基于量子遺傳投影尋蹤的長(zhǎng)株潭地區(qū)耕地系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)

周 浩 胡 凌 陳竹書

(1.湖南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410081; 2.益陽(yáng)市煙草專賣局, 益陽(yáng) 413002)

0 引言

耕地系統(tǒng)是糧食生產(chǎn)的基本載體和環(huán)境條件，其特性和功能是由耕地自身屬性(耕地?cái)?shù)量和質(zhì)量)、自然生態(tài)要素及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素綜合作用的結(jié)果[1]。隨著城市化、工業(yè)化的快速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)與建設(shè)占用等人類活動(dòng)改變了耕地生態(tài)環(huán)境，并進(jìn)一步引起耕地質(zhì)量下降，耕地系統(tǒng)安全面臨嚴(yán)重威脅，而強(qiáng)化耕地系統(tǒng)保護(hù)是保障國(guó)家糧食安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)[2-3]。因此，針對(duì)高強(qiáng)度人類活動(dòng)區(qū)開(kāi)展耕地系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)，識(shí)別耕地系統(tǒng)所面臨的安全問(wèn)題，是提升耕地安全狀態(tài)、促進(jìn)糧食安全生產(chǎn)的重要舉措。

當(dāng)前，國(guó)外關(guān)于耕地利用安全研究，主要側(cè)重于耕地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、土壤健康監(jiān)測(cè)與耕地可持續(xù)利用等研究?jī)?nèi)容，如使用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估(ERA)和多階段快速分類初步評(píng)估(Triad)程序，研究累積化合物污染對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的威脅[4]；國(guó)內(nèi)學(xué)者圍繞耕地利用安全問(wèn)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(jìn)行，而對(duì)城市化發(fā)展水平較高地區(qū)的耕地系統(tǒng)安全及其關(guān)鍵影響因子識(shí)別研究較少；在研究方法上，多通過(guò)構(gòu)建PSR-EES指標(biāo)體系[8-9]、DPSIR理論體系[10]等，采用TOPSIS法[11]、正態(tài)云模型[12]等方法對(duì)耕地安全進(jìn)行定量評(píng)估。但上述方法難以消除樣本差異對(duì)指標(biāo)權(quán)重的影響，評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性有待提高。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者將量子遺傳算法及其改進(jìn)算法優(yōu)化的投影尋蹤模型應(yīng)用到調(diào)虧灌溉評(píng)價(jià)[13]、輸電網(wǎng)規(guī)劃[14]等領(lǐng)域，具有抗干擾性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高等優(yōu)勢(shì)，能夠有效提高模型的全局搜索能力與優(yōu)化效率。

長(zhǎng)株潭地區(qū)位于湖南省中東部，是我國(guó)區(qū)域一體化發(fā)展、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展和都市圈高質(zhì)量發(fā)展的重點(diǎn)試驗(yàn)區(qū)域。近年來(lái)，該地區(qū)在城市化發(fā)展過(guò)程中，出現(xiàn)不同程度的耕地滅失、耕地質(zhì)量下降、區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化等問(wèn)題，改變了當(dāng)?shù)馗叵到y(tǒng)安全狀態(tài)[8，15]。基于此，本文以長(zhǎng)株潭地區(qū)為研究區(qū)，從數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)性保護(hù)的角度構(gòu)建耕地系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，擬采用量子遺傳算法改進(jìn)的投影尋蹤模型，對(duì)耕地系統(tǒng)安全狀態(tài)進(jìn)行定量研究，以期為該地區(qū)耕地利用保護(hù)及經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展提供理論支持。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)株潭地區(qū)地處湘江中下游，地理位置為東經(jīng)111°53′～114°15′，北緯26°03′～28°41′。該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，熱量充足、降水豐沛，地貌類型多樣，以山地、丘陵為主。現(xiàn)轄3個(gè)地級(jí)市(長(zhǎng)沙市、株洲市和湘潭市)，14個(gè)市轄區(qū)，5個(gè)縣級(jí)市，5個(gè)縣。長(zhǎng)株潭地區(qū)是我國(guó)城市群建設(shè)的典型示范區(qū)域[15]。近年來(lái)，該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速、城鎮(zhèn)化水平不斷提高，但耕地利用程度過(guò)高、耕地非農(nóng)化和供需矛盾加劇等耕地安全問(wèn)題也日益突出[2]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

