基于合理膳食结构的人均食物需求量估算
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本文的研究思路是：以满足营养膳食基础上的最小 粮食当量为目标，以人均所需各种食物量为变量，以各 种营养元素都必须达到或超过国家推荐标准的最小值为 限制条件，求得人均所需膳食结构，通过调查计算确定 本地食物所占的比例，并结合饲料结构以及饲料与肉、 蛋、奶的转化比，换算出人均所需的粮食和饲料的数量。 方法和步骤如图 1 所示。
274
农业工程学报
2012 年
业生产结构调整提供决策支持。
如图 2 所示。
1 研究方法
1.1 研究区概况 京津冀地区地处 N36°05′-42°37′和 E113°11′- 119°45′
之间，位于华北平原和燕山、太行山山地和内蒙古高原 东南侧。行政区域包括北京、天津 2 个直辖市和河北省 共 3 个地区。该地区主要作物有小麦、玉米、大豆、水 稻、谷子、马铃薯，以及饲草作物和各类蔬菜、水果等， 其中以玉米和小麦的播种面积最大，分别占总播种面积 的 32.6%和 27.7%。 1.2 研究方法
主食类型
占主食比例/%
肉类类型
占肉类比例/%
稻米
5～10
猪肉
20～80
小麦
40～70
鸡肉
35～50
玉米
20～35
牛肉
5～20
谷子
5～10
羊肉
5～10
马铃薯
5～10
居民每天用于购买食物的资金应当大于等于所有食 物数量与它们单位价格的乘积。通过京津冀地区的统计 年鉴，可以得到本地区（城市、农村）的居民消费水平， 结合恩格尔系数得到居民用于购买食物的资金。研究区
养质量，同时也要避免出现西欧、北美等发达国家因过
多食用动物性食物而导致的营养问题以及由此给中国农
业带来的超负荷危机[16]。
根据以上中国膳食结构调整的思想，按照中国营养 学会推荐营养元素的供给标准，结合京津冀地区居民目
前的营养水平和当地农业、经济、畜牧产品的特征，本
研究采用线性规划方法对该地区 2009 年的食物结构进行 优化。数学模型为：
每个地区都有其独特的饮食习惯，本研究 2009 年对 京津冀地区进行食物结构调查时发现，京津冀地区居民 的用餐中，其中主食、肉类比例各有不同，经统计汇总 后，约为如下比例（表 1）。
表 1 主食、肉类中各种食物类型的比例
Table 1 Percentage of each staple food and meat in the diet
2 作物需求量的确定
2.1 食物类型设定 根据京津冀地区目前的农业土地利用活动，本研究
主要选择了粮食种植、蔬菜种植、水果种植、草畜业等 四类农业土地利用方式。粮食种植业是京津冀地区最主 要的农业土地利用活动，其次是畜牧养殖业，研究区内 饲养的主要禽畜有猪、牛和鸡，相应的肉蛋奶类食品包 括猪肉、鸡肉、牛肉、牛奶和鸡蛋。结合相关参考文献[10-13] 与实地考察，本研究假设供给猪和鸡的饲料为谷物（水 稻除外），供给肉牛、奶牛和羊的饲料为谷物（水稻除 外）、青玉米和牧草。基于以上假设，本文建立了 农用 地类型与作物类型，作物类型与肉蛋奶饲料的相互联系
例，结合饲料结构以及料肉（蛋、奶）比，计算了区域主要粮食类型（含饲草和饲料用粮）和蔬菜、水果的 年人均需求
量，即水稻 4 kg，小麦 103 kg，玉米 180 kg，大豆 27 kg，谷子 21 kg，马铃薯 27 kg，牧草 12 kg，青玉米 28 kg，蔬菜
48 kg，水果 16 kg，该优化的食物结构模式可为研究区作物种植结构的调整提供参考。
摘 要：合理的食物结构除要满足基本的营养需求外，还应考虑当地的膳食习惯、农业生产结构和布局。为此，该文以
各营养要素需求为指标，采用 EXCEL 2007 的 SOLVER 软件，构建了计算人均食物需求量的优化模型，并根据社会调查
和统计资料，考虑当地的膳食习惯，对京津冀地区的食物需求和膳食结构进行了优化，确定了京津冀地区食物所占的比
