基于耕地质量评价和局部空间自相关的高标准农田划定

杨建宇 杜贞容 杜振博 黄婧瑶 赵 龙 朱德海

(1.中国农业大学信息与电气工程学院， 北京 100083； 2.国土资源部农用地质量与监控重点实验室， 北京 100035)

基于耕地质量评价和局部空间自相关的高标准农田划定

杨建宇1,2杜贞容1,2杜振博1黄婧瑶1赵 龙1朱德海1,2

(1.中国农业大学信息与电气工程学院， 北京 100083； 2.国土资源部农用地质量与监控重点实验室， 北京 100035)

高标准农田建设是优化农田空间布局，改善耕地基础设施，提高耕地质量和综合生产能力的重要举措。而科学合理地划定建设区域是高标准农田建设的重要环节。以河南省焦作市为例，构建了耕地综合质量评价体系，并通过层次分析法对各个评价指标赋权。再结合理想点逼近法和局部空间自相关分析对高标准农田建设分区及时序提出了方案。研究结果表明：焦作市耕地整体质量较好，且在空间分布上体现出了较强的正相关性；利用局部空间自相关分析可将耕地分为4个高标准农田建设区域。

耕地质量； 高标准农田； 理想点逼近法； 局部空间自相关

引言

中国是一个人多地少、人均耕地占有量低的国家，而随着工业化、城市化的快速推进，我国耕地将承载越来越大的压力。因此，如何进行耕地保护，保证中国经济和社会的可持续性发展一直是政府十分重视的问题。为确保耕地数量及质量，2011年颁布的《中华人民共和国第十二个国民经济和社会发展五年规划纲要》明确提出要大规模建设旱涝保收高标准农田，其中定义的高标准农田是指一定时期内，通过农村土地整治形成的集中连片、设施配套、高产稳产、生态良好、抗灾能力强、与现代农业生产和经营方式相适应的基本农田[1]。因此高标准农田建设，对提高耕地综合生产能力、发展现代农业、保障粮食安全具有重要意义，是中国耕地保护、保障粮食安全的重点。

目前国内学者对高标准农田划定方法的研究主要是从耕地自然条件、立地条件、经济效益等方面入手，确定耕地质量综合评价指标[2-4]，利用熵权法[5-6]或层次分析法[7-9]等进行赋权从而获得耕地质量综合评价体系，采取综合评分的方法对耕地进行分值从高到低的排列从而确定高标准农田的建设范围和时序。另一方面，从耕地的空间分布以及建设时序考虑出发，部分学者在综合评价耕地质量的基础上，提出了利用理想点逼近法[10-11]、四象限法[12-13]等方法实现最优地块的筛选以及建设分区和时序的合理安排。但上述研究中在确定评价体系时没有考虑到高标准农田定义中对耕地高产稳产的要求，且对耕地空间分布模式考虑不足。

为弥补上述研究的不足，本文以河南省焦作市为例，在对耕地进行综合质量评价时引入综合土体利用系数这一指标以反映耕地潜在产量水平，并利用层次分析法对各指标权重赋权。在此基础上利用理想点逼近法和局部空间自相关分析实现耕地质量、规模和空间分布的耦合，以期为高标准农田的划定提供参考。

1 研究区概况与数据

1.1 研究区概况

焦作市地处河南省西北部，北依太行与山西省搭界，南临黄河与郑州、洛阳相望，东与新乡接壤，西与济源毗邻；位于35°10′～35°21′N、113°4′～113°26′E，市域东西长约102.05 km，南北宽约75.43 km，面积4 001 km2。根据焦作市土地利用总体规划(2006—2020年)，耕地面积为195 339 hm2，约占全市土地总面积的48.82%，其中旱地为14 322.02 hm2，水浇地为177 961.92 hm2，水田为3 055.01 hm2。焦作市虽然耕地面积较大，但人均耕地仅为0.05 hm2，低于河南省人均耕地水平，是典型的人多地少区域。另外，由于地理条件的限制和社会经济的发展，焦作市耕地总面积逐年减少，不能满足农业发展的需要，成为重要的社会问题。因此，对于焦作市这样地貌比较复杂的区域，不应采用全国一刀切的标准，应根据该市实际情况划定高标准农田区域。

