趙華甫 高 鵬 范樹印

(1.中國地質大學(北京)土地科學技術學院， 北京 100083； 2.國土資源部土地整治重點實驗室， 北京 100035； 3.國土資源部土地整治中心， 北京 100035)

0 引言

耕作層是耕地的精華，耕作層土壤是農業(yè)生產發(fā)展的前提條件，是糧食生產的根本保障[1]。每形成1cm耕作層土壤大約需要100～400 a的時間，在一些地域條件差的地區(qū)可能需要的時間更長，是在短期內不可再生的農業(yè)生產要素和寶貴資源[2]。建設占用耕地耕作層土壤剝離利用是保護土壤資源與土壤基因庫的有效手段，能夠延續(xù)耕地耕作層的土壤肥力，快速提升改良耕地質量，對有效促進耕地質量、數(shù)量、生態(tài)建設具有重大意義。

耕作層土壤剝離再利用不是一次簡單的土方轉運，而是耕作層土壤資源在空間上的重新配置?？茖W的空間配置對優(yōu)化土壤供需、節(jié)約工程成本至關重要，可以有效提高效益或降低成本，實現(xiàn)綜合效益最大化。然而，當前多數(shù)學者對耕作層剝離利用的關注點集中在政策措施[3-5]、工程技術[6-8]、模式研究[9-11]、成本效益[12-14]等方面，對耕作層土壤空間配置相關研究[15-17]尚處于起步階段，存在精度不高、實用性差等局限性，研究落后于社會實踐。相關學者研究表明，在耕作層剝離利用工程中，運輸費用的支出約占工程總成本的60%～70%[3,18-21]，其效益與建設占用耕地耕作層土壤回覆利用類型密切相關[14,21-22]?；诖?，本文提出基于線性規(guī)劃的耕作層土壤剝離利用空間配置方法，旨在改進根據耕地耕作層土壤剝離量、回覆區(qū)土壤需求量人為平衡的主觀性，促進耕作層土壤剝離后的回覆利用方案更加經濟、布局更為優(yōu)化，也為科學、合理地指導耕作層剝離利用工作提供方法借鑒。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據處理

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據來源

賓陽縣位于廣西壯族自治區(qū)中部偏南，東經108°32′～109°15′，北緯22°54′～23°37′，地勢南高北低，土地總面積為230 831 hm2。其中農用地99 320 hm2，耕地質量等別6～11等，糧食作物播種面積6.8×104hm2。賓陽縣東北部主要為平原地區(qū)，地勢平坦，是主要的建設和農業(yè)集中區(qū)，而西南部則主要為山區(qū)，以林地為主。

本研究所采用數(shù)據主要來源于賓陽縣土地利用現(xiàn)狀(2015年)、2006—2020年土地利用總體規(guī)劃(2015年調整)、土地整治規(guī)劃(2016—2020年)等圖件數(shù)據以及文本數(shù)據。

1.2 土壤供需的空間分析

1.2.1剝離供給土壤空間分析

本文將賓陽縣土地利用現(xiàn)狀圖與土地利用總體規(guī)劃中有條件建設區(qū)相疊加，提取規(guī)劃期擬建設占用的耕地，確定剝離土壤的空間地理位置。由于廣西耕地資源稀缺，為了保護珍貴耕作層土壤資源，堅持應剝盡剝、經濟及技術可行性的耕作層剝離原則，對規(guī)劃內建設占用的適宜耕種的耕作層土壤在符合經濟及技術可行的原則下予以全部剝離。參考相關學者研究成果[5-8，11，23-29]，結合廣西已實施剝離項目實踐及賓陽縣實際，耕地耕作層土壤剝離區(qū)應滿足的條件涉及面積、坡度、交通便利情況等。本文將單個地塊面積大于667 m2、離公路或機耕道距離小于2 000 m以及坡度小于25°界定為剝離區(qū)，剝離厚度根據耕地類型不同而不同，其中水田剝離厚度為30 cm、旱地剝離厚度為20 cm。從空間分布來看(圖1和表1)，受土地類型結構、地形條件及經濟發(fā)展等綜合影響，賓陽縣土壤剝離區(qū)域主要分布在縣域的中部和東部，如中部的賓州鎮(zhèn)、大橋鎮(zhèn)、古辣鎮(zhèn)和東部的黎塘鎮(zhèn)、王靈鎮(zhèn)、和吉鎮(zhèn)。南部的露圩鎮(zhèn)與甘棠鎮(zhèn)剝離區(qū)域的面積相對較小且分布較為零散；只有零星剝離區(qū)域分布在縣域西南部的陳平鄉(xiāng)和思隴鎮(zhèn)。

