華北平原農田耕作便利度評價研究

任艷敏 劉 玉 潘瑜春 胡月明

(1.北京農業信息技術研究中心， 北京 100097； 2.國家農業信息化工程技術研究中心， 北京 100097；3.農業部農業信息技術重點實驗室， 北京 100097； 4.華南農業大學信息學院， 廣州 510642)

0 引言

耕作便利是表征農田綜合質量的重要因素，已被廣泛應用于耕地質量評價、基本農田劃定、高標準農田建設布局等[1-2]。近年來，我國高度重視高標準農田建設，力圖通過大規模建設高標準農田，整體提升農田的土地平整度、集中連片度、設施完善度等，進而提升農田耕作便利度，使之適應于現代農業的生產和經營方式[3]。提升農田耕作便利度是農業機械化推廣應用和農業規模經營的前提和基礎，而這需要對耕作便利度進行準確評價并對其提升路徑進行科學設計。為準確反映現代農業發展對耕作便利條件的現實要求，基于農業機械效率視角構建農田耕作便利度評價模型與方法，可為耕地質量評價、高標準農田建設項目選址與績效評估等提供技術支持和方法參考。

以往研究中，耕作便利度大多采用耕作距離進行表征[4-5]，其內涵是指農村居民點到耕作田塊的距離，與過去分散的家庭經營方式相適應，但不能準確表征機械化耕作背景下現代農業生產經營對耕作便利條件的全面要求。已有學者開始嘗試包含田塊連片度、耕作距離和田間道路通達度等指標的耕作便利度綜合評價研究[6]，但部分指標未能充分反映現代農業機械化耕作的現實情況：①作為影響連續化耕作和耕作效率發揮的關鍵指標，通常采用人為設定距離閾值法判定田塊連片度[7-8]，未形成客觀、定量的連片距離閾值設定方法；且未考慮河流、建設用地等地理要素對農業機械通行的阻礙影響。②耕作距離常采用農村居民點與田塊的歐氏距離表征[9]，該方法計算簡單、含意明確、應用廣泛。但在實際中，農戶通過不同運輸能力的道路網往返于農村居民點與田塊之間，采用到達田塊所需的實際時間或費用來表征耕作距離更符合實際。③田間道路通達度影響著農業生產物質的運輸能力以及機械耕作效率，以往多采用“集中連片的田塊中，田間道路直接通達的田塊數與田塊總數的比值”進行指標值獲取[3]。該方法計算簡單，但未區分田間道路數量與等級對農業物資輸入輸出能力的影響。

基于此，本研究以耕作田塊為單元，按照現代農業機械化發展要求界定農田耕作便利度，重點研究耕作便利度評價指標體系構建和關鍵指標值獲取方法，作為傳統耕地質量評價的有益補充，以期服務于耕地質量綜合評價和高標準農田建設項目選址與績效評估等。

1 研究方法

耕作便利度是指田塊在農業耕作生產中的便利程度，不僅包括田間生產的便利程度，還包括居民點到達田塊的便利程度。《全國農業機械化發展第十三個五年規劃》指出，到2020 年，主要農作物生產全程機械化取得顯著進展；在華北平原地區，重點鞏固提高小麥生產全程機械化質量效益，全面實現玉米生產全程機械化。考慮到平原區現代農業生產主要依靠機械化[10]，故將農田耕作便利度限定在便于農業機械效率的發揮方面，即在農田耕作過程中影響農業機械化作業效率發揮的程度，包括田間機械作業效率和居住地到田間地頭的機械通行效率2方面。

1.1 影響因素分析與評價指標體系構建

基于界定的農田耕作便利度以及GB/T 28405—2012《農用地定級規程》中農用地定級備選因子關于耕作便利條件評價指標的分析[11]，從土地平整、集中連片、交通便利和其他條件4方面構建耕作便利度評價指標體系(表1)。其中，土地平整、集中連片和其他條件主要影響田間作業效率，交通便利主要影響機械通行效率。

(1)土地平整

土地平整程度與機械化水平、田間耕作便利度、水土保持及土壤肥力等密切相關[12]，直接影響著農作物的生長發育和農業機械耕作效率。本研究選取地形坡度和田面平整度來表征土地的平整狀況。地形坡度越大、田面平整度越差，越不利于田間機械化作業，耕作效率越低，導致農戶對農田的投入意愿和水平降低、作物減產[13]。

