水资源约束下的黄淮海平原区土地利用结构优化*

雷 鸣，孔祥斌※

(1.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193； 2.国土资源部农用地质量与监控重点实验室,北京 100193)



·农业供给侧结构性改革专栏·

水资源约束下的黄淮海平原区土地利用结构优化*

雷 鸣1， 2，孔祥斌1， 2※

(1.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193； 2.国土资源部农用地质量与监控重点实验室,北京 100193)

[目的]黄淮海平原作为中国粮食的主产区，同时该区域水资源短缺问题日益加剧。如何在水资源可承载的条件下，保证粮食安全和经济发展，对黄淮海平原区土地利用结构的优化调整进行探索，具有重要意义。[方法]文章应用多元优化模型及遗传算法，在土地面积、宏观计划约束、粮食产量约束、市场约束等条件下，追求流域水资源平衡，同时保障粮食产量最大化，得到2020年黄淮海平原区土地利用结构优化方案，并通过土地转移矩阵，在2020年土地利用总体规划的约束下，依据2000～2010年土地利用变化路径，预测出2020年最大概率自然演化形成的土地利用结构。[结果]将最优方案与自然演化进行了土地利用结构、用水结构以及粮食产出3个方面对比，最优方案的粮食产量为8464.75万t，总耗水量减少18.56亿m3，均优于自然演化结果，证明土地利用结构优化方案具有一定的有效性。[结论]黄淮海平原区土地利用结构优化的方向是在满足社会经济发展的情况下，尽量降低高耗水强度的建设用地面积占比，减少水资源匮乏流域的耕地面积，增加水资源较丰富流域的耕地面积，以保障粮食产量，充分利用未利用面积，增加林地、水域等生态用地的面积； 优化后的土地利用结构，有效缓解了地下水水位下降的趋势。

土地资源管理 生态安全 粮食安全 多目标优化 黄淮海平原区

0 引言

当前，我国农业供给侧结构性改革强调粮食安全与生态安全并重[1]。黄淮海平原区作为中国粮仓，在我国粮食安全中处于举足轻重的地位[2]； 同时该区域也是世界三大地下水漏斗区之一[3， 4]，浅层地下水漏斗区为4.1万km2，深层地下水漏斗区为5.6万km2，地面下沉严重，区域生态安全面临着巨大的挑战[5]。因此，在推进农业供给侧结构性改革过程中，迫切需要根据水资源禀赋进行农业土地利用结构优化，推进产业结构调整和发展方式转变，减轻对水资源的需求压力，实现生态重建和可持续发展[6]。探索水资源可承载条件下的黄淮海平原区土地利用结构优化调整具有重要实践意义。

图1 黄淮海平原区示意图

我国第三轮土地利用规划提出“加强土地生态保护和建设”的目标，但缺少维护区域生态安全的土地利用规划方法。学术界提出了生态优先理念，并将其应用于生态保护规划和城市生态规划等相关研究，取得了较好的效果[7， 8]，这类思想在土地利用规划中的引入也为土地利用中生态安全问题的解决提供了有效思路。在与区域生态安全相关的土地利用结构研究方面，学者们从生态服务价值[9]、生态位理论[10]、生态足迹[11]、精明增长[12]等角度进行了探索，却仍不能满足土地利用规划中保障生态安全的需要，因此有必要进一步研究。已有研究证实了考虑水资源承载力在土地可持续利用的可行性[13]，但将其引入重要粮食生产区的土地利用结构优化中还较为鲜见。因此，文章在传统土地利用结构优化思路中，采用水资源供需平衡作为生态约束目标，并以黄淮海平原粮食产量为约束目标，对黄淮海平原区2020年土地利用结构进行研究，以使优化方案更能满足当地的土地利用现状，保障土地利用的可持续利用，也为土地利用规划及生态保护提供决策参考。

