基于耦合協調度模型的高標準農田建設項目區優選研究

張合兵 趙素霞 陳寧麗 張秋霞

(1.河南理工大學測繪與國土信息工程學院， 焦作 454000； 2.華北水利水電大學法學與公共管理學院， 鄭州 450046)

0 引言

隨著我國工業化、城鎮化的快速發展，耕地數量尤其是優質耕地數量急劇減少，開展高標準農田建設和整治，對提升我國糧食安全保障水平、促進新型農業現代化乃至全面建成小康社會至關重要。2008年以來，我國出臺的《十三五規劃綱要》、《國土資源“十三五”規劃綱要》等相關文件對建設高標準農田做出一系列部署。十三五期間要對基本農田實行特殊保護，全面劃定永久基本農田，大規模推進農田水利、土地整治、中低產田的改造和高標準農田建設，以項目為載體建設2 666.67萬hm2高標準農田；十三五期末確保建成高標準農田5 333.33萬hm2，力爭6 666.67萬hm2，這些都說明加快推進高標準農田建設迫在眉睫。但目前高標準農田建設還存在建設標準、建設區域不明確，建設規劃、布局、時序不明晰，項目選址不科學等問題，亟需進一步深化研究。

目前，國內研究主要集中在通過構建評價指標體系、評價模型，對高標準農田建設的可行性[1]、建設時序[2-5]、建設模式[6-8]、區域劃定[9-11]、耕地綜合質量與建設難度[12]和建設后效應[13]進行研究，主要通過四象限法[14-15]、限制因素組合法[16]及應用可變模糊集理論[17]開展建設區域研究。但對高標準農田項目區的選址方面的研究還不夠深入。鑒于此，本文以新鄭市為研究區域，開展基于耦合協調度的高標準農田建設項目區優選研究，解決高標準農田整治中區域不明晰、項目區選址不合理等問題，提高項目區選址科學性，以期為高標準農田建設項目規劃實施提供參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

新鄭市地處鄭州市東南部，位于東經113°30′～113°54′、北緯34°16′～34°39′之間。地勢西部、中部稍高，東部、南北較低。地貌類型主要有山地、丘陵、崗地和平原等。新鄭市土壤類型多樣，具有褐土、潮土和風砂土3個類型，新鄭市2015年土地總面積88 459.15 hm2，其中耕地面積54 166.98 hm2(包含田坎、溝渠和農村道路)，2015年全市總人口84.02萬人，其中城鎮人口40.72萬人。

1.2 數據來源

本研究數據來源于新鄭市土地利用變更數據庫(2015年)、《新鄭市土地利用總體規劃(2009—2020)》及其數據庫、《新鄭市城鄉總體規劃(2009—2030年)》、《新鄭市土地整治規劃(2011—2020年)》及其數據庫、新鄭市農用地分等成果、新鄭市第二次土壤普查、空間分辨率為2.5 m的Spot遙感影像、土壤污染調查數據、基礎地理數據、地球化學調查數據、土壤圖、地形圖、DEM數據和氣象資料，人口數據來自2016年《新鄭市統計年鑒》。

2 研究方法與模型構建

2.1 研究思路

通過分別建立高標準農田建設適宜性和空間穩定性評價指標體系及評價模型，對區域耕地單元的建設適宜性和空間穩定性進行評價，在此基礎上，建立高標準農田建設適宜性與空間穩定性的耦合協調度評價模型，進行高標準農田建設區域評價和遴選，最終形成建設項目區，為高標準農田建設項目決策提供決策依據。

2.2 評價單元劃分

評價單元的劃分是進行高標準農田建設評價的基礎，評價單元既要反映地貌類型、土壤類型及土地利用現狀等一致或相對一致的特征，又反映內部屬性特征的一致性。按照高標準農田建設要求，其各項建設需落實到具體的地塊，本研究確定以地塊即耕地圖斑為評價單元，同時地塊也是數據庫管理的單元，對指導每個地塊的建設方向更加明確、易于操作。以2015年土地利用變更數據為依據，利用ArcGIS軟件提取耕地圖斑，以耕地圖斑為評價單元，并將碎小圖斑合并到周圍耕地圖斑中，最終形成17 960個評價單元。

2.3 高標準農田建設適宜性和空間穩定性評價指標體系構建

2.3.1評價指標體系構建

高標準農田建設受自然條件、基礎設施條件、行政決策、規劃控制、生態狀況等因素的制約，必須全方位、多角度對高標準農田建設難易程度狀況進行分析。依據《高標準農田建設通則》(GB/T 30600—2014)相關要求，本文從自然稟賦、基礎設施條件、耕地形態等3個方面，區位條件、耕地性狀、規劃控制與生態狀況等4個方面建立高標準農田建設適宜性、空間穩定性評價指標體系(表1)。

2.3.2評價指標標準化

在進行評價時，由于評價指標的來源、單位不同，需要對評價指標進行標準化處理，使指標間可進行直接比較。本文依據評價指標屬性和內在特點，采用極差標準化法、閾值型賦值法[1]及經驗法對評價指標進行標準化，各指標標準化方法見表2。

