基于耕地連片性基本農田劃定研究分析

武文迪，張永福，2*

(1.新疆大學資源與環境科學學院，新疆烏魯木齊 830046；2.新疆大學綠洲生態教育部重點實驗室，新疆烏魯木齊 830046)

劃定基本農田是保護耕地、合理控制城鎮化彈性增長的一個重要方式，是保障糧食安全的基礎，建立高標準永久基本農田已廣泛應用于耕地質量、耕地數量、環境生態監測等研究[1]，耕地的綜合質量評估能反映基本農田的優劣[2]，因此，在土地資源較為豐富、稀缺水資源灌溉的邊緣西北地帶，合理劃定基本農田對城鎮化發展和保護耕地達到平衡點具有重要意義。

目前，國內學者基于GIS技術對耕地綜合質量評價進行深入研究，其中利用美國土地評價與立地分析思想(LESA)評估耕地綜合質量是目前常用方法，應用立地分析評估特殊農業利用的地塊經濟的研究旨在克服土壤潛力與生產力的影響與消除耕地“劃劣不劃優”“劃遠不劃近”等問題，構建最優閾值，達到高標準建設基本農田的目的[3]。

對此，2008年我國提出永久基本農田及其意義，并于2015年3月國土資源部辦公廳、農業部辦公廳聯合下發《關于切實做好106個重點城市周邊永久基本農田劃定工作有關事項的通知》(國土資發〔2015〕14號)，2016年8月國土資源部農業部聯合下發了《關于全面劃定永久基本農田實行特殊保護的通知》(國土資規〔2016〕10號)，從劃定永久基本農田的重大意義、總體要求、統籌劃定和規劃調整完善工作、落實全面劃定各條任務、實行特殊保護、落實工作責任等方面提出具體措施和要求[4]。基本農田是高產優質耕地，是耕地中的精華。保障基本農田的數量和質量對保護耕地和穩定糧食生產具有重要意義[5]。目前國內學者借鑒美國土地評價與立地分析思想LESA[6]，根據自身限制條件和耕地質量更新成果，從自然質量相關因素及其立地條件因素中選取指標建立基本農田指標體系的研究較多，集中在耕地的自然地理屬性[7]和社會經濟條件[8]等方面，在地理空間差異分布方面的研究相對較少，并且較少考慮耕地的集中連片度，或者僅作為耕地綜合質量評價的方面，并未從整體上考慮高標準基本農田建設中的耕地連片性。該研究從耕地連片度的角度，結合耕地綜合自然質量及空間分布差異情況，構建鞏留縣基于耕地連片度的高標準基本農田方法。

1 研究區概況

鞏留縣坐落在新疆維吾爾自治區伊犁哈薩克自治州境內，位于新疆伊犁河上游南側，那拉提山和伊什格力克山北麓，81°34′～83°35′ E，42°54′～43°38′ N。鞏留縣屬于天山山區，山地面積占全縣面積的76.51%，除山地外，較寬廣的平原區及鑲嵌在東南那拉提山間的莫乎爾小谷地占全縣總面積的21.39%。全縣地勢呈東南高，西北低，海拔766～4 079 m。該縣位于伊犁河谷東南邊緣，具有典型的山谷地特征，東部有利的地理位置和地形使該縣能接受大量的大氣降水，成為該縣地面徑流的主要來源，而西部受地形影響相差很大，成為該縣最缺水的干旱區。根據2014年鞏留縣統一更新土地利用現狀轉換的規劃數據，鞏留縣土地總面積382 535.07 hm2。其中農用地355 810.53 hm2，占土地總面積93.01%；建設用地1 033.18 hm2，占土地總面積的2.70%；其他土地面積16 386.36 hm2，占土地總面積的4.28%。

2 數據獲取

數據來源于2009年鞏留縣第2次國土資源調查數據獲取地類信息，2014年鞏留縣土地利用變更數據，2012年鞏留縣農用地分等數據，鞏留縣2014年1∶10 000土地調查成果圖、鞏留縣行政區劃圖、鞏留縣2013年線狀地物分布圖，包括道路、溝渠等；地形圖等成果文件以及相關農業統計資料。主要采用GIS工具對上述數據進行處理。

