基于生態安全和糧食安全的高標準農田建設研究

王 珂，李 玲，黎 鵬

(河南農業大學資源與環境學院，河南 鄭州 450002)

加強高標準農田建設，實現“藏糧于地、藏糧于技”的新時代國家糧食安全戰略，是實施鄉村振興戰略的重要基礎，是保障國家糧食安全、推動農業高質量發展的重大舉措[1]。近年來，隨著工業化、城鎮化的不斷推進及人口規模的增加，建設用地不斷占用大量耕地甚至占用質量較高的基本農田，加之一些地區水資源匱乏、自然災害、環境污染等因素，對糧食安全造成極大威脅。此外，化肥的不合理使用以及耕作方法的落后，對土壤也造成了一定程度的污染和破壞。以上諸多原因導致耕地的生態環境遭到不同程度破壞。為了保障農產品高產、穩產、安全生產以及保護農田生態環境，國家提出了高標準農田的概念。高標準農田是指土地平整、集中連片、設施完善、農電配套、土壤肥沃、生態良好、抗災能力強，與現代農業生產和經營方式相適應的旱澇保收、高產穩產，劃定為永久基本農田的耕地[2]。2019年發布的《國務院辦公廳關于切實加強高標準農田建設提升國家糧食安全保障能力的意見》指出，到2020年，全國要建成5 300萬hm2集中連片、旱澇保收、節水高效、穩產高產、生態友好的高標準農田；到2022年，要建成6 700 hm2高標準農田，以此穩定保障5 000億kg以上糧食產能；到 2035 年，要通過持續改造提升，使全國高標準農田保有量進一步提高，從而不斷夯實國家糧食安全保障基礎[3]。

目前，我國高標準農田建設的相關研究較為基礎，主要是以土地整理為主，學者們通過耦合協調度模型[4]、局部空間自相關[5]、四象限法[6]、熵權法和可拓模型等方法進行高標準農田項目區選址、建設分區及建設時序安排[7-8]、社會效益評價[9]、評價模型構建[10]、建設績效評價[11]、建設適宜性評價[12]等研究，研究對象涵蓋了省域、市域、縣域等不同區域層面。針對高標準農田建設分區及時序安排，已有研究往往是基于耕地質量、社會條件、區位條件等方面構建評價模型[13-14]，較少考慮其概念中“生態良好”的具體定義。原陽縣作為河南省糧食生產大縣，農業生產以小麥、水稻兩大作物為主，是國家確定的優質強筋小麥生產基地縣。因此，筆者以原陽縣為例，立足于高標準農田建設的實際需求，從生態安全與糧食安全2個維度出發構建評價指標體系，科學劃分高標準農田建設分區，以期促進高標準農田的合理建設及健康可持續發展。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

原陽縣位于河南省中部華北黃河沖積平原頂端，地理位置為34°54′～35°11′ N，113°37′～114°15′ E，北接新鄉市、延津縣，南鄰黃河，與鄭州市、開封市隔河相望，東接封丘縣，西靠武陟縣、獲嘉縣，區域總面積為1 022 km2，基本農田面積為684 km2，總人口為62萬。研究區地處華北平原南端的豫北平原，是典型的平原，屬暖溫帶大陸性季風氣候區，春季干旱多風沙，夏季炎熱多雨，秋季光足溫差大，冬季干冷。多年平均氣溫為14.4 ℃，平均降水量為566.2 mm，地跨黃河、海河兩大水系，水資源充沛。

原陽縣已于2019年開展高標準農田建設規劃，亟需規劃科學合理的高標準農田建設時序。該縣農業生產歷史悠久，將其作為研究區，對于河南省縣域尺度下的高標準農田建設時序安排具有代表意義。

