基于“質量-產出-效率”的遼寧省耕地利用分區

張紅梅，宋 戈，王思琢

基于“質量-產出-效率”的遼寧省耕地利用分區

張紅梅，宋 戈※，王思琢

（東北大學 文法學院土地管理研究所，沈陽 110169）

耕地利用分區是引導區域耕地未來發展方向的重要依據，保證區片空間的連通是增強耕地利用分區管理可實施性的關鍵。以遼寧省為研究區，采用兩維圖論聚類和GIS空間分析相結合的方法，基于耕地利用“質量-產出-效率”的分區指標進行耕地利用綜合分區，并探究各分區耕地利用方向。結果表明：1）研究區各縣（市）耕地自然質量、產出水平和利用效率之間存在一定空間差異，高值區主要分布于遼寧中部和北部地區，低值區主要分布在遼寧東部和南部，西部地區耕地利用狀況參差不齊；2）將遼寧省劃分為遼西糧食生產及生態保護區、遼中耕地綜合開發先導區、遼東水田及特色農業種植區、遼南耕地效率及產能挖掘區和遼中南耕地利用轉型升級區5個耕地利用區；3）兩維圖論聚類和GIS空間分析相結合的分區方法有效保證了耕地利用分區相鄰單元空間上的連通性和行政區界的完整性，對于耕地利用分區具有較好的適用性。研究結果有利于耕地利用分區的統一管理和實施，對綜合引導區域耕地利用方向具有一定參考作用。

土地利用；分區；耕地；兩維圖論聚類；遼寧省

0 引 言

耕地分區利用是中國土地利用管理的關鍵內容，是國土空間規劃編制和耕地利用政策差別化實施的重要依據[1]。耕地作為人類賴以生存的稀缺資源，對于保障中國糧食安全和社會穩定具有重要戰略地位，特別是對于東北糧食主產區而言，耕地的科學利用與管理顯得尤為重要。受氣候、政策、開墾的綜合作用影響，東北地區耕地利用表現出區域內的相似性和區域間的差異性特點[2-3]。實施耕地的差別化和統一化管理對于耕地提質增效具有重要意義，而分區是實現該目標的重要手段之一。科學確定耕地利用分區，因地制宜地引導不同區域耕地利用方向，對于緩解耕地保護壓力、提升耕地價值、指導區域空間有序開發等[4]具有一定現實意義。

耕地利用分區是指根據耕地利用在某些方面表現出的差異性和相似性，以特定目標為導向對一定區域內耕地利用進行分區劃分的過程。目前，耕地利用分區相關研究主要集中于耕地集約利用分區[5-6]、耕地后備資源利用分區[7]、耕地利用類型分區[8]、耕地保護分區[9-11]以及基于耕地質量[12-14]、耕地產能[15]和耕地生產力[16]的耕地利用分區等，多側重于從耕地利用集約度、質量、數量、產能等要素入手進行分區。在研究方法上，一般運用熵值法、層次分析法、模糊數學法、綜合指數法或多因素綜合評判法等針對某目標進行耕地利用評價，以多指標的評價量化結果為分區基礎，結合區域特征進行分區，或基于量化結果運用疊加分析法、比較分析法、聚類分析法、空間自相關分析法和神經網絡算法等確定耕地利用分區。已有研究多側重于對耕地利用分區要素及指標的選擇，往往忽略了耕地利用分區單元之間的空間連通性，保證分區空間的連續性和行政區劃的完整性是決定分區結果好壞的關鍵因素[17]，直接影響耕地利用分區管理效果，如何采用科學的分區方法兼顧分區單元之間的差異性、相似性和空間連通是亟待解決的問題。基于圖論最小樹法的兩維圖論聚類分區方法在考慮分區單元之間差異性和一致性的同時，有效保證分區單元的鄰接性，使分區空間的連通成為可能，對于耕地利用分區的統一管理十分必要，該方法在土地利用管理[18]、作物估產[19]、農村居民點整合[20]和交通分區[21]方面均有體現，但將兩維圖論聚類運用于耕地利用分區的研究尚不多見。縣（市）是中國土地利用管理與規劃的基層行政單位，是保證耕地利用政策有效實施的最直接操作層[22]，以縣（市）為耕地利用單元的兩維圖論聚類分區可充分考慮相鄰縣（市）的空間關聯性和區片效應，有利于耕地利用的統一管理。鑒于此，本文以遼寧省為研究區，以縣（市）為耕地利用分區單元，從多層次角度選取分區要素，運用兩維圖論聚類和GIS空間分析相結合的方法進行耕地利用分區，并結合遼寧省主體功能區規劃成果，對各耕地利用分區發展方向提出宏觀性戰略指導，對于增強耕地利用分區的綜合性和可實施性具有重要實踐意義。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

遼寧省位于中國東北地區南部，介于東經118°53'至125°46'，北緯38°43'至43°26'之間，土地總面積為14.84×104km2。2015年，遼寧省耕地總面積為49 774.04 km2，占土地總面積的33.54%，人均占有耕地約0.113 6 hm2。遼寧省地貌分異明顯，地勢呈自北向南，自東西兩側向中部傾斜特點，東部和西部地區為山地丘陵區，中部為下遼河平原區，3個區地貌界線清楚，耕地利用區域差異顯著。受地形影響，遼寧省耕地集中分布于中部平原地區，零星分布于西部和東部山地丘陵地區。其中旱地、水田和水澆地占耕地總面積比例依次為82.96%、13.53%和3.51%。水田集中分布于遼寧中部和東南部平原地區，旱地集中分布于遼寧中部和南部平原地區。

