考慮糧食安全和耕地質(zhì)量的縣域基本農(nóng)田空間布局優(yōu)化

郭貫成，韓小二

考慮糧食安全和耕地質(zhì)量的縣域基本農(nóng)田空間布局優(yōu)化

郭貫成，韓小二

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)公共管理學(xué)院，南京 210095）

基于糧食安全優(yōu)化區(qū)域耕地空間布局，以期為糧食安全和耕地保護(hù)提供參考。該研究以河南省柘城縣為例，從人口發(fā)展的角度出發(fā)，建立灰色-BP網(wǎng)絡(luò)組合模型，預(yù)測1999－2025年柘城縣人口數(shù)量以及耕地需求量；其次，從六種糧食消費(fèi)途徑采用折算法計(jì)算糧食需求量與糧食安全系數(shù)；隨后，根據(jù)基本農(nóng)田空間布局優(yōu)化的要求，從生產(chǎn)條件、區(qū)位條件、景觀條件以及政策條件4個(gè)方面構(gòu)建耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，并使用加權(quán)指數(shù)和法計(jì)算耕地綜合質(zhì)量分；最后，根據(jù)糧食安全對(duì)耕地?cái)?shù)量的要求以及質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果，優(yōu)化柘城縣基本農(nóng)田空間布局。結(jié)果表明：1）柘城縣在1990－2005年屬于糧食緊張階段，2005－2019年屬于糧食盈余階段，雖整體上實(shí)現(xiàn)糧食安全，但從糧食消費(fèi)結(jié)構(gòu)上看依然存在“隱性饑餓”風(fēng)險(xiǎn)；2）柘城縣耕地綜合質(zhì)量分在29.57～92.87之間，均值為59.53，綜合質(zhì)量較優(yōu)；3）糧食安全保護(hù)區(qū)耕地質(zhì)量較好，是保障糧食安全的核心，建議納入基本農(nóng)田范疇；糧食安全緩沖區(qū)雖然耕地質(zhì)量優(yōu)勢相對(duì)減弱，但限制因素較為單一，也應(yīng)納入基本農(nóng)田范疇；城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃區(qū)圍繞城鎮(zhèn)中心環(huán)狀布局，建議作為城鎮(zhèn)建設(shè)空間；土地綜合整治區(qū)分布零散、集聚度不高，不適宜作為基本農(nóng)田，建議作為基本農(nóng)田的備選區(qū)。

農(nóng)田；分區(qū)；糧食安全；基本農(nóng)田；灰色-BP網(wǎng)絡(luò)組合模型；評(píng)價(jià)與預(yù)測

0 引 言

“洪范八政，食為政首”，在錯(cuò)綜復(fù)雜的國際背景下，糧食安全再度成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。海關(guān)數(shù)據(jù)顯示：2020年1－6月中國進(jìn)口糧食5 050.20萬t，折合192.45萬億美元，主要于依賴美國、加拿大等國家。為了“把飯碗牢牢端在中國人自己手中”，《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》中提出了“糧食安全是治國理政的頭等大事，深入實(shí)施‘藏糧于地、藏糧于技’戰(zhàn)略”的要求。基本農(nóng)田是保障國家糧食安全的根本，也是落實(shí)“最嚴(yán)格耕地保護(hù)制度”的核心。但在基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)建設(shè)過程中，耕地空間與生態(tài)脆弱、重金屬污染空間疊重性很高，且與水資源空間高度不吻合[1]。因此，如何在保障糧食安全的基礎(chǔ)上，優(yōu)化基本農(nóng)田空間是當(dāng)前及未來研究的要點(diǎn)。

基本農(nóng)田是按照一定時(shí)期的人口和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的需求，依據(jù)土地利用總體規(guī)劃確定的不得占用的耕地。國外研究的優(yōu)質(zhì)農(nóng)田與中國基本農(nóng)田的內(nèi)涵相近，故極具借鑒意義。20世紀(jì)20年代初，美國提出土地潛力分類系統(tǒng)，成為國際上第一個(gè)優(yōu)質(zhì)農(nóng)田的劃定框架[2]。1981年美國基于土地潛力分類系統(tǒng)提出LESA土地質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，并基于該體系判定優(yōu)質(zhì)農(nóng)田[3]。近年來，國內(nèi)對(duì)基本農(nóng)田劃定進(jìn)行了深入探討，取得較為成熟的研究成果，但仍有一些不足之處，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：從耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)體系來看，已有研究主要從土壤質(zhì)量[4]、立地條件[5]、空間形態(tài)[6]等方面構(gòu)建評(píng)價(jià)體系，對(duì)于耕地政策條件考慮相對(duì)不足；從研究視角來看，已有研究主要從農(nóng)用地分等定級(jí)成果的應(yīng)用[7]、耕地生產(chǎn)能力[8]、模型優(yōu)化布局[9]以及規(guī)劃管制[10]等方面進(jìn)行了積極探索，但把糧食安全與基本農(nóng)田劃定兩個(gè)視角聯(lián)立的綜合研究較少；從劃定結(jié)果上看，已有研究主要采取改進(jìn)突變級(jí)數(shù)模型[11]、物-場模型[12]、局部Moran’s I指數(shù)[13]、綜合評(píng)價(jià)法[14]優(yōu)化耕地空間布局，多基于綜合質(zhì)量最優(yōu)的原則“自上而下”的進(jìn)行基本農(nóng)田建設(shè)分區(qū)。雖然已有文獻(xiàn)嘗試在基于耕地需求“自下而上”確定基本農(nóng)田[15]，但結(jié)果缺乏彈性，沒有實(shí)現(xiàn)長效的糧食安全。鑒于此，本文將糧食安全和基本農(nóng)田劃定相聯(lián)立并作為邏輯主線，以河南省柘城縣為研究對(duì)象，從生產(chǎn)條件、區(qū)位條件、景觀條件以及政策條件構(gòu)建質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，基于人口發(fā)展理論探究不同時(shí)序糧食安全對(duì)耕地“質(zhì)”與“量”的要求，優(yōu)化縣域基本農(nóng)田空間布局，以期為保障區(qū)域糧食安全以及加強(qiáng)耕地保護(hù)提供一定的借鑒。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

