基于Lindo模型的耕地保护数量预测——以湖南省新邵县为例

2021-08-30文宁李家会

安徽农业科学 2021年16期

文宁李家会

摘要 [目的]積极响应耕地保护的相关政策，实现粮食安全。[方法]基于第3次国土调查初始数据库利用Lindo模型对湖南省新邵县耕地数量进行了预测和分析。[结果]研究表明，新邵县各乡镇耕地面积有增有减，总体耕地面积稍有减少，但耕地可以满足当地未来预测人口粮食需求，确保当地粮食安全。[结论]该研究能为相关政府部门提供一定参考决策建议，促进当地耕地保护。

关键词耕地保护;粮食安全;Lindo模型;新邵县

中图分类号 F 301.2 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）16-0106-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.16.028 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Prediction of the Amount of Cultivated Land Protection Based on Lindo Model—A Case Study in Xinshao County， Hunan Province

WEN Ning， LI Jia-hui （Hunan Provincial Land and Resources Planning Institute， Changsha，Hunan 410007）

Abstract [Objective]In order to actively respond to the relevant policies of cultivated land protection and achieve food security.[Method]Based on the initial database of the third national land survey， the Lindo model was used to predict and analyze the amount of cultivated land in Xinshao County， Hunan Province.[Result]This study showed that the cultivated land area of all townships in Xinshao County has increased or decreased， and the overall cultivated land area has slightly decreased， but the cultivated land can meet the future food needs of the local population and can ensure local food security.[Conclusion]This research can provide certain reference decision-making suggestions for relevant government departments， and promote the protection of local cultivated land.

Key words Cultivated land protection;Food security;Lindo model;Xinshao County

耕地保护是关系国计民生的头等大事，它最早源于粮食安全问题。1978 年以后，随着经济发展和耕地数量减少矛盾的显现，耕地保护意识开始萌芽，一系列耕地保护政策和法律法规相继出台。2020年的中央一号文件明确提出“确保粮食安全始终是治国理政的头等大事”及“粮食生产要稳字当头，稳政策、稳面积、稳产量”等主要战略方针，并指出粮食安全的关键是生产供应充足粮食，切实保护耕地特别是基本农田。2020年新冠肺炎疫情、蝗灾以及气候变化等影响使得耕地与基本农田保护的重要性更加凸显。2020年两会期间，耕地保护依旧是热议话题，参会代表提出了“通过耕地修养生息和生态修复，降低资源开发利用强度，提高耕地质量水平，夯实粮食安全物质基础”等议案。作为传统农业大省和粮食主产区的湖南省高度关注耕地和基本农田保护，新邵县作为湖南省农业重点市县以及国土空间规划重点城市之一，积极响应相关政策号召，同样对耕地保护给予了高度重视。

传统耕地保护研究多以定性理论分析为主[1-3]，后来定量研究逐渐被广泛运用于耕地保护中，其中张乐勤等[4]基于Logistic模型的中国城镇化演进对耕地进行了分析与预测，马永欢等[5]利用系统动力学方法对粮食需求与耕地资源分别进行了预测与配置建议，王霞等[6]利用核函数支持向量回归机对耕地面积进行了预测，张豪等[7]采用遗传算法最小二乘支持向量机对耕地变化进行了相关预测，李玉平等[8-9]以最小人均耕地面积和耕地压力指数作为耕地保护基本标推对耕地面积进行了相关研究，范胜龙等[10-11]基于PSR和无偏GM（1，1）模型对省域耕地生态安全进行了相关评价与预测。洪文等[12-13]相对较早将Lindo模型运用于工程领域，实现了由多目标向线性规划的转化，在兼顾科学性的同时，大大简化了多目标复杂问题求解。但Lindo模型运用于耕地保护领域则相对较少，为此，笔者将该模型运用于农业大省湖南省，并以其中的新邵县为例进行相关分析，以期为耕地保护紧迫性问题的解决提供参考。

1 研究区概述与数据来源

1.1 研究区概述新邵县，地理位置为111°8′～111°50′E、27°15′～27°38′N，典型亚热带季节性季风气候、雨热同期，位于湘中南地区，处于资水中上游、湘中邵阳盆地与新涟盆地之间，东北靠涟源市，东南邻邵东县，南抵邵阳市、邵阳县，西接隆回县，北连新化县、冷水江市。全县辖18乡镇，县城位于境域南部的酿溪镇，与邵阳市双清区、北塔区相邻，县域总面积约1 763.20 km2。由于地形、成土母质、气候、生物和人为活动的长期影响，形成了农林牧用地的各种土类。全县土壤可划分为9个土类、18个亚类、65个土属、134个土种。其中，红壤为其主导型土壤类型。新邵县耕地类型以水田为主体，粮食作物则以水稻为主。根据全国第3次国土调查数据，新邵县土地总面积约176 243.70 hm2。其中，耕地面积为40 777.56 hm2，约占26.37%，主要分布于陈家坊镇、雀塘镇、平塘镇、新田铺镇和小塘镇等地区，林地、城乡建设用地、水域及水利设施用地、交通运输用地以及其他用地占比分别依次为64.69%、6.50%、2.85%、1.80%以及0.06%。