遼寧省是中國重要的糧食主產區和經濟、交通樞紐，是東北振興戰略的關鍵著力點。隨著城鎮化進程不斷加快，城市開發建設與耕地保護之間的矛盾加大，耕地供給和需求之間存在一定的不平衡，為有效緩解耕地與建設用地之間的矛盾，需對遼寧省耕地利用進行科學分區，引導區域耕地利用發展方向，實現耕地的高效和持續利用。

1.2 數據來源與處理

本文數據來源主要為2016年《遼寧統計年鑒》、2012年遼寧省耕地分等數據和調查數據和遼寧省主體功能區規劃成果圖（2014年）。其中，2016年《遼寧統計年鑒》主要用于獲取糧食產量及耕地各項投入產出數據等；2012年遼寧省農用地分等數據主要用于獲取耕地質量數據，本文主要使用2012年遼寧省農用地分等定級數據中的農用地自然質量等指數，短時期內耕地作物的光溫生產潛力幾乎不變，農用地自然質量等指數變動不大，因此將2012年農用地自然質量等指數近似為2015年使用；遼寧省主體功能區規劃成果圖與耕地利用分區結果相結合，用于最終確定各耕地利用分區名稱及耕地利用發展方向。綜合遼寧省所轄各個行政區耕地分布情況和數據可獲得性，最終選取78個縣（市）為研究單元進行分區。

2 研究方法

2.1 耕地利用分區指標

耕地利用分區指標的選取需關注反映耕地利用狀況的關鍵性因子，揭示耕地利用的深層次問題，并對耕地利用與管理具有指導作用。本文構建基于“質量-產出-效率”的耕地利用分區指標體系，從不同層次揭示耕地利用狀況，進行耕地利用的綜合分區。其中“質量”指耕地自然質量，是耕地利用的基礎條件，反映在最優土地利用水平和最有利經濟條件下，耕地所能實現的最大可能單產水平，代表了耕地的“本底”產量水平[23]，決定了耕地的可持續生產能力[24]，是引導耕地開發利用的重要指標；“產出”指耕地產出水平，是在一定自然條件基礎上耕地生產能力的直接表現，反映耕地現實的產出情況和耕地利用水平，體現由于區域耕地利用的基礎設施條件、耕地投入和經營管理等差異造成的不同耕地利用效果；“效率”指耕地利用效率，是在一定的技術條件和發展水平下單位耕地面積所能實現最優產出的程度，反映耕地利用投入與產出之間的關系，體現耕地可持續利用及發展能力。在一定耕地自然質量條件下進行生產資料及技術等投入即得到耕地實際產出，通過比較耕地自然質量與實際產出水平的標準化差值可反映耕地利用潛力，指導區域耕地潛力開發。量化耕地的投入-產出關系可得到耕地利用效率，通過比較耕地產出水平與利用效率的標準化差值可揭示區域耕地利用程度，指導區域耕地的集約高效利用[25]。為進一步明確各分區的耕地利用發展方向，將分區結果與主體功能區規劃成果圖疊加，確定耕地利用分區名稱及發展方向（圖1）。

圖1 耕地利用分區指標體系構建框架圖

2.1.1 耕地自然質量

本文運用耕地分等數據和調查數據中的耕地自然質量等指數表示耕地自然質量。耕地自然質量等指數是指在自然質量條件下，耕地上的各指定作物所能獲得的按產量比系數折算的基準作物產量指數，可解釋為在最優土地利用水平和最有利經濟條件下，分等評價單元內的耕地所能實現的最大可能單產水平，也稱為耕地的“本底”產量水平，本文采用面積加權平均法計算各分區單元內耕地的平均自然等指數[10]（式1）。

式中R為第個行政區的平均耕地自然等指數；R為第個行政區第個分等單元的耕地自然等指數；S為第個行政區耕地分等單元總面積。

2.1.2 耕地產出水平

耕地產出可分為社會和經濟產出2種，通常以單位耕地面積上農作物的產量或產值表示，而耕地作物產值受產量與價格共同影響，價格受市場影響具有波動性，相比之下，單位耕地面積上農作物產量能直接反映耕地生產水平。遼寧省耕地種植的農作物主要為糧食作物，73.56%的耕地用于種植糧食，單位耕地面積上的糧食產量在一定程度上表示了區域耕地產出水平，因此本文以糧食單產表征耕地產出水平。

2.1.3 耕地利用效率

為了更加客觀的評價耕地利用效率，本文考慮耕地利用對環境的影響，即耕地利用的非期望產出，運用SBM（slacks-based measure）模型對耕地利用效率進行測算。

1）耕地利用效率指標體系構建

耕地生產離不開土地、勞動和資本三大要素，選取主要農作物播種面積、第一產業從業人員、化肥施用折純量和農用機械總動力作為耕地利用的投入指標。耕地利用產出分為期望產出和非期望產出兩種，選取糧食總產量作為耕地利用期望產出指標，耕地利用碳排放量作為耕地利用非期望產出指標（表1）。其中，耕地利用碳排放量從農業翻耕、機械化作業、化肥、農藥、農膜使用和耕地灌溉幾方面考慮，通過獲取耕地利用主要碳源的碳排放系數和各類碳源總量進行乘積求和得到，具體算法借鑒李波等[26]的研究成果，在此不做贅述。

