土地资源的合理配置始终是关乎人类社会可持续发展的关键议题,耕地与林地这两种对生态系统服务功能和人类生存需求具有决定性意义的土地利用类型合理配置尤为突出
[1]。耕地作为粮食生产的核心载体,其空间布局的科学性直接关系着粮食安全,为人类提供赖以生存的物质基础
[2];林地作为国家重要的生态安全屏障和战略资源储备,是维系森林生态系统健康稳定的基础载体,也是实现绿色可持续发展不可或缺的核心要素,在涵养水源、保持水土、净化空气、调节气候以及维护生物多样性等方面发挥着无可比拟的屏障作用
[3]。然而,在长期的土地开发过程中,由于缺乏科学的规划与精准的适宜性评估,“耕-林”空间错配现象逐渐凸显,严重制约了土地资源的高效利用与生态环境的协同共进。在此背景下,深入探究基于适宜性的“耕-林”空间错配识别及布局优化具有极为重要的现实紧迫性。
近年来,土地利用的空间错配识别与优化逐渐成为研究热点,其核心在于利用有限的土地资源,优化各地类的空间布局,以实现不同土地利用类型的协调发展,促进土地的可持续利用,相关学者主要从土地适宜性分析、土地利用预测、景观格局演变等方面进行探讨
[4-6]。研究方法上,既有研究主要采用自然因素叠加法、多因素综合评价等方法对土地适宜性进行评价
[7-10];在适宜性评价指标选取中普遍采用土地自然条件、区位因子、生态质量等指标构建适宜性评价体系,使其契合研究区域自身特点
[11-13]。研究对象上,已有研究主要针对“三生”空间、“农用-建设”用地等“大类”的错配研究,并且以工业用地为主视角的居多
[4,14-15];对于“小类”的错配识别和优化配置的研究偏少,主要集中在“耕-果”“耕-林”
[16-17]。现有研究往往仅对一种地类进行适宜性评价,对可替代地类的适宜性评价尚未深入展开,导致在进行优化时存在实际落地过程中偏差较大,难以充分实现土地资源的协调配置
[18]。此外对于土地资源错配测度及优化研究多以工业用地为主要研究对象,缺乏以耕地、林地等土地利用类型的分析
[15]。为提高土地利用空间错配识别与优化结果的科学性和实践指导价值,亟需在评价体系中融入可替代地类的适宜性分析,并拓宽研究对象范围。
因此,本研究以山东省济南市钢城区耕地和林地为评价对象,通过构建“耕转林”适宜性评价指标体系和“林转耕”适宜性评价指标体系,识别“耕-林”空间错配地块,并通过空间决策模型实现“耕-林”空间布局优化。研究可为科学推进“山上”与“山下”的“耕-林”布局优化策略,解决农业生产“空间错配、功能错配”的矛盾冲突提供理论方法参考与借鉴,对耕地保护和林地保护发展具有重大现实意义。
1 研究区概况与数据来源
1.1 研究区概况
钢城区(117°40′56″—117°58′07″E,35°59′32″—36°17′16″N)隶属山东省济南市,地处鲁中腹地、泰山东麓,总面积约507.00 km
2,地理区位优势显著,北接淄博市,东邻新泰市,西南与莱芜区接壤(
图1)。区域地势特征明显,总体表现为南陡北缓、东高西低,由南部剥蚀成因的残丘地貌和北部冲积平原共同构成,形成土地利用的显著空间分异性
[19]。南部残丘地貌海拔200~500 m,坡度普遍大于15°,以典型棕壤性土为主,有效土层厚度不足30 cm,受地形破碎化影响,地块规整度不高;北部冲积平原地势平缓(坡度<5°),有效土层厚度可达80~120 cm,形成肥沃的潮棕壤,地块规整度较优,机械化作业便利。这种地形地貌的多样性为区域土地利用提供复杂的环境背景,同时也对“耕-林”空间布局的优化提出挑战。钢城区的耕地面积为13 419.36 hm
2,占土地总面积的22.56%;林地面积为15 967.35 hm
