快速城鎮化大都市邊緣地區耕地紅線劃定研究

魏玉強, 程倩雯, 單金霞, 黃秋昊

(1.南京大學 地理與海洋科學學院, 南京 210023; 2.江蘇省地理信息技術重點實驗室, 南京 210023)

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快速城鎮化大都市邊緣地區耕地紅線劃定研究

魏玉強1,2, 程倩雯1,2, 單金霞1,2, 黃秋昊1,2

(1.南京大學 地理與海洋科學學院, 南京 210023; 2.江蘇省地理信息技術重點實驗室, 南京 210023)

劃定耕地紅線區域可有效減緩快速城鎮化大都市邊緣地區建設活動對耕地的占用，是耕地保護的重要手段。以位于快速城鎮化大都市邊緣地區的常州市新北區為研究對象，在分析現狀耕地特點的基礎上，根據相鄰地類之間的適宜性選取擬退耕的耕地和宜墾的農村居民點用地。將不同土地利用類型賦予不同阻力系數，運用最小累計阻力模型，計算各地類轉化為耕地的累計最小阻力。用標準方差分類法對累計最小阻力值分類，找出耕地適宜性分區閾值，并劃定耕地空間紅線區域。結果表明：劃定的耕地紅線區域面積為299.84 km2，為研究區域總面積的66.25%。紅線范圍區域內耕地占耕地總量的92.50%，劃定的耕地紅線區域能起到耕地保護的作用。通過最小累計阻力模型劃定出耕地紅線保護區域，對耕地紅線內不同土地利用類型采用不同的保護標準，可以為快速城鎮化區域耕地的保護工作提供參考。

耕地紅線; 空間評價; 最小累積阻力模型; 常州市新北區

近年來，我國城市化水平不斷提高，土地利用/覆被變化愈發顯著，特別是在一些快速城市化地區，土地利用變化帶來的土地利用矛盾日益突出[1]。在土地利用/覆被變化過程中，大都市邊緣地區的耕地與建設用地的矛盾尤為突出。大都市邊緣區域作為受城市輻射影響顯著的過渡地帶，是耕地變化非常劇烈的地區，也是非農建設用地擴張與耕地資源保護矛盾最為激烈的地區之一[2]。耕地被建設用地占用和空間形態破碎導致耕地規模和質量的下降，這引起許多學者的關注和研究。

現有耕地研究主要包括耕地數量[3-4]、質量[5-6]、集約利用[7-8]、驅動力[9]等多個方面。現有研究多從縱向方面進行分析，很少考慮耕地與周圍地類的關系。如對耕地質量進行研究時，分析評價單元為耕地地塊，通過構建指標評價體系，運用地圖疊加法和邏輯規則組合法進行耕地評價。這類方法僅考慮了地塊單元的縱向疊加效應，而忽視了其水平擴展效應[10]。為更好保護耕地，本文嘗試對水平擴展的耕地適宜性進行分析，采用最小累計阻力模型進行耕地適宜性分區評價，并劃定耕地紅線區域。最小累計阻力模型依據土地利用類型構建阻力面，從而計算“源”、“匯”之間的累計阻力值，阻力越小則越有利于耕地的集中連片管理。

因此，本文運用相鄰地類之間的相互適宜性關系分析，判斷耕地和農村居民點與相鄰地塊單元的土地利用類型的適宜性，因地制宜開展土地整理復墾開發，有效補充耕地資源，增加耕地集中連片度。本文以位于長江三角洲發達地區的常州市新北區為例進行分析，引用最小阻力模型對耕地紅線劃定分區進行探討，以期為其他快速城鎮化大都市邊緣區的耕地保護提供參考和借鑒。

1　研究區概況

常州市新北區位于常州市北部，北瀕長江，與泰州市隔江相望，東與江陰市相鄰，西與揚中市、丹陽市接壤，南接常州市老城區，下轄3街道6鎮。新北區地勢平坦，區域內水網密布，河流縱橫。四季分明，年均氣溫16.2℃。2012年新北區土地總面積為452.60 km2，耕地面積165.63 km2，占全區土地總面積的36.60%。新北區地處長江三角洲快速城市化地區，位于常州市大都市邊緣區域。經濟快速發展對土地資源尤其是耕地資源需求量大，新北區耕地連片度差，耕地斑塊分散破碎，容易被建設用地占用，耕地保護形勢嚴峻。

