林—耕布局優化及其對系統韌性的影響研究

摘要：研究目的：基于適宜性視角挖掘研究區耕地與林地布局優化潛力，分析空間布局優化對林地和耕地系統韌性的潛在影響。研究方法：隨機森林法，適宜性評價與系統韌性評價。研究結果：（1）永康市林地與耕地的空間布局存在較高優化潛力；（2）以適宜性提升和面積平衡為原則，80.81%的陡坡耕地可與平原林地在空間上進行置換；（3）空間布局優化提升了耕地的抵抗性和適應性與林地的抵抗性和穩定性，卻在一定程度上降低了耕地的穩定性與林地的適應性。研究結論：林—耕布局優化的實施要在兼顧適宜性的同時，進一步結合耕作條件優化與用途管制制度，以降低對系統韌性的干擾。

關鍵詞：布局優化；耕地；林地；適宜性；韌性

中圖分類號：F301.24 文獻標志碼：A 文章編號：1001-8158（2024）08-0124-11

基金項目：國家自然科學基金項目（42071269）；中央高校基本科研業務費專項資金資助（S20240008）；浙江省哲學社會科學規劃項目（21WZQ H12YB）。

糧食安全是維持世界和平與繁榮的物質基礎，也是關系人類命運前途和永續發展的資源保障[1]。耕地安全是糧食安全的“航船舵”，實現糧食安全的根本途徑在于維持耕地持續利用[2]。我國實行了最為嚴格的耕地保護制度，推動了人民由“吃得飽”向“吃得好”的有序轉變[3]，然而在農業生產關系轉型下，耕地持續利用依然面臨諸多威脅。

自然地理環境決定了面積有限的農業生產優勢區。城鎮化發展占用的優質耕地資源規模愈發顯著，而后備耕地資源開墾不僅引發水土資源配置失衡[4-5]，還進一步導致補充耕地呈現顯著“上山”趨勢。2002—2019年補充耕地坡度達5.1°，明顯高于2001年基線耕地的3.4°[6]。鑒于劣勢利用條件，此類耕地生產需要投入更多人力物力，使得耕地“邊際化”和撂荒等低效現象頻繁發生[5，7-8]。另外在平原地區，農戶為追求農業生產效率最大化，開始在優質耕地上從事“非糧化”生產，導致林地“下山”趨勢蔓延。過去10年間，全國6 200多萬畝2°以下的平地被林地所占用①，浪費了農業生產配套設施。高坡度耕地生產邊際化與平原耕地利用低效化的普遍存在，引發了水土資源分布與利用不均衡，這顯然有違國家“藏糧于地、藏糧于技”的耕地保護理念。為了提升糧食保供能力穩定性，中共中央提出“堅持良田糧用，良田好土要優先保糧食，果樹苗木盡量上山上坡”的用地優化原則[9]。在此背景下，有必要開展“山上”耕地與“山下”林地的布局優化研究。

利用有限的土地資源，通過布局優化，重構耕地和生態用地的空間分布，是確保糧食安全和生態安全的重要路徑。已有研究多基于土地適宜性開展土地結構或耕地布局的優化模擬研究，以緩解土地利用沖突[10]、協調城鎮與農業空間布局[11-12]、提升資源利用效率[13]以及推進優質耕地保護[14-15]等目標。然而，基于系統模擬的研究傾向構建土地適宜的綜合性框架，容易忽視具體地類對生存條件的特殊性要求[10，13]。耕地布局優化較少考慮替代覆被的土地適宜性，布局優化是否影響了系統韌性也尚未得到剖析[16-17]。總的來說，人類活動與自然演替的雙重作用使得耕地利用系統面臨高度不確定性[18]。布局優化不僅要考慮覆被適宜性，還要盡可能維持系統韌性[19-20]。為此，從適宜性視角探索耕地和林地的合理布局，探究布局優化對系統韌性的影響，有利于優化地區水土資源配置。

