尤南山,蒙吉军,李 枫,郭力仁
(1.北京大学城市与环境学院,北京 100871;2.地表过程分析与模拟教育部重点实验室,北京 100871)
土地资源是指在当前和可预见将来的技术经济条件下,可为人类所利用并产生价值的土地,是能为人类提供福祉的生产资料,具有自然、社会和经济等多重属性[1]。某一地段土地能否成为土地资源,既与资源组成与特性有关,也与经济技术发展水平及人类价值取向有关[2]。土地资源具有其固有的特性。石玉林强调土地资源的生产力和固定空间位置[3],李孝芳概括为生产力、适宜性、限制性、有限性、可更新性、时间和空间特性[4],梁学庆则认为是稀缺性、整体性、竞争性、选择性、增值性和可更新性[2]。土地资源具有多种功能,包括食物和纤维的生产功能、建筑物的承载功能、作为人类活动空间的功能、矿产资源贮藏功能、气候与水文调节功能、污染物的净化功能、景观美学、历史文化载体的功能以及作为资产储值的功能[5]。
从自然属性来看,土地是一个生态系统,因而产生了以土地生态系统为研究对象的土地生态学,而从自然、社会、经济的综合属性来研究土地,则产生了土地资源学。土地生态学侧重于土地资源自然属性的研究[6]。传统的土地资源学主要关注土地的持续供给能力,而生态学原理指导下的土地资源学还考虑土地资源生产、生活和生态功能的协调,强调土地系统的自组织能力,故也可以认为土地生态学是可持续土地资源观下土地资源学新的发展和延续。
目前,土地资源学研究内容在学术界尚未达成统一认识。许牧等认为土地资源学主要研究认识土地的理论与方法,以及土地资源战略问题与对策等[7];尤文郁认为核心内容包括土地资源的特性、分类、调查、评价以及测算土地生产潜力和人口承载力的理论与方法[8];林培认为土地资源形成因素的空间分异与土地资源类型的划分、土地资源调查与评价、区域土地资源的人口承载力分析、区域土地资源综合开发与保护是土地资源学研究的核心内容[9];陈百明提出土地类型与土地利用类型以及两者结合构成的土地资源类型、土地资源评价、土地利用规划、土地承载力是土地资源学研究的主要内容[10];梁学庆则概括为土地资源的产生及各主要组成要素的特征、土地资源的理论认识和价值判断、土地类型与土地评价、土地利用/土地覆被变化研究、人地关系与资源环境研究、区域土地资源及其利用状态分析[2]。可以看出,土地科学体系下的土地资源学研究有别于其他学科视角,主要侧重认识土地资源的理论基础,聚焦土地类型与土地评价。本文认为土地资源学的核心内容包括三个方面:土地资源构成要素与类型划分、土地资源调查与评价、土地资源承载力分析(图1)。
近年来,土地的资产特性越来越受重视,但土地的资源特性在土地科学体系中始终发挥着基础性的作用。基于土地资源形成因素的土地类型划分是认识和利用土地的自然基础;土地资源调查和评价为土地利用规划、土地资源管理提供基本依据;土地资源承载力研究则为区域土地资源总体开发提供了阈值参考。因此,土地资源学是土地科学体系中侧重于资源特性研究的基础学科[9]。
图1 土地资源学知识体系Fig.1 The framework of land resources science
图2 1980—2017年土地资源学国内主要核心期刊关键词共现关系Fig.2 The cooccurence relation of key words of land resources science in Chinese core journals from 1980 to 2017
本文主要从中国知网电子期刊数据库(CNKI)获取1980—2017年期间的文献,并通过《中国土地科学》过刊光盘(1987—2002年)收集早期未被CNKI收录的文献,选取土地资源学发文量集中且影响因子IF>0.7的重要期刊,包括了《中国土地科学》、《地理学报》、《自然资源学报》、《地理研究》、《资源科学》等68种期刊。通过模糊检索“土地资源”、“土地类型”、“土地分类”、“土地调查”、“土地制图”、“土地评价”、“土地经济评价”、“土地潜力”、“土地适宜性”、“土地承载力”、“土地多功能”、“土地生态评价”、“土地可持续”等13个关键词查找文献,并对文献逐一核实、校对和筛选,共获得11909篇文献。