基于量子遺傳投影尋蹤的長株潭地區耕地系統安全評價

周 浩 胡 凌 陳竹書

(1.湖南師范大學地理科學學院, 長沙 410081; 2.益陽市煙草專賣局, 益陽 413002)

0 引言

耕地系統是糧食生產的基本載體和環境條件，其特性和功能是由耕地自身屬性(耕地數量和質量)、自然生態要素及社會經濟發展等因素綜合作用的結果[1]。隨著城市化、工業化的快速發展，經濟生產與建設占用等人類活動改變了耕地生態環境，并進一步引起耕地質量下降，耕地系統安全面臨嚴重威脅，而強化耕地系統保護是保障國家糧食安全和社會經濟可持續發展的重要任務[2-3]。因此，針對高強度人類活動區開展耕地系統安全評價，識別耕地系統所面臨的安全問題，是提升耕地安全狀態、促進糧食安全生產的重要舉措。

當前，國外關于耕地利用安全研究，主要側重于耕地生態風險、土壤健康監測與耕地可持續利用等研究內容，如使用生態風險評估(ERA)和多階段快速分類初步評估(Triad)程序，研究累積化合物污染對土壤生態系統的威脅[4]；國內學者圍繞耕地利用安全問題也做了大量工作，研究尺度上，主要從大流域[5]、省[6]、市域尺度[7]進行，而對城市化發展水平較高地區的耕地系統安全及其關鍵影響因子識別研究較少；在研究方法上，多通過構建PSR-EES指標體系[8-9]、DPSIR理論體系[10]等，采用TOPSIS法[11]、正態云模型[12]等方法對耕地安全進行定量評估。但上述方法難以消除樣本差異對指標權重的影響，評價結果的準確性有待提高。近年來，國內部分學者將量子遺傳算法及其改進算法優化的投影尋蹤模型應用到調虧灌溉評價[13]、輸電網規劃[14]等領域，具有抗干擾性強、準確度高等優勢，能夠有效提高模型的全局搜索能力與優化效率。

長株潭地區位于湖南省中東部，是我國區域一體化發展、創新驅動發展和都市圈高質量發展的重點試驗區域。近年來，該地區在城市化發展過程中，出現不同程度的耕地滅失、耕地質量下降、區域生態環境惡化等問題，改變了當地耕地系統安全狀態[8，15]?；诖?，本文以長株潭地區為研究區，從數量、質量和生態系統性保護的角度構建耕地系統安全評價指標體系，擬采用量子遺傳算法改進的投影尋蹤模型，對耕地系統安全狀態進行定量研究，以期為該地區耕地利用保護及經濟高質量發展提供理論支持。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

長株潭地區地處湘江中下游，地理位置為東經111°53′～114°15′，北緯26°03′～28°41′。該地區屬亞熱帶季風性濕潤氣候，熱量充足、降水豐沛，地貌類型多樣，以山地、丘陵為主。現轄3個地級市(長沙市、株洲市和湘潭市)，14個市轄區，5個縣級市，5個縣。長株潭地區是我國城市群建設的典型示范區域[15]。近年來，該地區經濟發展迅速、城鎮化水平不斷提高，但耕地利用程度過高、耕地非農化和供需矛盾加劇等耕地安全問題也日益突出[2]。

1.2 數據來源

耕地系統安全的基礎數據主要來源于統計年鑒及公報，包括：《湖南統計年鑒》(2010—2020年)、《長沙統計年鑒》(2010—2020年)、《株洲統計年鑒》(2010—2020年)、《湘潭統計年鑒》(2010—2020年)、《湖南農村統計年鑒》(2010—2020年)以及《長株潭三市國民經濟和社會發展統計公報》(2009—2019年)，2019年長株潭地區及各區縣的耕地面積數據來源于第三次國土調查主要數據公報，對各類型數據進行統一量綱及匯總處理。長株潭地區行政區劃數據來源于國家基礎地理信息中心(https:∥www.webmap.cn/)。

