县域高标准基本农田建设适宜性评价与优先区划定

汤 峰，徐 磊，张蓬涛※，张贵军，付梅臣，张俊峰

（1.中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京 100083；2.河北农业大学国土资源学院，保定 071001； 3.中南财经政法大学公共管理学院，武汉 430073）

0 引 言

随着中国工业化和城镇化的快速发展，耕地数量急剧减少[1]，国家粮食安全受到威胁。针对此，中国先后开展了一系列的战略举措，其中以农村土地整治及中低产田改造为抓手，开展大规模高标准基本农田建设，已成为重要突破口之一[2-4]，并于“十二五”和“十三五”规划对建设高标准基本农田做出一系列部署，使之成为未来一项长期系统工程。目前部分地区在开展高标准基本农田建设时，还存在诸如建设区域不明确、时序不明晰、项目选址不科学等问题[1]，如何科学评价区域高标准基本农田的建设适宜性并科学合理的划定建设区域，仍是当前及今后一段时期内高标准基本农田建设相关研究的重要课题之一[5]。

高标准基本农田是指在一定时期内，通过土地整治形成集中连片、设施配套、高产稳产、生态良好、抗灾能力强，以及与现代农业经营方式相适应的基本农田[6]。目前关于高标准基本农田的相关研究主要涉及建设适宜 性[7-8]、区域划定方法[9-10]、建设时序安排[11-12]、合理布局与建设模式[13-14]、潜力估算[15-16]及建设后效益[17-18]等方面。其中，针对高标准基本农田的建设适宜性及建设时序方面的研究，学者们主要是通过构建评价模型和指标体系重点解决选址的问题，虽然进行了较为深入的探讨，但仍存在一些不足之处：从评价指标的选取看，主要集中在以耕地质量、立地条件为主的自然因素和以基础设施、区位条件为主的社会经济因素上[19-22]，而生态环境方面的因素考虑较少；评价方法上几乎都涉及到指标权重的确定，或使用德尔菲法[23]、层次分析法[24]等主观确权法，或使用熵值法[25]等客观确权法，或使用主客观相结合[26]的确权法，使得评价结果或多或少受到人为因素的干扰，而不涉及权重的评价方法使用极少；评价单元主要集中在网格单元[27]、耕地图斑[28]和行政村单元[12]3 种上，然而网格单元存在人为割裂地块，评价结果不易落地的缺陷，耕地图斑单元数量多破碎化程度高，而行政村单元尺度较大，内部田块特征的差异性考虑不足，若把行政村范围内的全部耕地作为建设区误差较大。本文主要从实践操作层面探讨如何选用合适的研究单元和方法，科学合理地评价县域尺度高标准基本农田建设适宜性及科学选址的问题。

鉴于此，本文以典型的滨海平原区河北省昌黎县为研究区域，以永久基本农田图斑为评价单元，从自然质量、社会经济、生态环境等角度出发综合构建指标体系，利用无需权重的改进突变级数模型进行建设适宜性评价，并结合热点分析法划定建设优先区，以期为县域高标准基本农田建设和相关土地整治工作提供科学的参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

昌黎县（39°25′—39°48′N，118°45′—119°20′E）位于河北省东北部，属暖温带半湿润季风性气候，地形起伏较小，大致由西北向东南倾斜，总面积为1 212.4 km2。截止2018年末，昌黎县下辖11 个镇、5 个乡、1 个城郊区，共446个行政村，人口56.4 万。县域内地势平坦，且水系发达，地表水资源丰富，为农业的发展提供了良好的资源和自然地理环境。长期以来，随着经济社会的快速发展和人口数量的稳定增长，昌黎县建设用地迅速扩张，耕地面积持续萎缩，根据昌黎县土地利用变更调查数据显示（图1a）：2016 年耕地面积为63 065.69 hm2，占全县土地总面积的52.02%，较2009 年减少1 804.09 hm2。总体来说昌黎县的耕地总量和平均单产属于中等偏下水平，且后备土地资源不足，随着京津冀一体化的推进和“全面二孩”政策的实施，该县域的经济和人口总量在相当长的一段时期内仍呈持续增长态势，经济社会发展和耕地保护矛盾依旧突出，总体粮食安全前景不容乐观。2017 年昌黎县在上一轮基本农田成果基础上通过调出低质量及建设占用耕地调入连片优质耕地，最终划定永久基本农田50 500.48 hm2（图1b），占全县耕地面积的80.08%，成为秦皇岛市永久基本农田保有量最多的县（区）。作为秦皇岛市的“粮袋子”，如何在现有永久基本农田成果的基础上建设一大批高标准基本农田以确保粮食安全已成为当下昌黎县亟待解决的重要课题。