柘城縣地處河南東部平原區(qū)，坐落于33°55′～33°16′N，115°02′～115°32′E之間（圖1）。2018年，柘城縣耕地面積為72 662.88 hm2，占商丘市總耕地面積的12.21%，耕地類型以水澆地為主，平均自然等為6.7。2019年柘城縣糧食作物產(chǎn)量為80.84萬t，占商丘市的16.79%。近年來，柘城縣農(nóng)戶耕地保護(hù)意愿不強(qiáng)，違規(guī)侵占行為頻發(fā)。地方政府為保障城市建設(shè)，基本農(nóng)田“上山下灘”的現(xiàn)象并不少見。此外，“十四五”規(guī)劃時(shí)期是中國建成小康社會(huì)、打贏脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)的關(guān)鍵階段，這賦予了柘城縣糧食安全新的時(shí)代內(nèi)涵。因此，本文以河南省柘城縣為例，以2025年為預(yù)測節(jié)點(diǎn)，探討糧食安全、優(yōu)化基本農(nóng)田布局具有很強(qiáng)的典型性和代表性。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文使用的空間數(shù)據(jù)來源為：柘城縣自然資源局所提供的柘城縣第三次國土調(diào)查成果，2020年柘城縣基本農(nóng)田數(shù)據(jù)庫，2018年柘城縣土地利用分等定級(jí)數(shù)據(jù)，柘城縣行政區(qū)以及其他數(shù)據(jù)。除“三調(diào)”數(shù)據(jù)外，其他數(shù)據(jù)坐標(biāo)系均為Xian_1980_3_Degree_GK_Zone_27，為便于疊加分析，坐標(biāo)系統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成CGCS2000_3_Degree_GK_Zone_27。

在糧食安全分析中，人口相關(guān)數(shù)據(jù)、肉類、蛋類、奶類、魚類、酒類及味精等人均消費(fèi)數(shù)據(jù)以及農(nóng)作物種植面積、復(fù)種指數(shù)、作物單產(chǎn)及農(nóng)作物比重等數(shù)據(jù)取自《1999－2020年河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》《1999－2020年商丘市統(tǒng)計(jì)年鑒》《1984－2019年中國食品工業(yè)年鑒》以及《2000－2018年中國酒業(yè)年鑒》。在耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)中，土壤肥力等指標(biāo)取自農(nóng)用地分等定級(jí)數(shù)據(jù)庫；水源豐富度、耕作便利度、灌溉便利度、距城鎮(zhèn)距離、距村莊距離、距公路距離、連片性、規(guī)整度及破碎度等數(shù)據(jù)以“三調(diào)”數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在ArcGIS中計(jì)算得到；“政策接受度”取自《2019年柘城縣獲批省級(jí)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園的批示》（以下簡稱《批示》）以及原基本農(nóng)田數(shù)據(jù)庫；在城鎮(zhèn)影響半徑賦值中，城鎮(zhèn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)取自《河南省柘城縣城鎮(zhèn)劃分標(biāo)準(zhǔn)》。城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃區(qū)規(guī)模參照《商丘市城鄉(xiāng)總體規(guī)劃（2015－2030）》（以下簡稱《規(guī)劃》）對(duì)柘城縣建設(shè)空間的規(guī)劃預(yù)期。

2 研究思路與方法

2.1 研究思路

城市發(fā)展與耕地保護(hù)的矛盾始終是城鎮(zhèn)化的核心問題。柘城縣作為糧食主產(chǎn)區(qū)，土地利用程度較高，人均耕地少，耕地后備資源不足，人地矛盾突出，“十四五”時(shí)期還擔(dān)負(fù)著商品糧調(diào)出、保障區(qū)域外糧食供給的重要責(zé)任。因此，如何通過劃定基本農(nóng)田區(qū)保障糧食安全成為亟待解決的問題。針對(duì)這一問題，本研究基于糧食安全優(yōu)化基本農(nóng)田空間，主要研究思路如下：

1）糧食安全分析：根據(jù)人口發(fā)展理論，基于1990－2019年人口數(shù)據(jù)，采用灰色-BP網(wǎng)絡(luò)組合模型，預(yù)測2020－2025年人口數(shù)量；其次，從居民口糧、飼料用糧、工業(yè)用糧、種子用糧、倉儲(chǔ)損耗、商品糧調(diào)出六種糧食消耗途徑計(jì)算1990－2025年糧食、耕地需求量；最后計(jì)算糧食安全系數(shù)，分析柘城縣糧食安全保障能力。

