量8.80吨/公顷，二三产业劳动人口数量88.98万人，恩格尔系数0.211，蓝绿空间占比77.5%，生态用地面积46 458 hm2。

路径2经济优先路径下，在2030年雄安新区的地均GDP为51.56万元/hm2，比路径1高26.78%，单位耕地粮食产量为9.16 t/hm2，比路径1提升4.09%，二三产业劳动人口为97.37万人，比路径1提升9.43%，恩格尔系数为0.208，比路径1低1.42%，蓝绿空间占比为73.1%，比路径1低5.68%，生态用地面积为46 458 hm2，与路径1相同。表明在经济优先路径下，雄安新区的经济效益、社会保障程度、人民的生活质量有较大的改善，但建设发展侵占蓝绿空间的比例增加，使总体开发程度较高，环境受破环程度大。

路径3社会优先路径下，在2030年雄安新区的地均GDP为40.67万元/hm2，单位耕地粮食产量为8.80 t/hm2，均与路径1保持一致，二三产业劳动人口数量为89.08万人，比路径1增加0.1万人，恩格尔系数为0.212，比路径1增加0.47%，蓝绿空间占比为0.783比路径1提升1.03%，生态用地面积为46 458 hm2，与路径1保持一致。表明在社会优先路径下，社会保障力度有较大的提升，建设开发占用蓝绿空间减少，蓝绿空间整体较高，总体与现状发展路径保持一致，反映路径1已经拥有较好的社会状况，但社会优先路径下开发程度较低，使得路径3总体略优于路径1。

路径4自然优先路径下，在2030年雄安新区的地均GDP为31.93万元/hm2，比路径1降低21.49%，单位耕地粮食产量为8.51 t/hm2，比路径1降低3.30%，二三产业劳动人口数量为81.20万人，比路径1降低8.74%，恩格尔系数为0.217，比路径1增加2.84%，蓝绿空间占比为79.7%，比路径1增加2.84%，生态用地面积为61 067 hm2，比路径1增加31.45%。表明在自然优先路径下，雄安新区除生态状况有较大的提升外，社会经济状况都相对较差。

路径5协调发展路径下，在2030年雄安新区的地均GDP为51.56万元/hm2，比路径1高26.78%，单位耕地粮食产量为9.16 t/hm2，比路径1提升4.09%，二三产业劳动人口数量为99.27万人，比路径1劳动人口增加11.56%，恩格尔系数为0.208，比路径1低1.42%，蓝绿空间占比为76.7%，比路径1降低1.03%，生态用地面积为61 067公顷，比路径1增加31.45%。表明在协调发展路径下，雄安新区经济效益高，社会保障力度以及人民生活质量提升明显，生态环境状况有较大的改善。

3.2 路径分析

为了更加直观的展示2017-2030年雄安新区在5条不同路径下的发展状况，根据土地生态安全内涵以及各土地-经济、土地-社会、土地-自然混合子系统的主要影响因素，挑选地均GDP、单位耕地粮食产量、二三产业劳动人口数量、恩格尔系数、蓝绿空间占比、生态用地面积6个方面分析各路径的土地生态安全状况。

根据图4、图5显示，从地均GDP和单位耕地粮食产量结果可以看出，路径2和路径5明显优于其他路径。按照路径2和路径5的发展方式下，雄安新区在2030的区域经济效率和耕地生产效率更高，可知协调发展路径也可以拥有和经济优先路径一样经济驱动力。路径1和路径3拥有相同的经济效率和单位耕地生产效率。由于路径4实行自然优先政策，使得经济增长速度和耕地投资受到限制，使得地均GDP和单位耕地粮食产量为所有路径中最低。综上所述，经济发展速度和投资状况能够推动经济效率和生产效率的提升，在路径2与路径5发展方式下，雄安新区的土地-经济子系统能够达到最优状态。

图4 雄安新区地均GDP模拟结果Figure 4 Ground GDP simulation results of Xiong’an New Area

图5 雄安新区单位耕地粮食产量模拟结果Figure 5 Simulation results of grain yield per unit cultivated land in Xiong’an New Area