1 研究区概况及数据来源

黄淮海平原区包括京、津、冀、鲁、豫、苏、皖7省(市)，总面积31万km2，2010年耕地面积为23万km2，接近全国耕地面积的1/6，耕地数量及垦殖率均居全国各一级农区首位，生产全国近60%～80%的小麦和35%～40%的玉米，是中国重要的粮仓[14]。同时，黄淮海平原区包括海河流域、黄河流域下游段以及淮河流域部分，为研究跨多流域尺度土地利用变化的水文效应，该文以《中国水资源分区》为基础，并参考研究区内各水资源保护局水资源自然分区图划分出子流域，将每个子流域作为一个水平衡子系统。如图1所示，将黄淮海平原区划分为11个子流域，分别为北四河下游流域、大清河流域、黑龙港与运东流域、徒骇马颊河流域、漳卫河平原、子牙河平原、黄河下游流域、淮河上游流域、淮河中游流域、淮河下游流域以及南四湖流域。

该研究主要采用了2010年土地利用现状数据、 2020年县级土地利用规划数据、县级粮食产量、各类用地耗水量、水资源总量等5个方面的基础数据。(1)2010年土地利用现状数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心[15]； (2)2020年县级土地利用规划数据来源于黄淮海平原区300个县国土资源局的县级《2006～2020年土地利用总体规划》； (3)县级粮食产量数据来源于中国经济与社会发展统计数据库中《中国县域统计年鉴》以及各市县统计年鉴[16]； (4)各类用地耗水量的数据、蒸散发数据来源于NASA的MODIS全球蒸散发数据产品(2001～2010)[17]； 生活耗水数据，据王静爱(2006)的研究[18]， 300～600mm降水带的居民每天耗水量在40～60L之间，年平均的耗水量为18.25m3，通过人口数量测算得到生活耗水； 工业耗水数据主要依据全国万元工业产值耗水量进行计算； (5)水资源总量数据来源于海河流域水资源公报，黄河流域水资源公报以及淮河流域水资源公报(1998～2010)[19-21]。

2 研究方法

2.1 多目标优化模型

该研究采用了多目标模糊优选和遗传算法为基础构建土地利用结构优化模型，模糊规划可以克服单纯的线性规划的静态局限，在解决资源约束条件或者目标有模糊性的生产等优化问题发挥了重要作用，而与遗传算法的结合，得出多目标优化的Pareto非劣解，通过相互比较得到最终的满意解。

(1)

(2)

(1)式中，fi(x)=Bx，i=1， 2， 3…n；x为所求变量向量，B为目标函数的系数矩阵，x=(x1，x2，x3…xn)T，Bi=β1，β2，β3…βn，n为变量个数。

2.2 变量设置

根据黄淮海平原区5省2市， 300个县市的土地利用现状、土地结构调整后的利用方向以及满足研究各流域水资源平衡的要求，以2010年为基期，设置了66个决策变量。

表1 黄淮海平原区土地利用结构及变量设置 万hm2

2.3 目标函数

(1)生态目标：流域地下水下降是流域耗水失衡导致，黄淮海平原区生态问题主要是由于水资源失衡导致的。为缓解水资源带来的生态问题，生态目标是通过控制流域的水平衡，减缓区域地下水资源消耗。

(3)

(4)

式中，Fi是i流域的地下水蓄变量，地下水蓄变量为负值，说明流域存在地下水超采； 地下水蓄变量为正值，说明流域自然的水资源循环能够满足流域用水需求，不存在地下水超采。Ci为流域1990～2010多年平均水资源供给量，Dij为i流域j地类的单位面积耗水量，是2010年i流域j地类耗水总量Eij比上i流域j地类总面积而得，其中，i流域j地类耗水总量Eij是根据不同地类耗水特点进行计算而得。Ei1是耕地上作物的年蒸散发总量，Ei2是建设用地上的生活用水、工业用水等年耗水总量，Ei3、Ei5、Ei6分别为草地、林地以及未利用地上植被年蒸散发总量，Ei4为水域表面年蒸发总量。

(2)社会目标：保障国家粮食安全，

(5)

式中，为第i流域的耕地单位面积粮食产量。

2.4 约束条件

根据土地利用现状系统分析，从土地面积、宏观计划约束、粮食产量约束、市场约束等4个方面共确定7个约束条件。

(1)土地总面积约束：

(6)

