基于物-场模型的基本农田划定合理性评价*

刘慧芳，毕如田

(1.山西农业大学资源环境学院，晋中 030801； 2.南京农业大学公共管理学院，江苏南京 210095)

·农业区划·

基于物-场模型的基本农田划定合理性评价*

刘慧芳1， 2，毕如田1※

(1.山西农业大学资源环境学院，晋中 030801； 2.南京农业大学公共管理学院，江苏南京 210095)

[目的]永久性基本农田划定是稳定耕地面积，控制建设用地无限制扩张的重要手段。[方法]文章以物-场模型为基础，将基本农田划定产生的影响理解为基本农田保护区划定、基本农田功能要素以及基本农田保护区影响场三要素有机组合所形成的系统效应或功能。并借鉴空间相互作用的引力模型，构建了包含基本农田划定适宜性、基本农田功能要素协调性以及距离系数的基本农田划定合理性评价模型。[结果]选取泽州县新一轮基本农田保护区为研究区域，对其保护区划定合理性进行评价，并依据评价结果划分为高度合理区、中度合理区、一般合理区、较不合理区和不合理区，并提出相应管理措施。通过定量化分析，泽州县基本农田划定合理区域占总面积的82%，保护区划定较为合理。[结论]该研究结果可为管理决策部门进行基本农田保护区空间布局合理性评价、为合理安排基本农田生产、生态等功能、基本农田布局调整提供依据。

物-场模型 基本农田 划定 合理性 泽州县

0 引言

永久基本农田划定是我国实施粮食安全战略、推进农业结构调整、保障农民利益的重要手段。从理论层面要求永久性基本农田划定按照划足、划优和划实的原则，根据人口和社会经济发展对农产品的需求确定基本农田的数量指标，依据区域农用地分等定级评价结果确定基本农田质量标准。划定对象主要选择地块集中连片、设施配套、高产稳产，生态良好，且具有整治潜力。但在实际基本农田划定工作中，以次充好，以劣补优、以远代近等问题在多地频频出现，因此，如何科学地评估基本农田划定的合理性，为基本农田建设提供科学依据，是一个值得深入研究的问题。国内学者对基本农田划定进行了大量研究，如汪晓燕[1]等从耕地自然质量、利用条件、空间形态、生态安全4个方面构建耕地质量综合评价体系，借助GIS手段，基于耕地综合质量划定贵溪市基本农田； 郭贝贝[2]等基于农业自然风险综合评价完成高标准基本农田建设区划定工作； 任艳敏[3]等重点强调耕地生态质量，构建耕地划入基本农田的指标体系，提出基本农田划定方法。另外，杨绪红等[4]构建兼顾耕地数量与质量的评价指标体系，对广东省龙门县基本农田调整划定方案的合理性进行评价研究； 聂艳[5]、王新盼[6]等也分别从综合评价和空间聚类以及多因素综合评价和逐级修正相结合等方面讨论了基本农田划定方法。但现有的研究只限于基本农田自然条件选择，没有深入分析基本农田保护与耕地功能的相互作用关系。鉴于此，文章认为基本农田划定不仅取决于耕地自然条件，还取决于耕地功能的协调发展，并借助物-场模型理论与方法分析基本农田的自然适宜性与功能协调性，进而对调整划后的方案进行评价，以期为科学评判基本农田保护方案提供理论依据和方法支撑。

1 研究方法

1.1 物-场模型构建与分析

物-场模型可视为一个基本系统功能，分解为物质1、物质2、场3个基本元素，物质所指范围较广，可表示社会组织、社会环境、技术系统等； 场表示物质之间的相互作用，用于连接物质[7]； 功能是指系统通过三要素协作所产生的效应。基本农田划定的影响主要是指反映基本农田保护对耕地的自然条件和功能协调发展所产生的积极影响，因此该文借鉴物-场模型评估基本农田划定合理性，阐释基本农田保护与耕地自然条件及耕地功能之间的相互作用关系。

