基于耦合協(xié)調度模型的高標準農田建設項目區(qū)優(yōu)選研究

張合兵 趙素霞 陳寧麗 張秋霞

(1.河南理工大學測繪與國土信息工程學院， 焦作 454000； 2.華北水利水電大學法學與公共管理學院， 鄭州 450046)

0 引言

隨著我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，耕地數量尤其是優(yōu)質耕地數量急劇減少，開展高標準農田建設和整治，對提升我國糧食安全保障水平、促進新型農業(yè)現代化乃至全面建成小康社會至關重要。2008年以來，我國出臺的《十三五規(guī)劃綱要》、《國土資源“十三五”規(guī)劃綱要》等相關文件對建設高標準農田做出一系列部署。十三五期間要對基本農田實行特殊保護，全面劃定永久基本農田，大規(guī)模推進農田水利、土地整治、中低產田的改造和高標準農田建設，以項目為載體建設2 666.67萬hm2高標準農田；十三五期末確保建成高標準農田5 333.33萬hm2，力爭6 666.67萬hm2，這些都說明加快推進高標準農田建設迫在眉睫。但目前高標準農田建設還存在建設標準、建設區(qū)域不明確，建設規(guī)劃、布局、時序不明晰，項目選址不科學等問題，亟需進一步深化研究。

目前，國內研究主要集中在通過構建評價指標體系、評價模型，對高標準農田建設的可行性[1]、建設時序[2-5]、建設模式[6-8]、區(qū)域劃定[9-11]、耕地綜合質量與建設難度[12]和建設后效應[13]進行研究，主要通過四象限法[14-15]、限制因素組合法[16]及應用可變模糊集理論[17]開展建設區(qū)域研究。但對高標準農田項目區(qū)的選址方面的研究還不夠深入。鑒于此，本文以新鄭市為研究區(qū)域，開展基于耦合協(xié)調度的高標準農田建設項目區(qū)優(yōu)選研究，解決高標準農田整治中區(qū)域不明晰、項目區(qū)選址不合理等問題，提高項目區(qū)選址科學性，以期為高標準農田建設項目規(guī)劃實施提供參考。

1 研究區(qū)概況與數據來源

1.1 研究區(qū)概況

新鄭市地處鄭州市東南部，位于東經113°30′～113°54′、北緯34°16′～34°39′之間。地勢西部、中部稍高，東部、南北較低。地貌類型主要有山地、丘陵、崗地和平原等。新鄭市土壤類型多樣，具有褐土、潮土和風砂土3個類型，新鄭市2015年土地總面積88 459.15 hm2，其中耕地面積54 166.98 hm2(包含田坎、溝渠和農村道路)，2015年全市總人口84.02萬人，其中城鎮(zhèn)人口40.72萬人。

1.2 數據來源

本研究數據來源于新鄭市土地利用變更數據庫(2015年)、《新鄭市土地利用總體規(guī)劃(2009—2020)》及其數據庫、《新鄭市城鄉(xiāng)總體規(guī)劃(2009—2030年)》、《新鄭市土地整治規(guī)劃(2011—2020年)》及其數據庫、新鄭市農用地分等成果、新鄭市第二次土壤普查、空間分辨率為2.5 m的Spot遙感影像、土壤污染調查數據、基礎地理數據、地球化學調查數據、土壤圖、地形圖、DEM數據和氣象資料，人口數據來自2016年《新鄭市統(tǒng)計年鑒》。

2 研究方法與模型構建

2.1 研究思路

通過分別建立高標準農田建設適宜性和空間穩(wěn)定性評價指標體系及評價模型，對區(qū)域耕地單元的建設適宜性和空間穩(wěn)定性進行評價，在此基礎上，建立高標準農田建設適宜性與空間穩(wěn)定性的耦合協(xié)調度評價模型，進行高標準農田建設區(qū)域評價和遴選，最終形成建設項目區(qū)，為高標準農田建設項目決策提供決策依據。

2.2 評價單元劃分

評價單元的劃分是進行高標準農田建設評價的基礎，評價單元既要反映地貌類型、土壤類型及土地利用現狀等一致或相對一致的特征，又反映內部屬性特征的一致性。按照高標準農田建設要求，其各項建設需落實到具體的地塊，本研究確定以地塊即耕地圖斑為評價單元，同時地塊也是數據庫管理的單元，對指導每個地塊的建設方向更加明確、易于操作。以2015年土地利用變更數據為依據，利用ArcGIS軟件提取耕地圖斑，以耕地圖斑為評價單元，并將碎小圖斑合并到周圍耕地圖斑中，最終形成17 960個評價單元。

