黄河流域城市虚拟土流动量核算及其空间网络分布分析_明思雨.pdf

业务68土地资源是人类生存生活的一种自然资源，其重要性和稀缺性等特点决定了它具有自然与社会的双重属性1。随着经济增长和人口增加，人类对于土地资源的需求不断加大2，土地资源紧缺已成为限制社会经济发展的主要因素之一。在这样的背景下，解决区域土地资源紧缺问题已成为当务之急3。传统应对土地资源紧缺的措施基于本土思维，秉持“一方水土养育一方人”的理念，通过大规模的土地开发、复垦、整理等满足经济发展对土地资源的需求，或通过新技术、新方法提高土地密集型产品的产量从而提升土地利用强度，或通过产业结构调整提高土地利用效率等方式解决土地资源短缺问题，其重点均在于提升区域内部土地生产能力4-5。但本土思维模式不能解决由自然环境所决定的区域土地资源差异黄河流域城市虚拟土流动量核算及其空间网络分布分析*文/明思雨 赵锐锋 贾志斌Urban Virtual Land Flow Accounting and Its Spatial Patterns of Network in the Yellow River Basin摘 要 分析隐藏在区域贸易中的虚拟土流动有助于调控区域协同发展下的土地资源供需平衡，缓解地区土地资源压力。本文基于我国2017年城市间投入产出表，采用多区域投入产出模型构建黄河流域城市虚拟土流动关系矩阵，并通过复杂网络、社会网络分析方法，系统刻画虚拟土流动网络格局，探讨其网络层级特征。研究表明：（1）2017年黄河流域城市建设用地虚拟土的流动量为3629.88km2，工业用地与第三产业用地虚拟土流动量分别占16.92%、83.08%，在空间上虚拟土流动能力由东向西逐渐减弱。（2）根据流动量将虚拟土流动网络划分为四个层级，当层级降低时，联系范围增大，网络完整性加强，但单条路径承担的流动量减少；二级、三级网络是虚拟土流动网络的主体，聚集和极化现象明显，流域中下游地区网络完整性更强，一级网络以较少的城市对承担较高的流动量。为更好地实现区域间协同发展，对土地资源利用进行统筹规划，建立多区域协调发展机制，转变区域间贸易结构尤为关键。本文试图通过对黄河流域虚拟土流动量与流动网络格局的分析，为土地治理体系构建提供一定的数据支撑，进一步为解决土地利用和生态保护之间的矛盾提供参考。关键词 虚拟土；多区域投入产出模型；虚拟土流动；网络分析；黄河流域导致的土地资源供需不平衡问题6。“虚拟土战略”打破传统“就地论地”的思维范式，运用贸易与消费的现代经济组织模式使资源的供求通过区域间的供应链或贸易网络实现再平衡7，为解决土地资源供需问题提供了新的途径8。虚拟土指生产产品或服务过程中所需的土地资源，其伴随区域间的贸易发生流动。自罗贞礼等在“虚拟水”的基础上衍生出“虚拟土”及“虚拟土战略”概念9后，许多学者对虚拟土测算与流动特征等方面开展大量的研究，取得了丰硕的成果7,10-12。其中，虚拟土测算作为虚拟土研究的基础更是受到广大学者的关注。早期研究主要以生产地单产为基础进行虚拟土测算10，这一方法反映了产品贸易隐含的真实土地资源量及其空间分布，但忽略了生产过程中需要的土地资源量，对于多个国家和地区农产品及加工制品的贸易而言，要确定其产品的生产地较为困难。也有学者提出从消费者的角度出发，即进出口隐含的虚拟土资源量都按本国的单产水平进行计算11，但该方法忽略了消费地因现实条件制约不生产该产品的问题，从而不能揭示虚拟土资源进出口的空间分布。投入产出分析方法13为虚拟土测算提供了新的解集，它可以反映、研究和定量分析社会再生产全过程中各领域（生产、分配、交换、消费）之间，国民经济各部门、各地区之间及与国际的经济技术联系，在虚拟资源研究中已得到广泛使用7,14。