1.2 数据来源该研究中的人口数据、湖南省城乡居民人均食品消费数据、粮食产量数据以及耕地等数据来源于《新邵县统计年鉴》（2006—2019年）《新邵县土地利用总体规划（2006—2020年）（2015年修订版）》《中国统计年鉴》（2006—2019年）、新邵县自然资源局调查资料、新邵县粮食局统计资料以及其他专题的部分研究数据。基础数据则以第3次国土调查初始数据库为现状数据。

2 Lindo模型建立

当生产水平和消费水平确定之后，一个地区的土地人口承载力则与生产结构密切相关。合理的结构可最大限度地调动和利用当地资源，使承载人口达到最大而耕地资源消耗量最小;反之，则浪费了资源。因此存在一个如何根据现有的耕地面积、产量水平以及居民的健康饮食标准建立一个耕地分配结构的问题，使新邵县在耕地总量最小的情况下承载人口量最大。这里采用《划定基本农田保护区技术规程》中的方法，从理论上探讨新邵县在2025—2035年为满足生产发展以及居民的合理健康生活所需要的耕地总量以及生产结构的可能值。

变量设定：设 X1为粮食的播种面积、X2为蔬菜的播种面积、X3为水果的播种面积、X4为油料作物的播种面积、X5为棉花的播种面积， Y 为新邵县的最小耕地量，单位都为万 hm2。目标函数为f（x）=y =min。那么模型应满足以下约束条件：

（1）根据历年数据推算，随着社会经济的发展，新邵县城乡居民的口粮需求量在新邵县的粮食总需求量中所占的比例逐年下降，这说明一方面新邵县居民食物消费中粮食的比例逐渐降低，另一方面随着经济的发展和消费结构的调整，饲料用粮和种子用粮等的消耗量有所上升。根据口粮所占比例的变化趋势，可将口粮比例设定为2025年56.8%，2030年54.0%，2035年52.5%，再考虑到新邵县2025年、2030年和2035年的粮食进口率限制在9%、12%和15%，约束方程可以设定为：

2025年：6 133×X1≥（37.48×115.10+49.02×190.30）/0.568×0.91;

2030年：6 342×X1≥（55.18×118+36.78×195）/0.540×0.88;

2035年：6 436×X1≥（63.26×120+37.15×198）/0.525×0.85。

（2）新邵县所能生产的蔬菜必须满足城乡居民的蔬菜需求，其約束方程分别设定为：

2025年：18 662×X2≥37.48×104.70+49.02×119.4;

2030年：18 849×X2≥55.18×112+36.78×125;

2035年：18 943×X2≥63.26×120+37.15×130。

（3）新邵县所能生产的水果必须满足城乡居民的水果需求，其约束方程分别设定为：

2025年：20 548×X3≥37.48×62.5+49.02×48.3;

2030年：20 754×X3≥55.18×71+36.78×55;

2035年：20 858×X3≥63.26×75+37.15×58。

（4）新邵县所能生产的植物油必须满足城乡居民的植物油需求，其约束方程分别设定为：

2025年：1 906×X4≥37.48×10+49.02×8.3;

2030年：1 925×X4≥55.18×11.5+36.78×9;

2035年：1 935×X4≥63.26×12+37.15×10。

（5）2025年，城市居民人均每日摄入热量8 150 kJ，其中77%来自植物性食物;农村居民人均每日摄入能量11 009 kJ，其中84%来自植物性食物。2030年，城市居民人均每日摄入热量12 147 kJ，其中75%来自植物性食物，农村居民人均每日摄入能量11 042 kJ，其中81%来自植物性食物。2035年，城市居民人均每日摄入热量9 037 kJ，其中76%来自植物性食物，农村居民人均每日摄入能量11 766 kJ，其中80%来自植物性食物。按照粮食、蔬菜、水果和植物油所含的热量标准计算各自应满足的要求。

