农村土地利用变化及其模拟研究进展

刘敬杰，夏 敏，刘友兆，欧维新

（1.南京农业大学 公共管理学院，江苏 南京 210095；2.滁州学院 地理信息与旅游学院，安徽 滁州 239099）

0 引言

“农业稳，天下安”，即使工业经济发展迅速，但农业增效、农民增收、农村发展依然是我国发展建设的基础和重点，占国土面积近2/3的农村土地不仅是农业生产不可替代的生产资料、农民赖以生存和发展的基础，也为农民居住和生活、乡镇企业选址建厂等提供了空间场所。在新型城镇化进程中，城镇人口持续增加、工业化快速发展使土地需求量大幅提高，各地为解决土地供应紧张问题，频频征收农村集体土地甚至耕地以缓解用地紧张的局面。由于缺乏科学的土地规划，导致城镇发展具有极大的盲目性和随意性，使农村土地利用和管理面临建设布局散乱、用地粗放低效、公共设施缺乏、乡村风貌退化等问题。作为新型城镇化发展的后备保障力量、新型城镇化挑战的核心，农村土地类型众多、变化过程复杂，其演变过程是多种因素共同作用的结果，同时受到自然、社会、经济等诸多因素的影响。正在开展的农村土地征收、集体经营性建设用地入市、宅基地制度改革试点、推进农村一二三产业融合发展、新农村建设、布局城乡一体化以及农村土地利用规划编制等工作，对未来农村各类土地规模、布局和时序的统筹安排提出了更高的要求。为此，本文从农村土地利用变化特征、驱动力及模拟预测3个方面对已有文献进行梳理，总结当前研究取得的成效及存在的问题，并对未来发展提出展望，以期为农村土地利用变化研究及农村土地管理决策制定提供参考。

1 农村土地利用变化及驱动力

农村土地类型众多，可从土地功能角度分为生产性用地、生活性用地和生态性用地三大类，即“三生用地”［1］。有关农村土地变化及驱动力的研究大多集中于耕地和农村居民点用地这2种用地类型。

1.1 农村土地利用变化

在经济快速发展与城镇化建设积极推进的背景下，耕地资源尤其是城镇周边的优质耕地快速流失已成为近年耕地变化的基本特征。在耕地时空动态变化方面，张丽娟等［2-6］从宏观视角，利用长时间序列的统计资料与遥感影像分别研究了全球、全国及流域层面的耕地资源数量、空间以及功能变化趋势与特征，为区域及国家宏观耕地保护战略的制定提供了有利的科学依据；杨春艳等［7-9］分别分析了近20年不同省、市、县的耕地变化特点，为研究不同经济发展水平下、不同区域的耕地保护及利用提供了参考。

在农村居民点布局变化研究方面，刘彦随等［10-12］分别对国内不同尺度的农村居民点用地变化展开了研究，基本达成了农村居民点用地规模、数量呈现增长趋势，用地效率较为粗放，且区域差异较为明显的共识；李灿等［13-14］主要从农村居民点用地内部结构入手展开研究，以揭示农村居民点用地多功能空间分异特征；刘程鹏等［15-17］通过从景观生态的视角，研究平原和丘陵等不同地貌区域农村居民点的分布特征及变化规律。

相比大中尺度而言，乡镇一级的小尺度农村土地利用变化的研究成果相对较少［18］，但为适应新时期农业农村发展要求，迫切需要通过编制村级土地利用规划，以统筹合理安排农村各项土地利用活动，镇村级农村土地利用变化研究的重要性和紧迫性不言而喻。

1.2 农村土地变化驱动力

在耕地利用变化驱动力研究方面，满卫东等［19］通过定性分析总结出政策调控、经济发展、人口增长、城市扩张等人文因素是耕地变化和时空分异特征的主要驱动因素；曹祺文等［20］引入AutoLogistic回归模型，考虑农地属性变化和土地开发强度的空间自相关性，从自然和社会经济2个方面对珠江三角洲地区2000～2010年耕地、林地等主要类型农地变化的驱动机理展开研究；申海建等［21-22］采用主成分分析法得出耕地变化的驱动力主要为人口因素、经济社会发展、农业生产能力、人民生活水平等因素；王文杰等［23-24］基于RS与GIS技术对耕地空间变化的驱动力进行了定量研究，人口、经济发展、农业生产等因素对耕地数量变化具有较大的影响。