根据图6、图7显示，从二三产业劳动人口数量结果可以看出，路径5明显优于其他路径。按照路径5的发展方式下，雄安新区在2030年的就业状况最优，路经2次之，路径5最差。其原因在于，经济快速增长对劳动力数量的需求也不断增加，从而使区域的就业人口比例提升。从恩格尔系数结果可以看出路径2与路径5明显优于其他路径，人民的生活质量比其他3条路径有较大的改善，而路径4恩格尔系数最低。这是因为，经济总量和就业状况均高于其他路径，人民的生活受到很大的保障。综上所述，经济的快速发展能够推进就业岗位的增多和人民生活水平的提升，在路径5发展方式下土地-社会子系统能够达到最优。

图6 雄安新区二三产业劳动人口数量模拟结果Figure 6 Simulation results of the number of workers in the second and tertiary industries in Xiong’an New Area

图7 雄安新区恩格尔系数模拟结果Figure 7 Simulation results of Engel coefficient in Xiong’an New Area

根据图8、图9显示，从蓝绿空间占比结果可以看出，路径1、3、4、5相对较高，路径2最低，且与路径1、3、4、5差距较为明显。可知在路径1、3、4、5的发展状况下，雄安新区在2030年受到的开发程度最低，路径2的土地开发程度最高。原因在于，路径2的投资结构以第二产业为主，而现阶段第二产业的资源效率相对较低，使得路径2的资源耗费速度更快，开发程度最高。从生态用地面积可以看出，路径4、5的生态用地面积远高于其他路径，且随着时间的推移差距逐渐拉大。综上所述，产业投资结构能对资源消耗速率产生影响，在路径4、5发展方式下土地-自然子系统能够达到最优。

图9 雄安新区生态用地面积模拟结果Figure 9 Simulation of Ecological Land Area in Xiong’an New Area

综合以上5条发展路径，不同发展路径对雄安新区土地生态安全状况的影响效果不同，其中，路径5对雄安新区土地生态安全状况的土地-经济、土地-社会、土地-自然混合子系统都具有较强的促进作用；路径2在土地-经济、土地-社会混合子系统中具有明显的动力优势，但路径2高速的资源消耗速率使得其可持续发展能力欠缺；路径4在土地-自然混合子系统中则表现更为显著，但土地-经济、土地-社会混合子系统活力较弱，不符合土地生态安全的内涵。路径1、3对应的各混合子系统的状况都相对比较接近，路径3土地生态安全状况略优于路径1。

4 结论与讨论

4.1 结论

以雄安新区为研究区，构建了雄安新区土地生态安全系统仿真模型，研究了不同路径下雄安新区2017-2030年的土地生态安全状况，得到了以下结论。

构建的雄安新区土地生态安全系统仿真模型运行检验结果显示要素没有异常，量纲一致；历史性检验结果显示主要变量误差绝对值小于5%；灵敏度检验结果显示模型具有较好的稳定性。因此，构建的雄安新区土地生态安全系统仿真模型模拟效果良好，具有很强的可操作性，能够对雄安新区未来的发展状况进行模拟。

协调发展路径下，土地-经济、土地-社会、土地-自然混合子系统均能表现出更强的动力，在2030年雄安新区的土地生态安全状况最优；现状发展路径、经济优先路径、社会优先路径和自然优先路径下，只能在某些方向提升雄安新区的土地生态安全状况，总体效果不均衡且相对较低。

4.2 讨论

针对各路径下雄安新区的土地生态安全状况，提出以下建议：①维持雄安新区的土地生态安全的关键是保持土地、经济、社会、自然的协调发展。②适当提高经济增长速度有利于提升经济效率、社会就业率和资源利用效率，进而提升土地生态安全状况。③优化产业结构，降低高耗能产业的比例有利于提升区域土地生态安全状况。④加大公众对土地生态安全重要性的理解，提升企业以及个人保护土地生态安全的意识。

土地生态安全系统是相对复杂的非线性系统，仿真过程也是不断尝试和改进的过程，系统的内外部条件也在不断地变化，模型各变量的关系等也会随着内外部条件变化而发生改变。因此选择的最优情景方案只是作为一种较为客观的可能性，目的在于能够为制定雄安新区发展方案提供相应的政策参考。