基于耕地質量評價與空間集聚特征的基本農田劃定研究

董光龍 趙 軒 劉金花 鄭新奇

(1.山東建筑大學管理工程學院， 濟南 250101； 2.中國地質大學(北京)信息工程學院， 北京 100083)

0 引言

耕地保護對于國家糧食安全和社會穩定至關重要。中國作為一個人口大國，人均耕地遠低于世界人均標準。隨著社會經濟發展和人民生活水平的提高，人們對農產品的需求日益增加[1-2]。因此，耕地保護對我國具有極其重要的意義。基本農田的劃定對耕地保護和城鄉可持續發展均具有重要意義，并得到了我國相關部門的高度重視。

相關學者對基本農田的劃定進行了大量研究，從最初的單純依據耕地質量進行劃定，發展到耕地質量與立地條件、空間分布形態等多因素綜合評價來劃定基本農田，研究內容逐漸豐富，研究方法逐漸多元化[3-5]。耕地質量受自然條件、工程技術和社會經濟發展等多種因素的影響，并且隨著時間的推移其內涵逐漸發展演變，具有不同的質量觀[6]。針對不同的研究目的，如農業生產能力、耕地潛力、土地適宜性、土壤及環境質量、可持續利用、分等定級等，耕地質量評價的側重點和方法也有所不同[7]。在基本農田劃定中，耕地質量評價大多針對耕地的自然質量屬性，一般參考農用地分等定級的評價體系[8-11]。除了耕地的自然質量之外，耕地生態質量和生態安全格局也是基本農田劃定的重要標準[12-13]。近年來，隨著高標準基本農田和永久基本農田等概念、目標和要求的提出，基本農田劃定時所考慮的因素也與時俱進。錢鳳魁等[14]從耕地立地條件的角度探討了基本農田的劃定，楊建宇等[15]則重點考察了耕地的集中連片度，趙素霞等[4]則對高標準基本農田劃定中耕地穩定性進行了綜合評價。此外，耕地的空間分布格局在基本農田劃定中也越來越受到重視[16-18]。

從基本農田劃定方法來看，多因素綜合評價、多因素綜合評價和逐級修正相結合[19-20]、最小費用距離模型[21]、LESA體系[8]、TOPSIS算法[17]、K均值空間聚類法[18,22]、四象限法[23]、局部空間自相關[16-17,24]等方法逐步應用到基本農田劃定中，基本農田劃定方法日益豐富，趨向于多元化，為基本農田的科學合理劃定提供了重要保障。

以上研究為本文提供了重要參考和借鑒。然而，在綜合考慮耕地自然稟賦、區位條件和穩定性等因素進行耕地質量評價的基礎上，如何有機結合耕地質量和空間集聚格局劃定基本農田尚需進一步探討。鑒于此，本文以濟南市為例，綜合考慮耕地的自然質量、耕作條件、形態、空間分布、地質災害發生率等因素，從自然稟賦、區位條件和穩定性等方面構建耕地質量綜合評價指標體系，在耕地質量綜合評價的基礎上，采用局部自相關方法定量刻畫耕地質量空間集聚格局特征，采用矩陣組合法進一步將耕地質量等級和空間集聚格局類型兩兩組合，綜合確定基本農田劃定類型，以期為相關研究和實踐提供參考。

1 研究區概況和數據來源

1.1 研究區概況

濟南市位于北緯36°40′，東經117°00′，南依泰山，北跨黃河，地處魯中南低山丘陵與魯西北沖積平原的交接帶上，地勢南高北低(圖1)。屬于暖溫帶半濕潤季風型氣候。泉城濟南，泉群眾多、水量豐沛，被稱為天然巖溶泉水博物館。2017年濟南市轄8個市轄區、2個縣，全市總人口643.62萬人，常住人口城鎮化率達70.53%，地區生產總值7 201.96億元，人均地區生產總值98 967元。

