在区域面积平衡的约束下，通过调整耕地和林地的空间分布来实现粮食安全与生态保护的平衡

《Agricultural Systems》：Balancing food security and ecological protection through the spatial reconfiguration of cropland and forestland under a regional area balance constraint

　　• 提出了一种统一的框架，以协调粮食安全和生态保护。• 在面积平衡的约束下，共同优化了耕地和林地。• 协调保护方案在最小的土地调整下实现了平衡的结果。• 开发了一种两级分区系统以支持实际实施。• 该框架将土地优化从以扩张为导向的调整转变为内部重构。

引言
协调粮食安全和生态保护已成为全球可持续土地治理的关键问题（Phalan等人，2011年；Vijay和Armsworth，2021年；Hua等人，2025年）。随着城市化的继续，城市扩张不断侵占农业和生态用地，加剧了对有限土地资源的竞争，使得粮食生产和生态保护之间的矛盾更加难以调和（Brend'Amour等人，2017年；Simkin等人，2022年；Shi等人，2026年；Xiong等人，2026年）。预计到2100年，全球城市土地将继续扩张，51%–63%的新开发土地将取代耕地，30%–44%将取代森林和草地（Chen等人，2020年）。同时，预计2010年至2050年间全球食物需求将增加35%–56%（Van Dijk等人，2021年）。生物多样性保护和生态系统恢复也需要足够的土地。《昆明-蒙特利尔全球生物多样性框架》要求到2030年至少30%的陆地和内陆水域得到有效保护和管理（Shen等人，2023年）。这些相互竞争的需求加剧了对有限土地资源的压力，增加了需要同时支持粮食生产和生态保护的土地利用策略的需求（Mehrabi等人，2018年；Vijay和Armsworth，2021年；Henry等人，2022年；Zheng等人，2026年）。

在中国，庞大的人口和有限的土地资源使得在加强生态保护的同时保障粮食安全变得特别困难（Li等人，2025年；Dai等人，2026年）。随着包括永久基本农田保护和生态保护红线在内的空间控制的加强，将耕地或生态用地扩展到新区域的机会变得越来越有限（Deng等人，2024a；Yue等人，2024年；Sheng和Song，2026年）。因此，土地治理越来越倾向于优化现有的土地利用模式（Hu等人，2024年）。在这种背景下，耕地和林地之间的空间不匹配仍然是一个主要问题（Kong等人，2023年；Xie等人，2024年）。这些不匹配体现在耕地占用-补偿实践中以及由此产生的空间位移上。补偿性耕地往往位于海拔较高、坡度较陡、更偏远的地区以及更破碎的景观中（Wang等人，2025年）。结果，通过占用-补偿实践，平坦地形上的高质量耕地可能会被坡度较高、质量较低的耕地取代，从而可能降低整体耕地质量和生产能力（Hua等人，2025年；Wang等人，2025年）。同时，坡地上耕作和耕地扩张可能会侵占林地边缘，增加栖息地的破碎化并削弱生态功能（Li等人，2021年；Ma等人，2024年）。这些模式共同表明需要整体优化耕地和林地，而不是分别优化。在区域面积平衡的约束下，这种方法可能有助于在中国协调粮食安全和生态保护。

通过土地节约和土地共享的概念，已经广泛研究了农业生产与生态保护之间的协调（Green等人，2005年）。土地节约旨在通过农业集约化提高有限面积农田的产量，从而为自然栖息地保护留下更多土地（Li等人，2025年）。相比之下，土地共享强调低强度农业和将生物多样性保护整合到农业景观中（Chen等人，2024年）。尽管这些概念明确了生产和保护之间的权衡，但在复杂的治理背景下将其转化为具体的空间土地利用规划仍然具有挑战性，这促使人们转向多目标空间优化（Wang等人，2026年）。

在耕地空间优化中，现有研究通常使用农业适宜性和生产潜力来优化作物分配和耕地分布，并确定耕地扩张、耕地补充以及废弃耕地再开垦的优先区域，以提高粮食生产能力（Folberth等人，2020年；Zheng等人，2023年；Liang等人，2026年）。然而，以生产为导向的优化可能会增加水资源消耗，导致碳排放、生物多样性下降和生态系统服务退化。为了解决这些问题，一些研究将耕地分配的生态后果纳入优化过程，以在保持粮食生产的同时降低生态成本（Williams等人，2021年；Beyer等人，2022年；Zhao等人，2025年；Zheng等人，2026年）。也越来越重视实施的可行性。决策过程中考虑了地块破碎化、市场可达性、景观连通性、耕地补充成本和政策约束等因素，以提高优化计划的实际可行性（Deng等人，2024b；Song等人，2025年；Zhao等人，2026年）。

