“五化”视角下高标准粮田时空布局优化研究*——以河南省鹤壁市为例

田洁玫，陈 杰

(1.郑州大学公共管理学院，河南郑州 450001； 2.郑州大学水利与环境学院，河南郑州 450001)

·粮食安全·

“五化”视角下高标准粮田时空布局优化研究*
——以河南省鹤壁市为例

田洁玫1，陈 杰2※

(1.郑州大学公共管理学院，河南郑州 450001； 2.郑州大学水利与环境学院，河南郑州 450001)

目的“十三五”期间国家重点推进高标准粮田建设与实施，河南省同时处于粮食生产核心区与中原经济区下，肩负着保证粮食安全与实现中部崛起的双重重担，基于“五化”要求研究高标准粮田时空布局优化有其现实意义。方法基于AHP方法原理构建布局优化指标体系，依据熵权值法与优化方法获取权重，在ArcGIS软件中实现地块平均布局水平测算，并按照规划要求相应调整，运用综合排序优选法与逼近理想点法进行鹤壁市高标准粮田时空布局优化。结果鹤壁市不存在高标准粮田布局劣等地，布局重心处于浚县与淇县； 两县的空间布局优化结果显示出更高的集中连片性，平均地块面积是优化之前的1.466倍； 两县的时序布局优化结果有利于提高建设效率，达成“初期试探摸索-中期大量投建-远期稳固提升”目标。结论基于“五化”视角的高标准粮田时空布局优化为今后高标准粮田区土地利用优化配置以及各项利用规划提供了参考与依据。

五化 高标准粮田 时空 布局优化 鹤壁市

0 引言

粮食安全是中国政府长期关注的重点，河南省作为重要的粮食生产核心区更肩负着实现耕地保护与农业现代化的重担， 2016年《全国农业现代化规划》中对农业布局提出优化要求以增强粮食保障能力[1]。如何在未来土地利用布局中充分考虑“五化”(工业化、城镇化、农业现代化、绿色化、信息化)的综合作用，并同时满足保证粮食安全与实现中部崛起的双重要求是目前研究的热点问题。

高标准粮田是基于基本农田概念提出的，是耕地中质量优良、集中连片、设施齐全、产能高效、绿色环保的土地。对高标准粮田布局优化的研究，其内涵是为提高耕地质量或者满足土地规划要求而对现有基本粮田基于一定标准调入或调出，并最终实现优化目标的行为。布局优化常采用农用地分等[2]或土地利用规划成果[3]、地化评估[4]或耕地综合质量评价结果[5]，通过考察影响因素来选取指标[6]进行时间[7]和空间[8]的布局安排。借助3S工具尤其是强调对GIS技术的运用[9]，专家学者主要从布局指标评价方法[10]和布局入选方法[11]的运用上取得突破。

文章运用RS与GIS的信息化技术手段，通过AHP方法构建出符合农业现代化、工业化、城镇化、绿色化的高标准粮田布局指标体系，从协调发展的诉求入手对布局进行划定，依据相关规划对布局予以优化，最终取得“五化”视角下的研究区高标准粮田时空布局优化结果，以期为今后以耕地保护与经济建设为主题的高标准粮田区土地利用优化配置以及各项利用规划提供参考和依据。

图1 鹤壁市位置

1 研究区概况及数据来源

鹤壁市位于河南省北部，东经113°59′～114°44′，北纬35°26′～36°3′的太行山东麓向华北平原过渡地带，地势上呈现西高东低趋势，属暖温带半湿润型季风气候，自古以来就是粮食盛产地，目前为河南省高标准粮田建设试点市。近年来，鹤壁市城镇人口增加迅猛，目前城镇化率已高达52.8%，经济发展态势良好，其作为中原经济区建设中“沿京广发展轴”上的重要一环，承担着北接京津、沟通南北产业和城镇密集带的重要作用。鹤壁市下辖2县(淇县、浚县)、3区(淇滨区、山城区、鹤山区)，位置如图1所示。