表1 農田耕作便利度評價指標體系Tab.1 Evaluation indexes of farming convenience degree for farmland

(2)集中連片

田塊自身的大小、方向、形狀以及田塊之間的連片程度對耕作便利程度和機械效率的發揮均有影響，是農田耕作便利度的重要表征指標。已有研究表明[14]，田塊面積越大、工作單程越長、形狀越規則，農業機械純作業時間占總作業時間的比重越大，用于機械掉頭等無效時間越少，田間作業效率越高；耕作田塊是否連片直接影響著農業機械能否在田間進行連續化作業，進而影響耕作效率。

(3)交通便利

現代農業生產與經營需要在適度規模基礎上實現機械化[15-16]，這對交通設施的數量、等級、質量與布局等提出新需求。選取耕作距離和田間道路通達度2個指標表征交通便利條件，反映推廣農業機械化耕作的可行性與便利性。其中，耕作距離反映農業機械進入田間作業的通行便捷性，田間道路通達度反映農業機械出入田間地頭進行農田操作的便利性。

(4)其他條件

除以上因素外，田間障礙物等因素也對耕作便利度有一定影響。例如，有障礙物田塊的田間機械耕作效率遠低于沒有障礙物的田塊。尤其是障礙物占地面積較大時，農業機械耕作效率降低的程度更大。

1.2 指標獲取方法與標準化

依據構建的評價指標體系及指標含意，分析各指標的獲取方法與路徑。其中，地形坡度和田面平整度可以直接從耕地質量等別年度更新評價成果中獲取；田塊大小和田塊方向可以借助ArcGIS軟件的空間計算工具獲取[17]；田塊形狀指數利用景觀分析軟件的分維數計算獲取；田間障礙物可以通過實地調查或利用高分影像人為識別獲取。為了準確反映機械化耕作背景下的耕作便利度，本研究拓展了連片度、耕作距離和田間道路通達度的獲取方法。

(1)連片度

指田塊空間上的相連或相鄰程度，小于一定距離閾值則認為田塊連片[8]。本研究充分利用矢量數據和柵格數據各自的優點，基于數學形態學的柵格膨脹腐蝕運算自動求取連片距離閾值，并在考慮水域、河道、林地、建設用地、高級公路等障礙要素影響的基礎上實現連片田塊的判定與連片度分級[18]。

(2)耕作距離

指農村居民點到田塊的實際距離，采用居民點到達田塊所需的最短加權距離表征：距離田塊越近、道路等級越高，加權距離越小。ArcGIS中的生成網絡空間權重(Generate network spatial weights, GNSW)是通過建立對象之間的空間相鄰關系，準確表達其空間相互作用程度的工具。考慮到不同等級道路的通行能力差異，本研究根據道路等級賦予相應權重，通過構建加權網絡數據集，并利用生成網絡空間權重工具獲取評價單元的耕作距離指標值。

(3)田間道路通達度

指田塊通過不同等級或運輸能力的田間道路，進行物料或農產品輸入輸出的實際運輸能力。本研究根據田間道路等級設置不同權重，通過統計田塊直接通達的田間道路數量與權重，采用加權求和法獲取各田塊的田間道路通達度。連接田塊的道路等級越高、數量越多，田間道路通達度越高。

將不同類型和性質的指標標準化為[0,100]閉合區間(表2)。其中，地形坡度、田面平整度指標的標準化分值參考GB/T 28407—2012《農用地質量分等規程》確定，其他指標采用專家打分法進行分級和量化處理。

表2 耕作便利度評價指標體系與標準化Tab.2 Index system and standardization of farming convenience degree

1.3 綜合評價模型構建

采用層次分析法[19]確定指標權重，具體步驟如下：①將耕作便利度作為目標層(G層)，土地平整、集中連片、其他條件、交通便利作為準則層(C層)，把影響準則層的各指標作為指標層(A層)。②構建判斷矩陣A、C1、C2、C3、C4。③求取層次單排序、層次總排序并進行一致性檢驗：利用yaahp軟件計算得到4個準則層的最大特征值、一致性指標(Consistency index, CI)和一致性比率(Consistency ratio, CR)，并進行層次總排序，直到檢驗結果具有滿意的一致性。④采用和積法計算A層對G層的組合權重(表2)。