3 研究方法

3.1耕地綜合質量評價體系以鞏留縣土地利用總體規劃數據及農用地等級成果數據為基礎數據，通過引入景觀生態指標，應用GIS平臺的空間數據處理功能獲取指標數據，基于GIS平臺的緩沖功能，模擬設定不同閾值時連片性的變化；識別耕地連片的最優閾值，構建基本農田連片網絡，采用多因素加權模型法對耦合耕地綜合質量與耕地連片度最佳閾值進行疊合，建設基本農田劃定保護區域。

基本農田范圍邊界劃定根據前人的研究基本分為2類[9]，一般是以耕地地塊為基礎單元，或者是以行政村為單元，根據因縣級高標準基本農田選取注重實際可操作性必須落實到地塊[10]，因此以鞏留縣農用地成果中劃定的耕地圖斑為基本評價單元，最終包含10007個評價單元。耕地入選基本農田，應將自然區位條件好、水利設施配套、集中連片、產量高且優質的耕地劃入基本農田，內部因素主要從考慮耕地自然狀況和生態條件，包括表層土壤質地、有機質含量、鹽漬化程度、有效土層厚度等，耕地生態條件是指在不同的外界環境作用下，有效防止水土流失，能抵御自然災害[11]，并且保持耕地質量穩定的能力，包含地形坡度、洪澇災害率、田塊規整度等；外部影響因素是指耕地的立地環境特征[12]，包含排水條件、灌溉保證率、與中心城鎮距離、道路通達度等。該研究從自然質量、區位條件、生態景觀3個方面構建標準基該農田建設的耕地綜合質量評價指標體系。采用層次分析法和灰色模型法共同確定各評價指標的權重，具體數值由一級指標權重和二級指標權重的乘積得到，結果見表1。

表1 耕地綜合質量評價指標體系

3.2耕地連片度計算模型地塊連接性通常被區分為結構連接度和功能連接度[9]，某一等級或等級區間地塊的相連程度，兩地塊在空間上相隔的距離越小，其連片性越高，當其距離小于一定閾值時，則可認為其是連片的[13]。該研究是在鞏留縣農用地等級數據成果上(均在9～12等質量范圍內)，將基本農田建設中的“耕地連片性”定義為圖斑與圖斑的空間相連程度，運用空間相連性算法進行局部耕地連片度計算，并且為了更好地識別全區連片性隨d變化的情況，引入景觀生態指標，借助GIS平臺的空間數據處理功能獲取指標數據，設計基于景觀生態指標的定量化連片性評價模型確定最優閾值，確定耕地最大的連片程度。

3.2.1基于景觀生態指標的連片性評價模型。首先要將地塊根據基本農田地塊等別的閾值賦值[14]，然后對全區的各地塊(即像素)進行相連性計算[15]，引入景觀生態指標構建連片性評價模型。通過借助GIS平臺的空間數據處理功能獲取指標數據，設計基于景觀生態指標的定量化連片性評價模型[16]。

根據需要，選擇用來描述同類景觀要素斑塊、空間關系的4個景觀生態指標數作為評價指標，定量描述基本農田的連片性，其公式如下：

(1)斑塊平均面積(A)：反映基本農田保護區地塊規模的平均水平。

A=S/n

(1)

式中，S基本農田總面積，n為圖斑總數。

(2)斑塊邊界密度(D)：即圖斑總周長與總面積的比值，反映分割程度和破碎化程度。

D=C/S

(2)

式中，C為圖斑總周長，S為基本農田總面積。

(3)最大斑塊指數(I)：即最大圖斑面積占基本農田總面積的比例。

I=Smax/S

(3)

式中，Smax為最大圖斑面積；S為小鄰域內地塊的總面積；I為最大圖斑指數。

(4)圖斑任意兩點間最短距離平均值。

(4)

式中，Ci(k)為地塊i與鄰近的地塊k之間最短距離，p為與地塊i的鄰近地塊總數即某一圖斑到一定范圍內其他圖斑的最近距離之和，除以該范圍內圖斑個數；結果越小，表明圖斑間距越近，分布較集中。