收稿日期：2011-02-21 修订日期：2011-10-22 基金项目：国家自然科学基金（41071063） 作者简介：王涛（1981－），男，山东胶州人，博士，主要从事土地变化与 食物安全研究。Email：wangt.07b@igsnrr.ac.cn ※通信作者：吕昌河（1962－），男，研究员。主要从事土地利用和作物生 产潜力等方面的研究。Email：luch@igsnrr.ac.cn
第5期
王 涛等：基于合理膳食结构的人均食物需求量估算
275
食转化系数参照欧盟标准[17]； Xj 为膳食结构中第 j 种食物的用量，g； n 为膳食结构中所用食物的种数； Si1 和 Si2 为要求膳食结构应达到的供给标准； i=1 代表植物性食物所提供的能量，kJ； i=2 代表动物性食物所提供的能量，kJ； i=3 代表植物性蛋白，g； i=4 代表动物性蛋白，g； i=5 代表脂肪，g； i=6 代表碳水化合物，g； i=7 代表膳食纤维，g； i=8 代表钙含量，mg； i=9 代表铁含量，mg； i=10 代表锌含量，mg； i=11 代表硒含量，µg； i=12 代表碘含量，µg； i=13 代表钾含量，mg； i=14 代表维生素 A 含量，µg； i=15 代表维生素 D 含量，µg； i=16 代表维生素 E 含量，mg； Yij 为膳食结构中单位数量的第 j 种食物中第 i 种营养
成分的含量； dj1 和 dj2 为第 j 种食物数量的上下限，g； Pj 为第 j 种食物的价格，元/g； Cap 为平均每人每天用于购买食物的资金上限，元。 在营养物质约束条件中，为了保障合理的营养素摄
入量，人均每日摄入能量约为 9 000～10 000 kJ 之间，其 中 80%来自植物性食物，20%来自动物性食物。蛋白质不 少于 85 g，其中 30%来自动物性食物。脂肪不少于 70 g， 提供的能量占总能量的 25%。膳食纤维需求量不少于 30 g。钙 800 mg，钾 3000 mg，铁 12 mg，锌 15 mg，硒 50 µg， 碘 150 µg，脂溶性维生素中，维生素 A775 µg，维生素 D5 µg，维生素 E10 mg[18-20]。各种食物所能提供的各种营 养参照相关标准给出[21]。
安全”[2]。伴随粮食安全问题的“粮缺型－钱缺型－营养 型”变化，粮食安全的内涵亦经历了“总量－购买－营 养”的转变[3]。
农业生产能否持续地提供充足的农产品以满足人们 日益增长的物质和文化生活需要，已成为社会各界普遍 关注的问题。为了查清农产品能否提供充足膳食营养， 中国共进行过 3 次全国性的调查工作。第 1 次是在 1959 年，由于当时情况异常，调查结果未能发表[4]。第 2 次全 国营养调查于 1982 年实施，结果以调查总结和资料汇编 的形式公布[5]。1992 年开展了中国第 3 次全国营养调查 获得了约 10 万居民的个体膳食等多方面的材料，探讨全 国人群膳食结构变化趋势和存在的问题[6]。此后随着人们 生活水平的日益提高，膳食结构越来越受到重视。合理的 膳食结构既有利于健康，又避免了资源浪费，学者们分别 从食物安全[7]、食物结构转变特征[8]、食物营养成分[9]等角 度讨论了膳食的合理性。本文旨在通过结构优化得到合 理膳食结构，并进一步转化成研究区所需的作物结构， 为农业结构区划提供依据。食物的充足性、安全性和营 养性是层层递进的关系，要保证获取食物的营养性，必 须保证其符合人体所需的各种食物的合理比例。人体所 需的各种食物，包括各种肉、蛋、奶类，都是由粮食作 物（包括饲料作物）转化而来的。因此作物的分布合理 与否，对本区域的食物供给影响明显。进行作物资源优 化的研究是在现存资源制约、供给偏紧、粮食需求刚性 增长情况下确保粮食综合生产能力提高的关键，对粮食 生产结构的战略性调整具有现实意义。本研究把作物布 局与食物需求结构相结合，从满足食物需求的角度，对 粮食作物生产布局进行优化研究，其结果可以为引导农
第 28 卷 第 5 期 2012 年 3 月