式中，TLj为第j流域的土地总面积。

(2)宏观计划约束：

耕地：xi1≥CLj

(7)

建设用地：xi2≤ULj

(8)

水域：xi4≥WLj

(9)

林地：xi5≥FLj

(10)

(7)式中，CLj为第j流域土地利用总体规划耕地最小面积，(8)式中，ULj为第j流域土地利用总体规划建设用地最大面积，(9)式中，WLj为第j流域土地利用总体规划水域最小面积，(10)式中，FLj为第j流域土地利用总体规划林地最小面积。

(3)粮食产量约束：

(11)

式中，Gi为第i流域的耕地单位面积粮食产量，TF基期粮食产量。

(4)市场经济约束

主要是现状约束，主要表现为建设用地：

xi2≥MLj

(12)

式中，MLj为第j流域城镇及工矿用地基期土地利用现状面积。

图2 遗传算法流程

2.5 遗传算法

遗传算法具有内在的并行性和整体寻优的特点，强调概率转换机制[22]。能为土地利用规划问题提供多个潜在非劣解，较好地适应土地利用规划的不确定性，其基本步骤为[23]：

(1)产生初始群体：土地利用规划中将矢量x=(x1，x2，…，xn)利用浮点型编发可以满足约束条件的可行解，其中，x1，x2，…，xn为决策变量。根据之前的约束条件，在可行区间内随机产生一组染色体xk(k=1， 2，…)放入数组W。

(2)选择：采用轮盘赌选，适应度代表个体存在的机会，选择操作就是通过适应度选择出一批适应度较大的染色体，一般会经过多次循环后才会得到用于交配的种群。

(3)交配：对选择产生的种群按交叉概率p选择交配，概率p一般在0.25～1之间。

(4)变异：由于多次交配可能会使得种群单一，为了使群体保持多样性，可以通过变异率q进行变异，

(5)更新：将高适应度的染色体留下，将新的非劣解加入到数组W，删去劣点，并更新数组W中的极值。

(6)检查终止条件：若运行次数达到预先确定的代数便会停止，否则转向步骤(2)。

2.6 土地利用转移矩阵预测

土地利用转移矩阵预测是利用地类转移概率矩阵，在基本的土地利用现状与规划的约束下，形成2020年土地利用结构，其作为2020年非优化自然演化结果与多目标遗传算法优化模型的优化方案进行对比，验证优化方案的有效性。

其中土地利用转移矩阵的预测基于地类转移概率矩阵，地类转移概率矩阵是通过条件概率建立起来的。在事件的某一时段的变化过程中，时段初转移到时段末的其他状态的概率，就是状态转移概率。即：

(13)

结合土地转移矩阵，土地转移概率矩阵应该为：

(14)

转移矩阵中各元素为相应转移矩阵各元素与所在行元素之和的比：

(15)

那么对某一转移时段来说，时段起初所有地类的面积向量t和期末的地类面积向量t′关系如下：

t′=t×pij

(16)

对于n个连续时段，存在n+1面积向量t1，t2，…，tn+1，可得：

(17)

那么可以定义：

(18)

p(a，a+n)表示由a时段的期初到a+n时段的期末共n+1个连续时段总的转移概率矩阵，可以给出各连续分时段的转移概率矩阵球总时段的转移概率矩阵的方法[24]。

但由于土地转移概率矩阵预测必须在合理的区间内，即满足2010土地利用现状与2020年土地利用规划约束，所以在土地转移概率中加入目标面积转移矩[25]。

3 黄淮海平原土地利用结构优化方案

基于matlab 2014平台，编写了遗传算法多目标优化程序，结合以上模型参数对黄淮海平原区土地利用结构优化模型求解，得出与设计种群数量(100个)相当的求解方案数，并将其中3个满意解作为方案一、二、三与2010年黄淮海平原区土地利用结构进行对比，选出最终的Pareto解。