2025年的约束方程为：

6 133×3 419× X1/0.91+18 662×300×X2+20 548×486.9×X3+1 906×9 000×X4≥37.48×1 947×0.77×365+47.02×2 630×0.84×365

2030年的约束方程为：

6 342×3 419×X1/0.88+18 849×300×X2+20 754×486.9×X3+1 925×9 000×X4≥37.4×2 092×0.75×365+47.02×2 638×0.81×365

2035年的约束方程为：

6 436×3 419×X1/0.85+18 943×300×X2+20 858×486.9×X3+1 935×9 000×X4≥37.4×2 159×0.76×365+47.02×2 811×0.80×365

（6）假设到2025年，粮食作物的复种指数为1.82，蔬菜的复种指数为2.4;到2030年，粮食作物的复种指数为1.85，蔬菜的复种指数为2.2;到2035年，粮食作物的复种指数为1.95，蔬菜的复种指数为2.5。因为除去粮食作物、蔬菜、油料作物、棉花外，新邵县还有一小部分的耕地用来种植其他作物，因此：

2025年的约束方程为：X1/1.82+X2/2.4+X4+X5≤Y;

2030年的约束方程为：X1/1.85+X2/2.2+X4+X5≤Y;

2035年的约束方程为：X1/1.95+X2/2.9+X4+X5≤Y。

（7）随着农业经济的发展，新邵县的粮作比会不断地下降，如果只考虑粮食作物、蔬菜、油料作物、棉花，其播种面积在2025、2030和2035年分别存在下述关系：

2025年：X1/（X1+X2+X4+X5）≤0.78;

2030年：X1/（X1+X2+X4+X5）≤0.74;

2035年：X1/（X1+X2+X4+X5）≤0.72。

（8）蔬菜的播种面积占有较大的比例，随着人们需求的增长，蔬菜的种植比例会有所增长，根据历年的数据可以设定条件：

2025年：X2/（X1+X2+X4+X5）≤0.18;

2030年：X2/（X1+X2+X4+X5）≤0.19;

2035年：X2/（X1+X2+X4+X5）≤0.20。

（9）随着人们生活水平的提高，对水果的需求量会逐渐增大，根据2025和2030年城乡居民对水果和粮食的需求量以及各自产量的变化，可以得到：

2025年的约束方程：X3/X1≥0.05;

2030年的约束方程：X3/X1≥0.07;

2035年的约束方程：X3/X1≥0.07。

（10）由于对种植结构的调整，棉花的种植面积不宜过高，根据往年的数据比例，可以将其在2020和2030年的种植比例限定为：

2025年：X5/X1≤0.01;

2030年：X5/X1≤0.01;

2035年：X5/X1≤0.01。

3 指标现状及发展水平预测

3.1 人口发展预测区域人口增长动态变化是确定耕地数量的起点和关键。根据新邵县2005—2018年人口总量、暂住人口数以及城市化进程数据（表1），利用多种数学模型进行预测，预估得出新邵县在2025、2030和2035年县域总人口分别可达到86.50万、91.96万和100.41万人。其中，2025年的城镇人口大约为37.48万人，2030年的城镇人口大约为55.18万人，2035年的城镇人口大约62.25万人，城镇化水平分别为43.33%、60%和63%。

3.2 居民食物消费现状猪肉、牛羊肉、禽肉和蛋类、水产品、鲜酸奶类等动物产品的生产需要消耗一定的粮食，对动物饲养来说，无直接粮食需求，但从人口对动物产品的需求角度来看，则为人口对粮食的间接需求。因此，可以运用中国农业科学院提出的动物产品粮食折算系数（表2），对粮食需求量进行折算。

依据2010—2018年的《中國统计年鉴》得到湖南省城乡居民人均食品消费量，并以此标准估算出2025、2030和2035年湖南省城乡居民人均食品消费量，作为新邵县居民食品消费现状指标参考。由表3可知，近10年来粮食、水果和肉类的消费需求增加明显，蔬菜的消费需求较为稳定，变化不大。其中，随着逐年发展，农村对于肉类、禽类和水产品类的消费需求大量增加。

根据表3可以计算出城乡居民营养水平分别为：2025年，城市居民人均每日摄入热量8 137 kJ，其中77%来自植物性食物;农村居民人均每日摄入能量11 009 kJ，其中84%来自植物性食物。2030年，城市居民人均每日摄入热量8 757 kJ，其中75%来自植物性食物;农村居民人均每日摄入能量9 962 kJ，其中81%来自植物性食物。按照粮食、蔬菜、水果和植物油所含的热量标准计算各自应满足的要求。人们日常摄取的不同食物会得到不同的营养，主要植物和动物性食物每千克所包含的营养成分见表4。