1.1.1 物-场模型的构建

将基本农田保护区与其周围经济社会生态环境看作一个系统，基本农田划定后产生的系统效应，不仅取决基本农田划定对耕地自然条件的要求，也取决于周围社会发展要求基本农田应具备的多功能，及它们之间的相互作用关系。结合物-场模型，可以将基本农田划定物-场模型理解为基本农田划定(执行物)、基本农田功能要素影响(接受物)以及它们之间所形成的影响场(两者之间的相互作用关系)三要素有机组合形成的系统效应或功能，如图1所示。

图1 基本农田划定影响物-场模型

1.1.2 物-场模型分析

永久基本农田划定工作重点是将城镇周边、交通沿线现有易被占用的优质耕地及高标准基本农田优先划为永久基本农田，确保耕地实际面积的稳定和国家粮食生产安全。永久基本农田划定影响的对象是指永久基本农田保护会对耕地自然条件和耕地功能产生影响。耕地自然条件是确定基本农田布局的基础条件，因此，选取地形坡度、土壤有机质、土壤有效土层、耕地灌溉保证和耕地连片度等5个评价因子作为评价指标。地形坡度又可称耕地坡度，耕地坡度的大小影响着土壤水土流失的多少，可间接影响基本农田的生产、生态等功能； 土壤有机质是指存在于土壤中的所含碳的有机物质，对土壤肥力、环境保护和可持续发展有着重要的意义[8]； 土壤有效土层是指能生长植物的实际土层厚度，土层越厚，土壤肥力越肥沃，生产功能越强； 耕地灌溉率是指农田在用水量方面的保证率，耕地在灌溉保证情况下，生产潜力得到提高； 耕地连片度是指基本农田大面积的集中，土地规模集中便于生产者高效耕作。

耕地功能要素协调性是指基本农田保护促进耕地功能系统整体和谐有序发展[9]。通过文献查询和实地调研，选取基本农田的生产功能、生态功能、景观功能和社会服务功能4个评价因子作为评价指标[10-11]。其中生产功能体现在基本农田是人类赖以生存的基础，为人类提供农产品，对国家粮食安全和农民生活有很大的重要性； 生态功能体现在基本农田通过自然代谢，对人类活动产生的废弃物和污染物予以净化，降解，吸收，并以新的形式返回自然环境中； 景观功能体现在基本农田是一种景观文化载体，是农业文明史的见证，往往与周围景观相结合形成流畅的景观序列，营造出独特的视觉美感，展现其独有的景观文化； 社会服务功能体现在基本农田是人类未来可持续发展的必要，具有很巨大的存在价值[12]。基本农田划定影响场是基本农田划定与基本农田敏感要素之间相互作用的形式，是由基本农田空间布局所产生的一种影响辐射场，具有距离衰减作用的特征[7]。

1.2 模型构建

基本农田划定合理性是对基本农田保护区划的一种定量评价。依据物-场模型，将基本农田划定合理性看作是基本农田划定适宜性及基本农田功能要素协调性之间的相互作用程度。采用空间相互作用的引力模型，基本农田划定与耕地功能要素影响之间的相互作用程度，即基本农田划定合理性程度，定义为基本农田划定适宜性、基本农田功能协调性、距离系数三者的积。因此，考虑单一功能要素的基本农田划定合理性影响程度可以定义为：

Iij=αi·βij·γij

(1)

式中Iij为只考虑j功能要素的第i区域基本农田划定合理性程度；αi为第i基本农田划定适宜性；βij为第i区域基本农田保护区周围j功能要素协调性；γij为第i区域基本农田区对j功能要素的作用距离系数。由于基本农田保护区功能要素比较多，所以基本农田划定合理性程度是基本农田划定对多个基本农田功能要素的影响相互叠加的结果。因而，考虑多种功能要素的基本农田划定合理性程度可以定义为：

(2)

式中，Iij为考虑多种功能要素的第i区域基本农田划定合理性程度；n为功能要素数量。考虑多功能要素的基本农田划定合理性程度。Iij值越大，基本农田划定合理性越高。

1.2.1 基本农田划定适宜性

根据基本农田布局特征，遵循代表性、可获取性等原则选取指标，选取地形坡度、土壤有机质、土壤有效土层、耕地灌溉保证和耕地连片度等5个评价指标，建立基本农田划定适宜性评价指标体系。首先利用层次分析法[13]来确定指标权重，具体步骤如下所述。