1.2 數據來源

河南省原陽縣土地利用現狀、土壤屬性等數據來源于原陽縣自然資源局；社會數據來源于2015—2016年《河南統計年鑒》《新鄉統計年鑒》《原陽統計年鑒》。

1.3 研究方法

1.3.1評價指標體系建立

1.3.1.1 基本農田生態安全評價指標體系

基本農田生態安全評價是以基本農田生態系統為評價對象，既要考慮基本農田的當地條件，也要考慮人類活動對基本農田的影響[15]。在明晰基本農田、高標準農田概念的基礎上，參考GB/T 33130—2016《高標準農田建設評價規范》，結合研究區基本農田特點、相關影響因素，從立地條件、景觀條件、脅迫條件3個方面，以基本農田斑塊為評價單元，構建基本農田生態安全評價指標體系(表1)，部分指標分級標準見表2。

表1 基本農田生態安全評價指標體系

表2 基本農田生態安全部分指標分級賦值標準

立地條件是基本農田的自然屬性，其本底是決定基本農田質量的首要條件。選取表層土壤質地、土壤酸堿度、有機質含量、有效土層厚度進行表征。表層土壤主要有土壤礦物質養分供給以及調節水、肥、氣、熱等功能，分為砂土、壤土和黏土3類；土壤酸堿度直接影響土壤肥力及植物生長，土壤酸堿度過高造成的土壤堿化極易導致土地荒漠化；有機質含量則決定了土壤肥力水平，影響土壤性狀和農作物的生長，土壤有機質能吸附較多的陽離子，增加植物所需養分供應，提高土壤的保蓄性和緩沖性[16]；有效土層厚度主要指能夠提供作物生長所需養分和水分的土層厚度，有效土層越厚越有利于農作物根系的生長。

景觀條件主要用來表征基本農田景觀格局，選取景觀多樣性指數、景觀分離指數進行表征。景觀多樣性指數反映基本農田景觀結構的豐富程度；景觀分離指數則可以反映基本農田田塊的分散程度，景觀分離指數越大表明田塊越分散。

脅迫條件用來反映人類活動對基本農田生態系統的壓力和脅迫，選取土地利用程度、農田化肥負荷、農藥負荷、人口密度指標進行表征。土地利用程度可以反映農戶耕作行為引起的耕地質量差異，農戶耕作行為如耕地的利用方式、管理水平、投入情況等均會對耕地質量產生一定的影響，不同耕地利用類型下，耕地利用的集約化程度、環境友好程度都有較大的差異，農戶對水田、水澆地管理精細、投入比較高，耕地質量較好，因此賦予較高的分值，而對旱地的投入程度相對較低，分值也較低，主要分為水田、水澆地、旱地3種類型；大量化肥和農藥的使用不僅會造成土壤酸化和土壤污染，還會對地表水造成污染，并通過地下水灌溉在農業生態系統中造成嚴重的惡性循環，從而影響農田生態安全；人口密度主要表征人口的分布情況。

ISHD為景觀多樣性指數；D為景觀分離指數；Pi為斑塊類型i占景觀總面積的比例；aij為斑塊面積；A為景觀總面積。

1.3.1.2 基本農田糧食安全評價指標體系

糧食安全的內涵從僅強調數量安全，逐步深入到關注糧食獲取的結構性問題，即保證所有人在任何時候都能獲得充足、安全和富有營養的糧食[17-18]。基本農田是保障糧食安全的物質基礎，筆者通過相關文獻梳理，結合糧食安全的相關影響因素，從供給條件、保障條件、獲得條件3個方面，以基本農田斑塊為評價單元，構建基本農田糧食安全評價指標體系(表3)。

表3 基本農田糧食安全評價指標體系

糧食安全最根本的問題在于糧食生產的總量與結構性，即糧食的供給問題，選取單位糧食產量、糧食播種面積、生產力穩定性指標進行表征。糧食產量是保障糧食安全的根本，單位面積糧食產量越高，對糧食數量安全的保障程度越高；糧食播種面積則是糧食安全的基礎，糧食播種面積越大，對糧食安全的保障程度越高；而基本農田生產力的變化可以反映農田的整體生產水平，生產力穩定性為正值表示生產力穩定。