在此基础上,根据发文量折线图划分研究阶段;采用CiteSpace软件①CiteSpace软件由陈超美博士开发,是一款可视化文献分析软件,能够显示一个学科或知识域在一定时期发展的趋势与动向,形成若干研究前沿领域的演进历程。制作的关键词共现关系图(图2,封二)②在共现关系图中,每个节点代表一个关键词,节点半径的大小表示关键词的词频(包含该关键词的文献数量),节点以树轮形式表示该关键词在不同时段的演化规律。其中,如果节点某一圈呈现红色,表示该节点在某一时段爆发或剧增(Burst),该节点处于研究前沿;如果节点最外圈呈现紫色,表示该节点具有较高的中心度(Betweeness Centrality),是网络各部分的过渡。两个节点之间的连线(边)表示两个关键词在同一篇文献中出现过(共现),边的权重等于两个关键词共现的次数。识别热点主题,分析主题间的相互关系;借助核心关键词在不同阶段的词频变化图研究土地资源学的演进过程。最终,根据文献计量学分析结果提炼土地资源学各阶段核心研究内容和重要研究进展。
从图2可以看出,1980年以来,中国土地资源学研究热点主要集中于土地评价、土地可持续利用、土地生态;热点区域包括经济发达区(北京市、江苏省等)、粮食主产区(三江平原、黄淮海平原等)和生态脆弱区(黄土高原、三峡库区、黑河流域等);关注的问题有城市化、沙漠化(荒漠化)、石漠化、土壤侵蚀等;技术手段主要有GIS技术、主成分分析法、层次分析法、熵权法、空间自相关等;运用的模型有InVEST模型、CLUES模型、SWAT模型等;数据来源主要是遥感影像(TM影像、MODIS影像)、社会经济统计数据、野外调查数据、气象站点数据等。
1980—2017年期间,土地资源学发文量整体呈现上升趋势(图3,封二),但在2000年和2010年存在明显转折。据此,可以将中国土地资源学研究可以划分为3个阶段:起步阶段(1980—1999年)、上升阶段(2000—2009年)和稳定阶段(2010—2017年)。
图3 1980—2017年土地资源学在68种中文核心期刊发文量和发展阶段划分Fig.3 The number of published papers of land resources science in 68 Chinese core journals and division of development stages from 1980 to 2017
图4 1980—1999年土地资源学国内主要核心期刊关键词共现关系Fig.4 The cooccurence relation of key words of land resources science in Chinese core journals from 1980 to 1999
图5 2000—2009年土地资源学国内主要核心期刊关键词共现关系Fig.5 The cooccurence relation of key words of land resources science in Chinese core journals from 2000 to 2009
图6 2010—2017年土地资源学国内主要核心期刊关键词共现关系Fig.6 The cooccurence relation of key words of land resources science in Chinese core journals from 2010 to 2017
从图4(封二)可以看出,1980—1999年期间,“土地资源”、“土地类型”、“土地评价”、“土地潜力”、“土地生产力”等关键词词频较高,且具有较高的网络连通度,说明起步阶段的研究以土地类型和土地调查为基础,以土地生产力为核心,开展不同维度的土地评价。
3.1.1 土地类型与土地利用类型 1980年代,土地分级分类研究非常集中,形成了诸多土地分级系统[11-15]。其中,以赵松乔为代表的中国科学院地理研究所主持完成了《中国1∶100万土地类型图》(1985年)的编制,把全国土地类型分为三个级别:土地纲、土地类和土地型,标志着中国的土地类型研究已跨入了一个新的阶段。在《中国1∶100万土地类型图》任务的带动下,各省区开展了省区与重点地区不同比例尺土地类型图的编制,但这一阶段多实践性的工作,缺乏理论研究。1994年,蔡运龙针对土地类型分级与制图比例尺如何匹配的问题,探讨了不同尺度的地域分异规律、土地类型制图单元与土地分类系统等理论问题[15]。1996年以后,随着LUCC计划的引入[16],土地类型研究侧重到了土地覆被变化与景观生态等方面,并取得了重要进展。