图1 昌黎县2016 年土地利用类型及永久基本农田空间分布 Fig.1 Spatial distribution of land use types in 2016 and permanent basic farmland in Changli County

1.2 数据来源

本文所用的数据来源主要包括4个方面：1）2016年土地利用变更数据、2015年耕地质量等别更新数据、2017年永久基本农田划定数据均来源于昌黎县自然资源和规划局； 2 ） 坡度数据从地理空间数据云平台（http://www.gscloud.cn/）下载的30m分辨率DEM数据中提取生成，土壤数据来源于中国科学院南京土壤研究所（http://vdb3.soil.csdb.cn/）的全国1∶100万土壤分类数据库；3）社会经济数据来源于2016年《昌黎县统计年鉴》；4）土壤样品数据来源于作者所在课题组2014年10月下旬和2015年6月中旬采集的两批样品共635个，样品采集及检测过程与方法详见张贵军等[29]的研究成果。

2 研究方法

2.1 评价单元选取

高标准基本农田的建设要求各项建设须落实到地块，与网格单元和行政村单元比较地块单元具有明显优势。昌黎县永久基本农田划定时基本考虑到地块的质量及连片状况，将保护地块责任落实到户，与耕地图斑相比较，多数永久基本农田图斑具有质量更优、连片度更高、数量更少、权责主体明确的优势。综合考虑，本文以永久基本农田图斑作为基本评价单元，最终确定3 547个评价单元，总面积50 500.48 hm2。

2.2 评价指标体系构建

依据农业区位论、地租理论以及生态服务价值等理论[5]，在明晰高标准基本农田概念的基础上，参考大量相关研究成果[5,7-28]，结合昌黎县实际情况，从自然质量、社会经济条件和生态环境3 个层次出发，从地力质量、空间质量、区位条件、基础设施、经济水平、生态质量、环境状况7 个方面入手，构建高标准基本农田建设适宜性评价指标体系（表1）。

地力质量相关指标参考昌黎县耕地质量等别更新技术规范的指标分级赋分规则实现量化（表2）。空间质量的指标层中，图斑规模利用永久基本农田图层的面积字段获取；图斑规整度利用斑块形状指数[30]获取；坡度通过DEM计算获取平均水平。区位条件指标层中，图斑到交通干线距离用缓冲区分析与叠加分析获取，图斑到农村居民点距离和城镇距离用邻近分析获取。基础设施指标层中，灌溉保证率参考昌黎县耕地质量等别更新技术规范中指标分级赋分规则进行量化（表2）；田间道路密度利用田间道路图层与永久基本农田图层叠加后，单位面积图斑内道路长度来表示；沟渠密度获取方法与田间道路密度相同。经济水平通过统计年鉴分别得到分乡镇人均GDP和分村人均纯收入，再分别以乡镇和村为单位进行属性赋值获取。生态用地覆盖率从土地利用现状图中分村选取林地、草地和水域这3类主要生态用地来计算，再以村为单位进行属性赋值获取；土壤可蚀性K值通过在全国1∶100万土壤类型数据上提取昌黎县土壤类型数据，借助EPIC模型计算得到；土壤污染程度选择As、Hg、Cu、Zn、Ni、Pb、Cd、Cr共8种重金属利用内梅罗综合指数[31]计算得到。

表1 昌黎县高标准基本农田建设适宜性评价指标体系 Table 1 Construction suitability assessment index system of high standard basic farmland in Changli County

表2 高标准基本农田建设适宜性评价部分指标分值标准 Table 2 Indicators score standard of construction suitability assessment of high standard basic farmland