2）基本農(nóng)田劃定。以地塊為評(píng)價(jià)單元，構(gòu)建耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，采用加權(quán)指數(shù)和法計(jì)算耕地質(zhì)量分。在耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，為保障當(dāng)前糧食安全，參照2020年耕地需求的數(shù)量約束，以質(zhì)量最優(yōu)的原則選擇地塊為糧食安全保護(hù)區(qū)，納入基本農(nóng)田范疇，以實(shí)現(xiàn)基本農(nóng)田保護(hù)“數(shù)”與“質(zhì)”統(tǒng)一；在滿足當(dāng)前耕地需求的基礎(chǔ)上，為保障“十四五”規(guī)劃期內(nèi)的糧食安全，參照預(yù)測的2025年耕地需求的數(shù)量約束，將位于糧食安全保護(hù)區(qū)之外的地塊以質(zhì)量最優(yōu)的原則劃定糧食安全緩沖區(qū)，也納入基本農(nóng)田范疇，以實(shí)現(xiàn)長效的糧食安全；以《規(guī)劃》中對(duì)柘城縣建設(shè)空間的規(guī)劃預(yù)期為定量標(biāo)準(zhǔn)，將位于糧食安全保護(hù)區(qū)與糧食安全緩沖區(qū)之外的地塊以質(zhì)量最差但區(qū)位條件最優(yōu)的原則劃定城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃區(qū)，作為城市發(fā)展空間而不納入基本農(nóng)田；將位于上述三區(qū)之外、綜合質(zhì)量一般、限制因素復(fù)雜但整治潛力較大的地塊劃定為土地綜合整治區(qū)，并將其作為基本農(nóng)田的備選區(qū)，以期通過土地整治、土地流轉(zhuǎn)等手段實(shí)現(xiàn)其向基本農(nóng)田的躍遷。

2.2 人口預(yù)測方法

人口預(yù)測是分析糧食安全、優(yōu)化基本農(nóng)田空間的前提。目前人口預(yù)測的常用方法有：綜合增長率法[16]、平均增長率法[17]等。本文利用灰色GM(1, 1)模型與Levenberg-Marquardt算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，構(gòu)建灰色-BP網(wǎng)絡(luò)組合預(yù)測模型，用以預(yù)測柘城縣2020－2025年人口數(shù)量。該模型結(jié)合了灰色GM(1, 1)模型算法簡單和BP網(wǎng)絡(luò)模型非線性預(yù)測的優(yōu)勢，同時(shí)避免了單一模型的缺點(diǎn)，預(yù)測結(jié)果更具科學(xué)性，基本步驟如下[18]：

2.3 糧食安全分析

2.3.1 糧食需求量

柘城縣作為糧食主產(chǎn)區(qū)，糧食消費(fèi)結(jié)構(gòu)包括居民口糧、飼料用糧、工業(yè)用糧、種子用糧、倉儲(chǔ)損耗、商品糧調(diào)出六大消費(fèi)途徑（式（1））[19]。但統(tǒng)計(jì)資料對(duì)于各個(gè)途徑糧食消費(fèi)數(shù)據(jù)沒有詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)。鑒于此，本文采用折算法[20]計(jì)算糧食消耗量。

式中TGD（Total Grain Demand）為糧食需求量，t；為居民口糧，t；為飼料用糧，t；為工業(yè)用糧，t；為種子用糧，t；為倉儲(chǔ)損耗，t；為商品糧調(diào)出，t。

1）居民口糧即直接糧食消費(fèi)，屬于食物需求。本文根據(jù)人均糧食需求量與柘城縣人口數(shù)量計(jì)算居民口糧。由于部分年鑒統(tǒng)計(jì)的是原糧，故參考肖國安[21]的研究，將成品糧折算原糧的系數(shù)設(shè)定為1:1.4；2）飼料用糧即肉禽蛋奶轉(zhuǎn)化用糧消費(fèi)，主要用于養(yǎng)殖業(yè)，屬于非食物需求。本文按照國際通用的飼料糧轉(zhuǎn)化率，確定糧肉比為：豬肉1:4、牛羊肉1:2、家禽1:2、蛋類1:2.5、水產(chǎn)品1:1[22]。此外，參考隆國強(qiáng)[23]的研究，飼料糧的需求量需要乘以74%；3）工業(yè)用糧是指糧食作為主要原料或輔料的生產(chǎn)行業(yè)的糧食消耗量，屬于非食物需求。本文參考肖國安[21]的研究將工業(yè)用糧折算比設(shè)定為白酒1:2.3、啤酒1:0.172、味精1:24、酒精1:3，其他工業(yè)用糧按照上述產(chǎn)業(yè)用糧總量的25%計(jì)算；4）種子用糧是指不同作物的種子用糧量，主要由播種面積所決定，屬于非食物需求。本文參考姚成勝等[24]研究按照稻谷75 kg/hm2、玉米75 kg/hm2、大豆75 kg/hm2、小麥150 kg/hm2、其他150 kg/hm2的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算種子用糧數(shù)量；5）倉儲(chǔ)損耗是指糧食生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)和加工等損耗，屬于非食物需求。本文參照肖國安研究[21]，結(jié)合柘城縣實(shí)際情況，倉儲(chǔ)損耗按照總產(chǎn)量的2%計(jì)算；6）商品糧調(diào)出是指用于商業(yè)貿(mào)易的糧食，主要用于保障區(qū)域外的糧食安全，屬于非食物需求。本文參考胡業(yè)翠等[15]研究，以人均31.40 kg的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。

2.3.2 糧食安全系數(shù)

國際研究通常使用本年糧食結(jié)轉(zhuǎn)庫存量占下年糧食消費(fèi)數(shù)量的比重作為“糧食安全系數(shù)”衡量區(qū)域糧食供應(yīng)能力，按照國際慣例“糧食安全系數(shù)”的臨界區(qū)間為[0.17，0.18]。若糧食安全系數(shù)低于此區(qū)間，該地區(qū)糧食供給將產(chǎn)生危機(jī)。本文參照有關(guān)研究[25]，將“糧食安全系數(shù)”（Food Security Rate，F(xiàn)SR）定義為糧食總需求與糧食實(shí)際產(chǎn)量的比值，具體計(jì)算過程如式（2）。