圖1 賓陽縣剝離耕地類型及空間分布Fig.1 Stripped cultivated land type and spatial distribution of Binyang County

1.2.2土壤回覆需求空間分析

覆土區(qū)選擇是以土地整治規(guī)劃(2016—2020年)為底圖，在整治規(guī)劃圖中剔除與土地利用總體規(guī)劃、重點工程建設規(guī)劃、城市建設規(guī)劃等相沖突的部分。參考相關學者研究成果[11，14-17，20，30]，結合廣西已實施剝離利用項目實踐及賓陽縣實際情況，篩選并刪除不滿足以下條件的區(qū)域：單塊地塊面積過小且零散分布、離公路或機耕道距離小于2 000 m以及坡度大于25°。根據土地整治類型將回覆區(qū)劃分為城鄉(xiāng)建設用地增減掛鉤區(qū)、土地開發(fā)復墾區(qū)、旱改水項目區(qū)以及高標準基本農田建設區(qū)。根據分區(qū)不同，確定不同覆土厚度標準。其中城鄉(xiāng)建設用地增減掛鉤區(qū)與土地開發(fā)復墾項目區(qū)回覆厚度為20 cm、旱改水和高標準基本農田建設項目區(qū)回覆厚度為8 cm。由圖2和表1可知，賓陽縣覆土需求主要分布在縣域的中部和東部地區(qū)，集中在黎塘鎮(zhèn)、洋橋鎮(zhèn)、和吉鎮(zhèn)、王靈鎮(zhèn)、大橋鎮(zhèn)、中華鎮(zhèn)以及賓州鎮(zhèn)；南部的露圩鎮(zhèn)、甘棠鎮(zhèn)次之；只有少量回覆區(qū)需求分布在縣域西部的新橋鎮(zhèn)、陳平鄉(xiāng)和思隴鎮(zhèn)。這與剝離區(qū)的分布有一定的相似，主要原因是縣域東北部地勢平坦，土壤質量較好，土地整治規(guī)劃集中在東北部，對非農用地進行土地開發(fā)復墾，高標準基本農田建設，可以提高農地等別和農田連片度，有利于建成集中連片的高標準基本農田[31]，方便進行大田生產以及機械化作業(yè)，進一步增加作物產量、提升農民收入水平；而西南部為賓陽縣的森林保護區(qū)，以林地為主，農田分布零散，地塊小、坡度大、道路通達度低，此時應優(yōu)先考慮森林的生態(tài)價值，不宜開展大范圍整治工作。

表1 賓陽縣土壤剝離供給-回覆需求數(shù)量分布Tab.1 Soil stripping supply-demand quantity distribution of Binyang County m3

圖2 賓陽縣回覆類型及空間分布Fig.2 Reply type and spatial distribution of Binyang County

1.2.3行政村間土壤供需平衡分析

圖3 村土壤供需平衡分析Fig.3 Soil supply-demand balance by village

耕作層剝離區(qū)和回覆區(qū)雖然在空間上具有一定的耦合性，但多數(shù)地區(qū)的土壤供需在數(shù)量上并不平衡。本文以村為單位，統(tǒng)計了村莊耕作層土壤剝離供給與回覆利用需求的情況。從空間分布上來看(圖3)，土方量供給大于需求的村莊均出現(xiàn)在賓州鎮(zhèn)等10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的周邊，賓州鎮(zhèn)尤為突出，而其他村莊土方量供給小于需求，土方量供需在空間上錯位問題突出。這是由于隨著經濟的發(fā)展，鄉(xiāng)鎮(zhèn)及附近大量的耕地需轉化為建設用地[32]，而鄉(xiāng)鎮(zhèn)原非農建設用地多、耕地少，導致土壤數(shù)量剝離供給大于回覆需求，剝離土壤自身難以消化；隨著村莊與鄉(xiāng)鎮(zhèn)間距離的增加，存量和規(guī)劃的建設用地逐漸減少，且未來發(fā)展會加劇這一情況，耕地為主要的土地利用類型，根據賓陽縣整治規(guī)劃，需要進行開發(fā)和整治的耕地數(shù)量大、潛力高，需要回覆大量的耕作層土壤以提升質量，從而使有關區(qū)域耕作層土壤數(shù)量供不應求。

