以粮食安全为导向的农村居民点优化：耦合GAEZ与PLUS模型应对中国陕西耕地生产力损失问题

《Journal of Rural Studies》：Food security-oriented optimization of rural settlements: coupling GAEZ and PLUS to address cropland productivity loss in Shaanxi, China

　　

• 提出了一个将农村聚落变化与粮食生产联系起来的 GAEZ–PLUS 综合框架。
• 揭示 93.43% 的新农村聚落占用耕地，导致粮食总生产潜力（TGPP）净损失 49.62×10^4 吨。
• 证明中国基于面积的耕地补偿政策导致了系统性的生产力损失。
• 显示基于粮食生产潜力（GPP）的空间优化将净 TGPP 损失减少了 7.19×10^4 吨，并改善了被占耕地（OC）与新增复垦耕地（NRC）的质量平衡。

引言
粮食安全是国家稳定和可持续发展的基石（Godfray et al., 2010; Liu and Zhou, 2021）。对于中国而言，用全球 9% 的耕地养活近 20% 的世界人口代表了一个持续的结构挑战（Wei and Xu, 2025）。这一挑战因饮食模式转变和气候变化而进一步加剧，这对国家粮食系统造成了前所未有的压力（Sun et al., 2022; Zhu et al., 2023）。同时，快速城市化和建设用地的扩张不断改变耕地的数量和空间分布，导致粮食生产能力损失。以往的研究预测，全球城市扩张可能会使耕地面积减少约 1%，而不同作物的产量损失可能达到 1–4%（Chen et al., 2020）。这些发现表明，土地利用转换的影响超出了耕地面积变化；转换的空间位置以及被转换耕地生产潜力的差异也会影响区域粮食生产能力（Xu et al., 2017）。因此，将粮食生产能力纳入土地利用决策和空间规划，有助于识别土地转换对粮食安全的含义，并为优化土地空间配置提供科学依据（Bren d'Amour et al., 2017; Foley et al., 2011）。

这一空间治理挑战不仅存在于城市扩张区，也广泛存在于农村生产生活和空间的持续重构中。在快速城市化和城乡一体化的背景下，人口迁移、生计转变和居住需求变化不断重塑农村土地利用模式。因此，农村聚落经历了扩张、废弃和重构等多种过渡路径，这些路径与耕地转换过程交织在一起（Long and Liu, 2016; Song and Li, 2020）。尽管由城市建设扩张引起的耕地转换受到了广泛关注，但农村聚落演化对耕地转换和粮食生产能力的影响仍了解不足。在农村地区，聚落是农村生活活动的主要载体，而耕地是农业生产的基础资源；两者共同构成了农村国土系统的空间基础（Long and Li, 2012）。由于其紧密的空间邻近性，农村聚落扩张可能导致优质耕地流失，而聚落废弃和土地整理可能为耕地恢复提供机会（T. Liu et al., 2015b; Wu et al., 2024）。因此，在满足合理居住和发展需求的前提下，系统评估与农村聚落演化相关的耕地双向转换及其对粮食生产能力的影响，已成为面向粮食安全的农村空间治理中的一个重要问题。

广泛的研究调查了农村聚落演化及其土地利用含义。第一组研究侧重于农村聚落变化的时空模式和驱动机制（Hao et al., 2026; Ji et al., 2022; Li et al., 2022）。这些研究考察了聚落扩张、空间分布和景观格局的变化，并进一步探讨了人口动态、经济发展、交通可达性和土地制度的作用（Dong et al., 2026; Tan et al., 2025; Y. Xie et al., 2026b）。随着农村转型研究的推进，关注点逐渐从聚落特征本身转向聚落与其他土地利用类型之间的相互作用。第二组研究考察了农村聚落与耕地之间的关系，重点关注土地数量变化、空间位移和耦合特征（S. Liu et al., 2023a; Qu et al., 2021a; Zhou et al., 2026）。这些研究提高了对农村聚落转型及其土地利用后果的理解；然而，它们主要强调土地数量变化和空间模式，而对不同土地转换路径相关的粮食生产后果的定量评估仍然有限。

在土地转换识别的基础上，一些研究进一步考察了建设扩张造成的耕地占用及其对粮食产量损失的影响（Chen et al., 2020; Su et al., 2011），而另一些研究分析了耕地时空变化对粮食生产潜力的影响（Xu et al., 2017）。这些研究将评估从耕地面积变化扩展到农业生产后果。然而，现有研究主要集中在建设扩张造成的耕地占用上，而关注不足的是通过农村聚落转换产生的新增复垦耕地及其生产潜力。此外，被占耕地（OC）与新增复垦耕地（NRC）之间生产潜力的直接比较仍然稀缺。因此，与农村聚落演化相关的双向土地转换对区域粮食总生产潜力（TGPP）的净效应尚未完全揭示。

此外，现有的农村聚落空间优化研究主要侧重于布局调整、村庄分类、土地整理和综合适宜性评价，在优化过程中纳入了区位条件、生态约束和经济考虑等因素（Dong et al., 2022; Ma et al., 2022; Zhou et al., 2023）。这些研究为提高聚落布局和增强土地利用效率提供了重要支持。然而，粮食生产能力尚未充分纳入空间优化目标。鉴于农村聚落发展的持续需求，关键问题不仅仅是限制聚落变化，而是识别替代空间配置的生产后果，并在满足合理发展需求的同时减少潜在的生产能力损失。

