基于Ward系統聚類的吉林省農用地整治分區及策略研究

劉博文，王冬艷，王 暢，李 紅，吳文俊

(吉林大學 地球科學學院，吉林 長春 130061)

0 引言

隨著我國經濟進入高質量發展的新時代，城鎮化穩步推進，與此同時，耕地后備資源不斷減少，耕地資源流失問題愈發嚴峻，因此，保障糧食安全，實現耕地數量、質量、生態“三位一體”保護的難度不斷加大[1]。土地整治是促進土地資源合理利用、調整土地利用結構和土地關系、保障國家糧食安全的重要手段，對實現土地資源合理配置、提高土地利用效率和改善區域生態環境具有重要作用[2]。

近年來，農用地整治內涵不斷豐富，加強對耕地數量、質量、生態“三位一體”保護成為新時期農用地整治工作的重點。同時，考慮到區域的差異性，開展農用地整治分區研究，采取差異化的整治策略，因地制宜開展農用地整治工作，是編制農用地整治規劃及安排農用地整治項目的基礎。在農用地整治分區方面，現有研究大多基于整治潛力評價結果，利用多因素綜合評價法或采用空間疊加的方法劃定農用地整治區[3-4]，分區指標體系中涉及的農用地整治潛力評價指標多集中在數量和質量2個層面[5]。目前，土地整治生態轉型成為土地整治發展的趨勢[6]，在構建分區指標體系時，應充分認識農用地整治的生態功能和景觀功能。在研究對象方面，現有的研究一般以地級市或縣(市、區)范圍的中小尺度分析為主[7]，較少涉及省域范圍。土地整治分區研究是編制土地整治規劃的重要基礎，并且省級土地整治規劃發揮著分解落實國家調控指標，指導市、縣兩級土地整治規劃編制工作等承上啟下的重要作用。農用地整治作為土地整治的重要組成部分，對實現耕地“三位一體”保護具有重要意義。因此，對省域農用地整治分區的研究至關重要。

基于科學性、綜合性、可操作性等基本原則，本文以吉林省為研究對象，通過測算農用地整治的數量潛力、質量潛力、生態潛力及景觀指標，結合社會經濟要素構建分區指標體系，以縣(市、區)為分區單元采用系統聚類分析方法劃定農用地整治區，根據分區指標特征及區域實際情況，提出農用地整治策略。

1 研究區概況和數據來源

1.1 研究區概況

吉林省位于東北平原中部，土地總面積19.1×104km2，占全國土地總面積的1.95%。2015年總人口2662.1萬人，GDP為14063.1億元。吉林省屬于溫帶大陸性季風氣候，農業生產條件良好，是我國重要的糧食生產區，其耕地總面積達7.0×106hm2，占吉林省總面積的36.61%，其中87.45%的耕地為旱地。吉林省地處“黃金玉米帶”和“黃金水稻帶”，素有“黑土之鄉”的美譽，全年糧食總產量3647.0萬t，為實施“藏糧于地”戰略提供了根本保障。國家實施振興東北老工業基地戰略以來，吉林省城市化和工業化快速發展，耕地保護與開發建設矛盾較為突出，并且耕地質量下降、水土流失及鹽堿化等問題也不容樂觀，耕地數量、質量、生態“三位一體”保護面臨多重壓力。

1.2 數據來源與處理

本文研究涉及的數據資料包括：吉林省2015年度土地利用變更調查數據庫、吉林省耕地質量等別更新數據庫、《吉林省土地整治規劃(2011～2015年)》、《吉林省統計年鑒(2016年)》、《全國農產品成本收益資料匯編(2016年)》等，其他相關指標依據統計數據計算得到。依據吉林省2015年土地利用變更調查數據庫，利用ArcGIS軟件提取縣(市、區)分區單元共計60個，依據權屬代碼按照坐落統計各分區單元相關指標。

2 指標體系構建與測算方法

2.1 指標體系構建

耕地“三位一體”保護具有層次性和系統性[8]，農用地整治分區的指標也應包含數量、質量、生態3個方面。為提升系統的生態功能和景觀功能，同時更好地反映開展農用地整治的社會經濟基礎，在構建分區指標體系時，除選取表征整治潛力的指標外，引入耕地景觀指標及社會經濟指標，形成數量、質量、生態“三位一體”并兼顧社會經濟要素的分區指標體系(表1)。

表1 吉林省農用地整治分區指標體系

2.2 數量潛力指標測算

本文確定的待整治區包括耕地、為農業生產服務的田坎、溝渠、農村道路、設施農用地等配套設施用地，規模小于600 m2的園地、規模小于1500 m2的林地和草地等零星農用地，以及規模小于1500 m2的內陸灘涂、鹽堿地、沙地、裸地等零星未利用地。在此基礎上，采用耕地系數法測算數量潛力指標。

