基于耕地質量評價和局部空間自相關的高標準農田劃定

楊建宇 杜貞容 杜振博 黃婧瑤 趙 龍 朱德海

(1.中國農業大學信息與電氣工程學院， 北京 100083； 2.國土資源部農用地質量與監控重點實驗室， 北京 100035)

基于耕地質量評價和局部空間自相關的高標準農田劃定

楊建宇1,2杜貞容1,2杜振博1黃婧瑤1趙 龍1朱德海1,2

(1.中國農業大學信息與電氣工程學院， 北京 100083； 2.國土資源部農用地質量與監控重點實驗室， 北京 100035)

高標準農田建設是優化農田空間布局，改善耕地基礎設施，提高耕地質量和綜合生產能力的重要舉措。而科學合理地劃定建設區域是高標準農田建設的重要環節。以河南省焦作市為例，構建了耕地綜合質量評價體系，并通過層次分析法對各個評價指標賦權。再結合理想點逼近法和局部空間自相關分析對高標準農田建設分區及時序提出了方案。研究結果表明：焦作市耕地整體質量較好，且在空間分布上體現出了較強的正相關性；利用局部空間自相關分析可將耕地分為4個高標準農田建設區域。

耕地質量； 高標準農田； 理想點逼近法； 局部空間自相關

引言

中國是一個人多地少、人均耕地占有量低的國家，而隨著工業化、城市化的快速推進，我國耕地將承載越來越大的壓力。因此，如何進行耕地保護，保證中國經濟和社會的可持續性發展一直是政府十分重視的問題。為確保耕地數量及質量，2011年頒布的《中華人民共和國第十二個國民經濟和社會發展五年規劃綱要》明確提出要大規模建設旱澇保收高標準農田，其中定義的高標準農田是指一定時期內，通過農村土地整治形成的集中連片、設施配套、高產穩產、生態良好、抗災能力強、與現代農業生產和經營方式相適應的基本農田[1]。因此高標準農田建設，對提高耕地綜合生產能力、發展現代農業、保障糧食安全具有重要意義，是中國耕地保護、保障糧食安全的重點。

目前國內學者對高標準農田劃定方法的研究主要是從耕地自然條件、立地條件、經濟效益等方面入手，確定耕地質量綜合評價指標[2-4]，利用熵權法[5-6]或層次分析法[7-9]等進行賦權從而獲得耕地質量綜合評價體系，采取綜合評分的方法對耕地進行分值從高到低的排列從而確定高標準農田的建設范圍和時序。另一方面，從耕地的空間分布以及建設時序考慮出發，部分學者在綜合評價耕地質量的基礎上，提出了利用理想點逼近法[10-11]、四象限法[12-13]等方法實現最優地塊的篩選以及建設分區和時序的合理安排。但上述研究中在確定評價體系時沒有考慮到高標準農田定義中對耕地高產穩產的要求，且對耕地空間分布模式考慮不足。

為彌補上述研究的不足，本文以河南省焦作市為例，在對耕地進行綜合質量評價時引入綜合土體利用系數這一指標以反映耕地潛在產量水平，并利用層次分析法對各指標權重賦權。在此基礎上利用理想點逼近法和局部空間自相關分析實現耕地質量、規模和空間分布的耦合，以期為高標準農田的劃定提供參考。

1 研究區概況與數據

1.1 研究區概況

焦作市地處河南省西北部，北依太行與山西省搭界，南臨黃河與鄭州、洛陽相望，東與新鄉接壤，西與濟源毗鄰；位于35°10′～35°21′N、113°4′～113°26′E，市域東西長約102.05 km，南北寬約75.43 km，面積4 001 km2。根據焦作市土地利用總體規劃(2006—2020年)，耕地面積為195 339 hm2，約占全市土地總面積的48.82%，其中旱地為14 322.02 hm2，水澆地為177 961.92 hm2，水田為3 055.01 hm2。焦作市雖然耕地面積較大，但人均耕地僅為0.05 hm2，低于河南省人均耕地水平，是典型的人多地少區域。另外，由于地理條件的限制和社會經濟的發展，焦作市耕地總面積逐年減少，不能滿足農業發展的需要，成為重要的社會問題。因此，對于焦作市這樣地貌比較復雜的區域，不應采用全國一刀切的標準，應根據該市實際情況劃定高標準農田區域。