农业工程学报 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
Vol.28 No.5 Mar. 2012 273
基于合理膳食结构的人均食物需求量估算
王 涛，吕昌河※
（中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101）
图 2 农用地类型与作物类型、作物类型与肉蛋奶饲料相互联系 Fig.2 Relationships of agricultural land types with crops, and crops with feeds for producing meat, eggs and milk
图 1 方法和步骤 Fig.1 Schematic presentation of research procedure
目标函数
约束条件
n
∑ min Z = C j X j j =1
n
∑ 1）营养物质约束条件： Si1 ≥ Yij × X j ≥ Si2 j =1
2）食物结构约束条件： d j1 ≤ X j ≤ d j2
n
∑ 3）收入水平与食物购买能力约束条件： XjPj ≤ Cap j=1
4）非负约束条件： X j ≥ 0 式中，Z 为在满足所需的营养水平条件下每人每天消 耗的粮食总量（最小优化目标），g； Cj 为第 j 种食物转化为标准粮食的转化系数，本研究 以欧盟各类农产品单位转化系数作为标准，其中标准粮
Wang Tao, Lü Changhe. Estimation of food grain demand per capita based on rational dietary pattern[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(5): 273 － 277. (in Chinese with English abstract)
关键词：优化，模型，食物，膳食结构，京津冀地区
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.05.045
中图分类号：S3
文献标志码：A
文章编号：1002-6819(2012)-05-0273-05
王 涛，吕昌河. 基于合理膳食结构的人均食物需求量估算[J]. 农业工程学报，2012，28(5)：273－277.
0引言
随着社会经济的发展和人口规模的增加，消耗的粮 食越来越多，而粮食生产所依赖的耕地资源逐年减少， 食物安全问题成为人们关注和研究的焦点。尤其在京津 冀地区，伴随着区域城市化的不断推进，非农建设占用 农业耕地现象突出。在粮食安全任务紧迫、现有耕地资 源逐年减少及后备耕地资源有限的情况下，进行科学的 作物布局，明确区域粮食生产的发展取向是缓解土地压 力的关键。而合理的粮食生产布局除要考虑资源的特征 外，还应考虑区域的食物需求结构。食物生产结构合理 目标总是与一定的经济发展阶段相对应。经济发展的初 期，食物生产一般以增加食物总量为重点，随着经济的 进一步发展，食物结构合理性和营养健康需求变得更为 迫 切 。 1983 年 ， 联 合 国 粮 食 及 农 业 组 织 （ food and agriculture organization，FAO）指出粮食安全的目标为“确 保所有人在任何时候既能买得到又能买得起所需 的基本 食品”[1]。随着人们生活水平的提高，粮食总量的需求渐 渐被健康的营养需求所取代，1996 年《世界食物安全罗 马宣言》和《世界粮食首脑会议行动计划》中重新论述 了粮食安全的内涵，即“只有当所有人在任何时候都能 够在物质和经济上获得足够、安全和营养的食物来满足 其积极和健康生活的膳食需要及喜好时，才实现了粮食
2.2 膳食结构的计算
对于中国未来人均食物需求与食物结构，学者们给
出了众多方案[14-16]。多数学者认为，根据居民的饮食习惯、
来自百度文库
国情状况和食物结构特点，其膳食结构仍应保持以植物