在农村居民点用地布局驱动力研究方面，Kuznetsova等［25-27］通过研究，提出了农村居民点的分布格局受地势、道路、河流等自然环境要素的影响；Kathryn等［28-30］认为农村居民点用地布局变化是由自然区位内部驱动因子和工业化、城市化、旅游经济等社会经济外部驱动因子的综合影响而产生的；谭雪兰等［31-32］定性分析国家土地利用政策、农村的邻里关系、生产方式以及农民观念等因素对农村居民点的数量和布局变化产生的影响；董德坤等［33-35］采用问卷调查、定性分析法，对农户规模及数量、农村公共基础设施、土地使用权等因素如何影响农村居民点布局变化进行分析。

通过对农村土地变化驱动力的研究，可总结农村土地变化是在自然系统和社会经济系统共同作用产生的结果，其中包括土壤、气候、地质等自然驱动力是影响其变化的决定性因素，但在短时间内自然驱动力相对稳定，社会经济驱动力更为活跃，经济因素和政策因素是社会经济驱动力的两大组成部分，但对政策因素的驱动机理大多停留于定性分析层面。虽也有学者关注农户主体，但也主要是从土地权利的认知角度入手，探讨认知程度与宅基地规模变化的关系，忽视了因农户个体、家庭等情况的变化及需求对耕地、农村居民点用地等农村土地变化产生的影响。

1.3 农村土地利用变化及驱动力研究述评

目前，对于农村土地变化及驱动力的研究多局限于耕地和农村居民点2种农村土地类型，研究的农村土地类型单一化，实际上，农村土地利用作为人类对自然界有意识的利用和改造活动之一，其变化是一个时空动态变化的复杂系统，单一研究某一土地利用类型并不能完全揭示这一复杂系统的运作过程。农村土地利用系统演变过程是空间个体相互作用的结果，同时受到自然、社会、经济等诸多因素的影响，但其变化实质是人地关系相互作用的效果，是人类利用土地的自然属性和社会属性不断满足自身发展需要的动态变化过程，人类是农村土地利用变化的直接主体，其决策行为受自身因素和外部驱动因子的共同影响，最终作用于农村土地利用格局［36］，驱动因子的作用对象不再直接是农村土地利用类型（地），而是决策主体（人）。

在当前农村土地利用变化研究中，土地利用主体决策行为越来越受重视，所涉及的主体也越来越复杂［37］。农民是我国当前群众中的最大群体，是农村土地利用和农村经济活动的重要主体和基本的决策单元，其土地利用决策行为对农村自然地理环境、农村土地资源的利用和保护、农业景观格局变化和农村社会可持续发展都有很大的影响，但农民主体的土地利用决策行为仅对其拥有的、有决策权利的农村土地类型有作用，对城镇居住用地、企业用地、生态性用地的变化并未拥有决策权；除农民主体外，乡镇企业、城镇居民、政府、村民委员会等主体的决策行为也会对相关类型的农村土地利用变化产生影响（图1）。

图1 农村土地利用变化驱动机制

2 农村土地利用变化模拟

农村土地利用动态变化受到自然、社会经济、人为等多种因素的影响，其过程和机理极为复杂，借助计算机模型来模拟和分析农村土地利用变化是相关研究中具有较强生命力的方法。国内外对农村土地利用变化模拟的模型构建方法不一，常见的模型主要有基于经验的数理统计模型、元胞自动机模型、多主体模型等。

2.1 基于经验的数理统计模型

基于经验的数理统计模型主要分为2类：（1）建立各地类与驱动因子的计量模型阐释土地变化规律。陈颐等［38］采用Markov模型和Logistic回归模型相结合的方法，研究土地利用变化和驱动因素之间的相关性，并对莆田市农用地面积变化进行预测，结果表明：未来3期农用地面积均呈减少趋势，但减少速度逐渐变缓，坡向、高程等地理因子驱动作用显著；何建华等［39］运用系统动力学（SD）方法模拟不同情景下土地利用变化，结果表明：耕地呈减少趋势，农村居民点用地和城镇工矿用地呈增加趋势，城市交互作用是土地利用变化的又一重要影响因素。此类方法能够实现相关因素的定量表达，但对政策性因素及主体行为等考虑不足，也难以反映农村土地利用空间的演变过程。（2）分析农村土地利用驱动因子动态变化状况，构建农村土地利用变化演变模型，模拟预测农村土地利用时空变化过程，以CLUE及CLUE-S模型系列为代表，CLUE-S模型是基于经验统计原理的、在CLUE模型基础上构建的、适宜于较小尺度的动态土地利用变化空间模拟模型。吴振林［40］采用CLUE-S模型，选取了引起土地利用变化的自然和社会经济驱动因子，在空间和时间上模拟历史趋势、耕地保护和生态发展情景下的河津市土地利用变化过程。此类模型主要适用于区域尺度土地利用变化的研究，可直观地反映空间尺度上的土地利用变化，其缺点是难以模拟土地利用中人类的选择或决策行为。