2,占土地总面积的32.13%。林地作为区域主要的土地利用类型,其分布范围广泛,覆盖区域较为完整,但耕地面积相对较少,且分布破碎化特征显著。当前研究区存在部分耕地和林地空间错配现象,即部分适宜耕种的区域被林地占用,而部分适宜林地的区域却被用于耕作,这在一定程度上制约区域农业生产力的提升,也在更深层次上影响生态系统的结构完整性和功能持续性,优化区域“耕-林”空间布局对实现农业生产和生态保护的协调发展具有重要意义。
1.2 数据来源
本文使用的数据包括土地利用数据、土壤数据、数字高程数据等。其中,土地利用数据来源于2023年国土变更调查数据,空间分辨率为30 m;土壤数据来源于中国土壤数据库,用于获取土壤信息,包括土壤pH值、土壤有机质含量、土壤重金属污染状况、土壤质地、有效土层厚度和土壤盐渍化等土壤的各种理化性质,空间分辨率为1 km。数字高程数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心SRTM数据,用于提取坡度数据,空间分辨率为30 m。对于上述数据进行空间分辨率重采样,统一分辨率为30 m,地理坐标系统一采用CGCS 2000坐标系。
2 研究方法
2.1 “耕转林”适宜性评价
本研究以2023年国土变更调查数据为基础,依据耕地保护分级管控要求和2023年国土变更调查技术规范将耕地分为3类:Ⅰ类为不纳入耕地保护范围耕地,包括自然保护地核心保护区、饮用水源一级保护区和生态保护红线内耕地;Ⅱ类为2023年不稳定耕地,即2023年国土变更调查中标注的林区、牧区耕地及生态脆弱型耕地(含沙化荒漠化耕地、石漠化耕地、盐碱化耕地及坡度在25°以上耕地);Ⅲ类为其他耕地,即除上述两类耕地之外的所有耕地。符合Ⅰ,Ⅱ类的耕地即为宜转林耕地,其他耕地则划为不宜转林耕地。
2.2 “林转耕”适宜性评价
稳定林地是指随着时间的推移不易发生地类变化的林地,否则为不稳定林地,不稳定林地包括省、市、县级公益林、国有林场、生态保护红线内林地、造林绿化林地、矿区补充林地及超定额补充林地以外林地等。本研究以不稳定林地为评价对象,依据自然资源部办公厅于2021年发布的《关于开展全国耕地后备资源调查评价工作的通知》(自然资办发[2021]47号)中明确规定的技术标准与评估体系,其中关于“不宜耕评价”的专项指标,扣除规划建设占用林地、永久基本农田内林地、沙化荒漠化范围内林地及河湖岸线范围内林地,依据《全国耕地后备资源调查评价技术方案》和已有研究
[20],从政策因素、自然禀赋、区位条件和景观形态4个方面选取10个指标,具体包括:恢复属性、地形坡度、土壤pH值、土壤有机质含量、土壤重金属污染状况、土壤质地、有效土层厚度、盐渍化程度、耕作便利度和地块规整度,构建“林转耕”适宜性评价指标体系(
表1),进行“林转耕”适宜性评价。
(1) 指标权重确定自然禀赋指标权重主要参考农用地分等定级成果,其余指标则在参考相关研究的基础上,采用德尔菲法确定权重。德尔菲法亦称为专家咨询法,是一类定性的主观权重确定方法
[21]。选择5位耕林领域资深专家,分别对恢复属性、耕作便利度、地块规整度3个指标的重要性独立打分,计算每位专家对各指标的归一化权重,再通过算术平均汇总所有专家意见,最终确定各指标权重。
(2) 指标量化与赋值政策因素为地块的恢复属性,包括即可恢复、工程恢复和未标注恢复属性;自然禀赋包括地形坡度、土壤pH值、土壤有机质含量、土壤重金属污染状况、土壤质地、有效土层厚度、盐渍化程度,以农用地质量分等数据库标准为依据,结合农用地分等定级规程进行分等赋分;区位条件指耕作便利度,依据是否方便到达进行赋分。
形态破碎的耕地不适宜机械化耕作,不利于农业生产,因此选取地块规整度作为景观形态因素的评价指标。地块规整度指地块轮廓形状的整齐程度,值越小说明地块越规整,则更有利于机械化耕作
[22]。计算公式为:
式中:FRAC为地块规整度;A为地块面积;C为地块周长。
参考相关文献