2.3 建设适宜性评价模型

突变理论用势函数来描述系统的状态[32]。势函数有7种基本突变模型，其中，折叠突变、尖点突变、燕尾突变和蝴蝶突变在多目标综合评价中较常用（表3）。

突变级数模型对于多指标综合评价研究无需确定权重，却通过归一公式的内在机制考虑了指标相对重要性，具有客观科学、计算简便等优点[32]。然而，大量研究实例表明，该方法得到的初始突变评价值普遍偏高，不能直观反映出优劣方案间的差距，为克服此缺陷，部分学者采用符合突变评价模型运算特点的幂函数作为拟合函数，对突变评价值进行拟合，得到改进的突变评价值，这种改进突变级数模型使评价结果的差距扩大，有助于方案的选择[33]。基于此，本文运用改进突变级数模型评价昌黎县的高标准基本农田建设适宜性。计算步骤如下：

1）构建分层递阶式评价指标体系并排序。本文构建高标准基本农田建设适宜性评价指标体系包含决策层、目标层、准则层和指标层，共18 项指标，并运用SPSS19.0 进行主成分分析实现指标重要性的排序（见表1）。

2）指标标准化处理。底层指标原始数值相差很大且量纲各不相同，为便于指标数据间相互比较，在运用突变模型计算前，需进行标准化处理，得到［0，1］上的初始隶属度值，公式为

对于正向指标：

对于负向指标：

式中xij为第j 个单元第i 个指标标准化后的初始隶属度，yij为指标原始值，yimax为第i 个指标的最大值，yimin为第i 个指标的最小值。

3）计算初始突变评价值。根据突变模型相关规则和评价指标体系不同层级特征逐层分解，按上级指标包含的下级指标数量匹配表3 中不同突变类型控制变量维数来确定每个上级指标计算使用的突变类型，例如地力质量由表层土壤质地、有机质含量、剖面构型和盐渍化程度4 个指标构成，那么在计算地力质量的的突变值时选择蝴蝶模型，而自然质量适宜性由地力质量和空间质量2 个准则变量构成则使用尖点模型来计算自然质量适宜性突变值，依此判断得到不同层级指标的突变类型，构建昌黎县高标准基本农田建设适宜性评价的递级突变模型（图2）。

图2 高标准基本农田建设适宜性评价的递级突变模型 Fig.2 Hierarchical mutation model of construction suitability assessment of high standard basic farmland

表3 突变模型的势函数及归一公式 Table 3 Potential function and normalization formula of catastrophe model

4）构造拟合函数。令所有评价指标体系底层指标的隶属度值均为xi，xi分别取值0、0.01、0.025、0.04、0.05、0.075、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0，代入归一公式求得对应突变综合评价值 yi( i = 1，2，…16 )；在 xoy 平面上点绘 (xi，yi)，采用幂函数（y = axb）进行拟合，得到二者的拟合函数关系式（表4）。

表4 初始突变评价值与底层指标隶属度值的拟合函数 Table 4 Fitting function of initial mutation evaluation value and underlying index membership value

5）计算改进突变评价值。将步骤3）所求各评价单元的初始突变评价值当做y 带入拟合函数，求得对应的x值即为改进后的昌黎县高标准基本农田自然质量、社会经济、生态环境和综合适宜性的突变评价值。

2.4 优先区划定方法

高标准基本农田不仅要求耕地质量优越，还要求集中连片以满足农业机械化耕作和方便管理的需求，所以在进行建设选址时应该在优质耕地的基础上，考虑地块适宜性的空间集聚特征，只有空间上集聚的地块才更方便进行高标准基本农田建设。本文在适宜性评价基础上通过热点分析得到适宜性高值和低值要素在空间上发生局部聚类的位置，显著的热点区域是本文中所要寻找的聚类区域，这些区域图斑综合适宜性较高且在空间上呈现集中连片分布，应进行优先建设[34]。采用Getis-Ord Gi*指数法进行热点分析，得到改进的综合适宜性突变评价值的“热点”与“冷点”分布格局，依此划分高标准基本农田建设区，计算公式[35]为

式中Gi*为统计Z 得分；xj为评价单元j 的综合适宜性得分；wij为评价单元i 和j 的空间权重；n 为评价单元个数；为指标得分均值，S 为指标的得分标准差。

利用热点分析法对综合适宜性得分进行局部聚类，所得结果共分为7 个级别，其中高高相邻、高中相邻聚类区内的图斑综合适宜性最好，划分为一级优先建设区；高低相邻、中中相邻、无显著性聚类区内的图斑综合适宜性较好，划分为二级优先建设区；低低相邻，低中相邻聚类区内的图斑综合适宜性最差，划分为三级优先建设区。