当前的研究多采用生产地或消费地单产测算虚拟土资源量，忽略了生产过程中间接使用的土地面积，因此本文将采用投入产出分析方法对虚拟土资源量进行测算。*基金项目：国家自然科学基金项目(41261047、41761043)；甘肃省科技计划项目（20YF3FA042）；西北师范大学青年教师科研能力提升计划团队项目(NWNU-LKQN-17-7)DOI:10.14026/ki.0253-9705.2023.04.01569ENVIRONMENTAL PROTECTION Vol.51 No.04 2023虚拟土的流动可直观呈现社会经济贸易活动与土地资源之间的联系，分析虚拟土流动特征可以使区域土地资源通过贸易与消费的间接调控实现优化配置15。在研究初期，学者们基于输入（出）量、净输入（出）量等“属性数据”指标，用虚拟土流动量的大小表示其流动特征，反映空间分布状态16。随着区域贸易体系的完善，生产要素的空间跨区域流动与互通趋于明显，虚拟土流动的空间关联呈现出复杂、多线程的结构特性，导致现有基于“属性数据”的指标难以全面揭示“关系数据”整体网络结构形态与空间聚类方式17。因此，可以将网络分析纳入虚拟土流动研究范畴，如通过生态网络框架分析区际农业生态补偿网络系统的稳定性和可持续性18。同时，部分研究在虚拟要素网络结构分析中还应用了复杂网络分析方法，通过节点度、节点强度、累积度等指标刻画网络特征19。但当前对虚拟土流动的研究更偏向于节点在网络中的作用，缺乏从整体上动态把握省际虚拟土流动网络的空间关联结构特征。社会网络分析方法（SocialNetworkAnalysis,SNA）能够针对“关系数据”的网络特征展开有效分析20，并逐渐成为经济学、管理学等领域中新的研究范式21-22，但将其应用在虚拟土流动网络中的研究较少。黄河流域生态保护与高质量发展战略的提出为横跨九省（区）的黄河流域带来了新机遇，研究如何在土地资源紧缺的限制下科学实施该战略具有重要的现实意义23，而虚拟土概念的提出则为此带来新的思路。现有研究通常以省域为研究单元分析全国虚拟土地流动7,18，也有学者对流域内单一省份的虚拟土进行核算与分析10,24，这些基于省域或更大尺度的研究可能会掩盖空间格局零散和局部的特征，同时单一尺度的研究也无法满足制定不同区域差异性政策的需求。因此，就黄河流域虚拟土的研究而言，一方面研究尺度亟待进一步的深入，另一方面从流域的角度和高度进行的探讨略显不足。鉴于此，本文利用我国2017年309个地级行政区间投入产出表，基于投入产出模型核算黄河流域城市虚拟土流动关系矩阵，通过复杂网络、社会网络分析方法分析黄河流域内地级行政区不同土地利用类型虚拟土流动网络的整体特征及个体在网络中的角色和地位，探究基于虚拟土流动联系强度的最大优势流网络层级分布，以期为土地资源供需平衡、合理规划布局和区域优化配置提供科学参考。研究方法多区域投入产出模型投入产出分析最早采用单区域投入产出模型（IOA）反映国民经济系统中各种产业部门生产活动的直接和间接联系13，但IOA只能揭示单一封闭省级行政区的特征。考虑区域生产技术和区域间贸易联系的差异，并为了解释区域虚拟土的转移，在投入产出核算框架的基础上，使用多区域投入产出模型（MRIO）将区域贸易与区域土地利用联系起来14。采用2017年309个地级行政区多区域投入产出表构建区域经济生产关系，包含309个区域，每个区域有42个产业部门。区域的生产活动平衡为：式中，为区域部门的总产出；为直接投入系数，表示 区域 部门生产单位产品时，需要 区域 部门的直接投入；为 区域 部门对 区域最终需求的投入量；为 区域部门的出口量。