表2 2010黄淮海平原区土地利用结构

流域耕地(万km2)建设用地(km2)草地(km2)水域(km2)林地(km2)未利用地(km2)蓄变量(亿m3)粮食产量(万t)北四河下游1 5898649058317312027418-33 93637 39子牙河流域1 400425553973221160-24 97377 96徒骇马颊河域2 42435212231671215738-2 25404 94大清河流域1 67403213654127719149-33 941231 79漳卫河流域0 89561476702101600100 44619 17黑龙港运东1 9102316804009138-36 161234 02黄河下游流域1 80014792622142732246780 16567 43淮河上游4 4266938038810471149138 051727 35淮河中游3 240062323938663610104 41929 49淮河下游2 6278805036133341263568 33712 77南四湖流域1 32472991513511305179 37196 63总计23 31355355943821152763831877239 518638 93

优化方案是根据黄淮海平原区各县域土地利用总体规划要求，在2010年土地利用现状的基础上，对2020年土地利用结构的优化。2010年黄淮海平原区土地利用结构为耕地面积占75.00%，建设用地面积占17.23%，草地面积占1.41%，水域面积占3.71%，林地面积2.05%，未利用地占0.60%。优化方案一耕地面积相对2010年有明显下降，面积为22.93万km2，占黄淮海平原区土地总面积73.78%，建设用地面积为5.4万km2，增加了457km2，占总面积的17.38%，草地面积占总面积1.03%，水域面积为1.4万km2，较2010年增加了2 542km2，占总面积的4.53%，林地面积为1万km2，较2010年增加了3 617km2，占总面积的3.22%，未利用地面积为405km2，占总面积0.13%。优化方案二可以满足总面积约束、宏观计划约束以及市场经济约束条件。但方案二的粮食产量为8 432.32万t，未能满足高于2010年8 628.93万t的水平，其地下水蓄变量为228.42亿m3，均能维持2010年的水资源利用水平，黑龙港运东流域的地下水蓄变量有所回升，增加了0.12亿m3

表3 黄淮海平原区土地利用结构优化方案一

流域耕地(万km2)建设用地(km2)草地(km2)水域(km2)林地(km2)未利用地(km2)蓄变量(亿m3)粮食产量(万t)北四河下游1 05216600240127804740105-35 52421 82子牙河流域1 41362604604581360-26 05381 52徒骇马颊河域2 50425249806383001-3 17418 29大清河流域1 6526326848169553949-35 281216 01漳卫河流域0 8453149854937596010-0 25584 38黑龙港运东1 87993168084190-36 061214 45黄河下游流域1 998448375472327777 06629 92淮河上游4 4720941509101185137 321745 06淮河中游3 21086254015293610103 84921 11淮河下游2 60318097038951263567 65706 08南四湖流域1 30493026454761804578 88193 68总计22 93685401631881406910000222228 428432 32

优化方案二耕地面积为22.95万km2，占黄淮海平原区土地总面积73.83%，是3个优化方案中耕地面积占比最大的方案，建设用地面积为5.4万km2，增加了479km2，占总面积的17.38%，。草地面积占总面积的1.35%，水域面积为1.4万km2，较2010年增加了2 924km2，占总面积的4.65%，林地面积为8 246km2，较2010年增加了1 863km2，占总面积的2.65%，未利用地面积为222km2，占总面积0.13%。优化方案二可以满足总面积约束、宏观计划约束以及市场经济约束条件。但方案二的粮食产量为8 445.81万t，未能满足高于2010年8 628.93万t的水平，其地下水蓄变量为227.24亿m3。

表4 黄淮海平原区土地利用结构优化方案二

流域耕地(万km2)建设用地(km2)草地(km2)水域(km2)林地(km2)未利用地(km2)蓄变量(亿m3)粮食产量(万t)北四河下游1 08206600340128793337110-34 52433 79子牙河流域1 41562604504581260-26 07382 06徒骇马颊河域2 50755260864227153-3 33418 84大清河流域1 664232735718532954-35 281224 60漳卫河流域0 8538153957728282981-0 71590 27黑龙港运东1 87993168084190-36 061214 45黄河下游流域1 997948373476330677 07629 77淮河上游4 45739380296212496535 801739 35淮河中游3 207862542515323630103 84920 25淮河下游2 5709809747412112704667 64697 34南四湖流域1 08203026340128793337110-34 52433 79总计22 9513540384210144518246405227 248445 81