2　研究數據與劃定方法

耕地紅線劃定流程如下：首先分析現狀耕地特點，對耕地與周圍地類的適宜性評價選擇出適宜整理復墾的農村居民點用地，對農村居民點用地與周圍地類相互關系分析預測擬退耕的現有耕地地塊；其次，選擇“源”面并構建阻力面生成阻力值；最后，運用最小累計阻力模型生成最小累計阻力值并根據耕地鄰近區域內地塊轉化為耕地的難易程度，并劃定耕地保護紅線區域范圍。

2.1數據來源與處理

本文數據主要包括：2012年新北區1∶1萬土地利用變更數據，用于提取耕地等各種土地利用類型。最小累計阻力模型所需要數據均為柵格圖層，因此本文中的土地利用變更數據轉換成統一的10 m×10 m的柵格數據。新北區30 m空間分辨率DEM數據，來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站(http: ∥www.gscloud.cn)，主要用于計算新北區地形的坡度和坡向以排除坡度>25°的耕地斑塊。經分析，新北區無坡度>25°的耕地分布。

2.2相鄰地類適宜性關系

相鄰地類適宜性是指某用地斑塊與周圍其他用地斑塊的一致程度，如果某用地斑塊被相鄰其他用地斑塊包圍，則其相鄰用地斑塊的適宜性差。若某A類型用地斑塊周長為C，與其相鄰的B類型用地斑塊公共邊界為X，令X/C=K。則K值越大，此A類型用地斑塊被B類型用地斑塊包圍程度越大。本文用K值表示用地斑塊之間的適宜性程度。一般認為，若某塊小面積農村居民點用地被耕地包圍或農村居民點用地斑塊零碎分布，此類型的農村居民點用地與周邊耕地適宜性差。這類農村居民點用地復墾為耕地的難度較小，可劃為宜墾的農村居民點用地。一般認為，若某塊耕地被建設用地所包圍，即使其條件再優越，也不適宜劃入到耕地紅線區域內，這主要是因為耕地相鄰土地利用類型在一定程度上限制了其農耕用途的可持續性[11]，此類型的耕地可以劃為擬退耕耕地。新北區農村居民點等建設用地散亂分布在耕地斑塊之間，通過土地復墾補充耕地可提高耕地集中區域的耕地連片度。新北區有少量現狀耕地布局在城鎮中心被建設用地包圍，形態破碎易于被建設活動占用，此類耕地不宜劃入耕地紅線區域內。

2.3耕地紅線劃定方法

2.3.1最小累計阻力模型最小累計阻力模型是指從源地經過不同阻力的景觀類型所累積耗費的最小費用或者克服阻力做的最小的功[12]。它最早由Knaapen等[12]于1992年提出，經國內俞孔堅等[13]的修改，用下式表示：

式中：MCR——最小累計阻力值；f——一個最小累計阻力與土地類型變化的正相關關系，是一個單調增長函數；min——被評價的斑塊單元對不同的“源”取累計阻力最小值；∑——單元i與源j之間穿越所有單元距離和阻力的累計；Dij——斑塊單元從源j到斑塊單元i的空間距離；Ri——斑塊單元i轉化為“源”的阻力系數[14]。

2.3.2源地的識別“源”是事物或者事件向外擴散的起點和基地，具有內部同質性和向四周擴張或吸引的能力[15]。在耕地適宜性評價過程中，源地是集中連片面積較大的耕地。本文選取2012年現狀耕地斑塊合并后面積超過10 hm2且空間上集聚的地塊作為源地。

2.3.3阻力面構建本文將不同的土地利用類型賦予不同的阻力系數來構建阻力面。土地的空間異質性使得耕地在不同方向吸引其他地類轉化為耕地的過程中受到的阻力不同。一般認為園地容易轉化為耕地，而公路用地和建制鎮建設用地等很難轉化為耕地。在耕地保護方面，阻力系數就是其他土地利用類型轉化為耕地時的難易程度或者適宜程度，它是一個相對概念并不是絕對值。其他土地利用類型轉化為耕地的難度越大，此種土地利用類型越不適宜劃入耕地紅線，其阻力系數越大；反之，則阻力系數越小。

