高標準農(nóng)田建設中耕地空間穩(wěn)定性評價研究

趙素霞 牛海鵬 張合兵 張小虎

(河南理工大學測繪與國土信息工程學院，焦作 454000)

0 引言

高標準農(nóng)田建設空間穩(wěn)定性是指一定時期內(nèi)，農(nóng)田在自然、社會、經(jīng)濟等綜合因素影響下，其數(shù)量結(jié)構(gòu)和空間布局的恒定性[1]，耕地空間布局的穩(wěn)定性是高標準農(nóng)田永續(xù)利用的前提。到2016年底，全國已建成高標準農(nóng)田0.32億hm2，高標準農(nóng)田建設取得了較好成效。但建設過程中存在高標準農(nóng)田選址不科學，部分已建成的高標準農(nóng)田在工程綜合效益壽命之前被建設占用和生態(tài)破壞[2]，農(nóng)田空間穩(wěn)定性差，這與高標準農(nóng)田建設的理念背道而馳，造成了建設資本的浪費。因此，在現(xiàn)階段社會經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展的大背景下，高標準農(nóng)田建設不僅要考慮耕地的自然稟賦條件，其外在的空間布局的穩(wěn)定性也將是研究的重點。

由于我國高標準農(nóng)田建設尚處于起步階段，目前學術界對高標準農(nóng)田的研究集中在建設模式[3-4]、區(qū)域劃定[5-10]、建設時序[11-13]、農(nóng)田整治技術[14]、實施保障措施[15-16]和農(nóng)田建設后效應[17-18]等方面。良好的耕地自然稟賦條件和穩(wěn)定的空間布局是高標準農(nóng)田建設的基礎條件，然而，目前高標準農(nóng)田的布局選址側(cè)重于耕地的自然稟賦條件，對空間穩(wěn)定性評價的理論和方法的研究還較少。錢鳳魁等[19]從耕地的區(qū)位條件和耕作的便利條件構(gòu)建了耕地立地條件評價體系，采用多因素綜合評價法，開展了耕地立地條件評價；范文洋等[20]綜合考慮耕地資源的自然因素、區(qū)位因素和社會經(jīng)濟因素建立評價指標體系，采用多因素綜合評價法對北京市大興區(qū)進行耕地穩(wěn)定性評價；文獻[12,21]在構(gòu)建高標準農(nóng)田建設評價指標體系時，考慮了部分影響耕地空間穩(wěn)定性的因素。相關研究為高標準農(nóng)田建設空間穩(wěn)定性評價提供了新的思路，但在評價過程中采用特爾菲法和層次分析法確定權重，受人為主觀因素影響較大，難以客觀地反映區(qū)域內(nèi)高標準農(nóng)田建設的空間穩(wěn)定差異性。生態(tài)位適宜度模型是一個研究空間尺度差異性的模型，其核心問題是確定每個評價單元在整個生態(tài)空間內(nèi)的位置排序。同時，以生態(tài)位適宜度表征耕地的現(xiàn)狀條件與其最佳穩(wěn)定狀態(tài)的適宜程度，能夠精確反映區(qū)域內(nèi)各地塊與最佳穩(wěn)定狀態(tài)之間的差距，便于有針對性的制定規(guī)劃方案，提高資金的使用效率，且評價時指標不用賦權重。本文引入生態(tài)位適宜度模型進行高標準農(nóng)田空間穩(wěn)定性評價，以期為高標準農(nóng)田建設項目區(qū)選址提供科學支撐。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

新鄭市位于河南省中部，隸屬鄭州市。地處34°16′～34°39′N，113°30′～113°54′E。南北長42 km，東西寬36 km，總面積884.59 km2，全市轄3個鄉(xiāng)、9個鎮(zhèn)、3個街道辦事處。新鄭市地勢西高東低、中部高、南北低。山、丘、崗和平原兼有。2015年，新鄭市全市總?cè)丝?8.6萬。2012年7月，鄭州航空港經(jīng)濟綜合實驗區(qū)設立，新鄭市位于鄭州航空港經(jīng)濟綜合實驗區(qū)的核心區(qū)，隨著港區(qū)建設進程不斷加快，將不可避免地占用大量耕地，人地矛盾日益凸顯(圖1)。