耕地系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于統(tǒng)計(jì)年鑒及公報(bào)，包括：《湖南統(tǒng)計(jì)年鑒》(2010—2020年)、《長(zhǎng)沙統(tǒng)計(jì)年鑒》(2010—2020年)、《株洲統(tǒng)計(jì)年鑒》(2010—2020年)、《湘潭統(tǒng)計(jì)年鑒》(2010—2020年)、《湖南農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》(2010—2020年)以及《長(zhǎng)株潭三市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》(2009—2019年)，2019年長(zhǎng)株潭地區(qū)及各區(qū)縣的耕地面積數(shù)據(jù)來(lái)源于第三次國(guó)土調(diào)查主要數(shù)據(jù)公報(bào)，對(duì)各類型數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一量綱及匯總處理。長(zhǎng)株潭地區(qū)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心(https:∥www.webmap.cn/)。

2 研究方法

2.1 耕地系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

耕地系統(tǒng)安全可定義為在一定時(shí)空尺度范圍內(nèi)，為實(shí)現(xiàn)耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量、生態(tài)“三位一體”保護(hù)，而動(dòng)態(tài)平衡耕地?cái)?shù)量，確保耕地質(zhì)量，改善耕地生態(tài)環(huán)境狀態(tài)，促進(jìn)耕地資源持續(xù)有效供給，使耕地系統(tǒng)處于不受威脅的安全狀態(tài)以滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展[16]。耕地系統(tǒng)安全由耕地?cái)?shù)量安全、質(zhì)量安全和生態(tài)安全3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，其中，耕地?cái)?shù)量安全指的是考慮耕地自然資源稟賦與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素的綜合作用對(duì)耕地?cái)?shù)量的影響，以動(dòng)態(tài)平衡耕地?cái)?shù)量，滿足糧食生產(chǎn)對(duì)耕地面積的需求；耕地質(zhì)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(chǎn)安全狀態(tài);而耕地生態(tài)安全則為減少耕地生態(tài)壓力和威脅，改善耕地生態(tài)環(huán)境狀況，在健康生態(tài)環(huán)境中保障耕地?cái)?shù)量和質(zhì)量，維持耕地可持續(xù)利用狀態(tài)[16-19]。因此，健康的耕地系統(tǒng)在促進(jìn)糧食安全與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中，其足量的耕地?cái)?shù)量和優(yōu)質(zhì)的耕地質(zhì)量發(fā)揮著基礎(chǔ)性作用，而良好耕地生態(tài)環(huán)境發(fā)揮著保障性作用，三者相輔相成，維系整個(gè)耕地系統(tǒng)的安全運(yùn)行。本文在耕地系統(tǒng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，基于耕地系統(tǒng)安全的內(nèi)涵，從耕地?cái)?shù)量、耕地質(zhì)量和耕地生態(tài)三者系統(tǒng)性保護(hù)視角出發(fā)，構(gòu)建耕地系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，其中一級(jí)準(zhǔn)則層耕地?cái)?shù)量安全由二級(jí)準(zhǔn)則層的耕地資源稟賦和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展構(gòu)成，共7個(gè)指標(biāo)因子；耕地質(zhì)量安全由耕地自然質(zhì)量和利用質(zhì)量構(gòu)成，共8個(gè)指標(biāo)因子；耕地生態(tài)安全由耕地生態(tài)壓力和生態(tài)支持組成，共9個(gè)指標(biāo)因子(表1)。

表1 長(zhǎng)株潭地區(qū)耕地系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)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(gòu)建

2.2.1量子遺傳算法

由于傳統(tǒng)遺傳算法存在收斂速度慢、全局優(yōu)化能力弱、早熟收斂等問(wèn)題，可將量子遺傳算法(Quantum genetic algorithm, QGA)及其改進(jìn)算法與投影尋蹤法結(jié)合，來(lái)處理高維、復(fù)雜非線性函數(shù)組合優(yōu)化問(wèn)題，相比傳統(tǒng)的遺傳算法具有更優(yōu)越的多樣性[13]。量子遺傳算法是基于量子計(jì)算原理的概率優(yōu)化算法，該算法采用量子比特編碼方式，通過(guò)量子旋轉(zhuǎn)門更新種群，計(jì)算適應(yīng)度，獲取最優(yōu)解[20]。