在生态用地的空间优化中，现有研究主要集中在保护区的配置和生态保护与恢复的优先区域识别上。多目标优化和空间优先排序被用来平衡保护效益、空间连通性和实施成本（Grantham等人，2020年；Strassburg等人，2020年；Jung等人，2021年；Neugarten等人，2024年）。系统化的保护规划为这些方法提供了重要的方法论基础。在明确的保护目标和资源约束下，它通过考虑代表性、互补性、连通性和成本，确定可以共同实现保护目标的一组区域（Baker等人，2025年）。最近，这一框架已经从保护区网络的设计扩展到保护、恢复和其他管理措施的联合优先排序。它还越来越多地纳入生态系统服务、未来气候变化和利益相关者的偏好，以提高空间计划的整体效益和实际可行性（Williams等人，2024年；Giakoumi等人，2025年）。

除了分别研究耕地和生态用地的研究外，一些研究开始探讨农业生产与其他土地使用功能之间的空间竞争。例如，气候变化导致的作物适宜性变化可能会将新的农业边界推入现有的木材生产区域，从而加剧粮食生产和木材供应之间的土地竞争（Bousfield等人，2024年）。更广泛地说，其他研究将农业发展、生物多样性保护和可再生能源的土地需求纳入统一的多目标分配框架中，以识别各部门之间的权衡和潜在冲突（Brock等人，2026年）。尽管取得了这些进展，仍存在两个差距。首先，耕地和生态用地仍然经常分别进行优化，对耕地和林地之间相互作用的关注有限。其次，现有方法主要以扩张为导向，较少关注通过现有土地的内部重构来改善生产和生态功能。随着空间控制和土地面积约束的加强，如何通过双向重构协调耕地和林地，同时保持区域面积平衡，目前还不够清楚。

为了克服这些差距，本研究从分别优化耕地和林地以及以扩张为导向的调整转向在区域面积平衡约束下它们的联合优化。以中国成都作为研究区域，本研究开发了一个综合框架，结合了可行的区域划定、情景设计、重构潜力识别、效益评估和分区管理。在粮食安全、生态保护和协调保护情景下评估了耕地和林地的重构潜力和空间模式。然后评估了每种情景下粮食生产潜力和生态系统服务的变化。基于协调保护情景的结果，开发了一个两级分区系统以支持差异化管理。本研究的主要贡献在于将耕地和林地整合到一个统一的优化框架中，引入区域面积平衡作为内部重构的约束，并将空间优化与后续管理和实施联系起来。

研究区域
成都（东经102°54′–104°53′，北纬30°05′–31°26′）位于四川省，是中国西南部的一个主要城市，被选为研究区域（图1）。它位于四川盆地西部，面积约为14,300平方公里。其行政区域包括12个区、5个县级市和3个县。地形总体上从西北向东南倾斜，海拔变化较大。平原、丘陵和山地各占大约三分之一。

2024年，成都有9104.91平方公里的耕地和3393.31平方公里的林地（图3a）。为了划定耕地重构的可行区域，从现有耕地中排除了4175.67平方公里的永久基本农田或高标准农田以及预计到2035年城市扩张范围内的324.07平方公里的耕地。剩余的可行区域面积为4605.17平方公里，占现有耕地的50.58%。对于林地，排除了...

CPS协调效益的机制
与两个单一目标情景相比，CPS在粮食生产潜力和生态系统服务方面实现了协调改进。FSS和EPS分别作为优先考虑粮食生产潜力和生态效益的参考情景。每个情景都在牺牲另一个目标的情况下改善了其目标功能，表明单一目标的重构只是将压力从一个功能转移到另一个功能，而不是解决根本问题。

结论
本研究探讨了耕地和林地的空间重构是否可以在保持两种土地利用类型之间的区域面积平衡的同时，协调粮食安全和生态保护。研究结果表明，空间重构可以纠正现有土地利用与主导土地功能之间的不匹配。这为在竞争性的生产和生态功能之间更好地分配有限的土地资源提供了实践基础。