表1 评价指标权重判断矩阵

地形坡度土壤有机质土壤有效土层耕地灌溉保证耕地连片度地形坡度10000333200003334000土壤有机质30001000400010006000土壤有效土层05000250100002503000土壤灌溉保证30001000400010006000耕地连片度02500167033301671000

表2 评价指标权重系数

表3 基本农田划定适宜性评价指标体系

(1)构造判断矩阵，如表1。

(2)计算权重，将判断矩阵各行向量进行几何平均，均一化，得到的行向量即权重向量。计算结果如表2。

(3)一致性检验

①计算判断矩阵的最大特征根。

②求取一致性指标

CI=(λmax-N)/N-1=0.019

查看平均随机一致指标RI值表得到RI=1.12

③求取随机一致性比率

CR=CI/RI=0.017<0.1

一致性检验表明判断矩阵表1有令人满意的一致性，各评价指标权重合理。

然后借鉴以往研究成果和咨询专家意见给各指标赋值，如表3所示，利用综合评价模型，基本农田划定适宜性计算公式为：

(3)

式中 αi为第i基本农田划定适宜程度； αik为第i基本农田保护区第k个因子适宜程度评价指标值； ωk为k个因子适宜程度评价指标权重。

表4 功能要素的权重系数和类型

功能要素类别权重系数功能类型类型赋值生产功能0564农产品供给3轻工业原料2出口贸易1生态功能0263保持土壤肥力3涵养水源2调节气候1景观功能0118教育功能2休闲观光1社会服务功能0055用地储备2绿色隔离带1

图2 空间相互作用关系的无差异带模型

1.2.2 基本农田功能要素协调性

基本农田功能协调性是基本农田划定对基本农田功能要素影响的定量评价。根据上述理论分析，选取生产功能、生态功能、景观功能、社会服务功能为基本农田功能要素类型，通过距离人口集中的乡镇中心远近划分不同功能要素类型等级，最后利用层次分析法和赋值法来确定各功能的功能权重系数和功能等级，具体如表4所示。

因此，某一基本农田功能影响程度定义为功能权重系数与功能等级的乘积，即：

βij=βj·gjk

(4)

式中βij为第i区域基本农田第j功能要素协调系数；βj为第j功能要素权重系数；gjk为第j功能要素第k功能等级值。基本农田功能要素数量为4个，即公式(2)中n取值为4。

1.2.3 距离系数

距离系数是对基本农田划定与基本农田影响要素空间相互作用关系的定量评价。根据空间相互作用的距离衰减法则，距离相近事物之间关联性高于距离较远的事物[14]。根据基本农田划定影响与基本农田功能要素相互作用关系特征，该文采用无差异带模型来模拟基本农田划定影响与基本农田功能要素之间的空间相互作用关系，即基本农田划定对作用半径内的基本农田功能要素具有相同的影响力，而对作用半径外的基本农田敏感要素的影响力随距离递减，超出最大作用半径范围无影响力，如图2所示。在基本农田划定产生的影响随距离递减而递减，采用引力模型，设距离系数和距离的平方成反比，假设基本农田保护区i对功能要素j的最近作用半径为dij，即基本农田保护区d1范围内的功能要素影响力相同，而对d2范围之外的功能要素无影响力，则距离系数γij的计算方法如公式(5)所示。

(5)

2 实证研究

2.1 研究区概况

泽州县位于山西省东南端，北纬35°12′～35°42′，东经112°31′～113°14′，国土面积2023km2，其中丘陵和山地占90%。全县辖17个乡镇， 635个行政村， 2013年总人口49.42万人，地区生产总值218.5亿元，耕地面积6.46万hm2，基本农田面积为5.58万hm2，独立工矿用地1750.14hm2，农村居民点8266.70hm2。泽州县是山西省重点商品粮食生产基地，也是著名的煤铁之乡，经济和社会发展均处于全省前列。近年来，由于泽州县工矿业发展，占用及破坏大量优质耕地和基本农田，工矿业发展与基本农田保护矛盾加剧，影响区域耕地面积稳定与粮食综合生产能力。