3.3 新邵县粮食消费结构根据新邵县2015—2018年粮食消费结构的数据（表5），可以预测各自的发展变化趋势。新邵县当前粮食消费主要集中在居民口粮、饲料用粮和种子用粮。由此可以推出2020年的工业用粮量、种子用粮量、饲料用粮量、损耗及其他用粮量分别为0万、0.11万、12.05万、0万 t;在2030年分别为0万、0.12万、14.50万、0万t。

随着社会经济的发展，新邵县居民口粮、工业用粮量、种子用粮量、饲料用粮量、损耗及其他用粮量等在新邵县粮食总需求量中的比例会有所调整（表5），居民口粮的比例会下降，饲料用粮的比例会上升，其他的变化不大。这种结构的调整符合新邵县居民饮食结构的合理化和健康化。

3.4 单产及产量预测

3.4.1 种植作物单产预测。根据图1中2010—2018年新邵县粮食、蔬菜、水果、油料、棉花等的实际单产，再考虑到新邵县的经济和农业科技发展水平，可以得出新邵县的粮食作物单产增长率在2025—2035年为0.5%，可以推算出2025、2030和2035年的粮食作物单产分别为6 133 、6 342 和6 436 kg/hm2。

由于人们生活水平的提高，新邵县居民对蔬菜和水果的需求量大大增加，这样就会刺激蔬菜和水果的生产，在增加种植面积的同时不断地提高产量，考虑到这个原因，单产的增长率可以设为0.1%，可以推算出2025、2030和2035年的蔬菜单产分别为18 662 、18 849和18 943 kg/hm2;2025、2030和2035年的水果单产为20 548、20 754和20 858 kg/hm2。

考虑到油料，棉花的需求与种植面积相对稳定，因此油料和棉花的单产增长率为0。由图2可见，在2025、2030和2035年这3个规划年份，油料作物的单产分别为1 906、1 925 和1 935 kg/hm2;棉花的单产分别为1 236、1 248和1 254 kg/hm2。

3.4.2 肉禽水产品等产量预测。从2010—2019年的居民消费结构可看出，人们消费的食物变化趋势是：动物性食物的消费比例在逐年升高;在植物性食物中，蔬菜水果的消费比例逐步上升。由表6可见，新邵县肉类和水产品的生产量高于居民的消费量，即这两类食物的生产在满足本市居民生活消费之余还可满足工业生产等的需求或者进一步出口;但是本县的禽类生产不能满足居民生活消费需求，需要进口补充。利用多种数学模型进行预测，综合分析后得到，2025—2035年，虽然各类产品的产量都有所增加，但其供需比例不会有太大的变化，也即肉类和水产品的生产量高于居民的消费量，而禽类的生产还是不能满足居民生活消费需求。

3.5 粮食作物播种面积分析新邵县2010—2018年各种作物的播种面积可以得知，新邵县粮食作物的播种面积波动起伏较大，水果和棉花的播种面积变化较小，但总体上呈稳步上升趋势，而蔬菜和油料作物的播种面积呈明显的增长趋势（图2）。

3.6 粮食外调率预测由新邵县2010—2019年粮食的外调率（表7）可以看出，2010年以来新邵县的粮食外调率总体呈增长趋势，但为了保证粮食安全，粮食的外调率不能过高。根据新邵县的发展状况，利用多种数学模型进行预测，综合分析后得到，可以将2025、2030和2035年的粮食进口率限制在9%、12%和15%。

4 耕地保护数量预测

将上述2025、2030和2035年的约束条件分别带到Lindo模型里进行运算，可以得到满足新邵县城乡居民合理健康饮食标准所需要的耕地面积（表8）。

结合新邵县2010—2018年各种作物的播种面积，与2025、2030和2035年这3个预测年份的播种面积进行对比可看出，粮食作物和棉花种植比例有所下降，蔬菜瓜类、水果和油料作物的种植比例都有不同程度提高，其种植结构调整基本符合新邵县城市发展趋势和城乡居民饮食结构调整。

4.1 粮食总产量预测根据前面预测的2025、2030和2035年粮食作物、蔬菜、水果、油料作物等的单产，再考虑到播种面积的变化，可以对不同预测年份的各种作物总产量进行合理的预测（表9）。根据图2和表9，将新邵县所能生产的粮食、蔬菜、水果、油料、肉类禽类以及水产品等，参考其热量关系及粮食折算系数转化为总粮食生产量，再考虑到口粮比例和一定的粮食进口率，则在2025、2030和2035年新邵县的粮食供应量为64.68万、71.16万和75.22万t。根据营养标准和人口数量，再参考其热量关系及粮食折算系数进行转换，则在2035年新邵县的粮食需求量为56.08万t。对新邵县粮食生产量和粮食需求量可以看出，在维持耕地保有量并进口一部分粮食的基础上，新邵县完全能满足预测年份人口的需要。