表1 耕地利用效率指標體系

Table.1 Index system of cultivated land utilization efficiency

2）耕地利用效率測度模型

2.2 耕地利用分區兩維圖論聚類法

2.2.1 兩維圖論聚類的原理

聚類分析法是將一批樣本或變量按照其在性質上的親疏和相似程度進行分類的一種多元統計方法，類是指相似元素的集合。兩維圖論聚類算法是聚類分析的一種，可通過構造基于位置關系的無向加權圖，在一般聚類方法的基礎上，充分考慮聚類單元之間的空間鄰接性，使只有相鄰的單元相連接。耕地利用分區需根據耕地利用的多種空間分布特征，在考慮各分區單元之間的內在差異性和相似性的同時，保證相鄰單元之間空間上的連通性和行政區界的完整性，運用此方法進行耕地利用分區劃分，滿足耕地利用分區要求，優于一般聚類方法。

在圖論中，將圖定義為空間中點與連接點的線的集合，即=(，)，其中為點的集合，為邊的集合。分區需同時考慮各分區單元之間的鄰接性和內在相似性，因此需構造加權連通圖，即=(，，)，在無向加權圖中，是各分區單元集合，是各單元鄰接關系集合，是圖論樹算法中各點之間連接邊的權值（圖2）。圖論聚類分區是求加權連通圖的合理割集，即通過圖論最小樹法求得一個最小生成樹，并根據區內分異小、區間分異大的原則，適當的將最小生成樹分割成個子樹，將研究區域分成個耕地利用區。其中，空間鄰接性表示各單元的地理位置信息，兩維圖論聚類需利用GIS的空間分析手段提取分區單元的經緯度位置信息，具體分區技術路線見圖3。

注：V1~V4為不同的分區單元；Eij為分區單元i和j之間的連接邊；D(Eij)為分區單元i和j之間的連接邊的權值。

圖3 耕地利用分區技術路線圖

2.2.2 連接邊的權值及分區單元合并

在構造各耕地利用分區單元基于位置關系的無向加權圖過程中，需通過各分區單元間親疏程度的數量指標表示各連接邊的權值，并通過權值大小選取一定的閾值進行連接邊分割，將大于這一閾值的最小支撐樹連接邊移去形成獨立的森林，森林中連通的對象合并形成分區[21]。距離法可將各分區單元作為維空間（個變量）的一個點，在維空間中定義距離，通過距離的遠近表示各分區單元間的親疏程度，距離較近的點歸為同一類，距離較遠的點歸為不同類。歐氏距離在聚類分析中被廣泛運用，本文運用歐氏距離表示各分區單元之間的親疏程度（式3），即最小生成樹對應邊的權值，距離越大則關系越疏遠，距離越小則關系越親密。結合分區單元實際情況和分區需要，選取合適的閾值進行連接邊分割和分區。

式中(E)為各分區單元連接邊的權值；d為各分區單元間的歐氏距離；x、x分別為第和個分區單元的第個分區指標。

3 結果與分析

3.1 耕地利用狀況空間分布特征

運用ArcGIS10.2軟件將研究區各單元耕地自然質量、產出水平和利用效率進行空間矢量化，運用自然斷點法[29]將各指標從高到低依次劃分為高、中高、中、中低和低5個級別（圖4、表2）。

遼寧省各縣（區）耕地自然質量、產出水平和利用效率之間存在一定空間分異。其中耕地自然質量表現為中部地區較高，自中部向西部、東部兩側分別呈階梯型逐漸降低，受遼寧地形因素的影響，其耕地的自然質量大體呈現中間高兩邊低的特點；耕地產出水平表現為中部地區較高，東部地區一般，南部地區較低，西部地區耕地產出水平參差不齊；耕地利用效率高值區集中分布于中部和北部地區，耕地利用效率低值區集中分布于南部地區，西部地區耕地利用效率參差不齊。各耕地利用要素不同級別分布情況存在一定差異，分別從不同層次反映了耕地利用的區域特點，對于耕地利用狀況的表達和耕地利用發展方向的指導各有側重，綜合考慮耕地自然質量、產出水平和利用效率3個要素對耕地利用進行綜合分區，對于耕地利用狀況表達更加全面客觀，便于綜合指導耕地利用及開發方向。

3.2 耕地利用分區結果

對研究區各單元耕地利用“質量-產出-效率”3個指標因子進行標準化處理，結合質心經緯度數據，運用兩維圖論聚類進行聚類分析，最終得到兩維圖論聚類樹圖（圖5）。78個分區單元共產生77個無回路的連接邊，各聚類樹連接邊權值范圍為0.207 3~2.947 4，權值越大說明分區單元間歐氏距離越大，相似性越低，因此從高值向低值逐漸移去連接邊，結合各分區單元實際特點選取合適的閾值進行兩維圖論聚類樹分割。在分割過程中，完全按照移除大于某一閾值連接邊的方法得到的分區過于細碎，通過提取細碎分區發現，主要由于個別分區單元之間耕地面積相差較大，且存在區域職能差異，導致歐氏距離較大，例如：龍港區和興城市、雙臺子區和臺安縣、清河門區和北票市，而龍崗區、雙臺子區和清河門區耕地面積相對興城市、臺安縣和北票市很小，且在職能上更多承擔了城市建設和發展的作用，為保證分區的集中連片可忽略此類差異，直接將此類面積單元就近劃入相應分區。考慮耕地利用分區結果中各分區間面積相差不能過大，最終選擇1.237 2為閾值進行分割，將大于等于此權值的連接邊移除，共得到5個耕地利用區。根據各分區耕地利用相關指標特點，結合遼寧省主體功能區規劃成果，將5個分區分別命名為遼西糧食生產及生態保護區（Ⅰ區）、遼中耕地綜合開發先導區（Ⅱ區）、遼東水田及特色農業種植區（Ⅲ區）、遼南耕地效率及產能挖掘區（Ⅳ區）和遼中南耕地利用轉型升級區（Ⅴ區）（圖6）。

