基于田塊空間和權屬信息的耕地細碎化MAVF評價研究

彭思卿 陳文波

（1.江西農業大學國土資源與環境學院，江西 南昌 330045；2.江西農業大學南昌市景觀與環境重點實驗室，江西 南昌 330045）

1 引言

耕地細碎化現象造成中國的耕地資源浪費，破壞田塊形狀規則度，極大降低農田設施和農機的生產效率[1]，嚴重阻礙農業適度規模經營，挫傷農民的糧食生產積極性[2]，威脅糧食安全。學界認為通過土地整治項目調整田塊權屬和規劃田間土地資源有助于改善耕地細碎格局[3]，消除耕地利用不合理對農業機械生產效率的負面影響，推動農業適度規模經營。但如何精準評估整治區域內耕地利用格局和產權分布，服務權屬調整和工程設計，以實現土地整治項目最大效益，依賴于耕地細碎化評價研究支撐。

耕地細碎化評價具有很強的尺度依賴性，目前對其研究主要涉及兩個尺度：圖斑尺度與田塊尺度。圖斑尺度的細碎化表現為耕地分散在較大的范圍內且圖斑互不相連[4]，形成插花、分散、無序的耕地空間格局[5-6]，主要借助景觀指數研究耕地景觀的時空變化來評價耕地細碎化程度[6-8]；田塊尺度的細碎化更注重考慮田塊的微觀異質性，表現為農戶經營數塊大小不一、距離家庭遠近不等的土地，且地塊間被不同產權人的土地混雜鑲嵌分布[9]。基于該內涵，KING和BURTON構建了S指數、I指數、J指數體現同一權屬下田塊規模、數量與生產距離等表征[10]；SIMMONS和JANUSZEWSKI構建了Simmons指數和K指數體現同一權屬下田塊數量及其相對規模對細碎化程度的影響[11-13]；趙凱以同一權屬下田塊規模、距離和質量指標構建了土地細碎化指數[14]，DEMETRIOU將田間道路、田塊形狀、空間分布等空間因素納入細碎化評價，豐富了田塊尺度耕地細碎化評價內容[15-17]，此外也有學者開展田塊尺度景觀指數空間破碎評價與評價指標選取探討研究[18-20]，但總體上未形成指標體系和量化方式較統一的田塊細碎化評價方法。

針對該問題，本文引入多屬性價值函數（Multi-Attribute Value Function, MAVF），對不同指標的屬性設置價值函數無量綱化算法，因其調整簡單，算法可以實現不同細碎化差異特征評價的普適性。以該方法為骨架，結合土地整治內容選取田塊尺度空間與權屬破碎特征作為指標，嘗試構建評價指標較全面和算法較統一的耕地細碎化評價體系，并選擇江西省樂平市高標準農田上河村片項目區開展實證研究，與傳統方法進行差異比照，以期全面分析研究區項目實施前耕地細碎化的特征，完善耕地細碎化評價理論、方法，為高標準農田建設等土地整治項目中工程選址、規劃設計、績效評估、成效監測等工作服務。

2 研究區概況

樂平市是江西省28個高標準農田建設示范縣之一，人均耕地規模為0.77畝，細碎化程度較為嚴重。雙田鎮位于樂平市北部，距樂平市18 km，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫18.3℃，年平均降水量為1 672.3 mm，多年平均無霜期為266天，是樂平市重要的商品糧基地。2017年雙田鎮高標準農田建設項目范圍449.53 hm2，扣除林地、水域及水利設施用地、村莊與農村道路、溝渠等線狀地物，參與整治和開發的耕地與草地面積共440.04 hm2，工程類型屬河網平原區[21]。

本文選擇項目中部區域的上河村片作為研究樣本區。根據設計資料，上河村片范圍內有上河村組一個自然村莊，農戶數約為251戶，經營模式為農戶個體經營，生產方式為小型農機和人畜力耕作，主要供水來源于大（二）型水庫共產主義水庫北干渠。經實地測繪，參與整治的上河村組規模為63.24 hm2，約占總建設規模的15%，高程為31～55.58 m，耕地坡度分布在0～15°。 地貌上形成了以村莊、道路網、溝渠水網、水圩坑塘、不規則田塊和低丘、山林等地形單元構成的綜合地貌。上河村片區域基本涵蓋了樂平市耕地所處的主要地形地貌特征，對河網平原區的土地整治項目具備典型性和代表性（圖1）。