參考劉孝富[14]、陳燕飛[15]等的阻力系數設定方法，設置阻力系數。在模型計算過程中，將“源”所在的柵格賦阻力系數為1，表示其轉化為耕地的阻力最小。不同連片度的耕地，其阻力系數不同。將源地之外的耕地根據其規模采用自然斷點法分3級并局部微調后賦給不同的阻力系數(表1)。城市和建制鎮等用地轉化為耕地的阻力最大，本文將其阻力系數設置為最高值100。園地的耕作層基本沒有遭到破壞，易于轉化為耕地；通過地類適宜性評價可以選擇出宜墾的農村居民點用地，這類土地可以通過復墾轉化為耕地；設施農用地、農村道路、小型坑塘水面等其他農用地，轉化為耕地阻力較小；面積較大的坑塘水面，轉化為耕地的阻力相比小型坑塘水面大；通過分析新北區坑塘水面現狀，一般認為，當坑塘水面面積小于0.3 hm2時，坑塘水面不會影響耕地的集中連片度，轉化為耕地的阻力相對較小。將林地、牧草地、河流水面、湖泊水面視為生態用地類。國家推進生態文明建設生態用地被嚴格保護，轉化為耕地的阻力很大。將新北區土地利用類型重分類，分類后組成標準及所賦值阻力系數如表1所示。

表1不同土地利用類型阻力系數

重分類土地利用類型阻力系數具體地類組成標準源地1規模較大布局集中耕地,本文確定的源地耕地1級5特點為具有一定規模且布局集中的耕地2級10特點為規模相對二級減少布局分散3級15遠離耕地集中區或者面積較小的耕地斑塊園地20園地宜墾地類30通過計算確定的宜墾的農村居民點用地其他農用地類40設施農用地、農村道路、農田水利用地、田坎、小型坑塘水面大型坑塘水面60面積超過0.3hm2的坑塘水面規模較大村莊60排除宜墾地外的農村居民點用地生態用地類70林地、牧草地、其他土地擬退耕耕地90通過計算和分析確定的擬退耕耕地城鎮用地類100城鎮用地、采礦用地、交通水利用地等

3　結果與分析

3.1耕地現狀評價

2012年新北區耕地總面積為167.01 km2，主要分布在春江鎮、羅溪鎮、孟河鎮和西夏墅鎮，占新北區耕地總面積的86.32%；薛家鎮和新橋鎮也有少量耕地和外圍鎮耕地集中毗連。新北區仍有少量耕地零散分布在城市和建制鎮的核心區域。

新北區耕地形態較破碎。耕地共有1.04萬個斑塊，其中：面積小于1 hm2的斑塊數量占總斑塊數量的66.44%，其面積僅占耕地總面積的11.58%。耕地斑塊面積差異懸殊，最大單個斑塊面積為59.16 hm2，平均斑塊面積為1.60 hm2。新北區平均耕地斑塊形狀指數為1.48，斑塊形狀不規則。耕地斑塊破碎化區域主要布局在城鎮建設用地周邊和道路兩側。耕地斑塊形狀不規則的原因主要是農村居民點用地、坑塘水面等塊狀要素和農村道路、河流等條狀要素分布在成片耕地中，呈現不規則的形態導致耕地形狀指數高。

3.2耕地變動區域分析

3.2.1宜墾的農村居民點用地分析結合新北區實際情況，2012年新北區農村戶均人口為3.1人[16]，農村人均居民點面積為154 m2。一般認為，小于4戶或者是超過4戶小于15戶但被耕地包圍的農村居民點用地適宜復墾為耕地。

經分析選取后，新北區宜墾的農村居民點用地面積為466.28 hm2，占新北區耕地總面積的11.60%。宜墾的農村居民點用地平均斑塊面積為0.11 hm2，復墾難度小，可操作性較高。結合新北區農村居民點用地復墾增加耕地經驗，預計可新增耕地373.03 hm2。宜墾的農村居民點用地在空間布局上多分布在較大農村居民點用地邊緣，經過復墾后可以使農村居民點用地集約度提高，同時耕地的整體連片度增加。利用核密度分析法分析，新北區宜墾的農村居民點主要分布在春江鎮、羅溪鎮和西夏墅鎮的交界處(圖1)。

