基于作物綜合要素單元的農田利用布局

吳金鳳, 方 斌, 方瑋軒

1 中國科學院地理科學與資源研究所, 陸地表層格局與模擬院重點實驗室, 北京 100101 2 中國科學院大學, 北京 100049 3 南京師范大學, 地理科學學院, 南京 210023 4 蘇州大學政治與公共管理系, 蘇州 215123

基于作物綜合要素單元的農田利用布局

吳金鳳1,2, 方 斌3,*, 方瑋軒4

1 中國科學院地理科學與資源研究所, 陸地表層格局與模擬院重點實驗室, 北京 100101 2 中國科學院大學, 北京 100049 3 南京師范大學, 地理科學學院, 南京 210023 4 蘇州大學政治與公共管理系, 蘇州 215123

自然和經濟要素相結合構建農田利用布局可最大限度地優化農田經濟和生態效益，是耕地保護最有效的路徑之一。以浦江縣為例，運用ArcGIS技術，以影響作物生長的自然因子為自然要素指標迭加成9個自然單元，運用生態位社會經濟評價值確定出431個經濟單元，兩者結合形成作物綜合要素單元，并以當地代表性的糧食作物水稻、經濟作物蔬菜、水果為參照設計出具有最佳適宜性和較高綜合效益的農田利用布局。測算結果與浦江縣的客觀發展實際相應證，說明生態位社會經濟評價值NSEV與自然要素的結合確定作物布局區的方法，不僅能適度減少人為主觀因素對結果的影響，而且該方法實用性較強，選取的作物自然要素指標和經濟要素指標針對性強。

綜合要素; 單元; 農田利用; 布局

耕地價值的有效提升是促進農民增收，切實保護耕地的重要手段，而合理布局是實現農田價值提升的最重要手段，關鍵是如何合理布局？為此，國內外學者 對此開展了多角度研究。我國學者結合目前正在推進的產能核算、農用地分等、糧食生產能力估算等工作[1-6]，對農田生產能力進行評估，以期為我國土地利用規劃編制和基本農田劃定提供科學指導。部分學者則從農田經濟效益上加以探討，如譚榮等通過對比分析不同作物在蘇南、蘇中、蘇北地區的所產生的效益差別，確定作物在不同區域的優勢布局。吳碩從有利于產品商業化的角度提出作物種植社會化和專業化發展布局理論。申元村以黑龍江嫩江地區為例，以自然條件為基礎劃分自然帶確定作物布局。羅其友等應用區位商設計出區域農業比較優勢的測度指標，完成我國12種農產品區域比較優勢的定量分析，并在此基礎上提出推進我國農產品區域化布局建議[7-12 ]。綜上，我國學者已從多方面探討了提升農田效益的作物布局模式，并認為將自然和經濟要素緊密結合構建農田生產布局可實現農田經濟和生態效益的最優化，但如何結合，仍處在探索中。本文以浦江縣為例，嘗試性地將影響作物生長的自然和經濟要素加以提煉，整合為綜合分析指標，劃分作物綜合要素單元，構建浦江縣作物種植優化布局方案。

1 研究對象與方法

1.1 研究區概況

圖1 研究區概況

浙江省浦江縣位于浙江省中部偏西，金衢盆地的北緣，是浦陽、壺源兩江之發源地。地理坐標界于119°42′—120° 07′E、29°21′—29°41′N。東西寬39.25 km，南北長36.5 km。全縣土地面積為907.66 km2。境內地貌分西北山區和浦江盆地兩大類型。浦江耕地集中于浦江盆地以及沿江沿湖兩側。林地面積占縣域的三分之二。

浦江縣屬亞熱帶季風氣候區，四季分明，氣溫適中，光照充足，雨量豐沛，自然資源豐富。由于農業用地分別鄰近浦陽江、壺源江和大陳江，因而又形成3種小氣候帶，分別是浦江盆地溫暖少雨區(Ⅰ區)、壺源江谷溫和次多雨區(Ⅱ區)、中低山溫涼多雨區(Ⅲ區)(圖1)。浦江縣區域經濟發展水平略高于全國平均水平，但隨著產業擴張速度的不斷加快，耕地保護的壓力也面臨前所未有的挑戰，如何優化區域資源，提升耕地利用效率，讓耕地得到切實保護也是該縣所面臨的重要問題。

1.2 數據來源

通過走訪浦江縣國土局、農業局等相關部分獲取與自然特征和社會發展相關的資料，包括地形圖、氣候圖、地貌圖、土地利用現狀圖、土地利用規劃圖、交通圖、土壤志、近30年的氣象資料和近10年的農業生產統計數據，以及人口、社會經濟統計數據等。