圖1 研究區位置示意圖與土地利用現狀圖Fig.1 The position and land use of cases study area

3 數據來源與評價方法

3.1 數據來源

研究主要數據來源于樂平市農業局和高標準農田建設辦公室提供的樂平市2017年高標準農田建設項目測量圖（比例尺1 ： 2 000）、樂平市農經權數據庫，并于2017年9月、10月、12月先后調研采集15份田塊規模價值和指標權重判定問卷（采集對象來自土地整治、農業、農業水利工程等領域專家5人，當地農戶10人）。

3.2 研究技術路線

（1）利用ArcGIS 10.2提取測量圖內各類型矢量數據,并進行空間拓撲錯誤檢查和處理，形成研究區1 ：2 000魚鱗圖；（2）構建田塊尺度耕地細碎化評價指標體系，以層次分析法確立各指標權重，最后采用多屬性價值函數構建耕地細碎化綜合評價模型和制定耕地破碎分級標準；（3）與細碎化研究中已成熟且較廣泛采用的Simmons指數和K指數進行對比分析其科學性和優劣勢（圖2）。

圖2 技術路線圖Fig.2 Research flowchart

3.3 評價指標與算法

（1） 田塊規模指標。田塊規模體現田塊空間信息，影響農業機械化生產效率，本文選擇田塊規模指標，根據式（1）計算農戶的田塊規模指數。

式（1）中：Ai為第i個農戶的田塊規模指數，取值范圍為（0，1），Ai越大則說明田塊規模越適宜機械化生產；xij為第i個農戶的第j田塊的規模價值函數；i為第i個農戶；j為第j塊田；n為第i個農戶的田塊數。

其中，規模價值函數xij通過咨詢業內專家和查詢《高標準農田建設標準》[22]獲得。首先設立田塊的生產規模闕值，最差取0，最優取1，在適宜規模區間內結合專家意見設立多檔田塊規模分級并打分，根據打分結果構建線性回歸函數，通過檢驗后該線性函數即為田塊規模價值函數。

（2）田塊空間分布。田塊空間分布體現空間和權屬信息，同一承包人田塊在平面空間上分散分布會降低農戶的農業生產效率和規模化經營潛力，本文選擇田塊空間分布指標，依據式（2）—式（3）計算農戶的田塊空間分布指數。

式（2）—式（3）中：Bi為第i個農戶的空間分布指數，取值范圍（0,1），Bi越大則說明分布越集中；PDi第i個農戶的田塊分散度；xij，yij為第i個農戶的第j塊田的質心坐標；x，y為農戶家庭坐標。為PDi平均值。本文采用承包農戶居住的自然村莊圖斑質心替代宅基地坐標，達到簡化運算和減小誤差的目的。

（3）田塊形狀。田塊形狀體現田塊空間信息，影響農業機械化生產效率，項目區為河網平原工程模式，田塊修筑為矩形條田以便于機械化作業，本文選擇田塊形狀指標，根據式（4）計算農戶的田塊形狀指數。

式（4）中：Ci為第i個農戶的田塊形狀指數，取值范圍（0,1），Ci越大則說明田塊形狀趨于矩形條田；Srij為第i個農戶的第j田塊的最小外接矩形面積，利用幾何旋轉卡殼算法[23]生成。

（4）田塊高程落差。田塊高程落差體現空間和權屬信息，同一承包人田塊在縱向空間上高程落差分布影響農戶的農業生產效率和規模化經營潛力，本文選擇田塊高程落差指標補充權屬平面空間分布測算的不足，依據式（5）計算農戶的田塊高程落差指數。

式（5）中：Di為第i個農戶的田塊高程指數，取值范圍（0，1），Di越大則說明農戶承包田塊縱向分布越集中；hij為第i個農戶的第j個地塊的黃海海拔高程；himax，himin為農戶承包田塊的最大高程和最小高程。

（5）田塊可達性。田塊可達性表示田塊生產條件對農業機械化生產效率的影響。本文選擇田塊可達性指標，根據式（6）計算農戶的田塊可達性指數。

式（6）中：Ei為第i個農戶的田塊可達性指數，取值范圍（0，1），值越大則說明田塊生產條件越好；yij為第i個農戶的第j塊地的可達性的賦值，其中yij以定性評價方式確立，有道路到達的田塊記為1，有溝渠無道路到達的田塊記為0.5，無線狀地物覆蓋的田塊則記為0。