性食物为主、动物性食物为辅的基本特征，并且在保证
膳食能量大半来自谷类食物的同时，逐步提高动物与大
豆蛋白质在膳食成分中的比例，以改进膳食蛋白质的营
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农业工程学报
2012 年
业生产结构调整提供决策支持。
如图 2 所示。
1 研究方法
1.1 研究区概况 京津冀地区地处 N36°05′-42°37′和 E113°11′- 119°45′
之间，位于华北平原和燕山、太行山山地和内蒙古高原 东南侧。行政区域包括北京、天津 2 个直辖市和河北省 共 3 个地区。该地区主要作物有小麦、玉米、大豆、水 稻、谷子、马铃薯，以及饲草作物和各类蔬菜、水果等， 其中以玉米和小麦的播种面积最大，分别占总播种面积 的 32.6%和 27.7%。 1.2 研究方法
主食类型
占主食比例/%
肉类类型
占肉类比例/%
稻米
5～10
猪肉
20～80
小麦
40～70
鸡肉
35～50
玉米
20～35
牛肉
5～20
谷子
5～10
羊肉
5～10
马铃薯
5～10
居民每天用于购买食物的资金应当大于等于所有食 物数量与它们单位价格的乘积。通过京津冀地区的统计 年鉴，可以得到本地区（城市、农村）的居民消费水平， 结合恩格尔系数得到居民用于购买食物的资金。研究区
养质量，同时也要避免出现西欧、北美等发达国家因过
多食用动物性食物而导致的营养问题以及由此给中国农
业带来的超负荷危机[16]。
根据以上中国膳食结构调整的思想，按照中国营养 学会推荐营养元素的供给标准，结合京津冀地区居民目
前的营养水平和当地农业、经济、畜牧产品的特征，本
研究采用线性规划方法对该地区 2009 年的食物结构进行 优化。数学模型为：
每个地区都有其独特的饮食习惯，本研究 2009 年对 京津冀地区进行食物结构调查时发现，京津冀地区居民 的用餐中，其中主食、肉类比例各有不同，经统计汇总 后，约为如下比例（表 1）。
表 1 主食、肉类中各种食物类型的比例
Table 1 Percentage of each staple food and meat in the diet
2 作物需求量的确定
2.1 食物类型设定 根据京津冀地区目前的农业土地利用活动，本研究
主要选择了粮食种植、蔬菜种植、水果种植、草畜业等 四类农业土地利用方式。粮食种植业是京津冀地区最主 要的农业土地利用活动，其次是畜牧养殖业，研究区内 饲养的主要禽畜有猪、牛和鸡，相应的肉蛋奶类食品包 括猪肉、鸡肉、牛肉、牛奶和鸡蛋。结合相关参考文献[10-13] 与实地考察，本研究假设供给猪和鸡的饲料为谷物（水 稻除外），供给肉牛、奶牛和羊的饲料为谷物（水稻除 外）、青玉米和牧草。基于以上假设，本文建立了 农用 地类型与作物类型，作物类型与肉蛋奶饲料的相互联系
例，结合饲料结构以及料肉（蛋、奶）比，计算了区域主要粮食类型（含饲草和饲料用粮）和蔬菜、水果的 年人均需求
量，即水稻 4 kg，小麦 103 kg，玉米 180 kg，大豆 27 kg，谷子 21 kg，马铃薯 27 kg，牧草 12 kg，青玉米 28 kg，蔬菜
48 kg，水果 16 kg，该优化的食物结构模式可为研究区作物种植结构的调整提供参考。
摘 要：合理的食物结构除要满足基本的营养需求外，还应考虑当地的膳食习惯、农业生产结构和布局。为此，该文以
各营养要素需求为指标，采用 EXCEL 2007 的 SOLVER 软件，构建了计算人均食物需求量的优化模型，并根据社会调查
和统计资料，考虑当地的膳食习惯，对京津冀地区的食物需求和膳食结构进行了优化，确定了京津冀地区食物所占的比
收稿日期：2011-02-21 修订日期：2011-10-22 基金项目：国家自然科学基金（41071063） 作者简介：王涛（1981－），男，山东胶州人，博士，主要从事土地变化与 食物安全研究。Email：wangt.07b@igsnrr.ac.cn ※通信作者：吕昌河（1962－），男，研究员。主要从事土地利用和作物生 产潜力等方面的研究。Email：luch@igsnrr.ac.cn