这些研究空白在耕地平衡政策的背景下尤为相关。为解决建设扩张造成的耕地损失，中国实施了严格的耕地保护制度，其中耕地占补平衡政策是最具代表性的措施之一。该政策要求为建设目的占用的耕地必须通过其他地方的耕地复垦进行补偿，以维持数量平衡。然而，在实践中，耕地复垦往往发生在生产力相对较低的边缘土地上，导致了“占优补劣”的模式（Xie et al., 2024）。近年来，中国的耕地保护政策越来越强调补偿耕地的质量和生产力。例如，2024 年中共中央办公厅和国务院办公厅联合印发的《关于加强耕地保护 提升耕地质量 完善耕地占补平衡制度的意见》提出了耕地数量、质量、生态的一体化保护，并推动耕地补偿实现“数量平衡、质量平衡和生产潜力平衡”。这一政策转变凸显了准确评估土地转换引起的耕地生产能力变化并将其纳入空间分配决策的实用需求，以提高耕地保护水平并实现粮食安全目标。

为解决这些差距，本研究构建了一个综合影响评估和空间优化框架，具有两个主要创新：
1. 使用 GAEZ 模型进行定量影响评估。本研究开发了一个基于全球农业生态区（GAEZ）模型的评估框架，通过共同考虑耕地数量和生产潜力的变化，量化农村聚落演化对省级尺度 TGPP 的净影响。
2. 面向粮食安全的空间优化。开发了一种优化方法，将粮食生产潜力（GPP）作为核心驱动因素嵌入扩展的 Patch 生成土地利用模拟（PLUS）模型中。该框架代表了农村空间规划从被动保护向主动避让高产耕地的转变。

陕西省被选为案例研究区。它跨越三个不同的地理区域，在自然条件和农村发展轨迹上存在显著差异，使其成为考察人地关系的理想场所。从 2000 年到 2020 年，陕西的农村人口减少了 39.56%，而农村建设用地增加了 20.71%，这典型地体现了中国快速城市化过程中特征鲜明的人地冲突。在此背景下，本研究重点关注陕西省，量化农村聚落演化对农业生产能力的影响，并提出一种空间优化的农村土地利用模式。研究结果旨在为协调乡村振兴与建设可持续且有韧性的粮食系统提供可操作见解。

章节片段
理论分析
农村国土系统由具有不同功能的空间单元组成。在这些单元中，农村聚落和耕地分别是农村生活发展和农业生产的重要空间载体。耕地主要支持农业生产和粮食供应，而农村聚落容纳居住活动、社会交往和公共服务。这两种土地利用类型在功能上互补且在空间上相邻（Liu et

研究区
陕西省位于中国西北内陆，跨越黄河和长江流域（图 2）。由于地形、气候和水热条件的显著差异，该省从北到南可分为三个地貌区域：陕北高原（NSP）、关中盆地（GB）和秦巴山区（QMA）。作为半干旱黄土景观的代表，NSP 构成了中国黄土高原的核心部分，其特征是松散

农村聚落时空演化特征
2000 年至 2020 年间，陕西省农村聚落的演化表现出明显的时空模式，其特征是农村人口减少与聚落扩张的悖论性共存，这种现象在中国快速城市化过程中被广泛观察到（Qu et al., 2021b）。在时间上，该省在这二十年见证了农村聚落面积净增 5.11×10^4 公顷，这是由总扩张 7.30×10^4 公顷和减少 2.19×10^4 公顷造成的（表 3）。

政策困境：揭示“面积平衡”学说的不足
与大规模城市扩张相比，与农村聚落演化相关的耕地转换可能在规模上相对有限。尽管如此，农村聚落与耕地之间的紧密空间邻近性，加上耕地占用和复垦的双向过程，使这种形式的土地转换对于空间治理具有特殊的相关性。结果显示，农村聚落演化导致陕西省粮食总生产潜力（TGPP）净损失 49.62×10^4 吨。

结论
本研究以陕西省为案例，开发了一个综合 GAEZ–PLUS 框架。它评估了与农村聚落演化相关的耕地占用和复垦在耕地数量和粮食生产潜力变化方面的影响，并进一步探索了面向粮食安全的空间优化路径。

在耕地数量方面，农村聚落演化伴随着大量的双向土地转换。在研究期间，

CRediT 作者贡献声明
李飞：写作 – 审稿与编辑，写作 – 初稿，可视化，验证，项目管理，方法学，资金获取，形式分析，概念构思。
姚青信：写作 – 审稿与编辑，写作 – 初稿，验证，软件，资源，方法学，形式分析，数据管理。
刘翠翠：概念构思，数据管理，形式分析，方法学，写作 – 初稿，写作 – 审稿与编辑。
郭东燕：写作 – 审稿与编辑，

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的经济利益或个人关系可能会影响本论文中报告的工作。

致谢
我们要感谢国家自然科学基金的资助（42571233）。

李飞|姚青信|刘翠翠|郭东燕|谭远辉