2.3 高標準農田建設適宜性和空間穩(wěn)定性評價指標體系構建

2.3.1評價指標體系構建

高標準農田建設受自然條件、基礎設施條件、行政決策、規(guī)劃控制、生態(tài)狀況等因素的制約，必須全方位、多角度對高標準農田建設難易程度狀況進行分析。依據《高標準農田建設通則》(GB/T 30600—2014)相關要求，本文從自然稟賦、基礎設施條件、耕地形態(tài)等3個方面，區(qū)位條件、耕地性狀、規(guī)劃控制與生態(tài)狀況等4個方面建立高標準農田建設適宜性、空間穩(wěn)定性評價指標體系(表1)。

2.3.2評價指標標準化

在進行評價時，由于評價指標的來源、單位不同，需要對評價指標進行標準化處理，使指標間可進行直接比較。本文依據評價指標屬性和內在特點，采用極差標準化法、閾值型賦值法[1]及經驗法對評價指標進行標準化，各指標標準化方法見表2。

2.3.3評價指標權重確定

對于高標準農田建設適宜性和穩(wěn)定性評價，選取的評價指標都會對評價結果產生不同程度的影響，因此，確定各評價指標權重至關重要。目前，主觀賦權法完全依據決策者的專業(yè)知識和經驗，具有較強主觀性，易造成邏輯混亂、評價態(tài)度單一等問題。客觀賦權方法通過客觀計算形成權重，避免了人為因素干擾，但實測數據有時會出現一定誤差，不能充分反映指標間的差異程度及重要程度。因此，本研究采用主觀賦權法(熵權法)與客觀賦權法(層次分析法)相結合的組合賦權法確定評價指標的權重，各權重見表1。

表1 高標準農田建設適宜性與建設空間穩(wěn)定性 評價指標體系 Tab.1 Suitability and spatial stability evaluation index system of well-facilitied farmland construction

2.4 高標準農田建設適宜性和空間穩(wěn)定性評價模型確定及其分級

高標準農田建設適宜性和穩(wěn)定性評價是多目標決策的過程，本文采用綜合指數法模型[19]進行適宜性評價，采用逼近理想點法模型[20]進行空間穩(wěn)定性評價；在評價基礎上，采用自然斷裂點方法按照高度適宜、中度適宜、低度適宜及不適宜，高度穩(wěn)定、中度穩(wěn)定、低度穩(wěn)定與不穩(wěn)定4個等級對適宜性和穩(wěn)定性進行分級。

2.5 基于耦合協(xié)調度的高標準農田建設項目區(qū)優(yōu)選模型構建

耦合是通過對系統(tǒng)關系的研究，揭示要素或系統(tǒng)間相互作用及聯(lián)合的現象，是子系統(tǒng)間或系統(tǒng)內要素之間相互脅迫、相互影響的關聯(lián)關系[21]。耦合協(xié)調度是衡量系統(tǒng)耦合協(xié)調發(fā)展狀況的依據[22]。

表2 評價指標分值 Tab.2 Values of evaluation index

注：yij為標準化值，xij為評價因子的實際值，max(xj)、min(xj)為第j項評價因子的最大值與最小值。

高標準農田建設項目區(qū)優(yōu)選是解決高標準農田的選址問題，本文利用耦合協(xié)調度數學計算方法，構建基于耦合協(xié)調度的高標準農田建設項目區(qū)優(yōu)選模型，通過計算評價單元的耦合協(xié)調度指數，反映區(qū)域高標準農田建設適宜性與穩(wěn)定性狀況的協(xié)調程度，判斷不同區(qū)域高標準農田建設的難易程度，以此為基礎遴選確定高標準農田建設項目區(qū)，并進行排序，為項目決策和實施提供依據。具體計算步驟如下：

計算高標準農田建設適宜性和空間穩(wěn)定性耦合度指數

(1)

式中C——高標準農田建設適宜性和空間穩(wěn)定性耦合度指數

N(x)——建設適宜性評價綜合指數

M(y)——建設空間穩(wěn)定性評價綜合指數

k——調節(jié)系數，取k=2

計算建設適宜性與空間穩(wěn)定性綜合協(xié)調指數

T=αN(x)+βM(y)

(2)

式中T——高標準農田建設適宜性和空間穩(wěn)定性綜合協(xié)調指數

α、β——待定權數，分別取0.5

計算建設適宜性與空間穩(wěn)定性耦合協(xié)調度指數

(3)