2.2.2耕地系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)的投影尋蹤模型

投影尋蹤模型的基本原理是將高維數(shù)據(jù)投影到低維空間上，通過(guò)優(yōu)化投影目標(biāo)函數(shù)，尋找能反映出高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征的最佳投影方向向量。該理論和方法經(jīng)過(guò)不斷地改進(jìn)和發(fā)展，同時(shí)與計(jì)算機(jī)科學(xué)算法相結(jié)合，在高維、非線性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方面具有明確的優(yōu)勢(shì)。該模型在對(duì)樣本評(píng)價(jià)指標(biāo)集的標(biāo)準(zhǔn)化處理基礎(chǔ)上(采用極差法進(jìn)行)，構(gòu)造投影目標(biāo)函數(shù)并實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，最終進(jìn)行樣本的優(yōu)劣排序并識(shí)別關(guān)鍵影響因子[21]。模型構(gòu)建的主要步驟為：

(1)構(gòu)造投影目標(biāo)函數(shù)

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(shù)，當(dāng)R≥rij時(shí)取1，否則取0

SZ——投影值Zi的標(biāo)準(zhǔn)差

DZ——投影值Zi的局部密度

(2)優(yōu)化投影目標(biāo)函數(shù)

耕地系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)樣本集確定后，投影目標(biāo)函數(shù)Q(a)的變化由投影方向向量a的變化來(lái)決定，通過(guò)求解投影目標(biāo)函數(shù)最大化問(wèn)題來(lái)估計(jì)最佳投影方向。其中，目標(biāo)函數(shù)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(tǒng)的遺傳算法在處理以{aj=|j=1～p}為優(yōu)化變量的復(fù)雜非線性優(yōu)化問(wèn)題時(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)高維全局尋優(yōu)。

3 結(jié)果與分析

3.1 長(zhǎng)株潭地區(qū)耕地系統(tǒng)安全時(shí)序變化趨勢(shì)

以2009—2019年數(shù)據(jù)為樣本，采用量子遺傳算法優(yōu)化的投影尋蹤模型分析長(zhǎng)株潭地區(qū)耕地系統(tǒng)安全的時(shí)序變化特征。設(shè)定樣本維數(shù)為11，指標(biāo)數(shù)為24，對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后應(yīng)用Matlab 2016b編程進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算(參數(shù)設(shè)置原則見(jiàn)文獻(xiàn)[20])，其中設(shè)定種群規(guī)模大小為40、最大遺傳代數(shù)為600，最終得到耕地系統(tǒng)安全時(shí)序變化最佳投影方向向量(即各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)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(gè)樣本對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)安全投影值(圖1)。

圖1 2009—2019年長(zhǎng)株潭地區(qū)耕地系統(tǒng)安全投影值時(shí)序動(dòng)態(tài)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(zhǎng)株潭地區(qū)耕地子系統(tǒng)安全投影值變化特征

從耕地子系統(tǒng)安全投影值變化特征來(lái)看，研究區(qū)各子系統(tǒng)投影值呈現(xiàn)“交錯(cuò)遞減”狀態(tài)，其中耕地生態(tài)安全投影值變化趨勢(shì)表現(xiàn)為先增后緩再減，如圖1所示。2009年至2015年，生態(tài)安全投影值從0.476 7增長(zhǎng)到1.293 4，這與2008年《湖南省長(zhǎng)株潭城市群區(qū)域規(guī)劃條例》和2013年《湖南省長(zhǎng)株潭城市群生態(tài)綠心地區(qū)保護(hù)條例》的實(shí)施有很大的關(guān)系，至2015年，長(zhǎng)株潭地區(qū)生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善，污染治理有序推進(jìn)，森林覆蓋率已提升至56.07%，污水處理率達(dá)到96.07%,耕地生態(tài)保護(hù)效果顯著。2015—2018年，投影值增速放緩但仍穩(wěn)定增長(zhǎng)，歸因于2015年以來(lái)開(kāi)展的“三年造綠大行動(dòng)”，強(qiáng)化了長(zhǎng)株潭生態(tài)綠心保護(hù)，進(jìn)一步提升綠心生態(tài)服務(wù)功能，推行綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)模式，提供綠色健康農(nóng)產(chǎn)品，有助于提高農(nóng)民收入并美化鄉(xiāng)村環(huán)境。但在2019年生態(tài)安全狀態(tài)急劇惡化，主要原因?yàn)?019年該地區(qū)單位耕地面積地膜負(fù)荷異常增大至研究期間最大值15.768 9 kg/hm2，對(duì)生態(tài)安全產(chǎn)生極大的負(fù)面影響，表明該地區(qū)耕地生態(tài)壓力將持續(xù)增大。