采用加權指數和法[20]計算農田耕作便利度

(1)

式中Fk——第k個評價單元的耕作便利度

Fki——第k個評價單元第i個指標標準化值

Wi——第i個指標的權重

n——評價指標總數

2 研究區概況與數據處理

2.1 研究區概況

華北平原地勢平坦、土層深厚，是我國糧食主產區，也是全國農業機械化水平較高的區域。但該區域人口密集，人均耕地少，加上道路、河流等切割以及家庭聯產承包責任制下的分散經營，耕地細碎化、分散化情況較為嚴重。本研究選定的研究區位于河北省定州市長安路街道西北部，總面積2 405.58 hm2，共包括7個行政村(圖1)。該區域位于太行山山前平原區，地勢平坦，屬暖溫帶半干旱半濕潤大陸性季風氣候，四季分明，降水不均。2015年，區域耕地面積為1 497.19 hm2，占土地總面積的62%；人均耕地面積僅0.09 hm2，平均地塊面積僅為0.14 hm2，限制了農業規模化生產與大型農業機械的推廣使用；加上區域地塊形狀與耕作方向差異較大，農業耕作效率低下。因此，在該區域開展農田耕作便利度評價研究具有較強的典型性和代表性。

圖1 研究區所在地理位置與土地利用現狀Fig.1 Location of study area and present land use

2.2 數據來源與處理

主要數據來源包括：①2015年高分二號衛星影像，用于獲取耕作田塊、田間道路等矢量數據。②2015年定州市耕地質量等別年度更新數據庫，用于獲取地形坡度、田面平整度指標數據。③定州市土地利用總體規劃數據庫(2006—2020年)，用于獲取行政區劃圖、耕地圖斑、交通水系、林地、居民點、線狀地物等，用于制圖以及作為輔助數據提取耕作田塊、田間道路，并提取障礙要素參與連片度計算。④2011—2015年定州市統計年鑒、實際調查問卷等，獲取農業人口、戶均耕地面積、田間障礙物等。

數據進行整理匯總后，將所有的圖件資料統一為ArcGIS格式，坐標系采用1980西安平面坐標系和1985國家高程基準。在本研究中，基于高分二號衛星影像，結合土地利用現狀等矢量數據，采用面向對象分割分類的方法提取耕作田塊和田間道路等信息[21-22]。最終提取的田塊與田間道路的精度分別為89.13%和90%，可用于耕作便利度評價。另外，根據空間位置將地形坡度、田面平整度賦予對應的評價單元。

3 結果與分析

3.1 關鍵指標獲取結果

研究區耕作田塊的連片度、耕作距離和田間道路通達度3個關鍵指標的計算結果如圖2所示。基于數學形態學方法確定田塊連片距離閾值為1.5 m，遠小于依據線狀地物寬度設定的閾值(10 m)，精度更高，以此劃定的耕地連片面積也更符合現代農業發展對適度規模的要求。基于連片面積將連片度分為5個級別(表2、圖2a)，其中，韓家莊村和莊頭村的耕地連片度較好，大流村、西南佐村和孟家莊村的耕地地塊面積小、分布較為分散。根據不同等級道路通行能力的差異，將高級公路、機耕路、生產路的權重分別設為1.0、0.7和0.4，計算獲取的耕作距離權重指數介于0～1之間，越接近于1，說明居民點到達田塊的耕作距離越小；越接近于0，說明耕作距離越大。按照權重指數高低劃分為5個級別(表2、圖2b)。田間道路權重設置同耕作距離，最終獲取的田間道路通達度指數為0～22，并據此將田間道路通達度劃分為4個級別(表2、圖2c)。指數越高，說明田塊連接的道路等級越高、數量越多。與僅考慮直接通達與否的獲取方法相比，綜合考慮道路數量與等級的田間道路通達度計算方法更能反映田塊的實際運輸能力。