圖4 遼寧省耕地自然質量、產出水平及利用效率空間分布

表2 遼寧省耕地自然質量、產出水平及利用效率情況

注：2個縣（市）之間的數值為分區單元連接邊的權值，數值大小表示各分區單元間的親疏程度。Ⅰ區遼西糧食生產及生態保護區 (中-中低-中低)；Ⅱ區遼中耕地綜合開發先導區（中高-中高-中高）；Ⅲ區遼東水田及特色農業種植區（中低-中高-中）；Ⅳ區遼南耕地效率及產能挖掘區（中低-中低-低）；Ⅴ區遼中南耕地利用轉型升級區（中-中-中）。下同。

Ⅰ區-遼西糧食生產及生態保護區（中-中低-中低），位于遼寧西部山地丘陵地帶，包括凌海市、龍城區、朝陽縣等19個縣（區）耕地總面積1 406 169.52 hm2，占該類型區土地總面積的33.21%，占遼寧省耕地總面積的28.25%。耕地自然質量一般，耕地自然質量等指數均值為1 709.52；耕地產出水平較低，糧食單產均值為3 793.23 kg/hm2；耕地利用效率較低，均值為0.273 2。該類型區內部分區單元之間的耕地產出水平和利用效率在空間上表現出相對集聚的特點，耕地產出水平及利用效率較低的單元互相鄰近，而耕地自然質量的這一特點主要集中體現在該分區西部。該分區耕地面積相對較大，適于糧食作物的集中生產，但耕地產能具有一定的可提升空間，耕地利用開發程度有待提升。在遼寧省主體功能區規劃中，該類型區位于省級重點水土保持型生態功能區，水資源相對匱乏，生態系統脆弱性偏高。綜合來看，將該類型區作為遼西糧食生產及耕地生態保護區，需在保障其糧食種植面積不減少的同時，調整耕地作物種植結構，適當進行作物輪作，加強耕地水土保持，關注對耕地的生態保護。

Ⅱ區-遼中耕地綜合開發先導區（中高-中高-中高），位于遼寧中部平原地帶，包括北鎮市、彰武縣、興隆臺區等23個縣（區）耕地總面積2 104 471.3 hm2，占該類型區土地總面積的56.83%，占遼寧省耕地總面積的42.28%。耕地自然質量較高，耕地自然質量等指數均值為2 051.47；耕地產出水平較高，糧食單產均值為8 020.41 kg/hm2；耕地利用效率較高，均值為0.670 7。該類型區內部分區單元之間的耕地自然質量、產出水平和利用效率在空間上均表現為較強的集聚現象，耕地自然質量、產出水平及利用效率較高的單元互相鄰近。該分區耕地集中連片，耕地資源稟賦高，耕地生產水平較高，是耕地利用較成熟區域，且占據有利的區位優勢，經濟發展水平較高，農產品生產與城市開發建設并重。在遼寧省農業戰略格局中，該類型區大部分位于糧油和畜牧業區、糧食畜牧精品農業區。綜合來看，將該類型區作為遼中耕地綜合開發先導區，可重點結合區位優勢和區域發展戰略對其耕地進行綜合開發利用，利用該區域耕地資源稟賦優勢，大力發展農地規模經營，創新農業生產經營模式，并依托其區位優勢，優先發展農村一、二、三產業融合，發展特色農業和休閑農業等，對其他類型區耕地利用起到先導和示范的作用。

Ⅲ區-遼東水田及特色農業種植區（中低-中高-中），位于遼寧東部山地丘陵地帶，包括撫順縣、新賓縣、清原縣等17個縣（區）。耕地總面積569 413.07 hm2，占該類型區土地總面積的15.68%，占遼寧省耕地總面積的11.44%。耕地自然質量較低，耕地自然質量等指數均值為1 563.61；耕地產出水平較高，糧食單產均值為6 550.85 kg/hm2；耕地利用效率一般，均值為0.396 8。該類型區內部分區單元之間的耕地自然質量和產出水平在空間上表現出較強的集聚特點，耕地自然質量較低的單元互相鄰近，而耕地產出水平較高的單元互相鄰近。該分區耕地自然質量較低，產出水平較高，耕地產能可提升潛力較小，耕地開發利用程度提升空間一般。在遼寧省主體功能區規劃中，該類型區位于林業及特色農業區，且大部分位于省級重點水源涵養性生態功能區，森林覆蓋率大，水資源豐富，生態系統重要性程度高。綜合來看，將該類型區作為遼東水田及特色農業種植區，重點借助該地區水資源和森林資源稟賦優勢，重點發展水田和特色種植業，并通過實行農田平整、修筑溝渠、坡地改梯田等措施，改善該區生產條件，提升耕地利用效率，實現耕地利用價值的綜合提升。