1.3 作物綜合要素單元的構建

(1)作物綜合要素單元由作物自然要素單元和作物社會要素單元共同組成。

(2)作物自然要素單元強調的是作物的適宜性，作物社會要素單元重點強調對作物各環節管理的便利性。

(3)作物自然要素主要包括土壤要素、地形地貌要素、氣候要素、水資源等，這些要素主要通過圖形疊加與農田采樣數據的Kriging插值相結合的方式獲得。該單元處理結果通過了歐盟IRMLA(Integrated Resource Management and Land use Analysis in E and SE Asia)項目的論證[13-14]。

(4)影響耕地效益的社會因子很多，本研究在參考有關資料的基礎上，結合研究區的實際情況，確定評價因子選取的原則：①對耕地的產出效益有較大影響；②評價區內差異明顯、相關性小；③以穩定性因子為主，但對農業生產影響大、變化規律明顯的不穩定性因子也適當考慮；④盡可能選擇可定量的因子。基于上述原則，最終選擇了道路通達度、農田路網密度、河流水面密度、居民點密度、集鎮密度、農業勞動力密度等6個因子。從表面看，除勞動力指標是直接影響農業投入效益的指標外，其余指標似乎不是直接作用指標，但調查結果表明，河流水面密度對水的供應、道路通達度(便捷性)、集鎮密度(市場)對資源投入、居民點密度、農田路網密度對規模性效益分別有著決定性的作用。

(5)綜合要素單元的建立，利用ArcGIS提取浦江縣土壤相關的信息，并利用試驗數據進行校正；提取地形相關(如坡度、坡向、山地和平原)的信息；并與氣候圖、地形圖迭加得到作物9個自然要素單元。以村為單位，選取6方面的因子組合構成431個社會要素單元，進而構建作物綜合要素單元，測算生態位社會經濟評價值(ecological niche socio-economic value,NSEV)(圖2)。

圖2 作物綜合要素單元的構建

1.4 耕地社會經濟影響因子的算法

研究參考相關文獻[15-17]，設計了各指標NSEV的計算模型：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中,a、b、h、j、x、g分別表示道路通達度(km/hm2)、農田路網密度(km/hm2)、河流水面密度(hm2/hm2)、集鎮密度(hm2/hm2)、居民點密度(hm2/hm2)、農業勞動力密度(人/hm2)；S、S1、S2、S3表示耕地總面積、河流水面面積、居民點面積、集鎮面積，L1、L2、L3、L4、L5表示高速公路、省道、縣道、鄉道、小道的長度，G表示勞動力個數。

1.5 評價指標最適值的確定

對作物而言，社會經濟因子值一般是越大越好，但也有一個下限值，小于這個值，即成為限制因子。依據FAO 《土地評價綱要》中關于土地適宜性評價的原則、方法及有關資料[17-18]，以樣點實測數據為基礎，設置調查問卷請浙江大學土壤學系、農業經濟系、南京農業大學的農業經濟系的教師和從事相關研究的博士和碩士研究進行權重和下限值確定，用于測定以上6個指標的NSEV(表1)。

表1 社會經濟因子權重及下限值

-表示不受限制; 道路通達度:Accessibility to roads; 農田路網密度:Farmland network density; 河流水面密度:Rivers and lakes density; 集鎮密度:The density of town; 居民點密度:Residential spots density; 農業勞動力密度:Agricultural labor density

1.6 計算作物生態位社會經濟評價值

在Hutchinson的“n維超體積”生態位概念基礎上發展起來的NSEV[19]，是用以測算作物的現實資源位與其最適生態位之間的貼近程度，用于表征作物對其生境條件的適宜程度。采用加權平均模型計算各評價單元對水稻、蔬菜、水果、其它作物的NSEV，公式如下：

當Li存在時，公式可以表現為：

(7)

當Li不存在時，公式可以設置為：

(8)

式中,NSEV為作物生態位社會經濟評價值;ρi和Li分別為第i個社會經濟因子的實測值和下限值;ωi為第i個社會經濟因子的權系數;n為生態因子數。社會經濟因子(ρi)的實測值是以村為單位，通過公式(1—6)得出，由于數據量大，涉及431個單元，受篇幅限制，論文只能隨機選取了7組數據(表2)，其余省略。

表2 不同社會經濟單元的NSEV值

2 研究結果

2.1 作物自然要素單元結構與限制性分析

圖3 作物自然要素單元

利用ArcGIS將土壤圖、地形圖、地貌圖、氣候圖等進行疊加、要素合并，最終形成9個單元(圖2)。各單元占區域總面積由多到少的順序分別為5>2>6>4>1>8>3>9>7。結合土壤志、土地志及183塊田塊土壤抽樣數據[20-21]，運用ArcGIS提取得出各個單元其它數據(表3)。

有機質、Ph值、堿解氮、速效磷、速效鉀各值是運用ArcGIS將縣域耕地183個采樣點土壤樣品測試結果進行Kriging插值得出。其過程與方法見已發表的相關文獻[20-21]。