耕地?cái)?shù)量安全與質(zhì)量安全子系統(tǒng)投影值先呈穩(wěn)步上升趨勢(shì)，而后持續(xù)下降，均以2015年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，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?cái)?shù)量安全的提升得益于2007年長(zhǎng)株潭城市群“兩型”社會(huì)建設(shè)綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)的設(shè)立，2009年將耕地保護(hù)納入市州政府績(jī)效評(píng)估體系，隨著政府對(duì)耕地保護(hù)工作的愈加重視，區(qū)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(dá)到6.382×105hm2，為研究期間峰值，強(qiáng)有力的耕地保護(hù)措施促使區(qū)域耕地?cái)?shù)量和質(zhì)量安全狀態(tài)提升。而從2015年開(kāi)始，由于城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展而侵占耕地甚至優(yōu)質(zhì)農(nóng)田、生態(tài)退耕以滿足生態(tài)文明建設(shè)而退出部分耕地以及城市化效應(yīng)導(dǎo)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(xù)降低，尤其2019年耕地總面積降到最低值5.167×105hm2，耕地?cái)?shù)量安全問(wèn)題嚴(yán)峻，并且2015—2018年糧食單產(chǎn)也出現(xiàn)一定程度的下降，反映出長(zhǎng)株潭地區(qū)耕地非農(nóng)化、非糧化趨勢(shì)明顯，耕地質(zhì)量安全水平不斷降低。

3.1.2長(zhǎng)株潭地區(qū)耕地系統(tǒng)安全綜合投影值變化特征

從綜合投影值變化特征來(lái)看，研究區(qū)耕地系統(tǒng)安全綜合投影值呈“先增后緩再減”波動(dòng)式降低態(tài)勢(shì)，由2009年的1.252 1減少到2019年的1.251 7，表征了研究期內(nèi)耕地系統(tǒng)安全狀況出現(xiàn)惡化(圖1)。進(jìn)一步分析可知，近11年來(lái)，研究區(qū)耕地系統(tǒng)安全投影值的波動(dòng)變化特征以2015年和2018年為分界點(diǎn)，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(zhǎng)到2.873 2，表明該階段耕地系統(tǒng)安全狀態(tài)顯著提升；2015—2018年綜合投影值保持平穩(wěn)變化，耕地系統(tǒng)處于穩(wěn)定的健康狀態(tài)；而2018—2019年，綜合投影值急劇下滑。此階段城鎮(zhèn)化發(fā)展、耕地類型轉(zhuǎn)換使耕地占補(bǔ)失衡且“非農(nóng)化”、“非糧化”趨勢(shì)明顯，耕地集約節(jié)約利用水平低，亟需深入識(shí)別其關(guān)鍵影響因子，制定針對(duì)性調(diào)控措施。

3.2 長(zhǎng)株潭地區(qū)各區(qū)縣耕地系統(tǒng)安全空間格局分異

結(jié)合長(zhǎng)株潭地區(qū)耕地系統(tǒng)安全時(shí)序變化特征分析結(jié)果可知，2019年長(zhǎng)株潭地區(qū)耕地系統(tǒng)及子系統(tǒng)安全狀態(tài)變化尤為顯著，需深入探究各縣域耕地系統(tǒng)演變特征，識(shí)別關(guān)鍵影響因子，因地制宜制定調(diào)控策略。因此，以2019年長(zhǎng)株潭地區(qū)各區(qū)縣(其中將長(zhǎng)沙市轄6區(qū)、株洲市轄5區(qū)以及湘潭市轄2區(qū)分別作為1個(gè)樣本，與其他縣(市)共13個(gè)樣本)為研究單元，沿用上述方法，探究研究區(qū)2019年耕地系統(tǒng)安全空間格局分異特征。優(yōu)化計(jì)算得到耕地系統(tǒng)安全空間分異各評(píng)價(jià)指標(biāo)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(jí)準(zhǔn)則層投影評(píng)價(jià)值，如表2所示。

表2 2019年長(zhǎng)株潭地區(qū)各區(qū)縣耕地系統(tǒng)安全二級(jí)準(zhǔn)則層指標(biāo)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(tǒng)安全等級(jí)閾值