式中D——高標準農田建設適宜性和空間穩(wěn)定性耦合協(xié)調度指數

耦合協(xié)調度指數越高，建設適宜性與建設空間穩(wěn)定性的總體協(xié)調發(fā)展水平越高，表明兩者的耦合關系越協(xié)調。

2.6 高標準農田建設區(qū)域適宜性和穩(wěn)定性耦合協(xié)調度分級及項目遴選

在計算耦合協(xié)調度基礎上，按照優(yōu)質、良好、中級、勉強協(xié)調發(fā)展類對高標準農田建設適宜性與空間穩(wěn)定性耦合協(xié)調度進行分級(表3)，等級差異反映了二者的組合方式，也代表了高標準農田建設區(qū)域的難易程度。

表3 高標準農田建設區(qū)域適宜性和穩(wěn)定性耦合協(xié)調度分級 Tab.3 Coupling coordination degree classification of suitability and stability of well-facilitied farmland

在分析高標準農田建設難易程度基礎上，以上級下達區(qū)域高標準農田建設規(guī)模目標為前提，根據不同區(qū)域高標準農田建設難易程度的差異、空間分布及其積聚程度，遴選高標準農田建設重點區(qū)域，確定建設項目區(qū)，并進行排序。

3 結果分析

3.1 適宜性分析

經分析，研究區(qū)高標準農田建設適宜程度整體較高，如圖1所示。高度適宜建設區(qū)面積最大，為30 361.26 hm2，占耕地總面積的56.05%，主要分布于市域南部和西北部，集中觀音寺鎮(zhèn)、城關鄉(xiāng)、梨河鎮(zhèn)、辛店鎮(zhèn)、龍湖鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)；中度適宜建設區(qū)面積為19 618.97 hm2，所占比例為36.22%，集中分布于郭店鎮(zhèn)南部、新村鎮(zhèn)西部、薛店鎮(zhèn)、八千鄉(xiāng)、龍王鄉(xiāng)、孟莊鎮(zhèn)等區(qū)域；低度適宜建設區(qū)面積為4 123.32 hm2，所占比例為7.61%，主要位于市域東部，呈現破碎化趨勢，分布在和莊鎮(zhèn)京廣鐵路沿線、薛店鎮(zhèn)東部等區(qū)域。不適宜建設區(qū)面積為63.43 hm2，所占比例為0.12%，分布較零散，集中連片性差，薛店鎮(zhèn)較多，其余各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有零星分布。

3.2 空間穩(wěn)定性分析

研究區(qū)高標準農田建設空間穩(wěn)定性較高區(qū)域主要分布于市域南部和北部，見圖2。其中，高度穩(wěn)定等級面積最大，為20 815.38 hm2，占耕地總面積的38.43%，集中分布在辛店鎮(zhèn)、觀音寺鎮(zhèn)、梨河鎮(zhèn)東南部、八千鄉(xiāng)南部、孟莊鎮(zhèn)西部、龍湖鎮(zhèn)西部等區(qū)域；中度穩(wěn)定等級面積為14 550.51 hm2，所占比例為26.86%，包括觀音寺鎮(zhèn)中部、梨河鎮(zhèn)中部、新村鎮(zhèn)西南部、城關鄉(xiāng)北部、辛店鎮(zhèn)東北等區(qū)域，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)有零星分布；低度穩(wěn)定等級面積為10 208.39 hm2，所占比例為18.85%，集中分布在中心城區(qū)北部，包括八千鄉(xiāng)北部、和莊鎮(zhèn)北部、新村鎮(zhèn)東部及中北部、郭店鎮(zhèn)中南部、薛店鎮(zhèn)東南部、龍王鄉(xiāng)中部等區(qū)域；不穩(wěn)定等級面積為8 592.70 hm2，所占比例為15.86%，主要位于市域中東部和北部，其余區(qū)域零星分布。

