华北平原农田耕作便利度评价研究

任艳敏 刘 玉 潘瑜春 胡月明

(1.北京农业信息技术研究中心， 北京 100097； 2.国家农业信息化工程技术研究中心， 北京 100097；3.农业部农业信息技术重点实验室， 北京 100097； 4.华南农业大学信息学院， 广州 510642)

0 引言

耕作便利是表征农田综合质量的重要因素，已被广泛应用于耕地质量评价、基本农田划定、高标准农田建设布局等[1-2]。近年来，我国高度重视高标准农田建设，力图通过大规模建设高标准农田，整体提升农田的土地平整度、集中连片度、设施完善度等，进而提升农田耕作便利度，使之适应于现代农业的生产和经营方式[3]。提升农田耕作便利度是农业机械化推广应用和农业规模经营的前提和基础，而这需要对耕作便利度进行准确评价并对其提升路径进行科学设计。为准确反映现代农业发展对耕作便利条件的现实要求，基于农业机械效率视角构建农田耕作便利度评价模型与方法，可为耕地质量评价、高标准农田建设项目选址与绩效评估等提供技术支持和方法参考。

以往研究中，耕作便利度大多采用耕作距离进行表征[4-5]，其内涵是指农村居民点到耕作田块的距离，与过去分散的家庭经营方式相适应，但不能准确表征机械化耕作背景下现代农业生产经营对耕作便利条件的全面要求。已有学者开始尝试包含田块连片度、耕作距离和田间道路通达度等指标的耕作便利度综合评价研究[6]，但部分指标未能充分反映现代农业机械化耕作的现实情况：①作为影响连续化耕作和耕作效率发挥的关键指标，通常采用人为设定距离阈值法判定田块连片度[7-8]，未形成客观、定量的连片距离阈值设定方法；且未考虑河流、建设用地等地理要素对农业机械通行的阻碍影响。②耕作距离常采用农村居民点与田块的欧氏距离表征[9]，该方法计算简单、含意明确、应用广泛。但在实际中，农户通过不同运输能力的道路网往返于农村居民点与田块之间，采用到达田块所需的实际时间或费用来表征耕作距离更符合实际。③田间道路通达度影响着农业生产物质的运输能力以及机械耕作效率，以往多采用“集中连片的田块中，田间道路直接通达的田块数与田块总数的比值”进行指标值获取[3]。该方法计算简单，但未区分田间道路数量与等级对农业物资输入输出能力的影响。

基于此，本研究以耕作田块为单元，按照现代农业机械化发展要求界定农田耕作便利度，重点研究耕作便利度评价指标体系构建和关键指标值获取方法，作为传统耕地质量评价的有益补充，以期服务于耕地质量综合评价和高标准农田建设项目选址与绩效评估等。

1 研究方法

耕作便利度是指田块在农业耕作生产中的便利程度，不仅包括田间生产的便利程度，还包括居民点到达田块的便利程度。《全国农业机械化发展第十三个五年规划》指出，到2020 年，主要农作物生产全程机械化取得显著进展；在华北平原地区，重点巩固提高小麦生产全程机械化质量效益，全面实现玉米生产全程机械化。考虑到平原区现代农业生产主要依靠机械化[10]，故将农田耕作便利度限定在便于农业机械效率的发挥方面，即在农田耕作过程中影响农业机械化作业效率发挥的程度，包括田间机械作业效率和居住地到田间地头的机械通行效率2方面。

1.1 影响因素分析与评价指标体系构建

基于界定的农田耕作便利度以及GB/T 28405—2012《农用地定级规程》中农用地定级备选因子关于耕作便利条件评价指标的分析[11]，从土地平整、集中连片、交通便利和其他条件4方面构建耕作便利度评价指标体系(表1)。其中，土地平整、集中连片和其他条件主要影响田间作业效率，交通便利主要影响机械通行效率。

