基于產能核算和土地質量地球化學評估的縣域基本農田布局研究

侯現慧，王占岐，楊 俊，劉 妍（中國地質大學（武漢）公共管理學院，湖北 武漢 430074）

基于產能核算和土地質量地球化學評估的縣域基本農田布局研究

侯現慧，王占岐，楊 俊，劉 妍
（中國地質大學（武漢）公共管理學院，湖北 武漢 430074）

研究目的：補充完善縣域基本農田布局方法。研究方法：從耕地產能、利用條件、土壤有益元素質量和土壤環境質量等4個層面分別構建指標體系，利用疊圖法將4種評價結果進行整合，同時以優先保護產能高和土壤有益元素豐富的耕地，禁止重金屬污染的耕地劃入基本農田為原則，綜合確定基本農田布局類型。研究結果：（1）云霄縣耕地劃分為優先劃定型、基礎保護型、重點整治型和不宜劃入型4種類型。（2）優先劃定型、基礎保護型和重點整治型耕地是云霄縣糧食生產的主力軍，同時其土壤環境質量較好，并包含土壤有益元素豐富和適中的耕地638.04 hm2和8663.28 hm2，是基本農田布局的主要區域。研究結論：整合方法補充完善了縣域基本農田布局方法，為指導耕地保護從“數量”保護向“數量與質量”并重保護轉變提供了參考。

土地管理；基本農田布局；疊圖法；產能核算；土地質量地球化學評估；云霄縣

1　引言

科學合理布局基本農田是解決中國糧食安全問題的重要命題，更是貫徹落實“十分珍惜、合理利用土地和切實保護耕地”基本國策的重要舉措。近年來，國內學者針對基本農田空間布局研究進行了諸多探索，從數據來源方面，主要有農用地分等數據［1-2］、產能核算數據［3-4］、第二次土地利用調查現狀數據［5］和地球化學調查數據［6-7］等；在模型方法方面，主要有借鑒LESA模型［8］、四象限法［9］、K均值空間聚類法［3］和疊圖法［6］等。可見中國基本農田布局研究已經形成了較為科學合理的理論框架與方法體系［9-15］。然而，隨著中國工業化、城鎮化的持續加速推進，環境問題成為近年來研究和關注的熱點。國內眾多學者相繼在土壤重金屬污染［16-19］和綠色產能評價［20］等方面進行了積極有益探索，得出耕地土壤重金屬超標會增加農產品重金屬超標風險等［21，-22］，而在現有基本農田布局研究中仍缺乏對土壤重金屬污染的考量，容易形成大量“無效產能”，同時對土壤有益元素也存在考慮不足問題，因此充分利用現有調查成果，完善基本農田布局方法勢在必行。

基本農田保護制度的主要內容是保護耕地數量和保證耕地質量，其核心目標是保護耕地的生產能力，而基本農田科學合理布局的核心內容是保證耕地的質量要求［23］。鑒于此，為進一步突出基本農田保護的核心內容，探索基本農田空間科學合理布局的方法，強化土壤重金屬元素和有益元素對指導基本農田空間布局的重要性，本文以福建省云霄縣為例，以土地適宜性評價理論為基礎，從耕地產能、利用條件、土壤有益元素和土壤環境質量等4個角度進行考量，并以此為基礎確定基本農田空間布局，以期為云霄縣基本農田科學合理布局提供依據，為貫徹落實“十分珍惜、合理利用土地和切實保護耕地”的基本國策提供參考。

2　研究思路與方法

2.1研究思路

根據基本農田保護政策具體要求，基本農田必須是“優質”耕地，應具有產量高、質量好等特點。同時現代農業要求耕地具有較高的規模化經營潛力，故入選耕地也應具有良好的“集中”特性。土地適宜性評價是判斷土地對于某種用途是否適宜以及適宜程度的重要手段，而基本農田對耕地“優質”和“集中”的客觀要求也正是耕地適宜性的本質內涵。為實現基本農田“優質”和“集中”的目標，本文將以土地適宜性評價理論為基礎，分別采用耕地產能評價反映耕地生產能力的高低，土壤有益元素評價和土壤環境質量評價反映耕地質量的好壞，耕地利用條件評價反映耕地的“集中”程度。4種評價結果均表現為正向性，即評價結果越好其耕地適宜性越好，同時也符合基本農田“優質”和“集中”的客觀要求，所以在保證評價成果的獨立性的基礎上，采用疊圖法將4種評價成果進行疊加分析，最終根據基本農田布局方案確定基本農田布局。

