基于集對分析的城市周邊永久基本農(nóng)田保護紅線劃定決策研究

文 博，徐 聰，夏 敏

(1.南京林業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院，江蘇 南京 210036；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)公共管理學(xué)院，江蘇 南京210095)

0 引言

20世紀80年代耕地保護首次作為一項基本國策提出至今已30余年，中國政府已探索出一套基本農(nóng)田保護制度體系，并將耕地保護的重要性提升到新高度[1]。隨著國土空間規(guī)劃體系的提出與不斷完善，生態(tài)保護紅線、永久基本農(nóng)田保護紅線和城鎮(zhèn)開發(fā)邊界已成為經(jīng)濟社會發(fā)展、城鎮(zhèn)化建設(shè)不可逾越的底線[2，3]，生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的生態(tài)文明理念也逐漸融入生產(chǎn)和生活方式[4，5]。城市周邊分布著數(shù)量較多、質(zhì)量相對較好、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施較為完善的耕地資源，但城市周邊又是城鎮(zhèn)發(fā)展的潛在空間，所以這類耕地一直處于占用與保護的矛盾焦點，農(nóng)業(yè)部門和資源管理部門分別從各自視角對城市周邊耕地保護進行了深入探索，形成了切實保護城市周邊優(yōu)質(zhì)耕地，最大限度避免建設(shè)用地擴張過程中占優(yōu)補劣、占近郊補遠郊等共識。同時，在國土空間規(guī)劃體系發(fā)展背景下，耕地的開發(fā)利用和保護都不能再從單一、片面的視角進行決策，應(yīng)以全局性、統(tǒng)籌性思路進行審視[6]。當前，國土空間的開發(fā)利用要求以“底線思維”為基礎(chǔ)，優(yōu)先進行永久基本農(nóng)田紅線的劃定以強化其對各類建設(shè)布局的約束[7]。在此背景下，探索如何對城市周邊永久基本農(nóng)田保護紅線劃定進行客觀、科學(xué)地決策，對于全面提升耕地保護水平、切實保護優(yōu)質(zhì)耕地、保障國家糧食安全、促進區(qū)域社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義[8]。

高標準基本農(nóng)田建設(shè)形成了大量集中連片、設(shè)施配套、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、生態(tài)良好、抗災(zāi)能力強、與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營方式相適應(yīng)的基本農(nóng)田[9，10]，而永久基本農(nóng)田保護紅線劃定，尤其是在目前“多規(guī)合一”的大背景下，對耕地保護工作提出了更高的要求[11]。關(guān)于如何科學(xué)、合理地開展永久基本農(nóng)田保護紅線劃定決策的研究逐漸顯現(xiàn)，通過收集農(nóng)用地分等數(shù)據(jù)[12]、土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查成果[13]等數(shù)據(jù)，從農(nóng)田綜合生產(chǎn)力[14]、耕地質(zhì)量[15]、景觀生態(tài)安全[16]以及耕地保護與城市擴張關(guān)系[17]等方面開展研究，采用四象限法[18]、LESA方法[19]、TOPSIS[20]等方法探討永久基本農(nóng)田劃定，對豐富永久基本農(nóng)田劃定研究體系、提高永久基本農(nóng)田保護紅線劃定決策的科學(xué)性和準確性具有重要指導(dǎo)意義。集對分析法能夠針對確定性與不確定性問題進行定量分析，解決多目標決策等問題，已應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)競爭力、生態(tài)文化健康評價等領(lǐng)域[21，22]，在基本農(nóng)田保護方面，集對分析方法在高標準基本農(nóng)田建設(shè)項目選址合理性評價中也得到了應(yīng)用[23]。永久基本農(nóng)田保護紅線的劃定既要考慮自然條件、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施等評價性指標，又要考慮生態(tài)保護紅線約束性邊界，劃定決策與眾多因素密切相關(guān)，集對分析法能夠有效處理決策與影響因素的復(fù)雜性和不確定性，但目前還沒有在永久基本農(nóng)田保護紅線劃定方面的應(yīng)用。

基于此，本研究以保護城市周邊優(yōu)質(zhì)耕地為目標，采用集對分析法對自然地理、土壤質(zhì)量、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施及耕地形態(tài)等評價性指標進行分析，同時加入生態(tài)敏感區(qū)與生態(tài)功能供給重點區(qū)邊界等約束性指標，以江西省萍鄉(xiāng)市安源區(qū)為例開展實證研究，以期在理論上為豐富國土空間規(guī)劃背景下城市周邊永久基本農(nóng)田保護紅線劃定研究提供新思路，在實踐上為安源區(qū)城市周邊永久基本農(nóng)田決策提供依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