3 结果与分析

3.1 建设适宜性分析

3.1.1 子系统适宜性

利用改进突变级数模型测算自然质量、社会经济和生态环境3 个子系统的建设适宜性（图3a～图3c），发现不同建设要素适宜性具有明显的空间分异特征。自然质量适宜性呈现高低值区交错分布、高值区包围低值区的特征；其中高值区较为均匀地分布在各乡镇，而低值区集中分布在中部七里海河沿线地带，是昌黎县沙地的集中分布区域，土壤综合质量较低，故图斑自然质量适宜性较差。社会经济适宜性呈现县域东部和西南部偏高，而东南部和西北部地区相对较低的特征；其中高值区集中分布于昌黎县三大主要水系的下游地带，由于灌溉水源充足基础设施较好，国道和主要县道的贯穿，区位条件十分优越；低值区零星分布在远离交通干线和农村居民点的地区，该区内农业耕作与管理不便，建设适宜性较差。生态环境适宜性空间分布格局较为分散，但南部地区整体高于北部地区，东部靠近国有林场附近以及西南部河流上游地带的生态环境适宜性较高。

3.1.2 综合适宜性

基于自然环境、社会经济和生态环境的指标体系评价建设适宜性，测算高标准基本农田建设综合适宜性分值，根据自然断点法将其划分为完全适宜、基本适宜、临界适宜、基本不适宜和完全不适宜5 个等级（图3d），同时统计各个等级区的面积。

1）完全适宜区。适宜性值为[0.459,0.661]，平均值为0.554，面积和单元个数为13499.01 hm2和504 个，占永久基本农田图斑总面积和总数量的26.73%和14.21%；空间上主要分布在滦河及饮马河沿河地区、国道及县道沿线地带，呈连片集中式分布格局。该区域地形起伏度极小，空间延展性强，从面积占比和单元个数占比来看，图斑连片度明显高于其他地区，土壤综合质量亦高于其他地区；由于邻近昌黎县主要水系，灌溉水源充足，加之近年来政府加大对基本农田的建设投入，田间道路以及沟渠的配置程度也都明显优于其他地区；同时秦滨高速和205 国道均贯穿该区，附近乡镇与农村居民点集聚明显，社会经济区位优势突出。

2）基本适宜区。适宜性值为[0.396,0.459)，平均值为0.426，面积和单元个数为14486.56 hm2和996 个，占永久基本农田图斑总面积和总数量的28.69%和28.08%；空间上主要分布在县道及乡道沿线地带、中南部农村居民点附近，呈集中与零散镶嵌式分布格局。基本适宜区图斑大都镶嵌分布于完全适宜等级图斑周围，从面积和单元个数占比来看，图斑破碎度较高，空间集聚程度较差，同完全适宜等级相比较，基本适宜区综合适宜性条件稍逊，但是与其他地区相比优势仍然明显。

3）临界适宜区。适宜性值为[0.333,0.396)，平均值为0.366，面积和单元个数为11799.36 hm2和973 个，分别占永久基本农田图斑总面积和总数量的23.36%和27.43%；空间上主要分布在滦河附近、西北和中南部分乡道周边，呈小面积组团零散式分布格局。临界适宜区适宜条件介于适宜与不适宜等级之间，属于过渡区间；该等级图斑分布范围广泛，距离农村居民点、主要交通干线稍远，社会经济条件较差，但与不适宜区相比综合优势仍然突出。

4）基本不适宜区。适宜性值为[0.251,0.333)，平均值为0.299，面积和单元个数为7311.31 hm2和570 个，分别占永久基本农田图斑总面积和总数量的14.48%和16.07%；空间上主要分布在七里海河流域沙土带、东南滦河出海口，呈集中与零散镶嵌式分布格局。虽然集中于七里海河流域的图斑连片度较高，但由于地处沙土带土壤综合质量差，而零散分布的该等级图斑分布地区均较为偏远，受城镇和主要交通干线辐射影响较小，社会经济条件差。