耕地动态变化方面的数据主要来源于对鹤壁市(条带号为124，列编号为35)1993年4月26日、2003年4月14日、2013年5月3日的Landsat5 TM、Landsat7 ETM+以及Landsat8 OLI-TIRS三期卫星遥感影像使用ENVI 软件分类解译空间数据库结果，经ArcGIS处理如下图2所示； 耕地质量数据主要来源于河南省第二次土壤普查数据库结果以及河南省耕地质量评价数据库资料。其他数据主要包括：地形地貌数据(鹤壁市30m分辨率数字地形图)； 矢量数据(鹤壁市行政区划图、鹤壁市土地利用现状图)； 统计年鉴及政府规划数据(鹤壁市统计年鉴、中国国土资源公报、河南省统计年鉴、鹤壁市年鉴、鹤壁市土壤志、鹤壁市城市总体规划等)。

图2 鹤壁市三期遥感解译土地利用类型

2 研究方法

2.1 熵权值法

权重确定的常见方法包括特尔菲法及层次分析法，但其主观性的赋值方法存在缺少客观性与针对性的问题。Claus R于1850年基于物理学角度提出熵值概念，其后，Shannon C E等人将熵值应用于其他学科领域[12]。熵权值法的优点在于其能够直接反映与数据相关的结构性与相关性问题，从而减少人为因素扰动[13]。具体公式及步骤如下：构建指标矩阵，其中Z取值均使用公式(1)； 对Z值进行信息熵E计算，见公式(2)； 基于信息熵E计算最终指标权重W，见公式(3)。

(1)

(2)

(3)

2.2 综合排序优选法

对“五化”视角下鹤壁市高标准粮田布局优化结果的空间调整，其实质是基于高标准粮田布局优化地块平均水平H的综合排序优选。目标是在保证地块完整性及地块平均水平H值降序排列的前提下，实现相应地块耕地面积I累加不小于政府规定的某常量C，满足以下公式(4)进行排序累加时，即可完成高标准粮田空间布局调整。

(4)

式中，Hi与Hi+1分别表示第i与i+1块高标准粮田布局优化地块平均水平；C为常数项；k表示地块总数。

2.3 逼近理想点法

Hwang C L和Yoon K在1981年提出的逼近理想点法(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS)是重要的多目标决策方法，其将有限个经过标准化处理的评价对象按照逼近于理想化目标的程度进行排序从而帮助选择[14]。具体步骤如下：依据统一标准从所有评价对象目标中确定最优目标与最劣目标； 按如下公式(5)与公式(6)分别判定评价对象与最优目标的距离L+与最劣目标的距离L-，采用二维欧氏距离； 使用如下公式(7)确定评价对象的逼近度J； 依据逼近度数值大小按上文综合排序优选方法排列出所有评价对象次序。

(5)

(6)

(7)

3 结果与分析

3.1 高标准粮田布局指标及权重确定

为满足“五化”各方面要求，根据Saaty T L 在1977年提出的层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)理论框架[15]，依据信息化技术手段提取指标并实现高标准粮田布局优化指标体系构建。

表1 “五化”视角下鹤壁市高标准粮田布局优化指标及权重

目标层准则层(权重)方案层指标层(权重)高标准粮田布局优化农业现代化(040)耕地综合条件耕地质量(007)粮食单产(012)耕地连片性(019)现代化水平农用机械总动力(023)化肥施用量(020)农业科技人员数量(019)工业化与城镇化(030)社会经济条件工业生产总值(023)二、三产固定资产投资额(010)城镇化水平(024)基础设施水平道路通达度(032)农村用电量(011)绿色化与信息化(030)生态环境条件森林覆盖度(023)水域敏感度(015)可持续水平粮食安全性(035)布局稳定性(027)

表2 鹤壁市两县高标准粮田布局耕地面积比较

面积(km2)区域布局划定结果政府规划要求浚县574623494867淇县152363109067

为达成协调发展目标，需要对准则层进行均衡权重赋值，考虑到鹤壁市粮食生产核心区的试点地位，应相对增加农业现代化权重。指标层的确权该文采用能够最大限度避免主观因素干扰所产生偏差的熵权值方法进行。最终可以得到“五化”视角下的高标准粮田布局权重优化方案，如表1所示。

