基于生态安全和粮食安全的高标准农田建设研究

王 珂，李 玲，黎 鹏

(河南农业大学资源与环境学院，河南 郑州 450002)

加强高标准农田建设，实现“藏粮于地、藏粮于技”的新时代国家粮食安全战略，是实施乡村振兴战略的重要基础，是保障国家粮食安全、推动农业高质量发展的重大举措[1]。近年来，随着工业化、城镇化的不断推进及人口规模的增加，建设用地不断占用大量耕地甚至占用质量较高的基本农田，加之一些地区水资源匮乏、自然灾害、环境污染等因素，对粮食安全造成极大威胁。此外，化肥的不合理使用以及耕作方法的落后，对土壤也造成了一定程度的污染和破坏。以上诸多原因导致耕地的生态环境遭到不同程度破坏。为了保障农产品高产、稳产、安全生产以及保护农田生态环境，国家提出了高标准农田的概念。高标准农田是指土地平整、集中连片、设施完善、农电配套、土壤肥沃、生态良好、抗灾能力强，与现代农业生产和经营方式相适应的旱涝保收、高产稳产，划定为永久基本农田的耕地[2]。2019年发布的《国务院办公厅关于切实加强高标准农田建设提升国家粮食安全保障能力的意见》指出，到2020年，全国要建成5 300万hm2集中连片、旱涝保收、节水高效、稳产高产、生态友好的高标准农田；到2022年，要建成6 700 hm2高标准农田，以此稳定保障5 000亿kg以上粮食产能；到 2035 年，要通过持续改造提升，使全国高标准农田保有量进一步提高，从而不断夯实国家粮食安全保障基础[3]。

目前，我国高标准农田建设的相关研究较为基础，主要是以土地整理为主，学者们通过耦合协调度模型[4]、局部空间自相关[5]、四象限法[6]、熵权法和可拓模型等方法进行高标准农田项目区选址、建设分区及建设时序安排[7-8]、社会效益评价[9]、评价模型构建[10]、建设绩效评价[11]、建设适宜性评价[12]等研究，研究对象涵盖了省域、市域、县域等不同区域层面。针对高标准农田建设分区及时序安排，已有研究往往是基于耕地质量、社会条件、区位条件等方面构建评价模型[13-14]，较少考虑其概念中“生态良好”的具体定义。原阳县作为河南省粮食生产大县，农业生产以小麦、水稻两大作物为主，是国家确定的优质强筋小麦生产基地县。因此，笔者以原阳县为例，立足于高标准农田建设的实际需求，从生态安全与粮食安全2个维度出发构建评价指标体系，科学划分高标准农田建设分区，以期促进高标准农田的合理建设及健康可持续发展。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

原阳县位于河南省中部华北黄河冲积平原顶端，地理位置为34°54′～35°11′ N，113°37′～114°15′ E，北接新乡市、延津县，南邻黄河，与郑州市、开封市隔河相望，东接封丘县，西靠武陟县、获嘉县，区域总面积为1 022 km2，基本农田面积为684 km2，总人口为62万。研究区地处华北平原南端的豫北平原，是典型的平原，属暖温带大陆性季风气候区，春季干旱多风沙，夏季炎热多雨，秋季光足温差大，冬季干冷。多年平均气温为14.4 ℃，平均降水量为566.2 mm，地跨黄河、海河两大水系，水资源充沛。

原阳县已于2019年开展高标准农田建设规划，亟需规划科学合理的高标准农田建设时序。该县农业生产历史悠久，将其作为研究区，对于河南省县域尺度下的高标准农田建设时序安排具有代表意义。