[23],对上述指标计算量化后,采用自然断点法将指标值划分为3级,以[0,100]为值域进行标准化赋值,具体赋值标准如
表1所示。
(3) 综合评价分值计算采用多因素综合评价法对“林转耕”适宜性进行综合评价,综合得分越高,地块越适宜转耕
[23]。计算公式为:
式中:Vx 为地块x的“林转耕”适宜性评价综合得分;Fxn 为地块x第n个评价指标的分值;Wn 为第n个评价指标的权重。根据结果分值,将评价结果分为宜耕(90~100分)、一般宜耕(80~90分)、较不宜耕(70~80分)、不宜耕(60~70分)、极不宜耕(0~60分)。
2.3 “耕-林”空间错配识别方法
以“耕转林”适宜性评价和“林转耕”适宜性评价结果为依据,将不宜转林、较宜转耕、较不宜转耕、不宜转耕和极不宜转耕地块视为“耕-林”空间适配地块,这些地块的现状利用方式已经较为合理,调整可能带来不必要的资源浪费或生态风险,因此保持现状;将宜转林地块和宜转耕地块视为“耕-林”空间错配地块,为进行“耕-林”空间布局优化的目标地块(
图2),这些地块部分适宜耕种的区域被林地占用,而部分适宜林地的区域却被用于耕作,造成一定的资源浪费,且限制了土地利用效率的提高。
借鉴土地资源错配指数的概念
[15],以区域耕地错配地块占比与林地错配地块占比之和构建“耕-林”错配指数(Index of Cropland-Forestland Mismatch, ICFM),用以衡量区域“耕-林”错配程度。计算公式为:
式中:ICFM为“耕-林”错配指数;MC 和MF 分别为耕地错配地块面积和林地错配地块面积;SC 和SF 分别为耕地总面积和林地总面积。
2.4 “耕-林”空间布局优化方法
基于“耕-林”空间错配识别结果,以错配地块为优化对象,应用ArcGIS软件的空间分析与统计功能构建空间决策模型,对“耕-林”空间布局进行优化调整
[24]。优化原则为适配地块(不宜转林、较宜转耕、较不宜转耕、不宜转耕和极不宜转耕地块)保持现状,宜转林耕地调整为林地,宜转耕林地调整为耕地。
本研究运用GIS技术,采用空间分析的方法,在空间最优化原则下构建协调耕地与林地空间错位矛盾的空间决策模型,实现“耕-林”空间布局置换调整(
图3)。
3 结果与分析
3.1 “耕转林”适宜性分析
钢城区耕地总面积为13 419.36 hm
2,“耕转林”适宜性评价将钢城区耕地划分为“宜转林”和“不宜转林”两个等级(
图4)。总体来看,钢城区不宜转林耕地面积为13 278.40 hm
2,占比达98.95%(
表2),钢城区土壤质地较好,多为壤质、黏质和砂质,地形坡度多为小于15°且耕作便利度基本为方便到达,具有较强的农业生产功能;“宜转林”耕地面积相对较少,仅为140.96 hm
2,占比仅为1.05%。
从区域分布来看,“宜转林”耕地面积在不同街道之间存在显著差异,辛庄街道的宜转林耕地面积最大,为97.38 hm2,占全区宜转林耕地总面积的69.06%,该区域25°以上的陡坡耕地比例较高,这些地块土壤条件较差、耕作便利性较低且水土流失严重,不适合继续进行耕作,具备一定的“耕转林”潜力。其他街道的宜转林耕地面积相对较少,其中颜庄街道和艾山街道的宜转林耕地面积较低,仅为6.31 hm2和9.95 hm2,占其各自耕地总面积的比例均不足0.50%;里辛街道和汶源街道的宜转林耕地面积分别为15.20 hm2和12.12 hm2,占其各自耕地总面积的比例均不足1%。
3.2 “林转耕”适宜性分析
钢城区林地总面积为15 967.35 hm
2,根据“林转耕”适宜性评价指标体系进行评价并进行等级划分,本研究将“林转耕”适宜性评价结果按照
表3的标准划分为5个等级(
图5),分别为极不宜转耕林地、不宜转耕林地、较不宜转耕林地、较宜转耕林地以及宜转耕林地。其中,较不宜转耕林地面积最大为5 471.73 hm