2.2 评价单元

考虑到县级基本农田保护规划是落实县级以上土地规划与管理的主要依据，以及基础数据的可获性及成果应用性，该研究选取山西省泽州县为研究区域，以2013年泽州县基本农田分布图为工作地图，以耕地图斑为评价单元，最终划定评价单元共有1.1502万个图斑。

2.3 数据来源与评价过程

2.3.1 数据来源

图件主要为2013年泽州县基本农田分布图， 2004年泽州县土壤图及2013年泽州县土地利用现状图； 社会经济数据来源于泽州县统计年鉴(2013)及2015年7～8月研究区实地调研； 自然生态数据来源于泽州县生态功能区报告； 其他数据来源于文献[15]。

图3 泽州县行政区划

图4 数据处理过程

2.3.2 数据处理过程

首先，采用层次分析法确定评价指标的权重，然后根据专家咨询法确定评价指标的赋值。利用已生成的泽州县基本农田分布图导出数据，在Excel表格中对数据进行处理。根据耕地相关数据获得泽州县17个乡镇基本农田划定适宜性各指标取值，采用公式(3)计算出各乡镇基本农田划定适宜性评估值； 根据公式(4)可计算基本农田功能要素功能协调性评价值。采用ArcGIS空间分析中邻近距离(generate near table)分析基本农田对功能要素最近作用距离dij。根据当地调研，认为基本农田保护区1km范围之内对其功能要素有很大的影响， 5km之外影响很小很小，可以视影响为无，因此， 1km范围内功能要素影响是相同的，即d1等于1，d2等于5； 根据公式(5)计算基本农田到基本农田功能要素的距离系数； 最后根据公式(2)计算出泽州县基本农田划定合理性程度值。最后，返回ArcGIS 10.0软件中，将已经处理好的数据与泽州县基本农田现状图进行关联，把结论数据显现在现状图上。

2.4 评价结果与分析

2.4.1 基本农田划定适宜性分析

根据基本农田划定适宜性评价模型计算得出泽州县基本农田划定适宜性指标值，其中最小值为0.229,最大值为0.848,平均适宜性指数为0.49，总体看来，基本农田划定适宜性中等。基于组内相似原理，利用Arcgis中自然断裂法，对适宜性指数划分为5个区间，其中从低到高的分值区间对应的面积分别为1.954 047万hm2， 2.236 441万hm2， 3.314 711万hm2， 0.351 275万hm2， 0.687 304万hm2，分别占基本农田总面积的22.57%， 26.18%， 38.80%， 4.11%， 8.04%。适宜性指数较高的区域主要集中在泽州县中部，因为该区域地势较平坦，水资源较丰富，便于灌溉。适宜性指数较低的区域集中在西南部，主要限于耕地坡度较大，灌排设施不完善等方面，如图5所示。

2.4.2 基本农田功能要素协调性分析

根据基本农田功能要素协调性评价模型，计算泽州县基本农田功能要素协调性指数值，其中最小值为1.336,最大值为2.907,平均值为2.267,总体上功能要素协调性较高。采用自然断裂法，将协调性指数从低到高分为5个区间，各分值区间对应的面积分为0.106 301万hm2， 0.537 420万hm2， 3.032 177万hm2， 3.277 407万hm2， 1.575 504万hm2，分别占面积的1.25%， 6.30%， 35.55%， 38.43%， 18.47%。协调性指数高的主要分布在泽州县西北部及西南部，这些地区耕地面积大，但地形条件较差，随着基本农田保护措施的实施，极大促进了耕地生产与周围社会环境协调发展。协调性指数低的区域分布比较零散，主要由于耕地规模较小，对周围社会环境的影响力较弱，表现为该基本农田保护区功能要素不协调。见图6。

表5 基本农田划定合理性评估结果

合理区合理性程度分布面积(万hm2)占基本农田面积(%)高度合理区3379～491812344332554中度合理区0995～337914732003048一般合理区0331～099512552172597较不合理区0100～033107511001554不合理区0000～01000119383247

