中国城市间净虚拟耕地流动与网络结构演变：基于城市级MRIO与复杂网络的分析

《Land》：Net Virtual Cropland Flows and Network Structural Changes Among Chinese Cities: A City-Level MRIO and Complex Network Analysis

　　

在中国，耕地资源与农业生产在空间上与人口及消费需求不匹配，使得净虚拟耕地流动对区域间资源再分配具有重要意义。研究人员利用2012年、2015年和2017年的城市级多区域投入产出（MRIO）表及耕地利用数据，量化了中国357个城市间的净虚拟耕地流动，并构建了有向加权网络。基于复杂网络理论，研究人员运用结构指标、加权富俱乐部系数（Weighted Rich-Club Coefficient）和最大容量介数中心性（Maximum-Capacity Betweenness Centrality）评估了该网络的结构变化。虚拟耕地流动在空间上分布不均，但随时间相对稳定。东北和西北地区是主要的净流出区，而东部沿海城市群及若干大城市是主要的净流入区，并呈现出显著的空间集聚特征。2012年至2017年间，平均节点强度（node strength）和网络效率（network efficiency）上升，而加权聚类系数（weighted clustering）下降，加权同配性（weighted assortativity）由接近零转为负值。核心流出城市与核心流入城市之间持续存在显著的富俱乐部排序（rich-club ordering），但最强效应逐渐集中于更小范围的城市群体。关键中介角色由传统全国性枢纽向东北、华北及中原地区的内陆城市扩散。总体而言，中国城市间的净虚拟耕地流动形成了一个以核心城市、非核心城市及关键中介城市为核心架构的网络化体系。

中国城市间净虚拟耕地流动与网络结构演变研究解读

一、研究背景与意义

耕地是粮食生产和社会经济稳定的基础。然而，中国人均耕地资源有限、空间分布不均且存在持续退化压力。区域间在自然资源禀赋、经济发展水平和耕地保护政策上的差异，加之人口、产业结构和消费模式的空间分化，使得以耕地为基础的生产与粮食需求之间的空间分离日益扩大。随着区域专业化分工和经济一体化的深化，城市粮食消费越来越依赖于隐含在区域间生产和贸易中的耕地资源，这种隐含于生产—消费关系中的耕地被称为虚拟耕地。对于耕地稀缺地区而言，虚拟耕地流动可通过利用其他地区的耕地来满足部分食品和农产品需求，从而缓解本地耕地资源压力，但也可能将土地利用和环境压力外部化，使虚拟耕地流出区承担不成比例的资源与环境成本。因此，研究虚拟耕地的区域间再分配，对于粮食安全、生态补偿和气候变化应对具有重要政策含义。

已有研究多在国家或省级尺度开展，难以揭示城市层面的供需格局和区域内异质性。同时，以往研究主要关注虚拟耕地流动的规模与方向，较少关注这些流动在城市间网络中如何被结构性组织。城市不仅在其虚拟耕地进出口量上存在差异，更在网络中占据不同的结构位置。基于此，本研究利用城市级MRIO框架与复杂网络分析，回答三个问题：净虚拟耕地流动在空间和时间上如何变化及其空间集聚程度；城市间网络结构如何变化；哪些城市和连接在网络中占据关键结构位置。

二、研究内容与主要结论

研究覆盖中国27个省区及4个直辖市的357个地级以上城市，利用2012年、2015年和2017年城市级MRIO表及30米分辨率中国年度耕地数据集（CACD），量化了城市间净虚拟耕地流动并构建了有向加权网络。主要结论包括：虚拟耕地流动呈现稳定的生产者—消费者地理格局，净流出集中于东北和西北等耕地资源丰富的农业区，净流入集中于东部沿海城市群及若干内陆大城市，并呈现显著空间集聚；网络结构持续演变，平均节点强度上升、加权聚类下降、网络效率提升、加权同配性由近零转为负值；核心流出城市与核心流入城市之间持续存在显著的加权富俱乐部结构，且最强效应逐渐集中于更小范围的核心城市群体；关键中介角色由传统全国性枢纽向东北、华北及中原地区的内陆城市扩散。

三、主要技术方法

研究采用城市级多区域投入产出（MRIO）框架，将耕地利用数据扩展至混合货币—实物投入产出表中，通过Leontief逆矩阵追踪直接和间接的虚拟耕地流动。利用全局和局部Moran's I指数评估净虚拟耕地流动的空间自相关。基于净流动矩阵构建有向加权网络，采用节点强度、有向加权聚类系数、有向加权网络效率和加权同配性系数评估网络整体结构变化，并运用归一化加权富俱乐部系数和最大容量介数中心性识别核心流动连接和关键结构位置城市。数据来源为CEADs城市级MRIO表和CACD耕地数据集。