圖1 研究區位置和范圍

全市土地總面積7 998.41 km2，土地利用率為88.36%。 在已利用土地中，農業用地5 386.72 km2，占土地總面積67.35%；建設用地1 681.03 km2，占土地總面積的21.02%；其他未利用土地930.66 km2，占土地總面積的11.63%。受地形、經濟發展水平等因素的影響，濟南市耕地資源空間分布不均(圖2)。濟南市耕地總面積為3 973.91 km2，濟南市北部平原地區的章丘、商河和濟陽耕地數量最多，面積分別為877.16、799.65、747.45 km2，三者共占濟南市耕地總面積的61%，由于地處平原，這些縣域內不僅耕地數量多而且占縣域總面積的比例高，均在50%以上；南部的長清、歷城和平陰縣域內山地丘陵較多，受地形因素的影響，耕地數量也相對較少，面積介于391.76～553.44 km2，三者共占濟南市耕地總面積的33.65%；中部天橋、市中、槐蔭和歷下為濟南市中心城區，城鎮化水平較高，耕地面積最少，除天橋區外，其他區縣耕地面積均小于100 km2，占濟南市耕地總面積的比例均在2%以下。

圖2 濟南市各區縣耕地面積

1.2 數據來源與預處理

本文用到的數據主要包括農用地分等定級數據庫、土地利用現狀數據和DEM。其中，農用地分等定級數據庫用于提取各評價指標數據，土地利用現狀數據用于提取耕地、農村居民點、農村道路、耕地利用類型等用地類型數據。以上數據均由濟南市國土資源局提供。DEM數據下載自地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn)，主要用于提取耕地坡度。

數據預處理主要是指統一數據格式和坐標，數據格式統一使用ArcGIS格式數據，坐標系統一采用1980 西安平面坐標系。

2 研究方法

濟南作為國家歷史文化名城，土地利用率高，人均耕地少，耕地后備資源不足，人地矛盾日益突出，新時期還肩負著國家新型城鎮化綜合試點地區、國家新舊動能轉換先行區建設等責任。保護耕地，尤其是高標準基本農田的保護和建設，面臨著更加復雜的形式和嚴峻的挑戰。因此，本研究嘗試探索濟南市基本農田劃定，主要實施過程如下：①從土地利用現狀數據庫中提取耕地圖層。②采用多因素綜合評價法，通過耕地質量綜合評價劃分濟南市耕地質量等級。③采用空間局部自相關模型，定量刻畫濟南市耕地質量的空間集聚特征。④基于上述分析，綜合考慮耕地質量和空間集聚特征，結合濟南市實際，采用矩陣組合法劃定基本農田類型。

2.1 耕地質量評價方法

2.1.1評價單元

評價單元是耕地質量評價中的基本單元，劃分評價單元的目的是反映耕地質量的空間差異。同一評價單元內耕地質量應相對均一，即具有相似的土壤條件、理化性質、立地條件等；不同單元之間應反映耕地質量的空間異質性。耕地質量評價單元劃分常用的方法包括柵格法、圖斑法、疊置法、地塊法與動態網格法等[13]。考慮到數據資料的完整性以及技術處理難度，本研究采用濟南市農用地分等定級中的耕地圖斑作為評價單元。

2.1.2評價指標體系構建

以往相關研究多從耕地質量和立地條件等方面評判耕地質量和基本農田劃定適宜性，鮮有考慮耕地的穩定性，而耕地的穩定性將影響基本農田的權威性和城鄉建設用地發展空間。因此，本研究分別從自然稟賦、區位條件及耕地穩定性3個方面選取11個指標，建立耕地綜合質量評價指標體系(表1)。

耕地自然稟賦包括有機質含量、灌溉保證率、排水條件、坡度等。有機質含量越大土壤肥力越高；較好的灌溉保證率和排水條件是農作物高產的重要保障；用坡度表征耕地的緩陡程度，坡度過大會給耕作帶來不利，同時加大了水土流失的風險。

耕地區位條件主要包括耕地到農村居民點、農村道路和主干道的距離。耕地到農村居民點的距離反映了農戶耕作的距離，距離越大，成本越高；耕地到農村道路的距離反映了耕作的便利程度，距離越小越便利；耕地到主干道的距離反映了村莊整體的區位條件，距離越近，區位條件越好。