5）完全不适宜区。适宜性值为[0.047,0.251)，平均值为0.196，面积和单元个数为3404.24 hm2和504 个，分别占永久基本农田图斑总面积和总数量的 6.74%和14.21%；分布格局较为零散，主要分布在七里海河流域沙土带，集中于龙家店和城郊区委等镇。该等级图斑分布范围最小，图斑破碎度最高，虽然有部分图斑集中于七里海河沿线地带，但受沙土带的影响自然质量差，若想建设高标准基本农田必须进行土壤结构改良，投入大成效慢，因此完全不适宜开展高标准基本农田建设。

3.2 建设优先区分析

3.2.1 空间集聚性

高标准基本农田建设追求集中连片、方便管理的目标，所以在选址时除了考虑自然质量、社会经济以及生态环境条件，还要考虑图斑综合适宜性的空间聚类特征。由图4a可知，昌黎县高标准基本农田建设综合适宜性空间聚类以高高相邻和无显著性为主，这两种类型面积和单元个数总占比均超过61%，主要分布在县域中部和南部地区；低低相邻集聚类型面积较大，占总面积23.29%，涉及单元个数也较多，占单元总数的22.83%，主要分布在县域西北部、东南部和中偏北部地区；高中相邻、中中相邻、高低相邻和低中相邻这4种集聚类型面积均较小，零星分布在县域各处。

图4 昌黎县高标准基本农田建设优先区划定 Fig.4 Construction priority zone delineation of high standard basic farmland in Changli County

3.2.2 建设时序

在空间聚类分析基础上，根据2.4 的划分规则得到昌黎县高标准基本农田建设优先区空间分布（图4b）。

高标准基本农田建设一级优先区综合适宜性得分为[0.196,0.661]，平均得分0.484，空间上具有显著高值聚集特征，共有图斑单元1221 个，占单元总数的34.42%，总面积16301.53 hm2，占比32.28%；主要分布在靖安镇东南部与新集镇西部、泥井镇中南部与刘台庄镇北部、荒佃庄镇中南部与茹荷镇西部、葛条港乡中部等地区。将一级优先区与综合适宜性等级空间分布图叠加分析（图4c），发现超过60%的一级优先区图斑位于完全适宜等级区内，33%的图斑位于基本适宜区内，不足7%的图斑位于临界适宜区。一级优先区综合质量高、建设适宜性强、空间高值聚类明显，土地整治难度小，应优先划入高标准基本农田建设区域，严格禁止非农建设，可在最短的时间内建成高标准基本农田。虽然一级优先区总体条件优越，但内部不同区域之间存在较明显的差异，靖安镇东南部和新集镇西部地区的基本农田自然质量略低于其他地区，主要由于土壤有机质含量较低，在未来开展整治工作时应注重采取增施有机肥、推广秸秆还田、种植绿肥等多种手段提高这一区域基本农田的有机质含量；而荒佃庄镇南部和茹荷镇西部地区的基本农田基础设施条件略差于其他地区，未来在这一区域应重点开展田间道路工程和灌溉排水工程，增加田间道路密度和沟渠密度，完善基础设施。

高标准基本农田建设二级优先区综合适宜性得分为[0.109,0.604]，平均得分0.369，空间上高值聚集性不够显著，共有图斑单元1318 个，占单元总数的37.16%，总面积19516.84 hm2，占比38.65%；二级优先区围绕在一级优先区周边，主要分布在安山镇东南部与龙家店镇北部、马坨店乡中南部和新集镇东部、靖安镇西部、刘台庄镇中南部、城郊区委东部和葛条港乡中部、大蒲河镇西北部等地区。将二级优先区与综合适宜性等级空间分布图叠加分析（图4c），发现二级优先区图斑主要位于基本适宜等级区内，部分位于完全适宜等级区内，也有一部分位于临界适宜和基本不适宜等级区内。与一级优先区相比，二级优先区综合质量较差，空间高值聚类不明显，土地整治难度较大，但仍具备一定的高标准基本农田建设条件，只是需要较多投入资金和人力，在建设时序上应该后移，可在一级优先区建成高标准基本农田以后，综合考虑财政支持和实际需要再进行建设。二级优先区内部差异明显，安山镇东南部、马坨店乡中部的基本农田灌溉条件较差，靖安镇和朱各庄镇西部的基本农田田间沟渠密度极低，未来在这些区域应重点加强灌溉排水工程建设，提高基础设施条件；龙家店镇北部和大蒲河西北部的基本农田土壤重金属污染较为严重，其中主要是镍污染，未来在这些区域应重点开展土壤修复工作；此外二级优先区内普遍存在土壤有机质含量偏低的现象，极大降低了土壤肥力，未来应采取增施有机肥、推广秸秆还田、种植绿肥等多种手段提高基本农田的有机质含量。