2 研究思路與方法

2.1 耕作層剝離利用模型的構建

2.1.1回覆利用優(yōu)先級的確定

根據土地整治類型將回覆區(qū)劃分為城鄉(xiāng)建設用地增減掛鉤區(qū)、土地開發(fā)復墾區(qū)、旱改水項目區(qū)以及高標準基本農田建設區(qū)4類。其中，城鄉(xiāng)建設用地增減掛鉤項目雖然單個地塊面積較小，分布比較零星，但是立地條件差，開墾耕地質量要求高，且與建設用地指標相掛鉤，土地開墾后效益明顯，是回覆利用的首選區(qū)域；土地開發(fā)復墾區(qū)立地條件差，回覆耕地等級提升效果顯著，且經過篩選后地塊面積較大、連片度較高，所需土方量大，優(yōu)先級別高；旱地立地條件較好、地塊空間連片度較高，所需土方量較大，便于施工和運輸，結合旱改水工程，回覆后耕地等別提升較為明顯，耕地生產能力提高較為顯著，優(yōu)先級別較高；高標準基本農田建設區(qū)雖然田塊連片分布、面積大、道路通達度高，但是整體土壤肥力高、土層厚，土方需求量較小且與建設占用的耕地土壤肥力差異不大，回覆后提升效果不明顯，優(yōu)先級最低，只有當土方量充足時才用于高標準基本農田建設。綜上，覆土區(qū)回覆優(yōu)先級別從高到低依次為城鄉(xiāng)建設用地增減掛鉤、土地開發(fā)復墾、旱改水項目、高標準基本農田建設。

2.1.2供需圈模型的確定

根據剝離回覆區(qū)的空間位置和可接受成本內的運輸距離，大致劃分運輸車輛作業(yè)的區(qū)域，構建供需圈。其模型設定具體如下：假設存在n個土壤剝離村莊，剝離土方量分別為A1,A2,…,An；m個回覆區(qū)，回覆需要土方量分別為B1,B2,…,Bm。從Ai到Bj的運輸距離為Pij。以剝離點為圓心，以一定距離(小于最大運輸距離)為半徑構建供需圈，當兩個以上的供需圈有公共部分時，合并為一個供需圈，共劃分為q個供需圈。當供需圈內出現(xiàn)大量供需距離過大(大于最大運輸距離)的情況時，可根據初步供需圈劃定情況進行次級劃分。每個供需圈都有一定的土壤剝離供給區(qū)和回覆需求區(qū)，要求某個剝離區(qū)土方只向本供需圈的回覆區(qū)供應剝離土壤，某回覆區(qū)也只接受本供需圈剝離區(qū)的土壤。同時結合回覆優(yōu)先級別，對級別最高(城鄉(xiāng)建設用地增減掛鉤)優(yōu)先進行線性規(guī)劃，當剝離土壤剩余時，對下一級(土地開發(fā)復墾)進行線性規(guī)劃，以此類推。當一個供需圈剝離供給土壤大于需求土壤時，可適當擴大供需圈范圍以將附近需求點劃定到供需圈范圍或者調運至其他附近供需圈，直到供大于需或配置結果的平均運距超過最大運距為止。

2.1.3線性規(guī)劃模型的確定

線性規(guī)劃法是一種定量分析的方法，在滿足一定約束條件下，可以實現(xiàn)最佳分配、達到最優(yōu)目標，是合理利用、調配有限資源的有效手段，大量運用在運輸與土地利用結構調整方面[33-35]。本文中線性模型設定如下:

運輸模型

(1)

或

(2)

目標函數(shù)

(3)

平均運輸距離

(4)

式中z——總運輸距離

n——單位供需圈內剝離點個數(shù)

m——單位供需圈內需求點個數(shù)