耕地穩定性主要用田塊規整度、連片度、與相鄰地塊適宜性、地質災害發生率等來表征。田塊越規整，連片性越大，越利于使用大型機械進行機械化生產，不僅減輕了農民負擔，而且提高了生產效率；根據地理學第一定律，當某一地塊周邊均為高質量耕地時，該地塊耕地質量可能也較高，而且當耕地周邊也為耕地時，一般而言其穩定性較高，而當耕地周邊為非耕地時，其穩定性相對較差，存在用途轉換的可能性，尤其是與建設用地相鄰時，耕地被建設用地占用的風險較高；地質災害的發生會顯著破壞地表耕作層，不僅會對農業生產造成很大影響，而且會威脅人的生命財產安全。

表1 耕地質量綜合評價指標體系

2.1.3評價指標權重確定

自然稟賦指標權重主要參考農用地分等定級成果，其余指標則在參考相關研究的基礎上，采用專家打分法確定權重。

2.1.4評價指標量化與賦值

(1)自然稟賦

有機質含量、灌溉保證率、排水條件、坡度等指標均以農用地質量分等數據庫標準為依據，結合農用地分等定級規程進行分等賦分。

(2)區位條件

基于從濟南市土地利用現狀圖中提取的農村居民點、主干道、農村道路等圖層，采用ArcGIS中的Near功能測算耕地農村居民點、主干道和農村道路的距離。參照《農用地定級規程》賦值方法，對于耕地與農村居民點距離等點狀指標，采用指數衰減法賦值，即

Fi=M1-r

(1)

其中

r=di/d

(2)

(3)

式中Fi——第i個耕地地塊(評價單元)作用分值

M——規模指數，取100

r——相對距離

di——第i個耕地地塊到目標地物(如本研究中農村居民點、主干道、農村道路等)的實際距離

d——目標地物影響半徑

s——濟南市面積n——目標地物數量

耕地距主干道距離、距農村道路距離等線狀指標，通過直線衰減法賦值，即

Fi=M(1-r)

(4)

其中

d=s/(2L)

(5)

式中L——道路長度

(3)耕地穩定性

耕地連片性：耕地連片性是指一定質量或等級范圍內地塊的相連程度，兩地塊空間距離越小，其連片性越高，當兩地塊的距離小于一定的閾值時即可認為是連片的。采用ArcGIS中的緩沖區分析功能，設置緩沖區半徑為10 m，將緩沖區相接或相疊的地塊視為一個整體。然后，采用極差法測算每個地塊的連片性指數

Fi=100(Ai-Amin)/(Amax-Amin)

(6)

式中Ai——第i個地塊的面積

Amin——該區域連片耕地面積最小值

Amax——該區域連片耕地面積最大值

田塊規整度可用景觀生態學中的分維數來表征，其取值范圍為1.0～2.0, 1.0表示最簡單的正方形，2.0則表示該地塊形狀最為復雜，計算式為

(7)

式中Ei——第i個耕地地塊的田塊規整度

P——地塊周長

A——地塊面積

與相鄰土地適宜性：采用相鄰耕地的公共邊長Y與地塊周長P的比值作為量化的標準，公共邊長越大，適宜性分值越高，計算式為

T=Y/P

(8)

式中T——地塊適宜性指數

Y——與相鄰耕地的公共邊長

最后，對上述指標計算量化后，采用自然斷點法將指標值劃分為5級，以[0,100]為值域進行標準化賦值，具體賦值標準如表1所示。

2.1.5綜合評價模型

采用多因素綜合評價法對耕地質量進行綜合評價，綜合得分越高，耕地質量越好。評價模型為

(9)

式中Vi——第i個評價單元耕地質量綜合得分

Wj——第j個評價指標權重

vij——第i個評價單元第j個指標得分

k——評價指標數量

2.2 耕地質量空間集聚格局分析方法

在耕地質量評價的基礎上，采用空間自相關分析的方法劃定基本農田。空間自相關分析是一種空間統計方法，主要包括全局空間自相關和局部空間自相關。采用局部空間自相關方法，探討耕地質量在空間上的局部集聚程度，其計算公式為

(10)