圖1 研究區(qū)位圖Fig.1 Study location map

1.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于：①新鄭市統(tǒng)計年鑒(2015年)。②新鄭市土地利用變更調(diào)查成果(2014年)。③新鄭市城鄉(xiāng)總體規(guī)劃(2009—2030年)。④新鄭市土地利用總體規(guī)劃(2010—2020年)。⑤DEM數(shù)據(jù)。⑥地質(zhì)災害隱患點分布圖(2015年)。⑦新鄭市林業(yè)生態(tài)建設實施方案(2015年)。⑧河南省鄉(xiāng)鎮(zhèn)集中式飲用水水源保護區(qū)劃(2016年)。⑨文物部門收集的有關文物保護相關資料。

1.3 評價單元劃分

為了更合理地體現(xiàn)各地塊空間穩(wěn)定性的差異，便于高標準農(nóng)田建設項目落地，本研究以耕地圖斑為評價單元，以新鄭市2014年土地利用變更數(shù)據(jù)庫為基礎，提取耕地圖斑，通過就近歸并面積過小且鄰近的圖斑，最后提取22 195個評價單元。

2 研究方法

2.1 評價指標體系構(gòu)建

高標準農(nóng)田建設空間穩(wěn)定性受自然、社會、經(jīng)濟等多方面因素的影響，但是由于耕地自然質(zhì)量穩(wěn)定，不易改變，而在快速城鎮(zhèn)化的背景下，社會、經(jīng)濟條件等外部環(huán)境因素不穩(wěn)定，易改變。鑒于此，本文在構(gòu)建高標準農(nóng)田空間穩(wěn)定性評價指標體系時，重點考慮了影響農(nóng)田永久穩(wěn)定性的社會、經(jīng)濟外部環(huán)境因素條件。從耕地區(qū)位條件、耕作便利程度、規(guī)劃約束和生態(tài)控制4個方面構(gòu)建高標準農(nóng)田空間穩(wěn)定性評價指標體系(表1)。其中，區(qū)位條件選用與建設用地(縣城、產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)、主干道和鄉(xiāng)鎮(zhèn))之間的距離來表征，反映了城鎮(zhèn)周邊和道路兩側(cè)耕地被建設占用的可能性；農(nóng)村居民點與耕地之間的距離反映農(nóng)民進行耕作的便利性，與耕地相鄰地類的用途也在一定程度上影響農(nóng)業(yè)活動的開展及耕地利用的可持續(xù)性，因此，選用與農(nóng)村居民點的距離和耕地與其相鄰地類的適宜性反映耕作的便利程度；為了高標準農(nóng)田建設永續(xù)利用，還應考慮未來城市發(fā)展對耕地的需求，因此，評價指標還應考慮規(guī)劃的約束條件，重點考慮土地利用總體規(guī)劃中安排的允許建設區(qū)和有條件建設區(qū)，城市規(guī)劃中安排的建設用地發(fā)展區(qū)域等；生態(tài)安全也是影響高標準農(nóng)田空間穩(wěn)定性不可或缺的因素，選取地質(zhì)災害隱患和生態(tài)安全控制2個指標表征，重點考慮地質(zhì)災害容易發(fā)生的地區(qū)、自然保護區(qū)的核心區(qū)、退耕還林區(qū)、河流、湖泊、水庫水面及其保護范圍內(nèi)的區(qū)域。

表1 新鄭市高標準農(nóng)田建設空間穩(wěn)定性評價指標體系Tab.1 Evaluation index system of space stability evaluation on well-facilitated farmland in Xinzheng City