矩阵形式为：移项变形后得到多区域投入产出模型：其中：式中，表示产出矩阵，为直接投入系数矩阵，和分别表示最终需求矩阵和出口矩阵；为Leontief逆矩阵，矩阵内元素表示为满足 区域 部门一单位的最终需求，区域部门需要的总产出。土地资源流动通过生产、消费和贸易活动融入相关经济活动。具体来说，土地资源在生产过程中被占用，通过区域间贸易转移，以最终产品的形式到达消费者手中。根据部门经济产出，在多区域投入产出模型中引入各部门生产过程中的直接土地利用面积，假设每个部门的土地生产率相同。将各部门生产过程中的直接土地利用系数作为虚拟土核算的基础，表示区域部门生产单位产品占用的土地面积25，其计算公式如下：式 中，为区 域 部 门 生产 所 需 的 直 接 土 地 面 积。区域 的 直 接 土 地 面 积 系 数 向 量 为，3 0 9 个区域的直接土地面积系数向量构成直接土地面积系数矩阵，为矩阵的子矩阵。根据直接土地面积系数，可计算完全用地系数：业务70矩阵内元素表示为满足 区域各部门增加一单位的最终需求的产品，区域提供的土地面积。根据构建的MRIO模型，可测算 区域流向 区域的虚拟土流动关系矩阵，计算如下：式中，为 区域向 区域的虚拟土流动量；为从 区域的 部门到 区域的 部门的虚拟土流动量。网络特征（1）加权出度、加权入度和加权度加权出度、加权入度是将某个城市到各城市的虚拟土流出量、各城市到某一城市的虚拟土流入量进行加总处理，加权度是二者之和26，采用加权度表示区域虚拟土输送能力。式中，为加权出度，表示从 城市到 城市的建设用地虚拟土流出量；为加权入度，表示不同城市 到 城市的建设用地虚拟土流入量；为加权度。（2）联系强度联系强度（）指两个区域之间联系量的大小，用来表示区域之间联系的紧密程度。本文中 城市和 城市虚拟土流动量之和等于联系强度。式中，表示 城市到 城市的虚拟土流动量，表示 城市到 城市的虚拟土流动量。（3）网络密度网络密度（）刻画的是有向加权网络联系路径的稠密程度，表征网络中节点间相互连边的密集程度。具体计算公式为：式中，为网络中的虚拟土流动量，为网络中的节点数量。（4）平均路径长度平均路径长度（）指在所有连通（）的通路中，连接两点的最短路径所含边数，用以表征网络中节点的分离程度。式中，为节点到节点 的距离。（5）群集性群集性是衡量网络节点局部聚类情况的参数，一个节点的群集系数指所有相邻节点间连边的数目占可能最大连边数目的比例。对于某个节点，其定义式为：（15）式中，和分别为 节点的实际和可能最大连边数目。网络的群集系数（）就是所有节点群集系数的平均值，即：通常来说，越大，表示整个网络各个节点之间形成短距离联系的程度越大，即整个网络的局部连接明显。研究区域界定及数据来源研究区域界定以往的研究多根据“以自然黄河流域为基础、尽可能保持地区级行政区划单元的完整性和考虑地区经济发展与黄河的直接关联性”三条原则27来选取黄河流域经济空间的范围，但考虑到四川省已经纳入长江经济带发展战略的范围中，为避免交叉重复，本文在采取上述原则的同时，考虑到流域下游社会经济联系的紧密性28，根据数据的可获取性，最终选取黄河流经的8省（区）作为研究区范围，主要考虑甘肃、宁夏、陕西、山西、内蒙古、河南、山东7省（区）的72个地级行政区：济南、青岛、淄博、枣庄、东营、烟台、济宁、泰安、威海、日照、莱芜、临沂、德州、滨州、菏泽、潍坊、聊城、郑州、开封、洛阳、平顶山、安阳、鹤壁、新乡、焦作、濮阳、漯河、三门峡、南阳、商丘、信阳、驻马店、许昌、周口、太原、大同、阳泉、长治、晋城、朔州、晋中、运城、忻州、临汾、吕梁、西安、铜川、宝鸡、咸阳、渭南、延安、榆林、商洛、呼和浩特、包头、乌兰察布、鄂尔多斯、巴彦淖尔、乌海、银川、石嘴山、吴忠、中卫、固原、兰州、白银、天水、武威、平凉、庆阳、定西、陇南，以及青海省。