3.2.2閾值-連片度多因素。關于基本農田質量連片度過程中連接的地塊距離閾值(d)的假設。在耕地地塊10007個單元里，基于GIS空間數據處理模擬，假設間隔距離在d以內的地塊是相連的，即地塊間的農田水利設施及農村道路等可不視為連片地塊的分割物，則符合該條件的各分等單元，不論是邊相連還是角相連，都自動形成連片地塊，系統可以用不同的顏色和編號表示這些連片地塊，從而得到高度連片地塊的分布規律及方向。

d在一定范圍內變動，觀察d處于不同數值時連片性評價指標的變化情況。由于同一區域內地塊在空間上排列方式的獨特性，d在某一范圍內變化會影響基本農田保護區的連片性，如果d值無限制擴大，將會影響基本農田分布，因此選擇di這里把di稱為最優閾值，即基本農田連片的最優距離。獲取不同dx的4個景觀指標數據，4個評價指標會隨著閾值的變化呈現特征曲線變化，得到一個閾值連片度的關系圖。為了便于分析4個指標對連片度的共同作用以識別di，需要對每一組數據進行處理構建最優閾值d0的識別模型。具體方式如下：

(1)讀取指標數據，選定dx的范圍基于景觀生態指標的耕地連片距離確定，在范圍內選擇出最佳的連片閾值。

(2)運用倒數法進行指標趨同化處理，規定指標變化方向一致，公式如下：

x*=1/x

(5)

式中，x*為同趨勢化變量，x為處理后的值。

(3)將4個指標進行無量綱的歸一化處理，把指標數據壓縮到0～1之間，公式如下：

X=(x-xmin)/(xmax-xmin)

(6)

式中，X為變量x歸一化處理后的值，xmin為變量x的最小值，xmax為變量x的最大值。

(4)運用加權平均法對指標進行處理，加權平均值即將各指標乘以相應的權重，然后求和，以總的單位數得到的數值。公式如下：

(7)

式中，φi為加權平均值；aij為指標值；Wj為指標權重；i為試驗次數，i=1，2，…，n；n為指標數。

(5)經過系列數據處理，可以得到一個擬合的“閾值-連片性評價加權值”關系圖，觀察曲線的拐點對應的閾值，即可能是最優連片距離di。

3.3高標準基本農田建設區域劃分采用多因素加權求和模型[17-20]，耦合耕地綜合質量和耕地連片度的計算結果確定高標準基本農田建劃入設區域，如表2所示。依據加權指數法[21-24]，對每塊斑塊適宜性進行綜合分值計算，耕地綜合質量評價結果根據分值劃分如下：80～90分為優質耕地、65～80分為中等耕地，低等耕地50～65分，構造基本農田耕地質量分布圖；根據閾值的劃分將耕地連片度按照等級分為高連片、中連片和低連片，構造基本農田耕地連片性分布圖。將高、中、低分值耕地等別分別和高、中、低耕地連片度進行組合，將研究區耕地劃分等級：優等包含高、中、低連片，中等包含高、中、低連片，低等包含高、中、低連片共9個分布區，將鞏留縣整體耕地劃分為三部分，優先劃入基本農田區域、重點劃入基本農田區域和有條件劃入基本農田區域。

表2 鞏留縣預選基本農田建設劃區

4 結果與分析

4.1耕地連片度分析

4.1.1篩選耕地連片。據鞏留縣2014年耕地質量等級成果年度變更成果中國國家級利用等，將鞏留縣耕地質量分為3個等級質量等級在9～12級的農用地塊(圖1)，獲得鞏留縣2014年優質農用地質量分等數據，可以看出該地區利用等等級較低土質較好的農用地主要集中在鞏留縣的北部、東部以及東南和南部。鞏留縣農用地面積355 810.53 hm2，經過篩選耕地地塊數共10 007塊，全縣耕地地塊面積57 587.38 hm2，最大地塊面積360.01 hm2，地塊面積標準差35.62，總周長13 396.606 km，任意兩點間最短距離平均值是53.65 m。

圖1 鞏留縣2014年優質農用地質量分布Fig.1 Distribution of high quality farmland in Gongliu County，2014

4.1.2調整連片度閾值dx。以鞏留縣2014年優質農用地空間數據作為基礎數據，根據研究區農用地分布情況確定調整閾值d的數值變化區間為0～60 m；并進行60次試驗，每次試驗調整閾值變化跨度為1 m；并試驗記錄4個評價指標的數值，共獲得60組初始試驗數據。閾值d由0～60 m的變化過程中距離較近地塊中最大地塊指數的試驗數據變大，任意兩點間最短距離平均值指標則呈現變小趨勢。當d取60 m時，地塊數減少到3 502塊，最大地塊面積5 809.24 hm2，標準差增加到102.33，總周長為9 654.65 km，任意兩點間最短距離的平均值44.95 m。