1.2 数据来源及处理

研究基础数据包括：①2010年焦作市耕地分等定级成果数据，主要获取自然等指数、综合土地利用系数以及耕地数量和分布情况。②焦作市2015年统计年鉴及相关农业统计资料，提取涉及的社会、经济等统计数据。③焦作市土地利用现状和线状地物图，主要用来计算耕地图斑与城镇建设用地、农村居民区和主干道的距离。

对收集的基础数据进行以下预处理：检查数据来源，与相关部门核实数据可靠性，确保计量单位统一、规范，进行资料梳理；所有图件资料通过数据格式转换，地图投影及坐标校正，统一为ArcGIS格式，坐标系采用1980西安平面坐标系和1985国家高程基准，图件数据涵盖整个研究区域。分析软件选用ArcGIS 10.2以及GeoDa 1.6.7。

2 研究方法

2.1 耕地综合质量评价

2.1.1 评价单元与指标体系

高标准农田建设的对象包括原有基本农田和新划定的基本农田[1]，为充分考虑两种类型，结合实际情况，以焦作市2013年耕地分等定级数据库中的耕地图斑作为评价基本单元，最终确定45 909个评价单元。

为客观科学反映耕地的实际质量水平，根据高标准农田的定义并参考《河南省农用地分等成果完善技术报告》中所确立的耕地质量评价指标体系，同时考虑到评价指标的可操作性和可推广性，从土壤理化性质、立地条件及基础设施、高产稳产、耕作便捷度和发展稳定性等方面反映耕地综合质量水平[14-15](表1)。由于耕地自然等指数可以综合准确地反映土壤有机质含量、有效土层厚度和表层土壤质地等理化性质，以及面坡度、岩石露头度以及灌溉保证率等耕作条件和基础设施条件，综合土地利用系数可以反映耕地的潜在产量水平，所以选取耕地自然等指数和综合土地利用系数作为评价指标以保证被划入高标准农田的耕地的自然质量及高产稳产。综合土地利用系数计算公式为

(1)

式中Yij——各行政村(样点)的标准粮实际产量Yj,max——指标区内最大标准粮产量

耕作便捷度主要通过耕地与主干道以及农村居民点的距离来反映其差异性[16-17]；对于发展稳定性，主要考虑到耕地与城镇建设用地的距离，距离越小稳定性越差[18]。由于数据缺失，暂无法全方位考虑生态状况、耕地抗灾能力等指标。

表1 焦作市耕地综合评价体系

2.1.2 层次分析法确定指标权重

层次分析法(Analytic hierarchy process,AHP)是一种系统分析法，它为分析由相互关联、相互制约的众多因素构成的复杂系统问题提供了简便而实用的决策方法[19]。本文首先通过建立准则层比较矩阵，确定准则层相对目标层的权重，然后建立指标层比较矩阵，确定指标层相对准则层的权重，最后确定指标层相对目标层的权重。

根据以上步骤，确定的县域高标准农田建设评价指标体系及权重见表2，各比较矩阵均通过了一致性检验，得到的权重可直接用于耕地综合质量评价。

表2 耕地综合评价指标权重

2.2 理想点逼近法

本文采用理想点逼近法进行评价，通过检测评价对象与最优解、最劣解的距离来进行排序，若评价对象最靠近最优解同时又最远离最劣解，则为最好，否则为最差[20]。

设评价指标n个，被评价的耕地单元m个，rij表示第j个指标下第i个图斑的指标值，rij,min表示最小指标值，rij,max表示最大指标值。则具体计算步骤如下：

归一化处理

(2)

计算各耕地图斑与最优方案及最劣方案的距离

(3)

(4)