圖6 基于兩維圖論聚類的遼寧省耕地利用分區結果

Ⅳ區-遼南耕地效率及產能挖掘區（中低-中低-低），位于遼寧南部沿海平原-丘陵地帶，包括金州區、長海縣、莊河市等7個縣（區）。耕地總面積415 422.37 hm2，占該類型區土地總面積的30.73%，占遼寧省耕地總面積的8.35%。耕地自然質量較低，耕地自然質量等指數均值為1 634.16；耕地產出水平較低，糧食單產均值為3 037.81 kg/hm2；耕地利用效率低，均值為0.117 4。該類型區內部分區單元之間的耕地自然質量、產出水平和利用效率在空間上均表現出極強的集聚特點，耕地自然質量、產出水平和利用效率低的單元互相鄰近。該分區耕地面積相對較小，耕地生產水平低，耕地產能可挖掘空間大，是耕地利用效率的重點提升地區。在遼寧省主體功能區規劃中，該類型區位于省級重點和國家級優先開發區并處于遼寧沿海經濟帶。綜合來看，將該類型區作為遼南耕地效率及產能挖掘區，需優化耕地生產要素投入結構，提升耕地開發利用程度，進而增加耕地產能，協調該類型區城市開發建設與耕地保護之間的用地矛盾問題將成為未來該地區耕地利用管理的難點。

Ⅴ區-遼中南耕地利用轉型升級區（中-中-中），位于遼寧中南部山地-丘陵-平原交錯地帶，包括千山區、岫巖縣、老邊區等12個縣（區）。耕地總面積438 909.66 hm2，占該類型區土地總面積的26.41%，占遼寧省耕地總面積的8.82%。耕地自然質量一般，耕地自然質量等指數均值為1 881.40；耕地產出水平一般，糧食單產均值為6 231.52 kg/hm2；耕地利用效率一般，均值為0.439 8。該類型區在空間上處于耕地自然質量、產出水平和利用效率由高-高集聚到低-低集聚的過渡區，各分區單元之間耕地利用各指標的集聚性不明顯。該分區耕地面積相對較小，耕地自然質量、產出水平和利用效率狀況僅次于Ⅱ區，處于遼寧南部平原、丘陵和山地交錯地帶，地形比較復雜。在遼寧省主體功能區規劃中，該類型區位于省級重點開發區、國家級優先開發區、省級重點生態功能區和遼寧沿海經濟帶交錯地帶。綜合來看，將該類型區作為遼中南耕地利用轉型升級區，借助耕地資源稟賦和利用狀況優勢，并結合其區位優勢，依托鄉村振興戰略，優先發展質量興農、綠色興農計劃，提升該類型區農產品的綠色化、優質化、特色化和品牌化水平，并提高設施農業發展水平，提升農產品質量、促進農業轉型升級是該類型區耕地利用的重點發展方向。

4 討 論

耕地利用分區指標的選擇直接影響分區結果的科學合理性，本文選取耕地自然質量、產出水平和利用效率三個反映耕地利用狀況的關鍵性指標進行耕地利用分區，并結合主體功能區規劃確定未來耕地利用方向，對于綜合指導區域耕地利用及開發具有一定實踐參考價值。耕地利用在空間上具有一定關聯性，保證分區單元空間上的連通性和行政區界的完整性有助于耕地利用分區的統一管理和實施，兩維圖論聚類法對于耕地利用分區具有一定適用性，可在一定程度上緩解相鄰行政單位間由于耕地界線模糊和局部差別化管理導致的糾紛問題。但集中連片的分區結果在一定程度上忽略了個別分區內部單元之間的差異性，例如，遼西糧食生產及生態保護區的建平縣與其他單元耕地自然質量、產出水平和利用效率存在一定差異，但為實現空間連通的分區效果不得不忽略這一差異，為更好的實現耕地分區利用，還需根據各分區實際情況制定差別化的耕地利用引導政策和保障機制，確保各分區內耕地利用管理的有效實施。此外，地域分異理論、統籌區域協調發展理論等是分區研究的重要理論依據[30]，耕地利用分區研究需進一步結合分區理論探索耕地利用中人口、經濟、城市建設和資源環境的協調性問題，以更好的實現耕地可持續利用和社會的協調發展，如何從可持續發展和協調發展視角選取并識別耕地利用分區的關鍵性因素，將耕地利用的自然生態和人文要素等相結合進行耕地利用分區仍有待進一步探討。

5 結 論

本文以遼寧省縣（區）為分區單元，基于耕地利用“質量-產出-效率”的耕地利用分區指標，運用兩維圖論聚類法和GIS空間分析技術，結合主體功能區規劃成果進行耕地利用綜合分區，并探究各分區耕地利用發展方向，得出以下主要結論：

1）研究區各縣（區）耕地利用產出、潛力和效率之間存在一定空間分異，高值區主要分布在遼寧中部和北部地區，低值區主要分布在遼寧東部和南部，西部地區耕地利用狀況參差不齊。同時考慮耕地利用產出、潛力和效率3個不同層次要素對耕地利用進行綜合分區，有利于全面表達耕地利用狀況。