在土地资源管理的实践中,形成了许多土地利用现状分类系统。1984年农业区划委员会颁布了《土地利用现状调查技术规程》,针对农村土地利用现状调查制定了“8 + 46”分类系统(“8 + 46”表示一级类8个,二级类46个,后文关于土地利用分类系统的表述同此),开启了第一次全国土地利用调查。该分类系统主要为农业发展服务,对于城市土地利用没有深入研究。中国实行城市土地使用制度改革后,为了适应城镇地籍调查与管理的需要,原国家土地管理局于1989年发布了《城镇地籍调查规程》(TD1001-1989),制定了“10 + 24”分类系统。与此同时,不同学者构建了各具特色的土地利用分类系统,其中代表性成果包括“6 + 29 + 40”分类系统[17]、“10 + 30 + 25”分类系统[18]。
3.1.2 土地资源评价
(1)农用地适宜性评价趋渐成熟。20世纪80年代,农林牧业土地评价拉开了土地资源评价系统研究的序幕。农林牧业土地评价以土地质量与土地潜力(即土地生产能力的高低)为依据[3],偏重于土地自然因素的评定。全国性土地评价首推以石玉林为代表的中国科学院自然资源综合考察委员会完成的《中国1∶100万土地资源图》[19],这项研究采用土地潜力区、土地适宜类、土地质量等、土地限制型、土地资源单位5级分类系统,用地图的形式反映了中国各类土地资源潜力组合的空间分布状况。地方性土地评价以生产实践服务为目标,注重与土地利用规划结合,并依据评价结果调整区域农业结构[20-22]。与此同时,针对农、林[23]、牧[24]单项土地评价和橡胶[25]、柑桔[26-27]等单作物评价也备受关注。20世纪90年代中后期,土地适宜性评价定量化水平提高,农业适宜性评价模型得到发展[28-32]。
(2)城镇土地经济评价成效显著。与农用地评价相比,城镇土地经济评价不再以土地自然生产力为核心,而是聚焦于土地使用价值的差异,分析城镇之间以及城市内部土地使用价值差异的影响因素,采用多因子指数法实现城镇土地等级的划分。城镇土地分等定级源于城市土地经济评价,1989年董黎明等探究了城市土地经济评价的理论方法[33];1990年开始实施《城镇土地定级规程(试行)》,1991年胡存智阐述了区位理论在城镇内部定级中的应用[34];1993年董黎明等进一步研究了中国不同城市之间分等的理论与方法[35], 2001年颁布了《城镇土地分等定级规程》,城镇土地分等定级的框架逐步形成。
(3)土地资源承载力。2000年以前,土地资源生产能力及承载力主要进行了3个层次的研究。首先计算作物气候生产潜力(光温水生产潜力)[36],还包括在全国[37]、省级[38]范围进行的气候生产潜力区划;在此基础上考虑土壤对作物生长的限制,研究作物的最大生产能力(光温水土生产潜力或者光温水肥生产潜力)[39-41];最终要回答“以多少土地、粮食,养活多少人口”的问题,也就是土地资源人口承载力。1986年,以中国科学院自然资源综合考察委员会主持完成的“中国土地资源生产能力及人口承载量研究”为标志[42],至2000年中国先后进行了三次颇具代表性的、大规模的土地资源承载力研究工作[43-45];三次工作均以生态区作为研究单元,着重评估了中国土地资源承载力的总量、地域类型和空间格局,为后来的土地资源承载力研究奠定了理论与方法基础,但这一时期的研究在方法和标准上存在较大差异,相关研究成果难以互相利用、比较及推广,且多注重承载力运算结果,对资源状况、平衡关系、生产过程的探讨有待深入,从而影响了研究的实用价值。
从图5(封二)可以看出,2000—2009年期间, “可持续发展”、“地理信息系统”、“景观格局”等关键词词频迅速增长,表明了上升阶段突出特征是土地可持续利用研究得到加强,GIS技术得到了广泛应用。