计算各耕地图斑与最优方案的接近程度

(5)

式中0≤ci≤1，ci越接近1，表示该图斑与最优方案越接近，即ci较大的耕地图斑质量较优。

2.3 局部空间自相关分析

2.3.1 确定空间权重

空间权重是进行空间自相关分析的前提和基础。目前确定空间权重矩阵的方法主要有基于邻接关系和基于距离关系2种。出于对局部空间自相关系数稳定性以及数据误差的考虑，通过对比不同确定空间权重矩阵方法所获得的全局Moran’sI指数的直方图和信度间隔，得到k=9时的K最近点权重(K-nearest)方法获得的直方图比较集中，且信度间隔变异较小，受空间属性值的影响也较小[21]，因此本文利用K-nearest方法确定空间权重。

2.3.2 局部空间自相关

任何事物之间存在相关性是绝对的，相近事物的相关性要高于相远事物，而空间自相关分析是探索地理实体之间相关性(空间自相关)的重要工具和手段。耕地作为地理实体，其在空间上也必然存在一定的分布规律，从探索耕地质量空间分布特征的角度出发，揭示耕地质量或数量在空间上的聚集性或离散型特征，能有效地契合基本农田建设中更注重集中连片性开发与建设的要旨。

本文采用局部空间自相关指数来表征耕地质量空间分布上的关联特性，其表达式为

(6)

其中

(7)

结合局部空间自相关指数与Moran散点图，将空间格局可视化[22]。Moran散点图分为4个象限，分别代表4种不同的关联类型，其中第1、3象限为正相关类型，分别用HH与LL表达，第2、4象限为负相关类型，分别用HL与LH表达。

3 结果与分析

3.1 理想点逼近法计算结果与分析

图1为利用层次分析法确定评价指标权重后再利用理想点逼近法获得的耕地综合质量空间分布图。从空间分布来看，全市耕地连片性较好，仅在北部地区出现了耕地图斑较为破碎的现象，这与该地区的地形地貌关系密切。质量较优的耕地分布较为集中，多在东南部的武陟县，东部的修武县，南部的温县，以及沁阳市和博爱县的东南部。总体而言，市域中部、东部及南部是农业发展相对集中区域，地势较为平坦，耕作基础设施条件较好，临近沁河，灌溉条件优越；同时，东部地区行政村辖区较小，村庄与耕地分布相对集中，农户耕作距离较短，更有利于耕作便利程度的提高；另外，该地区交通发达，社会经济条件较好。北部是丘陵地区，区域内耕地多来源于对坡地和林地的开垦，耕作自然状况相对较差，土地利用类型以旱地为主；同时，该区域行政村辖区较大，村庄与耕地分布相对零散，加之受地形地貌影响，农户耕作距离较远，虽然交通也比较便利，但其距离城镇发达地区较近，发展稳定性较差。

图1 基于层次分析法的理想点逼近法所得的耕地综合质量空间分布Fig.1 Spatial distribution of comprehensive land quality by TOPSIS based on AHP

3.2 局部空间自相关结果与分析

全市局部空间自相关指数为0.979 8，该市耕地质量在空间分布上表现出较强的正相关性。属于正相关类型HH与LL的面积分别为93 246.41 hm2与27 211.67 hm2，累计占耕地总面积的61.665%；还有4.02 hm2和59.71 hm2分别属于负相关类型中的LH和HL型，两者累计占0.034%；另有74 817.14 hm2耕地没有显著自相关特征，占耕地总面积的38.301%。因此正相关类型占主导地位(表3)。

表3 焦作市耕地局部空间自相关类型

从空间分布上来看，HH型耕地大多分布在焦作市的中部、东部和南部，与高分值耕地空间分布格局基本一致。HH 型区域内耕地质量普遍较高，局部区域之间空间正相关性强烈，整体空间连通性较好，覆盖范围较广；LL型耕地多处在焦作市的西部和北部，在其他各县也都有零散的分布。LL型区域内耕地质量普遍较低，空间覆盖范围相对来说不如HH型集中；LH型及HL型耕地分布比较零散，其中HL型在全市零星分布，一般与HH型和HL型相邻，而LH型大多分布在HH型周围，与其有着较好的空间连片性(图2)。