(1)土地平整

土地平整程度与机械化水平、田间耕作便利度、水土保持及土壤肥力等密切相关[12]，直接影响着农作物的生长发育和农业机械耕作效率。本研究选取地形坡度和田面平整度来表征土地的平整状况。地形坡度越大、田面平整度越差，越不利于田间机械化作业，耕作效率越低，导致农户对农田的投入意愿和水平降低、作物减产[13]。

表1 农田耕作便利度评价指标体系Tab.1 Evaluation indexes of farming convenience degree for farmland

(2)集中连片

田块自身的大小、方向、形状以及田块之间的连片程度对耕作便利程度和机械效率的发挥均有影响，是农田耕作便利度的重要表征指标。已有研究表明[14]，田块面积越大、工作单程越长、形状越规则，农业机械纯作业时间占总作业时间的比重越大，用于机械掉头等无效时间越少，田间作业效率越高；耕作田块是否连片直接影响着农业机械能否在田间进行连续化作业，进而影响耕作效率。

(3)交通便利

现代农业生产与经营需要在适度规模基础上实现机械化[15-16]，这对交通设施的数量、等级、质量与布局等提出新需求。选取耕作距离和田间道路通达度2个指标表征交通便利条件，反映推广农业机械化耕作的可行性与便利性。其中，耕作距离反映农业机械进入田间作业的通行便捷性，田间道路通达度反映农业机械出入田间地头进行农田操作的便利性。

(4)其他条件

除以上因素外，田间障碍物等因素也对耕作便利度有一定影响。例如，有障碍物田块的田间机械耕作效率远低于没有障碍物的田块。尤其是障碍物占地面积较大时，农业机械耕作效率降低的程度更大。

1.2 指标获取方法与标准化

依据构建的评价指标体系及指标含意，分析各指标的获取方法与路径。其中，地形坡度和田面平整度可以直接从耕地质量等别年度更新评价成果中获取；田块大小和田块方向可以借助ArcGIS软件的空间计算工具获取[17]；田块形状指数利用景观分析软件的分维数计算获取；田间障碍物可以通过实地调查或利用高分影像人为识别获取。为了准确反映机械化耕作背景下的耕作便利度，本研究拓展了连片度、耕作距离和田间道路通达度的获取方法。

(1)连片度

指田块空间上的相连或相邻程度，小于一定距离阈值则认为田块连片[8]。本研究充分利用矢量数据和栅格数据各自的优点，基于数学形态学的栅格膨胀腐蚀运算自动求取连片距离阈值，并在考虑水域、河道、林地、建设用地、高级公路等障碍要素影响的基础上实现连片田块的判定与连片度分级[18]。

(2)耕作距离

指农村居民点到田块的实际距离，采用居民点到达田块所需的最短加权距离表征：距离田块越近、道路等级越高，加权距离越小。ArcGIS中的生成网络空间权重(Generate network spatial weights, GNSW)是通过建立对象之间的空间相邻关系，准确表达其空间相互作用程度的工具。考虑到不同等级道路的通行能力差异，本研究根据道路等级赋予相应权重，通过构建加权网络数据集，并利用生成网络空间权重工具获取评价单元的耕作距离指标值。

(3)田间道路通达度

指田块通过不同等级或运输能力的田间道路，进行物料或农产品输入输出的实际运输能力。本研究根据田间道路等级设置不同权重，通过统计田块直接通达的田间道路数量与权重，采用加权求和法获取各田块的田间道路通达度。连接田块的道路等级越高、数量越多，田间道路通达度越高。

将不同类型和性质的指标标准化为[0,100]闭合区间(表2)。其中，地形坡度、田面平整度指标的标准化分值参考GB/T 28407—2012《农用地质量分等规程》确定，其他指标采用专家打分法进行分级和量化处理。

表2 耕作便利度评价指标体系与标准化Tab.2 Index system and standardization of farming convenience degree