优化方案三耕地面积为22.93万km2，耕地面积相对于2010年减少了3 828km2，是3个优化方案中耕地面积减幅最大的方案，优化后耕地面积占黄淮海平原区土地总面积73.76%。建设用地面积为5.4km2，增加了519km2，占总面积的17.40%，是3个优化方案中建设面积占比最大的。草地面积占总面积的1.26%，水域面积为1.44km2，较2010年增加了2 952km2，占总面积的4.66%，林地面积为8 213km2，较2010年增加了2 030km2，占总面积的2.70%，未利用地面积为657km2，占总面积0.21%。优化方案三可以满足总面积约束、宏观计划约束以及市场经济约束条件。但方案三的粮食产量为8 464.74万t，未能满足高于2010年8 628.93万t的水平，其地下水蓄变量为230.44亿m3。

表5 黄淮海平原区土地利用结构优化方案三

流域耕地(万km2)建设用地(km2)草地(km2)水域(km2)林地(km2)未利用地(km2)蓄变量(亿m3)粮食产量(万t)北四河下游1 08206600340128793337110-34 52433 79子牙河流域1 40042604715291870-25 92377 96徒骇马颊河域2 41885258124843495402-2 68404 02大清河流域1 6564327285189129021-35 221218 87漳卫河流域0 8956154919135779100 04619 17黑龙港运东1 87993168084190-36 061214 45黄河下游流域1 99464835194763292677 14628 72淮河上游4 4720941509101185137 321745 06淮河中游3 21086254015293610103 84921 11淮河下游2 60318097038951263567 65706 08南四湖流域1 31723026343871663678 85195 51总计22 9307540783926144818413657230 448464 74

综上，3个黄淮海平原区土地利用结构优化方案粮食总产量均未满足粮食产量约束条件，达到2010年8 628.93万t的水平。这说明在降低水资源消耗、满足土地利用规划的条件下，粮食产量会有所损耗。其中方案三的粮食产量在优化方案中最高，为8 464.74万t，其各流域地下水蓄变量均大于其他两个方案，说明其土地利用机构优化的目标均优于方案一与方案二，最终确定方案三为黄淮海平原区2020年土地利用结构最优方案。

4 土地利用方案对比

4.1 土地利用结构的变化

根据土地转移矩阵在土地利用总体规划的条件下，预测出的2020年黄淮海平原区土地利用结构，是按照过去土地利用变化的原始路径，依据最大转换概率形成的黄淮海平原区2020年土地利用结构。最优方案与自然演化的结果均满足2020年土地利用总体规划中各地类的约束条件以及总面积约束条件，优化方案与自然演化都处于合理范围。现将最优方案与土地转移矩阵预测出的2020年土地利用结构结果以及2010年土地利用结构现状进行对比分析，可以判断优化方案的有效性。

从整个黄淮海平原区来看，在耕地面积对比中，黄河以北的流域主要呈现，优化方案中的耕地面积少于自然演化的耕地面积，黄河以南的流域表现出优化方案中的耕地面积多于自然演化的耕地面积，耕地面积占比较大，影响地下水蓄变量的权重也比较大，所以优化方案的耕地面积情况与流域的蓄变量有关。在高强度耗水的建设用地面积对比中，优化方案相对自然演化来说，建设用地面积占比都有所降低。但生态用地面积占比中，优化方案的生态用地面积占比都普遍高于预测方案，特别是林地与水域面积的比例(图3)。

4.2 土地用水结构的变化

在土地用水结构对比中(表6)，分析各个地类的耗水情况。在耕地耗水对比中，自然演化与优化方案下的耕地耗水量都小于等于2010年的耕地水资源消耗量，主要是由于耕地面积减少导致。在北四河下游流域、徒骇马颊河流域、大清河流域以及黑龙港运东流域中，优化方案的耕地耗水量均小于自然演化的耕地耗水量，在黄河下游流域、淮河上游流域、淮河中游流域、淮河下游流域以及南四湖流域，这些流域优化方案的耕地耗水量大于自然演化的耕地耗水量。黄河以北少消耗水资源，黄河以南充分挖掘水资源利用潜力，是优化方案耕地耗水的主要特点。