圖2 關鍵指標獲取結果Fig.2 Results of key indexes

3.2 耕作便利度評價結果

通過指標值獲取與標準化，利用式(1)對研究區田塊的耕作便利度進行定量評價與分級。結果顯示：耕作便利度分值在60.68～100之間，按照85～100、75～85、65～75、0～65，將耕作便利度分為非常便利、比較便利、一般便利和不便利4個級別(表3、圖3)。

圖3 耕作便利度評價結果分布圖與分級統計直方圖Fig.3 Distribution map and statistical histogram of farming convenience degree

(1)非常便利

該級別田塊數為514個，占田塊總數的14.12%；平均田塊面積最大(0.62 hm2/個)，遠大于其他級別的田塊。田塊多呈集中連片狀分布，能減少掉頭、轉向等農業機械的低效或者無效耕作時間，進而較長時間的連續作業，耕作效率較高。從空間分布看，該級別田塊一般位于居民點或田間道路周邊，耕作距離近、交通便利，便于農業物資的運輸，是發展高效農業、推廣機械化耕作的最適宜區域。但同時也易在村鎮建設與發展過程中轉化為其他用地，尤其是建設用地，因此有必要優先將其劃為永久基本農田加以保護。

表3 耕作便利度評價結果分級統計Tab.3 Evaluation result and its grade statistics of farming convenience degree

(2)比較便利

該級別田塊數量最多，面積最大，分別占總田塊數與總田塊面積的55.05%和56.52%；平均田塊面積為0.35 hm2/個，略高于研究區的平均水平。從空間分布看，該級別田塊廣泛分布于各個行政村，一般與非常便利田塊相鄰，有利于農業機械規模化耕作和農業科技推廣。加之該區域田塊本身的耕作條件較好，建議將其與非常便利田塊一起劃入永久基本農田片區進行保護。

(3)一般便利

該級別田塊數量較多，占田塊總數的29.98%，但面積僅占田塊總面積的17.33%，田塊平均面積較小(0.20 hm2/個)。從空間分布看，該級別田塊分布較為分散，很少有集中連片分布，耕作距離遠、交通不便，田塊耕作便利度較差。在未來開展土地整治或高標準農田建設時，將此類田塊與周邊田塊合并或者增建田間道路等，提高耕作便利度。

(4)不便利

該級別田塊面積很少，僅為田塊總面積的0.26%；平均田塊面積也最小，僅為0.10 hm2/個；零散分布在遠離村莊地區，不適宜機械化耕作。未來可以考慮將該級別的田塊退耕還林或者發展成園地等對機械化耕作依賴較少的農業利用方向，提高田塊的經濟收益。

4 結論

(1)將耕作便利度界定為：在農田耕作過程中影響農業機械耕作效率發揮的程度，包括田間機械作業效率和居住地到田間地頭的機械通行效率2方面。

(2)從土地平整、集中連片、交通便利和其他條件等4方面構建了耕作便利度綜合評價模型，并結合農業機械化耕作實際探索了連片度、耕作距離、田間道路通達度3個關鍵指標的快速獲取方法。其中，連片度同時考慮了影響機械通行的障礙要素以及農田連片程度對機械化規模化耕作的影響；耕作距離反映了居民點到達田塊的實際通行路徑以及不同等級道路對機械通行效率的影響；田間道路通達度綜合考慮了田塊與田間道路的直接通達性以及不同等級道路對農業機械的實際運輸能力。

(3)評價結果表明，研究區農田耕作便利度整體較好，82.41%的耕地處于非常便利(25.89%)和比較便利(56.52%)的級別，平均地塊面積大，集中連片且交通便利，是發展高效農業、推廣機械化耕作的最適宜區域；而一般便利和不便利級別的田塊平均面積較小，分布分散且遠離村莊，不利于機械化耕作和規模效益的發揮。

(4)提出的耕作便利度評價方法對耕地質量評價與高標準建設項目選址等有一定指導意義。隨著大型農業機械裝備的研發應用和主要農作物全程機械化生產的推進實施，可結合土地整治、高標準農田建設等實踐，按地理區位、作物類型進一步完善影響因素和評價指標體系，以推進該研究的科學性和嚴謹性。