安源區(qū)地處江西省西部，東部、東南部與蘆溪縣接壤，西南部及西部與湘東區(qū)交界，北部與上栗縣毗連，轄4個街道、6個鎮(zhèn)及1個管委會(圖1)。全區(qū)總面積212.7 km2，其中耕地總面積為3 539.33 hm2。地貌類型以丘陵為主，東、南、北大多為山地，西部地勢較低，地貌較為復(fù)雜。安源區(qū)作為萍鄉(xiāng)市的政治、經(jīng)濟、文化中心，是承載萍鄉(xiāng)市城市建設(shè)、市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、人口聚居的主要區(qū)域，近年來隨著城市經(jīng)濟社會的發(fā)展，建設(shè)用地擴張占用了大量城市周邊的耕地，城市空間擴展與耕地保護矛盾日益凸顯，因此，以安源區(qū)為例開展城市周邊永久基本農(nóng)田保護紅線劃定決策研究具有一定的典型性和代表性。

圖1 研究區(qū)區(qū)位

本研究土地利用數(shù)據(jù)來源于2018年第二次全國土地調(diào)查更新數(shù)據(jù)，從中獲得耕地和道路圖層，并采用ArcGIS 10.3計算得到道路通達度、耕作距離、斑塊規(guī)整度、斑塊連片程度等指標；通過中科院地理空間數(shù)據(jù)云平臺獲得30 m×30 m數(shù)字高程地圖，運用ArcGIS 10.3的空間分析工具得到坡度、高程等指標；基于安源區(qū)農(nóng)用地分等定級成果獲得土壤質(zhì)量和農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施條件圖層；收集紙質(zhì)圖件掃描配準并矢量化后得到國家森林公園、飲用水水源保護區(qū)邊界圖層，以上矢量數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)成30 m×30 m柵格數(shù)據(jù)，按照統(tǒng)一的研究區(qū)范圍、坐標系統(tǒng)和柵格分辨率進行處理，得到研究區(qū)有效耕地柵格數(shù)39 227個。需說明的是，安源區(qū)行政轄區(qū)范圍內(nèi)的后埠街道、鳳凰街道、八一街道、東大街道是萍鄉(xiāng)市主城區(qū)，耕地資源分布較少，故將此4個街道合并為“主城區(qū)”。

2 研究方法

本研究以保護優(yōu)質(zhì)耕地為前提，以“保持耕地資源的連片性，保證耕地資源生態(tài)系統(tǒng)形態(tài)、結(jié)構(gòu)及功能的完整性，增強農(nóng)業(yè)配套設(shè)施的高效性”作為城市周邊基本農(nóng)田劃定方向，同時綜合考慮生態(tài)敏感區(qū)、生態(tài)功能供給重點區(qū)等生態(tài)安全底線，基于集對分析方法對城市周邊永久基本農(nóng)田保護紅線劃定決策進行研究，具體分析框架如圖2所示。

圖2 城市周邊永久基本農(nóng)田保護紅線劃定決策分析框架

2.1 決策指標體系構(gòu)建

根據(jù)《基本農(nóng)田劃定技術(shù)規(guī)程》、永久基本農(nóng)田劃定工作要求、農(nóng)地分等及更新成果，參考已有關(guān)于基本農(nóng)田空間布局、永久基本農(nóng)田劃定以及高標準基本農(nóng)田建設(shè)等相關(guān)研究[24，25]，綜合考慮指標的可獲取性與代表性和評價結(jié)果的可比性等原則，本研究從自然地理條件、土壤質(zhì)量條件、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施條件以及耕地形態(tài)四方面選取12項評價性指標，同時選取國家森林公園、飲用水水源保護區(qū)邊界作為約束性指標，建立城市周邊永久基本農(nóng)田保護紅線劃定決策指標體系(表1)。

表1 安源區(qū)城市周邊永久基本農(nóng)田保護紅線劃定決策指標體系

已有研究關(guān)于道路通達度、斑塊規(guī)整度以及斑塊連片程度的計算方法不一致，本文按照以下方法計算[26，27]。1)構(gòu)建道路通達度計算公式如式(1)所示;2)斑塊連片程度是一個相對概念，本研究運用ArcGIS 10.3軟件的Dissolve工具，將研究區(qū)耕地矢量數(shù)據(jù)進行融合，然后運用Explode Multi-part Feature工具將不連片的耕地斑塊分離，分離后的耕地斑塊面積越大則認為其連片程度越高，同一斑塊上所有的柵格連片程度相等;3)借鑒景觀生態(tài)學(xué)中的分維數(shù)FRAC(式(2))計算耕地斑塊的規(guī)整度,其理論范圍在1.0～2.0之間，指數(shù)越小，表示斑塊形狀越規(guī)則，同一斑塊的柵格規(guī)整度相等。