2.3.3評價指標權重確定

對于高標準農田建設適宜性和穩定性評價，選取的評價指標都會對評價結果產生不同程度的影響，因此，確定各評價指標權重至關重要。目前，主觀賦權法完全依據決策者的專業知識和經驗，具有較強主觀性，易造成邏輯混亂、評價態度單一等問題。客觀賦權方法通過客觀計算形成權重，避免了人為因素干擾，但實測數據有時會出現一定誤差，不能充分反映指標間的差異程度及重要程度。因此，本研究采用主觀賦權法(熵權法)與客觀賦權法(層次分析法)相結合的組合賦權法確定評價指標的權重，各權重見表1。

表1 高標準農田建設適宜性與建設空間穩定性 評價指標體系 Tab.1 Suitability and spatial stability evaluation index system of well-facilitied farmland construction

2.4 高標準農田建設適宜性和空間穩定性評價模型確定及其分級

高標準農田建設適宜性和穩定性評價是多目標決策的過程，本文采用綜合指數法模型[19]進行適宜性評價，采用逼近理想點法模型[20]進行空間穩定性評價；在評價基礎上，采用自然斷裂點方法按照高度適宜、中度適宜、低度適宜及不適宜，高度穩定、中度穩定、低度穩定與不穩定4個等級對適宜性和穩定性進行分級。

2.5 基于耦合協調度的高標準農田建設項目區優選模型構建

耦合是通過對系統關系的研究，揭示要素或系統間相互作用及聯合的現象，是子系統間或系統內要素之間相互脅迫、相互影響的關聯關系[21]。耦合協調度是衡量系統耦合協調發展狀況的依據[22]。

表2 評價指標分值 Tab.2 Values of evaluation index

注：yij為標準化值，xij為評價因子的實際值，max(xj)、min(xj)為第j項評價因子的最大值與最小值。

高標準農田建設項目區優選是解決高標準農田的選址問題，本文利用耦合協調度數學計算方法，構建基于耦合協調度的高標準農田建設項目區優選模型，通過計算評價單元的耦合協調度指數，反映區域高標準農田建設適宜性與穩定性狀況的協調程度，判斷不同區域高標準農田建設的難易程度，以此為基礎遴選確定高標準農田建設項目區，并進行排序，為項目決策和實施提供依據。具體計算步驟如下：

計算高標準農田建設適宜性和空間穩定性耦合度指數

(1)

式中C——高標準農田建設適宜性和空間穩定性耦合度指數

N(x)——建設適宜性評價綜合指數

M(y)——建設空間穩定性評價綜合指數

k——調節系數，取k=2

計算建設適宜性與空間穩定性綜合協調指數

T=αN(x)+βM(y)

(2)

式中T——高標準農田建設適宜性和空間穩定性綜合協調指數

α、β——待定權數，分別取0.5

計算建設適宜性與空間穩定性耦合協調度指數

(3)

式中D——高標準農田建設適宜性和空間穩定性耦合協調度指數

耦合協調度指數越高，建設適宜性與建設空間穩定性的總體協調發展水平越高，表明兩者的耦合關系越協調。

2.6 高標準農田建設區域適宜性和穩定性耦合協調度分級及項目遴選

在計算耦合協調度基礎上，按照優質、良好、中級、勉強協調發展類對高標準農田建設適宜性與空間穩定性耦合協調度進行分級(表3)，等級差異反映了二者的組合方式，也代表了高標準農田建設區域的難易程度。

表3 高標準農田建設區域適宜性和穩定性耦合協調度分級 Tab.3 Coupling coordination degree classification of suitability and stability of well-facilitied farmland

在分析高標準農田建設難易程度基礎上，以上級下達區域高標準農田建設規模目標為前提，根據不同區域高標準農田建設難易程度的差異、空間分布及其積聚程度，遴選高標準農田建設重點區域，確定建設項目區，并進行排序。

3 結果分析

3.1 適宜性分析

經分析，研究區高標準農田建設適宜程度整體較高，如圖1所示。高度適宜建設區面積最大，為30 361.26 hm2，占耕地總面積的56.05%，主要分布于市域南部和西北部，集中觀音寺鎮、城關鄉、梨河鎮、辛店鎮、龍湖鎮等鄉鎮；中度適宜建設區面積為19 618.97 hm2，所占比例為36.22%，集中分布于郭店鎮南部、新村鎮西部、薛店鎮、八千鄉、龍王鄉、孟莊鎮等區域；低度適宜建設區面積為4 123.32 hm2，所占比例為7.61%，主要位于市域東部，呈現破碎化趨勢，分布在和莊鎮京廣鐵路沿線、薛店鎮東部等區域。不適宜建設區面積為63.43 hm2，所占比例為0.12%，分布較零散，集中連片性差，薛店鎮較多，其余各鄉鎮均有零星分布。