圖1新北區宜墾的農村居民點用地核密度

3.2.2擬退耕地塊預測新北區部分現狀耕地布局在建設用地內部，此類型耕地空間上分布比較分散。結合新北區耕地現狀，本文將被建設用地包圍并且面積小于1 hm2的耕地斑塊和單塊面積不足0.05 hm2的耕地斑塊作為擬退耕耕地。分布于中心城區的耕地難以發揮其耕地的功能，本文將河海街道、三井街道、龍虎塘街道等分布在建設用地核心區內的耕地亦作為擬退耕耕地。新北區擬退耕耕地面積為256.34 hm2，占現狀耕地總面積的1.53%。除位于中心城區的擬退耕斑塊外，其他擬退耕耕地斑塊均較小且分散。擬退耕耕地布局在建成區和道路兩側。位于建成區內的擬退耕地形狀多不規則，而布局在道路兩側的多成條狀，其形成原因是建設用地的擴展對耕地的切割所致。

3.3耕地紅線邊界確定

3.3.1最小累計阻力表面計算參照表1將新北區土地利用斑塊重新分類并賦予不同阻力系數值的矢量數據轉化為柵格數據即可以得到圖2A所示的阻力系數空間分布圖。研究區內阻力低值占主導類型，低值區域集中連片；阻力高值區域主要分布在新北區中心城區和各鎮的鎮中心區域；部分高值區域成條帶狀嵌入在低值區域內。將源地矢量圖(圖2B)和阻力面柵格圖輸入到ArcGIS下的cost-distance模塊，計算新北區每個柵格到源地的最小累計阻力值，得到如圖2C所示的最小累計阻力分布圖，最小累計阻力值基于標準方差法分成8類。

圖2新北區最小累計阻力值分析

3.3.2最小累計阻力閾值確定最小累計阻力模型在空間上是一種連續的概念，每一個像元或者圖斑都有其對應的阻力值，而耕地保護分區則是一種整體上分割而在局部上連續的一種分布格局[17]。將計算出的最小累計阻力利用標準方差法[18]進行分類，每類之間間隔為1/2方差，并建立最小累計阻力值方差分類與類別的柵格數目之間的對應關系(圖3)。

從圖3中可以看出，從C1到C2的過程中有一個突變的過程，柵格數量差別特別巨大，說明這里的最小累計阻力值產生了突變，C1類型柵格數目占到總柵格數目的66.25%，超過總數目的一半以上；C2和C3柵格數量差距也較大，只是相比C1與C2的差距小；從C3到C7，柵格數目變化不明顯；在C7到C8過程中，柵格數量略有增長。因此本文將C1對應的最小累計阻力值作為分割耕地紅線區域的閾值，其閾值為23 580。

圖3柵格數量與像元值對應關系

3.3.3耕地紅線區域保護根據確定的耕地紅線區域劃定閾值，可以將耕地紅線區域在空間上確定(圖4)。劃定耕地紅線是為了確定耕地在空間上的保護區域，劃定的耕地紅線區域面積為299.84 km2，為區域總面積的66.25%，主要分布在孟河鎮、西夏墅鎮、春江鎮、羅溪鎮等。耕地紅線區域主要是耕地的集中區域，耕地形態較好、連片度高、單塊耕地斑塊較大。紅線區域內部現狀耕地面積為153.20 km2，占耕地總面積的92.50%。劃定的耕地紅線能起到對耕地的保護作用。耕地紅線區域范圍內，包括耕地、農村居民點用地、坑塘水面、建制鎮和園地等。其中區域內耕地占耕地紅線區域總面積的51.10%，農村居民點用地和坑塘水面分別占11.83%和11.20%。

注：C1為耕地紅線區域。

圖4新北區耕地紅線區域分布

耕地紅線區域內部地類包括耕地和較容易轉化為耕地的園地、其他農用地、農村居民點和坑塘水面等地類，這些地類劃入到耕地紅線內有利于區域景觀格局的穩定。耕地紅線區域劃定后，紅線內部的不同地類要根據實際采取不同管理措施。對耕地紅線區域內部的現狀耕地，要執行嚴格的耕地保護政策；對于區域內部的農村居民點用地，根據其所處位置和規模判斷保留還是復墾，并通過復墾提高耕地連片度和建設用地集約度；坑塘可以為耕地提供灌溉水源，因此紅線區域內部的坑塘保持現狀有利于提高耕地產量。大面積連片坑塘水面可以作為生態用地美化環境，提高人們的生活質量。