本文將根據主導性、差異性和穩定性等原則構建評價指標體系，具體如下：

（1）耕地產能評價。耕地產能是指在一定地域、一定時期和一定的經濟、社會、技術條件下所形成的耕地生產能力，分為耕地理論產能、可實現產能和實際產能三個層次，其分別從耕地的最高生產能力、可實現生產能力和實際生產能力反映耕地的產能狀況，是耕地生產能力的綜合反映。

（2）土壤有益元素評價。微量元素在人體中的含量盡管極其微少，但卻對機體的健康起著非常重要的作用［24］，如近年來研究發現硒具有提高人體免疫力等作用，而植物中的微量元素主要來源于土壤［25-26］，因此參照《人體健康與微量元素》選擇B、Co、Cu、F、Mo、Se、Fe、Zn 8種微量元素作為土壤有益元素評價指標來衡量耕地土壤有益元素豐缺情況。

（3）土壤環境質量評價。重金屬作為一種持久有毒的特殊污染物，且在現有技術條件下，土壤重金屬污染具有不可逆性［27］，同樣重金屬也會通過植物吸收，轉移到人體內進行富集，并危害人體健［17，-18］，參照《土壤環境質量標準》（GB15618-1995），選擇As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 8種重金屬作為土壤環境質量評價指標。

（4）耕地利用條件評價。良好的耕地利用條件是實現耕地規模化經營的基礎，因此選擇道路通達度、地形坡度、海拔高度、田塊規整度和集中連片度5個指標反映耕地利用條件狀況。

2.2研究方法

（1）耕地產能評價。本文的耕地產能評價僅針對耕地單產，具體分為理論單產、可實現單產和實際單產。根據農用地產能核算成果，選用極值法將三種產能進行標準化（式（1））。指標權重采用專家打分法進行確定，經兩次打分，綜合確定理論單產、可實現單產和實際單產的權重分別為0.3、0.3和0.4，并利用式（2）求得每個耕地圖斑的產能評價綜合分值。

式（1）、式（2）中，Y為耕地產能評價綜合分值，yi標為第i種耕地產能標準化后的指標值，yi為第i種耕地產能指標的實測值，yimin為第i種耕地產能指標的最小值，yimax為第i種耕地產能指標的最大值，ki為第i種耕地產能指標權重值，n為指標因子個數。依據最大相似原理，采用自然斷裂點法將耕地產能分為高產能（C1）、中產能（C2）和低產能（C3）。

（2）土壤有益元素評價。土壤有益元素評價將利用土地質量地球化學評估成果，參照《土地質量地球化學評估技術要求（試行）》（DD2008-06）標準，首先對數據進行正態性檢驗，對不服從正態分布或對數正態分布的數據，進行平均值±3倍離差剔除異常數據，直至服從正態分布或對數正態分布，并采用峰值型和戒上型隸屬度函數模型分別計算F、Se和B、Mo、Co、Cu、Fe、Zn隸屬度函數值；其次采用專家打分法確定指標權重，經兩次打分，綜合確定各指標權重值；最后計算土壤有益元素評價綜合分值。各元素的L值、U值、O1值和O2值及權重值見表1。

式（3）中，YS為土壤有益元素評價綜合分值，fi為第i個元素指標隸屬函數值，Si為第i個元素指標權重值，n為指標因子個數。參照《土地質量地球化學評估技術要求（試行）》（DD2008-06）標準將土壤有益元素評價結果分為：豐富（Y1），即0.7≤YS，適量（Y2），即0.3≤YS＜0.7和缺乏（Y3），即YS＜0.3。

（3）土壤環境質量評價。土壤環境質量評價中先利用單因子指數計算土壤單元素環境質量評價指數，再通過內梅羅指數法計算土壤環境質量評價綜合指數。《基本農田劃定技術規程》（TD/T 1032-2011）要求受重金屬污染物或者其他有毒有害物質污染的耕地，或治理后仍達不到國家有關標準的耕地禁止劃入基本農田，因此利用土地質量地球化學評估成果，參照《土壤環境質量標準》（GB15618-1995）的Ⅱ級土壤重金屬限制值作為單元素土壤環境質量評價標準，將土壤環境質量綜合評價結果分為清潔（H1）和污染（H2）兩類，其中清潔土壤P綜≤1，污染土壤P綜＞1。