3.2 空間穩定性分析

研究區高標準農田建設空間穩定性較高區域主要分布于市域南部和北部，見圖2。其中，高度穩定等級面積最大，為20 815.38 hm2，占耕地總面積的38.43%，集中分布在辛店鎮、觀音寺鎮、梨河鎮東南部、八千鄉南部、孟莊鎮西部、龍湖鎮西部等區域；中度穩定等級面積為14 550.51 hm2，所占比例為26.86%，包括觀音寺鎮中部、梨河鎮中部、新村鎮西南部、城關鄉北部、辛店鎮東北等區域，其余鄉鎮有零星分布；低度穩定等級面積為10 208.39 hm2，所占比例為18.85%，集中分布在中心城區北部，包括八千鄉北部、和莊鎮北部、新村鎮東部及中北部、郭店鎮中南部、薛店鎮東南部、龍王鄉中部等區域；不穩定等級面積為8 592.70 hm2，所占比例為15.86%，主要位于市域中東部和北部，其余區域零星分布。

圖1 高標準農田建設適宜性空間分布圖 Fig.1 Grade map of construction suitability

圖2 高標準農田建設空間穩定性空間分布圖 Fig.2 Grade map of construction spatial stability

3.3 適宜性和空間穩定性耦合協調度分析

3.3.1耦合協調度計算

適宜性和空間穩定性耦合度指數C為

其中

A=N(x)M(y)=

高標準農田建設適宜性和空間穩定性綜合協調指數T為

高標準農田建設適宜性和空間穩定性耦合協調度指數D為

3.3.2耦合協調度分級及空間特征

經分析，全市高標準農田建設適宜性和空間穩定性耦合協調度等級為優質協調發展類(建設難易程度為基本具備)所占面積最大，為33 731.84 hm2，占耕地總面積的62.28%，包括10 080個評價單元，主要集中于全市南部和北部，包括辛店鎮、觀音寺鎮、城關鄉、梨河鎮、八千鄉南部、龍湖鎮中西部、郭店鎮東部、孟莊鎮西部等，該區域建設適宜性與建設空間穩定性均較高。

耦合協調度等級為良好協調發展類(建設難易程度為稍加改造)面積為1 616.45 hm2，所占比例為2.98%，包含893個評價單元，該等級所占面積較小，分布較分散，建設適宜性和空間穩定性稍差。

耦合協調度等級為中級協調發展類(建設難易程度為全面整治)面積較小，為8 997.74 hm2，所占比例為16.61%，包含3 084個評價單元，集中分布于研究區中部，主要分布在郭店鎮中南部、新村鎮中東部、和莊鎮、八千鄉北部、薛店鎮南部等區域，該區域建設空間穩定性較低，建設適宜性稍高，自然基礎較差。

耦合協調度等級為勉強協調發展類(不適宜建設)面積為9 820.95 hm2，所占比例為18.13%，包括3 903個評價單元，主要分布于中心城區和產業集聚區周邊，集中在龍王鄉、孟莊鎮東部等區域，其余鄉鎮有零星分布，該區域受城市、土地規劃約束，建設空間穩定性較低，不適宜建設高標準農田。具體統計和分布見表4和圖3。

表4 高標準農田建設適宜性和空間穩定性耦合協調度分級統計 Tab.4 Statistics of coupling coordination degree of suitability and stability of well-facilitied farmland

圖3 高標準農田建設耦合協調度等級空間分布圖 Fig.3 Coupling coordination degree distribution map of well-facilitied farmland construction

3.3.3新鄭市高標準農田建設項目區遴選

按照國土資源部《高標準基本農田建設標準》(TD/T 1033—2012)、《高標準農田建設通則》(GB/T 30600—2014)、《高標準農田建設評價規范》(GB/T 33130—2016)對高標準農田建設區域的要求，以集中連片、高產穩產、生態良好、設施配套等為原則，綜合考慮上級下達新鄭市高標準農田建設規模任務、耦合協調度分級、空間積聚特征、自然條件及區位條件，確定了5個高標準農田建設項目，高標準農田建設項目共涉及新村鎮、城關鄉、觀音寺鎮、梨河鎮、八千鄉及辛店鎮等6個鄉鎮，項目建設總規模3 591.18 hm2，項目實施后可建成高標準農田面積3 455.87 hm2(圖4、表5)。

圖4 高標準農田建設項目區規劃圖 Fig.4 Projectplan map of well-facilitied farmland construction

4 結論

(1)在對新鄭市高標準農田建設適宜性和穩定性評價基礎上，通過對適宜性與空間穩定性耦合協調度分析及其分級，明確了區域高標準農田建設適宜性與空間穩定性耦合協調度空間分布特征，理清了建設難易程度，分析了建設難易程度的空間集聚特征，確定了高標準農田建設項目區，為項目選址提供了科學決策依據。

表5 新鄭市高標準農田建設項目規劃 Tab.5 Plan of well-facilitied farmland construction of Xinzheng City

(2)高標準農田建設項目區選取遴選受多種因素影響，除受自然稟賦條件因素限制外，更受區位條件、區域社會經濟因素的影響，土地、城鎮規劃建設因素對建設空間穩定性影響最大。