1.2 数据来源

河南省原阳县土地利用现状、土壤属性等数据来源于原阳县自然资源局；社会数据来源于2015—2016年《河南统计年鉴》《新乡统计年鉴》《原阳统计年鉴》。

1.3 研究方法

1.3.1评价指标体系建立

1.3.1.1 基本农田生态安全评价指标体系

基本农田生态安全评价是以基本农田生态系统为评价对象，既要考虑基本农田的当地条件，也要考虑人类活动对基本农田的影响[15]。在明晰基本农田、高标准农田概念的基础上，参考GB/T 33130—2016《高标准农田建设评价规范》，结合研究区基本农田特点、相关影响因素，从立地条件、景观条件、胁迫条件3个方面，以基本农田斑块为评价单元，构建基本农田生态安全评价指标体系(表1)，部分指标分级标准见表2。

表1 基本农田生态安全评价指标体系

表2 基本农田生态安全部分指标分级赋值标准

立地条件是基本农田的自然属性，其本底是决定基本农田质量的首要条件。选取表层土壤质地、土壤酸碱度、有机质含量、有效土层厚度进行表征。表层土壤主要有土壤矿物质养分供给以及调节水、肥、气、热等功能，分为砂土、壤土和黏土3类；土壤酸碱度直接影响土壤肥力及植物生长，土壤酸碱度过高造成的土壤碱化极易导致土地荒漠化；有机质含量则决定了土壤肥力水平，影响土壤性状和农作物的生长，土壤有机质能吸附较多的阳离子，增加植物所需养分供应，提高土壤的保蓄性和缓冲性[16]；有效土层厚度主要指能够提供作物生长所需养分和水分的土层厚度，有效土层越厚越有利于农作物根系的生长。

景观条件主要用来表征基本农田景观格局，选取景观多样性指数、景观分离指数进行表征。景观多样性指数反映基本农田景观结构的丰富程度；景观分离指数则可以反映基本农田田块的分散程度，景观分离指数越大表明田块越分散。

胁迫条件用来反映人类活动对基本农田生态系统的压力和胁迫，选取土地利用程度、农田化肥负荷、农药负荷、人口密度指标进行表征。土地利用程度可以反映农户耕作行为引起的耕地质量差异，农户耕作行为如耕地的利用方式、管理水平、投入情况等均会对耕地质量产生一定的影响，不同耕地利用类型下，耕地利用的集约化程度、环境友好程度都有较大的差异，农户对水田、水浇地管理精细、投入比较高，耕地质量较好，因此赋予较高的分值，而对旱地的投入程度相对较低，分值也较低，主要分为水田、水浇地、旱地3种类型；大量化肥和农药的使用不仅会造成土壤酸化和土壤污染，还会对地表水造成污染，并通过地下水灌溉在农业生态系统中造成严重的恶性循环，从而影响农田生态安全；人口密度主要表征人口的分布情况。

ISHD为景观多样性指数；D为景观分离指数；Pi为斑块类型i占景观总面积的比例；aij为斑块面积；A为景观总面积。

1.3.1.2 基本农田粮食安全评价指标体系

粮食安全的内涵从仅强调数量安全，逐步深入到关注粮食获取的结构性问题，即保证所有人在任何时候都能获得充足、安全和富有营养的粮食[17-18]。基本农田是保障粮食安全的物质基础，笔者通过相关文献梳理，结合粮食安全的相关影响因素，从供给条件、保障条件、获得条件3个方面，以基本农田斑块为评价单元，构建基本农田粮食安全评价指标体系(表3)。

表3 基本农田粮食安全评价指标体系

粮食安全最根本的问题在于粮食生产的总量与结构性，即粮食的供给问题，选取单位粮食产量、粮食播种面积、生产力稳定性指标进行表征。粮食产量是保障粮食安全的根本，单位面积粮食产量越高，对粮食数量安全的保障程度越高；粮食播种面积则是粮食安全的基础，粮食播种面积越大，对粮食安全的保障程度越高；而基本农田生产力的变化可以反映农田的整体生产水平，生产力稳定性为正值表示生产力稳定。