以作物種植單元為基礎，根據浦江的作物習性、作物分布特征及農戶調查結果，確定作物自然單元對作物種植的限制性。其中8、9單元由于坡度大，侵蝕性較強及無土壤而不適宜作物種植，7號單元面積較小，受土壤習性的影響只能種植水稻(表4)。

2.2 根據NSEV值的作物可布局區域的確定

以431個行政村為評價單元，計算各單元的NSEV值，并以此為基礎確定作物可布局區域。由于作物被劃為4類，因此，只有先確定出三類作物需要的耕地面積才能得出各類作物所需要的耕地面積。因子分析發現道路通達度和城鎮密度兩個因素對水稻種植基本不限制，而對水果和蔬菜的影響卻較大，借助這一差異性特征，結合因子及作物權重與分值進一步測算得出水稻、蔬菜、水果的最低NSEV值分別為0.82、1和1，也即各區位的NSEV值只有超過作物的這一限制值才能被認為是適合種植該作物的區域。進而通過對各單元適合種植作物的區域進行匯總得出，水稻作物適合種植的區域面積達到13260.11 hm2，不適合種植的區域達到9014.82 hm2，其中，有可能發展成為種植水稻的區域面積為6538.72hm2(圖4)。

表3 浦江縣自然要素單元性質

表4 自然要素單元對作物種植的限制性

同理，根據蔬菜的NSEV值，可確定其布局區域。從布局上看，盡管可布局的面積達7077.19 hm2，但在區位上與人們慣常布局在縣城周邊，特別是城郊結合部內的常規觀念有出入，可能的原因在于城郊結合部的部分區域河流面積指數與可參與種植蔬菜的農村勞動力指數較低，特別縣城勞動力就業機會多，愿意從事種植費勞動力的蔬菜的農民較缺乏，相比較而言，他們更愿意種植不需要太多勞動力的水稻，且水資源能滿足單季稻的種植條件。不適合種植區域蔬菜的區域面積達15097.74 hm2，其中可發展為蔬菜種植區的面積達7561.79 hm2。

同理，水果主要種植區分布在城郊結合部的浦南街道、黃宅鎮、白馬鎮、鄭家塢鎮、前吳鄉、大販鄉，可布局面積達4142.81 hm2，不可布局區域面積達1813.21 hm2，可發展為水果種植區域面積達9048.86 hm2。

2.3 作物布局區優化

運用ArcGIS將作物自然要素單元和社會經濟單元疊加后發現，三類作物所布局的耕地面積分別為：水稻11032.65 hm2，蔬菜3270.17 hm2，水果3880.60 hm2。各作物的鄉鎮發展優勢與布局優先的是：(1)蔬菜在浦陽街道、浦南街道、杭坪鎮、花橋鄉等鄉鎮比水果更具發展優勢，且自然地理條件及區位條件對蔬菜本身有一定的限制性，而且，蔬菜需求量仍然是以浦江縣城區最大，故這些鄉鎮只要是符合蔬菜種植條件的區域，應優先考慮布局蔬菜；(2)考慮到水果是重要的經濟作物，且在浦江也有一定的種植規模和種植傳統，特別是在白馬鎮、鄭宅鎮、黃宅鎮等地有較好的發展基礎和較大的市場需求，因此，這些區域應優先布局水果；(3)其它作物對水源和地理條件要求較低，故布局可考慮在水稻、蔬菜、水果布局后進行(圖6)。

圖4 社會經濟要素下的水稻作物NSEV值空間分布

圖5 社會經濟要素下的蔬菜作物NSEV值空間分布

圖6 社會經濟要素下的水果作物NSEV空間分布

圖7 綜合單元下各作物布局在不同鄉鎮的優勢

依據以上條件，優化后的空間布局為:(1)水稻作物主要是以浦陽江、壺源江兩江為依托，灌溉條件好，也符合傳統種植習慣，面積達6389.57 hm2，這一數據與近3年來浦江縣的水稻播種面積的平均值6758 hm2十分接近，種植區位僅小有偏差。而調查數據也顯示浦江縣95%的農田都只種單季稻，即其播種面積實際就是所用耕地面積[22]；(2)蔬菜種植地主要分布在縣城周邊浦南、浦陽街道，以及黃宅、白馬等公路延線，此外，在山區大販鄉及杭坪鎮也布局了800 多hm2蔬菜，主要原因是兩地均屬高山區，氣溫較低，蔬菜上市期較常規蔬菜晚。布局之后，蔬菜全部種植面積達2552.87 hm2；這一數據較浦江縣近3年的蔬菜播種面積3890 hm2(復種系數2.0)略有偏高。不過，隨著杭坪鎮的高山蔬菜和大販等地的山區蔬菜市場份額的逐步加大，這一增長是符合預期的。(3)水果種植地主要是在鄭宅鎮和白馬鎮平原地帶且離城鎮公路較近的區域進行優先布局，全縣面積達2751.80 hm2，這一數值較浦江縣近3年的水果種植面積的平均值2819 hm2略微偏低，不足部分可以在可發展種植區域進行調整，當然，農戶也可以根據市場行情適度增加。(4)其余地方用于種植其它作物，也可作為區域布局的調整區。