式中Ii——局部Moran’sI指數

m——研究對象數量

wij——空間權重

采用Geoda軟件進行局部空間自相關分析，根據空間自相關程度和顯著性將數據結果劃分為高高、高低、低高、低低以及非顯著型5種類型。其中，高高表示高值與高值集聚， 高低表示高值周邊為低值集聚，低高表示低值周邊為高值集聚，低低表示低值與低值集聚；非顯著型是指數據的空間集聚性不明顯。

2.3 基本農田劃定方法

在耕地質量綜合評價和耕地質量空間集聚特征分析的基礎上，采用矩陣組合法將耕地質量等級和空間集聚類型進行兩兩組合，依據組合類型確定濟南市耕地入選基本農田的類型(表2)。參考相關研究，結合濟南市實際情況，將質量較高等級以上且空間集聚類型為高高和高低的耕地以及質量高等級但不具有顯著集聚特征的耕地作為優先劃入型；將耕地質量一般和較低等級且空間集聚顯著的耕地以及空間質量較高和一般但空間不顯著的耕地作為適宜劃入型；整治調控型包括質量較低等級但不具有空間集聚特征的耕地以及質量低等級的耕地。

表2 基本農田劃定組合矩陣

3 耕地質量綜合評價結果

3.1 單因子評價結果

圖3 單因子得分比較

相對而言，濟南市耕地區位條件較好，并且區域差異最小，但有個別耕地的區位條件得分為異常值且小于最小值，表明這小部分耕地區位條件較差，距農村居民點、農村道路和主要道路的距離顯著大于其他耕地；耕地穩定性和自然稟賦相對較差，并且區域差異相對較大，耕地穩定性得分略高于自然稟賦且區域差異略小(圖3)。濟南市北部屬于黃淮海平原的一部分，而南部則屬于泰山山脈，受地形因素的影響，耕地自然稟賦由北向南逐漸變差，差異較大。耕地穩定性受地形的影響也較大，南部山區地形復雜，耕地穩定性相對較差，中部為中心城區，耕地穩定性受建設用地擴張的影響，北部多為平原，耕地穩定性相對較好。

3.1.1自然稟賦

濟南市耕地自然稟賦一般，空間分布差異明顯，北部優于南部，這主要是受地形等因素的影響(圖4)。自然稟賦得分在76.41以上的耕地最多，面積為1 269.37 km2，占全市耕地總面積的比例為31.94%，主要集中分布在北部的商河和濟陽以及東部的章丘北部平原地區，在平陰的東南部也有一定量集中分布，這些區域地勢平坦，土壤有機質含量高、排水設施健全，灌溉滿足率高；得分在66.41～76.40之間的耕地所占比例為22.96%，主要分布在商河、濟陽、章丘、長清和平陰等地區；得分在56.21～66.40之間的耕地在章丘、長清和歷城分布較為集中；得分在56.21以下的耕地主要分布在歷城、平陰、長清等南部山區和槐蔭、市中等中心城區，這些地區的耕地多分布在山地丘陵之間，尤其是南部山區地形起伏較大，土壤貧瘠，排水設施一般或沒有，灌溉難以保證，導致耕地自然稟賦較差。

圖4 自然稟賦得分空間分布

從各區縣差異來看，北部的濟陽和商河耕地自然稟賦最好，自然稟賦得分大于66.41的耕地面積占縣域耕地總面積的比例分別為97.03%和91.29%；章丘耕地資源稟賦也相對較好，自然稟賦得分大于66.41的耕地所占比例為55.76%；歷下、槐蔭、市中等中心城區以及歷城、平陰、長清等南部山區耕地自然稟賦相對較差，自然稟賦得分小于56.21的耕地面積占縣域耕地總面積的比例分別為99.60%、97.88%、95.64%、57.60%%、44.48%、35.76%。