保障条件作为粮食安全的本地条件，选取基本农田面积比重、田块规模、第一产业占比、集中连片程度进行表征。基本农田面积比重表示基本农田面积占耕地面积的比重；田块规模大小不仅会影响农业机械化程度，也会影响农民对耕地生产资料的投入和管理[19]，在一定范围内，田块规模越大越有利于农业生产；第一产业占比反映当地的农业发展水平；集中连片程度则表示基本农田集中程度，是实现农业现代化的基础。

获得条件是指在粮食供给充足的前提下，人们获取粮食的机会和能力，选取道路通达度、人均粮食占有量指标进行表征。道路网是粮食能否实现均衡供给的基础条件，道路通达度越好，越有利于粮食的运输和调配，越有利于保障粮食安全；人均占有量是粮食安全的一项基本内容，只有在粮食满足人类基本的生存需求时才是真正的粮食安全。

1.3.2指标数据标准化

因各数据指标量纲不同，不存在可比性，故采用最小最大值法对各指标进行标准化处理。正项和负向指标处理公式分别为

X=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)，

(1)

X=(Xmax-Xi)/(Xmax-Xmin)。

(2)

式(1)～(2)中，X为标准化处理后的值；Xi为指标原始值；Xmin为指标最小值；Xmax为指标最大值。

1.3.3指标权重的确定

熵权法是基于指标统计性质来确定指标重要程度的客观赋权法，能够克服一些主观赋权法所带来的结果不稳定现象[20]。通过构建判断矩阵T=(xij)mn，采用熵权法来确定指标权重。计算公式为

(3)

(4)

(5)

(6)

式(3)～(6)中，Wj为信息熵；Xij为第i个评价对象第j个指标的分值。

1.3.4二维关联矩阵判断分析

通过对研究区进行基本农田生态安全评价和粮食安全评价，将基本农田生态安全和粮食安全评价结果划分为一级、二级、三级、四级4个级别。在对研究区的基本农田进行生态安全和粮食安全评价的基础上，以此等级为基础，按其高低顺序构建二维关联矩阵表，将基本农田生态安全一级和粮食安全一级区划分为优先建设区，基本农田生态安全四级和粮食安全四级区划分为后备建设区(表4)。该方法计算简便，能更好地综合基本农田生态安全和粮食安全的评价结果，使等别划分结果更加直观有效。

表4 高标准农田建设分区矩阵

2 结果与分析

2.1 基本农田生态安全评价分析

通过基本农田生态安全评价得到研究区基本农田立地条件、景观条件、胁迫条件3个维度及综合评价结果，运用ArcGIS软件中的自然断点法识别分类间隔，对相似值进行最恰当的分组，可以使各类别间差异最大化。将其由高到低划分为一级、二级、三级、四级，基本农田分值越高，等级越高，表明基本农田生态质量越好(图1)。

原阳县立地条件以二级为主，占研究区评价面积的68.16%，土壤为碱性土。四级区集中分布在福宁集镇，其表层土壤质地主要为砂土，土壤pH值为8.8，立地条件较差。

景观条件呈县域东部较优，西部相对较差的特征，其中一级区主要分布在路寨乡、太平镇，基本农田面积为11 526.10 hm2，占研究区评价面积的16.85%，该区域农田景观结构丰富程度较高且田块分散程度较小。

胁迫条件呈一级、二级、三级区交错分布的特征，一级区主要分布在太平镇、福宁集镇，基本农田面积为15 453.40 hm2，占研究区评价面积的22.59%。该区域人口密度较低，在400人·km-2内，化肥农药使用较合理，其中福宁集镇基本农田单位面积农药使用量最少，因此受胁迫条件影响较小。