3.2.1 土地利用类型 由于《土地利用现状调查技术规程(1984)》与《城镇地籍调查规程(1989)》两个分类体系相互独立,难以适应城乡土地一体化管理的需求;同时,原来的分类不利于落实严格保护耕地制度和土地用途管制制度。国土资源部修改、归并、制定了城乡统一的“3 + 15 + 72”土地利用分类系统,并与2002年开始试行。虽然全国《土地利用分类(试行)》实现了国土资源部门内部分类标准的统一,但与其他土地相关部门分类体系的划分标准、地类含义不尽相同。国土资源部于2007年颁布了中国土地利用现状分类的第一个国家标准《土地利用现状分类》(GB/T 21010-2007),制定了全国统一的“12 + 57”分类系统,并开展了第二次全国土地利用调查。针对上述分类系统的不足,不同学者尝试提出新的分类系统,例如土地利用现状与土地资源背景迭加的分类模式[46]、可持续土地利用目标下的分类系统[47]、以产业类别为基础的分类系统[48]。此外,部分学者对土地利用分类标准的不妥之处提出了修订建议[49-51]。
3.2.2 土地资源评价
(1)基于GIS的土地适宜性评价继续深入。2000年以后,GIS技术在土地适宜性评价中得到广泛运用,基于GIS的土地适宜性评价走向深入。首先,GIS技术能对土地自然与社会属性空间化表达,实现多源信息的复合和逐网格综合评价[52]。其次,GIS的空间分析模型能提高适宜性评价精度,如借助山区日照的地形遮蔽分析模型对日照时数、辐射、温度、降水等生态因子的地形校正[53]。同时,GIS技术能实现不同情景不同发展目标下的土地适宜性评价,比如最大生产潜力和最高经济效益下的土地多宜性评价[54]。最终,在土地农业适宜性评价信息系统中,用户可输入任意作物的环境需求与人工干预情况,可按地方特色调整专家打分值,可方便及时地为地区引进新品种, 从而大大提高适宜性评价的工作效率[55]。
(2)农用地分等定级迅速发展。农用地分等定级是在农用地适宜性评价基础上发展起来的。农用地分等定级不再以土地质量因素指标的优劣及其组合(暗喻作物生产量高低)评定土地等级,而是以作物生产量差异进行分等定级;同时在土地自然生产力的基础上还考虑了土地利用水平和土地投入产出差异。早在1989年,胡存智等便构想了土地分等方案[56]。
2001年,《农用地分等定级规程》颁布,农用地分等定级的理论与方法得到了广泛研究。农用地分等理论基础源于农用地产生的绝对地租或者级差地租Ⅰ,农用地定级理论基础来自于级差地租Ⅱ[57]。农用地分等技术流程中土地质量分和土地利用系数的测定至关重要:土地质量评价指标选择的原则与方法、土地质量指标体系的构建得到了阐述[58-59];供水质量指数、土壤质量指数、土壤有效系数的定量计算得到了发展[60-61];不同方法计算自然质量分的区别得到了论证[62];土地利用系数得到了改进[63]。此外,学者深入分析了农用地定级因素的因子特征,提出了不同类型因子的赋值方法[64]与总分值计算模型[65],构造了土地区位质量指数与土地作业指数[60],使定级结果更加真实。
2012年,《农用地分等规程》、《农用地定级规程》行业标准上升为国家标准,对推动农用地分等定级估价进一步规范化提供了动力和依据。胡存智在“中国农用土地分等定级理论与方法研究——兼论《农用地分等规程》总体思路及技术方案设计”一文中对农用地分等定级理论基础与总体思路进行了系统阐述[66]。
(3)土地可持续利用评价异军突起。土地可持续利用评价是对土地适宜性评价在时间上的拓展[67],在2000年前后得到了迅速的发展。针对FAO“可持续土地利用(SLM)”概念的局限性,多维度、多视角下的土地资源可持续利用概念模型得以完善[68-69]。
为了使土地资源可持续利用理论能够指导土地利用实践,客观上需要对土地利用可持续性定量分析,故土地可持续利用指标体系和评价方法的理论构架成为了研究重点。从土地可持续利用系统构成与特征出发,构建生态—经济—社会指标体系,典型代表是傅伯杰等提出的多尺度评价框架[67];尹君在生态—经济—社会指标体系的基础上,增加了土地资源数量指标,以突出土地资源总量的动态平衡[69]。从可持续土地利用的目标分解出发,陈百明建立了生产性—稳定性—保护性—经济活力—可接受性指标体系[70]。从土地持续利用的驱动力—状态—响应过程分析出发,戴尔阜等构建了状态—响应指标体系[71];周炳中增加了压力指标,构建了完整的压力—状态—响应指标体系[72]。