3.1.2區位條件

濟南市耕地區位條件整體較好，區位條件得分在69～100之間，區域差異不大(圖5)。這主要得益于濟南市交通較為發達，并且新農村建設、美麗鄉村建設等政策以及村村通等工程的實施，進一步提高了農村地區的交通便利程度。此外，村內鄉村道路、田間小路等基礎設施的修建和維護效果也較好，保障了耕作的便利程度。區位條件得分大于96的耕地最多，面積達2 901.82 km2，占濟南市耕地總面積的比例達73.02%，顯著大于其他等級耕地，在各區縣均有分布，盡管由于行政區劃面積和耕地總量的不同使得各區縣區位條件得分大于96的耕地在數量上存在較大差異，但各區縣區位條件得分大于96的耕地占縣域耕地面積的比例均較高，介于55%～89.75%。區位條件得分在84.01～93.00之間的耕地面積次之，為941.14 km2，所占比例為23.68%，在商河、章丘、長清和濟陽數量較多且比例較高，面積分別為256.63、247.21、158.64、143.08 km2，比例分別為32.09%、28.18%、28.66%、19.14%。區位條件得分在93.01～96.00以及84以下的耕地數量很少，占濟南市耕地總面積的比例分別為0.05%、3.25%。

圖5 區位條件得分空間分布

3.1.3穩定性

濟南市耕地穩定性相對較好，耕地穩定性以高(82.01～96.00)和較高(72.01～82.00)為主，二者共占耕地總面積的65%，主要分布在濟陽、商河、章丘、長清、平陰；耕地穩定性一般(64.01～72.00)的耕地面積為557.92 km2，所占比例為14.04%，除歷下區耕地穩定性一般耕地面積占縣域耕地總面積的比例較低(4.39%)之外，其他區縣差別不大，介于9.44%～20.98%；耕地穩定性較低(52.01～64.00)和低(34.00～52.00)的耕地面積分別為660.43、172.61 km2，所占比例分別為16.62%和4.34%，長清、歷城和章丘南部地區耕地穩定性較低及以下耕地面積相對較多(圖6)，這些區域一方面由于近年來城鎮化的快速發展，導致城鎮建設用地擴張占用部分耕地，另一方面這些地區屬于南部山區，地形較為復雜，在以上兩方面的綜合影響下耕地穩定性相對較差。

圖6 穩定性得分空間分布

3.2 綜合評價結果

圖7 濟南市耕地綜合得分空間分布

濟南市耕地質量綜合評價得分介于52.79～93.68，根據自然斷點法將其劃分為高、較高、一般、較低、低5個等級(圖7)。濟南市耕地質量以高和較高為主，二者占濟南市耕地總面積的比例分別為35.12%和22.67%，主要分布在濟南市北部商河、濟陽和章丘北部，這3個地區高等級和較高等級耕地面積占全市高等級和較高等級耕地總面積的84.66%，這些地區的耕地數量多、質量高，而且集中連片，應優先劃入永久基本農田。

耕地質量一般等級的耕地面積為673.79 km2，所占比例為16.96%，在長清、章丘分布較多，面積分別為181.07、186.62 km2，這些地區多為平原與山地丘陵的過渡地帶，如沿黃河沖積平原、山前平原或山間谷地等，雖然自然稟賦、區位條件和穩定性等方面或某一方面存在一定的不足，但仍適宜作為基本農田。

耕地質量較低等級的面積為527.50 km2，所占比例為13.27%，主要分布在濟南市西部和南部地區，長清數量最多，為183.65 km2，章丘、平陰次之，歷城也相對較多，這些耕地多位于南部山區中的丘陵地區，自然稟賦、區位條件和穩定性較差。

耕地質量低等級耕地面積最少，為475.98 km2，所占比例為11.98%，主要分布在歷城和長清，章丘和平陰次之，這些耕地質量差。

4 基本農田劃定

4.1 耕地質量空間集聚格局特征分析

濟南市耕地質量呈明顯的空間集聚特征，局部空間自相關分析結果表明，3 432.00 km2的耕地質量存在顯著的空間自相關性，占耕地總面積86.36%。根據聚類特征劃分為高高、高低、低高和低低4種類型，并以高高和低低2種類型為主(圖8，表3)。

圖8 耕地質量空間集聚類型

表3 耕地質量空間集聚類型及面積

高高聚類類型耕地總面積為2 139.50 km2，占顯著性耕地總面積的62.34%，以質量高和較高的耕地為主，還有零星質量一般的耕地，主要分布在濟陽、商河、章丘中北部和長清東南部。低低聚類類型耕地總面積為1 106.04 km2，占顯著性耕地總面積的32.23%，以質量低和較低的耕地為主，還有部分質量一般的耕地，主要集中分布在南部山區和中心城區。低高聚類類型的耕地數量較少，面積為113.78 km2，在商河和章丘分布相對較多；高低聚類類型的耕地數量較少，面積僅為72.69 km2，分布較為零散。