2）將研究區分為遼西糧食生產及生態保護區（Ⅰ區）、遼中耕地綜合開發先導區（Ⅱ區）、遼東水田及特色農業種植區（Ⅲ區）、遼南耕地效率及產能挖掘區（Ⅳ區）和遼中南耕地利用轉型升級區（Ⅴ區）5個耕地利用區。其中Ⅰ區和Ⅱ區耕地所占比重大，耕地資源稟賦較高，并處于國家級農產品主產區，是遼寧耕地利用核心區域，應在保證該區域耕地面積不減少和質量不降低的同時，結合戰略目標對其耕地進行綜合開發利用。Ⅲ區和Ⅴ區處于山地丘陵地區，耕地所占比重較小，應結合資源稟賦優勢發展特色農業、提升農產品質量、促進農業轉型升級，以提升區域優勢和農業競爭力。Ⅳ區處于沿海平原丘陵地區，經濟較發達，耕地利用潛力較大，需在協調其建設發展與耕地保護矛盾的同時挖掘耕地產能。

3）兩維圖論聚類與GIS空間分析相結合的分區方法，能夠在考慮分區多指標相似性和差異性特征的同時，兼顧相鄰單元空間上的連通性，對耕地利用分區具有較好的適用性，可緩解相鄰行政單位間由于耕地界線模糊和局部差別化管理導致的糾紛問題，有利于耕地利用的統一管理，增強耕地利用管理的可實施性。

[1] 王萬茂.土地利用規劃學[M].北京：科學出版社，2006.

[2] 王盼盼,宋戈.1979-2015年松嫩高平原土地利用格局變化及影響因子分析[J].農業工程學報,2018,34(2)：256－264. Wang Panpan, Song Ge. Land use pattern change and influential factors analysis of Songnen Plain in 1979-2015[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(2): 256－264. (in Chinese with English abstract)

[3] 滿衛東，王宗明，劉明月，等.1990-2013年東北地區耕地時空變化遙感分析[J].農業工程學報，2016，32(7)：1－10. Man Weidong, Wang Zongming, Liu Mingyue, et al. Spatio-temporal dynamics analysis of cropland in Northeast China during 1990-2013 based on remote sensing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(7): 1－10. (in Chinese with English abstract)

[4] 鐘海燕，趙小敏，黃宏勝.土地利用分區與主體功能區協調的實證研究——以環鄱陽湖區為例[J].經濟地理，2011，31(9)： 1523－1527, 1551. Zhang Haiyan, Zhao Xiaomin, Huang Hongsheng. Study on land use zoning in the region around Poyang lake based on major function oriented zoning[J]. Economic Geography, 2011, 31 (9): 1523－1527, 1551. (in Chinese with English abstract)

[5] 劉玉，郝星耀，潘瑜春，等.河南省耕地集約利用時空分異及分區研究[J].地理科學，2014，34(10): 1218－1225. Liu Yu, Hao Xingyao, Pan Yuchun, et al. Evaluating and zoning of cultivated land intensive use in Henan Province at pounty level[J]. Scientia Geographica Sinica, 2014, 34(10): 1218－1225. (in Chinese with English abstract)

[6] 杜國明，劉彥隨.黑龍江省耕地集約利用評價及分區研究[J].資源科學，2013，35(3)：554－560. Du Guoming, Liu Yansui. Evaluating and zoning intensive utilization of cultivated land in Heilongjiang Province[J]. Resources Science, 2013, 35(3): 554－560. (in Chinese with English abstract)

[7] 周浩，雷國平，楊雪昕，等.基于兩維圖論的縣域尺度耕地后備資源利用分區研究[J].農業機械學報，2017，48(6)：116－124. Zhou Hao, Lei Guoping, Yang Xuexin, et al. Utilization zoning of reserve resources for cultivated land based on two-dimensional graph theory clustering method at county scale[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(6): 116－124. (in Chinese with English abstract)

[8] 鄭紅曉，張紅方.基于地力評價的耕地利用類型分區研究——以沁陽市為例[J].中國農業資源與區劃，2015，36(5)：132－137. Zheng Hongxiao, Zhang Hongfang. Research of cultivated land use type partition based on the productivity evaluatuon[J]. Chinese Journal of Agricultural Resources and Regional Planning, 2015, 36(5): 132－137. (in Chinese with English abstract)

[9] 陳藜藜，宋戈，鄒朝暉，等.基于改進局部空間自相關分析的蘿北縣耕地保護分區[J]. 資源科學，2016，38 (10)：1871－1882Chen Lili, Song Ge, Zou Chaohui, et al. Zoning of protected cultivated land based on improved local indicators of spatialassociation[J]. Resources Science, 2016, 38(10): 1871－1882. (in Chinese with English abstract)

[10] 韋仕川，熊昌盛，欒喬林，等.基于耕地質量指數局部空間自相關的耕地保護分區[J].農業工程學報，2014，30(18)：249－256. Wei Shichuan, Xiong Changsheng, Luan Qiaolin, et al. Protection zoning of arable land quality index based on local spatial autocorrelation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(18): 249－256. (in Chinese with English abstract)

[11] 楊建宇，徐凡，趙龍，等. 基于綜合質量空間自相關性分析的耕地保護分區方法[J]. 農業機械學報，2017，48 (3)：156－163. Yang Jianyu, Xu Fan, Zhao Long, et al. Protection zoning of cultivated land comprehensive quality based on spatial autocorrelation[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48 (3): 156－163. (in Chinese with English abstract)