保障條件作為糧食安全的本地條件，選取基本農田面積比重、田塊規模、第一產業占比、集中連片程度進行表征。基本農田面積比重表示基本農田面積占耕地面積的比重；田塊規模大小不僅會影響農業機械化程度，也會影響農民對耕地生產資料的投入和管理[19]，在一定范圍內，田塊規模越大越有利于農業生產；第一產業占比反映當地的農業發展水平；集中連片程度則表示基本農田集中程度，是實現農業現代化的基礎。

獲得條件是指在糧食供給充足的前提下，人們獲取糧食的機會和能力，選取道路通達度、人均糧食占有量指標進行表征。道路網是糧食能否實現均衡供給的基礎條件，道路通達度越好，越有利于糧食的運輸和調配，越有利于保障糧食安全；人均占有量是糧食安全的一項基本內容，只有在糧食滿足人類基本的生存需求時才是真正的糧食安全。

1.3.2指標數據標準化

因各數據指標量綱不同，不存在可比性，故采用最小最大值法對各指標進行標準化處理。正項和負向指標處理公式分別為

X=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)，

(1)

X=(Xmax-Xi)/(Xmax-Xmin)。

(2)

式(1)～(2)中，X為標準化處理后的值；Xi為指標原始值；Xmin為指標最小值；Xmax為指標最大值。

1.3.3指標權重的確定

熵權法是基于指標統計性質來確定指標重要程度的客觀賦權法，能夠克服一些主觀賦權法所帶來的結果不穩定現象[20]。通過構建判斷矩陣T=(xij)mn，采用熵權法來確定指標權重。計算公式為

(3)

(4)

(5)

(6)

式(3)～(6)中，Wj為信息熵；Xij為第i個評價對象第j個指標的分值。

1.3.4二維關聯矩陣判斷分析

通過對研究區進行基本農田生態安全評價和糧食安全評價，將基本農田生態安全和糧食安全評價結果劃分為一級、二級、三級、四級4個級別。在對研究區的基本農田進行生態安全和糧食安全評價的基礎上，以此等級為基礎，按其高低順序構建二維關聯矩陣表，將基本農田生態安全一級和糧食安全一級區劃分為優先建設區，基本農田生態安全四級和糧食安全四級區劃分為后備建設區(表4)。該方法計算簡便，能更好地綜合基本農田生態安全和糧食安全的評價結果，使等別劃分結果更加直觀有效。

表4 高標準農田建設分區矩陣

2 結果與分析

2.1 基本農田生態安全評價分析

通過基本農田生態安全評價得到研究區基本農田立地條件、景觀條件、脅迫條件3個維度及綜合評價結果，運用ArcGIS軟件中的自然斷點法識別分類間隔，對相似值進行最恰當的分組，可以使各類別間差異最大化。將其由高到低劃分為一級、二級、三級、四級，基本農田分值越高，等級越高，表明基本農田生態質量越好(圖1)。

原陽縣立地條件以二級為主，占研究區評價面積的68.16%，土壤為堿性土。四級區集中分布在福寧集鎮，其表層土壤質地主要為砂土，土壤pH值為8.8，立地條件較差。

景觀條件呈縣域東部較優，西部相對較差的特征，其中一級區主要分布在路寨鄉、太平鎮，基本農田面積為11 526.10 hm2，占研究區評價面積的16.85%，該區域農田景觀結構豐富程度較高且田塊分散程度較小。

脅迫條件呈一級、二級、三級區交錯分布的特征，一級區主要分布在太平鎮、福寧集鎮，基本農田面積為15 453.40 hm2，占研究區評價面積的22.59%。該區域人口密度較低，在400人·km-2內，化肥農藥使用較合理，其中福寧集鎮基本農田單位面積農藥使用量最少，因此受脅迫條件影響較小。