圖1 高標準農田建設適宜性空間分布圖 Fig.1 Grade map of construction suitability

圖2 高標準農田建設空間穩(wěn)定性空間分布圖 Fig.2 Grade map of construction spatial stability

3.3 適宜性和空間穩(wěn)定性耦合協(xié)調度分析

3.3.1耦合協(xié)調度計算

適宜性和空間穩(wěn)定性耦合度指數C為

其中

A=N(x)M(y)=

高標準農田建設適宜性和空間穩(wěn)定性綜合協(xié)調指數T為

高標準農田建設適宜性和空間穩(wěn)定性耦合協(xié)調度指數D為

3.3.2耦合協(xié)調度分級及空間特征

經分析，全市高標準農田建設適宜性和空間穩(wěn)定性耦合協(xié)調度等級為優(yōu)質協(xié)調發(fā)展類(建設難易程度為基本具備)所占面積最大，為33 731.84 hm2，占耕地總面積的62.28%，包括10 080個評價單元，主要集中于全市南部和北部，包括辛店鎮(zhèn)、觀音寺鎮(zhèn)、城關鄉(xiāng)、梨河鎮(zhèn)、八千鄉(xiāng)南部、龍湖鎮(zhèn)中西部、郭店鎮(zhèn)東部、孟莊鎮(zhèn)西部等，該區(qū)域建設適宜性與建設空間穩(wěn)定性均較高。

耦合協(xié)調度等級為良好協(xié)調發(fā)展類(建設難易程度為稍加改造)面積為1 616.45 hm2，所占比例為2.98%，包含893個評價單元，該等級所占面積較小，分布較分散，建設適宜性和空間穩(wěn)定性稍差。

耦合協(xié)調度等級為中級協(xié)調發(fā)展類(建設難易程度為全面整治)面積較小，為8 997.74 hm2，所占比例為16.61%，包含3 084個評價單元，集中分布于研究區(qū)中部，主要分布在郭店鎮(zhèn)中南部、新村鎮(zhèn)中東部、和莊鎮(zhèn)、八千鄉(xiāng)北部、薛店鎮(zhèn)南部等區(qū)域，該區(qū)域建設空間穩(wěn)定性較低，建設適宜性稍高，自然基礎較差。

耦合協(xié)調度等級為勉強協(xié)調發(fā)展類(不適宜建設)面積為9 820.95 hm2，所占比例為18.13%，包括3 903個評價單元，主要分布于中心城區(qū)和產業(yè)集聚區(qū)周邊，集中在龍王鄉(xiāng)、孟莊鎮(zhèn)東部等區(qū)域，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)有零星分布，該區(qū)域受城市、土地規(guī)劃約束，建設空間穩(wěn)定性較低，不適宜建設高標準農田。具體統(tǒng)計和分布見表4和圖3。

表4 高標準農田建設適宜性和空間穩(wěn)定性耦合協(xié)調度分級統(tǒng)計 Tab.4 Statistics of coupling coordination degree of suitability and stability of well-facilitied farmland

圖3 高標準農田建設耦合協(xié)調度等級空間分布圖 Fig.3 Coupling coordination degree distribution map of well-facilitied farmland construction

3.3.3新鄭市高標準農田建設項目區(qū)遴選

按照國土資源部《高標準基本農田建設標準》(TD/T 1033—2012)、《高標準農田建設通則》(GB/T 30600—2014)、《高標準農田建設評價規(guī)范》(GB/T 33130—2016)對高標準農田建設區(qū)域的要求，以集中連片、高產穩(wěn)產、生態(tài)良好、設施配套等為原則，綜合考慮上級下達新鄭市高標準農田建設規(guī)模任務、耦合協(xié)調度分級、空間積聚特征、自然條件及區(qū)位條件，確定了5個高標準農田建設項目，高標準農田建設項目共涉及新村鎮(zhèn)、城關鄉(xiāng)、觀音寺鎮(zhèn)、梨河鎮(zhèn)、八千鄉(xiāng)及辛店鎮(zhèn)等6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，項目建設總規(guī)模3 591.18 hm2，項目實施后可建成高標準農田面積3 455.87 hm2(圖4、表5)。

圖4 高標準農田建設項目區(qū)規(guī)劃圖 Fig.4 Projectplan map of well-facilitied farmland construction

4 結論

(1)在對新鄭市高標準農田建設適宜性和穩(wěn)定性評價基礎上，通過對適宜性與空間穩(wěn)定性耦合協(xié)調度分析及其分級，明確了區(qū)域高標準農田建設適宜性與空間穩(wěn)定性耦合協(xié)調度空間分布特征，理清了建設難易程度，分析了建設難易程度的空間集聚特征，確定了高標準農田建設項目區(qū)，為項目選址提供了科學決策依據。

表5 新鄭市高標準農田建設項目規(guī)劃 Tab.5 Plan of well-facilitied farmland construction of Xinzheng City

(2)高標準農田建設項目區(qū)選取遴選受多種因素影響，除受自然稟賦條件因素限制外，更受區(qū)位條件、區(qū)域社會經濟因素的影響，土地、城鎮(zhèn)規(guī)劃建設因素對建設空間穩(wěn)定性影響最大。