数据来源多 区 域 投 入 产 出 表 来 源 于 中国碳核算数据库（https:/ PROTECTION Vol.51 No.04 2023产出表一致汇总为309个区域42个部门。由于该表将青海、西藏、云南、海南4个省（区）作为4个单元进行统计，因此本文也将青海省作为1个单元，将研究单元确定为73个。数据属性包括生产区域和消费区域、总贸易额（按当年生产者价格计算），采用贸易额度表示区域间联系强度。中国城市建设统计年鉴提供了2017年我国31个省（区、市）的城市建设用地数据。根据年鉴资料将城市建设用地分为：工业用地、物流仓储用地、商业服务业用地、居住用地、道路交通设施用地、公用设施用地、公共管理与公共服务用地。参考虚拟土地分类相关研究7,31，结合所获得土地利用数据及各部门属性，除去投入表中农林牧渔产品和服务业，将城市建设用地分为工业用地和第三产业用地，而第三产业用地包括物流仓储用地、商业服务业用地、居住用地、道路交通设施用地、公用设施用地、公共管理与公共服务用地。将各部门合并为五大类，分别为矿业，制造业，电力、热力、燃气、水供应业，建筑业以及服务与交通业。其中，矿业，制造业，电力、热力、燃气、水供应业，建筑业对应工业用地，服务与交通业对应第三产业用地。结果分析虚拟土流动量将黄河流域内各城市虚拟土流动量做加总处理，并将x轴作为加权入度，y轴作为加权出度作xy散点图（见图1）。结果显示，2017年黄河流域内城市虚拟土建设用地流动总量为3629.88km2，工业用地与第三产业用地分别占16.92%与83.08%。其中，工业用地向工业用地的流动占86.79%，向第三产业用地流动只占13.21%；第三产业用地向第三产业用地的流动占62.37%，向工业用地流动占37.63%。建设用地虚拟土流动主要集中在银川、郑州、青岛、济南、西安、太原等城市，银川的虚拟土流动总量最高，且流出量远大于流入量（见图1a）；工业用地虚拟土流动量以青岛最为显著，其次是烟台、济南，且流入量与流出量基本持平（见图1b）；第三产业用地虚拟土流动量以郑州最为显著（见图1c），银川是主要的输出地区，青岛、郑州以及青海是主要的输入地区，其次为济南、西安、太原等省会（首府）城市，黄河上游地区城市除省会（首府）城市外与流域其他城市联系并不紧密。总的来说，中、下游地区虚拟土流动量明显高于上游地区，内蒙古、宁夏、甘肃、青海除省会（首府）城市外其他城市的虚拟土流动量并不显著，表明中上游城市的虚拟土流动并不紧密。在空间分布方面，中下游地区虚拟土流动量占76.5%，流动能力较强的城市主要分布在河南、山东两省（图2a）；其次为西安、太原、银川、兰州等省会（首府）城市；山西、宁夏、甘肃的非省会（首府）城市虚拟土流动能力较弱，并且与流域内其他城市联系不紧密。城市工业用地虚拟土流动量呈现上、中、下游依次递增的态势，下游地区城市工业用地虚拟土流动量占整个流域的68.6%，从图2b中可以看出以山东省为主；其他省（区）的省会（首府）城市工业用地虚拟土流动能力较强，与流域内城市联系较为紧密。与工业用地相比，流域内第三产业用地虚拟土流动能力进一步加强，银川、青海第三产业虚拟土流动能力明显提升，但流域中下游仍是第三产业虚拟土流动较为紧密的地区（见图2c），占整个流域的74.6%。虚拟土流动网络格局利用ArcGIS软件中自然断点法将黄河流域内城市虚拟土流动联系强度分为四级，构建虚拟土流动网络层级。