為科學推進耕地和林地空間布局優化策略，解決農業生產“空間錯配、功能錯配”的矛盾沖突，2023年浙江省開展耕地“山上”換“山下”的布局優化試點，并編制了《統籌推進陡坡與平原農用地布局優化和整治提升試點方案》（以下簡稱《試點方案》）[21]。根據第三次國土資源調查，浙江省永康市存在普遍的陡坡耕地低效化與平原耕地“非糧化”現象，以“山上”耕地置換“山下”林地具備較高實施潛力。為此，本文依據《試點方案》要求，以永康市6°以下林地和25°以上耕地為分析對象，借鑒耕地和林地質量評價和分等技術規程，探究林—耕布局優化潛力，并從抵抗性、適應性和穩定性三方面分析布局優化對系統韌性的影響，為土地資源優化配置和可持續利用提供參考。

1 理論框架

布局優化既要考慮覆被適宜性，也要盡可能維持系統韌性。本文以陡坡耕地（25°以上）和平原林地（6°以下）為評價對象，基于適宜性提升和耕地面積平衡原則，構建了林—耕布局優化潛力和韌性影響評估的分析框架（圖1）。

適宜性評價是開展林—耕布局優化的基礎性工作。借鑒《農用地質量分等規程》（GB/T 28407—2012）、《耕地質量等級》（GB/T 33469—2016）、《林地分等定級技術規范》（T/CREVA 3101—2021）和《自然資源分等定級通則》（TD/T1060—2021）等規范和標準以及相關研究的指標框架，充分考慮數據的代表性、可獲得性。本文從土壤性狀、地形狀況、利用條件以及生產能力4方面構建了耕地農業生產導向的適宜性評價體系[22-23]，從地形狀況、氣候條件、土壤性狀以及覆被特征4方面構建了林地生態保育導向的適宜性評價體系[24-25]。

系統韌性最初用來表示生態系統在外界干擾下，最大程度吸收壓力沖擊，并逐漸恢復到新的平穩狀態的能力[26]。一個系統由若干相互作用和耦合的要素組成，其韌性的強弱主要從組成要素的結構和功能來體現，具體為各要素系統呈現的抵抗性、適應性和穩定性的變化。已有研究多采取指標綜合方式開展系統韌性評估[19，27]。然而這種評價模式空間表征能力不足，也容易忽視布局優化對覆被系統韌性的影響[28]。

耕地是人與自然共同干預的半自然生態系統。農戶需要根據耕地本底條件調節生產過程，以抵抗和適應外界干擾，實現高產穩產[27，29]。本文從糧食安全視角，以耕地持續耕作、復種潛力和規模經營三方面指標，分別表征耕地系統韌性的抵抗性、適應性和穩定性。具體來說，首先，當農業生產受到內外壓力沖擊時，若系統抵抗性較差，農戶傾向于放棄農業生產，致使耕地撂荒，從而干擾持續耕作能力。其次，農戶以追求生產效益最大化為目標來適應生產關系轉變，通常在地力優渥、生產高效的地塊上最大化生產潛力，這在利用上體現為復種能力的滿載。故本文以現狀復種指數衡量耕地系統的適應性。最后，耕地布局優化不僅要確保適宜性提升，還要盡可能維持長期利用。隨著農業與非農收入差距增大，推進農業規模經營成為提高農業生產穩定性的重要方式，潛在規模經營能力則成為量化耕地系統穩定性的重要參考。

林地系統韌性維持是保障生態系統健康的主要措施。參照已有研究[30-31]，本文從生態安全的視角，以林地的覆被變化、空間連通與人類干擾三方面指標，分別量化林地系統韌性的抵抗性、適應性和穩定性。與耕地系統相似，當受到外界干擾時，若林地能維持原有的生長狀態和趨勢，則表明其具備較高的抵抗性。本文以覆被變化測度林地生長趨勢，以反映林地壓力是否超出系統抵抗能力。在適應性層面，自然林地與鄰近林地斑塊構成錯綜復雜的生態網絡，以發揮提升系統功能的效用。為此，本文借助林地連片性，從空間連通的視角量化林地適應性。從種群結構來看，復雜多樣的自然林地具備較高的系統穩定性，主要原因在于這類斑塊遠離農村居民點，受人類活動干預較弱。居民點周邊種植的經濟林木，其結構單一，穩定性相對較弱。為此，本文以距居民點距離量化受人類干擾程度，以表征林地系統穩定性。