以最佳投影方向向量作為權(quán)重，計(jì)算得到各樣本點(diǎn)的投影值，從而進(jìn)行樣本優(yōu)劣排序，并探究各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)耕地系統(tǒng)安全的影響程度，以確定關(guān)鍵影響因子。參照文獻(xiàn)[6]，并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際狀況，根據(jù)耕地系統(tǒng)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(tǒng)聚類分析法[3]，確定其等級(jí)閾值(表3)。

表3 耕地系統(tǒng)安全等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Cultivated land system security level standards

3.2.2長(zhǎng)株潭地區(qū)各區(qū)縣耕地系統(tǒng)安全空間格局分異特征

從耕地系統(tǒng)安全二級(jí)準(zhǔn)則層角度分析其分異特征。分析表2和圖2可知，2019年，長(zhǎng)株潭地區(qū)耕地系統(tǒng)安全表現(xiàn)為由中心城區(qū)向城市四周郊區(qū)輻射式提升的空間分異特征。其中，處于非常安全等級(jí)的區(qū)域有瀏陽(yáng)市、寧鄉(xiāng)市、攸縣、湘鄉(xiāng)市和湘潭縣。該類區(qū)域耕地資源稟賦最高且社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)耕地?cái)?shù)量安全的負(fù)面影響較少，得益于國(guó)土整治工程，特別是農(nóng)田整治實(shí)施效果較好，使耕地?cái)?shù)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(nóng)業(yè)產(chǎn)出效益偏低是耕地系統(tǒng)安全提升的主要障礙；處于比較安全等級(jí)的區(qū)域有長(zhǎng)沙縣、醴陵市、茶陵縣、炎陵縣和韶山市，此類區(qū)域主要為城市近郊區(qū)，耕地系統(tǒng)安全綜合投影值較大，耕地資源稟賦較高，耕地生態(tài)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(qū)動(dòng)因素。但除長(zhǎng)沙縣外，耕地自然質(zhì)量相對(duì)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(tài)壓力(單位耕地面積農(nóng)藥負(fù)荷普遍較大)成為阻礙耕地生態(tài)安全狀態(tài)改善的關(guān)鍵因子；處于臨界安全等級(jí)的區(qū)域有株洲市區(qū)和湘潭市區(qū)，這類區(qū)域位于中心城區(qū)，耕地系統(tǒng)安全綜合投影值介于1.252 2～1.745 1之間，耕地系統(tǒng)受到一定損害，處于敏感狀態(tài)，表現(xiàn)為耕地?cái)?shù)量安全、質(zhì)量安全以及生態(tài)安全都處于中等臨界水平，以社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展占用耕地?cái)?shù)量多和耕地生態(tài)支持力度小為主要特點(diǎn)，需加以防范并制定調(diào)控策略改善安全狀態(tài)；處于極不安全等級(jí)的區(qū)域是長(zhǎng)沙市區(qū)，其投影值最低，耕地系統(tǒng)脆弱，歸因于近年來(lái)長(zhǎng)沙市區(qū)加速城鎮(zhèn)化持續(xù)擠壓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間，導(dǎo)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(yán)重危機(jī)。且耕地利用質(zhì)量與生態(tài)支持力度不高，表現(xiàn)為糧食單產(chǎn)和農(nóng)民人均純收入均明顯低于其他區(qū)域，同時(shí)高人口密度產(chǎn)生較大的生態(tài)壓力，降低了長(zhǎng)沙市區(qū)耕地系統(tǒng)安全，亟待加大耕地保護(hù)力度。

圖2 2019年長(zhǎng)株潭地區(qū)耕地系統(tǒng)安全狀態(tài)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(guò)對(duì)比分析長(zhǎng)株潭地區(qū)耕地系統(tǒng)安全時(shí)序變化與空間格局分異評(píng)價(jià)指標(biāo)的最佳投影方向向量，發(fā)現(xiàn)其指標(biāo)優(yōu)劣排序大致相同，表明以量子遺傳算法優(yōu)化的投影尋蹤模型適用于耕地系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)。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(fù)荷和污水集中處理率是影響長(zhǎng)株潭地區(qū)耕地系統(tǒng)安全的關(guān)鍵因子。