2.2 元胞自动机模型

元胞自动机（Cellular Autumata，CA）模型通过局部规则转换的运算来模拟空间和时间上离散的复杂性现象，采用该模型模拟预测土地利用时空变化时，从微观土地利用转换规则过程着手，研究土地利用变化驱动过程，阐明土地利用时空演变机制。当前基于CA模型的土地利用时空变化模拟预测研究主要有2个方面：（1）将CA模型结合GIS技术模拟农村土地利用变化。张利等［41］基于GIS和CA模型，以曹妃甸新区为例，选取土壤类型、高程、距离等影响因素及用地范围等限制因素创建适宜性图集，模拟生态安全格局保护与无生态保护这2种情景下的耕地利用结构和布局；房阿曼等［42］基于ArcGIS 10.2平台，通过耕地自然条件适宜性、空间限制性和竞争性这3个影响因素对耕地进行适宜性分析，并以此作为元胞转换规则，实现河南省兰考县2020年耕地规划模拟。（2）CA模型耦合其他模型，更科学地模拟预测农村土地利用时空变化。孙哲等［[43］利用Logistic-CA-Markov耦合模型，筛选出自然社会经济、人口和可达性这些驱动因子，模拟预测目前趋势发展、生态环境保护和综合发展情景下的无锡市2020年耕地土地利用结构；张俊平等［44］将Markov模型与CA结合，对2021年甘州区耕地、林地等农村土地利用变化情况进行模拟预测。该模型基于元胞的智能性来揭示土地利用方式的转变，其以适宜的空间网格为基本分析单位，在模拟农村土地利用/覆被变化的生态过程方面具有很大优势，客观性和科学性得到大幅度提高，但CA模型不具备决策能力和学习能力，对于影响元胞转变的不同层次主体决策过程考虑不足，影响模型模拟的真实性。

2.3 多主体模型

多主体（Multi-Agent System，MAS）模型从微观角度出发，抽象定量化表达不同主体土地利用决策行为准则，利用智能优化算法选择农村土地利用类型在空间上的演变过程。张云鹏等［45］以常州市新北区为例，利用Eclipse和Swarm平台，构建包含城镇居住主体、农村居住主体和政府主体在内的微观主体概念模型，模拟不同经济社会发展速度下的耕地、农村居民点用地和城镇用地的数量和空间变化情况；龚丹［46］运用MAS方法，从农牧民主体生产方式选择过程的角度出发，构筑农牧交错带农牧业土地利用变化的多主体模型，分析影响农牧业为主的土地利用各种驱动因素对农业用地数目、牧业用地数目及土壤环境质量的影响；陈海等［47-48］基于MAS理论，构建从地块到村庄的多尺度农村土地利用变化模型，定量分析纯农业户、兼业户、非农户等不同类型农户的土地利用决策及其作物的空间配置，揭示了农户土地种植决策变化对农用地尤其是耕地利用变化的驱动机制。该方法的优势在于可以通过研究主体之间的相互作用，揭示土地利用变化的动力机制，符合土地复杂系统的变化规律，但在地理空间表达方面的缺失使该模型难以满足土地系统时空模拟预测。

众多学者采用元胞自动机模型和多主体模型相结合的方法，构建土地利用变化模拟模型进行土地利用变化预测研究。王桂林等［49］构建了基于MAS和CA的土地利用变化模型，对滇池流域的耕地、水体、草地、林地等生态性农村土地时空变化进行模拟；张龙飞［50］采用Logistic-CA-Markov模型和MAS-LCM耦合模型，模拟孟连县2025年农用地时空变化，两者耦合的模拟模型一方面具有元胞自动机的空间自组织性，另一方面又具备了多智能体的决策能力和学习能力，结合二者的优势，使模拟精度和效率都达到最优，不仅地理空间表达准确，转换规则物理意义清晰，还能把土地利用决策者的活动体现到土地利用变化过程中，更好地模拟土地利用变化过程。