2,占比达57.25%;其次为不宜转耕林地和较宜转耕林地,面积分别为2 350.62 hm
2和1 375.29 hm
2,占比分别达24.60%和14.39%;宜转耕林地和极不宜转耕林地面积最少,分别为249.21 hm
2和110.25 hm
2,占比分别仅为2.61%和1.15%(
表3)。
从空间分布来看,钢城区“宜转耕”和“较宜转耕”林地主要集中在辛庄街道和里辛街道,其中辛庄街道“宜转耕”林地面积为135.63 hm2,占全区宜转耕林地面积的54.42%,且“较宜转耕”林地面积达713.43 hm2,占全区该等级面积的51.87%,该区域林地具有较大的转耕潜力,其地形坡度较低、土壤肥力较高、地块规整且耕作便利度较高,具备优越的农业耕作条件。极不宜转耕林地主要分布于艾山街道和汶源街道,该区域地形复杂、坡度较陡、土壤条件较差、耕作便利度低,一定程度上限制了其林转耕的可能性。不宜转耕林地主要分布在颜庄街道,该区域地形条件相对较为平缓,但土壤质量和地块规整度较差,不适宜进行大规模耕作生产。较不宜转耕林地主要分布在辛庄街道,该区域坡度较陡,地块土壤条件较差、耕作便利性较低且水土流失严重,缺乏适宜耕作的条件,不适宜大规模的农业生产。
3.3 “耕-林”空间错配识别
根据“耕转林”适宜性评价和“林转耕”适宜性评价结果,总体来看钢城区整体ICFM为0.26,“耕-林”空间错配程度较为显著,该区域在耕地和林地资源的利用上存在一定的不协调性。其中耕地错配地块总面积为140.96 hm2,相关地块分布较为破碎,地形起伏度大于15°,这种耕作条件不仅增加了农业生产的难度,同时极易导致土地资源利用率低下、农业可持续发展受阻等问题,因此适宜转林,以实现资源优化配置,提升土地利用效率;林地错配地块总面积为249.21 hm2,相关地块地势平坦,土壤肥沃,地块规整度高且耕作便利,当前的利用方式限制了其粮食生产潜力的发挥,因此适宜转耕,以充分发挥其农业生产功能,提升粮食生产能力。
乡镇尺度上,不同街道的“耕-林”空间错配特征差异明显(
图6)。辛庄街道的耕地错配面积和林地错配面积均最高,分别为97.38 hm
2和135.63 hm
2,占比达69.08%和54.42%,部分林地、耕地资源未能合理利用,ICFM为0.37,耕地与林地空间错配程度最严重;艾山街道和汶源街道的ICFM分别为0.09,0.14,错配程度较低,耕地与林地资源利用较为协调。颜庄街道的林地错配面积较高,达到55.08 hm
2,占比为22.39%,ICFM为0.31,显示出较高的错配程度,部分林地未能得到合理利用。里辛街道和汶源街道的错配程度居中,ICFM分别为0.21,0.14(
表4)。
3.4 “耕-林”空间布局优化
通过ArcGIS 10.6实现空间决策模型,得到“耕-林”空间布局优化结果(
图7),耕地面积由13 419.36 hm
2增加至13 527.61 hm
2,增加了108.25 hm
2;林地面积由15 967.35 hm
2减少至15 859.10 hm
2,减少108.25 hm
2,其在一定程度上改善耕地与林地的空间错配现象,优化了土地资源的空间配置。转为耕地的地块地势平坦、土壤肥沃、地块规整度较高,具备良好的农业生产条件,能够有效提升粮食生产能力。优化过程中将部分不适宜耕种的陡坡地、破碎化耕地转为林地,减少资源浪费。优化后的空间布局提高了耕地的适宜性程度,同时合理缩减低适宜性林地面积。
乡镇尺度上,不同街道的优化面积存在明显差异(
表5)。辛庄街道优化调整前耕地调整区域多位于海拔较高,坡度大的不宜耕地区,这些地块由于地形限制和土壤条件较差,农业生产效率低下,优化后将其调整为适宜进行农业生产的区域,该街道的优化面积最大,面积为38.25 hm
2,在钢城区耕地资源上占据核心地位;其次为颜庄街道,优化面积为48.77 hm