2 數據與研究方法

2.1 研究區概況

本文以浙江省永康市作為案例區開展林—耕布局優化研究。永康市是金華市代管的縣級市，空間上位于浙江省中部，介于北緯28°45′39″～29°06′25″、東經119°53′18″～120°20′41″之間。永康市東鄰磐安縣，西接武義縣，南抵縉云縣，北靠義烏市和東陽市，行政區劃總面積1 049 km2。截至2022年，永康市下轄11個鎮共計戶籍人口62.30萬人。永康市地形地貌與浙江省相似，均呈“七山一水二分田”的數量結構，仙霞山脈余脈由東北和東南延伸入境，中部的河谷平原與四周的山地丘陵相互連接，構成開口式盆地的整體格局。永康市地處亞熱帶季風氣候區，四季分明，氣候溫和，年均氣溫17.5℃，年均降水1 387 mm，年日照時數1 909 h，無霜期245天。

多元的地貌特征和溫和的氣候條件適合多樣化農產品種植和自然林草生長。永康市是全國林業百強縣，森林覆蓋率從1945年的23.65%增長到2022年的53.4%。市域內盆地區地勢平坦，農業生產設施完善，已建成“田成方、樹成行、渠成網、路相通”的現代化農業生產格局。鑒于普遍存在的耕地“非糧化”與低效化利用現象，該地區在開展林—耕布局優化研究上具有一定代表性。

2.2 數據來源

本文使用的數據包括土地覆被數據、遙感影像數據以及其他輔助數據等。其中，土地覆被數據來源于2018—2022年ESRI全球土地覆被數據（https：// livingatlas.arcgis.com/landcoverexplorer/），空間分辨率10 m，包含耕地和林地在內的9種覆被類型，整體分類精度超過75%[32]。遙感影像數據來源于GEE平臺收錄的2019—2023年Sentinel 2與Landsat 8數據集，空間分辨率分別為10 m和30 m，時間分辨率分別為5 d和16 d。土壤數據來源于Harmonized World Soil Database數據集（https：//www.fao.org/），包括土壤類別、表層（0～30 cm）和底層（30～100 cm）土壤的各種理化性質，空間分辨率為1 km。數字高程數據來源于ALOS衛星獲取的地形數據（https：//search.asf.alaska.edu/#/），空間分辨率為12.5 m。氣溫和降水數據來源于國家地球系統科學數據中心（http：//www.geodata.cn/），包括1990—2020年月均降水和氣溫數據，空間分辨率為1 km[33]。道路數據來源于OpenStreetMap （https：//www. openstreetmap.org/），利用ArcGIS 10.2的歐氏距離工具，制作距道路距離的柵格數據。本文將處理后的數據均重采樣為10 m，與土地覆被數據保持一致。

2.3 研究方法

2.3.1 隨機森林分類

隨機森林分類法（Random Forest）是Breiman基于分類回歸樹CART（Classification and Regression Tree）提出的一種集成學習方法。其原理是通過自助采樣法從訓練集有放回地隨機抽取樣本形成訓練決策樹，并重復運行多次該步驟，生成多棵相互獨立的決策樹，進而組成隨機森林，根據決策樹投票形成分類結果[34]。因對異常值和噪聲具有較高的容忍性，隨機森林的預測精度更加準確，還可以根據分類結果貢獻度計算變量的相對重要性。