第5期
王 涛等：基于合理膳食结构的人均食物需求量估算
275
食转化系数参照欧盟标准[17]； Xj 为膳食结构中第 j 种食物的用量，g； n 为膳食结构中所用食物的种数； Si1 和 Si2 为要求膳食结构应达到的供给标准； i=1 代表植物性食物所提供的能量，kJ； i=2 代表动物性食物所提供的能量，kJ； i=3 代表植物性蛋白，g； i=4 代表动物性蛋白，g； i=5 代表脂肪，g； i=6 代表碳水化合物，g； i=7 代表膳食纤维，g； i=8 代表钙含量，mg； i=9 代表铁含量，mg； i=10 代表锌含量，mg； i=11 代表硒含量，µg； i=12 代表碘含量，µg； i=13 代表钾含量，mg； i=14 代表维生素 A 含量，µg； i=15 代表维生素 D 含量，µg； i=16 代表维生素 E 含量，mg； Yij 为膳食结构中单位数量的第 j 种食物中第 i 种营养
成分的含量； dj1 和 dj2 为第 j 种食物数量的上下限，g； Pj 为第 j 种食物的价格，元/g； Cap 为平均每人每天用于购买食物的资金上限，元。 在营养物质约束条件中，为了保障合理的营养素摄
入量，人均每日摄入能量约为 9 000～10 000 kJ 之间，其 中 80%来自植物性食物，20%来自动物性食物。蛋白质不 少于 85 g，其中 30%来自动物性食物。脂肪不少于 70 g， 提供的能量占总能量的 25%。膳食纤维需求量不少于 30 g。钙 800 mg，钾 3000 mg，铁 12 mg，锌 15 mg，硒 50 µg， 碘 150 µg，脂溶性维生素中，维生素 A775 µg，维生素 D5 µg，维生素 E10 mg[18-20]。各种食物所能提供的各种营 养参照相关标准给出[21]。
安全”[2]。伴随粮食安全问题的“粮缺型－钱缺型－营养 型”变化，粮食安全的内涵亦经历了“总量－购买－营 养”的转变[3]。
农业生产能否持续地提供充足的农产品以满足人们 日益增长的物质和文化生活需要，已成为社会各界普遍 关注的问题。为了查清农产品能否提供充足膳食营养， 中国共进行过 3 次全国性的调查工作。第 1 次是在 1959 年，由于当时情况异常，调查结果未能发表[4]。第 2 次全 国营养调查于 1982 年实施，结果以调查总结和资料汇编 的形式公布[5]。1992 年开展了中国第 3 次全国营养调查 获得了约 10 万居民的个体膳食等多方面的材料，探讨全 国人群膳食结构变化趋势和存在的问题[6]。此后随着人们 生活水平的日益提高，膳食结构越来越受到重视。合理的 膳食结构既有利于健康，又避免了资源浪费，学者们分别 从食物安全[7]、食物结构转变特征[8]、食物营养成分[9]等角 度讨论了膳食的合理性。本文旨在通过结构优化得到合 理膳食结构，并进一步转化成研究区所需的作物结构， 为农业结构区划提供依据。食物的充足性、安全性和营 养性是层层递进的关系，要保证获取食物的营养性，必 须保证其符合人体所需的各种食物的合理比例。人体所 需的各种食物，包括各种肉、蛋、奶类，都是由粮食作 物（包括饲料作物）转化而来的。因此作物的分布合理 与否，对本区域的食物供给影响明显。进行作物资源优 化的研究是在现存资源制约、供给偏紧、粮食需求刚性 增长情况下确保粮食综合生产能力提高的关键，对粮食 生产结构的战略性调整具有现实意义。本研究把作物布 局与食物需求结构相结合，从满足食物需求的角度，对 粮食作物生产布局进行优化研究，其结果可以为引导农
第 28 卷 第 5 期 2012 年 3 月
农业工程学报 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
Vol.28 No.5 Mar. 2012 273
基于合理膳食结构的人均食物需求量估算
王 涛，吕昌河※