4.2 基于矩陣組合法的基本農田劃定

綜合考慮耕地質量等級及耕地質量空間集聚類型，采用矩陣組合法劃定濟南市基本農田，最終將濟南市耕地劃分為優先劃入型、適宜劃入型和整治調控型3種類型(表2，圖9)。

圖9 不同類型基本農田劃定類型分布

將質量較高等級以上且空間集聚類型為高高和高低的耕地以及質量高等級但不具有顯著集聚特征的耕地作為優先劃入型，該類型耕地最多，總面積為2 121.23 km2，占耕地總面積53.38%，主要分布在濟陽、商河、章丘北部和平陰東南部，該類型的耕地多位于平原地區，地勢平坦，土壤肥沃，理化性質好，且集中連片程度高，農業基礎設施完善，耕作便利，是基本農田建設的理想區域。

將耕地質量一般的耕地、耕地質量較高但空間集聚特征不顯著以及耕地質量較低但空間集聚類型為低高的耕地作為適宜劃入型，總面積為863.69 km2，占耕地總面積21.73%，在章丘北部、歷城北部、長清、平陰相對較多，空間分布上與優先劃入型耕地相鄰，該類型的耕地質量也較高，但低于優先劃入型，考慮到該類型耕地質量較高且多分布在優先劃入型耕地周圍的特性，應將其與周邊優先劃入型耕地一起劃入基本農田，進一步提高優質基本農田的集中連片程度和空間集聚規模。

整治調控型包括質量較低等級且空間集聚類型為低低或不具有空間集聚特征的耕地以及質量低等級的耕地，總面積為988.98 km2，占耕地總面積的24.89%，主要分布在中心城區和南部山區，尤其是歷城區、市中區、章丘市南部等地區分布較多，該類型耕地較為破碎、集聚程度不高，立地條件和穩定性差，自然質量低，一般情況下不適宜作為基本農田，尤其是山區的這部分耕地開發利用時需特別注意生態環境的保護，但在需要時，可通過土地整治，提高集中連片度、加強基礎設施建設、改善土壤理化性質等途徑，提高耕地質量和空間集聚程度以作為基本農田。

5 結論

(1)從自然稟賦、區位條件、穩定性3個方面選取11個指標對濟南市耕地質量進行了綜合評價，在此基礎上，采用局部空間自相關法定量刻畫了濟南市耕地質量的空間集聚格局特征，并進一步綜合考慮耕地質量和空間集聚格局特征，采用矩陣組合法將濟南市耕地劃分為優先劃入型、適宜劃入型和整治調控型3種類型。

(2)相對而言，濟南市耕地區位條件較好，且區域差異最小，耕地穩定性和自然稟賦相對較差。濟南市耕地質量以高和較高為主，二者分別占濟南市耕地總面積的35.12%和22.67%，主要分布在濟南市北部商河、濟陽和章丘北部；耕地質量一般等級的耕地面積為673.79 km2，所占比例為16.96%，在長清、章丘分布較多；耕地質量較低等級的面積為527.50 km2，所占比例為13.27%，主要分布在濟南市西部和南部地區；耕地質量低等級的耕地面積最少，為475.98 km2，所占比例為11.98%，主要分布在歷城和長清。

(3)優先劃入型是濟南市耕地的主要類型，總面積為2 121.23 km2，占濟南市耕地總面積的53.38%，主要分布在濟陽、商河、章丘北部和平陰東南部，該類型耕地質量高、空間集聚特征顯著；適宜劃入型耕地質量也較高，并且多分布在優先劃入型周邊，對優先劃入型耕地具有保護和緩沖作用，應與優先劃入型耕地一起作為基本農田，以提高優質基本農田的集聚程度；整治調控型耕地面積為988.98 km2，占濟南市耕地總面積24.89%，主要分布在中心城區和南部山區，該類型耕地質量低、集聚程度不高，開發利用時應注意生態環境保護，必要時可通過土地整治提高質量和集聚程度。