基于耕地连片性基本农田划定研究分析

武文迪，张永福，2*

(1.新疆大学资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐 830046；2.新疆大学绿洲生态教育部重点实验室，新疆乌鲁木齐 830046)

划定基本农田是保护耕地、合理控制城镇化弹性增长的一个重要方式，是保障粮食安全的基础，建立高标准永久基本农田已广泛应用于耕地质量、耕地数量、环境生态监测等研究[1]，耕地的综合质量评估能反映基本农田的优劣[2]，因此，在土地资源较为丰富、稀缺水资源灌溉的边缘西北地带，合理划定基本农田对城镇化发展和保护耕地达到平衡点具有重要意义。

目前，国内学者基于GIS技术对耕地综合质量评价进行深入研究，其中利用美国土地评价与立地分析思想(LESA)评估耕地综合质量是目前常用方法，应用立地分析评估特殊农业利用的地块经济的研究旨在克服土壤潜力与生产力的影响与消除耕地“划劣不划优”“划远不划近”等问题，构建最优阈值，达到高标准建设基本农田的目的[3]。

对此，2008年我国提出永久基本农田及其意义，并于2015年3月国土资源部办公厅、农业部办公厅联合下发《关于切实做好106个重点城市周边永久基本农田划定工作有关事项的通知》(国土资发〔2015〕14号)，2016年8月国土资源部农业部联合下发了《关于全面划定永久基本农田实行特殊保护的通知》(国土资规〔2016〕10号)，从划定永久基本农田的重大意义、总体要求、统筹划定和规划调整完善工作、落实全面划定各条任务、实行特殊保护、落实工作责任等方面提出具体措施和要求[4]。基本农田是高产优质耕地，是耕地中的精华。保障基本农田的数量和质量对保护耕地和稳定粮食生产具有重要意义[5]。目前国内学者借鉴美国土地评价与立地分析思想LESA[6]，根据自身限制条件和耕地质量更新成果，从自然质量相关因素及其立地条件因素中选取指标建立基本农田指标体系的研究较多，集中在耕地的自然地理属性[7]和社会经济条件[8]等方面，在地理空间差异分布方面的研究相对较少，并且较少考虑耕地的集中连片度，或者仅作为耕地综合质量评价的方面，并未从整体上考虑高标准基本农田建设中的耕地连片性。该研究从耕地连片度的角度，结合耕地综合自然质量及空间分布差异情况，构建巩留县基于耕地连片度的高标准基本农田方法。

1 研究区概况

巩留县坐落在新疆维吾尔自治区伊犁哈萨克自治州境内，位于新疆伊犁河上游南侧，那拉提山和伊什格力克山北麓，81°34′～83°35′ E，42°54′～43°38′ N。巩留县属于天山山区，山地面积占全县面积的76.51%，除山地外，较宽广的平原区及镶嵌在东南那拉提山间的莫乎尔小谷地占全县总面积的21.39%。全县地势呈东南高，西北低，海拔766～4 079 m。该县位于伊犁河谷东南边缘，具有典型的山谷地特征，东部有利的地理位置和地形使该县能接受大量的大气降水，成为该县地面径流的主要来源，而西部受地形影响相差很大，成为该县最缺水的干旱区。根据2014年巩留县统一更新土地利用现状转换的规划数据，巩留县土地总面积382 535.07 hm2。其中农用地355 810.53 hm2，占土地总面积93.01%；建设用地1 033.18 hm2，占土地总面积的2.70%；其他土地面积16 386.36 hm2，占土地总面积的4.28%。

2 数据获取

数据来源于2009年巩留县第2次国土资源调查数据获取地类信息，2014年巩留县土地利用变更数据，2012年巩留县农用地分等数据，巩留县2014年1∶10 000土地调查成果图、巩留县行政区划图、巩留县2013年线状地物分布图，包括道路、沟渠等；地形图等成果文件以及相关农业统计资料。主要采用GIS工具对上述数据进行处理。

3 研究方法

3.1耕地综合质量评价体系以巩留县土地利用总体规划数据及农用地等级成果数据为基础数据，通过引入景观生态指标，应用GIS平台的空间数据处理功能获取指标数据，基于GIS平台的缓冲功能，模拟设定不同阈值时连片性的变化；识别耕地连片的最优阈值，构建基本农田连片网络，采用多因素加权模型法对耦合耕地综合质量与耕地连片度最佳阈值进行叠合，建设基本农田划定保护区域。