图2 焦作市耕地质量空间关联聚集图Fig.2 Spatial correlation of cultivated land quality in Jiaozuo City

将局部空间自相关类型划分结果同耕地质量综合评价分级结果进行叠加对比，得到表4。从数量上反映，有47 251.49 hm2的1级耕地与耕地质量局部空间自相关HH 型保持了空间一致性，占到全县1级耕地总面积的99.72%，仅0.28%的一级耕地落入无显著特征型；市域范围内，分别有45 994.92、59.71 hm2的2级耕地与HH、HL型保持了较好的一致性，两者分别占到全县2级耕地总面积的55.36%、0.07%，另有44.57%的2级耕地落入无显著特征型区域；市域内无3、4、5级耕地落入HH和HL型，其中3级耕地有29.67%、70.32%分别落入LL型、无显著特征型区域，面积分别为15 888.70、37 659.34 hm2，有极少数落入LH型，为4.02 hm2；4级耕地主要落入了LL型，面积为9 339.76 hm2，占到了全市4级耕地面积的99.99%，另有极少部分落入无显著特征型区域；5级耕地与4级类似，全部落入LL型，面积为1 983.20 hm2(表4)。

表4 焦作市耕地质量级别与自相关类型对比

总体而言，绝大部分优质耕地与HH型保持了较好的空间一致性，而大部分劣质耕地则落入LL型区域；耕地质量的局部空间自相关结果与耕地质量评价结果基本一致。同时，由于局部空间自相关考虑了耕地质量在空间上的分布特征或聚集性规律，耕地质量属性与空间属性保持了较好的统一，可为高标准农田建设分区提供数据基础和空间依据。

3.3 高标准农田建设区域划定

根据局部空间自相关分析的结果，将焦作市耕地分为优先划定区、适宜调入区、后备调控区和缩减退出区(图3)。各建设分区耕地面积与整治时序见表5。

图3 焦作市高标准农田建设分区图Fig.3 Zoning map of well-facilitied capital farmland in Jiaozuo City

3.3.1 优先划定区

优先划定区耕地综合质量得分在0.70～0.90之间，局部空间自相关类型为HH型。该类型耕地面积比例较大，且空间上聚集性显著，主要集中分布于研究区中部、东部和南部。该区域耕地规整、连片性好，利于大规模机械化作业和集中管理，基础设施完善，多位于农业和经济发达的区域，区位条件好，且耕地自然质量等级较高，呈现聚集分布，耕地产能高，土地整治难度小。另外，这些区域为河流聚汇处，土壤肥沃，地势较低平，交通便利，是高标准农田建设的理想区域。因此应优先划入高标准农田建设区域，严格禁止非农建设，在最短的时间内建设成高标准农田，保障粮食安全。

3.3.2 适宜调入区

适宜调入区耕地综合质量得分在0.70～0.82之间，局部空间自相关类型为LH型和无显著特征型。这类耕地质量较高，但与优先划定区耕地相比整体稍低。该区域内的无显著特征型耕地大多分布在HH型周围，与其保持了良好的连片性，因此可以作为适宜调入的耕地，在优先开发优先划定区的基础上，与优先划定区形成集中连片式开发建设，夯实耕地质量在空间分布上所表现出的高-高关联特性，进一步提高优质耕地的空间聚集规模。

3.3.3 后备调控区

后备调控区耕地综合质量得分在0.52～0.70之间，局部空间自相关类型为HL型和无显著特征型。该区域内属于无显著特征型的耕地综合质量偏低，且该区域耕地与优先划定区耕地连片性较差，多处在适宜调入区和缩减退出区之间，土地整治难度大，需要投入更多的人力、物力和财力，在建设时序安排上应该靠后，可在完成对优先划定区和适宜调入区的高标准农田的建设后，综合考虑财政支持和实际需要等进行建设。