(1)

式中：Ci是第i個耕地柵格的道路通達度值；A1、A2、A3、A4、A5分別為縣鄉(xiāng)道、省道、國道、高速公路和鐵路的空間影響權(quán)重，通過層次分析法(AHP)計算結(jié)果分別為0.51、0.264、0.13、0.063、0.033；M1、M2、M3、M4、M5分別為縣鄉(xiāng)道、省道、國道、高速公路和鐵路的空間影響衰減系數(shù)；d1i、d2i、d3i、d4i、d5i分別為第i個柵格到縣鄉(xiāng)道、省道、國道、高速公路和鐵路的空間距離(m)；D1、D2、D3、D4、D5分別為縣鄉(xiāng)道、省道、國道、高速公路和鐵路的影響半徑(m)。

FRAC=2log(p/4)/log(a)

(2)

式中：p為斑塊周長(m)；a為斑塊面積(m2)。

2.2 集對分析方法

集對分析將具有某種聯(lián)系的兩個集合看成一個集對，按照集對的特性，建立同一、差異、對立的聯(lián)系度對具體問題展開分析。計算公式為[21-23]：

μ=a+bi+cj

(3)

式中：μ為集對間聯(lián)系度；a、b、c分別表示集對的同一度、差異度和對立度；i、j分別表示差異度系數(shù)和對立度系數(shù)，i取值范圍為[-1，1]，j取值恒定為1。

本文根據(jù)集對分析原理開展城市周邊永久基本農(nóng)田劃定決策分析。1)設(shè)定M={Mk}為耕地柵格集合(k=1,2,…,m)，N={Nr}為決策指標集合(r=1,2,…,n)；設(shè)定決策矩陣為E={Xkr}(Xkr為第k個柵格關(guān)于指標r的屬性值)。2)定義城市周邊永久基本農(nóng)田劃定決策指標屬性值的最優(yōu)集為U={ur}，最劣集為V={vr}，決策指標權(quán)重集合為W={wr}，本研究認為各決策指標對永久基本農(nóng)田保護紅線劃定都非常重要，即各指標等權(quán)，w1=w2=…=wr=1/r。3)利用式(4)-式(6)計算第k個柵格的同一度ak和對立度ck。4)根據(jù)ak和ck利用式(7)計算第k個柵格的相對貼合度Rk，Rk值越大，表明該柵格越應(yīng)優(yōu)先劃入城市周邊永久基本農(nóng)田進行保護。

當決策指標Nr為正向指標時：

(4)

當決策指標Nr為負向指標時：

(5)

(6)

Rk=ak/(ak+ck)

(7)

3 結(jié)果與分析

3.1 指標貼合度測算結(jié)果

根據(jù)安源區(qū)城市周邊永久基本農(nóng)田劃定決策的評價性指標與約束性指標，測算各指標柵格貼合度(圖3)，采用集對分析法得到安源區(qū)各耕地柵格與基本農(nóng)田理論最優(yōu)方案的貼合度結(jié)果直方圖(圖4)。由圖4可知，安源區(qū)耕地柵格的基本農(nóng)田劃定決策與理論最優(yōu)方案貼合度最大值為0.826，最小值為0.422，平均值為0.663，貼合度整體水平較高，可見城市周邊耕地資源自然地理條件、土壤質(zhì)量條件、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施條件及耕地形態(tài)都較為優(yōu)越，在經(jīng)濟迅速發(fā)展和城市快速擴張的背景下，應(yīng)優(yōu)先考慮將城市周邊貼近理想基本農(nóng)田的優(yōu)質(zhì)耕地資源作為永久基本農(nóng)田加以保護，既保護優(yōu)質(zhì)耕地資源，又能保持景觀連續(xù)性、維持生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能。