2 研究方法

2.1 耕地系統安全評價指標體系構建

耕地系統安全可定義為在一定時空尺度范圍內，為實現耕地數量、質量、生態“三位一體”保護，而動態平衡耕地數量，確保耕地質量，改善耕地生態環境狀態，促進耕地資源持續有效供給，使耕地系統處于不受威脅的安全狀態以滿足社會經濟的高質量發展[16]。耕地系統安全由耕地數量安全、質量安全和生態安全3個子系統構成，其中，耕地數量安全指的是考慮耕地自然資源稟賦與社會經濟發展因素的綜合作用對耕地數量的影響，以動態平衡耕地數量，滿足糧食生產對耕地面積的需求；耕地質量安全指的是改善耕地自然條件、提高耕地投入與利用管理水平，保障和提升糧食生產安全狀態;而耕地生態安全則為減少耕地生態壓力和威脅，改善耕地生態環境狀況，在健康生態環境中保障耕地數量和質量，維持耕地可持續利用狀態[16-19]。因此，健康的耕地系統在促進糧食安全與社會經濟發展過程中，其足量的耕地數量和優質的耕地質量發揮著基礎性作用，而良好耕地生態環境發揮著保障性作用，三者相輔相成，維系整個耕地系統的安全運行。本文在耕地系統安全運行的基礎上，基于耕地系統安全的內涵，從耕地數量、耕地質量和耕地生態三者系統性保護視角出發，構建耕地系統安全評價指標體系，其中一級準則層耕地數量安全由二級準則層的耕地資源稟賦和社會經濟發展構成，共7個指標因子；耕地質量安全由耕地自然質量和利用質量構成，共8個指標因子；耕地生態安全由耕地生態壓力和生態支持組成，共9個指標因子(表1)。

表1 長株潭地區耕地系統安全評價指標體系Tab.1 Cultivated land system security evaluation index system in Chang-Zhu-Tan region

2.2 基于量子遺傳算法的投影尋蹤模型構建

2.2.1量子遺傳算法

由于傳統遺傳算法存在收斂速度慢、全局優化能力弱、早熟收斂等問題，可將量子遺傳算法(Quantum genetic algorithm, QGA)及其改進算法與投影尋蹤法結合，來處理高維、復雜非線性函數組合優化問題，相比傳統的遺傳算法具有更優越的多樣性[13]。量子遺傳算法是基于量子計算原理的概率優化算法，該算法采用量子比特編碼方式，通過量子旋轉門更新種群，計算適應度，獲取最優解[20]。

2.2.2耕地系統安全評價的投影尋蹤模型

投影尋蹤模型的基本原理是將高維數據投影到低維空間上，通過優化投影目標函數，尋找能反映出高維數據結構特征的最佳投影方向向量。該理論和方法經過不斷地改進和發展，同時與計算機科學算法相結合，在高維、非線性數據統計分析方面具有明確的優勢。該模型在對樣本評價指標集的標準化處理基礎上(采用極差法進行)，構造投影目標函數并實現優化，最終進行樣本的優劣排序并識別關鍵影響因子[21]。模型構建的主要步驟為：

(1)構造投影目標函數

Q(a)=SZDZ

(1)

其中

(2)

(3)

rij=|z(i)-z(j)|

(4)

R——局部密度的窗口半徑

rij——樣本間的距離

u(R-rij)——單位階躍函數，當R≥rij時取1，否則取0

SZ——投影值Zi的標準差

DZ——投影值Zi的局部密度

(2)優化投影目標函數

耕地系統安全評價樣本集確定后，投影目標函數Q(a)的變化由投影方向向量a的變化來決定，通過求解投影目標函數最大化問題來估計最佳投影方向。其中，目標函數最大化公式和約束條件分別為

MaxQ(a)=SZDZ

(5)

(6)

