基于耕作半徑分析的山區農村居民點布局優化

李學東，楊 玥，楊 波，趙 濤，宇振榮,3※

（1.中國農業大學資源與環境學院生態科學與工程系，北京 100193；2.四川省國土資源廳，成都 610072；3.國土資源部農用地質量與監控重點實驗室，北京 100035）

0 引 言

改革開放以來，中國城鎮化速度持續加快，城鎮化率由1978年的17.9%迅速增長到2015年的56.1%，年平均增長率約1%；中國農村人口數量也從1995年的8.6億，下降到2015年的6億，20年間下降了約2.6億[1]。農村人口持續減少，導致中國農村居民點大規模的“空心化”[2-6]；根據《中國鄉村發展研究報告——農村空心化及其整治策略》研究結果，中國空心村整治增地潛力可達（760～990）×104hm2（1.14～1.49億畝）[7]。另外受到交通條件差，生產技術落后，耕地資源匱乏等多種因素的制約，中國農民長期以來從事農業生產的耕作半徑普遍較小，數以億計的農村人口分散分布、散亂居住[7]。“合村并居”是中國推進散碎農村居民點向交通條件好，基礎設施完善的農村居民點遷并的重要手段；然而隨著農村居民點的遷并，農民的耕作半徑勢必增加，從而增加了農民耕作出行時間和體力消耗；尤其是在交通不便的山區，小微型農村居民點的減少通常會導致耕作半徑的大幅增加；所以“合村并居”過程中，需要綜合考慮農村居民點遷并前后耕作半徑的變化，保證遷并后耕作距離和耕作時間在農民可接受范圍內。

目前針對耕作半徑的研究主要集中在以下4個方面：1）耕作半徑對土地利用方式的影響。該研究方向是農業地理學重要內容，最早起源于德國地理學家馮·杜能的農業區位理論，該理論主要闡述了距離市場的遠近對土地利用方式與地租的影響[8-11]。而后Chisholm[12-13]等研究了小農經濟模式下，距離農村居民點的遠近對于土地利用方式的影響，結果表明勞動密集型作物通常位于村落周邊；Garis David[14]的研究結果表明在商品農業區與機械化程度高的地區，耕作距離同樣會對農用地利用方式產生影響，需要頻繁日常管護的經濟作物通常距離農村居民點較近。2）不同地區耕作半徑空間分布特征研究[15-21]。不同研究者對中國不同地區耕作半徑進行了研究，例如，角媛梅等[15]借助緩沖區分析法，對哀牢山哈尼聚落的耕作半徑進行了研究，闡明了哀牢山哈尼族地區不同區域耕作半徑的差異；鄧毅等[17]對呂梁山區農村居民點耕作半徑空間分布特征進行了研究，并分析了地形對耕作半徑的影響。3）耕作半徑影響因素研究與耕作半徑模型構建[22-24]。該研究方向通常以某一地區耕作半徑分析為基礎，提出該區域耕作半徑的主要影響因素以及耕作半徑模型[23-,24]。例如，胡紋等[23]對山地環境下耕作半徑影響因素進行了研究，闡明了耕作半徑受到地形地貌、農用地布局、交通條件、出行方式等多種因素的影響；唐麗靜等[24]對山東省沂源縣耕作半徑及其影響因素進行研究，并提出了沂源縣耕作半徑計算模型。4）基于耕作半徑分析的農村居民點優化[23-27]。中國農村居民點的“散、亂、空”現象使得該研究方向成為目前國內研究熱點，不同學者提出了不同的基于耕作半徑分析的農村居民點整治策略。例如，喬偉峰等[26]利用緩沖區分析法，對安徽省埇橋區耕作半徑進行了研究，并提出了該區域農村居民點整治策略；葉琴麗等[27]以重慶市沙坪壩區白林村為例，結合地形位指數與分布指數來分析優勢地形位上的純農型農戶集聚區，并借助于耕作半徑和適度人口數確定農村居民點規模。

目前將耕作半徑分析應用于山區農村居民點布局優化的研究相對較少，并且借助GIS緩沖區分析工具計算耕作半徑是最常采用的耕作半徑分析方法，該方法只能對研究區域耕作半徑進行估算，無法分析每塊農田到最近農村居民點的精確直線距離與路徑距離。本文以四川省西昌市為例，重點探討了山地區“如何在促進小微型農村居民點向大中型農村居民點聚集的同時，滿足村民對耕作半徑的要求”，從而推進農村居民點用地的集約化，使農民向交通條件好，基礎設施完善的區域遷移。首先對西昌市高山陡坡區、低山緩坡區、河谷平原區農村居民點特征進行分析，而后借助GIS歐氏距離分析工具及網絡分析模塊來分析3個區域適宜的耕作半徑（相對于緩沖區分析，計算結果更精確），以及西昌農村居民點向“＞ 0.5、＞ 1、＞ 2、＞ 3、＞ 4、＞ 5 hm2”農村居民點聚集后3個區域耕作半徑的變化，最后為西昌市高山陡坡區，低山緩坡區，河谷平原區提出差異化的“合村并居”策略。