原阳县基本农田生态安全等级分布具有较强的区域差异性，东西部地区整体高于中部地区。一级基本农田面积为8 302.43 hm2，占研究区评价面积的12.14%，集中连片分布在太平镇，该区域土壤本地条件较好，土地利用类型以水田为主，综合质量较高。二级基本农田面积为28 383.75 hm2，占研究区评价面积的41.48%，集中分布在一级区周围，镶嵌分布于西部地区，受田块分离度较高的影响，同一级区相比，生态安全条件稍弱，但与其他地区相比仍然优势明显。三级基本农田面积为14 072.01 hm2，占研究区评价面积的20.57%，主要分布在研究区中部，与四级区镶嵌分布，由于分布在建制镇周围，受经济发展影响，该区域内乡镇中基本农田斑块面积和个数较少，田块分离程度较高，化肥农药使用量较高，但其土壤本底条件处于二级，可采取有效措施提升其生态安全水平。四级基本农田面积为17 662.03 hm2，占研究区评价面积的25.81%，集中分布在研究区北部，零散分布在其他区域，虽然集中于福宁集镇的基本农田分散度较低，化肥农药使用量较少，但由于土壤本底质量较差，生态安全分值较低。

2.2 基本农田粮食安全评价分析

通过粮食安全评价得到研究区基本农田粮食供给条件、保障条件、获得条件3个维度及综合评价结果，运用ArcGIS软件中的自然断点法将其由高到低划分为一级、二级、三级、四级，粮食安全分值越高，划分等级越高，基本农田粮食安全越好。

由图2可见，原阳县供给条件空间分布区域差异明显，一级区主要分布在研究区东部齐街镇、太平镇和中部葛埠口乡，占研究区评价面积的22.96%，该区域粮食播种面积较大，粮食产量较上一年显著增加，生产力稳定，且太平镇2016年粮食总产量达82 760 t。保障条件较优，一级、二级区集中镶嵌分布于研究区东部和北部大部分区域及南部部分区域，共占研究区评价面积的67.66%，该区域基本农田占耕地比重较高，且田块集中连片程度也较高，农业发展水平较好。获得条件以二、三级区为主，呈以建制镇为中心向外逐级降低的特征，占研究区评价面积的68.47%，由于受道路通达度因子的影响，一级区主要分布在路网周围，有利于粮食的销售、购买和运输。

原阳县基本农田粮食安全空间差异显著，整体呈周围高、中间低的格局现状。一级区为粮食安全最优的基本农田，基本农田面积为15 729.10 hm2，占研究区评价面积的22.99%，集中分布在研究区东部的齐街镇、太平镇，中部原武镇也有零星分布，该区域粮食产量高，农业结构合理，生产水平较高，生产力稳定，且粮食作物播种面积占比大，田块集中连片程度较高。二级区基本农田面积为21 057.16 hm2，占研究区评价面积的30.78%，分散分布在研究区西部和东部徒门乡，镶嵌分布于一级区周围，受获得条件的影响，人均粮食占有量较低，道路通达性较差，故粮食安全分值较一级区稍低，但较其他区域仍有自身优势。三级区基本农田面积为25 707.01 hm2，占研究区评价面积的37.57%，集中分布在研究区中部和北部，虽然该区域基本农田面积比重高，田块规模大且集中连片分布，但土壤本底条件较差导致粮食产量较低，生产力稳定性较差，故粮食安全分值较低。四级区基本农田面积为5 926.96 hm2，占研究区评价面积的8.66%，集中分布在研究区南部官厂乡，零星分布于三级区图斑内，该区域基本农田粮食单产低，生产力稳定性差，人均粮食占有量少，受建制镇和道路辐射影响小，因此粮食安全分值低。

2.3 高标准农田建设分区

综合考虑研究区的基本农田生态安全和粮食安全评价结果，通过构建二维关联矩阵，将其划分为优先建设区、次级建设区、一般建设区、后备建设区，并结合《河南省人民政府办公厅关于加强高标准农田建设打造全国重要粮食生产核心区的实施意见》《国务院办公厅关于切实加强高标准农田建设提升国家粮食安全保障能力的意见》对高标准农田建设时序进行具体安排，结果如图3所示。