圖3 安源區(qū)城市周邊永久基本農(nóng)田劃定決策指標貼合度測算結(jié)果

圖4 安源區(qū)城市周邊永久基本農(nóng)田劃定決策貼合度直方圖

3.2 永久基本農(nóng)田保護紅線劃定空間決策

3.2.1 決策類型劃分 與最優(yōu)方案貼合度越高的耕地柵格越應(yīng)優(yōu)先劃入永久基本農(nóng)田保護紅線。根據(jù)該思路，借助ArcGIS 10.3的自然斷點法，按照耕地柵格貼合度從高到低將安源區(qū)耕地劃分為優(yōu)先劃入型(0.711～0.826)、擇優(yōu)調(diào)入型(0.634～0.711)、針對性調(diào)控型(0.555～0.634)及全面治理型(0.422～0.555)4種永久基本農(nóng)田劃定決策類型(圖5)。對主城區(qū)、丹江街道、白源街道等區(qū)域決策類型的統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。優(yōu)先劃入型耕地面積956.16 hm2，占全區(qū)耕地資源的27.08%，集中分布于青山鎮(zhèn)、五陂鎮(zhèn)、安源鎮(zhèn)及高坑鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)周邊道路沿線，具有地勢平坦、高程較低、土壤質(zhì)量高、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施相對完善、耕地集中連片度高、斑塊規(guī)整、基本農(nóng)田建設(shè)限制性小等特征，應(yīng)優(yōu)先劃入城市周邊永久基本農(nóng)田保護紅線。擇優(yōu)調(diào)入型耕地共有1 597.50 hm2，占全區(qū)耕地總面積的45.25%，分布于高坑鎮(zhèn)北部、青山鎮(zhèn)北部、城郊管委會南部、白源街道靠近主城區(qū)的區(qū)域，主要為丘陵低山山谷中連片度較高的耕地，與優(yōu)先劃入型耕地相比，耕地質(zhì)量、區(qū)位、生產(chǎn)性基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)勢較低，但其中部分耕地資源連片度較高，在扣除規(guī)劃中城市發(fā)展預(yù)留的必須占用的主城區(qū)周邊少數(shù)耕地資源的基礎(chǔ)上，高坑鎮(zhèn)北部、青山鎮(zhèn)北部距主城區(qū)有一定距離、集中連片的部分耕地應(yīng)擇優(yōu)調(diào)入安源區(qū)城市周邊永久基本農(nóng)田保護紅線。針對性調(diào)控型耕地共有498.24 hm2，占全區(qū)耕地總面積的14.11%，主要分布于高坑鎮(zhèn)與青山鎮(zhèn)范圍內(nèi)的山腳地帶，其余區(qū)域也有少量分布；此類耕地所處的地形條件復(fù)雜，多為坡耕地，斑塊面積較小，土壤質(zhì)量、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施條件、耕地形態(tài)與前兩種類型有一定差距，各種條件對基本農(nóng)田布局表現(xiàn)出一定的阻礙作用，應(yīng)分析影響基本農(nóng)田布局的阻礙因素及作用機制，并將調(diào)控改造后形成的優(yōu)質(zhì)耕地作為永久基本農(nóng)田劃定決策的備選方案。全面治理型耕地478.53 hm2，占耕地總面積的13.56%，主要分布于青山鎮(zhèn)、高坑鎮(zhèn)、五陂鎮(zhèn)的丘陵山區(qū)，以旱作坡耕地為主；此類耕地平均斑塊面積較小，空間連片程度較低，破碎化程度較高，呈零星分布狀態(tài)，目前不宜劃入永久基本農(nóng)田保護紅線。