表6 不同情景下流域地类耗水对比 亿m3

在建设用地耗水对比中，由于2020年的建设用地面积大于2010年建设用地面积，在耗水强度不变的情况下，自然演化与优化方案中的建设用地耗水情况均大于2010年建设用地耗水水平。建设用地作为高耗水地类，优化方案主要通过控制建设用地面积减少用水总量，可见优化方案中只有淮河上游流域的建设用地耗水量高于自然演化的建设用地耗水量，总的建设用地耗水比自然演变减少了30.45亿m3。在生态用地耗水量对比中，优化方案生态用地总耗水略高于自然演化的总耗水，主要体现在林地与水域面积占比的增加，特别是北四河流域、子牙河流域、徒骇马颊河流域、大清河流域以及南四湖流域优化方案的林地与水域耗水量均大于自然演化的耗水量。

从各流域地下水蓄变量对比中看出(图4)，在地下水蓄变量为负值的流域，如北四河下游流域、子牙河流域、徒骇马颊河流域、漳卫河流域、黑龙港运东流域，优化方案中的地下水蓄变量均大于自然演化中的地下水蓄变量； 而在地下水蓄变量为正值的流域，如淮河中游流域、淮河下游流域以及南四湖流域，优化方案中的地下水蓄变量均小于自然演化中的地下水蓄变量。优化方案的土地利用结构通过“地下水超采区节水，水资源丰富区用水”的思路，对黄淮海平原区水资源利用结构产生影响，相对于自然演化的土地利用结构总体耗水，土地利用结果优化的耗水潜力了18.56亿m3。

图4 不同情景下流域地下水蓄变量对比

4.3 耕地粮食产出的变化

自然演化与优化方案中各流域耕地面积与该流域的单位面积粮食产量的乘积，可以得到流域的总产量，其中流域单位面积产量是以2010年粮食生产水平为基准。从整个黄淮海平原区的粮食产量来看， 2020年预测的粮食产量为8 453.39万t，2020年优化方案的粮食产量为8 464.74万t，无论是自然演化还是优化方案，以2010年的生产水平计算，黄淮海平原区粮食生产总量均小于2010年的粮食产量8 638.93万t。

从流域的尺度上看，北四河下游流域、徒骇马颊河流域、大清河流域、漳卫河流域以及黑龙港流域优化粮食产量均小于预测粮食产量，而黄河以南的流域，黄河下游流域、淮河上游流域、淮河中游流域、淮河下游流域以及南四湖流域优化粮食产量大于预测粮食产量。通过2020年优化耕地面积与预测耕地面积相比，可以看出优化方案的耕地面积在黄河以北的流域少于自然演化的耕地面积，这些流域正是水资源量减少的重点区域，而黄河以南的区域，优化方案的耕地面积又多于自然演化的耕地面积，这些流域地下水蓄变量为正值，具有一定的水资源利用空间。优化的耕地面积实际是将耕地生产重心南移动，减缓水资源贫乏区的生产，在水资源较为丰富区进行提产，使得整个黄淮海平原区的粮食产量大于预测的粮食产量。

表7 流域耕地面积与产量对比

流域现状耕地面积(万km2)演化耕地面积(万km2)优化耕地面积(万km2)粮食单产(万t/km2)现状粮食产量(万t)演化粮食产量(万t)优化粮食产量(万t)北四河下游1 58981 23451 0621400 92637 39494 92433 79子牙河流域1 40041 40041 4004269 90377 96377 96377 96徒骇马颊河2 42432 41912 4188167 03404 94404 07404 02大清河流域1 67401 66131 6564735 831231 791222 461218 87漳卫河流域0 89560 89560 8956691 34619 17619 17619 17黑龙港运东1 91021 90791 8799646 021234 021232 551214 45黄河下游1 80011 81071 9946315 22567 43570 77628 72淮河上游4 42664 45574 4556390 221727 351738 711745 06淮河中游3 24003 15003 2029286 88929 49903 67921 11淮河下游2 62782 59322 5979271 24712 77703 37706 08南四湖流域1 32471 25131 3172148 43196 63185 73195 51总计23 313522 779722 8813370 558638 938453 398464 74