表1　隸屬函數界限值及權重表 　　單位：mg/kgTab.1 The limit value of membership function and index weight 　unit: mg/kg

式（4）、式（5）中，P綜為土壤環境質量評價綜合指數，Pi為單元素土壤環境質量評價指數，Pave為8種元素土壤環境質量評價指數的平均值，Pmax為8種元素土壤環境質量評價指數最大值，Xi為第i種元素實測值，Ci為第i種元素土壤環境質量標準Ⅱ級界限值［28］。

（4）耕地利用條件評價。耕地利用條件評價中田塊規整度和耕地連片度分別按照式（6）和式（7）進行計算并參照相關研究成果賦分［10］，道路通達度、灌溉保證率、地形坡度和海拔高度等根據相關要求①由于本文以福建省云霄縣為例，故采用《福建省國土資源廳關于開展全省農用地分等成果更新和產能核算工作的通知》（閩國土資綜［2009］241號）文件要求。和《農用地質量分等規程（GB/T 28407-2012）》標準確定指標分值，并采用專家打分法，經過兩次打分綜合確定6個指標的權重。

表2　耕地利用條件評價指標分級標準及權重賦值表Tab.2 The index classification standard of cultivated land condition evaluation and weight assignment

式（6）、式（7）、式（8）中，FRAC為田塊規整度，Q是耕地連片度，p為耕地圖斑周長（m），X為耕地圖斑面積（m2）。LYTJ為耕地利用條件評價綜合分值，Wi和Ti為耕地利用條件中不同指標的分值及權重，n指標因子個數。同樣依據最大相似原理，采用自然斷裂點法將耕地利用條件分為好（L1）、中（L2）和差（L3）三種類型。

（5）基本農田布局方案。疊圖整合分析法是一種基本的土地評價方法，其不但保證了評價結果的獨立性，同時可以將不同評價結果進行整合，對指導土地利用具有重要意義［6，20，29］。本文根據《基本農田保護條例》和《基本農田劃定技術規程》（TD/T 1032-2011）的要求和規定，采用疊圖法將耕地產能評價結果、利用條件評價結果、土壤有益元素評價結果和土壤環境質量評價結果進行整合，并采用“耕地產能級別—利用條件級別—環境質量級別—有益元素級別”的命名規則進行命名，同時以優先保護產能高和土壤有益元素豐富的耕地，禁止重金屬污染的耕地劃入基本農田為原則，結合區域耕地特點，綜合確定優先劃定型、基礎保護型、重點整治型和不宜劃入型4種基本農田布局類型。

3　實證研究

3.1研究區概況

云霄縣地處福建省南部沿海，地跨東經117°07′—117°33′，北緯23°45′—24°14′，東北與漳浦縣交界，東南與東山縣相連，西南與詔安縣毗鄰，西北與平和縣接壤，地勢從西北向東南傾斜，東北、西部以及西南部邊沿均為山地，中部至東南部為沿海平原。云霄縣屬于典型的南亞熱帶海洋性季風氣候，光照、熱量、水分豐富且季節性強，氣候利用有效性高，農業生態環境極佳，可大規模開發種植熱帶作物。云霄縣土地總面積951.12 km2，其中耕地面積118.99 km2，占土地總面積12.51%，是福建省重要的商品糧生產基地。

3.2數據來源

本文數據包括：云霄縣農用地產能核算成果（矢量數據，2012年）、云霄縣耕地質量補充完善成果（矢量數據，2012年）、云霄縣1∶25萬多目標區域地球化學調查成果（428件表層土壤樣品的測試數據，2012年）、云霄縣土地變更調查數據庫（矢量數據，2012年）、云霄縣地形圖和云霄縣統計年鑒（2013年）。根據《基本農田劃定技術規程》（TD-T1032-2011）要求，新劃定的基本農田土地利用現狀應當是耕地，同時為方便成果應用，所以將耕地圖斑作為本研究的評價單元。