2.1.1耕地區(qū)位條件

在工業(yè)化、城鎮(zhèn)化加速推進的進程中，建設用地的擴張促使耕地不斷轉(zhuǎn)化為建設用地，建設用地的擴張方式以同心圓的方式向四周擴散(單獨選址的項目除外)，一般認為距建設用地越近，耕地被占用的可能性就越高，因此，區(qū)位條件評價選用距城市、建制鎮(zhèn)、產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)和道路的距離作為評價指標。在提取城鎮(zhèn)、產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)、道路圖斑時，既要考慮其現(xiàn)狀特征，也要考慮未來規(guī)劃建設情況，因此，在提取圖斑時，城鎮(zhèn)和產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)以土地利用總體規(guī)劃劃定的允許建設區(qū)邊界進行提取，道路則提取現(xiàn)狀道路和規(guī)劃道路，其中道路只考慮國道、省道和縣道，高速公路、鐵路為封閉區(qū)域，周邊比較穩(wěn)定，不予考慮。產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)主要考慮鄭州航空經(jīng)濟綜合實驗區(qū)和新港工業(yè)產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)2個集聚區(qū)對周邊耕地的影響。在同一耕地地塊受多條主干道、城鎮(zhèn)或者產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)影響時，計算距離時則取離該地塊與最近的主干道或者產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)的距離作為指標值。其影響距離利用ArcGIS 中的“歐氏距離”進行分析統(tǒng)計。

在文獻[22-25]和研究歷年耕地布局變化的基礎上，確定縣城影響的風險距離為5 km，產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)影響的風險距離為3 km，鄉(xiāng)鎮(zhèn)影響的風險距離為2 km，主干道影響的風險距離為0.5 km，超過該值對高標準農(nóng)田空間穩(wěn)定性影響程度將越來越小(表2)。

表2 新鄭市高標準農(nóng)田建設空間穩(wěn)定性評價指標最適生態(tài)位值Tab.2 Optimal niche of space stability evaluation index on well-facilitated farmland in Xinzheng City

2.1.2耕作便利程度

耕作便利程度主要反映耕地資源利用的可及性和便利度[22]。本研究主要通過耕地距農(nóng)村居民點距離和耕地與其相鄰地類的適宜性2個指標來表征(表2)。

(1)與農(nóng)村居民點距離

耕地距農(nóng)村居民點的距離影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的開展，距農(nóng)村居民點越近，農(nóng)戶到耕地花費的時間就越少，農(nóng)民經(jīng)營效率越高，越利于增加農(nóng)民耕作的積極性。根據(jù)相關研究成果[19,22]和研究區(qū)實際情況，研究區(qū)耕地農(nóng)民步行或乘農(nóng)用運輸工具的最佳半徑為0.5 km，當距離超過1.5 km時，農(nóng)民耕種的便利程度明顯降低。

(2)耕地與其相鄰地類的適宜性

耕地周邊環(huán)境直接影響耕地用途的穩(wěn)定性和耕作的便利性，若一塊耕地被建設用地包圍，即使是優(yōu)質(zhì)耕地，也不適宜進行高標準農(nóng)田建設，而有些耕地盡管自然質(zhì)量條件較差，但其四周是質(zhì)量條件較優(yōu)的耕地，考慮到基本農(nóng)田的連片性和耕作的便利性，這些耕地適宜進行高標準基本農(nóng)田建設，這體現(xiàn)了耕地與相鄰地類的相容性[19,22]。因此，本文運用耕地與其相鄰地類的適宜性，判斷耕地與相鄰地塊單元的土地利用類型的適宜性，耕地與周圍土地的適宜性就越好，耕地就越穩(wěn)定。耕地與其相鄰地類的適宜性可以通過相鄰耕地公共邊長與耕地周長比值獲得。

(1)