由于指标体系普适性、评价方法科学性与实际数据的可得性难以兼顾,学者尝试新的思路定量表征土地利用可持续性,主要有能值分析法和过程分析法两类。李双成等构建了基于能值标定土地持续利用态势的若干指数[73]。刘光成等提出了用土地资源综合价值在时间序列上的变化判断土地利用可持续性的思路[74];蔡运龙等基于长时间序列的土地自然潜力与土地经济产出数据推导出了土地利用可持续性的若干指标[75]。这类方法确实在一定程度上克服了菜单式指标体系的不足。
3.2.3 土地资源承载力 2000 年以后,“人粮关系”下的土地资源承载力研究仍是主流,并趋于成熟。一方面,技术方法层面有重要突破,以党安荣等提出的基于GIS的土地生产潜力研究方法为代表[76],借助“3S”技术等获取准确的资源空间信息并实现基础数据的空间化,提高了研究的科学性和精确程度。另一方面,耦合土地、粮食与人口的概念和模型有了新发展,蔡运龙等提出了最小人均耕地面积和耕地压力指数[77],封志明建立了土地资源限制度模型[78],能更有效地揭示土地资源限制程度和粮食安全程度。
从图6(封二)可以看出,与前一阶段相比,2010—2017年,“生态系统服务”、 “土壤有机碳”、“生态风险”等关键词词频明显增加,反映了稳定阶段的研究更加关注土地生态系统,尤其是土地利用活动对土地生态系统的影响。
3.3.1 土地资源评价
(1) 土地适宜性评价走向综合。2010年以来,土地适宜性评价改变以往单纯的农用地适宜性评价,同时关注区域农业用地、建设用地、生态用地的适宜性,并将适宜性评价结果与土地利用现状进行对比分析[79],或者根据规划优先度进行综合适宜性评价[80],实现区域用地结构的调整与优化。同时,未利用地[81]与农村居民点适宜性评价[82]也备受重视。评价方法更加综合,在专家打分、层次分析法和综合指数法的基础上,逐渐发展了模糊证据权模型[83]、元胞自动机生态位适宜度模型[84]等方法,在一定程度上克服了知识驱动方法中权重计算主观性强或数据驱动方法中因子间多重共线干扰、算法复杂等不足。
(2)土地生态评价成为热点。土地生态评价是从结构、功能、价值和生态环境出发,对土地生态系统质量进行的综合评价[6],在2010年以后成为了土地资源评价的热点。研究主要包括土地生态安全评价、土地生态风险评价以及土地生态系统服务价值估算等。
土地资源生态安全评价指标体系主要有自然—经济—社会指标体系[85]、压力—状态—响应指标体系(PSR)[86]以及驱动力—压力—状态—影响—响应指标体系(DPSIR)[87]。为了回避主观赋权法,物元模型法[88]、投影寻踪法[89]等方法在土地生态安全评价中得到运用。
土地生态风险研究源于区域生态风险,区域生态风险研究趋于成熟[90-91],但土地生态风险研究刚刚起步。刘勇等构建了质量风险、结构风险、承载力风险三维土地生态风险模型[92];虞燕娜等提出了基于风险概率、恢复能力及其损失度的土地生态风险表征方法[93];常青等提出了生态系统暴露系数和土地破坏累积作用系数的量化方法,在多风险源与多风险受体交互作用方面做了有益探索[94]。
土地生态系统服务价值的变化反映了土地利用的生态后果。诸多学者利用生态系统服务价值理论从土地利用的角度定量估算土地生态系统为人类提供服务的经济价值[95],其中以Costanza和谢高地的生态系统服务价值当量因子表为基础的估算方法最为常见[96]。同时,土地利用变化对土地生态系统服务的影响得到了广泛研究[97]。
(3)土地多功能评价崭露头角。土地多功能评价旨在确定和度量土地多元化利用所提供的环境、经济和社会的产品、服务和功能,是土地可持续利用研究的新途径[98]。2009年,甄霖等构建了土地利用多功能性评价框架并进行了中国土地利用的多功能性动态分析[98-99]。其他学者进一步深化了多功能评价的方法,如五形向量结构法[100]、改进突变级数法[101]、全排列多边形图示指标法[102]等。针对评价结果,不同学者分析了土地利用多功能的实现程度、动态变化程度与多功能之间的消长关系[99,103-104]。