2,该区域土地具备较高的耕作适宜性,优化前部分地块由于分布零散和利用方式不合理等,未能充分发挥其生产潜力,优化后显著提升其耕地的生产潜力;艾山街道和汶源街道优化幅度较小,耕地与林地面积变化均不足2.00 hm
2,这些区域的土地利用类型在优化前已相对较合理,优化后以保持现有类型为主。总体来看,对“耕-林”进行空间布局优化有效提升耕地与林地的空间利用效率,避免了耕地撂荒等低效利用现象,改善耕地与林地资源分布的不均衡和不协调,为区域土地利用的可持续发展奠定基础。
4 讨 论
耕地作为粮食生产的物质基础,承载着保障国家粮食安全的重要使命;而林地作为陆地生态系统的主体,在维护国土生态安全方面发挥着不可替代的基础性作用,耕地保护和林地保护都是“国之大者”,但土地资源有限性致使山东省林粮“争地”空间矛盾长期存在。当前,耕地和林地统筹面临地类管理模糊、功能空间错配、布局碎片化等问题,致使耕林统筹工作开展难度较大。
基于此,政策上应从以下几个方面统筹耕地和林地保护:(1) 强化国土空间规划约束,优化耕林空间布局。基于“三区三线”划定成果,明确耕地集中保护区与生态林地核心区,确保国土空间唯一性;在平原区,优先保障优质耕地集中连片,严格限制林地占用,推动耕地提质增效;针对坡度>25°的耕地有序退耕还林,强化生态修复,对适宜耕作的缓坡地(坡度<15°),优化农田基础设施,提升耕作便利度。(2) 健全用途管制,耕地转林地需符合生态退耕标准,严禁违规“毁田造林”;林地转耕地需经生态影响评估,确保不破坏核心生态功能。(3) 明确林地保有量和森林覆盖率目标,统筹开展国土变更调查和林草湿荒普查,逐步调整优化耕地林地布局和面积。(4) 构建“数量-质量-生态”三位一体保护体系,优先保护≤15°缓坡耕地,严格管控25°以上陡坡区域,优化田块与基础设施衔接,提升集中连片程度,通过多维度协同管控实现生态安全与农业生产空间的优化配置。
在空间布局优化过程中,不仅需要统筹考量覆被适宜性,还需要通过科学配置植被类型与空间格局
[25],在满足覆被条件的同时增强系统抵御干扰与自我恢复的能力。需要说明的是,本研究属于理论探讨,耕地作为国家严格保护的用地类型,其优化调整受政策、制度等多方面约束与限制,不得擅自变更。此外,本研究尚未考虑耕地和林地及其产权主体在空间地域上的对应关系,还需在以后的研究中进一步深入。
5 结 论
(1) 钢城区耕地总面积为13 419.36 hm2,其中98.95%(13 278.40 hm2)的耕地为“不宜转林”,其具备较好的土壤质地、坡度平缓及耕作便利的特点,仅1.05%(140.96 hm2)耕地为“宜转林”,主要集中于坡度大于15°、土壤条件较差的区域。
(2) 钢城区林地总面积为15 967.35 hm2,全区林地以“较不宜转耕”为主,占比达57.25%,其次为“不宜转耕”和“较宜转耕”林地,分别占24.60%和14.39%;“宜转耕”和“极不宜转耕”林地占比较小,仅为2.61%和1.15%。“宜转耕”和“较宜转耕”林地主要集中于辛庄街道和里辛街道,“极不宜转耕”林地主要分布于艾山街道和汶源街道。
(3) 钢城区耕地与林地利用存在明显的空间错配现象,整体ICFM指数为0.26,耕地错配面积为140.96 hm2,林地错配面积为249.21 hm2。乡镇尺度上,辛庄街道“耕-林”空间错配最为严重,ICFM值为0.37;艾山街道和汶源街道的ICFM值较低,分别为0.09,0.14,土地利用较为协调。
(4) 通过空间优化,钢城区耕地、林地面积相应增减108.25 hm2,优化结果有利于实现农业生产与生态保护的平衡发展。辛庄街道和颜庄街道优化幅度较大,分别增加38.25 hm2,48.77 hm2的耕地,改善了土地资源配置效率;艾山街道与汶源街道优化幅度较小,保持了合理的土地利用格局,避免了生态压力的增加。