式中FSR為糧食安全系數(shù)；TGP（Total Grain Production）為糧食實(shí)際產(chǎn)量，t。當(dāng)FSR=0時(shí)，表明糧食體系處于絕對(duì)不安全階段，糧食完全依靠外界輸入；當(dāng)0＜FSR＜1時(shí)，表示糧食安全處于危機(jī)狀態(tài)，F(xiàn)SR越接近0說明該區(qū)域糧食安全狀態(tài)越差；當(dāng)FSR=1時(shí)，表示該區(qū)域盡管糧食供給大于糧食需求，但隨著人口數(shù)量的發(fā)展，糧食危機(jī)再次發(fā)生的概率較高，糧食安全處于緊張階段；當(dāng)FSR＞1時(shí)，糧食體系處于盈余階段，F(xiàn)SR越大說明該區(qū)域糧食供給能力越強(qiáng)，糧食危機(jī)發(fā)生的概率越小。

2.4 耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)體系

2.4.1 指標(biāo)選擇

本文構(gòu)建的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)體系除生產(chǎn)條件、區(qū)位條件、景觀條件之外，還將政策條件納入耕地評(píng)價(jià)中，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田格局與制度環(huán)境協(xié)調(diào)一致，政策環(huán)境融入基本農(nóng)田空間。鑒于此，本研究從生產(chǎn)條件、區(qū)位條件、景觀條件、政策條件4個(gè)方面，構(gòu)建質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，并采用組合賦權(quán)法[26]確定各個(gè)指標(biāo)權(quán)重（表1）。

表1 耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)體系

1）生產(chǎn)條件

生產(chǎn)條件反映的是耕地糧食生產(chǎn)能力[27]。生產(chǎn)條件不光包含耕地自然屬性，還包含基礎(chǔ)設(shè)施完備程度。其中，自然屬性是耕地質(zhì)量的基礎(chǔ)，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的決定性因素。因此，在耕地自然屬性方面，本研究參照《農(nóng)用地分等規(guī)程》中測算自然質(zhì)量分的思路，選擇“土壤肥力”和“水源豐富度”兩個(gè)指標(biāo)；此外，在獲取耕地本底情況的基礎(chǔ)上，選擇指標(biāo)“耕作便利度”和“灌溉便利度”，用以反映地塊在田間道、溝渠等設(shè)施完備程度的差異。

2）區(qū)位條件

區(qū)位條件反映的是農(nóng)戶利用耕地可行性及生產(chǎn)要素進(jìn)出的便捷度[28]。在利用可行性方面，本研究選取“距城鎮(zhèn)距離”和“距公路距離”兩項(xiàng)指標(biāo)；在生產(chǎn)要素進(jìn)出便捷度方面，選擇“距村莊距離”指標(biāo)。這3個(gè)指標(biāo)均是擴(kuò)散性指標(biāo)，參考《農(nóng)用地分等定級(jí)規(guī)程》賦值方法見表2。其中，城鎮(zhèn)、村莊屬于點(diǎn)狀指標(biāo)，用指數(shù)衰減法賦值（式（3）），公路屬于線狀指標(biāo)，用直線衰減法賦值（式（4）），影響半徑用算術(shù)平均分割法[29]計(jì)算（式（6））。

=S/2L （6）

式中f為第個(gè)指標(biāo)作用分值；M為規(guī)模指數(shù)；為相對(duì)距離；S為柘城縣面積，m2；L為道路長度，m；d為地塊到評(píng)價(jià)因素的實(shí)際距離，m；為評(píng)價(jià)因素影響半徑，m。

表2 擴(kuò)散指標(biāo)分級(jí)賦分標(biāo)準(zhǔn)

3）景觀條件

景觀條件不僅有利于耕地產(chǎn)能提升，同時(shí)也避免在城市擴(kuò)張中因耕地破碎引致的生態(tài)退化[30]。本研究采用連片性、規(guī)整度、破碎度3個(gè)指標(biāo)量化地塊景觀條件。基本農(nóng)田需要一定的規(guī)模，連片性反映地塊連片程度，越大表示地塊的連片性越高，面積閾值由地塊面積經(jīng)自然斷點(diǎn)法得到（式（7））[31]；農(nóng)業(yè)機(jī)械化要求田塊幾何形狀規(guī)則，本研究借用景觀生態(tài)學(xué)中分維數(shù)FRAC（式（8））來表達(dá)規(guī)整度，越小代表田塊越規(guī)則，反之，田塊形狀越復(fù)雜[32]；地塊零星度則是根據(jù)田塊面積距離面積均值的歐式距離計(jì)算，指標(biāo)數(shù)值越大表示田塊零星度越高。

式中為地塊連片度；為地塊面積，hm2；為地塊周長，km。

4）政策條件

基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)作為一項(xiàng)田間綜合工程，具有投入大、周期長的特征，該工程離不開政策支持。“政策接受度”反映的是地塊是否與政府農(nóng)業(yè)建設(shè)重點(diǎn)項(xiàng)目、原基本農(nóng)田建設(shè)空間重合，據(jù)此反映地塊的政策條件。一方面位于政府農(nóng)業(yè)建設(shè)重點(diǎn)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)的地塊本底優(yōu)勢較為突出，財(cái)政支持力度也較強(qiáng)；另一方面考慮地塊政策條件在某種程度上也是對(duì)原基本農(nóng)田空間的優(yōu)化。在本研究中，位于“農(nóng)村一二三產(chǎn)融合發(fā)展區(qū)”“國家級(jí)出口食品農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全示范區(qū)”“農(nóng)業(yè)高效節(jié)水示范區(qū)”“農(nóng)業(yè)特色產(chǎn)業(yè)園”等范圍內(nèi)的地塊，“政策接受度”賦值為100；位于原基本農(nóng)田建設(shè)區(qū)內(nèi)的地塊，“政策接受度”賦值為80；其他地塊“政策接受度”賦值為60。

2.4.2 耕地綜合質(zhì)量分

本文采用加權(quán)指數(shù)和法建立耕地入選基本農(nóng)田的評(píng)價(jià)模型，地塊綜合質(zhì)量分值越高，代表地塊質(zhì)量越好。