[12] 侯現慧，王占岐，楊俊. 富硒區耕地質量評價及利用分區研究——以福建省三元區為例[J]. 資源科學，2015，37(7)：1367 －1375. Hou Xianhui, Wang Zhanqi, Yang Jun. Cultivated land quality evaluation using partition in the Selenium-rich Area of Sanyuan, Fujian Province[J]. Resources Science, 2015, 37(7): 1367－1375. (in Chinese with English abstract)

[13] 高星，陳景，劉蕾，等. 雄安新區耕地質量空間分布特征與建設占用推薦分區[J]. 農業工程學報，2018，34(1)：1－7. Gao Xing, Chen Jing, Liu Lei, et al. Spatial distribution characteristics and construction occupancy zoning of cultivated land quality in Xiongan New Area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(1): 1－7. (in Chinese with English abstract)

[14] 宋文，吳克寧，張敏，等. 基于村域耕地質量均勻度的高標農田建設時序分區[J]. 農業工程學報，2017，33(9)：250－259. Song Wen, Wu Kening, Zhang Min, et al. High standard farmland construction time sequence division based on cultivated land quality uniformity in administrative village scale[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(9): 250－259. (in Chinese with English abstract)

[15] 劉玉，劉彥隨，薛劍，等. 海河沖積平原區耕地綜合產能核算及其分區利用[J]. 資源科學，2009，31(4)：598－603. Liu Yu, Liu Yansui, Xue Jian, et al. Calculation of the integrated productive capacity and subarea utilization of cultivated land in Alluvial Plain area of Haihe River[J]. Resources Science, 2009, 31(04): 598－603. (in Chinese with English abstract)

[16] 楊海娟，溫曉金，劉焱序. 基于凈初級生產力的關中天水經濟區耕地利用分區研究[J]. 中國生態農業學報，2013，21(4)：503－510. Yang Haijuan, Wen Xiaojin, Liu Yanxu. Utilization zoning of cultivated land based on net primary productivity in Guanzhong-Tianshui Economic Region[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013, 21(4): 503－510. (in Chinese with English abstract)

[17] 黃海霞，胡月明.基于兩維圖論聚類法的耕地后備資源開發組合分析：以陽山縣為例[J].經濟地理，2013，33(4):139－143. Huang Haixia, Hu Yueming. Reserving cultivatable land resources exploitation combination based on two-dimensional graph theory clustering method in Yangshan County[J]. Economic Geography, 2013, 33 (4): 139－143. (in Chinese with English abstract)

[18] 路昌，雷國平，周浩，等. 基于兩維圖論聚類法的東北地區土地利用分區研究[J]. 農業機械學報，2017，48(12)：155－164. Lu Chang, Lei Guoping, Zhou Hao, et al. Land use zoning in northeast China based on two-dimension graphics cluster methods[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(12): 155－164. (in Chinese with English abstract)

[19] 彭代亮，黃敬峰，王福民，等. 基于空間分析與兩維圖論聚類的湖南水稻遙感估產分區[J]. 農業工程學報，2010，26(增刊1)：156－161. Peng Dailiang, Huang Jingfeng, Wang Fumin, et al. Division of rice yield estimation by remote sensing in Hunan Province based on spatial analysis and two-dimension graphics cluster methods[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(Supp.1): 156－161. (in Chinese with English abstract)

[20] 費智慧，王成，趙帥華，等.基于主成分和兩維圖論聚類分析的農村居民點整合時序研究——以重慶市璧山縣為例[J].地域研究與開發，2014，33(1): 93－98. Fei Zhihui, Wang Cheng, Zhao Shuaihua, et al. Study on integration schedule of rural settlement based on principle component and two-dimension graphics cluster analysis: Case study in Bishan County, Chongqing[J]. Areal Research and Development, 2014, 33(1):93－98. (in Chinese with English abstract)

[21] 馮樹民，馬棟才.交通小區的兩維圖論聚類[J]. 哈爾濱工業大學學報，2015，47(9)：57－62. Feng Shumin, Ma Dongcai. Two-dimension graphics on cluster method of small traffic zones[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2015, 47(9): 57－62.(in Chinese with English abstract)

[22] 王靜，郭旭東. 我國縣級尺度土地可持續利用的科學調控[J].地理科學進展，2002，21(3)：216－222.Wang Jing, Guo Xudong. A study of scientific regulation of sustainable land use at county scale in China[J]. Progress in Geography, 2002, 21(3): 216－222. (in Chinese with English abstract)

[23] GBT28407-2012，農用地質量分等規程[S].2012.