1.2 數據來源及處理

研究基礎數據包括：①2010年焦作市耕地分等定級成果數據，主要獲取自然等指數、綜合土地利用系數以及耕地數量和分布情況。②焦作市2015年統計年鑒及相關農業統計資料，提取涉及的社會、經濟等統計數據。③焦作市土地利用現狀和線狀地物圖，主要用來計算耕地圖斑與城鎮建設用地、農村居民區和主干道的距離。

對收集的基礎數據進行以下預處理：檢查數據來源，與相關部門核實數據可靠性，確保計量單位統一、規范，進行資料梳理；所有圖件資料通過數據格式轉換，地圖投影及坐標校正，統一為ArcGIS格式，坐標系采用1980西安平面坐標系和1985國家高程基準，圖件數據涵蓋整個研究區域。分析軟件選用ArcGIS 10.2以及GeoDa 1.6.7。

2 研究方法

2.1 耕地綜合質量評價

2.1.1 評價單元與指標體系

高標準農田建設的對象包括原有基本農田和新劃定的基本農田[1]，為充分考慮兩種類型，結合實際情況，以焦作市2013年耕地分等定級數據庫中的耕地圖斑作為評價基本單元，最終確定45 909個評價單元。

為客觀科學反映耕地的實際質量水平，根據高標準農田的定義并參考《河南省農用地分等成果完善技術報告》中所確立的耕地質量評價指標體系，同時考慮到評價指標的可操作性和可推廣性，從土壤理化性質、立地條件及基礎設施、高產穩產、耕作便捷度和發展穩定性等方面反映耕地綜合質量水平[14-15](表1)。由于耕地自然等指數可以綜合準確地反映土壤有機質含量、有效土層厚度和表層土壤質地等理化性質，以及面坡度、巖石露頭度以及灌溉保證率等耕作條件和基礎設施條件，綜合土地利用系數可以反映耕地的潛在產量水平，所以選取耕地自然等指數和綜合土地利用系數作為評價指標以保證被劃入高標準農田的耕地的自然質量及高產穩產。綜合土地利用系數計算公式為

(1)

式中Yij——各行政村(樣點)的標準糧實際產量Yj,max——指標區內最大標準糧產量

耕作便捷度主要通過耕地與主干道以及農村居民點的距離來反映其差異性[16-17]；對于發展穩定性，主要考慮到耕地與城鎮建設用地的距離，距離越小穩定性越差[18]。由于數據缺失，暫無法全方位考慮生態狀況、耕地抗災能力等指標。

表1 焦作市耕地綜合評價體系

2.1.2 層次分析法確定指標權重

層次分析法(Analytic hierarchy process,AHP)是一種系統分析法，它為分析由相互關聯、相互制約的眾多因素構成的復雜系統問題提供了簡便而實用的決策方法[19]。本文首先通過建立準則層比較矩陣，確定準則層相對目標層的權重，然后建立指標層比較矩陣，確定指標層相對準則層的權重，最后確定指標層相對目標層的權重。

根據以上步驟，確定的縣域高標準農田建設評價指標體系及權重見表2，各比較矩陣均通過了一致性檢驗，得到的權重可直接用于耕地綜合質量評價。

表2 耕地綜合評價指標權重

2.2 理想點逼近法

本文采用理想點逼近法進行評價，通過檢測評價對象與最優解、最劣解的距離來進行排序，若評價對象最靠近最優解同時又最遠離最劣解，則為最好，否則為最差[20]。

設評價指標n個，被評價的耕地單元m個，rij表示第j個指標下第i個圖斑的指標值，rij,min表示最小指標值，rij,max表示最大指標值。則具體計算步驟如下：

歸一化處理

(2)

計算各耕地圖斑與最優方案及最劣方案的距離

(3)

(4)