3.4 綜合評價方法

耕地細碎化綜合評價模型采用MAVF法，該方法適用于解決多個屬性對有限個方案的評價和擇優問題，在現代決策科學，評估評價，管理優化上廣泛應用[24-26]。基于MAVF，決策者可針對指標制定不同的屬性價值函數（標準化方程），再將各價值函數結果與相映射的權重疊加后得到每個方案的效用值。該方法主要過程是：（1）計算第i個農戶的第j個指標的指數值；（2）給第j個指標賦予權重；（3）計算第i個農戶的耕地細碎化綜合指數Fi（Fragmentation Index）；（4）將所有農戶Fi均質化求取研究區耕地細碎化綜合指數LFI（Land Fragmentation Index），上述計算過程見式（7）—式（8）。

（1）某一個農戶的耕地細碎化綜合指數：

（2）某一區域的耕地細碎化綜合指數：

式（7）—式（8）中：Fi為第i個農戶的耕地細碎化綜合指數；LFI為研究區耕地細碎化綜合指數；ωj為第j個指標的權重；n為農戶數量。

其中F和LFI介于0～1，分值越低表示細碎化程度越嚴重，結果分值以每0.2分進行分級，共分為5級：極差、差、中差、中度、良好。

4 結果分析

4.1 耕地細碎化單指標計算結果與分析

邀請專家依據《高標準農田建設標準》[22]與研究區耕地實際情況設立單塊田塊合理生產所需的適宜規模闕值。當田塊規模小于當地人均耕地面積0.05 hm2（約0.77畝）時，田塊規模價值函數值為0（最差闕值），當田塊規模大于0.4 hm2時（河網平原工程類型格田劃分最大適宜值），田塊規模價值函數為1（最優闕值），最差至最優闕值區間內以每隔0.05 hm2（約1畝）進行分檔評分，共計8檔，將收集到評分結果均值處理后建立田塊規模價值函數，結果如圖3和式（9）所示：

圖3 田塊規模價值函數Fig.3 The value function of cultivated land plot

f（x）的調整后R2為0.967，將專家打分和同檔位上的擬合方程結果進行配對性T檢驗，二者相關性高達0.986，顯著性概率Sig=0.000＜0.05，表明田塊規模價值函數方程與專家打分擬合準確，呈高度相關性。

利用ArcGIS 10.2提取研究區測量圖矢量數據（田埂線、其他地形地類界線和農田設施工程信息等）和相關拓撲檢查、修改、空間分析等處理，形成研究區魚鱗圖。顯示研究區存在村莊地類圖斑1塊，自然耕地2塊，共57.824 hm2，田塊712塊，其中最大地塊1.104 hm2，最小地塊0.003 hm2，地塊面積平均數0.083 hm2，地塊面積中位數0.060 hm2。將各地塊信息按3.3評價指標與算法公式計算得到表1。

各單項指標結果低于0.6（中差）的田塊數量和田塊面積占總規模結果：（1）田塊規模指數，677塊，80.58%；（2）田塊空間分布指數，254塊，38.27%；（3）田塊形狀指數，144塊，24.82%；（4）田塊高程落差指數，124塊，14.43%；（5）田塊可達性指數，597塊，76.22%。

表1 田塊單指標測算結果統計表Tab.1 Land fragmentation calculation results of the single index

農經權數據資料顯示項目區內農戶251戶，其中有39戶農戶承包了1塊田，54戶農戶承包2塊田，67戶農戶承包3塊田，91戶農戶承包4塊田。將權屬數據與空間數據疊加后得到包含農戶權屬的細碎化測算結果（圖4），結果顯示研究區213戶農戶的田塊規模指數，76戶農戶的空間分布指數，48戶農戶的高程落差指數都低于0.6，表明上河村農戶承包田塊分散雜亂，田塊權屬破碎嚴重。空間上看，田塊規模指數0.6以下的田塊集中耕地靠山林側，表明田塊規模不僅受權屬劃分影響，也受自然地勢影響。田塊形狀指數0.6以下的規則田塊集中在村莊周圍和靠山林側，表明農民建房和自然地勢是影響田塊形狀的主要因素。結果還表明，項目區田間可達性不滿足《高標準農田建設標準》要求的河網平原類型區道路通達度和溝渠覆蓋率要求。

4.2 基于MAFV法測算結果與分析

表2 耕地細碎化評價指標權重表Tab.2 The weight of land fragmentation indexes

圖4 上河村耕地細碎化單指標綜合評分結果圖Fig.4 Single index scoring results of land fragmentation in Shanghe Village

圖5 上河村細碎化綜合指數綜合評價結果圖Fig.5 The comprehensive evaluation on land fragmentation index of Shanghe Village