耕地系數是單位面積農用地中凈耕地所占的比例[9]，標準耕地系數反映待整治農用地經過整治所能達到的理想耕地狀態。本文以各分區單元實際耕地系數為基礎，依據標準耕作制度分區，結合近5年吉林省農用地整治項目樣地指標，采用典型樣地法確定標準耕地系數為：三江平原長白山地區0.936，松嫩平原區0.956。

新增耕地系數反映了待整治區經過整治可增加耕地數量的能力，通過計算新增耕地系數，計算各分區單元新增耕地面積，公式為：

λ=G/S

(1)

α=A-λ

(2)

△S=S×α

(3)

式中：λ為耕地系數；G為凈耕地面積；S為待整治區面積；α為新增耕地系數(若α<0，則α=0)；A為標準耕地系數；△S為新增耕地面積。

2.3 質量潛力指標測算

農用地整治的質量潛力體現在對土地生產能力的提升，農用地質量分等成果為農用地整治質量潛力評價提供了數據基礎和技術依據。光溫生產潛力、自然等指數、利用等指數之間相互比較形成自然生產潛力和利用潛力[10]，計算公式如下：

IZ=(a-r)/a

(4)

IL=(r-y)/a

(5)

式中：IZ為農用地整治自然生產潛力指數；a為光溫生產潛力；r為農用地自然等指數；IL為農用地整治利用潛力指數；y為農用地利用等指數。

由于農用地質量分等的評價單元為耕地圖斑，與本文分區單元不同。因此，根據各分區單元內耕地圖斑面積占其耕地面積的比例，加權計算各分區單元農用地自然等指數和利用等指數，進而計算農用地整治自然生產潛力指數和利用潛力指數。

2.4 景觀生態指標測算

基于生態經濟學理論，本文將生態系統服務價值作為評價生態潛力的重要指標。將待整治區作為一個區域生態系統，采用價值當量因子法評價生態系統服務價值。以謝高地等[11]提出的生態系統單位面積生態服務價值為基礎，劃分生態景觀類型，利用生物量因子對生態服務價值進行區域修正[12]，結合現有研究成果[13]，確定各生態系統的生態服務價值基礎當量。

將糧食單產的凈利潤作為一個標準當量因子的生態服務價值，為減少市場價格波動產生的影響，以2011～2015年指定作物玉米和水稻的凈利潤為基礎，按省內該作物播種面積加權確定標準當量因子經濟價值量為554.11元/hm2。由此得到吉林省各生態系統單位面積生態服務價值(表2)，并據此計算各分區單元的單位面積生態服務價值。

表2吉林省各生態系統單位面積生態服務價值元/hm2

項目農田園地森林草地濕地水域荒漠其他氣體調節372.361255.391861.80643.66984.10255.3437.23207.46氣候調節361.722367.163037.411696.905186.46755.3626.60196.81水源涵養329.81984.101388.37574.509819.7225490.8342.56186.18土壤形成與保持659.621430.932074.59781.961324.54138.3042.56351.09廢物凈化473.43723.45888.35558.556324.849670.78111.72292.57生物多樣性保護234.061223.471734.15712.804186.411324.5490.44164.90食物生產590.46127.67133.00122.35271.30212.785.32297.88原材料生產133.00553.22925.59180.86265.9763.8410.6374.47休閑娛樂42.56500.04680.89313.852516.10526.6215.9531.91合計3197.019165.4312724.165585.4330879.4438438.39383.011803.28

用單位面積生態服務價值增量(△ESV)表示農用地整治可提高生態服務價值的程度，以行政村為單位計算各行政村單位面積生態服務價值增量，加權匯總得到各分區單元的指標值。各行政村目標生態服務價值以與之相鄰的行政村生態服務價值的最大值為基礎，結合所在縣域整體水平，參考已有的農用地整治項目確定，計算公式如下：

△ESV=ESVg-ESVp

(6)

式中：△ESV為單位面積生態服務價值增量；ESVg為單位面積目標生態服務價值；ESVp為單位面積現狀生態服務價值。

此外，耕地的生態安全對保障國家糧食安全和維護社會經濟可持續發展具有重要意義。因此，在農用地整治分區時，將景觀生態指標納入分區指標體系。耕地景觀脆弱度和耕地生態安全指數可以概括區域耕地的景觀格局信息，反映耕地景觀對外界干擾的敏感程度以及耕地景觀生態安全的程度。本文參考裴歡等[14]構建的耕地景觀生態安全評價模型，選取景觀破碎度、邊界破碎度、面積加權平均形狀指數、分維數與分離度指標，計算各分區單元的耕地景觀脆弱度和耕地景觀生態安全指數，計算公式如下：