式中I——耕地與其相鄰地類的適宜性

A——相鄰耕地的公共邊長

C——耕地地塊周長

耕地與其相鄰地類的適宜性為[0,1]之間的數(shù)，比值越大，耕地與相鄰地類適宜性越高，比值接近于0表示該耕地連片性差，用途不穩(wěn)定，容易被占用。

2.1.3規(guī)劃約束

為了協(xié)調(diào)經(jīng)濟建設和基本農(nóng)田保護的關系，基本農(nóng)田的劃定在一定程度上受地方行政干預的影響。在高標準農(nóng)田建設過程中，為了避免建設過程性浪費，并為城市留足發(fā)展空間，在位于土地利用總體規(guī)劃所確定的允許建設區(qū)、有條件建設區(qū)和城市規(guī)劃所確定的城市擴展區(qū)域內(nèi)涉及的耕地圖斑，轉(zhuǎn)換為建設用地的可能性極高，賦值為0，其他區(qū)域賦值為1(表2)。

2.1.4生態(tài)控制

生態(tài)控制主要包括地質(zhì)災害隱患分布和生態(tài)安全控制。地質(zhì)災害易發(fā)生的地區(qū)，耕地滅失的可能性越大，穩(wěn)定性差，賦值方法是從地質(zhì)災害隱患點分布圖讀出地質(zhì)災害易發(fā)的地區(qū)內(nèi)包含的耕地圖斑，將其賦值為0，其他區(qū)域賦值為1。生態(tài)安全控制指自然保護區(qū)的核心區(qū)、退耕還林區(qū)、退耕還草區(qū)、河流、湖泊、水庫水面及其保護范圍內(nèi)的區(qū)域，該區(qū)域不適宜進行高標準農(nóng)田建設，因此，可以從環(huán)保、林業(yè)等相關圖件上讀取該區(qū)域?qū)⑵滟x值為0，其他區(qū)域賦值為1(表2)。

2.2 基于生態(tài)位的空間穩(wěn)定性評價模型構(gòu)建

李自珍等[26]通過對已有的各種生態(tài)位定義的內(nèi)涵分析，提出了生態(tài)位適宜度概念，即一個物種居住地的現(xiàn)實資源位與其最適資源位之間的貼近程度。若將高標準農(nóng)田比做該物種，則空間穩(wěn)定性評價的目的是尋找高標準農(nóng)田最穩(wěn)定的空間位置。當評價單元的現(xiàn)狀條件完全滿足高標準農(nóng)田建設空間穩(wěn)定的要求時，生態(tài)位適宜度為1，當評價單元的現(xiàn)狀條件完全不滿足該要求時，生態(tài)位適宜度為0。

高標準農(nóng)田空間穩(wěn)定性的各評價因子可以分為2類[5,27]：①第1類是正向因子，即評價因子值越大越好，因子值超過某一值后，其影響程度將越來越小。如：距城鎮(zhèn)的距離。該類因子評價模型為

(2)

式中Ni——高標準農(nóng)田中各評價因子i(i∈[1,n])的生態(tài)位適宜度

Xi——評價因子i的現(xiàn)實生態(tài)位

Diopt——高標準農(nóng)田評價因子i的最適生態(tài)位

Dimin——評價因子i的生態(tài)位的最小值

②第2類是負向因子，即評價值越小越好，如：與農(nóng)村居民點距離。該類因子評價模型為

(3)

式中Dimax——評價因子i的生態(tài)位最大值

根據(jù)Shefold限制性定律，即任何一個生態(tài)因子在數(shù)量上或質(zhì)量上的不足，就會導致該生物的衰退或不能生存[5]。高標準農(nóng)田的空間穩(wěn)定性評價模型為

(4)

式中N——高標準農(nóng)田空間穩(wěn)定性的生態(tài)位適宜度指數(shù)