1.3 综合评价模型构建

采用层次分析法[19]确定指标权重，具体步骤如下：①将耕作便利度作为目标层(G层)，土地平整、集中连片、其他条件、交通便利作为准则层(C层)，把影响准则层的各指标作为指标层(A层)。②构建判断矩阵A、C1、C2、C3、C4。③求取层次单排序、层次总排序并进行一致性检验：利用yaahp软件计算得到4个准则层的最大特征值、一致性指标(Consistency index, CI)和一致性比率(Consistency ratio, CR)，并进行层次总排序，直到检验结果具有满意的一致性。④采用和积法计算A层对G层的组合权重(表2)。

采用加权指数和法[20]计算农田耕作便利度

(1)

式中Fk——第k个评价单元的耕作便利度

Fki——第k个评价单元第i个指标标准化值

Wi——第i个指标的权重

n——评价指标总数

2 研究区概况与数据处理

2.1 研究区概况

华北平原地势平坦、土层深厚，是我国粮食主产区，也是全国农业机械化水平较高的区域。但该区域人口密集，人均耕地少，加上道路、河流等切割以及家庭联产承包责任制下的分散经营，耕地细碎化、分散化情况较为严重。本研究选定的研究区位于河北省定州市长安路街道西北部，总面积2 405.58 hm2，共包括7个行政村(图1)。该区域位于太行山山前平原区，地势平坦，属暖温带半干旱半湿润大陆性季风气候，四季分明，降水不均。2015年，区域耕地面积为1 497.19 hm2，占土地总面积的62%；人均耕地面积仅0.09 hm2，平均地块面积仅为0.14 hm2，限制了农业规模化生产与大型农业机械的推广使用；加上区域地块形状与耕作方向差异较大，农业耕作效率低下。因此，在该区域开展农田耕作便利度评价研究具有较强的典型性和代表性。

图1 研究区所在地理位置与土地利用现状Fig.1 Location of study area and present land use

2.2 数据来源与处理

主要数据来源包括：①2015年高分二号卫星影像，用于获取耕作田块、田间道路等矢量数据。②2015年定州市耕地质量等别年度更新数据库，用于获取地形坡度、田面平整度指标数据。③定州市土地利用总体规划数据库(2006—2020年)，用于获取行政区划图、耕地图斑、交通水系、林地、居民点、线状地物等，用于制图以及作为辅助数据提取耕作田块、田间道路，并提取障碍要素参与连片度计算。④2011—2015年定州市统计年鉴、实际调查问卷等，获取农业人口、户均耕地面积、田间障碍物等。

数据进行整理汇总后，将所有的图件资料统一为ArcGIS格式，坐标系采用1980西安平面坐标系和1985国家高程基准。在本研究中，基于高分二号卫星影像，结合土地利用现状等矢量数据，采用面向对象分割分类的方法提取耕作田块和田间道路等信息[21-22]。最终提取的田块与田间道路的精度分别为89.13%和90%，可用于耕作便利度评价。另外，根据空间位置将地形坡度、田面平整度赋予对应的评价单元。

3 结果与分析

3.1 关键指标获取结果

研究区耕作田块的连片度、耕作距离和田间道路通达度3个关键指标的计算结果如图2所示。基于数学形态学方法确定田块连片距离阈值为1.5 m，远小于依据线状地物宽度设定的阈值(10 m)，精度更高，以此划定的耕地连片面积也更符合现代农业发展对适度规模的要求。基于连片面积将连片度分为5个级别(表2、图2a)，其中，韩家庄村和庄头村的耕地连片度较好，大流村、西南佐村和孟家庄村的耕地地块面积小、分布较为分散。根据不同等级道路通行能力的差异，将高级公路、机耕路、生产路的权重分别设为1.0、0.7和0.4，计算获取的耕作距离权重指数介于0～1之间，越接近于1，说明居民点到达田块的耕作距离越小；越接近于0，说明耕作距离越大。按照权重指数高低划分为5个级别(表2、图2b)。田间道路权重设置同耕作距离，最终获取的田间道路通达度指数为0～22，并据此将田间道路通达度划分为4个级别(表2、图2c)。指数越高，说明田块连接的道路等级越高、数量越多。与仅考虑直接通达与否的获取方法相比，综合考虑道路数量与等级的田间道路通达度计算方法更能反映田块的实际运输能力。