式中S為評(píng)價(jià)單元的綜合質(zhì)量分值；A為評(píng)價(jià)單元的第個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化分值；W為第個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)基于組合賦權(quán)法確定的權(quán)重；為評(píng)價(jià)指標(biāo)總數(shù)。

2.5 基本農(nóng)田建設(shè)規(guī)模確定

從糧食安全的角度出發(fā)，綜合考慮河南省柘城縣糧食需求量、糧食作物單產(chǎn)、復(fù)種指數(shù)以及糧食作物比重等因素，計(jì)算歷年耕地需求量（式（10））[33]。本研究參照2020、2025年2個(gè)關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)的耕地需求量作為基本農(nóng)田建設(shè)規(guī)模的預(yù)期，以期實(shí)現(xiàn)保障糧食安全的優(yōu)化基本農(nóng)田空間布局。

式中TLD為耕地需求量，hm2；為糧食作物單產(chǎn)，kg/hm2；為復(fù)種指數(shù)；為糧食作物比例。

3 結(jié)果與分析

3.1 糧食安全

3.1.1 人口預(yù)測

根據(jù)柘城縣特征及1990－2019年常住人口數(shù)據(jù)，本研究借助MATLAB構(gòu)建灰色-BP網(wǎng)絡(luò)組合模型，預(yù)測2020－2025年人口數(shù)據(jù)。由圖2可知，柘城縣人口整體上呈上升趨勢，在2005年、2010年兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)波動(dòng)較大，特別是正在2011年之后，人口開始穩(wěn)定增長。這是由于柘城縣2005－2010年勞動(dòng)力大量輸出，故人口在這兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的波動(dòng)較大。近年來，柘城縣致力于消除城鄉(xiāng)差距，構(gòu)建以高質(zhì)量發(fā)展為核心的新發(fā)展格局，極大加強(qiáng)城鎮(zhèn)集約效應(yīng)，人口數(shù)量穩(wěn)步增加。預(yù)測結(jié)果表明：2020、2025年柘城縣人口數(shù)量分別為105.61萬、109.07萬（圖2），模型2值大于0.95，通過了顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果較為可信。

3.1.2 糧食安全分析

本文參考《國家糧食安全中長期規(guī)劃綱要（2008－2020年）》以及相關(guān)文獻(xiàn)[15,21,23]，采用折算法計(jì)算1990－2025年糧食需求量。結(jié)果表明：2020年糧食需求量為37.83萬t，2025年糧食需求量為46.98萬t。由圖3可知：1）糧食需求量、糧食產(chǎn)量曲線整體上均呈上升趨勢；2）1990－2005年，糧食安全系數(shù)在警戒線上下波動(dòng)，糧食安全壓力較大，屬于糧食緊張階段；3）2005－2019年，糧食安全系數(shù)遠(yuǎn)高于警戒線，屬于糧食盈余階段；4）2020年柘城縣糧食需求量為37.83萬t，糧食產(chǎn)量為66.96萬t，糧食安全系數(shù)為1.77，當(dāng)前糧食安全得以保障；4）從消費(fèi)結(jié)構(gòu)上看，柘城縣主要消耗糧食途徑是食物消費(fèi)，雖整體上實(shí)現(xiàn)糧食安全，但糧食消費(fèi)結(jié)構(gòu)不合理，引發(fā)“隱性饑餓”風(fēng)險(xiǎn)較大。

3.2 耕地綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

河南省柘城縣耕地綜合質(zhì)量分在29.57～92.87之間，均值為59.53，綜合質(zhì)量較優(yōu)。在評(píng)價(jià)得分方面，耕地質(zhì)量分存在兩個(gè)峰值，劣質(zhì)耕地與優(yōu)質(zhì)耕地的綜合質(zhì)量得分均表現(xiàn)出正態(tài)分布（圖4）。其中，劣質(zhì)耕地正態(tài)分布的均值為42.5分，優(yōu)質(zhì)耕地正態(tài)分布的均值為62.5分。在空間分布方面，耕地質(zhì)量并未表現(xiàn)出明顯的南北或東西方向的地理性差異，優(yōu)質(zhì)耕地集中于遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)中心的周邊地區(qū)，劣質(zhì)耕地主要分布在城鎮(zhèn)周邊、丘陵地帶。

3.3 基本農(nóng)田劃定結(jié)果

在耕地綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上（表3），本文以2020年的耕地需求量（32 248.50 hm2）及2025年的耕地需求量（55 120.00 hm2）為基準(zhǔn)，按照綜合質(zhì)量最優(yōu)的原則劃定糧食安全保護(hù)區(qū)（綜合質(zhì)量分62.59～92.88）以及糧食安全緩沖區(qū)（綜合質(zhì)量分57.77～62.59），并將其納入基本農(nóng)田范疇，旨在實(shí)現(xiàn)長效的糧食安全；城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃區(qū)（綜合質(zhì)量分29.64～32.15）按照區(qū)位優(yōu)勢較高、綜合質(zhì)量較差以至不適宜作為耕地的原則，參照《規(guī)劃》中建設(shè)用地規(guī)模的預(yù)期（2 670.00 hm2）進(jìn)行劃定，旨在指明城鎮(zhèn)發(fā)展方向；其余耕地（14 872.88 hm2）由于其綜合質(zhì)量一般（綜合質(zhì)量分32.15～57.77）作為土地綜合整治區(qū)，該區(qū)域耕地與糧食安全保護(hù)區(qū)、糧食安全緩沖區(qū)的耕地相比表現(xiàn)出明顯的障礙，因此，需要通過土地綜合整治來實(shí)現(xiàn)其綜合質(zhì)量的躍遷，故將其作為基本農(nóng)田的備選區(qū)。

表3 柘城縣耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果及類型劃分

3.3.1 糧食安全保護(hù)區(qū)