計算各耕地圖斑與最優方案的接近程度

(5)

式中0≤ci≤1，ci越接近1，表示該圖斑與最優方案越接近，即ci較大的耕地圖斑質量較優。

2.3 局部空間自相關分析

2.3.1 確定空間權重

空間權重是進行空間自相關分析的前提和基礎。目前確定空間權重矩陣的方法主要有基于鄰接關系和基于距離關系2種。出于對局部空間自相關系數穩定性以及數據誤差的考慮，通過對比不同確定空間權重矩陣方法所獲得的全局Moran’sI指數的直方圖和信度間隔，得到k=9時的K最近點權重(K-nearest)方法獲得的直方圖比較集中，且信度間隔變異較小，受空間屬性值的影響也較小[21]，因此本文利用K-nearest方法確定空間權重。

2.3.2 局部空間自相關

任何事物之間存在相關性是絕對的，相近事物的相關性要高于相遠事物，而空間自相關分析是探索地理實體之間相關性(空間自相關)的重要工具和手段。耕地作為地理實體，其在空間上也必然存在一定的分布規律，從探索耕地質量空間分布特征的角度出發，揭示耕地質量或數量在空間上的聚集性或離散型特征，能有效地契合基本農田建設中更注重集中連片性開發與建設的要旨。

本文采用局部空間自相關指數來表征耕地質量空間分布上的關聯特性，其表達式為

(6)

其中

(7)

結合局部空間自相關指數與Moran散點圖，將空間格局可視化[22]。Moran散點圖分為4個象限，分別代表4種不同的關聯類型，其中第1、3象限為正相關類型，分別用HH與LL表達，第2、4象限為負相關類型，分別用HL與LH表達。

3 結果與分析

3.1 理想點逼近法計算結果與分析

圖1為利用層次分析法確定評價指標權重后再利用理想點逼近法獲得的耕地綜合質量空間分布圖。從空間分布來看，全市耕地連片性較好，僅在北部地區出現了耕地圖斑較為破碎的現象，這與該地區的地形地貌關系密切。質量較優的耕地分布較為集中，多在東南部的武陟縣，東部的修武縣，南部的溫縣，以及沁陽市和博愛縣的東南部。總體而言，市域中部、東部及南部是農業發展相對集中區域，地勢較為平坦，耕作基礎設施條件較好，臨近沁河，灌溉條件優越；同時，東部地區行政村轄區較小，村莊與耕地分布相對集中，農戶耕作距離較短，更有利于耕作便利程度的提高；另外，該地區交通發達，社會經濟條件較好。北部是丘陵地區，區域內耕地多來源于對坡地和林地的開墾，耕作自然狀況相對較差，土地利用類型以旱地為主；同時，該區域行政村轄區較大，村莊與耕地分布相對零散，加之受地形地貌影響，農戶耕作距離較遠，雖然交通也比較便利，但其距離城鎮發達地區較近，發展穩定性較差。

圖1 基于層次分析法的理想點逼近法所得的耕地綜合質量空間分布Fig.1 Spatial distribution of comprehensive land quality by TOPSIS based on AHP

3.2 局部空間自相關結果與分析

全市局部空間自相關指數為0.979 8，該市耕地質量在空間分布上表現出較強的正相關性。屬于正相關類型HH與LL的面積分別為93 246.41 hm2與27 211.67 hm2，累計占耕地總面積的61.665%；還有4.02 hm2和59.71 hm2分別屬于負相關類型中的LH和HL型，兩者累計占0.034%；另有74 817.14 hm2耕地沒有顯著自相關特征，占耕地總面積的38.301%。因此正相關類型占主導地位(表3)。

表3 焦作市耕地局部空間自相關類型

從空間分布上來看，HH型耕地大多分布在焦作市的中部、東部和南部，與高分值耕地空間分布格局基本一致。HH 型區域內耕地質量普遍較高，局部區域之間空間正相關性強烈，整體空間連通性較好，覆蓋范圍較廣；LL型耕地多處在焦作市的西部和北部，在其他各縣也都有零散的分布。LL型區域內耕地質量普遍較低，空間覆蓋范圍相對來說不如HH型集中；LH型及HL型耕地分布比較零散，其中HL型在全市零星分布，一般與HH型和HL型相鄰，而LH型大多分布在HH型周圍，與其有著較好的空間連片性(圖2)。