原陽縣基本農田生態安全等級分布具有較強的區域差異性，東西部地區整體高于中部地區。一級基本農田面積為8 302.43 hm2，占研究區評價面積的12.14%，集中連片分布在太平鎮，該區域土壤本地條件較好，土地利用類型以水田為主，綜合質量較高。二級基本農田面積為28 383.75 hm2，占研究區評價面積的41.48%，集中分布在一級區周圍，鑲嵌分布于西部地區，受田塊分離度較高的影響，同一級區相比，生態安全條件稍弱，但與其他地區相比仍然優勢明顯。三級基本農田面積為14 072.01 hm2，占研究區評價面積的20.57%，主要分布在研究區中部，與四級區鑲嵌分布，由于分布在建制鎮周圍，受經濟發展影響，該區域內鄉鎮中基本農田斑塊面積和個數較少，田塊分離程度較高，化肥農藥使用量較高，但其土壤本底條件處于二級，可采取有效措施提升其生態安全水平。四級基本農田面積為17 662.03 hm2，占研究區評價面積的25.81%，集中分布在研究區北部，零散分布在其他區域，雖然集中于福寧集鎮的基本農田分散度較低，化肥農藥使用量較少，但由于土壤本底質量較差，生態安全分值較低。

2.2 基本農田糧食安全評價分析

通過糧食安全評價得到研究區基本農田糧食供給條件、保障條件、獲得條件3個維度及綜合評價結果，運用ArcGIS軟件中的自然斷點法將其由高到低劃分為一級、二級、三級、四級，糧食安全分值越高，劃分等級越高，基本農田糧食安全越好。

由圖2可見，原陽縣供給條件空間分布區域差異明顯，一級區主要分布在研究區東部齊街鎮、太平鎮和中部葛埠口鄉，占研究區評價面積的22.96%，該區域糧食播種面積較大，糧食產量較上一年顯著增加，生產力穩定，且太平鎮2016年糧食總產量達82 760 t。保障條件較優，一級、二級區集中鑲嵌分布于研究區東部和北部大部分區域及南部部分區域，共占研究區評價面積的67.66%，該區域基本農田占耕地比重較高，且田塊集中連片程度也較高，農業發展水平較好。獲得條件以二、三級區為主，呈以建制鎮為中心向外逐級降低的特征，占研究區評價面積的68.47%，由于受道路通達度因子的影響，一級區主要分布在路網周圍，有利于糧食的銷售、購買和運輸。

原陽縣基本農田糧食安全空間差異顯著，整體呈周圍高、中間低的格局現狀。一級區為糧食安全最優的基本農田，基本農田面積為15 729.10 hm2，占研究區評價面積的22.99%，集中分布在研究區東部的齊街鎮、太平鎮，中部原武鎮也有零星分布，該區域糧食產量高，農業結構合理，生產水平較高，生產力穩定，且糧食作物播種面積占比大，田塊集中連片程度較高。二級區基本農田面積為21 057.16 hm2，占研究區評價面積的30.78%，分散分布在研究區西部和東部徒門鄉，鑲嵌分布于一級區周圍，受獲得條件的影響，人均糧食占有量較低，道路通達性較差，故糧食安全分值較一級區稍低，但較其他區域仍有自身優勢。三級區基本農田面積為25 707.01 hm2，占研究區評價面積的37.57%，集中分布在研究區中部和北部，雖然該區域基本農田面積比重高，田塊規模大且集中連片分布，但土壤本底條件較差導致糧食產量較低，生產力穩定性較差，故糧食安全分值較低。四級區基本農田面積為5 926.96 hm2，占研究區評價面積的8.66%，集中分布在研究區南部官廠鄉，零星分布于三級區圖斑內，該區域基本農田糧食單產低，生產力穩定性差，人均糧食占有量少，受建制鎮和道路輻射影響小，因此糧食安全分值低。

2.3 高標準農田建設分區

綜合考慮研究區的基本農田生態安全和糧食安全評價結果，通過構建二維關聯矩陣，將其劃分為優先建設區、次級建設區、一般建設區、后備建設區，并結合《河南省人民政府辦公廳關于加強高標準農田建設打造全國重要糧食生產核心區的實施意見》《國務院辦公廳關于切實加強高標準農田建設提升國家糧食安全保障能力的意見》對高標準農田建設時序進行具體安排，結果如圖3所示。