图5 泽州县基本农田划定适宜性数值分布

图6 泽州县基本农田功能协调性数值分布 图7 泽州县基本农田划定合理等级分布

2.4.3 基本农田划定合理性分析

通过综合计算基本农田划定适宜性和基本农田功能协调性评价值，得出基本农田划定合理性评估值，根据自然断裂法，分为五级，即高度合理区、中度合理区、一般合理区、较不合理区和不合理区，(表5，图7)。

高度合理区，该类型地块表现在其本身自然条件要素影响和其功能要素影响相互作用好的情况下，地形平坦，土壤有机质含量高于30g/kg，土壤有效土层高于100cm，耕地灌溉保证高于50%，地块自然连片度高于90%，其农产品产量高，地块土壤肥力高阳光充足，基本农田相对集中分布，具有观赏旅游价值，由于耕地历史悠久，具有传承价值。该类型基本农田面积约为1.234 433万hm2，占该研究区域耕地总面积的25.54%，主要分布在北义村镇、高都镇、柳树口镇、山河镇和南岭乡5个乡镇。该区域的主要管理措施：在保护基本农田的情况下，对现有农田的自然条件与区位优势的合理利用。同时，政府要做到政策的合理制定与有效实施，加大对农产业的资金投入，从而推动农民积极性的提升，为农业现代化做出贡献，在提高经济效益的同时要保证可持续发展。

中度合理区，该类型地块表现在其自然条件要素影响和其功能要素影响相互作用较好的情况下，地形坡度在2～5°之间，土壤有机质含量在25～30g/kg之间，土壤有效土层在70～100cm，耕地灌溉保证在40%～50%之间，地块自然连片度在70%～90%之间，其农产品产量较高，出口贸易较好，生态功能较好。该类型基本农田面积约为1.473 200万hm2，占该研究区域耕地总面积的30.48%，主要分布在川底乡、南村镇、犁川镇、大阳镇、下村镇和大东沟镇6个乡镇。该区域的主要管理措施：首先，增强对基本农田保护区的保护力度，避免浪费优质土地资源，其次，城镇发展与农业现代化相结合，保证基本农田稳定性； 开展土地整理和农村居民点整治，改善基本农田生产条件，进而增加优质的基本农田面积。

一般合理区，该类型地块表现在其自然条件要素影响和其功能要素影响相互作用一般的情况下，地形坡度在5～10°之间，土壤有机质含量在20～25g/kg之间，土壤有效土层在50～70cm，耕地灌溉保证在30%～40%之间，地块自然连片度在50%～70%之间，该区域农作物产量一般，土壤肥力一般，不能满足农作物需求，灌排设施不齐全，土壤涵养水源能力差，连片性不太好，景观观赏价值一般，用地储备能力较差。该类型基本农田面积约为1.255 217万hm2，占该研究区域耕地总面积的25.97%，主要分布在周村镇、李寨乡、晋庙铺镇和金村镇4个乡镇。该区域的主要管理措施：要全面提升基本农田的景观功能和生态功能，利用自然条件，改善环境； 开展土地平整工程以改造该类型土地的连片性，使基本农田合理化； 通过有效手段，逐渐提升基本农田的质量，与高度合理区和中度合理区的分布相结合，通过一系列的基本农田政策规划，划定永久基本农田，保护农业生产和粮食安全。

较不合理区，该类型地块表现在其自身自然条件空间布局要素影响和其功能要素影响相互作用较不理想的情况下，地形坡度在10～15°之间，土壤有机质含量在10～20g/kg之间，土壤有效土层在30～50cm之间，耕地灌溉保证在20%～30%之间，地块自然连片度在30%～50%之间，该区域的农产品产量不高(以小麦为例，年均产量为225kg/667m2，低于其他区域平均产量300kg/667m2)，土壤肥力缺乏，农产品贸易出口较少，农业设施不齐全且年久失修，该地基本农田具有很大的整治潜力。该类型基本农田面积约为0.751 100万hm2，占该研究区域耕地总面积的15.54%，主要分布在大箕镇和巴公镇的一部分。