3.2 高标准粮田布局分值及范围划定

目前高标准粮田布局的研究方法主要包括专家逻辑规则方法以及图层权重叠加方法。前者主要依赖于专家学者主观上的逻辑分析及规则制定； 后者则利用客观数据及客观方法将各个指标图层使用GIS手段基于相应权重予以叠加实现[16]。在ArcGIS软件中叠加分析，最终取得鹤壁市高标准粮田布局综合水平结果。对综合水平分值范围进行分级：劣等取值范围(0～20)低等(20～40)中等(40～60)良等(60～80)优等(80～100)最终分值计算结果处于21.850～88.814之间。鹤壁市高标准粮田布局中不存在劣等地，这从侧面反映了其作为粮食主产区的优越性。

考虑到1993年以来鹤壁市土地利用类型的时空变化情况以及2020年鹤壁市土地利用规划结果，相应剔除非耕地部分。目前土地利用布局规划的信息化应用广泛，基于行政村或地块的最小评价单元选择是主流趋势，从地块层面进行的平均布局水平测算及高标准粮田划定将有利于布局规划与建设实施。因此，以河南省第二次土壤普查成果数据库和河南省耕地地力评价数据库中的耕地资源评价单元作为基础地块和最小单元，通过ArcGIS软件进行空间连接，最终可以得到包含1256块耕地地块的高标准粮田布局优化平均水平图，其中地块面积平均值为0.712km2，说明其具有较为显著的规模性，如图3所示。

图3中可见，淇滨区的部分区域属于中等水平，但其在鹤壁市城市规划中的发展方向并不利于高标准粮田建设布局。因此，鹤壁市高标准粮田布局的重心应放在浚县与淇县，而2012年鹤壁市政府下发的《鹤壁市人民政府关于建设高标准粮田的实施意见》也正印证了这一结论。

由表2中浚县与淇县的高标准粮田布局耕地面积可见，布局划定结果数据仍显偏大，需要进一步优化。

3.3 高标准粮田空间布局优化

将综合排序优选方法结合鹤壁市具体情况，其中H值已知； 浚县C值为494.867、淇县为109.067； 浚县的k值为576、淇县为233。经过筛选最终得到符合要求的地块数共581块，其中浚县459块、淇县122块； 高标准粮田布局调整后的耕地总面积606.338km2，其中浚县494.943km2、淇县111.395km2。在ArcGIS中可呈现基于综合排序方法选取的高标准粮田空间布局范围，如图4。

图4可见，优选出的鹤壁市高标准粮田在空间分布上呈现出集中于东部和南部开阔平原区域的特征； 其平均地块面积高达1.044km2，是优选前的1.466倍，表现出更加集中连片趋势。而未被选入的地块则更加靠近鹤壁市的“一核(鹤淇一体化)双星(山城鹤山一体化、浚县)”周边区域，其成为未来鹤壁市城镇化与工业化建设的“预留区”，更是农业现代化发展的有效“缓冲区”。

3.4 高标准粮田时序布局优化

对高标准粮田布局优化结果的时序安排需要充分考虑地块距离最优地块与最劣地块的距离，这样才能在实际项目实施中集中力量、集中区域的进行工程建设。采用逼近理想点法，设定高标准粮田布局优化地块平均水平最高值与最低值的地块分别为理想化的最优目标与最劣目标进行评价选择。依据鹤壁市实际情况，在ArcGIS软件中测算所有地块与目标地块的欧几里得距离，并最终依据逼近度数值作出时序布置安排。根据自然间断点分级法将时序分为近期、中期、远期3类，结果如图5a所示。

图3 鹤壁市高标准粮田布局地块平均水平 图4 鹤壁市高标准粮田空间布局优化

图5 鹤壁市高标准粮田时序布局优化

根据浚县及淇县人民政府制定的《高标准粮田“百千万”工程建设规划(2012-2020)》中分阶段目标要求，可将上文自然间断得到的三期建设区域面积作为数据基础，依据逼近度数值降序排列得出调整面积，并按其结果作图5b。