圖8 作物綜合布局

3 結論與展望3.1 結論

論文以浦江縣為例，以ArcGIS為手段，以作物自然與經濟要素指標構建作物綜合要素單元，構建浦江縣作物優化布局，得出了以下結論：

(1)利用作物綜合要素單元系統構建縣域農田利用布局的思路與方法，可進一步豐富農業規模化理論，對區域農產品種植規模化布局提供理論指導的實踐借鑒。

(2)對比分析微觀測算結果與宏觀分析的客觀實際，兩者表現出較高程度的契合，體現出該方法的實用性和可靠性，而且也體現了所選取的作物自然要素指標和社會要素指標具很強的客觀性和針對性。

(3)生態位社會經濟評價值NSEV與自然要素單元疊加相結合能較好地選擇出作物的最佳種植區域，從很大程度上減少人為因素對結果的影響，更具科學性。

3.2 存在的不足

(1)本論文主要是探討該方法的可行性，因此，只是選擇了一個縣域范圍作為研究對象，在研究的過程中，沒有考慮到糧食自給率等方面的要求，在今后的研究中可將其對象作進一步放大，甚至用以指導全國的作物布局。

(2)論文為分析方便將作物分為4類，在各類型中耕地面積如何進行分配，還有待作進一步研究。

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Farmland utilization layout based on comprehensive factors unit of crop

WU Jinfeng1,2, FANG Bin3,*, FANG Weixuan4

1KeyLaboratoryofLandSurfacePatternandSimulation,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3CollegeofGeography,NanjingNormalUniversity,Nanjing210023,China4Instituteofpoliticsandpublicadministration,Suzhouuniversity,Suzhou215123,China

Increment of cultivated lands value is an important way to increase farmers′ income and the most effective way to protect cultivated land. A reasonable layout of cultivated land is considered as one of most effective method to raise land value. Domestic and foreign studies, which focus on how to establish cultivated land use layout from variant perspectives, suggested that designing farmland production layout based on integration of natural and economic factors can not only optimize economic and ecological benefits, but also be the most effective way to protect cultivated land. However, there has no practical method to integrate two types of factors at present yet. In this study, taking Pujiang County as an example, natural and economic factors that affect crop growth are refined and integrated as a comprehensive index to build an optimization model for the county cropland layout using the GIS technology. First, the cultivated land of Pujiang county was divided to 9 natural units by overlapping relative natural factors in ArcGIS, such as topography, landform, soil, hydrology, and climate; then 431 economic units were generated based on ecological niche socio-economic value (NSEV), which were further integrated with natural units to construct comprehensive factors unit of crop. Finally, taking account of the local representative crop, such as rice, vegetables and fruits as reference, optimized county cropland layout aimed to obtain maximum suitability and comprehensive benefits was build. According to the designed cultivated land layout, the total area of rice paddy field of Pujiang county is about 6389.57 hm2, which is very close to the last three years averaged area of planted rice paddy land of 6758 hm2; the total area of vegetable land is estimated as 2552.87 hm2, which is higher than the averaged planted area—3890 hm2(multiple cropping coefficient is 2.0). However, it is coincident with the expectation of development; the total area of orchard land is 2751.80 hm2, which is smaller lower than averaged area—2819 hm2. Nevertheless orchard land use can be adjusted according to market situation at farmer′s will. In general, the results of designed cultivated land layout are consistent with the local practice, indicating practicability and validity of the proposed method. The results also suggest that designing cropland production layout based on comprehensive index by integrating natural factors and NSEV can reduce the arbitrary effect of subjective factors and has pointed strategy in terms of selecting suitable natural and economic factors for local representative crops.

comprehensive factors unit；farmland utilization；layout

國家自然科學基金(40971105, 41271189); 江蘇省高校哲學社會科學重點項目(2010ZDIXM049); 江蘇高校優勢學科建設工程資助項目

2013-11-18;

2014-08-22

10.5846/stxb201311182754

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wenyanfang731@163.com

吳金鳳, 方斌, 方瑋軒.基于作物綜合要素單元的農田利用布局.生態學報,2015,35(14):4733-4741.

Wu J F, Fang B, Fang W X.Farmland utilization layout based on comprehensive factors unit of crop.Acta Ecologica Sinica,2015,35(14):4733-4741.