该区域的主要管理措施：做到城镇建设，基本农田保护，与农业发展相协调，在增加农业综合效益的同时有序发展基本农田保护区； 针对不同地块的不同特点，确定土地利用的主导方向，对于适宜生产农业的地区，可以将调出的基本农田因地制宜，合理规划林业、农业、城镇区域的合理分配，优化土地结构。不合理区，该类型地块表现在其自身自然条件空间布局要素影响和其功能要素影响相互作用不合协的情况下，地形坡度在15°以上，土壤有机质含量在10g/kg以下，土壤有效土层在30cm以下，耕地灌溉保证在20%，地块自然连片度在30%以下，该地区空间布局不协调，自然条件较差，农产品生产较低，环境资源较差，土壤肥力较低，农业设施不完善。该类型基本农田面积约为0.119 383万hm2，占该研究区域耕地总面积的2.47%，主要分布在巴公镇的东四义、西四义、巴公、李村等等村庄。该区域的主要管理措施：调出基本农田保护区，合理设定建设用地扩展区或生态用地保护区，优化区域土地利用结构。

3 结论与讨论

该文基于物-场模型阐释了基本农田划定合理性问题，构建了基本农田划定要素影响程度、基本农田功能要素影响程度及距离系数的基本农田划定合理性影响评价模型，并结合泽州县基本农田进行了实证分析，主要研究成果如下所述。

(1)采取多信息源相结合，利用ArcGIS空间分析法，结合考虑基本农田自身自然条件空间布局要素影响、基本农田功能要素影响的距离系数3个方面，引用了物-场模型做出评价。选择山西省泽州县典型区域，依据基本农田划定原则，确定评价思路与手段，体现具体评价过程。

(2)依据评价结果将泽州县基本农田保护区划分为5种类型，分别是高度合理区、中度合理区、一般合理区、较不合理和不合理区等，它们的占地比例为： 25.54%， 30.48%， 25.97%， 15.54%， 2.47%，其中前三者占总面积的81.99%，表明泽州县当前规划方案的合理性； 较不合理区和不合理区占基本农田总面积的18.01%，说明不仅仅只需要采用技术手段将优质耕地划入保护区，还要注重基本农田与其他因素的协调发展。

(3)以基本农田的分布特征与类型为依据，提出具体措施，为基本农田保护区的合理布局提供科学依据。但由于所获资料的有限性，该文研究缺少动态关联与趋势预测，在后续研究中，应结合时间序列数据建立动态评价体系。

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EVALUATION OF THE PLANNING RATIONALITY OF BASIC FARMLANDCONSERVATION AREA BASED ON SUBSTANCE-FIELD MODEL*

Liu Huifang1， 2,Bi Rutian1※

(1. College of Resource &Environment, Shanxi Agricultural University, Jinzhong 030801, China;2. College of Public Administration, Nanjing Agricultural University, Nanjing, Jiangsu 210095,China)

Delimitation of permanent basic farmland is an important mean to stabilize cultivated land and control the expansion of construction land. A Substance-Field model was used in this paper to evaluate the rationality of delimitation of basic farmland conservation area, based on the combination of the distribution, functions, and influence field of the basic farmland. Based on the Gravity model, a quantitative model was established for assessing the suitability distribution, function, and the distance in Zezhou county. The results showed that the basic farmland was divided into five different types according to the classification matrix, i.e., the complete rational zone, medium rational zone, basic rational zone, less unreasonable zone, and unreasonable zone. The rational regions accounted for 82% of total basic farmland protection area in Zezhou, which meant that the current planning scheme was basically rational. The research results can supply the theoretical basis and the decision reference for the study of complementary delimitation.

substance-Field model; basic farmland conservation area; delimitation, rationality; Zezhou county

10.7621/cjarrp.1005-9121.20170317

2016-08-02

刘慧芳(1982—)，女，山西长治人，博士、讲师。研究方向：土地可持续利用。※通信作者：毕如田(1963—)，男，山西阳泉人，博士生导师。研究方向： 3S技术及应用、资源环境信息技术。Email：brt@sxau.edu.cn

*资助项目：国土资源部公益性行业科研专项经费课题“北方村庄压煤山丘区土地综合整治技术研究”(201411007)； 山西省高等学校哲学社会科学研究项目“山西转型综改试验区农村集体经营性建设用地入市模式研究”(2014226)

F323.211

A

1005-9121[2017]03107-08