3.3基本農田布局結果

在ArcGIS空間分析平臺上，將耕地產能評價成果、利用條件評價成果、土壤有益元素評價成果和土壤環境質量評價成果進行疊加分析，總計得到44種類型耕地，根據布局方案，劃定基本農田布局類型（表3、圖1—圖2，封三）。

（1）優先劃定型。優先劃定型耕地在耕地產能、利用條件、土壤有益元素和土壤環境質量等方面綜合最優，故最適宜劃定為基本農田，也可作為高標準基本農田建設和永久基本農田建設的重點區域。該類耕地面積為3551.68 hm2，占全縣耕地總面積和總地塊數的29.85%和14.47%。耕地面積比例與地塊比例存在較大的分異性，反映出優先劃定型耕地的田塊面積普遍較大，集中連片度高。同時其理論產能、可實現產能和實際產能分別占全縣對應總產能的26.37%、29.02%和25.05%。優先劃定型耕地主要分布于云霄縣中部至東南部的沿海平原以及山間盆地，其中以東廈鎮、火田鎮和陳岱鎮居多，三鎮的此類耕地分別占優先劃定型耕地總面積的37.87%、19.06%和11.89%。

表3 云霄縣基本農田布局類型劃分結果Tab.3 The basic farmland layout classification results of Yunxiao County

（2）基礎保護型。盡管基礎保護型耕地較優先劃定型耕地存在差距，但耕地中卻不存在明顯的限制性障礙因素，同時土壤環境清潔，產能和利用條件也均達到基本農田的基本要求，故該類型耕地較適宜劃定為基本農田。該類型耕地面積為4216.76 hm2，占全縣耕地總面積和總地塊數的35.44%和36.63%。耕地面積比例和地塊比例不存在明顯分異性，反映出基礎保護型耕地的田塊面積適中，集中連片度一般。其理論產能、可實現產能和實際產能分別占全縣對應總產能的41.19%、50.36%和40.02%。基礎保護型耕地在云霄縣各鄉鎮均有分布，主要集中于山間盆地和河谷周圍。

（3）重點整治型。重點整治型耕地是在耕地生產能力和利用條件上存在一種或多種限制性障礙因素，需根據實際情況開展土地整治活動，提高耕地生產能力，改善耕地利用條件，進而根據整治情況選擇性劃入基本農田的耕地。由于中國耕地資源稀缺，后備耕地資源不足，重點整治型耕地仍是中國基本農田建設的主要區域。該類型耕地面積為2215.85 hm2，占全縣耕地總面積和總地塊數的18.62%和31.28%。耕地面積比例明顯小于地塊比例，反映出重點整治型耕地的田塊面積較小，集中連片度較差。其理論產能、可實現產能和實際產能分別占全縣對應總產能的18.11%、12.55%和20.21%。重點整治型耕地主要分布于云霄縣西北側的下河鄉和馬鋪鄉，該地區以山地為主，地形條件較差，田塊比較零散且不規整。

（4）不宜劃入型。根據《基本農田劃定技術規程》（TD/T 1032-2011）規定，受重金屬污染物或者其他有毒有害物質污染的耕地，或治理后仍達不到國家有關標準的耕地禁止劃入基本農田，因此將土壤環境質量評價結果為污染區內的耕地全部確定為不宜劃入型耕地。同時為防止水土流失、生態環境惡化，將產能低、利用條件差和有益元素缺乏的耕地也劃入該類型耕地。該類型耕地面積為1914.55 hm2，占全縣耕地總面積和總地塊數的16.09%和17.62%。耕地面積比例與地塊比例不存在明顯分異性，是因為該類型耕地主要是由土壤環境質量為污染區內的耕地組成，且土壤環境污染與地塊面積和大小沒有直接相關關系。其理論產能、可實現產能和實際產能分別占全縣對應總產能的14.33%、8.07%和14.72%。不宜劃入型耕地主要分布于東廈鎮、和平鄉和火田鎮的土壤污染區。