[24] 錢鳳魁，王衛雯，王秋兵. 基于耦合協調度模型量化耕地自然質量與立地條件協同關系[J]. 農業工程學報，2018，34(18)：284－291. Qian Fengkui, Wang Weiwen, Wang Qiubing. Quantification of synergetic relationship between natural quality and site conditions of cultivated land based on coupling coordination degree model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(18): 284－291. (in Chinese with English abstract)

[25] 王良健，李輝.中國耕地利用效率及其影響因素的區域差異——基于281個市的面板數據與隨機前沿生產函數方法[J]. 地理研究，2014，33(11)：1995－2004. Wang Liangjian, Li Hui. Cultivated land use efficiency and the regional characteristics of its influencing factors in China：By using a panel data of 281 prefectural cities and the stochastic frontier production function[J]. Geographical Research, 2014, 33(11): 1995－2004.(in Chinese with English abstract)

[26] 李波，張俊飚，李海鵬. 中國農業碳排放時空特征及影響因素分解[J]. 中國人口·資源與環境，2011，21(8)：80－86. Li Bo, Zhang Junbiao, Li Haipeng. Research on spatial-temporal characteristics and affecting factors decomposition of agricultural carbon emission in China[J]. China Population,Resources and Environment, 2011, 21(8): 80－86. (in Chinese with English abstract)

[27] Tone K. A Slacks-based measure of efficiency in data envelopment analysis [J]. European Journal of Operational Research, 2001, 130(3): 498－509.

[28] Cooper W, Seiford L M, Tone K. Data Envelopment Analysis (Second Edition) [M]. Boston: Kluwer Academic Publishers, 2007.

[29] 武增海，李濤. 高新技術開發區綜合績效空間分布研究——基于自然斷點法的分析[J]. 統計與信息論壇，2013，28(3)：82－88. WU Zenghai, LI Tao. The comprehensive performance evaluation of High-tech Development Zone: analysis based on the natural breakpoint method[J]. Statistics & Information Forum, 2013, 28(3): 82－88. (in Chinese with English abstract)

[30] 楊勇，任志遠，樊新生. 中原城市群土地利用綜合評價與分區研究[J]. 經濟地理，2017，37(9)：177－184.Yang Yong, Ren Zhiyuan, Fan Xinsheng. Land use comprehensive evaluation and regionalization in zhongyuan urban agglomeration[J]. Economic Geography, 2017, 37(9): 177－184. (in Chinese with English abstract)

Zoning of cultivated land use in Liaoning Province based on "quality-output-efficiency"

Zhang Hongmei, Song Ge※, Wang Sizhuo

(110169,)

Cultivated land use zoning is an important part of China's land use management, and it is an important basis for guiding the future development of cultivated land in the region. It is the key to enhance the feasibility of the management of cultivated land use. Most studies have focused on the selection of zoning elements and indicators for cultivated land use, often overlooking the spatial connectivity between the cultivated land use partition units and the integrity of administrative divisions, directly affecting the zoning management effect of cultivated land use. How to adopt the scientific zoning method, and take into account the differences, similarities and spatial connectivity between partitioned units is an urgent problem to be solved. In order to guide the orderly development of regional space according to local conditions, alleviate the pressure of cultivated land protection and enhance the value of cultivated land, in this paper, Liaoning Province was taken as research area, and two-dimensional graph theory clustering and GIS spatial analysis were adopted. Based on the zoning indicators of cultivated land use quality, output and efficiency, the comprehensive zoning of cultivated land use was carried out, and the utilization direction of cultivated land in each district was explored. The results showed that: 1) There were some spatial differences in the natural quality, output level and use efficiency of cultivated land among the counties (cities) in the study area. The high-value areas were mainly distributed in the central and northern areas of Liaoning. The low-value areas were mainly distributed in the east and south of Liaoning Province, while the western areas were uneven. 2) The research area was divided into five cultivated land use areas: Grain production and ecological protection area in western Liaoning, pilot area of comprehensive development of cultivated land in central Liaoning, paddy field and characteristic agricultural planting area in eastern Liaoning, potential tapping area of cultivated land efficiency and productivity in southern Liaoning and transformation and upgrading area of cultivated land utilization in central and Southern Liaoning. 3) The zoning method combining two-dimensional graph theory clustering and GIS spatial analysis effectively guaranteed the connectivity of the adjacent unit space of the cultivated land and the integrity of the administrative boundary, which has good applicability to the cultivated land use zoning; it was conducive to the unified management and implementation of the use of cultivated land. This paper selected the cultivated land use quality, output level and utilization efficiency as key indicators to reflect the status of cultivated land use, and to divide cultivated land into different utilization areas, and combined with the main functional area planning to determine the future direction of cultivated land use, it has certain practical reference value for comprehensive guidance of regional cultivated land use and development. The cultivated land use zoning results neglect the difference between the internal units of individual zoning to some extent, but this difference has to be neglected in order to achieve spatial connectivity. To better realize the cultivated land use, it is necessary to formulate differentiated cultivated land use guidance policies and guarantee mechanisms according to the actual conditions of each area to ensure the effective implementation of cultivated land use management.

land use; zoning; cultivated land; two dimensional graph theory clustering; Liaoning Province

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.028

F301.2

A

1002-6819(2019)-13-0234-9

2019-01-14

2019-03-29

國家自然科學基金面上項目（41571165，41071346）；遼寧省自然資源科技創新項目（19LNZRZY28）

張紅梅，博士生，主要研究方向為土地利用。Email：18640553575@163.com

宋 戈，教授，博士，博士生導師，主要研究方向為土地利用與管理。Email：songgelaoshi@163.com

張紅梅，宋 戈，王思琢.基于“質量-產出-效率”的遼寧省耕地利用分區[J]. 農業工程學報，2019，35(13)：234－242. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.028 http://www.tcsae.org

Zhang Hongmei, Song Ge, Wang Sizhuo.Zoning of cultivated land use in Liaoning Province based on "quality-output-efficiency" [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(13): 234－242. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.028 http://www.tcsae.org