4.2 各乡镇耕地量发展态势综合考虑新邵县的发展及随着农业技术现代化，单产的变化和复种指数等指标的提升，新邵县2025—2035年耕地总量有少量减少。新邵县各个乡镇的耕地变化趋势不一致，但总体上有一定的规律性。根据2010—2020年间的变化，坪上镇、小塘镇、龙溪镇、大新镇和小塘镇这5个乡镇的耕地量以及在新邵县耕地总量中所占的比重均有所增加（表10），部分乡镇耕地数量和比重总体上平稳不变，部分乡镇耕地有不同程度地减少，说明有必要采取耕地保护区建设，集中保护产粮区。预测新邵县耕地资源量和占比时，综合考虑近10年来发展趋势，耕地后备资源量分布、耕地质量、适宜性等现状情况，以及未来中心城区和中心镇、重点镇发展导致的耕地数量变化情况，最终得到新邵县各乡镇2025、2030、2035年各年份耕地量在全县中所占比例的预测结果。

5 结论与建议

利用Lindo模型对湖南省新邵县未来15年耕地面积进行相关预测与分析发现，其粮食作物与棉花种植比例有所下降，而蔬菜瓜类、水果与油料作物种植比例则有不同程度提高，该县种植结构调整基本符合新邵县城市发展趋势和城乡居民饮食结构调整;正常情况下，新邵县耕地可以满足当地未来预测人口粮食需求，能够确保当地粮食安全;新邵县各乡镇耕地面积增减存在区域差异，耕地总面积稍有减少。

粮食安全是一个城市必须确保的基本安全，是耕地保护的直接目的。保护耕地是粮食安全保证的前提，为了保证新邵县粮食安全，必须实行最严格的耕地保护制度。实行耕地保护不仅仅是一个口号，而要从各个方面进行具体落实。为了实现粮食安全，可从以下几个途径对耕地实施严格保护：①加强统筹管理。耕地保护是在各级土地利用总体规划基础上实行土地控制使用，因此需要加强统筹管理，将耕地保护落实到各基层利用分区，促进实地稽查与监测，充分利用RS、GIS与GPS等高新科技手段，提高土地资源管理信息化水平。②积极实施土地整理、复垦与开发等措施，提高土地质量和改善耕地生态环境，增加优质耕地面积。同时，加大农业资金投入力度，增强农业机械化水平，从而提高新邵县粮食供应量，确保粮食安全。③深化和强化全民耕地保护法制认知。耕地保护是一个社会系统工程，其基础是提高全民法治意识，因此需要深化和强化全民耕地保护法制认知。④加强粮食节约集约宣传力度，积极构筑“温饱型—小康型—生态型”由低到高的耕地保护理念创新方案。结合新邵县当前耕地利用现状和社会经济发展要求，应该逐渐将耕地保护理念由“温饱型”调整为“小康型”，并以“生态型”为最终目

标，从而更好协调耕地与城市发展的关系，在保证粮食安全的前提下促进城市发展。

参考文献

[1] 张士功.耕地资源与粮食安全[D].北京：中国农业科学院，2005.

[2] 刘彦随，乔陆印.中国新型城镇化背景下耕地保护制度与政策创新[J].经济地理，2014，34（4）：1-6.

[3] 蔡运龙.中国农村转型与耕地保护机制[J].地理科学，2001，21（1）：1-6.

[4] 张乐勤，陈发奎.基于Logistic模型的中国城镇化演进对耕地影响前景预测及分析[J].农业工程学报，2014，30（4）：1-11.

[5] 馬永欢，牛文元.基于粮食安全的中国粮食需求预测与耕地资源配置研究[J].中国软科学，2009（3）：11-16.

[6] 王霞，王占岐，金贵，等.基于核函数支持向量回归机的耕地面积预测[J].农业工程学报，2014，30（4）：204-211.

[7] 张豪，罗亦泳，张立亭，等.基于遗传算法最小二乘支持向量机的耕地变化预测[J].农业工程学报，2009，25（7）：226-231.

[8] 李玉平，蔡运龙.浙江省耕地变化与粮食安全的分析及预测[J].长江流域资源与环境，2007，16（4）：466-470.

[9] 蔡运龙，傅泽强，戴尔阜.区域最小人均耕地面积与耕地资源调控[J].地理学报，2002，57（2）：127-134.

[10] 范胜龙，杨玉珍，陈训争，等.基于PSR和无偏GM（1，1）模型的福建省耕地生态安全评价与预测[J].中国土地科学，2016，30（9）：19-27.