3.3.4 缩减退出区

缩减退出区耕地综合质量得分在0.25～0.52之间，局部空间自相关类型为LL型。从空间分布上来看，该区域耕地大多分布于北部的山区。受地形地貌的影响，该地区耕地较为破碎，理化性质、立地条件以及基础设施都较差。因此该区域土地整治投入大，不适宜建设高标准农田，可作为耕地后备资源开发整治。

表5 焦作市高标准农田建设分区及整治措施

4 结论

按照国家对高标准农田建设区域的基本要求，构建了耕地综合质量评价的指标体系，并利用层次分析法确定评价指标权重。再利用理想点逼近法对耕地进行综合质量评价，并对结果进行局部空间自相关分析。最后根据局部空间自相关分析的结果划定了研究区的高标准农田建设区域与建设时序安排。得到以下结论：

(1)焦作市耕地质量在空间分布上体现出了较强的正相关性，属于正相关的耕地面积达到了耕地总面积的61.665%。另外，全市耕地质量局部空间自相关结果与耕地质量评价结果保持了较好的空间一致性，99.72%的1级耕地落入HH 型区域，而100%的5级耕地落入LL型区域，较为有效地实现了耕地质量属性与空间属性的统一。

(2)根据局部空间自相关结果将全市划分为高标准农田建设优先划定区、适宜调入区、后备调控区和缩减退出区，分别占到全县耕地总面积的47.74%、19.05%、19.28%和13.93%。根据不同空间自相关类型的特征，提出了相应整治措施和建设时序安排。耕地数量、耕地质量与空间聚集特性三者之间的关系在分区方案实现了较好的统一，为高标准农田建设分区提供了切实可行的依据。

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Well-facilitied Capital Farmland Assignment Based on Land Quality Evaluation and LISA

YANG Jianyu1,2DU Zhenrong1,2DU Zhenbo1HUANG Jingyao1ZHAO Long1ZHU Dehai1,2

(1.CollegeofInformationandElectricalEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China2.KeyLaboratoryforAgriculturalLandQuality,MonitoringandControl,MinistryofLandandResources,Beijing100035,China)

Well-facilitied capital farmland construction is an important measure to optimize the farmland spatial layout and improve the farmland infrastructure, and it also plays an important role in guaranteeing national food safety and modern agriculture development. Moreover, it could help to increase the cultivated land quality and productive capacity. Scientific and reasonable zoning of the construction area is an essential step of the construction itself. Therefore, taking Jiaozuo City, Henan Province as an example, the comprehensive quality evaluation system of cultivated land was built, and then the weight of each evaluation index was calculated by means of analytic hierarchy process (AHP). Then through coupling with technique for order preference by similarity to an ideal solution (TOPSIS) and local indicators of spatial association (LISA), some suggestions for construction of well-facilitied capital farmland zoning and timing sequence were put forward. The result showed that the overall quality of cultivated land in Jiaozuo City was good and it showed a strong positive correlation in spatial distribution. The area of cultivated land belonging to positive correlation reached 61.665% of the total cultivated land area. Besides, cultivated land quality attributes and spatial attributes were uniform. Using local indicators of spatial association, cultivated land can be divided into four well-facilitied capital farmland construction areas. According to the characteristics of different spatial autocorrelation types, the corresponding remedial measures and construction timing were put forward. With comprehensive consideration of the cultivated land in all kinds of properties, the research can provide basis for construction of well-facilitied capital farmland planning.

farmland quality; well-facilitied capital farmland; TOPSIS; LISA

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.06.014

2016-11-04

2017-01-09

国土资源部公益性行业科研专项(201511010-06)

杨建宇(1974—)，男，教授，博士生导师，主要从事3S技术及其土地应用研究，E-mail： ycjyyang@cau.edu.cn

F301.21

A

1000-1298(2017)06-0109-07