位于糧食安全保護(hù)區(qū)的耕地，綜合質(zhì)量最優(yōu)，無任何限制性障礙因素，是保障糧食安全的核心，應(yīng)首先納入基本農(nóng)田范疇（圖5）。該區(qū)域耕地面積為32 248.5 hm2，地塊數(shù)為6 947，平均地塊面積為4.33 hm2（表3），地塊主要分布在柘城縣周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)的郊區(qū)，以安平鎮(zhèn)、起臺(tái)鎮(zhèn)以及慈圣鎮(zhèn)最多（面積比例分別為7.82%、7.41%、6.40%），梁莊鄉(xiāng)、邵園鄉(xiāng)以及城關(guān)鎮(zhèn)最少（面積比例分別為2.34%、1.33%、0.18%）。

從表3中可知，位于糧食安全保護(hù)區(qū)內(nèi)的地塊面積與地塊數(shù)表現(xiàn)出分異性，平均地塊面積最大，這表明該類耕地面積較大，連片性高。從劃定結(jié)果上看，該區(qū)域耕地憑借肥沃土壤、充沛水源、便利的耕作條件以及完備的灌排基礎(chǔ)設(shè)施等優(yōu)越生產(chǎn)功能，依托農(nóng)產(chǎn)品交換最為頻繁的中心城鎮(zhèn)，借助發(fā)達(dá)的交通設(shè)施運(yùn)載能力，并依據(jù)其空間形態(tài)上規(guī)整度高、連片性強(qiáng)的優(yōu)勢，成為基本農(nóng)田建設(shè)最為適宜的對(duì)象。不僅是保障基本農(nóng)田的最佳選擇，也是保障糧食安全的重要示范區(qū)。

3.3.2 糧食安全緩沖區(qū)

位于糧食安全緩沖區(qū)的耕地（圖5），較糧食安全保護(hù)區(qū)而言，其本底條件、區(qū)位條件、景觀條件及政策條件上優(yōu)勢相對(duì)減弱，但該類耕地并不存在明顯的限制性因素，故也將其納入基本農(nóng)田范疇，作為保障糧食安全的緩沖區(qū)。該類耕地共有22 871.5 hm2，地塊數(shù)為9 688，平均地塊面積為3.09 hm2（表3）。該類耕地與糧食安全保護(hù)區(qū)一樣同樣均勻分布在遠(yuǎn)離鄉(xiāng)鎮(zhèn)的郊區(qū)，以安平鎮(zhèn)、起臺(tái)鎮(zhèn)及惠濟(jì)鄉(xiāng)最多（面積比例分別是7.86%、6.99%、6.95%），梁莊鄉(xiāng)、邵園鄉(xiāng)以及城關(guān)鎮(zhèn)分布最少（面積比例分別是2.95%、1.85%、0.27%）。該區(qū)域平均地塊面積小于全區(qū)水平，表明該類耕地空間分布較為零散、連片性不高（表3）。與糧食安全保護(hù)區(qū)面積比例大、地塊比例小的特性相比，糧食安全緩沖區(qū)內(nèi)的耕地受建設(shè)用地楔入切割的影響作用更深，造成景觀格局上連片性與規(guī)整度下降，但其形成了包裹糧食安全保護(hù)區(qū)的空間布局，具有緩沖帶的性質(zhì)，因此將其作為糧食安全的緩沖區(qū)。綜上所述，糧食安全緩沖區(qū)在生產(chǎn)條件、區(qū)位條件以及政策條件與糧食安全保護(hù)區(qū)耕地具有較高一致性。但在景觀條件上相對(duì)不夠集中連片，田塊形狀不夠規(guī)則，分布也相對(duì)零散。雖然一定程度上削弱了規(guī)模效應(yīng)，但鑒于其并沒有表現(xiàn)出明顯障礙，故也將其納入基本農(nóng)田的范疇，作為糧食安全的緩沖區(qū)。由于該類耕地限制性因素較少且較為單一，可作為全縣農(nóng)地近期整治區(qū)，通過土地平整或權(quán)屬調(diào)整對(duì)該類耕地的景觀條件加以改造，逐步實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模效應(yīng)。

3.3.3 城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃區(qū)

位于城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃區(qū)的耕地（圖5），在生產(chǎn)條件、景觀條件、政策條件上存在顯著障礙，生產(chǎn)條件劣質(zhì)性較強(qiáng)，故不納入基本農(nóng)田范疇。但該類耕地區(qū)位條件表現(xiàn)出很強(qiáng)的優(yōu)越性，鑒于此，參照《規(guī)劃》對(duì)柘城縣城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)模的預(yù)期將其劃定為城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃區(qū)。該類耕地面積為2 670.00 hm2，地塊數(shù)為964，平均地塊面積為2.77 hm2。在空間上，該類耕地形成了緊鄰城鎮(zhèn)中心的環(huán)形布局，以申橋鄉(xiāng)、陳青集鎮(zhèn)及梁莊鄉(xiāng)分布最多（面積比例分別是16.32%、12.21%、10.08%），惠濟(jì)鄉(xiāng)、皇集鄉(xiāng)以及老王集鄉(xiāng)分布最少（面積比例均為0%）。在生產(chǎn)條件上，該類耕地土壤肥力較低、灌溉條件較差、不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營。此外，該類耕地景觀條件上的破碎化、條帶狀、零星態(tài)的特征致使土地整治改造難度較大，不利于農(nóng)田機(jī)械運(yùn)作和規(guī)模經(jīng)營，不足以滿足基本農(nóng)田的內(nèi)涵要求。但該類耕地形成了在城鎮(zhèn)周圍的環(huán)狀布局，區(qū)位優(yōu)勢較好，能夠充分發(fā)揮城鎮(zhèn)集聚規(guī)模的優(yōu)勢，為城鎮(zhèn)未來發(fā)展指明了方向。綜上所述，位于城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃區(qū)內(nèi)的耕地，一方面由于其生產(chǎn)條件、景觀條件較差，導(dǎo)致其生產(chǎn)性能不高，農(nóng)戶通過增大化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜等生產(chǎn)要素投入，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能提升難度較大，并且對(duì)于大型機(jī)械生產(chǎn)、土地綜合整治改造具有較高的技術(shù)與資金的要求，屬于基本農(nóng)田劃定不適宜的對(duì)象；另一方面，為充分發(fā)揮其區(qū)位優(yōu)勢，有選擇進(jìn)行農(nóng)轉(zhuǎn)用，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化，發(fā)揮城鎮(zhèn)的集聚效應(yīng)；部分耕地可以通過退耕還林、還草建設(shè)，與柘城縣基本農(nóng)田共同作為城鎮(zhèn)發(fā)展“綠眼”，防止城鎮(zhèn)空間“攤大餅式”盲目擴(kuò)張。