在建设用地虚拟土流动网络中（见图3a），一级网络共3个城市对，占总城市对数量的0.06%，虚拟图1 2017年黄河流域内城市虚拟土加权出、入度（a 建设用地，b 工业用地，c 第三产业用地）业务72土流动量占流域内虚拟土流动总量的9.30%，单条路径所承担的平均虚拟土流动量达到112.56km2，路径平均距离为212.40km，集中在宁夏、青海。二级网络涉及19个城市对，占总城市对的0.36%，流动量占比为13.46%，单条路径所承担的平均虚拟土流动量为25.71km2，网络路径的平均距离为189.32km。二级网络层级形成以省会（首府）城市为核心的联系，但结构单一，与其他省（区）的城市联系不明显，网络发育程度较低。总的来说，二级网络拓展到了整个流域，但省（区）间联系仍不紧密。三级网络中包含199个城市对，占总城市对的3.79%，流动量占47.06%，是虚拟土流动量最多的层级，但单条路径所承担的虚拟土流动量远低于前两个层级，网络路径的平均距离为226.24km。本层级中省会（首府）城市扩大自己的辐射范围，将全省（区）的城市都纳入以省会（首府）城市为核心的辐射型网络中，流域下游地区网络更加密集，形成环形网络，与二级网络形成良好的互补，大大增加了网络的完整性。四级网络是流域内联系路径最多的网络层级，城市对数量占比为95.79%，流动量占比为30.18%，单条路径的平均流动量为0.22km2，网络路径的平均距离为619.72km。此层级将流域内边缘城市相互连接，将所有的城市都纳入虚拟土流动网络中，网络完整性明显提高。工业用地虚拟土流动网络联系更为紧密完整（见图3b），一级网络城市对共26对，虚拟土流动量占总流动量的17.09%，单条路径的平均虚拟土流动量为4.04km2，网络路径的平均距离为183.24km。本层级以山东为主，形成以济南、青岛为核心的辐射网络，同时出现了西安宝鸡、包头呼和浩特的双向联系。二级网络中城市对增加到76对，流动量占24.93%，单条路径的平均虚拟土流动量为2.01km2，网络路径的平均距离为242.22km。本层级仍以山东为主，各省（区）内的城市联系开始加强，省会（首府）城市扩大辐射范围，未发育省（区）间联系网络。三级网络总计有252个城市对，流动量占比为31.17%，单条路径平均虚拟土流动量为0.76km2，网络路径的平均距离为237.86km。在本层级中，流域中下游的河南、山东虚拟土流动网络密度明显大于其他省（区），山东仍是发育程度最高的省份。上中游地区网络密度较一级网络有所增加，以省会（首府）城市为核心向周围城市扩散，出现了兰州郑州、包头西安、郑州青岛等省（区）间联系。四级网络城市对占比为97.58%，流动量占比为26.81%，单条路径平均虚拟土流动量只有0.03km2，网络路径的平均距离为629.63km。本层级城市间的联系是最低的，但城市数量与省（区）间联系明显增加，将流域中大部分城市相连接，本层级网络是整个网络形成的基础。第三产业用地虚拟土流动网络层级与建设用地相似（见图3c）。一级网络有1个城市对，虚拟土流动量占比为5.70%，单条路径承担流动量为171.81km2，网络路径的平均距离为279.96km。本层级网络仅出现在上游地区。二级网络共有6个城市对，流动量占比为10.78%，单条路径所承担的平均虚拟土流动量为54.21km2，网络路径平均距离为173.14km。本层级在上一层级基础上进一步发育，以宁夏、山西为主，网络发育程度低，下游地区未出现明显网络联系。三级网络有139个城市对，流动量占比上升为39.77%，单条路径所承担的平均虚拟土流动量为8.63km2，网络路径的平均距离增加为694.94km。本层级仍是以省（区）内联系为主，省（区）间联系不显著。山东形成以济南、青岛和烟台为核心的闭环网络，河南形成以郑州、洛阳为核心的双核网络，其余省（区）均以省会（首府）城市为核心形成向省（区）内城市延展的单核联系网络。