4　結論與討論

4.1結論

（1）本文以土地適宜性評價理論為基礎，利用耕地產能核算成果和土地質量地球化學評估成果，從耕地產能、利用條件、土壤有益元素和土壤環境質量4個層面構建評價指標體系，并采用疊圖法綜合確定4種基本農田布局類型，補充完善了區域基本農田布局研究方法。該方法不僅從宏觀層面考慮了耕地的生產能力和利用條件，保證了基本農田“優質”和“集中”的基本要求，同時增加了對土壤微觀層面的考量。優先保護土壤有益元素豐富的耕地，禁止保護土壤重金屬污染的耕地，體現了基本農田對耕地“優質”的更高要求，提高了基本農田布局的科學性和合理性，對指導耕地保護從“數量”保護向“數量與質量”并重保護轉變提供了參考。

（2）本文以福建云霄縣為例開展實證研究，研究表明：優先劃定型、基礎保護型和重點整治型耕地是劃定基本農田的主要區域，也是全縣糧食生產的主力軍，其理論產能、可實現產能和實際產能分別占全縣對應總產能的85.67%、91.92%和85.28%。同時這三種類型耕地中存在土壤有益元素豐富和適中的耕地638.04 hm2和8663.28 hm2。

4.2討論

本文的研究結果可以滿足云霄縣基本農田保護率達到80%的要求，但對于土壤環境質量污染面積較大的地區，此種基本農田布局方法可能無法滿足《基本農田保護條例》或上級下達指標的要求，同時本文在劃分不同基本農田布局類型時存在部分主觀因素，如將C3L3Y3H1型耕地歸為不宜劃入型耕地，雖然對地區推行退耕還林和防止生態環境惡化具有促進作用，但是對于基本農田保護形勢嚴峻的地區，可能存在一定影響。針對以上兩個問題有待進一步研究。

（References）:

［1］鄭新奇，楊樹佳，象偉寧，等.基于農用地分等的基本農田保護空間規劃方法研究［J］.農業工程學報，2007，23（1）：66-70.

［2］張英，潘瑜春，曾志炫，等.基于農用地分等定級的耕地入選基本農田評價比較分析［J］.中國土地科學，2012，26（3）：29-33.

［3］聶艷，吳學敏，何穎，等.基于產能核算和空間聚類的縣級基本農田劃定研究［J］.長江流域資源與環境，2014，23（6）：809-815.

［4］潘洪義，蔣貴國，何偉.基于農用地產能核算成果基本農田劃定研究——以安縣為例［J］.中國農學通報，2012，28（8）：160-165.

［5］胡輝，謝梅生，蔡斌，等.GIS技術在縣級土地利用總體規劃修編基本農田劃定中的應用——以江西省安義縣為例［J］.中國土地科學，2009，23（12）：28-32.

［6］劉霈珈，吳克寧，趙華甫，等.基于耕地綜合質量的基本農田布局優化——以河南省溫縣為例［J］.中國土地科學，2015，29 （2）：54-59.

［7］王亞華，袁源，張小林，等.城鄉結合部基本農田空間布局方法研究——以南通市港閘區為例［J］.中國土地科學，2011，25 （2）：79-84.

［8］許杰.基于 LESA 模型的基本農田劃定研究［D］.武漢：華中師范大學，2012.

［9］唐秀美，潘瑜春，劉玉，等.基于四象限法的縣域高標準基本農田建設布局與模式［J］.農業工程學報，2014，30（13）：238-246.［10］奉婷，張鳳榮，李燦，等.基于耕地質量綜合評價的縣域基本農田空間布局［J］.農業工程學報，2014，30（1）：200-210.

［11］曾吉彬，邵景安，魏朝富.西南山地丘陵區永久性基本農田的多目標決策劃定方法［J］.農業工程學報，2014，30（16）：263-274.

［12］任艷敏，唐秀美，劉玉，等.考慮耕地生態質量的基本農田劃定方法［J］.農業工程學報，2014，30（24）：298-307.

［13］劉新衛，鄖文聚，陳萌，等.國家基本農田保護示范區實踐探索與制度創新［J］.中國土地科學，2013，27（6）：3-8.

［14］鐘太洋，黃賢金，陳逸.基本農田保護政策的耕地保護效果評價［J］.中國人口·資源與環境，2012，22（1）：90-95.

［15］董濤，孔祥斌，譚敏，等.大都市邊緣區基本農田功能特點及劃定方法［J］.中國土地科學，2010，24（12）：32-37.