现有模拟研究多用于预测城市或区域土地利用变化，而针对农村土地利用系统的模拟研究相对较少。从研究对象看，现有农村土地利用变化模拟研究更多关注耕地、水体等单一农村土地类型的变化情况；从主体视角看，研究多侧重于揭示农户这一微观主体土地利用行为的形成和变化规律，更多关注农户种植作物的选择对农业用地及农业政策的影响。不仅没有考虑农户对居住条件、生活环境等的要求而对居民点用地、生态用地等相关类型的农村土地变化产生影响，也忽略了同样具有土地利用决策功能的各级组织如村庄、村镇、各级政府、城镇居民、各乡镇企业等主体决策行为对农村各类型土地利用变化的影响。

3 展望

（1）重视小尺度研究。选择小尺度范围的典型区域作为研究对象，是深入认识和分析土地利用时空变化规律及其驱动机制的有效途径，可以使我国的土地利用/覆盖变化研究向更深、更广的方向发展；小尺度、典型化的土地利用变化研究，不仅能为大尺度的综合研究提供丰富的信息，同时也是研究全球环境变化的有效途径之一。乡镇是我国土地管理工作的最基本单元，是联系城市与农村的重要节点，作为农村城镇化的载体，乡镇土地利用正在由自然利用向以工商业和住宅为主的人为利用转变，对镇域内土地利用动态变化进行监测与分析，是新型城镇化建设、乡镇经济结构调整与发展和社会主义新农村建设所面临的重要任务；而村集体是农村基层群众性自治组织，是中国最基层的社会单元，村域范围内的生产、生活与农村土地资源利用息息相关，任何关系国家土地利用和土地管理的各项决策措施，都需通过村级组织来落实和实现。因此，未来可将研究尺度转为乡镇一级甚至村庄一级，探讨新型城镇化背景下乡镇或村级的农村土地利用变化，可为大尺度的土地利用综合研究提供丰富信息的同时，对研究小尺度农村土地动态变化及人地关系起到借鉴作用。

（2）拓展主体类型。转变土地利用规划研究视角，加强对农村地区的关注，一改以往过于强调自上而下的单向推动规划实施进程，在系统考虑不同类型农户的意愿和利益诉求的同时，重视企业、政府、城镇居民等相关主体的决策行为。不同类型企业投资管理决策及对自然、社会、经济等因素反应均有不同，进而决定了企业的土地利用目标不同，对不同类型微观企业的决策行为及土地需求分别进行研究，可以更加清晰地掌握各类型企业的土地利用目标，对土地资源进行合理配置；行政村的村民委员会不仅需要管理本村属于村农民集体所有的土地，约束农户开发利用农村土地的行为，还有义务结合上级政府相关政策和本村情况，制定农村各类型土地利用的具体实施措施和标准，协助完成乡村规划并组织实施本村的建设规划，决定整个村的发展方向。因此，在微观农村土地利用动态变化过程中，从多主体视角出发，建立以“农户—驻镇企业—地方政府”为3个核心的包括不同类型农户、不同属性驻镇企业、中央政府和地方政府（镇级政府）、村民委员会和村民小组等农村组织在内的多主体博弈关系，了解不同决策者行为的变化过程，对于深刻认识和了解农村土地利用变化的特征与进程，以及进一步调整和优化土地利用格局，具有非常重要的理论和现实意义。

（3）加强主体模型技术改进。CA和MAS相结合的模拟模型，不仅地理空间表达准确，还能把土地利用决策者的活动体现到土地利用变化过程中，更好地模拟土地利用变化过程。但无论从环境约束指标选取、转换规则及综合规则的制定还是模拟平台的开发，都需要继续深入探讨和研究。模型中的环境约束层大多侧重于交通、环境质量、教育资源等层面上，可补充制度政策、文化底蕴等指标的约束；模型的转换规则和综合规则的确定是模拟成功与否的关键，如何将不同主体的利益诉求科学合理地融入到规则制定中需要更深入的研究，2个不同模块的耦合目前仅遵循“一致则转换，不一致用现状代替”规则，此规则的合理性仍有待商榷；由于我国特有的农村土地制度及复杂的主体博弈关系，开发简单实用且适合我国农村特色的模拟平台是未来亟待解决的问题，也使农村土地利用变化研究更具系统化。