本文篩選研究區2018—2022年ESRI覆被數據中未發生變化的像元，提取訓練樣本數據。首先，根據各類覆被面積，在研究區內隨機分層選擇耕地、林地、草地、水體、不透水面和裸地6類樣本，共計450個樣點。其次，為保證驗證樣本與訓練樣本間的獨立性，本文從Google Earth高分辨率影像上選擇相同覆被類型樣點，共計200個作為驗證數據集（圖2）。然后，本文篩選了永康市2023年內云量小于30%的所有可用Sentinel 2影像，經云掩膜等預處理環節，計算各影像的NDVI、NDWI和BSI等指數，以及各波段和指數的年度均值、中值、方差以及分位數等作為分類特征集。最后，應用隨機森林法分類研究區2023年土地覆被，計算分類結果的生產者精度、用戶精度、整體精度以及Kappa系數。

2.3.2 適宜性評價

本文以陡坡耕地和平原林地為評價對象，分別開展適宜性評價。

（1）耕地適宜性評價。參考耕地質量和分等定級等規程標準，本文構建了耕地適宜性評價體系（表1）。其中，土壤是決定耕地生產能力的本底要素，能直接反映耕地的肥力狀況。本文以有效土層厚度、土壤有機質、土壤pH和土壤容重量化土壤性狀。地形不僅影響耕作效率，還決定作物種植類型。考慮到市域耕地主要分布在低丘山坡，本文僅以坡度表征地形狀況。耕作距離用來代表耕地利用條件。空間距離越短，投入的人力物力成本越低，越適合進行農業生產。本文以距建設用地距離、距道路距離以及距水體距離作為利用條件量化指標。

（2）林地適宜性評價。參考林地質量和分等規程標準，構建了林地適宜性評價體系（表2）。地形狀況是反映自然植被分布的重要因素，地勢平坦的地貌更多被用于建設開發或農業生產，而山地丘陵區則以林地為主，本文以海拔和坡度表征地形狀況。不同程度的水熱條件對林木類型、分布和生長產生重要影響，本文以多年年均氣溫和降水表征地區的氣候條件。土壤性狀是量化林地適宜性的重要方面，但由于林木類型多樣，適宜條件不一，本文以有效土層厚度和有機質含量來表征土壤性狀。覆被特征用來反映自然林木生長狀況，長勢越好的林地其覆蓋水平通常越高，本文以近三年林木年NDVI最大值計算的植被覆蓋度表征覆被特征。參考已有的賦分準則，指標權重綜合規程標準和德爾菲法進行計算[36，38-39]。

2.3.3 布局優化原則

考慮到布局優化前后林—耕系統的抵抗性、適應性和穩定性指標并非正態分布，且數據離散程度較高，本文以Wilcoxon非參數檢驗法計算林—耕布局優化前后系統韌性差異的顯著性。

3 結果分析

3.1 土地覆被分類結果

本文根據隨機森林分類結果，結合驗證樣本構建永康市2023年土地覆被分類混淆矩陣（表4）。結果顯示永康市土地覆被分類整體精度達0.91，kappa系數達0.88，表明分類結果具備較高的可信度。其中，草地識別精度相對較低，生產者和使用者精度均僅為0.7，主要原因在于特征相似性使得部分草地被漏分或錯分，而其他地類的生產者和使用者精度均超過0.8。圖3（a）顯示了隨機森林分類過程中，相對重要性排名前十的特征波段。各波段年10%分位值在分類中呈現出較高的重要性，波段4（B4_p10）、波段1（B1_p10）、ENDISI（ENDISI _p10）、波段12（B12_p10）以及波段11（B11_p10）的年10%分位值的重要性均排在前列。地形特征也是識別土地覆被類型的重要指標，坡度（Slope）和高程（Elevation）的相對重要性分別為5.76和5.39，處于第4位和第9位。前10位中，年內NDVI方差（NDVI_stdDev）的相對重要性最低，僅為5.35。波段1（B1）及其年50%分位值（B1_p50）的重要性分別為5.43和5.47，略高于年內NDVI方差。