图2 关键指标获取结果Fig.2 Results of key indexes

3.2 耕作便利度评价结果

通过指标值获取与标准化，利用式(1)对研究区田块的耕作便利度进行定量评价与分级。结果显示：耕作便利度分值在60.68～100之间，按照85～100、75～85、65～75、0～65，将耕作便利度分为非常便利、比较便利、一般便利和不便利4个级别(表3、图3)。

图3 耕作便利度评价结果分布图与分级统计直方图Fig.3 Distribution map and statistical histogram of farming convenience degree

(1)非常便利

该级别田块数为514个，占田块总数的14.12%；平均田块面积最大(0.62 hm2/个)，远大于其他级别的田块。田块多呈集中连片状分布，能减少掉头、转向等农业机械的低效或者无效耕作时间，进而较长时间的连续作业，耕作效率较高。从空间分布看，该级别田块一般位于居民点或田间道路周边，耕作距离近、交通便利，便于农业物资的运输，是发展高效农业、推广机械化耕作的最适宜区域。但同时也易在村镇建设与发展过程中转化为其他用地，尤其是建设用地，因此有必要优先将其划为永久基本农田加以保护。

表3 耕作便利度评价结果分级统计Tab.3 Evaluation result and its grade statistics of farming convenience degree

(2)比较便利

该级别田块数量最多，面积最大，分别占总田块数与总田块面积的55.05%和56.52%；平均田块面积为0.35 hm2/个，略高于研究区的平均水平。从空间分布看，该级别田块广泛分布于各个行政村，一般与非常便利田块相邻，有利于农业机械规模化耕作和农业科技推广。加之该区域田块本身的耕作条件较好，建议将其与非常便利田块一起划入永久基本农田片区进行保护。

(3)一般便利

该级别田块数量较多，占田块总数的29.98%，但面积仅占田块总面积的17.33%，田块平均面积较小(0.20 hm2/个)。从空间分布看，该级别田块分布较为分散，很少有集中连片分布，耕作距离远、交通不便，田块耕作便利度较差。在未来开展土地整治或高标准农田建设时，将此类田块与周边田块合并或者增建田间道路等，提高耕作便利度。

(4)不便利

该级别田块面积很少，仅为田块总面积的0.26%；平均田块面积也最小，仅为0.10 hm2/个；零散分布在远离村庄地区，不适宜机械化耕作。未来可以考虑将该级别的田块退耕还林或者发展成园地等对机械化耕作依赖较少的农业利用方向，提高田块的经济收益。

4 结论

(1)将耕作便利度界定为：在农田耕作过程中影响农业机械耕作效率发挥的程度，包括田间机械作业效率和居住地到田间地头的机械通行效率2方面。

(2)从土地平整、集中连片、交通便利和其他条件等4方面构建了耕作便利度综合评价模型，并结合农业机械化耕作实际探索了连片度、耕作距离、田间道路通达度3个关键指标的快速获取方法。其中，连片度同时考虑了影响机械通行的障碍要素以及农田连片程度对机械化规模化耕作的影响；耕作距离反映了居民点到达田块的实际通行路径以及不同等级道路对机械通行效率的影响；田间道路通达度综合考虑了田块与田间道路的直接通达性以及不同等级道路对农业机械的实际运输能力。

(3)评价结果表明，研究区农田耕作便利度整体较好，82.41%的耕地处于非常便利(25.89%)和比较便利(56.52%)的级别，平均地块面积大，集中连片且交通便利，是发展高效农业、推广机械化耕作的最适宜区域；而一般便利和不便利级别的田块平均面积较小，分布分散且远离村庄，不利于机械化耕作和规模效益的发挥。

(4)提出的耕作便利度评价方法对耕地质量评价与高标准建设项目选址等有一定指导意义。随着大型农业机械装备的研发应用和主要农作物全程机械化生产的推进实施，可结合土地整治、高标准农田建设等实践，按地理区位、作物类型进一步完善影响因素和评价指标体系，以推进该研究的科学性和严谨性。