四级网络共有5110个城市对，虚拟土流动量占43.75%，单条路径所承担的平均虚拟土流动量只有0.26km2，网络路径的平均距离为601.10km。与前三个层级相比，流域内的城市都纳入本级联系网络中，城市对数量大幅上升，虚拟土流动量也图2 2017年黄河流域内城市虚拟土流动量空间分布（a 建设用地，b 工业用地，c 第三产业用地）73ENVIRONMENTAL PROTECTION Vol.51 No.04 2023增加，但单条路径所承担的平均虚拟土流动量下降明显，本层级网络是整个第三产业用地虚拟土流动网络形成的基础。结论与政策启示结论本文基于我国2017年投入产出表，采用多区域投入产出模型核算了黄河流域虚拟土流动量，并通过复杂网络、社会网络分析方法对虚拟土流动网络结构和层级进行了分析，得出以下结论：（1）2017年黄河流域城市建设用地虚拟土的流动量为3629.88km2，工业用地与第三产业用地虚拟土流动量分别为614.21km2（占比为16.92%）、3015.67km2（占比为83.08%）。在空间上，虚拟土流动能力由东向西逐渐减弱，虚拟土流动量的等级和空间分布不平衡。下游地区的山东是整个虚拟土流动网络的中心腹地，国家中心城市（郑州、西安）、副省级城市（青岛）、省会（首府）城市是虚拟土流动最为活跃的区域，成为虚拟土流动网络中的核心节点。（2）黄河流域虚拟土流动网络层级越高，其联系范围就越小，网络密度也越低，完整性越差，网络中聚集和极化现象明显。高层级网络以少数的网络路径承担着较高的虚拟土流动量，更多的是国家中心城市、副省级城市、省会（首府）城市与邻近次级核心城市之间的联系。随着网络等级的下移，网络平均路径逐渐增加，次级核心和非核心城市加入虚拟土流动网络中，但更多的是网络核心城市与邻近次级核心城市之间的联系，在低层级网络中才逐渐显现核心城市之间的联系，体现出中心地模式下的“城市区域”结构。流域内虚拟土的流动主要存在于二级、三级网络，流动量占比达到60%以上，一级网络往往以较少的城市对承担较高的流动量，四级网络密度最大，联系范围最广，但网络路径的平均联系强度最低。政策启示目前，学术界对产业经济增长的推动力问题多从供给侧结构性改革、调整产业结构、实施集约型土地资源等角度出发，主张通过产业制度改革推动经济增长。这些改革能在一定程度上促进经济发展，但也无法始终保证经济增长的持续发展32。流域内流出地和流入地之间虚拟土的流动，会对二者的社会经济和生态环境产生不同程度的直接或间接影响。一方面，省会（首府）城市吸纳了大量虚拟土地资源，可能会使人口、公共服务设施、产业等进一步集聚，导致周边土地不断被侵占，城市进一步扩张而后吸纳更多的虚拟土资源，经济得以发展的同时也陷入了供给与需求的恶性循环。另一方面，流域内虚拟土流动网络形成的中心腹地模式造成次级城市无法有效地融入网络系统，可能因线路断裂而处于孤立状态，在城市发展中永久处于次级位置。这些影响往往有非线性、波动性等特点，可能会产生级联效应与滞后效应33。因此，在制定政策时，作为虚拟土的流入（出）地，应将社会经济和环境影响纳入考虑范围。可以建立跨区域补偿机制，在虚拟土流动过程中，对于应由需求方承担的环境责任，按照一定标准由流入城市向流出城市进行补偿，形成受益者付费、供给者受偿的良性局面。同时，针对上中下游实际情况，加大对上游地区的支持与投入，给予补贴，扩大生产规模，对中下游地区进行适当征税，推动虚拟土贸易的动态调整，以促进流域内更多城市间的跨区联系，形成更加紧密、完整的流动网络。参 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