圖2 焦作市耕地質量空間關聯聚集圖Fig.2 Spatial correlation of cultivated land quality in Jiaozuo City

將局部空間自相關類型劃分結果同耕地質量綜合評價分級結果進行疊加對比，得到表4。從數量上反映，有47 251.49 hm2的1級耕地與耕地質量局部空間自相關HH 型保持了空間一致性，占到全縣1級耕地總面積的99.72%，僅0.28%的一級耕地落入無顯著特征型；市域范圍內，分別有45 994.92、59.71 hm2的2級耕地與HH、HL型保持了較好的一致性，兩者分別占到全縣2級耕地總面積的55.36%、0.07%，另有44.57%的2級耕地落入無顯著特征型區域；市域內無3、4、5級耕地落入HH和HL型，其中3級耕地有29.67%、70.32%分別落入LL型、無顯著特征型區域，面積分別為15 888.70、37 659.34 hm2，有極少數落入LH型，為4.02 hm2；4級耕地主要落入了LL型，面積為9 339.76 hm2，占到了全市4級耕地面積的99.99%，另有極少部分落入無顯著特征型區域；5級耕地與4級類似，全部落入LL型，面積為1 983.20 hm2(表4)。

表4 焦作市耕地質量級別與自相關類型對比

總體而言，絕大部分優質耕地與HH型保持了較好的空間一致性，而大部分劣質耕地則落入LL型區域；耕地質量的局部空間自相關結果與耕地質量評價結果基本一致。同時，由于局部空間自相關考慮了耕地質量在空間上的分布特征或聚集性規律，耕地質量屬性與空間屬性保持了較好的統一，可為高標準農田建設分區提供數據基礎和空間依據。

3.3 高標準農田建設區域劃定

根據局部空間自相關分析的結果，將焦作市耕地分為優先劃定區、適宜調入區、后備調控區和縮減退出區(圖3)。各建設分區耕地面積與整治時序見表5。

圖3 焦作市高標準農田建設分區圖Fig.3 Zoning map of well-facilitied capital farmland in Jiaozuo City

3.3.1 優先劃定區

優先劃定區耕地綜合質量得分在0.70～0.90之間，局部空間自相關類型為HH型。該類型耕地面積比例較大，且空間上聚集性顯著，主要集中分布于研究區中部、東部和南部。該區域耕地規整、連片性好，利于大規模機械化作業和集中管理，基礎設施完善，多位于農業和經濟發達的區域，區位條件好，且耕地自然質量等級較高，呈現聚集分布，耕地產能高，土地整治難度小。另外，這些區域為河流聚匯處，土壤肥沃，地勢較低平，交通便利，是高標準農田建設的理想區域。因此應優先劃入高標準農田建設區域，嚴格禁止非農建設，在最短的時間內建設成高標準農田，保障糧食安全。

3.3.2 適宜調入區

適宜調入區耕地綜合質量得分在0.70～0.82之間，局部空間自相關類型為LH型和無顯著特征型。這類耕地質量較高，但與優先劃定區耕地相比整體稍低。該區域內的無顯著特征型耕地大多分布在HH型周圍，與其保持了良好的連片性，因此可以作為適宜調入的耕地，在優先開發優先劃定區的基礎上，與優先劃定區形成集中連片式開發建設，夯實耕地質量在空間分布上所表現出的高-高關聯特性，進一步提高優質耕地的空間聚集規模。

3.3.3 后備調控區

后備調控區耕地綜合質量得分在0.52～0.70之間，局部空間自相關類型為HL型和無顯著特征型。該區域內屬于無顯著特征型的耕地綜合質量偏低，且該區域耕地與優先劃定區耕地連片性較差，多處在適宜調入區和縮減退出區之間，土地整治難度大，需要投入更多的人力、物力和財力，在建設時序安排上應該靠后，可在完成對優先劃定區和適宜調入區的高標準農田的建設后，綜合考慮財政支持和實際需要等進行建設。