Pij——剝離點i到需求點j的距離

Xij——剝離點i向需求點j運送的土方量

Ai——剝離點i的剝離土方量

Bj——需求點j的需求土方量

2.2 基于線性規(guī)劃的土壤空間配置

2.2.1耕作層剝離供需圈劃定

以村為研究單元，將土壤剝離供給與回覆需求村莊的村委會所在地視為供給需求點，供給與需求村莊村委會之間的距離視為運距。參照文獻[8，15-16，20-21，30，36]，結合專家意見、廣西項目及賓陽縣經濟條件，擬定平均合理運輸距離應小于5 km，不得超過10 km。依據剝離回覆村莊之間的數(shù)量與空間關系以及平均運距，確定構建供需圈的合理半徑。利用模型將賓陽縣劃為8個供需圈(圖4)，其中1～8號供需圈分別有9、1、18、18、13、6、4、1個耕作層剝離土壤供給村莊；16、6、13、25、19、4、11、0個剝離耕作層土壤需求村莊。由于8號供需圈內及附近沒有土方需求，且剝離區(qū)位于賓陽縣西南部，運輸距離遠，土壤質量差，剝離面積小，回覆到其他利用點費用高且效果不明顯，建設占用耕地可以不予剝離。

圖4 供需圈劃定Fig.4 Supply-demand circle delimitation

表2統(tǒng)計了每個供需圈耕作層土壤剝離供給與回覆需求的土方量。其中，僅2號供需圈城鄉(xiāng)建設用地增減掛鉤所需的土方量大于剝離量；5、6、7號3個供需圈內規(guī)劃期間沒有城鄉(xiāng)建設用地增減掛鉤用

地，剝離土壤全部用于土地開發(fā)復墾；1號供需圈可將剝離土壤回覆利用到城鄉(xiāng)建設用地增減掛鉤、土地開發(fā)復墾和旱改水工程等方面；4號供需圈還可用于高標準基本農田建設。需要注意的是，3號供需圈的剝離土方量大于總需求量，需擴大3號供需圈的范圍將附近需求點納入到供需圈內，或運送到附近有土方需求的供需圈。根據賓陽縣村莊空間分布及供需情況，將六明村、展志村等附近6個村莊納入到3號供需圈，此時回覆利用時以距離優(yōu)先。

2.2.2空間配置方案研究——以6號供需圈為例

6號供需圈涉及6個耕作層剝離供給村莊和4個回覆需求村莊，需要配置土壤38 389 m3。由于供需圈內沒有城鄉(xiāng)建設用地增減掛鉤項目，且土地開發(fā)復墾所需土方量已大于全部剝離量，因此將所有剝離土壤用于土地開發(fā)復墾。利用ArcGIS軟件計算供給點與需求點之間的距離，將剝離再利用信息依據模型轉換成Lingo語言進行計算。圖5為Lingo軟件運行結果，其中VOLUME(WH1,V2)表示第1個供給點向第2個需求點運送的土方量，即柳洞村向馬嶺村運送土方量9 017 m3，以此類推，可得出土方分配方案。最優(yōu)結果為總運距8.74×107m，每立方米平均運距為2 276 m，具體調配方案如圖6和表3所示。

表2 供需圈土方供需情況Tab.2 Supply-demand situation of different soil supply-demand circles m3

圖5 Lingo運行結果Fig.5 Lingo program running results

圖6 6號供需圈土方調配圖Fig.6 Soil allocate of the sixth supply-demand circle

3 空間配置結果及分析

通過分析土壤供需土方量空間分布及利用優(yōu)先級的基礎上，以村莊為單位劃定供需圈，將村委會之間的距離設為運距，借助Lingo軟件進行線性規(guī)劃，優(yōu)化土壤剝離和回覆利用的空間配置方案。