2.3 生態(tài)位最適值的確定

對高標準農(nóng)田建設空間穩(wěn)定性而言，每個評價因子都有一個最適生態(tài)位值，對不同的研究區(qū)域，因其自然、社會、經(jīng)濟條件不同，其評價因子的最適生態(tài)位值也會有所不同。因此，評價因子的最適生態(tài)位值的確定不僅考慮研究區(qū)的理想生態(tài)位水平，還需考慮研究區(qū)域的現(xiàn)實生態(tài)位水平。因此，根據(jù)評價指標的屬性，對于第1類正向因子，選擇其指標最大值作為最適生態(tài)位值。對第2類負向因子，選擇其指標最小值作為最適生態(tài)位值。

3 結(jié)果與分析

3.1 高標準農(nóng)田建設單因素空間穩(wěn)定性分布

單因素評價結(jié)果見圖2。從區(qū)位條件評價結(jié)果來看，適宜度指數(shù)平均值為0.74，整體較高，其中，適宜度指數(shù)小于0.50區(qū)域總面積為7 038.38 hm2，占耕地總面積12.99%。主要受城鎮(zhèn)、產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)和道路輻射的影響，耕地區(qū)位條件適宜度指數(shù)呈圈層分布，距市區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)和道路越近的區(qū)域，區(qū)位適宜度指數(shù)越低，以新鄭市區(qū)、和莊鎮(zhèn)、薛店鎮(zhèn)和孟莊鎮(zhèn)較低。

從耕作便利程度評價結(jié)果來看，適宜度指數(shù)平均值為0.78，適宜度指數(shù)小于0.5的區(qū)域總面積為46 148.16 hm2，僅占耕地總面積5.42%，新鄭市耕地耕作的便利程度整體較高，便利程度低的地塊主要是一些零碎、孤立的地塊，且多數(shù)與建設用地接邊，不利于農(nóng)業(yè)機械化耕種。

從規(guī)劃約束評價結(jié)果來看，適宜度指數(shù)為0的耕地總面積9 458.24 hm2，占耕地總面積17.46%，主要分布在新鄭市市區(qū)、龍王鄉(xiāng)中北部和孟莊鎮(zhèn)東部區(qū)域，該區(qū)域為新鄭市未來發(fā)展的主要區(qū)域，區(qū)域內(nèi)耕地被占用的概率較大，農(nóng)田空間穩(wěn)定性差，不適宜進行高標準農(nóng)田建設。

從生態(tài)控制評價結(jié)果來看，適宜度指數(shù)為0的區(qū)域總面積為283.10 hm2，占耕地總面積0.52%，主要為新鄭市水源地保護核心區(qū)和南水北調(diào)隔離保護區(qū)、名勝古跡保護核心區(qū)和退耕還林區(qū)，該區(qū)域以生態(tài)保護為主，不適宜進行高標準農(nóng)田建設。

圖2 新鄭市高標準農(nóng)田空間穩(wěn)定性評價單因素評價分級Fig.2 Single factor grading distribution diagrams of space stability evaluation on well-facilitated farmland in Xinzheng City

3.2 高標準農(nóng)田建設空間穩(wěn)定性級別劃定

結(jié)合相關研究成果[19,28-30]，依據(jù)空間穩(wěn)定性生態(tài)位適宜度指數(shù)值，將高標準農(nóng)田建設的空間穩(wěn)定性分為穩(wěn)定(0.80～1)、較穩(wěn)定(0.65～0.80)、較不穩(wěn)定(0.50～0.65)和不穩(wěn)定(0～0.50)4個等級(表3、圖3)。

穩(wěn)定的區(qū)域總面積為28 989.64 hm2，占新鄭市耕地總面積53.52%，總地塊數(shù)為9 603塊。主要位于新鄭市的西部和南部平原區(qū)，該區(qū)域耕地距建設用地的距離均位于建設用地擴張的風險影響范圍之外，被占用的概率低，耕作距離較短，距農(nóng)村居民點的平均距離不超過220 m，且集中連片程度高。因此，在區(qū)域耕地自然質(zhì)量較好的前提下，該區(qū)域可以作為高標準農(nóng)田建設的首選區(qū)域。