將試驗得到的60組指標數據經同趨勢化、歸一化處理，得到鞏留縣的“閾值-連片度多因素”關系圖(圖2)。鞏留縣對4個指標賦予相同權重，平均加權擬合成最終的“閾值-連片性評價加權值”關系圖(圖3)。根據最終的連片性評價結果變化圖，發現最優連片閾值d0處于20 m的位置耕地連片度最大。d為0～6 m時，連片性的評價值漲幅在0.1，有較小波動，當d處于6～17 m時，連片性的評價值在0.2，數據波動很小反映的耕地連片性提升幅度十分微弱；第1個拐點出現在連片距離d從18 m增大到22 m這一階段中，連片性評價值從0.2左右提升到接近0.8，耕地連片性評價值提升了將近0.6；d在23～40 m的過程中，連片性的評價值由0.8提升到下降到0.65，d為41～48 m時連片性評價值出現第2次增長從0.65提升到0.88，d處于49～60 m時連片性評價值0.85趨近于0.98，對于出現的3次增長，相較于第1次增長，后2次對連片性的改善能力只有前者的38.3%和21.67%，而連接距離接近后者的3倍多對鞏留縣實施集中連片為目標的基本農田建設，當連接間距范圍在60 m內時，可以將耕地劃入區間距離小于20 m相鄰地塊進行連接；間距大于20 m的地塊，進行局部連接可以再次提升基本農田保護區連片性。

圖2 鞏留縣農用地連片性評價指標變化Fig.2 Index variation of connectivity evaluation in Gongliu County

圖3 鞏留縣農用地連片性評價結果Fig.3 Results of connectivity evaluation in Gongliu County

4.1.3確定連片度。根據試驗結果，研究區調整變化閾值為20 m時會形成高度連片，大于20 m小于45 m的耕地連片為中連片，大于45 m的連片耕地成為低連片，其中高連片耕地面積為18 011.27 hm2，占耕地總面積的31.28%；中連片耕地面積26 637.54 hm2，占耕地總面積的46.25%；低連片耕地面積為12 938.57 hm2，占耕地總面積的22.74%(圖4)。

圖4 鞏留縣耕地連片度分布Fig.4 Distribution of arable land connectivity in Gongliu County

4.2耕地綜合質量分析通過上述分析，鞏留縣耕地綜合質量分值為55.53～89.32，采用自然斷裂法(nature breaks)將鞏留縣耕地質量劃分為優質地、中等地和低等地。其中，優質地面積22 292.08 hm2，占耕地總面積的38.71%；中等地面積28 845.52 hm2，占耕地總面積的50.09%；低等地面積6 449.78 hm2，占耕地總面積的11.20%，鞏留縣總體耕地質量較高，適宜高標準基本農田建設，結果如圖5所示。

鞏留縣從行政邊界范圍直觀的可分為兩部分，從空間分布上耕地主要集中分布在鞏留縣東北部和中部，東南部耕地面積較小，南部西部分布著大片的天然草場、水庫和林地，分割了耕地，占據大部分面積。鞏留縣優質耕地主要分布在阿尕爾森鄉、東買里鄉、牛場、庫爾德寧鎮和良繁場，這些鄉鎮場的地勢因大吉爾格朗河、小吉爾格朗河和南山水系的分布，所以耕地自然質量較好，土壤質地多為壤土，有效土層較厚，且地勢平坦，灌溉和排水條件設施完備。中等地分布在全縣各個鄉鎮場，其中在東買里鄉西部、綜合農場與阿克吐別克鄉分布面積較為集中。低等地主要分布在2個區域，一是吉爾尕朗鄉的沙尕村附近區域，該區域耕地坡度等級大于25°，耕地質量較差；二是提克阿熱克鄉區域，基礎水利設施條件差，并且位于本縣西部受地形影響缺水，灌溉條件不利于農業生產。將鞏留縣耕地綜合質量與連片性進行疊合分析(表3)，優質耕地的高連片和中連片的耕地面積占優質耕地的86.43%，差等地的低連片和中連片區域占低等耕地的76.85%，鞏留縣優質耕地集中分布在高連片和中連片區域，中等地在中連片分布較為集中，在高連片和低連片分布較為平均，低等地在低連片區域分布較為集中，這與鞏留縣耕地綜合質量的相關性一致。