本文設計剝離耕作層土壤共2.874 531×106m3，剝離面積1.091×107m2(水田7.05×106m2，旱地3.86×106m2)，耕作層土壤剝離利用共涉及村莊158個。其中僅涉及剝離的村莊64個，僅涉及利用的村莊89個，既涉及剝離又有利用的村莊5個。構建7個耕作層剝離利用供需圈進行回覆利用，除3號供需圈土方量供給大于需求外，其余供需圈剝離土壤均能實現(xiàn)內部利用?；诰€性規(guī)劃的耕作層土壤剝離利用空間配置結果見表4。其中，城鄉(xiāng)建設用地增減掛鉤項目利用5.235 2×104m3，占需求量的94.13%；土地開發(fā)復墾利用1.446 637×106m3，占需求量的53.40%；旱改水利用3.327 38×105m3，占需求量的51.21%；高標準基本農田建設利用1.042 804×106m3，占需求量的5.53%。在運輸距離方面，7號供需圈平均運距最小為769 m，主要是因為剝離量較少，且大部分土壤用于本村土地整治項目，只有少量土壤需要運輸至其他村莊利用；3號供需圈運距最大為6 388 m，是由于需剝離耕地集中分布在賓陽縣城附近，剝離規(guī)模大，而周邊土地整治項目少，在合理區(qū)域內供給超出需求，造成剝離土壤利用時運距過大。按土方量加權平均計算，平均運距5 369 m，經濟成本可接受。

表3 6號供需圈調配土方量及運距Tab.3 Earthwork deployment and transport distance of the sixth supply-demand circle

表4 供需圈土壤配置結果Tab.4 Soil configuration results of supply-demand circles

4 討論

通過建立線性規(guī)劃模型，借助相關軟件支持，進行快捷方便編制運輸方案，具有較強的科學性和可操作性，減少了主觀上的隨意性與盲目性，消除了傳統(tǒng)的依靠人員編制剝離土壤利用方案時所需的大量計算工作。同時，通過引入線性規(guī)劃進行科學合理的指導，在保證回覆效益的同時，縮短工期，達到降低運輸成本，節(jié)省人力資源，優(yōu)化配置方案的目的?？梢詮浹a現(xiàn)有方法存在的局限性，為國家全面推進建設占用耕地耕作層剝離利用政策提供了耕作層土壤剝離利用空間配置方法借鑒。

然而，受制于當前數(shù)據精度和剝離土壤數(shù)量偏少的限制，本研究中仍存在不足：①本研究未考慮剝離區(qū)與回覆利用區(qū)土壤類型、土壤肥力狀況與土壤表層質地的空間匹配性。②受建設項目用地規(guī)模小，剝離耕地耕作層土壤厚度僅20～30 cm,單位項目的耕作層土壤總剝離量少的限制，在線性規(guī)劃模型建模中難以規(guī)劃出運輸方案。③本文所提出的土壤剝離和回覆利用區(qū)以賓陽縣相關土地利用總體規(guī)劃和土地整治規(guī)劃為基礎界定，偏重于理論層面進行剝離利用空間優(yōu)化配置方法研究，需要結合更多項目實踐，對有關剝離厚度、回覆厚度、合理運距等進行厘定，并對方案進行優(yōu)化。④耕作層土壤剝離利用空間配置未考慮城市建設中園林綠化等城市利用土壤類型，造成個別供需圈運距過長，如3號供需圈。以上，仍然需要結合實踐加以深化研究，為耕作層剝離再利用方案編制和項目實踐提供更扎實的科學支撐。

5 結論

(1)賓陽縣耕作層土壤剝離量總體上小于回覆利用需求量，并且在空間上分布不均衡。賓陽縣理論耕作層土壤剝離量為2.40×106m3，而回覆利用需求量為1.85×107m3，土壤剝離供給量僅為回覆利用需求量的15.89%，且剝離利用涉及的158個村莊均出現(xiàn)不同程度的供需失衡。

(2)通過案例分析，模型應用結果良好。利用供需圈及線性配置模型的土壤空間配置結果如下：城鄉(xiāng)建設用地增減掛鉤利用5.235 2×104m3，占需求量的94.13%；土地開發(fā)復墾利用1.446 637×106m3，占需求量的53.40%；旱改水利用3.327 38×105m3，占需求量的51.21%；高標準基本農田建設利用1.042 804×106m3，占需求量的5.53%。剝離耕作層土壤能夠優(yōu)先用于回覆效益高的整治區(qū)域，有效發(fā)揮其作用、體現(xiàn)其價值。

(3)制定的土壤供需配置方案綜合效益較高。本研究將賓陽縣劃分為7個供需圈，除3號平衡圈外，其他剝離圈剝離土壤均能按回覆優(yōu)先級從高到低逐步在本供需圈內消化，回覆效益良好；最大運距為6 388 m，最小運距僅為769 m，根據專家經驗，剝離土壤在運距5 km左右的回覆利用是經濟成本可接受的。

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