1 研究區域簡介與數據來源

1.1 研究區域簡介

西昌市位于四川西南部，面積2655 km2（27°32'～28°10'E，101°46'～102°25'N），地形特征為“兩山一海一平原”，“兩山”為安寧河谷西岸的磨盤山與牦牛山，安寧河谷東岸的螺髻山；“一海”為邛海，四川省第二大淡水湖，屬于典型的斷陷湖；“一平原”為安寧河谷平原，為四川省第二大平原。本文利用GIS點密度分析工具對西昌市農用地與農村居民點用地密度進行分析。首先將農田及農村居民點斑塊利用面轉柵格工具轉為10 m×10 m柵格，然后利用柵格轉點工具將柵格轉為點，最后利用點密度分析工具分析每個輸出柵格一定搜索半徑（本研究搜索半徑為1000 m）范圍內點的密度（單位：個/m2）。結果表明：西昌農田與農村居民點主要位于安寧河谷地區區（圖1）。

圖1 西昌市農田密度與農村居民點密度分布Fig.1 Distribution of farmland and rural settlements density of Xichang City

1.2 數據來源

本研究所采用的數據庫為西昌市國土資源局提供的西昌市2015年土地利用變更數據庫，土地利用分類與全國第二次土地調查土地分類相一致，坐標系采用西安80坐標系，并通過了矢量數據的拓撲檢查；高程數據精度為10 m×10 m。

2 研究方法

基于耕作半徑分析的山區農村居民點布局優化方法分為4步：1）對不同坡度區農村居民點特征進行評估，作為開展農村居民點布局優化的基礎；2）確定不同坡度區適宜的耕作半徑；3）模擬不同坡度區小微型農村居民點向大中型農村居民點遷并后耕作半徑的變化；4）根據不同坡度區適宜耕作半徑，以及不同坡度區小微型農村居民點向大中型農村居民點遷并后耕作半徑的變化，確定不同坡度區“合村并居”策略。以四川省西昌市為例，介紹基于耕作半徑分析的山區農村居民點布局優化方法的具體步驟。

2.1 西昌市農村居民點特征評估

2.1.1 西昌市農村居民點基本狀況分析

本研究以ArcGIS 10.2為分析平臺，選取農村居民點總面積、斑塊數量、平均斑塊面積、農村居民點面積占西昌市總面積的百分比和人均農村居民點面積5個指標來反應西昌市農村居民點的整體狀況。另外，地形因素是影響西昌市農村居民點與農田分布的主要因素，例如，高質量的農田通常位于河谷平原地區，中低質量的農田通常位于低山緩坡區與高山陡坡區；水田多位于河谷平原區，旱田多位于低山緩坡區及高山陡坡區；所以為方便研究，將西昌市劃分為河谷平原區（0～6°）、低山緩坡區（6°～25°）、高山陡坡區（＞25°）3個區域，并對3個區域農村居民點總面積、斑塊數量、平均斑塊面積和各分區農村居民點面積占西昌市農村居民點面積的百分比分別進行分析。

2.1.2 西昌市農村居民點規模特征評估

根據調查西昌市農村居民點斑塊可以分為3種：1）獨戶或者兩三戶構成的農村居民點，面積通常在0.1 hm2以下；2）幾戶或者十幾戶構成的小型居民點斑塊，面積通常在0.1～1 hm2，該類斑塊通常圍繞大型農村居民點斑塊分布，為村莊中的小型居民點組團；3）十幾戶，幾十戶，甚至上百戶構成的大型農村居民點斑塊，面積通常在1 hm2以上，該類斑塊為村莊中核心組團。所以將西昌市農村居民點劃分為0.1 hm2以下（微型農村居民點）、0.1～1 hm2（小型農村居民點）、1 hm2以上（大中型農村居民點）3個級別。然后計算西昌市、河谷平原區、低山緩坡區、高山陡坡區內不同級別農村居民點數量占該區域農村居民點總數量的百分比，以及不同級別農村居民點面積之和占該區域農村居民點總面積的百分比。