基本农田范围边界划定根据前人的研究基本分为2类[9]，一般是以耕地地块为基础单元，或者是以行政村为单元，根据因县级高标准基本农田选取注重实际可操作性必须落实到地块[10]，因此以巩留县农用地成果中划定的耕地图斑为基本评价单元，最终包含10007个评价单元。耕地入选基本农田，应将自然区位条件好、水利设施配套、集中连片、产量高且优质的耕地划入基本农田，内部因素主要从考虑耕地自然状况和生态条件，包括表层土壤质地、有机质含量、盐渍化程度、有效土层厚度等，耕地生态条件是指在不同的外界环境作用下，有效防止水土流失，能抵御自然灾害[11]，并且保持耕地质量稳定的能力，包含地形坡度、洪涝灾害率、田块规整度等；外部影响因素是指耕地的立地环境特征[12]，包含排水条件、灌溉保证率、与中心城镇距离、道路通达度等。该研究从自然质量、区位条件、生态景观3个方面构建标准基该农田建设的耕地综合质量评价指标体系。采用层次分析法和灰色模型法共同确定各评价指标的权重，具体数值由一级指标权重和二级指标权重的乘积得到，结果见表1。

表1 耕地综合质量评价指标体系

3.2耕地连片度计算模型地块连接性通常被区分为结构连接度和功能连接度[9]，某一等级或等级区间地块的相连程度，两地块在空间上相隔的距离越小，其连片性越高，当其距离小于一定阈值时，则可认为其是连片的[13]。该研究是在巩留县农用地等级数据成果上(均在9～12等质量范围内)，将基本农田建设中的“耕地连片性”定义为图斑与图斑的空间相连程度，运用空间相连性算法进行局部耕地连片度计算，并且为了更好地识别全区连片性随d变化的情况，引入景观生态指标，借助GIS平台的空间数据处理功能获取指标数据，设计基于景观生态指标的定量化连片性评价模型确定最优阈值，确定耕地最大的连片程度。

3.2.1基于景观生态指标的连片性评价模型。首先要将地块根据基本农田地块等别的阈值赋值[14]，然后对全区的各地块(即像素)进行相连性计算[15]，引入景观生态指标构建连片性评价模型。通过借助GIS平台的空间数据处理功能获取指标数据，设计基于景观生态指标的定量化连片性评价模型[16]。

根据需要，选择用来描述同类景观要素斑块、空间关系的4个景观生态指标数作为评价指标，定量描述基本农田的连片性，其公式如下：

(1)斑块平均面积(A)：反映基本农田保护区地块规模的平均水平。

A=S/n

(1)

式中，S基本农田总面积，n为图斑总数。

(2)斑块边界密度(D)：即图斑总周长与总面积的比值，反映分割程度和破碎化程度。

D=C/S

(2)

式中，C为图斑总周长，S为基本农田总面积。

(3)最大斑块指数(I)：即最大图斑面积占基本农田总面积的比例。

I=Smax/S

(3)

式中，Smax为最大图斑面积；S为小邻域内地块的总面积；I为最大图斑指数。

(4)图斑任意两点间最短距离平均值。

(4)

式中，Ci(k)为地块i与邻近的地块k之间最短距离，p为与地块i的邻近地块总数即某一图斑到一定范围内其他图斑的最近距离之和，除以该范围内图斑个数；结果越小，表明图斑间距越近，分布较集中。

3.2.2阈值-连片度多因素。关于基本农田质量连片度过程中连接的地块距离阈值(d)的假设。在耕地地块10007个单元里，基于GIS空间数据处理模拟，假设间隔距离在d以内的地块是相连的，即地块间的农田水利设施及农村道路等可不视为连片地块的分割物，则符合该条件的各分等单元，不论是边相连还是角相连，都自动形成连片地块，系统可以用不同的颜色和编号表示这些连片地块，从而得到高度连片地块的分布规律及方向。

d在一定范围内变动，观察d处于不同数值时连片性评价指标的变化情况。由于同一区域内地块在空间上排列方式的独特性，d在某一范围内变化会影响基本农田保护区的连片性，如果d值无限制扩大，将会影响基本农田分布，因此选择di这里把di称为最优阈值，即基本农田连片的最优距离。获取不同dx的4个景观指标数据，4个评价指标会随着阈值的变化呈现特征曲线变化，得到一个阈值连片度的关系图。为了便于分析4个指标对连片度的共同作用以识别di，需要对每一组数据进行处理构建最优阈值d0的识别模型。具体方式如下：