較穩(wěn)定區(qū)域耕地地塊數(shù)為3 343塊，總面積9 075.89 hm2，占新鄭市耕地總面積的16.76%。該區(qū)域耕地空間穩(wěn)定程度較穩(wěn)定地塊有所減弱，區(qū)位條件逐步降低，但該區(qū)域農(nóng)田耕作便利性仍較高，與農(nóng)村居民點的平均距離不超過350 m，該區(qū)域在高標準農(nóng)田建設任務重的情況下，可以作為高標準農(nóng)田的備選區(qū)域。

表3 新鄭市高標準農(nóng)田空間穩(wěn)定性評價結(jié)果Tab.3 Evaluation result of space stability evaluation on well-facilitated farmland in Xinzheng City

圖3 新鄭市高標準農(nóng)田空間穩(wěn)定性評價分級Fig.3 Space stability evaluation grading distribution diagram of well-facilitated farmland in Xinzheng City

較不穩(wěn)定區(qū)域總面積4 157.34 hm2，占新鄭市耕地總面積7.67%，耕地地塊為1 887塊。該區(qū)域受城鎮(zhèn)、產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)和道路輻射的影響逐漸增強，耕地的區(qū)位優(yōu)勢逐步降低，耕地距居民點的距離大部分超過450 m，耕作便利程度降低，因此，在該區(qū)域開展高標準農(nóng)田活動，需召集相關人員對城市的發(fā)展速度及方向進行深入論證，以免建好之后被占用，造成巨大的浪費。

不穩(wěn)定的區(qū)域總面積11 945.06 hm2，占新鄭市耕地總面積22.05%，耕地地塊為7 362塊。主要分布在新區(qū)周邊、龍王鄉(xiāng)、薛店鎮(zhèn)、和莊鎮(zhèn)、孟莊鎮(zhèn)，該區(qū)域是新鄭市未來發(fā)展建設的主要區(qū)域，被占用的可能性極高，由于被建設用地切割，地塊較零碎，耕地與其相鄰地類的適宜性較低，耕作便利性差。因此，該區(qū)域不適宜進行高標準農(nóng)田建設。

4 結(jié)論

(1)生態(tài)位適宜度模型克服了傳統(tǒng)評價模型中主觀賦權的局限性，且評價結(jié)果定量直觀，能有效劃分新鄭市高標準農(nóng)田建設的空間穩(wěn)定差異性，為農(nóng)田空間穩(wěn)定性評價提供了新思路。

(2)從單因素評價結(jié)果來看，耕地的區(qū)位條件、耕作的便利程度、規(guī)劃約束和生態(tài)控制生態(tài)位適宜度指數(shù)小于0.5的區(qū)域總面積分別占新鄭市耕地總面積12.99%、5.42%、17.46%和0.52%，可以看出，新鄭市耕地耕作的便利程度和生態(tài)控制對農(nóng)田空間穩(wěn)定性影響不大，制約新鄭市高標準農(nóng)田建設空間穩(wěn)定性的主要因素是規(guī)劃約束和耕地的區(qū)位條件。

(3)依據(jù)空間穩(wěn)定性生態(tài)位適宜度指數(shù)，將新鄭市高標準農(nóng)田建設空間穩(wěn)定性劃分為穩(wěn)定、較穩(wěn)定、較不穩(wěn)定和不穩(wěn)定4個等級，分別占全市耕地總面積的53.52%、16.76%、7.67%和22.05%，穩(wěn)定性等級客觀反映了耕地被建設占用和被生態(tài)破壞的可能性，因此，為保障農(nóng)田的永久穩(wěn)定性，高標準農(nóng)田建設項目應盡量安排在穩(wěn)定區(qū)域和較穩(wěn)定區(qū)域。