2.2 西昌市不同區域適宜耕作半徑分析

不同區域適宜的耕作半徑受到農民可接受的通勤時間，農民所使用的交通工具，以及該區域耕作直線距離與耕作路徑距離轉換系數的影響，其計算公式為：

式中R為適宜的耕作半徑，m；V為農民所使用的交通工具速度，m/min；T為農民可接受的最長通勤時間，min；k為耕作路徑距離/耕作直線距離（無量綱）。為確定西昌市不同區域適宜的耕作半徑，分別對西昌市高山陡坡區，低山緩坡區，河谷平原區農民的出行方式進行調查，并借助ArcGIS中的網絡分析模塊及歐氏距離分析工具計算不同區域的耕作路徑距離與耕作直線距離；關于農民可接受的最長通勤時間的研究相對較多，并且地區間差異不大，所以采用文獻調查法確定。

1）耕作路徑距離分析方法：網絡分析

ArcGIS網絡分析模塊可以精確模擬現實的交通網絡[28-30]，并通過構建位置分配模型來分析不同農田斑塊到最近農村居民點之間的路徑距離以及每個農村居民點的服務范圍。

2）耕作直線距離分析方法：歐氏距離分析

ArcGIS中歐氏距離分析工具可以精確計算研究區域內不同農田斑塊到最近農村居民點的直線距離。歐氏距離（Euclidean distance）又稱歐幾里得距離，是指n緯空間中兩點的真實距離；耕作距離分析中所采用的歐氏距離是指二緯空間中兩點的直線距離，計算公式為

式中d為兩點間歐氏距離，x1與y1為點1橫縱坐標，x2與y2為點2橫縱坐標。ArcGIS歐氏距離分析工具通過計算每個源像元中心與周圍每個像元中心的歐氏距離，來確定每個周圍像元到最近源像元的直線距離；在耕作距離分析中，源像元為農村居民點，周圍像元為耕地。

西昌市農村居民點及農田主要分布在安寧河谷地區，所以分別在安寧河谷地區的北部、中部、南部取3個樣點（圖1a中的P1、P2、P3），每個樣點面積為5km×5 km；高山陡坡區及低山緩坡區農村居民點及農田面積較少，所以共取3個樣點（圖1a中的S1、S2、S3），另外西側山體面積較大，取2個樣點，東側山體面積小，取1個樣點。首先對每個樣點內道路網絡、農村居民點斑塊、農用地斑塊進行提取，然后利用ArcGIS網絡分析模塊及歐氏距離分析工具對每個研究區域內的耕作路徑距離與耕作直線距離進行計算，作為分析西昌市不同區域適宜耕作半徑的基礎。

2.3 西昌市不同區域合村并居后耕作半徑變化模擬

本研究從推進農村居民點集約利用的角度出發，借助ArcGIS中歐氏距離分析工具，模擬了高山陡坡區、低山緩坡區、河谷平原區農村居民點分別向“＞0.5 hm2、＞1、＞2、＞3、＞4、＞5 hm2”農村居民點聚集后耕作半徑的變化。

2.4 西昌市不同區域合村并居策略分析

根據不同區域適宜耕作半徑，以及不同區域小微型農村居民點向大中型農村居民點遷并后耕作半徑的變化，確定不同區域“合村并居”策略。“合村并居”具體原則為：“在促進小微型農村居民點向基礎設施完善，交通便利的大中型農村居民點聚集的同時，使得新搬入農民的耕作半徑在可接受的范圍之內”。

3 結果與分析

3.1 西昌市農村居民點基本狀況與規模特征

西昌市農村居民點斑塊數目為24 334，總面積為 7 782 hm2，占西昌市總面積的2.9%，平均斑塊面積3,198 m2，人均農村居民點面積178 m2/人，3個區域農村居民點狀況如表1所示。西昌市微型與小型農村居民點數量占總數量的94.8%，占總面積的71.1%，所以西昌市以微型與小型農村居民點為主；其中微型與小型農村居民點比例：高山陡坡區>低山緩坡區>河谷平原區（圖2）。地形因素是導致西昌市不同區域農村居民點規模差異的主要原因。河谷平原區地勢平坦，有利于形成較大規模的農村居民點，所以河谷平原區小型與微型農村居民點比例為90.4%（圖2b），在3個區域中最小；高山陡坡區與低山緩坡區由于受到地形的限制，難以形成大中型農村居民點，使得高山陡坡區與低山緩坡區小型與微型農村居民點比例高達99.5%與98%（圖2b），遠高于河谷平原區。