3.3.4 土地綜合整治區(qū)

位于土地綜合整治區(qū)的耕地（圖5），在生產(chǎn)條件、景觀條件、政策條件表現(xiàn)出一定程度的障礙性，并且區(qū)位條件優(yōu)勢也不夠突出，建議采取土地綜合整治與農(nóng)田經(jīng)營調(diào)控等手段實(shí)現(xiàn)其耕地質(zhì)量的提升。該類耕地面積為14 872.88 hm2，地塊數(shù)為5 168、平均地塊面積為2.88 hm2，以安平鎮(zhèn)、惠濟(jì)鄉(xiāng)及李原鄉(xiāng)分布最多（面積比例分別是12.58%、6.31%、5.92%），梁莊鄉(xiāng)、邵園鄉(xiāng)及城關(guān)鎮(zhèn)（面積比例分別是2.95%、1.85%、0.11%）。該區(qū)域耕地面積較大，但規(guī)整度與連片性不高，與城鎮(zhèn)、村莊及公路存在空間轉(zhuǎn)移特征，這導(dǎo)致其區(qū)位優(yōu)勢削弱，耕地生產(chǎn)條件的適用性下降。由此可見，土地綜合整治區(qū)內(nèi)的耕地限制因素組合最為復(fù)雜。該類耕地能否實(shí)現(xiàn)向糧食安全保護(hù)區(qū)的躍遷需要判明不同限制因素的作用機(jī)理，并且根據(jù)限制因素的多少、改造難度等多項(xiàng)因素決定土地綜合整治的次序。針對(duì)耕地的生產(chǎn)條件較差的耕地，應(yīng)當(dāng)采取移土培肥、設(shè)施完善、土壤改良等措施；對(duì)于耕地區(qū)位條件較差的耕地，采取耕地流轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)空間置換等措施；對(duì)于景觀條件較差的耕地，采取平整工程優(yōu)化耕地景觀特征。此外，在通過多樣式、多元化手段調(diào)整耕地地力水平、優(yōu)化空間布局的基礎(chǔ)上，還需核算整治成本、難易度確定耕地中、遠(yuǎn)期整治區(qū)，有計(jì)劃的落實(shí)耕地的綜合整治，推動(dòng)此類耕地向良性發(fā)展，提高其生產(chǎn)功能，實(shí)現(xiàn)糧食安全長期穩(wěn)定。

4 結(jié)論與討論

本文將糧食安全與基本農(nóng)田劃定相結(jié)合并以此為邏輯主線，基于糧食安全對(duì)耕地“量”與“質(zhì)”的需求探究劃定基本農(nóng)田的新思路，主要結(jié)論如下：

1）柘城縣在1990－2005年屬于糧食緊張階段，2005－2020年屬于糧食盈余階段，2020年糧食安全系數(shù)為1.77，雖然整體上實(shí)現(xiàn)了糧食安全，但從糧食消費(fèi)結(jié)構(gòu)上看依然存在“隱性饑餓”的風(fēng)險(xiǎn)。

2）河南省柘城縣耕地綜合質(zhì)量分在29.57～92.87之間，均值為59.53，綜合質(zhì)量較優(yōu)。在分析糧食安全對(duì)耕地需求的基礎(chǔ)上，將河南省柘城縣耕地劃分為糧食安全保護(hù)區(qū)、糧食安全緩沖區(qū)、城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃區(qū)和土地綜合整治區(qū)4種類型。

3）柘城縣耕地質(zhì)量、類型變化與基本農(nóng)田空間緊密相關(guān)，基于糧食安全的基本農(nóng)田劃定不僅有助于實(shí)現(xiàn)基本農(nóng)田空間布局優(yōu)化，而且有助于充分發(fā)揮基本農(nóng)田生產(chǎn)功能。糧食安全保護(hù)區(qū)耕地質(zhì)量最高，空間分布較為集中連片，是保障糧食安全的核心，因此納入基本農(nóng)田范疇；糧食安全緩沖區(qū)雖耕地質(zhì)量優(yōu)勢相對(duì)減弱，但限制因素較為單一，并且形成了包裹糧食安全保護(hù)區(qū)緩沖區(qū)布局，也納入基本農(nóng)田范疇，以提升優(yōu)質(zhì)基本農(nóng)田的集約程度，但同時(shí)應(yīng)通過農(nóng)地近期整治工程實(shí)現(xiàn)該類耕地質(zhì)量提升；城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃區(qū)耕地質(zhì)量較低，但形成了緊鄰城鎮(zhèn)中心的環(huán)狀布局，建議農(nóng)轉(zhuǎn)用為城鎮(zhèn)發(fā)展指明方向，有選擇的退耕還林，防止城鎮(zhèn)“攤大餅”式無序擴(kuò)張；土地綜合整治區(qū)耕地較為破碎、集聚程度不高，不適宜作為基本農(nóng)田，作為基本農(nóng)田的備選，可通過土地整治提高集中連片度、改善土壤理化性質(zhì)、加大田間水利設(shè)施建設(shè)等手段實(shí)現(xiàn)其綜合質(zhì)量的提升。