圖5 安源區(qū)城市周邊永久基本農(nóng)田保護紅線劃定決策分類

表2 永久基本農(nóng)田保護紅線劃定決策各類型面積

3.2.2 決策類型管控 為指導(dǎo)城市周邊永久基本農(nóng)田保護紅線劃定及管控工作，根據(jù)安源區(qū)城市周邊永久基本農(nóng)田保護紅線劃定決策類型的自然地理條件、土壤質(zhì)量條件、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施條件、耕地形態(tài)和生態(tài)敏感性(國家森林公園)、生態(tài)服務(wù)功能供給重點區(qū)域(飲用水水源保護區(qū))等，結(jié)合安源區(qū)總體規(guī)劃的要求，提出如下分類管控對策。1)優(yōu)先劃入型：應(yīng)充分發(fā)揮此類耕地資源的優(yōu)越性，在保護耕地質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境的前提下，優(yōu)化現(xiàn)有耕作方式、種植結(jié)構(gòu)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局，通過加強農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)、強化農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展模式的介入，打造城市周邊集農(nóng)業(yè)觀光、高效生產(chǎn)、科普于一體的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)示范區(qū)。2)擇優(yōu)調(diào)入型：在將條件較好的耕地劃入永久基本農(nóng)田保護紅線的基礎(chǔ)上，采取工程措施、生物技術(shù)以提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理科學(xué)性，促進耕地質(zhì)量提升和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件改善。3)針對性調(diào)控型：可對此類耕地開展綜合整治，通過實施平整土地、改良土壤、完善灌溉與排水等農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施工程措施，將改造后符合基本農(nóng)田要求的耕地根據(jù)上級下達指標要求，擇優(yōu)納入城市周邊永久基本農(nóng)田進行保護，或作為城市周邊永久基本農(nóng)田后備資源；對于改造難度大或改造后尚不符合基本農(nóng)田布局要求的耕地則劃為一般農(nóng)用地，因地制宜地選擇科學(xué)的耕作方式和合理的種植結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有序開展。4)全面治理型：此類耕地受自然條件、土壤質(zhì)量、農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施及耕地形態(tài)的影響較為強烈，應(yīng)進行全面整治并采取差別化的管理措施。主城區(qū)內(nèi)或鄰近主城區(qū)的該類型耕地斑塊面積較小，開展農(nóng)用地整理邊際成本較高，可補充耕地數(shù)量較少，且多以零星斑塊鑲嵌于建設(shè)用地內(nèi)部，可通過非農(nóng)化為城市建設(shè)提供發(fā)展空間；遠郊丘陵山區(qū)的該類型耕地，可滿足基本農(nóng)田要求的數(shù)量較少，同時受區(qū)位、交通等條件限制，可作為建設(shè)用地后備資源的亦很少，則應(yīng)因地制宜積極發(fā)展山區(qū)特色旱作農(nóng)業(yè)，充分發(fā)揮多元化的耕地生產(chǎn)、生態(tài)功能，提升耕地綜合效益。

4 結(jié)論與討論

本文按照國土空間規(guī)劃“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”與“底線思維”的工作邏輯，優(yōu)先進行城市周邊永久基本農(nóng)田保護紅線的劃定以強化其對各類建設(shè)布局的約束，能夠?qū)量臻g規(guī)劃“三線劃定”決策提供理論參考。以江西省萍鄉(xiāng)市中心城區(qū)所在地安源區(qū)為例，采用集對分析法研究城市周邊永久基本農(nóng)田保護紅線的劃定決策，根據(jù)柵格劃定決策方案與理論最優(yōu)方案的貼合度，將安源區(qū)耕地劃分為優(yōu)先劃入型、擇優(yōu)調(diào)入型、針對性調(diào)控型和全面治理型4種永久基本農(nóng)田劃定決策類型，其面積分別占全區(qū)耕地總面積的27.08%、45.25%、14.11%、13.56%。優(yōu)先劃入型和擇優(yōu)調(diào)入型主要分布于城區(qū)周邊的道路沿線，該類型耕地綜合質(zhì)量好、連片度高、設(shè)施完善，屬于城市周邊基本農(nóng)田保護的核心部分，是城市周邊耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能、生態(tài)功能、農(nóng)田景觀功能的主要載體，城市建設(shè)發(fā)展應(yīng)盡可能避免對其破壞，優(yōu)先將上述兩種類型中的優(yōu)質(zhì)連片耕地劃入永久基本農(nóng)田保護紅線。針對性調(diào)控型耕地應(yīng)在充分分析障礙因素的基礎(chǔ)上，開展綜合治理與調(diào)控，將調(diào)控改造后形成的優(yōu)質(zhì)耕地作為永久基本農(nóng)田劃定決策的備選方案。全面治理型耕地主要為旱作坡耕地，主城區(qū)周邊有少量鑲嵌于建設(shè)用地之中，因為基礎(chǔ)條件優(yōu)劣各異，改造難易程度不一，目前不宜劃入永久基本農(nóng)田保護紅線。

借助集對分析法研究安源區(qū)城市周邊永久基本農(nóng)田保護紅線的劃定，有效規(guī)避了探討各影響因素對于城市周邊永久基本農(nóng)田保護紅線劃定決策影響的不確定性與復(fù)雜性。本研究存在如下有待改進之處：采用自然斷點法對集對分析法測算結(jié)果進行分級以確定決策類型，在分級時僅考慮數(shù)據(jù)自身特征，未深入分析各影響因素的作用，今后將探討更科學(xué)的分級方法；以保護城市周邊集中連片、質(zhì)量較高的優(yōu)質(zhì)耕地及維持生態(tài)功能完整性為目標，可為永久基本農(nóng)田保護紅線劃定決策提供參考，實際工作中還需考慮城市發(fā)展需要、生態(tài)紅線的范圍等進行綜合決策。此外，隨著科技水平與農(nóng)業(yè)工程技術(shù)的提高，現(xiàn)階段整治難度較大、改造成本較高的耕地未來亦可能整治為符合永久基本農(nóng)田要求的耕地資源。