采用MAVF評價法，計算得到上河村251個農戶的F（圖5），其中最低0.170，最高0.870，中位數0.469，平均數LFI=0.493。經評分分級后判定上河村耕地綜合細碎化值處于0.4～0.6檔中差水平，細碎化程度較高，存在細碎化整治潛力。251戶農戶的F值中位數低于平均數，說明F值分布處于右偏態，即大多數農戶的F值集中分布在低值區域，大部分農戶的耕地細碎化情況嚴重。空間上看，F值中和良好的田塊形狀規則，分布在村莊和溝渠道路周圍；中差田塊形狀較規則，位于稍遠離村莊的耕地中部，有溝渠灌溉但無道路可達；差和極差的田塊遠離村莊，多位于山林側等地勢落差較大處且交通不便、生產條件差。本文同時測算Simmons指數和K指數，開展對比分析。將三項指數繪制成折線圖6（橫坐標表示農戶數，按承包田塊的數量升序排列；縱坐標表示Fi，承包田塊數量相同的農戶數區間內Fi降序排列）。結果顯示：細碎化程度與農戶承包田塊數量呈現出明顯負相關性，且三者在橫坐標39、93、160三處時縱坐標呈現較大變化，表明田塊數量仍然是細碎化最主要的表征；在1～39戶（該區間農戶承包田塊為1塊）時，農戶的Simmons指數和K指數反映出1的水平（不存在耕地細碎化），說明Simmons指數和K指數很大程度上只反映了權屬細碎化的影響，即農戶承包田塊數量和面積對于細碎化程度的影響，而對其他細碎化特征如田塊形狀、設施條件、田塊空間位置等反應不靈敏；在1～39戶、39～93戶、93～160戶、160～251戶的區間內，相對于Simmons指數和K指數的平穩走勢，LFI呈現的農戶間F的變化更劇烈，且4個區間內LFI起止點皆表現出遞減趨勢，表明LFI除反映了田塊面積和數量信息等權屬細碎化表征，還反映出田塊形狀與空間位置等其他信息對細碎化產生的影響。LFI在評價權屬細碎化的基礎上融合田塊尺度下空間細碎化評價內容，更具科學性。

5 結論與討論

本文在田塊尺度上選取相關指標并利用MAVF構建了細碎化綜合評價模型，進行了實證研究和與其他傳統評價方法進行了對比分析，得出的主要結論如下。

圖6 Simmons指數、K指數和LFI分布圖Fig.6 The distribution of Simmons index, K index and LFI

（1）本文選擇的5個耕地細碎化評價指標涵蓋了田塊的權屬分布、空間特征、幾何形態與生產條件等屬性，較為全面地反映耕地權屬與空間細碎化的綜合特征。選取指標與設計指標算法時充分考慮到數據的可獲得性和不同地質地貌特征和不同農業經營方式生產方式下的細碎化問題差異性，具有科學的可操作性、靈活性和普遍適用性。

（2）應用本研究方法對上河村高標準農田建設區進行實證研究，得出上河村耕地細碎化綜合指數處于中差，251戶農戶的細碎化綜合指數呈現右偏態，為土地整理工作的開展提供了數值層面的事實依據。經對比，LFI融合了權屬和空間細碎化特征，較Simmons指數和K指數更能夠綜合并合理地描述耕地細碎化程度。

（3）綜合評價結果的分析表明，上河村土地整治重點在田間生產條件改善和土地平整方面，基于現有土地資源和田間設施設計符合標準要求的灌溉與排水工程和田間道路工程方案，同時針對規模較小的田塊開展承包權屬調整、歸并和土地平整，達到釋放田坎，增加耕地，優化田塊空間分布和減輕耕地細碎化的治理目標。

本文在理論基礎上初步構建了一套較為科學且適用于小尺度綜合表述耕地空間和權屬信息的耕地細碎化評價模型，在土地整理實踐中有較強的實踐意義，研究成果可應用于土地整治工作多項領域。例如：基于本研究方法的時空動態評測可以為土地整治項目績效評估和細碎化動態監測提供理論方法和評價新模式；單指標測算結果有助于土地整治項目設計。當然，構建的評價指標體系及其評價標準是否能滿足不同地貌類型耕地細碎化評價的要求？評價對象的尺度是如何影響評價結果的？這些問題還需要進一步深入研究。另外，本方法適用的田塊尺度，需要綜合考慮空間與權屬信息，服務具體整治項目條件下的耕地細碎化評價。大尺度如圖斑尺度下的耕地細碎化評價，由于權屬信息不明確，耕地細碎化仍然主要表現在空間細碎化，基于景觀指數的評價方法依然是有效的評價方法。