V=0.59AWMSI+0.28F+0.13D

(7)

ES=1-[(PD+ED)×2.5V]

(8)

式中：V為景觀脆弱度；AWMSI為面積加權平均形狀指數；F為分維數；D為分離度；ES為景觀生態安全指數；PD為景觀破碎度；ED為邊界破碎度。

2.5 社會經濟指標測算

本文選取的社會經濟指標包括人均GDP、人口密度及耕地壓力指數。人均GDP和人口密度可以反映開展農用地整治的資金和勞動力條件，相關指標可根據統計年鑒計算得到。

目前，耕地短缺問題在城市化與糧食安全需求的矛盾中日益凸顯，耕地壓力指數可以反映區域耕地資源的稀缺程度和供需沖突程度，本文參考蔡運龍等[15]最小人均耕地面積和耕地壓力指數模型計算，公式如下：

(9)

K=Smin/Sa

(10)

式中：Smin為最小人均耕地面積(hm2/人)；β為食物自給率(%)；Gr為人均食物需求量(kg/人)；P為食物單產(kg/hm2)；q為食物播種面積占總播種面積之比(%)；k為復種指數(%)；K為耕地壓力指數；Sa為實際人均耕地面積(hm2/人)。

3 結果與分析

3.1 農用地整治分區結果

聚類分析可以突出類型區內的相似性以及類型區間的差異性[16]，因此將聚類分析結果作為區域劃分的依據。本文利用極差標準化方法對分類變量進行標準化處理，采用平方Euclidean距離作為區間變量距離測度，以相似性最大化為原則，利用離差平方和法進行聚類分析，首先將每個樣本視為單獨的一類，根據兩類之間的距離逐步合并，直到所有的樣本歸為一個單獨的大類。

通過Ward系統聚類法，結合數量潛力、質量潛力、景觀生態及社會經濟指標對分區單元進行聚類分析(圖1)，將分區單元初步劃分為4類。進一步考慮各指數內部的差異，結合吉林省行政區劃、資源稟賦、發展戰略等實際情況，兼顧區域連片性和整治區劃完整性，對聚類分析結果進行修正，最終將吉林省劃分為4個農用地整治區，并匯總得到各區域相關指標(表3)。

圖1 吉林省農用地整治分區單元聚類分析圖

農用地整治區新增耕地系數新增耕地面積/hm2自然生產潛力指數利用潛力指數單位面積生態服務價值增量/(元/hm2)耕地景觀脆弱度耕地生態安全指數人均GDP/(萬元/人)人口密度/(人/km2)耕地壓力指數Ⅰ區0.0163562.060.3130.5364037.790.3380.7914.4596.470.230Ⅱ區0.010780.850.2180.2824950.830.3070.9176.79727.232.137Ⅲ區0.002173.400.2590.3954073.470.6650.6964.91321.200.693Ⅳ區0.018523.740.2550.5643179.000.2860.8144.71141.142.822

結合各區域特點，為突出不同區域的農用地整治主導方向和重點，采用“空間方位+農用地整治策略”的命名方法，由此形成吉林省西部農用地綜合整治與生態保護區、吉林省中部農用地質量保護與高標準農田建設區、吉林省中東部農用地精細化整治與景觀修復區、吉林省東部農用地質量整治與林地保育區4個整治區(圖2)，有利于把握農用地整治方向，制定整治政策。

3.2 區域整治方向及重點

通過進一步分析各農用地整治區數量、質量、景觀生態及社會經濟指標特征，結合各整治區實際，提出相應的農用地整治方向及重點。

Ⅰ區：吉林省西部農用地綜合整治與生態保護區，該區域土地生態系統敏感性強，土地鹽堿化、荒漠化較為嚴重，抗干擾能力和自然恢復能力較弱。

區域耕地面積2.28×106hm2，各縣(市、區)耕地比重較大，平均耕地比重達51.40%。數量潛力方面，該區域新增耕地面積最大，達3.2×104hm2，新增耕地系數較高，地處平原地帶，土地整治潛力開發難度較小。農用地整治質量潛力較大，應重點改善土地自然生產條件和利用條件，逐步消除耕地限制性因素，提高土地質量和糧食產量。區域平均單位面積生態服務價值為6410.91元/hm2，為4個區域內最低，生態潛力整體較大。由于地處生態脆弱區，在開展農用地整治時，應著力探索綜合整治模式，借助雜糧雜豆種植陽光區域優勢，因地制宜開發耕地潛能。同時，確保還水、還濕、還草，著力修復和保護生態環境，積極開展生態景觀建設，并注重對生態系統和生物多樣性的保護。