高标准基本农田建设三级优先区综合适宜性得分为[0.047,0.518]，平均得分0.289，空间上具有显著低值聚集性，共有图斑单元1008 个，占单元总数的28.42%，总面积14682.11 hm2，占比29.07%；主要分布在安山镇西部、龙家店镇南部与马坨店乡北部、城郊区委南部与泥井镇北部、茹荷镇东部等地区。将三级优先区与综合适宜性等级空间分布图叠加分析（图4c），发现三级优先区图斑基本上都位于完全不适宜与基本不适宜等级区内，小部分位于临界适宜等级区内。这些区域图斑综合质量差、不具备空间高值聚类特征、各方面建设条件均不足，土地整治难度大，短期内不宜建设高标准基本农田，但是作为永久基本农田的一部分，仍要加以保护防止建设占用，充分发挥农田的生产功能，并注重生态保护兼顾生态功能。三级优先区虽然各方面条件差，但若是在未来建设资金充沛的情况下，也可考虑建设为高标准基本农田，对于集中分布于七里海河沙土带的基本农田要重点开展土壤结构改良工作以提高土壤质量，位于安山镇西部的基本农田基础设施条件极差，应优先开展灌溉排水工程建设，而茹荷镇东部的基本农田位于滦河出海口容易发生洪涝灾害，需要重点开展农田防护与生态环境保护工程。

4 结论与讨论

以永久基本农田图斑为评价单元，基于改进的突变级数模型开展高标准基本农田建设适宜性评价，在此基础上利用热点分析法划定建设优先区。主要结论如下：

1）昌黎县高标准基本农田建设子系统适宜性空间分布特征迥异。自然质量适宜性高值区较为均匀地分布在各乡镇，而低值区集中分布在中部七里海河沿线地带；社会经济适宜性高值区集中分布于三大主要水系的下游地带，以及国道和主要县道的贯穿地区，而低值区则零星分布在远离交通干线和农村居民点的地区；生态环境适宜性空间分布格局较为分散，但东部靠近国有林场附近以及西南部河流上游地带的图斑生态环境适宜性较其他地区高。

2）改进突变级数模型克服了传统评价方法中指标权重的缺陷，具有客观科学、计算简便的优势，同时所得结果能够直观反映出评价单元之间的差距，利于优劣比较。通过评价可知高标准基本农田建设综合适宜性以适宜为主不适宜为辅，空间分异明显。滦河及饮马河沿河地区、国道及县道沿线地带综合适宜性最强，乡道沿线地带、中南部农村居民点附近综合适宜性次之，七里海河流域沙土带、东南滦河出海口综合适宜性最差。

3）基于热点分析划定的高标准基本农田优先区以二级优先区为主、一级优先区次之，三级优先区最少。一级优先区空间上具有显著高值聚集性，占单元总面积的32.28%，与完全适宜等级区高度重合；二级优先区空间上高值聚集性不显著，占单元总面积的38.65%，与基本适宜等级区高度重合；三级优先区空间上具有显著低值聚集性，占单元总面积的29.07%，基本位于完全不适宜与基本不适宜等级区。

运用无需指标权重的改进突变级数模型评价高标准基本农田建设适宜性，在一定程度上避免了主观干扰；以永久基本农田图斑为评价单元，计算量较小并且评价结果易于落地，责任主体明确便于开展建设，研究结果能够为昌黎县高标准基本农田建设项目选址工作提供一定参考。值得说明的是，本文主要探讨高标准基本农田选址以及时序问题，至于如何建及如何与当地土地整治工作相衔接是笔者未来研究的方向；此外，构建指标体系时，虽然综合考虑自然质量、社会经济和生态环境等因素，但是农户意愿和行为特征并未纳入指标体系，未来需要进一步开展实地调研，深入了解农户意愿和行为特征来完善指标体系。