3.2 西昌市不同區域適宜的耕作半徑

相關研究結果表明，80%的農民可以接受的耕作出行時間在20 min以下[31]；安寧河谷地區耕作出行方式以自行車與電動車為主，速度按15～20 km/h計算[23，31]（根據當地路況適當降低）；高山陡坡區和低山緩坡區由于受到地形限制，農民耕作出行方式仍以步行為主，預期短時間內無法改變，速度分別按照3～4與4～5 km/h計算[24]；則安寧河谷平原區最大耕作路徑距離為5000～6667 m，低山緩坡區最大耕作路徑距離為1333～1667 m，高山陡坡區最大耕作路徑距離為1000～1333 m。高山陡坡區、低山緩坡區、河谷平原區耕作路徑距離與耕作直線距離轉換系數分別為1.79、1.76、1.66（表2）；則安寧河谷平原區適宜耕作半徑為3000～4000 m，低山緩坡區適宜耕作半徑為750～950 m，高山陡坡區適宜耕作半徑為550～750 m。

表1 西昌市農村居民點基本狀況Table 1 Basic situation of rural settlements in Xichang City

圖2 西昌市農村居民點規模特征分析結果Fig.2 Size characterisitic of rural settlements in Xichang City

表2 西昌市不同區域耕作直線距離與耕作路徑距離Table 2 Farming straight-line distance and farming path-distance in different regions of Xichang City

從研究結果來看，農民可接受的通勤時間通常差別不大，所以農民可接受的耕作半徑主要受到其所在區域的交通狀況及交通方式的影響。西昌市高山陡坡區，低山緩坡區及河谷平原區之間的交通狀況及交通方式存在顯著的差異（平均耕作路徑距離/平均耕作直線距離的比值分別為1.66，1.76，17.9），所以3個區域之間適宜的耕作半徑存在較大差異；而3個區域內的各鄉鎮交通狀況及農民出行方式差異不大（例如，河谷平原區平均耕作路徑距離/平均耕作直線距離的比值分別為1.64，1.67，1.67），所以可以采用統一的耕作半徑標準。另外農民可接受的耕作半徑通常為某一范圍值，而非一個確定的數值，使得適宜耕作半徑的確定具有一定彈性。

3.3 不同合村并居情景對西昌市耕作直線距離的影響

西昌市現狀平均耕作直線距離為147 m，且平均耕作直線距離：高山陡坡區>低山緩坡區>河谷平原區；3個區域平均耕作直線距離均隨著微型與小型農村居民點的數量的減少呈線性增長，并且微型與小型農村居民點數量的減少，對高山陡坡區耕作距離的影響最大（斜率最高），其次是低山緩坡區，對河谷平原區耕作距離的影響最小（圖3a）。3個區域最大耕作直線距離（耕作半徑）同樣隨著微型與小型農村居民點的數量的減少呈線性增長，但微型與小型農村居民點數量的減少，對河谷平原區最大耕作直線距離的影響較小，對低山緩坡區和高山緩坡區耕作直線距離的影響較大（圖3b）。

圖3 不同合村并居情景對西昌市耕作直線距離的影響Fig.3 Influence of different rural settlements consolidation scenarios on farming straight-line distance of Xichang City

高山陡坡區與低山緩坡區農田分散分布，且農村居民點數量相對較少，使得現狀耕作半徑相對較大，分別為180與146 m（圖3a）。另外小微型農村居民點比例越高，小微型農村居民點數量的減少，對耕作直線距離的影響越大；由于微型與小型農村居民點比例：高山陡坡區>低山緩坡區>河谷平原區，所以小微型農村居民點數量的減少，對高山陡坡區耕作距離的影響最大，其次是低山緩坡區，對河谷平原區耕作距離的影響最小（圖3a，3b）。

3.4 西昌市不同區域農村居民點遷并策略

1）安寧河谷地區農村居民點遷并策略：根據7種情景下耕作直線距離分析，當農村居民點向大于3 hm2農村居民點聚集時，西昌市安寧河谷地區平均耕作直線距離為734 m（圖3a），最大耕作直線距離為3 603 m（圖3b），并且85.6%的農田到最近農村居民點的距離不超過1,000 m（圖4a），而河谷平原區適宜的耕作半徑為3 000～4 000 m；所以安寧河谷地區農村居民點向3 hm2以上農村居民點聚集可形成具有一定規模的村莊，并滿足耕作半徑要求可以滿足耕作半徑要求。

2）低山緩坡區農村居民點遷并策略：根據7種情景下耕作直線距離分析，當微型與小型農村居民點向大于1 hm2農村居民點聚集時，平均耕作直線距離為1,610 m（圖3-a），最大耕作直線距離為15 964 m（圖3b），48.5%的農用地到最近農村居民點的距離小于950 m（圖4b），而低山緩坡區適宜的耕作半徑為750～950 m；所以低山緩坡區部分微型與小型農村居民點可以向大于1 hm2，且交通便捷的農村居民點集中，從而形成具有一定規模的農村居民點；但位置較為偏遠，可達性差的小型與微型農村居民點向大于1 hm2農村居民點聚集后，無法滿足耕作半徑的需求，所以不適宜進行遷并。