(1)读取指标数据，选定dx的范围基于景观生态指标的耕地连片距离确定，在范围内选择出最佳的连片阈值。

(2)运用倒数法进行指标趋同化处理，规定指标变化方向一致，公式如下：

x*=1/x

(5)

式中，x*为同趋势化变量，x为处理后的值。

(3)将4个指标进行无量纲的归一化处理，把指标数据压缩到0～1之间，公式如下：

X=(x-xmin)/(xmax-xmin)

(6)

式中，X为变量x归一化处理后的值，xmin为变量x的最小值，xmax为变量x的最大值。

(4)运用加权平均法对指标进行处理，加权平均值即将各指标乘以相应的权重，然后求和，以总的单位数得到的数值。公式如下：

(7)

式中，φi为加权平均值；aij为指标值；Wj为指标权重；i为试验次数，i=1，2，…，n；n为指标数。

(5)经过系列数据处理，可以得到一个拟合的“阈值-连片性评价加权值”关系图，观察曲线的拐点对应的阈值，即可能是最优连片距离di。

3.3高标准基本农田建设区域划分采用多因素加权求和模型[17-20]，耦合耕地综合质量和耕地连片度的计算结果确定高标准基本农田建划入设区域，如表2所示。依据加权指数法[21-24]，对每块斑块适宜性进行综合分值计算，耕地综合质量评价结果根据分值划分如下：80～90分为优质耕地、65～80分为中等耕地，低等耕地50～65分，构造基本农田耕地质量分布图；根据阈值的划分将耕地连片度按照等级分为高连片、中连片和低连片，构造基本农田耕地连片性分布图。将高、中、低分值耕地等别分别和高、中、低耕地连片度进行组合，将研究区耕地划分等级：优等包含高、中、低连片，中等包含高、中、低连片，低等包含高、中、低连片共9个分布区，将巩留县整体耕地划分为三部分，优先划入基本农田区域、重点划入基本农田区域和有条件划入基本农田区域。

表2 巩留县预选基本农田建设划区

4 结果与分析

4.1耕地连片度分析

4.1.1筛选耕地连片。据巩留县2014年耕地质量等级成果年度变更成果中国国家级利用等，将巩留县耕地质量分为3个等级质量等级在9～12级的农用地块(图1)，获得巩留县2014年优质农用地质量分等数据，可以看出该地区利用等等级较低土质较好的农用地主要集中在巩留县的北部、东部以及东南和南部。巩留县农用地面积355 810.53 hm2，经过筛选耕地地块数共10 007块，全县耕地地块面积57 587.38 hm2，最大地块面积360.01 hm2，地块面积标准差35.62，总周长13 396.606 km，任意两点间最短距离平均值是53.65 m。

图1 巩留县2014年优质农用地质量分布Fig.1 Distribution of high quality farmland in Gongliu County，2014

4.1.2调整连片度阈值dx。以巩留县2014年优质农用地空间数据作为基础数据，根据研究区农用地分布情况确定调整阈值d的数值变化区间为0～60 m；并进行60次试验，每次试验调整阈值变化跨度为1 m；并试验记录4个评价指标的数值，共获得60组初始试验数据。阈值d由0～60 m的变化过程中距离较近地块中最大地块指数的试验数据变大，任意两点间最短距离平均值指标则呈现变小趋势。当d取60 m时，地块数减少到3 502块，最大地块面积5 809.24 hm2，标准差增加到102.33，总周长为9 654.65 km，任意两点间最短距离的平均值44.95 m。