考慮到采用傳統的遺傳算法在處理以{aj=|j=1～p}為優化變量的復雜非線性優化問題時效果不佳，本文擬采用基于量子比特編碼的量子遺傳算法，來實現高維全局尋優。

3 結果與分析

3.1 長株潭地區耕地系統安全時序變化趨勢

以2009—2019年數據為樣本，采用量子遺傳算法優化的投影尋蹤模型分析長株潭地區耕地系統安全的時序變化特征。設定樣本維數為11，指標數為24，對指標數據進行標準化處理，然后應用Matlab 2016b編程進行優化計算(參數設置原則見文獻[20])，其中設定種群規模大小為40、最大遺傳代數為600，最終得到耕地系統安全時序變化最佳投影方向向量(即各評價指標的權重)a=[0.419 7，0.010 15，0. 415 43，0.140 38，0.039 95，0.161 8，0.118 37，0.000 33，0.000 11，0.000 33，0.035 24，0.000 39，0.394 34，0.007 82，0.050 26，0.239 29，0.278 69，0.302 71，0.046 69，0.240 94，0.340 56，0.001 13，0.166 03，0.001 06]，并獲得每個樣本對應的系統安全投影值(圖1)。

圖1 2009—2019年長株潭地區耕地系統安全投影值時序動態演變Fig.1 Time series dynamic changes of security projection value of cultivated land system in Chang-Zhu-Tan region

3.1.1長株潭地區耕地子系統安全投影值變化特征

從耕地子系統安全投影值變化特征來看，研究區各子系統投影值呈現“交錯遞減”狀態，其中耕地生態安全投影值變化趨勢表現為先增后緩再減，如圖1所示。2009年至2015年，生態安全投影值從0.476 7增長到1.293 4，這與2008年《湖南省長株潭城市群區域規劃條例》和2013年《湖南省長株潭城市群生態綠心地區保護條例》的實施有很大的關系，至2015年，長株潭地區生態環境持續改善，污染治理有序推進，森林覆蓋率已提升至56.07%，污水處理率達到96.07%,耕地生態保護效果顯著。2015—2018年，投影值增速放緩但仍穩定增長，歸因于2015年以來開展的“三年造綠大行動”，強化了長株潭生態綠心保護，進一步提升綠心生態服務功能，推行綠色生態農業模式，提供綠色健康農產品，有助于提高農民收入并美化鄉村環境。但在2019年生態安全狀態急劇惡化，主要原因為2019年該地區單位耕地面積地膜負荷異常增大至研究期間最大值15.768 9 kg/hm2，對生態安全產生極大的負面影響，表明該地區耕地生態壓力將持續增大。

耕地數量安全與質量安全子系統投影值先呈穩步上升趨勢，而后持續下降，均以2015年為轉折點，分別由2009年的0.600 3與0.175 1減少至2019年的0.253 6與0.044 2。其中前7年耕地數量安全的提升得益于2007年長株潭城市群“兩型”社會建設綜合配套改革試驗區的設立，2009年將耕地保護納入市州政府績效評估體系，隨著政府對耕地保護工作的愈加重視，區域耕地總面積、人均耕地面積和耕地墾殖率總體上均有所增加，尤其2015年耕地總面積達到6.382×105hm2，為研究期間峰值，強有力的耕地保護措施促使區域耕地數量和質量安全狀態提升。而從2015年開始，由于城鎮化的快速發展而侵占耕地甚至優質農田、生態退耕以滿足生態文明建設而退出部分耕地以及城市化效應導致人口聚集，致使耕地總面積和人均耕地面積逐年減少，耕地墾殖率持續降低，尤其2019年耕地總面積降到最低值5.167×105hm2，耕地數量安全問題嚴峻，并且2015—2018年糧食單產也出現一定程度的下降，反映出長株潭地區耕地非農化、非糧化趨勢明顯，耕地質量安全水平不斷降低。

3.1.2長株潭地區耕地系統安全綜合投影值變化特征

從綜合投影值變化特征來看，研究區耕地系統安全綜合投影值呈“先增后緩再減”波動式降低態勢，由2009年的1.252 1減少到2019年的1.251 7，表征了研究期內耕地系統安全狀況出現惡化(圖1)。進一步分析可知，近11年來，研究區耕地系統安全投影值的波動變化特征以2015年和2018年為分界點，2009—2015年為綜合投影值“加速遞增”階段，綜合投影值從1.252 1增長到2.873 2，表明該階段耕地系統安全狀態顯著提升；2015—2018年綜合投影值保持平穩變化，耕地系統處于穩定的健康狀態；而2018—2019年，綜合投影值急劇下滑。此階段城鎮化發展、耕地類型轉換使耕地占補失衡且“非農化”、“非糧化”趨勢明顯，耕地集約節約利用水平低，亟需深入識別其關鍵影響因子，制定針對性調控措施。