最小累計阻力值較高的區域分布在中心城區和春江鎮北部的長江生態區。中心城區距離耕地集中連片區域較遠，長江沿岸區域是重要的生態用地區并且遠離源地區域，不易變為耕地從而形成阻力高值區域。位于高值區域內部的零碎耕地，將其變更開發為生態用地或者是公園等城市綠地，有利于城市生態環境質量的提高。

4　結論與討論

(1) 耕地紅線的劃定是為了更好地保護耕地資源。通過最小累計阻力模型可選出耕地集中連片區域來進行保護。相比于其他方法，此方法劃定的區域是一個連片范圍，而不是將耕地紅線細分到具體的地塊。在劃定過程中考慮了耕地水平擴展效應，分析其他土地利用類型轉化為耕地的適宜性程度，方法上可行適用。

(2) 通過對現狀耕地分析可知：新北區耕地主要分布在新北區春江鎮等鎮，耕地形態破碎、平均斑塊形狀指數為1.48。耕地斑塊面積差異大且細小斑塊多。耕地形態破碎原因主要是道路、農村居民點等建設用地和河流對耕地的切割造成。新北區宜墾的農村居民點用地面積為466.28 hm2，宜墾的農村居民點空間集聚高密度區位于春江鎮、西夏墅鎮和羅溪鎮交界處。擬退耕耕地僅占現狀耕地面積的1.53%，主要布局在道路兩側和建設用地集中區域。

(3) 將現狀土地利用變更數據重分類，選擇出源地。根據不同土地利用類型轉為耕地的難易程度，設置不同的相對阻力系數。通過分類確定耕地紅線區域范圍，耕地紅線區域面積為區域總面積的66.15%，高于現狀耕地在研究區內的比例。劃定耕地紅線區域后對紅線內部的各現狀地類采用不同管理措施。耕地紅線區域劃定結果可為土地利用總體規劃時建設用地與耕地的合理布局提供參考依據。

(4) 確定耕地紅線區域需要綜合考慮規劃、耕地利用現狀、經濟社會發展等因素。本文運用最小累計阻力模型考慮了水平方向其他地類轉化為耕地的適宜性，在阻力系數設置方面，人為主觀因素較大，進一步研究要結合專家打分綜合取得分。對于社會經濟因素對耕地的布局影響和規劃對空間安排考慮不足，這有待后期研究中進一步深入探討。

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Study on the Demarcating Method of Farmland Redline in Metropolitan Fringe Area with Rapid Urbanization

WEI Yuqiang1,2, CHENG Qianwen1,2, SHAN Jinxia1,2, HUANG Qiuhao1,2

(1.SchoolofGeographicandOceanographicSciences,NanjingUniversity,Nanjing210023,China; 2.JiangsuProvincialKeyLaboratoryofGeographicInformationScienceandTechnology,NanjingUniversity,Nanjing210023,China)

Demarcating farmland redline is an important means for farmland protection, which can slow down farmland occupation in metropolis fringe areas where massive construction activities frequently take place during urbanization proceess. Xinbei District in Changzhou City which is located in metropolitan fringe area with rapid urbanization was selected as study area in this research. Based on the analysis of the present farmland status and its characteristics, the returning farmland and reclaim-suitable rural residential land were then selected according to suitability of adjacent land patch. A specific resistance coefficient was then assigned to each land use type, and accumulated minimum resistance for other land use type convertedto farmland was calculated using MCR model. Accumulated minimum resistance was classified using standard deviation classification method in order to find a farmland property threshold, which demonstrates the location and shape of farmland redline. The result shows that the demarcated farmland redline region in Xinbei District has an area of 299.84 km2, which occupies 66.25% of the whole study area and contains 92.50% of current farmland, shall help to protect most of the farmland. This research shows that MCR model could be used to demarcate farmland redline effectively. Adopting different protection standards within different regions, which split by redline, can provide an important reference for farmland protection.

farmland redline; spatial evaluation; minimum cumulative resistance model; Xinbei District of Changzhou City

2015-03-05

2015-03-20

國土資源部公益性行業專項經費“基于市域尺度的國土空間利用質量評價提升技術研究與示范”(201411014-3)

魏玉強(1989—),男,山東日照人,碩士研究生,研究方向為土地利用規劃與GIS研究。E-mail:weiyq2013@163.com

黃秋昊(1977—),男,江蘇無錫人,副教授,主要從事土地利用規劃研究。E-mail:qiuhao.huang@gmail.com

F301.21

A

1005-3409(2016)01-0080-06