将试验得到的60组指标数据经同趋势化、归一化处理，得到巩留县的“阈值-连片度多因素”关系图(图2)。巩留县对4个指标赋予相同权重，平均加权拟合成最终的“阈值-连片性评价加权值”关系图(图3)。根据最终的连片性评价结果变化图，发现最优连片阈值d0处于20 m的位置耕地连片度最大。d为0～6 m时，连片性的评价值涨幅在0.1，有较小波动，当d处于6～17 m时，连片性的评价值在0.2，数据波动很小反映的耕地连片性提升幅度十分微弱；第1个拐点出现在连片距离d从18 m增大到22 m这一阶段中，连片性评价值从0.2左右提升到接近0.8，耕地连片性评价值提升了将近0.6；d在23～40 m的过程中，连片性的评价值由0.8提升到下降到0.65，d为41～48 m时连片性评价值出现第2次增长从0.65提升到0.88，d处于49～60 m时连片性评价值0.85趋近于0.98，对于出现的3次增长，相较于第1次增长，后2次对连片性的改善能力只有前者的38.3%和21.67%，而连接距离接近后者的3倍多对巩留县实施集中连片为目标的基本农田建设，当连接间距范围在60 m内时，可以将耕地划入区间距离小于20 m相邻地块进行连接；间距大于20 m的地块，进行局部连接可以再次提升基本农田保护区连片性。

图2 巩留县农用地连片性评价指标变化Fig.2 Index variation of connectivity evaluation in Gongliu County

图3 巩留县农用地连片性评价结果Fig.3 Results of connectivity evaluation in Gongliu County

4.1.3确定连片度。根据试验结果，研究区调整变化阈值为20 m时会形成高度连片，大于20 m小于45 m的耕地连片为中连片，大于45 m的连片耕地成为低连片，其中高连片耕地面积为18 011.27 hm2，占耕地总面积的31.28%；中连片耕地面积26 637.54 hm2，占耕地总面积的46.25%；低连片耕地面积为12 938.57 hm2，占耕地总面积的22.74%(图4)。

图4 巩留县耕地连片度分布Fig.4 Distribution of arable land connectivity in Gongliu County

4.2耕地综合质量分析通过上述分析，巩留县耕地综合质量分值为55.53～89.32，采用自然断裂法(nature breaks)将巩留县耕地质量划分为优质地、中等地和低等地。其中，优质地面积22 292.08 hm2，占耕地总面积的38.71%；中等地面积28 845.52 hm2，占耕地总面积的50.09%；低等地面积6 449.78 hm2，占耕地总面积的11.20%，巩留县总体耕地质量较高，适宜高标准基本农田建设，结果如图5所示。

巩留县从行政边界范围直观的可分为两部分，从空间分布上耕地主要集中分布在巩留县东北部和中部，东南部耕地面积较小，南部西部分布着大片的天然草场、水库和林地，分割了耕地，占据大部分面积。巩留县优质耕地主要分布在阿尕尔森乡、东买里乡、牛场、库尔德宁镇和良繁场，这些乡镇场的地势因大吉尔格朗河、小吉尔格朗河和南山水系的分布，所以耕地自然质量较好，土壤质地多为壤土，有效土层较厚，且地势平坦，灌溉和排水条件设施完备。中等地分布在全县各个乡镇场，其中在东买里乡西部、综合农场与阿克吐别克乡分布面积较为集中。低等地主要分布在2个区域，一是吉尔尕朗乡的沙尕村附近区域，该区域耕地坡度等级大于25°，耕地质量较差；二是提克阿热克乡区域，基础水利设施条件差，并且位于本县西部受地形影响缺水，灌溉条件不利于农业生产。将巩留县耕地综合质量与连片性进行叠合分析(表3)，优质耕地的高连片和中连片的耕地面积占优质耕地的86.43%，差等地的低连片和中连片区域占低等耕地的76.85%，巩留县优质耕地集中分布在高连片和中连片区域，中等地在中连片分布较为集中，在高连片和低连片分布较为平均，低等地在低连片区域分布较为集中，这与巩留县耕地综合质量的相关性一致。