5 结论与讨论

基于水资源约束与保障粮食安全的黄淮海平原区土地利用结构优化方案，是利用多目标规划方案，在遗传算法的基础上从模型中计算出的最优值。同时通过土地转移矩阵，在2020年土地利用总体规划的约束下，依据2000～2010土地利用变化路径，预测出2020年最大概率形成的土地利用结构。将最优方案与自然演化进行了土地利用结构、用水结构以及粮食产出3个方面对比，认为最优方案具有一定的理论参考价值；但在实践中实现的可能性有多大，需要进一步考证。通过对优化方案的分析可以得到以下结论。

(1)在水资源消耗最小的条件约束下，土地利用结构优化的方向是在满足社会经济发展的情况下，尽量降低高耗水强度的建设用地面积占比，减少流域地下水蓄变量为负值的耕地面积，充分利用未利用面积，增加林地、水域等生态用地的面积。优化后的土地利用结构，有效缓解了地下水蓄变量减少的趋势。

(2)为保障粮食产量最大化，土地利用结构优化方案通过增加黄河以南，水资源较为丰富，流域地下水蓄变量为正值的耕地面积，减少黄河以北，水资源较为匮乏，流域地下水蓄变量为负值的耕地面积，使得粮食生产重心转移，在水资源约束的条件下达到区域粮食产量最大。

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OPTIMIZATION OF LAND USE STRUCTURE IN HUANG-HUAI-HAI PLAIN UNDER WATER RESOURCES CONSTRAINT*

Lei Ming1， 2，Kong Xiangbin1， 2※
(1.College of Resources and Environment, China Agricultural University, Beijing 100193, China;2.Key Laboratory for Farmland Quality and Monitoring of National Ministry of Land Resources，Beijing100193, China)

As the main producing areas in China, water shortage of Huang-Huai-Hai Plain is increasing. It is of great significance to explore the optimization of land use structure in the Huang-Huai-Hai Plain in order to ensure food security and economic development under the condition that water resources can carry. The multi-objective optimization model and genetic algorithm were used to ensure water resources balance and maximize grain yield under the constraint condition of land area, macro planning constraint, grain yield constraint and market. The optimization plan of land use structure was proposed in the Huang-Huai-Hai Plain in 2020.At the same time, the land use structure formed by the maximum probability of natural evolution in 2020 was predicted through the land transfer matrix under the constraints of the overall land use plan in 2020.The results showed that comparing optimal scheme and the natural evolution with the land use structure, water structure and grain output, the optimal grain yield was 84.67 million tons and the total water consumption was 1.85 billion m3, which was superior to the natural evolution result. It is proved that the land use structure optimization scheme had certain validity.The direction of land use structure optimization in the Huang-Huai-Hai Plain should be to control the proportion of construction land with high water consumption intensity, make full use of the unused area such as forest land and water body, reduce the area of cultivated land in the basin with scarce water resources, and increase the area of cultivated land with abundant water resources so as to ensure the grain yield and effectively alleviate the downward trend of groundwater level.

land use structure; ecological security; food security; multi-objective optimization; Huang-Huai-Hai Plain

10.7621/cjarrp.1005-9121.20170605

2017-06-06

雷鸣(1993—)，男，布依族，贵州黔南人，博士生。研究方向：土地资源可持续利用研究。※通信作者：孔祥斌(1969—)，男，河北承德人，博士、教授、博士生导师。研究方向：土地资源可持续利用与土地资源评价研究。Email：kxb@cau.edu.cn

*资助项目：国家社科重点基金项目(14AZD031)； 北京市自然科学重点基金项目(8151001)

F301.2

A

1005-9121[2017]06027-11