3.2 長株潭地區各區縣耕地系統安全空間格局分異

結合長株潭地區耕地系統安全時序變化特征分析結果可知，2019年長株潭地區耕地系統及子系統安全狀態變化尤為顯著，需深入探究各縣域耕地系統演變特征，識別關鍵影響因子，因地制宜制定調控策略。因此，以2019年長株潭地區各區縣(其中將長沙市轄6區、株洲市轄5區以及湘潭市轄2區分別作為1個樣本，與其他縣(市)共13個樣本)為研究單元，沿用上述方法，探究研究區2019年耕地系統安全空間格局分異特征。優化計算得到耕地系統安全空間分異各評價指標的最佳投影方向向量(a=(0.292 1，0.185 5，0.328 7，0.002 1，0.334 5，0.333 1，0.060 2，0.261 8，0.183 2，0.177 7，0.239 6，0.058 9，0.022 6，0.013 0，0.143 6，0.000 17，0.188 4，0.100 08，0.352 0，0.089 2，0.018 9，0.313 9，0.231 55，0.004 66))和各樣本綜合及二級準則層投影評價值，如表2所示。

表2 2019年長株潭地區各區縣耕地系統安全二級準則層指標投影值Tab.2 Projected value of indicators of the second-level criterion layer of cultivated land system security in all districts and counties in Chang-Zhu-Tan region in 2019

3.2.1耕地系統安全等級閾值

以最佳投影方向向量作為權重，計算得到各樣本點的投影值，從而進行樣本優劣排序，并探究各評價指標對耕地系統安全的影響程度，以確定關鍵影響因子。參照文獻[6]，并結合研究區實際狀況，根據耕地系統安全投影值及其聚集與離散程度，借助DPS 7.05軟件，采用系統聚類分析法[3]，確定其等級閾值(表3)。

表3 耕地系統安全等級標準Tab.3 Cultivated land system security level standards

3.2.2長株潭地區各區縣耕地系統安全空間格局分異特征

從耕地系統安全二級準則層角度分析其分異特征。分析表2和圖2可知，2019年，長株潭地區耕地系統安全表現為由中心城區向城市四周郊區輻射式提升的空間分異特征。其中，處于非常安全等級的區域有瀏陽市、寧鄉市、攸縣、湘鄉市和湘潭縣。該類區域耕地資源稟賦最高且社會經濟發展對耕地數量安全的負面影響較少，得益于國土整治工程，特別是農田整治實施效果較好，使耕地數量、人均耕地面積和人均糧食占有量增多，但單位耕地面積農業產出效益偏低是耕地系統安全提升的主要障礙；處于比較安全等級的區域有長沙縣、醴陵市、茶陵縣、炎陵縣和韶山市，此類區域主要為城市近郊區，耕地系統安全綜合投影值較大，耕地資源稟賦較高，耕地生態支持力度較大，人均耕地面積和耕地總面積是提升耕地安全的主要驅動因素。但除長沙縣外，耕地自然質量相對較低(特別是茶陵縣灌溉保證率極低,僅為66.95%)以及高耕地生態壓力(單位耕地面積農藥負荷普遍較大)成為阻礙耕地生態安全狀態改善的關鍵因子；處于臨界安全等級的區域有株洲市區和湘潭市區，這類區域位于中心城區，耕地系統安全綜合投影值介于1.252 2～1.745 1之間，耕地系統受到一定損害，處于敏感狀態，表現為耕地數量安全、質量安全以及生態安全都處于中等臨界水平，以社會經濟發展占用耕地數量多和耕地生態支持力度小為主要特點，需加以防范并制定調控策略改善安全狀態；處于極不安全等級的區域是長沙市區，其投影值最低，耕地系統脆弱，歸因于近年來長沙市區加速城鎮化持續擠壓農業生產空間，導致人均耕地面積減少、人均糧食占有量逐年下降，至2019年分別僅為0.011 4 hm2/人、86.729 4 kg/人，耕地資源稟賦趨于降低，糧食安全面臨嚴重危機。且耕地利用質量與生態支持力度不高，表現為糧食單產和農民人均純收入均明顯低于其他區域，同時高人口密度產生較大的生態壓力，降低了長沙市區耕地系統安全，亟待加大耕地保護力度。