圖2 吉林省農用地整治分區

Ⅱ區：吉林省中部農用地質量保護與高標準農田建設區，該區域為吉林省主要黑土區，土質肥沃，土地墾殖率高。同時，產業基礎雄厚，農業優勢較為突出。

該區域耕地面積達3.07×106hm2，各縣(市、區)平均耕地比重在50%以上。區域內農用地整治數量潛力較小，通過土地整治提高耕地數量難度較大。另一方面，較低的自然生產潛力指數和利用潛力指數反映出該區域耕地質量等別較高，農用地整治的質量潛力較小。景觀生態方面，耕地生態安全指數整體較高，平均生態安全指數達0.92。由于地處松花江流域，加強流域治理，提高水源涵養功能，對保障糧食安全具有重要意義。因此，該區域應重點加強耕地保護，注重水土流失預防與治理，防止黑土資源流失。同時，部分地區為長吉一體化的重點開發區域，要從確保糧食安全的角度出發，嚴格控制建設占用耕地。充分發揮區域比較優勢，著力打造連片糧田，積極發展現代農業，加強高標準農田建設，提升糧食綜合生產能力。

Ⅲ區：吉林省中東部農用地精細化整治與景觀修復區，該區域主要為低山與丘陵地帶，地形條件復雜，不利于開展大田整治和農業機械化。

該區域耕地面積為1.23×106hm2，以旱地為主，農用地整治的數量潛力和質量潛力相對較小，生態潛力相對較大，平均單位面積生態服務價值增量為4073.47元/hm2。從景觀生態指標來看，區域內斑塊和景觀格局復雜程度較高，反映耕地景觀受人為干擾程度較大，景觀脆弱度遠高于其他區域，耕地平均景觀生態安全指數為4個區域最低，僅為0.70。因此，在開展農用地整治時，應著力提升耕地集中連片程度和生產穩定性。結合土地利用現狀，因地制宜開展以小田塊為主的精細化整治，依據局部地形地貌進行調整與改造，提高整治效率，降低整治成本，積極打造半山區農業區。著力構建生態景觀良好的耕地生態斑塊，減少對生態環境的人為干擾和破壞，最大限度地提高耕地利用效率，加強土地整治生態設計，保障耕地景觀生態安全。

Ⅳ區：吉林省東部農用地質量整治與林地保育區，該區域生態環境優良，自然資源豐富，耕地主要分布在城鎮周邊地區且連片性較差，田間基礎設施相對薄弱。

該區域耕地面積為6.56×105hm2，各縣(市、區)林地面積較大，平均林地覆蓋率達82.08%。從土地整治數量潛力來看，新增耕地系數較大，但耕地比重較小，不利于開展集中連片的土地整治項目，地形條件致使潛力開發難度較大。農用地整治的質量潛力較大，在整治中可以從提高基礎設施配套程度等改善土地利用方式的角度開發質量潛力。由于區域大部分被林地覆蓋，平均單位面積生態服務價值達12134.88元/hm2，為4個區域中最高。耕地生態安全程度整體良好，但耕地破碎程度較大，應重點加強耕地的連通性，降低景觀脆弱度。由于地處東部長白山森林帶，且為吉林省重點生態功能區。因此，在土地整治中應注重森林資源的保護與培育，加強小流域治理，發展特色農林產品產業，拓寬農民增收渠道，以提供生態產品為首要任務。

4 結論

本文以省域為研究對象開展農用地整治分區研究，通過構建數量、質量、生態“三位一體”并兼顧社會經濟要素的分區指標體系，在GIS地理信息系統及SPSS數據分析等技術的支持下，使用Ward系統聚類法，將吉林省劃分為4個農用地整治區，即吉林省西部農用地綜合整治與生態保護區、吉林省中部農用地質量保護與高標準農田建設區、吉林省中東部農用地精細化整治與景觀修復區、吉林省東部農用地質量整治與林地保育區。從分區指標特征來看，吉林省農用地整治數量潛力整體較小，質量潛力在吉林省東部和西部相對較高，生態潛力在吉林省西北部及松花江流域較為集中。針對各區域農用地整治的主要問題，本文結合各農用地整治區實際情況，因地制宜地提出整治方向及重點，為吉林省農用地整治工作的開展提供借鑒和參考。