空間分布上（圖3（b）），隨機森林分類結果顯示2023年永康市林地面積最高，達54 687.14 hm2，面積占比52.15%，主要分布盆地四周山區。其次為耕地，面積達23 146.58 hm2，占比22.07%。耕地除了在河谷地帶圍繞建設用地分布外，也在山區溝谷有明顯集聚。建設用地面積為15 594.33 hm2，占行政區劃總面積的14.87%。除在市域與鄉鎮中心集聚分布外，其余建設用地在空間上的分布相對分散。草地、水體和裸地面積相對較小，占比僅為6.05%、2.95%和1.90%，并且只有水體空間分布較為集聚。分類結果與坡度疊加顯示，永康市陡坡耕地面積達171.07 hm2，占區域耕地總面積的0.74%；平原林地面積達4 848.29 hm2，占林地總面積的8.87%。從數量對比來看，平原林地面積顯著高于陡坡耕地，表明林—耕布局存在較高優化潛力。

3.2 林—耕布局優化潛力

本文將耕地和林地適宜性評價結果按照表3劃分為5個等級（圖4）。統計結果表明當以耕地適宜性為參照時，陡坡耕地的適宜性級別主要處于在較適宜到不適宜之間。其中較不適宜面積占比最高，達57.65%，不適宜和一般適宜面積占比較為接近，分別為21.89%和19.66%，較適宜的面積占比僅為0.80%。平原林地的一般適宜級別面積占比最高，達46.81%，其次為較不適宜和較適宜，面積占比分別達34.01%和15.75%，不適宜和適宜的占比最少，分別僅為3.29%和0.13%。當以林地適宜性為參照時，平原林地一般適宜級別面積占比更高，為76.42%，其次為較適宜等級的22.96%。陡坡耕地的適宜性級別分布在適宜到較不適宜之間。其中一般適宜的面積占比最高，達67.18%，其次為較不適宜級別，面積占比為29.98%，較適宜和適宜級別面積占比僅為2.84%和0.01%。對比來看，若將全部陡坡耕地置換為林地，平均適宜性等級呈現一定提升，但林地向耕地的置換卻沒有表現出適宜性的一致提升，這表明并不是所有的平原林地都適合農業生產。

本文依據2.3.3小節布局優化原則，以陡坡耕地為分析對象，計算林地適宜性與耕地適宜性差異，確定擬退出耕地斑塊。結果表明138.25 hm2的陡坡耕地轉換為林地后，其適宜性等級得到提升，占此類耕地總面積的80.81%。基于此，在平原林地范圍內，根據擬退出耕地面積和適宜性提升潛力降序排序，以累加面積與擬退出耕地總面積相等為限制確定擬退出林地。核密度統計結果顯示（圖5），擬退出耕地主要分布在市域西北山區的花街鎮、象珠鎮以及唐先鎮，以及中部河谷南側的前倉鎮和西溪鎮，擬退出的林地則主要分布在中部河谷平原，且下游集聚更加顯著，如花街鎮、江南街道、前倉鎮和石柱鎮等。

3.3 系統韌性影響分析

圖6為布局優化前后系統韌性差異的顯著性分析。擬退出林地年NDVI最大值在過去5年的動態變化呈褐化趨勢。林—耕置換盡管沒有扭轉這一趨勢，但顯著減緩了林地褐化程度，在一定程度上提升了林地系統抵抗性。空間連通上，擬退出林地距山區林地距離較近，林—耕布局優化顯著增加了補充林地距山區林地的距離，降低了系統適應性。此外，林—耕布局優化提高了林地距建設用地距離，即降低了受人為干擾的可能性，增強了林地系統的長期穩定性。擬退出耕地距撂荒耕地的距離相對近于擬退出林地，表明擬退出耕地的耕作條件與已撂荒地塊更加相似，因而布局優化將改善耕地利用條件，有利于增強耕地系統的抵抗性。其次，擬退出耕地因耕作條件相對較差，在現代農業生產中難以被完全開發利用，復種程度相對較低，而置換的耕地具備明顯的耕作條件優勢，適應性得到顯著提升。平原地貌區的林地面積是有限的，以適宜性提升為原則的林—耕布局優化將在一定程度上增加置換耕地距平原耕地的距離，從而降低耕地空間連片度，導致系統穩定性有所下降。整體上，林—耕布局優化增強了耕地系統抵抗性和適宜性、林地系統的抵抗性和穩定性，但在一定程度上削弱耕地利用穩定性和林地適應性。