4 討論

要改善耕地系統(tǒng)安全狀態(tài)，需從耕地安全關(guān)鍵影響因子入手，因地制宜采取針對(duì)性措施，實(shí)現(xiàn)耕地的有效利用與管理。因此，對(duì)耕地系統(tǒng)非常安全區(qū)而言，應(yīng)愈加重視全域土地綜合整治，特別是永久基本農(nóng)田保護(hù)和高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，維系耕地?cái)?shù)量安全，調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、推進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益、促進(jìn)農(nóng)民增收、加快實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興；對(duì)比較安全區(qū)而言，城市近郊區(qū)耕地資源稟賦較高，但灌溉保證率偏低和農(nóng)藥負(fù)荷增大等問(wèn)題突出，政府應(yīng)加大農(nóng)業(yè)科技和資金投入，重點(diǎn)推進(jìn)農(nóng)田節(jié)水灌溉基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加快建立與區(qū)域水資源承載能力相適應(yīng)的節(jié)水型農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，并開(kāi)展測(cè)土配方，科學(xué)施肥用藥，積極向綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化；對(duì)臨界安全區(qū)和極不安全區(qū)而言，中心城區(qū)城市化進(jìn)程快，人口密度大，需注重耕地資源開(kāi)發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)，促進(jìn)新型城鎮(zhèn)化發(fā)展，同時(shí)優(yōu)化區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，優(yōu)先發(fā)展先進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，提高糧食單產(chǎn)，保障糧食安全，實(shí)現(xiàn)“藏糧于地，藏糧于技”戰(zhàn)略。

耕地系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)對(duì)于有效保護(hù)耕地和促進(jìn)耕地的可持續(xù)利用具有重要的積極意義。但評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的選取和構(gòu)建主觀性較強(qiáng)、嚴(yán)謹(jǐn)性欠缺，并且耕地系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)合系統(tǒng)，不同區(qū)域耕地?cái)?shù)量、耕地質(zhì)量和耕地生態(tài)安全子系統(tǒng)的差異較大，指標(biāo)體系的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步考究；此外，投影尋蹤模型建模時(shí)，最佳投影方向向量的約束條件和取值范圍影響著評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，有待深化研究；量子遺傳算法在優(yōu)化投影目標(biāo)函數(shù)時(shí)，其收斂速度、全局搜索能力仍具有一定的局限性，在將來(lái)研究中可加入量子災(zāi)變、量子交叉和改進(jìn)量子旋轉(zhuǎn)門轉(zhuǎn)角策略等操作來(lái)提升算法性能，同時(shí)可嘗試結(jié)合最新的智能優(yōu)化算法(如群智能最優(yōu)化算法[22])來(lái)解決局部極值問(wèn)題，并深入探究其在耕地資源評(píng)價(jià)等領(lǐng)域中的應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

(1)長(zhǎng)株潭地區(qū)各耕地系統(tǒng)安全子系統(tǒng)投影值呈現(xiàn)“交錯(cuò)遞減”狀態(tài)，耕地系統(tǒng)安全綜合投影值呈“先增后緩再減”波動(dòng)式降低態(tài)勢(shì)，由2009年的1.252 1減少到2019年的1.251 7。

(2)從縣域耕地系統(tǒng)安全空間格局演變特征來(lái)看，2019年，長(zhǎng)株潭地區(qū)耕地系統(tǒng)安全空間格局表現(xiàn)為由中心城區(qū)向城市四周遠(yuǎn)近郊區(qū)輻射式提升的分異特征。

(3)針對(duì)不同耕地系統(tǒng)安全等級(jí)區(qū)，從優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、發(fā)展綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)和推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化等方面因地制宜提出了調(diào)控措施，對(duì)提升耕地系統(tǒng)安全狀態(tài)具有一定的參考價(jià)值。

(4)應(yīng)用量子遺傳算法改進(jìn)投影尋蹤模型，相比于傳統(tǒng)遺傳算法，其在收斂速度、全局尋優(yōu)能力及計(jì)算精度等方面均有所提升，其評(píng)價(jià)結(jié)果也具有現(xiàn)勢(shì)性特征，表明基于QGA的投影尋蹤法適用于耕地系統(tǒng)安全定量評(píng)價(jià)。且根據(jù)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(fù)荷和污水集中處理率是影響該地區(qū)耕地系統(tǒng)安全的關(guān)鍵因子，需積極從保護(hù)耕地?cái)?shù)量和提高耕地利用管理水平方面維持和改善當(dāng)?shù)馗叵到y(tǒng)安全狀態(tài)。