（中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101）
图 2 农用地类型与作物类型、作物类型与肉蛋奶饲料相互联系 Fig.2 Relationships of agricultural land types with crops, and crops with feeds for producing meat, eggs and milk
图 1 方法和步骤 Fig.1 Schematic presentation of research procedure
目标函数
约束条件
n
∑ min Z = C j X j j =1
n
∑ 1）营养物质约束条件： Si1 ≥ Yij × X j ≥ Si2 j =1
2）食物结构约束条件： d j1 ≤ X j ≤ d j2
n
∑ 3）收入水平与食物购买能力约束条件： XjPj ≤ Cap j=1
4）非负约束条件： X j ≥ 0 式中，Z 为在满足所需的营养水平条件下每人每天消 耗的粮食总量（最小优化目标），g； Cj 为第 j 种食物转化为标准粮食的转化系数，本研究 以欧盟各类农产品单位转化系数作为标准，其中标准粮
Wang Tao, Lü Changhe. Estimation of food grain demand per capita based on rational dietary pattern[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(5): 273 － 277. (in Chinese with English abstract)
关键词：优化，模型，食物，膳食结构，京津冀地区
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.05.045
中图分类号：S3
文献标志码：A
文章编号：1002-6819(2012)-05-0273-05
王 涛，吕昌河. 基于合理膳食结构的人均食物需求量估算[J]. 农业工程学报，2012，28(5)：273－277.
0引言
随着社会经济的发展和人口规模的增加，消耗的粮 食越来越多，而粮食生产所依赖的耕地资源逐年减少， 食物安全问题成为人们关注和研究的焦点。尤其在京津 冀地区，伴随着区域城市化的不断推进，非农建设占用 农业耕地现象突出。在粮食安全任务紧迫、现有耕地资 源逐年减少及后备耕地资源有限的情况下，进行科学的 作物布局，明确区域粮食生产的发展取向是缓解土地压 力的关键。而合理的粮食生产布局除要考虑资源的特征 外，还应考虑区域的食物需求结构。食物生产结构合理 目标总是与一定的经济发展阶段相对应。经济发展的初 期，食物生产一般以增加食物总量为重点，随着经济的 进一步发展，食物结构合理性和营养健康需求变得更为 迫 切 。 1983 年 ， 联 合 国 粮 食 及 农 业 组 织 （ food and agriculture organization，FAO）指出粮食安全的目标为“确 保所有人在任何时候既能买得到又能买得起所需 的基本 食品”[1]。随着人们生活水平的提高，粮食总量的需求渐 渐被健康的营养需求所取代，1996 年《世界食物安全罗 马宣言》和《世界粮食首脑会议行动计划》中重新论述 了粮食安全的内涵，即“只有当所有人在任何时候都能 够在物质和经济上获得足够、安全和营养的食物来满足 其积极和健康生活的膳食需要及喜好时，才实现了粮食
2.2 膳食结构的计算
对于中国未来人均食物需求与食物结构，学者们给
出了众多方案[14-16]。多数学者认为，根据居民的饮食习惯、
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国情状况和食物结构特点，其膳食结构仍应保持以植物
性食物为主、动物性食物为辅的基本特征，并且在保证
膳食能量大半来自谷类食物的同时，逐步提高动物与大
豆蛋白质在膳食成分中的比例，以改进膳食蛋白质的营