4.3高標準基本農田劃入建設分區依據多因素加權求和模型耦合耕地質量與連片度將鞏留縣耕地劃分為優先劃入建設基本農田、重點劃入建設基本農田和有條件劃入建設基本農田3種區域，結果見圖6和表4。優先劃入建設基本農田保護區包括優質—高連片、優質—中連片、中等—高連片3種區域，主要分布在阿尕爾森鄉、塔斯托別鄉和東買里鄉，基本農田劃入順序首先應該是優質—高連片，這部分地塊可直接劃入標準基本農田；其次是中等—高連片，該部分是與優質地連片的中等地劃入建設難度小，并且與周圍優質地形成大片的集中連片的標準基本農田，最后是優質—中連片，該地塊耕地整體質量優良，但周圍耕地質量一般，劃入后可與其他耕地連成一片，屬于優質地聚集區耕地質量好且連片度高，并分布在城鎮周邊，可優先劃入建設為標準基本農田。重點基本農田劃入建設區域包括3種區域，即優質—低連片、中等—中連片、差等—高連片，3種區域在鞏留縣各鄉鎮場均有零散分布，并且因耕地質量或連片性某一方面功能性不足的區域。建議劃入基本農田順序應先為中等—中連片區域，該地塊是中等地集中區，是高標準基本農田劃入潛力最大的區域；其次，優等—低連片區域，該區域在本縣占地面積較少，一般為低等地被優質和中等地包圍的區域，整理后可大幅提高整體的耕地質量和連片性；第三是差等—高連片區域，該地塊分布的耕地十分瑣碎，或者被差等地所包圍，不利于劃入高標準基本農田建設。有條件的建設區域包括中等—低連片、差等—中連片、差等—低連片，這部分區域空間分布較為細碎和零散，主要分布在縣西部的阿克圖別克鄉和吉爾尕朗鄉。劃入基本農田順序應首先是中等—低連片區域，該區域是與中等地相連的差等地；其次是差等—中連片和差等—低連片區域，三部片區域屬于基本農田劃入最后考慮的范圍。

圖5 鞏留縣耕地綜合質量Fig.5 Comprehensive quality of farmland in Gongliu County

等別Grade 高連片High land connectivity面積Area∥hm2比例Proportion∥%中連片Middle land connectivity面積Area∥hm2比例Proportion∥%低連片Low land connectivity 面積Area∥hm2比例Proportion∥%全縣Countyhm2優質地High quality land 8 176.7336.6811 090.3149.753 025.0413.5722 292.08中等地Middle quality land 8 457.5129.3213 075.6745.337 312.3425.3528 845.52差等地Low quality land 1 377.0321.352 471.5638.322 601.1940.336 449.78 總計Total18 011.2731.2826 637.5446.2512 938.5722.7457 587.38

表4 基本農田劃區建設匯總

5 結論

(1)縣域通過引入4個生態指數共進行60組耕地連片度的試驗結果可直觀地發現，鞏留縣耕地分布連片較集中在北部和東部，耕地在西部和南部分布較為瑣碎零散，d20 m時，會最大程度形成連片。其中，高連片耕地面積為18 011.27 hm2，占耕地總面積的31.28%；中連片耕地面積26 637.54 hm2，占耕地總面積的46.25%；低連片耕地面積為12 938.57 hm2，占耕地總面積的22.74%。

(2)鞏留縣耕地總體質量較高，優質耕地面積22 292.08 hm2，并且87.34%是高連片和中連片區域，占耕地總面積的38.71%；中等耕地面積28 845.52 hm2，占耕地總面積的50.09%；差等耕地面積6 449.78 hm2，并且84.56%是低連片和中連片區域，占耕地總面積的11.20%。優質地主要分布在北部的牛場、中部的提克阿熱克鄉和東部的阿尕爾森鄉較為集中；差等地在西部及各鄉鎮較散分布。這與耕地綜合質量的空間分布相一致。

圖6 基本農田劃區分布圖Fig.6 Distribution of prime farmland

(3)采用多因素加權指數將全縣耕地劃分為優先基本農田劃入建設區域、重點基本農田劃入建設區域和有條件基本農田劃入建設區域，優先劃入建設基本農田耕地面積27 724.55 hm2，占耕地總面積的48.14%；重點劃入建設基本農田耕地面積17 477.74 hm2，占耕地總面積的30.35%；有條件劃入建設基本農田耕地面積12 385.09 hm2，占耕地總面積的21.48%，其中每種劃入保護區域包括3種類型，分析各類型的劃入先后順序。表明該方法明顯提高了標準農田建設劃區的耕地連片度，可為基本農田調整提供科學技術理論支持。