3.3.4 縮減退出區

縮減退出區耕地綜合質量得分在0.25～0.52之間，局部空間自相關類型為LL型。從空間分布上來看，該區域耕地大多分布于北部的山區。受地形地貌的影響，該地區耕地較為破碎，理化性質、立地條件以及基礎設施都較差。因此該區域土地整治投入大，不適宜建設高標準農田，可作為耕地后備資源開發整治。

表5 焦作市高標準農田建設分區及整治措施

4 結論

按照國家對高標準農田建設區域的基本要求，構建了耕地綜合質量評價的指標體系，并利用層次分析法確定評價指標權重。再利用理想點逼近法對耕地進行綜合質量評價，并對結果進行局部空間自相關分析。最后根據局部空間自相關分析的結果劃定了研究區的高標準農田建設區域與建設時序安排。得到以下結論：

(1)焦作市耕地質量在空間分布上體現出了較強的正相關性，屬于正相關的耕地面積達到了耕地總面積的61.665%。另外，全市耕地質量局部空間自相關結果與耕地質量評價結果保持了較好的空間一致性，99.72%的1級耕地落入HH 型區域，而100%的5級耕地落入LL型區域，較為有效地實現了耕地質量屬性與空間屬性的統一。

(2)根據局部空間自相關結果將全市劃分為高標準農田建設優先劃定區、適宜調入區、后備調控區和縮減退出區，分別占到全縣耕地總面積的47.74%、19.05%、19.28%和13.93%。根據不同空間自相關類型的特征，提出了相應整治措施和建設時序安排。耕地數量、耕地質量與空間聚集特性三者之間的關系在分區方案實現了較好的統一，為高標準農田建設分區提供了切實可行的依據。

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Well-facilitied Capital Farmland Assignment Based on Land Quality Evaluation and LISA

YANG Jianyu1,2DU Zhenrong1,2DU Zhenbo1HUANG Jingyao1ZHAO Long1ZHU Dehai1,2

(1.CollegeofInformationandElectricalEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China2.KeyLaboratoryforAgriculturalLandQuality,MonitoringandControl,MinistryofLandandResources,Beijing100035,China)

Well-facilitied capital farmland construction is an important measure to optimize the farmland spatial layout and improve the farmland infrastructure, and it also plays an important role in guaranteeing national food safety and modern agriculture development. Moreover, it could help to increase the cultivated land quality and productive capacity. Scientific and reasonable zoning of the construction area is an essential step of the construction itself. Therefore, taking Jiaozuo City, Henan Province as an example, the comprehensive quality evaluation system of cultivated land was built, and then the weight of each evaluation index was calculated by means of analytic hierarchy process (AHP). Then through coupling with technique for order preference by similarity to an ideal solution (TOPSIS) and local indicators of spatial association (LISA), some suggestions for construction of well-facilitied capital farmland zoning and timing sequence were put forward. The result showed that the overall quality of cultivated land in Jiaozuo City was good and it showed a strong positive correlation in spatial distribution. The area of cultivated land belonging to positive correlation reached 61.665% of the total cultivated land area. Besides, cultivated land quality attributes and spatial attributes were uniform. Using local indicators of spatial association, cultivated land can be divided into four well-facilitied capital farmland construction areas. According to the characteristics of different spatial autocorrelation types, the corresponding remedial measures and construction timing were put forward. With comprehensive consideration of the cultivated land in all kinds of properties, the research can provide basis for construction of well-facilitied capital farmland planning.

farmland quality; well-facilitied capital farmland; TOPSIS; LISA

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.06.014

2016-11-04

2017-01-09

國土資源部公益性行業科研專項(201511010-06)

楊建宇(1974—)，男，教授，博士生導師，主要從事3S技術及其土地應用研究，E-mail： ycjyyang@cau.edu.cn

F301.21

A

1000-1298(2017)06-0109-07