表3 鹤壁市高标准粮田时序安排面积调整 km2

从两幅时序安排图可见，选用不同分级方法，同时考虑浚县与淇县情况，鹤壁市高标准粮田在时序安排上均呈现自南向北、自中间向两边的总体趋势。而调整结果的三期面积相较自然间断结果，则呈现“近期小-中期大-远期中”的分布特征，能够达到“初期试探摸索-中期大量投建-远期稳固提升”目的，有利于高标准粮田项目的实施，更有利于有效节省人力物力，提高建设效率。

4 结论

(1)该文通过AHP模型方法将高标准粮田布局指标与“五化”协调发展指标进行对接，最终得出1个目标层、3个准则层、6个方案层和15个指标层的“五化”视角下高标准粮田布局优化指标体系； 运用优化权重与熵权值相结合的方法，确定出各层次指标权重。指标体系充分考虑主观能动性与尊重数据客观性从而增加结论的可信度，并在方法上实现了从“五化”协调发展的诉求入手对高标准粮田布局进一步优化的研究目的。

(2)通过GIS手段得出鹤壁市高标准粮田布局优化结果，并依据实际政府规划要求对其时空布局优化予以调整，最终得到空间与时序双重优化结果：空间布局优化结果符合“一核双星”的城市规划要求； 时序布局优化结果符合“初期试探摸索-中期大量投建-远期稳固提升”的实施目标。在尊重和达到规划要求的基础上，实现了地块选择的综合水平最优与逼近度最高的双项要求。

(3)以鹤壁市为例的研究与探索充分考虑了高标准粮田建设要求和“五化”发展目标，未来在高标准粮田其他区域或其他类似高标准粮田区域的建设中具有可借鉴性，同时能够为河南省高标准粮田验收工作提供依据与参考。进一步的研究可以考虑依据该文方法与思路进行乡镇尺度布局优化安排。

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SPATIAL-TEMPORALLAYOUTOPTIMIZATIONOFHIGHSTANDARDGRAINFIELDBASEDONDEVELOPMENTOFFIVEMODERNIZATIONS*——TAKINGHEBIOFHENANPROVINCEASANEXAMPLE

TianJiemei1，ChenJie2※

(1. School of Public Administration, Zhengzhou University, Zhengzhou, Henan 450001, China； 2. School of Water Conservancy and Environment, Zhengzhou University, Zhengzhou, Henan 450001, China)

During the period of the "13th Five-Year Plan", the national planning stresses the implementation of the construction of the high standard grain area. As one of the Core Grain Area and the Central Plains Economic Region, Henan province afforded not only ensuring the food security but also realizing the rise of central China. Therefore, the research on the spatial and temporal layout optimization of the high standard grain field based on the five modernizations has its practical significance. This paper constructed an index system of the layout optimization based on Analytic Hierarchy Process model, and obtained the weight based on the Entropy Weight method and Optimization method, and then calculated the average block layout level using the ArcGIS software, and optimized the spatial and temporal layout in accordance with the planning requirements and the corresponding adjustment by using the comprehensive ranking optimization method. The results showed that the croplands in Hebi city were all the high standard grain fields, and the layout concentrated on Xunxian and Qixian county. The spatial layout optimization results showed that the average land area was 1.466 times higher than that before. The sequential layout optimization results can improve the construction efficiency of sequential layout of Hebi city, and meet the goals of the "initial exploratory construction, medium-term substantial investment, long-term steady improvement". The results can provide the reference and basis for the land use optimization allocation and planning.

five modernization； high standard grain field； spatial-temporal； layout optimization； Hebi city

F301.2

A

1005-9121[2017]07029-07

10.7621/cjarrp.1005-9121.20170705

2016-10-31

田洁玫(1988—)，女，河南焦作人，博士研究生。研究方向：土地可持续利用与信息化管理。

※通讯作者：陈杰(1966—)，男，河南新乡人，博士、教授、博士生导师。Email：jchen@zzu.edu.cn

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国家自然科学基金项目“基于分类距离-环境协变量回归模型的土壤数字化制图研究”(40971128)； 科技部“十二五”农村领域国家科技计划课题“砂质潮土中低产田改良研究与示范”(2012BAD05B02-7)