圖4 西昌市3個區域7種情景下隨耕作直線距離的增加農田面積累計百分比Fig.4 Cumulative percentage of farmland area with increase of farming straight-line distance of Xichang City in three regions and seven scenarios

3）高山陡坡區農村居民點遷并策略：根據7種情景下耕作直線距離分析，當農村居民點向大于0.5hm2農村居民點集中時，西昌市高山陡坡區平均耕作直線距離為1433m（圖3a），最大耕作直線距離為8 781 m（圖3b），僅有13%的農用地到最近農村居民點的直線距離低于750 m（圖4c），所以高山陡坡區散碎農村居民點就地遷并價值不高。另外西昌市高山陡坡區農村居民點數量小，僅占西昌市農村居民點總面積的2.6%（表1），但是對西昌市生態環境造成嚴重破壞；所以高山陡坡區除部分少數民族居民點以外，其他農村居民點遷并工程應與退耕還林還草，異地扶貧搬遷，山地保護與修復等各類工程協同推進，逐漸向低山緩坡區與河谷平原區遷移。

4 結論

1）西昌市微型與小型農村居民點比例高（94.8%），耕作半徑小（147 m）；且微型與小型農村居民點比例：高山陡坡區>低山緩坡區>河谷平原區，所以微型與小型農村居民點的遷并對高山陡坡區耕作距離的影響最大，其次是低山緩坡區，對河谷平原區耕作距離的影響相對較小。

2）安寧河谷平原區適宜耕作半徑為3 000～4 000 m，當安寧河谷地區農村居民點向3 hm2以上農村居民點聚集時可以形成具有一定規模的村莊，并滿足耕作半徑要求。

3）低山緩坡區適宜耕作半徑為750～950 m，當農村居民點向大于1 hm2農村居民點集中時，48.5%的農用地到最近農村居民點的距離小于950 m，所以低山緩坡區部分微型與小型農村居民點可以向大于1 hm2，且交通便捷的農村居民點集中，從而形成具有一定規模的農村居民點；但位置較為偏遠，可達性差的小型與微型農村居民點向大于1 hm2農村居民點聚集后，無法滿足耕作半徑的需求，不適宜進行遷并。

4）高山陡坡區適宜耕作半徑為550～750 m，當高山陡坡區農村居民點向大于0.5 hm2農村居民點集中時，僅有13%的農用地到最近農村居民點的直線距離低于750 m，所以高山陡坡區小微型農村居民點就地遷并價值不高。高山陡坡區除部分少數民族聚居點以外，其他農村居民點遷并工程應與退耕還林還草，異地扶貧搬遷，山地保護與修復等各類工程協同推進，逐漸向低山緩坡區與河谷平原區遷移。

該方法可用于計算不同區域適宜的耕作半徑，及不同合村并居情景對耕作半徑的影響，從而提高合村并居規劃的合理性。但存在以下不足：1）利用GIS歐氏距離分析工具及網絡分析模塊來對研究區域耕作直線距離與耕作路徑距離進行分析雖然能夠提高計算結果的精確度，但相對于緩沖區分析法，計算時間更長；3種耕作距

離計算方法均有各自的優缺點，使用者可根據項目對計算精度和計算時間的要求，選擇相應的計算方法。2）該研究在計算不同區域適宜耕作半徑時，并未對西昌市不同區域農民可接受的最長通勤時間進行調研，而是根據相關研究結論，統一取20 min，從而降低了計算精度。3）農村居民點布局優化需要綜合考慮地形地貌、交通狀況、農田分布、行政區劃、地區經濟文化差異等多種因素，該文只從耕作半徑的角度，探討了“如何在促進山區小微型農村居民點向大中型農村居民點聚集的同時，滿足村民對耕作半徑的要求”，并未考慮其他因素，后續研究中需進一步探討其他因素的影響。4）安寧河谷平原區各村鎮社會經濟狀況差異明顯，統一采用相同的耕作半徑，是否合適仍需進一步研究。5）地形因素通常是影響山區農村居民點分布、農田分布、交通狀況、社會經濟狀況差異的主要因素，原文按照坡度進行研究區域劃分是為了將問題簡化，方便研究；但單純以坡度進行分區，忽略了其他因素的影響，是否合適有待進一步研究。

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