4 結論與政策啟示

本文以適宜性提升為原則，從抵抗性、適應性和穩定性三方面，構建林—耕布局優化對系統韌性影響的評估框架，并以永康市為例，開展案例分析。研究的主要結論如下：（1）基于隨機森林的分類結果顯示永康市存在較多陡坡耕地，平原地貌上也分布大面積林地，表明林—耕布局存在較大優化空間。（2）基于適宜性提升可有效指導林—耕布局優化，但并非所有的耕地都能匹配到置換林地。陡坡耕地中80.81%可通過平原林地置換實現布局優化。（3）林—耕布局優化能在一定程度上改善耕地和林地系統的韌性，但對系統抵抗性、適應性以及穩定性的作用方向和程度存在差異。

在現階段優質耕地“非糧化”、劣質耕地低效化利用背景下，以有限的土地資源，兼顧糧食安全和生態穩定是促進可持續發展的關鍵。本文的研究結果，對土地利用布局優化整治有以下政策啟示：（1）以適宜性評價結果引導耕地空間布局調整，避免“山上”耕地“一刀切”退出。地形特征和農業分化導致永康市存在大量需退出生產的耕地，然而本文發現部分陡坡耕地的林地適宜性相對較低，且部分平原林地也不具備農業生產的條件，“一刀切”的布局優化方式顯然不符合林—耕系統協調發展的理念。因此，布局優化要在評估林地和耕地適宜性的基礎上開展，以提高系統整體效益。（2）優化耕地利用與林地保護，提升系統整體韌性。研究發現在土地面積有限性的約束下，以適宜性提升最大化為目標的布局優化削弱了耕地穩定性以及林地適應性，難以全面提升系統韌性。為提高系統長期穩定性，需要在布局優化基礎上，進一步改善農業生產配套，提高農業生產效率，并依托優勢地形條件，降低林地人為干擾，提高系統恢復自然度，提升系統整體韌性。（3）加強耕地與林地用途管制，避免優質耕地“林—果非糧化”。研究發現盲目追求生產條件提升將導致優化對象利用的低適宜性，這顯然有悖于系統可持續發展。為此，未來要在“三區三線”的限制下，利用永久基本農田和生態保護紅線等工具，提高耕地和林地監管力度，嚴格限制土地用途轉換。綜上，本文構建的林—耕布局優化評估框架，可為指導耕地利用和穩定生態提供借鑒，但研究尚未考慮耕地和林地及其產權主體在空間地域上的對應關系，這需要在未來研究中進一步討論。

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An Examination of the Layout Optimization of Forest and Farmland and Its Impact on System Resilience： Evidence from Yongkang City， Zhejiang Province

CHEN Hang1，2， XIAO Wu2， TAN Yongzhong2， MENG Fei2， XIONG Wenying2

（1. Carbon Neutrality Institute， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China； 2. School of Public Affairs， Zhejiang University， Hangzhou 310058， China）

Abstract： The purpose of the study is to explore the impact of spatial layout optimization on the resilience of both farmland and forest systems from a suitability perspective of the optimization potential of farmland and forest layout. The research methods of random forest classification， suitability evaluation and systematic resilience evaluation are employed. The research results show that： 1） there is high potential for spatial layout optimization of forest and farmland in Yongkang City. 2） Under the principles of suitability improvement and area balance， 80.81% of farmland on steep slope can be replaced spatially with flat forest. 3） Optimizing the layout of forest and farmland enhances the resistance and adaptability of farmland system and the resistance and stability of forest system， while it also leads to a decrease in farmland stability and forest adaptability. In conclusion， the spatial layout optimization of forest and farmland should be implemented， considering its suitability. Additionally， it’s crucial to integrate improvement of utilization conditions with use control to minimize disruptions to system resilience.

Key words： layout optimization； farmland； forest； suitability； resilience

（本文責編：張冰松）

①http：//www.moa.gov.cn/ztzl/gdzlbhyjs/mtbd_28775/mtbd/202202/t20220215_6388699.htm。