本文在探究河南省柘城縣糧食安全時(shí)序演化的基礎(chǔ)上，進(jìn)行耕地質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)，結(jié)合糧食安全對(duì)耕地?cái)?shù)量與質(zhì)量的要求，將耕地劃分為糧食安全保護(hù)區(qū)、糧食安全緩沖區(qū)、城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃區(qū)和土地綜合整治區(qū)。研究結(jié)果實(shí)現(xiàn)了糧食安全與基本農(nóng)田劃定的結(jié)合，以及基本農(nóng)田劃定的動(dòng)態(tài)演變，對(duì)于提高農(nóng)業(yè)質(zhì)量效益和競爭力，保障糧食安全，深化農(nóng)村改革以及解決“三農(nóng)”問題具有重要的意義。值得說明的是，本文主要探討糧食安全對(duì)基本農(nóng)田建設(shè)空間布局以及時(shí)序的影響，至于如何根據(jù)歷年人口逐步擴(kuò)大糧食安全緩沖區(qū)，如何與當(dāng)?shù)赝恋鼐C合整治銜接確定整治次序，實(shí)現(xiàn)該劃定思路在更大研究尺度的推廣，在耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上綜合考慮資源環(huán)境生態(tài)進(jìn)行局部調(diào)整，是今后重點(diǎn)的研究方向。政府在確定基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)范圍時(shí)，不能“一刀切”式的自上而下確定，而應(yīng)實(shí)現(xiàn)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)與糧食安全統(tǒng)一，同時(shí)應(yīng)當(dāng)逐步完善基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)的調(diào)入調(diào)出機(jī)制；通過輪作休耕實(shí)現(xiàn)耕地的用養(yǎng)結(jié)合，避免單一“掠奪式”的耕地利用模式；根據(jù)整治難度確定基本農(nóng)田整治時(shí)序；加大各級(jí)政府資金投入力度；完善基本農(nóng)田保護(hù)機(jī)制，提升糧食安全應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的能力。

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Spatial layout optimization of basic farmland considering food security and cultivated land quality at county scale

Guo Guancheng, Han Xiao’er

(210095,)

An optimal delimitation of basic farmland needs to consider the food security and cultivated land quality in modern agriculture. Taking Zhecheng County, Henan Province of China as an example, this study aims to determine an optimal construction space of basic farmland from bottom to top, considering national food security and population development. The specific procedure was: 1) A combined gray-BP network model was adopted to predict the population and cultivated land demand in the study area from 1999 to 2025; 2) The population from 1999 to 2025 was used to calculate the food demand and security rate via a specific conversion. Six major ways of food consumption were selected to analyze the capacity for food security of the County; 3) An evaluation system of farmland quality was established to select the indicators from production conditions, location, landscape, and policy conditions. A quantitative analysis was performed on the indicators with geographic information technology and weighted index summation model for comprehensive quality scores of cultivated land; 4) A specific planning of construction land was proposed to fully integrate the quality evaluation of cultivated land into the current food security expectations and cultivated land demand. Consequently, the cultivated land was divided into the Food Security Protection Zone, Food Security Buffer Zone, Town Development Planning Zone, and Comprehensive Land Improvement Zone. The results indicated: 1) The County was in food-shortage from 1990 to 2005, but in food surplus from 2005 to 2019. Although food security was generally achieved, the risk of "hidden hunger" still existed from the perspective of food consumption structure; 2) The comprehensive quality score of cultivated land ranged from 29.57 to 92.87, with an average value of 59.53, indicating relatively good comprehensive quality. 3) The cultivated land quality in the food security protection zone was relatively high, where it was recommended to be included into the basic farmland. Meanwhile, the cultivated land quality in the Food Security Buffer Zone was relatively weak but with single limited factors, where it was advised to be also included into the basic farmland that required short-term land consolidation for the better quality of cultivated land. Given that the Town Development Planning Zone surrounded the town center in a ring layout and quality of cultivated land, it was suggested to be used for urban construction land. The direction of urban development was addressed to prevent the destruction of high-quality cultivated land. The comprehensive land improvement zone was taken as an alternative area for basic farmland, due to the scattered spatial distribution and weak land quality. It also needs to identify the obstacle factors for better land productivity using long-term comprehensive land remediation. These recommendations can make a great contribution to the protection of cultivated land, urban development, and comprehensive land consolidation. The integrated delimitation of basic farmland with food security can avoid the drawbacks of simplex delimitation in the dynamic evolution of basic farmland delimitation. The finding can provide a sound technical reference to the long-term stability of national food security and revitalization of cultivated land resources.

farms; zoning; food security; basic farmland; Grey-BP network combination model; evaluation and prediction

2020-10-21

2021-02-09

國家社科基金重大招標(biāo)項(xiàng)目（17ZDA076）；國家社科基金重點(diǎn)項(xiàng)目（20AGL024）

郭貫成，博士，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)橥恋亟?jīng)濟(jì)與政策、不動(dòng)產(chǎn)評(píng)估與管理。Email：ggc@njau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.031

F301

A

1002-6819(2021)-07-0252-09

郭貫成；韓小二. 考慮糧食安全和耕地質(zhì)量的縣域基本農(nóng)田空間布局優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(7)：252-260. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.031 http://www.tcsae.org

Guo Guancheng, Han Xiao’er. Spatial layout optimization of basic farmland considering food security and cultivated land quality at county scale[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(7): 252-260. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.031 http://www.tcsae.org