4.3高标准基本农田划入建设分区依据多因素加权求和模型耦合耕地质量与连片度将巩留县耕地划分为优先划入建设基本农田、重点划入建设基本农田和有条件划入建设基本农田3种区域，结果见图6和表4。优先划入建设基本农田保护区包括优质—高连片、优质—中连片、中等—高连片3种区域，主要分布在阿尕尔森乡、塔斯托别乡和东买里乡，基本农田划入顺序首先应该是优质—高连片，这部分地块可直接划入标准基本农田；其次是中等—高连片，该部分是与优质地连片的中等地划入建设难度小，并且与周围优质地形成大片的集中连片的标准基本农田，最后是优质—中连片，该地块耕地整体质量优良，但周围耕地质量一般，划入后可与其他耕地连成一片，属于优质地聚集区耕地质量好且连片度高，并分布在城镇周边，可优先划入建设为标准基本农田。重点基本农田划入建设区域包括3种区域，即优质—低连片、中等—中连片、差等—高连片，3种区域在巩留县各乡镇场均有零散分布，并且因耕地质量或连片性某一方面功能性不足的区域。建议划入基本农田顺序应先为中等—中连片区域，该地块是中等地集中区，是高标准基本农田划入潜力最大的区域；其次，优等—低连片区域，该区域在本县占地面积较少，一般为低等地被优质和中等地包围的区域，整理后可大幅提高整体的耕地质量和连片性；第三是差等—高连片区域，该地块分布的耕地十分琐碎，或者被差等地所包围，不利于划入高标准基本农田建设。有条件的建设区域包括中等—低连片、差等—中连片、差等—低连片，这部分区域空间分布较为细碎和零散，主要分布在县西部的阿克图别克乡和吉尔尕朗乡。划入基本农田顺序应首先是中等—低连片区域，该区域是与中等地相连的差等地；其次是差等—中连片和差等—低连片区域，三部片区域属于基本农田划入最后考虑的范围。

图5 巩留县耕地综合质量Fig.5 Comprehensive quality of farmland in Gongliu County

等别Grade 高连片High land connectivity面积Area∥hm2比例Proportion∥%中连片Middle land connectivity面积Area∥hm2比例Proportion∥%低连片Low land connectivity 面积Area∥hm2比例Proportion∥%全县Countyhm2优质地High quality land 8 176.7336.6811 090.3149.753 025.0413.5722 292.08中等地Middle quality land 8 457.5129.3213 075.6745.337 312.3425.3528 845.52差等地Low quality land 1 377.0321.352 471.5638.322 601.1940.336 449.78 总计Total18 011.2731.2826 637.5446.2512 938.5722.7457 587.38

表4 基本农田划区建设汇总

5 结论

(1)县域通过引入4个生态指数共进行60组耕地连片度的试验结果可直观地发现，巩留县耕地分布连片较集中在北部和东部，耕地在西部和南部分布较为琐碎零散，d20 m时，会最大程度形成连片。其中，高连片耕地面积为18 011.27 hm2，占耕地总面积的31.28%；中连片耕地面积26 637.54 hm2，占耕地总面积的46.25%；低连片耕地面积为12 938.57 hm2，占耕地总面积的22.74%。

(2)巩留县耕地总体质量较高，优质耕地面积22 292.08 hm2，并且87.34%是高连片和中连片区域，占耕地总面积的38.71%；中等耕地面积28 845.52 hm2，占耕地总面积的50.09%；差等耕地面积6 449.78 hm2，并且84.56%是低连片和中连片区域，占耕地总面积的11.20%。优质地主要分布在北部的牛场、中部的提克阿热克乡和东部的阿尕尔森乡较为集中；差等地在西部及各乡镇较散分布。这与耕地综合质量的空间分布相一致。

图6 基本农田划区分布图Fig.6 Distribution of prime farmland

(3)采用多因素加权指数将全县耕地划分为优先基本农田划入建设区域、重点基本农田划入建设区域和有条件基本农田划入建设区域，优先划入建设基本农田耕地面积27 724.55 hm2，占耕地总面积的48.14%；重点划入建设基本农田耕地面积17 477.74 hm2，占耕地总面积的30.35%；有条件划入建设基本农田耕地面积12 385.09 hm2，占耕地总面积的21.48%，其中每种划入保护区域包括3种类型，分析各类型的划入先后顺序。表明该方法明显提高了标准农田建设划区的耕地连片度，可为基本农田调整提供科学技术理论支持。