［16］謝小進，康建成，李衛江，等.上海城郊地區城市化進程與農用土壤重金屬污染的關系研究［J］.資源科學，2009，31（7）：1250-1256.

［17］姜菲菲，孫丹峰，李紅，等.北京市農業土壤重金屬污染環境風險等級評價［J］.農業工程學報，2011，27（8）：330-337.

［18］劉曉宇，梁瓊，高如泰，等.長期污灌條件下農田土壤重金屬污染環境風險評價［J］.生態與農村環境學報，2015，31（4）：572-578.

［19］霍霄妮，李紅，孫丹峰，等.北京耕地土壤重金屬空間自回歸模型及影響因素［J］.農業工程學報，2010，26（5）：78-82.

［20］桑玲玲，張曉沛，楊建宇，等.農用地綠色產能評價體系構建及實證分析［J］.農業工程學報，2010，26（7）：235-239.

［21］葉必雄，劉圓，虞江萍，等.畜禽糞便農用區土壤——小麥系統中重金屬［J］.地理研究，2013，32（4）：645-652.

［22］王玉軍，劉存，周東美，等.客觀地看待中國耕地土壤環境質量的現狀——關于《全國土壤污染狀況調查公報》中有關問題的討論和建議［J］.農業環境科學學報，2014，33（8）：1465-1473.

［23］張鳳榮.基本農田保護新思維［J］.中國土地，2009，（7）：20-22.

［24］陸艷琦.微量元素與人體健康［J］.河南教育學院學報（自然科學版），2002，11（4）：40-43.

［25］郭宇.恩施地區硒的地球化學研究及富硒作物栽培實驗研究［D］.北京：中國地質大學，2012.

［26］姜超強，沈嘉，祖朝龍.水稻對天然富硒土壤硒的吸收及轉運［J］.應用生態學報，2015，26（3）：809-816.

［27］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.

［28］路婕，李玲，吳克寧，等.基于農用地分等和土壤環境質量評價的耕地綜合質量評價［J］.農業工程學報，2011，27（2）：323-329.

［29］趙穎麗.區域土地質量地球化學評估及其與農用地分等整合研究［D］.北京：中國地質大學，2008：64.

（本文責編：陳美景）

Research on the Layout of County Prime Farmland based on Productivity and Land Quality Geochemical Assessment

HOU Xian-hui，WANG Zhan-qi，YANG Jun，LIU Yan
（School of Public Administration，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

The purpose of this study is to complement basic farmland layout method of the county.Research methods：Firstly，we build an index system based on four aspects i.e.capacity of arable land，use conditions，the soil quality of beneficial elements and soil environmental quality.And then we apply the method of folding figure to integrate four evaluation results.Meanwhile，we give priority to protection of high capacity and beneficial soil element of arable land as well as obey the principal of banning on heavy metal pollution of farmland designated as basic farmland.At last，we classify the layout types of basic farmland comprehensively.Results：1）The division of Yunxiao County cultivated land is classified as four types i.e.priority type，basic protection type，designated type and type which should not be included.2）Priority type，basic protection type and designated type are the main force of grain production in Yunxiao County，at the same time these regions where soil environmental quality is better and contain 638.04 hm2beneficial elements rich soil and 8663.28 hm2moderate farmlands.They are also the major areas of the layout of basic farmland.Researchconclusions：Our comprehensive research methods improves the basic farmland layout methods，and guides the protection of arable land from the “quantity” to “quantity and quality” as well as provides a reference for the protection of this change.

land administration； layout of prime farmland； graphic overlay means； production capacity； land quality geochemical assessment； Yunxiao County

F301.21

A

1001-8158（2016）01-0089-08

10.11994/zgtdkx.2016.01.011

2015-05-10；

2015-10-23

國家科技支撐計劃項目“國土空間綜合分區智能化與規劃實施綜合評估關鍵技術”（2012BAB11B04）；福建省典型富硒區1∶5土地質量地球化學評估項目（云霄縣）。

侯現慧（1986-），男，黑龍江牡丹江人，博士研究生。主要研究方向為土地利用與評價。E-mail：houxh1019@126.com

王占岐（1965-），男，陜西岐山人，教授，博士生導師。主要研究方向為土地經濟與土地規劃。E-mail：zhqwang@cug.edu.cn