四、研究结果

4.1 净虚拟耕地流动的时空格局

净流出城市由2012年的186个降至2017年的177个，净流入城市由171个增至180个，两者数量趋于接近。净流入和净流出均呈强烈右偏分布，均值呈倒U型变化，2015年达到峰值。空间上，东北地区是最大净流出区，西北地区次之，皖北、豫东、江汉平原等地也有分散的净流出城市。净流入高度集中于东部沿海地区，形成京津冀—山东半岛—长三角—浙闽沿海—珠三角的连续净流入带，武汉、郑州、长沙、西安、重庆等内陆区域中心也出现极端净流入。2012至2017年间，净流入区向内陆扩展，净流出区向西北延伸，空间分离趋势加剧。

4.2 净虚拟耕地流动的空间自相关

全局Moran's I从2012年的0.107增至2017年的0.141，均显著为正，表明净虚拟耕地流动呈显著空间集聚且集聚程度随时间增强。局部LISA分析显示，HH集聚主要分布于东北地区且范围扩大，LL集聚主要分布于东部沿海和长江中下游地区，HL和LH空间异常值较少且分布零散。

4.3 网络整体结构

网络包含357个节点和63,223条边，有向密度为0.498，覆盖99.49%的可能城市对。平均节点强度由2012年的229,042.87增至2017年的250,251.34，表明城市间净虚拟耕地交换量增大。平均有向加权聚类系数由0.00035降至0.00026，表明高强度流动日益脱离本地闭合三角结构。有向加权网络效率由0.0037增至0.0065，提升约58%，表明高容量路径的连接效率显著增强。加权同配性由0.0012转为-0.1375，表明强连接日益连接不同强度水平的城市。敏感性分析表明这些结构变化在剔除弱边后依然稳健。

4.4 网络核心结构

加权富俱乐部排序在三个年份均显著，归一化系数介于1.939至2.752之间。最强富俱乐部排序由2012年和2015年的前10%核心城市收窄至2017年的前5%。核心到核心流动占网络总流量的22%至26%。弦图分析显示，核心走廊包括东北地区内部流动、东北至东部沿海的长距离流动以及省内或邻近城市间的短距离流动。最大容量介数中心性排名随时间显著变化，北京、上海、哈尔滨、长春、重庆在三年中均保持重要中介地位。2015年长春、太原、哈尔滨位居前三，2017年郑州、周口、许昌、运城等中原城市中介角色凸显。

五、讨论与结论

5.1 讨论

研究揭示了虚拟耕地流动的空间再分配与网络组织特征。空间集聚反映了区域间在耕地禀赋、生产条件和消费需求上的分工格局。网络结构变化表明虚拟耕地再分配不仅是土地资源的空间转移，更是城市间生产—消费关系的网络化重组。富俱乐部结构与同配性结果并不矛盾，共同揭示了核心—边缘连接与核心—核心强连接并存的双重结构。最大容量介数中心性识别出与“流动核心”不同的“结构核心”城市，两者不完全重叠，表明城市在网络中的结构角色存在显著分化。研究存在数据时间跨度有限、农业部门聚合程度较高、未量化环境后果等局限。政策上，核心流出区应保障生产能力，核心流入区应分散供应风险，关键中介城市应强化仓储物流等枢纽功能，并建立跨区域生态补偿机制。

5.2 结论

利用2012年、2015年和2017年城市级MRIO数据，本研究考察了中国357个城市间的净虚拟耕地流动及由此形成的有向加权网络结构。结果显示，城市角色随时间总体稳定，虚拟耕地再分配由少数核心城市、大量非核心城市和关键中介城市共同架构。净流出集中于东北和西北等耕地富集区，净流入集中于东部沿海城市群和若干内陆大城市，且呈显著空间集聚。城市级虚拟耕地网络日益高效并持续结构演变，平均节点强度上升、聚类下降、网络效率提升、同配性转负。核心流出与核心流入城市间持续存在显著的加权富俱乐部结构，最强排序至2017年收窄至前5%城市。关键中介角色由传统大城市向东北内陆、华北和中原地区扩散，北京、上海、哈尔滨等城市在多个年份保持重要中介地位。