3.3.2 土地资源承载力 2010年以后,土地资源承载力研究突破了“人粮关系”研究思路,从工业和城市建设用地供给能力和人均建设用地高低等角度研究城市与城市群的土地资源承载力[105-106],反映了土地资源承载力研究由土地生产性向土地综合生态安全性、稳定性的方向演变。此外,多要素综合评价也能反映区域土地资源承载力水平,如基于DPSIR模型[107]、粒子群优化投影寻踪模型[108]的土地资源承载力评价方法。虽然这类方法操作性强,但仍存在指标体系的普适性问题;同时,这类研究不能直观表达土地能承载的人口数量,只能揭示区域内土地资源承载力的相对高低。
根据核心关键词在不同阶段的词频变化(图7),可以归纳出以下几种类型:(1)“土地资源”、“土地生产力”等关键词词频逐渐下降,说明以土地生产力为核心的土地资源评价理论与方法在起步阶段已趋于成熟;(2)“可持续发展”、“承载力”等关键词词频在第二阶段剧增,第三阶段略微下降,表明土地可持续利用评价与土地承载力研究在上升阶段发展迅速,已基本稳定;(3)“景观格局”、“生态系统服务”、“生态安全”、“生态风险”等关键词词频持续上升,说明土地生态评价正在逐步深入,已成为土地资源学研究的热点。
图7 1980—2017年土地资源学核心关键词在不同阶段的词频变化Fig.7 The change of word frequency of land resources science in the 3 development stages from 1980 to 2017
土地资源学的总体目标是为合理利用、开发和保护土地资源提供理论依据。它至少需要回答以下几个问题:
(1)土地资源及其背景是如何形成与演化的,具有怎样的分布规律?土地资源性质与土地利用现状的关系如何,是否合理与适宜?
(2)土地资源适宜什么用途,在特定用途下土地生产力或者土地投入产出比如何?土地资源存在哪些限制因素,克服和改善这些限制因素的难易程度?
(3)土地资源生产潜力有多大,能承载多少人口,在当前生产技术条件下潜力发挥如何?准确把握了土地资源分类、数量、质量的空间分布和演化规律,就能为土地利用规划、土地资源优化配置、区域土地资源开发战略的制定等提供坚实的理论基础。
目前,土地资源学尚存在以下方面的不足:
(1)学科体系构建不足。现有的土地资源学知识体系基本上还是多学科视角下土地资源问题研究的整合,特别是地理学和资源学视角下自然地理、自然资源的研究延伸,尚未完全构建起专门的服务于土地可持续利用和管理的土地资源学学科体系。
(2)土地类型研究尺度单一。目前,土地类型以中尺度空间单元研究为主,缺乏小尺度精细研究,忽视高等级宏观研究;不同尺度的土地类型转换和衔接研究不足,不同级别的土地类型单位与制图比例尺之间未建立起严格的匹配关系。
(3)土地资源评价指标体系合理性不够。许多研究仅依据评价原则和目标确定指标体系,难以保证指标体系的合理性,存在指标体系片面、结构不合理和指标冗余度大等问题。且多从当前发展水平出发选取指标,对反映可持续发展能力与潜力的指标考虑较少。
(4)土地资源承载力结果可比性不强。由于土地资源承载力研究的各项参数的不确定性,直接影响了研究成果的一致性和精确度。研究方法和标准的较大差异使得相关研究成果难以互相利用并推广。
(1)提高对土地资源学科的认识水平。完善土地资源学学科体系,明确土地资源学的内核与外延,理清土地资源学与其他相关学科的联系;规范土地资源学的研究对象、范围、理论基础、方法论、表现形式、应用目标等。
(2)适应国家社会经济发展的需求。土地资源学的发展必须紧密结合国家经济社会发展对土地资源研究的要求,加强土地资源优化配置、土地生态及可持续性、耕地资源保护及其利用、土地资源集约节约利用等方面的研究[109-110]。
(3)以研究手段的进步促进土地资源学的发展。结合大比例尺观测和定点监测,提高土地资源实时动态监测的水平;集成土地评价模型与方法,开展不同方法的对比验证,增强评价结果的客观性和说服力;构建和完善土地评价信息系统,提高土地评价的工作效率。
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