优先建设区基本农田面积为7 302.04 hm2，占研究区评价面积的10.67%，集中分布在原阳县东部的太平镇。该区域地势平坦，土壤立地条件好，农药、化肥使用较合理，粮食播种面积大，生产力稳定，农业发展水平基础好，基本农田面积比重高，道路和沟渠配置程度明显优于其他区域，进行较少投入便可得到较好效果。因此，将该区域作为优先建设区，适宜近期进行高标准农田建设，建议在2022年前完成高标准农田建设，打造粮食生产核心区。

次级建设区基本农田面积为14 755.29 hm2，占研究区评价面积的21.57%，该区域主要分布在研究区西部的祝楼乡、桥北乡、韩董庄乡以及东部的徒门乡、齐街镇。该区域土壤立地条件较好，西部地区化肥使用量较高，粮食播种面积较少，同时田块集中连片程度较低，进行整治后可以达到较好水平，因此，适宜近中期进行高标准农田开发建设，建议在2025年前完成高标准农田开发建设。

一般建设区基本农田面积为24 473.36 hm2，占研究区评价面积的35.77%，主要分布在四级区外围，区域内基本农田生态条件和粮食安全条件处于中等水平，基本农田总体质量有待提高，土地整治的迫切性和可行性较高，可针对不同生态条件和粮食安全条件水平因地制宜进行建设，因此，适宜中期进行高标准农田建设，建议在2035年前完成高标准农田建设。

后备建设区基本农田面积为21 889.54 hm2，占研究区评价面积的31.99%，集中分布在福宁集镇、官厂乡，镶嵌分布于三级区域内及二级区域边缘，该区域土壤本底质量较差，导致粮食产量低，生产力稳定性差，加之化肥的不合理使用，对环境影响极大，这些问题的解决均需要长时间的投入与建设，可采取土壤改良措施来提高土壤质量，也可引导农民开展生态农业，减少对环境的破坏，提升农产品质量，因此，该区域作为远期建设区，建议在2050年前完成高标准农田开发建设。

3 讨论与结论

3.1 讨论

目前，随着工业化、城镇化的发展，耕地、基本农田被建设用地占用的几率也越来越大，因此，在乡村振兴的背景下，不仅要注重基本农田的生产功能，保障粮食安全，也要注重基本农田的生态安全，鼓励发展生态产业[22-23]。同时应因地制宜开展高标准农田建设，在兼顾生态和生产的基础上合理引导财政资金的投入与分配，鼓励社会资本的参与，促进高标准农田的科学建设和健康可持续发展。

该研究从基本农田的生态安全和粮食安全出发，综合考虑基本农田生态系统立地条件、景观条件、胁迫条件和粮食的供给、保障、获得条件，提出高标准农田建设类型差异性划分与时序安排。但受条件限制，未涉及社会经济方面的指标；在数据处理过程中运用GIS空间插值的方法，研究结果可能受到数据平均的影响；另外对当地政策规划和农民建设意愿考虑不足，在今后研究中需进一步完善。

3.2 结论

(1)河南省原阳县基本农田生态安全等级分布具有较强的区域差异性，东西部地区生态安全分值整体高于西部地区。

(2)河南省原阳县基本农田田粮食安全空间差异显著，整体呈周围高，中间低的格局现状，主要以二级、三级为主，其面积共占研究区评价面积的68.35%。空间表现为东部乡镇最优，西部乡镇次之，中部乡镇较差。

(3)综合基本农田生态安全和粮食安全评价结果，通过二维关联阵，进行研究区高标准农田建设类型划分与时序安排，其中优先建设区、次级建设区适宜近期和近中期开展高标准农田建设，面积为7 302.04、14 755.29 hm2，一般建设区适宜中期开展高标准农田建设，面积为24 473.36 hm2，后备建设区适宜远期开展高标准农田建设，面积为21 889.54 hm2。