圖2 2019年長株潭地區耕地系統安全狀態空間分異格局Fig.2 Spatial differentiation pattern of security status of cultivated land system in Chang-Zhu-Tan region in 2019

此外，通過對比分析長株潭地區耕地系統安全時序變化與空間格局分異評價指標的最佳投影方向向量，發現其指標優劣排序大致相同，表明以量子遺傳算法優化的投影尋蹤模型適用于耕地系統安全評價。其中，人均耕地面積、耕地總面積、耕地墾殖率、單位耕地面積地膜負荷和污水集中處理率是影響長株潭地區耕地系統安全的關鍵因子。

4 討論

要改善耕地系統安全狀態，需從耕地安全關鍵影響因子入手，因地制宜采取針對性措施，實現耕地的有效利用與管理。因此，對耕地系統非常安全區而言，應愈加重視全域土地綜合整治，特別是永久基本農田保護和高標準農田建設，維系耕地數量安全，調整農業種植結構、推進農業供給側結構性改革、提升農業生產效益、促進農民增收、加快實現鄉村振興；對比較安全區而言，城市近郊區耕地資源稟賦較高，但灌溉保證率偏低和農藥負荷增大等問題突出，政府應加大農業科技和資金投入，重點推進農田節水灌溉基礎設施建設，加快建立與區域水資源承載能力相適應的節水型農業結構，并開展測土配方，科學施肥用藥，積極向綠色生態農業轉型，以實現農業農村現代化；對臨界安全區和極不安全區而言，中心城區城市化進程快，人口密度大，需注重耕地資源開發利用與生態環境保護相協調，促進新型城鎮化發展，同時優化區域農業生產結構，優先發展先進農業生產技術，提高糧食單產，保障糧食安全，實現“藏糧于地，藏糧于技”戰略。

耕地系統安全評價對于有效保護耕地和促進耕地的可持續利用具有重要的積極意義。但評價指標體系的選取和構建主觀性較強、嚴謹性欠缺，并且耕地系統是一個復合系統，不同區域耕地數量、耕地質量和耕地生態安全子系統的差異較大，指標體系的準確性有待進一步考究；此外，投影尋蹤模型建模時，最佳投影方向向量的約束條件和取值范圍影響著評價結果的準確性，有待深化研究；量子遺傳算法在優化投影目標函數時，其收斂速度、全局搜索能力仍具有一定的局限性，在將來研究中可加入量子災變、量子交叉和改進量子旋轉門轉角策略等操作來提升算法性能，同時可嘗試結合最新的智能優化算法(如群智能最優化算法[22])來解決局部極值問題，并深入探究其在耕地資源評價等領域中的應用效果。

5 結論

(1)長株潭地區各耕地系統安全子系統投影值呈現“交錯遞減”狀態，耕地系統安全綜合投影值呈“先增后緩再減”波動式降低態勢，由2009年的1.252 1減少到2019年的1.251 7。

(2)從縣域耕地系統安全空間格局演變特征來看，2019年，長株潭地區耕地系統安全空間格局表現為由中心城區向城市四周遠近郊區輻射式提升的分異特征。

(3)針對不同耕地系統安全等級區，從優化農業生產結構、發展綠色生態農業和推進新型城鎮化等方面因地制宜提出了調控措施，對提升耕地系統安全狀態具有一定的參考價值。

(4)應用量子遺傳算法改進投影尋蹤模型，相比于傳統遺傳算法，其在收斂速度、全局尋優能力及計算精度等方面均有所提升，其評價結果也具有現勢性特征，表明基于QGA的投影尋蹤法適用于耕地系統安全定量評價。且根據最佳投影方向向量，可知耕地總面積、人均耕地面積、耕地墾殖率、單位耕地面積地膜負荷和污水集中處理率是影響該地區耕地系統安全的關鍵因子，需積極從保護耕地數量和提高耕地利用管理水平方面維持和改善當地耕地系統安全狀態。