優先建設區基本農田面積為7 302.04 hm2，占研究區評價面積的10.67%，集中分布在原陽縣東部的太平鎮。該區域地勢平坦，土壤立地條件好，農藥、化肥使用較合理，糧食播種面積大，生產力穩定，農業發展水平基礎好，基本農田面積比重高，道路和溝渠配置程度明顯優于其他區域，進行較少投入便可得到較好效果。因此，將該區域作為優先建設區，適宜近期進行高標準農田建設，建議在2022年前完成高標準農田建設，打造糧食生產核心區。

次級建設區基本農田面積為14 755.29 hm2，占研究區評價面積的21.57%，該區域主要分布在研究區西部的祝樓鄉、橋北鄉、韓董莊鄉以及東部的徒門鄉、齊街鎮。該區域土壤立地條件較好，西部地區化肥使用量較高，糧食播種面積較少，同時田塊集中連片程度較低，進行整治后可以達到較好水平，因此，適宜近中期進行高標準農田開發建設，建議在2025年前完成高標準農田開發建設。

一般建設區基本農田面積為24 473.36 hm2，占研究區評價面積的35.77%，主要分布在四級區外圍，區域內基本農田生態條件和糧食安全條件處于中等水平，基本農田總體質量有待提高，土地整治的迫切性和可行性較高，可針對不同生態條件和糧食安全條件水平因地制宜進行建設，因此，適宜中期進行高標準農田建設，建議在2035年前完成高標準農田建設。

后備建設區基本農田面積為21 889.54 hm2，占研究區評價面積的31.99%，集中分布在福寧集鎮、官廠鄉，鑲嵌分布于三級區域內及二級區域邊緣，該區域土壤本底質量較差，導致糧食產量低，生產力穩定性差，加之化肥的不合理使用，對環境影響極大，這些問題的解決均需要長時間的投入與建設，可采取土壤改良措施來提高土壤質量，也可引導農民開展生態農業，減少對環境的破壞，提升農產品質量，因此，該區域作為遠期建設區，建議在2050年前完成高標準農田開發建設。

3 討論與結論

3.1 討論

目前，隨著工業化、城鎮化的發展，耕地、基本農田被建設用地占用的幾率也越來越大，因此，在鄉村振興的背景下，不僅要注重基本農田的生產功能，保障糧食安全，也要注重基本農田的生態安全，鼓勵發展生態產業[22-23]。同時應因地制宜開展高標準農田建設，在兼顧生態和生產的基礎上合理引導財政資金的投入與分配，鼓勵社會資本的參與，促進高標準農田的科學建設和健康可持續發展。

該研究從基本農田的生態安全和糧食安全出發，綜合考慮基本農田生態系統立地條件、景觀條件、脅迫條件和糧食的供給、保障、獲得條件，提出高標準農田建設類型差異性劃分與時序安排。但受條件限制，未涉及社會經濟方面的指標；在數據處理過程中運用GIS空間插值的方法，研究結果可能受到數據平均的影響；另外對當地政策規劃和農民建設意愿考慮不足，在今后研究中需進一步完善。

3.2 結論

(1)河南省原陽縣基本農田生態安全等級分布具有較強的區域差異性，東西部地區生態安全分值整體高于西部地區。

(2)河南省原陽縣基本農田田糧食安全空間差異顯著，整體呈周圍高，中間低的格局現狀，主要以二級、三級為主，其面積共占研究區評價面積的68.35%。空間表現為東部鄉鎮最優，西部鄉鎮次之，中部鄉鎮較差。

(3)綜合基本農田生態安全和糧食安全評價結果，通過二維關聯陣，進行研究區高標準農田建設類型劃分與時序安排，其中優先建設區、次級建設區適宜近期和近中期開展高標準農田建設，面積為7 302.04、14 755.29 hm2，一般建設區適宜中期開展高標準農田建設，面積為24 473.36 hm2，后備建設區適宜遠期開展高標準農田建設，面積為21 889.54 hm2。